CN205657040U - 脉冲式单色x射线管 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种脉冲式单色X射线管，该脉冲式单色X射线管包括射线管主体Ⅰ、阴极光源Ⅱ、电子束过滤机构III，所述阴极光源Ⅱ设置在射线管主体Ⅰ的上面，电子束过滤机构III设置在射线管主体Ⅰ的一端。该脉冲式单色X射线管能对不同能量的电子筛选，激发射线单色性好，射线转换效率提高，使用寿命长，整体性能稳定，功率小。

Description

脉冲式单色X射线管

技术领域

本实用新型涉及一种新型单色X射线源，具体的说是一种脉冲式单色X射线管，主要是应用于X射线特征谱成像和X射线荧光光谱检测。

背景技术

X射线具有波长短，穿透能力强的特点，至今为止广泛应用于无损检测领域，包括成像探伤、光谱检测等。

X射线成像技术，就是利用X射线穿透能力强的特点，它能够穿透物质并根据穿透物质的质量吸收系数大小不同，通过探测X射线的衰减程度来实现对物体内部结构的无损成像。X射线无损检测技术已在工业上有着非常广泛的应用，它既可用于金属检测，也用于非金属检测。对产品内部在制造中产生的缺陷，如气泡、异物杂质、裂纹、偏析、焊点等都可利用射线进行检测。应用的行业有电子器件工业、航空航天、汽车制造、兵工、精密设备等等。

X射线光谱技术，利用射线照射样品，根据元素的原子序数不同，被照射后激发出的荧光X射线能量也不同，通过探测器的接收分别测量不同射线能量强度，以用于对物质元素的定性、定量分析。

在现今X射线无损检测中，采用热阴极X射线管作为源，属于热阴极激发电子。采用此阴极的最大缺点是热激发的随机性，温度越高，电子逸出金属的数量越多，但由于阴极形状、受热不均匀、初始电子能量不确定度等，使得在灯丝附近逸出自由电子处于一种随机状态，这也是在次级X射线探测中，探测器件随机噪声的主要因素，脉冲式X射线管，从阴极处改变初始电子束能量，即约束了电子撞击靶材的能量范围，提高出射射线源的单一性，当激发X射线通过检测物后，无论成像或荧光光谱检测，使得射线能量分布均匀，从发根本上降低背景噪声。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本实用新型提供了一种脉冲式单色X射线管，该脉冲式单色X射线管能对不同能量的电子筛选，激发射线单色性好，射线转换效率提高，使用寿命长，整体性能稳定，功率小。

本实用新型技术方案如下：该脉冲式单色X射线管包括射线管主体、阴极光源、电子束过滤机构，所述阴极光源设置在射线管主体的上面，电子束过滤机构设置在射线管主体的一端。

其中，所述的射线管主体包括外壳、设置在外壳内的主管、设置在主管细端上的螺线管、设置在主管细端上螺线管一侧的电磁铁、设置在主管内的陶瓷壳、设置在陶瓷壳一端的竖排均布排列的三个带有电极引线的铜棒，中间铜棒穿过外壳、主管和陶瓷壳与Au阴极结构连接，所述Au阴极结构由阴极环形外壳和Au阴极构成，所述陶瓷壳上还设置有MCP电子倍增器件，所述MCP电子倍增器件由MCP(Φ50)、设置在MCP外面的MCP固定件、设置在MCP两侧的MCP压环A和MCP压环B构成。

所述的Au阴极结构中，Au阴极通过金属环形压圈安装于阴极环形外壳内部，电极引线从阴极环形外壳内部引出固定在中间铜棒上并与Au阴极连接；所述的陶瓷壳的形状为半封闭式的六面正方体结构，相邻的两面开孔，其中孔作为光源的入射端，孔作为电子束出射端，与阴极环形外壳连接的中间铜棒穿过陶瓷 壳并与其连接为一个整体。

所述的MCP电子倍增器件上的MCP压环A通过电极引线A与上铜棒连接、MCP压环B通过电极引线B与下铜棒连接。

所述螺线管的缠绕长度为L、内径为D、被套在射线管主体的细端接近于MCP电子倍增器件，螺线管引脚两段接供电系统使螺线管内部产生磁场，方向与电子束运动方向平行，起到对出射电子束的方向约束；

