CN105027253B - 低能量x‑射线的生成装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于生成软X射线的X射线源，该X射线源包括：阴极(1)，其具有由支撑结构(15)支撑的电子发射结构，该电子发射结构至少部分地对支撑结构界定的区域内的X射线是透明的；阳极(2)，其具有与阴极的电子发射结构平行的X射线发射表面(14)；电绝缘隔板(4)，其位于阳极与阴极之间；其中阴极的电子发射结构和阳极的X射线发射表面被配置为，在使用中，电子发射结构可操作性地向阳极轰击电子，使得X射线从X射线发射表面发射出并穿过阴极；并且其中的绝缘隔板被配置为位于阳极与阴极的支撑结构之间，并突出到支撑结构之外、跨越部分阳极并且进入到所述区域中。

Description

低能量X-射线的生成装置
技术领域
本发明涉及用于生成X射线的装置。它特别适用于(但不限于)对医学物品、药剂产品、或者食品或饮料的包装进行消毒的低能量X射线生成器。下面对其它可能的应用进行了讨论。
背景技术
X射线生成器通常用于制作或包装设施中，其用于对医学物品、药剂产品、或者食品或饮料的包装进行消毒。
在这些应用中(例如对包装进行消毒)，按照惯例，需要进行消毒的物品将会暴露于放射源(例如放射性钴)产出的X射线辐射。该辐射包括“硬”X射线，即具有高能量的辐射(测量到数兆电子伏特(eV))。
“硬”X射线通常是由放射衰变过程产生的，在该过程中，原子核经历了向元素周期表中的不同元素的转变，同时通过电磁波放射出能量。这发生在所谓的“伽马工厂”中，它利用了放射性钴的衰变并放射出高能量的X射线光子(在该特定实例中被称为伽马粒子，尽管这仍然是X射线辐射，只是具有了特定的能量和波长)。
现在的消毒标准需要25kGy(千戈瑞)数量级的剂量来实现将细菌消灭到可接受的级别。这样的剂量需要将包装暴露到放射源中很长时间，通常需要若干小时。为了使其可行，这种消毒通常是分批地在包含一个或多个托货盘的产品中实施的。这是可行的，因为“硬”X射线凭借它们的高能量有能力穿入到大量堆叠的包装中。
但是，近来，如GB 2444310A中讨论的，发现低能量或“软”X射线更适合表面的消毒。“软”X射线的特征在于相对较低的能量，并主要具有5至20keV的量子能。由于它们的低能量，这些软X射线具有较高的吸收性。因此，在消灭表面细菌时这种X射线的效率较高，并且所需要的总暴露时间比使用高能量X射线时更低。低能量X射线的剂量也是可取的，它降低了损坏被消毒的材料的风险，并且这种X射线的柔和性也使得可以将它们安全的用于生产线中，而不会对工作人员造成危险或者对于大规模铅屏蔽的需求。
可使用粒子加速器(例如，电子枪)生成带电粒子流来生成这种“软”X射线。当这些粒子由于与物体的相互作用(例如，当它们撞击金属目标时)而被减速时，它们会放射出电磁辐射。如果粒子束的初始能量足够高，电磁辐射将会定位于放射光谱的X射线范围内。
当电子改变它们的运动方向时，它们也会放射出X射线，如同同步加速器的情况(同步加速器辐射可在宽光谱范围中生成，包括X射线)。
在目前的工作中，我们会讨论基于加速的X射线的生产方法。大多数的X射线源运行在低功率水平(它们是例如医疗/牙科X射线装置、非破坏性试验(NDT)和行李扫描设备)。这是由设备的特定任务决定的：它们必须生成确保最佳图像质量的X射线束。同时，由于对X射线成像的需求，这些射线源通常是作为点射线源产生。生成这种用于成像应用的粒子束的最佳方式是在真空中对电子进行加速并随后将它们引导到金属目标上。
但是，对于消毒应用的情况，具有热阴极的真空X射线管不是很好地适合于长周期的重负荷运行。因此，在目前的工作中，我们选择的X射线生产方法基于的是在具有冷阴极的充气设备中生成电子，而不是具有加热丝的真空电子束射线源。
现存的“软”X射线生成器系统，例如GB 2444310A中披露的，具有许多缺点，这些缺点至少部分地是由阴极和阳极电极的布置以及在它们之间发生的电弧放电导致的。电极间的电弧放电、以及由此导致的电极腐蚀会导致系统运行寿命的减少。这还会影响其在发射器头部的较大横截面上同时生产稳定的、可靠的和可再现的X射线的能力，以及提供连续的和连贯的运行的能力。
