一种环形电子束反射式液态金属阳极装置

1.本发明涉及一种x射线产生装置，尤其涉及一种环形电子束反射式液态金属阳极装置。


背景技术：

2.高亮度、单色性好的x射线产生装置在医学成像、探伤检测以及分析测试等领域的应用十分广泛。
3.一方面，x射线源产生x射线的亮度与电子束功率密度成正比，实现高亮度x射线就要提高电子束功率。另一方面，提高x射线单色性在一定程度上会降低输出x射线亮度，如二次靶、选择滤波、布拉格衍射等结构均只适用于高功率x射线装置中。然而，电子束与阳极靶作用，绝大部分能量最终以热能的形式损失，提高电子束功率阳极靶会承受大量的热负荷。
4.传统x射线管，采用点状阴极发射枪，由于空间电荷场的限制，进一步提高发射功率技术难度更高，成本高昂。采用环形电子束结构，由于发射面积增大，单位面积上的空间电荷场强度减小，电子发射更容易，技术容易实现，且可进一步提高发射功率。
5.传统的固态阳极结构，由于靶材导热系数的限制，阳极靶材能够承受的热负荷有限，为了避免高温使阳极熔化或损坏，在实际应用中对输入电子束功率和电子束焦斑都有限制。而旋转阳极结构因其存在机械转动部件，使用寿命大大缩短。
6.为了解决传统固态阳极x射线管热传导极限和旋转阳极结构使用寿命的限制，以低熔点液态金属代替传统耐高温材料，利用液态金属流动性和导热性制成新型阳极，可承受更高功率的电子束。目前基于这种方式设计的x射线源，其利用在薄窗后湍流流动的液态金属作为阳极靶材，可以迅速带走热量，进一步提高阳极散热能力，从而提高x射线的亮度。
7.然而，现有x射线源多使用热发射电子枪和场发射电子枪，该结构产生的实心电子束由于空间电荷效应的限制，电子密度不可能太大，在一定程度上阻碍了x射线亮度的进一步提升。
8.由于液态金属材料熔点、热物性参数等的限制，目前常见的液态金属靶只能选择镓（ga）、铟（in）、锡（sn）三种材料，导致市面上液态金属x射线源输出x射线能量中特征x射线只能包含上述三种材料的特征x射线能量，无法获得普通固态金属阳极靶，如银、钨、铑、钛等材料的特征x射线能量输出。以上原因限制了液态金属x射线源在很多领域的应用。


技术实现要素：

9.本发明的目的就在于提供一种解决上述问题，既能提高x射线源的发射功率，又能输出单能x射线或多个单能x射线的一种环形电子束反射式液态金属阳极装置。
10.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种环形电子束反射式液态金属阳极装置，包括真空空间、电子束发射装置和液态金属阳极，所述真空空间下端为出射窗；所述电子束发射装置为环形电子束发射装置，位于真空空间内顶部，用于竖直向
下发出环形电子束；所述液态金属阳极包括液态金属回路系统和二次转换靶；所述二次转换靶位于真空空间内下部，为倒圆锥体结构；所述液态金属回路系统包括一环形靶和至少1个管道回路，其中环形靶位于真空空间内环形电子束发射装置的下方，采用不锈钢材料制成且内部中空用于液态金属流动，环形靶朝向电子束发射装置的一面设有环形的电子窗，所述电子窗与环形电子束同轴设置，所述管道回路一部分位于真空空间与环形靶连通，一部分位于真空空间外，且位于真空空间外的部分设有控制液态金属流速的泵和控制液态金属温度的热交换器；环形电子束经环形靶的电子窗与液态金属作用产生环状的初级x射线，照射在二次转换靶表面转换为次级x射线，并经二次转换靶汇聚为实心x射线从出射窗中射出。
11.作为优选：所述真空空间顶部及四周采用玻璃或陶瓷材料制成，底部的出射窗使用金属铍材料制成。
12.作为优选：环形的电子窗采用厚度为4-6μm厚的金刚石薄膜制成。
13.作为优选：所述液态金属材料为ga、in、sn，或它们构成的二元合金、三元合金。