所述的两块特制电磁铁通过U型固定件设置在射线管主体细端的上下两侧，相互垂直，对面极性相反，两块特制电磁铁间的间距为D，D为射线管主体细端直径，磁场范围长度为L，强度为T，所述电磁铁引出的供电线外接供电系统。

所述的阴极光源包括方形铝壳、通过紫外LED固定件设置在方形铝壳内的紫外LED、设置在方形铝壳下面的透镜固定外壳、通过顶丝和弹性垫角设置在透镜固定外壳内的扩束透镜；其中所述方形铝壳为紫外LED的安装固定外壳，起到防止紫外线辐射与紫外LED的散热作用，扩束透镜安装在紫外LED出射口的下方，前后位置用安装顶丝作为微调机构，可控制紫外光焦点在阴极的位置，调整出射电子束角度；阴极光源作为一个整体固定在射线管主体的阴极上方。

为了保证单一能量电子束出射，在射线管主体内部的一端设置一个电子束过滤机构，所述电子束过滤机构Ⅲ包括高压接头、连接高压接头的弹簧铜片、设置在主管细端中轴线位置的固定轴、设置在主管固定轴上的电子过滤栅和环形陶瓷底座、均布设置在环形陶瓷底座上的铜制阳极衬底、设置在铜制阳极衬底顶端的阳极靶材、连接在铜制阳极衬底另一端的圆头固定螺丝、连接在固定轴外端的电机。所述电子过滤栅与环形陶瓷底座为同心同轴结构，并将三个铜制阳极衬底固定于环形陶瓷底座上、相互间夹角为120度，电子过滤栅上的开孔位置与三个铜制阳极衬底位置一一对应，通过电机控制旋转整体结构选择靶材。

所述电子过滤栅为圆形盘，在盘上相应位置(过滤电子束出射位置)开孔，作为电子束出射光拦，孔径大小决定电子束的焦斑尺寸和能量范围；本实用新型技术方案中设置三个相同铜制阳极衬底，所述铜制阳极衬底为圆柱形结构、上端带有楔形斜面作为阳极材料蒸镀面，分别将Mg、Cr、W元素蒸镀在楔形斜面的表面上，铜制阳极衬底下端为带螺孔基座的圆柱形、通过螺丝固定于环形陶瓷底座上；所述环形陶瓷底座为铜制阳极衬底的固定底座，中心用陶瓷固定轴与电子过滤栅中心固定；所述弹簧铜片封装固定于主管的一端侧壁边上，一边深入到环形陶瓷底座的下方与螺丝头接触，所述弹簧铜片上有凹槽作为连接触点、另一边在主管外方连接高压接头；所述电机用于旋转陶瓷固定轴，利用外接电路控制其旋转角度。

本实用新型具有以下优点和积极效果：

1、传统X光管采用热激发方案，灯丝热激发的发射电子初始能量分布也比较广，经过加速后的电子束能量发布比较广泛，因此激发出X射线能量分布随机。本实用新型的光电阴极代替灯丝，加上电子过滤系统，能将不同能量的电子筛选，激发射线单色性好。

2、本实用新型中所属的MCP属于电子倍增器件，可形成大束流电子流，提高了射线转换效率。

3、本实用新型中所属的阴极从本质上减小了热带来的噪声影响而且可控因素细致，从不同方面调节激发电子的能量、数量，改变热激发中因温度带来的不确定度因素。光电阴极调制如下：①在入射光频率一定的情况下，饱和光电流I_max的大小与入射光的强度成正比，也就是单位时间内被击出的光电子数与入射光的 强度成正比。②光电子的最大初动能与入射光的强度无关，而只与入射光的频率有关。频率越高，光电子的能量就越大。③入射光的频率低于v₀的光，无论光的强度如何，照射时间多长，都没有光电子发射。(通过频率起到开关作用)④光的照射和光电子的释放几乎是同时的，一般不超过10^-9秒。(改变热激发中预热环节，提高效率)

