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《中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所)》 2002年
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微束斑X射线源的理论与实验研究

王凯歌  
【摘要】: 微束斑X射线源是指能够产生束斑直径为1.0~100μm的高亮度X射线源,它在生物医学、生化反应动力学、工业无损探伤、X射线显微成像、X-CT等科学研究与技术应用中,发挥着举足轻重的作用。 目前,产生微束斑X射线源的主要方法是通过传统的电子束打靶X射线管、同步辐射X射线源、激光等离子体X射线源等与波带片、多层膜、X射线透镜等X射线光学元件相配合组成的。这些射线源要么束斑偏大、亮度不够,要么造价昂贵、结构庞大、使用不便,严重限制着微束斑X射线光学的研究与发展。 高速运动的高密度小束斑电子束直接轰击金属靶面可以辐射出小束斑的X射线,依据此原理,本论文研制的微束斑X射线源主要由三部分组成,即具有优良电子发射能力的LaB_6阴极电子枪发射系统、等径双圆筒静电聚焦系统以及金属靶。LaB_6电子枪发射的电子束经过静电聚焦系统,被会聚为微米级的电子束斑,该微束斑电子束与固体金属靶相互作用,产生出微束斑的X射线,从而形成微束斑X射线源。 电子束打靶产生X射线已经是很成熟的理论,因此,本论文的理论研究重点是选择合适结构的电子源系统与合适结构的聚焦系统并将电子束会聚为微米级的细小束斑。在理论分析中,先后采用边界元方法、差分方法、有限元方法等科学数值计算方法,编制程序,对X射线源的电子枪发射系统、聚焦系统以及发射系统与聚焦系统的组合系统等的电场分布进行了严格的计算,在准确求得各系统电场内各个剖分点的电场场强、偏导数等参量的基础上,采用蒙特-卡罗模拟方法和不等距龙格-库塔方法相结合,追踪由LaB_6单晶阴极表面发射出的大量电子束在电场内的运动轨迹,求出点扩展函数,并根据点扩展函数的优劣,反复调节、大量计算对比,挑选出X射线源最佳的电极结构及其组合。在最佳条件下的X射线源,当LaB_6阴极加热温度为1900~2000K、饱和发射电流为58.3~141.4μA时,计算所得轰击金属靶面的电子束焦斑的半值宽度仅有1.0μm左右。 依据理论设计组装的微束斑X射线源样机,既可连续发射也可脉冲辐射X射线;其各项性能,在满足其正常工作条件的综合测试仪上通过了实际运行测试。当阴极采取连续发射电子的工作模式(发射电流40μA)时,记录测量到的最小电子束焦斑直径不大于22μm;而在相同条件下,以脉冲方式发射电子束时,其焦斑直径不大于15μm,原因是短时间的电子轰击减小了靶面的热堆积效应等。 本论文所研制的微束斑X射线源,可连续发射也可脉冲辐射,不仅可以发射具有足够亮度的微米级束斑X射线,而且仪器重量轻,体积小,可灵活移动,价廉经济,完全可以为一般大专院校的普通实验室及小研究团体接受。相信该微束斑X射线源的成功研制,对于微束斑X射线光学的研究与发展,促进生物学、医学、生命科学以及材料科学等的发展将具有重要的现实意义。
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2002
【分类号】:O434.19

【引证文献】
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【参考文献】
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【共引文献】
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【同被引文献】
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【二级引证文献】
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