CN115241031A - X射线源 - Google Patents

Abstract

提供一种X射线源。电子束通常在其产生后在到靶的路径上被动态地操纵。该操纵由一个或更多个源线圈执行。这些线圈在真空容器外产生磁场，允许空气/水/油冷却以移除不期望的热量。然后，在具有极片的真空容器内部拾取磁场，并且朝着需要磁场的区域引导磁场以操纵电子束。

Description

X射线源

技术领域

本申请涉及一种X射线源，特别涉及一种具有液体冷却源线圈的X射线源。

背景技术

X射线由于其短波长和穿透目标的能力而被广泛地用于显微术中。典型地，X射线的最佳源是同步加速器，但是这些是昂贵的系统。因此，经常使用所谓的管或实验室X射线源，在其中产生的电子束轰击靶。所得的X射线包括由靶的组分和宽韧辐射确定的特征线。

对于X射线显微术系统存在几种基本配置。一些采用聚光器将X射线聚集到研究中的目标上和/或采用物镜以在与目标相互作用之后将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。一些显微术系统采用投影配置，在投影配置中，经常结合几何放大率来使用小X射线源焦斑来对目标成像。

性能并且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确定。源焦斑尺寸通常约为50至200微米(μm)，具有良好的电子光学性能；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至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，一些透射源具有低至150纳米(nm)的焦斑尺寸。在任何情况下，X射线源大小通常将限制X射线投影显微镜的分辨率。

对于许多显微术应用，经常使用透射靶X射线源。在X射线管的基本配置中，热电子或场发射电子在真空管中的阴极(丝状体)处产生并且加速到阳极(形成由不同的静电和(电)磁性光学元件成形的电子束)。例如，磁透镜经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。静电透镜采用带电的电介质来产生静电场。电子束然后在其背面撞击通常薄的靶，常见的靶材料例如为钨、铜和铬。然后，使用从靶的前侧发射的X射线来照射目标。

发明内容

在本配置中，“智能”枪控制器控制电子发射器和电子束的形成。为了改善热管理，油容器容纳发射器的高电压发生器和枪控制器。此外，在束被加速时，在束产生的地方执行初始操纵。该初始操纵由通常消耗非常少功率的源线圈执行。这种操纵确保电子束穿过作为阳极的一部分的孔口。

然而，在非常高的真空中，从源线圈排出的热量可能是个问题。线圈可能显著加热，引起线圈损坏并且由于加热的部件(线圈本身、线圈载体和从线圈吸收热量并且暴露于真空的任何其他部件)的放气而降低真空质量。此外，热负载将最可能改变电子光学器件，因为机械部件由于热膨胀而移动。因此，期望在真空内部产生磁场，靠近电子发射器，而没有任何与从线圈产生的热相关的问题。

解决方案是在真空容器外部产生磁场，允许空气/水/油冷却，以从源线圈移除所有不期望的热。然后，在具有极片的真空容器内部拾取磁场，并且朝向需要磁场的区域引导磁场，靠近电子发射器，诸如在阳极之前等，以操纵和控制电子束。两个极片组成极对。

典型地，对于靠近带电移动粒子束(诸如电子束等)的每个所期望的极对，在一个源线圈与一个极片之间将存在真空过渡。

可通过任何非磁性材料(诸如陶瓷或铝等)或弱磁材料(诸如不锈钢等)来实施磁性可穿透真空过渡。

总体上，根据一个方面，本发明的特征在于X射线源。该源包括真空容器、在真空容器中的靶、在真空容器中的电子源，该电子源用于产生电子以形成束，以撞击靶来产生X射线。最后，存在位于真空容器外部的源线圈，以用于在朝向靶的路径上、在电子发射器附近磁操纵束。

