CN114174678B

CN114174678B - 带电磁泵的x射线源

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Publication number: CN114174678B
Application number: CN202080049561.4A
Authority: CN
Inventors: 比约恩·汉森; 波尔·塔克曼; 乌尔夫·伦德斯托姆; 汤米·图希玛
Original assignee: Excillum AB
Current assignee: Excillum AB
Priority date: 2019-05-09
Filing date: 2020-05-07
Publication date: 2023-04-28
Anticipated expiration: 2040-05-07
Also published as: JP2022531944A; US20220220951A1; US11979972B2; JP7490254B2; AU2020269923A1; EP3966452A1; CN114174677A; EP3736444A1; EP3736445A1; AU2020269404A1; WO2020225334A1; US11910515B2; KR20220017411A; EP3966453A1; CN114174678A; KR20220017410A; JP2022531943A; US20220230832A1; CN114174677B; WO2020225333A1

Abstract

披露了一种液态金属射流X射线源，包括用于泵送液态金属的电磁泵。电磁泵包括芯和外轭，该芯具有芯径，该外轭的厚度至少是芯径的20％。优选地，外轭的厚度至少是芯径的20％加上芯的外侧与轭的内侧之间的径向距离的6％。

Description

带电磁泵的X射线源

技术领域

本文披露的发明总体上涉及电磁泵，特别是涉及包括一个或多个电磁泵的X射线源，该一个或多个电磁泵用于泵送要用作X射线源中的靶的导电液体。

背景技术

X射线传统上是通过让电子束撞击固体阳极靶来产生的。然而，阳极中的热效应限制了X射线源的性能。

缓解与固体阳极靶过热有关的问题的一种方法是使用液态金属射流作为X射线生成中的电子靶。因此，液态金属射流X射线源基于通过电子束与液态金属射流之间的相互作用而产生X射线辐射。这种液态金属射流可以凭借其再生特性而承受强烈的电子束冲击。在WO 2010/112048 A1中披露了这种系统的示例。在该系统中，液态金属射流通过加压装置、射流喷嘴和用于在射流末端收集液态金属的容器以闭环方式供应。

然而，已经发现使用液态金属射流作为电子靶存在潜在的弱点。例如，由于用于对液态金属进行加压的泵造成的压力变化和不足，射流在速度、形状和厚度(横截面尺寸)方面的均匀性可能不是最佳的。进一步地，泵通常需要定期且耗时的维护，这可能会导致运营成本和系统停机时间增加。

发明内容

本发明的目的是解决上述不足之处中的至少一些。一个特定的目的是提供一种改进的电磁泵和一种包括这种泵的X射线源。

通过介绍的方式，将简要讨论与用于供应液体射流的系统相关的背景和一些挑战。

所述类型的X射线源可以包括电子枪和用于在真空室内部提供加压液态金属的稳定射流的系统。所使用的金属优选地是熔化温度相对较低的一种金属，例如铟、镓、锡、铅、铋或其混合物或合金。电子枪可以通过冷场发射、热场发射、热电子发射等原理起作用。用于提供电子撞击靶(即，液体射流)的系统可以包括加热器和/或冷却器、加压装置、喷嘴以及用于在射流结束时收集液体的容器。由于电子与液靶之间的相互作用，在撞击区域中产生X射线辐射。具有合适的透射特性的窗口允许产生的X射线辐射从真空室放出。通常期望以闭环方式回收液体以便允许X射线源的连续操作。

在技术层面上，液体射流的供应和加压可能具有挑战性。特别是，用于对液体进行加压和循环的泵可能会由于例如由泵活塞的运动引起的或无法建立足够高的压力而引起的压力变化而不能令人满意。

液体(即靶材料)的泄漏是另一个潜在的挑战。泄漏的结果可能是金属永久流失到系统外部。泄漏的其他问题包括发生金属在系统的难以或几乎不可能触及的部分中凝固的情况。进一步地，密封件、管线和泵都是潜在的液体泄漏源，因此也是液体射流供应系统的薄弱点。从用户的角度来看，泄漏可能需要昂贵的液体补充、缩短维护间隔并且通常使相关联的X射线源的操作和维护更加困难和耗时。本发明旨在解决这些挑战中的至少一些。

本发明基于这样的认识，即可以通过使用用于靶液的电磁泵来缓解现有技术的上述缺点中的至少一些。

虽然用于导电液体的电磁泵在现有技术中是已知的，但是它们还没有用于产生用作电子束冲击X射线源中的靶的液态金属射流。其原因之一是现有技术的电磁泵不能达到足够高的压力。

为了产生用作电子束冲击X射线源中的靶的液态金属射流，通常需要将液体加压到100巴以上。达到这种高压的一种方式至少原则上可以是将多个电磁泵串联连接。然而，这将会导致密封件和管线增加的情况，如以上讨论的，它们构成潜在泄漏点，并且还需要额外的电气连接。因此，在本发明的实施例中，提供了一种电磁泵，其中在单个主体中设置多个段以连续地将沿着泵的压力升高到足够的水平。

