用于產(chǎn)生掃描x射線射束的電磁掃描設(shè)備的制作方法
【專利摘要】一種用于產(chǎn)生穿透電磁輻射的掃描射束的設(shè)備。電子射束入射到凹形陽極上的一連串指定位置，該凹形陽極響應(yīng)于此發(fā)射電磁波，使得響應(yīng)于電子射束的角掃描，從孔徑射出的電磁波掃描過掃描平面內(nèi)的一個(gè)角度范圍。在電子射束撞擊到的陽極的一側(cè)上，通過后半球中的一個(gè)或多個(gè)射出孔徑從該設(shè)備得到x射線射束。
【專利說明】用于產(chǎn)生掃描X射線射束的電磁掃描設(shè)備
[0001] 本申請(qǐng)要求提交于2012年3月6日序列號(hào)為61/607, 232的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)的 優(yōu)先權(quán)，該申請(qǐng)并入本文中作為參考。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002] 本發(fā)明涉及被掃描的X射線發(fā)射源，并且更具體地涉及通過相對(duì)于凹的目標(biāo)表面 電磁掃描帶電粒子射束來產(chǎn)生被掃描的X射線射束的設(shè)備。

【背景技術(shù)】
[0003] 很多年以前就已經(jīng)設(shè)想過通過在陽極上電磁掃描筆形射束來掃描所產(chǎn)生的X射 線射束，但至今還沒有面向市場(chǎng)的系統(tǒng)。所有方法都是用所謂的發(fā)射裝置，該發(fā)射裝置在圖 1中舉例說明且在美國專利第6, 282, 260號(hào)（授予Grodzins，題為"Unilateral Hand-Held X-ray Inspection Apparatus"）中進(jìn)行了描述，該專利并入本文中作為參考。陰極18發(fā) 出的電子射束20被朝向目標(biāo)22加速，目標(biāo)22典型地為陽極，并且下文中稱為陽極。電子 射束20可以相對(duì)于陽極22被掃描，使得可以改變射束14的朝向。在此示例中，所產(chǎn)生的X 射線從薄的典型地為high-Z的陽極射出到錐形殼體中，僅僅從錐體頂點(diǎn)處的孔徑射出。以 下列舉出通過掃描電子射束來對(duì)產(chǎn)生的X射線射束進(jìn)行掃描的其他示例。在所有情況下， X射線均以前半球體（forward hemisphere)的形式發(fā)射。
[0004] 電磁導(dǎo)向的X射線射束具有的幾何形狀是基于前向的韌致福射（bremsstrahlung emission)發(fā)射的，該電磁導(dǎo)向的X射線射束的其他配置例如在美國專利第6, 421，420號(hào) (授予 Grodzins，題為"Method and Apparatus for Generating Sequential Beams of Penetrating Radiation"）和美國專利第 6, 542, 574 號(hào)（授予 Grodzins，題為"System for Inspecting the Contents of a Container"）中進(jìn)行了描述，這兩個(gè)專利均并入本文中作 為參考。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 依照本發(fā)明的不同實(shí)施例，提供了一種設(shè)備，用于產(chǎn)生穿透電磁輻射的掃描射束。 所述設(shè)備具有用于生成以一種傳播方向?yàn)樘卣鞯碾娮由涫脑?，和用于接收該電子射束?響應(yīng)于電子射束發(fā)射電磁波的陽極。所述設(shè)備還包括電磁射束導(dǎo)向器和射出孔徑，其中電 磁射束導(dǎo)向器引導(dǎo)電子射束的傳播方向使得電子撞擊到陽極上的一連串指定位置，射出孔 徑用于從陽極上的一連串指定位置發(fā)射電磁波，使得響應(yīng)于電子射束的角掃描，從孔徑射 出的電磁波的射束的方向掃描過在掃描平面內(nèi)的一個(gè)角度范圍，其中掃描平面從電子射束 的傳播方向移位至少45度。
[0006] 依照其他實(shí)施例，提供了一種用于產(chǎn)生穿透電磁福射的掃描射束的設(shè)備，該設(shè)備 具有用于生成電子射束的源，和具有從源來看為凹形的表面的陽極，其中陽極接收電子射 束并發(fā)射電磁波。電磁射束導(dǎo)向器將電子射束引導(dǎo)到陽極上的一連串指定位置，并且電磁 波通過射出孔徑以一定方向被發(fā)射，該方向是響應(yīng)于電子射束的角掃描而被掃描的方向。
