微靶型X射线管不同靶材出射光斑对比研究

左 卓 何 兴 张 松 颜瑜成 覃 骏

1（成都理工大学工程技术学院 乐山 614000）

2（核工业西南物理研究院 成都 610225）

稳定的极小尺寸X 射线光斑，在高质量的X 射线成像中应用非常广泛，潜力也很巨大。它能够获得相比于普通X 射线管更精细的结构图像［1-2］。然而光斑尺寸实质上是入射电子在与X射线靶进行碰撞激发等相互作用后的电子束展宽直观体现［3］，传统获得微型光斑需要通过电子束聚焦减小入射电子尺寸，但是这种方法受到聚焦设备的电压、振动、温度的影响，光斑尺寸会有40 μm左右的波动［4-5］。于是，Ihsan等［6］提出了一种微靶型X射线源，在电子束没有通过明显聚焦的情况下能够获得稳定的出射X射线源光斑，在其研究内容中只讨论了不同微靶结构对出射光斑尺寸的影响。Zhou 等［7］在 Ihsan 基础上研究了点状微靶在不同基底厚度下的光斑性能。关于不同靶材料对光斑尺寸影响的深入研究相关报道较少。

由于透射式微靶X 射线管加工难度较大，成本高昂，且难以有匹配的微光斑测量仪器进行分析。鉴于此，本文针对Mn、Mo、Rh、Ag、W 等5 种靶材料透射式微靶X射线管采用蒙特卡罗（Monte Carlo）方法［8］建立模型，研究不同靶材料对出射光斑尺寸的影响，为微靶型X射线管最优化设计提供参考。

1 微靶型X射线源的结构及原理

普通微型X射线管是在基底上面均匀镀上一层阳极靶材料，镀层尺寸比入射电子束的尺寸大很多。输出的X射线通过入射电子与阳极靶和基底相互作用产生，尺寸受电子束聚焦影响。微靶型X 射线源相比于普通X射线管，其靶结构发生了变化，如图1所示，靶不再均匀镀在基底上面，而是通过蚀刻或飞秒激光在基底上成形出微靶结构［9-10］。入射电子束不需要强力的聚焦设备聚焦，通过准直器后直接轰击在靶材料上面，一部分与金属靶材的原子核发生相互作用产生轫致辐射，另一部分将靶原子内层电子打出，在靶原子内层形成空穴，此时外层电子跃迁填补这个空穴产生特征X射线［11］。

图2为阳极靶的三种结构模型，分别为半球、圆柱和锥体。H是靶的厚度，d是靶底面直径。通过估算靶后方得到类高斯光强分布谱线的半高全宽（Full Width at Half Maximum，FWHM）作为光斑尺寸的衡量标准［12］。本文研究中在靶后方放置一排点探测器，测量每个点的光通量。绘制不同微靶结构下各靶材料输出的光强谱线，然后利用MATLAB计算每种靶材的半高宽。

图2 阳极靶结构模型图 (a)半球，(b)圆柱，(c)锥体Fig.2 The model of anode target structure(a)Hemisphere,(b)Cylinder,(c)Cone

2 模拟计算

2.1 MCNP5建模

透射式微靶型X 射线源的内部结构较多且复杂，本工作的研究是微靶结构下不同靶材料对出射X 射线光斑尺寸的影响，因此并没有必要模拟透射式微靶型X射线源使用时的全部运行状态。在模型中，撤掉高压加速电场和准直器，通过设置能量相同方向相同的电子束面源作为激发源。从而将透射式微靶型X 射线源进行简化处理，成为如图3 所示的模型。X射线源的微靶几何尺寸参考Ihsan等［6］基于微结构X射线靶微焦斑X射线管的研究。电子束面源直径为40 μm，各结构微靶厚度为H=5 μm，底面直径为d=10 μm，考虑只研究靶材影响撤去基底，其余全部处于理想真空环境中。电子入射方向与微靶底面垂直，微靶后方100 μm与靶底面平行方向沿直径设置55个探测器的整列，间距为6 μm。抽样电子能量为100 keV，抽样次数为2×108。

2.2 出射光斑

图4显示的是不同靶材料下的圆柱型微靶X射线源出射的光通量轴向分布图。从图4 中可以看出，X射线光通量在靶中心轴线上为最高值，在靠近靶边缘两端逐渐降低，超过靶边缘外一定尺寸后降低到几乎没有光通量，整体分布接近类高斯形。与前文所提文献［6］出射光斑光通量分布规律基本吻合，侧面验证本次研究的正确性。

