CN112205081A - 用于控制x射线源的方法 - Google Patents

Abstract

本发明构思涉及一种用于控制X射线源的方法，该X射线源被配置为从靶标上的X射线光斑发射通过电子束与该靶标之间的相互作用而生成的X射线辐射，其中，该X射线光斑由该X射线源的X射线光学系统的视场确定。该方法包括：提供靶标；提供电子束，该电子束在该靶标上形成电子光斑并且与该靶标相互作用以生成X射线辐射；以及调整该电子束的宽度和总功率，使得该电子光斑中的功率密度曲线的最大值低于预定极限，并且使得传递到该靶标的X射线光斑中的总功率增加。

Description

用于控制X射线源的方法

技术领域

本文描述的发明构思总体上涉及电子撞击X射线源，并且具体地涉及用于控制这种X射线源的方法。

背景技术

高功率且高亮度的X射线源已经应用于许多领域，例如医学诊断、无损检测、晶体结构分析、表面物理学、光刻、X射线荧光和显微镜学。在一些应用中，获得的X射线图像的分辨率基本上取决于到X射线源的距离和该源的大小；在X射线源的阳极中生成的有用X射线的数量与撞击该阳极的电子束电流成比例。一直存在的挑战是从尽可能小的源中提取尽可能多的X射线功率，即，实现高亮度。未转换成X射线辐射的能量主要作为热量沉积在靶标中。限制从常规X射线管发射的X射线辐射的功率和亮度的主要因素是阳极的发热。更具体地，在阳极是固体靶标的情况下，电子束功率必须限制在阳极材料不会熔化的程度，或者在阳极是液体靶标的情况下，电子束功率必须限制在阳极材料不会蒸发的程度。

需要改进的X射线源。

发明内容

本发明构思的目的是提供一种用于控制X射线源的改进的方法。

根据本发明构思的第一方面，提供了一种用于控制X射线源的方法，该X射线源被配置为从靶标上的X射线光斑发射通过电子束与该靶标之间的相互作用而生成的X射线辐射。该X射线光斑可以通过该X射线源的X射线光学系统的视场来确定。该方法包括以下步骤：提供形成该靶标的液体射流；提供电子束，该电子束被布置成在该靶标上形成电子光斑并且与该靶标相互作用以生成X射线辐射；以及确定该电子束的功率密度曲线。该方法进一步包括：调整该电子束的宽度和总功率，使得该电子光斑中的功率密度曲线的最大值低于预定极限，并且使得传递到该靶标的X射线光斑中的总功率增加。

总体上，本发明构思涉及以下认识：X射线辐射量主要由传递到靶标上的X射线光斑的总功率确定，而一些类型的靶标的过热或其他热引起的问题的风险可能由该靶标在电子光斑中所吸收的功率密度的最大值确定。例如，这种情况对于以高效方式将沉积在靶标中的热能输送出去的情况是有效的。对于液体射流，以连续方式供应新材料，因此主要限制参数是最大功率密度而不是总吸收能量。因此，对于液体射流，从热负载的角度来看，电子在靶标上被吸收的位置可能并不重要，只要靶标上的功率密度曲线的最大值低于阈值即可。进一步地，已经认识到对于许多靶标和X射线光学器件配置，X射线光斑与电子光斑之间可能没有精确的重合。因此，通过调整电子束的宽度和总功率使得传递到靶标的X射线光斑中的总功率增加，并且同时限制传递到该靶标的整个电子光斑上的功率密度的最大值，可以增加X射线辐射的产生，而不会使该靶标经受热过载。

X射线光斑或用于生成X射线的感兴趣区域可以是指靶标上的表面或体积，从该表面或体积发射X射线辐射并且X射线光学系统从该表面或体积接收X射线辐射。因此，X射线光斑可以由X射线源的X射线光学器件限定和/或限制，即，X射线光学器件可以被配置为从靶标上的X射线光斑发射X射线辐射。换句话说，可以认为X射线光斑由X射线光学器件的视场限制。X射线光斑可以附加地或可替代地由靶标的几何形状和/或靶标相对于X射线光学系统的取向限定和/或限制。具有在其中垂直于电子束方向发射X射线辐射的圆柱形靶标的实施例可以例如具有由靶标形状、X射线在靶标材料内的有限穿透深度以及发射的辐射与X射线光学器件之间的角度关系限定的X射线光斑。

电子光斑可以是指靶标上的表面，电子束在该表面上撞击该靶标。电子光斑的宽度可以被限定为靶标上电子束功率密度曲线的半高全宽。因此，电子束在靶标上的投影可以被称为电子束的“光斑大小”或“电子光斑”。电子束可以具有高斯功率密度分布。应当注意的是，取决于X射线光学器件的视场，电子光斑可以与X射线光斑不同。X射线光斑可以例如形成电子光斑的子集。

可以认为电子束向靶标传递一定的功率。已知被定义为每单位时间传递到靶标的能量总量的功率可以由每单位时间传递的电子的能量和总数(或通量)来确定。靶标的每单位面积(或单位长度)的传递功率可以被称为功率密度，并且可以被认为表示该靶标的电子光斑区域的每单位面积的平均功率。在本披露内容的上下文中，术语“功率密度曲线”和“功率密度分布”可以互换使用以表示靶标的特定区域内的功率密度的局部分布。引入这些术语是为了捕捉以下事实：功率密度可能在电子束的截面上变化，使得靶标上的电子光斑的不同部分可能暴露于不同的热负载。

