新型平板X射线源的射束特性模拟及成像体模研制

发布时间：2020-05-20 13:35

【摘要】：自伦琴发现X射线以来,X射线已被广泛应用于安全检查,医学成像,疾病治疗等领域。作为X射线仪器的核心部件,X射线管质量性能的优劣决定着仪器的性能。传统X射线管采用热阴极生成电子,由于热阴极自身的固有特性,热阴极x射线管具有体积重量大,功耗高,调制时间长等缺点。冷阴极x射线管根据场致发射效应产生自由电子,极大的克服了热阴极X射线管的缺点,因此在高分辨率成像,动态X射线摄影,仪器小型化等方面有着很好的应用前景。冷阴极X射线源在常温下即可发射电子且可实现多个电子源紧密放置,以此为基础,本课题研究的平板X射线源是在一个器件内集成可寻址的冷阴极X射线源阵列的新型X射线源,其阴极采用ZnO纳米线为材料根据场致发射原理产生电子,再经电场加速后轰击透射式阳极靶产生X射线。与传统X射线源控制单一焦点产生光子的方法不同,平板X射线源内含有众多电子源且每一个电子源都可以独立工作,能够实现指定区域出光。作为一种新的器件,目前平板X射线源仍处于研究开发阶段,要想将其实现需要解决的问题有很多,为此我们采用基于蒙特卡罗方法的EGSnrc/BEAMnrc仿真模拟软件对平板X射线源的光束特性进行研究,期望为平板X射线源的制备提供理论支持。计算中,我们假设每个电子源发射器具有相同的特性,探测器采集到的总的射束信息为每个电子源的累加,然后我们将模拟计算出的能谱与实际测量的能谱进行了比较,验证了本文提出方法的有效性。此外,本研究还分析了不同的玻璃厚度、钨靶厚度和阳极电压等参数对平板X射线源射线束质量的影响,并以曝光量、半价层和平均能量作为射线束质量的三个重要参数对不同钨膜厚度下的射束进行了定量分析,实验分析出在不同阳极电压下阳极钨膜的最理想厚度。在成像仿真体模制备方面,我们的研究目标是设计和制作出一个既在形态学方面又在物理学方面与真实人体相似的脑出血仿真体模,并希望将其应用于新系统的评估校正及成像算法的研究。为此我们以真实人体的脑部CT图像为参考,采用模具制作的方法,以聚氯乙烯和增塑剂混合液为材料高度模仿人体头部组织的结构和CT值,最后通过螺旋CT扫描的方式对制作出的仿真体模进行了质量验证。结果表明,通过本文提出的方案制作出的脑出血仿真体模在大小,结构和组织CT方面均与真实人体高度相似,且出血点的设计更符合成像研究,可将其应用于平板X射线源系统的评估校正及成像算法的研究。
【图文】：

热阴极,阳极靶,阴极,钨丝

由于制备简单，技术相对成熟，至今绝大部分Ｘ射线管依然采用热阴极逡逑结构，近百年来一直没有大的突破。由于这种Ｘ射线管通过射线管阴极钨丝在逡逑高温下（＞１０００°Ｃ）产生电子，因此被称为热阴极Ｘ射线管，，其结构如图１－１逡逑所示，螺旋钨丝作为阴极，阳极为金属靶，真空环境下阴极经电流加热使电子逡逑获得足够的能量克服其表面势垒成为自由电子，自由电子再经电场加速后撞击逡逑阳极靶面产生Ｘ射线。然而，该过程中仅有约１％电子能量转化为Ｘ射线，绝大逡逑部分能量转化为了热量［３］，因此，为了防止热量积累而引起的高温损毁阳极靶，逡逑需要对阳极靶进行散热处理，如采用旋转式阳极靶等。逡逑逦±邋高压发生栝邋二逦逡逑＊真２逡逑一邋■逡逑Ｂａ邋ｒ邋Ｚ邋）逡逑逦逦逦逦Ｊ逦逦逦逡逑—逦１５料逡逑／邋外ｕｒｎ逡逑图１－１传统热阴极Ｘ射线管原理图。逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｔｈｅ邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ａ邋ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ邋ｈｏｔ邋ｃａｔｈｏｄｅ邋Ｘ－ｒａｙ邋ｔｕｂｅ．逡逑１逡逑

场致发射,表面势垒

逑射原理作为冷阴极Ｘ管的物理原理，生成自由电子的方式不同于热阴极电子源，逡逑其原理如图１－２所示：在阴极电子源所在的空间中加入强电场，通过外加强电逡逑场在固体表面形成电子隧道效应而将物体内部的电子拉到真空中。在场致发射逡逑的过程中，人们无需通过加热给予电子源材料内部的电子额外的能量，而是依逡逑靠外加强电场来抑制阴极材料的表面势垒，使材料的表面势垒的势能降低，并逡逑使材料的表面势垒的宽度变窄，当表面势垒的宽度缩窄到与电子的德布罗意波逡逑长相近时，这时电子的隧道效应就会起重要的作用，致使电子源内部大量的电逡逑子可以突破表面势垒逸出到真空中成为自由电子，场致电子发射是一种在常温逡逑条件下就可以产生大量自由电子的有效方法［６］。在场致电子发射过程中，外部逡逑所加电场越强，阴极材料的表面势垒的势能就会越低、宽度也会越窄，从电子逡逑源内部逸出的电子也就越多
【学位授予单位】：南方医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O434.1;TP391.41

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