[0007] 在任意前述實(shí)施例中，電磁射束導(dǎo)向器可以在電子射束平面內(nèi)掃描電子射束。在 某些實(shí)施例中，射出孔徑位于電子射束平面內(nèi)，但在其他實(shí)施例中，射出孔徑可在電子射束 平面以外。
[0008] 在本發(fā)明的進(jìn)一步的實(shí)施例中，該設(shè)備可以具有多個(gè)射出孔徑。電磁波導(dǎo)向器可 以適于使電子射束在側(cè)向平面中轉(zhuǎn)向，側(cè)向平面垂直于電子射束平面。設(shè)備可具有多個(gè)陽 極，并且濾波器可以設(shè)置在一個(gè)或多個(gè)射出孔徑內(nèi)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009] 本發(fā)明的前述特征在參考附圖考慮以下詳細(xì)描述后將變得更容易理解，附圖中： [0010] 圖1示出了如美國專利第6, 282, 260號(hào)描述的現(xiàn)有技術(shù)電子射束掃描器。
[0011] 圖2是依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的具有"單側(cè)"反射幾何形狀的電子射束掃描器 的概念圖。
[0012] 圖3是從上方觀察到的依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的反射掃描X射線射束系統(tǒng)的示 意性橫截面，顯示了相對(duì)于掃描電子射束的平面成大約150°的角截取的得到的X射線射 束的平面。
[0013] 圖4是從上方觀察到的依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的立體反射掃描X射線射束系統(tǒng) 的不意性橫截面，該系統(tǒng)用于產(chǎn)生兩個(gè)同時(shí)發(fā)生的掃描X射線射束。

【具體實(shí)施方式】
[0014] 現(xiàn)在參考圖2來描述依照本發(fā)明的實(shí)施例，采用反射幾何形狀（reflection geometry)來產(chǎn)生掃描X射線射束217。電子射束303中的源自于陰極源203的電子201 被朝向陽極205加速，該電子射束303的特征在于，其傳播方向如以下描述的那樣隨時(shí)間而 改變。
[0015] 在圖2中所示的本發(fā)明的實(shí)施例中，陽極205具有從源203的角度看為凹形的表 面，諸如圓弧形。然而，應(yīng)理解在本發(fā)明的范圍內(nèi)陽極205可具有任意形狀。在陽極205處 通過韌致輻射處理產(chǎn)生的X射線207被以后半球209的形式發(fā)射，從那個(gè)半球中的孔徑211 射出。在本文中針對(duì)X射線輻射描述了本發(fā)明，以便于進(jìn)行啟發(fā)且沒有限制意義，但是應(yīng)該 理解在所描述的韌致福射處理中得到的任何穿透福射（penetrating radiation)均在本發(fā) 明的范圍內(nèi)。在圖2、圖3和圖4中示出的反射裝置是多用途的，具有勝過圖1中描繪的現(xiàn) 有技術(shù)透射幾何形狀（transmission geometry)的多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。
[0016] 本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例具有在電磁射束導(dǎo)向器213(諸如所不的掃描磁體（在本文 中可稱為掃描磁體（scanning magnet) 213,或者稱為"掃動(dòng)磁體（sweeping magnet)")）與 陽極205之間的徑向距離R(圖2中示出）的球形表面，消除了否則在平面陽極的情況下， 會(huì)遇到的復(fù)雜性，該復(fù)雜性是因?yàn)樵谄矫骊枠O的情況下要求所有點(diǎn)處均形成均勻的電子焦 斑215而造成的。然而，在其他應(yīng)用中，平面的或其他形狀的陽極可以是優(yōu)選的。
