CN104297269A - 用于材料试验的x射线试验装置以及高分辨率投影的方法 - Google Patents

用于材料试验的x射线试验装置以及高分辨率投影的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于材料试验的X射线试验装置(1)，其包括具有旋转阳极组件(20)的高度聚焦的X射线源(10)，该旋转阳极组件具有以可旋转方式安装的阳极板(22)和配置成使得该阳极板处于旋转运动中的阳极板驱动器(28)。该X射线试验装置还包括：用于生成聚焦的电子束的电子枪(40)以及包括电子束偏转单元和控制单元的电子束控制单元(50)，并且该电子束控制单元配置控制电子束在该阳极板上的入射点(44)。还设有试验对象(100)的支架(102)，该支架相对于该旋转阳极组件的位置是固定的或者能够进行固定。本发明还涉及一种用于使用根据本发明的X射线试验装置，通过X射线束生成试验对象的高分辨率几何投影的方法。

Description

用于材料试验的X射线试验装置以及高分辨率投影的方法
技术领域
本发明涉及使用X射线辐射的材料试验领域。确切地说，本发明涉及借助于X射线束生成试验对象的高分辨率放大投影。
背景技术
通过将试验对象放置在尽可能为点形的X射线源之前，可以借助于X射线束生成试验对象的高分辨率放大投影。X射线源发出的X射线辐射会穿透试验对象并在其中经历衰减，所述衰减取决于局部材料性质。例如，将试验对象放置在二维延伸的X射线辐射检测器之后，例如，放置在平面检测器之后，用于以空间分辨方式检测已穿透试验对象的X射线辐射。此类检测器可以是X射线胶片，所述X射线胶片以变黑的方式对入射X射线辐射起反应，但是，此类检测器也可以是现代半导体检测器，其中包括多个辐射敏感电池/像素，入射X射线辐射在所述辐射敏感电池/像素中转换成电输出信号。例如，现有技术中已知一种使用CMOS技术构建的X射线传感器，其中入射到闪烁器层上的X射线辐射转换成可见光，随后，CMOS技术光敏电池阵列收集所述可见光并将其转换成电信号。此外，现有技术中还已知一种使用CCD技术的空间分辨、二维延伸X射线检测器，其中入射X射线辐射直接转换成电信号，即，不转换成可见光即转换成电信号。
入射到检测器上的X射线辐射描绘出被射线辐射穿透的试验对象的放大轮廓，其中可达到的放大率一方面取决于X射线源与工件之间的距离，另一方面取决于X射线源与检测器之间的距离。除了所用X射线检测器的分辨率(例如，取决于X射线胶片的粒度或者数字X射线检测器的像素大小)之外，X射线源的范围大体上决定了可达到的分辨率。在实践中，点形X射线源并不存在；相反，现有技术中常用于生成X射线束的X射线管的焦点范围通常是无限的。焦点范围越小，试验对象产生的投影越轮廓分明，并且所能达到的分辨率越高。
为了提高分辨率，近期开发出了一种使用固定阳极工作的X射线管，精细聚焦的加速电子束入射到所述固定阳极上。原则上，这种情况下能够使得焦点大小在纳米范围内，因此，在理论上，能够使得X射线源的范围在纳米范围内。但是在实践中会出现问题，即X射线的强度必须足够的大，才能在实际曝光时间下工作。这需要向阳极施加高电子电流。但是，在此过程中，输送到阳极上的能量中只有1％的能量转换成X射线辐射；端部内其余99％的沉积辐射能只能致使阳极受热。在电子束聚焦非常强的同时施加高电子电流会导致阳极的局部过热，从而导致阳极表面损坏。根据目标的热性质，此事实的结果是，对于固定阳极而言，无法在维持电子电流的同时任意减小焦点直径。通常，因此使用一微米及略小于一微米的焦点大小。通过使用此类微焦点X射线管，可以生成试验对象的放大图，其中可达到的放大系数在500到5000的范围内。同时，可以达到这样的强度，以使得曝光几秒即足以生成策略对象的高对比度图。当然，这种情况下的限制因素是要检验试验对象的材料厚度。
