CN115241028A - 用于液冷隔离的x射线透射靶的方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种X射线源，其具有靶组件、电子源和飞行管组件，靶组件包括靶，电子源用于产生撞击靶的电子，飞行管组件将靶组件与电子源分开并且将冷却剂输送到靶组件。飞行管组件包括飞行管接口环、靶筒管以及位于飞行管接口环与靶筒管之间的电隔离环。

Description

用于液冷隔离的X射线透射靶的方法及系统

技术领域

本发明涉及一种用于液冷隔离的X射线透射靶的方法及系统。

背景技术

X射线由于其短波长和穿透物体的能力而被广泛地用于显微镜学中。典型地，最佳的X射线源是同步加速器，但是这些是昂贵的系统。因此，通常使用所谓的管或实验室X射线源，其中产生的电子束轰击靶。所得的X射线包括由靶的组成和宽韧致辐射确定的特征线。

X射线显微镜学系统存在几个基本配置。一些配置采用聚光器将X射线集中到研究中的物体上和/或采用物镜以在与物体相互作用之后将X射线成像。与这些类型的显微镜相关联的分辨率和像差通常由X射线的光谱特性来确定。一些显微镜学系统采用投影配置，其中通常结合几何放大率使用小X射线源焦斑来对物体成像。

性能和特别是分辨率受到不同因素的影响。因为投影配置不具有像差，所以分辨率通常由X射线源焦斑的大小来确定。理想地，X射线源焦斑将是点焦斑。实际上，X射线源焦斑相当大。通常，源焦斑尺寸由电子光学器件和那些光学器件将电子束向下聚焦到点的能力来决定。源焦斑尺寸通常约为50-200微米(μm)，具有良好的电子光学器件；虽然在其他示例中，当功率是更重要的品质因数时，X射线源焦斑尺寸可以是1-5毫米(mm)。对于透射靶X射线源，几个微米的焦斑尺寸是常见的，诸如1μm至5μm等。事实上，一些发射源具有低至150纳米(nm)的焦斑尺寸。在任何情况下，X射线源尺寸通常将限制X射线投影显微镜的分辨率。

对于许多显微镜学应用，通常使用透射靶X射线源。在X射线管的基本配置中，热电子或场发射电子器件在真空管中的阴极(细丝)处产生并且加速到阳极(形成由不同的静电和(电-)磁性光学元件整形的电子束)。例如，磁性透镜通常在铁极片内部使用铜线的线圈。通过线圈的电流在极片的孔中产生磁场。静电透镜采用带电电介质来产生静电场。然后电子束在其背侧面撞击通常较薄的靶，常见的靶料例如为钨、铜和铬。然后，使用从靶的前侧面发射的X射线照射物体。

发明内容

在透射(或反射)靶X射线源的操作过程中，必须从靶中去除热量。并且，热量过大，因为只有非常小百分比的电子束的能量被转换成X射线。

从靶本身去除热量通常是通过朝向靶的水冷或空气冷散热器的热传导来完成的。对于透射靶本身，使用具有低X射线吸收率(低-Z)的材料，如金刚石或铍，其也是良好的热导体。在将热量从X射线燃烧点移开之后，更便宜且更方便的材料被用于朝向冷却构件的热传导，如铜。

然而，应当最大化热传导，尤其是对于高性能X射线源。通常，至散热器的较短热路径是可取的。此外，应当避免穿过源的其他结构元件(如磁性透镜轭)传导热量，因为它导致这些部件的热漂移并且因此导致X射线焦斑位置漂移或不稳定性。此外，调节产生的X射线输出还涉及靶电流的测量，这需要(热)靶的电隔离。

本方法可以包括若干创新。首先，X射线靶可以结合到小的、圆筒形的、电隔离且导热的“筒”。“筒”包括两个铜“圆筒”、飞行管接口环和靶筒管，它们结合到薄的、分开的金刚石绝缘环的每一侧。这允许优异的热传导同时保持电隔离。

