CN101355002A - X射线管和x射线分析设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了X射线管和X射线分析设备，其比目前的更小更轻，且以增强的灵敏度更有效地检测荧光X射线。X射线管包括真空封闭件，设置在该封闭件中并发射电子束的电子束源，被电子束照射并产生主X射线的目标件，X射线检测器装置，以及设置在窗口一部分的上方并从目标件延伸到上述封闭件的金属热电导体单元。上述封闭件具有真空内部和由透射X射线的X射线透射膜构成的窗口。上述目标件的外直径比所述窗口小，且被设置在该窗口的中央以使主X射线能够穿过该窗口射到外部样品。检测器装置置于封闭件中使其能检测荧光的和从样品释放后从窗口进入的散射X射线。检测器装置输出携带有与荧光的和散射的X射线的能量有关信息的信号。

Description

X射线管和X射线分析设备

技术领域

本发明涉及一种X射线管和一种X射线分析设备，比如用在能量分散X射线荧光分光计中。该X射线管和X射线分析设备优选地用作尺寸小、重量轻、可携带或便携设备。

背景技术

通过把从X射线源发出的主X射线对准到样品、使用X射线检测器检测从样品释放的荧光X射线、以及从荧光X射线的能量中获得光谱，荧光X射线分析用于进行样品的定性分析或定量分析。荧光X射线分析法使无破坏性地且快速地分析样品成为可能，因此在制造过程管理和质量控制中被广泛接受。

荧光X射线分析的一种分析方法是波长分散光谱测定法，其中利用分析晶体从光谱上分解荧光X射线，并测量X射线的波长及强度。荧光X射线分析的另一种分析方法是能量分散X射线光谱测定法，其中利用半导体检测器装置检测荧光X射线而不从光谱上分散X射线，且X射线的能量和强度通过脉冲高度分析器来测量。

例如在专利参考文献1中描述了一种常规的给荧光X射线增强灵敏度的方法。提供了一种带窗口的X射线管，该窗口允许进入该X射线管的荧光X射线被取出。X射线管和X射线分析器与样品靠得更近。

如专利参考文献2描述的那样，一种可携带的能量分散荧光X射线分析设备由于减小了X射线管和X射线分析器的尺寸而被广泛使用。

专利参考文献1：JP-A-8-115694。

专利参考文献2：日本专利No.3062685。

上述的常规技术存在以下问题。比如，在专利参考文献1描述的X射线分析设备中，使X射线管和X射线分析器与样品靠得更近可以有效地增强检测的灵敏度。然而，该X射线管和X射线分析器大小有限且具有比给定值大的尺度。因此使该X射线管和X射线分析器无限靠近样品是不可能的。

而且，也有进一步减小常规的可携带能量分散荧光X射线分析器的尺寸和重量的需求。因为该X射线管和X射线分析器一道占据了仪器的体积和质量的较大部分，所以如果保留这种常规的形式就限制了尺寸和重量的进一步减小。另外，在可携带类型中，要被分析的样品未置于封闭的样品室内。相反，直接用主X射线照射空气中的样品。即，仪器是开放型的。因此，由于安全原因，从该X射线管产生的X射线的量被限制。所以有必要更有效地检测来自样品的荧光X射线。

发明内容

由于前述的问题，提出了本发明。本发明的一个目的是提供能够被做得尺寸更小重量更轻、且能够以增强的灵敏度检测荧光X射线的X射线管和X射线分析设备。

根据本发明制成的达到上述目的的X射线管包括：真空封闭件，该真空封闭件具有真空内部和由透射X射线的X射线透射膜构成的窗口；电子束源，该电子束源设置在所述真空封闭件中并发射电子束；目标件，该目标件用所述电子束照射并产生主X射线，且被设置在所述窗口中央部分的上方以允许所述主X射线穿过该窗口对准外部样品，该目标件的外直径比所述窗口小；X射线检测器装置，该装置设在所述真空封闭件中以能够检测从所述样品释放后从所述窗口进入的荧光X射线和散射X射线，所述X射线检测器装置输出携带了与所述荧光X射线和散射X射线的能量有关的信息的信号；金属热电导体单元，所述金属热电导体单元设置在所述窗口的一部分的上方，并从所述目标件延伸到所述真空封闭件。

