具有非平行几何场的x射线源的制作方法

专利名称：具有非平行几何场的x射线源的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及x射线的产生和使用，更具体地说，涉及一种用于从连续源产生收敛或发散的x射线发射图案的系统和方法。
背景技术：
已经发现x射线形式的高能电磁辐射在广谱领域的使用和尝试。对大多数人来说，医学成像中x射线的使用可能是最熟悉的情况，但是也有许多其它的使用。例如，可以将x射线用在以活化如药物或物质的为目的的医学调整中，而不是用于成像。而且，已知许多x射线辐射在土地和地质勘探中的使用，如在石油勘探或物质成像方面。一种x射线辐射的有效使用是对物质的处理以减少生物和其它污染。例如，可以照射食物以杀死微生物，从而使食物对消费者更安全。可以以相同的方式照射废水或径流以减少污染。
然而，就x射线在某些功能方面有用而言，目前产生和定向辐射的效率却是次佳的。典型的x射线源包括点源电子发生器、加速器和金属靶。在操作中，通过该加速器加速由电源产生的电子，然后撞击该金属靶。在高能电子对该靶的撞击下，发射x射线辐射。
该发射的辐射一般以圆锥形图案在该撞击区域之外展开，这取决于该靶的组成和构造，碰撞电子的能量和散布等等。假设这种散布的辐射图案，可以看到距离该撞击区域给定距离r的辐射量以近似负二次方(1/r2)的方式衰减。为了有效地使用该适当量的辐射图案，考虑到随着距离的衰减，必须产生强辐射场，并且必须适当地将重要目的放在该辐射锥体上。虽然一些辐射源可以使用多个电源，或者一个或多个可移动的电源，以补偿该次佳的辐射图案，但是这种系统具有它们自身固有的缺点和复杂性。具体地说，包括源定时、定位等的混乱是普遍现象。

发明内容
本发明的实施方式提供了一种新型的x射线产生和使用技术。在此描述的技术利用一个或多个发射表面，而不是点源。在本发明的实施方式中，该发射表面和靶表面的几何形状使得从该发射表面撞击到该靶表面上的电子产生收敛的辐射场。在本发明的另一实施方式中，该靶表面位于管状元件的外表面，以便在该管状元件内出现收敛的辐射场。这对易流动的材料如液体、气体等等的辐射处理特别有用。
然而，更一般地，本发明在实施方式中涉及具有相似凹面(不必在角度上，但是要在方向上)的两个元件的使用，放置和配置该两个元件使得所述元件之一产生的电子以收敛或发散的方式在所述元件之间加速，并且撞击位于第二元件或在其上的金属靶膜。产生的x射线响应于这些碰撞以收敛的图案辐射穿过该第二元件并且越过该第二元件，或者从该第二元件反射。
在本发明的实施方式中，将多个单独的x射线产生装置串联和/或并联使用，以便辐射易流动的材料，所述材料包括但不限于液体。在本发明的另一实施方式中，抽空该第一和第二元件之间的空间，以便最小化电子损失和电子能量损失，从而允许该电子有效地得到能量，并在它们的原始表面和x射线产生表面或元件之间行进。
通过下面参照附图对示例性实施方式的详细描述，本发明的附加特征和优点将变得显见。


虽然所附权利要求详尽地阐述了本发明的特征，但是通过下面结合附图的详细描述可以最好地理解本发明及其目的和优点，所述附图中附图1是根据本发明实施方式的x射线产生装置的截面侧视图；附图2是根据本发明另一实施方式的x射线产生装置的截面侧视图；附图3A是根据本发明实施方式的半球形x射线产生装置的透视侧视图；附图3B是根据本发明实施方式的包括内外弧形板的x射线产生装置的透视侧视图；附图4是根据本发明实施方式的x射线产生装置的一部分的简化示意图，且为了清楚省略了凹度；附图5是根据本发明实施方式的多道流通处理系统和分量x射线产生装置的示意图；附图6是根据本发明实施方式的包括双x射线产生装置的单道平行处理系统的示意图；附图7是根据本发明实施方式的样品x射线产生装置的照片；附图8是根据本发明可选实施方式的x射线产生装置的截面侧视图；附图9是在本发明的实施方式中在线A水平沿附图8的方向B得到的截面端视图；附图10是根据本发明另一个可选实施方式的x射线产生装置的截面侧视图；附图11是根据本发明实施方式的装置内，在40kV电子能量时的x射线谱的图表；附图12是根据本发明又一可选实施方式的x射线产生装置的截面侧视图；附图13是根据附图12中的本发明实施方式的装置的使用条件的示意图；附图14是根据本发明实施方式的x射线发射装置的截面侧视图。
具体实施例方式
本发明与x射线的产生和使用有关，并且在本发明的实施方式中，围绕着一种产生收敛的辐射场的新颖系统和技术进行说明，该系统和技术特别适用于流通介质的辐射，但是也可用于其它使用。总体上看，根据本发明示范性实施例的结构包括内管和外管。电子从该外管内表面上的发射体层被提取，并且朝向该内管被加速。一旦该电子与该内管外表面上的靶层发生撞击，就会发射出x射线辐射。由于撞击点大致均匀地位于该内管表面周围，因而得到的辐射场基本上是轴对称的，并且朝向该内管的中心轴收敛。
现在参照附图更详细地描述本发明的实施方式。参照附图1，该图示出根据本发明实施方式的x射线产生装置的截面侧视图。该x射线产生装置100包括与空心管状内部元件103大致同轴的空心管状外部元件101。将内部和外部管状元件103和101保持在它们的相对位置，并且通过第一环形绝缘端盖105和第二环形绝缘端盖107保持该内部和外部管状元件彼此电隔离。该端盖105、107可以直接与内部和外部管状元件103和101接触，如通过螺纹或滑动接触。可选地，可以在所示的端盖105、107与内部和外管管状元件103和101之间插入环形密封或垫片109、111等。本领域的技术人员可以理解适当的密封和垫片包括橡胶密封，如氟橡胶，或铜垫片等等。
