CN101355003A - X射线管和x射线分析设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开能进一步减小尺寸与重量且能更有效检测荧光X射线等以增加灵敏度的X射线管和X射线分析设备。X射线管包含：具有处于真空状态的内部与由透射X射线的X射线透射膜构成的窗部件(1)的真空壳(2)；设于真空壳(2)中以发射电子束(e)的电子束源(3)；设于真空壳(2)中被电子束(e)照射以产生主X射线且能发射所产生的主X射线穿过窗部件(1)到外部样品(S)的目标件；设于真空壳(2)中、能检测从样品(S)发射而穿过所述窗部件入射的荧光X射线和散射X射线来输出含有该光X射线和散射X射线的能量信息的X射线检测件(4)；以及设于X射线检测件(4)与目标件(T)的电子束(e)照射区之间的金属防护构件(10)。

Description

X射线管和X射线分析设备

技术领域

本发明涉及例如用于能量分散X射线荧光分析设备的X射线管和X射线分析设备，该X射线管和X射线分析设备适合用于小的、重量轻的可携带X射线分析设备以及便携的X射线分析设备。

背景技术

X射线荧光分析通过以下的方式用于样品的定性分析或定量分析。从X射线源发出的主X射线辐射到样品。接着，通过X射线检测器对从样品发出的荧光X射线进行检测以获得来自荧光X射线能量的谱。然后，给获得的谱加以定性分析或定量分析。因为荧光X射线分析使快速且非破坏分析样品成为可能，所以广泛用于过程和质量控制等。

就X射线荧光分析中的分析方法而言，有波长分散法和能量分散法等，波长分散法用于通过分析晶体分离荧光X射线以测量X射线的波长与强度，能量分散法用于不分离荧光X射线而使用半导体检测器检测荧光X射线以采用脉冲高度分析器测量X射线的波长与强度。

按照惯例，比如，在日本专利申请公开特许公报No.8-115694(下文中，被称为专利文献1)中，为了增加对荧光X射线的灵敏度，做了以下的尝试。X射线管设有抽取窗，该抽取窗用于在外面获得穿过该X射线管的荧光X射线。以这种方式，X射线管和X射线检测器更接近样品。

另外，如日本专利No.3062685(在下文中，称为专利文献2)所述，由于在尺寸上减小了X射线管和X射线分析器，可携带能量分散X射线荧光分析设备被普及。

上述的常规技术还存在以下问题。

例如，通过使X射线管和X射线分析器更接近样品，在专利文献1中描述的X射线分析设备非常有效地增加了检测灵敏度。然而，因为每个X射线管和X射线分析器具有受限的但是等于或大于某一尺寸的尺寸，所以X射线管和X射线检测器接近样品的程度也是受限的。

另一方面，常规的可携带能量分散X射线荧光分析设备要求在尺寸上及在重量上被进一步减小。然而，因为X射线管和X射线检测器由于作为设备配置的体积和质量占据了X射线分析设备的大部分，所以常规的设备配置在尺寸与重量的减小上有限制。而且，因为可携带能量分散X射线荧光分析设备是一种开放型设备，其在大气中直接向样品辐射主X射线而不是在密封封闭样品室中容纳并分析样品，所以从X射线管产生的X射线的量因为安全原因受到限制。因此，有必要更有效地检测来自样品的荧光X射线。

发明内容

考虑到上述问题设计了本发明且本发明的目的是提供X射线管和X射线分析设备，该X射线管和X射线分析设备能够进一步降低尺寸与重量并能更有效地检测荧光X射线等以增加灵敏度。

本发明采用以下配置来解决上述问题。具体地，依照本发明的X射线管包含：真空壳，所述真空壳具有处于真空状态的内部与由能透射X射线的X射线透射膜构成的窗部件；电子束源，所述电子束源设置在真空壳中以发射电子束；目标件，所述目标件设置在真空壳中以被电子束照射来产生主X射线并能发射所产生的主X射线穿过窗部件到外部样品；X射线检测件，所述X射线检测件设置在真空壳中以能检测从样品发射以穿过窗部件入射的荧光X射线和散射X射线来输出含有所述荧光X射线和所述散射X射线的能量信息的信号；以及防护部分，所述防护部分设置在X射线检测件与目标件的电子束照射区之间。

