CN111108578A

CN111108578A - 三轴x射线管

Info

Publication number: CN111108578A
Application number: CN201880059150.6A
Authority: CN
Inventors: R·B·斯泰克; B·哈利斯
Original assignee: Moxtek Inc
Current assignee: Moxtek Inc
Priority date: 2017-10-26
Filing date: 2018-09-28
Publication date: 2020-05-05
Also published as: US10681794B1; WO2019083684A1; US20200163195A1; US20190132936A1; US10624195B2

Abstract

在一个实施例中，可以在更靠近样品的位置使用X射线管(15)。在阳极轴(02)与电子束轴(01)之间的角(A₁)可以≥10°且≤80°，而阳极轴(02)与X射线轴(03)之间的角(A₂)可以≥10°且≤80°。在另一实施例中，阳极(12)上的盖(20)可以阻挡在不期望的方向上发射的X射线。盖(20)可以包括内部腔(24)、电子束孔(21)、阳极孔(22)和X射线孔(23)。在另一实施例中，在X射线管(15)和电源(18)的电连接可以是可靠且易于制造的。阳极(12)可在阳极12的一端处包括孔(31)，该孔(31)的大小和形状被设置成用于电连接器(32)的插入。

Description

三轴X射线管

发明领域

本申请一般涉及X射线源。

背景

在某些应用场合，将X射线管放置得靠近样品可能是重要的。如果小光斑大小是重要的(例如微焦距X射线管)，则这是尤其重要的。X射线管的结构与用于分析荧光X射线的检测器所需的空间相结合可使得难以具有与样品所需的距离。使X射线管与样品之间的距离最小化将是有益的。

在X射线管中，响应于来自电子发射器的撞击电子，阳极的靶材部分可以在所有方向上发射X射线。出于安全考虑，阻挡在不期望的方向上发出的X射线可能是重要的。对于成本节省和重量减轻而言，使被用于阻挡此类X射线的材料的重量最小化可能是重要的。

X射线源包括电耦合至电源的X射线管。因为电源可以为X射线管提供几千伏的差分电压，所以这种电耦合/电连接可能是重要的，并且需要进行仔细的设计以实现恰当的电连接而不产生不期望的电弧。此外，由于设计将通常需要在许多此类X射线被制作时被重复许多次，因此易于制造是另一考虑。

发明内容

已经认识到，以下将是有利的：在X射线管和样品之间具有最小的距离；以被用于阻挡X射线的最小重量的材料来阻挡X射线管在不期望的方向上发出的X射线；以及在X射线管和电源之间提供可靠的电连接(即不容易产生电弧故障)并且相对容易制造。本发明涉及满足这些需要的X射线管和X射线源的各种实施例。每个实施例可以满足这些需要中的一者、一些或全部。

X射线管可以包括彼此电绝缘的阴极和阳极，阳极包括更靠近阴极的近端和更远离阴极的远端以及被配置成允许X射线透射的X射线窗，X射线窗与阳极间隔开。阴极可被配置成用电子束朝向阳极发射电子。阳极可以在近端处包括靶材料，该靶材料被配置成响应于来自阴极的撞击电子而发射X射线。X射线可以通过X射线管的内部腔用X射线束发射至X射线窗且穿过X射线窗。

在本发明内容章节的第二段中的X射线管的一个实施例中，沿着阳极的最长尺寸的轴限定了阳极轴，沿着电子束的中心的轴限定了电子束轴，并且垂直于X射线窗的平面且沿着X射线束的中心的轴限定了X射线轴。在阳极轴与电子束轴之间的角度可以≥10°且≤80°，而阳极轴与X射线轴之间的角度可以≥10°且≤80°。

在本发明内容章节的第二段中的X射线管的另一实施例中，X射线管可以进一步包括在阳极的近端上的盖。该盖可以包括内部腔，其限定了盖腔；第一孔，其限定了电子束孔、沿电子束轴从盖的外沿延伸至盖腔；第二孔，其限定了阳极孔、沿阳极轴从盖的外沿延伸至盖腔，阳极位于阳极孔中且靶材料面向盖腔；以及第三孔，其定义为X射线孔、沿X射线轴从盖的外沿延伸至盖腔。