进一步地，筒或靶组件被附接到特殊的液冷的飞行管组件，飞行管组件将液体冷却剂(诸如水等)带到非常靠近筒。飞行管组件的示例包括三壁管，其直径也类似于X射线靶的直径。内壁充当真空与冷却液之间的屏障；外壁充当冷却液与环境空气之间的屏障，并且中间壁或挡板充当流入冷却液与流出冷却液之间的屏障。在飞行管组件的基部处的歧管允许冷却液的供应和回流。因此，冷却液体从飞行管组件的基部一直流动至远端，在远端处靶“筒”被结合，从最小化X射线靶与冷却液体之间的热路径的长度。优选地，飞行管组件和靶组件的直径具有与X射线靶本身类似的尺寸，并且全部都足够小以适配在环形磁性透镜轭的内部。因此，它使X射线靶元件与磁性聚焦透镜和其他转向和整形单元热地和机械地分离。此外，磁性透镜轭或其他转向单元的任何部分都不需要暴露于真空，并且可以独立地对齐。

总体上，根据一个方面，本发明的特征是一种X射线源。它包括靶组件、电子发射器以及飞行管组件，靶组件包括靶，电子发射体器用于产生电子以撞击靶的，飞行管组件将靶组件与电子源分开并将冷却剂输送到靶组件。

在当前实施例中，靶是透射靶，但这些原理还可以应用于反射靶。

在实施例中，源进一步包括飞行管歧管，飞行管歧管用于将冷却剂供应至飞行管组件并且接收回流的冷却剂。

在一个示例中，飞行管组件包括内部飞行管、外部飞行管以及在内部飞行管与外部飞行管之间的挡板，挡板用于将冷却剂引导至飞行管组件的远端。

总体上，根据另一个方面，本发明的特征是一种用于冷却X射线源的靶的方法，方法包括使冷却剂流过飞行管组件到达靶，以及使从靶回流的冷却剂流过飞行管组件。

总体上，根据另一个方面，本发明的特征是一种用于X射线源的靶组件。组件包括靶、保持靶的筒管、用于接口连接(interfacing)到飞行管的接口环、以及位于筒管和接口环之间的隔离环。

总体上，根据另一个方面，本发明的特征是一种X射线源，X射线源包括靶组件、高压发生器、飞行管组件、磁性聚焦透镜以及束转向和整形系统，靶组件包括靶，电子源用于产生撞击靶的电子，高压发生器用于加速电子，飞行管组件将靶组件与电子源分开，束转向和整形系统嵌套在磁性聚焦透镜与飞行管组件之间。

束转向和整形系统可以包括位于飞行管组件与磁性聚焦透镜的轭之间的至少一个转向/整形单元。转向/整形单元可以包括至少八个线圈。

总体上，根据另一个方面，本发明的特征是一种X射线源，X射线源包括靶组件、电子源、飞行管组件、磁性聚焦透镜以及束转向和整形系统，靶组件包括靶，电子源用于产生电子束，飞行管组件将靶组件与电子源分开，磁性聚焦透镜用于将电子束聚焦在靶上，束转向和整形系统具有独立控制的线圈以用于对电子束进行转向和整形。

总体上，根据另一个方面，本发明的特征是一种用于操作X射线源的方法，方法包括产生电子束并且将束引导至靶以产生X射线，并且在待机模式中引导电子束避开靶以抑制在靶处产生X射线。

现在将参考附图更具体地描述本发明的以上和其他特征，特征包括各种新颖的构造细节和部件结合、以及其他优点，并且在权利要求中指出。将理解的是，体现本发明的特定方法和设备是通过说明的方式示出的，而不是作为本发明的限制。在不脱离本发明的保护范围的情况下，本发明的原理和特征可以用在各种和许多实施例中。

附图说明

在附图中，贯穿不同视图附图标记指代相同部分。附图不一定按比例绘制，而是将重点放在说明本发明的原理上。在附图中：

图1是根据本发明的X射线源的示意性剖视图；

图2是示出了飞行管组件400、歧管150和飞行管孔口组件142的比例透视图；

图3是飞行管组件和其与歧管150的接口的分解透视图。飞行管组件400显示为分解；

图4是示出了飞行管组件400的远端及其与靶组件500的接口的比例正剖视图；

图5是靶组件500的比例正剖视图；

图6是示出了束转向和整形系统600和围绕飞行管组件400的磁性聚焦透镜700的侧剖视图；以及

图7是示出了向束转向和整形系统600提供单独的线圈控制的束转向驱动器224的示意图。

具体实施方式

现在将参考附图在下文中更全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的说明性实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式体现，并且不应被解释为局限于本文所阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本公开将是深入的和完整的，并且将本发明的范围充分地表达给本领域技术人员。

