用于研究闪放效应的高通量X射线管的制作方法

用于研究闪放效应的高通量x射线管
技术领域
1.本发明涉及辐射放疗领域，特别涉及用于研究闪放效应的高通量x射线管。


背景技术：

2.放射治疗是利用电离辐射治疗肿瘤的一种方法，在对肿瘤进行放射治疗时，通常需采用辐射放疗仪，辐射放疗仪包括电子直线加速器、伽马刀、质子放疗仪等，辐射放疗仪的主要功能是将电离辐射集中在肿瘤区域，以达到消灭肿瘤细胞的效果。辐射放疗仪的另一个主要功能是尽量减少电离辐射对健康组织的辐照，从而对健康的细胞进行保护。
3.传统的放射治疗是采取小剂量率辐照(～0.1gy/s)，近年来研究发现，大剂量率辐照(》40gy/s)对健康细胞具有更好的保护作用，但保留了小剂量率辐照对癌细胞的杀伤力，此种效应被称为闪放效应，即flash效应。
4.由于闪放效应所具有的颠覆性优点，越来越多的人投入对闪放效应的研究之中。
5.但到目前为止，绝大部分闪放效应研究是通过修改直线加速器，用电子束流来实现，但是直线加速器装置复杂，价格昂贵。因此，研究者试图利用单个或者多个x射线球管来实现闪放效应。但市场上的x射线球管，受到球管散热极限的限制，闪放只能在距离球管窗口几厘米的范围内实现，且剂量率并不高。
6.专利号为us9508523b2的专利中公开了利用电子轰击金属阳极管道内壁的x射线源，包括至少一个能够利用入射初级电子和次级电子的阳极管道，初级电子轰击管道上部分，散射电子轰击管道下部分产生x射线；管道可以是向外扩张，具有角度，或者存在偏移来增加被轰击的初级电子数目；电子束是锥形来增加轰击的初级电子数目。该专利提出了利用这样单个或者多个x射线源实现成像。
7.上述专利提供的x射线源用于成像存在本质缺陷，用于成像的x射线源要求x射线源面积尽量小来提高分辨率，但上述x射线的初级和次级电子会在阳不同位置产生，造成射线源的源面积分布较大，从而影响成像空间分辨率。特别的，上述专利中利用初级电子轰击阳极管道上部分产生高能x射线，次级电子轰击管道下部分产生低能x射线。而在辐射放疗中对闪放效应进行研究时，低能x射线不能穿透至实验体的内部，固阳极管道的后部分对实现闪放效用不大。


