具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面是结合附图来描述本发明实施例提出的开放式微焦点X射线源和开放式微焦点X射线源的控制方法。

图1是根据本发明一个实施例的开放式微焦点X射线源方框示意图，如图1所示，该开放式微焦点X射线源包括：开放式射线管1、高压电源系统2、真空系统3、控制系统4，其中，开放式射线管1包括阴极系统11、偏转系统12、聚焦系统13。

阴极系统11用于发射电子束，偏转系统12用于为电子束提供偏转磁场，聚焦系统13用于聚焦电子束，以使电子束轰击阳极靶放射出X光；高压电源系统2用于为电子束提供发射电流I₀、加速高压U₀和栅压U_G；真空系统3用于进行抽真空处理；控制系统4用于根据轰击阳极靶的电子束的束斑尺寸控制高压电源系统2对发射电流I₀、加速高压U₀、偏转系统的偏转线圈电流I_XY、聚焦系统的聚焦线圈电流I_F进行调节，以使束斑尺寸满足预设要求。

具体地，阴极系统11包括阴极，偏转系统12包括偏转线圈，聚焦系统13包括聚焦线圈，开放式微焦点X射线源的结构一般为图2所示，包括阴极101、抽真空通道102、偏转线圈103、栅极104、聚焦线圈105、电子束通道106和阳极靶(透射靶)107，阴极101一般为高性能阴极灯丝，通过对阴极灯丝加发射电流I₀使电子逸出，在阴极和阳极之间施加一极大的电势差(加速高压U₀)，使得电子从阴极逸出后加速飞向阳极靶107。由于机械部件较多，虽然理论设计上各部件可以做好同轴，但机械加工难免有公差。因此，在保证较高加工精度的前提下，阴极101发出的电子束还需要通过偏转线圈103进行调中，从而确保到达阳极的电子数量最多。由阴极101发出的电子束是发散的，经过栅极104后大发散角度的电子已经被筛去，在电子束通道106中形成一个具有一定发散角的电子束飞向阳极，在经过聚焦线圈105时，在磁场作用下发散的电子束被聚焦，最终在阳极表面直径约1微米的区域轰击阳极靶，放射出X光。

开放式射线管1的物理结构可以根据管电压160kV结合电子光学仿真来设计，采用钨金属灯丝，利用单磁透镜对电子束进行聚焦，以使最终到达金刚石基钨靶的电子束斑尺寸满足预设要求(满足预设要求一般为1μm)，之后发射出X。也就是说，开放式微焦点X射线源利用高速电子轰击阳极靶放射X光，在160kV下其可形成直径25μm的交叉斑，此交叉斑也即磁透镜的“物”，而阳极靶上的束斑为聚焦后的“像。

真空系统3主要对开放式射线管进行抽真空，并实时监测管内真空度，为了保护阴极灯丝、延长其寿命并提高性能，只有当真空度优于5E-4Pa时，控制系统4才能开启高压电源系统，使射线源进行工作。

发射电流I₀、加速高压U₀和栅压U_G由高压电源系统2提供，而发射电流I₀、加速高压U₀和偏转系统的偏转线圈电流I_XY、聚焦系统的聚焦线圈电流I_F影响阳极靶107上的束斑尺寸，控制系统4会实时根据束斑尺寸对发射电流I₀、加速高压U₀和偏转系统的偏转线圈电流I_XY、聚焦系统的聚焦线圈电流I_F进行调节，以使束斑尺寸保持在1μm左右，从而保证发出的X光的质量。由此，该开放式微焦点X射线源可以根据反馈参数变化对输入参数进行自动调节，使开放式微焦点X射线源工作在最佳参数下，减少人为操作引起的错误，使放射出的X光的质量更高。

根据本发明的一个实施例，如图3所示，本发明的开放式微焦点X射线源还包括：冷却系统5，冷却系统5用于对聚焦系统13和阳极靶107进行冷却。

具体地，冷却系统主5可以为聚焦系统13和阳极靶107进行冷却，增加散热，使整个开放式微焦点X射线源更加稳定，避免发生高温致使开放式微焦点X射线源损坏的情况。

根据本发明的一个实施例，控制系统4还用于在开放式微焦点X射线源的真空度不满足预设真空度时控制高压电源系统停止工作。

具体地，控制系统4可以通过以太网与其它系统进行通信，通过控制系统开启冷却系统5和真空系统3并实时监测真空度，当真空度达不到要求时，其他操作是锁死状态。当真空度优于5E-4Pa时才控制高压电源系统工作。

