CN100565771C - 具有液态金属阳极的用于产生x射线的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于产生X射线(18)的装置，包括容纳在真空空间(2)中用于发射电子的电子源(3)、包括用于因电子入射而发射X射线的液态金属和用于引起液态金属流过缩颈(7)的抽吸装置(11)的液态金属回路，其中由电子源(3)发射的电子撞击到液态金属上、以及限制所述缩颈(7)的辐射窗口(12)，其对于电子和X射线是透明的并且使缩颈(7)与真空空间(2)分开。为了提供一种用于产生X射线的由于自调节过程而不需要外部或附加部件或电子线路的装置，其中缩颈的截面面积基本上相应于预定所需的截面面积，提出所述缩颈(7)由与所述辐射窗口(12)相对的补偿窗口(13)限制，其使缩颈(7)与包含由所述液态金属回路经由连接部件(15)提供的液态金属的压力腔室(14)分开，并且其在操作期间具有作为由与缩颈(7)中的压力不同的压力腔室(14)中的压力导致的变形的结果的轮廓(p’)，其与辐射窗口(12)在操作期间具有的作为由缩颈(7)中的液态金属的压力导致的辐射窗口(12)变形的结果的轮廓(p)基本匹配。

Description

具有液态金属阳极的用于产生X射线的装置
技术领域
本发明涉及一种用于产生X射线的装置，其包括容纳在真空空间中用于发射电子的电子源、包括用于因电子入射而发射X射线的液态金属和用于引起液态金属流过缩颈(constriction)的抽吸装置的液态金属回路，其中由电子源发射的电子撞击到液态金属上、以及限制所述缩颈的辐射窗口，其对于电子和X射线是透明的并且使缩颈与真空空间分开。
背景技术
在开篇中提及类型的用于产生X射线的装置从WO 03/077277A1中得知。在该装置中，缩颈由薄辐射窗口和与辐射窗口相对的壁限制，所述薄辐射窗口由对电子和X射线透明的材料制成并且使缩颈中的液态金属与真空空间分开。所述壁具有与在操作期间辐射窗口具有的作为由缩颈中的液态金属的压力导致的辐射窗口变形的结果的轮廓匹配的轮廓。因而，实现了所述缩颈具有预定计划的截面面积，并且防止了流速减小和在窗口变形位置处伴随的压力的过量增加。
WO 03/077277A1还描述了通过减小辐射窗口上液态金属的压力或给窗口提供皱褶以获得更好的稳定性，来降低辐射窗口的变形的方法，其是相对薄的以获得对电子和X射线的充足的透明度。用于减小压力的方法基于赋予与辐射窗口相对的缩颈的壁的固定的或柔性的轮廓。在操作期间，借助至少一个致动器能够改变所述柔性轮廓。
带有所述柔性轮廓的已知装置的一个缺点是，需要至少一个压力传感器和借助于传感器作为压力的函数控制致动器的控制元件。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种在开篇中提及类型的用于产生X射线的由于自调节过程而不需要外部或附加部件或电子线路的装置，其中缩颈的截面面积基本上相应于预定所需的截面面积。
为了达到所述目的，本发明提供一种用于产生X射线的装置，包括：容纳在真空空间中用于发射电子的电子源；液态金属回路，包括用于因电子入射而发射X射线的液态金属，和用于引起液态金属流过缩颈的抽吸装置，其中由电子源发射的电子撞击到液态金属上；和限制所述缩颈的辐射窗口，所述辐射窗口对于电子和X射线是透明的并且使缩颈与真空空间分开；其特征在于，所述缩颈由与所述辐射窗口相对的补偿窗口限制，所述补偿窗口使缩颈与包含由所述液态金属回路经由连接部件提供的液态金属的压力腔室分开，所述补偿窗口在操作期间具有作为由与缩颈中的压力不同的压力腔室中的压力导致的变形结果的轮廓p’，所述轮廓p’与辐射窗口在操作期间具有的作为由缩颈中的液态金属的压力导致的辐射窗口变形结果的轮廓p基本匹配。
本发明基于这样的认识：既然因为需要辐射窗口的薄度用于对电子和X射线的足够的透明度，并且因为真空存在于辐射窗口的一侧，而不能避免辐射窗口变形，那么与辐射窗口相对的缩颈的边界必须具有已调节的轮廓。根据本发明，由于所述边界由补偿窗口形成，其在操作期间具有基本与辐射窗口的轮廓匹配并且由不同于缩颈中的压力的压力腔室中的液态金属的压力引起的轮廓，因此在不需要外部或附加部件或电子线路的情况下实现了处于所述窗口的变形状态即在操作期间的缩颈的截面面积基本上相应于如果窗口不经受变形则缩颈将具有的预定所需的截面面积。