4、磁场过滤系统。磁场让电子束进行偏转的系统。通过Lorentz力改变电子运动方向使得电子束变偏转，称为电子能量过滤系统。根据电子在磁场中受Lorentz力的理论得知，能量不同的电子受力大小并不一致，如果在电子束出射位置加入一个过滤系统，根据计算，把想要通过的电子束偏转角度与出射位置计算出来并在出射位置过滤通过，即达到单一能量电子的出射。

5、利用光电阴极替代了传统射线管中的热阴极。传统热阴极射线管采用的是W材料作为电子发射阴极，通过提高温度使元素内部电子受到热激发而变为自由电子逸出金属内部，因此钨灯丝的寿命比较短，一般在50～200小时之间。本实用新型中所述的阴极为光电阴极，无需提前进行灯丝预热，而且使用寿命长。

6、本实用新型整体性能稳定，功率小。

附图说明

图1为本实用新型整体结构示意图。

图2为图1中MCP电子倍增器件8的结构示意图。

图3为图1中陶瓷壳6的放大图。

图4为图1中II处放大图。

图5为图1中III处放大图。

图6为图5中IV处放大图。

图7为图5中电子过滤栅上阳极靶材分布位置图。

图8为本实用新型工作原理及工作电路示意图。

图中的附图标记：1、整体结构外壳；2、主管；3、螺线管；4、特制电磁铁；5、铜棒与电极引线；6、陶瓷壳；7、Au阴极结构；8、MCP电子倍增器件；9、方形铝壳；10、紫外LED固定件；11、紫外LED；12、透镜固定外壳；13、弹性垫角；14、扩束透镜；15、顶丝；16、高压接头；17、电机；18、固定轴；19、电子过滤栅；20、环形陶瓷底座；21、铜制阳极衬底；22、弹簧铜片；23、阳极靶材；24、圆头固定螺丝；25、MCP(Φ50)；26、MCP固定件；27、MCP压环A；28、MCP压环B；29、X射线。

具体实施方式

由附图1所示：该脉冲式单色X射线管包括射线管主体Ⅰ、阴极光源Ⅱ、电子束过滤机构III，所述阴极光源Ⅱ设置在射线管主体Ⅰ的上面，电子束过滤机构Ⅲ设置在射线管主体Ⅰ的一端。

射线管主体I:

其中，所述的射线管主体Ⅰ包括外壳1、设置在外壳1内的主管2、设置在主管2细端上的螺线管3、设置在主管2细端上螺线管3一侧的电磁铁4、设置在主管2内的陶瓷壳6、设置在陶瓷壳6一端的竖排均布排列的三个带有电极引线的铜棒5，中间铜棒5-1穿过外壳1、主管2和陶瓷壳6与Au阴极结构7连接，所述阴极环形外壳7-1内设置有Au阴极7-2，所述陶瓷壳6上还设置有MCP电子倍增器件8。

MCP结构：

由附图2所示：所述MCP电子倍增器件8由MCP(Φ50)25、设置在MCP25 外面的MCP固定件26、设置在MCP25两侧的MCP压环A 27和MCP压环B 28构成。若在MCP压环A27上施加一定的电压值，Au阴极7-2逸出的电子会经过电场加速飞向MCP(Φ50)25的表面。MCP(Φ50)25分为前板电压与后板电压，根据前后板施加电压不同，存在压差，使得电子束被增益和加速，在后面出射的增益电子数量可达到增益前的10⁵倍。实现了高密度电子束，提高了管流大小。

所述的MCP电子倍增器件8上的MCP压环A27通过电极引线A与上铜棒5-2连接、MCP压环B28通过电极引线B与下铜棒5-3连接。

Au阴极结构：

由附图3所示：所述的Au阴极结构7中，Au阴极7-2通过金属环形压圈安装于阴极环形外壳7-1内部，电极引线从阴极环形外壳7-1内部引出固定在中间铜棒5-1上并与Au阴极7-2连接；所述的陶瓷壳6的形状为半封闭式的六面正方体结构、相邻的两面开孔，其中6-1孔作为光源的入射端，6-2孔作为电子束出射端，与阴极环形外壳7-1连接的中间铜棒5-1穿过陶瓷壳6并与其连接为一个整体。