如已经提到的，功率密度可以是指每单位面积的施加功率，或者指电子光斑的每单位长度的施加功率。尤其是对于液体射流，从热负载的角度来看，限制因素可能是垂直于射流行进方向测量的每单位长度的施加功率而不是每单位面积的施加功率。这是由于靶标材料在射流行进方向上的持续补充，这使得累积的热负载不如电子光斑中的最大热负载或峰值热负载重要。换句话说，对于液体射流，在考虑允许的热负载的情况下可以忽略电子束的高度。因此，调整电子束的宽度或截面面积可能会影响功率密度曲线。进一步地，可能优选的是调整电子束的总功率，使得传递至靶标的功率密度曲线的最大值达到期望水平，以避免或至少降低过热的风险。

根据本发明构思的方法可以在X射线源的整个寿命中执行多次，以确保维持期望的性能。特别地，可以定期地执行该方法以补偿电子源的老化效应。已经表明，一些类型的电子源倾向于产生随时间变化的功率密度图案，因此本发明构思提供了一种用于补偿这些效应并且用于随着X射线源和/或其部件的老化保持X射线源的良好性能的技术。

在本披露内容的上下文中，术语“移位”可以解释为例如电子束的偏转。

在本披露内容的上下文中，术语“设置”可以包括“调整”，例如，设置功率密度的步骤可以包括调整功率密度的步骤。换句话说，当X射线源通电时，可能已经设置了功率密度(和/或X射线源的任何其他设置，比如电子束宽度、电子束功率等)，以及相反地，当X射线源通电时，可能需要调整功率密度。

根据实施例，可以调整电子束的宽度和总功率，使得X射线源性能指标低于预定阈值。该X射线源性能指标可以与以下各项中的至少一项相关联：来自该靶标的总蒸气生成；由该电子束传递到该靶标的最大功率密度；该靶标的最大表面温度；以及由该电子束沿该靶标的宽度传递的每单位长度的功率的最大值。

在通过确定来自靶标的总蒸气生成、由电子束传递到靶标的最大功率密度、靶标的最大表面温度、以及由电子束沿靶标的宽度传递的每单位长度的功率的最大值等性能指标之一可以推断出与任何其他性能指标有关的信息的意义上，以上性能指标可以相互关联。

来自该靶标的总蒸气生成可以是电子束与靶标相互作用的结果，例如，电子束将能量传递至靶标使得该靶标发热，这可能导致该靶标的材料蒸发。总蒸气生成可以通过布置在X射线源中的蒸气传感器来监测和确定。

由电子束传递到靶标的最大功率密度可以表示例如来自靶标的蒸气生成和/或靶标的最大表面温度。通过使由电子束传递到靶标的最大功率密度保持低于预定阈值，可以限制例如来自靶标的蒸气生成，和/或限制靶标的最大表面温度。传递到靶标的最大功率密度可以通过确定电子束的功率密度曲线来确定。

靶标的最大表面温度可以由布置在X射线源中的温度传感器来确定。最大表面温度可以可替代地或附加地通过确定功率密度曲线和通过确定靶标的材料特性来确定。

由电子束沿靶标的宽度传递的每单位长度的功率的最大值可以表示例如来自靶标的蒸气生成和/或靶标的最大表面温度。由电子束沿靶标的宽度传递的每单位长度的功率的最大值可以通过确定功率密度曲线来确定。

功率密度曲线可以表示功率密度随电子束内的位置的变化。功率密度曲线可以表示绝对功率随电子束内的绝对位置的变化。优选地，确定功率密度曲线，使得其表示电子束与靶标进行相互作用的位置处的功率密度。

为了实现本发明构思的目的，可以不需要在两个维度上而是仅在一个维度上确定功率密度曲线。通过确定沿与靶标的宽度平行的线的功率密度曲线，可以实现本发明构思的目的。

确定电子束的功率密度曲线的步骤可以包括：确定该X射线源的比例因子，该比例因子将偏转电流与该电子束相对于该靶标的位移相关联；测量指示对于电子束的位移范围的该电子束与该靶标之间的相互作用的量；以及基于该量计算电子束的功率密度曲线。

确定电子束的功率密度曲线的步骤可以包括：确定该X射线源的比例因子，该比例因子将偏转电流与该电子束相对于该靶标的位移相关联；假设电子束的功率密度曲线的形状；测量指示对于该电子束的位移范围的该电子束与该靶标之间的相互作用的量；以及基于该量通过调整靶标宽度使得所计算的功率密度曲线的形状接近假设的形状来计算电子束的功率密度曲线。

确定电子束的功率密度曲线的步骤可以包括：确定该X射线源的比例因子，该比例因子将偏转电流与该电子束相对于该靶标的位移相关联；测量指示对于该电子束的位移范围的该电子束与该靶标之间的相互作用的量；以及基于所测得的量以及表示所测得的量在整个位移范围内的积分与电子束宽度无关的观察结果来计算电子束的功率密度曲线。

现在将讨论确定比例因子的步骤。比例因子表示电子束的位移随偏转电流的变化。比例因子取决于电子束的加速电压和聚焦电流两者。对于给定的偏转电流，聚焦电流越高(即，电子束越集中)导致电子束的位移越小。对于给定的偏转电流，加速电压越高(即，电子的能量越高速度越快)也有助于使电子束的位移越小。