如果使用具有旋转阳极的X射线管来生成X射线辐射，则电子束在阳极表面上沿特定轨迹移动，以便减小阳极的局部热应力。因此，在原则上，使用旋转阳极可以在焦点大小相同的情况下产生较高电子束电流密度，因此可以产生较高X射线辐射强度。但是，旋转阳极X射线管存在一个不可避免的问题，即旋转电极的机械公差及其装备会导致焦点位置随空间不同而变。此外，对于现有技术中已知的多数旋转阳极X射线管而言，无法将焦点设置在距离试验对象的近距离处，因此目标通常处于高压下，因而与出射窗之间的绝缘间距较为有限。鉴于后一种性质导致可达到的放大率通常远小于使用微焦点X射线管的情况，因此前一种性质还会导致时间集成在检测器上的投影高度失真。为此，如今的高倍放大材料试验领域中通常不使用旋转阳极X射线管。
根据DE 19 832 972 A1，已知一种X射线发射器，其中包括具有旋转阳极的X射线管。电子枪产生的聚焦电子束入射到旋转阳极的旋转表面上，以便从旋转阳极上的焦点发出X射线辐射。X射线发射器现在以使得旋转阳极上的焦点位置能够高速改变的方式配置。为此，X射线发射器包括检测器装置，所述检测器装置检测旋转阳极上的实际焦点位置，所述实际位置与预定的所需位置进行比较。通过使用合适的偏转装置，所述电子束以使得焦点位置与预定的所需位置一致的方式沿特定轨迹运动。根据上述文件中所引用的美国专利说明书US4,458,180 A，众所周知，改变旋转阳极上的焦点位置可有利于提供连续的X射线源，这种X射线源尤其可用于计算机X射线断层扫描领域中。
DE 4 129 294 A1处理的是类似的技术问题，其中具有旋转阳极的同等结构X射线管中的电子束定期地在旋转阳极上的不同极限位置之间来回变化，以免旋转阳极热过载。这种X射线源还适用于医学领域中的X射线计算机断层扫描领域中。建议将旋转阳极上的焦点位置的周期变化频率与旋转阳极的旋转频率关联起来。
DE 19 639 920 A1还提供了一种具有旋转阳极的X射线管，其中使用电子光学系统中的特殊四极组件，以便能够改变焦点在旋转阳极上的位置，而不导致电子束横截面变形。
所属领域中的技术人员还能够从WO 2007/135614 A1中显而易见地了解到类似建议，即建议根据旋转阳极的旋转角度，在旋转阳极的X射线管中定期改变旋转阳极上的焦点位置。这是为了能够十分迅速地改变所生成X射线束的强度，例如，进而可以用于医学X射线计算机断层扫描领域中。
发明内容
因此，本发明的目标是指定一种用于材料试验的X射线试验装置，所述X射线试验装置适用于通过X射线束生成试验对象的高分辨率几何投影。在这种情况下，此X射线试验装置应该能够在类似放大条件下生成分辨率显著提高并且/或者强度更大的X射线辐射。此外，本发明的目标是指定一种用于通过X射线束生成试验对象的高分辨率几何投影的方法，以及一种用于根据本发明来设置X射线试验装置的有利方法。
此目标可以通过以下项实现：一种具有权利要求1中所述特征的X射线试验装置；一种根据权利要求18所述生成试验对象的高分辨率投影的方法；以及一种根据权利要求19所述设置X射线试验装置的方法。
根据本发明的X射线试验装置适用于材料试验，并且用于通过X射线束生成试验对象的高分辨率几何投影。所述X射线试验装置包括高度聚焦的X射线源，所述X射线源包括旋转阳极组件。所述旋转阳极组件包括至少一个以可旋转方式安装的阳极板以及阳极板驱动器，所述阳极板驱动器配置成使得所述阳极板转动。此外，所述X射线源包括电子束发生器，所述电子束发生器配置成生成以优选方式聚焦的电子束。通常，用于微聚焦管的电子束发生器包括：电子枪，例如，所述电子枪由热阴极以及用于生成加速电场的电极构成；以及电子光学系统，用于聚焦所生成的电子束。
此外，根据本发明的X射线试验装置的X射线源包括电子束控制单元。所述电子束控制单元包括电子束偏转单元和控制单元。所述电子束偏转单元包括适用于控制，即以适当方式偏转，所述电子枪生成的所述电子束的装置。例如，这些装置可以是用于生成磁场或电场或者其组合的线圈或电极。所述电子束偏转单元用于控制所述电子束发生器生成的所述电子束在所述阳极板上的入射点。在此过程中，所述电子束偏转单元由所述控制单元进行控制。
此外，所述X射线试验装置包括试验对象支架，所述支架相对于所述旋转阳极组件的位置是固定的或者是可变但能够固定的。作为试验对象的一个实例，可以提及装载完成的任选多层电路板。由于可达到的X射线强度非常高，因此根据本发明的X射线试验装置也适用于以非破坏性方式试验材料厚度较大的试验对象，或者移动通过所述X射线试验装置的试验对象。