将环形电子发射体源113，如选通场发射体源，沿着外部管状元件101的内壁定位。类似地，环形金属靶层115位于内部管状元件103的外表面上，并且可以通过未示出的绝缘层与内部管状元件103绝缘或者不绝缘。从该端盖107的外面电连接该金属靶层115和该选通场发射体源113的选通电极。在本发明的实施方式中，例如通过高压导通，相应的导线121和119穿过端盖107连接到所述组件，这是本领域的技术人员可以理解的。此外，该选通场发射体源113的发射体膜经导线117电连接地穿过端盖107，例如经由高压导通或类似的机构。
最后，该外部管状元件101具有入口123，该入口从该外部管状元件101的外面到由该外部管状元件101、内部管状元件103和端盖105、107限定的内部空间125。该入口最初用于在该装置100的操作过程中将该内部空间125抽至真空(如小于10-6托)，以便最小化在离开该发射体膜之后且撞击该金属靶层115之前该加速电子与外来分子或微粒的碰撞。此外，当该装置100未使用时，可以使用该入口123回填该内部空间125，如通过氮气或其它惰性气体。
可以在该内部和外部管状元件103和101的建造中使用不同的材料。然而，最重要的是该内部和外部管状元件103和101都能够维持和承受保持在该内部空间125中的真空水平。此外，希望该内部管状元件103的厚度和材料能够使该内部管状元件103对x射线辐射基本上是可穿透的，以便任何由加速电子与金属靶层115碰撞产生的向内的x射线大量地穿过该内部管状元件103的壁进入其内部空间127中。具有充足的x射线透射率的示例材料包括玻璃、塑料、薄金属、铍、石英、石墨、硼，氮化物等等。
此外，对于外部管状元件101来说，希望该元件对由该工具产生的x射线是基本上不可穿透的，或者涂有对这种x射线基本上不可穿透的材料。这是因为在该装置内产生的x射线的一部分可向外定向或向外散射。当希望保护附近的人员和/或材料不受辐射破坏时，该外部管状元件103的屏蔽性质很重要。优选地，该外部管状元件103由适当的厚度构成，如0.12”，可以在上述原则内使用管状不锈钢或铝和其它材料。
对于金属靶层115来说，优选该层以使得由所用的特定电压和间隔产生的电子能量足够使x射线从该材料发射。适当的材料例如包括铜、钨、钼等等。该层可以通过蒸汽沉积、溅射等沉积，或者可以例如以箔的形式放置。
本领域的技术人员可以理解，在这种系统中可用的加速电压相当高，因而需要关注介质击穿的问题。典型的电压大约为10-500kV。而且，电场倾向于集中在突起或不规则处，如上述管状元件的端部。为了防止介质击穿，通常希望最小化该电子发射表面和靶x射线产生表面或元件之间的露头和不规则。
附图2是具有弯曲的电子发射和x射线发射表面的x射线产生装置的截面图，该表面具有大致相同的方向上的凹度。虽然可以看出附图2表示附图3A所示构造的装置的截面侧视图，但是也可以将其应用于具有柱形凹面，而不是球形或半球形凹面的装置。
在截面中可以看到外部管状元件的壁203，其与内部管状元件的壁201一样。通过相应的元件205和207表示该发射体膜和选通电极。金属靶层同样由元件209表示。还示意性地示出了施加的电压，虽然可以理解，在装配的系统中，任何高压如通过导线209施加的电压一般经由高压导通施加，而不是简单的导线。
可以看到，将发射体膜205保持在接地或参考电压VREF。将发射体提取栅极(选通电极)207保持在提取电压VE，电势VE-VREF足够从发射体膜205提取出电子。将金属靶层209保持在加速电压VA。在操作中，从发射体膜205提取的电子一旦位于选通电极207和靶层209之间的区域就开始加速。它们的加速度基本上与施加的静电加速力成正比，该静电加速力本身与电压差VA-VE成正比，而与选通电极207和靶层209之间的半径距离成反比。虽然更高的加速电压产生更高的电子能量，但是这种最大电压会受到该端盖、导通等的绝缘限制，也会受到电弧或介质击穿的作用的限制。
虽然上述一些系统利用同心管状元件，但是可以理解，许多其它几何形状可以使用相同的原理产生柱形或球形收敛的x射线场。附图3A-B表示这种排列的示范性选择。特别地，在附图3A中，示出半球形x射线产生装置301。内壳305和外壳303执行与上述实施方式的内部和外部管状元件相同的功能。特别地，壳303、305之间的空间是电子加速区域，并具有布置在内壳305外侧上的靶层(未示出)，以及布置在外壳303内侧上的电子发射体、选通电极或其它(未示出)。为了抽空该电子加速区域，可以将壳303、305的边缘密封在一起，如通过绝缘端环，或者可以简单地在单独的真空室中使用该装置。
可以理解，由于内壳305是凹面的，因而产生的辐射场在邻近该同心球形壳303、305的中心的区域中是大致收敛的。可以理解，也可以产生附加的非收敛的辐射场，但是这在此不重要。如图所示，在本发明的实施方式中，同心球形壳303、305的焦点位于由内壳305限定的部分封闭的靶区内或位于该靶区上。
可以控制内壳305和外壳303的凹度，以限定由该装置产生的发射的收敛图案。例如，较多集中的凹度倾向于使该发射图案收紧或变窄，而较少集中的凹度倾向于使该图案变宽。这样，发射的收敛图案的截面主要限制在任何所需的程度，如10度、45度、90度、180度，270度等等，或者任何没有限制的中间值。对于球形或部分球形的几何形状来说，可以以相同的方式限制发射的收敛图案，即其主要限制在π球面度、2π球面度等等，或者任何中间值。
附图3B中表示可选的排列。特别地，x射线产生装置包括内部和外部弯曲的板311和309。与上本发明的实施方式相似，内部板311和外部板309执行与该内部和外部管状元件相同的功能。该板309、311之间的空间是电子加速区域，具有布置在内部板311外侧上的未示出的靶层，以及布置在外部板309内侧上的未示出的选通或截止的发射体。此外，为了抽空该电子加速区域，可以将板309、311的边缘密封在一起，如通过绝缘边拟合，或者简单地在真空室内使用该装置。而且，由于内部板311是凹面的，因而产生的辐射场在内部板311内侧限定的区内或附近是大致径向收敛的。