如在本文使用的，术语“和/或”包括相关联的列出项目中的一个或更多个的任何和所有组合。而且，所使用的所有连词应在可能的最包容性的意义上进行理解。因此，词语“或”应被理解为具有逻辑“或”的定义，而不是逻辑“排他或”的定义，除非上下文另有明确要求。此外，单数形式和冠词“一(a)”、“一(an)”和“该(the)”旨在也包括复数形式，除非另外明确地陈述。还需要理解的是，当在本说明书中使用时，术语：包括(includes)、包括(comprises)、包括(including)和/或包括(comprising)指明所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组合的存在或添加。进一步，将理解的是，当包括组件或子系统的元件被提及和/或示出为连接或耦接到另一元件时，其可直接连接或耦接到另一元件，或者可存在中间元件。

将理解的是，虽然在本文使用诸如“第一”和“第二”的术语来描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区分开。因此，在不背离本发明的教导的情况下，下面讨论的元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件。

除非另外定义，在本文使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。将进一步理解的是，术语(诸如在通常使用的词典中定义的那些)应被解释为具有与它们在相关领域的背景下的含义一致的含义，并且将不以理想化或过于正式的意义来解释，除非本文中明确如此定义。

图1是已经根据本发明的原理构造的X射线源100的示意性剖视图。

图示的实施例是“透射靶”源。电子束B撞击靶组件500的靶，并且从靶的相对侧发射的X射线用于照射物体。也就是说，以下创新的许多方面同样适用于其他X射线管源配置，包括侧窗、旋转阳极和金属射流阳极。

总体上，X射线源包括真空容器112和被布置在真空容器内的油容器114。优选地，真空容器112是金属，诸如铝或不锈钢等，以得到抵抗真空的强度。油容器114优选地由非导电材料(诸如陶瓷等，例如烧结氧化铝)构成，从而提供电绝缘以防止对其包括的高压部件产生电弧。

真空发生器118用于在真空容器112上抽吸和/或维持真空。在一个示例中，使用离子泵。

热交换器119布置在油容器内。为此目的，板式热交换器可以用于将热能(热量)从油中去除到冷却剂，诸如循环通过交换器的水等。一些实施例进一步使用潜油泵121来使油在油容器114内循环。在优选实施例中，循环器152用于使冷却剂流动经过热交换器119并从油中带走热量。

总体上，真空容器112限定了体积排空区域，电子束B穿过体积排空区域从电子发射器126(细丝或阴极)传播至靶组件500所保持的靶，电子发射器126典型地位于油容器114的远端附近。排空区域还优选地围绕油容器的至少一部分，油容器包含高压部件以提供高压绝缘。

系统控制器200位于两个容器112、114外部。系统控制器200包含主控制器和与外部设备的数据接口。系统控制器200还包括用于连接到主电源的电源。此外，系统控制器200控制真空发生器118和循环器152。

高压发生器116位于油容器114中。高压发生器116的基座位于油容器114的近侧，从而允许其接收来自系统控制器200的电力。高压发生器116浸入油容器114中容纳的油中进行热控制和高压绝缘。油主要用于使发生器116相对较小。然而，发生器116也可以被封装。向远侧移动的高压发生器116通过油和真空容器112的周围真空进一步与环境电隔离。

在当前示例中，高压发生器116产生负20-160kV的加速电压并且为枪控制器300供电，枪控制器300控制电子源(发射器或细丝)等。高压发生器将整个枪控制器偏置到这个大的负电压，使得所产生的电子将加速朝向更小的负电压并接地。

内部容器120位于高压发生器116的远端的远侧。内部容器120浸入油容器114的油中。在当前的实施例中，内部容器优选地由金属(诸如铝和软铁等)构成。它还填充有油，这有助于传递来自电子器件的热量以及来自源线圈的热量，这将在以后解释。

枪控制器300容纳在内部容器120内，内部容器还用作法拉第笼以电保护控制器300。枪控制器300驱动电子发射器并提供对电子发射器、束生成、调节和转向的控制。

电子发射器(例如，细丝)126被保持在细丝支座124中。在当前示例中，电子发射器126包含六硼化镧(LaB6)晶体和碳加热棒。电子发射器126突出到真空容器的真空中以用作热电子源或电子发射器(阴极)。其他配置也是可能的，诸如钨(W)、六硼化铈(CeB6)、混合光纤同轴电缆(HfC)和碳纳米管细丝。

