CN115841935A - 一种x射线源装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种X射线源装置，包括电子枪组件；电子枪组件内设置有电子源；电子源在第一高压元件作用下产生电子束，且第一高压元件使电子源处于负高压环境；磁偏转组件内安装有中心轴；中心轴外周面安装有线圈部；磁聚焦组件用于将电子束聚焦；旋转靶组件内设置有靶；永磁体在磁场作用下使靶旋转；靶在第二高压元件的作用下处于正高压环境；电子束贯穿中心轴及磁聚焦组件并照射在靶上；靶将电子束反射并从铍窗射出。本发明通过将电子源和靶分别处于负高压环境和正高压环境，使电子束加速远离电子源并朝向靶移动，提高了管电压的上限，降低了管靶被击穿的风险，使射线管能穿过更厚的样品进行成像，大大延长了射线管的寿命。

Description

一种X射线源装置

技术领域

本发明涉及电子发射技术领域，特别是涉及一种X射线源装置。

背景技术

X射线是高速运动的电子在与物质相互作用中产生的。在X射线管中，从阴极发射的电子，经阴极、阳极间的电场加速后，轰击X射线管靶，将其动能传递给靶上的原子。其中约有1%左右的能量转化为X射线，并从X射线照射窗中射出。阴极发射的电子会被聚焦到靶上的一个点，称为X射线焦点；源所发出的X射线均从X射线焦点以一个特定的发射角射出，应用于工业或科研无损检测/成像之中。

在无损检测中，X射线通过样品，之后由X射线相机等探测器进行成像。由于X射线对于样品内不同结构、材料穿透能力的不同，其内部结构就可以被X射线相机所采集并在电脑上呈现。通常，较密集或厚的材料以及包含有高比例的原子序数的原子或离子会相对较大程度地阻碍X射线的通过，导致成像不清晰。

较高的管电压可以发出较高能量的X射线光子，能够穿透较厚的样品。所以管电压越高，X射线的穿透能力越强。X射线线源的焦点尺寸越小，图像的分辨率越高，图片也越清晰。管电流越大，单位时间内照射到样品上的X射线光子就越多；成像的信噪比越好，所需的曝光时间也越短。

综上所述，样品厚可以考虑调高管电压；样品的结构精细可以选择较小的焦点尺寸；希望缩短成像时间，则可以尝试增加管电流。但事实情况不总是如此理想。为了图像的质量（分辨率和信噪比），我们经常需要选择较小的焦点尺寸和较高的管电流。但若是要增加管电压，聚焦在焦点上的功率（功率=管电流×管电压）会增强，而且聚集在尺寸很小的焦点上，过高的能量非常容易打坏产生X射线的管靶，这导致我们在保证图像质量的难以同时兼顾厚样品成像所需要的穿透能力。

因此，亟需设计一种X射线源装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种X射线源装置，以解决上述现有技术存在的问题，能够通过双端高压的方式，提高了管电压的上限，降低了管靶被击穿的风险，结合了旋转靶材的使用，大大延长了射线管的寿命，结构上也便于更换靶材和灯丝等耗材，搭配晶体光栅的高性能线阵探测器更是让曲面效应以及射线散射现象等得到根本解决。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种X射线源装置，包括电子枪组件；所述电子枪组件内设置有电子源；所述电子源在第一高压元件作用下产生电子束，且所述第一高压元件使所述电子源处于负高压环境；

磁偏转组件；所述磁偏转组件内安装有中心轴；所述中心轴外周面安装有线圈部，所述线圈部用于实现所述电子束偏移；

磁聚焦组件；所述磁聚焦组件用于将所述电子束聚焦；

旋转靶组件；所述旋转靶组件内设置有靶；所述靶与永磁体同轴设置；所述永磁体在磁场作用下使所述靶旋转；所述靶在第二高压元件的作用下处于正高压环境；

所述电子束贯穿所述中心轴及磁聚焦组件并照射在所述靶上；所述靶将所述电子束反射并从铍窗射出。

所述电子枪组件包括金属外环；所述金属外环一侧端面安装有所述磁偏转组件；所述金属外环另一侧端面固定安装有第一绝缘元件，且所述第一绝缘元件伸入所述金属外环内且固定安装有所述电子源；所述第一绝缘元件中心开设有通孔，所述第一高压元件贯穿所述通孔且与所述电子源相互作用；

