專利名稱：Craser裝置、成像系統(tǒng)和方法
技術領域：
本發(fā)明公開涉及激光器、成像裝置和方法。更具體地說，本發(fā)明公開涉及利用從激光器的X射線能量發(fā)射的激光器、成像裝置和方法。
背景技術：
已知的是使用X射線光子來產生諸如行李、工業(yè)部件、人或動物的目標的內部部分的圖像。計算機斷層攝影和分層攝影是使用寬帶電離輻射的成像技術的示例。對于以多個不同能級使用寬帶電離輻射或光子來說，醫(yī)用成像中存在若干缺點。 甚高能級可能因增加圖像中的噪聲而降低信噪比水平。據(jù)稱，在患者身體中，甚低能級被吸收，這可能導致基于輻射的問題(如癌癥)的增大風險。為了解決此問題，一些醫(yī)用成像器利用濾波器來濾除最低能量光子。這些濾波器確實濾除較低能量，但是它們也減少了較高能量光子的數(shù)量。因此，結果是醫(yī)用成像器缺乏形成清晰圖像所需的強度。一些醫(yī)用成像器稱為多能量成像器，其以兩個或兩個以上能量成像。通過利用兩個能量，圖像中的成分上不同的材料比以單個能量成像時更容易區(qū)分。目前的多能量成像系統(tǒng)通過以不同電壓(例如，80 kVp和140 kVp)操作X射線源管而由不同能量域形成圖像。然后，在最簡單的分析中，可以減去圖像以產生主要由從80至140 keV的較高能量形成的圖像，但是低于80 keV的一些能量仍存在。理想情況下，將僅由80至140 keV的光子形成的圖像與低于80 keV的能量產生的圖像比較，將能夠在不同成分的材料之間實現(xiàn)清晰區(qū)分。但是，在實踐中，“高能量”圖像中通常存在低于80 keV的能量，從而在最終圖像分析中引入顯著的困難和復雜性。一些醫(yī)用成像器稱為4D成像器。此類成像器常常用于產生心臟圖像，以使醫(yī)務人員能夠確認患者是否存在任何心臟有關的問題或異常，例如動脈梗阻或阻塞。這些成像器的工作方式是將患者置于重達數(shù)百磅的管內。一旦妥當?shù)貙⒒颊叨ㄎ唬瑒t管以快速的角速度旋轉。利用此類成像的一個問題是靜息(rest)時-即，心跳之間的心臟的清晰圖像所需的短時間。健康成人可能具有60至80跳/分鐘(bpm)的靜息心率。該心率與如年齡、體重、身高和體質的多個變量相適應。健康較差的人以及坦率來說更可能利用此類成像器的人具有遠超過60 bpm,有時高達150 bpm或更高的靜息心率。已發(fā)現(xiàn)，由于x射線源的重量的原因，使該源以需要的高速自旋是非常困難的。因此，在大比例人群中獲得靜息心率的高質量圖像是非常困難的。正在使用的某些治療技術利用電離輻射來解決健康問題。例如，要治療前列腺癌，一種治療技術包括將放射性微球(radioactive bead)置入前列腺中以破壞腫瘤。利用此技術的一個問題是，來自這些放射性微球的輻射是各向同性的，從而導致例如股骨的其他區(qū)域的照射，從而可能導致白血病的增大風險。
醫(yī)療領域外使用電離輻射的成像技術中存在其他缺點。例如，目前的貨物檢查通常包括對集裝箱自身內的貨物內容成像。這常常通過將貨物集裝箱放在拖車上，并將拖車引導到X射線源與檢測器之間的某個位置。某些目前的X射線源配置透射發(fā)散的X射線。但是，為了能夠一次通過地對整個貨物集裝箱成像，X射線源必須與貨物集裝箱相距很遠，約二分之一英里左右。因為當X射線到達貨物集裝箱時最終撞擊貨物集裝箱的它們已發(fā)散如此多，所以X射線通量密度極其低，從而需要長曝光時間，約20分鐘或更長。在港口日卸貨100與1000個貨物集裝箱之間的情況下，這樣長的成像時間對于每個集裝箱是不切實際的。以100至1000倍或更大通量密度形成較小的輻射束能夠實現(xiàn)每個集裝箱的掃描式檢查。用于成像印刷電路板(PCB)的成像技術通常缺乏處理層數(shù)不斷增加的PCB的必要強度。再者，工業(yè)部件檢查中使用的成像技術也存在所需強度不足的問題。