微束斑X射线源的理论与实验研究

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1、中国科学院西安光学精密机械研究所博士学位论文微束斑X射线源的理论与实验研究姓名：王凯歌申请学位级别：博士专业：物理电子学指导教师：牛憨笨2002.6.1摘要徽束斑x射线源跫指能够产生束斑直径为1．0～1009m的高亮度X射线源，它在生物医学、生佬及痘动力学、工鼗无损探伤、X射线漫强成像、X—CT等科学研究与技术应用中，发挥藿举足轻羹的{乍用。目前，产生微束斑x射线源的主要方法是通过传统的电子束打靶x射线管、同步辐射X射线源、激光等离子体X射线源簿与波带片、多朦膜、X射线透镜等x魃线光学元传辐配合缝成的。这些翳线深要么隶斑编大、亮凄不够，要么造价昂贵、结构庞大、使用不便，严重限制着微京斑x射线

2、光学的研究与发展。商速运动的高密度小束斑电子束崴接轰击金属靶蕊可以辎射出小束斑的X射线，依据诧原理，本论文研带4的微柬斑x射线源主要由三部分组成，即具有优起电子发射能力的LaBs阴极电子抡发射系统、簿径双鬣筒静电聚焦系统敬及金属靶。LaB6电子枪发射的电子柬经过静电聚焦系绞，被会浆为微米级静电孑束斑，该微柬斑电子柬与固体金属靶相互作用，产生出微柬斑的X射线，从而形戒微束斑x射线源。电子柬打靶产生X菇线邑经跫缀成熬的理论，函姥，本论文的理论研究夔点是选择合适结构的电子源系统与合适结构的聚焦系统并垮电子康会聚为微米级的细小束斑。在理论分析中，先后采用边界元方法、差分方法、有限元方法等羊砗学数值计

3、算方法，编翻程序，对X射线源的电子枪发射系统、聚焦系统以及发射系统与聚焦系统熬缀合系统等静电场分布遴幸亍了严格的计算，在准确求得器系统电场内各个剖分点的电场场强、镳导数等参爨的基础上，采用蒙特一卡罗模拟方法和不等距龙格．库塔方法相结合，追踪由LaB6单晶阴极表面发射出的大餐电子束在电场内的运动轨迹，求出点扩展函数，并根据点扩展函数的优劣，反复调节、大量诗箨对毙，挑选出x瓣线源最佳翡宅极结梅及其缀合。在最健条件下的X射线源，当LaB6阴极加热瀑度为1900～2000K、饱褪发魅电浚为58．3～141．49A时，计算所得轰击金属靶面的电子束焦斑的半值宽度仅有1．09m左右。依据理论设计缀装瓣徽束

4、斑x射线源样梳，既哥连续发射也胃脉冲辐射X射线：其各项性能，在满足其正常工作条件的综台测试仪上通过了实际运行测试。当阴极采取连续发射电子的工作模式(发射电流40“A)时，记录测量到的最小电予束焦斑直径不大予221am：而在相间条件下．以脉冲方式发射电子柬时，其焦斑瘫经不太子159m，原因楚短辩闻静电子轰壹减，j、了鞯瑟静热堆禚效应等。本论文所研制的微束斑X射线源，可连续发射也砸脉冲辎射，不仅霹以发射具有足够亮度的微米级束斑x射线，而且仪器重量轻，体积小，可灵活移动，价廉经济，完全可以为一般大专院校的普通实验室及小研究团体接受。相信该微寒斑x射线源静减功萋嚣利，对于微柬褒x射线巍学的研究与发矮

5、，促进生物学、医学、生命科学以及专才料毒淳学筹的发展烽具有霪要灼现实意义。关键词：微束斑x射线源，蒙特卡罗模拟方法，LaB6阴极电子枪发射系统静逛聚焦系绞ABSTRACTThex—raysourcewithmicro—beamisallx-raysourcewitll1．0M001．tinx—rayspot’sdiameterandwithhighenoughbrightness．Thesourceisveryimportantinsuchscientificresearchesandapplicationsasbiomedicine，biochemicaldynamics，industri

6、alnondestructiveexaminationanddetection，x．raymicroscopyandmicro-CT．Severaldifirerenttypesofx—raysourcewithmicro—beamarecurrentlybeingused，suchasconventionalx-raytubesandotherelectron—beamdevices，synchrotronradiationsource，laserplasmasbombingtarget，beingcooperatedwithoneortwox—rayopticalelementsasBr

7、agg—Fresnelzoneplates，multilayermirrorsintothex-rayregime，orx-raylens．Mostofthesex-raysourcesarelarge，complex，andexpensive．Thex—raysourcewithmicro—beamthatwedevelopedavoidsseveralfundamentallimitationsincom