CN104541332A - 限制靶材的迁移 - Google Patents

Abstract

在电子照射系统(1)中，气密外壳(60)包围阴极区(10)和照射区(20)，其通过至少一个孔(22)连通。在阴极区中，布置有用于发射电子束的高电压阴极(11)。在照射区中，存在布置以容纳静止的或移动的待被照射的目标的照射部位(21)。借助于电场(E)限制阴极退化碎片的迁移，该电场被设计以防止带正电的粒子经由孔进入阴极区。本发明可用轴向电场或横向场体现，轴向电场实现能量阈值，横向场使带电粒子偏转远离引入阴极区的轨迹。

Description

限制靶材的迁移

技术领域

本文所公开的发明总体上涉及电子照射系统。特别地，其涉及具有阴极保护装置的电子撞击X射线源。

背景技术

用于通过照射液体靶产生X射线的系统在本申请人的国际申请PCT/EP2009/000481、PCT/EP2009/002464、PCT/EP2010/068843和PCT/SE2011/051557中进行了描述。在这些系统中，其通常在非常低的压力下运行，包括高电压阴极的电子枪被利用，以产生撞击靶的电子束。自由粒子(包括碎片和来自液体靶的蒸汽)倾向于逐渐使阴极退化(例如，通过腐蚀)，并减少其使用寿命。已经在高能电子照射系统(其带在高电位和/或高温运行的阴极)中注意到与化学阴极退化相关的类似的问题。

概述

鉴于现有技术的上述缺点，本发明的目的是提出具有增加阴极寿命的高能量电子照射系统。特定的目的是将具有减少的迁移率的靶材料的电子撞击X射线源提供到阴极。另一个特定的目的是将具有减少的迁移率的汽化靶材的液体射流X射线源提供到阴极。

因此，本发明提供了根据独立权利要求的用于电子照射的设备和方法。

在电子照射系统中，气密外壳围绕阴极区和照射区，这些区凭借一个或多个通道相通。气密性使低压条件下的运行成为可能，其中可提供一个或多个出口，通过出口外壳被抽空，例如通过抽气。在阴极区，布置有用于发射电子束的高电压阴极。在照射区中，存在有布置成容纳待被照射的静止或移动的物体的照射部位。这些区相通，特别是经由围绕从阴极到照射部位的至少一个可能的电子轨迹的至少一段的孔。为了本发明的目的，什么结构元件来划定孔或，就此而言，该孔是否被划定在所有侧面上，是不重要的。加速电场或磁场的存在以及可能的另外的因素确定电子轨迹的位置。因为阴极和照射部位可以具有非零空间范围，可能存在一定的粒子能量扩散，且加速场可随时间而变化，通常存在多个可能的电子轨迹。当孔围绕一个或多个电子轨迹的段时，其不需要以这些电子轨迹段中的任何电子轨迹段为中心。

气密外壳包括第一导电元件，诸如金属真空包膜部件的组件。气密外壳可以是整体的，包括单个导电元件，照射设备和其它设备被安装在其上，例如，安装在隔离器上的高电压阴极。可替换地，外壳还可包括非导电部件。特别地，外壳可包括多个相互绝缘的导电元件，允许每个绝缘导电元件被施加独立于构成外壳的其它元件的电位。

根据本发明的第一方面，该电子照射系统还包括至少一个第二导电元件和电源，该电源可运行以在第一导电元件和第二导电元件之间施加非零偏置电压。选择第一导电元件和第二导电元件的几何结构和偏置电压的大小，以便产生的电场防止带正电荷的粒子通过孔进入阴极区。

本发明基于这样的认识，即带电的自由阴极退化粒子的百分比高得惊人。这表明，静电装置为了控制朝向阴极的粒子的传输的目的(例如，倒转、捕获或转移)可以是高效的。没有默许特定的物理模型，本发明人目前相信，电离发生在电子束的附近，主要是照射部位的上游，其中电子束与被照射的物体相互作用且产生蒸汽。(如在本公开中使用的，术语“上游”和“下游”指的是其中电子束传播的方向。)

本发明给予静电装置优先级而非给予磁性装置优先级，主要是因为静电场影响带电粒子，与它们的能量无关。相反，由于电子束中的电子通常运动的比带电粒子快得多，故设计一个有效地防止碎片朝向阴极传输但仍然没有扰乱电子束到显著程度的磁场将是更棘手的任务。