在实施例中，该X射线源进一步包括用于为该电子发射器供电的高电压发生器，以及位于真空容器中的油容器，该油容器容纳该高电压发生器。优选地，源线圈位于该油容器中。

此外，随着电子被加速，源线圈在电子发射器(丝状体)与阳极之间的区域中操纵和控制电子束。

可以在油容器添加磁性可穿透真空过渡壁插接件，以便将磁场从源线圈更好地传输到极片。

在实施例中，极片用于通过真空将来自源线圈的磁场引导至束。这些极片可以由保护场盖承载、至少部分地覆盖电子源。

在当前配置中，提供了飞行管组件，其中，靶被安装在该飞行管组件的端部处。磁聚焦透镜和/或飞行管操纵线圈围绕飞行管组件布置，用于将来自飞行管孔口的束引导并沿飞行管组件向下朝向靶。在一些实施例中，飞行管孔口可以是束限定孔口。

总体上，根据另一方面，本发明的特征在于一种X射线源，该X射线源包括真空容器、在该真空容器中的靶、在该真空容器中的电子源、用于为该源供电的高电压发生器以及在该真空容器中的油容器，该电子源用于产生电子以形成束，以撞击靶来产生X射线。枪控制器控制电子发射器和电子束的形成。为了改善热管理，油容器容纳高电压发生器和枪控制器。

具有使用来自高电压发生器的变压器油介质并且还用于冷却源线圈和/或枪控制器的优点。

优选地，布置在油容器内的是热交换器。目前，水流过热交换器以移除热量，但当然可以使用其他液体冷却剂。一些实施例可以包含潜油泵以允许油在油容器内流动。

在优选实施例中，循环器用于该热交换器并且用于冷却其他部件。

本发明的以上和其他特征现在将参考附图更具体地描述并且在权利要求中指出，以上和其他特征包括各种新颖的构造细节和部件结合以及其他优点。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，附图标记贯穿不同视图指代相同部分。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射线源的示意性截面图。

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透彻且完整的，并且将本发明的保护范围充分地传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以及所有组合。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“一个(a)”、“一个(an)”和“该(the)”旨在也包括复数形式，除非另外明确地陈述。还应当理解，当在本说明书中使用时，术语：包括(include)、包括(comprise)、包括(including)和/或包括(comprising)指定所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或添加。进一步，将理解，当包括部件或子系统的元件被指代和/或示出为连接或耦合到另一元件时，其可直接连接或耦合到另一元件，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”等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，术语(诸如在通常使用的词典中定义的那些等)应被解释为具有与它们在相关领域的上下文中的含义一致的含义，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的示意性截面图。

所展示的实施例是“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X用于照射目标。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、旋转阳极和金属喷射阳极。

总体上，该X射线源包括真空容器112和被布置在该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，用于抵抗真空的强度。油容器114优选地由非导电材料(诸如陶瓷等，例如烧结的氧化铝)构造，提供电绝缘以防止电弧放电到其包含的高电压部件。

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。

布置在油容器内部的是热交换器119。为此目的，板式热交换器可以用于将热能(热量)从油移除到冷却剂，诸如移除到循环通过该交换器的水。一些实施例进一步采用潜油泵121来使油在油容器114内循环。在优选实施例中，循环器152用于使冷却剂流经热交换器119并从油带走热量。

通常，真空容器112限定体积抽空区域，电子束B从电子发射器126(丝状体或阴极)(通常位于油容器114的远端附近)传播穿过该体积抽空区域至由靶组件500固持的靶。该抽空区域还优选地围绕该油容器的至少一部分，该油容器包含高电压部件以提供高电压绝缘。

系统控制器200位于容器112和容器114两者外部。这包括主控制器和外部设备的数据接口。其还包括用于连接到主电力供应的电源。此外，其控制真空发生器118和循环器152。

高电压发生器116位于油容器114中。其基座位于油容器114的近侧，允许其从系统控制器200接收电力。高电压发生器116浸没在容纳在油容器114中的油中，用于热控制和高压绝缘。大多需要油来使发生器116相对较小。然而，发生器116也可以被灌装。向远侧移动，高电压发生器116通过油和围绕真空容器112的真空进一步与环境电隔离。

在当前示例中，高电压发生器116产生负20至160kV的加速电压并且为枪控制器300提供电力，除其他事项之外，该枪控制器控制电子源(发射器或丝状体)。高电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和地面。