在该X射线管中，作为X检测器的一个构件的X射线检测器装置被置于真空封闭件中，以使该检测器装置能够检测荧光X射线和从窗口进入的散射X射线。因此，该X射线检测器装置与所述电子束源和所述目标件整体地容纳在真空封闭件内，所述电子束源是X射线管的构件。从而，整个仪器能够在尺寸和重量上做得更小。而且，该X射线检测器装置被置于真空封闭件内。该检测器装置与产生主X射线的目标件一起被放置得靠近样品。在这种条件下，检测能被执行。因此，能够非常有效地执行激发和检测。而且，如果将该X射线管应用于开放的可携带型，允许有效检测。因此，如果将产生的X射线的量抑制得更多，那么能够以高灵敏度执行检测。所以能够获得较高的安全性。

目前已经存在具有铍(Be)窗口的透射X射线管。该X射线管将电子束对准靠近铍窗口放置的目标材料，并允许从该目标材料发出的X射线穿过该铍窗口输出到外部。在这种透射X射线管中，目标材料基本上汽相沉积在铍窗口的整个表面上方。如果该表面只由易被氧化的铍构成，那么导电性和导热性会太低。换句话说，必要的是：利用沉积在铍窗口的整个表面上方的目标材料，将目标材料生成的电荷和产生的热量向所述封闭件消散。然而，如果目标材料汽相沉积在铍窗口的整个表面上方，那么将大大降低从样品发出的荧光X射线的透射率。这难以进行准确的检测。

因此，在本发明中，金属热电导体单元被设置在窗口一部分的上方，并以带状或杆状从所述目标件延伸到所述真空封闭件。所以，位于所述窗口中央的所述目标件生成的电荷以及产生的热量穿过该热电导体单元并消散到所述真空封闭件。来自未被所述目标材料或者热电导体单元覆盖的窗口部分的荧光X射线高率(high rate)透射通过所述样品。利用内部的X射线检测器装置就能检测该透射的X射线。相应地，利用该热电导体单元，能够抑制所述目标件的温度升高且能减少电荷形成。因此，就能高效地检测来自未被所述目标件或者热电导体单元覆盖的窗口部分的荧光X射线。

依照本发明的X射线管的一个特征在于，所述热电导体单元采用与处于所述窗口上方的目标件相同的材料制成。也就是说，在该X射线管中，该热电导体单元采用与处于窗口上方的目标件相同的材料制成。因此，为了制作该热电导体单元而准备单独的材料是没有必要的，这样能降低材料成本。

依照本发明的X射线管的另一个特征在于，所述热电导体单元制作得比所述目标件厚。也就是说，在该X射线管中，采用比所述目标件更厚的热电导体单元，且取得了较高的导电性和导热性。使用薄的目标件能有效地产生X射线。

依照本发明的X射线分析设备包括：依照本发明的X射线管，用于分析前述的信号的分析器，以及用于显示该分析器所作分析的结果的显示单元。也就是说，在该X射线分析设备中，因为结合了依照本发明的X射线管，所以整个设备在尺寸上能够做得更小。

在依照本发明的X射线分析设备内，所述分析器和所述显示单元被设置在真空封闭件中，且该设备被制成便携型。也就是说，在该X射线分析设备中，所述分析器和所述显示单元整体地被设置在所述真空目封闭中，且该设备是便携的。因此，所述分析器和显示单元允许当场检查分析结果。且该设备能够做成小尺寸和可携带式。

本发明获得了以下优点。依照与本发明关联的X射线管和X射线分析设备，所述X射线检测器装置被置于所述真空封闭件中，以使该检测器装置能够检测从所述窗口进入的荧光X射线和散射X射线。因此，进一步减小了整个设备的尺寸和重量。另外，能更有效地执行激发和检测。金属热电导体单元被设置在所述窗口一部分的上方，且从所述目标件延伸到所述真空封闭件。因此，能够抑制所述目标件的温度上升，并减少电荷形成。能够有效地检测来自未被目标件或者热电导体单元覆盖的窗口部分的荧光X射线。相应地，如果将本发明应用到开放型的可携带X射线分析设备中，即使抑制了生成的X射线的量，依然能够以高灵敏度检测X射线。所以，就能取得较高的安全性。