真空馈通件122通过包含在油容器114中的油在真空馈通件的外壁与内部容器120中的枪控制器300之间提供电连接。

抑制电极或韦乃特罩(Wehnelt cap)127安装到细丝支座124的远侧并且覆盖细丝126。从细丝126发射的电子穿过抑制电极127的中心孔口。抑制电极127的电压由枪控制器300控制。

保护场罩138具有大致钟形形状，在电子发射器126及其细丝支座124上延伸，并且缠绕回到油容器114的远端。保护场罩138的远端承载第一或提取式阳极140。第一阳极的电压以及罩的电压由枪控制器300控制，以加速发射的电子进入束B中并通过第一阳极140的中心孔口141。由此，在操作中，电子束穿过第一阳极140的中心孔口141。

然而，第一阳极不是必需的。系统还可以被设计为不具有第一阳极，并且依赖于其他手段来加速电子。

束B被引导穿过真空容器112的远端壁中的飞行管孔口组件142的孔口。飞行管孔口组件用作第二阳极并且当前保持在接地电位143。因此，随着枪控制器被偏置到大的负电压，电子在第一阳极140与飞行管组件142之间的间隙中被进一步加速。

另一方面，在其他实施例中，飞行管孔口组件142通过绝缘垫圈(诸如金刚石等)与真空容器112电隔离。并且，添加电压发生器以向飞行管孔口组件提供受控的电位。在此配置中，系统控制器200还控制此第二阳极的电压，以便提供对电子束B的进一步控制(诸如，进一步加速)。飞行管组件400将真空延伸至其靶处的靶组件500。飞行管歧管150利用来自循环器152的冷却剂(例如水)穿过飞行管组件壁向靶组件提供液冷。

沿着飞行管组件400布置飞行管束转向和整形系统600以调节电子束并且将束导引至靶上的任意位置。这是由飞行管组件400与束转向和整形系统600完成的，束转向和整形系统将电子束B以所希望的角度和位置引导穿过磁性聚焦透镜700。一般而言，当操作期间消耗靶时，束转向将焦斑定位在靶的不同位置上。

进一步沿着飞行管组件400布置磁性聚焦透镜700以将束B聚焦于靶上。

优选地，飞行管束转向和整形系统600与磁性聚焦透镜700两者均由从循环器152循环并且由系统控制器200控制的冷却剂冷却。

一组源线圈132N、132S(未示出(在像平面之前和之后)：132E、132W)和它们的相应的芯部134N、134S(未示出：134E和134W)与油容器114、枪控制器内部容器120和保护场罩138成一体。线圈位于真空容器的真空外部。在一个示例中，它们可位于暴露于环境大气的真空容器的外壁上。在图示的示例中，源线圈132N、132S、132E、132W位于油容器中并且因此被包含的油有效地冷却，尽管替代地线圈可以被封装。

更一般地，可以用封装材料或任何其他高压兼容的冷却材料替换油，例如西格玛奥德里奇公司(Sigma Aldrich)的Fr-77、3M的Sf6–Novec 4710或C3F7CN。

更详细地，两个源线圈132N、132S通常位于细丝126的上方和下方。两个附加源线圈132E、132W分别位于图的平面的下方和上方的另外两个轴线上。北极片130N和南极片130S分别从源线圈132N、132S的芯部134N和134S延伸，缠绕保护场罩138的内侧，从而分别会聚到第一阳极140的中心孔口141上方和下方。并且，在类似的脉络中，东极片130E和西极片130W(分别在图的平面的下方和上方的其他两个轴线处)从源线圈132E、132W的芯部134E和134W延伸，也缠绕保护场罩138的内侧，从而分别会聚到中央端口141的左侧和右侧，由此在真空中形成围绕发射器的磁路。

极片130N、130S、130E和130W可以机械地连接到发射极区域中的几乎任何东西。因此，尽管在所示实施例中它们由保护场罩所承载，但它们不需要直接连接。也就是说，在当前示例中，极片130N、130S、130E和130W连接到保护罩，保护罩在电力上处于第一阳极140的电位。

环形、圆环状轭135位于芯部134N、134S、134E和134W的近侧上，并且被制造为容器120的一部分以改进磁路。事实上，在当前实施例中，内部容器120的远端是软铁，并且由此通过在芯部之间导引磁通量来完成磁路。

