CN106794470A - X射线源及包括x射线源的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明一般涉及一种X射线源，特别地涉及一种适用于大面积X射线产生情形下的X射线源。本发明还涉及一种包括此X射线源的系统。

Description

X射线源及包括X射线源的系统
技术领域
本发明一般涉及一种X射线源，特别地涉及一种适用于大面积X射线产生情形下的X射线源。本发明还涉及一种包括此X射线源的系统。
背景技术
用于产生X射线辐射的系统在例如，医学诊断中用于采集射线照相图像或者产生用于技术诊断应用的平面图像。X射线辐射的另一个有效使用是在物质处理中用以减少生物和其他污染的影响。例如，可以照射食物来延长有效期，使得食物的食用更安全。可以以相同的方式来照射废水或者径流来减少污染的影响。
在技术诊断成像领域，X射线对穿透待检查的固体物体的内部结构特别有效，并且由通过那里的X射线所形成的图像显示物体的内部缺陷或者结构缺陷。技术诊断X射线成像因此提供用于在制造期间和产品的有效期内评估产品的结构方面的一个有价值的质量控制检查工具。这种形式的诊断分析有时优于其他类型的评估，因为成像物体不需要在评估过程中被破坏。因此，技术诊断成像也被称为非破坏性测试。
图1a中示意性地示出一个典型的现有技术中的装置。X射线管1通常包括一个电子枪，电子枪具有发射加速到阳极3的电子束2的阴极（未示出）。阳极由例如钨的金属靶表面组成，由于加速电子的撞击，X射线从该阳极上产生。辐射由两部分组成，轫致辐射和特征辐射。轫致辐射是主要部分，并且以具有垂直于电子束2的线性路径的最大值和具有与sin2(v)的角度成比例的分布（其中，v=0是角度平行于电子线性运动，即轫致辐射强度最大值垂直于电子束路径2）的强度属性辐射，而特征辐射在整个立体角（球面）上具有均匀的强度分布。图1b示出sin2分布10，其中，示出来自电子路径的径向轫致辐射强度为均匀的。从而，由图1a所示，阳极3通常与电子束2的轴线成一定角度放置，X射线4可以在大致垂直于电子束轴的方向上透射。应当注意的是，在这种装置中，大约一半所产生的X射线将穿透如阳极中，并且将被吸收。X射线4然后可以穿过用于校准X射线束的薄铍窗口，并且还在X射线管1内提供一个真空密封。此后，X射线4沿着大致圆锥形路径离开X射线管1，其中，圆锥的顶点与由撞击电子束所形成的目标上的点大致重合。
这种发散辐射图案，基本上源自点源将在真空中具有与距离r的平方反比成比例的强度下降，即，对于纯几何原因，为1/r2。为了以适当的剂量有效地利用该辐射图案，必须产生考虑随着距离而下降的辐射剂量，并且感兴趣的物体必须合理地放置在辐射锥体中。虽然一些辐射源使用多个点源，或一个或多个移动点源，来补偿次优发射图案，此发射系统具有其自身固有的缺点和复杂性。特别地，涉及源定时，源定位等的混合体是常见的。
在特别是去污或者卫生目的的材料处理中，重要的是能够递送足够均匀和足够强辐射图案，以确保足够辐射来减少微生物（或者更大生物体）和污染物的影响。
已经得到一种方法来解决上述提及问题，该方法通过引入用于X射线产生的大面积平板源。在EP1948249中公开了此实施例的示例，其中，一个或者多个X射线辐射的大面积平板源被引导如目标区域中。待处理的目标物质例如经传送带、管等防止在目标区域内，并且用来自一个或者多个平板源辐射照射以减少污染物存在于目标物质中的生物效应。该解决方案的缺点是当平行或者接近平行于表面传输时，强度分布中的大部分将损失。图2构思性地示出现有技术中平板X射线装置20中的X射线分布，（装置）包括透射阴极22和阳极24，也指示如上所述的平行X射线分布。