技术实现要素：

8.为解决现有技术中存在的问题，本发明提供用于研究闪放效应的高通量x射线管，无需额外的冷却装置即可实现对靶面的快速降温、且出射的x射线分布相对集中，能够在距离x射线管一定空间范围内对实验对象体内实现高剂量率辐照。
9.用于研究闪放效应的高通量x射线管，包括用于产生电子束流的电子枪，所述电子枪的电子束流出射端可拆卸连接有x射线靶；
10.所述x射线靶包括供电子束流轰击的靶面、所述靶面围绕形成锥形轰击腔，所述锥形轰击腔的内径沿着远离电子枪的方向减小；
11.所述x射线靶还包括贴附于靶面外侧，用于为靶面散热的散热体。
12.具体的，辐照的剂量率与x射线的通量和x射线的能量相关，因此为了实现闪放效应，优先选择能产生高能电子束流的电子枪；
13.靶面围绕形成锥形轰击腔，使得电子枪发射出的各个方向的电子束均能轰击在靶面上；靶面的外侧贴附有采用散热速度快的金属制成的散热体，能够显著的加快靶面的散热速度，即x射线靶的此种结构增加了靶面的面积以及靶面的散热速度，使得靶面能够承受及高密度电子束流的轰击，高密度电子束流轰击靶面后即可得到高通量的x射线；即，本方案提供的x射线管保证了射出的x射线的高通量，利用此x射线管研究闪放效应是合适的。
14.优选的，所述锥形轰击腔的射线出射口设有硬化金属片，所述硬化金属片用于过滤x射线，以使过滤后的x射线能辐照到实验对象体内；所述硬化金属片至少覆盖整个射线出射口。
15.具体的，电子束流轰击靶面之后产生的x射线的能量高低不同，能量过低的x射线无法辐照到实验对象体内，既无法用于对实验对象的成像，也无法治疗实验对象体内的肿瘤，因此设置硬化金属片将其过滤吸收。经过硬化金属片的过滤吸收，穿过硬化金属片的x射线均能辐照到实验对象体内；
16.此外，由于实现对象存在明显的个体性差异，针对不同的实验对象，低能量的x射线的范围不尽相同，可根据实验对象替换不同厚度的硬化金属片用于吸收低能量的x射线；
17.且，由于x射线射出时，其射出方向呈现一个发射的状态，因此硬化金属片至少需覆盖整个射线出射口，更优选的，硬化金属片的面积大于射线出射口，进一步的保证各个出射方向上的低能量的x射线进行吸收。
18.优选的，所述锥形轰击腔为圆锥形轰击腔，圆锥形轰击腔的侧壁与高之间的夹角大于5
°
且小于90
°
。
19.具体的，锥形轰击腔侧壁的倾斜角度应根据电子束能量与散射情况进行调节；低能和较发散的电子束可采用大角度，高能和较会聚束可采用小角度。
20.优选的，所述x射线靶包括第一连接部，所述电子枪包括第二连接部，通过第一连接部与第二连接部可拆卸连接实现x射线靶与电子枪的可拆卸连接。
21.具体的，第一连接部与第二连接部之间可采用螺栓或法兰等结构实现可拆卸连接。
22.优选的，所述第一连接部为靶罩，所述靶罩与散热体外围套接、且设于散热体上靠近电子枪的一端。
23.具体的，靶罩与散热体外部套接的结构使得与电子枪连接后，x射线靶的位置能够更加稳定。
24.优选的，所述电子枪包括设有电子束流出射口的腔室，所述电子束流出射口设有用于维持腔室内真空环境的铍窗口，所述腔室向着靠近电子束流出射口的方向依次设有灯丝引线、灯丝、栅电极、汇聚电极、阳极。
25.具体的，在非真空的环境下对灯丝进行加热时，灯丝极易氧化，因此需要设置腔室，将灯丝置于腔室内，维持腔室内的真空环境；
26.灯丝引线用于与外部电源连接对灯丝进行加热，灯丝加热产生电子束流；灯丝采用钨及其合金制成，栅电极用于调节电子束流的强度和运动轨迹；所述汇聚电极用于汇聚
电子束流；所述阳极用于加速电子束流；由于铍有密度且剪影，电子束流经过铍窗口时损失能量较小，将铍窗口设于电子束流出射口以保证腔室内的真空环境是合适的。
27.优选的，所述栅电极与汇聚电极之间设有发散电极，所述发散电极用于发散电子束流；或所述电子枪的腔室内还设有用于发散电子束流的发散片，所述发散片靠近铍窗口设置。
28.具体的，当电子束流较为分散的轰击锥形轰击腔的不同位置上，也就是轰击在靶面的不同位置上时，此时轰击产生的热量也会相对分散，因此设置发散电极和发散片使得电子束流射出电子枪后分散趋势更明显，则能更加分散的轰击在靶面上，靶面降温会更加快速。
29.优选的，所述电子束流出射口的口径小于锥形轰击腔入口的口径。
30.具体的，由于只有轰击在靶面上的电子束流才会形成x射线，故而设置此种能够保证射出的电子束流均能轰击在靶面上的结构。
31.与现有技术相比，本发明的有益之处至少包括：
32.(1)电子枪产生电子束流分散轰击在靶面上，而靶面围绕形成锥形轰击腔，锥形轰击腔外侧贴附有散热体，因此电子束流轰击靶面时所产生的高温被大面积均匀的吸收和扩散，从而实现对靶面的快速降温，即仅依靠散热体即可实现靶面的快速降温而无需额外设置冷却装置；由于靶面降温速度快，因此可通过增加电子束流的密度来实现增加x射线通量的目的。
