CN104412716B - 摩擦驱动x射线源 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种高能辐射产生器，其在低压环境中利用滑动摩擦产生例如X射线等高能辐射。所述滑动摩擦可在存在电子标靶时通过使一个材料抵着第二材料扫掠而产生，例如，使转子的表面抵着隔膜旋转，所述电子标靶可为所述第一材料或所述第二材料中的一者或为不同材料。

Description

摩擦驱动X射线源

背景技术

本发明一股来说涉及高能辐射的产生，且更特定来说，涉及利用摩擦接触产生高能辐射。

以多种方式使用高能辐射。例如，X射线可用于医学或其它成像应用、包含材料分析的结晶学相关应用或其它应用中。

一股通过材料内的电子制动(韧致辐射)或内壳电子发射来产生X射线。就历史观点来说，除通过自然现象以外，一股通过使用高电压电力供应器加速电子进入例如金属等材料中而产生X射线，其中小比例的电子引起X射线。然而，尤其当考虑实际上导致X射线发射的小百分比的此类电子时，加速电子以产生大量有用X射线一股需要耗费大量电力。

还可通过在受控环境中改变材料之间的机械接触(例如，通过剥离压敏胶带)或在抽空腔室中改变一些材料的机械接触来产生X射线。然而，利用此类方法提供足够强度的X射线来可供商业使用并且在实验室环境之外这样做可能是困难的。

发明内容

本发明的方面提供借助于在提供低压环境的外壳中接近电子标靶的两个表面之间的滑动摩擦接触产生高能辐射，其中所述两个表面为不相似材料以便提供摩擦起电，其中所述表面中的一者的至少一部分上的所述滑动摩擦接触至多随时间断断续续以便允许放电。在一些实施例中，所述表面中的一者为电绝缘体且另一表面为金属材料。在一些实施例中，所述金属材料为所述电子标靶。在一些实施例中，另一金属表面为所述电子标靶。在一些实施例中，所述另一金属表面与所述两个表面中的一者相距预定义距离。在一些实施例中，所述滑动摩擦接触重复地断断续续或介于移动表面与静止表面之间。

本发明的一个方面提供一种可用于产生高能辐射的装置，所述装置包括：外壳，其包含用于至少部分地抽空所述外壳中的大气压的至少一个端口，所述外壳的至少一部分对高能辐射实质上透通；所述外壳内的第一物体；及所述外壳内的第二材料，所述第二材料与地绝缘；所述第一物体的至少部分或所述第二材料的至少部分可相对于彼此移动以便在所述第一材料与所述第二材料之间产生滑动摩擦接触。

本发明的另一方面提供一种高能辐射产生装置，其包括：外壳，其通常可密封以便提供受控流体压力环境；安装在所述外壳内的隔膜；及转子，其旋转地安装在所述外壳内使得所述转子的至少一部分可抵着所述隔膜的至少一部分滑动；其中所述隔膜的所述部分及所述转子的所述部分中的至少一者包含与地绝缘的材料，且所述隔膜的所述部分及所述转子的所述部分的另一者包含导电材料。

本发明的另一方面提供一种产生高能辐射的方法，其包括：使第一材料抵着第二材料的表面的区域擦刷，所述第一材料与所述第二材料是不同的材料，所述第二材料与地绝缘；在低压环境中，从所述第二材料的所述表面的所述区域接近包括金属表面的电子标靶处移除所述第一材料。