螺线管：

所述螺线管3电子束汇聚结构，缠绕长度为L、内径为D、被套在射线管主体Ⅰ的细端接近于MCP电子倍增器件8，螺线管3引脚两段接供电系统使螺线管内部产生磁场，方向与电子束运动方向平行，通过模拟电子平行磁场运动时发现，电子是运动轨迹为螺旋形，根据施加的磁场强度不同，电子偏转的轨迹也不同，所以根据此类特点施加的磁场达到一定值时，可以将刚从MCP后板出射电子束进行偏转汇聚，起到对出射电子束的方向约束作用(此处聚焦方式为磁聚焦，亦可改变为电聚焦)。

电磁铁：

所述的两块特制电磁铁4通过U型固定件设置在射线管主体Ⅰ细端的上下两侧，相互垂直，对面极性相反，两块特制电磁铁4间的间距为D，D为射线管主体Ⅰ细端直径，磁场范围长度为L，强度为T，所述电磁铁4引出的供电线外接供电系统。特制电磁特4平行分布在主管的上下两端，在管内产生一个由N到S的垂直磁场区域，此区域可以将不同能量电子束进行分离，由于磁场为单向不变的恒定磁场，则电子束只受到Lorentz力，假设忽略电子间的相互作用，暂不考虑电场加速。电子束所受的Lorentz力：

F＝-ev(k)×B

式子中e为电子，v为速度，磁场对电子的作用和电场不同，它不作功不改变电子的能量。本实用新型中的特制磁铁利用Lorentz力在电子束垂直方向施加一个力，通过改变它的大小来改变电子束运动半径R的大小。根据经典力学中可知。回旋半径R：带电粒子在匀强磁场中仅受Lorentz力而做匀速圆周运动时，Lorentz力充当向心力，由此可以推导出该圆周运动的半径公式：

$R=\frac{\mathrm{mv}}{\mathrm{qB}}$

式子中，m为电子质量，q为电子电量。由于Lorentz力的方向垂直于运动方向，则并不改变电子束的能量(动能)。偏转角度：当电子束入射进入磁场后，设偏转角度为α，根据公式得知：

$sin\mathrm{\α}=\frac{L}{R}$

式子中，L为磁场长度，这里改变电子束入射速度来改变半径，即改变偏转角度大小。磁场的长度可以通过公式计算得出。由于入射电子初始能量不一致，即v不同，导致一些电子运动半径R不同。在磁场中运动过程中，会出现振幅的不一致。上述技术称为电磁电子束筛选结构，它将电子束中不同能量的电子进行收敛分布，让能量较为相同或近似的电子束分布在某一焦斑(与C中电子过滤栅19过滤孔大小有关)区间，这样，在阳极电压一定的情况下，同一能量的电子束其运动半径R相同，所以，经过筛选后得到的电子束能量单一。

阴极光源Ⅱ：

由附图4所示：所述的阴极光源Ⅱ包括方形铝壳9、通过紫外LED固定件10设置在方形铝壳9内的紫外LED11、设置在方形铝壳9下面的透镜固定外壳12、通过顶丝15和弹性垫角13设置在透镜固定外壳12内的扩束透镜14；其中所述方形铝壳9为紫外LED11的安装固定外壳，起到防止紫外线辐射与管的散热作用，聚焦透镜14安装在紫外LED11出射口的下方，前后位置用安装顶丝15作为微调机构，可控制紫外光焦点在阴极的位置，调整出射电子束角度；阴极光源Ⅱ作为一个整体固定在射线管主体Ⅰ的阴极7上方。选用紫外LED11作为激发光源，它能够做成一种频率、脉宽可调的脉冲式光源照射Au阴极结构7，通过带有一定频率的光照射Au阴极7-2时，会产生光电效应。由Au阴极7-2内部的电子克服势垒逸出金属表面，从而在金属表面形成自由电子，使用寿命要远远高于灯丝。