因为与X检测器组成元件对应的X射线检测件设置在真空壳中以便能检测穿过窗部件入射的荧光X射线和散射X射线。因此，与X射线管组成元件对应的X射线检测件与电子束源及目标件集成地容纳在真空壳中。结果，整个设备在尺寸与重量上进一步减小。而且，因为X射线检测件设置在真空壳中以与用于产生供检测用的主X射线的目标件一起更接近样品，所以能够非常有效地执行激发与检测。具体地，因为本发明应用到开放型可携带X射线分析设备允许有效的检测，所以即使当产生的X射线的量被进一步抑制的时候X射线分析设备仍能够以高灵敏度检测样品。结果能获得高安全性。

而且，因为防护部分设置在X射线检测件与目标件的电子束照射区之间，所以能够阻挡并阻止主X射线、第二电子、反射电子或者从目标件产生且发出的辐射热入射到X射线检测件而成为噪声。

而且，在依照本发明的X射线管中，防护部分由金属制成并设为地电位和正电位之一。特别是，因为在X射线管中由金属制成的防护部分被设为地电位和正电位之一，所以来自目标件的第二电子能够被电场引向金属防护部分以获得更高的阻挡效果。

而且，在依照本发明的X射线管中，防护部分是由设置在X射线检测件与目标件之间的金属构成的防护构件。特别是，因为在X射线管中该防护部分是由设置在X射线检测件与目标件之间的金属构成的防护构件，所以能够阻挡来自生热目标件的辐射热以抑制对X射线检测件的冷却的影响。此外，因为通过将金属材料用于该防护部分，在布置、形状等方面获得了高自由度，所以能够获得更有效的屏蔽效果。例如，通过构成材料不同于目标件的防护部分，比如诸如适合用于使X射线检测件屏蔽反射电子的铜(Cu)的重金属，能够更有效地阻挡该反射电子。

而且，在依照本发明的X射线管中，目标件包含与所述照射区对应的目标件主体以及在目标件主体与X射线检测件之间从目标件主体的外缘部分突起以充当防护部分的突起的壁部分。特别是，因为在X射线管中充当防护部分的突起的壁部分设置到目标件本身，所以不必要设置该防护部分为独立构件。结果能够降低构件成本。

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；分析器，所述分析器用于分析所述信号；以及显示部件，所述显示部件用于显示所述分析器的分析的结果。特别是，因为该X射线分析设备设置有依照本发明的X射线管，所以能够减小整个设备的尺寸。

而且，在依照本发明的X射线分析设备中，分析器与显示部件设置在真空壳中以使该X射线分析设备便携。特别是，因为通过把分析器与显示部件以集成的方式设置在真空壳中使得X射线分析设备便携，所以能够获得允许分析结果通过分析器与显示部件被即时确认的、小而轻的可携带X射线分析设备。

本发明具有以下效果。

特别是，根据依照本发明的X射线管与X射线分析设备，X射线检测件设置在真空壳中以便能检测穿过窗部件入射的荧光X射线和散射X射线。因此，整个设备能够在尺寸上与重量上进一步减小。同时，能够更有效地执行激发与检测。此外，因为在X射线检测件与目标件的电子束照射区之间设置了防护部分，所以能够阻挡主X射线、第二电子、反射电子、来自目标件的辐射热等以抑制对X射线检测件的不利影响。结果能够获得高精确的测量。具体地，当本发明被应用到开放型的可携带X射线分析设备的时候，即使抑制所产生的X射线的量，仍然能够以高灵敏度检测该X射线。因此，获得了高安全性。

