一种X射线环形阵列式阳极靶及其制备方法和应用

本发明涉及x射线技术，具体涉及一种x射线环形阵列式阳极靶及其制备方法和应用。

背景技术：

1、x射线技术是一种重要的科学工具，在医学、工业和科研等领域都有着广泛的应用。随着科学研究的深入和生活质量的提高，高性能x射线源逐渐成为社会各个领域中追求的目标，以实现更深入的功能和应用。然而传统的x射线源中的金属靶材为平面式结构，平面式金属靶材在受到高速电子束轰击时，绝大部分的电子动能都将转变为热能，而x射线的转化率仅不到1％，严重限制了高性能x射线源的发展和应用。

技术实现思路

1、针对传统平面式靶材受到电子束轰击时，靶材与电子的作用面积小、作用时间短、空间相干性弱，导致产生的x射线转化率较低的问题。本发明通过在阳极靶的表面构造出阵列式靶面，能够有效地增加入射电子与靶材之间相互作用面积、增大电子能量沉积效率、聚焦入射电子束的能量，进而增强x射线的产量和空间分布。基于环形阵列式阳极靶材的表面结构设计大幅提升了x射线的转化效率，为高性能x射线源的研制及其在科学研究、工程应用、医疗诊断和军事国防等领域的应用提供了市场和潜力。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、本发明的第一个方面是提供一种x射线环形阵列式阳极靶，该阳极靶包括用于散热的散热器、固定在散热器内的靶材基底以及固定在靶材基底上的阵列式靶面，阵列式靶面由若干个间隔分布的同心圆环柱体构成，同心圆环柱体被过圆心的若干条直线分成若干个扇形阵列单元，相邻的两个扇形阵列单元之间存在空隙。进一步优选的，扇形阵列单元对应的圆心角为60°、90°或120°。

4、本发明的第二个方面是提供了如上述第一个方面所述的x射线环形阵列式阳极靶的制备方法，包括以下步骤：

5、(1)利用仿真软件对阵列式靶面进行模拟，对阵列式靶面的结构参数进行模拟，确定最优x射线转化性能的参数组合；

6、(2)基于步骤(1)中模拟出的结果，对靶材所用的铼钼合金片进行微纳加工制造出阵列式靶面，微纳加工主要使用到电子束光刻(ebl)技术，在靶材表面构造出预期的阵列式靶面结构。

7、(3)将靶材基底所用的金属铜以及步骤(2)中制备好的靶面放置在尺寸适合的磨具中，在加热炉中进行预还原过程，温度控制在900-1000℃，以清洁和还原模具和原材料表面的杂质。

8、(4)将步骤(3)中的磨具进行高温铸造，温度保持在铜的熔点以上，并通入惰性气体进行保护，待保温一段时间后进行缓慢降温，即得到铜基底和阵列式靶面集成为一体的结构，然后再将其与散热器进行组装，获得x射线环形阵列式阳极靶。

9、需要说明的是，上述步骤中也可以先将靶材和靶材基底加工为整体结构，然后再对靶材进行微纳加工制造出阵列式靶面，同样能够得到x射线环形阵列式阳极靶。优选的，将靶材和靶材基底加工为整体结构采用的是焊接的方法。

10、作为优选的技术方案，所述阵列式靶面的结构参数包括同心圆环柱体的厚度、高度以及相邻两个扇形阵列单元之间空隙的尺寸；所述同心圆环柱体的厚度(w)为0.1mm-0.5mm，高度(h)为0.2mm-1mm；相邻两个扇形阵列单元之间空隙(d)的尺寸为0.1mm-0.5mm。

11、本发明的第三个方面是提供了如上述第一个方面所述的x射线环形阵列式阳极靶在x射线源中的应用，将本发明提供的x射线环形阵列式阳极靶应用在x射线源中，能够大幅提高了x射线的转化效率。

