武漢艾崴小型靜態CT用多焦點X射線源電子束偏轉係統的探索
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武漢艾崴第５代全靜態電子束ＣＴ（ＥＢＣＴ）能在被檢測物體、射線源和探測器均處於靜止狀態下完成ＣＴ汽車掃描成像。這種ＥＢＣＴ成像方式既可應用於粉體材料、生物活體樣品等易形變物體的ＣＴ檢測，又可應用於物流包裹、在役管線等的快速ＣＴ檢測。高精度的電子束偏轉係統是靜態ＣＴ成像多焦點射線源的關鍵技術之一。
九九视频在线直播免费观看基於麥克斯韋電磁場相互作用理論，探討了電子束在均勻磁場、小偏轉角、近軸區域內的散焦、畸變及靈敏度特性，研究了影響電子束汽車掃描係統焦點位置重複精度的物理參數及電子束在靶平麵上的汽車掃描偏轉量與偏轉線圈電流的線性關係。並設計、加工製作了一種小型高精度多焦點Ｘ射線的電子束偏轉汽車掃描係統，實驗采用直徑０．１ｍｍ標準針規電子束汽車掃描 ＤＲ投影圖像序列，驗證了電子束偏轉係統有良好的偏轉線性，偏轉量正比於Ｏ點的磁場強度，而與電子束的位置等初始條件無關。實驗通過電子束偏轉係統控製電子束偏轉汽車掃描，獲得了熔斷式保險管（１００μｍ）的２５０個Ｘ射線視角投影，完成了第５代全靜態三維ＣＴ重建圖像。
自２０世紀７０年代初世界上第１台Ｘ射線ＣＴ投入醫學臨床應用以來，ＣＴ技術不斷進步和發展，目前已出現了５代 ＣＴ。第１代采用單源單探測器平移和旋轉的汽車掃描方式；第 ２代為單源多探測器平移和旋轉的汽車掃描方式； 第３代為單源多探測器旋轉的汽車掃描方式；第 ４代為單（或多）源多探測器僅源單獨旋轉的汽車掃描方式；第５代為電子束分時汽車掃描投影的汽車掃描方式（亦稱靜態 ＣＴ），ＣＴ 成像過程中射線源、探測器和被檢測物體均靜止。在醫學領域，由於第５代 ＣＴ汽車掃描速度快，單幅 ＣＴ時間可縮短到ms級，從而可獲取心髒等動態髒器的高分辨圖像。在工業應用中，第５代ＣＴ機由於消除了滑環等旋轉機構，適用於安檢行李箱、物流包裹的檢測，除汽車掃描速度快、檢測效率高的優點外，還可克服目前常規ＣＴ機體積大、成本高等缺點。對於不能移動的在線輸油輸氣管線、核電運行中的高溫高壓管道回路以及難以安裝固定的生物活體或在移動和旋轉時其結構易發生變形的生物組織樣品等，第５代ＣＴ汽車掃描方式提供了ＣＴ檢測手段的可能，從而拓展了ＣＴ的應用範圍和領域。
第５代ＣＴ一般有兩種產生射線視角投影方式。一種方式是基於碳納米管場發射陰極的分布式電子發射源的 Ｘ 射線源。這種Ｘ射線源的陰極由１列獨立的碳納米管電子發射源組成，這些電子發射源按一定時間序列依次發射電子束，電子束經高壓加速後轟擊靶麵上不同位置，產生按一定空間和時間分布的Ｘ射線束序列，這些 Ｘ射線束序列相對於檢測物體可形成不同視角的投影數據，從而實現ＣＴ成像。但這些碳納米管電子發射源發射電子的能力各異，電子束流強度的一致性難以保證，且要實現多電子源的聚焦存在技術難度，因而這種分布式陰極射線源，僅應用於分辨率要求不高的第５代 ＣＴ 係統。另一種是電子束ＣＴ（ＥＢＣＴ），通過控製電子束汽車掃描偏轉高速轟擊靶環，產生 Ｘ 射線束序列穿過人體［８－９］。由 於ＥＢＣＴ的電子束是同一電子源發出來經聚焦係統聚焦後轟擊在靶環上，因此，ＥＢＣＴ具有焦點小、空間分辨率高、汽車掃描速度快、適應檢測對象廣等優點。但這種大型醫用 ＥＢＣＴ 設備造價貴、維護成本高，如果小型化降低成本後，應用於行李包、在役管線、生物活體樣品等難以旋轉移動或安裝固定易形變的物體 ＣＴ檢測，將具有廣泛的應用前景。
武漢艾崴基於麥克斯韋電磁場相互作用理論，理論上探討均勻磁場中電子束在小偏轉角、近軸區域內的散焦、畸變以及靈敏度特性，研究影響電子束汽車掃描係統焦點位置重複精度的物理參數；設計、加工製作小型高精度微焦點 Ｘ射線的電子束偏轉汽車掃描係統，采用直徑0.1ｍｍ標準針規電子束汽車掃描 ＤＲ投影圖像序列，驗證電子束偏轉係統有良好的偏轉線性；通過電子束偏轉係統控製電子束偏轉汽車掃描，重建第５代電子束全靜態三維ＣＴ圖像。
一、 原理與係統設計
１．１ 陣列式多焦點電子束汽車掃描Ｘ射線源