14.作为优选：至少包含一个管道回路，并能根据电子束输入功率的大小设置两个及以上管道回路，每个管道回路上均设有一热交换器，且管道回路采用不锈钢材料制成。
15.作为优选：所述二次转换靶与真空空间可拆卸连接，且二次转换靶由竖直面分为左部和右部；所述左部为单层结构或双层结构，当其为单层结构时，整体由第一靶材层制成，当其为双层结构时，由基底层和基底层表面涂覆的第一靶材层制成；所述右部为单层结构或双层结构，当其为单层结构时，整体由第二靶材层制成，当其为双层结构时，由基底层和基底层表面涂覆的第二靶材层制成；所述基底层采用无氧铜、铁钴镍合金或不锈钢制成。
16.作为优选：所述出射窗下表面设有一半圆形的挡板，所述挡板与出射窗同轴设置，与真空空间旋转且可拆卸连接；所述挡板为上下双层结构，上层由金属铅制成，下层为阻挡层，所述阻挡层材质与第一靶材层或第二靶材层材质相同。
17.本发明的电子束发射装置使用真空空间中的大功率环形电子束发射装置，用于产生环形强流电子束，与传统实心电子束源相比，环形电子束可以弱化空间电荷的限制，容易提供更大的发射功率，输出更强的电流，获得更大的导流系数，并且环形电子束适配本发明中的反射式液态金属阳极和倒圆锥体二次靶结构，提高了x射线源的输出强度，即实现了高亮度。
18.本发明的二次转换靶，用于将初级x射线转换为次级x射线，同时实现将环形的初级x射线汇聚为小焦点的实心x射线输出。二次转换靶可拆卸，更换不同材料的二次转换靶，弥补了现有液态金属x射线源液态金属材料选择的局限性和输出光谱能量单一的缺陷，拓展了液态金属x射线源的应用场合。另外，本发明二次转换靶基底层为无氧铜可节约靶材成本，基底层表面一分为二，分别为第一靶材层，另一部分外壁设有第二靶材层，用于安装两种元素的靶材，当两种元素材料相同时输出靶材元素特征x射线单能x射线谱；当两种元素材料不相同时，可输出两种靶材元素的多个特征x射线能谱。
19.与现有技术相比，本发明的优点在于：（1）电子束发射装置使用真空空间中的大功率环环形电子束发射装置，以空间换取强度，即通过增大电子枪的面积，弱化空间电荷效应的限制，便于实现更高电子束功率，发射更大的电流，获得更大的导流系数。
20.（2）采用倒圆锥体结构的二次转换靶，去掉了电子束打靶因韧致辐射产生的连续x射线能谱成分，一方面保留二次靶材料的特征x射线能量，从而实现了输出x射线的单色性。另一方面通过倒圆锥体结构，实现了对环形x射线束的汇聚，最后在输出口得到了与传统固态阳极靶材相同的实心x射线输出。
21.（3）二次转换靶可以采用单层结构，加工方便操作简单，也可以采用两层结构，基底层为无氧铜等材质进一步节约靶材成本。基底层表面分为对称的两个部分，可安装两种元素的靶材，将初级x射线转换为靶材特征x射线输出。一方面弥补了现有液态金属x射线源由于液态金属靶材只能选择镓（ga）、铟（in）、锡（sn）三种材料的局限性，导致的输出光谱单一的缺陷，拓展了液态金属x射线源的应用；另一方面，可根据实际需要使用两种相同或者不同元素的二次转换靶材。当选择相同元素的靶材时，输出元素特征x射线单能谱；当选择两种不同元素靶材时，输出两种元素的多种特征x射线谱。本发明可用于能量刻度、自动稳谱等特殊需求的x射线分析应用中。
22.（4）在出射窗下表面增设一由金属铅制成的半圆形挡板，挡板与真空空间旋转且可拆卸连接。我们可以根据实际需要选择安装挡板或拆卸挡板。挡板为上下双层结构，上层由金属铅制成，具有非常好的过滤效果，仅需要5mm-10mm的厚度，即可屏蔽第一靶材层或第二靶材层元素特征x射线的能量。下层为阻挡层，所述阻挡层材质与第一靶材层或第二靶材层材质相同。当需要遮挡第一靶材层元素特征x射线时，将挡板旋转至第一靶材层下方，且阻挡层材质为第二靶材层，输出为包含第二靶材层能量的x射线；当需要遮挡第二靶材层时，将挡板旋转至第二靶材层下方，且阻挡层材质为第一靶材层，输出为包含第一靶材层能量的x射线能量。