所述金属外环侧壁还安装有泵组，所述泵组用于提供真空环境。

所述电子源内的灯丝为钨丝、六硼化镧或六硼化铈。

所述第一高压元件提供相对于所述金属外环内腔不高于-160KV的电势差；所述金属外环接地；

所述金属外环内腔保持不低于10^-4Pa的真空度。

所述磁偏转组件包括盖板和磁偏转外环；所述盖板与所述金属外环端面轴向密封；所述盖板上固定安装有所述线圈部；

所述中心轴中心开设有用于所述电子束通过的调节通道；所述中心轴一端密封安装在所述盖板中心；所述中心轴另一端密封安装在所述磁聚焦组件的内极靴内；

所述磁偏转外环上开设有通电接口，且所述磁偏转外环用于连接所述金属外环和内极靴；所述金属外环，磁偏转外环和内极靴还通过铰链连接。

所述线圈部包括固定安装在所述盖板上的线圈安装架；所述线圈安装架上等间距安装有若干组线圈；所述线圈外周面还设置有线圈外环。

所述磁聚焦组件还包括外极靴，聚焦线圈和光阑；所述外极靴与内极靴一体成型，且所述外极靴与内极靴内安装有所述聚焦线圈；所述外极靴与内极靴内形成有聚焦通道，所述聚焦通道一端与所述调节通道连通；所述聚焦通道另一端通过所述光阑与旋转靶组件连通。

所述外极靴通过中间板和L形板与所述旋转靶组件相连接；所述光阑一端密封安装在所述外极靴内，所述光阑另一端贯穿所述中间板且置于所述旋转靶组件内；所述L形板一端与所述外极靴侧壁固定连接；所述L形板另一端固定安装在所述中间板侧壁。

所述旋转靶组件包括靶室；所述靶室连接有所述中间板的侧壁开设有与所述聚焦通道连通的电子束通道；所述靶室外侧壁开设有用于安装电磁铁的安装槽；所述电磁铁与置于所述靶室内腔的所述永磁体相互作用产生磁场；所述靶为伞状结构，所述靶通过轴承安装在第二绝缘元件上；所述第二高压元件贯穿安装在所述第二绝缘元件中心开设的通孔；所述靶的伞状斜面与所述电子束位置对应，且将所述电子束反射至所述靶室侧壁设置的所述铍窗处。

所述第二高压元件提供相对于所述靶室内腔不低于+160KV的电势差。

本发明公开了以下技术效果：本发明通过设置电子源和真空腔室的壁之间具有高的负电势差，并且在真空腔室的壁和x射线靶之间具有高的正电势差，电子束不仅被加速远离电子源，而且朝向靶被加速。总的加速电势是源和靶之间的电势差，因此，降低了真空击穿的风险。

使射线管能穿过更厚的样品进行成像，结合了旋转靶材的使用，大大延长了射线管的寿命，结构上也便于更换靶材和灯丝等耗材，焦点可达到0.25μm，成像质量优越。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明整体结构示意图；

图2为电子枪组件示意图；

图3为磁偏转组件示意图；

图4为磁偏转组件端面结构示意图；

图5为磁聚焦组件与旋转靶组件示意图；

其中，1、电子枪组件；2、磁偏转组件；3、磁聚焦组件；4、旋转靶组件；101、金属外环；102、电子源；103、第一高压元件；104、第一绝缘元件；105、泵组；201、盖板；202、线圈安装架；203、线圈外环；204、中心轴；205、磁偏转外环；206、通电接口；207、线圈；208、铰链；301、聚焦线圈；302、内极靴；303、外极靴；304、光阑；401、中间板；402、L形板；403、靶室；404、铍窗；405、高压元件；406、绝缘元件；407、靶；408、永磁体；409、电磁铁；410、轴承。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种X射线源装置，包括电子枪组件1；电子枪组件1内设置有电子源102；电子源102在第一高压元件103作用下产生电子束，且第一高压元件103使电子源102处于负高压环境；