确定比例因子的步骤可以包括以下各项中的至少一项：从比例因子数据库接收该比例因子；使该电子束在该靶标上移位并且测量在该靶标上生成的X射线光斑的移动；以及使电子束在具有预定孔口尺寸的传感器孔口上移位。可能优选的是通过使电子束在靶标上移位来确定比例因子，因为感兴趣的是针对电子束在靶标上的位移的比例因子。如果比例因子是例如通过使电子束在被布置在靶标的下游处于与该靶标不同的平面中的传感器孔口上移位来确定的，则可能需要将比例因子变换成该靶标的平面。通常，如果从X射线源的偏转装置分别到第一位置和第二位置的距离不同，则通过在第一位置处观察电子束的位移确定的比例因子可能不等于通过在第二位置处观察电子束的位移确定的比例因子。

比例因子数据库可以包括与针对X射线源的多个不同的聚焦电流和加速电压的比例因子有关的比例因子数据。这种比例因子数据可以在例如特定X射线源的工厂设置期间被编译。这种数据库也可以在X射线源的使用期间被连续地更新。

可以使用例如被布置成收集来自X射线源的X射线辐射的针孔相机来测量在靶标上生成的X射线光斑的移动。

比例因子可以通过测量使电子束在具有预定孔口尺寸的传感器孔口上移位所需的偏转电流来获得。

在计算功率密度曲线时，可能未明确地需要靶标宽度。从指示电子束与靶标之间的相互作用的量可以获得关于从该靶标散射了多少电子的量度。该量度应该与电子束宽度无关，只要在改变宽度时保留电子的总通量即可。由于可以散射不超过100％的入射电子，因此可以通过计算与所述量度将对应于所有被散射电子的情况相对应的宽度来获得对靶标宽度的估计。此外，可能不需要该宽度来完成对功率密度曲线的确定。所述量度与电子束宽度无关并且可以在数学上表示为在电子束宽度改变的情况下不变的积分；该数学实体可足以计算功率密度曲线。可能不需要明确宽度的实施例是功率密度曲线的形状是已知的或事先假定已知的情况。可以采用优化算法，该优化算法确保所计算的功率密度曲线近似于设定的形状并且再现了指示电子束与靶标之间的相互作用的测得的量。在该优化过程期间，靶标宽度可以是自由参数；然而，该靶标宽度可能未被明确地计算。

该方法可以进一步包括确定靶标宽度的步骤。

确定靶标宽度的步骤可以包括以下各项中的至少一项：从靶标宽度数据库接收该靶标宽度；以及将电子束的宽度设置为比预期靶标宽度小的宽度，测量指示对于电子束的位移范围的靶标与电子束之间的相互作用的量，并且基于所测得的量计算靶标宽度。如果电子束宽度小于靶标宽度，则当电子束移位到其被靶标完全遮挡的位置或从该位置移位时，测得的量可能达到或接近于零。通过使电子束宽度更小，可以获得更明显(sharper)的转变，因此可以增加所确定的靶标宽度的确定性。

靶标宽度数据库可以包括与靶标宽度有关的靶标宽度数据。如果X射线源利用液体靶标，则可以基于形成该液体靶标的X射线源的喷嘴直径来估计靶标宽度。如果喷嘴的磨损可忽略不计，则这种估计在X射线源的整个寿命内可能都是有效的。进一步地，这种靶标宽度数据可以在例如特定X射线源的工厂设置期间针对该X射线源中使用的特定喷嘴被编译。这种靶标宽度数据也可以在X射线源的使用期间被连续地更新。

可以经由包括用于调整电子束的宽度和/或高度的象散校正器线圈的装置来实现对电子束的宽度的设置。象散校正器线圈可以提供四极电磁场，该四极电磁场将导致电子束截面的再成形。对于第一近似，象散校正器线圈可以以相等的量但相反的符号改变靶标上的电子束宽度和电子束高度。因此，象散校正器线圈与聚焦线圈组合可以提供电子束宽度和电子束高度的独立设置。作为示例，可以将直径为50μm的圆形光斑再成形为宽度为80μm、且高度为20μm的椭圆形光斑。再成形的可用范围受到由象散校正器线圈提供的场强的限制。为了获得更大的范围，需要更高的场强。这可以通过更大的线圈和/或更高的电流来实现。

如果使用液体靶标，则可以通过例如考虑喷嘴直径和/或流速来估计预期靶标宽度。如果使用固体靶标，则靶标宽度可以随时间基本上恒定，并且因此可以例如在将固体靶标安装在X射线源中时确定期望靶标宽度。液体射流靶标由于其补充性质而可能优于固定靶标。在固定靶标的情况下，热负载可能会受到随时间累积的热能的限制，而在液体射流情况下的热负载可能会受到功率密度曲线的最大值或峰值的限制。

确定比例因子的步骤可以包括：使电子束在靶标上移位，并且测量指示电子束与靶标之间的相互作用的量，并且基于该量和靶标宽度计算该比例因子。

指示电子束与靶标之间的相互作用的量可以与以下各项中的至少一项有关：检测通过电子束与靶标的相互作用而形成的反向散射电子和/或发射电子；以及检测通过电子束与靶标的相互作用而生成的X射线辐射。

反向散射电子可以由布置在用于接收和检测反向散射电子的位置处的反向散射检测器检测。如果设备的几何形状允许，则反向散射检测器可以位于相对靠近电子束的光轴线，或者可以沿反向散射电子的主要路径与光轴线分开放置，如同扫描电子显微镜中的惯常做法一样。

