CN107068520A - x射线源、高电压发生器、电子束枪、旋转靶组件、旋转靶以及旋转真空密封件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及x射线源、高电压发生器、电子束枪、旋转靶组件、旋转靶以及旋转真空密封件。具体地，一种用于在电子束照射下生成x射线辐射的旋转x射线发射靶，包括：支撑毂，所述支撑毂限定所述靶的预定的旋转轴；多个靶板，所述多个靶板各自由靶材料构成并且被支撑在所述毂上，其中，所述板被布置在所述毂上，以提供绕旋转轴的环形靶区域；以及多个屏蔽元件，所述多个屏蔽元件被支撑在所述毂上并且被布置为覆在所述靶区域的部分之上，靶板在所述靶区域的所述部分处邻接或重叠，或者在所述靶区域的所述部分处没有靶材料。

Description

x射线源、高电压发生器、电子束枪、旋转靶组件、旋转靶以及 旋转真空密封件

本申请为分案申请，其原申请是于2015年11月10日(国际申请日为2014年3月12日)向中国专利局提交的专利申请，申请号为201480026566.X，发明名称为“x射线源、高电压发生器、电子束枪、旋转靶组件、旋转靶以及旋转真空密封件”。

技术领域

本发明涉及一种x射线源，并且更具体而言涉及针对所述x射线源的高电压发生器、电子束枪、旋转靶组件、旋转靶以及旋转真空密封件。

背景技术

x射线成像对于研究、工业应用以及医学应用是一种宝贵工具。通过利用x射线辐射来照射靶对象并通过对透射通过该对象的x射线进行探测，可以获得该对象的内部结构的图像。

该图像容许识别出对象中使x射线的通过相对较多地衰减的那些部分以及使x射线的通过相对较少地衰减的那些部分。通常，较密集的材料以及包含有高比例的高原子序数的原子或离子的那些材料会倾向于相对较大程度地阻碍x射线的通过。此外，x射线在靶对象中行进的总路径长度越长，衰减程度越大。因此，x射线成像除了提供结构信息之外，还可以提供关于对象的组分的信息。

此外，通过相对于源-探测器系统来旋转靶对象，或反之亦然，以不同角度获得关于对象的一系列x射线图像，并且应用计算机重构技术，可以确定对象的3D体积图。该图容许重构出对象的以更大或更小程度衰减x射线的那些体积部分，并因此容许在3D中确定关于对象的内部结构和组分的信息。该3D重构被称为计算机断层扫描成像或CT成像。

该x射线成像技术在工业产品和研究样品的无损试验中尤其重要。例如，对涡轮叶片进行成像容许确定铸造缺陷，而对考古遗物进行成像容许确定遗物的结构和组分，即使当对象被腐蚀或者被包覆在沉积的沉积物中时。例如，该技术在公知为Antikythera机械装置的古老的Corinthian模拟计算机的内部结构的确定上已经是极其重要的，甚至通过大量的矿物沉积。

然而，使x射线能够在对对象的内部结构进行分析上是有利的的属性，即致密物质对x射线的部分衰减，也存在关于其效用的技术限制。更具体而言，如果对象尺寸很大或者包含大量的不透射线或射线不能透射的材料(为呈现出相对高的每单位x射线辐射路径长度的衰减的材料)，那么已穿过对象的x射线束可能被衰减到使得记录的图像中的对比度或信噪比为差的程度，并因此不能可靠地确定内部结构或组分。

在衰减仅是适度的情况下，增加通过对象的总x射线通量可以产生在探测器处的信噪比和对比度上的提高。然而，在对象很大或者极其不透射以致入射在对象上的较大比例的x射线都无法完全透射对象而是在对象内部被吸收的情况下，需要不同的解决方案。

x射线光子在被吸收前典型地穿透的距离(“穿透深度”)随着x射线光子能量而增加。因此，高x射线光子能量的x射线源(特别是达到300keV或更高)的产生实现了对较大和较密集的对象的有用的x射线成像。然而，商业上还未生产出实用的适当高能量的x射线源。

因此，本领域需要一种可以在高达500keV以及更高的能量下工作并且适合于用于商业x射线应用以及研究方面的x射线应用(诸如，计算机断层扫描(CT))的x射线源。

发明内容

根据第一方面，提供了一种用于x射线源的高电压发生器，该发生器包括：输出电极；第一电压倍增器；第二电压倍增器；以及屏蔽电极，该屏蔽电极被设置为至少部分围绕输出电极；其中，第二电压倍增器的输出端电连接到输出电极；第一倍增器的输出端电连接到第二电压倍增器的输入端；并且屏蔽电极电连接到第二电压倍增器的输入端。

在一个实施例中，屏蔽电极实质上包围输出电极。

在一个实施例中，屏蔽电极周向地包围输出电极。

在一个实施例中，屏蔽电极具有发射孔口以容许来自安装在输出电极处的电子发射源的电子的发射。

在一个实施例中，发生器还包括具有第一端部和第二端部的延长绝缘套管，其中：第一电压倍增器和第二电压倍增器被设置在套管内；输出电极被提供在套管的第二端部处；并且屏蔽电极从套管的介于套管的第一端部与第二端部之间的区域延伸。

在一个实施例中，发生器还包括：第三电压倍增器；以及辅助屏蔽电极，该辅助屏蔽电极被设置为至少部分围绕屏蔽电极，其中：第三电压倍增器的输出端电连接到第一电压倍增器的输入端；并且辅助屏蔽电极电连接到第一电压倍增器的输入端。

在一个实施例中，发生器被布置为在至发生器的输入端与输出电极之间生成至少500kV的DC电位差，优选地至少750kV的DC电位差。

在一个实施例中，第一电压倍增器和第二电压倍增器以及可选地第三电压倍增器中的每一个电压倍增器被布置为在各自的输入端与输出端之间产生至少150kV，优选地200kV，最优选地300kV。

在一个实施例中，其中，第一电压倍增器和第二电压倍增器以及可选地第三电压倍增器中的每一个电压倍增器是Cockroft-Walton电压倍增器。

在一个实施例中，发生器还包括提供在第一电压倍增器的输出端与第二电压倍增器的输入端之间的一个或多个浪涌电阻器，以及可选地，一个或多个另外的浪涌电阻器提供在第三电压倍增器的输出端与第一电压倍增器的输入端之间。

在一个实施例中，发生器还包括提供在第二电压倍增器的输出端与输出电极之间的一个或多个浪涌电阻器。

根据第二方面，提供了一种电子束发生器，包括：第一方面的实施例的高电压发生器；安装在输出电极处的电子发射源。

在一个实施例中，电子发射源是被加热的灯丝。

在一个实施例中，电子束发生器还包括被设置为包围输出电极和屏蔽电极的真空外壳。

根据第三方面，提供了一种x射线枪，包括：第二方面的实施例的电子束发生器；以及被放置为受电子束的照射的x射线发射靶。

根据第四方面，提供了一种电子束设备，包括：真空外壳；以及电子束发生器，该电子束发生器被安装在真空外壳中，电子束发生器包括高电压电极以及被安装在高电压电极处以产生电子束的电子发射源，其中：电子束发生器还包括被安装在电子束发生器内的控制模块；电子束设备还包括相对于真空外壳的壁而安装的远程模块；控制模块包括光电探测器和光电发射器中的一个；远程模块包括光电探测器和光电发射器中的另一个；光电探测器被放置为接收由光电发射器发射的光；电子束设备还包括被设置在光电探测器与光电发射器之间的光学路径的、用于覆盖光电探测器和光电发射器中的一个的透明传导屏蔽体。

在一个实施例中，透明屏蔽体被布置在高电压电极处并且电连接到该高电压电极，并且控制模块被安装在高电压电极内。

在一个实施例中，透明屏蔽体被布置在真空外壳的壁处，并且电连接到真空外壳的壁。

在一个实施例中，传导反射镜被放置于透明屏蔽体与光电探测器和光电发射器中未被透明传导屏蔽体覆盖的另一个之间的光学路径中。

在一个实施例中，传导反射镜被放置于高电压电极处或高电压电极内，并且电连接到高电压电极。

在一个实施例中，传导反射镜放置于真空外壳的壁处或真空外壳的壁外，并且电连接到真空外壳的壁。

在一个实施例中，透明传导屏蔽体形成在真空外壳的壁或者高电压电极的壁处的真空屏障的部分。

在一个实施例中，提供了从透明传导屏蔽体的一侧到透明传导屏蔽体的另一侧的流动路径，以均衡一侧与另一侧之间的压强。

在一个实施例中，透明传导屏蔽体包括透明基板，该透明基板具有在透明基板上提供的透明传导层。

在一个实施例中，透明传导层是图案化的传导层。

在一个实施例中，透明传导层是传导膜。

在一个实施例中，透明传导层由氧化铟锡组成。

在一个实施例中，透明基板是玻璃。

在一个实施例中，远程模块以可移除的方式安装至真空外壳的壁。

根据第五方面，提供了一种x射线枪，包括第四方面的实施例的电子束设备以及靶组件，该靶组件被布置为使得来自电子束发生器的电子束照射靶组件的x射线发射靶部分。

根据第六方面，提供了一种用于旋转轴的旋转真空密封件，该密封件包括：用于容纳轴并且在高压强端部和低压强端部中的每一个端部处具有端子孔口的孔；在介于高压强端部与低压强端部之间的位置处围绕孔并且周向地邻接孔的腔室；以及从腔室延伸至适合于连接到真空泵的端口的流动路径。