磁偏转组件2；磁偏转组件2内安装有中心轴204；中心轴204外周面安装有线圈部，线圈部用于实现电子束偏移；

磁聚焦组件3；磁聚焦组件3用于将电子束聚焦；

旋转靶组件4；旋转靶组件4内设置有靶407；靶与永磁体408同轴设置；永磁体408在磁场作用下使靶407旋转；靶407在第二高压元件405的作用下处于正高压环境；

电子束贯穿中心轴204及磁聚焦组件3并照射在靶407上；靶407将电子束反射并从铍窗404射出。

电子枪组件1包括金属外环101；金属外环101一侧端面安装有磁偏转组件2；金属外环101另一侧端面固定安装有第一绝缘元件104，且第一绝缘元件104伸入金属外环101内且固定安装有电子源102；第一绝缘元件104中心开设有通孔，第一高压元件103贯穿通孔且与电子源102相互作用；

金属外环101侧壁还安装有泵组105，泵组105用于提供真空环境。

电子源102内的灯丝为钨丝、六硼化镧或六硼化铈。

第一高压元件103提供相对于金属外环101内腔不高于-160KV的电势差；金属外环101接地；

金属外环101内腔保持不低于10^-4Pa的真空度。

在本发明的一个实施例中，金属外环101为不锈钢或铝合金材质，由于金属导电，故将金属外环101接地防止静电积累。

在本发明的一个实施例中，金属外环101外壁上留有泵组105的接口，金属外环101需在泵组105作用下实现10^-4Pa或更好的真空度，这是电子束必要的传输条件。

在本发明的一个实施例中，金属外环101留有第一高压元件103接口，与第一高压元件103保证留有足够距离，否则会出现高压“打火”现象；金属外环101留有安装磁偏转组件2的接口；金属外环101所有接口及内腔要求无毛刺。

在本发明的一个实施例中，电子源102根据不同的应用选择不同的发射材料，可在灯丝发射衰减后更换。

在本发明的一个实施例中，第一绝缘元件104做成略微渐缩的杆状穿过腔体，材料选用树脂、陶瓷等绝缘材料；第一高压元件103与第一绝缘元件104同轴，便于连接和分离，也可做成一个整体，高压线缆连接着高压电源。

磁偏转组件2包括盖板201和磁偏转外环205；盖板201与金属外环101端面轴向密封；盖板201上固定安装有线圈部；

中心轴204中心开设有用于电子束通过的调节通道；中心轴204一端密封安装在盖板201中心；中心轴204另一端密封安装在磁聚焦组件3的内极靴302内；

磁偏转外环205上开设有通电接口206，且磁偏转外环205用于连接金属外环101和内极靴302；金属外环101，磁偏转外环205和内极靴302还通过铰链208连接。

线圈部包括固定安装在盖板201上的线圈安装架202；线圈安装架202上等间距安装有若干组线圈207；线圈207外周面还设置有线圈外环203。

在本发明的一个实施例中，盖板201面向电子源102一侧的端面要求镜面无毛刺，这样不会造成高压打火以及电子的二次发射。

在本发明的一个实施例中，线圈207设置有4组且以十字分布环绕在安装架202上，线圈外环203起固定和调节线圈位置作用；中心轴204内孔为调节通道，连接着盖板201及磁聚焦组件3，通过径向密封的方式，保证调节通道的真空度要求。

在本发明的一个实施例中，磁偏转外环205用于金属外环101与内极靴302；磁偏转外环205上的接口206，用于控制线圈部的上的电压，达到电子束偏转的效果，追求最佳的成像效果。

在本发明的一个实施例中，同时铰链208连接着金属外环101、磁偏转外环205和内极靴302，可实现开合效果便于电子源102灯丝座的更换。

磁聚焦组件3还包括外极靴303，聚焦线圈301和光阑304；外极靴303与内极靴302一体成型，且外极靴303与内极靴302内安装有聚焦线圈301；外极靴303与内极靴302内形成有聚焦通道，聚焦通道一端与调节通道连通；聚焦通道另一端通过光阑304与旋转靶组件4连通。

外极靴303通过中间板401和L形板402与旋转靶组件4相连接；光阑304一端密封安装在外极靴303内，光阑304另一端贯穿中间板401且置于旋转靶组件4内；L形板402一端与外极靴303侧壁固定连接；L形板402另一端固定安装在中间板401侧壁。