[0017] 在電子射束303的電子撞擊到陽極205上形成的焦斑215是掃動(dòng)X射線射束217 的初始焦點(diǎn)，并且焦點(diǎn)215的尺寸與掃動(dòng)角Θ el無關(guān)。掃動(dòng)x射線射束217本文中可以稱 為"反射-掃描X射線射束"。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，電磁射束導(dǎo)向器213在平面（在 圖2中為頁面的平面）中掃動(dòng)電子射束303,該平面可稱為"電子射束平面"。
[0018] 從陽極205的圓弧的所有點(diǎn)到射出孔徑211的距離D幾乎是不變的，這產(chǎn)生了在 整個(gè)目標(biāo)（未示出）上為均勻的掃動(dòng)X射線射束217。
[0019] 掃描電子射束220和掃描X射線射束217占據(jù)相對(duì)等的體積，使得與傳統(tǒng)的幾何 形狀相比，整個(gè)系統(tǒng)的尺寸可以更小而屏蔽物（shielding)可以更輕。
[0020] 掃描電子射束220的"平面"和掃描X射線射束217的平面可以配置成僅僅為幾毫 米厚。（在本文中使用時(shí)，術(shù)語"平面"可用于代表掃動(dòng)射束的路徑的時(shí)間積分。只要射束 不是一維的且具有有限的橫截面，術(shù)語"平面"就具有有限的厚度，但對(duì)于大多數(shù)描述性的 目的該厚度均可以忽略）。本文中將X射線射束217在其中掃動(dòng)的平面稱為"掃描平面"。
[0021] 掃動(dòng)磁體213可以設(shè)置在真空外殼235內(nèi)的真空空間230以外，該真空外殼235 封住了電子源203和陽極205。有相當(dāng)大的范圍可以用于定位射出孔徑211。圖3示出了 一個(gè)示例，其中射出孔徑301偏離開包含掃動(dòng)電子射束303的平面。角300指的是電子射 束303與X射線射束307出發(fā)（take off)的方向之間的角。在本發(fā)明的范圍內(nèi)，角300包 括大于45°的角。
[0022] 依照本發(fā)明的實(shí)施例，電子聚焦和磁體掃動(dòng)均在處理器305的控制下，使得期望 掃動(dòng)圖案可以根據(jù)操作者的命令來預(yù)先編程或改變。例如，可以通過改變電子射束303的 角掃動(dòng)來輕松地改變X射線射束307的角掃動(dòng)。
[0023] 在掃描角改變時(shí)目標(biāo)上的總X射線通量保持恒定不變的真實(shí)聚焦系統(tǒng)，可以通過 改變從陽極205到射出孔徑301的距離D同時(shí)適當(dāng)改變孔徑的尺寸來實(shí)現(xiàn)。
[0024] 現(xiàn)在參考圖4的橫截面視圖，如從上方看到的，分別在電子掃描平面兩側(cè)上的兩 個(gè)（或更多個(gè)）相似的掃描X射線射束401和403可以同時(shí)用于使投射的或散射的X射線 立體成像。依照本發(fā)明的其他實(shí)施例，可以額外地使電子射束303在側(cè)平面（在圖2-4中 所示的橫截面的平面中）中轉(zhuǎn)變方向。通過側(cè)向地轉(zhuǎn)變射束303的方向，并且通過將X射 線不能穿透的元件410放置在陽極205發(fā)射的X射線的路徑中，X射線發(fā)射可以瞬間在射 束401與403之間交替進(jìn)行。
[0025] 此外，依照本發(fā)明的再另外的實(shí)施例，可提供多個(gè)陽極，從而在電子射束303停留 (dwell on)在各自的陽極上的期間提供不同的光譜特性。孔徑421和423可包含濾波器 (或者，可選地，濾波器可以設(shè)置在各個(gè)X射線射束的其他部分內(nèi)），使得各個(gè)射束401和 403 (或其部分）的能量譜可以被調(diào)整。
[0026] X射線限定孔徑301 (例如，圖3中示出）以及可變的濾波器和X射線光閘可以在 真空230之內(nèi)，或者在優(yōu)選實(shí)施例中可以放置在真空230以外。
[0027] 為了便于啟發(fā)，本文中沒有限制意義地在平面中的X射線的筆形射束方面描述了 本發(fā)明。本發(fā)明還可以應(yīng)用于例如以光柵的方式或其他方式進(jìn)行的二維掃描。在優(yōu)選的二 維實(shí)施例中，陽極205是空心球的一部分。
[0028] 在圖2中一般性地用數(shù)字200指示的單側(cè)掃描系統(tǒng)可以適用于廣泛的應(yīng)用，從用 達(dá)到數(shù)百keV的X射線掃描卡車的大型系統(tǒng)到用小于lOOkeV的射束進(jìn)行掃描的手持式系 統(tǒng)。對(duì)于低于幾百keV的電子能量，從與電子射程相比的目標(biāo)厚度來看，韌致輻射角分布是 基本上各向同性的。模型計(jì)算顯示，在感興趣的能量范圍中，在180° (向后）方向上的X 射線密度大于90°方向上的X射線密度。
