具有液體金屬陽極的生成x射線的裝置制造方法
【專利摘要】一種用于生成X射線的裝置包括用于發(fā)射電子束的至少一個電子源，該電子束限定平面，所述平面具有在寬度維度上的預(yù)定寬度值和在長度維度上的預(yù)定長度值。寬度維度大致上與長度維度垂直。該裝置還包括至少一個窗口框，其至少部分限定至少一個液體金屬流徑。該裝置進(jìn)一步包括至少一個電子窗口，其耦合于至少一個窗口框。該至少一個電子窗口安置在至少一個液體金屬流徑內(nèi)并且配置成接收電子束。至少一個電子窗口響應(yīng)于其上的電子入射而發(fā)射X射線。至少一個電子窗口包括在寬度維度和長度維度中的至少一個中彎曲的表面。
【專利說明】具有液體金屬陽極的生成X射線的裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本文描述的實(shí)施例大體上涉及用于生成X射線的裝置，并且更特定地涉及對于液 體-金屬陽極X射線（LIMX)源(其包括彎曲的電子窗口）的陽極模塊。

【背景技術(shù)】
[0002] 至少一些已知的X射線裝置使用液體金屬陽極來生成X射線束，其生成光子用于 X射線衍射成像（XDI)。該技術(shù)叫作LIMX (液體-金屬陽極X射線)。在生成X射線束時， 用由陰極生成的通過電子窗口（其限定電子焦點(diǎn)的區(qū)域)的電子束來轟擊液體金屬陽極。許 多已知的電子窗口包括薄金屬箔或金剛石膜，其如此地薄使得電子僅失去其中它們的動能 的小部分。因此，電子的動能的顯著部分沉積在焦點(diǎn)區(qū)域處的液體-金屬陽極中并且生成 廢熱。因此，液體-金屬陽極趨于使溫度增加并且從電子焦點(diǎn)的區(qū)域去除生成的熱以便液 體金屬陽極不超出溫度參數(shù)。使用液體金屬的熱傳遞機(jī)制包括至少一些湍急質(zhì)量傳輸?shù)膶?流、傳導(dǎo)和電子擴(kuò)散過程。液體金屬接收在陽極內(nèi)生成的熱并且循環(huán)通過包括流體輸送裝 置和熱交換裝置的線路。
[0003] XDI的檢測性能(如在這樣的參數(shù)中表達(dá)為假警報(bào)率（FAR)和檢測率）隨著在測量 中采集的光子的數(shù)量的增加而提高使得光子噪聲成比例地減小。為了使檢測的光子的數(shù)量 增加同時使預(yù)定測量時間維持恒定，使輻射源的輻射增加（即，使每秒、每球面度、每單位投 射源面積的發(fā)射光子的值增加)，這是必要的。這樣的增加輻射通過使沉積在固定陽極中的 電子束的功率密度增加而實(shí)現(xiàn)。然而，這樣的已知X射線裝置中的許多由于與用于去除在 陽極中生成的熱的熱傳遞裝置關(guān)聯(lián)的限制而在X射線束的強(qiáng)度上受到限制。這樣的限制包 括作為X射線束的向上可伸縮性的函數(shù)的液體-金屬陽極的結(jié)構(gòu)完整性。例如，陽極的電 子窗口部分是具有大約幾十微米厚度的金屬箔，其經(jīng)受退化和機(jī)械不穩(wěn)定。在X射線裝置 的功率密度增加時，液體金屬-陽極的電子窗口部分的結(jié)構(gòu)完整性必須增加。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 在一個方面中，提供用于生成X射線的裝置。該裝置包括用于發(fā)射電子束的至少 一個電子源，該電子束限定平面，所述平面具有在寬度維度上的預(yù)定寬度值和在長度維度 上的預(yù)定長度值。該寬度維度大致上與長度維度垂直。裝置還包括至少一個窗口框，其至少 部分限定至少一個液體金屬流徑。裝置進(jìn)一步包括至少一個電子窗口，其耦合于該至少一 個窗口框。該至少一個電子窗口安置在至少一個液體金屬流徑內(nèi)并且配置成接收電子束。 至少一個電子窗口響應(yīng)于其上的電子入射而發(fā)射X射線。至少一個電子窗口包括在寬度維 度和長度維度中的至少一個中彎曲的表面。