在优选实施例中，通过可磁化或铁磁性壁插接件136N、136S、136E、136W进一步改进了用于源线圈132N、132S、132E、132W的磁路。这些壁插接件插入形成在油容器114中的孔中，这些孔与对应的芯部134N、134S、134E和134W的远端相对。这改善了通过电路的磁通量。具体地，插接件使线圈芯部134N、134S、134E和134W与相应极件130N、130S、130E和130W之间的间隙最小化。

可能地，插接件136N、136S、136E、136W插入先前钻入陶瓷油容器114中的孔中。相同的替代方案可以通过将镍钴亚铁合金或软铁插接件焊接到不锈钢真空容器112的预钻孔中来完成。其他组合也是可能的。

在当前实施例中，源线圈132N、132S、132E、132W由枪控制器300以电流控制模式驱动及操作。反馈是通过系统控制器200测量穿过“阳极孔口”到达靶上的束量而间接获得的，系统控制器将这个信息提供给枪控制器。源线圈由枪控制器300控制，进而在源线圈附近转向电子束，且特别地在细丝126与第一阳极140之间的间隙中转向电子束，从而在电子束最初被加速时转向电子束。

图2示出了飞行管组件400及其与歧管150的接口以及飞行管孔口组件142。

飞行管组件400和靶组件500的总的直径在它们的直径上被确定尺寸为适配在飞行管束转向和整形系统600以及磁性聚焦透镜700的轭的内部。因此，它使X射线靶与磁性聚焦透镜700以及束转向和整形系统600热地和机械地分离。

更详细地，飞行管孔口组件142附接至盘状飞行管歧管150的近侧。飞行管孔口组件142的这些中心孔口143提供电子束进入飞行管组件400要穿过的端口。在接地电位下，飞行管孔口组件142还用作第二阳极，以进一步加速第一阳极140和飞行管的起端之间的电子束。

歧管150的近侧经由一组定位销158固定到真空容器的远侧并且提供真空密封。循环器152经由冷却剂供应管154将冷却剂供应至歧管150，冷却剂供应管154围绕歧管150的周边接口连接。类似地，冷却剂回流管156还沿着歧管的外周边连接以将冷却剂循环回到循环器152(图1)。飞行管组件400从歧管150轴向地突出，其中飞行管组件400由靶组件500(未示出)罩住。

对于飞行管组件400的这种构造，存在从飞行管孔口组件142至靶组件500的连续管状路径，延伸穿过束转向和整形系统600和磁性聚焦透镜700。连接没有被任何可能被高温损坏的部件(诸如O形环等)中断。反而，飞行管组件400是由通过焊接、铜焊和/或锡焊形成的耐高温接头构成的连续金属组件。此外，歧管150使用铜垫圈连接，铜垫圈也可烘烤至高温。

图3示出了分解的飞行管组件。

飞行管组件400通常包括三层金属管构造。内部飞行管414的内孔经由飞行管孔口143与真空容器的真空连通。因此，它提供了通向靶组件500的靶的排空路径，靶组件位于内部飞行管414的远端处。

管形冷却挡板412以同心的方式定位在内部飞行管414与外部飞行管410之间。一般而言，冷却挡板412的近端的外周边通过歧管150与冷却剂回流管156连通。另一方面，冷却挡板的近端的内周边通过歧管150与冷却剂供应管154连通。

外部飞行管410、管形冷却挡板412、内部飞行管414中的每一个均由非铁磁性金属构造。目前，非铁磁性金属是铜，因为铜的优异的热性能以及易于铜焊和锡焊。

图4是示出了飞行管组件400的远端及其与靶组件500的接口的剖视图。示出了如何在内部飞行管414的外壁与冷却挡板412的内壁之间形成供应通道402以及在冷却挡板412的外壁与外部飞行管410的内壁之间形成回流通道404。环形垫片416将挡板412的远端与外管410的内壁隔开。垫片包括轴向孔以允许冷却剂流过回流通道404。

