CN103929870B - 一种x射线源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种X射线源，包括X射线产生和发射组件、水冷温控组件和工作电路；所述的X射线产生和发射组件包括铜棒、陶瓷管、主管、靶头、阳极靶A和阳极靶B；所述的阳极靶A和阳极靶B分别位于靶头的两个楔形面上，所述的阳极靶A和阳极靶B上分别蒸镀有Mg层和Al层。所述的水冷温控组件包括水冷外筒、水冷内筒和安装法兰，安装法兰内部循环冷却水对主管进行冷却；冷却水由水冷内筒流入，从水冷外筒流出，通过双层水冷方式对靶头进行冷却。本发明的阳极靶是将靶材蒸镀到靶头上，以确保阳极靶直接和冷却水接触。阳极靶的温度和冷却水的流量可以实时监控。这样的水冷构造可以使设备在使用过程中保持较低的温度，从而可以在真空中稳定运行。

Description

一种X射线源

技术领域

本发明涉及一种X射线发生装置，特别是一种X射线源。

背景技术

X射线根据其波长范围，被用于X射线衍射(XRD)或X射线光电子能谱(XPS)。

用于XRD的X射线波长度，接近物质的原子间距，依据布拉格衍射原理，可获得原子间距和排列周期的信息。XRD是物质结构分析最有效的手段，为解析物质构造和机理发挥了不可替代的作用。用于XPS的X射线波长相对原子间隔较长，其能量和物质的电子能量相当，可以基于光电效应原理而激发出光电子。因此XPS是物质电子状态分析的重要手段。

物理科学研究的主要目标是探究物质的构造和电子状态，为此X射线不可缺少，掌握并实现X射线的发射是重要课题。我国目前没有国产的专门用于XPS的X射线源，这不仅严重束缚了我国自然科学研究的发展，也使我国的科学研究受制于国外，难有原创性科研成果。拥有我国自主知识产权的专门用于XPS的X射线源迫不及待。

XPS中最常用的X射线源主要由灯丝、栅极和阳极靶构成。其X射线源的主要指标是强度和线宽，一般采用Kα线，因为它是X射线发射谱中强度最大的。在XPS中最重要的两个X射线源是Mg和Al的特征Kα射线。传统的X射线源只有单个阳极靶只能产生一种X射线，在需要另外一种X射线时更换阳极靶，对使用者造成不便；在真空环境中工作时，由于其产生大量的热量会降低真空环境真空度,真空度降低会减少灯丝的使用寿命并降低XPS实验结果的准确性；产生的X射线中掺杂有热电子也会降低XPS实验结果的准确性。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种能够在真空中稳定工作的X射线源。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种X射线源，包括X射线产生和发射组件、水冷温控组件和工作电路；

所述的X射线产生和发射组件包括铜棒、陶瓷管、主管、灯丝插座、绝缘短管、高压接头、铝窗盖板、铝窗压板A、铝窗、铝窗压板B、外罩、挡块、靶头、灯丝、灯丝固定杆、绝缘调整钉、靶头连接管、转接棒、转接管、陶瓷环、阳极靶A和阳极靶B；所述的阳极靶A和阳极靶B分别位于靶头的两个楔形面上，所述的阳极靶A和阳极靶B上分别蒸镀有Mg层和Al层；所述的铝窗盖板以螺钉连接方式将铝窗固定在外罩上，所述的铝窗压板A和铝窗压板B将铝窗分为两部分，使得阳极靶A和阳极靶B产生的X射线分别从两侧射出；所述的外罩以螺钉连接方式固定在主管上，外罩用于保护灯丝、阳极靶A和阳极靶B，并吸收灯丝和靶头散发出的一部分热量传导给主管；所述的主管用于支撑及保护其内部零件并起到连接过渡作用；所述的挡块位于灯丝和靶头前端，用于降低阳极靶A和阳极靶B之间的串扰；所述的靶头以螺钉连接方式固定在靶头连接管上；所述的绝缘调整钉是三颗支撑钉、三颗支撑钉沿靶头连接管的外围圆周均布，其具有定心作用、可用于调整靶头轴线的位置；灯丝与灯丝固定杆、转接棒、转接管和铜棒依次连接；转接棒外套有陶瓷环，铜棒外套有陶瓷管，其目的都是保证灯丝与阳极靶绝缘；铜棒与灯丝插座的三个灯丝电极相连，灯丝插座外接电源为灯丝供电；绝缘短管位于高压接头前端用于高压电路的绝缘；

