阅读说明：本技术 产生x射线辐射的靶，x射线发射器和产生x射线辐射的方法 (Target for generating X-ray radiation, X-ray emitter and method for generating X-ray radiation ) 是由 马文·莫勒 斯文·米勒 马丁·科施米德尔 斯特凡·威林 本诺·齐利亚克斯 于 2019-07-25 设计创作，主要内容包括：一种用于通过加载包含带电粒子、尤其电子的粒子流(e)来产生X射线辐射(γ)的靶(11),其特征根据本发明在于,设有包括至少两个金属层(S1,S2)的层结构(S)。可由粒子流(e)加载的靶表面(T)由层结构(S)的第一层(S1)形成,所述第一层由包括第一金属元素的材料构成。层结构的第二层(S2)由包括第二金属元素的材料构成。第一金属元素的原子序数(Z)小于第二金属元素的原子序数(Z)。本发明还涉及一种具有这种靶的X射线发射器(10)以及一种用于产生X射线辐射(γ)的方法。(Target (11) for generating X-ray radiation (γ) by loading a particle stream (e) containing charged particles, in particular electrons, is characterized according to the invention in that a layer structure (S) comprising at least two metal layers (S1, S2) is provided. The target surface (T), which can be loaded by the particle flow (e), is formed by a first layer (S1) of a layer structure (S), which consists of a material comprising a first metal element. The second layer (S2) of the layer structure is composed of a material including a second metal element. The atomic number (Z) of the first metal element is smaller than the atomic number (Z) of the second metal element. The invention also relates to an X-ray emitter (10) having such a target and to a method for generating X-ray radiation (gamma).)

产生X射线辐射的靶，X射线发射器和产生X射线辐射的方法

技术领域

本发明涉及一种用于通过加载包含带电粒子、尤其电子的粒子流产生X射线辐射的靶。

此外，本发明涉及一种X射线发射器，所述X射线发射器具有发射粒子流的粒子源和加速设备、尤其包括多个彼此耦联的空腔共振器的加速设备，所述加速设备构成用于，产生对准靶的粒子流。

本发明还涉及一种用于通过给靶加载包含带电粒子、尤其电子的粒子流的X射线辐射的方法。

背景技术

已知的是，在医学应用和非医学应用中使用提供在MeV的范围中的X射线辐射的X射线发射器、尤其高能X射线发射器。X射线辐射或轫致辐射在此以已知的方式如下产生：给靶加载由加速的且带电的粒子、通常电子构成的粒子流。在此，使粒子减速，使得所述粒子将其动能的一部分作为质子或X射线辐射发射。为了将带电的粒子或电子加速，尤其使用直线加速器。

用于这样产生的X射线辐射的医学应用领域涉及放疗。其他科技应用领域涉及无破坏的材料检查或对对象进行透视，尤其在成像的安全检查的范围中或在货物的成像检查的范围中。在后一种情况下，例如为了对大的物体例如货物集装箱进行透视，已知如下透视系统，其中为了产生在MeV范围中的质子，使用直线加速器。在对对象进行透射时减弱的X射线辐射以空间分辨的方式由X射线探测器探测。

出于辐射防护的原因，在多种应用中存在如下要求：尽可能地降低在有效辐射区之外发射的X射线辐射、尤其散射辐射和泄漏辐射。降低在有效辐射区之外的X射线辐射典型地通过屏蔽装置和准直挡板进行，所述屏蔽装置和准直挡板是所述设施、尤其直线加速器的总重量的主要组成。

发明内容

本发明的目的是，提出一种用于产生X射线辐射的设备和方法，使得降低所产生的辐射在期望的有效辐射区之外的份额。

所述目的通过根据本发明的用于产生X射线辐射的靶、根据本发明的直线加速器和根据本发明的用于产生X射线辐射的方法来实现。

本发明的有利的改进方案在下文中描述。

用于通过加载包含带电粒子、尤其电子的粒子流产生X射线辐射的靶(也称为：散射体)，根据本发明具有包括至少两个金属层的层结构。可由粒子流加载的靶表面由层结构的第一层形成，所述第一层由包括第一金属元素的材料构成。层结构的第二层由包括第二金属元素的材料构成。第一金属元素的原子序数小于第二金属元素的原子序数。

