专利名称：荧光x射线源的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于产生荧光X射线的X射线源，该荧光X射线源包括用于发射电子的电子源和响应于电子入射而发射X射线的靶，所述靶包括用于响应于电子入射而发射初级X射线的环形初级靶和用于响应于初级X射线入射而发射荧光X射线的次级靶。
本发明还涉及一种用于响应于电子入射而发射荧光X射线的X射线阳极，所述阳极包括用于响应于电子入射而发射初级X射线的环形初级靶和用于响应于初级X射线入射而发射荧光X射线的次级靶。
单色X射线源增强了常规X射线技术的性能并能够实现创新的性能。例如，在US 4,903,287和US 5,157,704中描述了这种单色X射线源。阳极还被称为初级靶，它包围着还被称为次级靶的部件，阳极在其面对着部件的一侧受到电子撞击，并且其中在阳极中产生的初级X射线辐射在部件中产生荧光辐射。该部件优选被布置在保持散射的电子远离该部件的密封屏中。通常这种原理被称为Fluorex原理。
基本的X射线交互作用截面，例如康普顿散射、光电吸收和相干X射线散射都是依赖能量的。在诊断放射学中传统上一直认为由多色辐射源(电子撞击)发射的连续谱可以用“平均”能量的单色线近似。计算机X线断层摄影术(CT)的束硬化伪像(artefact)证明，当期望得到用于衰减系数的精确结果时必须放弃它的近似。
在新颖的X射线技术中，例如在需要理想的单色辐射的相干散射CT或者TEAMFI中，甚至更严重地破坏了“平均能量”近似。这种辐射源或者是微弱的(例如放射性核素)，或者是不方便的(例如同步加速器)。
在US 6,185,277中描述了基于所谓的LIMAX原理的单色X射线源的另一种类型。在该X射线源中提供了一种液态金属靶。由电子源发射的电子通过薄窗进入液态金属并在其中产生X射线。具有大原子序数的液态金属在泵的作用下循环，所以通过窗中的电子和液态金属的相互作用产生的热量可被消散。通过湍流来消散在此区域产生的热量，从而保证有效的冷却。
本发明的目的是提供一种用于产生开头段落提到的那种荧光X射线的准单色X射线源，与公知的准单色X射线源相比，通过该准单色X射线源可以获得增强的辐射率(定义为光子/单位源面积·秒·球面度)。而且，将提供用于这种X射线源的阳极。
为了实现这个目的，根据本发明的用于产生荧光X射线的X射线源和根据本发明的用于发射荧光X射线的X射线阳极的特征都在于，所述初级靶包括在相对于中心轴的径向上设置的液态金属沟道，在X射线源工作的过程中，液态金属以从所述环形初级靶的内侧到外侧的径向在所述液态金属沟道中循环。
本发明基于Fluorex原理和液态金属阳极X射线技术的结合，其允许源辐射率的大的增加。为了获得这种增加的辐射率，在液态金属沟道中应用径流几何学。对于次级靶的某一尺寸(即焦点尺寸)，初级和次级靶的循环对称(circular-symmetric)几何结构最大化了次级靶对着初级靶的平均立体角Ω平均。径流布置相应地最大化了可以加载环形循环对称的初级靶所用的功率。通过本发明，可以增强常规的放射技术的性能，并且能够在实践中实现新型放射技术。
在从属权利要求中限定本发明的优选实施例，例如，有利的是，次级靶被设置在环形初级靶的中心轴上，并适于在基本上平行于所述中心轴的方向上发射荧光X射线。这种布置对于初级X射线的使用效率是最有效的。因此将通过环形初级靶的中心孔发射荧光X射线。
根据另一个实施例，液态金属沟道包括电子碰撞初级靶的电子撞击区中的收缩部(constriction)。这就保证在入射电子的电子窗处窗口上的压力最小化，也就是，通过增加伯努利压力来平衡跨越电子窗的粘滞压降。
根据另一方面，由金属膜(例如箔)来覆盖面对电子源的初级靶的表面。该膜用于将X射线源的真空区和膜后面的液态金属沟道隔开。