众所周知，用于聚焦、对准、偏转电子束等的常规电子光学系统可在某些情况下趋向于朝向系统的光轴(即更靠近电子束)推动带电粒子。除了这一点之外，如本发明人已注意到的，静电吸入作用与电子束相关联，其在某些条件下朝向其本身吸引带正电的粒子。带正电的粒子可与在静止的延长的负电荷附近的电荷的表现相似。因为将照射区连接到阴极区的孔通常以电子束路径为中心，这两种效应中的每一种将增加带电粒子以“找到”并进入在上游方向的孔的趋势，从而到达阴极区。换言之，也可以说这两种效应增加了孔的接受角。在此基础上，本发明人已经认识到，防止带正电荷的粒子进入阴极区是必要的，由于带电粒子将最可能与紧接在高电压阴极下游的强烈的加速度场相互作用，并与阴极或在阴极区中的其它元件碰撞。表面上，特别是在阴极表面上，所产生的高速碰撞可引起溅射损害，这增加了已经讨论过的更广泛已知的化学腐蚀。最后，本发明人已经认识到，防止带电粒子通过围绕电子轨迹或朝向阴极的视线角的孔进入是首要重要的。事实上，带电碎片粒子通常将粘在(通过吸附)和/或中和在导电壁元件上，诸如接地真空包膜部分，其意味着弯曲的或成角度的路径或由挡板部分地隔断的路径，通常不是可能对阴极有害粒子的重要来源。粘在表面上的趋势，其可被量化为粘着系数，对于撞击在金属表面的大多数金属粒子，粘着系数是相对较高的。

因为带电荷q和质量m的粒子上的电场加速度与商q/m成比例，理论上的考虑显示可能无法完全防止具有无界速度分布的带电粒子群经由孔进入阴极区。然而，如果存在进入该阴极区的靶材料数量的减少，本发明将已实现其目的中的至少一个。关于电场的定性的(几何形状)和定量的(强度)参数的考虑将在下面更详细地讨论。

值得注意的是，第二导电元件可以是多个物理上分开的导电元件，其以共同的偏置电压从第一导电元件分开。可替换地，第二导电元件可包括多个(组)导电元件，其被连接到独立的(但不一定是不同的)电位，使得它们通过多个独立偏置电压从第一导电元件分离。

在第二方面中，本发明提供用于照射位于照射区的照射部位中的物体的方法，该照射区被包围在至少部分地包括第一导电元件的气密外壳中。该方法包括下列步骤，其通常在时间上重叠：

·电子束从设置在与照射区一样包围在相同的气密外壳中的阴极区中的高电压阴极发射，阴极区与照射区连通。

·电子束被引导通过连接阴极区和照射区的孔。

·借助于电位不同于第一导电元件的电位的第二导电元件来产生电场。电场防止在照射区中的带正电荷的粒子穿过孔进入阴极区。

在照射区中，该电子照射会产生碎片(例如，蒸汽)。因为电离的原因，如本发明人已经认识到，在上游方向朝向孔运动的碎片部分包含意想不到百分比的带电材料。无论带电粒子源自哪里，本发明的该方面还可有效地减少经由孔进入阴极区的带电粒子的数量。

本发明的有利的实施方案由附属权利要求来限定，且现在将简要讨论。实施方案中的第一组涉及照射系统，其中带正电的粒子的传输被通过方向基本上平行于电子束的电场控制或减少。可优选地借助于旋转对称电极来产生电场。利用这种设置，电场将扰乱电子束到有限的程度或通过散焦或重聚焦可容易地被补偿的某种程度。特别地，旋转对称电极的主要作用是改变电子束的散度。第二组实施方案利用带横向分量的电场，该横向分量使带电粒子偏转远离导致到达阴极或在与高电压阴极相关联的强烈加速度场中的点的这样的轨迹。另一组实施方案可使用电场的任意的方向。

在实施方案中，第二导电元件与第一导电元件绝缘，并且通过部分地为阴极或阴极区遮挡照射部位来对照射区与阴极区进行划界。这是用于产生平行于电子束延伸的电场的有利的几何形状。第二导电元件可以是实心限定器，向上延伸到外壳且离开作为阴极区与照射区之间的仅有的通道的孔。可替换地，第二导电元件可部分地或完全地从外壳分离，或可以是其自身内穿孔的，使得阴极区和照射区之间存在多于一个的通道。第二导电元件可用这样的方式限制孔，即其限定该孔的边界的至少一段。特别地，该孔(或至少其一个轴向段)完全由第二导电元件限定。因此，第二导电元件可因此说包围该孔的一部分。可替换地，第二导电元件被布置在孔的附近，但在距离该孔非零的距离。优选地，如果第二导电元件被布置在孔的附近或在孔的附近内，则其是排斥的。