[0005] 在另一個方面中，提供對于液體-金屬陽極X射線（LIMX)源的陽極模塊。該陽極 模塊包括窗口框，其至少部分限定至少一個液體金屬流徑和耦合于該窗口框的電子窗口。 電子窗口安置在液體金屬流徑內(nèi)并且配置成接收電子束。電子窗口配置成響應(yīng)于其上的電 子入射而發(fā)射X射線。電子窗口包括在至少一個維度中彎曲的表面。電子束限定平面，所 述平面具有在寬度維度上的預(yù)定寬度值和在長度維度上的預(yù)定長度值。該寬度維度大致上 與長度維度垂直。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0006] 圖1-3示出本文描述的系統(tǒng)和方法的示范性實(shí)施例； 圖1是用于生成X射線的示范性裝置的示意橫截面?zhèn)纫晥D； 圖2是可與在圖1中示出的裝置一起使用并且在區(qū)域2處采取的示范性陽極模塊的示 意橫截面?zhèn)纫晥D；以及 圖3是可與在圖2中示出的陽極模塊一起使用并且在區(qū)域3處采取的示范性電子窗口 的示意橫截面?zhèn)纫晥D。

【具體實(shí)施方式】
[0007] 對于包括液體-金屬陽極X射線（LIMX)源的X射線裝置的陽極模塊提供用于生 成X射線的成本有效的方法。具體地，LIMX源包括陽極模塊，其包括配置有在兩個維度中 彎曲的表面來限定大致上雙曲拋物面表面的彎曲電子窗口。更具體地，表面彎曲配置成接 收由電子源發(fā)射的電子束。該電子束限定平面，所述具有預(yù)定寬度值和預(yù)定長度值，寬度維 度垂直于長度維度。本文描述的實(shí)施例包括彎曲的電子窗口，其稱合于窗口框使得它們合 作來限定液體金屬流徑。電子窗口結(jié)合液體金屬響應(yīng)于其上的電子入射而發(fā)射X射線。彎 曲的電子窗口促進(jìn)到液體金屬流內(nèi)的熱傳遞以通過誘發(fā)液體金屬的湍流并且促進(jìn)關(guān)聯(lián)的 機(jī)械穩(wěn)定性增加而冷卻電子窗口。因此，本文描述的實(shí)施例通過促進(jìn)增加的電子通量和隨 后的增加的X射線通量而提高X射線裝置的性能，由此使假警報(bào)的可能性減小并且使假警 報(bào)率減小。
[0008] 圖1是用于生成X射線（未在圖1中示出）的示范性裝置100的示意橫截面?zhèn)纫?圖。在示范性實(shí)施例中，X射線裝置100是液體-金屬陽極X射線（LIMX)裝置。X射線裝 置100包括X射線管102,其由任何材料制造并且在小于大氣壓的任何壓力的真空下實(shí)現(xiàn)如 本文描述的X射線裝置100的操作。X射線管102限定管腔104。X射線裝置100還包括陰 極106,其在管腔104的真空內(nèi)生成電子束108。電子束108促進(jìn)X射線束110的生成，該 X射線束110通過在X射線管102中限定的X射線發(fā)射窗口 110而離開X射線裝置100。X 射線發(fā)射窗口 112大致上對于X射線束110是透明的并且具有足夠的結(jié)構(gòu)完整性來促進(jìn)維 持X射線管102中的真空壓力。
[0009] X射線裝置100進(jìn)一步包括陽極模塊120,其將窗口框122限定為X射線管102的 一部分。陽極模塊120還包括電子窗口 124,其f禹合于窗口框122。電子窗口 124由實(shí)現(xiàn)如 本文描述的X射線裝置100的操作的任何材料制造，其無限制地包括鎢(鎢礦)(由于其74的 高原子序數(shù)、良好的導(dǎo)熱性和高熔點(diǎn))。然而，由于鎢的易碎性質(zhì)，它可與其他材料合鑄來產(chǎn) 生，例如(沒有限制地)鎢錸(WRe)，或?yàn)榱嗽诟鬁囟确秶细蟮膹?qiáng)度，利用碳化鉿（HfC) 來產(chǎn)生WRe/Hfc。電子窗口 124具有足夠的結(jié)構(gòu)完整性來促進(jìn)維持X射線管102中的真空 壓力。