[0029] 本發(fā)明所描述的實(shí)施例旨在僅僅是示例性的，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說多種變形 和修正將變得顯而易見。所有這些變形和修正都旨在本發(fā)明的范圍內(nèi)，本發(fā)明的范圍由所 附權(quán)利要求限定。
[0030] 本文呈現(xiàn)的示例涉及方法行為或系統(tǒng)元件的具體組合，應(yīng)理解那些行為和那些元 件可以其他方式組合起來以完成X檢測(cè)的相同目標(biāo)。此外，單個(gè)裝置特征可以完成權(quán)利要 求中分別提到的多個(gè)元件的要求。本文中描述的本發(fā)明的實(shí)施例旨在僅僅是示例性的；變 形和修正對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將變得很明顯。所有這樣的變形和修正都旨在落入由任 意所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于產(chǎn)生穿透電磁輻射的掃描射束的設(shè)備，所述設(shè)備包括： a. 用于生成電子射束的源，該電子射束的特征在于傳播方向； b. 陽極，用于接收所述電子射束，并且響應(yīng)于該電子射束發(fā)射電磁波； c. 電磁射束導(dǎo)向器，其引導(dǎo)所述電子射束的傳播方向使得電子撞擊到所述陽極上的一 連串指定位置；以及 d. 射出孔徑，用于從所述陽極上的所述一連串指定位置發(fā)射電磁波，使得響應(yīng)于所述 電子射束的角掃描，從所述孔徑射出的電磁波的射束的方向掃描過在掃描平面內(nèi)的一個(gè)角 度范圍， 其中所述掃描平面從所述電子射束的傳播方向移位至少45度。
2. -種用于產(chǎn)生穿透電磁輻射的掃描射束的設(shè)備，所述設(shè)備包括： a. 用于生成電子射束的源； b. 陽極，具有從所述源來看為凹形的表面，所述陽極接收所述電子射束并響應(yīng)于該電 子射束而發(fā)射電磁波； c. 電磁射束導(dǎo)向器，其將所述電子射束引導(dǎo)到所述陽極上的一連串指定位置；以及 d. 射出孔徑，用于發(fā)射在所述陽極的所述一連串指定位置處發(fā)射的電磁波，使得響應(yīng) 于所述電子射束的角掃描，從所述孔徑射出的電磁波射束被掃描。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，其中所述電磁射束導(dǎo)向器適于在電子射束平面內(nèi)掃 動(dòng)所述電子射束。
4. 如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中所述射出孔徑位于所述電子射束平面內(nèi)。
5. 如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中所述射出孔徑在所述電子射束平面以外。
6. 如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括多個(gè)射出孔徑。
7. 如權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，其中所述電磁射束導(dǎo)向器進(jìn)一步適于使所述電子射 束在側(cè)向平面中轉(zhuǎn)向，所述側(cè)向平面垂直于所述電子射束平面。
8. 如權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括多個(gè)陽極。
9. 如權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括設(shè)置在所述射出孔徑內(nèi)的濾波器。
【文檔編號(hào)】H01J35/02GK104160468SQ201380013234
【公開日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2013年2月15日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月6日
【發(fā)明者】L.格洛德津, P.霍斯希爾德 申請(qǐng)人:美國科技工程公司