围绕该孔的第二导电元件可用作待设置在与高电压阴极不同的电位的虚阳极，即，其将相对于接地电位为弱阳性。加速电场将被定位在阴极和虚阳极之间的加速间隙内。在使用时，其以如在横截面中看到的基本对称的方式在下游方向对电子进行加速。这意味着从阴极发射的相当大份额的电子将集中在进入虚阳极中的孔的轨迹上。以这种方式加速的电子将然后在虚阳极的下游高速行进。

如将要在下一部分更详细讨论的，以这样的方式来选择被施加以产生平行电场的偏置电压，即：将具有低于最大能量的动能的单电荷阳离子通过电场从照射部位移动到孔的动作需要比所述最大能量更大的功。换言之，平行电场被设计为使得其实现了能量阈值足够高以阻止具有低于最大能量的动能的所有离子。

在实施方案中，第二导电元件布置在孔的内部。其也可布置在照射区，该照射区位于孔的下游和通过其将照射区与阴极区连通的任何另外的通道的下游。如上所述，蒸汽的电离化发生在整个电子束的范围。因此，如果第二导电元件可被布置在不同的轴向坐标的多个可能位置处，则选择位于最远上游的位置可能是更好的；这限制了在第二导电元件的上游产生的带电粒子的份额。否则，这些粒子相对更难以控制。

优选利用布置在孔内或在照射区中的第二导电元件，以产生相对于电子束横向取向的电场。在电场线是弯曲的配置中(诸如，场可能出现在环状导电元件附近)，如果这是在其最集中的区中的场的方向，其中带电粒子将发生显著加速，则该场可认为是横向取向的。此外，在电子束的附近的带电粒子上施加横向力(或具有非零横向分量的力)的电场也可被考虑为横向取向的；在防止带电粒子进入阴极区方面，位于别处的粒子上的电场的作用将是次要的，如果有的话。

在实施方案中，第二导电元件是布置在孔的附近的吸引元件。第二导电元件可包括通道。特别地，第二导电元件可以是具有大于孔的直径且围绕电子轨迹(其还由孔围绕)的环形元件；特别地，孔和环形元件可以是同轴的。如果弱负电位被施加到环形元件，则其将从照射区内吸引接近孔的带正电荷的粒子，且使它们偏转离开进入孔的路径。负电位的大小由上阈值限制，使得环形元件具有吸引力环的特点，其在径向方向上加速附近的粒子，而不是虚拟的有吸引力的电极，其加速平行于电子束的粒子，且然后允许这些粒子继续通过朝向孔的通道。

在前面的实施方案的进一步发展中，有吸引力的第二导电元件与电流表或类似的电流测量设备串联连接。测得的电流与远离第二导电元件的电荷的瞬时流动相关。因此，其也与带电碎片的生产速率相关。

作为先前实施方案的替代方案，第二导电元件适于产生横向取向(相对于由该孔包围的电子轨迹)的偏转场。适于该目的的第二导电元件可位于照射区或孔的内部。第二导电元件可以是有吸引力的或排斥力的。其还可与第三导电元件共同布置，其中偏转场位于(或集中在)第二导电元件和第三导电元件之间。术语“位于”并不意味着电偏转场在位于第二导电元件和第三导电元件之间的隔开的区的外侧消失。根据这样的结构，可存在一个有吸引力和一个排斥力的元件。板状元件可定向成平行于电子束或平行于由该孔包围的电子轨迹，且还可以是彼此平行的。利用这样的结构，所得到的场(不包括场的边界部分)将基本上在有吸引力的板的方向加速带电粒子。

在实施方案中，存在至少一个在高于接地电位的第二导电元件(其排斥带正电荷的粒子)和至少一个在低于接地电位的第三导电元件(其吸引带正电荷的粒子)。这些元件不需要以成对的方式来布置。如果由有吸引力的元件和排斥力的元件形成一对时，所得到的场不一定是横向于电子轨迹取向的偏转场。事实上，每个第二导电元件和第三导电元件可具有任何合适的形状，且元件的总体可被布置在适合于防止带电粒子通过孔进入阴极区的任何空间结构中。

目前旨在连同电子撞击X射线源使用第一方面的电子照射系统。除了电子照射系统之外，X射线源可包括电子靶和窗口，在照射部位中电子束撞击在电子靶上产生X射线，窗口允许X射线离开外壳。该电子靶可以是固定的或移动的物体。特别地，靶可以是液体材料的射流，特别是熔融金属(例如，镓和其它金属或具有低熔点的合金)。X射线窗口可呈现在申请PCT/EP2009/000481和PCT/EP2010/068843中公开的特征中的一个或多个特征。

