CN114843162A - 一种大功率x射线源及其真空外循环液态靶组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大功率X射线源及其真空外循环液态靶组件，其中，真空外循环液态靶组件包括电子窗和液体金属靶；电子束穿过所述电子窗后，轰击液体金属靶产生X射线；所述液体金属靶通过循环流动将电子束沉积的热量带走并进行冷却。本发明采用电子束穿过窗后，在真空外轰击循环液体靶的技术，大大提高了X射线源的功率，解决了固定靶会造成损伤以及管内喷射式液态靶无法应用于普通封离式X射线源的问题。

Description

一种大功率X射线源及其真空外循环液态靶组件

技术领域

本发明属于X射线源技术领域，具体涉及一种大功率X射线源及其真空外循环液态靶组件。

背景技术

X射线源在工业检测、科学仪器、医疗影像及治疗等领域具有的广泛应用。在X射线源中，电子束轰击靶材料产生X射线。绝大多数电子束功率最终以热量的形式沉积在靶材中，如果电子束功率太大，就会将靶熔毁，因此X射线转换靶的热量管理属于射线源的核心技术之一。

在透射式出光的X射线源中，通常采用金刚石或铍作为透射窗，在金刚石或铍的真空一侧镀上钨等高原子序数金属薄膜，电子束轰击钨膜产生X射线。在X射线成像应用中，X射线焦斑需要比较小，为了避免透射窗或靶因为热而损伤，透射X射线管的功率通常都非常小，一般在10W以下，用于透射X射线管的固定式透射靶如图1所示。

反射式出光的X射线源一般会采用铜(或铜合金)作为钨靶的基体，通过靶材和基体将热量传导到外壳，通过风冷或者液体冷却带走，如图2所示。对于反射式X射线源，靶通常有反射角，在实现小焦斑的同时，可以将电子束功率密度降低一个量级。由于反射靶的散热条件比透射靶更好，靶的温升一般比透射靶小。但当电子束功率进一步提高时，靶的温度过高、热应力增加。就会引起的靶层开裂或者铜散热体熔化；此外，由于高温下金属蒸气压过高，导致管内真空度下降及绝缘部件表面污染，引起高电压下绝缘失效或者阴极损伤。

无论透射靶还是反射靶，进一步提高功率一般就需要采用旋转靶技术，旋转靶能够有效降低功率密度。但是，采用旋转靶就需要采用很大的靶盘，大大增加射线管的体积。而且旋转靶必须要有电机及电源来驱动轴承转子，进一步增加了X射线管组件的体积和重量，如图3所示。

为了解决上述困难，可以采用循环的液体作为X射线转换靶。目前X射线源中，已经有采用液态靶的方法，如图4所示，这种方法中，在X射线源的真空腔体内采用喷头喷射出液体金属靶，金属液体被电子轰击并产生X射线后，经过回收器回收。在真空腔内采用喷射式液态靶，电子束的能量可以很低，从而可以产生低能、大剂量的X射线。然而这种液态靶直接在真空环境中使用并被电子束加热，对真空度和高压绝缘有影响，一般需要用真空泵持续抽真空。由于结构比较复杂，设备体积大，这种液态靶方法适合科研仪器用的X射线源，不能用于普通封离式X射线源的使用场合。

发明内容

为了解决现有固定靶无法适用于紧凑型大功率X射线源以及管内喷射式液态靶无法应用于紧凑型封离X射线源的问题，本发明提供了一种可应用于大功率X射线源的真空外循环液态靶组件，该液态靶可将电子束沉积的热量带走并冷却，可提高X射线源的使用功率。

本发明通过下述技术方案实现：

一种真空外循环液态靶组件，包括电子窗和液体金属靶；

电子束穿过所述电子窗后，轰击液体金属靶产生X射线；

所述液体金属靶通过循环流动将电子束沉积的热量带走并进行冷却。

本发明采用电子束穿过窗后，在真空外轰击循环液体靶的技术，大大提高了X射线源的功率，解决了固定靶会造成损伤以及管内喷射式液态靶无法应用于普通封离式X射线源的问题。

作为优选实施方式，本发明的电子窗采用铍、金刚石、铜或钛制备而成。

作为优选实施方式，本发明的电子窗的厚度为10微米到0.3毫米之间。

作为优选实施方式，本发明的液态靶组件适用电子能量为300kV-25MV。

作为优选实施方式，本发明的金属液体靶采用原子序数高、熔点滴的铅基合金材料。

作为优选实施方式，本发明对所述电子窗和液态金属靶接触的一侧表面进行改性。本发明通过对电子窗的表面进行改性，改善电子窗和液体金属靶之间的浸润性，提高液体金属靶对电子窗的冷却效果。