然而，在其他示例中，流动可以反向，其中通道402是回流通道并且404是供应通道。

在任一情况下，飞行管组件400的直接液冷确保其温度甚至在长时间的操作期间保持稳定。避免热导致尺寸变化，从而防止电子束聚焦位置的变化。

飞行管端盖420与内部飞行管414是一体的或铜焊到内部飞行管414。端盖420还优选地是铜并且抵靠外部飞行管410的远端和内部飞行管414而密封。更详细地，外部飞行管410的远端具有环形台肩部422。飞行管端盖420的外周边适配到这个台肩部中并且抵靠外部飞行管410产生流体密封。同时，内部飞行管414与飞行管端盖420的近端面形成真空密封。此外，内部飞行管414的内孔与延伸穿过端盖420及其颈部424的电子束端口426对齐。

冷却挡板412在远侧方向上终止于外部飞行管410和内部飞行管414的端部之前。这限定了在冷却挡板412的远端412E与飞行管端盖420的近端面之间的间隙418，以提供供应通道402与回流通道404之间的流体连通。

这种构造还影响真空质量。由于真空区域由延伸到飞行管端盖420的内部飞行管414的内孔和由金属部件构造的整个飞行管组件400来限定，因此整个组件可以被烘制以烧掉杂质，否则杂质会放气并损害真空。

这种构造的另一个特征是飞行管孔口组件142与歧管150之间的紧密机械连接。飞行管孔口组件142在操作期间易受加热影响。避开束限定中心孔口的电子将加热飞行管孔口组件142自身。这导致孔口组件142的加热。然而，在飞行管孔口组件142中产生的热量传递至歧管150，在歧管150处，通过流过歧管的冷却剂去除热量。

此外，在待机操作模式中也产生热量。根据第一选项，控制源线圈132N、132S、132E、132W，使得束被引导至飞行管孔口组件142的主体中，从而使束避开孔口143。因此，飞行管孔口组件用作束收集器。另一个选项是使用束转向和整形系统600来将束弯曲到飞行管组件400的内部飞行管414的内壁中，从而用作束收集器。

此待机模式有用的是在中断靶处的x射线生成的同时仍保持与生成电子束相关联的部件可操作。当采用这两个选项中的任一个时，通过冷却剂有效地去除所产生的热量。当飞行管孔口组件用作束收集器时，飞行管孔口组件142的加热传递至歧管150并且通过流过歧管的冷却剂来去除。当飞行管组件400用作束收集器时，由在飞行管组件中流动的冷却剂去除热量。由此，由于任一束收集器的主动冷却，可无限地维持待机模式。

图5是靶组件500的比例正剖视图。

靶组件500包括飞行管接口环510，飞行管接口环510具有抵靠飞行管端盖420的远侧密封的近侧面511。飞行管接口环510的内孔516与端盖420(图3)的电子束端口426真空连通。

靶筒管520包括筒管喉部526，筒管喉部526突出到飞行管接口环510的内孔516中。从喉部526向外突出的环形筒管鞍部524形成抵靠飞行管接口环510的远端的座。由非导电材料(诸如金刚石等)构成的电隔离环530位于筒管鞍部524与飞行管接口环510的远端之间，飞行管接口环510为隔离环530提供座并且电隔离靶筒管520。同时，金刚石隔离环530是导热的，从而在靶552与冷却贮存器/散热器之间产生良好的热连接。

靶筒管520的远端的特征在于筒管口522。靶550被同心地密封在口部522中。

通常，靶包括衬底层554和靶金属层552，衬底层554提供靶的主体，靶金属层552位于靶的远侧，靶金属层552用于当被沿着光轴AO的电子束B轰击时产生X射线。通常，金属层552是或是含有W、Cu、Cr、Fe或Ag的合金。

图6是示出了飞行管组件400和靶组件以及围绕飞行管组件400的束转向和整形系统600以及磁性聚焦透镜700的侧剖视图。

就歧管150而言，供应端口155还穿过歧管的本体形成并且将供应管线154耦接到冷却挡板412的近端的内周边，使得冷却剂被供应到飞行管组件400。回流端口157穿过歧管的主体形成并耦接回流管线156，使得从冷却挡板412的近端的外周边接收冷却剂。束转向和整形系统600围绕飞行管组件400的近端，但是位于歧管150的远侧。在当前实施例中，束转向和整形系统600包括第一转向/整形单元610和第二转向/整形单元620。转向/整形单元是环形结构，其中飞行管组件400同心地通过单元610、620中的每一个。

