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计算物理 2018年第1期35卷 95-102页

作者：徐小东周彬郭金川易明皓肖飞虎深圳大学光电工程学院光电子器件与系统(教育部广东省)重点实验室

根据电子多重散射理论,基于蒙特卡罗方法研究不同能量电子垂直入射不同材料的阳极靶后,电子在阳极靶内的沉积能量分布,及x射线发射位置的能量分布.结果表明：电子在靶内的轨迹扩展和入射电子能量、靶材料有关,99%电子能量沉积在近似圆... 详细信息

根据电子多重散射理论,基于蒙特卡罗方法研究不同能量电子垂直入射不同材料的阳极靶后,电子在阳极靶内的沉积能量分布,及x射线发射位置的能量分布.结果表明：电子在靶内的轨迹扩展和入射电子能量、靶材料有关,99%电子能量沉积在近似圆柱形区域内.且电子在入射方向上的沉积能量分布不是直接递减,而是先递增到一定深度后再递减,符合电子背散射理论.说明x射线产生区域是在距表面一定深度区域内.另外,通过对比分析发现金刚石膜作为电子吸收光栅是不可行的,但作为热沉材料有很大的潜力.这些结论可为微结构x射线源研究及高亮度高相干x射线源设计提供参考.

关键词：微结构x射线源电子轨迹蒙特卡罗方法多重散射理论

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微结构阳极x射线源中电子与靶作用过程的蒙特卡罗研究

微结构阳极X射线源中电子与靶作用过程的蒙特卡罗研究

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作者：徐小东深圳大学

学位级别：硕士

目前,限制x射线相衬成像向应用化发展的主要阻力是缺乏高亮度高相干的微结构x射线源,而新型微结构x射线源可以提供高空间相干的x射线光束,因此近年来它成为x射线相衬成像光源的研究热点。然而,由于国内外对入射电子在阳极靶内的电子沉... 详细信息

目前,限制x射线相衬成像向应用化发展的主要阻力是缺乏高亮度高相干的微结构x射线源,而新型微结构x射线源可以提供高空间相干的x射线光束,因此近年来它成为x射线相衬成像光源的研究热点。然而,由于国内外对入射电子在阳极靶内的电子沉积能量分布研究相对较少且研究不够深入,因此研究人员在设计微结构x射线源时,只能通过自身的经验结合电子射程经验公式值来确定具体参数,因而无法提高设计效率和避免较大的设计误差。更重要的是,微结构x射线源中微米级结构与尺寸对出射的x射线强度和角分布起到至关重要的影响,因此如何进一步研究高能电子与阳极靶作用的电子轨迹及能量沉积分布成为了亟待解决的问题。本文根据电子的多重散射理论,并基于蒙特卡罗方法进行数值计算,模拟了高能电子在钨、钼、铜、金刚石中的电子轨迹和沉积能量分布(代表电子入射到阳极靶后热能分布和初始的x射线强度分布)。计算结果表明:99%电子能量沉积在近似圆柱形区域内,相对于靶面上的电子束斑,当电子与靶原子作用时,产生x射线的区域更大(即x射线有效焦斑远大于电子束斑),其区域大小受到入射电子能量、靶材料等因素影响。同时,通过实验发现电子在入射方向上的沉积能量分布是会随着深度增加而加强,当到一定深度后才会出现递减,即沉积能量峰值点在距表面一定深度处。另外,在相同能量电子入射下,峰值点处沉积的能量不完全与靶材原子序数和密度呈正相关,如金刚石原子序数和密度远小于钼和铜,但金刚石的峰值点能量反而更高。然后,通过结合四种靶材的模拟结果和杜隆-柏替定理,我们得到不同阳极靶在2000keV电子入射下所能承受的阳极临界电流值,它按高低排列依次是金刚石、钼、铜、钨。通过对比分析,我们发现5μm厚度的钨靶能够吸收能量为100keV的电子99%的能量,非常适合作为微结构靶,而金刚石膜的阳极临界电流最高,作为热沉材料有很大的潜力。在此基础上,本文深入研究了周期为3μm、占空比为1:3的微结构钨靶中出射x射线强度的角分布和光谱与入射电子能量、靶厚度的关系,发现微结构钨靶出射的x射线强度角分布呈高斯分布,x-ray主要集中在+Z方向±15o区域内,且Z=50cm处垂轴平面上的x射线分布类似于“M”型。因此,本文计算结果对于微结构x射线源和10μm以下、高亮度微焦斑x射线源的设计研究提供极为有价值的参考。

关键词： x射线相衬成像微结构x射线源蒙特卡罗方法电子沉积能量分布 x射线强度分布

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