CN108605405A - 双极x射线模块 - Google Patents

Abstract

本申请提供了双极x射线管模块。该双极x射线管模块可以包括双极x射线管和至少两个电压倍增器。该电压倍增器可以被定位成使得第一电压倍增器的电压梯度基本上平行于第二电压倍增器，以便提供紧凑型配置。

Description

双极x射线模块

相关申请

本专利文件要求于2016年2月26日提交的序列号为62/300,351的临时美国专利申请在35U.S.C§119(e)下的申请日的权益，其通过引用结合于此。

技术领域

本申请涉及用于提供用于现场(in field)便携式或手持式x射线成像仪器和分析仪器的紧凑双极X射线源的系统和方法，并且具体涉及用于现场便携式或手持式x射线仪器的高压x射线源的设计和构造。

背景技术

对使用x射线技术测量材料特性的兴趣导致了用于便携式x射线分析仪器的紧凑、低功耗x射线源的研发。这种仪器的示例是当前可从诸如Thermo Fisher PortableAnalytical Instruments、Bruker和Olympus的公司获得的手持式x射线荧光分析仪。最近对用于安全应用的手持和现场便携式x射线成像设备的研发也有兴趣。这种设备的一个示例是目前可从American Science and Engineering获得的Mini-Z手持式背向散射成像器。然而，在这种传统系统中，由于x射线管和高压电源的尺寸要求以及相关联的电绝缘和辐射屏蔽要求，x射线源的电压通常被限制在70kV及以下。

发明内容

本申请提供了一种双极x射线管模块。该双极x射线管模块包括双极x射线管和至少两个电压倍增器。该电压倍增器被定位成使得它们的电压梯度基本上平行，以便提供紧凑配置。

在参考附于本说明书并形成本说明书的一部分的附图和权利要求阅读以下描述之后，本领域技术人员将容易明白本发明的其它目的、特征和优点。

附图说明

图1是双极x射线源的示意图。

图2A和图2B是双极x射线源的等距视图。

图3是示出电压倍增器组件的一种实施方式的框图。

图4是示出电压倍增器组件的另一实施方式的框图。

图5是示出电压倍增器组件的另一实施方式的框图。

图6是双极x射线模块的电子示意图。

图7是紧凑型双极x射线管模块的横截面。

图8是双极x射线管模块的原型的线条渲染图。

具体实施方式

有一些重要的应用要求使用比适合于手持使用的当前一代紧凑型x射线源中产生的x射线能量更高的x射线能量。这些包括对某些材料深处的元素的精确识别和量化，以及某些重元素(例如，铅和镉)的识别、薄片金属壳体(enclosures)(如车门或金属储物柜)内部物体的成像、和众多医疗和牙科成像应用。这些应用为了x射线产生通常要求使用更高电压源(例如，80至200kV)。然而，增加高压的电压水平通常需要增加x射线管的长度和直径，以便在x射线管的真空封壳(envelope)内的阳极和阴极导体之间提供足够的高压绝缘。因此，增加的x射线管尺寸要求增加手持式x射线检查设备的尺寸。此外，以明显更高的电压在外壳(housing)和电极之间提供足够的电绝缘还要求更大的距离和更厚的绝缘。因此，50kV管的电压电平的加倍要求包括更高电压x射线管的手持式设备的尺寸的显著增加。

因此，仍然需要一种小规模(使用微型x射线源)的但是能够在近似高至例如200kV的范围内操作的高压手持式x射线检查设备。

如图1所示，通过使用双极配置能够显著减小x射线源尺寸的增加。在双极x射线源中，将负高压-Vo施加到x射线管的阴极端，并将正高压+Vo施加到阳极端。从阴极加速的电子以2eVo或者是对应于设备中的最高施加电压Vo的能量的两倍的能量到达阳极。然而，必须与参考接地电势电绝缘的最大电势差是Vo，因此该绝缘距离可以与具有相同Vo的单极配置相同。例如，在现有技术参考美国专利4,720,844和美国专利7,949,099中描述了双极电源配置。