附图说明

图1是与本发明关联的X射线分析设备的第一实施例的示意框图，示出了该设备的整体结构；

图2是第一实施例的真空封闭件内部主要单元的正视图，示出了窗口、目标件和热电导体单元之间位置关系；

图3是与本发明关联的X射线分析设备的第二实施例的主要单元的示意截面图；以及

图4是与本发明关联的X射线分析设备的第三实施例的主要单元的示意截面图。

具体实施方式

在下文中，参考图1和图2描述与本发明关联的X射线管和X射线分析设备的第一实施例。在下面将要提及的附图的各个图面中，各个构件被绘制成改变尺寸，以使各个构件具有能识别或容易识别的尺寸。

本实施例的X射线分析设备是一种可携带的能量分散荧光X射线分析设备。如图1所示，该设备包含：设有窗口1的真空封闭件2，设置在该封闭件2内部并发射电子束e的电子束源3，设置在窗口1中央部分的上方的目标件T，被置于真空封闭件2中由此能够检测到从样品S释放后由窗口1进入的荧光X射线和散射X射线X2的X射线检测器装置4，设置在窗口1一部分的上方的金属热电导体单元10，分析器5，以及用于显示该分析器5所作分析的结果的显示单元6。真空封闭件2的内部的一部分被抽空为真空。封闭件2的窗口1由能透射X射线的X射线透射膜制成。当用电子束e照射目标件T的时候，目标件T产生主X射线。设置目标件，以便能使主X射线X1穿过窗口1射到外部的样品S。目标件T的外直径比窗口1小。X射线检测器装置4输出携带有与荧光X射线和散射X射线X2的能量有关的信息的信号。热电导体单元10从目标件T延伸到真空封闭件2。分析器5分析来自检测器装置4的信号。该X射线管主要由真空封闭件2、电子束源3、目标件T和X射线检测器装置4组成。

真空封闭件2由前室单元2a和用分隔壁与前室单元2a分隔的后室单元2b组成。前室单元2a的内部处于真空状态，而后室单元2b的内部则处于空气状态。

窗口1由X射线透射膜制成，该X射线透射膜比如由铍(Be)箔制成。依照样品S选择的金属片(铜(Cu)，锆(Zr)或者钼(Mo))或者薄膜可以作为主过滤器设置在窗口1的前表面上。窗口1和目标件T被设置为地电位或者正电位。

热电导体单元10由钽(Ta)或者铜(Cu)的扁平片材料制成。如图2所示，该导体单元包括各自从目标件T延伸到真空封闭件2的两个带状单元。该导体单元10黏附地与窗口1的内表面结合。图2中，给该热电导体单元10加了阴影线以便于理解。该导体单元10的带状单元在外直径处靠近目标件T。该导体单元10的每个带状单元的一端与目标件T接触并保持到该目标件T。该导体单元10的带状单元从目标件T左右地延伸。另外的端保持到真空封闭件2的内表面。

电子束源3包括充当阴极的灯丝7和电流电压控制单元8，该电流电压控制单元8控制灯丝7与充当阳极的目标件T之间的电压(管电流)及电子束e的电流(管电流)。由充当阴极的灯丝7产生的热电子(电子束)，经加在灯丝7和充当阳极的目标件T之间的电压加速，并对着目标件T碰撞产生X射线。以这样的方式，电子束源3用于产生主X射线。

该阴极可以由碳纳米管代替灯丝7构成。

目标件T由钨(W)、钼(Mo)、铬(Cr)、铑(Rh)或者别的材料制成。该目标件T靠近窗口1设置，或者与窗口1接触。

X射线检测器装置4是诸如硅器件的半导体检测器装置，所述硅器件例如由PIN二极管构成。当一个X射线光子打击该检测器装置4的时候，就产生相应的电流脉冲。该电流脉冲的瞬间电流值与入射的荧光X射线的能量成比例。

X射线检测器装置4设置在位于电子束源3的灯丝7与目标件T之间的区域，如图1所示。该检测器装置4具有可传送电子束e的传送孔4a。目标件T直接设置在传送孔4a下且靠近传送孔4a。在目标件T的周围设置检测器装置4的辐射敏感面。