类似地，发射电子可以由布置在用于接收和检测发射电子的位置处的发射电子检测器检测。反向散射电子检测器和发射电子检测器可以是同一个电子检测器。

X射线源可以包括在电子束的传播方向上布置在靶标的下游的电子检测器，其中，指示电子束与靶标之间的相互作用的量可以与以下项有关：检测由该电子检测器对于该电子束的位移范围收集的电子。

X射线源可以包括在电子束的传播方向上布置在靶标的下游的电子检测器，其中，该电子检测器包括一个或多个分段，每个分段被配置为检测与所述分段相对应的区中的电子，其中，确定该电子束的功率密度曲线的步骤可以包括：将该电子束引导至该电子检测器；基于从该(多个)分段接收的信号来计算该功率密度曲线。在单个分段(即，一维传感器)的情况下，当电子束从靶标旁边的位置开始扫描、进入靶标并越过靶标时，信号的对比度可以提供有关每单位长度的功率方面的功率密度曲线。

设置电子束的宽度和总功率使得电子光斑在至少一个方向上超过X射线光斑的步骤可以包括：设置电子束的宽度，使得所述宽度大于X射线光斑的宽度，其中，该电子束的宽度基本上平行于靶标宽度。

设置电子束的宽度和总功率使得电子光斑在至少一个方向上超过X射线光斑的步骤可以包括：设置电子束的宽度，使得该电子束的宽度大于该电子束的高度，其中，该高度基本上垂直于该电子束的宽度。该电子束的高度可以被设置为至少比该电子束的宽度小4倍。

靶标可以是液体靶标。靶标可以是液态金属射流。

根据第二方面，提供了一种X射线源。该X射线源可以包括：靶标发生器，该靶标发生器被配置为提供形成靶标的液体射流；以及电子源，该电子源被配置为提供电子束，该电子束在该靶标上形成电子光斑并且与该靶标相互作用以从该靶标上的X射线光斑生成X射线辐射。进一步地，该X射线源可以包括控制器、具有限定该X射线光斑的视场的至少一个X射线光学元件或者X射线光学系统，以及与该电子束相互作用的电子光学系统，其中，该控制器被配置为：操作该电子光学系统和该电子源，以确定该电子束的功率密度曲线，并且调整该电子束的宽度和总功率，使得该电子光斑中的功率密度的最大值低于预定极限，并且使得传递到该靶标的该X射线光斑中的总功率增加。

将理解的是，关于第一方面描述的特征也可以结合在另一方面中，并且该特征的优点适用于结合了该特征的所有方面。

根据本发明构思的一个方面，提供了一种用于控制X射线源的方法，该X射线源被配置为从靶标上的X射线光斑发射通过电子束与该靶标之间的相互作用而生成的X射线辐射，该方法包括：提供具有一定靶标宽度的靶标；提供电子束，该电子束被布置成在该靶标上形成电子光斑并且与该靶标相互作用以在相互作用区域中生成X射线辐射；确定该电子束的功率密度曲线；设置和/或调整该电子束的功率密度曲线，使得生成的X射线辐射的量增加，同时限制以下各项中的至少一项：来自该电子束与该靶标之间的相互作用的总蒸气生成；该电子束在靶标表面上的每单位面积的施加功率的最大值；靶标表面温度；该电子束沿靶标宽度的每单位长度的施加功率。

根据本发明构思的另一个方面，提供了一种用于控制X射线源的方法，该X射线源被配置为从靶标上的X射线光斑发射通过电子束与该靶标之间的相互作用而生成的X射线辐射，该方法包括以下步骤：提供具有一定靶标宽度的靶标；提供电子束，该电子束被布置成在该靶标上形成电子光斑并且与该靶标相互作用以在相互作用区域中生成X射线辐射；确定该电子束的功率密度曲线；设置该电子束的宽度和总功率使得该电子光斑在至少一个方向上超过X射线光斑；以及设置该电子束的总功率使得该电子光斑中的功率密度的最大值达到预定极限。

设置该电子束的宽度使得该电子光斑在至少一个方向上超过X射线光斑可以包括：设置该电子束的宽度，使得电子光斑区域大于X射线光斑。

功率密度的最大值的“预定极限”可以基于靶标的靶标表面温度和/或与该靶标表面温度直接成比例。例如，极限可以是在不使靶标蒸发的情况下能够传递到该靶标的最大功率。在另一种定义中，预定极限是可以传递到电子光斑同时将靶标的表面温度保持在液体靶标的靶标材料的蒸发温度以下或者保持在固体靶标的靶标材料的熔点以下的功率密度的最大值。

传递到靶标的功率密度的最大值优选地设置为等于或接近但不超过该预定极限。在此上下文中，术语“接近”可以包括功率密度的最大值，该功率密度的最大值例如是预定极限的至少75％、比如预定极限的至少90％、比如预定极限的至少95％、比如预定限制的至少99％。

本发明构思的其他目标、特征和优点将从以下详细披露内容、从所附权利要求以及从附图中变得明显。

通常，除非本文另外明确定义，在权利要求中使用的所有术语应当根据它们在本技术领域中的普通含义来解释。进一步地，本文中，对术语“第一”、“第二”和“第三”等的使用不表示任何顺序、数量或重要性，而是用于将一个要素与另一个要素区分开。除非另外明确陈述，对“一/一个/该[元件、设备、部件、装置、步骤等]”的所有提及都被开放地解释为是指所述元件、设备、部件、装置、步骤等的至少一个实例。除非明确声明，否则在此披露的任何方法的步骤并不必须按所披露的确切顺序来执行。