附图概要说明

本发明的实施方案现将参考附图进行描述，在附图中：

图1是电子照射系统的横截面图，其中平行的电场控制碎片粒子迁移到阴极区中；

图2是包含在液体射流型X射线源中的电子照射系统的横截面图，其中横向偏转场控制碎片粒子迁移到阴极区中；

图3是沿电子照射系统的主光轴的横截面图，其中环状的吸引力元件限制碎片渗透进入孔，孔通过产生带有重要的横向分量的电偏转场同相阴极区，重要的横向分量加速带电粒子远离孔；

图4和5以类似于图3的方式显示电子照射系统的细节，其中横向偏转场被用于从通向阴极区的轨迹转移带电粒子，其中图4涉及实施方案，其中偏转场由集成在围绕孔的外壳中的导电元件产生，且图5涉及实施方案，其中场借助于取向平行于由电子束占据的路径专用板创建；

图6是液体射流型X射线源的剖面透视图，液体射流型X射线源具有用于产生防止碎片到达阴极的平行电场的装置；和

图7是示出了以不同的初始速度从照射部位释放的三个粒子的轴向位置和速度的相位空间图。

附图不一定按比例绘制。除非另外指出，相同的附图标记指示在不同附图中的相同的元件。附图可能只显示必需阐明本发明的概念的这样的元件或细节，而为清楚起见可已经省略其它元素和细节。

实施方案的详细描述

图1示出了电子照射系统1，其被配置以产生照射位于该系统的右侧部分的照射部位21中的目标的电子束。电子束由位于系统的左侧部分的电子枪中的高电压阴极11产生，该系统连接到加速电压V_a。加速电压可以是几十千伏或几百千伏的量级。这些部件都包含在气密外壳60中，其可被排空以允许在真空或准真空的条件下(诸如10^-9和10^-6巴之间)发生电子束的产生、传播和照射。在本实施方案中，气密外壳60被形成作为第一导电元件31，其被电连接到接地电位。第一导电元件31可包括多个子部件，其被组合成导电形式。第二导电元件32(大致是板状的，且包括中央孔22)被布置在其中孔22包围由水平虚线表示、从阴极11到照射部位21一部分电子轨迹的位置。第二导电元件32位于轴向位置，阴极区10位于轴向位置的上游，且照射区20位于轴向位置的下游。因为第二导电元件32从外壳60分离，至少在附图的平面中，阴极区10和照射区20是流体连通的，其简化了使用一个单一的排气出口实现真空条件的任务。因此，在系统1的运行过程中，阴极11和照射部位21两者都可包含在真空下的公共腔室中。因为区间相通，任何显著的压力差将通常自发的均等，使得区10和20为大致相等的压力。(这并不一定适用于产生如局部抽气、泄漏、加热等诸如此类作用的压力差，其可具有稳态特性。)

在本实施方案中，第二导电元件32在横向方向上延伸足够远使其覆盖从照射部位21到阴极区10的所有直线，使得当试图到达阴极区10时，沿直线移动的任何粒子需要进入与壳体60或第二导电元件32接触。在带电粒子或金属液滴的情况下，这种接触将很可能意味着通过中和和/或粘附来固化粒子。从照射部位21到阴极区10的唯一直线路径穿过孔22。换句话说，第二导电元件32部分地为阴极区10遮挡照射部位21。

在所描述的系统1中，阻止碎片迁移到阴极区10中的另外的重要的机制是，电压源40施加弱阳性电位V_b到第二导电元件32的事实。其结果是，在靠近第二导电元件32的照射区20的这些部分中带正电的粒子将从第二导电元件32由取向基本上平行于电子轨迹的电场E排斥，因此远离孔。根据将停止除了那些具有最高动能的带电粒子之外所有带电粒子的电位静电能量，排斥电场将实现阈值，其能够使自身超过阈值并进入孔22。具有较低能量的粒子将被限制在其中电位静电能量相对较低的照射区20的下游部分。当以这种方式限制时，粒子具有与在照射区20(主要是在外壳60)中物体碰撞的显著可能性，从而终止其作为移动粒子的它们的寿命。值得注意的是，施加到第二导电元件32的正电位相对较弱，使得强大的加速场存在于阴极11和第二导电元件32之间。在这种结构中，第二导电元件32可认为起到虚阳极的作用，其允许加速的电子通过在下游方向的孔22。

