用於x射線產生的系統和方法

2023-08-09 02:01:41

專利名稱:用於x射線產生的系統和方法
技術領域：
本發明通常涉及一種X射線源，並且具體涉及一種基於逆康普頓散射用於產生X 射線的技術。
背景技術：
對於X射線產生，傳統的X射線源通常基於Brehmsstrahlimg輻射或同步加速器 輻射。在前一種情況中，當通過作為一般X射線管的重型材料減速高能電子時產生輻射。 在同步加速器輻射是理想的情況下，通過經過磁波紋機的極高能電子束或存儲環同步加速 器源中的偶極子產生輻射。一般X射線管產生的X射線具有在它們的使用中造成限制的缺 陷。例如，Brehmsstrahlung輻射通常具有相對較低的功率，並包括長脈衝或連續波。此外， 這種輻射典型地包括固定的偏振、不可調的不相干輻射。同步加速器產生的X射線也具有 某些限制。例如，通過同步加速器源產生的X射線通常是寬帶、不相干、低功率、固定偏振和 不可調的。此外，這種源需要高能電子束，其又需要大和昂貴的設施。
逆康普頓散射(ICS)是另一種技術，通過利用線性加速器和大的高功率雷射器， 其已成功地用於產生X射線。實際上，由於它們的相干性和頻譜特性，基於X射線源的ICS 比傳統的X射線管技術在較低的劑量、較高的對比度和較好的解析度方面提供了有效的益 處。然而，當前的基於X射線源的ICS典型地非常大和複雜。例如，已知典型地用於這種處 理的雷射器為T3 (桌上兆兆瓦)雷射器，並產生極高能的短脈衝。這些雷射器非常複雜，並 需要大量的光學元件進行操作。
因此期望提供一種需要較低功率雷射器和較少光學元件的緊湊和有效的ICS系 統。

發明內容
簡而言之，依據本發明的一個方面，提供一種用於產生X射線的系統。該系統包括 在雷射腔中以第一方向產生高能光脈衝的高重複率雷射器和用於在雷射腔中以與第一方 向相反的第二方向提供電子束的電子束源。電子束在雷射腔中與光脈衝中的光子交互，以 在第二方向產生X射線。
依據本發明的另一方面，提供一種用於產生X射線的技術。該技術包括通過高重 復率雷射器在雷射腔中產生高能光脈衝，產生電子束，以第一方向導引光脈衝，並以與第一 方向相反的第二方向導引電子束進入雷射腔，電子束在雷射腔中與光脈衝中的光子交互， 以在第二方向產生X射線。


當參照附圖閱讀下面的詳細說明時，本發明的這些和其它特徵、方面和優點將變 得更容易理解，其中在附圖中，相同的符號表示相同的部分，其中
圖1是依據本發明的示範性實施例、利用ICS用於X射線產生的系統的示意性說明；
圖2是在用於X射線產生的技術中採用的ICS處理的簡圖；
圖3是利用電子存儲環、基於X射線系統的ICS的示範性實施例的簡圖；以及
圖4是利用作為雷射器的再生式放大器、基於X射線系統的ICS的另一示範性實 施例的簡圖。
具體實施方式
現在參照圖1，基於ICS的系統10包括雷射器系統12和電子束源14。雷射器系 統12產生光脈衝16，同時電子束源14產生並加速脈衝電子束18至相對論性速度。如下面 更詳細之所述，以與脈衝電子束18的方向相反的方向導引雷射器系統12的光脈衝16，從而 使兩者在雷射器系統12的雷射腔中碰撞，通過ICS產生X射線。