现在，本发明提供所述X射线试验装置的所述旋转阳极组件，所述旋转阳极组件包括旋转角编码器，所述旋转角编码器配置成在所述阳极板的转动期间检测当前旋转角。在这种情况下，现有技术中已知多种旋转角编码器，原则上，这些旋转角编码器均可用于本发明的环境中。可以通过举例的方式提及光学递增计数器，或者对阳极板轴等的放大率改变而做出响应的磁场传感器。此外，可以使用仅记录旋转阳极完成了完整360度旋转的旋转角编码器，其中能够在阳极板旋转速度已知的情况下高精度地计算相对当前的旋转角。
此外，所述电子束控制单元的所述控制单元配置成根据所述阳极板的检测旋转角来控制电子束偏转单元，使得旋转阳极板引起的X射线焦点相对于试验对象支架上的参考点P在空间位置中的变化最小化，其中所述参考点P位于固定位置中。
如背景技术中所述，X射线焦点，即电子束在阳极板上的入射点，与待辐射穿透的试验对象之间的距离使得试验对象在固定检测器上的投影随时间变化。由于所用检测器的时间分辨率是有限的，因此所记录的投影存在失真。另一方面，如果X射线焦点与试验对象之间的距离保持恒定并且只要X射线焦点与参考点P之间的连接线的角位置改变，则不会导致所得的投影放大率发生改变，而是导致二维延伸的检测器等上的投影发生横向位移，例如，其中所述参考点可以位于试验对象支架上或者位于试验对象本身上。因此，此效果还对投影的可达分辨率不利。
因此，应了解，在独立装置权利要求的意义内最大限度地减小阳极板上的入射点的位置变化是指通过电子束控制单元来设置入射点的位置，以使得检测器在检测器典型曝光时间内记录的几何投影的失真度尽可能低。例如，检测器典型曝光时间可以是X射线胶片的所需曝光时间，或者数字X射线传感器的各个像素的积分时间。在图像处理领域中，还已知的是，如果对多个独立图像进行平均计算，则可以改进对象的静态图像的质量。在优选改进方案中，包括多个独立静态图像的时间间隔内会出现稳定，对此，在统计图像评估的范围内执行平均计算。如果在阳极板的整个旋转周期中入射点的位置变化最小，则将构成优选特例。
具体来说，电子束控制单元的适用控制算法包括通过使入射点与参考点P之间的距离波动最小化来使得入射点的位置变化最小化。如上所述，在这种情况下，参考点可以位于试验对象支架上；具体来说，参考点可以设置在位于支架中的试验对象边缘上；或者设置在位于支架内的试验对象边缘的几何中心内。原则上，所属领域中的技术人员可以在自己的专业知识框架内自行选择自认为特别适用于指定试验任务的参考点P。
另一个有利算法能够借助于电子束控制单元，通过使入射点与上述参考点P之间的连接线的角位置在空间中的波动最小化来使入射点的位置变化最小化。
在一个特别优选改进方案中，所述控制算法用于以使得入射点沿直线移动的方式控制所述控制单元。如果控制算法用于使入射点与参考点之间的连接线的角位置在空间中的波动最小化，此算法尤为有利。
原则上，所属领域中的技术人员可使用上述控制算法来执行特殊材料试验任务，其中，在某些情况下，结合使用多个上述控制算法可在最小化试验对象在检测器上的几何投影的失真度的意义上获得最佳结果。
在另一个优选改进方案中，电子束控制单元的控制单元包括存储单元。此存储单元中存储有用于根据阳极板的旋转角控制电子束偏转单元的信息。例如，因此可以针对多个独立旋转角，向存储单元中存储用于根据本发明控制所述控制单元的旋转角特定参数集。如果能够以闭合函数的形式表示用于最佳地控制所述控制单元的参数集的旋转角相关变化，则所述函数也可以存储在存储单元中。
与现有技术中已知的具有旋转阳极的X射线管不同，我们发现以下情况较为有利：在根据本发明的X射线试验装置中，旋转轴D与阳极板上的电子束入射运动方向之间的倾斜角θ不大于40度，优选地不大于35度以及尤其不大于30度。根据电子枪和电子束偏转单元的设计，较小倾斜角θ也可以较为有利。在现有技术中已知的旋转阳极X射线管中，倾斜角θ通常为零度，即，阳极板上的X射线束入射方向平行于阳极板的旋转轴，或者倾斜角θ为几度，通常小于10度。上述根据本发明的X射线源几何结构能够使得阳极板与试验对象之间的最小距离保持非常小，从而在几何投影的可达放大比率方面做出改进。