此類成像器是在幾乎連續(xù)基礎上使用的并利用欠強大但是使用壽命較長的X射線管。缺乏所需的強度導致無法查看復雜的細節(jié)，例如渦輪葉片中的裂紋或檢查每個部件的不穩(wěn)定。 期望X射線成像技術檢查例如海下立管，其用于將油和/或天然氣從海底鉆井提升到水面。檢查有時用于確定立管中是否正在形成任何裂紋。但是，當前的X射線管未提供足夠的X射線通量以使此類成像檢查切合實際。具有足夠能量(約為500 kVp)以及X射線通量的工業(yè)X射線源重達幾百磅且產生如此小的X射線通量，以致于用于成像的數(shù)據(jù)采集時間約為數(shù)十小時或更長。在此時間期間，立管往往隨著海岸波浪移動而移動，這妨礙海下立管形成清晰的圖像。還已設想將X射線用于提供或干擾通信。例如，可以使用準直的高能量、高強度X射線束向地球上空數(shù)英里的飛行器發(fā)送信息且?guī)缀鯖]有信號丟失，同時大氣層中的顆粒散射較低能量光子。但是如先前提到的，尚沒有已知便攜式X射線源提供此類型強度和準直以使得此類運用切合實際?？梢蕴峁┰搹姸群蜏手钡俏催_到先前論述的一些應用所需的高能量的一些X射線源稱為X射線激光器。目前，強度足夠的唯一類型的X射線激光器是自由電子激光器，其大部分需要同步加速器。此類激光器是不切實際的，因為同步加速器是巨大的(直徑約3. 5公里)，并且無法移到樣本的位置處。將同步加速器小型化的最近發(fā)展已促成約兩個大房間尺寸的自由電子激光器，并產生強度僅勉強足夠的期望的準直X射線束。但是，演示的能量小于許多應用所需要的。而且，這些小型化同步加速器X射線激光器需要非常強大的可見激光器(大約I千兆瓦的功率)來激發(fā)增益介質以啟動X射線發(fā)射過程。所以，雖然技術上這些已知的小型化同步加速器X射線激光器是可移動的，但是找到I千兆瓦電源是困難的。即使有此類電源，成像能級僅約20 keV。此外，同步加速器和碰撞X射線激光器是單程激光器，這意味著光子行進并經歷受激發(fā)射的路徑必須非常長才能產生高強度。傳統(tǒng)X射線成像提供樣本的吸收特性的圖。將初期癌癥和其他組織學結構可視化可能是困難的，因為它們的吸收特征與周圍組織的吸收特征之間差異最小-小百分比。但是，已演示的是，折射率變化可以是足夠大而能夠將一些組織學結構可視化。X射線相襯(phase-contrast)成像基于這些折射率差來產生圖像。此類型的成像依賴于空間上相干x射線束(如X射線激光器能夠提供的)，以遍歷包含不同折射率的區(qū)域的樣本并被這些區(qū)域折射。當折射時，這些X射線經受相移，并失去它們最初的相干性。當這些“不相干”光子與未折射或直射的X射線相互作用時，產生相加和相消干涉圖樣，其重構成在樣本內的邊界的非常高對比度的圖像。相襯顯微鏡的一個問題是直射X射線束與折射的X射線束相比強度遠遠更高，這導致干涉圖樣中非常低的信噪比。在暗場顯微鏡中，可以通過僅使用散射的X射線來抑制直射X射線束，從而改善圖像的對比度。此類型的成像與相襯成像一樣需要相干入射X射線束，如通過X射線激光器能夠提供的。這兩種類型的成像的主要問題是，由于當前可用的低強度實驗室(非基于同步加速器)的X射線源的原因而需要長曝光時間。能夠由快如飛秒的時間內以微米計測量的目標得到納米級分辨率的全息X射線圖像。X射線全息攝影可以是用于開發(fā)納米科學和納米技術的使能工具。但是，此技術取決于X射線的波形特性，并且需要使用X射線激光器，目前僅存在基于同步加速器的X射線激光器。因此，X射線全息圖的創(chuàng)建和查看均只能在同步加速器處執(zhí)行，這使此技術在實現(xiàn)例 如許多納米技術的開發(fā)中使用是不切實際的。期望的是解決前述缺點中一個或多個的X射線激光器。

發(fā)明內容