具體地，在所示的實施例中，雷射器系統12包括雷射腔20，其中如下面所述地產 生X射線輻射。將光脈衝16引進腔20，並與來自脈衝電子束源14的電子束18碰撞。然後 通過ICS，從雷射腔20產生並導引通常以參考數字22表示的X射線。再次在圖1所示的 實施例中，光脈衝16在雷射腔20中以通過圖1中箭頭24代表的第一方向行進，同時電子 束18以第二方向26行進通過雷射腔的一部分，以交叉光脈衝16的路徑，從而在腔20中的 交互區域28中撞擊光脈衝16。如下面更詳細之所述，在一實施例中，一個或多個偏轉磁體 30可以用於在交互區域28中導引電子束18。本領域的技術人員可以理解，可以從系統中 除去磁體30，其中可以另外導引電子束18進入光脈衝16的路徑。在當前預期的構造中，電 子束18和光脈衝16正面或接近正面(即，以非常淺的角度)地彼此撞擊。
在所示的實施例中，雷射器系統12包括包含在包括一組反射鏡32的高精密光環 腔20中的部件。可以部分或完全抽空雷射腔20。隔離器34用於強制光脈衝16在期望的 第一方向24中循環。有源鎖模(activemode-locking)裝置36提供超快的鎖模光脈衝16 的流。在當前預期的實施例中，鎖模裝置36可以例如是聲光單元或電光單元和布儒斯特 (Brewster)板。
在所示的實施例中，雷射器系統12進一步包括泵雷射器38。泵雷射器38產生高能 脈衝或連續波雷射束40，該雷射束40可以被雷射棒42聚集和吸收並且其依次又產生高能 光脈衝16。在當前預期的實施例中，雷射棒42包括固態增益介質，比如Yb:YAG或Nd:YAG。 高能光脈衝16以預定方向24在雷射腔20中行進。隔離器34充當柵，並僅允許以預定方 向24運動的那些光脈衝16，而阻擋所有其它的光脈衝。預定方向24可以是順時針方向或 反時針方向。
選擇和設置反射鏡32，以便在雷射棒42中形成收斂部分。在收斂部分上聚集和強 化光脈衝16，以在雷射棒42的增益介質中獲得高增益。其後，在雷射腔20中的交互區域 28中形成第二收斂部分，其中發生電子-光子交互作用。例如，在一個實施例中，矩形結構 的四個曲面反射鏡32可以用於形成雷射腔20，從而在閉環中限定光脈衝16。在可替代的 實施例中，可以以三角形或其它結構設置反射鏡，以形成雷射腔20。反射鏡32可以是離軸 拋物面(parabaloid)凹面反射鏡，以在上面提到的位置聚集和強化光脈衝16。本領域的技 術人員可以理解，與其中一個反射鏡僅是部分反射性的、而且雷射器輸出從其中發散的傳 統雷射器系統不同，該實施例中的全部反射鏡都是高反射性的，從而在產生雷射的波長處沒有輸出產生。
如上面提到的，比如聲光單元或電光單元和布儒斯特板的有源鎖模裝置36用於 產生高重複率、適度高能的鎖模光脈衝16。通過多個高重複率和低能交互(也就是每脈衝 較低的X射線光子，但更快速的交互脈衝)取代一個單獨的大交互，採用高重複率鎖模雷射 器設計來產生足夠的X射線通量(光子/秒)。
如上面所述，電子束源14產生被引進雷射腔20以與光脈衝16交互的電子束18。 在當前預期的實施例中，脈衝電子束源14可以是射頻(rf)線性加速器(LINIAC)、X-波段 LINIAC或加速電子束至10到250MeV能量的雷射器加速器。然後以與光脈衝16的傳播方 向24相反的方向26操縱來自電子束源14的電子束18進入雷射腔20，從而使電子束18以 非常淺的角度與光脈衝16的路經相交。
電子束18在雷射腔20中與光脈衝16碰撞以通過ICS過程產生X射線22。下文 中將參照圖2更詳細地說明ICS過程。在與光脈衝16交互之後，然後導引電子束18離開 雷射腔20。在一個實施例中，一個或多個偏轉磁體30可以用於導引電子束18進入或離開 雷射腔20。通過參考數字44表示的離開電子束可以再循環於源14中，或在石墨塊或其它 散布或吸收介質中處理。在當前預期的實施例中，X射線通過可以由鈹或其它X射線可透 過材料構成的X射線透射窗口離開雷射腔20，並通過一個或多個布拉格反射器46以預定方 向對其導引。如下所述，可以這樣導引X射線至其中採用它們以用於各種用途的位置。