如果电子束并非如现有技术中的惯例一般入射到大体呈圆盘形的阳极板的一个覆盖表面上，而是入射到圆盘形或者截头圆锥形阳极板的护套表面上，则这也适用。此时可以引导入射电子束和出射X射线辐射，从而实现光学领域中的切向入射。
在此构造中，其中电子束以浅角入射到圆盘形阳极板的护套表面上，根据本发明的旋转阳极组件可以替代固定阳极，尤其是替代薄固定阳极，所述薄固定阳极用于辐射穿透几何结构中。具体来说，可以使用根据本发明的旋转阳极组件来改进具有固定阳极的现有X射线试验装置，以便提高辐射强度。
在根据本发明的X射线试验装置的另一个有利实施例中，至少旋转阳极组件的阳极板安置在可拆卸的真空密封阳极板外壳中，所述阳极板外壳包括针对所生成X射线辐射的出射窗。在这种情况下，出射窗有利地允许具有圆截面等的发散X射线束以开度角α出射，其中所述开度角至少为10度，优选地为至少30度，尤为优选地为40度或以上。
优选地，根据本发明的X射线试验装置包括电子束发生器外壳，其中对于微聚焦管而言，至少设有电子枪和聚焦单元，但是在优选情况下，也设有电子束偏转单元。此电子束发生器外壳是真空密封的并且能够通过排空单元排空，例如，所述排空单元为真空泵，例如，所述真空泵连接到电子束发生器外壳。
有利地，阳极板外壳包括用于以真空密封的方式将阳极板外壳可更换地连接到电子束发生器外壳的机械接口。为此，电子束发生器外壳还有利地包括用于连接阳极板外壳的机械接口，但至少一个适当密封表面用于将阳极板外壳的机械接口连接到电子束发生器外壳。
在一个有利改进方案中，阳极板外壳和电子束发生器外壳彼此流体连通，以便可以通过排空单元来共同地排空所述相互连通的外壳，例如，所述排空单元连接到电子束发生器外壳。
如果至少将阳极板安置在连接到冷却装置的可拆卸真空密封阳极板外壳中，还能够实现其他优点。所述冷却装置用于从阳极板外壳的壳壁散热。所述冷却装置可以是被动冷却装置，例如，采用安置在阳极板外壳的外表面上的散热片形式的被动冷却装置。它还可以是散热装置，例如采用热管形式的散热装置。此外，所述冷却装置也可以是主动冷却装置，例如，在所述主动冷却装置中，诸如油或水等冷却流体围绕阳极板外壳的外壁流动，其中所述冷却流体在冷却剂回路中输送并且通过热交换器冷却。
阳极板在运行过程中温度升高到1,200℃以上，阳极板与环境之间的传热最常通过阳极板表面与阳极板外壳内壁之间的热辐射交换来实现。在此情况下，如果阳极板表面或阳极板外壳内壁或者这两个部件均完全或部分设有能够促进热交换的涂层，则能够增加通过辐射交换从阳极板到阳极板外壳的传热效率。现有技术中的技术人员了解同样具有所需耐温性的对应涂层。在这种情况下，可以特别规定，阳极板表面仅部分设有此类涂层，以便电子束入射到阳极板上的区域维持未涂覆。
如果使用液压轴承支撑阳极板，则可以进一步促进从阳极板的散热，其中所述液压轴承与主体导热接触，所述主体的外表面与环境流体热交换，例如，通过环境空气或冷却流体进行热交换。具体来说，此主体可以是阳极板外壳本身。此类轴承还称为流体动力轴承，其中，例如，油或空气作为润滑剂安置在两个轴承表面之间，以免它们彼此接触。
如果阳极板驱动器包括与阳极板旋转轴D共线安置的输出轴，则可以得到根据本发明的X射线试验装置的旋转阳极组件的特别致密结构。如果输出轴的旋转轴与阳极板旋转轴D一致，则特别有利。
由于必须排空阳极板外壳以运行根据本发明的X射线试验装置，因此如果阳极板驱动器安置在阳极板外壳外部，则通常较为有利。在此构造中，如果阳极板驱动器的输出轴通过真空密封旋转接头以不可旋转方式连接到阳极板，则较为有利。如果真空密封旋转接头同时用作阳极板的旋转支架，则可以获得特定优势。如果旋转接头，即与阳极板直接机械接触因而与阳极板热接触或者通过中间阳极板轴接触的旋转接头，配置成液压轴承，通过所述液压轴承，可以通过导热从阳极板到阳极板外壳传热，则特别有利。一种用于通过X射线束生成试验对象的高分辨率辐射穿透几何投影的有利方法包括以下方法步骤：
a.提供根据权利要求1的X射线试验装置，
b.将所述试验对象安置在支架中，
c.使用从旋转阳极板发出的X射线辐射来辐射穿透所述试验对象，
d.检测所述阳极板的旋转角；以及根据所检测的旋转角来控制电子束偏转单元，使得电子束在阳极板上的入射点相对于支架上位于固定位置中的参考点P的位置变化最小化。