一實施例提供一種eraser裝置，其包括具有發(fā)射X射線光子的激發(fā)的增益介質原子的增益介質、位于增益介質附近且具有比增益介質高的折射率的透射介質、以及包含一個或多個較低折射率層且鄰接透射介質的反射鏡。通過全內反射將這些X射線光子限域(confine)于透射介質，以及這些x射線光子通過消散波與激發(fā)的增益介質原子相互作用，從而產生放大的受激發(fā)射，其中放大的受激發(fā)射形成高強度不相干或相干X射線束。一實施例提供一種成像系統(tǒng)，其包括eraser發(fā)射裝置和用于檢測以高強度不相干或相干X射線束產生的圖像的檢測器。eraser發(fā)射裝置包括用于形成x射線光子的內部激發(fā)或外部激發(fā)的增益介質、位于增益介質附近的透射介質、以及包含一個或多個分級的較低折射率層的反射鏡，反射鏡配置成鄰接透射介質。這些X射線光子在透射介質內通過全內反射相互作用以及與增益介質原子相互作用，從而提供放大的受激發(fā)射并形成高強度不相干或相干X射線束?！獙嵤├峁┯糜趯δ繕顺上竦姆椒āＴ摲椒òㄐ纬蒭raser束,將eraser束指向目標，并檢測目標的圖像。通過如下方式形成Craser射線束激發(fā)增益介質中的增益介質原子、由激發(fā)的增益介質原子將至少一個能量的至少一個X射線或伽馬射線光子發(fā)射到透射介質，通過來自鄰接透射介質的反射鏡的全內反射來量子限域透射介質的至少一個能量的至少一個光子，以及在量子限域(confine)的光子通過光子消散波與激發(fā)的增益介質原子相互作用時放大至少一個能量的至少一個光子的受激發(fā)射。當結合附圖考慮下文詳細描述時，可以進一步理解和/或圖示本發(fā)明的這些和其他特征、方面和優(yōu)點。


圖I是部分地圖示根據(jù)實施例的eraser裝置的示意圖。圖2是圖示根據(jù)實施例的圖I的反射鏡的多個層的示意圖。
圖3是部分地圖示根據(jù)實施例的eraser裝置的示意圖。圖4是根據(jù)實施例的eraser裝置的示意圖。圖5是根據(jù)實施例的圖4的增益介質的局部示圖。圖6是示出根據(jù)實施例的增益介質原子的激發(fā)的、圖4的eraser裝置的局部示圖。圖7是根據(jù)實施例的增益介質原子的激發(fā)的示意圖。圖8是根據(jù)實施例的eraser系統(tǒng)的示意圖。圖9圖示根據(jù)實施例的、用于對目標成像的過程步驟。
具體實施方式
本說明書提供某些定義和方法來更好地定義本發(fā)明的多個實施例和方面及在其制造的實踐中引導本領域普通技術人員。提供或未提供特定術語或短語的定義不意味著暗示任何特定的重要性或不具有重要性；更確切地，除非另行說明，否則術語將按照相關領域普通技術人員約定俗成的用法來理解。除非另外定義，否則本文使用的技術和科學術語具有與本發(fā)明所屬的領域中的技術人員所共識的相同的含義。如本文所使用的術語“第一”、“第二”等不表示任何次序、數(shù)量或重要性，而是用于將一個元件與另一個元件相區(qū)分。再有，術語“一”不表示數(shù)量的限制，而是表示存在至少一個所引述的項，以及除非另外說明，否則術語“前面”、“后面”、“底下”和/或“頂上”僅出于方便描述而使用，并不限于任何一個位置或空間朝向。如果公開范圍，則指向相同組件或屬性的所有范圍的端點是包含在內的且是可獨立地組合的。結合數(shù)量使用的修飾語“大約”是包含所提到的值的，并且具有上下文所指示的含義(例如，包含與特定數(shù)量的測量關聯(lián)的誤差度)。本說明書中通篇對“一個實施例”、“另一個實施例”、“一實施例”等的引述表示結合該實施例描述的特定元件(例如，特征、結構或特性)可以包含在本文描述的至少一種實施例中，并且可能存在或不存在于其它實施例中。此外，要理解，描述的創(chuàng)造性特征可以采用任何適合的方式在多種實施例中進行組合。如圖I所示，示出有一種作為eraser系統(tǒng)160 (圖8)的一部分的eraser裝置100。