采用诸如以液氮作为冷却剂的冷却机制或者采用珀耳帖效应(塞贝克效应)元件的冷却机制(未示出)，可将X射线检测器装置4维持在一个恒定温度。采用金属板防护(shield)X射线感测器装置4的传送孔4a的周围，以防止主X射线X1与电子束e打击所述辐射敏感面。金属防护构件(未示出)可以设置在目标件T和X射线检测器装置4之间，以防止来自目标件T的主X射线X1、第二电子以及反向散射的电子打击检测器装置4。

通过将所述X射线检测器装置4设置为负电位，能够抑制该检测器装置4上的热电子(电子束e)的入射。

灯丝7、目标件T、X射线检测器装置4和热电导体单元10设置在真空封闭件2的前室单元2a内。

分析器5是多路脉冲高度分析器的X射线信号处理单元，该多路脉冲高度分析器将X射线检测器装置4生成的电流脉冲转换为电压脉冲，且将其放大，并将其作为信号。然后，该分析器从所述信号获取电压脉冲的脉冲高度并生成能量谱。

电流电压控制单元8和分析器5与CPU 9相连，并根据设置执行各种控制。

显示装置6例如由液晶显示器构成并与CPU 9相连。根据设置，在该显示单元上能显示不同的画面及诸如能量谱的分析的结果。

分析器5、电流电压控制单元8以及CPU 9均设置在真空封闭件2的后室单元2b中。显示单元6被设置，使得显示屏被置于后室单元2b的外表面上。也就是说，分析器5和显示单元6被整体地设置在真空封闭件2中。

上述各个构件中，需要被供电和要求设置电位的那些单元与电源(未示出)相连。

以这样的方式，在本实施例中，X射线检测器装置4以装置4能够检测从窗口1进入的荧光X射线和散射X射线X2的方式设置在真空封闭件2中。因此，X射线检测器装置4与电子束源3以及目标件T一起在整体上容纳在真空封闭件2内。所以整个设备能够在尺寸和重量上做得更小。X射线检测器装置4被置于真空封闭件2中。该检测器装置与产生主X射线X1的目标件T一起可更靠近样品S放置。在这种条件下，能执行检测。因此，激发和检测能非常有效地执行。特别是，如将本发明应用到开放便携型设备中，能进行有效的检测。所以，即使抑制了产生的X射线的量，也能以高灵敏度检测X射线。可以取得高安全性。

由于X射线检测器装置4的辐射敏感面被置于目标件T的周围，当进行分析的时候，尽管样品S靠近窗口1放置，响应来自目标件T的主X射线从样品S产生的荧光X射线能够被置于目标件T周围(也就是窗口1的附近)的X射线检测器装置4有效地检测。

金属热电导体单元10被设置在窗口1的一部分的上方，并从目标件T延伸到真空封闭件2。因此，位于窗口1中央的目标件T产生的电荷以及生成的热量通过热电导体单元10传送，并消散到真空封闭件2。荧光X射线从窗口1中未被目标件T或者热电导体单元10覆盖的部分进入，并以高透射率透射通过样品。该X射线可用内部的X射线检测器装置4检测。相应地，该热电导体单元10能够抑制目标件T的温度升高并减少电荷形成。所以，能高效地检测来自于窗口1的未用目标件T或者热电导体单元10覆盖的部分的荧光X射线。

本设备设计为一种便携设备，其中分析器5和显示单元6被整体地设置在真空目标件2中。因此，利用分析器5和显示单元6，能够当场检查分析的结果。而且，本设备能够设计为尺寸小、重量轻的可携带类型。

与本发明关联的X射线管和X射线分析设备的第二实施例参照图3描述如下。在以下实施例的描述中，相同部件用与上面的实施例描述中相同的附图标记表示，且在下面省略了其描述。

第二实施例与第一实施例的不同之处如下。在第一实施例中，由钽(Ta)或者铜(Cu)的板材料制成的热电导体单元10被设在窗口1的内表面上。相反，在第二实施例的X射线管和X射线分析设备中，热电导体单元20由与目标件T相同的材料比如钨(W)制成，如图3所示。在第二实施例中，该热电导体单元20制作得比目标件T厚。