本发明基于如下知识：加速的粒子、尤其电子与靶的材料中的原子的相互作用在粒子的给定的加速中、即在给定的加速电压下决定性地影响质子或X射线量子在有效辐射区之内和之外的发射。尤其地，在粒子流和靶的材料之间的相互作用确定向回散射的粒子的能量和份额。现在已经证实的是，所述向回散射的粒子(也称为：次级电子)是在有效辐射区之外的泄露辐射和散射辐射的显著的份额，因为所述向回散射的粒子在其他部位处在位于周围的材料中的一种材料中减速从而有助于电磁辐射、尤其X射线辐射的发射。

本发明的核心是，通过将不同的材料有针对性地设置在靶中，降低向回散射的粒子的能量。于是因此能够通过减小尤其与入射的粒子流的射束方向相反的屏蔽装置来实现明显的质量降低。

根据本发明的靶构造成，使得在类似的有效辐射区的情况下，相对于已知的方式降低向回散射的粒子或电子的份额。对此，利用加速的粒子与不同的材料的相互作用。对于具有大的原子序数(也称作为：核电荷数、原子原子序数、质子数)的金属元素，所述相互作用通常强于具有较小的原子序数的金属元素。因此，粒子的作为穿透深度的函数的偏转和所产生的X射线辐射的收益是不同的。为了确保X射线辐射、尤其轫致辐射的最大收益，因此将靶设计成，使得由粒子流加载的或可由粒子流加载的靶表面由如下材料构成，所述材料包括具有尽可能大的核电荷数的元素。

靶的设计方案的特征在于，具有较小的原子序数的材料从入射的粒子流的角度观察位于上游。换言之，可加载的靶表面由第一层形成，所述第一层的材料具有原子序数较小的原子序数金属元素。尤其直接邻接于第一层的第二层相应地包括原子序数较大原子序数的金属元素。在靶的这种结构上的实施方案中，针对每入射的粒子，X射线辐射的收益略微降低，然而向回散射的粒子、尤其电子的份额明显更强地降低。设置用于减弱在所设置的有效辐射区之外的X射线辐射的屏蔽装置在应用情况下能够决定性地减小大于一个半值层厚度。因为所述屏蔽装置在大多数用于产生高能X射线辐射的X射线辐射器中具有最大份额的总重量，所以针对总系统的重量优点是有意义的。

靶的层结构包括至少两个层。在设计方案中，靶由具有刚好两个层的层结构形成。

在设计方案中，第一金属元素的原子序数小于36并且第二金属元素的原子序数大于36。第一金属元素例如是第三或第四周期的金属，例如铜(Cu)。第二金属元素例如是第五或第六周期的金属，例如钨(W)。

在设计方案中，在第一金属元素的原子序数和第二金属元素的原子序数之间的差至少为18。

在设计方案中，第一和第二材料是金属或金属合金。在第一和/或第二材料是匀质金属的情况下，所述第一和/或第二材料尤其能够由第一和/或第二金属元素形成。如果第一和/或第二材料是金属合金，那么相应地第一和/或第二金属元素是金属合金的组成部分。

在设计方案中，第一金属元素是铜并且第二金属元素是钨。第一层尤其能够由包含铜的金属合金构成。第二层尤其能够由包含钨的金属合金构成。替选于此，第一层能够基本上能够由元素铜构成并且第一层基本上能够由元素钨构成。术语“基本上”在此理解成，也包含通过杂质金属和/或氧化造成的杂质。