图2示出了电子照射系统201，其与用于产生液体材料的射流250的设备一起布置，优选地通过在封闭或半封闭的环中循环靶材料。射流通过照射区221，在那里其与由阴极211产生的电子束(虚线水平线)相交。电子束与液体材料的流动相互作用以产生X射线束，其中通过X射线窗口239离开外壳。外壳260的几何形状不同于在图1中所示的几何形状，其中由外壳260包围的体积包括阴极区210、照射区220和孔222，其中孔222是区210、220连通的唯一的通道。

在本实施方案中，横向电场E被集中在第一导电元件231(其被集成在外壳中且限定了孔222的一部分)和第二导电元件232(其设置在孔222内部)之间。外壳的其余部分238(/倾斜剖面线)与第一导电元件电绝缘。其余部分238优选但不是必须保持在恒定电位，使得不允许电荷积聚；例如，剩余部分238可被连接到接地电位。利用图2中所示的电压源240的特定极性，第二导电元件232排斥在孔222中带正电的粒子，该孔有可能在有吸引力的第一导电元件231的表面上碰撞和中和。随着携带大量动能和/或带弱电的粒子的可能的例外，横向偏转场可能防止粒子完成其对孔222的穿越，使得它们不会到达阴极区210。在本实施方案的变体中，电压源240的极性可颠倒而对于场防止带电粒子通过孔222进入阴极区210的能力没有任何显著影响。

图3示出了电子照射系统中的电子束路径(水平虚线)的中央部分的细节。为清楚起见，没有按比例绘制图3，而是在实际设计中建议阴极311和照射部位321的距离比图3中的距离更远。在横向方向上(在图3中垂直)延伸的元件包括孔322，其围绕阴极311运行过程中所产生的电子束。在图3中所示的细节被包围在由连接到接地电位的第一导电元件(未示出)形成的外壳中。为了防止在照射区320中带正电的粒子通过孔322进入阴极区310，提供第二导电元件332，有吸引力的电位被施加到其上。如从下游方向所观察到的，第二导电元件332从孔的外侧边缘的一段距离围绕孔322。第二导电元件332可具有大致相似于孔322(例如，圆形、正方形)的横截面的形状的形状，但不必遵循孔322的边缘。当第二导电元件332连接到非零电位时，第二导电元件332和第一导电元件(未示出)产生位于在孔322附近的电场E。第二导电元件332可被设计的目的是，电场具有在孔322的附近的最大可能百分比中的非零向外径向分量。换言之，如果带电粒子靠近孔322，则由第一导电元件和第二导电元件332产生的电场用于从孔322移除带电粒子。

有吸引力的电位借助于电压源340施加到第二导电元件232。电压源340的高电位端可被连接到接地电位。在本实施方案的变体中，电流表(未示出)与电压源340串联连接，例如在第二导电元件332和电压源340之间。这使得每单位时间在第二导电元件232上沉积的带电碎片的量的测量和估计成为可能。

先前已经讨论过的，环形导电元件由位于或邻近其对称轴的远程粒子看做的点电荷。因此，环形元件可充当用于加速电子束或类似物目的的虚阳极。在图3中，第二导电元件332加速带电粒子进入孔322是不可取的。为限制以这种方式加速的带电粒子的数量，施加到第二导电元件332的电位不应该选择比所必需的电位更高；优选地，选择提供在粒子进入阴极区310所需的减少的最低电位。当第二导电元件332的直径增大时，加速带电粒子进入孔322的趋势将进一步降低。确保第二导电元件332充分以电子束的位置为中心(其中显然很少的带电粒子将位于该位置)也可以是有利的。从其它位置而不是中心线通过第二导电元件332，电场将施加向外的加速度分量在带电粒子上，远离引入孔322的轨迹。

值得注意的是，在图1和图3中公开的实施方案可被组合以获得有利条件。所得布置将包括位于靠近或围绕孔的排斥元件和位于稍远且有更大直径的吸引力元件。通过吸收附近的粒子，吸引力元件将减少在孔的下游区中的带电碎片的浓度。排斥元件将用作针对那些无论如何存在于这个区中的带电粒子的保护措施，即通过减少它们穿过孔并进入阴极区的可能性。此外，用上文概述的方式连接到吸引元件的电流表将提供有力的诊断数据。实际上，在相互作用区的瞬时热负载可通过在系统中的碎片的生产速率来监测(如由电流表电流所指示的)，该系统提供了电子光学系统的精确控制。特别地，能够避免热过载周期，使得系统的可靠性和有效寿命持续时间增加。