为了方便读者，参照附图4给出该电子提取加速过程以及该x射线发射过程的简要描述。附图4表示该x射线产生装置的一部分的简化示意图，为了容易理解省略了凹度。外壁部分401在其上具有发射体膜部分403和提取选通电极405。内壁部分409在其上具有靶金属膜或箔部分407。在操作中，观察单个电子的通路，电子411通过提取电压VE从发射体膜403被提取，并且通过加速电压VA朝向内壁407加速。
该电子在穿过内壁空间413并且在其中加速之后，在点415撞击金属靶膜407。该撞击产生一个或多个具有x射线范围内的能量的光子417。虽然所示的x射线417是朝向该装置的中心的，但是一些x射线418也可以朝向该外壁向后散射(或者在管状组件中，从该内部管状元件的远侧出去，并且朝向该外部管状元件上的相反点继续)。因此，如上所述，该外壁应当具有屏蔽性质或包括屏蔽层。
已经描述了多种根据本发明的示范性实施例的x射线产生装置，现在论述一些根据本发明进一步实施方式的这种系统的示范性使用。附图5表示如上所述高水平示意形式的多通流通处理系统500和分量x射线产生装置。系统500包括具有入口503和出口505的导管或管道501，其穿过如上相对于附图1所述的第一和第二x射线产生装置507和509。所示的共享泵513和电源511连接到每个x射线产生装置507、509。
在液态物质进入入口503之后，其首先通过第一x射线产生装置507，然后在该物质从出口505排出之前，该液体流返回第二x射线产生装置509。在每个流经x射线产生装置的过程中，用以上述方式产生和定向的x射线辐射照射该液体。这样，将消灭、破坏任何对这种类型的辐射敏感的生物或化学成分，或者将其修正成所需的形式。应当注意，应当基于所要照射的材料，包括其x射线吸收特性、所需的最终产品，以及影响的微生物、靶物等的浓度计算所需辐射的强度和能谱。例如，需要造成PCBs的击穿。如果用x射线通过切断其键去除该分子的氯原子，则可以产生无害的最终产品如HCL、水和CO2。如上面的例子指出的，可以通过调整x射线辐射以特定的反应为目标。
另一个例子在于促进流通，而不是批量(batch)、聚合。适当的单体和/或寡聚物可以流过任何上述的系统。然后由该系统产生的x射线造成电离以引起自由基聚合。除了这种连续处理提供的许多好处之外，这种比传统的UV聚合更有改进，这是因为x射线具有更低的消光。在此也可以以这种方式使用在其他地方描述的电子束(e-beam)装置，虽然需要证明高能电子一般经历增长的消光这一事实。
在本发明的另一个实施方式中，需要处理大量的材料，或者需要非常快速地处理给定量的材料，可以通过高吞吐量以如图6所示的平行方式处理目标材料。具体地说，附图6的单通平行处理系统600包括如参照附图5所述的双x射线产生装置607、609，以及共享的泵613和电源611。然而，不同于附图5中所示的装置，处理系统600在单通道中处理废物，而提供多通路以改进吞吐量。因此，进入入口601的液态材料可以通过任一x射线产生装置607或609，而不是两个都通过。在x射线产生装置607、609中进行处理之后，组合该液体，并且离开出口603。
在本发明的实施方式中，希望能够拆卸根据附图5和6的处理系统以便维修、存储或滑动。因此，该入口、出口和连接导管、管道等优选为可以拆卸的和重新安装的，如通过标准真空、管系安装和电硬件。
应当注意，上述处理系统仅是示范性的，在本发明的范围内，可以是任何元件的组合和构造。例如，可以是在每个通道中包括多个x射线产生装置的平行系统，以及包括一系列平行子系统的串联处理系统。而且，虽然表示了共享的组件，但是本发明在这方面没有限制，该x射线产生装置可以按需要使用专用或共享支持装置。
下面将更详细地描述根据本发明的一个实施方式的样品装置的构造和操作。优选构造和操作该装置，使得产生的x射线以在管的中心近似1000灰色的剂量照射要处理材料。该剂量水平通常适于杀死食物中的细菌，并且还具有足够的能量去分离例如废水化合物内的元素键。
在附图7中示出样品装置701。该装置大约为36”长和60”高，虽然二者的测量不是关键的，并且在不脱离本发明的范围内，两值中的一个或二个可以替换成更大或者更小值。该装置的可视外容器703对应于该装置的外管，如附图1的管101。虽然该样品的发射体层未选通，即以二极管模式操作该样品x射线源，但该装置类似于示意性地在图1中示出的装置。该装置701包括3.315英寸直径的石墨圆筒的2”长截面，该石墨圆筒同心定位在3”直径石英管周围，将12.5μm厚的铜箔缠绕并焊接到该石英管上。因此，该石墨圆筒对应于附图1的发射体层113(省略了选通电极)，而该铜箔对应于环形金属靶层115。该3”直径的内石英管对应于附图1的空心管状内部元件103。
本领域的技术人员可以理解，一般仅通过多级泵浦就可以达到高和超高真空水平。例如，可以通过由机械或“低真空”泵支持的涡轮分子泵对该室的抽泵作用实现高真空(大约10-6托)。可以通过首先例如由上述系统抽泵到高真空，然后切换到可以UHV的泵，如离子泵(在适当的室中)，来实现超高真空。对大多数本发明的实施方式来说，高真空水平是足够的，不需要超高真空。因此，该样品利用了由未示出的机械低真空泵支持的涡轮分子泵705。
附图11示出在40kV电子能量时空间127内得到的典型x射线谱。该图中所示的图表的纵坐标表示光子计数，而横坐标表示光子能量。该装置701的基础压力稳定在5.1×10-7托。
在本发明的实施方式中，将沉积的铜膜而不是铜箔用作金属靶层。在本发明的另一个实施方式中，使用钼靶层。虽然还可以使用钨，但是为了容易镀层，优选钼。
