CN101490790A - 电子撞击型x射线源中碎片的减少 - Google Patents

Abstract

一种产生x射线辐射的方法，包括步骤：通过在压强下推动液体物质穿过出口来形成靶喷流，该靶喷流传播通过相互作用区域；以及引导至少一个电子束到所述相互作用区域中的所述靶喷流上，从而所述电子束与所述靶喷流相互作用以产生x射线辐射，其中在所述靶喷流的横向方向上所述电子束的半高全宽是所述靶喷流的横向尺寸的约50％或更小。还公开了一种用于实施该方法的系统。

Description

电子撞击型x射线源中碎片的减少

技术领域

在此公开的发明改进总地涉及电子撞击型x射线源。更具体地，本公开致力于具有液体喷流(liquid-jet)阳极的电子撞击型x射线源中碎片(debris)的减少和x射线亮度的改善。

背景技术

自从Roentgen在19世纪之交发现x射线以来，x射线已用于成像。由于可用到的x射线光非常有限，所以x射线成像仍主要基于吸收放射线照相(absorption shadowgraph)。即使对现代计算机x射线断层造影术(ComputerTomography，CT)成像，这也是基本事实，因此x射线源的亮度在许多应用中是限制曝光时间和可获得的分辨率的品质因数(figure ofmerit)。

当今，x射线成像是科学、医学和工业中普遍和标准的方法。尽管沿用已久，但是有许多应用将极大地受益于增大的亮度。其中，有需要高空间分辨率的医学应用例如乳房x线照相术(mammography)和血管照相术(angiography)，还有需要单色辐射(其目前不能通过合理的曝光次数实现)的新兴技术。此外，某些蛋白质结晶学(protein crystallography)(现在只在同步辐射设施中是可行的)可以通过紧凑源(compact source)变得可行。而且，紧凑x射线源的亮度的显著增大可以通过合理的曝光次数实现相(phase)成像。这是重要的，因为相对比度(phase contrast)通常比吸收对比度高得多。此外，相对比度成像能减少成像期间的吸收剂量。

紧凑电子撞击源中产生x射线的基本物理从Roentgen时代起是相同的。当电子撞击靶时，电子以两种方式之一失去能量：它们可以在靠近原子核的电场中减速并发射连续的韧致辐射(bremsstrahlung radiation)，或者它们可以将内壳层电子撞出，导致在空位被填充时发射特征x射线光子。通过电子撞击产生x射线的效率很差，通常在1％以下，电子束携带的能量的大部分被转化成热。

目前现有技术的紧凑电子撞击x射线源的亮度受到阳极中热效应的限制。x射线谱的亮度(也就是光子数/(mm².sr.s.BW)，其中BW代表带宽(bandwidth))与阳极处的有效电子束功率密度成比例，该功率密度必须被限制为不使阳极熔化或以其他方式损伤阳极。自从第一阴极射线管以来，只有两种基本技术，线聚焦和旋转阳极，已被引入以提高阳极的功率负载容量。

在二十世纪二十年代引入的线聚焦(line focus)原理利用了以下事实，即，通过扩展打靶面积(targeted area)而在一角度观察阳极以保持表观源面积(apparent source area)基本恒定，x射线发射是非兰式的(non-Lambertian)以增大有效功率负载容量。忽略Heel效应和视场(field ofview)，该技巧将可获得的功率负载容量增大到约10倍。旋转阳极在二十世纪三十年代引入以通过旋转锥形阳极来连续提供冷的靶表面，以进一步扩展有效电子束加热区域。

在这些改进之后，相关于亮度的进展对于紧凑电子撞击源是相当缓慢的，这是由于在靶材料、热传导、热存储、旋转速度等方面工程的完善。目前现有技术的源允许100-150kW/mm²的有效电子束功率密度。一般的高端设备是例如10kW、0.3×0.3mm²的有效x射线斑点(spot)尺寸的血管照相术系统和1.5kW、0.1×0.1mm²的有效x射线斑点尺寸的精细聚焦乳房x射线照相术系统。低功率的微聚焦源(4W、5μm的有效x射线斑点尺寸)具有类似的有效功率密度(200kW/mm²)并且也受到热效应的限制。

现代旋转阳极的功率负载极限可以如下计算

$\frac{P}{A_{\mathrm{effective}}}=\frac{\mathrm{\πl}(T_{\max }-{\mathrm{\ΔT}}_{m\arg \mathrm{in}}-T_{\mathrm{base}})\sqrt{\mathrm{\λ}{\mathrm{\ρc}}_p\mathrm{fR\δ}}}{{4\mathrm{\δ}}^2(1+k\sqrt{\mathrm{tf}\frac{\mathrm{\δ}}{\mathrm{\πR}}})},---\left(1\right)$