圖2說明了如上面所述的、在雷射腔20中通過ICS過程的X射線的產生。通常通 過參考數字50表示該過程。高能光脈衝16中的光子正向或接近正向地撞擊比光脈衝16 中的光子具有更大動能的電子束18中的進入的相對論的電子。該碰撞導致從電子至光子 的能量轉移，其向上轉換光子至頻譜的X射線區域。具體地，散射的光子增加能量，並在波 長上短於入射光子。離開的電子束44具有比入射電子束18低的動能。如上所述，通過ICS 過程發射的X射線22是脈衝的、可調的和近似單色的。
在可替代的實施例中，如圖3所示，可以以然後驅動電子存儲環54的較小的源取 代電子束源14(比如rf LINIAC或X-波段LINIAC)。在該實施例中，將來自電子束源14的 脈衝電子束18提供進入電子存儲環54。操縱通過電子存儲環54限定的路徑的一部分，以 便以在電子存儲環54中循環的脈衝電子束56與光脈衝16交互這種方式與雷射腔20重疊， 從而通過如上面所述的ICS過程產生X射線22。如在上面所述的先前實施例中，在交互區 域28中，脈衝電子束56與光脈衝16在相反方向上近似是共線的。
電子存儲環54可以包括用於重新激勵循環電子束56的放大器58。此外，電子存 儲環54中的電子束56的往返行程循環時間可以與雷射腔20中的光脈衝16的往返行程循 環時間同步，以最大化電子束56和高能光脈衝16之間的交互作用。該設置可以比引入新 的電子脈衝更具能量效率，並減小了對大電子束源的依賴。例如，通過在電子束源14的主 振蕩器信號的次諧波處驅動鎖模振蕩器36，可以獲得光脈衝16和電子束56之間的同步。
在另一替代實施例中，如圖4所示，再生放大器可被用作雷射器系統12。在該實施 例中，伸展、放大和再壓縮光脈衝以產生高能光脈衝16。以與上面所述類似的方式，泵雷射 器38將依次又產生高能光脈衝16的高能脈衝或連續波雷射束40提供到雷射棒42。以布 儒斯特角度切割雷射棒42，從而最小化損失，並最大化雷射棒42中的增益。在布儒斯特角 度處，完全沒有反射損失地傳送與入射角度平行偏振的光脈衝16。該技術也避免了產生的峰值功率損傷雷射棒42。
反射鏡32用於在雷射腔20中限定這些高能光脈衝16。通過使用光學裝置60選 通光脈衝16，比如允許第一偏振狀態中的光脈衝16通過的普克爾盒。進入的種子光脈衝 62用於在雷射腔20中啟動高能光脈衝16的形成。偏振波束分離器64發送進入的種子光 脈衝62進入雷射腔20。然後通過光學裝置60改變種子光脈衝62的偏振，以匹配腔中光脈 衝16的極性，從而在雷射腔20中限定種子光脈衝62。利用光柵66(比如衍射光柵)，進一 步伸展、放大和再壓縮光脈衝16，並由此成倍增大光脈衝16的能量。衍射光柵由具有一系 列臨近間隔的線或溝槽(典型地，每英寸幾千個/每毫米幾百個)的板或薄膜組成，並且可 以是透射或反射類型。後者類型將被塗覆象鋁或金的反射性材料的薄膜。在一個特定實施 例中，放大之前，在全反射兩光間脈衝伸展器中伸展光脈衝16，然後在兩光柵壓縮器中對其 進行再壓縮。伸展器和壓縮器全部由反射性光學元件構成，以最小化較高階相位項的影響， 由此保持光脈衝16的逼真度。然後導引這些高能光脈衝16至交互區域28，在其中它們與 電子束18交互以通過ICS過程50產生X射線22。操縱來自電子源14的進入電子束18進 入雷射腔20，並且該電子束與高能光脈衝16在相反方向上是近似共線的。光脈衝16在激 光腔20中循環，並在每一次往返行程中釋放它們能量的一小部分，以產生X射線22。當通 過雷射棒42時，通過光脈衝釋放的能量就會再生。簡而言之，一旦系統10被進入的種子光 脈衝62播種，只要ICS過程不提取超過雷射棒42能夠補充的能量，則它就是可操作的。