因此，本发明的实施例寻求实现下面的一个或多个目标：(1)提高X射线生成器系统的运行寿命；(2)使其能够在X射线发射器头部的较大横截面上运行(3)改进设备的稳定性和可再现性(最小化生成能量的脉冲与脉冲之间的变化)；(4)避免电弧放电并排除不稳定性，当用于需要高水平的连续和连贯的运行的工业环境中时，这种电弧放电和不稳定性会降低设备的稳定性。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了如所附权利要求1限定的X射线源。于是，提供了一种用于生成软X射线的X射线源，该X射线源包括：阴极，其具有由支撑结构支撑的电子发射结构，该电子发射结构至少部分地对支撑结构界定的区域内的X射线是透明的；阳极，其具有与阴极的电子发射结构平行的X射线发射表面；电绝缘隔板，其配置在阳极与阴极之间；其中阴极的电子发射结构和阳极的X射线发射表面被配置为，在使用中，电子发射结构可操作性地向阳极轰击电子，使得X射线从X射线发射表面发射出并穿过阴极；其中的绝缘隔板被配置为位于阳极与阴极的支撑结构之间，并突出到支撑结构之外、跨越部分阳极并且进入到所述区域中。
上面和本文使用的表达“支撑结构界定的区域”应当被广泛地解释为，包括支撑结构只存在于正在谈论的区域的两个相对面上的配置，以及支撑结构基本上或完全包围正在谈论的区域的配置。
凭借绝缘隔板突出到阴极支撑结构之外、进入到所述区域中、跨越部分阳极，避免了或至少减少了电场强度会大大升高的阴极或阳极附近的位置的构造。实际上，绝缘隔板对阳极和阴极附近的电场分布进行了“平滑”。这降低了阴极和阳极之间的电击穿的概率，从而降低了电极之间的电弧放电的可能性，并降低了电极腐蚀的发生。因而，这增加了X射线生成系统的运行寿命，使其更适用于在升高的功率水平上连续和连贯的运行，使其能够在X射线发射器头部的较大横截面上传递更均匀的放电，并提高设备的整体稳定性、可靠性和可再现性。
在优选的实施例中，绝缘隔板突出到支撑结构之外、进入到所述区域中的距离是大约15mm。已经发现这种情况会得到最佳结果。
优选地，X射线发射表面上未被绝缘隔板覆盖的宽度处于大约3cm至大约10cm的范围内。
优选地，绝缘隔板的厚度是大约2mm。
优选地，绝缘隔板是由陶瓷材料制成的，例如氧化铝(Al2O3)。但是，可使用其它绝缘材料(特别是，其它陶瓷)替代。
优选地，阴极的电子发射结构具有栅格或网孔结构。特别优选地，栅格或网孔结构的几何透明度是大约70％至80％。
优选地，该X射线源还包括X射线透明窗口，其位于与阳极相对的阴极侧面上，该窗口界定了一个位于窗口与阳极之间的腔室。在优选的实施例中，腔室包含亚大气压的气体。气体是例如氦气的惰性气体或氮气，或者可以是空气。优选地，还提供位于气体供应装置与腔室之间的分子筛，从而防止水分或灰尘等进入到腔室中。还可提供与腔室连接的真空汞，从而实现和保持腔室中的亚大气压。
优选地，X射线透明窗口包括KaptonTM(RTM)，因为已经发现它具有有益的特性(包括当暴露到X射线中时会变得更加坚固，而其它材料会损坏或随着时间变得易坏)。
特别优选地，窗口由导电材料形成，或者进一步包括由导电材料形成的涂层。这使得窗口能够被保持在与阴极的电子发射结构相同的电位上，从而防止来自阴极的带电粒子被朝向窗口加速并损坏窗口。相应地，有利的是将窗口与阴极的电子发射结构电连接。
优选地，阳极是由金属块构成的，金属块的厚度是至少几毫米。。
优选地，阳极还包括冷却装置，例如一个或多个与阳极热连通的冷却管。
优选地，阴极的电子发射结构至少部分是由铜构成的。优选地，阳极同样至少部分是由铜构成的。例如，它可以是由块状铜、或者涂覆铜的铁构成的。尽管铜是阴极和阳极优选的材料，但是可使用其它材料替代，只要它们的特征发射谱线位于10-12keV以下的光谱范围中。
X射线源还可包括与阳极电连接的电源线缆。
优选地，X射线源还包括绝缘材料，该绝缘材料被配置为将阳极的波阻抗与电源线缆的波阻抗进行匹配。这有利地降低了施加到发射器头部的电压脉冲的反射。
优选地，阴极的电子发射结构处于地电位。
