CN108269725A - 一种脉冲式x射线发生装置及产生方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种脉冲式X射线发生装置，所述装置包括：脉冲式电子源(1)以及阵列式阳极靶，所述阵列式阳极靶包括金刚石(3)和镶嵌在其上的阵列式金属靶(2)；所述脉冲式电子源(1)位于阵列式金属靶(2)的上方。利用脉冲式电子束轰击到镶嵌在金刚石上的阵列式金属靶后，可产生出瞬时的高亮度X射线，其瞬间光强可达2.4×1011phs/mm2/us，提高了瞬态测量的效率，为瞬态物性表征提供可能。本发明得到的瞬时的高亮度X射线可与脉冲激光升温系统结合，原位改变材料物性的同时实时测定材料结构、成分的变化信息，所得X射线能够在极短时间内对材料的结构进行测量，弥补了现有实验室光源技术的不足，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及X射线光源技术领域，具体涉及一种脉冲式X射线发生装置及产生方法。
背景技术
X射线具有光子能量大、穿透性好等特性，近年来被广泛应用于生物医学、CT成像和X射线显微技术中。目前，现有实验室用X射线源主要采用连续电子束轰击金属靶材产生相应的X射线。传统电子束轰击金属靶形式的实验室X射线源，受限于金属靶的热传递和X射线产生效率低等问题，自X光管发明以来其X射线亮度和总通量一直裹足不前。大量的X射线分析工作只能在同步辐射装置上完成。而同步辐射装置的建设投资巨大，资源非常有限。
单位时间内发出的光子数主要取决于电子束流的功率。从固定靶、转动靶、液态金属靶、到阵列式阳极靶，这些技术的改进主要通过增加靶材端的冷却效率来提高电子束功率，从而可在单位时间内激发更多的X射线光子。然而，现有最强的连续式阵列式阳极靶技术，其单位时间内光子数约为2.4×1012phs/s/mm2，即1us内光子数约2.4×106phs/mm2。可对于瞬时测量，如1us时间内的结构测量，现有实验室光源技术无法满足需求。
例如，CN107283047A公开了一种利用脉冲激光制备非晶合金的装置、方法及应用，CN107475644A公开了一种非晶合成与检测装置及应用、一种确定合金材料非晶形成能力的方法及应用，上述方法利用脉冲激光升温系统原位对材料物性进行改变，在这个过程中，需要实时对材料结构、成分的变化信息进行实时表征，而现有的X射线难以达到上述要求。瞬时的高亮度X射线源是实现此类测量的关键。
因此，为了提高瞬态测量的效率，实现瞬态物性表征，需要制备瞬时的高亮度X射线源。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供了一种脉冲式X射线发生装置及产生方法，采用脉冲式电子束轰击到镶嵌在金刚石上的阵列式金属靶，显著提高瞬态下的光子数，其瞬间光强可达2.4×1011phs/mm2/us，得到了瞬时的高亮度X射线源。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种脉冲式X射线发生装置，所述装置包括：脉冲式电子源1以及阵列式阳极靶，所述阵列式阳极靶包括金刚石3和镶嵌在其上的阵列式金属靶2；所述脉冲式电子源1位于阵列式金属靶2的上方。
本发明采用脉冲式电子束将热流集中在瞬时内，并在脉冲间隙内将热量通过阳极靶材快速扩散出去，阵列式金属靶镶嵌在金刚石上，利用金刚石优异的传热性能，在下一个脉冲到达时已冷却到足够低。将脉冲电子束功率集中后，有效的提高了瞬时光子产生效率，显著提高瞬态下的光子数，其瞬间光强可达2.4×1011phs/mm2/us，进而提高瞬态测量的效率，为瞬态物性表征提供可能。
由于脉冲激光的功率极高且速率极快，满足在瞬时提供足够高的能量的要求，而阵列式金属靶镶嵌在金刚石上，能够及时将热量扩散出去。二者相配合，得到了瞬时的高亮度X射线源。
根据本发明，所述装置还包括脉冲式电子源和阵列式阳极靶的控制器。
第二方面，本发明提供一种脉冲式X射线的发生方法，所述方法利用权利要求1或2所述的装置产生脉冲式X射线。
根据本发明，所述脉冲式X射线的发生方法包括以下步骤：
(1)利用脉冲式电子源1发出脉冲式电子束；
(2)将步骤1发出的脉冲式电子束照射到阵列式金属靶2上，发出瞬时的脉冲式X射线。
根据本发明，所述脉冲式电子束的瞬态功率为3-6MW/cm2，例如可以是3MW/cm2、3.5MW/cm2、4MW/cm2、4.5MW/cm2、5MW/cm2、5.5MW/cm2或6MW/cm2，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
根据本发明，所述脉冲式电子束的脉冲时长为1-250μs，例如可以是是1μs、5μs、10μs、20μs、50μs、80μs、100μs、130μs、150μs、180μs、200μs、230μs或250μs，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
作为优选的技术方案，本发明所述脉冲式X射线的发生方法包括以下步骤：
(1)利用脉冲式电子源(1)发出瞬态功率为3-6MW/cm2，时长为1-250μs的脉冲式电子束；
(2)将步骤(1)发出的脉冲式电子束照射到阵列式金属靶(2)上，发出脉冲式X射线。
与现有技术方案相比，本发明至少具有以下有益效果：
(1)本发明利用采用脉冲式电子束轰击到镶嵌在金刚石上的阵列式金属靶，显著提高瞬态下的光子数，其瞬间光强可达2.4×1011phs/mm2/us，得到了瞬时的高亮度X射线源。
(2)本发明提供的瞬时的高亮度X射线可在极短时间内对材料的结构进行测量，提高了瞬态测量的效率，为瞬态物性表征提供可能，弥补了现有实验室光源技术的不足。