图4是电子照射系统的中央部分的横截面图，其中阴极区410经由孔422与照射区420连通，该孔可具有圆形、矩形、椭圆形或一些其它的横截面形状。该孔由围绕电子照射系统的外壳的部分限定，即第一导电元件431、第二导电元件432和外壳的其余部分438。第一导电元件和第二导电元件431、432是电绝缘的且布置成彼此相对的。特别地，其可由剩余部分438的部分分离，如在图4的横截面视图中是不可见的。当电压源440在元件之间施加电偏压V_b时，垂直取向的偏转场E将主要形成在第一导电元件和第二导电元件431、432之间的间隙。随着适当的调谐偏置电压，电场将阻止所有或大多数带电粒子完成通过孔422的上游行程。

图5示出了具有用于减小阴极退化的布置的以类似于图4中的系统的方式运行的电子照射系统的细节。图4和5中的系统之间的差异包括：孔522更短；位于在孔522附近的外壳560的部分包括在接地电位的第一导电元件531；横向偏转电场E为向下取向且由两个导电板532、533产生，其平行于电子束路径(虚水平线)延伸且垂直于附图的平面。导电板532、533未集成在外壳560中，但是上板与外壳电接触。无任何可预见的不便，将有可能让上板向上延伸到外壳560，其无论如何在相等的电位上。下板532被连接到由电压源540提供的弱负电位-|Vb|，其导致其吸引带正电的粒子。电场E主要吸引位于板532、533之间空隙或在其附近的带电粒子。因此，将有效地防止带电粒子进入孔522，且从而防止污染阴极区510。

图2和5示出了系统，其中围绕电子轨迹的孔222、522是阴极区210、510和照射区220、520之间的唯一通道。如果孔222、522的横截面面积是小的，提供多于一个的排气出口(未示出)是可取的，一个或多个真空泵可连接到其上。该问题在更宽敞的布局中更不明显，诸如在图1中所示的布局。便于抽真空的可替代的方式是提供一种旁路通道，其优选地沿着弯曲路径或由挡板隔断的路径连接照射区和阴极区，使得粒子不能以直线的方式行进到阴极区中。

图6是X射线源601的更详细的视图，其包括用于产生电子束I₁的电子枪611、613、632、670、672、674、676、678，用于产生充当电子靶的液体射流J的装置680，和电荷排出板631，在照射点621持续经过液体射流J的电子束I₁的部分将撞击在其上。设备位于气密外壳660内部，其对于电压源613和控制器678可能例外，控制器678可位于外壳660外部，如在附图中所示出的。如果外壳660不屏蔽电磁场到任何显著的程度，则通过电磁相互作用运行的各种电子光学组件也可位于外壳660外面。因此，如果外壳660是由具有低导磁率的材料(例如，奥氏体不锈钢)制成，则这种电子光学组件可位于真空区的外部。在本实施方案中，外壳660是导电的，并作为在所附权利要求意义上的的第一导电元件。电子枪通常包括由电压源613供电且包含电子源(例如，热离子、热场或冷场电子源)的阴极611。通常，电子能量可为从约5keV到约500keV的范围。来自源的电子束被朝向第二导电元件632加速，其中孔622被限定。在这点，电子束进入电子光学系统，其包括对准板670的布置、镜片672、674和偏转板676的布置。对准装置、偏转装置和镜片的可变性质可由从控制器678提供的信号控制。在本实施方案中，偏转装置和对准装置是可操作的以在至少两个横向方向上加速电子束。初始校准之后，对准装置670通常在X射线源的全部工作周期内维持在恒定设定，而在使用源601的过程中偏转装置776用于动态扫描或调节电子斑点位置。镜片672、674的可控特性包括其各自的聚焦能力(焦距)。虽然附图象征性地用一种方式描绘了对准装置、聚焦装置和偏转装置，来表明它们是静电型的，本发明同样可通过使用电磁设备或静电电子光学组件和电磁电子光学组件的混合来体现。

电子光学系统的下游，电子束I₁与液体射流J相交，其可由授权的高压喷嘴680产生，在照射部位621中，其用作相互作用区。这是X射线产生发生的位置。可从外壳660以不与电子束一致的方向(优选地通过专用窗口)来提取X射线。持续经过照射部位621的电子束I₁的部分到达电荷排出板631。外壳660的下部、用于从外壳660中排空空气分子的真空泵或类似装置、用于收集和再循环的液体射流J的容器和泵、用于控制电子束的像散的四极和其它装置，已被有意从该附图省略以增加其清晰度。