在设计方案中，第一层的层厚度位于电子在形成第一层的材料中的射程的0.3倍和0.7倍之间的范围中。第二层的层厚度相应地同样优选位于形成第二层的材料中的电子的射程的0.3倍和0.7倍之间。第一层的层厚度因此尤其与加载靶的粒子流的平均粒子能量相关地选择成，使得入射的粒子的至少主要份额穿透第一层。换言之，入射的粒子的平均穿透深度大于第一层的层厚度。平均粒子能量优选位于MeV的范围中。

要理解的是，从至少一个第一层到至少一个第二层的过渡不一定必须是突然的，更确切地说，在设计方案中能够提出，靶的材料组成从第一层至第二层连续地改变。为了制造具有变化的材料组成的这种靶，生成式制造法尤其是有利的，例如烧结、选择性激光熔融或3D打印。

具有发射粒子流的粒子源和加速设备的X射线发射器构成用于，产生对准靶的、尤其对准在上文中已经提到的靶的粒子流，所述加速设备尤其是直线加速器的包括多个彼此耦联的空腔共振器的加速设备。

根据本发明，靶具有包括至少两个金属层的层结构，其中可由粒子流加载的靶表面由层结构的第一层形成，所述第一层由包括第一金属元素的材料构成。层结构的第二层由包括第二元素的材料形成，其中第一金属元素的原子序数小于第二金属元素的原子序数。

具有这样构成的和定向的靶的X射线发射器的优点直接从迄今为止的描述中得出。因为被加载的靶表面由包括具有低的原子序数的成分的第一层形成，所以尤其降低向回散射的粒子或电子的份额。这减小散射辐射和泄漏辐射，所述散射辐射和泄漏辐射由所述向回散射的粒子造成。尤其沿着相对于入射的粒子流的反向方向的屏蔽装置因此能够减小。这引起明显的重量降低，因为所述设施的总重量决定性地由屏蔽装置的尺寸决定。

在设计方案中，加载靶表面的粒子流沿着射束轴线定向，所述射束轴线基本上垂直于层结构的至少两个层伸展。第一和第二层尤其彼此紧邻并且例如彼此面平行地伸展。

在设计方案中，加速设备构成用于，将粒子流中的粒子加速到在MeV的范围中、尤其在大于1MeV和小于20MeV的范围中的平均粒子能量。加载靶尤其进行成，使得X射线辐射或轫致辐射的放射大部分沿入射的粒子流的方向、即在至少部分地透射靶之后进行。就此而言，靶也能够称作为透射靶。在这种情况下，尤其根据至少所述一个第一层和第二层的层厚度来相应地选择平均粒子能量。

在设计方案中，靶为了放射X射线辐射在围绕射束轴线小于60°的空间角度范围中、优选在围绕射束轴线大约35°的空间角度范围中、尤其沿着加载靶表面的粒子流的方向、即沿着加载靶表面的粒子流的假想的延长部设置。换言之，有效辐射区和入射的粒子流设置在靶的相对置的侧上。

用于通过给靶、尤其已经描述的靶加载包含带电粒子、尤其电子的粒子流以产生X射线辐射的方法，其特征在于，靶具有包括至少两个金属层的层结构。由粒子流加载的靶表面由层结构的第一层形成。第一层由包括第一金属元素的材料构成，并且层结构的第二层由包括第二金属元素的材料构成。第一金属元素的原子序数小于第二金属元素的原子序数。

利用这样构成和定向的靶的方法的优点直接从迄今为止关于相应的设备的描述中得出。在对由包括具有低的原子序数的成分的第一层形成靶表面进行加载的情况下，针对每入射的粒子得出变化的X射线辐射的收益。尤其地，X射线辐射的沿着射束轴线的方向、即沿着粒子流的正向方向发射的份额关于沿着反向方向散射的粒子改变。在沿着正向方向的X射线辐射的收益给出的情况下，沿着反向方向散射的粒子或电子的份额尤其能够相对于已知的方法能够减小。