在审阅本发明之后更完整地理解本发明的这些及其它方面。

附图说明

图1说明根据本发明的方面的高能辐射产生器。

图2进一步说明根据本发明的方面的高能辐射产生器。

图3说明根据本发明的方面的另一高能辐射产生器的部分。

图4为展示通过例如图1的装置等装置产生的能量的能谱的曲线图。

图5为展示相对于例如图1的装置等装置的不同叶片产生的能量的分量的曲线图。

图6说明根据本发明的方面的另一高能辐射产生器的部分。

图7说明根据本发明的方面的另一高能辐射产生器的部分。

图8说明根据本发明的方面的另一高能辐射产生器的部分。

图9说明根据本发明的方面的另一高能辐射产生器的部分。

图10说明图9的装置的部分的侧视图。

图11说明用于图9的装置中的另一转子。

图12说明供图9的装置使用的又一转子。

图13说明根据本发明的方面的阵列装置。

图14说明根据本发明的方面的具有外部驱动机构的高能辐射产生器。

图15说明根据本发明的方面的另一高能辐射产生器的部分。

具体实施方式

本发明的实施例提供一种可用于产生高能辐射的装置。在一些实施例中，所述装置为包含材料及物体的高能辐射产生器。当存在电子标靶时，所述物体经配置以抵着所述材料的表面扫掠或擦刷，从而在所述材料与所述物体之间产生滑动摩擦接触，其中所述材料的表面的至少一部分上方的滑动摩擦接触随时间不连续。所述电子标靶在许多实施例中为金属或金属合金，且所述电子标靶可为所述物体的部分，例如在所述物体的表面上。所述材料及所述物体处于受控流体压力环境中，一股在低压环境中。所述受控流体压力在许多实施例中小于一个大气压，在一些实施例中为100毫托或约100毫托，在一些实施例中小于100毫托，在一些实施例中小于50毫托，在一些实施例中小于1毫托，且在一些实施例中小于0.001毫托。

图1说明根据本发明的方面的高能辐射产生器。在图1的实施例中，转子111在外壳123的低压环境中旋转。如图1中所说明，转子包含第一叶片113及第二叶片115。第一叶片及第二叶片的表面包含呈(例如)元素或合金形式的至少一个金属，其中在各种实施例中，每一叶片的至少一个金属为不同金属或呈不同金属合金。第一叶片及第二叶片在连接到转子的主轴119的对置侧上。(例如)借助于主轴耦合到的电机121的旋转实现的主轴的旋转引起转子的旋转。

在一些实施例中一股与地电隔离且由电绝缘体形成的隔膜117接近转子，其中隔膜相对于转子定位使得在转子旋转期间，叶片抵着隔膜擦刷。当叶片抵着隔膜擦刷时，叶片与隔膜呈滑动摩擦接触。因此，随着主轴旋转，每一叶片接近隔膜，抵着隔膜的一部分擦刷，从而在叶片与隔膜的所述部分之间产生滑动摩擦接触，且后退远离隔膜。在提供于外壳内的低压大气压中，滑动摩擦接触或(可能更准确地)一区域上方的滑动摩擦接触、后续接着所述区域上方缺少所述接触导致发射高能辐射(例如，x射线)。

隔膜及转子均位于具有至少部分抽空的大气压的外壳123中。在许多实施例中，外壳包含允许从外壳逸出相当多或大量高能辐射(例如，x射线)的至少一部分。在一些实施例中，允许逸出高能辐射的外壳的所述部分为对x射线实质上透通的外壳的一部分，例如外壳中的窗口，且在许多实施例中，所述窗口可接近隔膜及/或实质上平行于隔膜定位。在一些实施例中，所述窗口经结构化以使高能辐射的射束准直。在许多实施例中，外壳将包含允许(例如)借助于将气体从外壳抽空来控制外壳中的气体的存在的至少一个端口。此外，在许多实施例中，尤其考虑由转子与隔膜之间的研磨接触产生的潜在释气，外壳还将含有辅助维持外壳内的低压环境的吸气材料。而且，在图1中所说明的实施例中，外壳具有长方体形状，但是在各种实施例中，外壳可具有不同形状。此外，如图1中所说明，电机在外壳内。在替代性实施例中，电机在外壳外部，其中(例如)主轴穿过外壳的壁。

在一些实施例中，与隔膜呈滑动摩擦接触的叶片的部分具有为一个金属或金属合金的表面。在与隔膜呈滑动摩擦接触的部分附近且预期当叶片不与隔膜接触时在隔膜附近的叶片的其它部分具有为另一金属或金属合金的表面。

在一些实施例中，利用轴串隔膜。例如，在一些实施例中，隔膜耦合到可为线轴的支柱，其中隔膜具有多余长度，从而允许(例如)在归因于与转子滑动摩擦接触而产生的隔膜的部分的磨损的情况下退绕隔膜的未使用部分。

图2说明根据本发明的方面的另一高能辐射产生器。所述另一高能辐射产生器类似于图1的装置，且因此包含图1的装置的转子111(通过电机121引起其旋转)，其中转子的叶片抵着隔膜的隔膜213擦刷。如在图1的源中，转子、隔膜及电机处于具有至少部分抽空的大气压的外壳211内。然而，外壳211具有圆柱形形状。使用圆柱形外壳可能为有益的，这是因为(例如)圆柱形形状为隔膜可在其之间伸展的支柱215a、215b提供接触点，同时仍在隔膜后面提供空隙以供隔膜伸展及/或扩展(归因于与转子的叶片接触)。