也就是说，在第二实施例中，热电导体单元20例如由与目标件T相同的材料制作并成形为基本矩形的形状后，采用蚀刻或其它方法使其中央部分变薄以制作目标件T。另外的制作方法也是可用的。特别是，由薄膜构成的目标件T通过汽相沉积或者使用金属掩模的溅射制作，以使当电子束e打击到位于窗口1上方的目标件T的时候，主X射线X1从目标件T有效地产生。为了使目标件T产生的电荷和生成的热量易于消散，使用另外的具有比目标件稍窄的开口的金属掩模通过类似的膜构成法将所述热电导体单元20制作成一种厚膜。此时，厚膜的热电导体单元20与目标件T的周围部分(circumferentialportion)的一部分交叠。另外的制作方法也是可用的。目标件T被安置在窗口1的中央。热电导体单元20由比目标件T厚的带板构件对构成。带板构件可以设置在目标件T的对侧，每个带板部分的一端与目标件T接触，而另一端与真空封闭件2接触。

以这样的方式，在第二实施例中，热电导体单元20用与目标件T相同的材料制成，且位于窗口1之上。因此，准备一种单独的材料作为热电导体单元20是不必要的。所以材料成本能降低。而且，因为采用了比目标件T厚的热电导体单元20，所以获得了更高的导电性和导热性，使用薄的目标件T能够有效地产生X射线。

与本发明关联的X射线管和X射线分析设备的第三实施例参考图4描述如下。

第三实施例与第一个实施例有如下不同之处。在第一实施例中，由带状板材料制成的热电导体单元10直接与窗口1的内表面结合。相反，在第三种实施例的X射线管和X射线分析设备中，热电导体单元30的各单元的一端被固定到目标件T上，如图4所示。该导体单元30相对窗口1内表面倾斜地从目标件T延伸到真空封闭件2。另一端被固定到真空封闭件2上。

也就是说，在第三实施例中，热电导体单元30的各单元的另一端浮在窗口1的上方，并倾斜地延伸。该热电导体单元30可以带状、线状或者杆状成形。所述热电导体单元30可以由通过引线结合法制成的金属线构成。

需要明白的是，本发明的技术范围不限于以上的实施例，在不脱离本发明要旨的情况下可以进行各种改变。

比如，在上面的实施例中，由两个带状或者杆状构件构成的两个热电导体单元10、20或者30被设置在窗口1上。该导体可以由一个带状或者杆状构件构成。备选地，该导体还可以由三个或者更多的带状或者杆状构件构成。而且，由多个带状或者杆状构件构成的热电导体单元可以相互交叉，或者像格子一样排列。

在上述的实施例中，该设备是一种能量分散荧光X射线分析设备。该设备也可以是诸如波长分散荧光X射线分析设备的其它分析设备。

本发明优选地被应用到如上述实施例里所述的可携带X射线分析设备中。本发明也能被应用到固定的X射线分析设备中。例如，可以用这样的方法来构造固定的X射线分析设备：它包括由真空封闭件2、电子束源3、目标件T、以及X射线检测器装置4构成的X射线管，并且分析器5、控制系统以及显示单元6与所述X射线管分开。

Claims (5)

1.一种X射线管，包括：

真空封闭件，所述真空封闭件具有真空内部和由透射X射线的X射线透射膜构成的窗口；

电子束源，所述电子束源设置在所述真空封闭件内部并发射电子束；

目标件，所述目标件设置在所述窗口的上方且用所述电子束照射以此产生主X射线，所述主X射线穿过所述窗口射到外部样品，所述目标件的外直径比所述窗口小；

X射线检测器装置，该X射线检测器装置设在所述真空封闭件内部，且用于检测在从所述样品释放后从所述窗口进入的荧光X射线和散射X射线，并用于输出携带了与所述荧光X射线和散射X射线的能量有关的信息的信号；以及

金属热电导体单元，所述金属热电导体单元设置在所述窗口的一部分的上方，并从所述目标件延伸到所述真空封闭件。

2.如权利要求1所述的X射线管，其中所述热电导体单元由与所述目标件相同的材料制成且位于所述窗口的上方。

3.如权利要求2所述的X射线管，其中所述热电导体单元制作得比所述目标件厚。

4.一种X射线分析设备，包括：

权利要求1所述的X射线管；

分析器，所述分析器用于分析所述信号；以及

显示单元，所述显示单元用来显示所述分析器执行的分析的结果。

5.如权利要求4所述的X射线分析设备，其中所述分析器和所述显示单元被设置在所述真空封闭件中。

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