电子束过滤机构III：

由附图5、6、7所示：为了保证单一能量电子束出射，在射线管主体Ⅰ的一端设置一个电子束过滤机构Ⅲ，所述电子束过滤机构Ⅲ包括高压接头16、连接高压接头16的弹簧铜片22、设置在主管2细端中轴线位置的固定轴18、设置在主管2固定轴18上的电子过滤栅19和环形陶瓷底座20、均布设置在环形陶瓷底座20上的铜制阳极衬底21、设置在铜制阳极衬底21顶端的阳极靶材23、连接在铜制阳极衬底21另一端的圆头固定螺丝24、连接在固定轴18外端的电机17。所述电子过滤栅19与环形陶瓷底座20为同心同轴结构，并将三个铜制阳极衬底21固定于环形陶瓷底座20上、相互间夹角为120度，电子过滤栅19上的开孔位置与三个铜制阳极衬底21位置一一对应，通过电机17控制旋转整体结构选择靶材。电子束过滤结构与上述电磁电子束筛选结构称为电子束过滤系统。

所述电子过滤栅19为圆形盘，在盘上相应位置(过滤电子束出射位置)开孔，作为电子束出射光拦，孔径大小决定焦斑尺寸；本实用新型技术方案中设置三个相同铜制阳极衬底21，所述铜制阳极衬底21为圆柱形结构、上端带有楔形斜面21-1作为阳极材料蒸镀面，分别将Mg、Cr、W元素蒸镀在楔形斜面21-1的表面上，铜制阳极衬底21下端为带螺孔基座的圆柱形用、通过螺丝固定于环形陶瓷底座20上；所述环形陶瓷底座20为铜制阳极衬底21的固定底座，中心用陶瓷固定轴与电子过滤栅中心固定，靶材与开孔一一对应；所述弹簧铜片22封装固定于主管2的侧壁边上，一边深入到环形陶瓷底座20的下方与螺丝头接触，所述弹簧铜片22上有凹槽作为连接触点、另一边在主管2外方连接高压；所述电机17用于旋转陶瓷固定轴18，利用外接电路控制其旋转角度，封装于主管2内部。

本实用新型通过调节高压和磁场对电子束进行过滤，过滤后的电子束向靶材 撞击。靶材在高能量电子的激发下，可以被激发出不同波长范围的X射线，且波长范围小，出射的单色X射线强度强。

电路：

所述的X射线控制电路如图8所示：阴极光源II由外接专用脉冲调制电源U1对其供电；U2为Au阴极供电电压，电压加在铜棒5-1上，通过电极引线与Au阴极7-2连接；U3为螺线管3、U4为特制电磁铁4供电电压；Ug表示接在高压接头16的高压电源电压，高压接头16的外接正高压Ug＝10～50kV；U_mcp1为MCP前面电压，电压加在铜棒5-2上，通过电极引线与MCP压环A27连接；U_mcp2为MCP后面电压，电压加在铜棒5-1上，通过电极引线与MCP压环A28连接。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，这些实施例仅是出于解释说明的目的，而不限制本实用新型的范围和实质。

Claims (6)

1.一种脉冲式单色X射线管，其特征在于：该脉冲式单色X射线管包括射线管主体Ⅰ、阴极光源Ⅱ、电子束过滤机构III，所述阴极光源Ⅱ设置在射线管主体Ⅰ的上面，电子束过滤机构III设置在射线管主体Ⅰ的一端；

其中，所述的射线管主体Ⅰ包括外壳(1)、设置在外壳(1)内的主管(2)、设置在主管(2)细端上的螺线管(3)、设置在主管(2)细端上螺线管(3)一侧的电磁铁(4)、设置在主管(2)内的陶瓷壳(6)、设置在陶瓷壳(6)一端的竖排均布排列的三个带有电极引线的铜棒(5)，中间铜棒(5-1)穿过外壳(1)、主管(2)和陶瓷壳(6)与Au阴极结构(7)连接，所述Au阴极结构(7)由阴极环形外壳(7-1)和Au阴极(7-2)构成，所述陶瓷壳(6)上还设置有MCP电子倍增器件(8)，所述MCP电子倍增器件(8)由MCP(25)、设置在MCP(25)外面的MCP固定件(26)、设置在MCP(25)两侧的MCP压环A(27)和MCP压环B(28)构成；