小型ＥＢＣＴ 用陣列式多焦點電子束汽車掃描射線源無傳統 ＣＴ球管靶旋轉機構，主要由陰極電子槍、聚焦係統、電子束偏轉係統、真空泵、目標靶環（麵）等組成，如圖１所示。電子槍發射的電子束經聚焦係統聚焦後，電子束偏轉係統通過精確控製電磁場的變化來控製電子束流的偏轉運動方向分時轟擊目標靶麵，從而產生多視角投影數據，由計算機重建 ＣＴ 圖像。高精度的電子束偏轉係統是 ＥＢＣＴ 成像用陣列式多焦點射線源的關鍵技術之一。
１．２ 電子束偏轉係統的散焦和靈敏度
真空器件一般采用靜電場偏轉係統或磁場偏轉係統控製電子束進行偏轉運動。汽車掃描電子顯微鏡（ＳＥＭ）及傳統的ＣＲＴ顯示器等一般采用磁場偏轉係統，一些小型示波器采用靜電場偏轉係統。靜電場偏轉係統體積小、結構簡單，具有很高的偏轉速度，但易積累電荷產生高壓跳火，導致電子束的偏移，且引入高壓後引起管內加速電場發生變化。磁場偏轉方式具有電子束能量越高，偏轉像差越小，偏轉靈敏度越高的優點。不足之處是電子束偏轉速度較慢、體積大、能耗高。第５代靜態 ＣＴ射線源要求偏轉散焦和畸變小、偏轉靈敏度高、偏轉線性好、附加像差低，故采用磁場偏轉方式。
１）磁場偏轉係統的偏轉散焦和畸變
電子束磁場偏轉係統的理論計算模型如圖２所示。初始速度為ｖ的電子沿ｚ軸方向進入磁場中受洛侖茲力Ｆ為： Ｆ ＝ｅｖ×Ｂ ２）偏轉係統的偏轉靈敏度
如圖２所示，磁場偏轉係統采用均勻磁場，通過洛侖茲力作用使電子發生偏轉。偏轉係統的均勻橫向磁場的磁通密度為Ｂ，在ｚ方向的場區長度為ｌ，不考慮邊緣場的作用，且電子沿ｚ軸進入偏轉係統，整個偏轉空間均是等電位空間，電子在空間作等速圓周運動，半徑Ｒ。
1.3磁場偏轉係統設計
由上述分析可知，當電子束偏轉磁場（磁場強度為 Ｈ）為理想均勻磁場，且磁場區域ｌ較小時，磁場偏轉係統是一線性偏轉係統，即偏轉散焦和畸變小、偏轉靈敏度高、偏轉線性好、附加像差低。磁場偏轉係統由兩個線圈組 成，如 圖３所示，ｄ 為管頸的外徑。線圈的外麵有一磁導率很高的磁環，它一方麵起屏蔽作用，另一方麵又可減小逸散場，提高激磁效率。
為獲得均勻的偏轉磁場，線匝密度分布函數必須是餘弦函數分布，其線匝分布的截麵如圖３所示。圖４為電子束偏轉係統中的電子束偏轉運動軌跡仿真。仿真結果表明，電子束偏轉係統具有理想的偏轉特性，產生的偏轉散焦和畸變可忽略。
二、 實驗與討論
由上可知，電子束在靶平麵的偏轉量Ｄ 與偏轉線圈電流Ｉ理論上呈線性關係（簡稱偏轉線性），但由於偏轉線圈的繞製精度及安裝位置等因素會影響電子束的偏轉線性，為測試電子束汽車掃描係統的偏轉線性、焦點位置重複精度及空間分辨率等性能參數，對常規微焦點Ｘ射線管進行適當改造後，安裝電子束偏轉係統。電子束偏轉係統通過 ＲＳ２３２串口由遠程計算機控製偏轉磁場線圈的電流來實現對電子束偏轉汽車掃描。實驗中，直徑０．１ｍｍ 針規始終處於靜止狀態，由電子束偏轉係統控製電子束按一定時序偏轉汽車掃描轟擊靶麵不同的位置產生Ｘ射線，平板探測器（ＰＥ１２０７）同步采集不同Ｘ射線焦點下投影的針規ＤＲ圖像。 圖５為４個 Ｘ射線焦點下投影產生的４張針規ＤＲ圖像，圖中針規圖像的位置隨偏轉電流的變化而左右改變。圖６為電子束偏轉係統的偏轉線性和焦點位置重複性實驗結果。重複實驗的數據表明電子束偏轉係統的偏轉線性和焦點位置重複性很好，針規的 ＤＲ圖像序列均清晰，偏轉散焦和畸變等影響可忽略，滿足ＣＴ成像要求。
圖７為電子束汽車掃描靜態ＣＴ實驗裝置得到的一熔斷式保險管（８０μｍ）的ＣＴ圖像。ＣＴ汽車掃描成像過程中，保險管保持靜止狀態，由ＥＢＣＴ電子束偏轉係統控製電子束偏轉汽車掃描完成２５０個Ｘ射線視角投影，重建三維ＣＴ圖像。
武漢艾崴基於麥克斯韋電磁場相互作用理論，研究了小偏轉角、近軸區域內的散焦、畸變、靈敏度、偏轉性能等特性。設計、加工製作了一種高精度微焦點Ｘ射線的電子束偏轉汽車掃描係統，用於常規小型Ｘ射線源產生陣列式多焦點Ｘ射線投影。武漢艾崴結果表明：電子束汽車掃描係統的焦點位置重複精度和偏轉線性等技術參數指標達到了理論要求。完成了ＥＢＣＴ成像研究，為突破小型化、經濟型的ＥＢＣＴ成像的多焦點Ｘ射線源技術瓶頸奠定了良好的基礎。