根据本发明的X射线试验装置以及根据本发明的方法能够实现一种用于X射线辐射的至少微聚焦高强度辐射源，其中X射线源的位置以及发射方向的稳定性均显著高于迄今为止通过旋转阳极X射线管获得的结果，并且对于辐射稳定性而言，所述微聚焦高强度辐射源类似于现有技术中已知的具有固定阳极的微焦点X射线管。同时，借助于相同分辨率，它们允许显著较高的X射线强度，以便能够检查材料厚度较大的试验对象或者使用较短的曝光时间。因此，开辟了借助于X射线束的高分辨率材料试验的全新应用领域。
一种用于设置根据权利要求8所述的X射线试验装置的特别有利方法包括以下方法步骤：
a.提供根据权利要求1的X射线试验装置，
b.将所述试验对象安置在支架中，
c.使用从旋转阳极板发出的X射线辐射来辐射穿透所述试验对象，
d.检测所述阳极板的旋转角；以及根据所检测的旋转角来控制电子束偏转单元，使得最小化电子束在阳极板上的入射点相对于支架上位于固定位置中的参考点P的位置变化最小化。
例如，可以通过试验地检测入射点与参考点P之间的距离变化或者入射点与参考点之间的连接线的位置在空间的变化或者同时检测这两者来试验地检测入射点的旋转角关联位置变化。例如，这可以通过在参考结构上形成图像来实现，其中根据阳极板的旋转角来检测整幅图像在二维延伸的检测器上的放大系数和位移变化。可以从此步骤来确定上述数量。在给定基本假设的情况下，例如，假定阳极板呈圆柱形并且阳极板的旋转轴相对于对称轴略微偏移，则可以通过计算来确定用于控制电子束偏转单元的参数集。通过应用此参数集，即，通过应用由此确定的“补偿”，借助于电子束偏转单元，入射点在阳极板上的位置变化得以最小化。
此处请再次注意，本发明上下文中的“最小化入射点的位置变化”应特别理解为表示通过入射点的旋转角关联控制来最小化二维延伸的检测器上生成的试验对象投影的失真效果，其中所述失真效果是由阳极板的旋转运动引起的。如上所述，在此情况下，必须考虑到以下项的影响：所生成X射线辐射的方向变化以及由于入射点与试验对象之间的距离发生变化而导致的投影放大系数变化。
在上述方法的一个特别优选实施例中，以特定方式来选择用于控制电子束单元的参数，以便在应用补偿之后，即，根据所选择/储存的参数集使用电子束偏转单元进行有效射线束控制，阳极板上由电子枪生成的电子束入射点将沿直线移动。如果此直线基本上重合于入射点与参考点之间的连接线，则能够取得特别有利的结果。
附图说明
下文将参考示例性实施例来更详细地说明本发明的其他优点和特征。这些示例性实施例将参考附图来更详细地描述。在附图中：
图1示出了根据本发明的X射线试验装置的示意图，其中根据本发明，所述X射线试验装置在不进行电子束控制的情况下运行，
图2示出了根据本发明的图1所示X射线试验装置的示意图，其中根据本发明，所述X射线试验装置在进行电子束控制的情况下运行，
图3示出了根据本发明的X射线试验装置的示例性实施例的X射线源的透视图，以及
图4示出了图3所示X射线源的局部截面图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的X射线试验装置1的示意图。所述X射线试验装置包括X射线源10，所述X射线源用于在二维延伸的检测器60上生成固持在支架102内的试验对象100的放大几何投影。X射线源10包括旋转阳极组件20，所述旋转阳极组件包括以可旋转方式安装在轴24上的阳极板22。阳极板驱动器28的输出轴以共线方式连接到阳极板的旋转轴D，或者通过轴24与其连接，所述阳极板驱动器以不可旋转方式连接到轴24。阳极板22以圆盘形方式构成，例如，并且由钨构成，所属领域中的技术人员能够根据自己的专业知识选择熟悉的适当材料来用于阳极板22中。
电子束42由电子枪40产生，电子枪40包括热阴极41，用于生成自由电子，下游的电子光学系统43对所述自由电子进行加速和聚集以形成电子束42。
如果屏蔽掉对电子束42传播的所有影响，例如，电场或磁场，则电子束42沿直线传播并且在入射点44、44′处碰撞阳极板22的外套表面。在X射线试验装置1的运行期间，通过阳极板驱动器28使得阳极板22处于旋转运动中，其中典型的旋转速度为50转/分到4000转/分。