因此，根据本发明构思的第一方面，在本文中提出了一种用于泵送导电液体的电磁泵。该泵包括：

具有入口和出口的第一导管段，

具有入口和出口的第二导管段，

其中，这些导管段中的每一个被布置成使得该液体从该导管段的入口到该导管段的出口流动，并且

其中，该第一导管段的出口流体地连接到该第二导管段的入口。

该泵进一步包括：

电流发生器，该电流发生器被布置成提供通过该第一导管段中的液体和该第二导管段中的液体的电流，使得该电流的方向与该第一导管段中和该第二导管段中的液体流动相交；以及

磁场产生装置，该磁场产生装置被布置成提供穿过该第一导管段和该第二导管段中的液体的磁场，使得该磁场的方向与该液体流动和该电流的方向相交，

其中，该第一导管段和该第二导管段被构造为使得该液体在该第一导管段中流动的取向与该液体在该第二导管段中流动的取向相反。

因此，本发明的一些实施例可以包括电磁泵，该电磁泵至少包括第一段和第二段。第一永磁体可以布置在第一段中，并且第二永磁体可以布置在第二段中，其中，第一永磁体和第二永磁体被布置成具有相反的磁场取向。为了实现沿着两个段中的液态金属在相同方向上的抽吸力，第一段中的导管卷绕方向可以与第二段中的导管卷绕方向相反。以这种方式，电流可以在相同的方向上流过整个装置。应当理解，这种装置可以扩展到任何数量的段，其中，磁场取向和导管卷绕方向在各段之间相应地切换。

导电液体中压力的上升可以通过由磁场与流过液体的电流之间的相互作用产生的磁力来实现。磁力的方向通常垂直于包括电流方向和磁场方向两者的平面，并且通过使该平面基本上垂直于导管的长度方向定向，可以引导液体流通过导管。载流导体上的磁力可以写为

换句话说，所产生的力与磁场和电流两者都垂直，并且只有相互垂直的磁场和电流分量对所产生的力有贡献。磁力以及因此液体流动可能受到磁场的强度、流过液体的电流以及导管的受到磁力作用的长度的影响。进一步地，磁力的强度可以由磁场与电流方向所成的角度来确定。优选地，磁场垂直于电流方向，以便提供最大磁力。例如，磁场可以相对于电流方向成70至110度之间的角度布置。此外，由电磁泵提供的压力可以与布置在电磁泵中的导管段的数量成比例。在本披露内容中，描述了第一导管段和第二导管段。然而，进一步设想，根据本发明构思的多个导管段可以相继布置在电磁泵中。传统的电磁泵通常被设计为提供高达几十巴的压力。本发明旨在适合于提供高达数百巴(比如200巴、350巴或1000巴)的压力的泵。

进一步设想，电磁泵可以被构造为泵送导电流体。这种布置可以具有在本披露内容中披露的任何特征和优点。

第一导管段可以被构造为使得液体流动的取向与由第二导管段提供的流动的取向相反，而电流可以在通过两个段时保持基本上相同的主要方向。结果，在磁场与电流之间相互作用时产生的磁力可能指向两个段之间的相反方向。这可以通过使第二导管段中的液体流动的取向反转来补偿，使得产生的流动可以流过两个导管段。

磁场产生装置可以被布置成在第一导管段中提供的磁场与第二导管段中的磁场方向相反，而电流可以在通过两个段时保持基本上相同的主要方向。

为了充分理解本发明构思，首先可以进一步阐明一些术语。

电磁泵的主泵方向可以定义为第一导管段的入口与第二导管段的出口之间的矢量。因此，导管段中流动的“取向”被理解为所述导管段的导管内的流动取向，其不一定与主泵方向相同。

此外，每个导管段的段方向还可以定义为导管段的入口与导管段的出口之间的矢量。

第一导管段中的液体流动的取向与第二导管段中的液体流动的取向“相反”可以定义为例如相应导管段中的流动(比如分别以左旋或右旋螺旋或螺线形式流动)的左旋取向和右旋取向。也可以定义为相应导管段中的段方向基本上彼此相反。

通过具有镜像段、即具有第一布局的第一导管段和具有相对于第一布局呈镜像的第二布局的第二导管段，可以实现相应导管段中的液体流动的相反取向。进一步设想，可以通过在基本上相同的导管段中使流动方向反转来实现相应导管段中的液体流动的相反取向，基本上相同的导管段即具有第一布局的第一导管段和具有第一布局的第二导管段，其中，第一导管段的第一开口用作入口，第一导管段的第二开口用作出口，并且与第一导管段的第一开口相对应的第二导管段的第一开口用作出口，并且与第一导管段的第二开口相对应的第二导管段的第二开口用作入口。

贯穿本披露内容，参考磁场发生器的“一型”和“二型”极性；这种类型的示例分别是磁场发生器的南极和北极，比如分别是永磁体的北极和南极。

导管段中的每一个可以包括用于容纳液体的导管。导管可以包括管、管件和/或管道。管件可能是有利的，因为它可以被布置成横截面为正方形、矩形等。这种横截面可以有利于提供互连装置以允许电流在导管段中的每一个导管段内行进。特别地，与圆形横截面相比，矩形横截面可以提供表面积相对较大的导管段的各导管之间的界面。另一方面，对于给定的壁厚，圆形横截面管道可以提供更高的机械强度，因为整个横截面的环向应力相同，而对于矩形横截面，在拐角处将会出现应力集中。导管可以通过组装至少两个机制件而形成。导管可以通过合适的导电材料的3D打印而形成。优选地，导管应由非磁性材料制成以确保磁场穿透正被泵送的液体。在一些实施例中，导管可以包括不锈钢管件。

导电液体可以是或包括镓、铟、锡、铅、铋或其合金。

通过根据本发明构思的电磁泵，可以实现紧凑型泵。特别地，相应导管段中的相反取向可以提供磁场产生装置的更紧凑的布置。在一些实施例中，导管段可以与相应的磁场发生器相关联。这种磁场发生器可以在导管段之间具有相反的极性，这可以提供磁场发生器的紧凑布置，而无需在磁场发生器之间使用中间材料来闭合磁回路。磁场发生器可以体现为永磁体，比如钕磁体。

此外，与用于导电液体的传统泵相比，根据本发明构思的电磁泵可以提供具有很少(或完全没有)运动件的泵。由此，可以有利于维护，并且可以降低由运动件产生的压力变化的风险。