其中A_effective是表观x射线源面积，R是阳极半径，l是斑点高度，2δ是斑点宽度，T_max是在损坏(breakdown)前的最大许可温度，ΔT_margin是安全裕度(safety margin)，T_base是阳极初始温度，λ是热导率，ρ是密度，c_p是比热(specific heat capacity)，f是旋转频率，t是负载周期，k是考虑到径向热传导、辐射热损失和阳极厚度的校正因子。从公式1可以看出，增大功率负载极限的唯一的方法是增大斑点速率，即f和R。不幸的是即使非常不实际的一组参数(1m直径的阳极和1kHz的旋转)也只能将输出通量增大到约6倍。因此，常规的x射线源技术不太可能更进一步地发展，即使付出巨大的工程上的努力。

增大基于电子撞击的紧凑硬x射线源的亮度的方法是允许较高的电子束功率密度的根本上不同的阳极构造。为此，之前已报道了新的液体金属喷流(liquid-metal-jet)阳极概念。如下面说明的，由于根本不同的热限制，此阳极构造可以允许比现有技术显著更高(>100倍)的单位面积的热负载。液体喷流系统已经在碎片可忽略的(negligible debris)激光产生等离子体软x射线和EUV源中广泛地用作靶。液体镓喷流也在飞秒激光等离子体实验中用作产生硬x射线的靶。而且，电子束已与水喷流结合以用于通过荧光(fluorescence)产生低功率软x射线。先前已报道了具有液体阳极(静态的或在表面上流动)的x射线管，但它们用于高亮度操作的优点受到限制，因为此系统固有的低的流速和冷却能力。近来的工作还包括在薄窗后流动的液体阳极。

与常规阳极相比，液体金属喷流系统的高得多的功率密度容量(2-3个量级或更大)简单地说是由于三个主要原因：(i)与固体阳极相比液体喷流阳极的不同的热性质，(ii)比旋转阳极可行的情况相比更高喷流速度的潜力，以及(iii)液体喷流的再生特性，这使对保证阳极完好无损的要求更加松动。

然而，当试图增大此系统的功率时，碎片的发射是潜在的实际困难。因此，需要作出改进以减少液体喷流阳极x射线源的碎片问题。

发明内容

简言之，这里提出一种产生x射线辐射的方法，其特征在于电子束在靶喷流的横向方向上的半高全宽(full width at half maximum，FWHM)是靶喷流横向尺寸的约50％或更小。现在已发现，这导致靶喷流上的非常热的电子束撞击区域的可观的屏蔽效果，于是有利地减少所产生的碎片的量。此外，获得了额外的技术效果，当从侧面观察x射线斑点时有效功率密度增大。该效果与前面描述的线聚焦原理类似。

因此，在此公开的发明原理具有吸引人的优势，即可以获得碎片的减少而不显著增大靶喷流传播速度，而是通过采用撞击在靶上时具有大约为靶喷流的横向尺寸的一半或更小的半高全宽(FWHM)的电子束。通过采用比靶喷流的横向尺寸显著更小的电子束，靶喷流将产生屏蔽效应，其以有利的方式限制了所产生的碎片的量。