所述的水冷温控组件包括主管、水冷外筒、水冷内筒、安装法兰、靶头和靶头连接管，所述的安装法兰以螺钉连接方式固定在主管上，安装法兰内部循环冷却水对主管进行冷却；水冷内筒位于水冷外筒内，水冷外筒与靶头连接管以焊接方式相连，冷却水由水冷内筒流入，从水冷外筒流出，通过双层水冷方式对靶头进行冷却；

所述的工作电路包括铜棒、灯丝插座、高压接头、灯丝、阳极靶A和阳极靶B；铜棒与灯丝插座的三个灯丝电极相连，灯丝插座外接电源为灯丝供电；高压接头外接正高压Ua＝15kV通过水冷外筒连接到阳极靶A和阳极靶B，冷却水箱接地，冷却水本身不仅起降温水冷的作用，其自身电阻也是整体构造的一部分，起到分压的作用；灯丝发出热电子撞击阳极靶A和阳极靶B，灯丝并联一路接地，使热电子形成的电流Ie导入大地；

所述的灯丝插座的接口上设置有安全触点和安全开关接口，安全触点和安全开关接口外接监控保护单元用于对工作电路进行自动监控和安全保护，保证使用者的安全及装置正常运行；安全开关接口上还设置有灯丝一电极、灯丝二电极和灯丝公用电极，这三个电极外接专用电源对灯丝进行供电。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、由于热电子轰击阳极时的能量最高可达15keV，这足以使任何金属熔化，因此充分可靠的冷却构造极其重要。本发明的冷却构造是双层水冷，处于中心位置的入水管将冷却水直接通到前端靶头处，冷却水穿过冷却构造从外管流出。本发明的阳极靶是将靶材蒸镀到靶头上，以确保阳极靶直接和冷却水接触。阳极靶的温度和冷却水的流量可以实时监控。这样的水冷构造可以使设备在使用过程中保持较低的温度，从而可以在真空中稳定运行。冷却水本身另有分压作用，需按规定满足合理的纯度。

2、本发明双阳极的设计正是为了满足XPS的使用要求。本发明是应用于真空环境中的双阳极X射线源，结构紧凑，可切换两种X射线能量，而且X射线强度可调，使得使用特别方便。本发明特别适合XPS分析，填补我国在小型X射线源方面的空白。

3、本发明的阳极靶分别选用Mg和Al，在高能量电子的激发下，可以发射出能量分别为1253.6eV(MgKα线)和1486.7eV(CuKα线)的X射线。每个阳极靶都有一根灯丝与之对应，阳极相对于灯丝处于高电位，从而灯丝放出的热电子可以在灯丝与阳极靶之间形成的电场中被加速到产生上述两种X射线所需的能量，给其中一根灯丝通电可以产生相对应的一种X射线。从而可以根据不同的X射线需求，在使用过程中选用不同的灯丝来切换两种能量的X射线，使用更加方便。并且靶头也可以更换成镀有其他材料的靶头，从而产生其他能量的X射线，使该发明的使用范围更加广泛。

4、本发明的阳极靶发射出来的X射线经过前端的铝箔后，从出口发射。铝箔不吸收两种靶发射出来的高能量X射线，从而保证了发射出X射线的强度，同时可以阻止热电子的逸出，以免逸出的热电子对该发明的使用效果产生干扰。