考虑不同微靶结构对出射光斑的影响，改变微靶结构后，再次模拟不同靶材下的X 射线源出射光斑，得到半球体和锥体微靶出射光强分布谱线，如图5和图6所示。

综合图4～6，可以看出在不同微靶结构下出射光斑尺寸明显不同，微锥结构的光斑尺寸小于半球和圆柱形微靶，规律与参考文献中Ihsan等［6］研究结果相互印证。不过在相同微靶结构下，改变靶材料后出射光斑尺寸也有明显变化，说明靶材料对出射光斑尺寸存在一定影响。

图5 半球体微靶光强分布谱线Fig.5 Intensity distribution profile of hemispherical micro target

图6 锥体微靶光强分布谱线Fig.6 Intensity distribution profile of cone micro target

2.3 评价指标

每种微结构下，不同靶材输出光强分布谱线利用MATLAB 计算其半高全宽（FWHM）。参数FWHM 表示有效光斑，其值越小表示光斑尺寸越小。反之光斑尺寸越大，如果光斑过大则不利于X射线微结构成像精度。因此在提高计算机断层扫描（Computed Tomography，CT）图像的空间分辨率上，通常需要尺寸尽量小且稳定的光斑。

本文中对比不同材料和结构对光斑大小的影响，引入波动量δ和波动百分数η。

式中：FWHMmin为同一结构中不同材料下最小光斑尺；FWHMother为其他材料光斑尺寸。

结合图4～6，将每种材料的FWHM 记录在表1中，随着微结构从圆柱、半球、锥体变化，出射光斑尺寸依次为平均180 μm、163 μm、153 μm且逐渐减小。靶材料发生改变时虽然光斑尺寸没有发生数量级跳变，但尺寸依然不同，波动量达到圆柱δ=7 μm、半球δ=4 μm、锥体δ=5 μm。

表1 不同结构和材料微靶出射光斑FWHM(μm)Table 1 The FWHM of micro target with different structures and materials(μm)

3 模拟结果和分析

讨论微靶结构和靶材料对光斑尺寸的影响，分别将两种模拟结果绘制在不同的数据图中。靶结构对光斑影响如图7所示，横坐标表示靶结构，纵坐标为不同材料下光斑FWHM。靶结构改变时光斑尺寸有明显变化，圆柱光斑尺寸最大184 μm，半球光斑尺寸最大165 μm，锥体光斑尺寸最大156 μm。相同微靶结构下不同材料，最大与最小光斑尺寸波动达到圆柱η=3.95%、半球η=2.48%、锥体η=3.31%。不同材料在相同微靶下光斑尺寸有波动，整体服从圆柱FWHM>半球FWHM>锥体FWHM规律。。

图7 不同微结构各材料出射光斑尺寸Fig.7 Light spot size of different microstructures and materials

分析同种结构下靶材料对尺寸具体影响，将所得模拟数据绘制在图8中，横坐标为靶材料，纵坐标为光斑FWHM。

图8 不同微靶材料出射光斑尺寸Fig.8 The FWHM of different micro target materials

随着靶材料变化同种微结构出射光斑尺寸先减小后增加。银靶锥体光斑尺寸最小为151 μm，钨靶圆柱光斑尺寸最大为181 μm。采用银靶锥体相比于钨靶圆柱光斑减小17.93%。分析发现因为靶材料原子序数增加电子在与靶原子相互作用中，电子束展宽效应降低［13］，从而出射光斑尺寸先减小。原子序数进一步增加，因为靠后的材料X 射线K 边吸收限越接近100 keV 入射电子能量，且荧光产额ωK越高，导致在微靶边缘部分产生的X 射线相比于低原子序数材料更多，间接影响后端探测器测量到的光强分布。使光斑尺寸有一定升高，但升高趋势明显收敛抑制。

4 结语

模拟了100 keV能量的电子、厚度5 μm、底面直径10 μm 微靶型X 射线源，探讨了不同靶材料和微结构对微靶型X 射线源出射光斑的影响。结果表明：相同结构下不同靶材料造成出射光斑波动在3.5%左右，微锥形靶结构出射光斑尺寸明显优于圆柱和半球形，微锥相比于圆柱光斑尺寸均值减小27 μm。综合考虑采用微锥Ag 靶出射光斑比圆柱W 靶FWHM 降低17.93%，因此合适的靶材料和微结构有助于获得光斑尺寸更小的出射X射线光强分布。这些结果可作为微靶型X 射源研究与设计的参考。