优选地，阴极的电子发射结构与阴极支撑结构电连接，使得能够将电子发射结构与阴极支撑结构保持在共同的电位。
优选地，阴极支撑结构与X射线源的外壳结构连接，或者与外壳结构一体形成。可将外壳结构配置为包围至少部分阳极。
优选地，绝缘隔板在外壳结构与阳极之间延伸。
优选地，X射线源还包括用于生成阳极与阴极之间的电压的装置。
特别优选地，用于生成电压的装置包括电感能量存储装置。利用该布置，上升的电流会导致电感器上的电压上升，因此有效地降低施加到可能在X射线生成器中产生的任何电电花上的电压，从而有效地充当自阻尼限制器。这还提高了X射线设备的运行稳定性和寿命。
优选地，用于生成电压的装置被配置为向阳极供应高压短脉冲。
优选地，X射线源被配置为发射出具有5keV至20keV的量子能的X射线，尽管如果特定应用需要可以将该能量提升。
根据本发明的第二方面，提供了一种包含如本发明的第一方面所述的X射线源的消毒装置。
根据本发明的第三方面，提供了一种包含如本发明的第二方面所述的消毒装置的生产线或者制造或包装设施。
根据本发明的第四方面，提供了一种对物品进行消毒的方法，该方法包括使用X射线源利用X射线辐射对物品进行照射，该X射线源为如本发明的第一方面所述的X射线源。
被照射的物品可以是例如医疗物品、药物物品、食物或饮料产品的包装材料、塑料薄膜、血液样品、食品或饮料。
根据本发明的第五方面，提供了一种用于X射线源的外耦合窗口，该窗口包括至少部分地对X射线透明的材料；其中窗口是由导电材料形成的，或者还包括由导电材料形成的涂层。
附图说明
将会参照附图并且仅以示例的方式对本发明的实施例进行描述，其中：
图1是根据本发明的一个实施例的X射线生成器的横截面示意图；
图2示出了X射线生成器的KaptonTM窗口的X射线传输数据(绘制的数据是针对75μm厚的KaptonTM聚酰亚胺薄膜的X射线传输数据)；
图3是对于典型的塑料包装材料(密度为1gcm-3)的质能吸收系数对比光子能量的绘图；
图4是作为光子能量的函数的剂量效率的绘图；
图5示出了通过电子束撞击到金属目标上生成X射线的过程；
图6a、图6b和图6c提供了理论和实验轫致辐射光谱的对比；
图7是展示Cu Ka特征辐射强度的绘图；
图8是利用X射线对塑料薄膜进行消毒的生产线装置的示意性图；
图9是展示沿着塑料薄膜的具体剂量率分布的绘图；
图10示出了针对不同距离和电压计算的铜阳极X射线源的剂量面积积分的代表性数据。
具体实施方式
当前的实施例展现了申请人已知的实践本发明的最佳方式。但是，它们不是实现该目的的仅有方式。
当前的优选实施例的概述
图1示出了X射线生成器12，它包括充气的闪光X射线管，其具有用于对产品(例如塑料医疗用品)进行消毒的电感能量存储器。X射线管的发射器头部13包括由高透明金属栅格或网孔制成的冷阴极1，以及由块状金属制成的由高电压短脉冲提供能量的阳极2。栅格阴极1发射出的电子撞击金属阳极2并从阳极2的发射表面14生成表征的和轫致辐射X射线辐射。X射线辐射穿过阴极栅格1并对需要消毒的一个或多个物品进行辐射。
电绝缘(优选的是陶瓷)隔板4提供了避免施加脉冲功率时阳极-阴极放电间隙发生短路或电弧放电的装置，从而实现运行寿命的增加，及更稳定和可再现的运行，同时创造在大面积上生成X射线的条件。
此外，在当前的优选实施例中，所使用的电源不是基于电容能量存储器，而是基于电感能量存储器。
应当注意到图1中的简图不是按比例的。此外，该简图中包括的尺寸只针对当前的优选实施例，并且只是示例性目的；在替代性的实施例中，组成零件可具有不同的尺寸。图1左侧的组件区域绝大多数与右侧区域上的相同；为了清晰，只对每个组件标记一次。
X射线生成器的详细描述
图1示出了根据本发明的当前的一个优选的实施例的X射线生成器12。单色X射线束从具有较大横截面面积的辐射器中生成，而不是从点射线源产生。发射器头部13可具有宽范围的形状和尺寸。例如，它可以是长而薄的(例如，以垂直于图1的平面的均匀横截面延伸)、圆形或方形、或任何其它形状——取决于被辐射对象的形状指定的需求。