由于不可避免的机械公差，例如在旋转阳极组件20的安装中或者在轴24上的阳极板22的偏心安装中，因此入射点44、44′相对于旋转轴D的径向位置及入射点纵向于旋转轴D的横向位置均发生变化。图1中以示例性的方式针对旋转阳极板22的两个极端位置用虚线来表示这种变化。入射点44表示电子束42在阳极板22的外套表面上的位置，其具有最大径向距离。相反，44′表示径向距离最小的入射点。可以立即从图1中清楚地了解到，除了入射点44和44′的径向距离变化之外，入射点44、44′还会沿旋转轴D位移，即，沿横向位移。
例如，当电子束42从点44入射到阳极板22的外套表面上时，现在可以观察到成象。入射点44在一定程度上构成点形X射线辐射源，从该点处，开度角为α(图1中未图示)的电子束群经由阳极板外壳32(未图示)内设有的出射窗34(未图示)从阳极板外壳32出射并且碰撞位于支架102中的试验对象100。穿过试验对象100时，X射线辐射将发生特定于材料且局部改变的衰减，随后通过以与试验对象100相距一定距离的方式安置的X射线检测器60来以空间分辨方式检测所述X射线辐射。在图示的示例性实施例中，X射线检测器60配置成具备CMOS设计的二维延伸分辨的数字X射线检测器，例如，所述检测器具有1024X1024像素的分辨率以及20cm到40cm的典型方形检测器表面边长。当然，也可以使用其他检测器构造，尤其是球截形表面等主动检测器表面设计。
用实线图示的边缘射线示意性地指示试验对象100在检测器60的有效表面上的放大图像范围，所述放大图像在检测器60上产生，其中在图1中，所述边缘射线从入射点44辐射。
如果现在观察到与旋转轴D的径向距离最小的入射点44′并且再次从入射点44′观察到试验对象100的几何投影，其中所述几何投影在检测器60上生成，则所生成的几何投影分隔为两条虚线。显然，从阳极板22的整个旋转周期看去，试验对象100在检测器60的有效表面上的几何投影发生显著位移。此位移最终将导致检测器60所检测到的试验对象100的几何投影失真。一方面，它的原因是入射点44与试验对象100之间的距离改变，此距离改变还伴随着几何投影的放大率改变。另一方面，可以从图1中清楚地看出，旋转轴D上的入射点44的横向位置改变还伴随着检测器60上的投影的几何位置发生位移。由于检测器60的时间分辨能力是有限的，因此这两种改变均会导致检测器60所记录的X射线图像失真，当在阳极板22的整个旋转周期或更长时间段内集成所记录的试验对象100的X射线图像时，所述失真特别清晰。一方面，这可以通过X射线检测器60的对应长曝光时间来实现，另一方面，也可以通过叠加检测器60所记录的时间分辨率较高的多幅后续独立图像。
在根据图2的X射线试验装置1的运行模式中，启用另外提供的电子束控制单元50，所述电子束控制单元能够执行根据本发明的方法。电子束控制单元50包括电子束偏转单元52，例如，所述电子束偏转单元包括两个用于产生磁场的线圈。电子束42在向阳极板22行进的途中穿过此磁场。此外，电子束控制单元50包括控制单元54，所述控制单元连接到旋转角编码器30，所述控制单元用于以适当方式检测轴24围绕旋转轴D的当前旋转角γ，并且将其发射到控制单元54。
此外，控制单元54中设有存储单元56，所述存储单元中存储有用于控制电子束偏转单元52的参数集，在图示的示例性实施例中，所述参数集用于控制电子束偏转单元中产生磁场的线圈。例如，可以根据权利要求8在前一校准步骤中确定此参数集。
在此示例性实施例中，现在以特定方式确定存储在存储单元56中的参数集，以便电子束控制单元50以主动的方式控制电子束42，在这种情况下，特别是主动控制电子束在阳极板22的外套表面上的入射点44、44′的方式来控制电子束偏转单元的线圈。在此处所示的根据本发明的方法的特别优选实施例中，以使得入射点44、44′在阳极板22的整个旋转周期中沿直线G围绕其旋转轴D移动的方式来确定参数集。在此情况下，直线G由入射点44与参考点P之间的连接线给出，所述参考点安置在支架102内试验对象100的外围外壳上。可以立即从图2中清楚地看出，在此情况下，在上述控制入射点44期间，形成于X射线检测器60上的试验对象100的几何投影的上边缘位置不改变。从入射点44′辐射并且表示从入射点44′起产生的投影的虚线又标出了在此过程中，试验对象100在X射线检测器60上的投影的第二极端位置。