因此，需要一种改进的X射线源和相应的系统，其至少减轻现有技术中的可靠性问题，进一步关注低成本应用。
发明内容
根据本发明的一个方面，上述至少部分地通过被配置为提供X射线辐射的全向传输的X射线源来缓解，所述X射线源包括阳极、场发射阴极，对于X射线辐射为透明的真空室，阳极和场发射阴极布置在真空外壳内部，其中，真空外壳是延伸的管状真空室，场发射阴极与延伸的管状真空室的内表面相邻地布置，以及将阳极中心地布置在延伸的管状真空室的内部。
本发明的另外一个方面是最小化或者至少显著地减少如上讨论的被吸收到阳极中的X射线，以及尽可能多地利用所产生的辐射。
根据本发明的X射线源的一般用途是在操作期间在X射线源周围的大面积内实现有用的X射线辐射。结合现有技术，场发射阴极与真空室的内表面相邻地布置，而不是普通方案中阴极通常地中心布置。在典型的现有技术的装置中，阴极布置在外壳的内表面，电子将撞击阳极而产生X射线，但是由于在这种现有技术的装置中的阴极优选地由重元素例如钨来制造，不可避免地，立即产生的X射线（在很大程度上）将在阳极中被吸收，因此，这种现有技术中的装置的总体效率将会降低。
这种装置的另外一个优点是场发射阴极的表面积增加，因此，允许更大的阳极暴露给从场发射阴极发射的电子。从而，由于本发明的装置中阳极被场发射阴极所“围绕”，根据本发明，与阴极布置在中心的解决方案相比，可以更有效地产生X射线的全向辐射。
在X射线源的操作期间，在阴极和中心布置的阳极之间施加电势，电子因此从阴极发射且朝向阳极的方向上被加速至高速度。一旦电子与阳极碰撞就产生X射线。随后，当布置在管状腔室的内表面的场发射阴极基本上“围绕”阳极时，X射线以“所有方向”从阳极发射。
阳极为金属材料，例如包括钨或者更抗裂的铼（5%）和钨（95%）或者钼的合金。其他金属材料也是可能的，包括例如铜和钴。从上文可以理解，本发明的X射线源，其中，阴极布置为基本上围绕中心布置的阳极，可以因此允许形成X射线源，其中，与现有技术的解决方案相比，阴极的总表面可以更大，因此可能允许朝向阳极发射的电子的增加。
在本发明的优选实施例中，场发射阴极对于X射线辐射基本上是透明的，例如作为透射阴极。从而，将不必要包括一个现有技术的X射线源解决方案中常见的特别布置的“窗口”。此外，事实上，场发射阴极基本上透明允许X射线辐射的全方位的发射。然而，应当注意的是，在本发明的构思内，可能允许阴极表面的一些部分“屏蔽”X射线辐射，例如在一个或者多个选择的方向限制X射线辐射。
在本发明的一些实施例中，阳极具有一个与延伸管状真空室的内部的至少一个部分相匹配且沿着其延伸的延伸形状，优选地由玻璃材料制造。在例如配置为阳极的铜靶的情形下，铜靶可以被构造为与管状真空室相匹配的实心圆柱体。
优选地，X射线源配置为连接至一个可控的高压源，用于在阴极和阳极之间提供上述的电势差。高压源电连接至阳极和阴极，且优选地配置输送介于（至少）4-20 kV的高电压。
有利地，X射线源可以适于在提供低至1 mA电流时产生高达大约20 keV的X辐射光谱。从而，可以设置具有仅小能力消耗的合适的X射线源，从而使得X射线源的成本运行有效。
优选地，真空室具有大约10-4 Pa或者更低的压力，以使得能够使用场发射的冷阴极，并且避免降解、寿命电弧和与这种设备中不良真空相关的类似现象的问题。