在本发明的一个实施例中，聚焦线圈301通电后通过控制电压/电流调节磁场大小；

外极靴303与内极靴302一体成型，使用电工纯铁或坡莫合金材料制成，起到屏蔽磁场外漏的作用；

光阑304与外极靴303径向密封，保证聚焦通道的真空度，将电子束通过中间板401传递到靶室403。

在本发明的一个实施例中，外极靴303一侧设有倾斜斜面，自内极靴302朝向中间板401端部倾斜。

旋转靶组件4包括靶室403；靶室403连接有中间板401的侧壁开设有与聚焦通道连通的电子束通道；靶室403外侧壁开设有用于安装电磁铁409的安装槽；电磁铁409与置于靶室403内腔的永磁体408相互作用产生磁场；靶407为伞状结构，靶407通过轴承410安装在第二绝缘元件406上；第二高压元件405贯穿安装在第二绝缘元件406中心开设的通孔；靶407的伞状斜面与电子束位置对应，且将电子束反射至靶室403侧壁设置的铍窗404处。

第二高压元件405提供相对于靶室403内腔不低于+160KV的电势差。

在本发明的一个实施例中，靶室403由不锈钢或铝合金等其他金属材料制成，整个靶室403是导电的，靶室403接地以避免静电累积；靶室403留有第二高压元件405接口，且靶室403内腔与第二高压元件405保证留有足够距离，避免会出现高压“打火”现象；所述靶室403留有小孔，安装铍窗404；靶室403留有两处电磁铁409安装槽；靶室403所有接口包括腔内要求无毛刺；

在本发明的一个实施例中，第二高压元件405设置成相对于所述腔体提供至少+160kV的电势差；第二绝缘元件406做成略微渐缩的杆状穿过腔体，材料选用树脂、陶瓷等绝缘材料；高压线缆与第二绝缘元件406同轴，便于连接和分离，也可做成一个整体，高压线缆连接着高压电源。

通有高压的线缆插入第二绝缘元件406中，传递给靶407，电子束打到靶407上，靶407的材料为钨或钨合金，伞状，与中心开孔的永磁体408同轴设置形成成为一个整体；电磁铁409通电，在磁力作用下，靶407实现旋转功能，电子束打到旋转靶409上进行反射，最终X射线从铍窗404发射出去。

在本发明的一个实施例中，调节通道和聚焦通道内均为零电势。

在本发明的一个实施例中，从电子源102发射的电子，经调节通道和聚焦通道的电场加速后，轰击靶室403内的靶407，将其动能传递给靶407上的原子。

进一步的，由于增加管电压，聚焦在焦点上的功率（功率=管电流×管电压）会增强，而且聚集在尺寸很小的焦点上，过高的能量非常容易打坏产生X射线的管靶；因此在电子源102和调节通道真空腔室的壁之间具有高的负电势差，并且在聚焦通道真空腔室的壁和x射线靶407之间具有高的正电势差。在双端高压的效果下，电子束不仅被加速远离电子源102，而且朝向靶407被加速。总的加速电势是电子源102和靶407之间的电势差，与常规装置相比，该装置可以更小，也降低了真空击穿的风险。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种X射线源装置，其特征在于，包括：

电子枪组件（1）；所述电子枪组件（1）内设置有电子源（102）；所述电子源（102）在第一高压元件（103）作用下产生电子束，且所述第一高压元件（103）使所述电子源（102）处于负高压环境；

磁偏转组件（2）；所述磁偏转组件（2）内安装有中心轴（204）；所述中心轴（204）外周面安装有线圈部，所述线圈部用于实现所述电子束偏移；

磁聚焦组件（3）；所述磁聚焦组件（3）用于将所述电子束聚焦；

旋转靶组件（4）；所述旋转靶组件（4）内设置有靶（407）；所述靶与永磁体（408）同轴设置；所述永磁体（408）在磁场作用下使所述靶（407）旋转；所述靶（407）在第二高压元件（405）的作用下处于正高压环境；