可以理解的是，加速高压U₀会影响X光的光子能量，加速高压U₀越高，X光能量越高，射线的穿透性更强。但在开放式射线管1的发射电流I₀足够大且保持不变的情况下提高加速高压U₀，图像中的对比度反而会降低。在加速高压U₀恒定不变时提高发射电流I₀，能使信噪比和图像对比度改善。值得注意的是，受阳极材料热负荷能力的限制，不可随意提高发射电流I₀，焦点斑越小，允许的发射电流I₀也就越小。

实际的聚焦系统的聚焦线圈通过磁轭可以在很小的局部产生很强的类钟形磁场，电子束经此磁场而聚焦，其焦距由聚焦线圈105和其磁轭的结构决定，通常使焦点位于阳极靶面上，从而形成微米级的焦斑。

当开放式微焦点X射线源的聚焦线圈105的结构确定以后，可以影响其聚焦性能的唯一参数就是其产生的磁场分布。当电子动能增加时，电子在磁场中运动的时间变短，聚焦线圈105对其聚焦能力降低，因此需要增大磁场使其聚焦，即增加聚焦线圈的励磁电流I_F。

根据本发明的一个实施例，控制系统4还用于：获取发射电流I₀、加速高压U₀、偏转线圈电流I_XY和聚焦线圈电流I_F的初始参数；控制开放式微焦点X射线源在初始参数下工作；利用机器学习算法对加速高压U₀、偏转线圈电流I_XY、聚焦线圈电流I_F进行调节，以获取在电子束的束斑尺寸满足预设要求下，不同的加速高压U₀对应的偏转线圈电流I_XY、聚焦线圈电流I_F，并以表格的形式存储。

具体地，在开放式微焦点X射线源上线前，需要对开放式微焦点X射线源进行调试。在调试模式中，结合电子光学的计算机仿真结果，对射线源在整个高压范围内进行聚焦和偏转的调试，根据靶电流的反馈来确定出射线源的聚焦参数和偏转参数，即每个加速高压对应一组聚焦、偏转参数，例如，当加速高压U₀为U₀₁时，聚焦线圈电流I_F为I_F1、偏转线圈电流I_XY为I_X1和I_Y1，该参数表格将是应用模式下的参考数据，当设定某一加速高压时，控制系统4自动调用参数表格，使聚焦、偏转参数同步，使开放式微焦点X射线源工作在最优参数下。

更为具体地，开放式微焦点X射线源上线前，控制系统4可以先根据光电学相关理论计算发射电流I₀、加速高压U₀、偏转线圈电流I_XY和聚焦线圈电流I_F的初始参数，然后控制开放式微焦点X射线源在初始参数下开始工作，控制系统4会收到反馈参数，然后控制系统4通过预定的基于电子光学的学习算法进行数据分析后对发射电流I₀、加速高压U₀、偏转线圈电流I_XY和聚焦线圈电流I_F进行调节，进一步优化参数。在整个的调试和测试过程中，可以产生大量的数据，包含所有的输入参数和输出参数。所有的数据都会保存到控制系统4的数据库中构成数据集，通过这些数据可以去分析系统的稳定性及射线管的性能，所有经过测试后符合要求的优选数据将组成学习算法的数据集并提供给用户，减少调试时间。在射线源的应用场景，各项参数可能存在微调，这些数据也将被录入数据库，控制系统4会对这些数据进行学习和分析，并自主的产生并选择优选参数，从而实现对射线源系统的智能化控制。

根据本发明的一个实施例，阴极11系统包括灯丝，控制系统4还用于：接收到开机指令时，在最小加速高压下控制开放式射线管开启；以预设补偿逐步将加速高压U₀逐步提高至最大值；进行灯丝校准，以优化发射电流I₀；根据偏转系统的偏转线圈电流I_XY和阳极靶的阳极电流I_T进行电子束定心。

