具有液体金属阳极的生成x射线的装置制造方法

具有液体金属阳极的生成x射线的装置制造方法
【专利摘要】一种用于生成X射线的装置包括用于发射电子束的至少一个电子源，该电子束限定平面，所述平面具有在宽度维度上的预定宽度值和在长度维度上的预定长度值。宽度维度大致上与长度维度垂直。该装置还包括至少一个窗口框，其至少部分限定至少一个液体金属流径。该装置进一步包括至少一个电子窗口，其耦合于至少一个窗口框。该至少一个电子窗口安置在至少一个液体金属流径内并且配置成接收电子束。至少一个电子窗口响应于其上的电子入射而发射X射线。至少一个电子窗口包括在宽度维度和长度维度中的至少一个中弯曲的表面。
【专利说明】具有液体金属阳极的生成X射线的装置

【技术领域】
[0001] 本文描述的实施例大体上涉及用于生成X射线的装置，并且更特定地涉及对于液 体-金属阳极X射线（LIMX)源(其包括弯曲的电子窗口）的阳极模块。

【背景技术】
[0002] 至少一些已知的X射线装置使用液体金属阳极来生成X射线束，其生成光子用于 X射线衍射成像（XDI)。该技术叫作LIMX (液体-金属阳极X射线)。在生成X射线束时， 用由阴极生成的通过电子窗口（其限定电子焦点的区域)的电子束来轰击液体金属阳极。许 多已知的电子窗口包括薄金属箔或金刚石膜，其如此地薄使得电子仅失去其中它们的动能 的小部分。因此，电子的动能的显著部分沉积在焦点区域处的液体-金属阳极中并且生成 废热。因此，液体-金属阳极趋于使温度增加并且从电子焦点的区域去除生成的热以便液 体金属阳极不超出温度参数。使用液体金属的热传递机制包括至少一些湍急质量传输的对 流、传导和电子扩散过程。液体金属接收在阳极内生成的热并且循环通过包括流体输送装 置和热交换装置的线路。
[0003] XDI的检测性能(如在这样的参数中表达为假警报率（FAR)和检测率）随着在测量 中采集的光子的数量的增加而提高使得光子噪声成比例地减小。为了使检测的光子的数量 增加同时使预定测量时间维持恒定，使辐射源的辐射增加（即，使每秒、每球面度、每单位投 射源面积的发射光子的值增加)，这是必要的。这样的增加辐射通过使沉积在固定阳极中的 电子束的功率密度增加而实现。然而，这样的已知X射线装置中的许多由于与用于去除在 阳极中生成的热的热传递装置关联的限制而在X射线束的强度上受到限制。这样的限制包 括作为X射线束的向上可伸缩性的函数的液体-金属阳极的结构完整性。例如，阳极的电 子窗口部分是具有大约几十微米厚度的金属箔，其经受退化和机械不稳定。在X射线装置 的功率密度增加时，液体金属-阳极的电子窗口部分的结构完整性必须增加。


【发明内容】

[0004] 在一个方面中，提供用于生成X射线的装置。该装置包括用于发射电子束的至少 一个电子源，该电子束限定平面，所述平面具有在宽度维度上的预定宽度值和在长度维度 上的预定长度值。该宽度维度大致上与长度维度垂直。装置还包括至少一个窗口框，其至少 部分限定至少一个液体金属流径。装置进一步包括至少一个电子窗口，其耦合于该至少一 个窗口框。该至少一个电子窗口安置在至少一个液体金属流径内并且配置成接收电子束。 至少一个电子窗口响应于其上的电子入射而发射X射线。至少一个电子窗口包括在宽度维 度和长度维度中的至少一个中弯曲的表面。
[0005] 在另一个方面中，提供对于液体-金属阳极X射线（LIMX)源的阳极模块。该阳极 模块包括窗口框，其至少部分限定至少一个液体金属流径和耦合于该窗口框的电子窗口。 电子窗口安置在液体金属流径内并且配置成接收电子束。电子窗口配置成响应于其上的电 子入射而发射X射线。电子窗口包括在至少一个维度中弯曲的表面。电子束限定平面，所 述平面具有在宽度维度上的预定宽度值和在长度维度上的预定长度值。该宽度维度大致上 与长度维度垂直。

【专利附图】

【附图说明】
[0006] 图1-3示出本文描述的系统和方法的示范性实施例； 图1是用于生成X射线的示范性装置的示意横截面侧视图； 图2是可与在图1中示出的装置一起使用并且在区域2处采取的示范性阳极模块的示 意横截面侧视图；以及 图3是可与在图2中示出的阳极模块一起使用并且在区域3处采取的示范性电子窗口 的示意横截面侧视图。