術語“CRASER”表示通過福射的受激發(fā)射的臨界角福射放大(Critical angle RadiationAmplification by Stimulated Emission of gadiation)。eraser裝置是通過全內反身寸突光限域到透射介質或限域來自增益介質的自然光子發(fā)射，并通過限域的光子的消散波經由增益介質的受激發(fā)射放大限域的輻射束來產生高強度X射線束的裝置。通過對增益介質、透射介質和反射介質構形成環(huán)形諧振器，可以使得eraser束在時間上和空間上相干，與目前采用環(huán)形諧振器的激光器二極管中一樣。因此，eraser可以是緊湊型x射線激光器。在圖I中，示出有eraser裝置100、能量源104、增益介質120、透射介質130和反射鏡140。需要能量源104來將增益介質原子激發(fā)成激發(fā)態(tài)。作為備選，可以將增益介質自然激發(fā)，與放射性材料的情況中一樣。適合的能量源104的示例包括光子束和/或諸如電子束、質子束、中子束和離子束的粒子束。能夠用于增益介質的放射性材料的示例是鈾，其發(fā)射約為I. 76 MeV的伽馬射線。對于作為電子束的能量源104，可以通過一個或多個冷陰極場致發(fā)射器裝置來形成電子束。在這些裝置中，在發(fā)射器兩端施加電場以提取電子。在常規(guī)X射線源中使用的常規(guī)熱離子電子發(fā)射器中，以甚高溫度操作燈絲，并由于從高熱獲得的高能量，電子“汽化”或逃逸出燈絲。重要的是增益介質120形成為與透射介質130相比折射率較低。增益介質120可以由高Z材料，即具有高原子數(shù)量的材料形成。再者，增益介質120可以由一個或多個放射性材料形成，或它可以由一個或多個放射性材料和一個或多個非放射性材料形成。對于包括放射性元素的增益介質1 20的實施例，通過核能躍遷來實現(xiàn)增益介質原子的激發(fā)，從而免去外部激發(fā)源104的需求?？梢孕纬稍鲆娼橘|120的適合材料包括鑰、錫、銪、釓、鉺、鐿、鋨、鎢、金、鈷和鈾。由鉺形成的增益介質120的折射率的實部在約100 keV下是
0.99999985。增益介質120可以由多種材料形成，其中這些材料的一種或多種是放射性的。這些放射性材料可以發(fā)射伽馬射線或電子，這些伽馬射線或電子則可以將非放射性增益介質激發(fā)成發(fā)射熒光光子，然后可以與eraser裝置的其余部分相互作用以形成高強度光子束。作為備選，放射性材料可以發(fā)射中子或質子，在轟擊時，非放射性增益介質材料能夠將它們轉換成放射性材料。這些新產生的放射性材料則能夠發(fā)射伽馬射線，這些伽馬射線被eraser裝置的其余部分放大。具有這種一個放射性材料產生另一個放射性材料的兩個階段過程的原因可以是因為期望的發(fā)射能量。一旦變成放射性的非放射性材料發(fā)射的一些能量不可能以任何其他方式獲得。當來自能量源104的光子束和/或粒子束106進入增益介質120時，它們可能撞擊增益介質原子122 (圖5)或未撞擊。未撞擊增益介質原子的光子或粒子106被增益介質原子120減速，從而產生軔致輻射光子108的發(fā)射。撞擊增益介質原子122的內殼電子可能促使這些電子的噴射，從而導致原子能級的增加。此類激發(fā)的增益介質原子一般以數(shù)字124表示。當激發(fā)的增益介質原子返回它們的接地態(tài)能級時，等于噴射內殼電子所需的能量以K、L或M熒光光子110的形式釋放。指配到最終熒光光子的字母K、L或M由噴射最初電子的電子殼確定，其中K殼最接近原子核。作為備選，如果該原子是放射性的，則可以相對于材料中的其他原子增加該原子的能級。然后，當激發(fā)的增益介質原子衰變時，能夠釋放伽馬射線，而非K、L或M熒光光子。依賴于原子，K熒光光子可以具有從約30 keV至小于約120 keV的范圍中的光子能級，而L熒光光子可以具有約10 keV的范圍中的光子能級，以及M熒光光子可以具有甚至更低光子能級。