本发明构思、并且尤其是根据本发明构思的方法可以被实施为以计算机程序产品的形式分布和使用的计算机可执行指令，该计算机程序产品包括存储这种指令的计算机可读介质。举例来讲，计算机可读介质可以包括计算机存储介质和通信介质。如本领域技术人员所熟知的，计算机存储介质包括在用于存储信息(比如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括、但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字通用光盘(DVD)或其他光盘存储装置、磁带盒、磁带、磁盘存储装置或其他磁存储设备。进一步地，技术人员已知通信介质通常在调制数据信号(比如载波或其他传输机制)中实施计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据，并且包括任何信息传递介质。

附图说明

参考附图，通过以下对本发明构思的不同实施例的说明性而非限制性的详细描述，将更好地理解本发明构思的上述以及附加目的、特征和优点，在附图中：

图1示意性地展示了可以利用根据本发明构思的方法的X射线源的示例；

图2a和图2b展示了靶标上的功率密度和各个区域；

图2c展示了根据本发明构思的靶标的截面；

图3示意性地展示了可以利用根据本发明构思的方法的X射线源的示例；

图4示意性地展示了各种功率密度曲线以及它们如何受到电子束宽度和总功率的影响；

图5以框图展示了用于控制X射线源的方法。

这些附图不一定按比例绘制、并且通常仅示出为了阐明本发明构思所必需的部分，其中其他部分可以被省略或仅仅是建议。

具体实施方式

现在将参考图1描述可以利用根据本发明构思的方法的X射线源100的示例。所展示的X射线源100利用液体射流110作为电子束的靶标。然而，如本领域技术人员容易理解的，其他类型的靶标(比如固体靶标)在本发明构思的范围内同样是可能的。进一步地，X射线源100的一些所披露的特征仅仅作为示例被包括，并且对于X射线源100的操作可能不是必需的。

如图1中所指示的，低压腔室或真空腔室102可以由外壳104以及将低压腔室102与周围大气隔开的X射线透明窗口106限定。X射线源100包括液体射流发生器108，该液体射流发生器被配置为形成沿流动轴线F移动的液体射流110。液体射流发生器110可以包括喷嘴，比如液态金属等液体可以通过该喷嘴射出以形成朝向并通过相互作用区域112传播的液体射流110。液体射流110通过相互作用区域112朝向收集装置113传播，该收集装置关于流动方向布置在液体射流发生器108的下方。X射线源100进一步包括电子源114，该电子源被配置为提供被引导朝向相互作用区域112的电子束116。电子源114可以包括用于生成电子束116的阴极。在相互作用区域112中，电子束116与液体射流110相互作用以生成X射线辐射118，该X射线辐射经由X射线透明窗口106从X射线源100透射出去。在此，X射线辐射118基本上垂直于电子束116的方向被从X射线源100引导出。

形成液体射流的液体由收集装置113收集，并且随后由泵120经由再循环路径122再循环至液体射流发生器108，在该液体射流发生器中，可以重复使用该液体以不断生成液体射流110。

仍参考图1，X射线源100在此包括电子检测器128，该电子检测器被配置为接收通过液体射流110的电子束116的至少一部分。如从电子源114的视角所看到的，电子检测器128在此被布置在相互作用区域112的后面。将理解，在此仅示意性地展示了电子检测器128的形状，并且在本发明构思的范围内，电子检测器128的其他形状可以是可能的。

现在参考图2a，展示了靶标上的功率密度分布和各个区域。应当注意的是，这些附图不一定按比例绘制，并且所展示的特征的形状不是限制性的，而仅仅是可能形状的示例。

示出了靶标210a的一部分，其中，展示了电子光斑230a和X射线光斑232a。可以注意到的是，在该特定示例中，电子光斑230a与X射线光斑232a重叠。靶标210a下方的图展示了沿靶标210a上指示的线A-A的功率密度分布的特性。

在图2a中的靶标210a的下方，示出了展示电子束的功率密度曲线236a的图。如本披露内容中所限定的，电子光斑230a对应于半高全宽I_最大。此外，如阴影区234a所展示的，一些电子对X射线辐射的生成没有贡献，并且在一些方面可能被认为是浪费的。图236a下方的区234a反映了对X射线辐射的生成没有贡献的电子的功率。

在图2a的底部，示出了展示在X射线光斑232a内与靶标210a相互作用的电子的功率密度分布的图。由于在靶标210a中生成的有用X射线辐射的量可以与在X射线光斑232a内撞击该靶标的电子束电流成比例，所以图238a下方的区240a可以反映在X射线光斑232a中生成的有用X射线辐射的量。可以注意到的是，在X射线光斑232a的边缘处，功率密度I_a等于I_最大的一半。

现在参考图2b，展示了靶标上的功率密度曲线和各个区域。应当注意的是，这些附图不一定按比例绘制，并且所展示的特征的形状不是限制性的，而仅仅是可能形状的示例。

示出了靶标210b的一部分，其中，展示了电子光斑230b和X射线光斑232b。可以注意到的是，电子光斑230b超过了X射线光斑232b。特别地，电子光斑230b的宽度233b大于X射线光斑232b的宽度231b。进一步地，此处的电子光斑230b的宽度233b大于电子光斑230b的高度237b。靶标210b下方的曲线图展示了沿靶标210b上指示的线A-A的功率密度曲线的特性。