在设计方案中，加载靶表面的粒子流沿着射束轴线定向，所述射束轴线基本上垂直于层结构的至少两个层伸展。第二层尤其能够形成靶的背离粒子流的一侧。

在设计方案中，靶为了放射X射线辐射在围绕射束轴线小于60°的空间角度范围中、优选在围绕射线轴线大约35°的空间角度范围中、尤其沿着加载靶表面的粒子流的方向设置。换言之，有效辐射区和入射的粒子流设置在靶的相对置的侧上。

在设计方案中，将粒子流中的粒子借助于加速设备、尤其借助于直线加速器的包括多个耦联的空腔共振器的加速设备加速到在MeV的范围中、尤其在大于1MeV并且小于20MeV的范围中的平均粒子能量。换言之，优选生成如下粒子流，借助所述粒子流能够产生在光谱范围中的轫致辐射或X射线辐射，所述轫致辐射或X射线辐射适合于透视实心容器，如尤其在商品往来中常用的物品集装箱、货物集装箱或车厢。

在设计方案中，所产生的X射线辐射、尤其轫致辐射提供用于无破坏的材料检查，用于货物的成像检查和/或用于医学放疗。

附图说明

对于本发明的进一步描述，参照在附图中示出的实施例。在示意图中示出：

图1示出具有直线加速器的X射线发射器的示意性构造；

图2示出用于图1的X射线发射器的具有层结构的靶；

图3相对于非根据本发明的对照实例示出根据本发明的实施例的沿着正向反向发射的X射线轫致光谱的示意性说明；

图4相对于对照实例示出该实施例的沿着正向方向发射X射线轫致光谱的角度分布的示意性说明；

图5相对于对照实例示出该实施例的沿着反向方向向回散射的散射光谱的示意性说明；

图6相对于对照实例示出该实施例的向回散射的电子的角度分布的示意性说明。

彼此对应的部分在全部附图中设有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出具有靶11的X射线发射器10的原理性构造，所述靶由带电粒子的尤其脉冲式的粒子流e加载，以便产生X射线辐射或轫致辐射γ。带电粒子——在当前的情况下为电子——的脉冲或脉冲式的粒子流e可借助于直线加速器1产生，所述直线加速器包括粒子源2，例如电子枪，和加速设备3，例如具有多个耦联的空腔共振器4的加速管，尤其用于产生电磁行波。供能装置5给加速设备3供给高频功率，以便在耦联的空腔共振器4之内产生用于加速粒子流的高频交变场，所述粒子流由粒子源2在预设的时间点射入或注入到加速设备中。

高频功率的输送尤其能够周期性地、即以由加速设备3输送的高频脉冲的形式进行。控制器或控制装置6不仅与粒子源2而且也与供能装置5连接并且构成用于，粒子流到加速设备3中的耦合输入或“射入”关于周期性输送的高频功率在时间上同步。

用于射束成形的装置在图1中未详细示出。要理解的是，尤其能够在加速设备3和靶11之间设置偏转磁体。

粒子流e平行于射束轴线A对准靶11。用于所产生的X射线辐射γ的有效辐射区N基本上限制于围绕射束轴线A的锥形的空间角度范围，其中在围绕空间角度范围的锥形面和射束轴线A之间的张角α为60°或更小。

靶11具有层结构S，所述层结构详细地在图2中示出。靶11由两个基本上均匀的层S1、S2形成。

第一层S1的材料包括相对低的原子序数Z的第一金属元素。在示例性示出的实例中，第一金属元素是铜(Z＝29)。具体地，第一层S1在非限制地理解的实施方案中由铜形成。

在另一实施例中，第一层S1由包含铜(Cu)的金属合金形成。

第二层S2的材料包括相对大的原子序数Z的第二金属元素。在示例性地示出的实例中，第二金属元素是钨(Z＝74)。具体地，第二层S2在非限制地理解的实施方案中由钨(W)形成。