具体地，由于电子光学仿真中，开放式射线管1的所有的物理结构都是理想的与主轴同轴，然而组件的加工过程中不可避免的存在公差，因此在开放式微焦点X射线源上电之后需先进行一个训机过程，具体为：在最小加速高压下控制开放式射线管开启；以预设补偿逐步将加速高压U₀逐步提高至最大值；进行一次自动的电子束定心。由此，降低由于外部因素造成的偏差，提高开放式微焦点X射线源发射的X光的质量。

灯丝校准为现有技术，本发明中不再进行赘述。

在本发明的一个实施例中，偏转系统12包括第一偏转线圈和第二偏转线圈，第一偏转线圈和第二偏转线圈分别用于在垂直于电子束运动方向(Z方向)的平面上产生X、Y方向的磁场，且X方向与Y方向垂直，偏转线圈电流I_XY包括第一偏转电流I_X和第二偏转电流I_Y，第一偏转线圈和第二偏转线圈可以在垂直电子束运动方向(Z)的平面上产生X/Y两个方向的磁场，电子在磁场中将受到洛伦兹力的作用后运动方向将发生偏转，但动能不变，以补偿由于开放式微焦点X射线源各组件与主轴不同轴造成电子束运动方向偏离的物理偏差。

控制系统4根据偏转系统的偏转线圈电流I_XY和阳极靶的阳极电流I_T进行电子束定心，包括：向第一偏转线圈提供第一偏转电流I_X，并使第一偏转电流I_X从负值到正值进行扫描，获取流经阳极靶的阳极电流I_T，直至阳极电流I_T达到最大值时，维持第一偏转电流I_X保持不变；向第二偏转线圈提供第二偏转电流I_Y，并使第二偏转电流I_Y从负值到正值进行扫描，获取流经阳极靶的阳极电流I_T，直至阳极电流I_T达到最大值。由此，完成电子束调中，可以使最多的电子可以通过电子束通道到达了阳极靶。

在本发明的实施例中，控制系统4还用于：控制阳极靶的功率保持恒定，阳极靶的功率等于阳极靶的阳极电流I_T与加速高压U₀的乘积。

也就是说，开放式微焦点X射线源工作的过程中，控制系统控制开放式微焦点X射线源工作在固定功率模式，使阳极靶功率保持恒定，固定功率模式下，控制系统4会根据加速高压U₀大小自动控制阳极电流I_T，使阳极靶功率保持恒定。

在本发明的实施例中，控制系统4还用于：实时获取阳极靶的功率，当阳极靶的功率超过预设功率阈值时，开启自动散焦功能。

具体地，控制系统4实时监测加速高压U₀的和阳极靶的阳极电流I_T，当阳极靶的功率上升超过预设功率阈值时，由于高速电子束轰击阳极靶而产生的热功率将无法充分散出，可能会导致靶材损毁，因此控制系统4需迅速开启自动散焦功能，以自动增大焦点斑。当阳极靶的功率低于预设功率阈值，控制系统4控制散焦功能处于关闭状态。

综上所述，根据本发明实施例的开放式微焦点X射线源，采用真空实时监测，在真空变差时关闭发射电流，有利于阴极寿命的延长；实行智能化控制，可以根据反馈参数变化对输入参数进行自动调节，使开放式微焦点X射线源工作在最佳参数下，减少人为操作引起的错误，使放射出的X光的质量更高；积累运行数据，实现机器学习，减少调试时间。

基于上述的开放式微焦点X射线源，本发明还提出一种开放式微焦点X射线源的控制方法，如图4所示，该方法包括一下步骤：

S1，控制真空系统进行抽真空处理。

S2，控制高压电源系统为电子束提供发射电流I₀、加速高压U₀和栅压U_G，以使阴极系统发射电子束、偏转系统为电子束提供偏转磁场、聚焦系统聚焦电子束，进而使电子束轰击阳极靶放射出X光。

S3，根据轰击阳极靶的电子束的束斑尺寸控制高压电源系统对发射电流I₀、加速高压U₀、偏转系统的偏转线圈电流I_XY、聚焦系统的聚焦线圈电流I_F进行调节，以使束斑尺寸满足预设要求。

根据本发明实施例的开放式微焦点X射线源的控制方法，可以根据反馈参数变化对输入参数进行自动调节，使开放式微焦点X射线源工作在最佳参数下，减少人为操作引起的错误，使放射出的X光的质量更高。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。