在图2b中的靶标210b的下方，示出了展示电子束的功率密度曲线236b的图。如本披露内容中所限定的，电子光斑230b对应于半高全宽I_最大。要强调的是，与同图2a所展示的功率密度曲线236a有关的电子束的总功率相比，与功率密度曲线236b有关的电子束的总功率更高。更高的总功率可以通过例如增加施加到电子源的电流来实现。

此外，如阴影区234b所展示的，一些电子对X射线辐射的生成有贡献但是对在X射线光斑232b中生成X射线辐射没有贡献，并且在一些方面可能被认为是浪费的。特别地，区234b反映了与靶标210b相互作用以在X射线光斑232b外部生成X射线辐射的电子的功率。这种X射线辐射不是由要在比如成像应用或衍射应用等应用中利用的X射线源发射的。

区239b反映了对X射线辐射的生成没有贡献的电子的功率。进一步地，区235b反映了不与靶标210b相互作用而是在例如靶标210b的侧面上通过的电子的功率。换句话说，区235b反映了不与靶标210b相互作用以生成X射线辐射的电子的功率。区234b、235b和239b的总和反映了对在X射线光斑232b中生成X射线辐射没有贡献的电子的功率。

可以注意到的是，区234b、235b和239b的总和大于图2a的区234a。换句话说，通过将电子束的宽度设置为使得电子光斑230b超过X射线光斑232b，在对在X射线光斑232b中生成X射线辐射没有贡献的电子的功率增加的意义上可能认为浪费了更多的功率。

在图2b的底部，示出了展示在X射线光斑232b内与靶标210b相互作用的电子的功率密度分布的图。由于在靶标210b中生成的有用X射线辐射的量可以与在X射线光斑232b内撞击该靶标的电子束电流成比例，所以图238b下方的区240b可以反映在X射线光斑232b中生成的有用X射线辐射的量。可以注意到的是，在X射线光斑232b的边缘处，功率密度I_b大于I_最大的一半。特别地，可以注意到的是，反映在X射线光斑232b中生成的有用X射线辐射的量的区240b大于图2a的反映在X射线光斑232a中生成的有用X射线辐射的量的区240a。因此，与将电子束的宽度设置为使得电子光斑等于或小于X射线光斑相比，通过将电子束的宽度设置为使得电子光斑230b超过X射线光斑232b，可以在X射线光斑232b中生成更多的有用X射线辐射。

图2a和图2b的最大功率密度I_最大可以表示功率密度的预定极限。换句话说，最大功率密度I_最大可以对应于比在液体阳极的情况下导致靶标蒸发或者在固体阳极的情况下导致靶标熔化的水平低的功率密度水平。最大功率密度I_最大也可以对应于使靶标呈现在液体靶标的情况下低于靶标材料的蒸发温度或者在固体靶标的情况下低于靶标材料的熔点的表面温度的水平。在功率密度曲线的最大功率密度I_最大未达到预定极限的情况下，可以调整(即，增加或减小)电子束的功率，以将最大功率密度设置为预定极限。

图2c是液体靶标210的、垂直于靶标材料的传播方向的截面。在该示例中，电子光斑233的宽度由撞击在该靶标上的电子束166的宽度限定，而X射线光斑231的宽度由该靶标和X射线光学部件(在该示例中由形成针孔构造的两个孔口250展示)的相对取向限定；然而，也可以设想其他部件和例如包括聚焦镜的X射线光学系统。在本示例中，X射线光斑的大小由发射X射线辐射118的方向并且因此由靶标的几何形状限定，以及由用于收集生成的X射线辐射118的孔口250限定的视场限定。根据在本披露内容的上下文中使用的定义，位于视场之外的X射线辐射118可以不被认为是源自X射线光斑。将理解的是，电子光斑233可以由电子束166的宽度和/或靶标210的大小和取向来限定。在电子束166比靶标210宽的情况下，电子光斑233的宽度可以对应于靶标210的宽度。在电子束166比靶标210窄的情况下，如本示例中所示，电子光斑233的大小可以由电子束166的宽度(比如其半高全宽(FWHM))确定。

参考图3，现在将描述可以利用根据本发明构思的方法的X射线源300的示例。所展示的X射线源300利用液体射流310作为电子束的靶标。然而，如本领域技术人员容易理解的，其他类型的靶标(比如固体靶标)在本发明构思的范围内同样是可能的。进一步地，X射线源300的一些所披露的特征仅仅作为示例被包括，并且对于X射线源300的操作可能不是必需的。

X射线源300总体上包括电子源314、346以及被配置为形成用作电子靶标的液体射流310的液体射流发生器308。X射线源300的部件位于气密性壳体342中，电源144和控制器347可能是例外的，该电源和控制器可以位于壳体342的外部，如附图所示。如果壳体342没有在很大程度上屏蔽电磁场，则通过电磁相互作用而起作用的各种电子-光学部件也可以位于该壳体的外部。相应地，如果壳体342由具有低磁导率的材料(例如，奥氏体不锈钢)制成，则这种电子-光学部件可以位于真空区域的外部。该电子源总体上包括由电源144供电的阴极314，并且包括电子发射器346，例如热离子、热场或冷场带电粒子源。通常，电子能量可以在约5keV至约500keV的范围内。来自电子源的电子束朝向加速孔口348加速，电子束在该点处进入电子-光学系统，该电子-光学系统包括对准板350的装置、透镜352以及偏转板354的装置。对准板350、透镜352和偏转板354的可变特性可以通过由控制器347提供的信号来控制。在所展示的示例中，偏转板354和对准板350可操作以在至少两个横向方向上加速电子束。在初始校准之后，对准板350通常在X射线源300的整个工作周期中保持恒定的设置，而偏转板354用于在X射线源300的使用期间动态地扫描或调整电子光斑的位置。透镜352的可控特性包括它们相应的聚焦能力(焦距)。尽管附图以表明对准装置、聚焦装置和偏转装置是静电类型的方式象征性地描绘了这些装置，但是通过使用电磁设备或静电和电磁电子-光学部件的混合也同样可以很好地体现本发明。X射线源可以包括象散校正器线圈353，提供该象散校正器线圈可以实现电子光斑的非圆形形状。