23.这样做的目的是通过铅过滤第一靶材层或第二靶材层元素特征x射线能量，通过阻挡层过滤铅自身特征x射线能量k
α
74.957kev和k
β
10.549kev。且当二次转换靶的表面为两种靶材时，我们也能根据需要输出一种特征x射线谱。由于本发明方法形成的实心x射线，本身具有高亮度的特点，所以遮挡一半后，强度虽然减半，但依然满足应用需要。
附图说明
24.图1为本发明结构示意图；图2为图1中环形电子束作用区域放大的结构示意图；图3为二次转换靶结构示意图。
25.图中：1、真空空间；2、环形电子束发射装置；3、液态金属回路系统；4、二次转换靶；5、出射窗；6、电子窗；7、热交换器；8、泵；9、环形电子束；10、环形靶；11、初级x射线；12、次级x射线；13、液态金属；14、基底层；15、第一靶材层；16、第二靶材层；17、挡板。
具体实施方式
26.下面将结合附图对本发明作进一步说明。
27.实施例1：参见图1到图3，一种环形电子束9反射式液态金属13阳极装置，包括真空空间1、电子束发射装置和液态金属13阳极，所述真空空间1下端为出射窗5；所述电子束发射装置为环形电子束发射装置2，位于真空空间1内顶部，用于竖直向下发出环形电子束9；所述液态金属13阳极包括液态金属回路系统3和二次转换靶4；所述二次转换靶4位于真空空间1内下部，为倒圆锥体结构；所述液态金属回路系统3包括一环形靶10和至少1个管道回路，其中环形靶10位于真空空间1内环形电子束发射装置2的下方，采用不锈钢材料制成且内部中空用于液态金属13流动，环形靶10朝向电子束发射装置的一面设有环形的电子窗6，所述电子窗6与环形电子束9同轴设置，所述管道回路一部分位于真空空间1与环形靶10连通，一部分位于真空空间1外，且位于真空空间1外的部分设有控制液态金属13流速的泵8和控制液态金属13温度的热交换器7；环形电子束9经环形靶10的电子窗6与液态金属13作用产生环状的初级x射线11，照射在二次转换靶4表面转换为次级x射线12，并经二次转换靶4汇聚为实心x射线从出射窗5中射出。
28.所述真空空间1顶部及四周采用玻璃或陶瓷材料制成，底部的出射窗5使用金属铍材料制成。环形的电子窗6采用厚度为4-6μm厚的金刚石薄膜制成。所述液态金属13材料为ga、in、sn，或它们构成的二元合金、三元合金。
29.关于管道回路，至少包含一个管道回路，并能根据电子束输入功率的大小设置两个及以上管道回路，每个管道回路上均设有一热交换器7，且管道回路采用不锈钢材料制成。
30.本实施例中，真空空间1的环形电子束发射装置2发出环形电子束9，穿过液态金属回路系统3中环形靶10的电子窗6，与高速流动的液态金属13作用产生环状的初级x射线11。初级x射线11反射透过电子窗6照射到二次转换靶4表面，与二次转换靶4表面第一靶材层15、第二靶材层16发生相互作用，激发二次转换靶4表面的靶材材料发出特征x射线即次级x射线12。由于二次转换靶4为倒圆锥体形，次级x射线12在出射窗5方向能起到汇聚作用，将环形的次级x射线12，汇聚为实心x射线，经出射窗5中射出。
31.典型的结构：环形电子束9发射电压选择100kv，液态金属13选择金属镓，二次转换靶4表面的第一靶材层15和第二靶材层16材料都选择银，则初级x射线11为包含镓特征x射线，能量为9.251kev和0~100kev韧致辐射连续谱的能量分布。而次级x射线12为仅包含银特征x射线，能量为22.162kev的单能x射线谱。
32.电子窗6是厚度为4-6μm厚金刚石薄膜，本实施例中选择5μm，其具有高的电子透过性和中高能x射线透过性，以及极高的导热系数。
33.液态金属13材料为ga、in、sn，或它们构成的二元合金、三元合金，使用高原子序数金属和低熔点金属相结合的二元或三元合金液态金属13材料既能保证高亮度的x射线输出，同时能降低合金的熔点。