在一个实施例中，孔在高压强端部与腔室以及低压强端部与腔室中的每一个之间实质上是圆柱形的。

在一个实施例中，腔室实质上是圆柱形的。

在一个实施例中，腔室具有跨孔的纵轴的最小内部尺寸，该最小内部尺寸为孔的纵轴的至少120％。

在一个实施例中，密封件包括用于可旋转地支撑孔中的轴的旋转轴承，轴承可选地被提供为在孔的高压强端部和低压强端部中的每一个端部处的一对旋转轴承，优选地为一对滚珠轴承。

在一个实施例中，密封件还包括被容纳在孔中的轴。

在一个实施例中，轴实质上是圆柱形的。

在一个实施例中，孔和轴的尺寸被设定为：使得在高压强端部处维持的1巴的压强以及在腔室中维持的1毫巴的压强导致在标准温度下高压强端部与腔室之间氮的质量流率低于1毫巴l/s。

在一个实施例中，孔和轴的尺寸被设定为：使得在腔室中维持的1巴的压强以及在低压强端部处维持的10^-5毫巴的压强导致腔室与低压强端部之间氮的质量流率低于10^-3毫巴1/s。

根据第七方面，提供了一种用于x射线源的靶组件，包括：真空壳体；x射线发射靶；以及第六方面的实施例的旋转真空密封件，该旋转真空密封件被提供至外壳的壁，其中，x射线发射靶安装在轴上。

根据第八方面，提供了一种用于x射线源的旋转靶组件，该装置包括：x射线发射靶；真空壳体；安装靶并穿过真空壳体的壁的轴；可旋转地支撑主轴的轴承；以及支撑轴承并安装在真空壳体的壁上的轴承壳体，其中，通过扭矩限制器来安装轴承壳体，以使得当轴承壳体与真空壳体之间的扭矩超过预定的扭矩时，轴承壳体相对于真空壳体旋转。

在一个实施例中，扭矩限制器包括被布置为抑制真空壳体与轴承壳体之间的旋转并且被布置为在预定的扭矩下发生剪切的一部分。

在一个实施例中，扭矩限制器包括在真空壳体与轴承壳体之间施加摩擦力的部分并且被设置为容许真空壳体和轴承壳体在预定的扭矩下相对于彼此进行滑动的一部分。

在一个实施例中，轴承壳体和真空壳体中的一个具有法兰，而轴承壳体和真空壳体中的另一个具有夹钳组件；并且夹钳组件被布置为将摩擦力施加于法兰。

在一个实施例中，夹钳组件包括被布置为接触法兰的一侧的能量吸收板，以及被布置为抵靠着能量吸收板推动法兰的夹钳。

在一个实施例中，能量吸收板是环形的。

在一个实施例中，夹钳包括作为夹钳部分的滚动轴承或滑动轴承，滚动轴承或滑动轴承用于允许法兰自由地抵靠着夹钳部分而滑动。

在一个实施例中，夹钳设置有偏置弹簧，以便调整夹钳力，其中借助夹钳力，夹钳装置抵靠着能量吸收盘而被推动。

在一个实施例中，法兰和板至少中的至少一个沿着法兰和板中的至少一个与法兰和板中的另一个相接触的路径是周向连续的。

在一个实施例中，夹钳被安装至能量吸收板。

在一个实施例中，法兰和能量吸收板被选择为在低于100℃的温度下是相互无磨损的。

在一个实施例中，夹钳组件被布置为在法兰与能量吸收板之间提供超过50kg的力，可选地提供超过80kg的力。

在一个实施例中，夹钳组件被布置为在轴承壳体与真空壳体之间传递的扭矩已经超过预定的扭矩之后，将在轴承壳体与真空壳体之间传递的扭矩限制为低于10Nm。

在一个实施例中，预定的扭矩低于10Nm。

根据第九方面，提供了一种x射线枪，包括：电子束发生器以及第八方面的实施例的旋转靶组件，旋转靶组件被布置为使得来自电子束发生器的电子束照射x射线发射靶的靶部分。

根据第十方面，提供了一种用于在电子束照射下产生x射线辐射的旋转x射线发射靶，包括：限定靶的预定的旋转轴的支撑毂，以及各自由靶材料构成并且被支撑在毂上的多个靶板，其中，板被布置在毂上，以提供绕旋转轴的环形靶区域。

在一个实施例中，靶板被布置为在靶区域的周向方向上彼此间隔开，以使得靶区域的靶材料在靶板之间被中断。

在一个实施例中，靶材料中的靶材料的中断表示不超过靶区域内的总周向路径的10％，优选地不超过靶区域内的总周向路径的1％，更优选地不超过靶区域内的总周向路径的0.1％。

在一个实施例中，靶板重叠或者彼此邻接，以提供靶材料的实质上连续的靶区域。

在一个实施例中，靶板中的每一个靶板在板的相对径向向内位置处被锚定至毂，并且以毂相对径向向外伸出。

在一个实施例中，靶板中的每一个靶板是以环形扇形部的形式。

在一个实施例中，靶还包括被支撑在毂上并且被布置为覆在靶区域的部分之上的多个屏蔽元件，靶板在该靶区域的该部分处邻接或重叠，或者在该靶区域的该部分处没有靶材料。

在一个实施例中，屏蔽元件被布置为覆在靶板的周向方向边缘部分之上。

在一个实施例中，屏蔽元件在靶区域内的位置处与靶板轴向地间隔开。

在一个实施例中，屏蔽元件由由与靶材料相比具有显著更低的原子序数的原子或离子的材料而构成。

在一个实施例中，屏蔽元件由铍合金或铝合金构成。

在一个实施例中，靶材料是钨或钨合金。

在一个实施例中，靶区域中的靶板具有小于在750keV下靶材料中的电子穿透深度的200％的厚度，优选地小于电子穿透深度的150％的厚度，更优选地小于电子穿透深度的125％的厚度。

在一个实施例中，毂具有用于将毂安装至轴承以便绕旋转轴旋转的安装装置。

在一个实施例中，毂具有厚度相对减小的第一径向内区域和厚度相对增加的第二径向向外区域。

在一个实施例中，第二区域设置有用于冷却流体的多个径向延伸的通道；第一区域的相对减小的厚度限定了毂的轴向面中的凹槽；并且多个通道终止于凹槽的周向壁中提供的相应的端口。

在一个实施例中，多个通道被连接为以限定从凹槽的壁延伸并返回至凹槽的壁的至少一个连续流动路径。

在一个实施例中，毂包括位于凹槽中的冷却剂分配器，并且该冷却剂分配器提供：冷却剂入口端口和冷却剂出口端口；用于使供给至入口端口的冷却剂去往至少一个连续流动路径的供给路径；以及用于使从至少一个连续流动路径返回的冷却剂去往至少一个出口端口的返回路径。

在一个实施例中，冷却剂分配器包括在凹槽中提供的中央凸台，该凹槽具有至少一个入口端口和至少一个出口端口以及可选地从凸台延伸至在凹槽的周向壁中提供的端口的多个管道，中央凸台具有被布置为可选地经由多个管道将冷却剂从入口端口分配到至少一个连续流动路径以及从至少一个连续流动路径分配到出口端口的内部通道。

根据第十一方面，提供了一种x射线枪，包括：电子束发生器和第九方面的实施例的x射线发射靶，x射线发射靶被可旋转地放置为使得来自电子束发生器的电子在靶旋转的同时照射环形靶区域的一部分。

根据第十二方面，提供了一种x射线源，包括：电连接到高电压发生器的阴极，阴极用于将电子束发射至靶；以及被布置为围绕阴极的屏蔽电极，屏蔽电极在将阴极连接到靶的虚线的方向上具有孔口，其中，屏蔽电极维持在相对于靶的与相对于阴极不同的电位差。

在一个实施例中，x射线源还包括用于容纳阴极和屏蔽电极的外壳，其中，屏蔽电极在阴极与外壳之间移动。

在一个实施例中，屏蔽电极具有多个电极元件，电极元件具有孔口并且被设置为围绕阴极。

在一个实施例中，多个阴极元件中的每一个阴极元件维持在不同的电压，以使得电极元件中的每一个电极元件与靶之间的相对电位随着相应的电极元件与外壳的接近度而变低。

在一个实施例中，x射线源还包括被设置在阴极周围的Wehnelt，其中，Wehnelt与靶之间的电位差大于阴极与靶之间的电位差。

在一个实施例中，x射线源还包括根据权利要求1至14中的任一项的被布置为提供阴极与靶之间的电位差的高电压发生器。

在一个实施例中，屏蔽电极在与孔口不同的位置处具有第二孔口。

附图说明

为了更好地理解本发明并且为了示出如何可以使本发明生效，仅以示例的方式参考附图，其中：

图1示出了公知的x射线源的示例；

图2示出了为本发明的实施例的x射线源的示意性概图；

图3示出了图2的实施例中的电子束枪的示意图；

图4示出了图3中的电子束枪的高电压电极的放大视图；

图5示出了图3中的电子束枪的高电压电极的另一个细节；

图6示出了与图2的实施例中所示的电子束枪一起使用的远程模块的细节；

图7是示出了使用旋转透射靶从聚焦的电子束产生高通量微聚焦x射线束的原理的示意图；

图8A示出了用于旋转轴的传统类型的真空密封件；

图8B示出了用于旋转轴的另一个传统类型的真空密封件；

图9示出了用于在图2的实施例中使用的旋转轴的真空密封件的实施例；

图10示出了适合于与图2中所示的x射线源一起使用的旋转靶组件的实施例；

图11A示出了用于支撑靶板以形成用在图2的实施例中的旋转x射线发射靶的实施例的毂；

图11B示出了沿着图11A中所示的线I-II的横截面；

图12A示出了适合于用在图2的实施例中的旋转靶组件的实施例的一部分；

图12B示出了沿着图12A中的线III-IV的横截面。

具体实施方式

基本结构以及一般性原理

可以通过利用适当的高能量电子束照射由包含较大比例的高原子序数原子或离子的材料所组成的靶来产生x射线。通过使电子加速跨大电位差并且然后将束引导至靶来产生电子束。电子束中的电子与高原子序数核的电场相互作用，并且通过轫致辐射过程发射x射线光子。因此，生成的x射线具有连续谱，该连续谱具有由入射光子的能量所决定的能量上限。