在电子光学系统的下游，在相互作用区域312中，射出的电子束I₂与液体射流310相互作用。该相互作用区域是可能产生X射线的位置。X射线辐射可以在不与电子束重合的方向上从壳体342引出。电子束I₂的连续通过相互作用区域312的任何部分都可以到达电子检测器328。在所展示的示例中，电子检测器328仅仅是经由电流表356接地的导电板，该电流表提供对由相互作用区域312下游的电子束I₂携带的总电流的近似测量。如图所示，电子检测器328位于距相互作用区域312一定距离D处，并且因此不会干扰X射线源300的正常操作。在电子检测器328与壳体342之间存在电绝缘，使得可以允许电子检测器328与壳体342之间的电势差。尽管电子检测器328被示出为从壳体342的内壁突出，但是应当理解的是，电子检测器328也可以与壳体壁齐平地安装。电子检测器可以进一步配备有孔口，该孔口被布置成使得撞击孔口内部的电子可以被电子检测器记录，而撞击孔口外部的电子可能不被检测到。

在该附图中未示出壳体342的下部部分、用于从壳体342中排出气体分子的真空泵或类似装置、用于收集和再循环液体射流的容器和泵。还应理解的是，控制器347可以访问来自电流表356的实际信号。

现在参考图4，示出了电子束的各种功率密度曲线，并且示意性地展示了调整电子束的宽度和/或总功率的效果。

在每个功率密度曲线I-VI中，竖直轴线表示每单位长度的功率，而水平轴线表示沿电子束的任意线的位置。

功率密度曲线I-VI布置在相对坐标系中，其中，沿水平轴线的正向移动或负向移动分别对应于电子束宽度的增大或减小，并且其中，沿竖直轴线的正向移动或负向移动分别对应于电子束的总功率的增加或减少。

功率密度曲线I、II和III表示具有相等电子束宽度的电子束。然而，从功率密度曲线I到II到III，与功率密度曲线I、II和III中的各个功率密度曲线相关联的各个电子束的总功率增加。相应地，沿附图的竖直轴线从功率密度曲线I移动到III，最大功率密度和/或每单位长度的传递功率的最大值增加。

功率密度曲线I、IV和V表示具有相等总功率的电子束。然而，从功率密度曲线I到IV到V，与功率密度曲线I、IV和V中的各个功率密度曲线相关联的各个电子束的宽度增大。相应地，沿附图的水平轴线从功率密度曲线I到V，最大功率密度和/或每单位长度的传递功率的最大值减小。进一步地，沿附图的水平轴线从功率密度曲线I到V，光斑大小(即，功率密度曲线的半高全宽)增大。

功率密度曲线VI表示的电子束与和功率密度曲线I相关联的电子束相比具有增加的宽度和总功率。可以看出，与功率密度曲线I相比，功率密度曲线VI的最大功率密度和/或功率密度曲线VI的每单位长度的传递功率的最大值未发生变化。然而，功率密度曲线VI的宽度增大。

现在将参照图5描述根据本发明构思的用于控制X射线源的方法。为了清楚和简单起见，将根据“步骤”来描述该方法。要强调的是，步骤不一定是以时间界定或彼此分开的过程，并且可以以并行方式同时执行多于一个“步骤”。

用于控制X射线源的方法包括：提供靶标的步骤558，该X射线源被配置为从该靶标上的X射线光斑发射通过电子束与该靶标之间的相互作用而生成的X射线辐射；提供电子束的步骤560，该电子束被布置成与靶标相互作用以在相互作用区域中生成X射线辐射；确定电子束的功率密度曲线的步骤562；设置电子束的宽度和总功率使得电子光斑在至少一个方向上超过X射线光斑的步骤564；以及设置电子束的总功率使得靶标中的最大功率密度达到预定极限的步骤566。

本领域技术人员决不限于上述示例实施例。相反地，在所附权利要求的范围内，许多修改和变化是可能的。具体地，在本发明构思的范围内，可以设想包括多于一个靶标或多于一个电子束的X射线源和系统。此外，本文所描述类型的X射线源可以有利地与根据特定应用而定制的X射线光学器件和/或检测器组合，该特定应用例如但不限于以下各项：医学诊断、无损测试、光刻、晶体分析、显微镜学、材料科学、显微镜表面物理学、X射线衍射法测定蛋白质结构、X射线光谱分析(XPS)、临界尺寸小角X射线散射(CD-SAXS)和X射线荧光光谱分析(XRF)。另外，通过研究附图、披露内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的本发明时可以理解和实现所披露示例的变化。在相互不同的从属权利要求中引用某些措施的纯粹事实并不表明这些措施的组合不能被有利地使用。