电子束I₁和液体射流J之间的相互作用是已知的，以产生色斑和含有大量液体靶材料的自由粒子两者。正如所指出的，本发明人已经认识到，当使用镓射流时产生显著大量电离碎片，包括离子Ga⁺、Ga⁺⁺和Ga⁺⁺⁺。这就是为什么本发明提出用于限制碎片向上迁移到阴极611的目的的静电装置。在图6中所示的实施方案中，通过施加从约10V到500V(优选为50至100V)的弱正电位到位于距离照射部位621的轴向距离为L的位置的第二导电元件632来产生取向基本上平行于电子束I₁的电场E。如已经解释的，电场E将限制带电粒子到第二导电元件632的区下游。事实上，还可通过增加施加到第二导电元件632的偏置电压V_b分离粒子被限制到其中的区，远离第二导电元件632(对于给定的运动粒子能量的范围)。

在模拟的实例中，产生带麦克斯韦-玻耳兹曼分布动能的离子Ga⁺、Ga⁺⁺和Ga⁺⁺⁺。在T＝2000K，最有可能的离子能量K_B×T约为0.17eV。当其被放在接地电位时，在第二导电元件632没有观察到排斥。据观察，当几伏电压的偏置电压V_b被施加时，热离子已经被从第二导电部件632排斥。偏置电压越高，离子被排斥的更早：当第二导电元件632被施加+50V电位时，没有离子比10.4mm更近；+500V电位能维持14.9mm的净空。

关于合适的偏置电压范围并且因此关于合适的电场强度可以做出以下评论。平行于电子束的电场可倾向于在径向向外的方向将电子加速到某种程度。而通常可使用校正透镜等来恢复电子束的焦点，平行场也可引入不可逆像差。在使用情况下，这可以是将反平行电场的强度减到最小的原因。

图7是旨在作为用于在其中电场平行于电子照射系统的主轴线延伸的情况下标注偏置电压的准则的相位空间图。横轴表示沿主轴线的轴向位置，其中坐标x＝0对应于照射部位，且x＝-L对应于孔的位置。纵轴表示速度矢量的标记的轴向分量。在该图中，存在代表由3个带电粒子占用的相位空间位置的三条曲线，带电粒子从位置x＝0以不同的初始速度V₃<V₂<V₁<0向上游行进。假定只在x方向运动，在它们返回朝向照射部位之前，两个较慢的粒子将到达位置x＝I₁和x＝I₂<I₁<0。假定三维运动，粒子自由地在任何地方移动到它们各自的曲线的右侧(意味着，特别是具有初始速度V₂的粒子可占据点使得坐标x＝I₁和x＝I₂代表粒子可到达的最远上游的点。转到更快的粒子，其以速度v₃离开照射区x＝0，此粒子携带足够的能量以到达在x＝-L的孔。与高电压阴极相关联的强加速度场占据x<-L的区，其意味着粒子将经受在朝向阴极的负x方向的强大加速，且将以渐增的速度进入阴极区。

如图7中以简化形式示出，平行电场将防止粒子向上达到一定动能进入阴极区，但将允许更快的粒子通过。可阐述设计标准：从照射部位通过电场到达孔的单电荷阳离子的位移需要比所述最大能量更大的功，以这种方式选择偏置电压。在实际使用情况下，例如，平均能量(速度快于特定阈值速度的粒子的份额)，关于速度分布的至少部分信息通常是可用的。如何从宏观数量(诸如电子束能量分布、照射部位的温度等)推导此类信息在本领域中是本身已知的。应当相信的是，本领域技术人员将能够使用这些信息来确定合适的偏置电压，例如，产生足以防止在照射部位的至少99％的带电粒子进入孔的电场的偏置电压。在图7的背景下，至多1％的粒子将与具有初始速度v₃的粒子一样快或更快，且从而能够离开照射区。作为这种方法的替代方案，技术人员可采取常规实验，其包括使得能够估计阴极退化速率的测量结果，该测量结果用于偏置电压值的选择。

在其中利用横向电场的实施方案中的考虑是不同的。首先，垂直电场可用通常更容易纠正的方式影响电子束；事实上，影响主要包含在来自不受干扰轨迹的偏转，且类似散焦和像差的影响通常将更不明显。由偏转场所施加的横向冲量涉及带电粒子在场中的停留时间(或通过场的通过时间)。首先，其中高能量电子以显著高于在照射区产生的带电粒子的速度的速度移动，使得在电子照射系统的正常运行中横向偏转将扰乱电子束到非常小的程度，这个事实是有利的。其次，为了使偏转场能够加速带电粒子远离进入孔的路径(且优选地通过碰撞导电壁来捕获它们)，该偏转场的强度和带电粒子的速度是反比关系。也就是说，捕获更快带电粒子需要更强的场。通过利用已知的、估计的或假定的以下参数的值，计算是简单的：最低预期电荷-质量(q/m)的商、最大速度和所需总的横向加速度。