双极高压电源包括两个高压倍增器部分，一个产生电势+Vo，另一个产生电势-Vo。这些倍增器可以被配置为如图1所示，其中每个倍增器的接地节点非常接近彼此以及非常接近驱动升压变压器，并且高压节点在电源的封装约束内以尽可能大的距离分离。在微型x射线源中，+Vo和-Vo处的高压节点依次连接到微型x射线管的阳极和阴极。然后，高压电源和x射线管可以被安装在导电外壳中并被封装在诸如硅树脂灌封(potting)化合物、聚氨酯或环氧树脂的固体电绝缘材料中。可替换地，外壳可以填充有电绝缘的液体或气体。如本领域中已知的，每个电压倍增器部分典型地包括一系列互连的陶瓷电容器和固态二极管。沿每个倍增器的长度的电压梯度被这些部件的尺寸限制为大约10kV/cm或更小。另一方面，x射线管可以支持更大的电压梯度。目前手持式x射线源中使用的金属陶瓷管典型地具有20kV/cm或更高的总电压梯度。在图1所示的配置中，电源梯度和x射线管梯度之间的不匹配意味着沿倍增器部分的梯度决定了单元的长度。

如上所述，如果要在手持式或便携式应用中使用x射线源，那么最小化源的整体尺寸和重量可能是非常重要的。因此，需要在高达±100kV的Vo下操作并且与便携式和手持式应用可能期望的小尺寸和低重量一致的双极电源和x射线管配置。

本申请中描述的实施方式可以提供紧凑型x射线源以用于小尺寸、低重量和低功耗的应用。

本申请中描述的实施方式还可以提供能够在高达Vo＝±100kV的电压且功率水平<50瓦特下操作的紧凑型双极电源模块以用于手持式或现场便携式x射线分析仪器。

此外，所描述的实施方式可以提供微型x射线管和双极电源模块以用于涂料、焊料或其它工业材料中铅的检测的手持式XRF分析仪。

此外，所描述的实施方式可以提供微型x射线管和双极电源模块以用于骨中铅的活体检测(vivo detection)的手持式或现场便携式XRF分析仪。

此外，实施方式可以提供微型x射线管和双极电源模块以用于安全性、非破坏性测试、牙科、兽医和医疗应用的手持式或便携式x射线成像系统。

本申请中描述的系统可以提供用于在便携式或手持式x射线仪器中使用的双极x射线模块的紧凑型配置。图2A和2B示出了微型双极x射线模块的示例。双极x射线模块200包括被包围在接地外壳202中的双极x射线管201和紧凑型双极电源。该外壳202包括围绕x射线管201和电压倍增器203、204的部分，其中这些部分可以被电连接和机械连接。在一些实施方式中，系统可以提供在由一个或多个高压电缆分离的两个外壳中。双极电源包括正高压倍增器203和负高压倍增器204加上为倍增器和x射线管供电和控制倍增器和x射线管所要求的附加部件。这些将在下面进一步描述。围绕高压电源和x射线管的区域填充有可以是固态、液态或气态的电绝缘材料205、206。围绕x射线管的电绝缘材料206可以包含分布在电绝缘材料内的不透无线电(radio-opaque)的材料。高压倍增器以紧凑的几何形状配置，使得沿每个倍增器的电压梯度基本上平行于沿其它倍增器的电压梯度，并且所得到的每个倍增器的平均电场E1和E2基本上指向相同的方向。例如，E1可以在E2的30度内。以这种方式配置倍增器得到在部件之间具有低电场力的配置，并产生紧凑的设计。此外，如图2A所示，双极x射线管201可以被定位成使得阴极和阳极之间的平均电场E3被定向成基本上平行于E1和E2。应该注意的是，双极x射线管的其它定向也是可能的，并且模块仍然可以受益于图2A中所示的倍增器的紧凑型配置。例如，如图2B所示，E3可以被定向成与E1和E2基本上反平行(例如，平行但在相反方向上)。例如，E3可以在E1和E2两者的30度内。

