武汉艾崴小型静态CT用多焦点X射线源电子束偏转系统的探索

武汉艾崴第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。

我们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。

自２０世纪７０年代初世界上第１台Ｘ射线ＣＴ投入医学临床应用以来，ＣＴ技术不断进步和发展，目前已出现了５代 ＣＴ。第１代采用单源单探测器平移和旋转的扫描方式；第 ２代为单源多探测器平移和旋转的扫描方式； 第３代为单源多探测器旋转的扫描方式；第 ４代为单（或多）源多探测器仅源单独旋转的扫描方式；第５代为电子束分时扫描投影的扫描方式（亦称静态 ＣＴ），ＣＴ 成像过程中射线源、探测器和被检测物体均静止。在医学领域，由于第５代 ＣＴ扫描速度快，单幅 ＣＴ时间可缩短到ms级，从而可获取心脏等动态脏器的高分辨图像。在工业应用中，第５代ＣＴ机由于消除了滑环等旋转机构，适用于安检行李箱、物流包裹的检测，除扫描速度快、检测效率高的优点外，还可克服目前常规ＣＴ机体积大、成本高等缺点。对于不能移动的在线输油输气管线、核电运行中的高温高压管道回路以及难以安装固定的生物活体或在移动和旋转时其结构易发生变形的生物组织样品等，第５代ＣＴ扫描方式提供了ＣＴ检测手段的可能，从而拓展了ＣＴ的应用范围和领域。

第５代ＣＴ一般有两种产生射线视角投影方式。一种方式是基于碳纳米管场发射阴极的分布式电子发射源的 Ｘ 射线源。这种Ｘ射线源的阴极由１列独立的碳纳米管电子发射源组成，这些电子发射源按一定时间序列依次发射电子束，电子束经高压加速后轰击靶面上不同位置，产生按一定空间和时间分布的Ｘ射线束序列，这些 Ｘ射线束序列相对于检测物体可形成不同视角的投影数据，从而实现ＣＴ成像。但这些碳纳米管电子发射源发射电子的能力各异，电子束流强度的一致性难以保证，且要实现多电子源的聚焦存在技术难度，因而这种分布式阴极射线源，仅应用于分辨率要求不高的第５代 ＣＴ 系统。另一种是电子束ＣＴ（ＥＢＣＴ），通过控制电子束扫描偏转高速轰击靶环，产生 Ｘ 射线束序列穿过人体［８－９］。由 于ＥＢＣＴ的电子束是同一电子源发出来经聚焦系统聚焦后轰击在靶环上，因此，ＥＢＣＴ具有焦点小、空间分辨率高、扫描速度快、适应检测对象广等优点。但这种大型医用 ＥＢＣＴ 设备造价贵、维护成本高，如果小型化降低成本后，应用于行李包、在役管线、生物活体样品等难以旋转移动或安装固定易形变的物体 ＣＴ检测，将具有广泛的应用前景。

武汉艾崴基于麦克斯韦电磁场相互作用理论，理论上探讨均匀磁场中电子束在小偏转角、近轴区域内的散焦、畸变以及灵敏度特性，研究影响电子束扫描系统焦点位置重复精度的物理参数；设计、加工制作小型高精度微焦点 Ｘ射线的电子束偏转扫描系统，采用直径0.1ｍｍ标准针规电子束扫描 ＤＲ投影图像序列，验证电子束偏转系统有良好的偏转线性；通过电子束偏转系统控制电子束偏转扫描，重建第５代电子束全静态三维ＣＴ图像。

一、 原理与系统设计

１．１ 阵列式多焦点电子束扫描Ｘ射线源

小型ＥＢＣＴ 用阵列式多焦点电子束扫描射线源无传统 ＣＴ球管靶旋转机构，主要由阴极电子枪、聚焦系统、电子束偏转系统、真空泵、目标靶环（面）等组成，如图１所示。电子枪发射的电子束经聚焦系统聚焦后，电子束偏转系统通过精确控制电磁场的变化来控制电子束流的偏转运动方向分时轰击目标靶面，从而产生多视角投影数据，由计算机重建 ＣＴ 图像。高精度的电子束偏转系统是 ＥＢＣＴ 成像用阵列式多焦点射线源的关键技术之一。