34.图2中，环形靶10为不锈钢材料制成，内部中空供液态金属13流动。环形靶10面对电子束发射装置一端设有环形电子窗6，电子窗6采用5μm厚的金刚石材料。为保证液态金属13平稳流动，金刚石电子窗6的下表面与环形靶10内表面在同一平面上。
35.实施例2：参见图1到图3，所述二次转换靶4与真空空间1可拆卸连接，且二次转换靶4由竖直面分为左部和右部；所述左部为单层结构或双层结构，当其为单层结构时，整体由第一靶材层15制成，当其为双层结构时，由基底层14和基底层表面涂覆的第一靶材层15制成；所述右部为单层结构或双层结构，当其为单层结构时，整体由第二靶材层16制成，当其为双层结构时，由基底层14和基底层表面涂覆的第二靶材层16制成；所述基底层14采用无氧铜、铁钴镍合金或不锈钢合金制成。其余与实施例1相同。
36.第一靶材层15和第二靶材层16多选择原子序数差别大的两种材料，比如，第一靶材层15选用低原子序数的镍，第二靶材层16选用高原子序数的钨。电子束照射在液态金属13上，产生的初级x射线11与二次转换靶4上的钨、镍两种靶材相互作用，输出同时包含钨特征x射线和镍特征x射线这两种元素特征x射线能量的次级x射线12，其中，钨特征x射线的射线能量为k
α
59.310kev、k
β
8.396kev，镍特征x射线的射线能量为k
α
7.477kev。
37.可见本发明可以根据实际所需x射线能量的不同，安装不同靶材。又例如：第一靶材层15的材料采用钨，第二靶材层16的材料采用钼，则输出光谱包含钨的特征峰、钼的特征峰能量；钨特征峰能量为k
α
59.310kev、k
β
8.396kev，钼的特征峰能量k
α
17.478kev。
38.若第一靶材层15和第二靶材层16的元素相同，例如同为ag，则输出光谱仅包含ag的特征峰能量，能量为k
α
22.162kev。
39.根据稳态热仿真研究，在本发明结构参数下液态金属13镓的流速为20m/s，初始温度为30℃时，当电子束功率为50w，液态金属13阳极的最高温度仅为31℃，而在相同功率下传统固态阳极的温升已达到约600℃。充分说明本发明结构阳极散热能力极强，从而承受更大功率密度的电子束，从而产生高强度x射线。
40.根据计算，当设置二次转换靶4的第一靶材层15和第一靶材层15都选择ag元素时，次级x射线12中ag kα荧光纯度，即ag kα特征峰计数占全谱计数的比值，高达30%，而传统阳极结构同样发射参数下ag kα特征峰计数占全谱计数的比值《10%。
41.实施例3：参见图1到图3，在实施例2的基础上，我们增加以下特征：所述出射窗5下表面设有一半圆形的挡板17，所述挡板17与出射窗5同轴设置，与真空空间1旋转且可拆卸连接。所述挡板17为上下双层结构，上层由金属铅制成，下层为阻挡层，所述阻挡层材质与第一靶材层15或第二靶材层16材质相同。
42.当我们需要遮挡第一靶材层15时，将挡板17旋转至第一靶材15层下方，且阻挡层材质为第二靶材层16，输出为包含第二靶材层16能量的x射线，当需要遮挡第二靶材层16时，将挡板旋转至第二靶材层16下方，且阻挡层材质为第一靶材层15，输出为包含第一靶材层15能量的x射线。
43.挡板17中，上层金属铅的厚度为5~10mm，下层阻挡层厚度为3~6μm。
44.我们可以根据实际需要选择安装挡板17或拆卸挡板17。当安装挡板17后，实心x射线的强度会减半，对于实施例1而言，就是实心x射线的强度直接减半，对于实施例2而言，能遮挡第一靶材层15的钨，或第二靶材层16的钼，能简单操作即输出一种特征x射线。由于本身具有高亮度的特点，所以遮挡一半后，强度虽然减半，但依然满足应用需要。
45.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。