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小型静态CT用多焦点X射线源电子束偏转系统研究

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原子能科学技术 2018年第11期52卷 2072-2077页

作者：周日峰殷一帆李富坤石立敏刘俊标郑磊重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室重庆400044 重庆大学工业CT无损检测教育部工程研究中心重庆400044 中国科学院电工研究所北京100190 中国电子科技集团公司第三十八研究所安徽合肥230088

第5代全静态电子束CT(EBCT)能在被检测物体、射线源和探测器均处于静止状态下完成CT扫描成像。这种EBCT成像方式既可应用于粉体材料、生物活体样品等易形变物体的CT检测,又可应用于物流包裹、在役管线等的快速CT检测。高精度的电子束偏... 详细信息

第5代全静态电子束CT(EBCT)能在被检测物体、射线源和探测器均处于静止状态下完成CT扫描成像。这种EBCT成像方式既可应用于粉体材料、生物活体样品等易形变物体的CT检测,又可应用于物流包裹、在役管线等的快速CT检测。高精度的电子束偏转系统是静态CT成像多焦点射线源的关键技术之一。本文基于麦克斯韦电磁场相互作用理论,探讨了电子束在均匀磁场、小偏转角、近轴区域内的散焦、畸变及灵敏度特性,研究了影响电子束扫描系统焦点位置重复精度的物理参数及电子束在靶平面上的扫描偏转量与偏转线圈电流的线性关系。并设计、加工制作了一种小型高精度多焦点x射线的电子束偏转扫描系统,实验采用直径0.1mm标准针规电子束扫描DR投影图像序列,验证了电子束偏转系统有良好的偏转线性,偏转量正比于O点的磁场强度,而与电子束的位置等初始条件无关。实验通过电子束偏转系统控制电子束偏转扫描,获得了熔断式保险管(100μm)的250个x射线视角投影,完成了第5代全静态三维CT重建图像。

关键词：静态CT X射线源电子束偏转阵列式多焦点

基于碳纳米管X射线源的生物医学成像（英文）

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Chinese Journal of Chemical Physics 2018年第4期31卷 529-536,615页

作者：曹国华美国弗吉尼亚理工-卫克森林大学生物医学工程与科学学院

尽管x射线在100多年前就被发现，但x射线的产生技术的发展却相当缓慢．最近发明的碳纳米管X射线源有望彻底改变生物医学x射线成像．碳纳米管X射线源已经成功地应用在几种生物医学成像技术，包括小动物的动态微米CT和乳腺癌的静态乳房断... 详细信息

尽管x射线在100多年前就被发现，但x射线的产生技术的发展却相当缓慢．最近发明的碳纳米管X射线源有望彻底改变生物医学x射线成像．碳纳米管X射线源已经成功地应用在几种生物医学成像技术，包括小动物的动态微米CT和乳腺癌的静态乳房断层合成成像．将来，碳纳米管X射线源将在生物医学成像中实现更多应用，其中一个显著的可能是基于静态碳纳米管X射线源的多源CT．

关键词：生物医学成像 x射线成像 X射线源碳纳米管X射线源碳纳米管场发射计算机断层扫描成像乳房断层合成成像

基于球面弯晶聚焦结构的桌面型单能X射线源设计及实验

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光子学报 2023年第7期52卷 123-130页

作者：余越司昊轩杨祖华伊圣振王占山同济大学物理科学与工程学院精密光学工程技术研究所上海200092 同济大学先进微结构材料教育部重点实验室上海200092 中国工程物理研究院激光聚变研究中心绵阳621900

提出了一种采用球面弯晶聚焦结构获得高亮度桌面型单能x射线的方法。在子午方向利用晶体色散实现单能、在弧矢方向通过球面镜聚焦提高光强。理论建模和光学仿真评估了该结构的色散和聚焦性能,验证了球面弯晶聚焦结构相对于柱面弯晶在聚... 详细信息