贯穿本披露内容，披露了导管段的若干示例。应当理解，在本发明构思的范围内设想了导管段的进一步变化。

第一导管段可以包括具有沿第一方向的卷绕的线圈，并且第二导管段可以包括具有沿第二方向的卷绕的线圈，第一方向与第二方向相反。

电磁泵可以进一步包括包住第一导管段和第二导管段的轭，其中，轭包括铁磁材料，比如铁、磁钢等。轭可以被布置成提供机械支撑。特别地，轭可以被构造为承受由电磁泵作用在导电液体上的力产生的压力。轭还可以为磁场提供路线，即轭可以限制由磁场产生装置产生的磁通量。

电磁泵可以进一步包括铁磁材料的芯。芯可以提供磁回路的闭合，即芯可以提供使得由磁场产生装置产生的磁通量受到限制的路径。

为了限制磁场，如以下更详细地讨论的，外轭的厚度可以至少是芯的直径的20％。优选地，还考虑到在芯与轭之间通常存在间隙，轭的厚度可以至少是芯的直径的20％加上芯与轭之间的径向距离的6％。由于轭具有这样的厚度，磁场基本上被限制在电磁泵内，从而实际上消除了对X射线源的电子束的干扰。

第一导管段的出口可以通过由电磁泵的内壁和外壁形成的中间容器而流体地连接到第二导管段的入口。内壁可以是以上讨论的电磁泵的芯。外壁可以是以上讨论的电磁泵的轭。还设想内壁和/或外壁可以由磁场产生装置形成。此外，设想电磁泵可以包括提供形成中间容器的内壁和/或外壁的单独元件。中间容器可以进一步由第一导管段的至少一部分和第二导管段的至少一部分形成。通过提供中间容器，可以实现第一导管段与第二导管段之间的简单流体连接。

第一导管段的出口和第二导管段的入口可以是同一结构的一部分，即第一导管段和第二导管段可以是单个部分。

第一导管段的出口可以通过中间导管流体地连接到第二导管段的入口。由此，可以实现第一导管段与第二导管段之间的简单流体连接。

电磁泵可以进一步被构造为允许电流从第一导管段传递到第二导管段。这可以至少部分地通过例如以上讨论的中间容器来实现。导电液体可以填充中间容器并将电流从第一导管段传导到第二导管段。还设想电磁泵可以包括中间传导元件，比如以下将描述的导电套囊。中间传导元件可以被布置成将电流从第一导管段传导到第二导管段。

导管段中的每一个可以包括液体路径和互连装置，该互连装置被构造为允许电流在导管段中的每一个导管段内并且从导管段中的每一个导管段的入口到出口行进一段比液体路径短的距离。液体路径可以由导管的几何形状来限定，即沿着导管的行进路径，液体沿着该行进路径流动。相比之下，由于互连装置，电流不限于沿着液体路径行进。互连装置可以包括导管段的导管的不同部分之间的直接接触和/或导管段的导管的不同部分之间的例如通过焊接或铜焊实现的接触。进一步设想导管可以包括经蚀刻剂处理的内表面。导管的内表面是旨在接触液体的表面。通过用蚀刻剂处理内表面，可以改善导管与液体之间用于传导电流的界面。互连装置可以包括导电材料、比如金属(比如铜)，或由导电材料制成。在进一步的实施例中，可以提供互连装置以填充导管段与周围壁之间的空间，从而提供电接触和机械支撑两者。

磁场产生装置可以包括永磁体。进一步设想，可以通过例如电磁体来提供磁场。本发明构思提供了一种允许多个磁场发生器以空间有效的方式进行组合的技术。此外，磁场产生装置可以包括与每个导管段相关联的磁场发生器，其中，每个相应的磁场发生器包括多个磁场产生元件。这种磁场产生元件可以例如表示一个扇区，即导管段相对于主轴的圆周的一部分。

电磁泵可以进一步包括布置在第一导管段与第二导管段之间的导电套囊，用于允许电流从第一导管段行进到第二导管段。由此，可以有利于电磁泵的电气路线，因为电流可以在导管段之间传递并且不需要到每个导管段的单独路线。导电套囊可以包括开放段，允许从第一导管段的出口到第二导管段的入口的流体连接。

第一导管段和第二导管段可以沿着主轴相继布置。主轴可以与本披露内容中在先定义的主泵方向重合。此外，主轴可以是电磁泵的纵轴。相继布置的第一导管段和第二导管段可以被理解为是沿着主轴串联布置的导管段。此外，第一导管段和第二导管段可以围绕主轴居中。

第一导管段可以包括在第一方向上卷绕在主轴上的第一线圈，并且第二导管段可以包括在第二方向上卷绕在主轴上的第二线圈，第二方向与第一方向相反。换句话说，第一导管段可以包括沿第一方向卷绕在主轴上的第一螺线，即右旋螺线和左旋螺线中的任一个，并且第二导管段可以包括沿第二方向卷绕在主轴上的第二螺线，即右旋螺线和左旋螺线中的另一个。

第一线圈和第二线圈的相邻匝分别可以彼此电接触。由此，电流可以行进通过每个导管段。

磁场产生装置可以包括被布置成至少部分地包围第一导管段的第一磁场发生器和被布置成至少部分地包围第二导管段的第二磁场发生器，其中，该第一磁场发生器布置有径向面向该第一导管段的一型磁极和径向背离该第一导管段的二型磁极，并且其中，该第二磁场发生器布置有径向背离该第二导管段的一型磁极和径向面向该第二导管段的二型磁极，一型磁极和二型磁极是相反的磁极。将结合图2和图3进一步描述这些特征。