附图说明

在附图中，

图1是依照本发明第一实施例的X射线分析设备的整体示意配置图；

图2是依照第一实施例从X射线检测件正上方看去的布置平面图，示出了X射线检测件、金属引导构件、目标件与窗部件之间的位置关系；以及

图3是依照本发明第二实施例的X射线分析设备的主要部分的示意截面图。

具体实施方式

在下文中，参考图1和图2来描述依照本发明的X射线管和X射线分析设备的第一实施例。在下面的描述里提及的各个附图中，适当改变了比例尺寸以用能识别或易识别的方式示出每个组件。

依照本第一实施例的X射线分析设备是一种便携的(可携带的)能量分散X射线荧光分析设备。如图1所示，X射线分析设备包含：真空壳2，电子束源3，目标件T，X射线检测件4，金属防护构件(防护部分)10，分析器5以及显示部件6。真空壳2内部的一部分处于真空状态。真空壳2具有由能透射X射线的X射线透射膜制成的窗部件1。电子束源3设置在真空壳2中以发射电子束e。目标件T设置在真空壳2中以使其被电子束e照射的时候产生主X射线X1。同时，目标件T发射所产生的主X射线X1穿过窗部件1到外部的样品S上。X射线检测件4设置在真空壳2中以能够检测从样品S发射以穿过窗部件1入射到X射线检测件4上的荧光X射线和散射X射线X2。X射线检测件4输出包含荧光X射线和散射X射线X2的能量信息的信号。金属防护构件10设置在X射线检测件4和目标件T的电子束e照射区之间。分析器5分析信号。显示部件6显示分析器5所作分析的结果。X射线管包含作为主要组件的真空壳2、电子束源3、目标件T、X射线检测件4以及金属防护构件10。

真空壳2包含内部处于真空状态的前室部件2a与内部处于空气状态的、用分隔壁2c与前室部件2a分开的后室部件2b。

窗部件1由诸如作为X射线透射膜的铍(Be)箔制成。依照样品选择的、与由铜(Cu)、锆(Zr)、钼(Mo)等制成的薄金属膜或薄金属板对应的主过滤器可以附在窗部件1的前面。窗部件1和目标件T设为地电位或者正电位以拉回通过入射在目标件T上的电子束e与目标件T之间的交互作用而产生并发射的第二电子。因为第二电子通常具有仅约几eV的能量，所以设置地电位或正电位以形成等于或高于第二电子能量的电场。

电子束源3包括充当阴极的灯丝7和电流/电压控制部件8，该电流/电压控制部件8控制灯丝7与充当阳极的目标件T之间的电压(管电压)及电子束e的电流(管电流)。电子束源3产生X射线，该X射线以下列方式生成为主X射线。由充当阴极的灯丝7产生的热离子(电子束)经加在灯丝7和充当阳极的目标件T之间的电压(例如，50keV)加速以对着目标件T碰撞。结果，作为主X射线的X射线产生了。

碳纳米管可以代替灯丝7用作阴极。

例如，钨(W)、钼(Mo)、铬(Cr)、铑(Rh)等用作目标件T。目标件T与窗部件1接近或接触地放置。

X射线检测件4是诸如硅(Si)元件的半导体检测件，所述硅元件例如是PIN二极管。当单个X射线光子入射到X射线检测件4的时候，X射线检测件4产生与该单个X射线光子相应的电流脉冲。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射线检测件4位于电子束源3的灯丝7与目标件T之间的区域，如图1与图2所示。X射线检测件4具有可传送电子束e的传送孔4a。目标件T正好设置在传送孔4a下接近传送孔4a。X射线检测件4的受光面设置在目标件T的周围。

采用冷却机制(未示出；例如以液氮作为冷却剂或者采用珀耳帖效应元件的冷却机制)X射线检测件4被设为保持在恒定温度。通过冷却到大约-30度到-100度，X射线检测件4能够保证其正常性能。