[0010] X射線裝置100還包括閉路液體-金屬循環(huán)系統(tǒng)130,其包括抽吸裝置132和熱交 換裝置134,它們通過多個液體-金屬管道136而與彼此并且與陽極模塊120流動連通地 耦合。在示范性實(shí)施例中，熱交換裝置134是管殼式熱交換器，其包括限定二次冷卻流體入 口 140和出口 142的殼體138。殼體138以及通道140和142促進(jìn)引導(dǎo)二次冷卻流體(未示 出）（例如(沒有限制地）空氣和水）通過熱交換裝置134內(nèi)的液體-金屬管道136。熱從管 道136中的液體金屬傳遞到二次冷卻流體。備選地，熱交換裝置134是實(shí)現(xiàn)如本文描述的X 射線裝置100的操作的任何裝置。液體金屬的流動由箭頭144指示。備選地，液體金屬的 流動可以在相反的方向上。液體金屬流144對于在電子窗口 124中失去它們初始能量的明 顯部分的那些電子充當(dāng)束集器。在示范性實(shí)施例中，陽極模塊120包括抽吸裝置132上游 和熱交換裝置134下游的液體-金屬管道136的一部分146。而且，在示范性實(shí)施例中，液 體-金屬管道136的部分146、窗口框122和電子窗口 124合作來引導(dǎo)液體金屬流144通過 陽極模塊120。
[0011] 在操作中，電子束108由管腔104的真空內(nèi)的陰極106生成并且朝陽極模塊120 傳送。電子束108撞擊電子窗口 124并且電子的第一部分在其中賦予至少一些動能。這些 電子中的大部分繼續(xù)穿過電子窗口 124。第二、大得多的部分的電子束108傳送通過電子窗 口 124而在其中不與液體金屬流144相互作用。束108中相對小的第一部分的電子與電子 窗口 124以及束108中經(jīng)過窗口 124來與液體金屬144相互作用的相對大的第二部分的電 子的相互作用采用X射線束110的形式生成X射線輻射，即，液體金屬144充當(dāng)靶。X射線 束110通過X射線發(fā)射窗口 112而離開X射線裝置100。電子束108與電子窗口 124和液 體金屬144的相互作用還在電子窗口 124和液體金屬144兩者中生成熱，其在循環(huán)通過液 體-金屬循環(huán)系統(tǒng)130時由液體金屬144從電子窗口 124去除。
[0012] 在示范性實(shí)施例中，單個電子束與單個電子窗口相互作用來生成單個X射線束。 然而，至少一些備選實(shí)施例包括多個電子窗口來生成多個X射線束，由此限定LIMX多源系 統(tǒng)。更具體地，LIMX裝置100的部分（S卩，包括電子窗口 124和液體-金屬循環(huán)系統(tǒng)130的 至少一部分146的陽極模塊120)可被復(fù)制來適應(yīng)需要X射線多源的應(yīng)用。如此，每個電子 窗口 124和液體-金屬循環(huán)系統(tǒng)130的關(guān)聯(lián)部分146定位在X射線焦點(diǎn)的位置處并且相繼 由電子束108來處理。多個逆向扇形束幾何結(jié)構(gòu)是需要X射線多源的應(yīng)用的一個示例。從 而，包括多個電子窗口 124和關(guān)聯(lián)部分146的陽極結(jié)構(gòu)適合于實(shí)現(xiàn)具有LIMX多源系統(tǒng)的 X射線衍射成像（XDI)系統(tǒng)。
[0013] 圖2是可與X射線裝置100 (在圖1中示出并且沿區(qū)域2采取）一起使用的陽極 模塊120的示意橫截面?zhèn)纫晥D。電子束108被取向并且配置成限定平面150,其具有預(yù)定寬 度值W和預(yù)定長度值L，寬度維度與長度維度垂直。平面150和長度L在圖2中示出為垂直 地進(jìn)入并且離開頁面。
[0014] 圖3是可與陽極模塊120 (在圖2中示出并且在區(qū)域3處采取）一起使用的電子 窗口 124的示意透視圖。在示范性實(shí)施例中，電子窗口限定多個表面，即真空側(cè)表面160和 冷卻劑側(cè)表面162。表面160和162中的每個在至少一個維度中彎曲，并且在示范性實(shí)施例 中，在兩個維度中彎曲來限定二維（2D)的大致上雙曲拋物面表面160和162。