该磁场产生装置可以包括：布置在该第一导管段的入口侧的第一磁场发生器，其中，该第一磁场发生器布置有轴向面向该第一导管段的一型磁极和轴向背离该第一导管段的二型磁极；以及布置在该第一导管段的出口侧和该第二导管段的入口侧的第二磁场发生器，其中，该第二磁场发生器布置有轴向面向该第一导管段的一型磁极和轴向面向该第二导管段的二型磁极，一型磁极和二型磁极是相反的磁极。

将结合图4进一步描述这些特征。

第一导管段可以包括基本上横向于主轴布置的第一螺旋形状，并且其中，第二导管段包括基本上横向于主轴布置的第二螺旋形状。第一螺旋形状和第二螺旋形状可以分别布置在单个平面中。

该磁场产生装置可以包括：布置在该第一导管段的入口侧的第一磁场发生器，其中，该第一磁场发生器布置有轴向面向该第一导管段的一型磁极和轴向背离该第一导管段的二型磁极；以及布置在该第一导管段的出口侧和该第二导管段的入口侧的第二磁场发生器，其中，该第二磁场发生器布置有轴向面向该第二导管段的一型磁极和轴向面向该第一导管段的二型磁极，一型磁极和二型磁极是相反的磁极。将结合图6进一步描述这些特征。

根据第二方面，提供了一种用于泵送导电液体的电磁泵，其可以与以上结合第一方面和实施例披露的电磁泵类似地构造。然而，应当理解，根据本方面的泵的不同之处在于它可以包括单个导管段，因此不一定是两个或更多个导管段。类似于第一方面和实施例，电磁泵可以包括电流发生器，该电流发生器被布置成提供通过导管段中的液体的电流，使得电流的方向与导管段中的液体流动相交；以及磁场产生装置，该磁场产生装置被布置成提供穿过导管段中的液体的磁场，使得磁场的方向与液体流动和电流的方向相交。

在一些实施例中，根据第一方面或第二方面的电磁泵可以被构造为允许流体存在于(多个)导管段与电磁泵的外壁的内表面之间。因此，流体可以存在于导管外部以平衡导管内部的液体施加在导管壁上的压力。有利地，导管壁上的压差的这种平衡允许泵在液体压力下操作，否则将有损坏导管段的风险。换言之，导管段外部的液体允许减小导管段的壁厚，因为壁段暴露于较低的压差。

流体可以例如由通过电磁泵泵送的导电液体形成，并且在示例中可以通过导管内侧与导管和周围外壁之间的空间之间的流体连接来提供。该流体连接可以例如经由由电磁泵的内壁和外壁形成的中间容器来提供，如以上讨论的。假设导管与周围壁之间的空间形成从导管段的入口到出口的开放连接，则在导管外部流动的流体可以被视为被泵送的液体的平行流动。如果电流被传送通过流体，则泵送力也将施加在该流体上。

在本发明的范围内还可想到在导管段外部提供不同的液体。在这种情况下，可以提供防止两种液体混合的措施。在另外的实施例中，导管段与周围内壁之间的空间可以填充有不可压缩的灌封化合物，例如环氧树脂。

根据本发明构思的第三方面，提供了一种X射线源，包括：液靶发生器，该液靶发生器被构造为形成导电液体的液靶；电子源，该电子源被构造为提供与该液靶相互作用以产生X射线辐射的电子束；以及根据本发明构思的上述方面中的任一方面所述的电磁泵。

出于实际原因，比如为了避免辐射屏蔽和真空外壳中的损耗和馈通，泵应优选地位于真空室附近，甚至位于真空室内部。电磁泵的这种放置会导致对电子束的干扰。在本发明的实施例中，通过使用具有足够厚度的用于磁回路的轭以防止磁泄漏的电磁泵，减少甚至消除了电磁泵对电子束的干扰。为此，可以提供液态金属射流X射线源，其中，外轭的厚度可以至少是芯的直径的20％，优选地至少是芯径的20％加上芯与轭之间的径向距离的6％。芯和轭两者优选地由相同的铁磁材料制成，比如铁、磁钢等。X射线源可以包括闭环循环系统、比如再循环路径，其中包含电磁泵。此外，X射线源可以包括用于收集从液靶发生器喷射的液体的收集容器。

根据用于靶材料的液态金属的特性，上述电磁泵可能必须在不同的温度下操作。两个非限制性示例可以是熔点为30℃的镓和熔点为157℃的铟。为避免在较高温度下失去性能，磁回路中不包括磁性材料的任何部分都应尽可能小。换句话说，应该使磁极之间的间隙变窄。然而，由于在该间隙中通常存在输送液态金属的导管，如果间隙的宽度减小，则泵容量将会减小。为了解决这个问题，可以提供包括适当设计的电磁泵的液态金属射流X射线源。电磁泵可以包括具有第一外直径和第二内直径的中空圆柱形径向磁化永磁体、与所述永磁体同心布置的具有第三直径的圆柱形芯，其中，磁体的内直径与芯的直径之间的距离小于第三直径与第一直径和第二直径之差除以第一直径和第二直径之和的乘积。X射线源还可以包含具有足够厚度的用于磁回路的轭以防止磁泄漏。此外，电磁泵可以包括多个段以实现期望的泵性能。

在第三方面的范围内可以有若干修改和变化。特别地，在本发明构思的范围内可想到包括多于一个液靶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，这些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叙述特定措施这一仅有事实并不表明这些措施的组合不能被有利地使用。

关于一个方面描述的特征也可以结合在其他方面中，并且该特征的优点适用于结合了该特征的所有方面。

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，否则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非必须按所披露的确切顺序来执行。