金属防护构件10设置在目标件T的电子束e照射区与X射线检测件4之间以阻止主X射线X1、第二电子、反射电子以及来自目标件T的辐射热进入X射线检测件4。金属防护构件10通过支撑件(未示出)固定到真空壳2。金属防护构件10是环形构件，该环形构件在中央为电子束e设有传送孔10a以允许电子束e穿过该孔传送。支撑件不但用于支撑金属防护构件10而且也用于释放第二电子与辐射热。

本实施例中的金属防护构件10具有设置于中央的、内部充当传送孔10a的圆筒形部分10b。该圆筒形部分10b也可以插入到X射线检测件4的传送孔4a。依照目标件T与X射线检测件4之间的位置关系等来决定金属防护构件10的尺寸和形状，以阻止从目标件T线性发射的反射电子入射到X射线检测件4。以此方式，金属防护构件10设置在反射电子的路径中以允许阻挡反射电子。金属防护构件10由诸如铜Cu的重金属制成。如同在窗部件1和目标件T的情况，金属防护构件10被设为地电位或正电位。

通过设置X射线检测件4为负定位，能够阻止热离子(电子束e)入射到X射线检测件4。

灯丝7、目标件T、X射线检测件4以及金属防护构件10均设置在真空壳2的前室部件2a中。

上述分析器5对应X射线信号处理部分。该分析器5是多路脉冲高度分析器，该多路脉冲高度分析器用来把产生于X射线检测件4的电流脉冲转换为电压脉冲，放大该电压脉冲以获得信号，且从所述信号获取电压脉冲的脉冲高度以生成能量谱。

电流/电压控制部件8与分析器5被连接到CPU9。在电流/电压控制部件8与分析器5上通过设置执行不同的控制。

例如，显示部件6是液晶的显示装置。显示部件6连接到CPU9以依照设置不仅允许诸如能量谱的分析结果的显示而且允许不同的屏幕显示。

分析器5、电流/电压控制部件8以及CPU9均设置在真空壳2的后室部件2b中，而显示部件6被设置成将其显示面设于后室部件2b的外表面上。特别是，分析器5与显示部件6以集成方式设置在真空壳2中。

上述要求功率供给与电位设置的各个结构均被连接到功率源部件(未示出)。

如上所述，在该第一实施例中，X射线检测件4设置在真空壳2中以便能检测穿过窗部件1入射的荧光X射线与散射X射线X2。因此，X射线检测件4与电子束源3以及目标件T在整体上容纳在真空封闭件2内。结果能够在尺寸与重量上进一步减小整个设备。而且，因为X射线检测件4在真空封闭件2中设置成和产生用于检测的主X射线X1的目标件T一起更接近样品S，所以使非常有效的激发与检测成为可能。尤其是，因为将本发明应用于开放型的可携带X射线分析设备允许有效的检测，所以即使当所产生的X射线的量被进一步抑制的时候X射线分析设备仍能够以高灵敏度检测样品。结果能够获得高安全性。

而且，因为X射线检测件4的受光面设置在目标件T的周围，所以当在窗部件1附近分析样品S的时候，来自目标件T的主X射线X1能够有效地入射到样品S。而且，产生于样品S的荧光X射线等能够被设置在目标件T周围(具体地，在窗1附近)的X射线检测件4有效地检测。

而且，因为电子束e穿过设置在电子束源3与目标件T之间的X射线检测件4的传送孔4a放射到目标件T，所以该电子束e在被所述传送孔4a聚焦后能够放射到目标件T。

因为金属防护构件10设置在X射线检测件4与目标件T的电子束e照射区之间，所以能够阻挡并阻止由对应X射线产生部件的目标件T产生并发射的第二电子与反射电子入射到X射线检测件4而成为噪声。同时，能够阻挡来自生热目标件T的辐射热以抑制对X射线检测件4的冷却的影响。