注意，本发明中提到的措辞“匹配”，不意味着局限于“相同于”或“相应于”。因此，本发明不仅覆盖了其中在操作期间沿液态金属的流动方向观看缩颈具有恒定的截面面积的实施例，还覆盖了其中在操作期间缩颈具有在流动方向上以预定计划的方式改变的截面面积的实施例。因而，措辞“匹配”通常旨在表示，与辐射窗口相对的补偿窗口的轮廓由变形的辐射窗口的轮廓确定，近似或相应于变形的辐射窗口的轮廓，以这样的方式，处于所述窗口的变形状态即在操作期间的缩颈的截面面积基本上相应于、并且因而从流动方向上观看也可以相应于如果所述窗口不经受变形则缩颈可能具有的预定的截面面积的方式而改变。
根据本发明的装置的特定实施例，其特征在于所述压力腔室连接到在缩颈上游的所述液态金属回路的高压区域。在该实施例中，施加于补偿窗口的压力腔室中的压力与由抽吸装置提供的压力有关，并且不受由粘性流动损失导致的在缩颈下游的压力损失的影响。如果缩颈中的压力和压力腔室中的压力之间的差比缩颈中的压力大得多，则实际上在补偿窗口变形时不存在缩颈中的压力变化的影响。
在优选实施例中，根据本发明的装置，其特征在于所述压力腔室基本上在补偿窗口的全部区域上变化。在该实施例中，在辐射窗口的区域经受缩颈中的压力时，基本上补偿窗口的全部区域经受压力腔室中的压力。
根据本发明的装置的有利实施例，其特征在于所述补偿窗口基本上与辐射窗口尺寸相同。在该实施例中，当施加了可比较的压力时，窗口的相应变形将是相似的。
根据本发明的装置的另一实施例，其特征在于所述补偿窗口基本上由与辐射窗口相同的材料制成。在该实施例中，当施加了可比较的压力时，窗口的相应变形将是相似的。优选地，窗口由钨、钼或金刚石制成。
根据本发明的装置的又一实施例，其特征在于所述补偿窗口比辐射窗口厚。在该实施例中，压力腔室中的压力高于缩颈中的压力，并且由于缩颈中的压力与压力腔室中的压力之间的差比缩颈中的压力大得多，因此实际上在补偿窗口变形时不存在缩颈中的压力变化的影响
附图说明
下文中，将参考附图进一步详细说明根据本发明的用于产生X射线的装置的实施例，其中
图1示意性地示出了根据本发明的用于产生X射线的装置的实施例；以及
图2详细示出了图1的装置的缩颈。
具体实施方式
在图1中，仅示意性地示出了根据本发明的用于产生X射线的装置的实施例的主要部件。该装置包括围绕真空空间2的外壳1，其中容纳了用于发射电子的电子源3或阴极。该装置还包括封闭的通道系统4，其包括入口通道5、收敛部分6、缩颈7、发散部分8、出口通道9、热交换器10和液压泵11。通道4填充了液态金属，其具有因电子入射而发射X射线的特性，并因而形成液态金属回路。在示出的实施例中，液态金属是Ga、In、和Sn的合金，但是还可以使用优选在室温是液态的其他类型的金属或金属合金，例如Hg。
缩颈7由对电子和X射线透明的辐射窗口12和由与辐射窗口12相对的补偿窗口13限制。在示出的实施例中，辐射窗口12包括相对薄(5μm)的金刚石板，但是还可以使用对电子和X射线足够透明的其他类型的材料，例如Mo。辐射窗口12使缩颈7与真空空间2分开，从而防止了真空空间2被液态金属的粒子污染。补偿窗口13使缩颈7与包含由通道系统4经由连接部件15提供的液态金属的压力腔室14分开。
在装置的操作期间，借助于液压泵11引起液态金属流过缩颈7。在示出的实施例中，液压泵11是常规类型，但是替代地，还可以使用另外合适的抽吸装置，例如磁液压泵。缩颈7具有相对小的截面面积，从而液态金属在缩颈7中的流动具有相对高的速度并是湍急的。电子源3产生电子束16，其穿过辐射窗口12并在缩颈7中的撞击位置17撞击在液态金属上。作为电子束16入射在液态金属上的结果，在撞击位置17产生了X射线18。因而，缩颈7中的液态金属构成了用于产生X射线的装置的阳极。X射线18通过辐射窗口12和提供在外壳1中的X射线出口窗口19发散。
电子束16入射在液态金属上的另一结果是在撞击位置17产生了大量的热。通过液态金属在缩颈7中的流动，以有效的方式将该热传输远离撞击位置17，并且加热的液态金属随后在热交换器10中再次被冷却。以这种方式，防止了撞击位置17中的液态金属和缩颈7的围绕物的过度加热。借助于液态金属在缩颈7中的流动，实现了将热传输远离撞击位置17的相对高的速度，从而允许电子束16的相对高的能量级以及由此的X射线18的相对高的能量级。