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示意性地展示了第一导管段和第二导管段；

图2以横截面视图示意性地展示了电磁泵；

图3以横截面视图示意性地展示了第一导管段和第二导管段的实施例；

图4以横截面视图示意性地展示了第一导管段和第二导管段的另一实施例；

图5a和图5b以横截面视图示意性地展示了第一导管段和第二导管段的另一实施例；

图6以横截面视图示意性地展示了第一导管段和第二导管段的另一实施例；

图7示意性地展示了包括电磁泵的X射线源；

图8示意性地展示了一个实施例的芯和轭的几何形状；以及

图9是展示了一个实施例的尺寸和大小的横截面视图。

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

参考图1，展示了第一导管段102和第二导管段104。在此第一导管段102包括管件或管道，并且被布置为右旋螺线型，并且在此第二导管段104包括管件或管道，并且被布置为左旋螺线型。第一导管段102可以经由中间导管157流体地连接到第二导管段。展示了由磁场产生装置(未示出)产生的磁场方向B、电流方向I以及每个导管段内的流动方向P。可以看出，磁场方向B、电流方向I和流动方向P都是相互正交的。

图2以沿着电磁泵100的主轴A的横截面视图展示了用于泵送导电液体100的电磁泵。在此电磁泵100包括四个导管段102、104、106、108。然而应当理解，电磁泵100可以至少包括具有入口110和出口112的第一导管段102、以及具有入口114和出口116的第二导管段104，其中，每个导管段102、104被布置成使得液体从其入口到其出口流动。第一导管段102的出口112进一步流体地连接到第二导管段104的入口114。在本实施例中展示的另外的导管段106、108可以被视为第一导管段和第二导管段102、104的重复，即在第一导管段和第二导管段102、104之后，又布置了另外的第一导管段和第二导管段106、108。在这点上，术语“第一导管段”和“第二导管段”可以被视为是指一种类型的导管段，而不是特定的导管段。

电磁泵100进一步包括电流发生器120，该电流发生器被布置成提供通过第一导管段102中的液体和第二导管段104中的液体的电流，使得电流的方向基本上垂直于第一导管段102中和第二导管段104中的液体流动。在图3中更清楚地展示了导管段中的电流方向和液体流动。应当注意，电流发生器120可以连接到除图2中所展示的点之外的其他点。

电磁泵100进一步包括磁场产生装置122，该磁场产生装置被布置成提供穿过第一导管段102和第二导管段104中的液体的磁场，使得磁场的方向基本上垂直于液体流动和电流方向。与上述类似，在图3中更清楚地展示了磁场方向。

第一导管段102和第二导管段104被构造为使得液体在第一导管段102中流动的取向与液体在第二导管段104中流动的取向相反。

进一步地，电磁泵100可以包括分别用于接收和喷射液体的主入口124和主出口126。进一步地，电磁泵100可以包括包住第一导管段102和第二导管段104的轭128。轭128包括铁磁材料。进一步地，在此轭128包括分别布置在电磁泵100的第一导管段(在此是第一导管段102)之前和电磁泵100的最后一个导管段(在此是第二导管段108)之后的端件130、132。在这点上，术语“之前”和“之后”是相对于由主入口124与主出口126之间的流动矢量定义的主要流动方向M而言的。特别地，术语“之前”可以与术语“上游”互换，并且术语“之后”可以与术语“下游”互换。轭的端件130、132可以提供磁场的路线。在电磁泵100中还布置了芯129。因此，磁场可以从磁场发生器122的内极出发，径向穿过第一导管段102的导管，通过芯129、端件130和轭128进入磁场发生器的外极中，从而完成闭合磁回路。

电磁泵100可以进一步包括被构造为与轭128连接的盖136、138。盖136、138可以为导电液体124、126和电流I提供机械支撑和馈通。特别地，盖136、138可以被构造为承受由电磁泵100作用在导电液体上的力产生的压力。

现在参考图3，以横截面视图展示了第一导管段102和第二导管段104。在此，主要流动方向由图中的方向M表示。还指示了主轴A。在此，第一导管段102和第二导管段104沿着主轴A相继布置。

第一导管段102包括沿第一方向卷绕在主轴A上的第一线圈140，并且第二导管段104包括沿第二方向卷绕在主轴上的第二线圈142，第二方向与第一方向相反。换句话说，第一导管段102包括第一线圈140，该第一线圈是右旋线圈和左旋线圈中的任一个，并且第二导管段104包括沿第二方向卷绕在主轴上的第二线圈142，即右旋线圈和左旋线圈中的另一个。从展示的横截面中不能推断出导管段102、104的具体取向，即它们是左旋线圈还是右旋线圈。相比之下，相关的是第一导管段和第二导管段102、104分别具有相反的取向。

在展示的横截面中，第一导管段102中的液体流动由流动方向144和146表示，而第二导管段104中的流动方向由流动方向145和147表示；流动传播离开(由点表示)或进入(由十字表示)所展示的平面。

指示了通过第一导管段102和第二导管段104中的液体的电流I的方向，电流I的方向基本上垂直于第一导管段102中和第二导管段104中的液体流动。

电磁泵100进一步包括磁场产生装置，在此该磁场产生装置包括被布置成至少部分地包围第一导管段102的第一磁场发生器148和被布置成至少部分地包围第二导管段104的第二磁场发生器150，其中，第一磁场发生器148布置有径向面向第一导管段102的一型磁极152(在该示例中为南极S)和径向背离第一导管段102的二型磁极154(在该示例中为北极N)，并且其中，第二磁场发生器150布置有径向背离第二导管段104的一型磁极152(在该示例中为南极S)和径向面向第二导管段104的二型磁极154(在该示例中为北极N)，一型磁极和二型磁极152、154是相反的磁极。由于第一磁场发生器和第二磁场发生器148、150的布置，由相应的磁场发生器148、150产生的磁场通过彼此相互闭合。