而且，因为金属防护构件10被设为地电位或正电位，所以来自目标件T的第二电子能够被电场引向金属防护构件10。结果能够获得更高的阻挡效果。

而且，因为目标件T与窗部件1被设为地电位或正电位，所以来自目标件T的第二电子被电场向目标件T与窗部件1拉回。结果能够阻止第二电子入射到X射线检测件4。

此外，因为X射线分析设备被制成为便携的X射线分析设备，其包括以集成方式设置在真空壳2中的分析器5与显示部件6，所以该X射线分析设备能够被构造成允许分析结果通过分析器5与显示部件6被即时识别的、小而轻的可携带X射线分析设备。

接下来，参照图3描述依照本发明第二实施例的X射线管和X射线分析设备。在以下第二实施例的描述中，与那些在第一实施例中描述相同的组件用相同的标号表示，且在下面省略了其描述。

第二实施例在以下点上不同于第一实施例。尽管在第一实施例中金属防护构件10被设置在目标件T与X射线检测件4之间，但是在第二实施例的X射线管和X射线分析设备中突起的壁部分(防护部分)T1向目标件T本身设置以充当防护部分，如图3所示。具体地，在第二实施例中目标件T包含对应电子束e照射区的目标件主体T0与充当防护部分的、在目标件主体T0与X射线检测件4之间从目标件主体T0的外缘部分突起的突起的壁部分T1。

目标主体件T0以盘似形状制成，而突起的壁部分T1是在目标件主体与X射线检测件4之间从目标件主体T0的外缘部分突起的凸体。突起的壁部分T1也可以插入X射线检测件4的传送孔4a。

如上所述，在第二实施例的X射线管和X射线分析设备中，目标件T本身设置有充当能够阻挡第二电极与反射电极的防护部分的突起的壁部分T1。因此，由于该防护部分不要求被设置为独立构件，所以能够降低构件成本。

本发明的技术范围不局限于上述的实施例，在不脱离本发明的范围的情况下不同的改变是可能的。

例如，虽然能量分散X射线荧光分析设备被用在以上的各个实施例中，但是本发明也可以被应用到使用其它分析方法的X射线荧光分析设备，比如应用到波长分散X射线荧光分析设备。

此外，虽然本发明如在上述的实施例中那样适合于可携带的X射线分析设备，但是本发明可以应用到固定的X射线分析设备中。例如，该X射线分析设备可以构造为包含X射线管的固定的X射线分析设备，它包含真空壳2、电子束源3、目标件T、和X射线检测件4，以及作为与所述X射线管分离的构件的分析器5、控制系统、显示部件6等。

Claims (6)

1.一种X射线管，包括：

真空壳，所述真空壳包含处于真空状态的内部与由透射X射线的X射线透射膜构成的窗部件；

电子束源，所述电子束源设置在所述真空壳中以发射电子束；

目标件，用所述电子束照射所述目标件以产生主X射线并发射所产生的主X射线穿过所述窗部件到外部样品，所述目标件设置在所述窗部件上且具有比所述窗部件的外直径小的外直径；

X射线检测件，所述X射线检测件设置在所述真空壳中来检测荧光X射线和散射X射线以输出含有所述荧光X射线和所述散射X射线的能量信息的信号，所述荧光X射线和所述散射X射线从所述样品发射以穿过所述窗部件入射；以及

防护部分，所述防护部分设置在所述X射线检测件与所述目标件的所述电子束照射区之间。

2.依照权利要求1的X射线管，其中，所述防护部分由金属制成且被设为地电位和正电位之一。

3.依照权利要求1或2的X射线管，其中，所述防护部分是由设置在所述X射线检测件与所述目标件之间的金属制成的防护构件。

4.依照权利要求1或2的X射线管，其中，所述目标件包含与所述照射区对应的目标件主体以及在所述目标件主体与所述X射线检测件之间从所述目标件主体突起以充当所述防护部分的突起的壁部分。

5.一种X射线分析设备，包括：

依照权利要求1的X射线管；

分析器，所述分析器用于分析所述信号；以及

显示部件，所述显示部件用于显示所述分析器的分析的结果。

6.依照权利要求5的X射线分析设备，其中，所述分析器与所述显示部件设置在所述真空壳中以使所述X射线分析设备便携。

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