然而，在100keV的示范性电子束的情况下，通常仅1％的入射电子束能量转换为x射线辐射；剩下的入射电子束能量作为热而沉积在靶中。尽管束能量中转换为x射线辐射的比例随着渐增的电子束能量而增加，但是对于大部分商业应用和研究应用而言，大部分束能量作为热沉积在靶中。

由于通过轫致辐射过程产生的x射线是以角分布来发射，所以x射线的束可以在反射模式下源自于靶的与入射束相同的一侧，或者在透射模式下源自于靶的与入射束相反的一侧。为了高分辨率成像，优选透射模式，因为电子束可以聚焦为小光斑，导致产生小尺寸的x射线源。然而，由于靶必须要足够薄以便不会吸收发射的x射线，所以透射模式中使用的靶不能使由高通量的电子所生成的热能容易地耗散。

在图1中示出了适合于CT成像的公知的x射线源。图1的x射线源封装在真空外壳910中，真空外壳910被泵至通常10^-5毫巴或者更好的高真空。通过确保适当地真空密封外壳并且然后通过将诸如涡轮泵之类的适当的真空泵应用于泵端口911来实现该真空。高真空是支持电子束所必需的。

将真空外壳保持在地电位，并且通过高电压发生器920在高电压电极923处产生高电压。在高电压发生器920中，高电压电极923被提供在外壳910内，并通过电压倍增器922被提高至相对于接地外壳910的适当高(负)的电位差。

在图1的示例中，电压倍增器是Cockroft-Walton电压倍增器，其由适当地布置的电容器和电阻器的网络构成，其通过输入隔离变压器927来接收交变输入电压，并将高电压负DC电位输出至电极923。该高电压发生器在本领域是公知的，并且电压倍增因子由倍增器每条管脚上串联的电容器的数量以及这些电容器的值来确定。

然而，在高电压电极处可达到的电压实际上受某电压限制，在该电压下，存在于高电压电极923与接地真空外壳910之间的高电位差将导致真空外壳910中的残余气体电离。该电离导致所达到的高电压通过电弧放电至外壳910的壁而耗散。因此，可达到的电压实际上受许多实际因子限制。

第一因子是腔室内可达到的真空度，因为较软(soft)，即高电压真空将在较低电压下经受电击穿。在10^-4毫巴或者更好的真空下，真空介电强度接近最大值。

第二因子是高电压电极923的表面离腔室的壁的距离，较近的接近距离与在其下会出现电击穿的较低电压相关。实际上，该距离并非与电压成线性比例；在高电压下，可在亚击穿(sub-breakdown)密度下生成的离子会被加速，并且它们本身可以生成二次离子。沿着被加速的离子的路径的二次离子的密度可以足够高以触发放电事件，即使在长距离范围内。

第三因子是高电压电极923的形状，急剧弯曲的表面聚集电位梯度并且激励电离。因此，通常以圆柱形形状、钟形形状或环形形状来提供高电压电极923的形状，以便确保高电压电极923中最靠近壁910的那些部分未呈现出大曲率半径。

通过其使高电压电极923可以放电的另一个路线是通过积聚电压倍增器922内的各种电位的部件。因此，电压倍增器本身被包围在延长的绝缘套管924内，延长的绝缘套管924从外壳910的后壁延伸并且在其其它端部处支撑高电压电极923。可以利用诸如介电油之类的绝缘物质填充套管924的内部，以进一步抑制套管内的放电。在此，套管924是圆柱形的。

最终的放电路线可能沿着套管924的外部表面。一定要将套管924做得足够长以降低沿着套管的电位梯度并且抑制这种放电。此外，套管924的最大安全长度不与电压成线性比例。

然而，通常在x射线源以及高电压系统的设计中，应当认识到在某些情况下即使设计良好的系统也会经受高电压电极与处于地电位的附近表面之间的意想不到的电弧放电。然而，在为了维护而需要打开的真空系统中，真空系统的部分内的微腔可以立即释放足够的气体来降低真空介电强度并允许放电。在该事件中，非常大的电流将通过电弧从电压倍增器流动至地，如果该电弧未受阻，那么将倾向于损坏电压倍增器的部件。因此，浪涌电阻器928安装在电压倍增器922的输出端与高电压电极923之间，以限制在高电压倍增器中的总存储电位的放电的情况下会沿着意想不到的路径流动的最大电流。

高电压发生器的功能是提供适当的大(负)电压以加速来自维持在高电压的电子源的电子，以形成电子束。图1的公知示例中的电子源920是在高电压电极923处提供的经加热的灯丝921。高电压电极923在电极的前表面处具有小孔口，灯丝921通过该小孔口伸出。灯丝也连接到电压倍增器922，并且因此维持在与高电压电极923实质上相同的电压下。

将被加热的灯丝加热至一温度，在该温度下，灯丝中的电子通过热电子发射来释放，并且可以在高电压电极923与接地真空外壳910之间的高电位差的影响下在自由空间中远离灯丝行进。为了达到此高温度，借助于隔离变压器926将震荡电位施加至利用电压倍增器922已达到的高电压之上的灯丝，隔离变压器926也通过加热电流源来抑制高电压放电至地。用于加热电流源的隔离变压器也包含在绝缘套管924内。

高电压电极923除了提供相对于地的加速电位之外，也充当法拉第屏蔽，以便从电极923与真空外壳910的壁之间的电位差来屏蔽电极的内部。因此，在图1的布置中，高电压电极923在本领域中也称为“法拉第壳体”。因此，法拉第壳体也可以将在电压倍增器922的高电压侧处的概念性地表示为控制模块925的任何控制电子设备与真空外壳910内的电位梯度屏蔽。高电压电极923的内部像套管924一样可以由诸如介电油之类的绝缘材料、绝缘气体或填充树脂来填充，以进一步降低套管内放电的可能性。

因此，在图1中，当高电压电极923提高至适当高的电位时，并且当灯丝921提高至适当高的温度时，将从维持在接近高电压的电压(例如，与高电压的差在0.1％至1％之内的电压)下的灯丝加速电子束，并且由高电压电极923在正方向上朝着外壳910的壳体引导该电子束。钟形形状或环形形状的高电压电极923产生了适当形状的等电位，其激励电子在前向束中加速而不是具有宽的角分布。替代地，具有辐射式边缘的圆柱形电极可以与维持在与高电压电极相同的电位下并且被布置为围绕灯丝且具有像前向束一样引导电子的几何形状的平面焦距杯或微凹焦距杯一起使用。因此，图1中所示的电子源与高电压发生器的组合充当电子束发生器。

在该配置中，最靠近灯丝921的高电压电极923的前表面充当所谓的“Wehnelt”(该Wehnelt充当控制栅极和会聚式静电透镜)，以使得通过控制高电压电极923相对于灯丝921的电压，使电子束可以渐进地局限于前向笔型束并且最终由于Wehnelt的斥力场而切断。如上所述，可以将电极相对于灯丝921与接地外壳之间的加速电压的负栅极电压设置为加速电压的0.1％至1％，其中0.1％提供少量的束整形以激励前向发射，而1％则完全切断束。然而，在不同的几何形状的情况下，可以选择栅极电压与加速电压的比率以适合应用要求。法拉第壳体和Wehnelt可以是整体式或者也可以是分立的。在一些应用中，可以将法拉第壳体和Wehnelt设置为具有与灯丝相同的电位，或者可以将法拉第屏蔽体设置为具有与灯丝相同的电位而Wehnelt具有相对于灯丝较小的负电位。

从灯丝产生的电子束进入具有聚焦线圈931的磁透镜930，聚焦线圈931起到了将电子束聚焦为靶941上的光斑的作用。在产生光斑的区域中的靶941包括在电子束照射下发射x射线的材料。例如，可以使用钨或者具有高原子序数和高热导率的类似的材料。靶941维持在诸如地电位之类的与外壳相同或相似的电位。

电子束的聚焦在应用于靶941之前是有利的，因为是由束与靶941相互作用的体积的大小来确定用于对靶进行成像的x射线源的尺寸的。从简单的射线光学可以理解的是，当照射光源的尺寸大时，放置于光源与投影平面之间的不透明的对象所投射的阴影具有软边缘，并因此会提供对象的较低分辨率图像；相反，当源小时，投射的阴影清晰，并且投影图像将具有相对较高的分辨率。x射线成像也是如此；当源小时，产生的图像较清晰、具有较高的放大率，并因此将提供较高的分辨率以及更多的信息。因此，将束聚焦为小光斑对于CT过程中的3D重构是有利的。