由相应的磁场发生器148、150提供的磁回路分别穿过第一导管段102和第二导管段104中的液体，使得磁场的方向基本上垂直于液体流动和电流I的方向。

包住第一导管段102和第二导管段104的轭128以及芯129在所展示的横截面中也是可见的。

中间容器156流体地连接到第一导管段的出口112和第二导管段104的入口114。在此，中间容器156由芯129、外壁158、以及第一导管段102的至少一部分和第二导管段104的至少一部分形成。因此，导电液体(未展示)可以从第一导管段102经由中间容器156流入第二导管段104。位于中间容器156中的导电液体还可以用于将电流I从第一导管段102传递到第二导管段104。进一步设想，可以在第一导管段和第二导管段102、104之间布置中间传导元件，比如导电套囊(未展示)。中间传导元件可以围绕主轴A延伸，从而分别增加中间传导元件与第一导管段和第二导管段102、104之间的接触面积。这种中间传导元件的一个实施例可以用开放套囊表示，其中，套囊中的开口形成中间容器156的一部分。

外壁158可以是电绝缘的，和/或由电绝缘材料制成。

每个导管段102、104可以进一步包括互连装置。互连装置可以被构造为允许电流在导管段中的每一个导管段内行进。特别地，互连装置可以被构造为允许电流在与每个导管段内的流动方向垂直的方向上行进。互连装置可以被构造为传导电流。

现在参考图4，示出了与结合图3描述的相似的布置。为了避免重复已经讨论过的特征，在以下部分中将不再进一步讨论结合图2、图3和图4描述的实施例之间的相似元件。主要流动方向由方向M表示。

在此，磁场产生装置包括布置在第一导管段102的入口侧111的第一磁场发生器148，该第一磁场发生器布置有轴向面向第一导管段102的二型磁极154和轴向背离第一导管段102的一型磁极152。第二磁场发生器150布置在第一导管段102的出口侧113和第二导管段104的入口侧115，其中，第二磁场发生器150布置有轴向面向第一导管段102的二型磁极154和轴向面向第二导管段104的一型磁极152，一型磁极和二型磁极152、154是相反的磁极。在此，术语“轴向”是指主轴A。进一步地，在此第一磁场发生器148是具有第一直径160的圆柱体，该第一直径小于第一导管段102的线圈的第一线圈直径161。同样地，第二磁场发生器150是具有第二直径163的圆柱体，该第二直径小于第二导管段104的线圈的第二线圈直径165。

第一磁场发生器148被布置成提供穿过第一导管段102中的液体的磁场，使得磁场的方向基本上垂直于液体流动和电流I的方向。第二磁场发生器150被布置成提供穿过第二导管段104中的液体和第一导管段102中的液体的磁场，使得磁场的方向基本上垂直于液体流动和电流I的方向。

磁场回路线如图4所示，并且由相应的磁场发生器148、150提供的磁场分别穿过第一导管段102和第二导管段104中的液体，使得磁场的方向基本上垂直于液体流动和电流I的方向。

中间传导元件162(例如导电套囊)布置在第一导管段和第二导管段102、104之间。在此，中间传导元件162也布置在第一导管段102之前。中间传导元件162可以围绕主轴A延伸，从而分别增加中间传导元件162与第一导管段和第二导管段102、104之间的接触面积。

第一导管段102的出口112可以通过如结合图3所述的中间容器和/或通过中间导管(未示出)流体地连接到第二导管段104的入口114。中间导管可以从主轴A延伸与第一导管段和第二导管段基本上相同的距离。

现在参考图5a和图5b，展示了第一导管段和第二导管段102、104的另一实施例。为了清楚起见，图中省略了电磁泵的某些部分。应当注意，所展示的附图仅仅是示意性的，并且不一定按比例绘制。

首先参考图5a，横截面视图展示了若干导管段102、104、106、108。互连装置158被布置成允许电流I在导管段102、104、106、108中的每一个导管段内并且从导管段中的每一个导管段的入口到出口行进一段比液体路径短的距离。在此，第一导管段102的液体路径由路径P展示，并且电流从第一导管段102的入口到出口的行进距离由距离D表示。所展示的实施例中的每个导管段可以具有曲折形状。

在此，第一导管段102中的液体流动由流动方向144表示。为了清楚起见，正方向也由带有(+)符号的箭头表示。因此，可以看出，第一导管段102中的液体流动基本上遵循正方向。第二导管段104中的液体流动由流动方向145指示。第二导管104中的流动的取向与第一导管102中的流动的取向相反，即第二导管段104中的流动方向145基本上与所指示的正方向相反。通过磁场产生装置的布置可以部分地实现这种布置和所产生的流动，这将结合图5b进一步描述。

现在参考图5b，展示了第一导管段和第二导管段102、104的另一实施例的横截面视图。该横截面视图垂直于结合图5a所展示的横截面视图。

在此展示了若干导管段。每个导管段与相应的磁场发生器相关联。例如，第一磁场发生器148被布置为至少部分地包围第一导管段102。第一磁场发生器148布置有一型磁极和二型磁极152、154，使得磁场回路基本上垂直于电流I的方向穿过导管和导管中的液体。此外，磁场发生器148、150的布置可以用于闭合两个磁场发生器之间的磁场回路。

现在参考图6，展示了第一导管段和第二导管段102、104的另一实施例。为了清楚起见，图中省略了电磁泵的某些部分。应当注意，所展示的附图仅仅是示意性的，并且不一定按比例绘制。

所展示的实施例中的每个导管段可以在单个平面中形成为螺旋形状。例如，第一导管段102可以在单个平面S₁中形成为螺旋形状，并且第二导管段104可以在单个平面S₂中形成为螺旋形状。第一导管段和第二导管段102、104优选地具有相同的取向，即都是顺时针或逆时针转动的螺旋。然而，第一导管段和第二导管段102、104中的液体流动的取向分别相反，因为它从第一导管段102的外部部分径向流向第一导管段102的内部部分，并且从第二导管段104的内部部分径向流向第二导管段104的外部部分。