所述的阴极光源Ⅱ包括方形铝壳(9)、通过紫外LED固定件(10)设置在方形铝壳(9)内的紫外LED(11)、设置在方形铝壳(9)下面的透镜固定外壳(12)、通过顶丝(15)和弹性垫角(13)设置在透镜固定外壳(12)内的扩束透镜(14)；其中所述方形铝壳(9)为紫外LED(11)的安装固定外壳，起到防止紫外线辐射与紫外LED(11)的散热作用，扩束透镜(14)安装在紫外LED(11)出射口的下方，前后位置用安装顶丝(15)作为微调机构，可控制紫外光焦点在阴极的位置，调整出射电子束角度；阴极光源Ⅱ作为一个整体固定在射线管主体Ⅰ的Au阴极结构(7)上方；

所述电子束过滤机构III包括高压接头(16)、连接高压接头(16)的弹簧铜片(22)、设置在主管(2)细端中轴线位置的固定轴(18)、设置在主管(2)固定轴(18)上的电子过滤栅(19)和环形陶瓷底座(20)、均布设置在环形陶瓷底座(20)上的铜制阳极衬底(21)、设置在铜制阳极衬底(21)顶端的阳极靶材(23)、连接在铜制阳极衬底(21)另一端的圆头固定螺丝(24)、连接在固定轴(18)外端的电机(17)；所述电子过滤栅(19)与环形陶瓷底座(20)为同心同轴结构，并将三个铜制阳极衬底(21)固定于环形陶瓷底座(20)上、相互间夹角为120度，电子过滤栅(19)上的开孔位置与三个铜制阳极衬底(21) 位置一一对应，通过电机(17)控制旋转整体结构选择靶材。

2.根据权利要求1所述的一种脉冲式单色X射线管，其特征在于：所述的Au阴极结构(7)中，Au阴极(7-2)通过金属环形压圈安装于阴极环形外壳(7-1)内部，电极引线从阴极环形外壳(7-1)内部引出固定在中间铜棒(5-1)上并与Au阴极(7-2)连接；所述的陶瓷壳(6)的形状为半封闭式的六面正方体结构，相邻的两面开孔，其中孔(6-1)作为光源的入射端，孔(6-2)作为电子束出射端，与阴极环形外壳(7-1)连接的中间铜棒(5-1)穿过陶瓷壳(6)并与其连接为一个整体。

3.根据权利要求1所述的一种脉冲式单色X射线管，其特征在于：所述的MCP电子倍增器件(8)上的MCP压环A(27)通过电极引线A与上铜棒(5-2)连接、MCP压环B(28)通过电极引线B与下铜棒(5-3)连接。

4.根据权利要求1所述的一种脉冲式单色X射线管，其特征在于：所述螺线管(3)的缠绕长度为L、内径为D、被套在射线管主体Ⅰ的细端接近于MCP电子倍增器件(8)，螺线管(3)引脚两段接供电系统使螺线管内部产生磁场，方向与电子束运动方向平行，起到对出射电子束的方向约束。

5.根据权利要求1所述的一种脉冲式单色X射线管，其特征在于：所述的电磁铁(4)通过U型固定件设置在射线管主体Ⅰ细端的上下两侧，相互垂直，对面极性相反，两块特制电磁铁(4)间的间距为D，D为射线管主体Ⅰ细端直径，磁场范围长度为L，强度为T，所述电磁铁(4)引出的供电线外接供电系统。

6.根据权利要求1所述的一种脉冲式单色X射线管，其特征在于：所述电子过滤栅(19)为圆形盘，在盘上过滤电子束出射位置开孔，作为电子束出射光拦；所述环形陶瓷底座(20)上设置三个相同铜制阳极衬底(21)，所述铜制阳极衬底(21)为圆柱形结构、上端带有楔形斜面(21-1)作为阳极材料蒸镀面，分别将Mg、Cr、W元素蒸镀在楔形斜面(21-1)的表面上，铜制阳极衬底(21)端为带螺孔基座的圆柱形、通过螺丝固定于环形陶瓷底座(20)上；所述环形陶瓷底座(20)为铜制阳极衬底(21)的固定底座，中心用陶瓷固定轴与电子过滤栅中心固定；所述弹簧铜片(22)封装固定于主管(2)的一端侧壁边上，一边深入到环形陶瓷底座(20)的下方与螺丝头接触，所述弹簧铜片(22)上有凹槽作为连接触点、另一边在主管(2)外方连接高压接头(16)；所述电机(17)用 于旋转陶瓷固定轴(18)，利用外接电路控制其旋转角度。