在本发明的实施例中，场发射阴极包括多个纳米结构。由此所提供的协同效应允许改善朝向阳极的电子发射，并且因此与现有技术相比，允许产生一个改进的和能量高效的X射线。在本文上下中，术语纳米结构指其中至少一个维度在高达几百纳米的数量级上的结构。这种纳米结构可以例如包括纳米管、纳米棒、纳米线、纳米铅笔、纳米钉、纳米花、纳米带、纳米针、纳米盘、纳米壁、纳米纤维和纳米球。此外，纳米结构也可以由任何上述提及的结构的组合所形成。纳米结构的优选方向为在基本上垂直于细长管状腔室的内表面的方向上。根据本发明的一个实施例，纳米结构可以包括ZnO纳米棒。
根据本发明的一个替代实施例，纳米结构可以包括碳纳米管。碳纳米管可以适合作为场发射体纳米结构，部分取决于由于他们的细长形状，细长形状可以在其尖端集中并阐述较高的电场，也取决于他们的电性能。
根据另一个优选实施例，上述讨论的X射线源优选提供为X射线系统的组件，其中，X射线系统优选地还包括电连接到X射线源用于为X射线源供电的可控高压电源。
另外地，X射线系统可以包括一个用于控制电源操作的控制单元，可能还与适用于监测环境变量的至少一个传感器通信连接，并且作为响应地控制电压电平。环境变量可以例如存在于液体或者气体中，例如在水中或者在空气中，的微生物的水平。
从而，在一个优选实施例中，X射线系统配置为处理例如水的液体，因此，X射线系统还包括用于将X射线源放置于水生环境中的防水装置。这样的实施例还可以包括一个用于接收受污染液体流的入口和用于输出处理后的液体流的出口，其中，X射线辐射朝着受污染液体流全方向地辐射。如此，可以使用X射线辐射的受控暴露来消毒例如水的液体。在水中，在净化过程中，通过电离辐射产生的羟基自由基可能比直接作用于微生物的辐射的直接影响更重要。
延伸的管状腔室优选地具有圆形对称性，从而在本质上对应于水管的典型对称性，因此，使得根据本发明的X射线源的结构形式对于液体运输相关的用途特别有用。
或者，X射线系统还可以包括用于接收受污染空气流的处理空气路径，以及用于在处理空气路径内布置X射线源的装置，其中，X射线辐射朝向处理空气路径中的空气流全方向地辐射。以与处理水相似的方式，可以使用X射线辐射的受控暴露来消毒空气流。
在本发明的一个可能的实施例中，X射线源布置为静电除尘器的部件，还包括至少一个收集板。在这种实施例中，X射线源可以用于对包含在通过处理空气路径的空气流中的颗粒进行充电。收集板设置用于收集带电颗粒的相应电荷，从而有效地充当空气净化器。这种系统可以另外地包括一个用于收集颗粒的过滤介质，其中，过滤介质沿着空气流的方向布置在X射线源的下游。包括在本发明的系统中的电源还可以电连接到至少一个收集板，因此，消除使用另外电源的必要性，并且因此提供以相对低成本制造和操作这种系统的可能。
上述讨论的X射线系统可以为便携式的，因此，还包括一个电池操作的高压电源，有利地允许X射线系统对于现场应用可以移动。
当研究所附权利要求和以下描述时，本发明的进一步特征和优点将变得显而易见。本领域的技术人员应该认识到，在不脱离本发明的范围的情况下，本发明的不同特征可以组合来产生除了下面描述的那些实施例之外的实施例。
附图说明
从下面的详细描述和附图将容易理解本发明的各个方面，包括其具体特征和优点，其中：
图1a和1b分别示出现有技术的点X射线装置和来自此X射线装置的X射线分布；
图2示出在现有技术的平板X射线装置中产生的X射线分布图案；
图3a和3b示出根据本发明的当前优选实施例的一个X射线源；
图4a-4b示出在根据本发明的一个X射线源中产生的X射线分布图案；
图5示出一个配置用于水处理的X射线系统的示例；以及
图6提供一个配置用于空气处理的替代X射线系统。
具体实施方式