注意到，虽然该样品是透射模式装置，但是其还能够以类似配置在反射模式下工作，如下面更详细地论述。在本发明的实施方式中，由热离子发射体替换该场发射体。该热离子装置还可以在反射或透射模式中操作。
描述至此的本发明的实施方式使用例如由内管103附近产生x射线发射导致的外管101附近的电子发射。然而，在这种称作透射模式(由于该x射线必须至少部分地穿过该金属靶层，这取决于在其深度中它们产生的位置)的模式下，该x射线强度由于在该靶层(例如，层115)中的再吸收会略有降低。为了缓和该问题，也可使用反射模式。参照附图8和9将描述可在反射模式中操作的示例装置。
附图8示出与附图1中类似的柱形x射线产生装置的截面侧视图。然而，附图8的装置主要在两个方面不同于附图1的装置。首先，附图8的装置在下面具有相反的构造，其中电子产生元件813位于外管801的外表面，而电子靶(x射线产生)元件815位于该外管801的内表面。其次，附图8中所示的装置是二极管装置(由于非选通电子发射体813)，而不是如附图1中的三极管装置。后一区别不是很重要，应当注意到，透射和反射装置都可以在二极管或三极管模式中配置和操作，这取决于制造者的偏好。例如，本领域的技术人员应当理解，如附图1的装置可以使用热离子发射体层来代替场发射体层113。而且，虽然附图8的反射装置以配置为热离子二极管模式的装置来描述，可以理解，可以使用选通发射体层来代替元件813。
附图8中所示的电子发射元件813是缠绕在绝缘内部管803周围的电线。所示的绕线的间距大约是50％，虽然也可以使用更大或者更小的间距。如果需要，可以使用电线813的电子产生特性和x射线吸收特性来确定最佳间距。注意到，热离子发射元件会在操作中变得非常热，因而希望通过使用绝缘隔离棒等将该热离子发射元件与一个或两个管保持一定距离，这取决于该内部和/或外部管的材料。下面参照附图10论述示范性布置。
靶层815在该透射模式中可以是铜膜或箔，但是可以更厚，由于不希望或需要x射线透过该层。也可以使用其它材料如钼、钨等代替该层815。该靶层815所需的质量是当通过足够高的能量撞击时其会发射x射线。
将靶层815经由导线821连接到电压源，而将电子产生元件813经由导线817a和817b连接到电压源。在这种情况下，电线813端部的相对电压确立流过该电线的电流，而靶层815和电线813上的点之间的电压差确定发射电子的撞击能量。
当在所示的热离子二极管模式中操作时，跨越电子产生元件813施加电压，并且将电压施加到该靶层815。合成的场强度足够将发射的电子朝向靶层815加速，以使它们获得足够的撞击能量，从而在靶层815中产生x射线。由于该靶层对x射线不是完全透射的，因而产生的x射线中的相当大一部分朝向该装置的内部反射或被引向该装置的内部。大量这种辐射将撞击产生元件813，或在元件813的线圈之间传递，因而进入内部空间827以照射其内容。在给定该装置的几何形状、构造和材料的情况下，可以设置该电压以实现所需的辐射水平。
附图9更详细地说明了该电子和x射线的发射过程。附图9表示大约在附图8的线A处、沿线B得到的薄切片的截面顶视图。该装置901在向内的同心顺序上包括外管903(801)、电子靶和x射线发射层905(815)、电子/x射线通过空间907(825)、电子发射元件909(813)、内部管911(803)以及用于流通材料辐射的靶区913(827)。在操作中，跨越电子发射元件909施加电压，还在元件909上的点处确立平均电压V1，并且将电压V2施加到该电子靶和x射线发射层905。如上所述，该电压差V2-V1一般大约为10-500kV，但是也可以使用更大或者更小的电压。
由于施加的电压差，电子从电子发射元件909发射，并且朝向该电子靶和x射线发射层905加速。虽然为了清楚起见仅示出了三个电子，但是可以理解，可以以操作电压产生无限数量的电子。该电子在撞击区域915加速撞击该电子靶和x射线发射层905，从而导致从许多这种区域915产生x射线辐射。虽然每个所示的区域915显示了x射线发射，但是可以理解，x射线发射不一定出现在每个撞击区域。而且，虽然所示的x射线辐射向内定向，但是可以理解，一些产生的x射线辐射可以不同的定向。
如图所示，一部分产生的x射线辐射朝向靶区913定向。记住在本发明所示的实施方式中，该电子发射元件909是螺旋缠绕的电线，一部分朝向靶区913的定向辐射终止于电子发射元件909，而另一部分在该元件909的线圈和内部管911之间传递，并且进入靶区913以照射其当前的内容。
可以理解，在本发明的范围内，所示的反射模式装置会有许多的变化。例如，电子发射元件909可以是板、带、膜或箔，来替代电线。而且，对热离子发射来说，该元件909的材料可以是任何适当的材料，包括但不限于石墨、金属，或金属合金，或非金属合金，或它们的组合。例如，涂钍钨(ThoriatedTungsten)和镧己硼化物(Lanthanum Hexaboride)是适合的材料。而且，该电子发射机构可以是任何适当的机构，包括但不限于热离子发射、场发射等等。而且，该电子靶和x射线发射层905可以具有任何适当的材料和构造。例如，可以使用铜、钨、钼或任何其它适当的材料，该层905的构造可以是局部的或连续的，并且可以作为x射线屏蔽或不作为x射线屏蔽。而且，虽然附图8和9中所示的反射装置的几何形状是柱形的，但是可以理解，在本发明的范围内，可以使用任何其它适当的几何形状如上述或其它的几何形状。
附图10以截面侧视图示出就某些方面与附图9的装置相似的热离子二极管模式的透射x射线产生装置。在石英支撑棒1021的柱形排列的周围缠绕热离子电子发射电线或灯丝1013。电导线1017a和1017b使电流穿过元件1013。外管1001密封电子发射灯丝1013和石英支撑棒1021以及内管1003，在该内管上设置金属靶材料1015，该金属靶材料响应电子轰击产生x射线。还提供和设置有端盖1029，以便可以将该内管1003和外管1001之间的空间1025抽空。