将图1和图2进行比较可以立即得出清楚结论，即，根据本发明的此过程可以大幅减小试验对象100在X射线检测器60上的投影的位移/变化。
图3示出了根据本发明的X射线试验装置1的示例性实施例的X射线源10的透视图，从此图中可以显而易见地看出电子束发生器外壳46以及与其相连的阳极板外壳32。此外，可以看出安置在阳极板外壳32外部的阳极板驱动器28的外壳，以及阳极板外壳32的主动冷却装置36的连接，这些连接用于让冷却剂流过安置在阳极板外壳中的冷却室38。
可以从根据图4的截面图中显而易见地看出此冷却室38，所述截面图进一步示出了旋转阳极组件20，所述旋转阳极组件包括阳极板22、轴24和阳极板驱动器28。在此情况下，阳极板驱动器28安置在阳极板外壳32的外部，其中阳极板驱动器28的输出轴通过真空密封旋转接头26以不可旋转方式连接到轴24。
阳极板外壳32还配置成真空密封并且与电子束发生器外壳46流体连通，所述电子束发生器外壳也配置成真空密封，以便阳极板外壳32还能够通过排空单元48(未图示)排空，例如通过真空泵排空，所述排空单元连接到电子束发生器外壳46。
此外，阳极板外壳32包括出射窗34，所述出射窗包括仅针对所生成的X射线辐射的低吸收系数的材料。开度角为α的X射线束从出射窗34射出，其中所述开度角通常为10°到50°，优选地为约40°。

Claims (20)

1.一种用于材料试验的X射线试验装置(1)，所述X射线试验装置通过X射线束生成试验对象(100)的高分辨率几何投影，所述X射线试验装置包括
高度聚焦的X射线源(10)，所述X射线源包括：
旋转阳极组件(20)，所述旋转阳极组件具有以可旋转方式安装的阳极板(22)和配置成使得所述阳极板(22)进入旋转运动中的阳极板驱动器(28)，
电子枪(40)，所述电子枪配置用于生成聚焦的电子束(42)，以及
电子束控制单元(50)，所述电子束控制单元包括电子束偏转单元(52)和控制单元(54)，并且所述电子束控制单元配置用于控制所述电子枪(40)生成的所述电子束(42)在所述阳极板(22)上的入射点(44)，以及
试验对象(100)的支架(102)，所述支架(102)相对于所述旋转阳极组件(20)的位置是固定的或者能够进行固定，其中
所述旋转阳极组件(20)进一步包括旋转角编码器(30)，所述旋转角编码器配置用于检测所述阳极板(22)的旋转角γ，以及
所述控制单元(54)配置用于根据所检测的所述阳极板(22)的旋转角γ来控制所述电子束偏转单元(52)，使得所述阳极板(22)上的所述入射点(44)相对于所述支架(102)上位于固定位置的参考点P的位置变化最小化。
2.根据权利要求1所述的X射线试验装置(1)，其中
所述X射线试验装置进一步包括X射线检测器(60)，所述X射线检测器配置用于在所述X射线源(10)发出的X射线辐射穿过位于所述支架(102)中的试验对象(100)之后记录所述X射线辐射，以便使得所述试验对象(100)的几何投影可见，以及
所述控制单元(54)配置用于将所述入射点(44)的位置变化最小化，以使得在所述X射线检测器(60)的典型曝光时间内，所述试验对象(100)在所述X射线检测器(60)上的所述几何投影的放大率和/或位置变化尽可能小。
3.根据权利要求1所述的X射线试验装置(1)，其中，所述控制单元(54)配置用于通过使所述入射点(44)与所述参考点P之间的距离波动最小化来使得所述入射点(44)的所述位置变化最小化。
4.根据权利要求1所述的X射线试验装置(1)，其中，所述控制单元(54)配置用于通过使所述入射点(44)与所述参考点P之间的连接线的角位置在空间中的波动最小化来使得所述入射点(44)的位置变化最小化。
5.根据权利要求1或4所述的X射线试验装置(1)，其中，所述控制单元(54)配置用于通过使所述入射点(44)沿直线移动来使得所述入射点(44)的所述位置变化最小化。
6.根据权利要求1所述的X射线试验装置(1)，其中，所述参考点P位于安置在所述支架(102)中的试验对象(100)的边缘上。