如图所示，X射线生成器12的电极系统包括阴极1和阳极2。阴极1具有栅格或网孔电子发射结构(如下面更详细地讨论的；可以使用大量的具有较好的导热性和导电性的不同金属)。将阴极1定形为和配置为使得X射线能够相对自由地穿过该结构。在该优选的实施例中，阴极1的网孔具有约70％至80％的几何透明度(低于该范围将会导致较低的工作效率、降低转变成X射线的能量转换率，而高于该范围会导致网孔变得太脆弱和易损坏)。
阳极2是由至少几毫米厚的金属块制成的，这为阳极2提供了增强的散热性的可能，热量通过冷却管6排除。这对于现实运行环境中的设备的稳定和连贯运行是重要的。可使用广泛的利用热交换的冷却系统对金属块进行冷却。例如，以1升/秒的速度运行的水冷却系统将会足以驱散金属块吸收的200kW的热能。
电极1、2的优选的材料是铜，因为铜发射出特征辐射Cu K的强谱线—铜的第一特征K辐射谱线处于X射线光谱的低能量(8keV)部分。但是，可以使用其它金属或导电材料制作电极1、2，可将它们的表面覆盖薄的铜层从而提供与块状铜类似的发射特性。优选的是，电极1和电极2都由类似的材料组成，或者它们的表面由类似的材料覆盖，从而避免由于飞溅情况下的表面成分的变化而导致的发射光谱特性的最终变化，这种飞溅情况会在电极1、2由不同材料组成时发生。铜是电极1、2当前的优选材料；但是，可使用其它材料替代，只要它们具有位于10-12keV的光谱范围中的特征辐射谱线。
对阴极1与阳极2之间的间隙填充负压(低压或中压)气体。该气体可以是特别选定的例如氦气的惰性气体或氮气，但是替代性地标准空气可以被用于填充到设备中。可以利用通过开口9连接到该设备的外部真空泵控制设备内部的气压。为了填充气体，使用了来自容器反面的开口，该开口通过阀门11提供了受控制的气体泄漏。为了确保没有水分、灰尘等进入到辐射器中，在阀门后面放置分子筛10。
已经成功地演示了使用以5毫巴压力进行排气的工作原型。但是，如前面提到的，可以使用其它气体，这会允许各实施例在不同的压力上运行。
该系统的另一个重要部件是外耦合窗口3，它在阳极2与窗口3之间形成了一个腔室，该腔室中包含上面所述的气体，并且将阴极1封装到其中。在该优选的实施例中，该窗口3是由聚酰亚胺薄膜制成的，优选的是KaptonTM。尽管可使用其它材料，但是KaptonTM是目前我们找到的最佳选择，因为它证明了该申请中的一些特别吸引人的特点，当暴露于X射线中时它会变得更坚固，而其它材料随着时间推移会损坏或变得易碎。理想地，窗口3应当达到几点需求：它应当承受压力差并且不会损坏、具有对于X射线的低吸收损耗(参见图2中的传输数据)、并且在强烈的X射线辐射下应当不会损失其强度和透明度。除了KaptonTM，其它材料也可被用于外耦合窗口3，只要它们具有与KaptonTM类似的、或更好的材料特征和传输参数，尽管我们现在没有发现任何这样的材料。
优选地，窗口3是由导电材料形成的，或者将窗口3的内表面涂覆导电材料薄层。例如，可在窗口3的内表面上沉积诸如石墨的导电材料层。但是，在该优选的实施例中，使用了商业上可获得的导电材料聚酰亚胺薄膜(KaptonTMRS)来形成窗口3。KaptonTMRS包含加载了导电的碳的聚酰亚胺薄膜。通过使得窗口3导电，可使得窗口3保持与阴极1的栅格或网孔相同的电位，从而防止在外耦合窗口3的方向中的阴极栅格/网孔的各网格之间的“悬挂”形成电场(这会导致加速电子不断流向窗口3，从而导致窗口材料的溅射并致使它被损坏)。
阴极1被安装在金属支撑结构15上，并与金属支撑结构15电连接，金属支撑结构15保持在地电位上。于是，阴极1具有相同的电位。金属支撑结构15被连接到外壳结构5，或者与外壳结构5一体形成，至少部分的阳极2被安装到外壳结构5中。通过绝缘隔板4将阴极支撑结构15(以及外壳结构5的其余部分)与阳极2电隔离。外耦合窗口3也被安装到外壳结构5上，并安装到阴极1上面。如该优选的实施例，如果外耦合窗口3是导电的，则外耦合窗口3与外壳结构5和阴极支撑结构15电连接，从而使得窗口3与阴极1处于相同的电位。
阴极支撑结构15和/或外壳结构5可以由不锈钢或任何其它适合的材料制成。