然而，当将电子束聚焦至小光斑尺寸(其可以包括在所谓的微聚焦x射线系统中具有微米量级尺寸的光斑)时，在靶中的光斑的位置处每单位面积沉积的能量是高的，特别是在高电子能量的情况下将导致高x射线光子能量，而对于高电子通量，导致高x射线通量。未转换为发射的x射线的所沉积的能量(入射束能量中的大部分)作为热耗散在靶中。

因此，存在靶在剧烈的局部加热下可能会开始熔化或变形的问题。因而，为了避免给靶施加热应力，传统上靶形成为延伸的一块靶材料，其持续地足够快地移动通过聚焦光斑以便持续地向入射束呈现新的、凉的靶表面，并因此来确保即使瞬时的入射能量密度很大，靶材料中每秒每单位面积所沉积的平均能量也不会过大。在图1的布置中，这通过将靶形成为盘941并且然后通过借助于轴942使盘941绕轴旋转来实现。由于靶941也在真空外壳910内，所以轴通过真空密封件943转(pass)到真空外壳的外部。

源自灯丝921的电子束照射靶的结果是，从靶发射的x射线束通过x射线窗口912离开真空外壳。因此，靶对象可以置于在x射线窗口912与诸如一片x射线敏感膜之类的适当的探测器之间，然后可以获得x射线图像。

在图1的设备中，在不将真空外壳910做得极大的情况下，对于致密的靶对象或延伸的靶对象在高电压电极923处难以实现足够高的电压。此外，难以使套管924足够耐受如此高的电压。特别地，难以实现接近或超过500keV的电子束，优选地750keV的电子束。因此，本发明设计了图2中所示的修改布置。

对于本领域技术人员显而易见的是，图2中的x射线源在保留了许多结构和功能上的相似性的同时，在若干重要方面不同于图1所示的x射线源。应当认为图2中具有附图标记1xx的部件与图1所示的具有形式9xx的相应的附图标记的部件具有实质上相似的结构和功能，除了另作说明的情况之外。

高电压发生器

首先，图2的实施例的高电压发生器120的构造不同于图1中公开的高电压发生器的构造。特别是，图2的高电压发生器120具有由串联设置的三个单独的Cockroft-Walton电压倍增器122a、122b、122c所构成的多级电压倍增器122。除了最后的电压倍增器之外，每一个单独的电压倍增器的输出端连接到下一个电压倍增器的输入端，最后的电压倍增器具有被连接到高电压电极的输出端，以使得作为一个整体来看，高电压电极123a是高电压发生器的输出电极。此外，除了末端的电压倍增器122a之外，每一个电压倍增器的输出端连接到屏蔽电极123b、123c。

每一个屏蔽电极123b、123c设置为围绕，优选同轴围绕，高电压电极123a，并且也围绕任何的屏蔽电极，其在工作中实现相对于它较高的电位。因此，屏蔽电极123c围绕屏蔽电极123b和高电压电极123a。尽管在图2所示的多级电压倍增器有三级，但是级数可以变化并且例如可以省略第一级122c和第一屏蔽电极123c。替代地，可以提供四级或更多级，每一级与其本身的屏蔽电极相关联。有利的是每一个屏蔽电极在前向表面处还具有发射孔口，该发射孔口允许从灯丝121生成的电子束自由通过，并且进一步有利的是电子束的出口点处的每一个场电极123b、123c和高电压电极123a沿着等电位线以避免干扰束轨迹。然而，在大多数情况下，可选地具有辐射式边缘的圆柱形屏蔽电极足以避免击穿，并且在不存在超出实际约束的限制的情况下可以采用其它几何形状。屏蔽电极可以是连续的，或者可以由网孔构成。如果由网孔构成，那么网孔的孔口可以避免对限定的发射孔口的要求。

以图2所示的方式来提供嵌套的电极的优点在于，相比于被包围的电极与外壳110的壁之间存在的电位差，在每一个屏蔽电极与其直接包围的电极之间存在更小的电位差。此布置的结果是，由于在电位差的情况下击穿过程的非线性行为，当工作在中间电压下的电极被放置于那些电极之间的中间距离处时，导致真空中的电弧或者沿着由给定距离隔开的两个电极之间的套管的放电的电位差不会导致电弧或放电。

有利地是，中间电极或屏蔽电极放置于高电压表面与低电压表面之间近似等距离处，并且维持在介于那些表面之间的电位。因此，在诸如图2所示的发生器之类的发生器中，高电压电极123a可以维持在750kV，第一屏蔽电极123b可以维持在500kV，而第二屏蔽电极123c可以维持在250kV，每一个电压都相对于接地外壳110。然而，在其它实施例中，屏蔽电极之间的电位可以交替为至少150kV、至少200kV、或者至少300kV。

例如，在一些配置中，在两个圆柱形电极之间的电位为500kV、压强为1×10^-4毫巴并且两个电极之间的间距为150mm的情况下，击穿可能以高于每小时一次的频率出现，但是具有维持在250kV的额外的中间等距离屏蔽电极的相同配置会很少出现击穿。

因此，高电压电极123a与接地真空外壳110之间可以维持提高(较高)程度的电位差，同时保持设备的整个尺寸相对较小。高电压电极123a处的该高电压的供给容许在离开通过输出端、第一屏蔽电极和第二屏蔽电极中的孔口、进入磁透镜130并且到达靶500上的焦点的电子束中实现750keV的电子能量。因此，在从靶500产生的x射线束中可以实现非常高的x射线光子能量，即具有在500keV处产生并延伸直到750keV的峰值的电子束光谱。

在图2所示的多级电压倍增器中，同样有利的是，将向灯丝121提供交变加热电流的隔离变压器依次分为三个隔离变压器126c、126b和126a，以避免需要将额定值定为高于倍增器中的每一级之间的电位差的隔离变压器、并且使沿着套管124的长度的给定位置处的所有部件维持在类似的电位并且因此来避免需要套管124内的增强的绝缘。

同样有利地是，在多级电压倍增器的每一级的输出端处提供浪涌电阻器128a、128b和128c。这样做容许每一个浪涌电阻器仅经历一定比例的总电压，容许较低电阻的电阻器用于给定电压以及最大可容许浪涌电流。例如，如图3所示，为了清楚省略了用于灯丝的驱动变压器、并且将名义值(notional value)用于一个电压倍增器的输出端与至下一个电压倍增器的输入端之间的每一个电阻器R_S、并且提供具有值R_S/2的末端的浪涌电阻器128a容许每一个中间电阻器仅经历总电压的三分之一。此外，将末端的电阻器128a选择为具有值R_S/2还容许跨电压倍增器中的每一级的电压以相同的速率崩溃(假设所有电容器是等值的)。因此，即使不想要的击穿出现，也可以安全地使能量耗散。结果，仅需要将套管124的额定值定为250kV，因为这是其在击穿事件期间需要承受的最大电位差。最后，中间电阻器使电压倍增器免受至彼此的与电极的本身电容相关的高电流，并且保护所有可能的放电路径。

实际上，可以根据位置的要求来选择浪涌电阻器128a、128b和128c的值；降低浪涌电阻器的值将增大将驱动电压转移至上一级的效率，而增大浪涌电阻器的值则倾向于提高倍增器部件免受放电事件的影响。

图3所示的高电压发生器的配置的进一步的优点在于，在套管124内的高电压发生器的元件与围绕套管的任何部分的屏蔽电极之间存在减小的电位差。因此，可以降低套管的厚度，而不需要针对高电压电极123a与地之间的全电位差设定该厚度的额定值。相反，其仅需要将针对嵌套的电极之间的最大电位差(例如针对250kV)设定额定值。

当然，图2所示的布置完全是示范性的，并且取决于对x射线源的工程要求可以做出多种修改。

例如，在图2中，屏蔽电极123b和123c实质上包围了高电压电极123a，但是在其中重要尺寸是真空外壳110相对于束路径的半径并且其中可以沿着束发射方向在高电压电极123a与外壳的前壁110a之间提供额外间隙的布置中，两个屏蔽电极中的每一个屏蔽电极仅需要周向地包围高电压电极。然而，该设计要求套管124的额定值被设定为承受跨其厚度的在高电压电极与接地真空外壳110之间的全电位差。

使用图2所示的布置，即使不要求非常高的电子束能量，对于给定的束能量也可以使得设备在尺寸上更紧凑。然而，在本发明的实施例中，当前优选的是由电压发生器的每一级128a、128b和128c提供至少150kV，优选地250kV，并且最优选地300kV。该设置容许从紧凑的外壳提供750keV的束能量。

此外，在一些实施例中，例如，如果不考虑沿着套管的长度放电的显著可能性，而不是以上所描述的发生器的串联布置，屏蔽电极可以各自由不同的高电压发生器驱动至驱动高电压电极123a的发生器。

高电压电极控制系统

在图2的布置中，向位于高电压电极123a内的控制模块提供控制信号以及提供来自该控制模块的控制信号以便例如监测灯丝921的状态以及控制灯丝921的温度及其相对电位有时是必要的。然而，仅仅运行沿着套管的控制线路不是优选的，因为需要在高电压发生器的每一级处隔离这些控制线路以便防止沿着控制线路的高电压放电。