进一步地，在此提供了外部电流导体164和内部电流导体166。电流I从外部电流导体164经由导管段和可选的互连装置被引导到达内部电流导体166，互连装置被构造为允许电流在每个导管段内行进。由此，电流从导管的一侧经由导电液体传递到导管的相反侧，并且进一步可选地经由互连装置传递到导管的附近部分。

磁场产生装置可以包括：布置在第一导管段102的入口侧111的第一磁场发生器148，其中，第一磁场发生器148布置有轴向面向第一导管段102的二型磁极154和轴向背离第一导管段102的一型磁极152；以及布置在第一导管段102的出口侧113和第二导管段104的入口侧115的第二磁场发生器150，其中，第二磁场发生器150布置有轴向面向第二导管段104的二型磁极154以及轴向面向第一导管段102的一型磁极152，一型磁极和二型磁极是相反的磁极。

在此，中间导管157布置在第一导管段102与第二导管段104之间，其中，中间导管157提供第一导管段102的出口112与第二导管段104的入口114之间的流体连接。

现在参考图7，其展示了X射线源170，包括：液靶发生器172，该液靶发生器包括被构造为形成导电液体的液靶174的喷嘴；电子源176，该电子源被构造为提供与液靶174相互作用以产生X射线辐射177的电子束；以及根据本发明构思的电磁泵100。液靶174可以是液体射流。因此，本发明构思的电磁泵100可以被构造和/或适合于提供液体射流。X射线源170可以进一步包括低压室178或真空室178。再循环路径180也可以被布置成与用于收集从液靶发生器172喷射的液体的收集容器182处于液体连接，并且与液靶发生器172处于液体连接。生成的X射线辐射176可以经由透射通过X射线窗口184而离开X射线源170。

如图7所示，电磁泵100可以布置在真空室178内，相对靠近电子源176。因此，可能有利的是采取措施使得泵不会对电子束产生磁干扰。将参考图8讨论考虑到这一点的实施例。

在图8中示出了根据本披露内容的电磁泵的两个截面的示意性横截面视图。图8类似于图3，并且在该讨论中使用相同的附图标记。然而，为了不使视图混乱，图8中省略了一些附图标记。在缠绕在中央芯上的管件(例如，薄壁不锈钢管件)中输送液态金属。管件中的液态金属的流动方向由点(从视图的平面流出)和十字(流入视图的平面)表示。

在一些实施例中，还可以允许液体在管件外部流动，从而减小管壁上的压差。更普遍地，管件(即用于液态金属的导管)可以浸入或嵌入不可压缩的介质中。这种不可压缩的介质可以是与管件内部的液态金属相同的平行流动，或者它可以是与管件内部的液态金属分开的另一种液体。还可想到，不可压缩介质是例如不可压缩的灌封化合物、比如环氧树脂。不可压缩的介质还可以提供相邻管壁之间的电连接。

为了使通过液态金属的磁场最大化并由此使泵浦功率最大化，内芯C和外轭Y优选地由铁磁材料制成。芯和外轭两者因此可以包括铁、磁钢等。在图8的实施例中，磁场发生器是布置在芯与轭之间的永磁体。永磁体可以是有利的，因为不需要用于产生磁场的电馈通，这使得设计复杂性较低。

一个段的长度由图8中的箭头b表示。永磁体位于每个段中，如附图所展示的。一个部段的长度b受到(铁)芯的饱和磁化强度的限制。如果假设圆对称(这可能是典型的)，则该条件可以写为

其可以重写为

其中B是由磁体提供的磁场强度，B_s是(铁)芯的饱和磁化强度，

是芯的直径。

外轭Y的相对应的参数给出了轭的最小厚度，以便包含磁场。同样，对于轭的内径为

且轭的外径为

的圆对称，以下条件适用

其可以重写为

通过从上面插入b的上限，其对应于在芯中使用最大可能的磁通量，该表达式减少到

对于轭的内径接近芯的直径的极限情况，其进一步减少到

因此，轭的厚度在相同的极限下可以写为

可以理解，轭的厚度应至少是芯径的20％。在许多实施例中，磁体将具有不可忽略的厚度并且在芯与轭之间需要间隙以为承载液态金属的管件让位。如果从芯的外侧到轭的内侧的径向距离表示为t，则以下适用

并且因此

其可以重写为

在t很小的极限(即薄磁体和窄间隙)下，最后这个不等式可以近似为

并且在这个极限下，轭的厚度可以因此写为

因此，在优选实施例中，外轭的厚度至少是芯厚度的20％加上芯的外侧与轭的内侧之间的径向距离的6％。

因此，如上所述的其中外轭的厚度至少是芯径的20％或优选地至少是芯径的20％加上芯与轭之间的径向距离的6％的实施例的优点是防止或至少显著减少磁泄漏，从而消除或至少显著减少对电子束的干扰。厚的外轭还具有额外的优点，即它可以在承载液态金属的管件内和周围承受更高的压力。

在本发明的一些实施例中，还可以优选地考虑磁回路中的间隙的尺寸。为避免在升高的温度下性能劣化，磁回路中的间隙应尽可能小。然而，使间隙变小可能会降低泵容量。以下将描述这方面的考虑。

在设计基于永磁体的电磁泵时，应考虑磁体材料的特性。稀土永磁体、特别是基于钕的永磁体在至少某些参数范围内表现出可逆的线性行为。这使它们特别适用于此类设备。然而，当温度升高时，线性关系会因高退磁场而失效。如果工作点对应于足够高的感应场，则可以避免该缺点。对于比如钕磁体等稀土磁体，其感应磁场的大小一般应高于退磁场的大小，即B_m>-μ₀H_m。