提出了一种采用球面弯晶聚焦结构获得高亮度桌面型单能x射线的方法。在子午方向利用晶体色散实现单能、在弧矢方向通过球面镜聚焦提高光强。理论建模和光学仿真评估了该结构的色散和聚焦性能,验证了球面弯晶聚焦结构相对于柱面弯晶在聚焦特性上的显著优势。针对Al靶Kα1线单能需求,设计和装调了基于低功率Al靶x射线管的单能装置,并实验验证了其性能。结果显示,当x射线管工作在7 W功率条件下,CCD曝光10 min,Al靶Kα1线全视场光谱的探测器计数大于2×105,能谱展宽约为0.592 eV;引入200μm限束光阑,能谱展宽进一步减小至0.493 eV,探测器计数约为2×104。研究结果证实了该装置可以有效获得高亮度Al靶Kα1谱线,也为精确测量光学器件和系统的光谱特性提供了一种新的获得高亮度单能x射线的技术途径。

关键词：球面弯晶聚焦高亮度高单能性桌面型 X射线源

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超短脉冲X射线源及其应用研究

超短脉冲X射线源及其应用研究

作者：张雪晗中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)

学位级别：硕士

1895年11月,德国物理学家伦琴宣读了关于x射线的第一篇报告《论新的射线》,自此,人们开始了对x射线的探索与开发。x射线是一种频率很高的电磁波,频率范围为3×10Hz～3×10Hz,具有方向性好、单光子能量高、穿透能力强等特点,广泛应用于... 详细信息

1895年11月,德国物理学家伦琴宣读了关于x射线的第一篇报告《论新的射线》,自此,人们开始了对x射线的探索与开发。x射线是一种频率很高的电磁波,频率范围为3×10Hz～3×10Hz,具有方向性好、单光子能量高、穿透能力强等特点,广泛应用于医学诊断、材料分析、航空航天和高能物理等领域中。X射线源作为产生x射线的核心元器件,其性能直接影响了x射线相关行业的发展。目前,传统的热阴极X射线源仍是产生x射线的主流方式,但受限于灯丝结构及外调制方式,其调制速率低、调制脉宽大、且能量转换效率低,无法满足空天领域中对纳秒量级超短脉冲、高亮度辐射调制源的需求。虽然以激光等离子体X射线源为代表的大型x射线产生装置具有优异的时间性能,但其结构复杂、成本高、体积大、应用场景严重受限。整体来看,要实现匹配当前行业发展需求的脉冲X射线源,需要在电子产生机理上进行创新,突破当前阴极材料、调制方式及电子束聚焦等瓶颈,进一步提升X射线源的脉冲性能。本文面向材料科学、空间应用和医学成像等领域所提出的调制速率更快、脉冲宽度更短、出射流量更强且结构稳定的X射线源的需求,开展光控超短脉冲X射线源关键技术及其应用研究。首先,基于电子光学理论与x射线性能特点,建立了超短脉冲X射线源的三维电磁仿真模型并进行了仿真计算,分析了聚焦电极位置及高度、管电流强度、光电阴极的尺寸及结构对超短脉冲X射线源时空性能的影响。仿真结果表明,随着阴极与聚焦电极间的距离、聚焦电极高度的减小,X射线源的空间性能降低,而系统的调制速率及时间性能显著增强,并依此确定了光电阴极半径为19mm、阴极与聚焦电极间距离为12mm,聚焦电极高度为10mm的电极参数。仿真结果表明,当阳极电压为30k V时,阳极靶材上的电子焦斑半径为2.14mm,约为电子出射面积的十分之一,说明设计的电子光学系统对光电阴极出射的电子具有良好的聚焦能力。此外,电子的渡越时间为1.5ns,渡越时间弥散约为238.35ps,有望实现脉冲宽度小于5ns,调制速率百MHz的超快x射线产生。依据设计模型,制备了超短脉冲x射线样机,其中,光电阴极的积分灵敏度约为150μA/lm,构建了脉冲X射线源性能测试系统,并对其管流强度及出射x射线脉冲性能进行了测试,实验结果表明其可实现8.8m A的管电流出射,且出射的x射线光子流量稳定性较高。最后,基于模拟仿真与实验验证,论述了超短脉冲X射线源在电磁屏蔽环境下的应用前景。