作为优选实施方式，本发明的所述金属液态靶的循环流动速度为0.1-2m/s。

第二方面，本发明提出了一种大功率X射线源，包括本发明所述的真空外循环液态靶组件；

所述真空外循环液态靶组件用于将阴极组件发射的电子转换成X射线，并将电子束沉积的热量带走并进行冷却。

作为优选实施方式，本发明的X射线源还包括加速装置；

加速装置包括但不限于静电加速装置或射频加速装置；

所述加速装置用于对阴极组件发射的电子进行加速，使得有电子有足够的能量穿透电子窗以轰击液态靶。

作为优选实施方式，本发明的X射线源采用透射或反射方式输出X射线。

本发明具有如下的优点和有益效果：

在相同的功率密度条件下，采用本发明的真空外循环液态靶组件可以大大降低靶区温度，从而可以大大提高无旋转靶的封离式X射线源的使用功率，同时X射线源具有很小的体积，适用于当前普通封离式X射线源的各种应用场合。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为传统的固定式透射靶工作原理图。

图2为传统的固定式反射靶工作原理图。

图3为传统的透射式固定旋转靶工作原理图。

图4为传统的喷射式液态靶工作原理图。

图5为本发明第一实施例的真空外循环液态(透射)靶组件工作原理图。

图6为采用图5所示的真空外循环液态靶技术的X射线源。

图7为本发明第二实施例的真空外循环液态(反射)靶组件工作原理图。

图8为采用图7所示的真空外循环液态靶技术的X射线源。

图9为本发明第三实施例的基于真空外循环液态靶技术的射频加速管X射线源(透射式)。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-电子束，2-窗，3-窗支架，4-X射线，5-液体金属靶，6-液体金属靶循环管道，7-靶基体，8-阴极芯柱，9-阴极，10-阴极罩，11-绝缘管壳，12-阳极罩，13-冷却法兰，14-液态靶组件，15-密封可伐，16-加速腔。

具体实施方式

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。

在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。

应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。

在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

传统的固定靶在X射线源功率进一步提高时，由于靶的温度过高会引起靶失效；而喷射式液态靶X射线源结构复杂，设备体积也较大，不适用于普通封离式X射线源。针对上述问题，本实施例提供了一种基于电子透射窗的真空外循环液态靶组件(透射式)，其原理如图5所示，采用低原子系数、高导热材料制备的薄窗2将管内真空和液体金属靶5隔开，从而X射线管的真空度和高压绝缘性能不受液体金属靶材料蒸气压的影响。电子束1穿透窗2后，轰击循环的液体金属靶5，产生X射线，X射线穿透窗2，用于成像等场合。电子束的功率，绝大部分都沉积在液体金属靶中，高温的液体金属靶5在循环泵的驱动下在管道6中循环，并通过热交换的方式冷却。

为了兼顾最优的散热性能和X射线出光效率，本实施例的基于电子透射窗的真空外循环液体金属靶组件适用的电子能量一般不低于300kV(300kV-25MV)，电子能量越高，真空外液体循环靶技术优势越大。因为窗2具有一定厚度，如果电子束能量太低，电子大部分功率都会沉积在窗2当中，而窗2的原子序数低，X射线转换效率太低。

为了降低电子能量的损失，本实施例中，电子的透射窗2采用铍、金刚石窗、铜和钛等导热性能好、等效原子序数低的材料薄膜；窗2的厚度在10微米到0.3毫米之间。

本实施例的液体金属靶5的材料采用但不限于镓铟铅合金或其他原子序数高、熔点低的铅基合金材料。

本实施例的窗2和液体金属靶5相接触的一侧，对表面进行改性，改善窗2和液体金属靶5之间的浸润性，提高液体金属靶5对窗2的冷却效果。

本实施例的液体金属靶5的厚度设计与电子束1穿透窗2后的等效能量相关，液态金属靶5的循环流动速度为0.1-2m/s。

本实施例将上述基于电子透射窗的真空外循环液态靶组件应用于X射线源，其具体结构如图6所示，该X射线源主要由阴极组件、阳极组件和管壳构成。其中，阴极组件包括阴极芯柱8、阴极9和阴极罩10等相关附件，用于发射电子并提供栅控及聚焦；阳极组件包括阳极罩12、液态靶组件14和冷却法兰13等附件，用于将电子转换成X射线，并且将沉积热量带走；管壳主要包括绝缘管壳11和密封可伐15等附件，主要提供高电压绝缘和支撑性能。

该X射线源的工作原理为：

阴极组件和阳极头之间施加高电压，阴极头为相对负电势，从而在射线管内形成电子的加速和聚焦电场；阴极发射电子，电子束在电场的作用下飞向阳极组件，穿透窗后，轰击在液体金属靶上，通过韧致辐射过程产生X射线。X射线出射到管外，用于成像。电子束的大部分功率沉积在液体金属靶上，液体金属靶的热量绝大部分被循环流动的液体直接带走后通过热交换装置降温，一部分热量传导给冷却法兰并通过水冷或者风冷方式实现冷却。

