高体积效能的x射线系统的制作方法
【专利说明】高体积效能的X射线系统发明背景1.发明领域
[0001]本发明涉及一种X射线系统，其特征为具有减小的尺寸，并且具体地涉及用于提供和使用该X射线系统的技术。
2.相关技术说明
[0002]对用于多种目的的、紧凑的、低功率消耗的X射线装置(包括便携式X射线分析仪器)存在兴趣。然而，提供小型X射线装置一直是一个挑战。
[0003]例如，对X射线设备供电必需的常规高压电源的尺寸已经约束了设计者。这已由于相关联的电绝缘要求而加剧。典型地用于便携式仪器的X射线管需要高达60，000伏特的加速电压和〈1mA的束电流。用于便携式X射线仪器装备的最有益安排是接地阳极X射线源，这样使得负的高电压施加到该X射线管的阴极端上，而输出阳极端被保持在接地电位下并且呈现给该样品。这些类型的便携式X射线荧光(XRF)仪器的操作需要加速电压和束电流的独立控制。
[0004]具有接地阳极设计的微型X射线管需要把在一至两伏特下的高达I瓦特的功率施加到热离子灯丝上以便足以发射电子。困难是这种低电压、相对高功率的信号需要通过施加到该X射线管的阴极端上的全高电压与接地电势隔离。传统的隔离变压器是庞大的，产生过量的EMI并且是不可靠的。由于它们位于X射线源的高电压区域中，由于电绝缘要求，它们对电源的总尺寸有显著贡献。通常的隔离方法是通过使用变压器。传统的变压器通过用于它们的构造中的独立绝缘材料实现了隔离。这些材料在历史上尚未与同小的X射线管一起使用的微型高电压系统的要求相匹配。非优化的变压器导致设计中的尺寸增大和空间浪费。
[0005]用于这些微型电源和X射线管的传统封装方案使用金属外壳以容纳绝缘材料、最小化所发射的电噪声并减少可能导致该绝缘材料随时间降解的电晕的机会。由于该金属外壳接近电源的这些高电压部件，这些部件之间的空间必须填充有高介电强度物质。传统填料已经包括变压器油或聚合物灌封材料。这些材料通常具有400-800伏特/密耳的击穿强度，要求实质性厚度以便绝缘高电压(高达60，000伏特)。例如，500伏特/密耳的材料将需要约0.120”的最小值，并且通常地使用100%安全裕度，从而产生对于电绝缘的0.240”要求。
[0006]所需要的是用于提供小于先前所实现的X射线发生器的方法和装置。优选地，这些技术产生一种通用、低成本的X射线发生器，可用于仪器装备诸如便携式X射线荧光仪器中。
发明概述
[0007]在一个实施例中，提供一种用于产生X射线的装置。该装置包括:壳体，该壳体包括耦合到灯丝变压器的折叠的高电压倍增器，该变压器耦合到用于产生X射线的X射线管。
[0008]在另一个实施例中，提供一种用于制造X射线源的方法。该方法包括:为该源选择壳体；将折叠的高电压倍增器、灯丝变压器的一部分和X射线管布置在该壳体内；并且将该灯丝变压器的剩余部分布置在该壳体的外部上。
[0009]在再另一个实施例中，提供了 X射线源。该X射线源包括:管状壳体，该壳体包括耦合到灯丝变压器的折叠的高电压倍增器，该变压器耦合到用于产生X射线的X射线管，其中该变压器包括布置在该壳体的外部表面上的外部线圈、和围绕该壳体的内表面布置的内部线圈；以及电耦合到该高电压倍增器和该灯丝变压器的控制电路。
附图的简要说明
[0010]本发明的特征以及优点从以下结合附图进行的描述中是清楚的，在附图中:
[0011]图1是描绘现有技术的X射线发生器的拓扑结构方面的框图；
[0012]图2是如在此披露的X射线源的剖视图；
[0013]图3-5展示了根据在此的传授内容的高电压倍增器的视图；
[0014]图6是利用如在此披露的X射线源的仪器的剖视图；并且
[0015]图7-8是描绘在此披露的X射线源的性能的曲线图。
发明的详细说明
[0016]在此披露了用于提供一种小型X射线发生器的方法和装置。总体上，X射线发生器的小型形式产生自新颖的电路和组件设计、材料、和封装。为了提供一些背景，现在提供在此所使用的一些术语连同X射线发生器的基础综述的方面。