优选地，单元610、620中的每一个包括八极布置，即，围绕飞行管组件400以45度增量等距间隔分布的八个线圈。当前，通过用于每个单元的外部铁磁环612、622来促进磁路。另外，每个线圈优选地具有铁磁芯，尽管在一些实施例中，线圈具有空气芯部。

第一转向/整形单元610和第二转向/整形单元620由系统控制器200控制以光学地调节电子束B并控制束在靶上撞击的位置。具体地，两个单元允许系统控制器200校正电子束B的横截面轮廓中的较高阶像差(即，像散)。

磁性聚焦透镜700围绕束转向和整形系统600。更详细地，聚焦线圈710在远侧方向上与第一转向/整形单元610的至少一部分和所有第二转向/整形单元620重叠。

聚焦线圈710缠绕在聚焦轭720周围。通常，聚焦轭720具有围绕由电子束B限定的轴线圆对称的大致“U”形轮廓。

更详细地，轭外部本体722还用作散热器。环形轭冷却管道725延伸穿过轭外部本体的外周边部分。冷却剂(诸如水等)循环穿过冷却管道725以去除热量。

轭桥724是在磁性聚焦透镜700的近端处从轭外部本体722向内延伸的环形部分。

轭内部本体726开始于轭桥724的内端处并且向远侧突出。轭内部本体726在束转向和整形系统600上开始并且然后随着它朝向靶组件500向远侧移动而朝向飞行管组件400的外侧会聚。以此方式，轭桥724引导由大的聚焦线圈710产生的磁场，并将该磁场引导至靶组件500附近的束B。聚焦轭720的磁极尖端728表示轭内部主体726的端部，磁极尖端728恰好终止于靶组件500的近侧。

轭罩730封闭磁路。轭罩730是环形的，同心地围绕靶组件500缠绕。在轭罩的外边缘处，罩与轭外部本体722的远端匹配并且从轭外部本体722的远端朝向靶组件500和磁极尖端728的远端向内突出。在磁极尖端728的远端与轭罩730的内端之间存在气隙732。气隙732确保通过轭和罩的通量泄漏到电子束B的路径中，在电子束B撞击靶以聚焦束。

图7是示出了束转向驱动器224以及束转向和整形系统600的示意图。

第一转向/整形单元610和第二转向/整形单元620的控制由系统控制器200的数字处理器210执行。它具有对这两个单元610、620中的每一个的八个线圈1至8中的每一个线圈的单独控制。更详细地，束转向线圈驱动器224包括两组八个线圈驱动器。这些线圈驱动器使得系统控制器200的驱动器能够单独控制两个单元的每一个单元的每一个线圈中的电流。这种控制水平允许束B被转向和整形。

在当前实施例中，添加校准存储器630至印刷电路板632，十六个线圈安装在印刷电路板632上。从控制板读取和编程存储器630。存储器存储不同驱动器和线圈之间的映射以及这些线圈的极性。

虽然已经参考其优选实施例具体地示出和描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不脱离由所附权利要求包括的本发明的保护范围的情况下，可以在其中进行形式和细节上的各种改变。

相关申请

本申请涉及：

克劳斯·弗拉切内克(Claus Flachenecker)和托马斯·A·凯斯(ThomasA.Case)发明的与其同日提交的名称为“具有液冷源线圈的X射线源”的美国申请第17/238,785号，代理所卷号：0002.0085US1(2020ID00440)，现为美国专利公开第_____号；以及

Claus Flachenecker发明的与其同日提交的名称为“用于X射线发生器中的嵌入式电子器件的光纤通信”的美国申请第17/238,811号，代理所卷号：0002.0087US1(2020ID00446)，现为美国专利公开第_____号。

所有上述申请均通过引用以其整体并入本文。

Claims (30)