１．２ 电子束偏转系统的散焦和灵敏度

真空器件一般采用静电场偏转系统或磁场偏转系统控制电子束进行偏转运动。扫描电子显微镜（ＳＥＭ）及传统的ＣＲＴ显示器等一般采用磁场偏转系统，一些小型示波器采用静电场偏转系统。静电场偏转系统体积小、结构简单，具有很高的偏转速度，但易积累电荷产生高压跳火，导致电子束的偏移，且引入高压后引起管内加速电场发生变化。磁场偏转方式具有电子束能量越高，偏转像差越小，偏转灵敏度越高的优点。不足之处是电子束偏转速度较慢、体积大、能耗高。第５代静态 ＣＴ射线源要求偏转散焦和畸变小、偏转灵敏度高、偏转线性好、附加像差低，故采用磁场偏转方式。

１）磁场偏转系统的偏转散焦和畸变

电子束磁场偏转系统的理论计算模型如图２所示。初始速度为ｖ的电子沿ｚ轴方向进入磁场中受洛仑兹力Ｆ为： Ｆ ＝ｅｖ×Ｂ ２）偏转系统的偏转灵敏度

如图２所示，磁场偏转系统采用均匀磁场，通过洛仑兹力作用使电子发生偏转。偏转系统的均匀横向磁场的磁通密度为Ｂ，在ｚ方向的场区长度为ｌ，不考虑边缘场的作用，且电子沿ｚ轴进入偏转系统，整个偏转空间均是等电位空间，电子在空间作等速圆周运动，半径Ｒ。

1.3磁场偏转系统设计

由上述分析可知，当电子束偏转磁场（磁场强度为 Ｈ）为理想均匀磁场，且磁场区域ｌ较小时，磁场偏转系统是一线性偏转系统，即偏转散焦和畸变小、偏转灵敏度高、偏转线性好、附加像差低。磁场偏转系统由两个线圈组 成，如 图３所示，ｄ 为管颈的外径。线圈的外面有一磁导率很高的磁环，它一方面起屏蔽作用，另一方面又可减小逸散场，提高激磁效率。

为获得均匀的偏转磁场，线匝密度分布函数必须是余弦函数分布，其线匝分布的截面如图３所示。图４为电子束偏转系统中的电子束偏转运动轨迹仿真。仿真结果表明，电子束偏转系统具有理想的偏转特性，产生的偏转散焦和畸变可忽略。

二、 实验与讨论

由上可知，电子束在靶平面的偏转量Ｄ 与偏转线圈电流Ｉ理论上呈线性关系（简称偏转线性），但由于偏转线圈的绕制精度及安装位置等因素会影响电子束的偏转线性，为测试电子束扫描系统的偏转线性、焦点位置重复精度及空间分辨率等性能参数，对常规微焦点Ｘ射线管进行适当改造后，安装电子束偏转系统。电子束偏转系统通过 ＲＳ２３２串口由远程计算机控制偏转磁场线圈的电流来实现对电子束偏转扫描。实验中，直径０．１ｍｍ 针规始终处于静止状态，由电子束偏转系统控制电子束按一定时序偏转扫描轰击靶面不同的位置产生Ｘ射线，平板探测器（ＰＥ１２０７）同步采集不同Ｘ射线焦点下投影的针规ＤＲ图像。 图５为４个 Ｘ射线焦点下投影产生的４张针规ＤＲ图像，图中针规图像的位置随偏转电流的变化而左右改变。图６为电子束偏转系统的偏转线性和焦点位置重复性实验结果。重复实验的数据表明电子束偏转系统的偏转线性和焦点位置重复性很好，针规的 ＤＲ图像序列均清晰，偏转散焦和畸变等影响可忽略，满足ＣＴ成像要求。

图７为电子束扫描静态ＣＴ实验装置得到的一熔断式保险管（８０μｍ）的ＣＴ图像。ＣＴ扫描成像过程中，保险管保持静止状态，由ＥＢＣＴ电子束偏转系统控制电子束偏转扫描完成２５０个Ｘ射线视角投影，重建三维ＣＴ图像。

武汉艾崴基于麦克斯韦电磁场相互作用理论，研究了小偏转角、近轴区域内的散焦、畸变、灵敏度、偏转性能等特性。设计、加工制作了一种高精度微焦点Ｘ射线的电子束偏转扫描系统，用于常规小型Ｘ射线源产生阵列式多焦点Ｘ射线投影。武汉艾崴结果表明：电子束扫描系统的焦点位置重复精度和偏转线性等技术参数指标达到了理论要求。完成了ＥＢＣＴ成像研究，为突破小型化、经济型的ＥＢＣＴ成像的多焦点Ｘ射线源技术瓶颈奠定了良好的基础。