在操作中，通过电流流过电阻来加热离子发射灯丝1013，从而产生电子的发射。通过对这些元件施加适当的电压在灯丝1013和靶材料1015之间建立加速场，以便该发射的电子朝向靶材料1015加速并且撞击该靶材料。虽然由这种撞击产生的x射线定向在许多方向上，但是大量的x射线是朝向内管1003内的靶区1027定向的。一部分这种x射线辐射穿过靶材料1015和内管1003，并且进入靶区1027。这样，可以有效地照射该靶区的内容。
在本发明的范围内许多其它模式的操作都是可用的，在阐述了以上原理的情况下。通常，根据本发明的x射线产生装置相对于电子发射可以以场发射或热离子发射模式操作。在这些模式中，该装置可以以二极管或三极管模式操作，并且还可以以反射或透射模式操作。在二极管模式中，该电子发射体未选通，而在三极管模式中该发射体选通。而且，在该反射模式中，该x射线的靶区位于x射线发射体表面或元件与该电子撞击相同的一侧；在反射模式中，该x射线的靶区位于该x射线发射体表面或元件与该电子撞击相反的一侧。
因此，通常，操作的几个示例性模式为(1)场发射(二极管/透射)；(2)场发射(二极管/反射)；(3)场发射(三极管/透射)；(4)场发射(三极管/反射)；(5)热离子发射(二极管/透射)；(6)热离子发射(二极管/反射)；(7)热离子发射(三极管/透射)；以及(8)热离子发射(三极管/反射)。上面论述的附图1、2和4表示场发射(三极管/透射)装置的例子，而附图8和9表示热离子发射(二极管/反射)装置的例子。附图10表示热离子发射(二极管/透射)装置的例子。由于它们说明了透射和反射操作，二极管和三极管操作，以及热离子和场发射操作，也可以根据上述原理排列这些图的元件来构成任何其它类型的装置。
虽然在工业应用，如大规模水净化和废物处理的内容中论述了上述本发明的实施方式，但是可以理解，所述的本发明的实施方式也适用于非商业设置。例如，在本发明的实施方式中，将根据上述原理的小型装置与家庭厨房电器联系起来以提供净化功能。例如，可以将这种装置与位于如水龙头、电冰箱，咖啡壶等的饮用水水源串联放置。此外，在本发明的实施方式中，可以在家使用如上所述的流通处理装置，如在到化粪池或市政下水道系统之前的通道中。
在上述本发明的实施方式中，希望屏蔽该装置以便x射线辐射不会延伸到该装置的外部。然而，在本发明的可选实施方式中，希望照射该装置外部而不是内部的材料。例如，可以从内部收缩的空间如导管或管道使用x射线辐射，以便检查裂缝或其它有问题的情况。在工业和家庭管路以及专门的应用如核电站冷却系统中，管道的完整性特别重要。
附图12中示出产生x射线并且将它们向外定向的装置。该装置类似于附图8的装置，但是更小，并且不具有轴向流通的开口。更详细地，该装置1200包括在其内表面上具有靶材料1203的外壳1201。该靶材料可以是任一上述靶材料，并且足够薄或充分地扩散，以便不会屏蔽产生的x射线。同样地，该外壳由允许大量的x射线透射的材料和构造组成，如聚合材料、石墨、铍或薄金属材料。
在该外壳1201内，放置石英支撑棒1205a和1205b，且其通过端盖1207a和1207b保持在适当的位置。端盖1207a和1207b还用于密封由该外壳1201限定的内部空间1209。在该石英支撑棒1205a和1205b的周围缠绕热离子电子发射元件1211。虽然为了简明，示出了两个这样的支撑棒，但是可以理解，更多数量的均匀间隔的支撑棒，如四个或更多个棒将允许更多均匀图案的电子产生，并从而产生x射线。导线1213a和1213b将电源提供给电子发射元件1211，而导线1215将电压施加给靶材料1203。为了操作该装置，孔1217可用于抽空空间1209。在操作中，抽泵作用可以继续，或者可以密封该孔1217。
该装置的操作通常如上所述。具体地说，在热离子电子发射元件1211和靶材料1203之间施加电压差。在施加的场的影响下，由热离子电子发射元件1211发射的电子朝向靶材料1203加速，并且撞击该靶材料1203。响应于这种电子轰击，该靶材料1203发射x射线辐射。由于该靶材料1203和壳1201基本不会屏蔽这种辐射，因而一部分产生的辐射传到该装置的外部，从而照射该装置当前的环境。
在下文中参照附图13描述使用这种装置的方式。特别地，将所示的装置1301位于要分析的导管1303的内部下面。优选将该装置连接到支持线路1305。还将用于操作该装置的导线1307连接到装置1301。当加电时，该装置发射撞击该导管1303的壁的x射线1309。为了分析该导管1303的完整性，通过放置在该导管1303外部的x射线探测器1311检测通过该导管1303的x射线的透射变化。可选地，可以在该装置1301的外部周围缠绕x射线感光胶片，以便用于通过图像强度的变化来检测该导管中的裂纹。
注意到，虽然将所示的装置用在特定的环境中，但是对于该环境是没有限制的。例如，如果尺寸适当，也可以将所示的装置用于医疗目的。例如，可以将这种装置用于分析体内结构，如静脉和腔，或者用于提供对这种结构的辐射。例如，可以使用这种装置照射特殊的部位。
虽然在上面的范例中，靶材料1203和壳1201是基本上透射x射线辐射的，但这不是必需的。具体地说，该靶材料1203和壳1201之一或者两者都可以在要产生所述的输出图案的选定位置对x射线辐射是不可穿透的。例如，环透射率会产生环形辐射图案，而条纹透射率会产生平面或板图案。