图2示出了图1中示出的装置的放大部分。由于由抽吸装置(图2中未示出)提供的压力，液态金属流过入口通道5、收敛部分6、缩颈7、发散部分8和出口通道9。在收敛部分6中流速增加并且因此根据伯努利(Bernoulli)效应液态金属的静压减小。缩颈7中的压力导致了辐射窗口12的变形，其因而具有轮廓p。由于缩颈7中的压力和压力腔室14中的压力之间的压力差，补偿窗口13也变形并且因而具有基本上与轮廓p匹配的轮廓p’。图2示出了经由连接部件15连接到收敛部分6的压力腔室14。在另一实施例中，压力腔室14连接到入口通道5。
为了在操作期间获得液态金属在缩颈7中的足够高的速度，泵11产生了相对高的液态金属压力。在图1示出的实施例中，在入口通道5中产生了大约50-60巴的压力以在缩颈7中获得大约50m/s的流速。在示出的实施例中，缩颈7具有大约400μm的高度，即辐射窗口12和补偿窗口13之间的距离，流动方向上的大约1.5mm的长度，以及垂直于流动方向的大约10mm的宽度。作为收敛部分6中的伯努利效应的结果，缩颈7中的压力是大约1巴。作为发散部分8中的伯努利效应的结果，出口通道9中的压力是大约40-45巴，其低于作为粘性流动损失的结果的入口通道5中的压力。
在缩颈7中的液态金属的压力的影响下，辐射窗口12变形。因为辐射窗口12应当足够薄以实现对电子和X射线的足够透明度，并且因为在辐射窗口12远离液态金属的侧存在真空压力，因此辐射窗口12的变形不能被避免。在图1的实施例中，辐射窗口12中部的最大变形是大约30μm。作为缩颈7中的压力和压力腔室14中的压力之间的差的结果，补偿窗口13也变形。在示出的实施例中，补偿窗口具有30μm的厚度，并由钨制成。缩颈7中的压力和压力腔室14中的压力的压力差是大约50-60巴，并且补偿窗口13的最大变形基本与辐射窗口12的变形匹配。
在缩颈7上游的液态金属的压力在对于缩颈7中的液态金属的压力和速度以及对于压力腔室14中的液态金属的压力的其他参数之中占主导地位。使用该关系提供了自调节过程，而不需要外部或附加部件或电子线路，其确保了缩颈7具有预定所需的截面面积，并因而减小或甚至防止了影响所述辐射窗口12的过多压力或压力变化。

Claims (6)

1、一种用于产生X射线(18)的装置，包括：
-容纳在真空空间(2)中用于发射电子的电子源(3)；
-液态金属回路，包括用于因电子入射而发射X射线的液态金属，和用于引起液态金属流过缩颈(7)的抽吸装置(11)，其中由电子源(3)发射的电子撞击到液态金属上；和
-限制所述缩颈(7)的辐射窗口(12)，所述辐射窗口(12)对于电子和X射线是透明的并且使缩颈(7)与真空空间(2)分开；
其特征在于，所述缩颈(7)由与所述辐射窗口(12)相对的补偿窗口(13)限制，所述补偿窗口(13)使缩颈(7)与包含由所述液态金属回路经由连接部件(15)提供的液态金属的压力腔室(14)分开，所述补偿窗口(13)在操作期间具有作为由与缩颈(7)中的压力不同的压力腔室(14)中的压力导致的变形结果的轮廓(p’)，所述轮廓(p’)与辐射窗口(12)在操作期间具有的作为由缩颈(7)中的液态金属的压力导致的辐射窗口(12)变形结果的轮廓(p)基本匹配。
2、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述压力腔室(14)连接到在所述缩颈(7)上游的所述液态金属回路的高压区域。
3、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述压力腔室(14)基本上在所述补偿窗口(13)的全部区域上变化。
4、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述补偿窗口(13)基本上与所述辐射窗口(14)尺寸相同。
5、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述补偿窗口(13)基本上由与所述辐射窗口(12)相同的材料制成。
6、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述补偿窗口(13)比所述辐射窗口(12)厚。
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