关键词： X射线源超短脉冲x射线闪烁体荧光衰减时间性能

基于井下X射线源的密度测井仪器参数优化设计

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中国石油大学学报（自然科学版） 2024年第1期48卷 115-123页

作者：张泉滢刘国斌袁超田立立张锋张雪凯油气资源与勘探技术教育部重点实验室(长江大学) 湖北武汉430000 长江大学地球物理与石油资源学院湖北武汉430000 中国石油勘探与生产分公司北京100007 中国石油长庆油田公司勘探开发研究院西安710018 中国石油大学(华东)地球科学与技术学院山东青岛266580

基于实际井下X射线源参数,利用数值模拟方法研究Cs137源和X射线源密度测井在能谱、密度灵敏度和精度方面的差异;并对X射线源密度测井的能窗、屏蔽体和探测器等参数进行优化,提出一种四探测器密度探测系统方案。结果表明:X射线源密度测... 详细信息

基于实际井下X射线源参数,利用数值模拟方法研究Cs137源和X射线源密度测井在能谱、密度灵敏度和精度方面的差异;并对X射线源密度测井的能窗、屏蔽体和探测器等参数进行优化,提出一种四探测器密度探测系统方案。结果表明:X射线源密度测量能窗应选取0.12~0.35 MeV;仪器结构无需增加纵向屏蔽体;为了满足密度测井需求,近探测器源距应大于12.0 cm,远探测器源距应设置在29~55.5 cm;通过四探测器密度探测系统方案可以使x射线密度测井兼顾纵向分辨率、探测深度、密度灵敏度和精度等方面的优势,更加适合复杂储层评价;研究可以为X射线源密度测井仪器研发提供硬件参数指导。

关键词：密度测井 X射线源参数优化密度精度密度灵敏度

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基于X射线源的密度测井近源距研究

核技术 2018年第12期41卷 37-42页

作者：周悦于华伟陈翔鸿罗旭张丽中国石油大学(华东) 青岛266580 海洋国家实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室青岛266071 中国石油测井有限公司辽河分公司盘锦124011 山东科技大学泰安271019

利用X射线源替代密度测井中的137Cs放射源成为石油测井发展的新趋势。为探究在密度测井中使用较低能量的X射线源替代137Cs放射源后的近源距变化,利用蒙特卡罗模拟方法,研究了不同能量X射线源在不同孔隙石灰岩含水地层中所对应的零源距位... 详细信息

利用X射线源替代密度测井中的137Cs放射源成为石油测井发展的新趋势。为探究在密度测井中使用较低能量的X射线源替代137Cs放射源后的近源距变化,利用蒙特卡罗模拟方法,研究了不同能量X射线源在不同孔隙石灰岩含水地层中所对应的零源距位置,另外根据不同源对应的密度响应灵敏度,分析了近源距区间。研究表明:能量较低的X射线源相比于137Cs放射源密度仪器对应的零源距较小,两者密度灵敏度相同时,X射线源的近源距区间更短。

关键词： X射线源密度测井蒙特卡罗模拟零源距密度灵敏度近源距

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基于X射线源的测距增强导航地面验证系统

基于X射线源的测距增强导航地面验证系统

作者：李成西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着国际卫星导航技术的不断发展和对航天器自主导航日益迫切的需求,近几年x射线脉冲星导航的相关领域引来各个国家的持续关注和研究。脉冲星导航算法验证需要真实连续的脉冲星信号,为避免深空探测难度大、成本高的问题,需要在地面模拟... 详细信息