在本发明内容章节的第二段中的X射线管的另一实施例中，阳极可在阳极的远端处包括孔，其限定了阳极腔。阳极腔的大小和形状可以设置成用于电连接器的插入。

附图说明(附图可能未按比例绘制)

图1是根据本发明的一实施例的包括电源18和X射线管15的X射线源10的示意性截面侧视图，该X射线管包括电子束轴01、阳极轴02和X射线轴03。

图2是根据本发明的一实施例的用于阳极12的盖20的示意性截面侧视图，该盖20包括盖腔24、电子束孔21(该电子束孔21沿着电子束轴01从盖20的外沿25延伸至盖腔24)、阳极孔22(该阳极孔22沿着阳极轴02从盖20的外沿25延伸至盖腔24)、以及X射线孔23(该X射线孔23沿着X射线轴03从盖20的外沿25延伸至盖腔24)。

图3是根据本发明的一实施例的类似于X射线源10的X射线源30的示意性截面侧视图，该X射线源30进一步包括在盖20的阳极孔22中的阳极12和在阳极12中的阳极腔31，其具有匹配的电连接器32。

图4是根据本发明的一实施例的类似于X射线源10和30的X射线源40的示意性截面侧视图，该X射线源40进一步包括阳极12的表面，其中靶材料16朝电子发射器11E倾斜以在阳极12的表面的平面06和X射线轴03之间形成<90°的角A₄。

图5是根据本发明的一实施例的类似于X射线源10和30的X射线源50的示意性截面侧视图，该X射线源50进一步包括阳极12的表面，其中靶材料16朝X射线窗13倾斜以在阳极12的表面的平面06和电子束轴01之间形成<90°的角A₅。

图6是根据本发明的一实施例的类似于X射线源10、30、40和50的X射线源60的示意性截面侧视图，但是示出了电源18的附加细节。

详细描述

如图1所解说，示出了X射线源10，该X射线源10包括电耦合至X射线管15且被配置成向X射线管提供电力的电源18。电源18可以是电池供电的，并且X射线源10可以是便携式且小重量的(例如≤1kg、≤2kg、≤3kg、≤4kg或≤6kg)。如本文中所使用，术语“kg”意指千克。

X射线管15可以包括彼此电绝缘的阴极11和阳极12。该电绝缘可以包括固体或液体电绝缘材料14(例如，电子灌注混合物)和X射线管15的抽空的内部腔19。阳极可包括更靠近阴极11的近端12p和更远离阴极11的远端12d。

X射线窗13可以形成X射线管的外壁的至少一部分。X射线窗13可以包括在美国专利公开号2015/0303024中描述的X射线窗的一些或全部属性(例如，低偏转、高X射线透射率、低可见光和红外光透射率)，该美国专利公开号通过援引被整体并入本文。X射线窗13可与阳极12间隔开；因而，X射线管15可以是侧窗(side-window)X射线管15。X射线窗13可以与阳极12电绝缘。X射线窗13、阳极12或两者可以接地。

阴极11可以被配置成用电子束从电子发射器11E朝阳极12发射电子。阳极12可以在近端12p处包括靶材料16，该靶材料16被配置成响应于来自阴极11的撞击电子而发射X射线。X射线可以通过X射线管10的内部腔用X射线束发射至X射线窗13且穿过X射线窗13。

X射线管15可以包括沿着电子束的中心的轴，其限定了电子束轴01；沿着阳极12的最长尺寸的轴，其限定了阳极轴02；以及沿着X射线束的中心的轴，其可垂直于X射线窗13的平面、限定了X射线轴03。所发出的X射线可指向样品。样品可接着发出X射线荧光，其将在X射线检测器中被收集且由X射线检测器分析。需要空间以便将X射线发射至样品以及将发荧光的X射线发射至检测器。如果样品上的小的X射线光斑是合宜的，则使该空间最小化且因而使X射线束的不期望的扩张最小化可能是重要的。在电子束轴01、阳极轴02和X射线轴03之间恰当地选择角A₁、A₂和A₃可允许该空间的最小化。与图6中具有A₁≈0°、A₂≈45°和A₃≈45°的X射线源60相比，图1和3-5中具有A₁≈45°、A₂≈45°和A₃≈90°的X射线源10、30、40和50可允许X射线管15被放置得更靠近样品。图6中具有A₁≈0°、A₂≈45°和A₃≈45°的X射线源60对于其他应用场合可能是有益的并且可以因易于制造而被优选。

图1和3-5中的实施例的角的示例包括：电子束轴01与阳极轴02之间的角A₁≥10°、≥20°、≥30°或≥40°且≤50°、≤60°、≤70°或≤80°；阳极轴02与X射线轴03之间的角A₂≥10°、≥20°、≥30°或≥40°且≤50°、≤60°、≤70°或≤80°；电子束轴01与X射线轴03之间的角≥20°、≥40°、≥60°或≥80°且≤100°、≤120°、≤140°或≤160°。A₁加A₂可等于A₃。

用于阳极12的盖20在图2中示出。盖20可包括内部腔，其限定了盖腔24。盖20中的第一孔(其限定了电子束孔21)可以沿着电子束轴01从盖20的外沿25延伸至盖腔24。盖20中的第二孔(其限定了阳极孔22)可以沿着阳极轴02从盖20的外沿25延伸至盖腔24。盖20中的第三孔(其限定了X射线孔23)可以沿着X射线轴03从盖20的外沿25延伸至盖腔24。如图3和6所示，阳极12的近端12p可以位于阳极孔22中，并且靶材料16面向盖腔24。盖20可沿着阳极的侧面12s从阳极12的近端12p朝向远端12p延伸。

盖20和阳极12可包括材料和厚度，以阻挡不期望的方向上的X射线。因为盖20被定位成非常靠近靶材料16且因而靠近X射线源，所以其大小可以小于阻挡X射线以更远离源的屏蔽。阳极12可以阻挡被发射到阳极孔22中的X射线。为了阻挡X射线，盖20和/或阳极12可以具有拥有高原子序数的高重量百分比的材料。因而，盖20、阳极或两者可具有原子序数为至少42、至少72、或至少74的材料的重量的至少25％、至少50％、至少75％、或至少90％。盖20和阳极12可以具有用于阻挡从靶材料16发出的不通过电子束孔21或X射线孔23的X射线的至少90％、至少99％、或至少99.9％的材料成分和厚度。盖20和阳极12可因而在除了电子束孔21之外的所有不期望的方向上阻挡X射线。为了恰当地阻挡X射线并避免热膨胀失配，盖20的材料组成可以与阳极12的材料成分相同。

盖20的X射线孔23可以具有扩大的尺寸，以允许穿过X射线孔23的X射线的扩张。例如，X射线孔23在盖20的外沿外沿25处的最大尺寸D2可以比X射线孔23在盖腔24处的最大尺寸D1大至少1.2倍、大至少1.5倍、或者大至少2倍。这些最大尺寸D1和D2可以是宽度或直径。

盖20的X射线孔23可以使所发射的X射线束成形。因而，例如，X射线孔23的全部或一部分可以具有成圆形的形状(例如圆形、椭圆形等)、方形、或矩形形状。本文中所描述的X射线源10、30、40、50和60的每种应用场合可能需要其自己的所发射X射线束的形状。

盖20的外沿25处的尖锐的点或尖锐的边缘可导致毗邻此类点或边缘的大的电压梯度，这可导致X射线管15的故障。为了避免如此大的电压梯度，盖20的外沿25可以包括平滑曲线或由平滑曲线组成。例如，盖20的外沿25可以具有球形或一些其他成圆形的凸形状。平滑曲率的例外可以包括电子束孔21的入口21E、阳极孔22的入口22E、X射线孔23的入口23E、或其组合。

当阳极改变温度时，对阳极12而言具有低的热膨胀系数以最小化X射线光斑的移动可能是有用的。因而，例如，阳极12可具有≤20m/(m*K)、≤15m/(m*K)、≤12m/(m*K)或≤10m/(m*K)的热膨胀系数。对阳极12而言具有高热导率以从靶材料16将热传递出去可能是有用的。因而，例如，阳极12可以具有≥50W/(m*K)、≥100W/(m*K)、≥140W/(m*K)、≥160W/(m*K)或≥180W/(m*K)的热导率。

一种潜在的阳极材料是钨铜，其可以是金属基复合材料。这种材料将铜的高热导率与高原子序数和钨的低热膨胀系数结合在一起。例如，阳极的材料成分可以包括至少50％、至少60％、至少70％、至少80％、或至少90％的钨；和/或至少1％、至少5％、至少10％、至少15％、或至少20％的铜。

阳极12的具有靶材料16的表面的平面06可以被斜切，形成相对于阳极轴02的锐角，这可以改变样品上的X射线光斑的形状。此形状可以通过改变这个角而在两个不同方向之一上被伸长，每个方向相对于彼此成90°。例如，如图4所示，阳极12的表面的平面06与X射线轴03之间的角A₄可以≥1°、≥2°、≥5°或≥15°且≤20°、≤30°或≤40°。作为另一示例，如图5所示，为了使光斑在从图4的方向起90°的方向上伸长，阳极12的表面的平面06相对于电子束轴01的角A₅可以≥1°、≥2°、≥5°或≥15°且≤20°、≤30°或≤40°。

如图3所示，阳极12可在阳极12的远离阴极11的远端处包括孔，从而限定阳极腔31。阳极腔31的大小和形状可以设置成用于电连接器32的插入。在图4-6中，电连接器32被示为插入到阳极腔31中。电连接器32提供至电源18的电耦合。阳极12可以从靶材料16到阳极腔31导电，以允许电流从阳极腔31中的电连接器32流到靶材料16。阳极腔31和电连接器32可以配合以形成可靠且易于制造的电连接。阳极腔31和配对的电连接器32可各自具有圆柱形状，以便易于制造。

可以选择阳极腔31的长度L(在平行于阳极轴02的方向上)和宽度W(在垂直于阳极轴02的方向上)，以获得最优的阳极12的强度以及在阳极12和电连接器32之间的电接触面积。例如，长度L可以≥3mm、≥3mm、≥5mm或≥10mm且≤15mm、≤30mm、≤100mm或≤200mm。例如，宽度W可以≥0.5mm、≥1mm、≥2mm或≥2.5mm且≤3.5mm、≤5mm或≤10mm。如本文中所使用，术语“mm”意指毫米。实际宽度W和长度L可以取决于阳极12的实际大小。

如图6所示，电源18可以包括电连接器32，电连接器32刚性地连接至电路板61并且从电路板61延伸至阳极腔31中并且与阳极12形成电接触。电路板61可以包括电压倍增器电路63，该电压倍增器电路63被配置成以高电压(例如，≥1千伏、≥4千伏或≥10千伏)向电连接器32提供电力。控制电路62可以控制输入电力并将其提供给电压倍增器电路63。这种设计的优点在于，电路板可以为电连接器32和X射线管15提供支撑；因此，用于电路板61的安装螺栓可被避免或者被定位成远离高电压组件，因而降低了表现出故障的风险。例如，如果用于电路板61的安装螺栓被使用，则电压乘法器电路63的任何部分(具有相对于地面的至少为5000伏的电压差)与接地电压处的安装螺栓之间的距离可≥25mm、≥40mm或≥80mm。

刚性连接至电路板61并从电路板61延伸的电连接器32的替代方案是电连接器32通过柔性缆线电耦合至电路板61。可以取决于X射线源的最终用途来做出对刚性安装或缆线的选择。缆线式X射线源可允许将X射线管15插入较小的空间，但是缆线可向X射线源增加额外重量，因此，如果不需要将X射线管15插入较小的空间中，则刚性安装可能是优选的。

Claims

1.一种X射线管，包括：

彼此电绝缘的阴极和阳极，所述阳极包括更靠近阴极的近端和更远离阴极的远端；

被配置成允许X射线的透射的X射线窗，所述X射线窗与所述阳极间隔开；

所述阴极被配置成用电子束朝向所述阳极发射电子，所述阳极包括在所述近端处的被配置成响应于来自所述阴极的撞击电子而发射X射线的靶材料，所述X射线通过所述X射线管的内部腔用X射线束发射至所述X射线窗且穿过所述X射线窗；

沿着所述电子束的中心的轴，其限定了电子束轴；沿着所述阳极的最长尺寸的轴，其限定了阳极轴；垂直于所述X射线窗的平面且沿着所述X射线束的中心的轴，其限定了X射线轴；以及

在所述电子束轴与所述阳极轴之间的≥10°且≤80°的角，以及在所述阳极轴与所述X射线轴之间的≥10°且≤80°的角。

2.根据权利要求1所述的X射线管，其特征在于，带有所述靶材料的所述阳极的表面的平面和所述X射线轴之间的角≥2°且≤20°。

3.根据权利要求1所述的X射线管，其特征在于，所述阳极具有原子序数为至少42的材料的重量的至少50％；≤12m/(m*K)的热膨胀系数；以及≥140W/(m*K)的热导率。

4.根据权利要求1所述的X射线管，其特征在于，所述阳极的材料成分包括至少70％的钨和至少5％的铜。

5.根据权利要求1所述的X射线管，其特征在于：

所述阳极具有原子序数为至少42的材料的重量的至少50％；≤12m/(m*K)的热膨胀系数；以及≥140W/(m*K)的热导率；以及

所述盖具有原子序数为至少42的材料的重量的至少50％。

6.根据权利要求1所述的X射线管，其特征在于，在所述近端处进一步包括所述阳极上的盖，所述盖包括：

内部腔，其限定盖腔；

第一孔，其限定了电子束孔、沿所述电子束轴从所述盖的外沿延伸至所述盖腔；

第二孔，其限定了阳极孔、沿所述阳极轴从所述盖的外沿延伸至所述盖腔，所述阳极位于所述阳极孔中并且所述靶材料面向所述盖腔；以及

第三孔，其限定了X射线孔、沿所述X射线轴从所述盖的外沿延伸至所述盖腔。

7.根据权利要求6所述的X射线管，其特征在于，所述X射线孔具有扩张的大小，使得所述X射线孔在所述盖的外沿的最大尺寸比所述X射线孔在所述盖腔处的最大尺寸大至少1.5倍。

8.根据权利要求1所述的X射线管，其特征在于：

所述阳极进一步包括在所述远端处的腔，其限定了阳极腔，并且所述阳极从所述靶材料到所述阳极腔是导电的；以及

所述阳极腔的大小和形状被设置成用于电连接器的插入。

9.根据权利要求8所述的X射线管，其特征在于，所述X射线管形成X射线源的一部分，所述X射线源进一步包括刚性地安装至所述X射线管的电源，所述电源包括电连接器，所述电连接器刚性地连接至所述电路板并从所述电路板延伸到所述阳极腔中且与所述阳极形成电接触。

10.根据权利要求9所述的X射线源，其特征在于，进一步包括：

所述电路板包括电压倍增器电路，所述电压倍增器电路被配置成以至少4千伏的电压向所述电连接器提供电力；以及

所述电压倍增器电路的任何部分与接地电压处的安装螺栓之间的距离至少为40mm，所述电压倍增器电路的任何部分具有相对于地面的至少5000伏的电压差。