图3说明类似于图1的实施例的另一实施例的部分。在图3的实施例中，电机121引起具有如关于图1论述的对置叶片113、115的转子111的旋转。在操作中，转子的旋转导致叶片抵着安装在托架315中的接触表面311擦刷。因此，接触表面311可代替图1的装置的隔膜。

图4为展示通过例如图1的装置等装置的操作产生的高能辐射411的能谱的曲线图，其中叶片中的一者具有包含铅的表面且叶片中的另一者具有包含钽的表面。图5展示类似曲线图，具有归因于含铅叶片与接触表面的相互作用产生的高能辐射发射511及归因于含钽叶片与接触表面的相互作用产生的高能辐射发射513的分离指示，其中发射的分离是基于发射时间计算。

图6说明类似于图1的实施例的另一实施例的部分。所说明的部分包含一股将在具有驱动转子旋转的驱动系统的外壳(例如，图1的外壳)中的转子及接触表面。在图6的实施例中，转子611包含通过分离件(例如，邻近于叶片617的分离件619)分离的多个叶片，例如包含叶片617的四个叶片。转子经定位使得转子的旋转导致叶片抵着接触表面615擦刷。如图6中所说明，接触表面为托架613的部分或安装在托架613中。在一些实施例中，分离件为无材料的间隙。在一些实施例中，用不同于叶片的材料或不同于叶片的表面上的材料的材料的材料填充分离件。例如，叶片的表面上的材料可包含金属或金属合金，且接触表面的材料可为电绝缘材料。

图7说明类似于图1的实施例的另一实施例的部分，其中所说明的部分与图6中的情形相同。在图7的实施例中，转子结构710由相对于彼此堆叠的多个转子形成。第一转子711包含两个对置叶片。第二转子713包含三个叶片，其中所述三个叶片中的每一者具有分开120度的中心轴线。转子结构经定位使得叶片抵着接触表面715擦刷。转子的叶片包含金属，且接触表面包含电绝缘体，或反过来也一样。

图8说明类似于图1的实施例的另一实施例的部分，其中所说明的部分与图6中的情形相同。在图8的实施例中，转子811具有通过无材料的间隙分离的四个叶片，例如叶片813。转子经定位使得叶片擦刷接触表面815。如同其它实施例，叶片或接触表面为金属或电绝缘材料，而叶片或接触表面中的另一者是相反的。

图8说明根据本发明的方面的另一实施例的部分。图8中所说明的部分在大部分实施例中在提供受控流体压力环境的外壳内，所述受控流体压力环境在大部分实施例中为低于大气压力的环境。

在图9中，隔膜913与转子911的面919的一部分接触。转子通过主轴915耦合到电机以引起转子的旋转，但是在各种实施例中，可使用其它驱动系统来引起转子的旋转。隔膜及面与隔膜接触的部分一股垂直于转子的旋转轴线，在一些实施例中，旋转轴线与主轴的轴线重合。隔膜在大部分实施例中为电绝缘材料，且在一些实施例中可为聚合材料。在大部分实施例中，隔膜或隔膜与转子接触的至少部分以其它方式与地绝缘。转子的面与隔膜接触的部分在大部分实施例中是金属的，包含金属或金属合金。

转子的面包含表面不连续性，其中所述表面不连续性呈远离所述面与隔膜接触的部分倾斜的斜面921的形式。在操作中，转子的旋转导致转子的面与隔膜接触的部分跨隔膜的表面的区域而扫掠。如可参见(例如)图10的对应侧视图，对于隔膜的表面的区域，转子与隔膜之间的接触是断断续续性的，这是因为转子的面上的斜面一股并不接触隔膜。所述斜面包含金属表面，且一股可在产生高能辐射中用作电子标靶。所述金属表面可为不同于转子的面与隔膜接触的部分的金属或金属合金的金属或金属合金。所述斜面用作供通过转子与隔膜之间的滑动摩擦接触产生的摩擦起电电荷进行放电的电子标靶，选择斜面的不同金属表面可有益于确定所产生的高能辐射的特性。

图11说明根据本发明的方面的另一转子1111，其中主轴1113从转子的后部延伸以指示转子的旋转轴线。转子在转子的面上包含接触表面1115。在包含转子的装置的操作期间，随着转子旋转，接触表面一股希望与隔膜呈滑动摩擦接触。接触表面在大部分实施例中是金属的。