本发明原理还延伸到产生x射线辐射的系统，所述系统包括实施该方法的装置。

应理解，撞击靶喷流处的电子束的尺寸(FWHM)可以略大于靶喷流横向尺寸的50％并仍产生本发明的屏蔽效应。

适宜地，所产生的x射线辐射可以用在诸如成像、医学应用、结晶学、x射线显微术、邻近或投影式光刻、光电子谱或x射线荧光(只列出少数)的应用中。

附图说明

图1示意性示出从上方观察的本发明的用于液体金属喷流x射线源的装置。照片插图显示低功率操作(左图)和高功率操作(右图)期间的金属喷流。

图2是曲线图，示出作为所施加的电子束功率和电子束聚焦斑点的函数的碎片发射速率。误差棒表示标准偏差。

图3是示意图，示出用于电子束的椭圆聚焦或线聚焦的使用。

具体实施方式

图1示出根据本发明的用于产生x射线辐射的液体金属喷流x射线源即系统10的实验布置。包括99.8％的锡的液体金属喷流15通过30μm或50μm直径的玻璃毛细管喷嘴注入到真空室18中。达到60m/s的喷流速率可以通过对熔化的锡施加200巴(bar)的氮气压强来实现。于是靶喷流的速度与最快的旋转阳极相当。电子束系统20基于连续操作的600W(50kV，12mA)电子束枪。电子束根据LaB₆阴极的尺寸(50μm或200μm直径)被磁透镜聚焦到约15或约25μm的半高全宽(FWHM)直径斑点。电子枪通过单独的250l/s的涡轮空气泵(turbo-drag pump)泵抽，磁透镜的末端处的孔径足够小以保持主真空室(约10^-4mbar)与电子枪(约10^-7mbar)之间足够的压强差。然而，将理解，在一些实施例中泵可以省略。阴极通过120μm厚的铝箔中1mm直径的孔与锡蒸汽屏蔽开，该铝箔置于喷流与磁透镜之间。即使在枪的高功率操作期间，阴极周围的真空保持在低的10^-7mbar的范围，导致LaB₆阴极的适当的寿命(>1000h)。碎片鉴定板(witness plate)12置于主容器(tank)中四个不同的位置离x射线源大约150mm。用于x射线成像，我们采用4008×2672像素涂敷磷光体的CCD探测器14，CCD探测器14具有9μm的像素和测得的约34μm FWHM的点扩散函数(point-spread function，PSF)。金的乳房x射线照相术分辨率物体16(具有25μm宽的线和间距的20μm厚的金)置于离源50mm并在CCD前方190mm。12倍放大的显微镜17用于喷流的光学观察。

进行实验以评估产生x射线的发明原理。研究了若干不同系统参数的碎片沉积速率：在38W与86W之间的电子束功率，22或40m/s的喷流速度，30或50μm的喷流直径，以及15或26μm的电子束聚焦。鉴定板12暴露到锡蒸汽6-24分钟并用表面轮廓曲线仪(KLA Tencor P-15)分析。图2示出结果。曲线1(22m/s、30μm直径的喷流，24±2μm直径的斑点)示出碎片沉积速率指数相关于施加到喷流的功率，这与锡的作为温度的函数的增大的蒸汽压一致。曲线2示出用24±2μm的斑点来自22m/s、50μm直径的喷流的碎片发射。通过比较曲线1和2，应注意，增大的喷流直径导致减小的碎片发射速率。相信这是由于两个原因：(i)较大喷流的增大的质量流导致喷流的平均温度减小，因此减小了蒸发速率；(ii)使喷流直径增大但保持电子束的尺寸恒定，导致喷流上非常热的电子束撞击区域的更有效的屏蔽，如从碎片鉴定板看到的。应注意，通过增大喷流尺寸与电子束尺寸的比率可以基本获得相同的效果。已发现具有与喷流尺寸相比为50％或更小的电子束尺寸尤其有利。曲线3进一步提供了屏蔽概念的证据。曲线3具有与曲线2相同的喷流参数，但x射线斑点更小(15.5±1.5μm FWHM)，明显导致改进的屏蔽。在72W的施加功率，较小的焦距导致碎片发射速率与24±2μm的操作相比减小到约十六分之一。最后，曲线4示出增大的靶速度(40m/s、30μm直径的喷流，24±2μm的斑点)对碎片速率的影响。喷流速率增大约80％结合施加功率增大约50％导致相同的碎片发射速率。

当通过增大电子束功率和功率密度来尝试较高亮度的操作时，碎片速率将自然地增大。我们注意到，对于亚kW电子束枪，由于阴极发射率，电子束功率密度的技术限制为数十MW/mm²，也就是这里报道的金属喷流阳极的最高功率密度以上两个数量级。喷流阳极的功率密度容量的显著改进可以通过具有快得多的喷流来实现，实际上已经表明应可以产生速度达到至少约500m/s的稳定的锡喷流。另一方面，这并不一定是调整喷流以减少碎片产生的唯一方法。如图2的结果所示，且根据此处公开的本发明的原理，具有较大直径(与电子束相比)的中速喷流可以证明具有比显著更快但较薄的喷流更好的碎片减少性质(比较曲线3和4)。

应注意，电子束在靶喷流上的斑点可以根据需要为圆形、椭圆形或线聚焦。例如，如图3所示，可优选使用椭圆形电子束斑点(线聚焦)—使其长轴横穿靶喷流的纵向延伸方向，并如此处建议并要求保护的那样具有为靶喷流直径的约50％或更小的沿长轴的FWHM。根据众所周知的线聚焦原理，这将使靶的有效功率负载容量增大而当从侧面观察打靶区域时不牺牲x射线源的亮度。

然而，当根据以上内容使用拉长的电子束斑点时，并不需要其扩展横穿靶喷流。椭圆形或线聚焦的电子束斑点的任何一般取向是可以的，x射线亮度的有效增大可以通过从合适的角度观察(收集)产生的x射线来获得。例如，如果使用的电子束斑点具有基本沿靶喷流延伸的线聚焦时，增大的x射线亮度可以通过从沿靶喷流的倾斜角度观察斑点来获得。