为了解决这个问题，图2的布置采用了光耦合控制机制，其包含光电发射器201a和光电探测器201b(未示出)，光电发射器201a和光电探测器201b起到安装在高电压电极123a处并且被包围在高电压电极123a内的控制模块的作用并且与起到安装在真空外壳110的壁处的远程模块的作用的相应的光电发射器202a和光电探测器202b(未示出)进行光通信。光电发射器和光电探测器通过从真空外壳110的壁至高电压电极123a的内部(反之亦然)的真空来相互中继模拟信号或数字信号，而无需提供有利地由每一个电极123a、电极123b和电极123c中的孔口(允许通信中所采用的波长的光通过)所实现的任何传导路径。

在图2的实施例中，光电发射器201a、202a是预聚焦的近红外LED，而光电探测器201b、202b是工作在近红外的光电二极管。

由于从电子束枪120发射的电子束，然而在真空外壳110内剩余的残余气体可以变为电离的，并且取决于相关离子上的电荷而倾向于漂移至高电位或低电位的区域。该离子可以沉积在光电发射器和光电探测器的通常为绝缘塑料的光表面上。

因此，在扩展操作期间以及未对这些光表面进行维护和清洁时期，由于光表面的污染，对于通信可能存在随着时间而失效的趋势。

此问题的一个方案是在每一个相应的光电发射器和光电探测器前提供透明的屏蔽体以实现较容易的清洁并且允许在屏蔽体被污染时替换屏蔽体。然而，当传统的透明塑料或透明玻璃用于该屏蔽体时，当前发明人发现仍然存在光通信的效率随着时间而劣化的可能性，可能导致不可预知的设备故障。

当前发明人已经意识到塑料表面易于获得并且维持来自入射离子的静电荷的趋势在此现象中可以是重要的影响因子。因此，在图2的布置中，提供了各自具有透明传导涂层的透明屏蔽体203a、203b(未示出)、透明屏蔽体203c和203d(未示出)以覆盖各自的中继光电发射器201a和光电探测器201b、光电发射器202a以及光电探测器202b，以使得取决于屏蔽体的位置而将传导涂层耦合到高电压电极或接地的被壁围住的真空外壳110。

在图2的实施例中，透明的屏蔽体被提供作为分别形成高电压电极123a和真空外壳110的真空密封件的部分的窗口，并且被布置为在屏蔽体的与布置了光电发射器或光电探测器的一侧相反的一侧(暴露在真空中的一侧)具有其传导涂层。因此，不仅仅透明屏蔽体收集否则可能已经直接沉积在光电发射器或光电探测器上的任何沉积物，它们也能够借助传导涂层来使局部静态电荷耗散并且因此而不太可能吸引和保留该涂层。

可以以传统上本领域公知的任何方式来提供传导透明屏蔽体。图2的布置采用了涂覆有氧化铟锡(ITO)的透明传导涂层的诸如硼硅酸盐之类的透明的玻璃基板，尽管其它透明基板以及例如沉积在透明的塑料基板上的传导金属模之类的其它透明传导涂层也是可用的。

图2的布置还采用了防止不想要的沉积物的另外的对策，如结合真空外壳110的壁中所提供的光电探测器202a示出的，尽管同样可适合于真空外壳的壁中的光电发射器或者高电压电极123a内的光电探测器或光电发射器。在图6中最清楚地示出了该对策的细节，图6是包括形成真空外壳110的壁的部分的光电探测器202a的远程模块的放大。

在图6的布置中，在外壳205中提供的通道(channel)207的端部处提供了覆盖光电探测器202a并形成真空腔110的真空密封件的部分的透明传导屏蔽体203c，外壳205形成了真空外壳110的可移除部分。通道207具有通往包围高电压电极123a的真空外壳110的一部分的一个端部以及终止于在位于光电二极管202a的前面的屏蔽体203c中的另一个端部。通道207具有弯曲(在图6的实施例中为近似直角的弯曲)，并且反射镜204a位于通道207的弯曲中以将来自在高电压电极123a中提供的光电发射器201a的光重定向至光电探测器202a中。

提供通道207和反射镜204a的优点在于：由于电子束的影响而产生的离子将沿着通道207发射地行进并且倾向于沉积在反射镜204a的表面上而不是沉积在屏蔽体203c上。反射镜204a可以容易地由诸如金属之类的传导材料构成，并因此甚至降低了由于静电荷的存在而引起的电离的离子沉积在反射镜204a上的趋势。然而，如果出现这种沉积，那么反射镜可以容易地被去除并且由来自真空外壳110的分离的壳体205替换并且替换反射镜，而无需打扰相对更加精密的传导透明屏蔽体203c。

然而，如果针对设备安排定期维护，那么这种布置可能不是必要的，并且可以省略这些对策中的部分或所有对策。例如，图5示出了被提供作为由高电压电极123a形成的真空密封件的部分并且覆盖了光电探测器201b的透明传导屏蔽体203b，其中所示的光电探测201b由介电油围绕。

然而，如图4所示，透明屏蔽体203a不需要同样地被提供作为由真空外壳或高电压电极所提供的真空密封件的部分，但是可以放置在真空外壳或高电压电极处或者真空外壳或高电压电极内。如果提供在真空外壳的壁处或高电压电极处，那么可能会提供真空卸载通道206(如在图4中的实施例的高电压电极123a中所示出的)以允许透明屏蔽体203a的每一侧上的空间达到相等的压强。

原理上，透明屏蔽体可以安装在光电探测器或光电发射器前面的某个距离处。然而，该布置将需要屏蔽体具有相对较大的区域以有效地降低到达光电探测器或光电发射器处的污染物。因此，图2中所示的其中透明屏蔽体203a、203c安装在高电压电极和真空外壳110的壁处的当前布置是优选的。

此外，取决于到达这些部分中的每一个的容易程度、清洁这些部件中的每一个的容易程度、以及经验上确定的在这些部分中的每一个上的沉积率，可以仅针对在高电压电极中提供的光电探测器和光电发射器、仅针对在真空外壳110的壁处提供的光电探测器和光电发射器、仅针对光电探测器、或仅针对光电发射器提供传导屏蔽体。

优选地是，图6中所示的壳体205从真空外壳110的剩余壁可移除地安装以使得用户能够替换反射镜204a并且清洁透明屏蔽体203c，但是根据需要，壳体205可以替代地与真空外壳110的壁形成一个整体。

低摩擦旋转真空密封件

一旦电子束从位于高电压电极123a中的灯丝121发射出，其就被磁透镜131形成焦点，并且与旋转靶500相互作用。

图7示意性地示出了从旋转靶上的微聚焦电子束光斑处生成x射线束的过程。然而，由于高电子束能量在图2的布置的情况下是可能的以及为达到优越的信噪比所必要的高通量，所以沉积至旋转靶941上的微聚焦光斑中的能量可以非常高。因此，提供至靶941的冷却必须非常有效率且靶941必须具有非常高的热容量，或者靶材料必须足够迅速地移动通过电子束的微聚焦位置以便在热负荷下不会变形或熔化。

为了使用旋转靶圆盘实现靶材料足够快地通过微聚焦点需要以高角速度驱动大直径靶圆盘。在诸如图1中所示的旋转靶布置中，可以由经由旋转真空密封件943从真空外壳910的内部通过至真空外壳910的外部的轴942来驱动靶圆盘941，其在抑制气流从真空外壳910的外部流至内部的同时允许轴旋转。在图8a中示出了传统的真空密封件布置，其中，外壳943a限定了轴942通过的孔943c，并且支撑抑制气流从孔943c的一个端部流至另一个端部的密封件元件943b。可以将密封件元件943b提供为O-环型密封件、唇形密封件或者甚至铁磁流体密封件。然而，所有的这些布置具有以下缺点：轴942与密封件943b之间的接触在系统中生成摩擦，并且将实际速度限制至约6000转每分钟(rpm)。诸如使用旋转磁场和靶上的随动磁铁来驱动靶之类的其它布置在针对快速但受控制旋转的大靶传递足够的扭矩上具有困难。

在图8b中示出了该机械密封件的一种公知的替代方案，其中，缺少了密封件943b并且孔953c的尺寸设置为以便紧密地配合轴942。孔与轴之间的间隙示出为图8b上的尺寸C，并且例如对于60mm的孔长度以及20mm的孔直径，该间隙可以是20μm。轴942与孔943c之间如此紧密的配合抑制了气流从高压强侧(空气)流动至低压强侧(真空)。

图8b的布置降低了摩擦，因为没有密封件元件与旋转轴942滑动接触，但是该布置需要非常严格的容限来工作。此外，图8b的传统密封件中的20μm的示范性间隙尽管抑制了气体的自由流动，但是仍然允许气体沿着大气侧与真空侧之间的孔的长度的某些粘滞流动。通过该密封件的流导(conductance)(体积流率)近似为0.0005l/s，并且因此来自从大气压至10^-5毫巴的压强降的质量流率是0.5mbar l/s(1000mbar×0.0005l/s)。

因此，需要能够从10^-5mbar的腔中去除0.5mbar l/s的通过密封件的质量流量(即，体积流率为5×10⁴l/s)的非常强大的泵，以便为了高电压发生器和电子束设备的工作而将真空侧维持在足够高的真空。

进一步降低间隙在技术上是有挑战性的，并且旋转轴942与孔943c的壁之间的接触会引起大量的摩擦生热以及损伤，并且在大的旋转靶以高的角速度旋转的情况下可能会导致较大的扭矩传递至真空壳体。因此，图2的实施例有利地利用了用于旋转轴的改进的真空密封件，其能够避免过紧的间隙，但是也能够有效地抑制气体从轴承的大气侧流至轴承的真空侧。