所述电子束贯穿所述中心轴（204）及磁聚焦组件（3）并照射在所述靶（407）上；所述靶（407）将所述电子束反射并从铍窗（404）射出。

2.根据权利要求1所述的一种X射线源装置，其特征在于：所述电子枪组件（1）包括金属外环（101）；所述金属外环（101）一侧端面安装有所述磁偏转组件（2）；所述金属外环（101）另一侧端面固定安装有第一绝缘元件（104），且所述第一绝缘元件（104）伸入所述金属外环（101）内且固定安装有所述电子源（102）；所述第一绝缘元件（104）中心开设有通孔，所述第一高压元件（103）贯穿所述通孔且与所述电子源（102）相互作用；

所述金属外环（101）侧壁还安装有泵组（105），所述泵组（105）用于提供真空环境。

3.根据权利要求1所述的一种X射线源装置，其特征在于：所述电子源（102）内的灯丝为钨丝、六硼化镧或六硼化铈。

4.根据权利要求2所述的一种X射线源装置，其特征在于：所述第一高压元件（103）提供相对于所述金属外环（101）内腔不高于-160KV的电势差；所述金属外环（101）接地；

所述金属外环（101）内腔保持不低于10^-4Pa的真空度。

5.根据权利要求2所述的一种X射线源装置，其特征在于：所述磁偏转组件（2）包括盖板（201）和磁偏转外环（205）；所述盖板（201）与所述金属外环（101）端面轴向密封；所述盖板（201）上固定安装有所述线圈部；

所述中心轴（204）中心开设有用于所述电子束通过的调节通道；所述中心轴（204）一端密封安装在所述盖板（201）中心；所述中心轴（204）另一端密封安装在所述磁聚焦组件（3）的内极靴（302）内；

所述磁偏转外环（205）上开设有通电接口（206），且所述磁偏转外环（205）用于连接所述金属外环（101）和内极靴（302）；所述金属外环（101），磁偏转外环（205）和内极靴（302）还通过铰链（208）连接。

6.根据权利要求5所述的一种X射线源装置，其特征在于：所述线圈部包括固定安装在所述盖板（201）上的线圈安装架（202）；所述线圈安装架（202）上等间距安装有若干组线圈（207）；所述线圈（207）外周面还设置有线圈外环（203）。

7.根据权利要求5所述的一种X射线源装置，其特征在于：所述磁聚焦组件（3）还包括外极靴（303），聚焦线圈（301）和光阑（304）；所述外极靴（303）与内极靴（302）一体成型，且所述外极靴（303）与内极靴（302）内安装有所述聚焦线圈（301）；所述外极靴（303）与内极靴（302）内形成有聚焦通道，所述聚焦通道一端与所述调节通道连通；所述聚焦通道另一端通过所述光阑（304）与旋转靶组件（4）连通。

8.根据权利要求7所述的一种X射线源装置，其特征在于：所述外极靴（303）通过中间板（401）和L形板（402）与所述旋转靶组件（4）相连接；所述光阑（304）一端密封安装在所述外极靴（303）内，所述光阑（304）另一端贯穿所述中间板（401）且置于所述旋转靶组件（4）内；所述L形板（402）一端与所述外极靴（303）侧壁固定连接；所述L形板（402）另一端固定安装在所述中间板（401）侧壁。

9.根据权利要求8所述的一种X射线源装置，其特征在于：所述旋转靶组件（4）包括靶室（403）；所述靶室（403）连接有所述中间板（401）的侧壁开设有与所述聚焦通道连通的电子束通道；所述靶室（403）外侧壁开设有用于安装电磁铁（409）的安装槽；所述电磁铁（409）与置于所述靶室（403）内腔的所述永磁体（408）相互作用产生磁场；所述靶（407）为伞状结构，所述靶（407）通过轴承（410）安装在第二绝缘元件（406）上；所述第二高压元件（405）贯穿安装在所述第二绝缘元件（406）中心开设的通孔；所述靶（407）的伞状斜面与所述电子束位置对应，且将所述电子束反射至所述靶室（403）侧壁设置的所述铍窗（404）处。

10.根据权利要求9所述的一种X射线源装置，其特征在于：所述第二高压元件（405）提供相对于所述靶室（403）内腔不低于+160KV的电势差；所述靶室（403）接地。

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