由核衰變導致的伽馬射線可以具有I MeV以上的能量。因為eraser 160中能夠放大每個光子能級，所以eraser具有以這些離散不重疊的能量發(fā)射的潛力，從而能夠實現(xiàn)相似X射線吸收系數(shù)的材料之間更好區(qū)分的近單色多能量成像。從激發(fā)的增益介質原子發(fā)射的光子110的其中一些行進到透射介質130中(圖4)。與增益介質120相比，透射介質130具有比周圍材料相對較高的折射率。透射介質130的寬度也遠比其任一側上的層小。此較小的寬度和較高的折射率將光子量子限域到透射層，并且使得它們的消散波能夠充分地延伸到較低折射率層，以便在這些層中產生很大的受激發(fā)射。透射介質130可以由低Z(原子數(shù))材料形成以將透射介質130中的X射線吸收減到最小。用于形成透射介質130的適合材料包括碳、硼(其折射率的實部在約100 keV下為0. 99999993)、鋰、鈹或低Z多聚物，如聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)。發(fā)射的光子110經由透射介質130行進到反射鏡140。反射鏡140包括具有比透射介質130低的折射率的一個或多個材料。反射鏡140可以由較低折射率材料的單個層構成。作為備選，以及具體關注圖2，反射鏡140可以由材料140a-140n的多個層構成。材料層140a - 140n可以包括不同材料成分，以使每個連續(xù)層(例如140a)具有比其上方的層(例如，140b)相對較高折射率。作為備選，可以將材料層140a - 140n分級設置以使相對較高折射率材料交織在相對較低折射率材料之間。應該意識到，可以在creaser裝置100中利用任何數(shù)量的層140n。反射鏡140內的較低折射率材料可以由具有與增益介質材料相同或不同的成分的材料構成。如果激發(fā)增益介質的光子或粒子束具有足夠能量，則它們還能夠穿透反射材料中的較低折射率材料，并激發(fā)較低折射率材料。限域到透射介質130的X射線將具有穿透到反射鏡中的消散波，正如這些消散波也穿透增益介質120。當這些波遇到激發(fā)的低折射率反射鏡材料時，可以發(fā)生受激發(fā)射，與在增益介質120中發(fā)生的相似。這些附加的光子將向透射層行進，并且一旦這些光子進入該層，則被限域在其中。由此將增加限域到透射層的光子束的強度。一些發(fā)射的光子110將穿過透射介質行進并從多層的反射鏡140經由全內反射被 反射回透射介質130中。這些反射的光子在圖6中示出為光子112。在光子110與反射鏡形成足夠淺的角度以滿足全內反射的臨界角條件時將發(fā)生此類型的反射，如圖6所示。隨著反射的光子112到達透射介質130和增益介質112之間的介面時，反射的光子波函數(shù)的實部112’被反射回透射介質130中，而反射的光子波函數(shù)的虛部114(也稱為消散波)穿透增益介質120。當消散波撞擊激發(fā)的增益介質原子124時，可發(fā)生光子116的受激發(fā)射，其與最初光子114相干。相干波114、116則各能夠從兩個更加激發(fā)的增益介質原子124產生受激發(fā)射以產生四個相干光子波(圖7)。放大過程可以在整個eraser 10中繼續(xù)，從而促成強相干X射線束。反射鏡140可以具有幾乎接近完美(100%)的反射率。已通過實驗演示了 60 keV能級下99. 99%的反射率水平。因此，每次反射下，電磁波的能級僅下降0. 01%。使得能量束170能夠經由窗口 150逃逸出eraser裝置100，窗口 150在eraser裝置100的邊緣處形成(圖3和圖8)?？梢院唵蔚貙⒋翱?150蝕刻到形成eraser裝置100的一些層中或它可以包含在替代eraser裝置100的一部分形成的高折射率材料，或者它可以由能夠進一步擴散或聚焦eraser束170的光學裝置組成。