随着国际卫星导航技术的不断发展和对航天器自主导航日益迫切的需求,近几年x射线脉冲星导航的相关领域引来各个国家的持续关注和研究。脉冲星导航算法验证需要真实连续的脉冲星信号,为避免深空探测难度大、成本高的问题,需要在地面模拟系统中对导航算法进行验证。本文针对测距增强导航算法验证的需求,在现有可见光源导航验证系统的基础上,提出了基于X射线源的测距增强导航地面验证系统,该系统采用X射线源替换可见光源模拟真实x射线脉冲星辐射信号的改进方案,同时采用DSP作为导航算法的硬件平台,实现由两颗脉冲星和一颗中继星组成的测距增强导航算法的半物理验证。本文在现有半物理地面验证系统的研究基础上,进行了基于X射线源的测距增强导航地面验证系统的开发和测试,主要从信号模拟、导航验证DSP平台开发、系统测试几个方面展开研究。x射线脉冲星动态信号模拟方面,首先为实现航天器处动态脉冲星轮廓实时调制X射线源的功能,基于具有多物理特性的航天器处脉冲星轮廓生成原理,设计并实现了将动态脉冲星轮廓数据通过PCIE接口输入到FPGA存储后进行数模转换（DA转换）和高速电压转换,生成符合X射线源栅控电压范围的调制电压,实现对X射线源的调制。其次根据导航算法对不同脉冲星导航精度的需求,研究了利用单通道同时或分时模拟多颗脉冲星信号的方法,分析了两种方法的适用性。研究结果表明同时模拟方法中,如果导航选取的两颗脉冲星流量和频率差别较大,在两路叠加脉冲星信号中提取低流量脉冲星信号就会涉及极低信噪比的问题,需采用长时、大探测面积和频域分析的方法来进行提取;分时模拟方法中,通过对所在轨道中两颗脉冲星的可见性分析,合理分配不同脉冲星的观测时间来恢复清晰的轮廓数据。最后对X射线源自身的非线性进行补偿,分析了X射线源生成光子和调制流量的原理,通过多次测量和拟合栅控与流量非线性曲线的方法对轮廓电压进行补偿,保证了X射线源出射光子对应的频率和时间特性,提高了x射线脉冲星信号模拟精度。导航验证DSP平台方面,本文采用TMS320C6678平台开发,实现了测距增强x射线脉冲星导航算法的移植,利用EMIF16、RS422等数据传输方式和内存提前分配等方法,完成了主控计算机、脉冲星光子到达时间序列模块与DSP平台间的数据传输,并对DSP平台下的时间转换、轮廓折叠、相位估计、无迹卡尔曼滤波等算法进行验证,通过与计算机MATLAB导航仿真结果对比,验证DSP平台下导航算法运行的准确性。系统测试方面,本文首先对生成的动态脉冲星轮廓和光子脉冲信号进行测试,确保输出信号的可靠性,其次对控制X射线源光子流量的阳极高压和灯丝电流以及地面验证系统中的时间延迟等参数进行了标定,最后对脉冲星导航算法进行对比验证,实现导航验证系统的设计需求。系统的性能分析和功能测试结果表明,该系统实现了基于X射线源的测距增强导航地面验证的需求,具有良好的性能,为后续x射线脉冲星导航验证提供了更加真实便捷的地面验证环境。

关键词： x射线脉冲星导航地面验证系统动态信号仿真 X射线源 DSP平台

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X射线源针孔成像系统优化设计研究

原子能科学技术 2013年第12期47卷 2349-2354页

作者：谢文章邱睿李君利康玺清华大学工程物理系粒子技术与辐射成像教育部重点实验室高能辐射成像重点学科实验室北京100084

为提高X射线源针孔成像系统的性能，对成像能区为10～100keV的X射线源针孔成像系统进行了优化设计研究。综合应用了理论分析和蒙特卡罗模拟的方法，首先根据x射线波长、准直器角响应和x射线穿透效应对针孔成像的不同影响结果设计了可有... 详细信息