通过高压线缆7由电源向辐射器供应高压脉冲。优选地，电源是具有电感能量存储器的高压生成器。电感能量存储器对于稳定的设备运行是重要的，下面将会在解释其原因。
将发射器头部13的波阻抗与电源线缆7的波阻抗进行匹配的块体绝缘材料8实际上充当了变压器，这降低了施加到发射器头部13上的电压脉冲的反射。
绝缘(例如，陶瓷)隔板
尽管在下面描述的该优选的实施例中，绝缘隔板4是由陶瓷材料(例如，氧化铝)制成的，但是在其它替代性实施例中，它可以取而代之地由其它绝缘材料制成。
陶瓷绝缘隔板4用于使阳极的发射器表面14与阴极支撑结构15和金属外壳5相互绝缘，并同时提高发射器的运行稳定性。为了实现该提高稳定性的目的，我们通过将陶瓷绝缘隔板4提供的开口制作成稍微小于外壳15的阴极支撑部件15所提供的开口，减小了发射器表面14的尺寸。在图1展示的实例中，该差异是在阳极2的表面上突出的15mm的额外陶瓷材料。对于陶瓷隔板4在阳极2上突出的距离，对小于15mm的距离进行了测试，其结果令人不满意。大于15mm的距离将会导致有效的运行，但是会降低X射线辐射的面积，进而影响结果。因此，在该优选的实施例中，陶瓷隔板4在阳极2上突出的距离是大约15mm。
通过该陶瓷隔板4，我们避免了在阴极和阳极1、2附近形成电场强度会大幅升高的位置。实际上，陶瓷隔板4对阴极和阳极1、2附近的电场分布进行了“平滑”。在该领域已知的存在电场强度可以大幅升高的位置的X射线源中，存在很大的机会出现电极之间的短路电击穿，导致电荷的电弧放电和X射线生产的中断。其结果是电极的腐蚀以及随后的设备内侧的损坏。
如所示出的，优选地，绝缘陶瓷隔板4还在外壳结构5与阳极2的侧面之间向下延伸，并在阳极2的表面上突出。于是，外壳结构5与阳极2是电绝缘的。
优选地，陶瓷隔板4的厚度是大约3mm，如所示出的。优选地，将陶瓷隔板4安装为与阳极2的上表面接触，并与阴极支撑表面15下侧和至少部分外壳5的内表面接触。
优选地，暴露于陶瓷隔板4相对边缘之间的阳极2的X射线发射器表面14的宽度处于大约3cm至大约10cm的范围内。从暴露的X射线发射器表面14产生的X射线束是均匀的和准确引导的。
如上面所述，尽管该优选的实施例的隔板4是由陶瓷材料(例如，氧化铝)制成的，但是在其它替代性实施例中，它可以取而代之地使用其它绝缘材料。
我们的试验展示出，对于规则设计的电极，当没有保护性的绝缘隔板4(不是必须是陶瓷)时，由于放电不稳定每10000个脉冲中会出现一个电火花。在高于几kW的功率水平上，可以使用热稳定更高的材料；但是，不会使用诸如TeflonTM的材料，因为它对电荷过于绝缘。考虑到我们的设备会以高达20kHz的重复频率运行，这实际上表示，没有这些保护性工具，该设备可能适合于短期科学研究，但是完全不适合常规的工业运转。但是保护性的绝缘隔板4使得X射线生成器能够应用于长期的连续运转中，例如制造业或包装生产设施的生产线上。
我们的系统的另一个重要特征是组合了两种保护性装置。一个是上述的特定形状的陶瓷隔板4，另一个是基于电感能量存储而不是基于电容能量存储的电源的使用。其差别是由以下因素导致的：
在电容能量存储设备中，如果发生偶然的击穿，电源本身无法对此有影响，并且它会演变成一个盛开的电火花，这个电火花会损坏电极的表面和设备本身。但是，通过使用电感能量存储电源，上升的电流导致电感器上的电压上升，因此有效地降低了施加到电火花上的电压。实际上，它起到了自阻尼限制器的作用。连同陶瓷保护器4，这大幅提高了设备的运行稳定性和寿命。
通过该系统还产生了一个附属的益处，即在阴极1和阳极2之间的腔室中生成了紫外辐射，它确保了X射线设备中的稳定的和无菌的环境。
图1的装置中的组件的汇总，以及示例说明
1.阴极栅格(优选的是铜)，具有大约70％至80％的几何透明度
2.阳极(优选的是铜，或者以铜涂层的铁)
3.输出窗口(例如，KaptonTM200RS100)
4.绝缘隔板(例如，氧化铝陶瓷)
5.外壳(例如，不锈钢)，处于地电位
6.冷却管(适合冷却的液体是例如变压器油或硅油)
7.高压线缆
8.线缆与发射器头部的波阻抗的隔离匹配
9.用于泵送气体的端口(例如，3-10毫巴的干燥空气或氮气)
10.具有分子筛(例如，X13)的盒