附图标记列表

100 X射线源

102 真空腔室

104 外壳

106 X射线透明窗口

108 液体射流发生器

110 液体射流

112 相互作用区域

113 收集装置

114 电子源

116 电子束

118 X射线辐射

120 泵

122 再循环路径

128 电子检测器

144 电源

210a,b 靶标

230a,b 电子光斑

231b X射线光斑的宽度

232a,b X射线光斑

233b 电子光斑的宽度

234a,b 区

235b 区

236a,b 功率密度曲线

237b 电子光斑的高度

238a,b 功率密度曲线

239b 区

240a,b 区

250 X射线光学系统

300 X射线源

308 液体射流发生器

310 液体靶标

312 相互作用区域

314 阴极

328 电子检测器

342 壳体

346 电子发射器

347 控制器

350 对准板

352 透镜

353 象散校正器线圈

354 偏转板

356 电流表

558 提供靶标的步骤

560 提供电子束的步骤

562 确定功率密度曲线的步骤

564 设置电子束的宽度和总功率的步骤

566 设置电子束的总功率的步骤

I 功率密度曲线

II 功率密度曲线

III 功率密度曲线

IV 功率密度曲线

V 功率密度曲线

VI 功率密度曲线

F 流动轴线

D 距离

I₂ 电子束

Claims (13)

1.一种用于控制X射线源的方法，该X射线源被配置为从靶标上的X射线光斑发射通过电子束与该靶标之间的相互作用而生成的X射线辐射，其中，该X射线光斑由该X射线源的X射线光学系统的视场确定，该方法包括以下步骤：

提供形成该靶标的液体射流；

提供该电子束，该电子束在该靶标上形成电子光斑并且被布置成与该靶标相互作用以生成X射线辐射；

确定该电子束的功率密度曲线；

调整该电子束的宽度和总功率，使得该电子光斑中的功率密度曲线的最大值低于预定极限，并且使得传递到该靶标的X射线光斑中的总功率增加。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，进一步调整该电子束的宽度和总功率，使得X射线源性能指标低于预定阈值。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，该X射线源性能指标与以下各项中的至少一项相关联：

来自该靶标的总蒸气生成；

由该电子束传递到该靶标的每单位面积的功率的最大值；

该靶标的最大表面温度；以及

由该电子束沿该靶标的宽度传递的每单位长度的功率的最大值。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，确定该电子束的功率密度曲线的步骤包括：

确定该X射线源的比例因子，该比例因子将偏转电流与该电子束相对于该靶标的位移相关联；

测量指示该电子束的位移范围内该电子束与该靶标之间的相互作用的量；以及

基于该量计算该电子束的功率密度曲线。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，确定该比例因子的步骤包括以下各项中的至少一项：

从比例因子数据库接收该比例因子；

使该电子束在该靶标上移位并且测量在该靶标上生成的X射线光斑的移动；以及

使该电子束在具有预定孔口尺寸的传感器孔口上移位。

6.根据权利要求4或5所述的方法，进一步包括确定靶标宽度。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，确定该靶标宽度的步骤包括以下各项中的至少一项：

从靶标宽度数据库接收该靶标宽度；以及

将该电子束的宽度设置为比预期靶标宽度小的宽度，测量指示对于该电子束的位移范围的该靶标与该电子束之间的相互作用的量，并且基于所测得的量计算该靶标宽度。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其中，确定该比例因子的步骤包括：使该电子束在该靶标上移位，并且测量指示该电子束与该靶标之间的相互作用的量，并且基于该量和该靶标宽度计算该比例因子。

9.根据权利要求4至8中任一项所述的方法，其中，指示该电子束与该靶标之间的相互作用的量与检测通过该电子束与该靶标的相互作用而形成的反向散射电子和/或发射电子有关。

10.根据权利要求4至9中任一项所述的方法，其中，指示该电子束与该靶标之间的相互作用的量与检测通过该电子束与该靶标的相互作用而生成的X射线辐射有关。

11.根据权利要求4至10中任一项所述的方法，其中，该X射线源包括在该电子束的传播方向上布置在该靶标的下游的电子检测器，其中，指示该电子束与该靶标之间的相互作用的量与以下项有关：

检测由该电子检测器对于该电子束的位移范围收集的电子。

12.根据权利要求3所述的方法，其中，该X射线源包括在该电子束的传播方向上布置在该靶标的下游的电子检测器，其中，该电子检测器包括多个分段，每个分段被配置为检测与所述分段相对应的区中的电子，其中，确定该电子束的功率密度曲线的步骤包括：

将该电子束引导至该电子检测器；

基于从该多个分段接收的信号来计算该功率密度曲线。

13.一种X射线源，包括：

靶标发生器，该靶标发生器被配置为提供形成靶标的液体射流；

电子源，该电子源被配置为提供电子束，该电子束在该靶标上形成电子光斑并且与该靶标相互作用以从该靶标上的X射线光斑生成X射线辐射；

控制器；

X射线光学系统，该X射线光学系统具有限定该X射线光斑的视场；以及

与该电子束相互作用的电子光学系统；

其中，该控制器被配置为：操作该电子光学系统和该电子源，以确定该电子束的功率密度曲线；并且调整该电子束的宽度和总功率，使得该电子光斑中的功率密度曲线的最大值低于预定极限，并且使得传递到该靶标的X射线光斑中的总功率增加。

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