33.(2)由于电子束流射出之后会渐渐的扩散，因此锥形轰击腔的内径沿着远离电子枪的方向逐渐减小的结构、可保证更多的电子束轰击的靶面上、且轰击之后产生的x射线在经过x射线靶后分布相对集中。
附图说明
34.图1为本发明提供的用于研究闪放效应的高通量x射线管的装配图；
35.图2为本发明提供的用于研究闪放效应的高通量x射线管第一实施例的剖视示意图；
36.图3为本发明提供的电子枪的剖视示意图；
37.图4为本发明提供的x射线靶的剖视示意图；
38.图5为本发明提供的用于研究闪放效应的高通量x射线管第二实施例的剖视图；
39.图6本发明提供的用于研究闪放效应的高通量x射线管第三实施例的剖视图。
具体实施方式
40.下面结合附图和具体实施例，对本发明做进一步说明。
41.图1为用于研究闪放效应的高通量x射线管的装配图，如图1所示，电子枪10与x射线靶20通过第一连接部24与第二连接部11可拆卸连接，第一连接部24为靶罩，靶罩上设有螺纹孔，第二连接部11上与靶罩适配的方位也设有螺纹孔，利用螺栓将靶罩上的螺纹孔和第二连接部11上的螺纹孔连接，即实现了电子枪10与x射线靶20的可拆卸连接。
42.此外，第一连接部24与第二连接部11之间还可以采用法兰连接、键槽连接等可拆卸连接方式。
43.x射线靶20还包括硬化金属片23，所述硬化金属片23用于过滤x射线32、以使过滤后的x射线32能辐照到实验对象体内。
44.电子束流31轰击靶面21之后产生的x射线32的能量高低不同，能量过低的x射线32无法辐照到实验对象体内，既无法用于对实验对象的成像，也无法治疗实验对象体内的肿瘤，因此设置硬化金属片23将其过滤吸收。经过硬化金属片23的过滤吸收，穿过硬化金属片23的x射线32均能辐照到实验对象体内。
45.由于x射线32射出时，其射出方向呈现一个发射的状态，为保证硬化金属片23能够对各个出射方向上的低能量的x射线32进行吸收，本实施例采用的硬化金属片23覆盖整个射线出射口且面积大于射线出射口；
46.当面对不同的实验对象时，低能量的x射线32的数值不尽相同，通常实验对象的体积越大，选用的硬化金属片23的厚度越厚。
47.图2为用于研究闪放效应的高通量x射线管第一实施例的剖视示意图，图3为电子枪的剖视示意图，如图2、3所示，电子枪10包括设有电子束流出射口的腔室12，所述电子束流出射口设有用于维持腔室12内真空环境的铍窗口18，所述腔室12向着靠近电子束流出射口的方向依次设有灯丝引线13、灯丝14、栅电极15、汇聚电极16、阳极17；
48.灯丝引线13用于与外部电源连接对灯丝14进行加热，根据具体的要求将灯丝14加热产生电子束流31；灯丝14采用钨及其合金制成，栅电极15用于调节电子束流31的强度和运动轨迹；所述汇聚电极16用于汇聚电子束流31，所述阳极17用于加速电子束流31，由于铍具有密度小、电子束流31经过铍窗口18时损失能量较小，将铍窗口18设于电子束流出射口以保证腔室12内的真空环境是合适的。
49.同时电子束流出射口的口径小于锥形轰击腔入口的口径。
50.由于只有轰击在靶面21上的电子束流31才会形成x射线32，故而设置此种能够保证射出的电子束流31均能轰击在靶面21上的结构
51.图4为x射线靶的剖视示意图，如图4所示，x射线靶20包括供电子束流31轰击的靶面21、靶面21围绕形成锥形轰击腔，锥形轰击腔外侧贴附有散热体22，所述锥形轰击腔沿着远离电子枪10的方向直径减小。
52.散热体22采用金属例如铜制成，能够快速的将电子束流31轰击靶面21产生的热量扩散，从而实现对靶面的快速降温。
53.锥形轰击腔为圆锥形轰击腔，圆锥形轰击腔的侧壁与高之间的夹角为10
°
。
54.锥形轰击腔侧壁的倾斜角度可根据电子能量和发散程度做选择。当电子能量较高且束流发散较小时，可采用小角度侧壁；反之可采用大角度侧壁。目的是尽可能将更多的x射线能量沉积在窗口后的实验体内。
55.图5为用于研究闪放效应的高通量x射线管第二实施例的剖视图，如图5所示，所述栅电极15上还设有发散电极19a；
56.由于电子枪10存在汇聚电极16，因此电子束流31从电子束流出射口在射出时，会相对汇聚，然而相对汇聚的电子束流31在轰击靶面21时，轰击的位置会相对集中，不利于靶面21的散热，因此需设置发散电极19a或发散片19b等结构，从而增大电子束流31从电子束流出射口射出时的发散趋势，以使电子束轰击在靶面21上的位置更加的分散，加快靶面21的散热。
57.图6为用于研究闪放效应的高通量x射线管第三实施例的剖视图，如图6所示，所述腔室12靠近铍窗口18的方位设有发散片19b；
58.当电子束流31较为分散的轰击在锥形轰击腔的不同位置上、也就是轰击在靶面21的不同位置上时，此时轰击产生的热量也会相对分散，因此设置发散电极19a或发散片19b使得电子束流31射出电子枪10后分散趋势更明显，则能更加分散的轰击在靶面21上，靶面21降温会更加快速。