11.调整泄漏阀门
12.X射线生成器
13.发射器头部
14.发射器表面
15.阴极支撑结构(例如，不锈钢)
跨界射线区域中的软X射线
下面的部分对上面描述的实施例生成的软X射线及其在消毒应用中的应用提供了更多细节。
在我们的有机物消毒的方法中，主要的思想在于使用大部分位于5到20keV范围内的量子能量的软X射线，而不是使用Co60的高能量伽马消毒。该方法的潜在优点和缺点可以从图3中看到，其中展现了包装中使用的典型塑料(密度为1gcm-3)的质能吸收系数，同时展现了质量衰减系数。在该曲线图中，上面的线条是质量衰减系数，下面的线条是质能吸收系数。
在该曲线图中，我们明确地标记了两个不同的能量区域。一个区域对应于Co60产生的高能量伽马射线(“硬”X射线)并位于1MeV附近，另一个区域(也称为跨界射线)被限定在5到20keV并对应于“软”X射线。跨界射线区域的下限是因为小于～5keV的能量的较小的光子范围(<1mm)。因为真空窗中的强大吸引作用，具有较小能量的光子不能逃脱传统的X射线管。跨界射线区域的上限是由X射线与物质相互作用的机制的变化决定的。在小于～20keV能量时，光子与物质的相互作用主要是通过光电吸收进行的，而散射起到了较小的作用。在较高的能量时，机制转变为康普顿(Compton)散射，而光电吸收是不重要的。
决定消毒效果的主要参数是剂量。剂量是单位质量的物质吸收的X射线的能量。将X射线产生的剂量与不同能量进行对比是具有指导意义的。具有能量E的光子的通量F[phcm-2s-1]产生的剂量率等于乘积假定我们生成具有不同能量的相等通量的光子。如果乘积与相等，则具有不同能量Elow和Ehigh的光子将会具有相同的“剂量效率”。图4中描绘了δ对比光子能量的数据。
出人意料地，低能量与高能量(“软”和“硬”X射线)区域之间的剂量效率中存在镜像对应关系。例如，具有8keV量子能量的光子与具有1keV能量的光子具有相同的剂量效率。令人感兴趣的是，我们注意到具有接近50keV能量的光子对于消毒的目的是没有价值的。这是由于该能量区域中的剂量效率曲线上的深井造成的，如图4中所示。
因此，我们得出结论，跨界射线区域中的10keV附近的X射线与能量较大的1Mev光子具有相同的剂量效率。如果将使用低和高能量X射线产生相同辐射剂量所需要的能量进行对比，则利用低能量X射线消毒的优点会变得更加清楚。
由于8keV和1000keV能量的剂量效率是相等的，光子通量也应当相等，从而会产生相同的剂量率。这表示需要的低能量X射线的能量P＝ElowF只有高能量伽马辐射的能量的8/1000。假定我们以0.8％的效率生成低能量X射线(X射线的输出功率与输入的电功率的比)。则将会实现与1MeV伽马射线(如果它们是以100％的效率生成的)相同的消毒效果。
但是，以低能量X射线消毒具有潜在的缺点。低能量光子的范围相对较小—在跨界射线区域内在塑料和水中为1-20mm左右。应当注意到，对于塑料，可能会有多层，如果被辐射的结构不是实心塑料，而是包含空气(例如在泡沫、管道或注射器中)，在跨界射线区域内X射线的整体穿透范围可能大于20mm。当然，由于非常小的空气密度，大气中的光子范围大于1米，甚至在跨界射线区域的下界。由此得出结论，对于低能量X射线消毒存在一个固有限制—薄的低密度材料，例如医疗设备、塑料包装或血样、莴苣和汉堡。
通过千电子伏特(keV)电子生成的X射线
在该部分，我们会描述一个通过电子束撞击到金属目标上来生成X射线的模型，并根据可用的实验数据对理论结果进行检验。最重要的实践结果是与目标相距各种距离时的剂量率的计算，这在实施上面所描述的X射线生成器的实施例时是有用的。这还展示出了，对于辐射消毒我们的照射方案相对于其它消毒处理的直接优点。
根据定义，在单位时间间隔内，从单位立体角和单位能量间隔中发射出来的X射线光子的数量如下：
这里，是通过上面介绍的输运方程的解得到的电子谱线密度，是光子能量和发射角的原子场轫致辐射截面微分[1]。
考虑到电子束通常撞击到金属目标上，如图5中所展示。在单位能量和立体角间隔中在离源角θ方向中的目标的单位发射出的光子的数量—光谱亮度—由下面的关系式给定：