现在将在下文中参照附图更全面地描述本发明，在附图中示出本发明的当前优选实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式实施，并且不应该被解释为限于本文所阐述的实施例；相反地，提供这些实施例是为了彻底性和完整性，并且将本发明的范围完全传达给本领域的技术人员。全文上下，相同的附图标记始终表示相同的元件。
现在参照附图，且具体参照图3a和3b，示出X射线源100。X射线源100包括阳极102，场发射阴极104和真空室106。真空室106优选由玻璃材料制造成，具有允许真空室对于X射线辐射为透明的厚度和化学构造。
阳极102以及场发射阴极104布置在真空外壳106的内部，并且场发射阴极104设置在真空室106的内表面108上。场发射阴极104依次包括布置在内表面108上的导电和X射线透明的基底110。基底110可以例如包括氧化铟锡（ITO），其具有选择为允许X射线辐射穿过的厚度。
场发射阴极104还包括多个场发射体，例如大量的纳米结构112，例如选择为包括ZnO纳米棒或者碳纳米棒。纳米结构112的长度优选地选择为至少1 um。
阳极102优选地为金属材料，例如铜，钨等。在示例性实施例中，真空室106构造成具有管状的细长腔室。相应地，选择阳极102为延伸穿过真空室106的细长铜棒。X射线源100封闭在其延伸的每个端部，例如使用布置在每个端部的泵杆（未示出）。泵杆允许在腔室内部产生真空，优选地具有大约10-4 Pa或者更低的压力。泵杆优选地也为玻璃的，并且焊接到管状腔室106上。
泵杆还可以被构造用于允许电源（未示出）和阳极102/阴极104之间电连接。如上所述的电源优选地配置为至少允许对提供给X射线源的电压电平进行控制。为了随后调节电压电平，电源可以另外地配置为从至少一个传感器接收数据，该数据指示围绕X射线源100的环境变量。
在X射线源100的操作期间，电源将向阳极102和阴极104提供受控的高电压。在多个纳米结构112的外端和阳极102之间产生电场，由此电子114将被传输并且撞击到中心布置的阳极102的表面上。一旦电子114被阳极102接收，将辐射出X射线116。由于阴极104布置为基本上围绕阳极102，因此，阳极102将“在所有侧面”接收电子114，并且因此X射线将沿着所有方向（例如360度），全方向地，从阳极102传输出。
X射线116是X射线源100朝向阴极104传输的实现的结果，并且穿过阴极102和腔室106的外部至X射线源100的外部周围。因此，场发射阴极104可以作为透射阴极来实现。
转到图4a和4b，为关于根据本发明得到的结果的进一步解释。如上所讨论，轫致辐射强度的最大值垂直于电子路径，而特征辐射在整个立体角（球面）上具有均匀的强度分布。通过使用本发明的构思，可以实现如图4a和4b所示的“围绕”阳极102的均匀分布模式，本发明的构思为真空室106特别地选择为具有管形形状，并且阳极102中心布置在延伸管状真空室106的内部。与图2所示的扁平X射线源相比，本发明的X射线源100在横向方向上仅“松散”有限量的X射线辐射。因此，取决于如下事实：如图1a和1b中所讨论的，阳极102中的一点相对于阴极104基本上相对于阴极104成一个角度放置。因此，X射线源100辐射到外部的X射线辐射中仅沿着阳极102的延伸方向上的横向X射线辐射将会损失。
转到图5，示出X射线系统200的一个可能实施例，X射线系统200包括多个根据本发明的X射线源100。在图5所示的实施例中的X射线系统200作为水净化装置示例。如此，X射线系统200包括主体202，主体202成形为具有矩形横截面，（主体）具有布置在其一端上的入口204，并且配置为连接至例如泵（未示出）用于将受污染的水流206输送至系统200内。系统200还包括布置在主体202的另一端上的出口208，用于输出至少部分净化的水210。