在上面所述的實施例中，雷射器系統12具有在與產生雷射波長不同的波長處的 輸出。這類似於雷射器中腔內倍增器的結合，其中雷射器不具有在產生雷射波長處的輸出， 但相反其具有通過腔中的非線性光學元件中的非線性頻率轉換過程所產生的不同波長處 的輸出。此外，在上面所述的實施例中，電子束18充當非線性光學元件，並且雷射器系統12 的輸出位於X射線頻譜中。
通過將共振腔和雷射器源摺疊成單獨的雷射器系統12，以及利用X射線22發射作 為雷射器系統12的輸出耦合，系統10及其在產生X射線方面的功能減小了傳統系統的復 雜性。此外，雷射腔20中的光脈衝16的數量級高於在雷射器源的輸出處產生的數量級。
通過如上面的各種實施例中所述的ICS過程產生的X射線具有如與傳統的 Brehmsstrahlimg過程的寬能量分布相反的近似單色的頻譜特徵，並具有準-相干特性。這 些特徵在多個應用方面提供了有效的益處，比如醫學成像界，其包括較低的劑量、提高的對 比度、提高的解析度和診斷成像的新類型。例如，可以施加這些X射線以用於包括癌症的胸 部疾病的診斷。當利用單色X射線研究時，患癌症的胸部組織比正常的組織展示了較高的 線性衰減特性。該特性可以用於提供更好對比度的圖像。成像中的這些改進不局限於胸部， 其也可以施加至任何解剖學組織和各種檢查程序，比如冠狀動脈博造影術。
可能應用的其它領域是細胞生物學和材料科學，比如結晶學和X射線平版印 刷術。這些X射線的單色性和狹窄發散角不僅允許布拉格反射器將波束從拱頂轉向拱 頂之上的成像實驗室，而且允許以圓形形式對波束重新定向，比如用於利用錐形束反向 投射算法產生CT圖像。以皮秒(PS)猝發脈衝X射線的事實允許它們被用於飛行時間 (time-of-flight)成像，其中通過僅成像從曝光起始直到ISOps的彈道光子以及忽略離開 超過多個納秒的散射來收集數據。因此，我們相信該技術能夠導致在亮度方面顯著的提高。 此外，X射線束的小的有效光點大小能夠利用在傳統成像中的通常廢棄的信息來執行相位對比度成像。此外，由于波束的可調性和傳遞到被成像部分的有限的帶寬/狹窄能量範圍， 從而減小了散射。
在這裡已經說明和描述了本發明的僅僅某些特徵的同時，對於本領域的技術人員 來說，可以進行多種修改和改變。因此，可以理解，所附的權利要求
意圖覆蓋落入本發明的 真實精神的所有這種修改和改變。
部件列表[0031]10系統[0032]12雷射器系統[0033]14電子束源[0034]16光脈衝[0035]18進入的脈衝電子束[0036]20雷射腔[0037]22X射線[0038]24第一方向[0039]26第二方向[0040]28交互區域[0041]30導向磁體/偏轉磁體[0042]32反射鏡[0043]34隔離器[0044]36鎖模裝置[0045]38泵雷射器[0046]40激勵雷射束[0047]42固態雷射棒[0048]44輸出電子束[0049]46布拉格反射器[0050]50逆康普頓散射過程[0051]52具有電子存儲環的系統[0052]54電子存儲環[0053]56循環脈衝電子束[0054]58再生放大器[0055]60普克爾盒[0056]62進入的種子光脈衝[0057]64偏振束分離器[0058]66光柵