内部容器120位于高电压发生器116的远端的远侧。将该内部容器120浸没在该油容器114的油中。在当前的实施例中，该内部容器优选地是由金属(诸如铝和软铁等)构造的。其还填充有油，这有助于来自电子器件的热量以及来自源线圈的热量的传递，这将在后文解释。

枪控制器300被容纳在内部容器120内，该内部容器120还用作法拉第笼以电气保护控制器300。其驱动电子发射器并提供对电子发射器、束生成、调节和操纵的控制。

电子发射器(例如，丝状体126)被保持在丝状体安装件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。其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W、CeB6、HfC和碳纳米管丝状体等。

真空馈通件122通过容纳在油容器114中的油，以在内部容器120中的枪控制器300和真空馈通件122的外壁之间提供电连接。

抑制电极或维纳尔盖(Wehnelt cap)127被安装到丝状体安装件124的远侧并且覆盖丝状体126。从丝状体126发射的电子穿过抑制电极127的中心孔口。其电压由枪控制器300控制。

保护场盖138具有大致钟形形状，在电子发射器126及其丝状体安装件124上方延伸，并且缠绕回油容器114的远端。其远端承载第一阳极或提取器阳极140。第一阳极的电压以及盖的电压由枪控制器300控制，以使发射的电子加速进入束B中并穿过第一阳极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该第一阳极，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。该飞行管孔口组件用作第二阳极并且当前固持在地电势143。由此，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利用绝缘垫圈(诸如金刚石等)与真空容器112电隔离。并且，电压发生器被添加以向飞行管孔口组件提供受控的电势。在此配置中，系统控制器200还控制此第二阳极的电压，以提供对电子束B的进一步控制，诸如进一步加速等。

飞行管组件400将真空延伸至靶组件500的靶处。飞行管歧管150利用来自循环器152的冷却剂(诸如水等)通过飞行管组件壁向靶组件提供液体冷却。

沿着飞行管组件400布置飞行管束操纵和成形系统600以调节电子束并且将该束引导至靶上的任意位置。这是由飞行管组件400和束操纵以及成形系统600完成的，该成形系统600将电子束B引导穿过所期望的角度和位置处的磁性聚焦透镜700。一般而言，在操作期间消耗靶时，束操纵将焦斑定位在靶的不同位置上。

沿着飞行管组件400进一步布置磁性聚焦透镜700以将束B聚焦在靶上。

优选地，飞行管束操纵和成形系统600以及磁性聚焦透镜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及它们的相应芯134N、134S(未示出)：134E和134W与油容器114、枪控制器内部容器120和保护场盖138集成。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。在示出的示例中，源线圈132N、132S、132E、132W位于油容器中并且由此被包含的油有效地冷却，但是线圈可以替代为封装。

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

更详细地，两个源线圈132N、132S通常位于丝状体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处。北极片130N及南极片130S分别从源线圈132N、132S的芯134N及134S延伸，围绕保护场盖138的内侧面缠绕，以分别会聚于第一阳极140的中心孔口141上方及下方。并且，在类似的脉络中，东极片130E及西极片130W(分别在图的平面的下方及上方的其他两个轴线处)从源线圈132E、132W的芯134E及134W延伸，也围绕保护场盖138的内侧面缠绕以分别会聚到中央端口141的左边和右边，由此在真空中形成围绕发射器的磁路。

极片130N、130S、130E和130W可以机械地连接至发射极区域中的几乎任何东西。由此，尽管在所示实施例中它们被保护场盖承载，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被连接到保护盖，该保护盖在电力上处于第一阳极140的电势。

环形、圆环轭135位于芯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，并且由此通过在芯之间引导磁通量来完成磁路。

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。这些壁插接件被插入形成在油容器114中的孔中，该孔与相应的芯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134N、134S、134E和134W与相应的极片130N、130S、130E和130W之间的间隙最小化。