在另一实施例中，第二层S2由包含钨的金属合金形成。

由入射的粒子流e加载的靶表面T由具有低的原子序数Z的较轻的成分的第一层S1形成。第二层S2朝向用于X射线辐射γ的相对置的出射侧取向。

相对于靶的由粒子流e加载的靶表面T由具有相对大的原子序数Z的材料(例如钨)形成的设计和定向，发现改变的辐射特性：原子序数。首先要确定，向回散射的粒子的份额、即与入射方向相反地散射的次级电子e2的份额减小。改变的辐射特性在图3至6的图表中根据仿真结果来说明。

也就是说，靶11对应于所示出的实施例的设计方案的特征在于，从入射的粒子或电子射束的角度观察，由具有较小的原子序数Z的材料构成的第一层S1在由具有较大的原子序数Z的材料构成的第二层S2上游设置。由此针对每粒子或电子，X射线轫致辐射的收益首先轻微降低，然而向回散射的粒子或次级电子e2的份额明显更大程度地最小化。

作为对照实例使用如下靶，所述靶的被加载的靶表面由钨形成。在图3至6的图表中，涉及根据本发明的实施例的曲线由实线示出而对照实例的曲线由虚线示出。

图3说明该实施例和对照实例的发射的X射线辐射γ的X射线光谱。

在X轴上以MeV为单位示出所发射的质子或X射线量子的能量。发射光谱的平均能量在X轴上作为标记X1表示。在左侧的Y轴上示出相应的能量的质子的数量，而在右侧的Y轴上以另一标记X2以比例尺的方式示出相应的光谱作为等价剂量D的总产出。

可以看到，所述模拟通过调整射入的粒子的数量如下补偿：分别沿着射束方向，即在沿着关于射束轴线A由张角α＝+/-50°限定的空间角度范围中分别基本上存在关于所发射的质子的数量和所发射的等价剂量D的相同的辐射特性。尤其地，该实施例和对照实例的分别发射的X射线轫致光谱关于其平均能量(X1)和等价剂量(X2)彼此对应。在对应于该实施例的变型形式中，对此与在根据对照实例的变型形式中一样需要大约1.4倍加速的粒子。对所述实施例的仿真因此基于提高了1.4倍的粒子流e。

图4说明质子的能量通量(Y轴)与沿着正向方向、即沿入射的粒子流e的方向发射的X射线辐射γ的角度(X轴)的相关性。角度0°对应于平行于射束轴线A的轨迹。可以看到，在对照实例中在角度上的质子分布与在所述实施例中相比略强地向前定向，即所发射的X射线辐射γ略强地集中到围绕射束轴线A的靠近轴线的区域上。

带电粒子的向回散射的、即与入射的粒子流e相反地散射的散射光谱的特征在图5和6中说明。选择与图3和4中的视图等价的视图，然而针对与有效辐射方向相反地散射的粒子或电子。

图5相对于对照实例说明该实施例的沿着反向方向向回散射的散射光谱。

在X轴上示出以MeV为单位的向回散射的粒子或次级电子e2的能量。散射光谱的平均能量在X轴上作为标记X3、X4表示。在左侧的Y轴上示出相应的能量的向回散射的粒子(电子)的数量，而在右侧的Y轴上以其它标记X5、X6示出相应的光谱作为等价剂量D的总产出。

向回散射的电子的平均能量X3和数量，或者等价剂量X5，在根据所述实施例的变型形式中明显小于对照实例的相应的值X4、X6。如果将用其相应的能量加权的向回散射的粒子或电子相互比较(参见等价剂量)，那么得出大约3倍的区别。

在图6中示出向回散射的粒子或电子在角度上的能量通量分布。角度0°对应于反平行于射束轴线A的轨迹，即如下轨迹，所述轨迹与入射的粒子流e反向地定向。可以看到，在该实施例中与在对照实例中相比整体上明显更少的粒子向回散射。

尽管本发明的细节参照优选的实施例详细说明和描述，然而本发明不受限于此。其他的变型形式和组合能够由本领域技术人员从中推导出，而不脱离本发明的主要构思。