在液态金属沟道中循环的液态金属优选包括具有大原子序数的物质，以保证当电子入射时在其中产生足够的X射线。优选地，液态金属具有大于40且小于80的原子序数。例如，液态金属可以包括Bi、Pb、In或Sn的合金。
为了保证液态金属沟道中液态金属的严格的径流，还提供径向叶片(fin)来将液态金属沟道分成多个径向子沟道。因此，液态金属仅仅可以沿径向流动，而不可以以循环方向即以围绕中心轴的方向流动。
现在将参考附图更详细地描述本发明的实施例，其中
图1示出具有Ta靶的公知Fluorex装置的发射谱；图2示出通过根据本发明的X射线源的中心截面；图3示出图1所示的X射线源的初级靶的放大部分；以及图4示出当沿着X射线源的中心轴的方向观察时图3所示的初级靶的端面。
图1示出具有由Philips销售的Ta靶的公知Fluorex装置的发射谱。通过在由连续X射线谱辐射的(该装置中Ta的)次级靶中的光电效应发生荧光辐射，该X射线谱的最大光子能量明显大于(3倍)次级靶的K吸收限。该装置的光子输出正比于落在次级靶上的初级X射线束的功率。因此当初级功率增加时，更高的辐射率是可行的。在Fluorex布置中，由将所施加的电子束的功率限制到近似10kW的水冷固定阳极发射初级束。本发明的目的是通过布置电子束与湍流流动的液态金属相互作用来从根本上增加可容许的功率。
在图2中示出通过根据本发明的X射线源的布置的中心截面。该布置主要包括阴极1和具有初级靶(还称为端帽)2和次级靶3的靶(阳极)。该布置关于中心(旋转的)轴4循环对称并位于壳体5中。从环形阴极1发出的电子束6撞击初级靶2的膜(箔)7。该箔7是由足够薄的材料(例如W)制造的，以便使电子在其中失去其原始能量中可忽略的部分。初级靶2还包括允许液态金属在相对于中心轴4从环形初级靶2的内侧13到外侧14的径向上循环的液态金属沟道8。图3是图2所示的初级靶2的一半的放大图。
箔7用作分隔X射线管的真空区和箔7后面的液态金属。液态金属可以是例如Bi、Pb、In、Sn等的合金，但是应当至少具有大原子序数，优选在40和80之间。电子6扩散到液态金属中，由此释放转化成热的能量。当液态金属以每秒若干米的速度移动时，可能消耗在液态金属中的总功率远远大于固定阳极X射线管的总功率。
从图3中示出流动方向的箭头可以判断液态金属的移动方向。它以比较小的半径进入初级靶2，并再次以比较大的半径离开。另外的元件例如热交换器、液态金属泵等可以被添加到图2的布置中，以得到用于液态金属沟道8的闭合环流，液态金属围绕该液态金属沟道8反复循环。
如果初级X射线9具有相对较高的Z，则在电子膜7中和液态金属8中产生初级X射线9。如图2所示，这些X射线9通过(例如Be的)X射线窗11撞击次级靶3并激发荧光辐射10。次级靶3示出锥形形式的环形截面，其具有在中心轴4的方向上相对远离阴极2的尖端。此外，初级束光阑12被设置在面对阴极1的侧面上，以阻止X射线9撞击阴极1。荧光辐射10通过初级靶2和壳体5中的出射窗口16沿着中心轴4的方向离开X射线管。在图4中示出当从中心轴4的方向观察时的初级靶2。
初级靶2起到几个目的。首先，它吸收由电子束、X射线散射事件等在X射线管中产生的所有其它辐射。为此，端帽具有几个mm Pb的等效厚度。其次，初级靶2具有比较小半径的圆形沟道(入口)13，液态金属通过该圆形沟道流入阳极，以及比较大半径的类似沟道(出口)14，液态金属通过该沟道输送到泵等。第三，初级靶2具有与液态金属环流8(也就是，管导片、收缩部和扩散器)匹配的形式，并支撑电子窗7。
最后，从图4明显可见的是，图3中初级靶2到液态金属沟道8的左边的部分设置有叶片17，该叶片17引导液态金属以严格意义的径向从内侧(流入)移动到外(出口)半径。