图3示出了x射线仪器的一种实施方式，其中每个长度为L的倍增器的高压端可以接近其它倍增器的接地端。每个倍增器的电压梯度可以被定义为电压随倍增器的接地端子和高压端子之间的距离的矢量导数。因此，平均电压梯度是沿倍增器的两个端子之间的线的电压变化除以这两个端子之间的距离。按照惯例，平均电压梯度的方向总是指向更高的正电压。在图3中，负电压倍增器301和正电压倍增器302具有大致相等的长度，并且被配置成使得它们的电压梯度大致平行于彼此。重叠距离L1可以等于L，如图3所示，或者可以小于L。典型地，L1可以在L≥L1≥0.4L的范围内。这意味着倍增器与彼此对准，使得负倍增器301的负高压端子303可以接近正倍增器302的接地端子305，并且正倍增器302的正高压端子306可以接近负倍增器301的接地端子304。接地端子304和305是电压倍增器组件的低压端，其具有比高压端子303和306更小的相对于罩电势(case potential)的电势差。接地端子304、305可以直接连接到罩(case)，如图3所示，或者可以经由附加的电子部件连接，因为这可能是促进对倍增器的电流或电压的监测或者提供与罩的电绝缘所需要的。图3的配置产生了期望的情况，其中两个倍增器的高压端子很好地与彼此分离，并且倍增器之间的区域“A”中的峰值电场可以大致是均匀的并且与利用L1<L的配置相比可以被最小化。此外，如图2所示，由于可以使x射线管的总长度大致等于L，可以实现用于整个模块的紧凑型配置。距离d2和d4是对于所述电压的在电压倍增器的端子和接地外壳之间的相隔距离(standoffdistance)。例如，对于在+/-35kV至±100kV的范围内的Vo，d2和d4可以是0.2-2.0cm的最小值。类似地，d3是一个倍增器的高压端和另一倍增器的低压端之间的相隔距离。对于相同范围的Vo值，d3的最小值类似于d2和d4的最小值。

图4示出了x射线仪器的另一种实施方式，其中正高压倍增器401和负高压倍增器402的长度都是L。正高压倍增器401的端子和负高压倍增器402的端子可以对角地或基本上沿着对角线定位在矩形接地外壳403中。倍增器可以大致平行于彼此，并且两个倍增器中的每一个倍增器的高压端可以定位在矩形框内的对角线D1的相对端附近。每个倍增器的接地端可以定位于对角线D2的相对端附近。在该实施方式中，正端子可以位于负电压倍增器的接地端子附近，并且负端子可以位于正电压倍增器的接地端子附近。这样，正端子可以位于比负端子更靠近负电压倍增器的接地端子，并且负端子可以位于比正端子更靠近正电压倍增器的接地端子。例如，在所讨论的电压范围中，正端子可以位于距负电压倍增器的接地端子小于2厘米，而负端子可以位于距正电压倍增器的接地端子小于2厘米。

倍增器的高压端也可以以相隔距离S1定位，该相隔距离S1足以在接地罩和高压倍增器的端部之间提供高压绝缘。倍增器之间的最小距离由图4中区域“B”中的峰值电场所控制。应注意，在图4中重叠距离L1<L，因此区域“B”中的峰值电场可以大于L1＝L的配置中的峰值电场。然而，通过将倍增器的端子大致沿矩形外壳的对角线放置，可以实现非常紧凑的配置。

图4所示设计的紧凑型双极电源的典型设计参数如下：

+35kV<+Vo<+100kV

-35kV>-Vo>-100kV

2.5cm<X<18cm

2.5cm<Y<18cm

0.2cm<S1<2.5cm

3.8cm<D1，D2<31cm

紧凑型电源设计的另一种实施方式如图5中所示。在该示例中，长度为L的两个高压倍增器501和502可以定位在以平行四边形或梯形形状的接地外壳503内。每个倍增器的高压端可以粗略地沿着比对角线D5长的对角线D4定位，该对角线D5粗略地在两个倍增器的接地端之间延伸。该定位允许倍增器的端部与重叠距离L1＝L对准，并在两个倍增器之间产生具有基本均匀的和最小化的电场的区域“C”。

上述设计方法提供了非常紧凑、可靠的双极模块化设计，该设计具有由于电弧而引起失效的低概率。这些紧凑型设计因为它们的小尺寸和轻重量而特别适用于手持式、电池供电的便携式式应用。通过使每个倍增器的高压输出大致沿一个对角线定向，并且倍增器的接地端沿另一对角线定向，可以实现紧凑可靠的设计。应该认识到，紧凑型双极设计不要求两个高压倍增器具有相同的高电压幅度或总长度。例如，+Vo可以等于+80kV并且-Vo可以等于-40kV，并且仍然可以实现上述紧凑型双极电源设计的许多优点。