此外应指出，当采用圆形电子束斑点时也可使用线聚焦原理。原因如下。当电子束撞击在靶喷流上时，随着电子穿透靶喷流，x射线辐射一般产生在靶材料的第一个数微米以内。作为非限制性示例，电子一般可以穿透到靶材料中大约4微米。这在图1的放大侧视图中示意性示出。因此，当从侧面观察时，如图1所示，x射线辐射将产生在具有仅数微米宽的拉长轮廓的区域中。作为实际示例，考虑具有50微米尺寸(FWHM)的圆形电子束斑点，其撞击在大约100微米直径的靶喷流上。这将在靶喷流中产生大致类似于圆柱体的x射线区域(或“体积”)，该圆柱体具有50微米的直径和略微超过4微米的高度(由于喷流表面的曲率)。如果沿电子束观察该x射线区域，则表观x射线斑点将是50微米直径的圆。然而，当从侧面观察相同的x射线区域时，它将具有拉长区域(具有大约50微米的长度和略微超过4微米的宽度)的大致形状，也就是说表观区域的显著减小导致从该观察方向x射线源的改善的亮度。因此，可以优选地从相对于电子束成一角度的方向来收集所产生的x射线发射。例如，如果靶喷流传播方向和电子束传播方向相对于彼此成直角，那么x射线源的亮度可以通过从与电子束成直角的方向收集所产生的辐射而最大化。

采用减小尺寸的电子束以减少碎片的原理可以与用于减少碎片的现有技术例如碎片缓减系统、增大喷流传播速度等有利地结合。

靶喷流可以是导电的或非导电的。例如，靶喷流可以包括金属(例如锡或镓)、金属合金或低熔点合金、低温气体或适于作为电子撞击x射线源的靶的任何其它液体物质。

还应理解，靶喷流可以具有任何横截面形状，例如圆形、矩形或椭圆形。

靶喷流的一般直径从约10μm到约100μm，例如30μm或50μm。然而，在一些应用中更大的靶喷流横截面是可以的。在相互作用区域中靶喷流的传播速度可以达到约500m/s，普通值为从约20m/s到约60m/s。将理解，靶喷流传播速度的增大将导致喷流阳极的改善的功率密度容量。

应理解，以上给出的示例仅用于示例和使本领域技术人员能实现本发明，而不意图限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求书定义。

Claims (16)

1.一种用于产生x射线辐射的方法，包括步骤：

通过在压强下推动液体物质穿过出口来形成靶喷流，该靶喷流传播通过相互作用区域；以及

引导至少一个电子束到所述相互作用区域中的所述靶喷流上，从而所述电子束与所述靶喷流相互作用以产生x射线辐射，

其中在所述靶喷流的横向方向上所述电子束的半高全宽是所述靶喷流的横向尺寸的约50％或更小。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述电子束以线聚焦引导到所述靶喷流上。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述相互作用区域中所述靶喷流的传播速度为约20-60m/s。

4.如任一项前面的权利要求所述的方法，还包括从相对于所述电子束成一角度的方向收集所产生的x射线辐射的步骤。

5.如权利要求4所述的方法，其中所产生的x射线辐射从相对于所述电子束成直角的方向收集。

6.如任一项前面的权利要求所述的方法，其中形成所述靶喷流的液体物质是导电物质。

7.如权利要求6所述的方法，其中形成所述靶喷流的所述液体物质是金属、合金或低熔点合金。

8.如权利要求1-5的任一项所述的方法，其中形成所述靶喷流的所述液体物质是低温气体或在室温和大气压强下为液体的物质。

9.如任一项前面的权利要求所述的方法，其中所述靶喷流形成用于所述电子束的阳极。

10.如任一项前面的权利要求所述的方法，还包括将所产生的x射线辐射用于成像的步骤。

11.如权利要求1-9的任一项所述的方法，还包括将所产生的x射线辐射用于x射线显微镜的步骤。

12.如权利要求1-9的任一项所述的方法，还包括将所产生的x射线辐射用于邻近或投影式光刻的步骤。

13.如权利要求1-9的任一项所述的方法，还包括将所产生的x射线辐射用于光电子谱的步骤。

14.如权利要求1-9的任一项所述的方法，还包括将所产生的x射线辐射用于x射线荧光的步骤。

15.如权利要求1-9的任一项所述的方法，还包括将所产生的x射线辐射用于结晶学的步骤。

16.一种用于产生x射线辐射的系统，包括：

用于通过在压强下推动液体物质穿过出口来形成靶喷流，以使该靶喷流传播通过相互作用区域的装置；以及

用于引导至少一个电子束到所述相互作用区域中的所述靶喷流上以使所述电子束与所述靶喷流相互作用从而产生x射线辐射的装置，

其中所述用于形成靶喷流的装置和所述用于引导至少一个电子束到靶喷流上的装置布置得使所述电子束在所述靶喷流的横向方向上的半高全宽是所述靶喷流的横向尺寸的约50％或更小。

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