图9中示出了图2的实施例中使用的无接触旋转真空密封件的实施例。该密封件具有限定孔301的壳体403，靶驱动轴401通过孔301。孔具有分别在真空端部301a和大气端部301b处的端子孔口，以及在高压强端部与低压强端部之间提供的中间腔室302。腔室302经由流动路径303来连通至泵或泵端口，泵可以耦合到泵端口。在一些实施例中，腔室302具有比跨孔的纵轴本身的最小内部尺寸的120％更小的跨孔的纵轴的最小内部尺寸。然而，在一些实施例中，腔室仅需要在相对于孔的最小内直径上大于孔与轴之间的最小间隙不到30倍，甚至不到20倍。

在工作中，将前级泵(未示出)提供至真空端口303。这能够将腔室302维持在约3毫巴的低压强。轴401与孔301的壁之间的间隙与图8b中所示的间隙相当，但是维持在较低压强的中间腔室302的存在能够有效地限制通过密封件的气体总流量。

假设腔室中维持约3毫巴的压强，那么当气体分子的平均自由程小于轴与孔的壁之间的间隙时，气体在粘滞流动状态下从维持在约1巴的大气侧流动。

由于大气端部端子孔口301b与中间腔室302之间的孔301的301c部分(采用30mm的示范性长度)约为图8b的孔的长度的一半，所以粘滞流动流导约为图8b的粘滞流动流导的两倍，近似为0.001l/s。因此，从大气至中间腔室302的质量流量约为1毫巴l/s。在中间腔室302中为3毫巴时，粘滞流动流导为0.33l/s。通常，维持中间腔室302中的3毫巴的真空的小的前级泵能够通过抽取0.33l/s来维持中间腔室302中的3毫巴压强。

然而，在3毫巴的压强下，例空气的主要成分氮在室温下的平均自由程约为20μm，与孔301与轴401之间的间隙相当。当该平均自由程与该间隙相当或者大于该间隙时，在中间腔室302与孔301的高真空端子孔口301a之间气体分子沿着孔301的部分301d的流动在分子流动状态下进行，在该分子流动状态中，从中间腔室302沿着孔的部分301d的流导并非实质上取决于中间腔室302中的压强。

在超过30mm的长度并且轴401与孔301之间的间隙再次为20μm的情况下，可以估计通过孔301的部分301d的分子流动流导约为10^-4l/s，或者为通过孔301的区域301c中的部分的分子流动流导的十分之一。因此，从腔室302通过孔301的部分301d至高真空端子孔口301a的质量流率约为3×10^-4毫巴l/s。这是小于通过孔301的部分301c的质量流量超过10³倍的因子，并且是小于通过图8b的密封件的流量超过10³倍的因子，两者都是由于从通过流动通道303的腔室302去除的气体比例，以及由于孔301的部分301d在分子状态而非粘滞的流动状态下的工作。

因此，图9的布置能够提供比图8b的布置更加有效的真空密封件，而无需引发提供图8a的密封件所涉及的摩擦损耗，并且也无需将工程容差降低为超出图8b的布置所需要的工程容差。

尽管图9所示的孔301如中间腔室302一样实质上是圆柱形的，但是这对于图9的实施例的操作并非是必需的。特别地，孔301可以具有其它几何形状而没有限制，例如具有轻微的锥度。然而，在图9中使用了圆柱形孔，因为其易于制造并且呈现出相对于圆柱形轴的不变间隙。此外，孔的将大气孔口301b与中间腔室302连接的部分301c无需具有与孔的将中间腔室302与真空孔口301a连接的部分301d相同的尺寸。然而，再次为了制造的简单，图9的实施例使孔的这些部分维持为具有相同的尺寸。最后，尽管从加工的角度来看圆柱形腔室302是有利的，但是这并非是必需的。

在一些实施例中，将尺寸选择为使得维持在高压强端部处的1巴的压强以及维持在腔室中的1毫巴的压强导致在标准温度下高压强端部与腔室之间氮的质量流率小于1毫巴l/s。在一些实施例中，将尺寸选择为使得维持在腔室中的1毫巴的压强以及维持在低压强端部的10^-5毫巴的压强导致腔室与低压强端部之间氮的质量流率小于10^-3毫巴l/s。

当在图2的实施例中实施时，在孔301的每一个端部处提供滚珠轴承以使得轴401实质上维持在轴承内中心。在该配置下，该布置提供了集成的旋转真空密封件以及用于旋转轴的轴承，并且消除了使外部轴承与密封件对齐的任何困难。

轴承超扭矩限制器以及动能吸收器

在图9的布置中，仍然存在一个或其它滚珠轴承的故障可以导致轴401接触孔301的壁的可能性。由于通常通过经由变速箱145起作用的发动机144来将轴401驱动至非常高的速度，在该情况下，轴相对于孔301的壁的摩擦力可以将大的扭矩施加于真空密封件以及设备中连接到其的任何部件。替代地，污染物或颗粒物进入轴401与滚珠轴承之间的间隙中可以导致类似的摩擦力。在诸如图2所示的大直径迅速旋转的靶盘的情况下，产生的摩擦力可以到如此程度以致迅速地加热轴401，并且导致轴401卡在滚珠轴承内。然后，存储在以飞轮的方式起作用的旋转靶中的全部能量经由产生的扭矩传递至轴承壳体，引发对整个设备的大量机械损伤的可能性以及操作人员的潜在风险。

因此，图2的布置包括以图10中详细示出的形式的旋转靶组件，其具有在失效的情况下防止过大的扭矩从轴承壳体传递至设备的剩余部分的扭矩限制器，以及使传递至轴承壳体的动能安全地耗散的动能吸收器。在图2中，通过图10所示的靶组件400的共同方面来提供这些功能元件。

在图10所示的靶组件中，旋转x射线靶500安装在驱动轴401上，该轴401通过真空外壳110的壁并且由安装在轴承壳体403中的滚珠轴承402a和402b来支撑。轴承壳体403可移除地安装至真空外壳110的壁，并且借助于密封件409来密封轴承壳体403，因而形成真空外壳110的部分。轴401的旋转轮流地驱动靶500。

在图2的实施例中，通过采用有关图9所描述的旋转真空密封件抑制了通过轴承壳体403中的孔404的气体的流动，轴401通过轴承壳体403。然而，密封件的细节对于扭矩限制功能以及动能吸收功能的工作并不重要。

在图10中，轴承壳体403在外轮廓上通常是圆柱形的，并且具有从轴承壳体403的外部径向表面径向延伸的法兰411。法兰411是环形的，并且与真空外壳110的相应的环形板412滑动接触，以使得轴承部件403能够围绕由轴承部件403的孔404所限定的轴相对于真空外壳110的剩余部分来旋转，该真空外壳110的剩余部分具有与板412滑动摩擦接触的法兰411的表面。轴承壳体403的外部圆周旋转地插入真空外壳110的壁中形成的相应的圆形孔口410中，其同时借助于环形密封元件409提供真空密封件。

提供夹钳420以推动法兰411和板412进行滑动摩擦接触。夹钳420包括滚珠轴承421，滚珠轴承421旋转安装在臂422的轴422a上并且由端盖422b保留。滚珠轴承421安装为以便围绕孔404的半径的轴来旋转。通过弹簧426来相对于孔404轴向地推动滚珠轴承421，弹簧426将轴向力施加于衬圈423，滚珠轴承421经由臂422安装在衬圈423上。

衬圈423被布置为以以下方式在调整螺钉424(其本身保留在壳体110的螺纹孔427内)的轴424a上轴向地滑动：调整螺钉424的螺帽424b的旋转对螺帽424b与衬圈423之间的距离进行调整，因而对介于螺帽424b与衬圈423之间的弹簧426的压缩进行调整，并从而对被施加于螺帽424b与衬圈423之间的力进行调整。因此，可以容易地对经由滚珠轴承421施加于法兰411与板412之间的力进行调整。

在图10中，在轴承壳体403的两侧上彼此正好相反地提供了夹钳的两个实例，以便在轴承的两侧上提供推力；当然这是示范性的，并且可以提供更多或更少数量的夹钳420并将更多或更少数量的夹钳420绕孔404的轴周向间隔开。优选地，以等角度间隔提供三个或更多个夹钳。

在工作中，提供在法兰411与环形板412之间的压缩夹钳力足够大，以致于法兰411与板412之间的摩擦力抑制了轴承壳体403相对于真空外壳110的旋转。然而，如果轴401相对于轴承壳体403卡住，例如通过滚珠轴承402a或402b中的一个滚珠轴承的故障，通过真空密封件的故障，或者通过孔404的污染物或者轴401相对于孔404的移动以使得轴401卡在孔404中，那么经由轴401从旋转靶500传递至轴承壳体403的扭矩足以克服法兰411与板412之间的静摩擦，并且因此轴承组件403整体上相对于真空外壳110以及设备的剩余部分而旋转。

尽管某些扭矩将经由法兰411与板412之间的滑动接触传递至真空外壳110，但是由于轴承的失效或者轴的卡滞(sticking)，这个传递的扭矩实质上小于已从靶500施加于真空外壳110的总扭矩。因此，由于较小的扭矩传递至真空外壳，存在较小的损坏设备的可能性并且对于操作人员存在较小的风险。