1.一种X射线源，包括：

靶组件，所述靶组件包括靶；

电子源，所述电子源用于产生撞击靶的电子；

高压发生器，所述高压发生器用于加速电子；以及

飞行管组件，所述飞行管组件将所述靶组件与所述电子源分开并且将冷却剂输送至所述靶组件。

2.根据权利要求1所述的源，进一步包括飞行管歧管，所述飞行管歧管用于将冷却剂供应至所述飞行管组件并且接收回流的冷却剂。

3.根据权利要求1所述的源，其中，所述飞行管组件包括：

内部飞行管，所述内部飞行管用于提供真空并且用于将所述电子束导向所述靶；

外部飞行管；以及

挡板，所述挡板位于所述内部飞行管与所述外部飞行管之间，所述挡板用于将冷却剂引导至所述飞行管组件的远端。

4.根据权利要求1所述的源，其中，所述靶组件包括：

飞行管接口环；

靶筒管；以及

电隔离环，所述电隔离环位于所述飞行管接口环与所述靶筒管之间。

5.根据权利要求4所述的源，其中，所述靶安装在所述靶筒管的口部中。

6.根据权利要求1所述的源，进一步包括位于外部飞行管与挡板之间的垫片。

7.根据权利要求1所述的源，其中，所述飞行管组件延伸穿过束转向系统和磁性聚焦透镜。

8.根据权利要求1所述的源，其中，所述靶是透射靶。

9.一种用于冷却X射线源的靶的方法，所述方法包括：

使冷却剂流过飞行管组件到达靶；以及

使从所述靶回流的所述冷却剂流过所述飞行管组件。

10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括用挡板将流向所述靶的冷却剂与从所述靶流出的冷却剂分开。

11.根据权利要求9所述的方法，进一步包括使所述冷却剂流过靶转向系统和磁性透镜。

12.根据权利要求9所述的方法，进一步包括将所述飞行管组件与保持所述靶的靶组件电隔离。

13.一种用于X射线源的靶组件，所述组件包括：

靶；

保持所述靶的筒管；

接口环，所述接口环用于与飞行管接口连接；以及

隔离环，所述隔离环位于所述筒管与所述接口环之间。

14.根据权利要求13所述的靶组件，其中，所述隔离环是电绝缘且导热的。

15.根据权利要求13所述的靶组件，其中，所述隔离环由金刚石制成。

16.根据权利要求13所述的靶组件，其中，所述飞行管的飞行管组件输送冷却剂。

17.一种X射线源，包括：

靶组件，所述靶组件包括靶；

电子源，所述电子源用于产生撞击靶的电子；

高压发生器，所述高压发生器用于加速电子；以及

飞行管组件，所述飞行管组件将所述靶组件与所述电子源分开；

磁性聚焦透镜；以及

束转向和整形系统，所述束转向和整形系统嵌套在所述磁性聚焦透镜与所述飞行管组件之间。

18.根据权利要求17所述的源，其中，所述束转向和整形系统包括至少一个转向/整形单元，所述至少一个转向/整形单元位于所述飞行管组件与所述磁性聚焦透镜的轭之间。

19.根据权利要求18所述的源，其中，所述转向/整形单元包括至少八个线圈。

20.根据权利要求17所述的源，其中，所述束转向和整形系统包括两个转向/整形单元，所述两个转向/整形单元位于所述飞行管组件与所述磁性聚焦透镜的轭之间。

21.根据权利要求20所述的源，其中，每个所述转向/整形单元包括八个线圈。

22.一种X射线源，包括：

靶组件，所述靶组件包括靶；

电子源，所述电子源用于产生电子束；

飞行管组件，所述飞行管组件将所述靶组件与所述电子源分开；

磁性聚焦透镜，所述磁性聚焦透镜用于将所述电子束聚焦到所述靶上；以及

束转向和整形系统，所述束转向和整形系统具有独立控制的线圈以用于转向和整形所述电子束。

23.根据权利要求22所述的源，其中，所述束转向和整形系统包括第一转向/整形单元和第二转向/整形单元。

24.根据权利要求22所述的源，其中，所述束转向和整形系统包括围绕所述飞行管组件间隔开的八个线圈的至少一个八极布置。

25.根据权利要求24所述的源，进一步包括用于所述线圈的至少一个外部铁磁环。

26.根据权利要求22所述的源，其中，所述束转向和整形系统由系统控制器控制以调节所述电子束。

27.根据权利要求26所述的源，其中，所述系统控制器进一步控制束在所述靶上撞击的位置。

28.根据权利要求26所述的源，其中，所述束转向和整形系统的所述线圈由系统控制器单独控制。

29.根据权利要求28所述的源，进一步包括用于驱动所述线圈的线圈驱动器组。

30.一种用于操作X射线源的方法，所述方法包括：

产生电子束并将所述电子束引导至靶以产生X射线；以及

在待机模式中，引导所述电子束进入冷却的束收集器并避开所述靶，以抑制在所述靶处产生X射线。

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