5、本发明适用于超高真空环境，其零件选用材质完全适合超高真空使用，安装法兰采取刀口法兰构造，可承受250℃的高温烘烤，使得设备在使用时能保持真空环境的真空度。

6、本发明结构紧凑、性能稳定、寿命长、使用方便。

附图说明

本发明共有附图10张，其中：

图1为本发明的剖视图。

图2为图1的B处放大图。

图3为图2的C处放大图。

图4为图1的左视图。

图5为本发明的安装法兰结构图。

图6为图5的C-C剖面图。

图7为图5的俯视图。

图8为本发明的工作原理示意图。

图9为本发明灯丝插座结构图。

图10为本发明工作电路示意图。

图中：1、铜棒；2、陶瓷管；3、主管；4、水冷外筒；5、水冷内筒；6、安装法兰；7、灯丝插座；8、CF35螺孔板；9、绝缘短管；10、CF16螺孔板；11、高压接头；12、铝窗盖板；13、铝窗压板A；14、铝窗；15、铝窗压板B；16、外罩；17、挡块；18、靶头；19、灯丝；20、灯丝固定杆；21、绝缘调整钉；22、靶头连接管；23、转接棒；24、转接管；25、陶瓷环；26、阳极靶A；27、阳极靶B；28、热电子；29、X射线；30、冷却水；31、安全触点；32、灯丝公用电极；33、安全开关接口；34、灯丝一电极；35、灯丝二电极；36、水电阻。

具体实施方式

为使本发明的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

如图1-7所示：一种X射线源，由灯丝19通电后释放出热电子，热电子被加速到最大15keV的高能量后轰击阳极靶，基于光电效应和原子核外电子能级跃迁的原理，阳极靶发射出一定波长的X射线。

由于本发明是双阳极X射线源，因此钨丝也设计为两根。针对不同的X射线需求，选择相应的钨丝发射热电子。

本发明的阳极靶分别选用Mg和Al，在高能量电子的激发下，可以发射出能量分别为1253.6eV(MgKα线)和1486.7eV(AlKα线)的X射线。每个阳极靶都有一个上述钨丝与之对应，阳极相对于钨丝处于高电位。

阳极靶发射出来的X射线经过前端的铝箔后，从出口发射。铝箔不吸收两种靶发射出来的高能量X射线，同时可以阻止热电子的逸出。

为了保证放射出的X射线的角度与强度，靶头两阳极表面与前端窗口成一定角度，且其前端有一挡块，能够对产生X射线起到一定诱导作用。

为了实现两侧阳极靶面相对与铝窗轴线的对称，应保证靶头轴线相对于铝窗垂直且位于铝窗正中，所以靶头部分有三个具有定心作用的绝缘调整。

由于热电子轰击阳极时的能量最高可达15keV，这足以使任何金属熔化，因此充分可靠的冷却构造极其重要。本发明的冷却构造是双层水冷，处于中心位置的入水管将冷却水直接通到前端靶头处，冷却水穿过冷却构造从外管流出。本发明的阳极靶是将靶材蒸镀到靶头上，以确保阳极靶直接和冷却水接触。阳极靶的温度和冷却水的流量可以实时监控。冷却水本身另有分压作用，需按规定满足合理的纯度。