其中，μ(E)是目标金属的X射线衰减系数。
最终，在观察点上的扩展的X射线源产生的剂量率分布如下：
这里，积分是在通过观察点可以看到发射源的立体角上进行的，L是观察点与发射源表面区域之间的距离。
理论模型与实验数据的对照
X射线光谱亮度是利用关系式(2)计算的。图6a至图6c中呈现了与可用实验数据[2-4]进行了对照的计算结果。图6a至图6c中使用的参数如下：
图6a：Ebeam＝15keV，垂直入射，离源角＝40°。
图6b：Ebeam＝20keV，垂直入射，离源角＝40°。
图6c：Ebeam＝20keV，垂直入射，离源角＝40°。
可以看到，计算和测量数据之间的差小于实验误差。理论曲线正好位于不同的实验数据之间。
通过使用实验截面来计算特征K辐射的强度[5]。计算结果呈现在图7中。
它与实验具有很好的一致性[6]。因此，当前的工作过程中开发的模型给出了可靠的X射线(通过在金属目标中停止千电子伏特电子束产生的)的光谱，并且可被用于设计X射线消毒源。
实际示例-使用扩展的X射线源对塑料物品进行的消毒
图8中展示了X射线消毒系统的一个示意性实例。将需要消毒的物品(在该实例中是塑料膜22)以速度U(通过控制器21和23)在X射线辐射器20下方移动，该辐射器20包含矩形X射线源，该X射线源具有铜阳极。出于该实例的目的，我们将X射线源的宽度设定为1cm、长度为50cm。以h表示辐射器20与塑料膜22之间的距离。坐标轴x沿着薄膜的方向。
可通过等式(3)计算剂量率。对于运行在60kV的X射线源的特定情况，图9中展示了不同距离h的具体剂量率分布。该绘图基于L＝50cm、w＝1cm、U＝60kV、铜阳极的矩形X射线源的剂量率分布。‘h’代表与阳极的距离。在该曲线图中，最上面的线条指的是h＝0.5cm，中间的线条指的是h＝1.0cm，最下面的线条指的是h＝2.0cm。
图9中的绘图呈现了利用X射线源时需要消毒的物品在一秒钟内接收到的剂量，该X射线源是由电流密度为1mA cm-2的电子束驱动的。重要的是注意到，利用适中的X射线源参数，顶峰剂量率达到了非常高的值(～1kGy s-1)。
为了示出我们的方法，呈现了通过照射面积期间投递到平面塑料样本上的剂量的计算结果。通过照射面积期间物品接收到的辐射剂量的计算是使用下面的关系式完成的：
其中J是电子束电流密度，U是传送带速度，剂量面积积分∫dxD是在物体的全部长度上进行的。图10中展示了对不同距离和电压计算的剂量面积积分的代表性数据。
对需要消毒的物品的单位表面积消毒所需要的电能W由下面的关系式给出：
这里，Ebeam是千电子伏特的电子束能量，Dosageth＝2500Gy是灭菌效果达到log6所需要的最小剂量，剂量与面积之积是Gy cm2mA-1s-1。假定X射线源运行在60kV，发射源与物体相距2cm。则，如下所示，通过图10中的数据，需要的能量是：
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Claims (46)

1.一种用于生成软X射线的用于对物品进行消毒的X射线源，该X射线源包括：
阴极，其具有由支撑结构支撑的电子发射结构，该电子发射结构至少部分地对支撑结构界定的区域内的X射线是透明的；
阳极，其具有与阴极的电子发射结构平行的X射线发射表面；
电绝缘隔板，其配置在阳极与阴极之间；
其中阴极的电子发射结构和阳极的X射线发射表面被配置为，在使用中，电子发射结构可操作性地向阳极轰击电子，使得X射线从X射线发射表面发射出并穿过阴极；
其中绝缘隔板被配置为位于阳极与阴极的支撑结构之间，并突出到支撑结构之外、跨越部分阳极并且进入到所述区域中；
其中所述X射线源还包括X射线透明窗口，其位于与阳极相对的阴极侧面上，该窗口界定了位于该窗口与阳极之间的腔室；以及
其中所述腔室包含亚大气压的气体。
2.如权利要求1所述的X射线源，其中绝缘隔板突出支撑结构之外、进入到所述区域中的距离是15mm。
3.如权利要求1或2所述的X射线源，其中未被绝缘隔板覆盖的X射线发射表面的宽度的范围是3cm至10cm。
4.如权利要求1所述的X射线源，其中绝缘隔板的厚度是2mm。