注意到，可以使用相同的原理构成电子轰击装置，即电子发射体、在该电子发射体周围的管状元件、以及用于产生场以将从该电子发射体发射的电子朝向该管状元件加速的电压源。然后可以使用穿过该管状元件并且离开该装置的电子来照射外部材料。
虽然上面的论述集中在以反射或透射模式操作的装置上，但是本发明也可以同时利用两种操作模式。附图14以截面侧视图示出根据本发明实施方式的一个这种装置。该装置1400类似于附图12所示的装置，但是将其分别表示以更清楚描述其操作的不同模式。
装置1400包括在其内表面上具有靶材料1403的柱形外壳1401。再者，该靶材料足够薄或充分扩散，以便不会实质上屏蔽产生的x射线。类似地，该外壳1401由允许上述重要的x射线透射的材料和构造构成。端盖1407a和1407b用于密封由该外壳1401限定的内部空间1409。热离子电子发射元件1411位于该外壳1401内，并且近似与该外壳1401同心。该热离子电子发射元件1411可以在结构上自支撑，或者可以通过未示出的臂、棒等支撑。
导线1413a和1413b向该电子发射元件1411供电，导线1415对该靶材料1403施加电压。如同上述附图12的装置一样，为了该装置1400的操作，可以使用孔1417抽空空间1409，并且为了该装置1400的使用，如果中止抽泵操作可以将其密封。
在操作中，在该热离子电子发射元件1411和靶材料1403之间施加电压差。在该施加的场的影响下，由该热离子电子发射元件1411发射的电子朝向该靶材料1403加速，并且撞击该靶材料1403。结果，该靶材料1403发射x射线辐射。如上所述，该靶材料1403和壳1401基本上不屏蔽这种辐射。因此，一部分产生的辐射传到该装置1400的外部。此外，另一部分产生的辐射向内朝向该外壳1401相反的壁反射。在通过该外壳1401内的腔之后，一部分反射的辐射穿过该外壳1401相反的壁，并且离开该装置1400。可以看到，该修正的操作模式提高了效率，假定初始反射的x射线即使在该相反侧上仍然会离开该装置1400。
在与附图14中所示的装置有关的本发明的可选实施方式中，该装置进一步包括同样涂有x射线发射靶材料的内部管状元件。在该电子发射体和两个管状元件之间进一步保持加速场，从而该电子从该电子发射体向内和向外加速，并且撞击两个靶表面。该外表面如上所述地操作。该内表面可以更厚，并且相对于该内管以反射模式操作。也就是说，将在该内管上x射线发射靶材料产生的x射线朝向该外管定向，并且实质上穿过该外管。
可以理解，在此描述了新的并且有用的x射线产生技术和装置。考虑到可以应用本发明的原理的许多可能的实施方式，应当认识到，在此相对于附图描述的实施方式仅是为了说明，而不应当认为是限制本发明的范围。例如，本领域的技术人员可以认识到，该确切的构造和形状是示范性的，因此在不脱离本发明的精神的情况下，可以在设置和细节上对所说明的实施方式进行修改。例如，可以理解也可以将任何所示的形状修改成包括非凹形的部分或元件，如在一个边缘或多个边缘处的喇叭口形或凸缘，这不会否定受影响的元件大致的凹度。
虽然在此给出了特定的数值例，但是可以理解，本发明同样应用于更大或更小规模的装置和系统，而没有限制。同样地，虽然在此通常说明的是光滑的元件，但是可以理解，通常凹形元件本身可以由许多单独的平的组件如带或多边形构成。例如，可以在附图1的装置中使用具有多边形的截面的管代替具有圆形截面的元件。最后，可以预期，不仅流体(包括液体和气体)而且固体也可以穿过如上所述的系统，并且由其处理。代替流过该系统，固体优选为通过如带子或摇动器来输送。而且，虽然所述的本发明的实施方式集中于x射线的产生，但是可以理解，也可以将本发明的原理用于提供材料的电子辐射，而没有x射线的产生。例如，在附图1的装置中，如果使靶层115基本上对于电子可穿透，而内管103对于电子相对可穿透，则可以使用该装置来提供区127中的电子辐射。因此，在此描述的发明预期了所有在下面的权利要求及其等效范围内的实施方式。
权利要求
1.一种x射线产生装置，包括具有内部通道和外表面的第一管状元件，所述外表面在至少一部分表面上具有响应于电子轰击以发射x射线辐射的x射线发射材料；以及以大致同心的关系环绕所述第一管状元件的第二管状元件，在所述第一和第二管状元件之间具有腔，所述第二柱形管状元件具有面向所述第一柱形管的外表面的内表面，其中所述内表面在其至少一部分上包括电子发射体元件。
2.根据权利要求1所述的x射线产生装置，其中，在所述电子发射体元件和所述第一管状元件的外表面之间保持加速场。
3.根据权利要求1所述的x射线产生装置，其中，所述电子发射体元件是选通的电子发射体。
4.根据权利要求1所述的x射线产生装置，其中，所述电子发射体元件是热离子电子发射体。
5.根据权利要求2所述的x射线产生装置，其中，从所述电子发射体元件发射的电子朝向所述内部管状元件的外表面加速，撞击所述外表面上的所述x射线发射材料，由此造成x射线辐射的发射。
6.根据权利要求5所述的x射线产生装置，其中，至少一部分发射的x射线辐射进入所述第一管状元件的内部通道。
7.根据权利要求1所述的x射线产生装置，其中，所述内部管状元件的外表面和所述外部管状元件的内表面限定一腔，其中，所述腔被密封，并且将所述腔抽空至小于环境压力。
8.根据权利要求7所述的x射线产生装置，其中，将所述腔抽空至小于10-5托的压力。
9.根据权利要求1所述的x射线产生装置，其中，所述第一和第二管状元件中的至少一个具有大致光滑的截面。
10.根据权利要求1所述的x射线产生装置，其中，所述第一和第二管状元件中的至少一个具有不光滑的截面。
11.根据权利要求1所述的x射线产生装置，其中，所述第一和第二管状元件中的至少一个具有大致圆形的截面。
12.根据权利要求1所述的x射线产生装置，其中，所述第一和第二管状元件中的至少一个具有多边形截面。