(3)本发明产生的瞬时的高亮度X射线可与脉冲激光升温系统结合，原位进行材料物性改变的同时，实时测定材料结构、成分的变化信息，具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明提供的脉冲式X射线发生装置的结构示意图；其中，1-脉冲式电子源，2-阵列式金属靶，3-金刚石；
图2是本发明实施例1提供的脉冲式X射线发生装置的结构示意图；其中，101-脉冲式电子源，102-脉冲式电子束团，2-阵列式金属靶，3-金刚石；
图3是本发明实施例2提供的脉冲式X射线发生装置的结构示意图；其中，101-连续式电子源，102-连续电子束，103-阳极，104-阴极，105-脉冲式电子束团，2-阵列式金属靶，3-金刚石。
下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
本发明在具体实施方式部分提供了一种脉冲式X射线发生装置，所述装置包括：脉冲式电子源1以及阵列式阳极靶，所述阵列式阳极靶包括金刚石3和镶嵌在其上的阵列式金属靶2；所述脉冲式电子源1位于阵列式金属靶2的上方。
所述装置还包括脉冲式电子源和阵列式阳极靶的控制器。
本发明在具体实施方式部分还提供了一种脉冲式X射线的发生方法，即利用上述装置产生脉冲式X射线，具体操作为：
(1)利用脉冲式电子源1发出脉冲式电子束；
(2)将步骤1发出的脉冲式电子束照射到阵列式金属靶2上，发出脉冲式X射线。
优选地，所述脉冲式电子束的瞬态功率为3-6MW/cm2。
优选地，所述脉冲式电子束的脉冲时长为5-250μs。
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下：
实施例1
本实施例提供了一种脉冲式X射线发生装置，如图2所示，所述装置包括：脉冲式电子源101以及阵列式阳极靶，所述阵列式阳极靶包括金刚石3和镶嵌在其上的阵列式金属靶2；所述脉冲式电子源101位于阵列式金属靶2的上方。
利用上述装置产生脉冲式X射线，包括以下步骤：
(1)利用脉冲式电子源101发出瞬态功率为6MW/cm2，时长为5μs的脉冲式电子束团102；
(2)将步骤(1)发出的脉冲式电子束团102照射到阵列式金属靶2上，发出脉冲式X射线。
本实施例可得到光强为2.4×1011phs/mm2/us的脉冲式X射线。
实施例2
本实施例提供了一种脉冲式X射线发生装置，如图3所示，所述装置包括：脉冲式电子源1以及阵列式阳极靶，所述脉冲式电子源1包括连续式电子源101、阳极103与阴极104；所述阵列式阳极靶包括金刚石3和镶嵌在其上的阵列式金属靶2；所述脉冲式电子源1位于阵列式金属靶2的上方。
利用上述装置产生脉冲式X射线，包括以下步骤：
(1)利用连续式电子源101发出连续电子束102，所述电子束102经过阳极103与阴极104产生的周期性电压控制后，变为脉冲式电子束团105，脉冲式电子束团的功率为5MW/cm2，时长为30μs；
(2)将步骤(1)发出的脉冲式电子束团105照射到阵列式金属靶2上，发出脉冲式X射线。
本实施例可得到光强为8×1010phs/mm2/us的脉冲式X射线。
对比例1
与实施1相比，本对比例提供的X射线发生装置除了阵列式阳极靶不包括金刚石3外，其他结构与实施例1相同，即阵列式金属靶置于其他材质的样品台上。
利用上述装置的脉冲式电子源发出与实施例1相同功率和时长的脉冲式电子束团，直接照射到阵列式金属靶上。
由于热量过高且不能及时散出，金属靶材被烧蚀。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (7)
1.一种脉冲式X射线发生装置，其特征在于，所述装置包括：脉冲式电子源(1)以及阵列式阳极靶，所述阵列式阳极靶包括金刚石(3)和镶嵌在其上的阵列式金属靶(2)；所述脉冲式电子源(1)位于阵列式金属靶(2)的上方。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括脉冲式电子源和阵列式阳极靶的控制器。
3.一种脉冲式X射线的发生方法，其特征在于，所述方法利用权利要求1或2所述的装置产生脉冲式X射线。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)利用脉冲式电子源(1)发出脉冲式电子束；
(2)将步骤(1)发出的脉冲式电子束照射到阵列式金属靶(2)上，发出脉冲式X射线。
5.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述脉冲式电子束的瞬态功率为3-6MW/cm2。
6.如权利要求3-5任一项所述的方法，其特征在于，所述脉冲式电子束的脉冲时长为1-250μs。
7.如权利要求3-6任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)利用脉冲式电子源(1)发出瞬态功率为3-6MW/cm2，时长为1-250μs的脉冲式电子束；
(2)将步骤(1)发出的脉冲式电子束照射到阵列式金属靶(2)上，发出脉冲式X射线。
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| CN201810069337.6A CN108269725A (zh) | 2018-01-24 | 2018-01-24 | 一种脉冲式x射线发生装置及产生方法 |
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| CN105556637A (zh) * | 2013-09-19 | 2016-05-04 | 斯格瑞公司 | 使用线性累加的x射线源 |
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