所传递的扭矩上的差异是由与抵靠着板412滑动的法兰411所做的功(work)的结果。所做的功生成热。因此，不仅仅夹钳420、法兰411和板412的布置充当用于抑制过大的扭矩传递至真空外壳110的扭矩限制器，其还通过法兰411与板412之间的摩擦接触使存储在旋转靶500中的飞轮能量能够相对慢地耗散为热。相反，由于夹钳420经由滚珠轴承421将夹钳力施加于法兰411，仅很少的能量耗散在夹钳420中。

在图10的实施例中，板412被选择为当其与法兰411处于压缩接触下时在低于100℃的工作温度下无磨损的材料。因此，降低了法兰411与板412之间随着时间而粘附的可能性，并且可以依赖于该机制在设计条件下工作。特别地，当真空外壳110是不锈钢时，板412可以由黄铜制成。

当然，图10的布置仅是扭矩限制组件和/或动能耗散旋转靶组件的一个实施例。例如，为了单独提供扭矩限制特征，可以提供借助于剪切销被安装至真空外壳110的壁的轴承壳体，剪切销适合于在至轴承的预定的扭矩传递下进行剪切。一旦已经超过扭矩阈值，并且已经出现剪切销的剪切，然后轴承将相对于设备的剩余部分简单地自由旋转。

然而，该布置并未控制或者限制靶500中的动能在工作扭矩限制器之后耗散的速率，并且可能出现至真空外壳110的不可接受的热应力或机械应力。为了处理该顾虑，期望一种使从旋转靶500传递的动能耗散的额外的或替代的方法。例如，可以提供具有伸出至诸如油之类的粘性流体的周围的槽内的鳍片的轴承，并且在其内部具有鳍片的轴承可以旋转。因此，将通过鳍片与油的相互作用来使动能耗散。本领域技术人员应当理解的是，使动能耗散的其它方法也是可能的。

然而，图10的布置提供了针对旋转靶组件中过大的扭矩传递的问题的一种特别有效且有效率的解决方案。

在图10的布置的一个特定的实施例中，具有8kg的主质量、以1200rpm旋转的400mm直径的靶可以具有约130,000J的动能。假设在卡住的时候将轴承壳体加速至以靶的十转数的靶的速度，那么可以生成约2,000Nm的扭矩。然而，在图10的布置中，如果将调整螺钉424b调整为在法兰411与板412之间提供约80kg的力，并且假设法兰具有约为80mm的直径，并且还假设法兰411与板412之间的摩擦系数为0.25，那么靶中的能量将在20秒与30秒之间完全耗散，生成10kW的热的峰值热功率并且仅将约8Nm的峰值扭矩传递至真空外壳110。然而，图10的布置可以通过调整螺钉424b的适当调整而应用于其它靶速度、质量以及可能需要的任何最大扭矩。例如，在某些情况下，适当的力可以是50kg。

尤其是，图10的布置可以有若干变形。例如，在一些情况下，可能期望不提供调整螺钉424b，而是施加预定的且固定的力，以避免扭矩限制器的疏忽的或者错误的调整。在一些实施例中，50kg的夹钳力或者甚至更小的夹钳力可能是足够的，并且允许传递的最大连续扭矩或最大瞬时扭矩可能是10Nm或更小。

在图10的实施例中，通常轴承壳体403是圆柱形的，并且插入在真空外壳110的壁中的相应的圆柱形孔口410内；然而，这并非是必需的，并且可以仅通过法兰至板的夹钳来提供非圆柱形轴承壳体与真空外壳的壁之间的接触。但优选地，用于容纳轴承孔口的孔口形成于能量吸收板412中，以使得轴承的外部圆柱形壁与孔口之间的任何摩擦接触以受控的方式来使摩擦生成的能量耗散。

可以将能量吸收板412提供给轴承壳体，并且可以将法兰411提供给真空外壳110的外部壁。动能吸收板或法兰可以是间断的，即可以形成为具有径向缝隙，以使得法兰或能量吸收板的至少一部分可以形成为径向伸出的纹理(vein)。然而，连续的法兰或者连续的能量吸收板使两个部件之间的摩擦接触最大化，并且还提供了所生成的热耗散于其中的较大的热质量。法兰本身不需要存在，并且可以简单地在轴承壳体的端面与真空外壳的内部壁的表面之间提供滑动接触。

环形能量吸收板和法兰可以与轴承壳体或真空外壳110的壁形成一个整体，或者环形能量吸收板和法兰可以如图10所示地提供为例如具有与轴承壳体和/或真空外壳的剩余部分不同的组分的分立部件。这样有利于容许能量吸收板的属性被选择为：控制法兰与板之间的静摩擦和滑动摩擦并且优化板中的动能耗散。

旋转x射线透射靶

图2的布置采用旋转透射靶来从入射电子束生成x射线。传统上，用于x射线发射源的旋转靶形成为上面镀有一层诸如钨之类的适当的高原子序数靶材料的圆盘。对于从一侧应用电子束并从相对侧获得x射线发射的透射靶，对靶进行支撑的基板应当既薄又具有较低的原子序数以使得x射线吸收最小，并且必须具有几何形状、机械属性以及物理属性(诸如，热导率、特定的热容量以及熔点)以使由x射线照射所生成的热耗散。然而，这些要求可能会有冲突。

对于约160keV的电子束能量，可以将例如约10μm的钨薄层沉积至铍基板、碳基板或铝基板上。然而，随着电子束能量增加，穿透至靶中的电子增加，并且需要较薄的靶材料层。例如，750keV的电子束能量可以穿透至钨中超过200μm。然而，由于界面处的粘结应力，难以将薄的该靶材料层沉积至所需的较低原子序数的基板上。此外，在高温下并且在高速旋转下持续工作期间，粘结应力会增大并且导致靶材料的失效或分层。相对厚的靶在透射模式下不是选项，因为他们将倾向于吸收生成的x射线。

这个问题的一个解决方案是机械地将适当的靶材料的环形物附接至毂。这个方法适合于低电子通量，但是当较高的电子通量沉积在靶中时，靶必须较快地旋转并且必须具有较大直径以避免靶环中过大的热应力。当该布置遭受高电子束通量的热应力和快速旋转时，由于向心力引起的环向应力、由于入射电子束引起的热应力、以及靶环形物与毂之间的张应力可以导致靶材料中的破裂。在出现破裂的情况下，靶环中会形成缝隙，并且然后电子束能够通过低密度的毂并照射x射线发射窗口，导致了对窗口的潜在损伤。

为了解决这些问题，图2的实施例采用了其中多个靶板锚定在毂上的靶，以便提供绕毂的轴的环形靶区域。通过提供多个独立的靶板而不是靶材料的连续环，每一个板中引入的局部应力不会传递至靶材料的其它区域，并且板在热应力下能够局部地收缩和扩张而没有在单个脆弱的点处破裂的环的可能性。此外，靶区域中引入的环向应力不会导致靶板的失效，因为靶板是不连续的并且可以分别变形以容纳应力而不影响靶材料的邻近区域。

图11a、图11b、图12a和图12b示出了适合于用在图2的实施例中的旋转x射线发射靶。

在图12a中，以环形扇形部形式的靶板560锚定至靶毂500的外部圆周511，以便形成实质上环形的靶区域。在图12a的布置中，将靶板560在每一个板的相对径向向内位置处夹钳至毂500，并且具有相对于毂500而以此位置相对径向向外伸出至靶区域中的靶部分565。然而，倘若毂材料足够薄以容许x射线的透射，那么可以如可能所要求的那样将板布置为位于毂的外部圆周内。

在一些实施例中，靶板在靶区域中可以750keV下具有低于靶材料中的电子穿透深度的200％，优选地低于电子穿透深度的150％，更优选地低于电子穿透深度的125％的厚度的靶板。选择该厚度容许降低通过靶材料的x射线衰减。

有利地是，在图12a的布置中，靶板560由使靶区域的靶材料中断的缝隙561而隔开。在图12a中，缝隙561被提供为在靶板560之间的径向方向上延伸，但是可以在没有限制的情况下以至径向方向的某些其它角度来提供。缝隙在其尺寸上也没有特定的限制，除了缝隙足够小以使得当靶圆盘工作在工作旋转速度下时靶板向入射电子束呈现实质上连续的靶表面。例如，靶材料中的中断可以表示不超过靶区域内的总周向路径的10％、不超过靶区域内的总周向路径的1％、不超过靶区域内的总周向路径的0.1％或者不超过靶区域内的总周向路径的0.05％。因此，在50mm的周向长度的情况下，邻近的板之间的0.1mm至0.2mm之间的周向长度的缝隙可能是适当的。

替代地，板可以邻接或者部分重叠，以便允许一个板的边缘在邻接的板下滑动。在这种情况下，可能有利的是，形成具有斜切的周向方向边缘的板，以容许板与重叠部邻接。

尽管该结构用于有效地降低靶材料中引入的总应力并且因此来防止失效，但是在特别高的束通量或能量下，板560的边缘本身会易于失效。特别地，当电子束照射板560的边缘区域时，相比于板中心中的照射，大大地降低了热的热耗散的可能性，因为所生成的热仅可以在一个圆周方向上流动，而不是在两个方向上流动。因此，在特别强的照射下，这样的边缘区域会易于损坏。

为了防止这样的损坏，采用了图12a和图12b中所示的布置，其中，提供了屏蔽元件570以轴向覆在相邻靶板560的边缘部分之上，以便当这些区域与束路径相交时中断电子束。每一个屏蔽元件570是由中断电子束但在产生x射线上没有靶材料有效率、并且会优先产生热的材料构成。例如，较低原子序数的材料可以用作屏蔽材料，将其厚度选择为以便全部地或部分地吸收电子束。其中铍或铝是适当的材料，因为他们的低原子序数避免了屏蔽元件570中竞争性的不想要的辅助x射线源的产生。