因此，一旦通過多次反射以及受激發(fā)射構建了足夠能量，則可以從窗口 150發(fā)射一個或多個離散單色能量的相干X射線束。作為備選，如果將eraser裝置形成為部分環(huán)形，則x射線束可能不如來自完全諧振環(huán)的相干，但是其強度仍來自多次反射以及受激發(fā)射而非常高。電源180 (圖8)可以連接到eraser裝置160，以使產生至裝置以激發(fā)增益介質的功率。作為備選，如果一個或多個增益介質是放射性的，則無需電源，因為所有必要的激發(fā)已經內部存在。正如先前提到的，激發(fā)能量源可以是位于增益介質120內部或它可以是外部源104。應該意識到，以及如圖I所示，外部激發(fā)源104可以同時激發(fā)增益介質和反射鏡140中以與增益介質120相同或不同的能量發(fā)熒光的低折射率材料，或者外部激發(fā)源可以依次地激發(fā)這些發(fā)射材料。在激發(fā)增益介質和反射鏡140中使以與增益介質原子不同的能量發(fā)射的材料發(fā)熒光之間交替的優(yōu)點在于，對于成像技術來說，其中期望以一個能量首先成像然后以另一個能量成像，正如雙能量保健成像應用中那樣。還應該意識到，可以制造增益介質120、透射介質130和反射鏡140的重復結構。例如，圖I的eraser裝置100可以具有增益介質120、透射介質130和反射鏡140中的兩個或兩個以上重復結構。通過重復結構，意味著eraser裝置100可以具有增益介質(gm)鄰接透射介質(tm)鄰接反射鏡(rm),如gm/tm/rm/gm/tm/rm等形式的重復模式。作為備選，eraser組織化可以具有gm/tm/gm/tm/rm等的備選模式。具體關注圖3，eraser裝置200部分地以示意圖形式圖示。eraser裝置200與eraser裝置100相似，其中eraser裝置200包括增益介質120、透射介質130和反射鏡140。但是，eraser裝置200具有模式gm/tm的增益介質120鄰接透射介質130的多個重復結構以及單個反射鏡140，完成這些重復結構。雖然圖3中示出外部激發(fā)源104，但是應該意識至IJ，在eraser裝置200中可以利用如前文描述的內部激發(fā)源。
具體關注圖4,以不意圖形式圖不eraser裝置300。eraser裝置300米用圓形,其中外部激發(fā)源104裝在輻射狀內艙155內，輻射狀內艙155可以位于eraser裝置的平面上方。如果激發(fā)束包含如電子或質子的帶電荷粒子，則此內艙155可以是真空艙，或如果激發(fā)束包含光子或如中子的不帶電荷粒子，則此內艙155可以是非真空艙。包圍艙155的是增益介質120,增益介質120鄰接透射介質130并被透射介質130包圍,透射介質130本身鄰接反射鏡140并被反射鏡140包圍。反射鏡140可以采取回音壁式諧振器的形式，并且包括多個層140a - 140n?；匾舯谑街C振器140配置成將x射線波長的電磁波全內反射?；匾舯谑街C振器是球形或圓柱形結構，其配置成維持高Q電磁模式，這些是通過全內反射在球體或圓柱體內循環(huán)并被強固地限域在球體或圓柱體內的電磁波。直到現(xiàn)在，回音壁式諧振器僅在比X射線長的光子波長下制造。具體參考圖9，以及大致參考圖1-8，下面將描述一種用于使用如eraser系統(tǒng)160的eraser系統(tǒng)來成像的方法。在步驟400處,形成eraser束。eraser束可以通過若干子步驟來形成。第一子步驟可以是將增益介質中找到的增益介質原子激發(fā)到激發(fā)態(tài)。接下來，將激發(fā)的光子從激發(fā)的增益介質原子向透射介質發(fā)射。然后，這些發(fā)射的光子的其中一些通過全內反射被反射鏡(反射鏡可以采用回音壁式諧振器的形狀)反射回透射介質。最后，當量子限域的光子與激發(fā)的增益介質原子相互作用時，發(fā)射的光子的至少一個導致受激發(fā)射。