本发明适用于超高真空环境，安装法兰6采取刀口法兰构造，选用材质完全适合超高真空使用，可承受250℃的高温烘烤。

本发明的上述技术，使X射线源结构紧凑、性能稳定、寿命长、而且使用方便。

以下分为X射线产生和发射、水冷温控、控制电路三部分对本发明进行描述：

所述的X射线产生和发射组件包括铜棒1、陶瓷管2、主管3、灯丝插座7、绝缘短管9、高压接头11、铝窗盖板12、铝窗压板A13、铝窗14、铝窗压板B15、外罩16、挡块17、靶头18、灯丝19、灯丝固定杆20、绝缘调整钉21、靶头连接管22、转接棒23、转接管24、陶瓷环25、阳极靶A26和阳极靶B27；所述的阳极靶A26和阳极靶B27分别位于靶头18的两个楔形面上，所述的阳极靶A26和阳极靶B27上分别蒸镀有Mg层和Al层；所述的铝窗盖板12以螺钉连接方式将铝窗14固定在外罩16上，所述的铝窗压板A13和铝窗压板B15将铝窗14分为两部分，使得阳极靶A26和阳极靶B27产生的X射线分别从两侧射出；所述的外罩16以螺钉连接方式固定在主管3上，外罩16用于保护灯丝19、阳极靶A26和阳极靶B27，并吸收灯丝19和靶头18散发出的一部分热量传导给主管3；所述的主管3用于支撑及保护其内部零件并起到连接过渡作用；所述的挡块17位于灯丝19和靶头18前端，用于降低阳极靶A26和阳极靶B27之间的串扰；所述的靶头18以螺钉连接方式固定在靶头连接管22上；所述的绝缘调整钉21是三颗支撑钉、三颗支撑钉沿靶头连接管22的外围圆周均布，其具有定心作用、可用于调整靶头轴线的位置；灯丝19与灯丝固定杆20、转接棒23、转接管24和铜棒1依次连接；转接棒23外套有陶瓷环25，铜棒1外套有陶瓷管2，其目的都是保证灯丝19分别与阳极靶A26和阳极靶B27绝缘；铜棒1与灯丝插座7的三个灯丝电极相连，灯丝插座7外接电源为灯丝19供电；绝缘短管9位于高压接头11前端用于高压电路的绝缘；

灯丝19发射出的热电子被加速到最大15keV的高能量后轰击阳极靶A26和阳极靶B27，基于光电效应和原子核外电子能级跃迁的原理，阳极靶A26和阳极靶B27发射出一定波长的X射线。发射出X射线的频率或波长只与靶的原子序数有关，与电压无关；根据莫斯莱定律：

$\sqrt{v}=\sqrt{\frac{c}{\mathrm{\λ}}}=k(Z-\mathrm{\σ})$

式中：

Z为靶原子序数；

k是与靶材物质有关的常数；

σ是屏蔽常数，与电子所在壳层位置有关；

实例中阳极靶A26和阳极靶B27为两种材料Mg和Al，产生两种不同波长的X射线：MgKα、AlKα,由光子能量方程E＝hν可得，两种X射线能量分别为1253.6eV(MgKα线)、1486.7eV(AlKα线)。

所述的水冷温控组件包括主管3、水冷外筒4、水冷内筒5、安装法兰6、靶头18、靶头连接管22，所述的安装法兰6以螺钉连接方式固定在主管3上，安装法兰6内部循环冷却水对主管3进行冷却；水冷内筒5位于水冷外筒4内，水冷外筒4与靶头连接管22以焊接方式相连，冷却水由水冷内筒5流入，从水冷外筒4流出，通过双层水冷方式对靶头18进行冷却。

所述的X射线控制电路如图10所示，灯丝19由灯丝插座7外接专用电源对其供电。灯丝插座7接口如图9所示，其上灯丝一电极34、灯丝二电极35和灯丝公用电极32，这三个电极外接专用电源对灯丝19进行供电；其上安全触点31与安全开关接口33都用于外接监控保护单元对工作电路进行自动监控和安全保护，保证使用者的安全及装置正常运行。高压接头11外接正高压Ua＝15kV通过水冷外筒4连接到阳极靶，冷却水箱接地，冷却水本身不仅起降温水冷的作用，其自身电阻水电阻36也是整体构造的一部分，起到分压的作用。灯丝19发出热电子撞击阳极靶A26和阳极靶B27，阳极靶A26和阳极靶B27发射出X射线。

本发明工作原理如图8所示。由灯丝19通电后释放出热电子28，热电子28被加速到最大15keV的高能量后轰击阳极靶A26和阳极靶B27，基于光电效应和原子核外电子能级跃迁的原理，阳极靶发射出一定波长的X射线29。冷却水30由水冷内筒5流入，水冷外筒4流出，流经靶头18对阳极靶进行冷却。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种X射线源，其特征在于：包括X射线产生和发射组件、水冷温控组件和工作电路；