[0017]如在此所讨论的，术语“X射线源”通常是指如在此披露的用于产生X射线的设备，并且不意在暗示一种用于产生X射线的材料，也不应与现有技术的X射线产生设备的实施例混淆。用来表征X射线源的术语如“小型”、以及“微型”连同“窄型”和其他相似的术语应被视为相对的(例如相比于现有技术的技术)，并且被认为是对在此披露的X射线源的性质的描述。此种描述性或相对术语不意在暗示X射线源的大小标准或实际尺寸。通常，“X射线”是指具有在约0.01纳米(nm)至约1nm范围内的波长的电磁福射。
[0018]现在参照图1，示出了现有技术的X射线发生器5的电方面。在这个实例中，控制电路10用于控制至少一个高电压变压器20。高电压变压器20输出AC电压到高电压倍增器30。控制电路10还提供对至少一个灯丝变压器40的控制。高电压倍增器30和灯丝变压器40 —起驱动X射线管50。X射线管50用于产生X射线。
[0019]总体上，控制电路10将接收所希望的工作电压和电流的输入来保持X射线发生器5在所希望的输出水平下的运行。在一些实施例中，所希望的工作电压和电流由用户输入限定，例如通过用户接口(未示出)。例如，控制电路10可以接收9V直流(DC)输入信号并且产生脉冲宽度调制的(PffM) 18伏特(V)峰到峰信号(交流电，AC)。18V峰到峰信号进而被供应到高电压变压器20。高电压变压器20获取18V AC信号并且基于该脉冲宽度将其变压成O至5,000伏特的峰到峰DC正弦波。该正弦波被馈送到高电压倍增器30。高电压倍增器30进而将该高电压倍增到适合用于驱动X射线管50的水平。例如，高电压倍增器30的输出可以是所希望的负高电压输出(例如，高达约60，000V)。该DC高电压输出被施加到X射线管50的阴极端上。在X射线管50的阴极端(在负高电压下)与X射线管50的阳极端(保持在接地电位下)之间的电势差用作X射线管50中的电子的加速电位。该高电压可以被反馈电阻器感测使得该输出可被精确地控制到所希望的工作电压。同样，电流可以被感测并且用于控制施加到该灯丝变压器上的脉冲宽度来控制该束电流至所希望的水平。
[0020]现在参见图2，示出了根据在此的传授内容的X射线源100的一个实施例的截面图。在这个非限制性实例中，X射线源100是大体上圆柱形的装置。可以提供其他形式和几何结构的X射线源100。通常，X射线源100的形状、尺寸、形式、几何结构和其他这样的方面可以由设计者、制造商、指定者或其他类似地利害相关方来确定。此种方面可以进行选择，例如，以便高效地与特定的X射线系统接合。然而，出于在此讨论的目的，认为X射线源100是圆柱形装置。在这个实施例中，X射线源100可以被表征为具有中心轴线A、长度L、以及半径R。
[0021]在这个实施例中，X射线源100总体上被绝缘结构102围绕，在这种情况下是管状绝缘结构。在这个实施例中，管状绝缘结构102由电绝缘材料，如交联聚乙稀(PEX)形成。布置在管状绝缘结构102内的是X射线管106 (其包括X射线管灯丝106A)和高电压区段104。围绕管状绝缘结构102布置的是灯丝变压器108。围绕绝缘结构102布置的是金属壳体101。布置在金属壳体101的外部上的是控制电路126。控制电路126耦合到高电压区段104和灯丝变压器108。灯丝变压器108包括一组外部绕组作为初级线圈108A。初级线圏108A总体上围绕管状壳体102被缠绕。灯丝变压器108还包括一组内部绕组作为次级线圈108B。次级线圏108B总体上围绕X射线管106的本体的基座被缠绕。X射线管106具有的尺寸为使得，在次级线圏108B围绕其缠绕的情况下，其将紧密地装配在管状壳体102的内径中。因此，X射线管106的基座(以及因此次级线圏108B)与初级线圈108A对齐以提供有效的变压器。使用主要的高电压绝缘结构102作为用于灯丝变压器108的绝缘材料消除了灯丝变压器108的单独绝缘的需要并且允许将整个组件保持为轴向对称和紧凑的。
[0022]与这些线圈108A、108B 一起提供内圈124的磁性材料和外圈122的磁性材料。在一些实施例中，该磁性材料包括柔性磁性材料。实例包括各种形式的磁箔、复合材料、铁氧体磁芯、金属粉末磁芯、以及表现出类似特性的其他材料。合适的材料是从南卡罗来纳州康威(Conway, South Carolina)的METGLAS可商购的。在一些实施例中，包括灯丝变压器108中的磁性材料是定制模制的。该磁性材料将磁场集中在这些绕组中，使得灯丝变压器108更高效并且防止了内部和外部金