多个X射线源以锯齿形图案布置在矩形主体202内，使得受污染的水206顺序地通过X射线源100。湍流和混合发送装置（未示出）可以设置在主体202内部，用于改善X射线源100发射的X射线和受污染的水206之间的“接触”，其中，湍流和混合发生装置选自贯穿孔、孔、冲孔、冲压结构、波纹和凹槽的组中的一个或者多个。其他类型的湍流和混合装置也是可能的，并且在本发明的范围内。同样地考虑系统200内的X射线源100的放置，例如以单列或者双列等布置X射线源。在所示的实施例中，示出八个X射线源100。应当理解的是，依赖于系统200的实现，可以提供任意数量的X射线源100（也可以是单个）。
一旦X射线辐射与受污染的水206相接触，水中可能含有细菌和微生物，处理将会启动，其中，细菌/微生物的细胞将分解，并且因此杀死细菌/微生物，使得至少部分净化后的水210可以通过出口208输出。
图5中所示出的系统200可以例如用于废水处理或者用于压载水的实施。其他实施方案当然是可能的，并且在本发明的范围内。类似地，与图5相关的描述是参照水进行的。其他液体以类似的方式是可能的，并且在本发明的范围内。此外，设置控制单元212用于控制电源和可能接受来自传感器（未示出）的环境变量的测量，例如（基本上）在主体202的出口处得到的细菌/微生物的水平，可以用于控制电压电平，并且因此控制在X射线源100的阳极102和阴极104之间的电势差。另外，控制单元212可以配置为控制阀门（未示出），例如布置在出口208的下游。通过调节这种阀门的打开水平，可以调节受污染的水206暴露于X射线辐射中的时间。
参照图6，在本发明的另外一个实施例中，提供了用于空气净化的灰尘收集系统300。系统300包括具有入口304的主体302，入口304配置为接收含有多个颗粒的受污染空气流306。包括在系统300中的过滤介质308用于过滤掉“粗”颗粒。系统300还设置多个如上所讨论的X射线源100，并且用于朝向空气流全方向辐射X射线。
在图6中所提供的示例性实施例中，X射线的辐射将对过滤介质308之后剩余的颗粒进行充电，并且多个收集板310布置在主体302的出口312的附近。空气流中的颗粒被来自X射线源100的X射线辐射充电，并且随后由收集板310收集，然后通过312作为净化后的空气流314输出。从而，收集板相应地提供电势（与带电颗粒相比）用于允许所讨论的颗粒收集。
与灰尘收集系统300相关的上述讨论为与空气相关；然而，任何类型的气体都是可能的，并且在本发明的范围内。另外，通常设置风扇（未示出）用于迫使空气/气体通过灰尘收集系统300。净化后的空气流314可以随后作为输入提供给用于建筑物，车辆或者类似情形的空调装置。
以与上述所讨论的相似方式，提供控制单元316用于控制电源并且可能从传感器（未示出）接收环境变量的测量，例如（基本上）在主体302的出口处得到的细菌/微生物的水平，可以用于控制电压电平，并且因此控制在X射线源100的阳极102和阴极104之间的电势差。
综上所述，本发明涉及配置为提供X射线辐射的全向传输的X射线源，所述X射线源包括阳极、场发射阴极，对于X射线辐射为透明的真空室，阳极和场发射阴极布置在真空外壳内部，其中，真空外壳是延伸的管状真空室，场发射阴极与延伸的管状真空室的内表面相邻地布置，以及将阳极中心地布置在延伸的管状真空室的内部。