根据本发明，液态金属沟道8示出通过其的液体流保持恒定的横截面面积(沟道高度x周长)。当半径增大时(从入口13到出口14)，沟道高度减小。通过叶片17来保证液态金属的径流。而且，通过保证由增加伯努利压力来平衡跨越窗口7的粘滞压降可以最小化电子窗7上的压力。在液体沟道8的径向实施例中，跨越窗口的压降与半径不成线性关系。为了获得电子窗口7的最小压力，液体沟道包括在大部分或者全部电子6入射的电子撞击区的收缩部15。
本发明提供了用于产生荧光X射线的高亮度准单色X射线源。它应用以循环对称流动几何结构的液态金属靶来产生高强度(比公知的Fluorex设计提高10倍)的初级束。当该束辐射可转换的次级靶时，产生高强度的荧光光子束。该布置所增强的辐射率使得否则为不实际的放射技术的实际实现成为可能，例如分子成像、利用相干X射线散射的组织定征和行李检查。
权利要求
1.一种用于产生荧光X射线的X射线源，包括用于发射电子(6)的电子源(1)，响应于电子(6)入射而发射X射线(10)的靶，所述靶包括用于响应于电子(6)入射而发射初级X射线(9)的环形初级靶(2)和用于响应于初级X射线(9)入射而发射荧光X射线(10)的次级靶(3)，其特征在于，所述初级靶(2)包括布置在相对于中心轴(4)的径向上的液态金属沟道(8)，在X射线源的工作过程中，液态金属在所述液态金属沟道(8)中沿着从所述环形初级靶(2)的内侧(13)到外侧(14)的径向循环。
2.如权利要求1所述的X射线源，其特征在于，所述次级靶(3)被设置在环形初级靶(2)的中心轴(4)上，并适于基本上以平行于所述中心轴(4)的方向发射荧光X射线(10)。
3.如权利要求1所述的X射线源，其特征在于，液态金属沟道(8)包括在电子(6)撞击初级靶(2)的电子撞击区中的收缩部(15)。
4.如权利要求1所述的X射线源，其特征在于，面对电子源(1)的初级靶(2)的表面被金属膜(7)覆盖。
5.如权利要求1所述的X射线源，其特征在于，液态金属包括具有大于40，尤其在40和80之间的原子序数的物质。
6.如权利要求1所述的X射线源，其特征在于，所述液态金属沟道(8)被径向排列的叶片(17)分成多个径向子沟道。
7.一种用于响应于电子(6)入射而发射荧光X射线(10)的X射线阳极，所述阳极包括用于响应于电子(6)入射而发射初级X射线(9)的环形初级靶(2)和用于响应于初级X射线(9)入射而发射荧光X射线(10)的次级靶(3)，其特征在于，所述初级靶(2)包括布置在相对于中心轴(4)的径向上的液态金属沟道(8)，在X射线源的工作过程中，液态金属在所述液态金属沟道(8)中沿着从所述环形初级靶(2)的内侧(13)到外侧(14)的径向循环。
全文摘要
本发明涉及一种用于产生荧光X射线的X射线源，该X射线源包括用于发射电子(6)的电子源(1)和响应于电子(6)入射而发射X射线(10)的靶，所述靶包括用于响应于电子(6)入射而发射初级X射线(9)的环形初级靶(2)和用于响应于初级X射线(9)入射而发射荧光X射线(10)的次级靶(3)。为了获得增强的辐射率，提出的是，所述初级靶(2)包括布置在相对于中心轴(4)的径向中的液态金属沟道(8)，以及在X射线源的工作过程中，液态金属在所述液态金属沟道(8)中沿着从所述环形初级靶(2)的内侧(13)到外侧(14)的径向循环。
文档编号H01J35/08GK1791960SQ200480013693
公开日2006年6月21日 申请日期2004年5月12日 优先权日2003年5月19日
发明者G·哈丁格, B·R·达维德 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司