權利要求
1.一種用於產生X射線(22)的系統(10)，該系統(10)包括高重複率雷射器系統(12)，放置在環腔內並適於在環腔(20)中以第一方向(24)產生 和導引高能光脈衝(16)；以及適於在環腔(20)中產生脈衝電子束並以與第一方向(24)相反的第二方向(26)導引 脈衝電子束的脈衝電子束(18)的源(14)，脈衝電子束(18)在環腔(20)中撞擊光脈衝(16) 中的光子，以便以第二方向(26)產生X射線(22)。
2.權利要求
1的系統(10)，進一步包括位於環腔(20)中用於以第一方向(24)導引光 脈衝(16)的隔離器(34)。
3.權利要求
1的系統(10)，其中高能光脈衝(16)包括高重複率的鎖模光脈衝。
4.權利要求
3的系統(10)，進一步包括位於環腔(20)中用於產生高重複率的鎖模光 脈衝的聲光單元。
5.權利要求
3的系統(10)，進一步包括位於環腔(20)中用於產生高重複率的鎖模光 脈衝的電光單元和布儒斯特板。
6.權利要求
1的系統(10)，其中所述高重複率雷射器系統包括用於產生光脈衝(16) 的固態雷射棒(42)。
7.一種用於產生X射線(22)的系統(52)，該系統(52)包括鎖模雷射器系統(12)，其置於環腔內並適於在環腔(20)中以第一方向(24)產生和導 引高能光脈衝(16)；適於在與環腔(20)重疊的電子存儲環(54)中供給脈衝電子束的脈衝電子束(18)的 源(14)，電子存儲環(54)適於在環腔(20)中以與第一方向(24)相反的第二方向(26)循 環脈衝電子束(56)，脈衝電子束(56)在環腔(20)中撞擊光脈衝(16)中的光子，以便以第 二方向(26)產生X射線(22)。
8.權利要求
7的系統(52)，其中電子存儲環(54)適於存儲和循環脈衝電子束(56)。
9.權利要求
7的系統(52)，其中電子存儲環(54)中脈衝電子束(56)的往返行程循環 時間基本上等於環腔(20)中光脈衝(16)的往返行程時間。
10.一種用於產生X射線(22)的方法，該方法包括通過置於環腔中的高重複率雷射器系統(12)在環腔(20)中產生高能光脈衝(16)，以 第一方向(24)導引該光脈衝(16)；產生脈衝電子束(18)；以及以與第一方向(24)相反的第二方向(26)導引脈衝電子束(18)進入環腔(20)，光脈衝 (16)中的光子撞擊脈衝電子束(18)，以便以第二方向(26)產生X射線(22)。
專利摘要
本發明提供一種用於通過逆康普頓散射過程來產生X射線(22)的系統(10)。該系統包括適於在雷射腔(20)中以第一方向(24)導引高能光脈衝(16)的高重複率雷射器(12)和適於在雷射腔中以與第一方向相反的第二方向(26)導引電子束(18)的脈衝電子束(18)的源(14)。電子束(18)在雷射腔(20)中與光脈衝(16)中的光子相交互，以便以第二方向(26)產生X射線(22)。
文檔編號H05H1/00GKCN1678163 B發布類型授權 專利申請號CN 200510059554
公開日2011年7月6日 申請日期2005年3月29日
發明者B·L·勞倫斯, P·W·洛蘭, R·J·菲爾金斯 申請人:通用電氣公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan