CN111564350A - X射线管和x射线分析系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了X射线管和X射线分析系统。根据本发明的X射线管包括阳极和阴极，阴极包括用于发射电子束的发射部分。发射部分被配置成用电子照射阳极的目标表面以使阳极发射X射线。窗口被布置在X射线管的端部处，以允许X射线离开X射线管。阳极的目标表面以相对于纵轴的斜角倾斜，其中纵轴穿过X射线管的端部。

Description

X射线管和X射线分析系统

发明领域

本发明涉及X射线管和X射线分析装置。特别是，本发明涉及用于在X射线分析系统中使用的端窗X射线管。

发明背景

通常，X射线管包括被配置为朝着阳极的目标表面发射电子以便使阳极发射X射线的阴极。由阳极发射的一些X射线通过窗口离开X射线管。一种类型的X射线管是端窗X射线管。通常，在端窗布置中，阴极、阳极和窗口被定位成使得入射电子束近似垂直于阳极的目标表面。在端窗布置中，通过窗口离开X射线管的X射线在与入射电子束相反的方向上行进。

X射线分析技术(例如X射线衍射和X射线荧光分析)涉及用来自X射线管的X射线照射样本和用检测器检测来自样本的X射线。端窗布置的一个优点是，X射线管对其他设备(例如，诸如检测器)的定位强加最小空间限制。因此，端窗X射线管可以在定位设备方面提供灵活性。特别是，端窗X射线管可以提供在X射线管和X射线分析样本之间的良好耦合以及在X射线分析样本和检测器之间的良好耦合。

端窗X射线管通常生成输出光谱，其在光谱的低能端处展示高强度和在光谱的高能端处展示低强度。然而，一般来说，在光谱的高能端处以及在光谱的低能端处有高强度X射线是有用的。

发明概述

根据本发明的方面，提供了一种X射线管，其包括：阳极，该阳极具有目标表面；阴极，该阴极包括用于发射电子束的发射部分，其中发射部分被配置成用电子照射阳极的目标表面以使阳极发射X射线；布置成允许X射线通过X射线管的输出端离开X射线管的窗口，其中，X射线管的纵轴穿过输出端；以及其中，阳极的目标表面以相对于纵轴的斜角倾斜。

通过提供这种布置，X射线束通过X射线管的相对窄的端部离开X射线管。同时，检测角(即，在入射电子束和通过窗口离开X射线管的X射线束之间的角度)是相对小的。以这种方式，这种布置可以帮助实现在输出光谱的高能部分中的高强度以及在X射线管和X射线分析样本之间的良好耦合。

阳极可以包括锥形(tapered)主体，且阳极的目标表面是锥形主体的表面。

在一些实施例中，阳极的锥形主体是截头圆锥形的。在一些实施例中，整个阳极是锥形的。在一些实施例中，锥形主体在沿着纵轴的方向上逐渐变细。

在一些实施例中，目标表面的至少一部分在沿着纵轴的方向上比发射部分更靠近窗口。

在这种布置中提供发射部分减小了检测角，即，在入射电子束和来自阳极的通过窗口离开X射线管的X射线之间的角。以这种方式，X射线管甚至在发射光谱的较高能部分(例如大于30keV)中也可以提供较高的强度。

锥形主体可以是圆锥形的。在该实施例中，阳极的目标表面是圆锥体的表面。这可以帮助确保目标表面的被照射区域(即由电子束照射的目标表面的投影区域)是“实心”区域而不是包括间隙的“空心”区域(例如，环形区域)。以这种方式，这种布置可以便于“实心”焦斑(即由单一边界包围的焦斑)的形成。

发射部分可以包括围绕纵轴延伸的发射弧。发射弧围绕纵轴弯曲。优选地，发射弧是以纵轴为中心的圆弧。

阴极可以包括围绕纵轴延伸的发射环。在一些实施例中，发射弧是发射环的一段。在一些实施例中，发射弧是半圆弧。

纵轴可以是X射线管的中心轴。

发射部分和阳极可以被配置成使得在使用中，在来自阴极的电子束和来自阳极的通过窗口离开X射线管的X射线束之间的检测角小于175度。

检测角是在入射电子束的方向上的矢量和在离开X射线管的X射线的方向上的矢量之间的角。在一些实施例中，发射部分和阳极可以被配置成使得检测角等于或小于150度或小于90度。

阳极的目标表面可以相对于纵轴倾斜，使得在垂直于目标表面的矢量和沿着纵轴在从阳极朝着窗口的方向上的矢量之间的角大于5度。

在一些实施例中，在垂直于目标表面的矢量和沿着在从阳极朝着窗口的方向上的轴的矢量之间的角小于85度，并且优选地，其中该角在10度和80度之间。

阴极可以包括第一发射弧和第二发射弧。在一些实施例中，第一发射弧在沿着纵轴的方向上比第二发射弧更靠近窗口。

因为发射弧沿着纵轴偏移，所以每个发射弧具有与其相关的不同检测角。在沿着纵轴的方向上更远离窗口的发射弧具有更小的检测角(假设目标表面对称，使得斜角是相同的)。当检测角减小时，轫致辐射发射(Bremsstrahlung emission)的概率增加，使得在X射线管的输出光谱中的高能量的强度也增加。以这种方式，X射线管可以使用不同的发射弧来生成不同的输出光谱。

阳极的目标表面可以包括第一部分和第二部分，并且第一部分的材料不同于第二部分的材料。第一发射弧可以被布置成照射目标表面的第一部分，以及第二发射弧可以被布置成照射目标表面的第二部分。

第一发射弧的材料可以不同于第二发射弧的材料。

X射线管还可以包括包围阴极和阳极的外壳，其中，该外壳包括在沿着纵轴的方向上朝着X射线管的输出端逐渐变细的锥形端部部分。

提供这种布置可以帮助实现X射线管和X射线分析样本的紧密耦合。

一种X射线分析系统包括：如上所述的X射线管；用于保持样本的样本保持器；被配置为检测来自样本的X射线的检测器；被配置为从检测器接收与检测到的X射线的强度相关的强度数据的处理器。

在一些实施例中，X射线分析系统是X射线荧光分析系统，并且检测器被配置为检测由样本发射的X射线。例如，X射线检测器是能量色散检测器(energy dispersivedetector)。

X射线分析系统可以是X射线成像系统。

X射线分析系统可以是X射线衍射分析系统，并且处理器可以被配置成从检测器接收与X射线的强度和检测器相对于样本的位置相关的数据；并且记录随着在检测器和样本的表面之间的角度变化的X射线强度值。

该X射线分析系统可以是X射线荧光分析系统，并且处理器可以被配置成从检测器接收与X射线的强度和检测器相对于样本的位置相关的数据；并且记录随着在检测器和样本的表面之间的角度变化的X射线强度值。

在一个实施例中，一种X射线分析系统包括：X射线管，其包括第一发射弧和第二发射弧；被配置为向阴极提供电流的电路；以及被配置为控制电路以向第一发射弧或第二发射弧提供电流的控制器。

在一些实施例中，X射线管还包括第三发射部分，并且控制器被配置成控制电路以向第一发射弧、第二发射弧或第三发射弧提供电流。

附图简述

现在将通过示例的方式参考附图来描述本发明的实施例，其中：

图1根据本发明的实施例以横截面视图示出了X射线管的示意图；

图2示出说明电子束的入射角和X射线的检测角的示意图；

图3是示出用于在本发明的实施例中使用的多个示例性阴极的示意图；

图4根据本发明的实施例以横截面视图示出了X射线管的示意图；

图5根据本发明的实施例以横截面视图示出了X射线管的示意图；

图6根据本发明的实施例以横截面视图示出了X射线分析装置的示意图；

图7根据本发明的实施例以横截面视图示出了X射线分析装置的示意图；

图8A根据本发明的实施例示出了X射线管的阳极的示意图；以及

图8B根据本发明的另一实施例示出了X射线管的阳极的示意图。

应当注意，这些图是概略的，并且没有按比例绘制。为了在附图中的清楚和方便起见，这些图中的部件的相对尺寸和比例在尺寸上被放大或缩小。

详细描述

图1示出根据本发明的实施例的X射线管1的示意图。

图1示出包括外壳2的端窗X射线管1，外壳2包围阳极3和阴极，阴极包括发射部分7。窗口9布置在X射线管1的输出端11处。由X射线管1生成的X射线穿过窗口9离开X射线管1。在X射线管1的一个端部处提供窗口9，使得X射线通过X射线管1的端部而不是通过X射线管1的侧面离开X射线管1，可有助于方便在X射线管1和X射线分析样本之间的紧密耦合。这是因为X射线管1可以更容易地相对于其他X射线分析设备(例如检测器)被定位。外壳2包括在X射线管1的输出端11处的鼻部分。鼻部分朝着窗口9逐渐变细。

发射部分7是围绕X射线管1的中心纵轴4(被示为虚线)延伸的发射环。在使用中，电流施加到发射环以使发射环通过热离子发射来发射电子。以这种方式，阴极生成电子束。高电压降被施加在阳极3和阴极两端，使得电子束照射阳极3的目标表面5。阳极3包括两个部分；阳极的一个部分是锥形主体，以及另一个部分是具有基本上恒定的横截面积的延伸主体。锥形主体的横截面积在沿着纵轴朝着窗口9的方向上减小，并且限定相对于纵轴4以斜角倾斜的表面。这是阳极3的目标表面5。

在传统的端窗布置中，阳极的目标表面垂直于纵轴。在这种布置中，在入射电子束和离开X射线管的X射线之间的角(即检测角)大约为180度。在本发明中，在入射电子束和通过窗口9离开X射线管1的X射线之间的角小于175度，例如小于150度或小于90度。减小检测角可以帮助增加由X射线管生成的轫致辐射发射的量。以这种方式，X射线管甚至在输出光谱的高能端处也可以生成具有高强度的输出光谱。

如上面所提到的，检测角是在入射电子束的方向上的矢量和在来自阳极的X射线的方向上的矢量之间的角。图2示出被标记为α和β的两个示例性检测角。通过延伸代表入射电子束的矢量(矢量由虚线延伸)来说明检测角。在入射电子束的方向上的矢量和在由阳极生成的X射线的方向上的矢量之间的角是在延伸的虚线和X射线束之间的角。第一检测角α约为90度。第二检测角β小于90度。

图3根据本发明的实施例示出一些示例性阴极。在本发明的一些实施例中，发射部分是发射环(如图1所示)。发射环7a是一根导线。导线由适合于通过热离子发射来发射X射线的材料制成。例如，导线是钨丝。导线在第一端和第二端之间延伸。在一些实施例中，环围绕X射线管1的纵轴4延伸。

在一些实施例中，发射部分是形成弧的导线的弯曲部分。例如，弧可以是椭圆弧或圆弧。在一些实施例中，阴极包括多个发射部分。例如，阴极可以包括两个基本上半圆形的发射部分7b。图3示出一个示例，其中两个半圆形发射部分7b围绕X射线管的纵轴4延伸。可选地，阴极可以包括围绕纵轴4布置的三个或更多个弯曲段7c。图3示出一个示例，其中四个弯曲段布置成围绕纵轴4延伸。

图4根据本发明的实施例以横截面视图示出X射线管的示意图。在该实施例中，阴极包括两个单独的发射部分：第一发射部分7和第二发射部分8。发射部分是半圆形的，并且每个发射部分围绕纵轴4延伸180度。发射部分被布置在沿着纵轴的不同位置处；第一发射部分7被定位成在沿着纵轴的方向上比第二发射部分8更靠近窗口9。如图4所示，第一发射部分限定与第二发射部分不同的检测角。第一发射部分7限定大约90度的检测角，而第二发射部分8限定小于90度、例如小于60度的检测角。因此，两个不同的发射部分可以生成两个不同的输出光谱。通过控制电流到发射部分的供应，可选择哪个发射部分用于照射阳极3。X射线管1包括被配置为向第一发射部分7或第二发射部分8供应电流的阴极供应电路。控制器21被配置成使电路响应于操作指令(例如，由用户输入的指令)而向第一发射部分7或者第二发射部分8供应电流。以这种方式，可选择哪个输出光谱由X射线管产生。

在一些实施例中，X射线管1包括第三发射部分。在这样的实施例中，每个发射弧围绕纵轴延伸120度或更少。

图5根据本发明的实施例以横截面视图示出X射线管1的示意图。阳极3是锥形主体。锥形主体是圆锥形的，且发射环7被布置成围绕圆锥体的较窄端延伸。来自发射环7的电子照射阳极3的目标表面5。在本发明的一些实施例中，阳极的被照射区域是“中空的”；被照射区域沿着纵轴的投影是“中空的”。例如，被照射区域及其投影是环形的。提供锥形主体为圆锥形的布置可以帮助最小化在被照射区域中的间隙的尺寸或者避免在被照射区域形成间隙。

图6根据本发明的实施例以横截面视图示出X射线分析装置的示意图。X射线分析装置是X射线衍射仪，其包括X射线管1、样本保持器13和X射线检测器17。X射线管1和X射线检测器17被安装到测角仪(未示出)。X射线管1被配置为照射X射线分析样本15，其由样本保持器13保持在适当的位置上。检测器17被配置成接收来自样本15的X射线。处理器19被配置成从X射线检测器17接收与X射线检测器的位置和来自样本15的X射线的强度相关的数据。

图7示出用于X射线荧光分析的X射线分析装置的示意图。图7示出被配置成照射样本保持器13上的样本15的X射线管1。来自X射线管1的X射线激发样本15，使它发荧光。X射线检测器17被配置成接收来自样本15的X射线荧光。处理器19被配置成从X射线检测器接收强度数据。

图8A根据本发明的实施例示出阳极3的示意图。阳极包括两种不同的材料：阳极的第一部分的材料不同于阳极的第二部分的材料。第一部分和第二部分被配置成使得阳极的目标表面5包括两种不同的材料。目标表面5的第一部分23包括第一材料，以及目标表面的第二部分25包括第二材料。图8B示出另一个实施例，其中阳极的目标表面包括两种不同的材料。

在一些实施例中，X射线装置被配置成执行能量色散X射线测量(EDXRF)。在这种情况下，检测器例如可以是硅漂移检测器(SDD)或SiLi晶体。

在一些其他实施例中，X射线装置被配置为执行波长色散X射线测量(WDXRF)。在一些实施例中，X射线检测器被安装在测角仪上。在其他实施例中，X射线检测器能够进行同时的WDXRF测量。在这种情况下，检测器例如可以是比例计数器、硅漂移检测器(SDD)或SiLi晶体。

在一些实施例中，X射线管不包括锥形鼻部分。例如，X射线管可以包括具有恒定横截面积的鼻部分。

在一些实施例中，阳极是锥形主体。也就是说，阳极的横截面积从阳极的一端到阳极的另一端减小。在一些其他实施例中，阳极包括锥形部分和非锥形部分。

阳极可以不是锥形的。在一些实施例中，阳极包括弯曲的目标表面。例如，阳极可以包括半球形主体。

在一些实施例中，纵轴不是中心纵轴。也就是说，纵轴可以是X射线管的任意纵轴。

X射线管外壳可以是或可以不是圆柱形的。

阳极可以是围绕纵轴旋转地对称的。

阳极的材料可以由单一材料组成。可选地，阳极可以包括材料的组合。例如，阳极的目标表面可以被分成多个区域，并且每个区域可以包括与其他区域不同的材料。目标表面可以包括不同材料的多于两个不同的区域。

阳极可以包括下列材料中的任一种或者下列材料的任何组合：钒(V)、铬(Cr)、钴(Co)、铜(Cu)、铑(Rh)、银(Ag)、钨(W)、铌(Nb)、铂(Pt)、金(Au)、铱(Ir)、钆(Gd)、钼(Mb)、铁(Fe)、锰(Mn)、镍(Ni)、钛(Ti)、钪(Sc)。