所述的X射线产生和发射组件包括铜棒(1)、陶瓷管(2)、主管(3)、灯丝插座(7)、绝缘短管(9)、高压接头(11)、铝窗盖板(12)、铝窗压板A(13)、铝窗(14)、铝窗压板B(15)、外罩(16)、挡块(17)、靶头(18)、灯丝(19)、灯丝固定杆(20)、绝缘调整钉(21)、靶头连接管(22)、转接棒(23)、转接管(24)、陶瓷环(25)、阳极靶A(26)和阳极靶B(27)；所述的阳极靶A(26)和阳极靶B(27)分别位于靶头(18)的两个楔形面上，所述的阳极靶A(26)上蒸镀有Mg层，阳极靶B(27)上蒸镀有Al层；所述的铝窗盖板(12)以螺钉连接方式将铝窗(14)固定在外罩(16)上，所述的铝窗压板A(13)和铝窗压板B(15)将铝窗(14)分为两部分，使得阳极靶A(26)和阳极靶B(27)产生的X射线分别从两侧射出；所述的外罩(16)以螺钉连接方式固定在主管(3)上，外罩(16)用于保护灯丝(19)、阳极靶A(26)和阳极靶B(27)，并吸收灯丝(19)和靶头(18)散发出的一部分热量传导给主管(3)；所述的主管(3)用于支撑及保护其内部零件并起到连接过渡作用；所述的挡块(17)位于灯丝(19)和靶头(18)前端，用于降低阳极靶A(26)和阳极靶B(27)之间的串扰；所述的靶头(18)以螺钉连接方式固定在靶头连接管(22)上；所述的绝缘调整钉(21)是三颗支撑钉，三颗支撑钉沿靶头连接管(22)的外围圆周均布，其具有定心作用、可用于调整靶头轴线的位置；灯丝(19)与灯丝固定杆(20)、转接棒(23)、转接管(24)和铜棒(1)依次连接；转接棒(23)外套有陶瓷环(25)，铜棒(1)外套有陶瓷管(2)，其目的都是保证灯丝(19)与阳极靶绝缘；铜棒(1)与灯丝插座(7)的三个灯丝电极相连，灯丝插座(7)外接电源为灯丝(19)供电；绝缘短管(9)位于高压接头(11)前端用于高压电路的绝缘；

所述的水冷温控组件包括主管(3)、水冷外筒(4)、水冷内筒(5)、安装法兰(6)、靶头(18)和靶头连接管(22)，所述的安装法兰(6)以螺钉连接方式固定在主管(3)上，安装法兰(6)内部循环冷却水对主管(3)进行冷却；水冷内筒(5)位于水冷外筒(4)内，水冷外筒(4)与靶头连接管(22)以焊接方式相连，冷却水由水冷内筒(5)流入，从水冷外筒(4)流出，通过双层水冷方式对靶头(18)进行冷却；

所述的工作电路包括铜棒(1)、灯丝插座(7)、高压接头(11)、灯丝(19)、阳极靶A(26)和阳极靶B(27)；铜棒(1)与灯丝插座(7)的三个灯丝电极相连，灯丝插座(7)外接电源为灯丝(19)供电；高压接头(11)外接正高压Ua＝15kV通过水冷外筒(4)连接到阳极靶A(26)和阳极靶B(27)，冷却水箱接地，冷却水本身不仅起降温水冷的作用，其自身电阻也是整体构造的一部分，起到分压的作用；灯丝(19)发出热电子撞击阳极靶A(26)和阳极靶B(27)，灯丝(19)并联一路接地，使热电子形成的电流Ie导入大地；

所述的灯丝插座(7)的接口上设置有安全触点(31)和安全开关接口(33)，安全触点(31)和安全开关接口(33)外接监控保护单元用于对工作电路进行自动监控和安全保护，保证使用者的安全及装置正常运行；安全开关接口(33)上还设置有灯丝一电极(34)、灯丝二电极(35)和灯丝公用电极(32)，这三个电极外接专用电源对灯丝(19)进行供电。