实施例2

为了进一步提高上述实施例1的液态靶组件的使用功率，本实施例提出了一种反射式的真空外循环液态靶组件，其原理如图7所示。采用低原子系数、高导热材料制备的薄窗2将管内真空和液体金属靶5隔开，从而X射线管的真空度和高压绝缘性能不受液体金属靶材料蒸汽压的影响。电子束1穿透窗2后，轰击循环的液体金属靶5，产生X射线，X射线反射穿透窗2，用于成像等场合。电子束的功率，绝大部分都沉积在液体金属靶中，高温的液体金属靶5在循环泵的驱动下在靶基体7中循环，并通过热交换的方式冷却。

本实施例将上述反射式的真空外循环液态靶组件应用于X射线源，该X射线源具体结构如图8所示。其工作原理与上述实施例1的X射线源区别仅在于，上述实施例1的电子束穿过窗，轰击液体金属靶后透射穿过窗输出，而本实施例的电子束穿过窗，轰击液体金属靶产生X射线后，X射线反射穿过窗输出，其他工作过程相同，此处不再赘述。

实施例3

为了进一步提高电子束能量，本实施例提出了一种基于上述实施例的真空外循环液态靶组件的射频加速管式X射线源。

本实施例以透射式的真空外循环液态靶组件为例进行详细说明，具体如图9所示，该加速式X射线源主要由加速管组件和阳极组件构成，加速管组件包括阴极组件和加速腔，用于发射电子并加速电子；阳极组件由液态靶组件14和冷却法兰13组成，用于将电子转换成X射线，并将沉积的热量带走，本实施例的X射线源与上述实施例1的X射线源区别仅在于，本实施例采用的是射频加速管，而非小型X射线管通常所采用的静电加速管对阴极组件产生的电子加速，其他工作原理与上述实施例1的X射线源工作原理基本一致，此处不再赘述。

实施例4

为了验证上述实施例提出的真空外循环液态靶组件的技术效果，本实施例在相同的功率密度条件下，分别对本发明的真空外循环液态靶组件和传统的固定靶组件在不同功率下的温度变化情况进行仿真测试，具体过程为：

以金刚石为窗材料，在直径1mm、厚度1mm的靶内，分别注入10W、100W和1000W的电子束功率1s后，采用固体靶及循环液态靶组件(液态靶流速1m/s)两种情形下的温升情况，仿真结果分别如下表1所示：

表1

根据上表所示的仿真结果表明：

采用本发明的液体靶代替透射固体靶后，靶温升分别降低到原来的10.1％和3.7％(10W功率下温升从237度降到24度，100W功率下温升从1527度降到57度)；

采用本发明的液体靶代替反射固体靶后，靶温升分别降低到原来的80％、47.1％和34.8％(10W功率下温升从30度降到24度，100W功率下温升从121度降到57度，1000W功率下温升从1027度降到357度)；

仿真表明，功率越高，采用本发明的真空外循环液态靶组件后，相比传统的固体反射和透射靶的温升降低越明显。

因此，采用真空外循环液体靶技术代替传统的固定式透射靶和反射靶，可以大大降低靶区的最高温度。温度的降低进一步改善靶区非均匀分布的热应力，同时，在液体靶的冷却下，电子透射窗的可靠性也会大大提高。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种真空外循环液态靶组件，其特征在于，包括电子窗和液体金属靶；

电子束穿过所述电子窗后，轰击液体金属靶产生X射线；

所述液体金属靶通过循环流动将电子束沉积的热量带走并进行冷却。

2.根据权利要求1所述的一种真空外循环液态靶组件，其特征在于，所述电子窗采用铍、金刚石、铜或钛制备而成。

3.根据权利要求1所述的一种真空外循环液态靶组件，其特征在于，所述电子窗的厚度为10微米到0.3毫米之间。

4.根据权利要求1所述的一种真空外循环液态靶组件，其特征在于，所述液态靶组件适用电子能量为300kV-25MV。

5.根据权利要求3所述的一种真空外循环液态靶组件，其特征在于，所述金属液体靶采用原子序数高、熔点滴的铅基合金材料。

6.根据权利要求1所述的一种真空外循环液态靶组件，其特征在于，对所述电子窗和液态金属靶接触的一侧表面进行改性。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种真空外循环液态靶组件，其特征在于，所述金属液态靶的循环流动速度为0.1-2m/s。

8.一种大功率X射线源，其特征在于，包括如权利要求1-7任一项所述的真空外循环液态靶组件；

所述真空外循环液态靶组件用于将阴极组件发射的电子转换成X射线，并将电子束沉积的热量带走并进行冷却。

9.根据权利要求8所述的一种大功率X射线源，其特征在于，还包括加速装置；

所述加速装置用于对阴极组件发射的电子进行加速；

所述加速装置包括射频加速装置或静电加速装置。

10.根据权利要求8所述的一种大功率X射线源，其特征在于，该X射线源采用透射或反射方式输出X射线。

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