[0015] 冷卻劑側(cè)表面162限定在與液體-金屬144跨電子窗口 124流動的方向大致上一 致的第一方向上的第一曲率半徑。而且，表面162的第一曲率半徑是第一方向上電子束108 的寬度W和電子窗口 124中電子束108的電子范圍的函數(shù)，如在下文進(jìn)一步描述的。
[0016] -般，電子窗口 124的主要功能是通過電子撞擊電子窗口 124和液體金屬144而 將電子能轉(zhuǎn)換成X射線。該轉(zhuǎn)化過程對于具有相對高原子序數(shù)的窗口材料得到提高。具有 原子序數(shù)74的鎢和它的合金通常用于電子到X射線轉(zhuǎn)換。對于小的窗口厚度值，X射線產(chǎn) 量隨窗口厚度線性增加。
[0017] 然而，對于中等的窗口厚度值，X射線產(chǎn)量逐漸變得獨(dú)立于厚度。這是由于到窗口 中更大深度存活下來的至少一些電子失去如此多的動能使得它們在X射線產(chǎn)生方面低效。 此外，在窗口中的顯著深度處產(chǎn)生的那些X射線顯著衰減。因此，對于較厚的窗口，X射線產(chǎn) 量接近極限，即X射線產(chǎn)量飽和。另外，從窗口內(nèi)的電子束的能量吸收隨著窗口厚度增加而 增加并且也使窗口的兩個表面之間的溫度梯度增加。如此，窗口厚度的進(jìn)一步增加未提高X 射線產(chǎn)量，而相反，促進(jìn)到X射線管的熱極限的差額的減小。因此，優(yōu)選的電子窗口厚度在 電子范圍的近似25%與近似50%之間的范圍中實(shí)現(xiàn)。對于采用鎢的具有近似250千電子伏 特（keV)的電子束，電子范圍是近似50微米（μ m)。因此，在近似12 μ m與近似25 μ m之間 的厚度范圍內(nèi)的鎢金屬箔電子窗口是優(yōu)選的。給出這樣的對于電子窗口箔的厚度范圍，在 金屬箔上入射的電子中的大部分將擴(kuò)散通過箔并且進(jìn)入液體金屬流內(nèi)，即使能量減少也如 此。
[0018] 為了提高X射線從液體金屬源介質(zhì)的提取，電子窗口半徑R應(yīng)足夠大使得X射線 靶的配置相對于電子束接近平面體。電子束在它照射靶時促使X射線從具有深度S (等同 于電子范圍)、寬度W (等于電子束的寬度）和長度L (在電子束垂直于它的寬度的維度上） 的材料體積發(fā)射。在典型的情況下，δ是近似50 μ m，W是近似2毫米(mm)并且L是近似 5mm。如此，在彎曲電子窗口可以視為平面的使得與平面度的偏離小于電子范圍時在流動方 向上的曲率半徑的近似可以根據(jù)以下等式而做出：

【權(quán)利要求】
1. 一種用于生成X射線的裝置，包括： 用于發(fā)射電子束的至少一個電子源，所述電子束限定平面，所述平面具有在寬度維度 上的預(yù)定寬度值和在長度維度上的預(yù)定長度值，所述寬度維度大致上與所述長度維度垂 直； 至少一個窗口框，其至少部分限定至少一個液體金屬流徑；以及 至少一個電子窗口，其耦合于所述至少一個窗口框，所述至少一個電子窗口安置在所 述至少一個液體金屬流徑內(nèi)并且配置成接收所述電子束，所述至少一個電子窗口響應(yīng)于其 上的電子入射而發(fā)射X射線，其中所述至少一個電子窗口包括在所述寬度維度和所述長度 維度中的至少一個中彎曲的表面。
2. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，在至少一個維度中彎曲的所述表面包括大致上雙 曲拋物面表面。
3. 如權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述大致上雙曲拋物面表面限定第一方向上的第 一曲率半徑，所述第一曲率半徑是所述第一方向上的電子束的寬度和所述至少一個電子窗 口中電子束的電子范圍的函數(shù)。
4. 如權(quán)利要求3所述的裝置，其中，所述大致上雙曲拋物面表面進(jìn)一步限定在大致上 與所述第一方向垂直的第二方向上的第二曲率半徑，所述第二曲率半徑是所述電子束的長 度和所述至少一個電子窗口中電子束的電子范圍的函數(shù)。
5. 如權(quán)利要求3所述的裝置，進(jìn)一步包括液體-金屬循環(huán)系統(tǒng)，其中所述第一方向大 致上是液體-金屬跨所述至少一個電子窗口的流動方向。