通常，双极x射线管可以被定位成阴极接近负高压倍增器301的负端子303且阳极接近正高压倍增器302的正端子306。这样。阴极可以定位成相比于正端子306更靠近负端子303；并且阳极可以定位成相比于负端子303更靠近正端子306。例如，在给定的电压范围内，阴极可以定位于负高压倍增器301的负端子303的7厘米内，并且阳极可以定位于正高压倍增器302的正端子306的7厘米内。对于紧凑型设计，x射线管可以大致沿图4中的D1或图5中的D4定位。但是，不要求x射线管大致沿对角线的定位。为方便起见，x射线管可以位于平行于外壳的边缘以允许容易的对准。

图6是双极x射线模块的电子示意图，其示出了高压倍增器601和602以及x射线管603。图6中示出的电连接可以应用于以任何其它图中描述的电压倍增器配置。在图6中，两个高压倍增器经由升压变压器605连接到AC电源604。该AC电源604还可以包括用于控制被提供给x射线管的电压和电流的控制电路。使用分别连接到每个倍增器的分压器606和607来监测高电压。应该注意，也可以使用连接到一个倍增器的单个分压器。还应注意到，代替利用单个升压变压器605来驱动两个倍增器，可以利用具有单个AC电源的单独的升压变压器来驱动每个倍增器，或者每个倍增器用其自己的AC电源来驱动。正高压倍增器的输出可以连接到x射线管的阳极端子并且负电压倍增器的输出可以连接到x射线管的阴极端子。可以使用例如隔离变压器608和电源610向x射线管的阴极供应电力。电源的高压部分被保持在参考(地)电势的导电外壳609围绕。

图7示出了包含微型双极x射线管的紧凑型双极模块的部分的横截面的一个示例。图7中的元件通常可以对应于图2中的201、202和206。x射线管包括可以利用阴极引线717电连接到双极电源的负高压端子的阴极端707，和可以利用阳极引线718电连接到正高压端子的阳极端708。该阴极端可以包含电子发射器709和将电子束聚焦到阳极端的靶上的一个或多个束整形电极710。该电子发射器可以是钨丝发射器或本领域已知的任何其它电子发射器。阴极端和阳极端由中空电绝缘体711分离，该中空电绝缘体711形成x射线管的真空封壳的一部分。绝缘体可以是由氧化铝、氧化铍、玻璃或本领域已知的任何其它真空兼容的高压绝缘材料制成的管。由中空绝缘体的内部以及阴极和阳极端部限定的区域714保持在足以允许电子在阴极和阳极之间基本上不受阻碍地流动的真空。在x射线管的操作期间，电子在由阴极到阳极电压差所产生的电场中在阴极和阳极之间加速。

x射线管的阳极端包括x射线产生靶(target)712和形成x射线管的真空封壳的一端的x射线透射窗713。阳极还可以包括圆柱电极715、或阳极罩(hood)，该阳极罩的目的是防止从靶向后方向散射的电子撞击绝缘体。x射线透射窗可以由铍、氧化铍、钛或具有足够的机械强度以保持至少一个大气压的压力差并将高x射线透射率保持在感兴趣的能量范围内的任何其它真空兼容的材料形成。x射线产生靶被保持在阳极电势，并且可以被放置在电子束路径中的任何位置处。为了使来自x射线管的通量最大化，将靶尽可能靠近输出窗放置可能是有利的。x射线靶可以直接被应用于铍窗的真空侧。选择x射线靶的厚度以使其足够厚以使得电子减速并产生x射线，并且足够薄以允许x射线通量穿过Be窗在前向方向上逸出。例如，对于120kV的阴极到阳极电压差，x射线靶可以是直接沉积在Be窗的真空侧上的厚度在2μm-20μm之间的金、钨或其它合适材料的层。应该注意的是，如本领域中已知的，双极x射线管也可以使用固体反射靶和x射线透射窗以侧窗设计来配置。