13.根据权利要求1所述的x射线产生装置，其中，还包括在所述第一和第二管状元件之间的腔内的一个或多个绝缘隔板，所述隔板以彼此绝缘的设置来保持所述第一和第二管状元件。
14.根据权利要求1所述的x射线产生装置，其中，所述第二管状元件对于x射线辐射基本上是不可穿透的。
15.一种靶材料的x射线处理方法，其包括以下步骤将所述靶材料放置在具有主体和涂有金属层的外表面的容积管内，所述金属层响应于电子轰击以发射x射线辐射，所述容积管的主体对于x射线基本上是可穿透的，所述容积管被发射体管的内表面环绕，其中所述发射体管的内表面包括电子发射体表面；从所述发射体表面提取电子；以及在所述发射体表面和所述容积管的金属层之间施加加速电压，其中，提取的电子朝向所述金属层加速，并且撞击所述金属层，从所述金属层激发x射线辐射的释放，在所述金属层的至少一部分，x射线辐射穿透所述容积管的主体，并且撞击放置在其中的所述靶材料。
16.根据权利要求15所述的x射线处理方法，其中，所述靶材料是液体材料。
17.根据权利要求15所述的x射线处理方法，其中，所述靶材料是气体或等离子体材料。
18.根据权利要求15所述的x射线处理方法，其中，所述靶材料是固体或浆材料。
19.根据权利要求15所述的x射线处理方法，其中，还包括抽空所述容积管和所述发射体管之间的空间，以将所述空间中的压力降低至环境压力以下。
20.根据权利要求15所述的x射线处理方法，其中，还包括将所述容积管和所述发射体管之间的空间抽空至小于10-5托。
21.根据权利要求15所述的x射线处理方法，其中，所述容积管包括入口和出口，其中，将所述靶材料放置在所述容积管内的步骤包括在所述入口引入所述材料，通过所述管移动所述材料，并且在所述出口去除所述材料。
22.一种x射线辐射装置，其包括通过收敛的发射图案产生x射线的连续的大致凹形的发射元件；以及预定义的靶区，使得发射的辐射中的至少相当大一部分集中到所述预定义的靶区。
23.根据权利要求22所述的x射线辐射装置，其中，将所述发射的收敛图案基本上聚焦到π球面度。
24.根据权利要求22所述的x射线辐射装置，其中，将所述发射的收敛图案基本上聚焦到2π球面度。
25.根据权利要求22所述的x射线辐射装置，其中，所述发射的收敛图案基本上聚焦在截面角内，所述截面角从由10度、90度、180度和270度组成的组合中选择。
26.根据权利要求22所述的x射线辐射装置，其中，所述连续的凹形发射元件通常是凹面的，但是具有复合表面。
27.根据权利要求22所述的x射线辐射装置，其中，所述连续的凹形发射元件通常是凹面的，并且具有光滑的表面。
28.根据权利要求22所述的x射线辐射装置，其中，还包括凹形电子发射体元件，其中所述x射线发射元件和电子发射体元件中的每一个都具有相应的焦点，且其中所述电子发射体元件和x射线发射元件的焦点位于所述预定义的靶区的同侧。
29.根据权利要求22所述的x射线辐射装置，其中，在所述电子发射体元件和x射线发射元件之间保持加速场。
30.根据权利要求22所述的x射线辐射装置，其中，所述电子发射体元件包括选通的电子发射体层。
31.根据权利要求22所述的x射线辐射装置，其中，所述电子发射体元件通过场发射来发射电子。
32.根据权利要求22所述的x射线辐射装置，其中，所述电子发射体元件通过热离子发射来发射电子。
33.根据权利要求29所述的x射线辐射装置，其中，在所述加速场的影响下从所述电子发射体元件发射的电子朝向所述x射线发射元件加速，撞击所述x射线发射元件，由此造成x射线辐射的发射。
34.根据权利要求33所述的x射线辐射装置，其中，发射的x射线辐射必须穿过所述x射线发射元件以到达所述靶区。
35.根据权利要求33所述的x射线辐射装置，其中，发射的x射线必须穿过或经过所述电子发射体元件以到达所述靶区。
36.根据权利要求35所述的x射线辐射装置，其中，所述电子发射体元件是在其中具有间隔的不连续表面，其中辐射主要通过穿过其中的间隔来穿过所述元件。
37.根据权利要求28所述的x射线辐射装置，其中，所述电子发射体元件和x射线发射元件在其间限定一腔，其中，密封所述腔，并且将所述腔抽空至小于环境压力。
38.根据权利要求28所述的x射线辐射装置，其中，将所述腔抽空至小于10-5托。
39.根据权利要求28所述的x射线辐射装置，其中，还包括在所述电子发射体元件和x射线辐射元件之间的腔内的一个或多个绝缘隔板，所述隔板以彼此绝缘的排列保持所述电子发射体元件和x射线发射元件。
40.一种x射线产生装置，其包括具有内部通道和外表面的第一管状元件，所述外表面在其上具有电子发射体元件；以及以大致同心的关系环绕所述第一管状元件的第二管状元件，在所述第一和第二管状元件之间具有腔，所述第二柱形管状元件具有面向所述第一柱形管的外表面的内表面，其中所述内表面包括响应于电子轰击以发射x射线辐射的靶层。
41.根据权利要求40所述的x射线产生装置，其中，在所述电子发射体元件和所述第一管状元件的外表面之间保持加速场。
42.根据权利要求40所述的x射线产生装置，其中，所述电子发射体元件是选通的电子发射体元件。
43.根据权利要求40所述的x射线产生装置，其中，所述电子发射体元件由发射体元件的螺旋线圈形成。
44.根据权利要求41所述的x射线产生装置，其中，将从所述发射体元件发射的电子朝向所述第二管状元件的内表面加速，撞击其上的所述靶元件，从而造成x射线辐射的发射。
45.根据权利要求44所述的x射线产生装置，其中，至少一部分发射的x射线辐射被定向为朝向所述第一管状元件的内部通道，并且进入所述第一管状元件的内部通道。
46.根据权利要求44所述的x射线产生装置，其中，至少一部分发射的x射线辐射穿过所述第二管状元件以离开所述装置。