5.如权利要求1所述的X射线源，其中绝缘隔板是由陶瓷材料制成的。
6.如权利要求5所述的X射线源，其中绝缘隔板是由氧化铝制成的。
7.如权利要求1所述的X射线源，其中阴极的电子发射结构具有栅格或网孔结构。
8.如权利要求7所述的X射线源，其中栅格或网孔结构的几何透明度是70％至80％。
9.如权利要求1所述的X射线源，还包括与腔室连通的气体供应装置。
10.如权利要求9所述的X射线源，其中所述气体是惰性气体。
11.如权利要求10所述的X射线源，其中所述惰性气体是氦气。
12.如权利要求9所述的X射线源，其中所述气体是氮气。
13.如权利要求9所述的X射线源，其中所述气体是空气。
14.如权利要求1所述的X射线源，还包括位于气体供应装置与腔室之间的分子筛。
15.如权利要求1所述的X射线源，还包括与腔室连通的真空汞。
16.如权利要求1所述的X射线源，其中所述窗口包括KaptonTM。
17.如权利要求1所述的X射线源，其中所述窗口由导电材料形成。
18.如权利要求1所述的X射线源，其中所述窗口还包括由导电材料形成的涂层。
19.如权利要求17或18所述的X射线源，其中所述窗口与阴极的电子发射结构电连接。
20.如权利要求1所述的X射线源，其中所述阳极是由金属块形成的。
21.如权利要求20所述的X射线源，其中所述金属块的厚度是至少几毫米。
22.如权利要求1所述的X射线源，其中所述阳极还包括冷却装置。
23.如权利要求22所述的X射线源，其中冷却装置包括与阳极热连通的一个或多个冷却管。
24.如权利要求1所述的X射线源，其中所述阴极的电子发射结构至少部分是由铜形成的。
25.如权利要求1所述的X射线源，其中所述阳极至少部分是由铜形成的。
26.如权利要求1所述的X射线源，还包括与阳极电连接的电源线缆。
27.如权利要求26所述的X射线源，还包括绝缘材料，该绝缘材料被配置为将电源线缆的波阻抗与所述阳极的波阻抗进行匹配。
28.如权利要求1所述的X射线源，其中阴极的电子发射结构处于地电位。
29.如权利要求1所述的X射线源，其中所述阴极的电子发射结构与支撑结构电连接。
30.如权利要求1所述的X射线源，其中所述支撑结构与X射线源的外壳结构连接，或者与外壳结构一体形成。
31.如权利要求30所述的X射线源，其中所述外壳结构被配置为包围至少部分阳极。
32.如权利要求30或31所述的X射线源，其中所述支撑结构与外壳结构电连接。
33.如权利要求32所述的X射线源，其中所述绝缘隔板在外壳结构与阳极之间延伸。
34.如权利要求1所述的X射线源，还包括用于生成阳极与阴极之间的电压的装置。
35.如权利要求34所述的X射线源，其中用于生成电压的装置包括电感能量存储装置。
36.如权利要求34或35所述的X射线源，其中用于生成电压的装置被配置为向阳极供应高压短期脉冲。
37.如权利要求1所述的X射线源，配置为发射具有5keV至20keV范围内的量子能的X射线。
38.一种包含如权利要求1所述的X射线源的消毒装置。
39.一种对物品进行消毒的方法，该方法包括使用如权利要求1所述的X射线源利用X射线辐射对物品进行照射。
40.如权利要求39所述的方法，其中所述物品是医疗物品。
41.如权利要求39所述的方法，其中所述物品是药物物品。
42.如权利要求39所述的方法，其中所述物品包括食物或饮料产品的包装材料。
43.如权利要求39所述的方法，其中所述物品包括塑料薄膜。
44.如权利要求39所述的方法，其中所述物品包括血液样品。
45.如权利要求39所述的方法，其中所述物品包括食品或饮料。
46.一种通过权利要求39的方法产生的消毒物品。
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CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20170627

Termination date: 20180225

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