根据本发明的X射线源的一般用途是在操作期间在X射线源周围的大面积内实现有用的X射线辐射。结合现有技术，场发射阴极与真空室的内表面相邻地布置，而不是普通方案中阴极通常地中心布置。这种装置的优点是场发射阴极的表面积增加，因此，允许更大的阳极暴露给从场发射阴极发射的电子。从而，由于本发明的装置中阳极被场发射阴极所“围绕”，根据本发明，可以产生X射线的全向辐射。
尽管附图可以示出方法步骤的特定顺序，但是步骤的顺序可以不同于所示出的顺序。此外，两个或者更多个步骤可以同时或者部分同时执行。这种变化将取决于系统所选择的软件和硬件以及设计者的选择。所有的这些变化都在本公开的范围内。同样地，软件实现可以通过具有基于规则的逻辑和其他逻辑的标准编程技术来实现，以完成各种连接步骤，处理步骤，比较步骤和决定步骤。另外地，尽管参照具体示例性实施例已经描述了本发明，但是对于本领域技术人员来说，许多不同的改变，修改等将变得显而易见。
本领域技术人员通过研究附图，公开内容和所附权利要求书实践本发明可以理解和实现所公开的实施例的变化实例。此外，权利要求书中，词语“包括”不排除其他元件或者步骤，并且不定冠词“一”或者“一个”不排除多个。

Claims (15)

1.一种X射线源，配置为提供X射线辐射的全向传输，所述X射线源包括：
- 阳极；
- 场发射阴极；
- 对于X射线辐射为透明的真空室，阳极和场发射阴极布置在真空外壳内部，
其中，真空外壳是延伸的管状真空室，场发射阴极布置为与延伸的管状真空室的内表面相邻，阳极中心地布置在延伸的管状真空室的内部。
2.根据权利要求1所述的X射线源，其特征在于，场发射阴极对X射线辐射基本上是透明的。
3.根据权利要求1和2中任意一项所述的X射线源，其特征在于，阳极具有一个延伸形状，延伸形状与延伸的管状真空室内部的至少一个部分相匹配且沿着该部分延伸。
4.根据前面权利要求中任意一项所述的X射线源，其特征在于，X射线源配置为连接至一个可控的高压源，在X射线源的操作期间，电子沿着朝向阳极的方向从场发射阴极加速，并且从阳极朝向场发射阴极全方向辐射X射线辐射以及辐射出X射线源。
5.根据权利要求4所述的X射线源，其特征在于，X射线辐射透射通过场发射阴极。
6.根据权利要求5所述的X射线源，其特征在于，场发射阴极形成为透射阴极。
7.根据前面权利要求中任意一项所述的X射线源，其特征在于，场发射阴极包括多个纳米结构。
8.一种X射线系统，包括：
- 根据前面权利要求中任意一项所述的X射线源，以及
- 连接至X射线源用于为X射线源供电的可控高压电源。
9.根据权利要求8所述的X射线系统，进一步包括用于控制电源操作的控制单元。
10.根据权利要求8和9中任意一项所述的X射线系统，进一步包括用于将X射线源放置于水生环境中的防水装置。
11.根据权利要求10所述的X射线系统，进一步包括：
- 用于接收受污染液体流的入口；以及
- 用于输出处理后的液体流的出口，
其中，X射线辐射朝着受污染液体流全方向地辐射。
12.根据权利要求8和9中任意一项所述的X射线系统，进一步包括：
- 用于接收受污染空气流的处理空气路径；以及
- 用于在处理空气路径内布置X射线源的装置，
其中，X射线辐射朝向处理空气路径中的空气流全方向地辐射。
13.根据权利要求12所述的X射线系统，其特征在于，X射线源布置为静电除尘器的部件，进一步包括至少一个收集板。
14.根据权利要求13所述的X射线系统，其特征在于，X射线系统为空气净化器。
15.根据权利要求12-14中任意一项所述的X射线系统，进一步包括用于颗粒收集的过滤介质，其中，过滤介质沿着空气流的方向布置在X射线源的下游。
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