紧凑型双极x射线管和电源可以被包围在保持在参考(地)电势的导电外壳700中。该导电外壳形成围绕x射线管和电源的等电势表面。由于x射线管的阴极和阳极端部相对于外壳处于高电压，所以围绕整个x射线管的区域可以被填充有被设计为防止在管电极和邻近外壳之间发生高压击穿的电绝缘材料701、702。电绝缘材料可以是固体封装材料，也称为灌封材料(例如硅树脂、硅凝胶、聚氨酯、环氧树脂等)、液体(例如，变压器油、氟化物或其它基于碳氟化合物的液体)、或加压气体(例如，六氟化硫、干燥氮气等)。诸如硅树脂的固体封装材料因为是机械稳定的，所以可以是优选的。此外，固体封装材料可以装载有不透无线电的填充物，以便在x射线管附近提供增强的x射线屏蔽，如美国专利7949099、7448801和7448802中所述。这种不透无线电的填充物的示例是铋或钨的氧化物，但也可以使用许多其它高原子序数元素或它们的化合物。该不透无线电的填充物不需要均匀地分布在封装材料中；在某些情况下，创建具有不同浓度的填充物的区域是有利的，如以下将描述的。

与期望阻挡x射线通量的围绕x射线管的其它区域相比，邻近x射线输出窗的区域703可以优选地被填充有对x射线而言相对透明的电绝缘材料。邻近阳极/x射线窗的绝缘体具有良好的高温性能也可以是有利的。诸如Ultem的无定形热塑性聚醚酰亚胺(PEI)树脂可以用于该绝缘体。绝缘体703的厚度d1由电绝缘材料的介电特性决定，并且典型地为1-10mm。绝缘体703可以被定形为使得接地外壳中的x射线管的输出窗与输出孔径719之间的距离d1最小化以便最大化x射线透射。同时，可能期望最大化沿透明绝缘体和封装材料之间的边界的路径长度，以便最小化沿该边界的电场力并降低高压击穿的概率。因此，在横向于x射线窗和接地外壳之间的最短距离d1的方向上延伸透明绝缘体可以是有利的。图7中示出了该几何形状的一个示例，其中使得透明绝缘体和封装材料701之间的边界716更长以便最小化沿界面的电场强度。具有孔径719的板704可以被放置在透明绝缘体的前面以限定双极x射线管的有效发射孔径。板704可以由合适厚度的钨或其它x射线吸收材料制成。孔径719内的绝缘体703的表面可以被覆盖有薄导电层706。该导电层706可以电连接到板704并且可以减小孔径719的拐角中的电场。

清楚的是，通过使透明绝缘体远离x射线管的轴延伸，与区域702相比，在围绕x射线管的x射线靶和阳极的区域701中可以减小包含不透无线电填充物的封装材料的厚度。区域702可以围绕x射线管的阴极端。区域701和702可以具有相同浓度的不透无线电填充物。在一些实施方式中，与区域702相比，在区域701中使用更高浓度的不透无线电填充物可以是有利的。例如，在区域701中不透无线电的填充物浓度可增加10倍或更大以补偿封装材料的减小的厚度。在一些实施方式中，可排除区域701和702，使得接地外壳单独提供x射线屏蔽。用于不透无线电填充物和封装材料的混合物的典型配方包括与硅树脂(RTV)或环氧树脂混合的氧化铋粉末。典型的混合比是从每1克硅树脂或环氧树脂0.4克氧化铋粉末高至每1克硅树脂或环氧树脂10克氧化铋粉末。氧化铋通常以粉末形式供应，也可被称为氧化铋(III)或三氧化铋。

应该认识到，区域701和702不需要是具有不同浓度的不透无线电填充物的不同区域。而是，不透无线电填充物的密度可以在两个区域之间连续增加，得到不透无线电填充物的浓度梯度，最高浓度围绕管阳极和透明绝缘体。此外，为了进一步增加辐射屏蔽量，可以在靠近x射线管阳极的区域中的接地外壳处添加诸如钨或铅的不透无线电材料的薄套管705。

图8中示出了上述类型的原型紧凑型双极x射线模块的线条渲染。该模块具有最大Vo＝±60kV，得到总的阴极到阳极电压差120kV，并且最大功率为10瓦特。外壳802接地并且具有包围x射线管和电压倍增器的部分。电子组件810安装在外壳外部，并且可以包括电源(例如，来自图6的604和610)。