转子的面包含阶梯，其中面的凹陷部分形成凸缘，凸缘1117的表面通过竖板1119连接到接触表面。凸缘的表面是金属的。认为凸缘的表面在装置的操作期间在产生高能辐射中用作电子标靶，且实际上可为仅有的标靶，且因此可基于对用于凸缘的表面的各种金属的选择来选择所产生的高能辐射的特性。此外，各种实施例可在接触表面与凸缘表面的水平面之间具有不同距离，即，可被视为竖板的高度的距离。在此类各种实施例中，对于用于凸缘的相同表面材料，不同距离可使所产生的高能辐射具有不同量值。

图12说明根据本发明的方面的另一转子，其中主轴1211从转子的后部延伸以指示转子的旋转轴线。图12的转子包含呈圆柱形形式的底座1213。底座的表面1219背离从底座的后部延伸的主轴1211。按矩形盒子的形式展示的扫掠器1215从底座突出，且包含离底座最远的前表面1217。所述前表面形成扫掠器，其希望在包含转子的装置的操作期间(在此期间转子旋转)跨隔膜的部分摩擦扫掠。

在大部分实施例中，所述前表面是金属的。底座的表面1219也是金属的，但是可为不同于前表面的金属或金属合金的金属或金属合金。如同图11的实施例，认为底座的表面在所述装置的操作期间用作电子标靶，其中电子源于由隔膜与转子的前表面之间的滑动摩擦接触产生的摩擦起电充电的放电。

图13说明根据本发明的方面的装置。图13的装置包含容器1311。所述容器包含沿着容器的一端的多个匣体1315a到1315d。所述匣体中的每一者包含高能辐射产生器，例如如本文所论述，或具有如本文论述的特征或特征的组合。容器的顶部1313(或在一些实施例中，所述匣体的顶部)包含用于每一匣体的窗口，其中用于匣体1315c的窗口是通过参考数字1317来识别。在大部分实施例中，对于每一匣体，窗口接近且一股平行于匣体的辐射产生装置内的隔膜而定位。

图13的装置因此包含高能辐射产生器的线性阵列。在一些实施例中，由于多种原因(包含辐射的潜在地增加的量值)，因此高能辐射产生器的阵列的使用可能为有用的。然而，在各种实施例中，可使用除简单的线性阵列以外的阵列。例如，在一些实施例中，阵列可呈弯曲阵列的形式，其中(例如)阵列的元件在一些实施例中指向共同焦点且在其它实施例中远离共同焦点。类似地，在一些实施例中，利用线性阵列的多行以(例如)提供平面的或二维阵列，且此类阵列同样还可呈弯曲表面的形式。

图14说明根据本发明的方面的另一高能辐射产生器。图14的装置类似于图1的装置。因此，图14的装置具有经定位以通过转子1415的叶片擦刷的隔膜1413。转子围绕主轴1417旋转，其中隔膜及转子在外壳1411内。然而，图14的装置包含用于转子的不同于图1的装置的驱动机构。

图14的装置的驱动机构使用磁性耦合来引起转子的旋转。如图14中所说明，外壳外部的磁性驱动器1421产生旋转磁场，其导致磁体的对应旋转或在外壳内的接收器1419内的其它旋转。主轴耦合到接收器，且通过接收器引起主轴旋转且因此引起转子旋转。使用此类替代性驱动机构可有益于维持外壳内的受控流体压力。

在一些实施例中，可能并不将接收器作为离散组件来提供。在一些实施例中，例如，可改为将磁体嵌入转子中或附接到转子，其中转子安装到主轴，主轴在一些实施例中又耦合到外壳。

图15说明根据本发明的方面的另一转子1511，其中主轴1513从转子的后部延伸以指示转子的旋转轴线。转子包含从转子的中心区域1517延伸的多个臂1515。所述臂的面(例如，面1519)希望用作用于接触(例如本文所论述)高能辐射装置的隔膜的接触表面。在各种实施例中利用四个以上臂，且在一些实施例中利用四个以下臂。在一些实施例中，所述臂可(例如)在通过转子的面界定或平行于转子的面的平面中具有曲率，且在一些实施例中，所述臂的面可为弯曲的，例如，常常为具有螺旋桨的情况。

在可利用图15的转子的高能辐射装置的一些实施例中，固定电子标靶定位于外壳中在转子后面，即，其中转子定位于隔膜与电子标靶之间。在一些实施例(例如，其中使用高能辐射产生器作为x射线荧光(XRF)装置的部分的实施例)中，电子标靶可为经受测量的样本。在此类实施例中，例如，可使用样本固持器来将样本固持在转子后面的位置中。样本的此类定位就可使用电子激发的x射线荧光来说可能为有益的，从而潜在地允许测量准确度高于x射线激发的x射线荧光的测量准确度。