多個或放大的受激發(fā)射促成強eraser束的形成。在步驟405處，將eraser束指向目標。最后，在步驟410處，檢測目標的圖像。eraser系統(tǒng)160可以用在多種應用中。例如,eraser系統(tǒng)160可以用在醫(yī)用成像應用中。利用輸出高強度單色束的eraser系統(tǒng)160通過以足夠強度提供x射線以便在更少時間上以不可能增加自由輻射損害導致惡性腫瘤增長的未使用的附隨能量的數(shù)量級形成更清晰的X射線圖像，消除了依賴于軔致輻射的大多數(shù)商用醫(yī)用成像器的缺點。再者，eraser系統(tǒng)160能夠按兩個離散和不同的能級產生X射線。因此，eraser系統(tǒng)160通過消除目前在使用兩個不同X射線管加速電壓執(zhí)行的多能量成像中成問題的混合重疊能量以在當前多能量技術上進行提高。通過使用eraser裝置160還改善了四維成像。該裝置配置成裝配在小空間內，此小空間可以是例如10厘米X 10厘米(1000立方厘米)空間，并且重量可以比目前的4D X射線源小多達三個數(shù)量級。減少的空間和重量使得X射線源能夠繞著患者快至少一個數(shù)量級地自旋，從而能夠在超過每分鐘100次跳的心跳之間以可接受的圖像質量實現(xiàn)停止運動X射線成像。eraser系統(tǒng)160還具有醫(yī)療領域之外的應用。例如，與目前執(zhí)行的有限數(shù)量相比，eraser系統(tǒng)160可以輸出如此高強度的x射線束，以對每個集裝箱執(zhí)行貨物檢查。再有，eraser系統(tǒng)160能夠用來對印刷電路板(PCB)成像、對三維計算機芯片成像和工業(yè)用檢查成像。由于其顯著更大的強度，eraser系統(tǒng)160能夠實現(xiàn)PCB、計算機芯片和工業(yè)部件的線上檢查，這是優(yōu)于目前所執(zhí)行的批量抽檢的顯著改進。在另一個應用中，eraser系統(tǒng)160的高束強度輸出能夠進行海下立管的x射線成像，從而幫助阻止已經損壞大生態(tài)環(huán)境和影響了數(shù)個世界水體的油泄漏。eraser系統(tǒng)160還可以用于甚長范圍通信，例如進入空間(space)的甚長范圍通信。其高能量和大強度使得系統(tǒng)能夠容易且直接地與地球表面上方若干英里的飛行器通 f目。將激發(fā)eraser系統(tǒng)160的增益介質的光子束或粒子束加速所需的發(fā)生器的功率可以小到100瓦。因此，此類裝置是真正可移動的，并且優(yōu)于目前基于激光器的成像器的改進，目前基于激光器的成像器需要I千兆瓦或更多功率來產生受激發(fā)射。正如先前提到的，X射線相襯成像基于這些折射率差來產生圖像。此類型的成像依賴于空間上相干X射線束(如eraser系統(tǒng)160能夠提供的)遍歷包含不同折射率的區(qū)域的樣本并被這些區(qū)域折射。折射時，這些X射線經受相移，并失去它們最初的相干性。當這些“不相干”光子與未折射或直射的X射線相互作用時，產生相加和相消干涉圖樣，其重構成在樣本內的邊界的非常高對比度的圖像。利用標準實驗室X射線源執(zhí)行的相襯顯微鏡所固有的難題是X射線束相干所需的長距離；利用eraser系統(tǒng)160完全消除此難題。正如先前提到的，如相襯成像的暗場顯微鏡需要相干入射X射線束，如eraser系統(tǒng)160所提供的。暗場顯微鏡的主要問題是，由于當前可用的低強度實驗室(非基于同步加速器)的X射線源的原因而需要長曝光時間；craser系統(tǒng)160修正了此問題。正如先前提到的，X射線全息攝影依賴于光的波形特性并需要使用X射線激光器。使用eraser系統(tǒng)160能夠使得x射線全息攝影能夠在實驗室中實現(xiàn)且無需同步加速器。