在图12a和图12b的布置中，屏蔽元件570包括延伸于屏蔽元件560的周向方向边缘部分之上的指状物572。由于每一个指状物572相对于各自的靶板560轴向地移动，指状物572覆在靶板560的边缘之上，指状物572在下面的靶板560处从电子束的焦平面相对地散焦，并且因此沉积在指状物572中的热功率密度较低，并且因此由于较大的电子束光斑尺寸而更加容易耗散。特别地，如图12b所示，在靶板560与屏蔽元件570之间提供了垫片580，以便提供所需的位移。

例如，使用在30mm焦距下将1mm直径的束聚焦为10μm直径的光斑的磁透镜，如果指状物与靶板间隔开6mm，那么指状物处的束直径将约为200μm。在这样的情况下，沉积在指状物中的每单位面积瞬时功率将仅仅是沉积在靶中的每单位面积瞬时功率的约十二分之一，并且会更加容易耗散。

在图12a和图12b的布置中，屏蔽元件570和板560两者都借助于与形成在毂500的毂周向部分511中的螺纹孔512接合的夹钳螺钉590而夹钳至毂500，夹钳螺钉590通过螺纹孔512并且向靶板560和屏蔽元件570提供轴向的夹钳力，但是其还允许在工作期间存在的热力和动能力下的这些元件中的每一个元件的轻微的扩张和收缩。为了使夹钳螺钉590能够通过靶板560，在靶板中提供了孔563，而为了使夹钳螺钉590能够通过屏蔽元件570，在屏蔽元件中提供了孔573。

有利地是，每一个屏蔽元件570除了伸出的指状物部分572之外还具有相对而言周向较宽并且轴向较深的具有孔573的安装部分571，提供了夹钳螺钉590的轴592可以通过其的并且夹钳螺钉590的螺帽591可以向其施加夹钳力的安全锚定点，并且提供了用于当其穿过电子束时吸收屏蔽元件570中生成的热的热质量。

尽管图12a和图12b的布置有效地防止了由于工作期间的瞬时热应力和瞬时机械应力而引起的对靶材料的损伤，但是有用的是使远离靶的外围边缘的靶区域中所生成的热进一步可靠地耗散。图11a和图11b中所示的毂的设计能够实现这一点。

图11a所示的毂500具有外围边缘部分511并且具有外围部分511的径向向内的中间环形部分513，外围边缘部分511具有用于容纳靶材料的板560的平坦的面向束(beam-facing)的表面，中间环形部分513具有增大的厚度并且容纳冷却通道515(图11b的横截面视图中所示)。中间环形部分513容许吸收以及来自外围边缘部分511的热传递。冷却通道515以分支方式延伸贯穿中间环形部分513，并且用于输送冷却剂，其传导来自中间环形部分513的热，热从外围边缘部分511传导至中间环形部分513。

为了容许方便地将冷却剂供给至冷却通道515并且从冷却通道515取出冷却剂，向毂500提供了凸台部分520，以便从中心凹槽514内轴向伸出，中心凹槽514形成在毂500的中间环形部分513的径向向内的面中。在图11a中，凸台520如毂500一样在几何形状上是圆盘形的。凸台520在毂的外部周向表面处提供了供给孔口521a和返回孔口521b，并且指向凹槽514的内部周向表面，在凹槽514中形成了相应的孔口515a和孔口515b。供给管道530a和返回管道530b在毂中的孔口521a、孔口521b与凹槽的壁中的孔口515a和孔口515b之间延伸。

凹槽的壁中的孔口515a和孔口515b与流动通道515连通，为通道515中流动的流体分别提供供给端口和返回端口。端口521a和端口521b分别为从毂520流出的流体和流动返回至毂520的流体提供供给端口和返回端口。毂520的内部是与供给端口521a连通的供给通道521以及与返回端口521b连通的返回通道522。终止于在同轴布置的流动通道处的内部凸台520的供给通道521和返回通道522被布置为匹配轴401中的同轴布置的供给通道401c和返回通道401d。轴401经由轴凸台401b安装至毂，轴凸台401b通过螺钉被夹钳至毂500的与凸台520相反的面，该螺钉穿透凸台520和毂500并且其终止于轴凸台401b中的螺纹孔。当然，将毂500安装在轴401b上的其它方法也是可能的，诸如花键和螺纹以及供给通道和返回通道的其它布置。

通过轴401中的中心供给通道401c供给的冷却剂进入凸台520中的供给通道521，并且依次经由孔口521a、管道530a以及孔口515a，然后进入冷却剂流动路径515。从流动路径515返回的冷却剂依次通过孔口515b、管道530b以及孔口521b而进入凸台520中的冷却剂返回通道522，并且然后沿着轴401中的外部同轴流动路径401d返回。

管道530通过密封元件521a和密封元件521b维持在原位，在本实施例中通过螺钉将密封元件521a和密封元件521b固定至凹槽514的内部周向表面。管道可以是刚性的或者柔性的，并且可以沿着毂500的半径延伸或者沿着凸台520与流动路径515之间的其它路径延伸。

因此，图11a和图11b的布置使得能够通过供给至毂绕其旋转的轴并从轴回收的冷却剂来有效率地冷却靶毂的外围部分。

在替代配置中，凸台520可以完全或部分凹进凸台500的表面中。在一些配置中，由于凸台的凹陷，毂500的表面是平坦的，在该表面处提供了凸台520。在该配置中，可以省略管道530，并且可以提供孔口521a和孔口515a、以及孔口515b和孔口521b来可选地利用各自的密封元件来彼此密封。替代地，孔口521a和孔口521b或者孔口515a和孔口515b可以位于毂500或凸台510的轴向面中，并且通过具有角度路径或弯曲路径的管道来连接。可以将该配置提供为具有全开槽、部分开槽或者未开槽的凸台，并且在该配置的情况下可以省略中心凹槽514或者可以将中心凹槽514提供为全开槽或部分开槽的凸台可容纳至其中的凹槽。所有的这种变形都在本公开内容的范围之内。

当然，可以单独或者一起提供图2的设备的各个元件，并且本领域技术人员应当理解的是该变形考虑了本文公开的元件中的各个元件所提供的技术效果。根据可用的材料和技术，并且根据任何已实现的设备的工程要求及其它要求，可以更换、替换、去除或修改元件而不背离本文所描述的本发明的公开内容、精神和范围。

Claims (15)

1.一种用于在电子束照射下生成x射线辐射的旋转x射线发射靶，包括：

支撑毂，所述支撑毂限定所述靶的预定的旋转轴；

多个靶板，所述多个靶板各自由靶材料构成并且被支撑在所述毂上，其中，所述板被布置在所述毂上，以提供绕旋转轴的环形靶区域；以及

多个屏蔽元件，所述多个屏蔽元件被支撑在所述毂上并且被布置为覆在所述靶区域的部分之上，靶板在所述靶区域的所述部分处邻接或重叠，或者在所述靶区域的所述部分处没有靶材料。

2.根据权利要求1所述的靶，其中，所述靶板被布置为在所述靶区域的周向方向上彼此间隔开，以使得所述靶区域的所述靶材料在所述靶板之间被中断。

3.根据权利要求2所述的靶，其中，所述靶材料中的所述靶材料的所述中断表示不超过所述靶区域内的总周向路径的10％，优选地不超过所述靶区域内的所述总周向路径的1％，更优选地不超过所述靶区域内的所述总周向路径的0.1％。

4.根据权利要求1所述的靶，其中，所述靶板重叠或者彼此邻接，以提供靶材料的实质上连续的靶区域。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的靶，其中，所述靶板中的每一个靶板在所述板的相对径向向内位置处被锚定至所述毂，并且相对于所述毂径向向外伸出。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的靶，其中，所述靶板中的每一个靶板的形式为环形扇形部。

7.根据任一前述权利要求所述的靶，其中，所述屏蔽元件被布置为覆在所述靶板的周向方向边缘部分之上。

8.根据权利要求7所述的靶，其中，所述屏蔽元件在所述靶区域内的位置处与所述靶板轴向地间隔开。

9.根据权利要求1至8中的任一项所述的靶，其中，所述屏蔽元件由与所述靶材料相比具有显著更低的原子序数的原子或离子的材料而形成。

10.根据权利要求9所述的靶，其中，所述屏蔽元件由铍合金或铝合金形成。

11.根据权利要求1至10中的任一项所述的靶，其中，所述靶材料是钨或钨合金。

12.根据权利要求1至11中的任一项所述的靶，其中，所述靶区域中的所述靶板具有小于在750keV下所述靶材料中的电子穿透深度的200％的厚度，优选地具有小于所述电子穿透深度的150％的厚度，更优选地具有小于所述电子穿透深度的125％的厚度。

13.根据权利要求1至12中的任一项所述的靶，其中，所述毂具有用于将所述毂安装至轴承以便绕所述旋转轴旋转的安装装置。

14.根据权利要求1至13中的任一项所述的靶，其适于在透射模式下生成x射线辐射。

15.一种x射线枪，包括：

电子束发生器、以及根据权利要求1至14中的任一项所述的x射线发射靶，所述x射线发射靶被可旋转地放置为使得来自所述电子束发生器的电子在所述靶旋转的同时照射所述环形靶区域的一部分。