12、本发明具有以下有益效果：

13、本发明提供的x射线环形阵列式阳极靶，通过在靶材基底上构造出阵列式靶面，当入射电子在轰击阵列式靶面中的同心圆环柱体时，能够大幅减少不必要的表面反射过程，增强电子与靶材的作用强度和空间相干性。同时，由于阵列式靶面中扇形阵列单元之间存在空隙，能够进一步保障了电子的作用面积，入射电子束能够在阵列单元之间进行多次回弹和吸收，增加了靶材对电子的能量吸收通道以及二者之间的相互作用强度。此外，相邻的扇形阵列单元之间存在空隙能够更好的保证靶材的稳定性，因为高功率x射线靶材在连续工作过程中会产生非常高的热量，导致靶材的形变、断裂甚至脱落，影响使用寿命；而通过空隙的隔断作用不仅有利于热量的扩散，还能够对形变起到很好的缓冲效果，同时不影响入射电子束与阵列的作用强度、作用面积和电子沉积效率，保障了高功率x射线靶的工作状态和服役寿命。本发明提供的环形阵列式阳极靶强化了电子在靶材中的能量沉积效率并显著提高x射线的转化效率，为高性能x射线靶材的设计提供了技术层面的解决方案。

技术特征：

1.一种x射线环形阵列式阳极靶，其特征在于：包括散热器、固定在散热器内的靶材基底以及固定在靶材基底上的阵列式靶面，所述阵列式靶面由若干个间隔分布的同心圆环柱体构成，所述同心圆环柱体被过圆心的若干条直线分成若干个扇形阵列单元，相邻的两个所述扇形阵列单元之间存在空隙。

2.根据权利要求1所述的x射线环形阵列式阳极靶，其特征在于：所述扇形阵列单元对应的圆心角为60°、90°或120°。

3.根据权利要求1所述的x射线环形阵列式阳极靶的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的x射线环形阵列式阳极靶的制备方法，其特征在于：将阵列式靶面和靶材基底加工为整体结构的具体方法为：将阵列式靶面和靶材基底放置在磨具中，在加热炉中进行预还原过程，温度控制在900-1000℃；然后对磨具进行高温铸造，温度保持在靶材基底的熔点以上，并通入惰性气体进行保护，待保温一段时间后进行降温即可。

5.根据权利要求3所述的x射线环形阵列式阳极靶的制备方法，其特征在于：将靶材和靶材基底加工为整体结构采用的是焊接的方法。

6.根据权利要求3至5任一项所述的x射线环形阵列式阳极靶的制备方法，其特征在于：所述阵列式靶面的结构参数包括同心圆环柱体的厚度、高度以及相邻两个扇形阵列单元之间空隙的尺寸；所述同心圆环柱体的厚度为0.1mm-0.5mm，高度为0.2mm-1mm；相邻两个扇形阵列单元之间空隙的尺寸为0.1mm-0.5mm。

7.根据权利要求3至5任一项所述的x射线环形阵列式阳极靶的制备方法，其特征在于：所述微纳加工采用的是电子束光刻技术。

8.根据权利要求3至5任一项所述的x射线环形阵列式阳极靶的制备方法，其特征在于：所述靶材基底采用的材料为金属铜；所述靶材采用的材料为铼钼合金。

9.如权利要求1或2所述的x射线环形阵列式阳极靶在x射线源中的应用。

技术总结
本发明公开了一种X射线环形阵列式阳极靶及其制备方法和应用，该阳极靶包括靶材基底和固定在靶材基底上的阵列式靶面，所述阵列式靶面由若干个间隔分布的同心圆环柱体构成，所述同心圆环柱体被过圆心的若干条直线分成若干个扇形阵列单元，相邻的两个所述扇形阵列单元之间存在空隙。本发明通过在阳极靶的表面构造出阵列式靶面，能够有效地增加入射电子与靶材之间相互作用面积、增大电子能量沉积效率、聚焦入射电子束的能量，进而增强X射线的产量和空间分布。基于环形阵列式阳极靶材的表面结构设计大幅提升了X射线的转化效率。

技术研发人员：闫文盛,刘超成,王超
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5