参考图9，对于圆柱几何结构，假设没有场泄漏到环境中，可以建立以下表达式

其中B_m是感应场，H_m是退磁场，L_m是磁体中路径的平均长度，A_m是磁体的平均面积，并且P是外部磁导，在这种情况下是圆柱形磁体与芯之间的环。通过将环中的相对磁导率设置为1，磁体长度为L，磁体的外径为D_y，磁体的内径为D₀，并且芯的直径为D_i，得到以下表达式

其中Dm表示平均磁体直径。因此，上述条件B_m＞-μ₀H_m可以写为

通过将芯与磁体之间的间隙设置为δ/2，上面的不等式可以改写为

假设间隙比芯的直径小，这可以近似为

其可以重新调整为

图9展示了在上述表达式中使用的措施，并且还指示了在磁体与芯之间的环形空间内部提供的螺旋导管。如将理解的，实际实施例还将包括用于完成磁回路的轭，但为清楚起见这种轭未在图9中示出。具有交替的磁体极性和导管卷绕方向的多个段的实施例可以用于实现期望的泵性能。在图9中，磁体被示为单个径向磁化的中空圆柱体，但是它可以替代地包括组装在一起以实现圆柱形结构的多个弧形磁体。

随着导管直径增加，导管上的压降迅速降低(达四次方)。这将促进导管直径以及因此磁回路中的间隙变大的实施方式。然而，随着间隙变大，有效磁场也会降低，从而降低泵的效率。磁场减小与间隙尺寸的关系相对较弱。优选实施例将使间隙尺寸接近以上导出的极限δ/2。

以上已经主要参考几个实施例描述了本发明构思。然而，如本领域技术人员容易理解的，在如所附专利权利要求所限定的本发明构思的范围内，除了以上披露的实施例之外的其他实施例同样是可能的。

附图标记清单

A 主轴

b 部段长度

C 芯

I 电流

M 主要流动方向

N 磁北极

S 磁南极

S₁ 单个平面

S₂ 单个平面

t 芯与轭之间的径向距离

Y 轭

芯径

轭内径

轭外径

100 电磁泵

102 第一导管段

104 第二导管段

106 导管段

108 导管段

110 入口

111 入口侧

112 出口

113 出口侧

114 入口

115 入口侧

116 出口

120 电流发生器

122 磁场产生装置

124 主入口

126 主出口

128 轭

129 芯

130 端件

132 端件

136 盖

138 盖

140 第一线圈

142 第二线圈

144 流动方向

145 流动方向

146 流动方向

147 流动方向

148 第一磁场发生器

150 第二磁场发生器

152 一型磁极

154 二型磁极

156 中间容器

158 外壁

160 第一直径

161 第一线圈直径

162 中间传导元件

163 第二直径

164 外部电流导体

165 第二线圈直径

166 内部电流导体

170 X射线源

172 液靶发生器

174 液靶

176 电子源

177 X射线辐射

178 低压室/真空室

180 再循环路径

182 收集容器

184 X射线透明窗口

Claims

1.一种液态金属射流X射线源，包括：

喷嘴，该喷嘴用于提供液态金属射流；

电子源，该电子源用于提供电子束以与该液态金属射流相互作用从而产生X射线辐射；

电磁泵，该电磁泵用于向该喷嘴提供液态金属；

其中，该电磁泵包括芯和外轭，该芯具有第一直径，该外轭的厚度至少是所述第一直径的20％。

2.如权利要求1所述的液态金属射流X射线源，其中，在所述芯的外周与所述外轭的内周之间存在一定距离，并且其中，该外轭的厚度至少是所述第一直径的20％加上所述距离的6％。

3.如权利要求1所述的液态金属射流X射线源，其中，所述芯和所述外轭包括铁或磁钢。

4.如权利要求1所述的液态金属射流X射线源，进一步包括收集器，该收集器用于收集形成该液态金属射流的材料并将该材料输送到该电磁泵的入口。

5.如前述权利要求1-4中任一项所述的液态金属射流X射线源，其中，该电磁泵包括：

导管，该导管围绕所述芯被布置成卷绕，用于从入口到出口输送该液态金属；

永磁体，该永磁体与所述芯同心布置，提供通过所述导管的径向磁场；

电流源，该电流源用于在沿着所述芯并基本上垂直于所述磁场的轴向方向上提供通过该导管的电流。

6.如权利要求5所述的液态金属射流X射线源，至少包括沿着所述芯的轴向方向的第一部段和第二部段，其中，第一永磁体布置在该第一部段中，并且第二永磁体布置在该第二部段中，所述第一永磁体和所述第二永磁体被布置成具有相反的磁场取向，并且其中，所述第一部段中的导管卷绕方向与所述第二部段中的导管卷绕方向相反。

7.如权利要求5所述的液态金属射流X射线源，其中，允许液态金属在所述导管壁的内部和外部流动。

8.如权利要求5所述的液态金属射流X射线源，其中，所述导管浸入不可压缩的介质中。

9.如权利要求5所述的液态金属射流X射线源，其中，所述导管由非磁性材料制成。

10.如前述权利要求1-4中任一项所述的液态金属射流X射线源，其中，该电磁泵被构造为在至少100巴的压力下向所述喷嘴提供液态金属。

11.如前述权利要求1-4中任一项所述的液态金属射流X射线源，其中，所述X射线源被布置成提供该液态金属射流作为来自所述喷嘴的自由传播射流。

12.如前述权利要求1-4中任一项所述的液态金属射流X射线源，进一步包括真空室，其中，该喷嘴、该电子源和该电磁泵包括在该真空室内。