雖然本發(fā)明是僅結合數(shù)量有限的實施例來進行了詳細描述，但是應該容易地理解，本發(fā)明并不限于此類公開的實施例。更確切地，本發(fā)明能夠修改為并入前文未描述、但與本發(fā)明的精神和范圍相匹配的任何數(shù)量的變化、替換、替代或等效布置。例如，雖然一些實施例是依據(jù)可能最初暗示為單數(shù)形式來描述的，但是應該意識到可以利用多個組件。此夕卜，雖然描述了本發(fā)明的多種實施例，但是要理解，本發(fā)明的多個方面可以包括描述的實施例的僅其中一些。因此，本發(fā)明不應視為由前文描述限定，而是僅由所附權利要求的范圍來限定。
權利要求
1.一種 eraser 裝置(100),包括 增益介質(120)，其具有發(fā)射X射線或伽馬射線光子的激發(fā)的增益介質原子(124)；位于所述增益介質附近的透射介質(130)，所述透射介質具有比所述增益介質高的折射率；以及反射鏡(140)，其包括一個或多個較低折射率層(140a-140n)并鄰接所述透射介質；其中通過全內反射將所述X射線或伽馬射線光子限域到所述透射介質，以及其中所述X射線或伽馬射線光子通過消散波與所述激發(fā)的增益介質原子相互作用，從而產生放大的受激發(fā)射，其中所述放大的受激發(fā)射形成高強度不相干或相干X射線束或伽馬射線束(170)。
2.如權利要求I所述的eraser裝置，其中，所述增益介質由外部激發(fā)源激發(fā)。
3.如權利要求2所述的eraser裝置，其中，所述外部激發(fā)源是電子束、質子束、離子束、中子束和光子束的至少其中之一。
4.如權利要求3所述的eraser裝置，其中，所述電子束是由一個或多個冷陰極場致發(fā)射器裝置形成。
5.如權利要求3所述的eraser裝置，其中，所述電子束、所述質子束以及所述光子束由一個或多個放射性元素形成。
6.如權利要求2所述的eraser裝置，其中，所述外部激發(fā)源包括如下的至少其中之 首先穿過所述反射鏡透射的源；或 首先穿過所述增益介質透射的源。
7.如權利要求I所述的eraser裝置，其中，所述增益介質由一個或多個放射性元素形成。
8.如權利要求I所述的eraser裝置，其中，所述增益介質由一個或多個放射性元素和一個或多個非放射性元素形成，并且在內部由所述一個或多個放射性元素激發(fā)。
9.如權利要求I所述的eraser裝置，其中，所述增益介質由如下一個或多個形成鑰、錫、銪、禮、鉺、鐿、鋨、鶴、金、鈷和鈾。
10.如權利要求I所述的eraser裝置,其中,所述透射介質由低Z材料形成。
11.如權利要求I所述的eraser裝置，包括 一個或多個重復結構，所述一個或多個重復結構包含至少增益介質和透射介質；其中第二增益介質一側鄰接所述反射鏡，以及另一側鄰接第二透射介質，以及第二反射鏡鄰接所述第二透射介質；或 第二增益介質一側鄰接所述第一透射介質，以及另一側鄰接第二透射介質，以及所述反射鏡鄰接所述第二透射介質。
全文摘要
本發(fā)明名稱為“CRASER裝置、成像系統(tǒng)和方法”。一種craser裝置，利用craser裝置的成像系統(tǒng)和一種成像的方法。該craser裝置包括具有發(fā)射x射線和/或伽馬射線光子的激發(fā)的增益介質原子的增益介質、鄰接增益介質的透射介質、和反射鏡，該反射鏡包含一個或多個較低折射率層且鄰接透射介質。該透射介質具有比增益介質以及反射鏡中的至少一個材料高的折射率。通過全內反射將x射線和/或伽馬射線光子限域到透射介質，以及通過消散波多次與激發(fā)的增益介質原子相互作用，從而產生放大的受激發(fā)射，這促成高強度不相干或相干x射線束和/或伽馬射線束的形成。
文檔編號A61B6/00GK102969650SQ201210220510
公開日2013年3月13日 申請日期2012年6月29日 優(yōu)先權日2011年8月29日
發(fā)明者S.M.李 申請人:通用電氣公司