因此，虽然已关于各种实施例论述本发明，但是应认识到，本发明包括本发明所支持的新颖且非显而易见的权利要求书。

Claims (29)

1.一种可用于产生高能辐射的装置，其包括：

外壳，其包含用于至少部分地抽空所述外壳的大气压的至少一个端口，所述外壳的至少一部分对高能辐射实质上透通；

所述外壳内的第一物体；以及

所述外壳内的第二材料，所述第二材料与地绝缘；

所述第一物体的至少部分或所述第二材料的至少部分可相对于彼此移动以便在所述第一物体与所述第二材料之间产生滑动摩擦接触，

其中所述第二材料包括电绝缘材料，且所述第一物体包含提供用于产生高能辐射的电子标靶的至少一个金属表面，且

其中所述第一物体包括转子。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述转子可相对于所述第二材料移动以便在所述转子与所述第二材料之间产生摩擦接触。

3.根据权利要求2所述的装置，其中所述转子包括与所述第二材料呈滑动摩擦接触的所述至少一个金属表面的至少部分。

4.根据权利要求2所述的装置，其中所述转子包括不与所述第二材料呈滑动摩擦接触的所述至少一个金属表面的至少部分。

5.根据权利要求4所述的装置，其中所述转子的所述至少一个金属表面中的所述至少部分提供用于产生高能辐射的电子标靶。

6.根据权利要求2所述的装置，其中所述至少一个金属表面为至少两个金属表面。

7.根据权利要求6所述的装置，其中所述转子包含至少两个叶片，其中所述至少两个金属表面中的第一金属表面在所述至少两个叶片中的第一叶片上，且所述至少两个金属表面中的第二金属表面在所述至少两个叶片中的第二叶片上。

8.根据权利要求7所述的装置，其中所述第一金属表面包含第一金属且所述第二金属表面包含第二金属，所述第一金属与所述第二金属是不同的金属。

9.根据权利要求1所述的装置，其中所述转子包含至少一个磁体。

10.根据权利要求9所述的装置，其进一步包括在所述外壳外部的磁性驱动组合件。

11.根据权利要求1所述的装置，其进一步包括耦合到所述转子的主轴。

12.根据权利要求11所述的装置，其中所述主轴耦合到所述外壳。

13.根据权利要求11所述的装置，其中所述主轴耦合到电机。

14.一种高能辐射产生装置，其包括：

外壳，其通常可密封以便提供受控流体压力环境；

隔膜，其安装在所述外壳内；以及

转子，其旋转地安装在所述外壳内使得所述转子的至少一个部分可抵着所述隔膜的至少一部分滑动；

其中所述隔膜的所述部分及所述转子的所述部分中的至少一者包含与地绝缘的材料，且所述隔膜的所述部分及所述转子的所述部分中的另一者包含导电材料。

15.根据权利要求14所述的装置，其中所述导电材料为金属。

16.根据权利要求14所述的装置，其中所述转子的所述部分包含实质上正交于所述转子的旋转轴线的一部分。

17.根据权利要求16所述的装置，其中所述转子包含面朝所述隔膜的面，所述面包括具有不连续性的多个表面，所述具有不连续性的多个表面中的一个表面经定位而与所述隔膜呈滑动接触。

18.根据权利要求17所述的装置，其中所述面中具有不连续性的所述多个表面中的另一表面经定位而不与所述隔膜呈滑动接触。

19.根据权利要求18所述的装置，其中所述另一表面包含金属。

20.根据权利要求19所述的装置，其中所述另一表面提供用于产生高能辐射的电子标靶。

21.根据权利要求20所述的装置，其中所述高能辐射包括X射线。

22.根据权利要求17所述的装置，其中所述面中具有不连续性的所述多个表面提供凸缘。

23.根据权利要求17所述的装置，其中所述面中具有不连续性的所述多个表面包括斜面。

24.根据权利要求14所述的装置，其中所述转子的所述部分包含实质上平行于所述转子的旋转轴线的一部分。

25.根据权利要求24所述的装置，其中所述转子的所述部分包括所述转子的至少一个叶片的部分。

26.根据权利要求24所述的装置，其中所述转子的所述部分包括所述转子的至少两个叶片的部分。

27.根据权利要求26所述的装置，其中所述转子的所述部分包含至少一种金属。

28.根据权利要求26所述的装置，其中所述至少两个叶片中的第一叶片包含第一金属且所述至少两个叶片中的第二叶片包含第二金属。

29.根据权利要求26所述的装置，其中所述至少两个叶片为至少四个叶片。