6. 如權(quán)利要求5所述的裝置，其中，所述液體-金屬循環(huán)系統(tǒng)是閉路，其包括熱去除裝 置和流體輸送設(shè)備。
7. 如權(quán)利要求5所述的裝置，其中，所述液體-金屬循環(huán)系統(tǒng)配置成將熱從所述至少 一個電子窗口去除。
8. 如權(quán)利要求5所述的裝置，其中，所述至少一個電子窗口配置成誘發(fā)液體金屬的湍 流，由此提高從所述至少一個電子窗口的熱傳遞。
9. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述至少一個電子窗口具有在電子范圍的近似 25%與近似50%之間的范圍內(nèi)的厚度，所述電子范圍至少部分由所述至少一個電子窗口限 定。
10. 如權(quán)利要求9所述的裝置，其中，所述至少一個電子窗口由鎢制造，所述電子束包 括具有近似250千電子伏特（keV)能量的電子，所述電子范圍是近似50微米（μ m)，并且所 述至少一個電子窗口的厚度在近似12 μ m與近似25 μ m之間的范圍內(nèi)。
11. 一種對于液體-金屬陽極X射線（LIMX)源的陽極模塊，所述陽極模塊包括： 窗口框，其至少部分限定至少一個液體金屬流徑；以及 電子窗口，其耦合于所述窗口框，所述電子窗口安置在所述液體金屬流徑內(nèi)并且配置 成接收電子束，所述電子窗口配置成響應(yīng)于其上的電子入射而發(fā)射X射線，其中所述電子 窗口包括在至少一個維度中彎曲的表面，所述電子束限定平面，所述平面具有在寬度維度 上的預(yù)定寬度值和在長度維度上的預(yù)定長度值，所述寬度維度大致上與所述長度維度垂 直。
12. 如權(quán)利要求11所述的陽極模塊，其中，在至少一個方向上彎曲的所述表面包括大 致上雙曲拋物面表面。
13. 如權(quán)利要求12所述的陽極模塊，其中，所述大致上雙曲拋物面表面限定在第一方 向上的第一曲率半徑，所述第一曲率半徑是所述第一方向上的電子束的寬度和所述電子窗 口中電子束的電子范圍的函數(shù)。
14. 如權(quán)利要求13所述的陽極模塊，其中，所述大致上雙曲拋物面表面進(jìn)一步限定在 大致上與所述第一方向垂直的第二方向上的第二曲率半徑，所述第二曲率半徑是所述電子 束的長度和所述電子窗口中電子束的電子范圍的函數(shù)。
15. 如權(quán)利要求13所述的陽極模塊，其中，所述第一方向大致上是液體-金屬跨所述 電子窗口的流動方向。
16. 如權(quán)利要求15所述的陽極模塊，其中，所述電子窗口配置成將熱傳遞到所述液體 金屬。
17. 如權(quán)利要求15所述的陽極模塊，其中，所述電子窗口配置成誘發(fā)所述液體金屬的 揣流，由此提1?從所述電子窗口的熱傳遞。
18. 如權(quán)利要求11所述的陽極模塊，其中，所述電子窗口具有在電子范圍的近似25% 與近似50%之間的范圍內(nèi)的厚度，所述電子范圍至少部分由所述電子窗口限定。
19. 如權(quán)利要求18所述的陽極模塊，其中，所述電子窗口由鎢制造并且配置成與電子 束撞擊，所述電子束包括具有近似250千電子伏特（keV)能量的電子，其中所述電子窗口內(nèi) 的電子范圍是近似50微米（μ m)，并且所述電子窗口的厚度在近似12 μ m與近似25 μ m之 間的范圍內(nèi)。
20. 如權(quán)利要求11所述的陽極模塊，進(jìn)一步包括與所述窗口框和所述電子窗口合作 來引導(dǎo)液體-金屬流通過所述陽極模塊的液體-金屬管道的至少一部分。
【文檔編號】H01J35/18GK104319216SQ201410262040
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年6月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月14日
【發(fā)明者】G.哈丁 申請人:莫福探測儀器有限責(zé)任公司