如本领域技术人员将容易理解的，以上描述旨在说明本发明的原理。本说明书并不意图限制本发明的范围或应用，因为在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神的情况下，本发明易于修改、变型和改变。

Claims (20)

1.一种双极x射线管模块，包括：

双极x射线管，具有阳极和阴极；

正电压倍增器，具有正端子和接地端子，所述正电压倍增器产生第一电压梯度；和

负电压倍增器，具有负端子和接地端子，所述负电压倍增器产生第二电压梯度，其中所述第一电压梯度基本上平行于所述第二电压梯度，所述正端子位于所述负电压倍增器的接地端子附近，所述负端子位于所述正电压倍增器的接地端子附近。

2.如权利要求1所述的双极x射线管模块，其中所述阴极位于所述负电压倍增器的负端子附近，并且所述阳极位于所述正电压倍增器的正端子附近。

3.如权利要求1所述的双极x射线管模块，还包括x射线屏蔽，其中所述x射线屏蔽基本上通过围绕所述x射线管的不透无线电的填充的灌封提供，所述不透无线电的填充的灌封具有一个或多个具有指定的不透无线电填充物浓度的区域。

4.如权利要求3所述的双极x射线管模块，其中所述不透无线电填充物的浓度在围绕所述x射线管的阳极处比围绕所述x射线管的阴极处更高。

5.如权利要求1所述的双极x射线管模块，其中所述x射线管阳极包括x射线透射窗，所述x射线透射窗具有直接施加到所述x射线透射窗的靶材料，所述靶材料具有在2μm-20μm的范围内的厚度。

6.如权利要求1所述的双极x射线管模块，还包括接地外壳，所述接地外壳包围所述正电压倍增器和所述负电压倍增器。

7.如权利要求6所述的双极x射线管模块，其中所述正电压倍增器和所述负电压倍增器具有重叠距离，所述重叠距离大于所述倍增器中的至少一个倍增器的长度的0.4倍。

8.如权利要求6所述的双极x射线管模块，其中所述x射线管也包围在所述接地外壳中。

9.如权利要求6所述的双极x射线管模块，其中所述x射线管使用一个或多个高压电缆电连接到所述倍增器。

10.如权利要求6所述的双极x射线管模块，其中所述接地外壳是矩形接地外壳。

11.如权利要求10所述的双极x射线管模块，所述正电压倍增器和所述负电压倍增器两者大致平行于彼此，所述正端子和所述负端子定位于矩形接地外壳内的第一对角线的相对端附近。

12.如权利要求11所述的双极x射线管模块，其中所述正电压倍增器的接地端和所述负电压倍增器的接地端定位于所述矩形接地外壳的第二对角线的相对端附近。

13.如权利要求6所述的双极x射线管模块，其中所述正电压倍增器在+35kV至+100kV的范围内操作，并且所述负电压倍增器在-35kV至-100kV的范围内操作。

14.如权利要求13所述的双极x射线管模块，其中所述正端子和所述负端子位于从所述接地外壳起的0.2至2.5cm之间。

15.如权利要求1所述的双极x射线管模块，其中所述双极x射线管模块被配置为在手持式或便携式仪器中使用。

16.一种双极x射线管模块，包括：

双极x射线管，具有第一电压梯度；

第一电压倍增器，具有第二电压梯度；

第二电压倍增器，具有第三电压梯度，其中所述第二和第三电压梯度基本上平行于彼此；和

接地的外壳，包围所述双极x射线管、所述第一电压倍增器和所述第二电压倍增器。

17.如权利要求16所述的双极x射线管模块，其中所述第一电压梯度基本上平行于所述第二和第三电压梯度。

18.如权利要求16所述的双极x射线管模块，其中所述第一电压梯度基本上反平行于所述第二和第三电压梯度。

19.如权利要求16所述的双极x射线管模块，其中所述第一电压倍增器的高压端可以位于所述第二电压倍增器的接地端附近，并且所述第二电压倍增器的高压端可以位于所述第一电压倍增器的接地端附近。

20.如权利要求16所述的双极x射线管模块，所述第一和第二电压倍增器中的每一个电压倍增器的高压端定位于矩形接地外壳内的第一对角线的相对端附近，所述第一电压倍增器的接地端和所述第二的接地端定位于所述矩形接地外壳的第二对角线的相对端附近。