7.根据权利要求1所述的X射线试验装置(1)，其中，所述参考点P位于安置在所述支架(102)中的试验对象(100)的边缘的几何中心上。
8.根据权利要求1所述的X射线试验装置(1)，其中，所述控制单元(54)包括存储单元(56)，所述存储单元中存储有用于根据所述阳极板(22)的所述旋转角γ来控制所述电子束偏转单元(52)的信息。
9.根据权利要求1所述的X射线试验装置(1)，其中，所述阳极板(22)的旋转轴D与所述电子束(42)入射到所述阳极板(22)上的方向之间的倾斜角θ不大于40°，优选地不大于35°，尤其不大于30°。
10.根据权利要求1所述的X射线试验装置(1)，其中，至少所述阳极板(22)设置在可拆卸真空密封阳极板外壳(32)中，所述阳极板外壳具有针对所生成的X射线辐射的出射窗(34)，所述出射窗允许发散X射线束以开度角α射出，所述开度角α为至少10°，优选地为至少30°，特别优选地为40°或以上。
11.根据权利要求1所述的X射线试验装置(1)，其中，至少所述阳极板(22)设置在可拆卸真空密封阳极板外壳(32)中，所述阳极板外壳连接到冷却装置(36)，所述冷却装置用于从所述阳极板外壳(32)的壳壁散热。
12.根据权利要求11所述的X射线试验装置(1)，其中，所述阳极板(22)和/或所述阳极板外壳(32)的内壁具有涂层，所述涂层允许通过所述阳极板(22)与所述阳极板外壳(32)之间通过辐射交换进行热交换，相对于未涂层的阳极板(22)或阳极板外壳(32)而言，所述热交换增加。
13.根据权利要求1所述的X射线试验装置(1)，其中，至少所述阳极板(22)设置在可拆卸真空密封阳极板外壳(32)中，所述阳极板外壳包括机械接口，所述机械接口用于与电子束发生器外壳(46)建立可交换且真空密封的连接，在所述电子束发生器外壳中至少设有所述电子枪(40)，优选地还设有所述电子束偏转单元(52)。
14.根据权利要求13所述的X射线试验装置(1)，其中，所述阳极板外壳(22)能够连接到所述电子束发生器外壳(46)，使得所述阳极板外壳(22)能够通过排空单元排空，从而排空所述电子束发生器外壳(46)。
15.根据权利要求1所述的X射线试验装置(1)，其中，所述阳极板驱动器(28)包括输出轴，所述输出轴以与所述阳极板(22)的所述旋转轴D共线的方式设置。
16.根据权利要求15所述的X射线试验装置(1)，其中，所述输出轴的轴线与所述阳极板(22)的所述旋转轴D重合。
17.根据权利要求16所述的X射线试验装置(1)，其中，所述阳极板驱动器(28)设置在所述阳极板外壳(32)的外部并且所述输出轴通过真空密封旋转接头(26)以不可旋转方式连接到所述阳极板(22)。
18.一种用于通过X射线束生成试验对象(100)的高分辨率几何投影的方法，所述方法包括以下方法步骤：
提供根据权利要求1所述的X射线试验装置(1)，
将所述试验对象(100)设置在所述支架(102)中，
使用从所述旋转阳极板(22)发出的X射线辐射来辐射穿透所述试验对象(100)，
检测所述阳极板(22)的旋转角γ，并根据所述检测到的旋转角γ来控制所述电子束偏转单元(52)，使得所述电子束(42)在所述阳极板(22)上的所述入射点(44)相对于所述支架(102)上位于固定位置的参考点P的位置变化最小化。
19.一种用于设置根据权利要求8所述的X射线装置(1)的方法，所述方法包括以下方法步骤：
检测所述阳极板(22)上的所述入射点(44)相对于所述支架(102)上位于固定位置的参考点P的旋转角关联位置变化，
确定适用于控制所述电子束偏转单元(52)的参数，使得在所述阳极板(22)的旋转期间检测到的所述入射点(44)的位置变化最小化，以及
将这些参数存储在所述存储单元(56)中，以便所述控制单元(54)调用。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，为了使所述位置变化最小化，以特定方式选择所述电子束偏转单元(52)的所述参数，以使得在应用所选参数确定的补偿之后，所述电子束(42)在所述阳极板(22)上的所述入射点(44)沿所述直线移动。
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