47.根据权利要求40所述的x射线产生装置，其中，所述第一管状元件的外表面和所述第二管状元件的内表面限定一腔，其中密封所述腔，并且将其抽空至小于环境压力。
48.根据权利要求47所述的x射线产生装置，其中，将所述腔抽空至小于10-5托。
49.根据权利要求40所述的x射线产生装置，其中，所述第二管状元件对x射线辐射基本上是不可穿透的。
50.一种靶材料的x射线处理方法，包括以下步骤在具有在其上具有电子发射体元件的外表面的容积管内放置所述靶材料，所述容积管对于x射线基本上是可穿透的，所述容积管被x射线管的内表面环绕，其中所述x射线管的内表面包括靶层，所述靶层响应于电子轰击来发射x射线辐射；从所述电子发射体元件提取电子；以及朝向所述靶层加速提取的电子，从而所述加速的电子撞击所述靶层，从所述靶层激发x射线辐射的释放，在所述靶层的至少一部分，x射线辐射穿透所述容积管，并且撞击放置在其中的所述靶材料。
51.根据权利要求50所述的x射线处理方法，其中，还包括抽空所述容积管和所述x射线发射体管之间的空间，以便将所述空间中的压力降低至环境压力以下。
52.根据权利要求51所述的x射线处理方法，其中，还包括将所述容积管和所述x射线发射体管之间的空间抽空至小于10-5托。
53.根据权利要求50所述的x射线处理方法，其中，所述容积管包括入口和出口，其中在所述容积管内放置所述靶材料的步骤包括在所述入口引入所述材料，通过所述管移动所述材料，并且在所述出口去除所述材料。
54.一种处理靶材料的电子轰击装置，其包括容纳所述靶材料的第一管状元件；同心环绕所述第一管状元件的第二管状元件，以便在所述第一和第二管状元件之间限定环形空间，其中所述第二管状元件是电子发射材料；以及从所述第二管状元件朝向所述第一管状元件加速发射的电子的电压施加装置。
55.根据权利要求54所述的电子轰击装置，其中，所述第二管状元件是热离子电子发射材料。
56.根据权利要求54所述的电子轰击装置，其中，所述第二管状元件是场电子发射材料。
57.根据权利要求54所述的电子轰击装置，其中，还包括控制所述第二管状元件的电子发射速率的选通电极。
58.一种处理靶材料的电子轰击装置，其包括电子发射体元件；环绕所述电子发射体元件的管状元件；以及从所述电子发射体元件朝向所述管状元件加速发射的电子的电压施加装置，以使得至少一部分电子穿过所述管状元件并且离开所述装置，撞击所述靶材料。
59.一种x射线产生装置，其包括电子发射体元件；以及以大致同心的关系环绕所述电子发射体元件的管状元件，所述管状元件具有面向所述电子发射体元件的内表面，其中所述内表面包括响应于电子轰击以发射x射线辐射的靶层，其中所述管状元件对于x射线辐射基本上是可穿透的。
60.根据权利要求59所述的x射线产生装置，其中，还包括位于所述环绕所述电子发射体元件的管状元件内并且大致与其同心的内部管状元件，其中所述电子发射体元件位于所述内部管状元件和环绕所述电子发射体元件的管状元件之间，其中所述内部管状元件的外表面包括响应于电子轰击来发射x射线辐射的第二靶层。
61.根据权利要求59所述的x射线产生装置，其中，在所述电子发射体元件和所述靶层与所述第二靶层之间都保持加速场。
62.根据权利要求59所述的x射线产生装置，其中，在所述电子发射体元件和所述靶层之间保持加速场。
63.根据权利要求62所述的x射线产生装置，其中，所述电子发射体元件是选通的电子发射体元件。
64.根据权利要求62所述的x射线产生装置，其中，所述电子发射体元件由发射体材料的螺旋线圈形成。
65.根据权利要求62所述的x射线产生装置，其中，从所述发射体元件发射的电子朝向所述靶层加速，并且撞击所述靶层，由此造成x射线辐射的发射。
66.根据权利要求59所述的x射线产生装置，其中，所述管状元件限定位于所述电子发射体元件的腔，其中密封所述腔，并且抽空至小于环境压力。
67.根据权利要求66所述的x射线产生装置，其中，将所述腔抽空至小于10-5托。
68.一种从便携式壳体产生广角x射线辐射的方法，其包括在所述壳体内产生电子，所述壳体限定内部空间，所述壳体还响应于电子轰击以产生x射线辐射；朝向所述壳体加速所述产生的电子；使至少一部分所述产生的电子撞击所述壳体，从而产生x射线辐射；一部分产生的x射线辐射穿过所述壳体，并且从所述壳体反射一部分产生的x射线辐射；以及所述产生的x射线辐射的反射部分穿过所述内部空间，然后至少一些所述产生的x射线辐射的反射部分穿过所述壳体。
69.根据权利要求68所述的方法，其中，所述产生电子的步骤包括使用选通的电子发射体。
70.根据权利要求68所述的方法，其中，所述产生电子的步骤包括使用热离子电子发射体。
71.根据权利要求68所述的x射线产生装置，其中，密封所述内部空间，并且将其抽空至小于环境压力。
72.根据权利要求71所述的x射线产生装置，其中，将所述内部空间抽空至小于10-5托。
全文摘要
一种改进的x射线产生系统产生特别适用于大致柱形或球形的处理装置的收敛或发散的辐射图案。在一个实施方式中，该系统包括位于封闭或凹形的内壁周围的封闭或凹形的外壁。电子发射体位于该外壁的内侧表面，而靶膜位于该内壁的外侧表面。该发射体处的提取电压提取电子，通过加速电压，该电子被朝向该内壁加速。可选地，电子发射可以通过热离子装置。电子与该靶膜的碰撞造成x射线发射，x射线中有相当大一部分发射被定向为通过该内壁而进入到内壁限定的空间中。在一实施方式中，该发射体和靶膜的位置被颠倒，为收敛的图案设立反射而不是透射模式，而为发散的图案设立透射模式。
文档编号H01J35/00GK1981360SQ200580022800
公开日2007年6月13日 申请日期2005年5月23日 优先权日2004年5月27日
发明者斯坦利·莱希亚克, 海因兹·巴斯塔, 布鲁斯·兹维克 申请人:卡伯特微电子公司