该领域的技术人员应意识到，本发明绝不限制为上面描述的示例实施方案。与此相反，在所附权利要求的范围之内，许多修改和变化是可能的。例如，第一导电元件和第二导电元件可布置在其它几何位置中。所得电场不需要是纯轴向的或纯横向的，而可以是以提供的不同方式取向的，其在限制碎片粒子的移动中是有效的，尤其通过加速它们远离孔，或通过电中和或吸附将它们固定到表面上。特别地，可实现随时间变化的电场，其提供从不安全区(例如，孔的附近)转移碎片粒子到其中它们是无害的区中的更复杂的方法。随时间变化的电场也可用于更彻底地以周期性的间隔清楚照射区的自由地移动的碎片。

此外，根据研究附图、公开内容和所附权利要求，公开的实施方案的变体可在实践要求保护发明时由技术人员理解和实现。在权利要求中，词“包括(comprising)”不排除其它元件或步骤，且不定冠词“一(a)”或“一个(an)”不排除多个。某些措施被列举在相互不同的从属权利要求中的单纯事实并不表示这些措施的组合不能被加以利用。

Claims (15)

1.一种电子照射系统(1、201)，包括：

第一导电元件(31、231、331、431、531)；

气密外壳(60、560)，其包括所述第一导电元件且围绕阴极区(10、210、310、410、510)和与所述阴极区相通的照射区(20、220、320、420、520)；

高电压阴极(11、211、311)，其布置在所述阴极区中且可操作以发射电子束；

照射部位(21、221、321)，其布置在所述照射区中；和

孔(22、222、322、422、522)，其连接所述阴极区和所述照射区，且围绕从所述阴极到所述照射部位的电子轨迹，

其特征在于第二导电元件(32、232、332、432、532)和电压源(40、240、340、440、540)，所述电压源用于在所述第一导电元件和第二导电元件之间施加非零偏置电压，从而生成电场(E)，所述电场防止带正电粒子经由所述孔进入所述阴极区。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二导电元件与所述第一导电元件绝缘，且通过部分地为所述阴极区遮挡所述照射部位来对所述照射区与所述阴极区进行划界。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述第二导电元件布置在所述孔的附近并且是排斥的。

4.根据权利要求3所述的系统，其中所述第二导电元件是围绕所述孔的虚阳极。

5.根据权利要求3或4所述的系统，其中，为了捕获在所述照射部位产生且具有低于最大能量(W_k)的动能的阳离子，所述偏置电压被选择为使得单电荷阳离子从所述照射部位通过所述电场到所述孔的位移需要比所述最大能量更大的功。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二导电元件布置在所述孔的内部或在所述照射区中。

7.根据权利要求6所述的系统，还包括与有吸引力的所述第二导电元件串联布置的电流表。

8.根据权利要求6或7所述的系统，其中所述第二导电元件是有吸引力的，被布置在所述孔的附近并且包括通道，所述通道围绕由所述孔围绕的所述电子轨迹。

9.根据权利要求6或7所述的系统，其中所述第二导电元件适于产生横向于所述孔围绕的所述电子轨迹取向的偏转场。

10.根据权利要求9所述的系统，还包括第三导电元件(533)，其中所述偏转场位于所述第二导电元件和第三导电元件之间。

11.根据权利要求10所述的系统，其中所述第二导电元件和第三导电元件是平行于由所述孔围绕的所述电子轨迹延伸的导电板。

12.一种X射线源，包括：

前述权利要求中任一项所述的电子照射系统；

电子靶(250、350)，所述电子束聚焦在所述电子靶上，且所述电子束在所述照射部位与所述电子靶相互作用以产生X射线；和

窗口(239)，其允许X射线离开所述外壳。

13.一种用于照射包围在气密外壳内的照射区(20、220、320、420、520)的照射部位(21、221、321)中的目标的方法，所述气密外壳包括第一导电元件(31、231、331、431、531)，所述方法包括：

使用在阴极区(10、210、310、410、510)中的高电压阴极发射电子束，所述阴极区被包围在所述外壳中且与所述照射区连通；和

引导所述电子束通过孔(22、222、322、422、522)，所述孔连接所述阴极区和所述照射区，由此在所述照射区中产生带正电的粒子，

所述方法的特征在于，借助于电位与所述第一导电元件的电位不同的第二导电元件(32、232、332、432、532)产生电场，所述电场防止所述带正电的粒子经由所述孔进入所述阴极区。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述电场平行于所述电子束。

15.根据权利要求13所述的方法，其中所述电场是横向于所述电子束取向的偏转场。