可能地，插接件136N、136S、136E、136W被插入先前钻入陶瓷油容器114中的孔中。相同的可替代方案可以通过将镍钴亚铁合金或软铁塞焊接到不锈钢真空室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”至靶上的束量而间接获得的，该系统控制器200将该信息提供给枪控制器。源线圈由枪控制器300控制，枪控制器300在电子束的源附近操纵电子束，且特别地在丝状体126与第一阳极140之间的间隙中操纵电子束，由此在电子束最初被加速时操纵电子束。

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：

与本申请同日提交的、名称为“用于液体冷却分离的X射线透射靶的方法和系统”的、由克劳斯·弗拉切内克(Claus Flachenecker)、布鲁斯·博彻斯(Bruce Borchers)和托马斯·A(ThomasA)发明的美国申请号：17/238,799。案件的代理人卷号：0002.0086US1(2020ID00442)，现为美国专利公开号：______；以及

与本申请同日提交的、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、由克劳斯·弗拉切内克发明的美国申请号：17/238,811，代理人卷号：0002.0087US1(2020ID00446)，现为美国专利公开号：________。

所有上述申请的全部内容通过引用并入本文。

Claims (19)

1.一种X射线源，包括：

真空容器；

电子发射器，所述电子发射器布置在所述真空容器中，用于产生电子以形成电子束，以撞击靶来产生X射线；

高电压发生器，所述高电压发生器用于加速所述电子；

枪控制器，所述枪控制器用于控制所述电子束的形成和所述电子发射器；以及

油容器，所述油容器在所述真空容器中，所述油容器容纳所述高电压发生器和所述枪控制器。

2.根据权利要求1所述的X射线源，进一步包括在所述油容器中的内部容器，所述内部容器容纳所述枪控制器。

3.根据权利要求2所述的X射线源，其中，所述内部容器填充有油。

4.根据权利要求1所述的X射线源，其中，所述电子发射器是丝状体。

5.根据权利要求1所述的X射线源，进一步包括在电子源上方的抑制电极。

6.根据权利要求5所述的X射线源，进一步包括在所述抑制电极上方的保护场盖。

7.根据权利要求1所述的X射线源，进一步包括用于加速来自所述电子发射器的所述电子的阳极。

8.根据权利要求7所述的X射线源，进一步包括电连接至所述阳极的保护场盖。

9.根据权利要求1所述的X射线源，进一步包括飞行管，其中，所述靶位于所述飞行管的端部处。

10.一种X射线源，包括：

真空容器；

电子发射器，所述电子发射器布置在所述真空容器内，用于产生电子；

阳极，所述阳极用于加速所述电子以形成电子束，以撞击靶来产生X射线；以及

源线圈，所述源线圈在所述真空容器的真空外，以用于在所述电子的加速过程中磁性地操纵所述电子束。

11.根据权利要求10所述的X射线源，进一步包括：

高电压发生器，所述高电压发生器用于产生电压以加速所述电子；以及

油容器，所述油容器在所述真空容器中，所述油容器容纳所述高电压发生器。

12.根据权利要求11所述的X射线源，其中，所述源线圈位于所述油容器中。

13.根据权利要求12所述的X射线源，进一步包括所述油容器中的壁插接件，以用于将磁场从所述源线圈传输至所述电子束。

14.根据权利要求11所述的X射线源，进一步包括用于移除来自所述油容器中的油的热量的热交换器。

15.根据权利要求11所述的X射线源，进一步包括用于使油在所述油容器中循环的潜油泵。

16.根据权利要求10所述的X射线源，进一步包括用于通过真空将所述磁场从所述线圈引导至所述电子束的极片。

17.根据权利要求16所述的X射线源，其中，所述极片由所述电子发射器上方的保护场盖承载。

18.根据权利要求10所述的X射线源，进一步包括飞行管组件，所述靶安装在所述飞行管组件的端部处，其中，所述线圈将所述电子束引导至所述飞行管组件。

19.根据权利要求16所述的X射线源，进一步包括飞行管孔口，其中，所述线圈引导所述电子束穿过所述孔口。

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