阴极可以不由钨(W)制成。例如，阴极可以包括镍(Ni)、铱(Ir)或钨铼(W-Re)。

发射部分可以包括涂层。例如，涂层可以是具有小于4eV的逸出功的任何涂层，例如氧化钡涂层。

在一些实施例中，阴极由单一材料制成。例如，第一发射弧和第二发射弧由相同的材料制成。在一些其他实施例中，阴极包括材料的组合。例如，第一发射弧和第二发射弧由相对于彼此不同的材料制成。

Claims (15)

1.一种X射线管，包括：

阳极，所述阳极具有目标表面；

阴极，所述阴极包括用于发射电子束的发射部分，其中，所述发射部分被配置成用电子照射所述阳极的所述目标表面以使所述阳极发射X射线；

窗口，所述窗口被布置成允许X射线通过所述X射线管的输出端离开所述X射线管，其中，所述X射线管的纵轴穿过所述输出端；以及

其中，所述阳极的所述目标表面以相对于所述纵轴的一斜角倾斜。

2.根据权利要求1所述的X射线管，其中，所述阳极包括锥形主体，且所述阳极的所述目标表面是所述锥形主体的表面。

3.根据权利要求2所述的X射线管，其中，所述目标表面的至少一部分在沿着所述纵轴的方向上比所述发射部分更靠近所述窗口。

4.根据权利要求2或3所述的X射线管，其中，所述锥形主体是圆锥形的。

5.根据任一前述权利要求所述的X射线管，其中，所述发射部分包括围绕所述纵轴延伸的发射弧。

6.根据任一前述权利要求所述的X射线管，其中，所述阴极包括围绕所述纵轴延伸的发射环。

7.根据任一前述权利要求所述的X射线管，其中，所述纵轴是所述X射线管的中心轴。

8.根据任一前述权利要求所述的X射线管，其中，所述发射部分和所述阳极被配置成使得在使用中，在来自所述阴极的电子束与来自所述阳极的通过所述窗口离开所述X射线管的X射线束之间的检测角小于175度，且优选地小于150度。

9.根据任一前述权利要求所述的X射线管，其中，所述阳极的所述目标表面相对于所述纵轴倾斜，使得在垂直于所述目标表面的矢量和沿着所述纵轴在从所述阳极朝着所述窗口的方向上的矢量之间的角大于5度。

10.根据任一前述权利要求所述的X射线管，其中，所述阴极包括第一发射弧和第二发射弧，其中，所述第一发射弧在沿着所述纵轴的方向上比所述第二发射弧更靠近所述窗口。

11.根据任一前述权利要求所述的X射线管，其中，所述阳极的所述目标表面包括第一部分和第二部分，并且所述阴极包括被布置成照射所述第一部分的第一发射弧和被布置成照射所述第二部分的第二发射弧；

其中，所述第一部分的材料不同于所述第二部分的材料。

12.根据任一前述权利要求所述的X射线管，还包括包围所述阴极和所述阳极的外壳，其中，所述外壳包括在沿着所述纵轴的方向上朝着所述X射线管的所述输出端逐渐变细的锥形端部。

13.一种X射线分析系统，所述系统包括：

根据任一前述权利要求所述的X射线管；

样本保持器，所述样本保持器用于保持样本；

检测器，所述检测器被配置为检测来自所述样本的X射线；

处理器，所述处理器被配置为从所述检测器接收与检测到的X射线的强度相关的强度数据。

14.根据权利要求13所述的X射线分析系统，其中，所述X射线分析系统是X射线成像系统；或

其中，所述X射线分析系统是X射线衍射分析系统或X射线荧光分析系统，以及所述处理器被配置成从所述检测器接收与X射线的所述强度和所述检测器相对于所述样本的位置相关的数据；并且记录随着在所述检测器和所述样本的表面之间的角度变化的X射线强度值。

15.一种X射线分析系统，包括：

根据权利要求10到12中的任一项所述的X射线管，其中，所述阴极包括第一发射弧和第二发射弧；

电路，所述电路被配置为向所述阴极提供电流；以及

控制器，所述控制器被配置为控制所述电路以向所述第一发射弧或所述第二发射弧提供所述电流。

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