X射线球管电子束聚焦系统设计

胡 强 王 鹏 吕向英

（北京真空电子技术研究所，北京 100015）

0 引言

X 射线管利用一束高速的电子轰击金属靶，从而激发出X 射线，高速电子束的产生和聚束是X 射线球管的关键。使用热阴极的X 射线球管，给阴极加热到2 000 ℃以上的高温时，电子游离在阴极表面，同时，在阴极和阳极之间施加100 kV 以上的电压，可使电子从阴极加速向阳极运动。当电子达到阳极位置时，其已经达到了0.7 倍光速以上的速度，然后轰击阳极靶产生X 射线。产生的X 射线通过一个X 射线透射窗口射出，从而被运用于各种场合。

医疗检测是X 射线管的一个典型用途，医疗检测设备的分辨率是一项非常重要的指标，其与X 射线球管的焦点尺寸有直接关系。减小焦点尺寸，则提高分辨率，然而这必然使得射线总功率下降，造成严重的功率损失，加上X射线球管产生的X 射线的效率很低（约为1%左右），所以提高焦点内的电流面密度就显得尤为重要。合理的电子束聚焦系统设计是保证焦点内电流面密度，提高X 射线利用率的一个有效措施，一直以来都是X 射线管设计中的重要内容，更是医疗设备性能提升的重要保障。

1 电子束聚束系统设计

聚焦极采用传统意义上的电子束聚焦方式，它通过改变阴极周围空间的电场来使电子束在产生时就趋于压缩，以抵消电子飞跃阴—阳极之间距离时的空间电荷力，达到聚束效果。传统X 射线管由于焦点尺寸较大、压缩比很小且阴—阳极之间的距离很短，仅依靠聚焦极就可以实现电子束的聚焦。但是对于新型医疗设备使用的X 射线球管来说，这种聚焦方式已经不能满足使用要求。新型医疗设备为了获得更高质量的影像，要求X 射线管的焦点更小、电流面密度更大。为了满足这些要求，X 射线管的发射面面积需要更大、电子束内空间电荷力会增大、电子束压缩比也会增大，这使得新型X射线球管的电子枪和聚焦设计比较困难。

双磁四极透镜系统为新型X 射线球管的电子束聚束提供了良好的解决方法。双磁四极透镜系统如图1 所示，包含2 个由4 个电磁线圈和铁心组成的磁四极透镜。双磁四极透镜系统安装在电子束漂移路径上，与电子束同轴、与电子枪保持一定的距离。为了提高阴极发射电流，采用了发射面较大的阴极，这样就降低了最高发射电流面的密度，同时也使得初始电子束的截面积较大。电子从较大的阴极面发射出来，以聚焦极作为初始聚束装置，使电子发射出来时的电子束具有一定的初始速度。理想情况下，聚焦极提供的聚束作用与电子飞越阴极和四极透镜系统区域时的空间电荷力的作用正好抵消，电子束具有与阴极发射体类似的较为规则的截面，电子以平行于Z 轴的速度进入四极透镜。

双磁四极透镜系统具有扁平状的结构，能产生比较集中的磁场。电磁线圈通电时四极透镜内部会产生强磁场，电子在通过双磁四极透镜系统内部区域时，能够在较短的漂移距离内产生较大的速度变化，而后电子在较长的漂移距离内依靠惯性漂移聚束。这种方式不再需要在电子束的整个路径上设置聚束装置[1]。

图1 双磁四极透镜聚焦系统

2 双磁四极透镜聚束系统

双磁四极透镜的每一个电磁线圈在通电时形成一个磁极，通不同方向的直流电可以产生不同极性的磁极。在磁四极透镜的4 个线圈中通直流电，使4 个磁极的极性间隔排列，则在透镜包围的中心区域产生如图2 所示的对称磁场[2]。该磁场大小相等的点呈比较规则的正方形分布，并且沿着指向中心轴的直线线性地降低到接近于0。以X 轴方向为例，磁场从靠近铁心的位置开始逐渐增大，达到峰值后下降，在进入正方形分布区域之后，线性地下降，直到达到透镜几何中心时下降到0。从其他方向观察时也以类似的情况变化。电子进入透镜之后应处于线性区域，以使得对电子束的聚束效果比较规则，压缩后的电子束截面具有规则的形状。双磁四极透镜的磁场强度在中心的线性区，最大值一般在100 Gs～300 Gs（0.01 T～0.03 T），该磁场强度能够使电子在磁场中具有足够的速度进行方向变化。

图2 双磁四极透镜聚焦系统磁场分布及沿X 方向的磁场大小分布

双磁四极透镜系统聚束下的电子束流形状如图3 所示，电子束进入第一级磁四极透镜后，磁场使电子束在一个方向上（如X 轴方向）聚焦，而在与该方向垂直的方向上则发散。双磁四极透镜系统具有扁平的结构，其在较短的距离内能使电子速度发生变化，在之后的电子漂移过程中逐步聚焦（或发散），在电子束进入第二级磁四极透镜时，电子束的截面被拉长。第二级磁四极透镜与第一级磁四极透镜相比旋转了90°，从而电子发散的方向会被聚焦，并且由于中心区域的磁场强度具有沿径向线性增大的趋势，因此被发散的电子受到的聚焦效果会大很多，从而被强力压缩。在电子聚焦的方向上电子会被发散，但是由于其更靠近中心轴线，磁场强度线性下降，其发散效果远不如在第一级磁四极透镜中受到的聚焦作用，因此电子束仍然是聚焦的。需要注意的是，为了使电子束的聚焦效果更好，发散的电子束不应超出磁场的线性变化区域。这样电子在经过双磁四极透镜系统之后，各个方向上都是聚焦的，可以形成截面很小的电子束，轰击阳极靶面产生X 射线[1]。

双磁四极透镜可以使电子束得到极大地压缩，从而在阳极靶上形成一个很小焦斑（如0.4 mm×0.4 mm、0.6 mm×0.6 mm等），产生能量集中的X 射线以满足医疗检测设备的使用要求，焦点的尺寸可以通过调节电磁线圈的电流来实现。由于双磁四极透镜聚焦下的焦点尺寸可以在2个相互垂直的方向进行调节，因此还可以产生类似长矩形形状的焦斑，如图4 所示，这种电子束可以广泛应用于许多类型的X射线管中。并且由于双磁四极透镜的高压缩比，其可以扩大阴极发射面，从而扩大阴极尺寸、降低阴极发射面密度，解决小的焦点尺寸和大电流要求之间的矛盾，一方面降低了阴极的设计难度，另一方面提升了X 射线管的工作性能。表1 给出了该设计结构下，不同焦斑尺寸对应的电磁线圈电流参考值。

图3 双磁四极透镜聚焦

图4 焦斑

表1 焦点尺寸典型值及其线圈电流

3 结论

该文描述了一种用于X 射线球管的高压缩比电子束聚焦系统，即双磁四极透镜系统。该系统可以在增大阴极尺寸、提高电子枪发射电流的情况下，获得更小的焦点。通过调节双磁四极透镜聚焦线圈的电流大小，可以动态调节焦点尺寸，并且还可以获得长矩形形状的焦点，以满足更多X 射线管的应用场景。

致谢：感谢国家重点研发计划“数字诊疗装备研发”重点专项“高热容量CT 球管研发”（项目编号：2017YFC0111500）的支持。