为提高X射线源针孔成像系统的性能，对成像能区为10～100keV的X射线源针孔成像系统进行了优化设计研究。综合应用了理论分析和蒙特卡罗模拟的方法，首先根据x射线波长、准直器角响应和x射线穿透效应对针孔成像的不同影响结果设计了可有效控制成像分辨率和成像面积变化的船底型准直器，随后用蒙特卡罗方法对使用该准直器的针孔成像系统进行了模拟验证。结果表明，对于100keV以下的x射线，经船底型准直器后，成像的空间分辨率和亮斑亮度较稳定，能得到相对准确的X射线源定位、定量信息。

关键词： X射线源针孔成像准直器设计蒙特卡罗

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微结构阳极X射线源制作关键工艺研究

微结构阳极X射线源制作关键工艺研究

作者：胡时航深圳大学

学位级别：硕士

x射线相位衬度成像经过近20年的发展,其在生物医学、工业检测、材料科学等领域的应用已被广泛接受。基于光栅的x射线相位衬度成像是最有可能在实际生活中获得应用的一种方法,但相位衬度成像技术对分析光栅比较苛刻,必须是大面积小周期,... 详细信息

x射线相位衬度成像经过近20年的发展,其在生物医学、工业检测、材料科学等领域的应用已被广泛接受。基于光栅的x射线相位衬度成像是最有可能在实际生活中获得应用的一种方法,但相位衬度成像技术对分析光栅比较苛刻,必须是大面积小周期,而此种光栅却一直是光栅制造技术的瓶颈。正是由于这一限制,相衬成像技术至今仍不能推向实际应用。近几年新提出的基于逆泰伯-劳(Talbot-Lau)效应的x射线相衬成像方法由于摆脱了分析光栅的限制,成为研究热点。目前亟待解决的问题是如何获取满足条件的x射线光源。本文就是在这一背景下以解决新型x射线光源为目标,以解决光源制作中的关键技术为内容,开展对新型光源结构阳极制作方法研究,对促进逆泰伯-劳效应x射线相衬成像方法研究及应用推广具有重要的理论和实用价值。本文先从理论角度分析了微结构阳极X射线源制作的可行性和必要性。其次结合x射线相关辐射理论以及对各种金属材料进行对比,确定了熔点高,导热性能好以及原子序数较大的钨作为阳极材料。结合X射线源发射式和透射式的结构特点以及掩膜版制作最小精度仅为2μm的现状,设计出了合适的阳极微结构图案,线宽3.5μm,周期24μm,图形轮廓大小为0.8×4.2mm。接着调研各种平面加工工艺,设计出光刻、磁控溅射沉积薄膜、溶脱剥离(lift-off)的实验方案。实验具体内容包括光刻工艺参数对光刻胶层形貌的影响,以及溶脱剥离后钨阵列形貌分析。在对前者的探究过程中,分析了光刻胶层图案无法正常显现,或者产生畸变甚至坍塌的原因,最终确定了光刻较为合适的参数为曝光时间4s,前烘温度选择90℃,时长30s,后烘温度120℃,时长90s。通过多次的磁控溅射镀膜实验以掌握金属钨的生长规律,确定镀膜薄膜生长至0.8μm所需时间之后,再进行光刻胶上的薄膜沉积以及后续的lift-off。光刻胶层与金属钨层的厚度比会直接决定是否能成功剥离,同时还会影响钨线阵列形貌,故在不同厚度光刻胶下进行了薄膜沉积实验,通过实验结果对比以及分析,确定光刻胶厚度与金属钨膜厚度最理想比值约为3:1。最后通过扫描电子显微镜对实验结果进行测量评估,并对本文进行总结展望。

关键词： x射线相衬成像 X射线源微结构阳极逆Talbot-Lau 溶脱剥离