【具体实施方式】
[0007] 对于包括液体-金属阳极X射线（LIMX)源的X射线装置的阳极模块提供用于生 成X射线的成本有效的方法。具体地，LIMX源包括阳极模块，其包括配置有在两个维度中 弯曲的表面来限定大致上双曲抛物面表面的弯曲电子窗口。更具体地，表面弯曲配置成接 收由电子源发射的电子束。该电子束限定平面，所述具有预定宽度值和预定长度值，宽度维 度垂直于长度维度。本文描述的实施例包括弯曲的电子窗口，其稱合于窗口框使得它们合 作来限定液体金属流径。电子窗口结合液体金属响应于其上的电子入射而发射X射线。弯 曲的电子窗口促进到液体金属流内的热传递以通过诱发液体金属的湍流并且促进关联的 机械稳定性增加而冷却电子窗口。因此，本文描述的实施例通过促进增加的电子通量和随 后的增加的X射线通量而提高X射线装置的性能，由此使假警报的可能性减小并且使假警 报率减小。
[0008] 图1是用于生成X射线（未在图1中示出）的示范性装置100的示意横截面侧视 图。在示范性实施例中，X射线装置100是液体-金属阳极X射线（LIMX)装置。X射线装 置100包括X射线管102,其由任何材料制造并且在小于大气压的任何压力的真空下实现如 本文描述的X射线装置100的操作。X射线管102限定管腔104。X射线装置100还包括阴 极106,其在管腔104的真空内生成电子束108。电子束108促进X射线束110的生成，该 X射线束110通过在X射线管102中限定的X射线发射窗口 110而离开X射线装置100。X 射线发射窗口 112大致上对于X射线束110是透明的并且具有足够的结构完整性来促进维 持X射线管102中的真空压力。
[0009] X射线装置100进一步包括阳极模块120,其将窗口框122限定为X射线管102的 一部分。阳极模块120还包括电子窗口 124,其f禹合于窗口框122。电子窗口 124由实现如 本文描述的X射线装置100的操作的任何材料制造，其无限制地包括钨(钨矿)(由于其74的 高原子序数、良好的导热性和高熔点)。然而，由于钨的易碎性质，它可与其他材料合铸来产 生，例如(没有限制地)钨铼(WRe)，或为了在更大温度范围上更大的强度，利用碳化铪（HfC) 来产生WRe/Hfc。电子窗口 124具有足够的结构完整性来促进维持X射线管102中的真空 压力。
[0010] X射线装置100还包括闭路液体-金属循环系统130,其包括抽吸装置132和热交 换装置134,它们通过多个液体-金属管道136而与彼此并且与阳极模块120流动连通地 耦合。在示范性实施例中，热交换装置134是管壳式热交换器，其包括限定二次冷却流体入 口 140和出口 142的壳体138。壳体138以及通道140和142促进引导二次冷却流体(未示 出）（例如(没有限制地）空气和水）通过热交换装置134内的液体-金属管道136。热从管 道136中的液体金属传递到二次冷却流体。备选地，热交换装置134是实现如本文描述的X 射线装置100的操作的任何装置。液体金属的流动由箭头144指示。备选地，液体金属的 流动可以在相反的方向上。液体金属流144对于在电子窗口 124中失去它们初始能量的明 显部分的那些电子充当束集器。在示范性实施例中，阳极模块120包括抽吸装置132上游 和热交换装置134下游的液体-金属管道136的一部分146。而且，在示范性实施例中，液 体-金属管道136的部分146、窗口框122和电子窗口 124合作来引导液体金属流144通过 阳极模块120。
[0011] 在操作中，电子束108由管腔104的真空内的阴极106生成并且朝阳极模块120 传送。电子束108撞击电子窗口 124并且电子的第一部分在其中赋予至少一些动能。这些 电子中的大部分继续穿过电子窗口 124。第二、大得多的部分的电子束108传送通过电子窗 口 124而在其中不与液体金属流144相互作用。束108中相对小的第一部分的电子与电子 窗口 124以及束108中经过窗口 124来与液体金属144相互作用的相对大的第二部分的电 子的相互作用采用X射线束110的形式生成X射线辐射，即，液体金属144充当靶。X射线 束110通过X射线发射窗口 112而离开X射线装置100。电子束108与电子窗口 124和液 体金属144的相互作用还在电子窗口 124和液体金属144两者中生成热，其在循环通过液 体-金属循环系统130时由液体金属144从电子窗口 124去除。
[0012] 在示范性实施例中，单个电子束与单个电子窗口相互作用来生成单个X射线束。 然而，至少一些备选实施例包括多个电子窗口来生成多个X射线束，由此限定LIMX多源系 统。更具体地，LIMX装置100的部分（S卩，包括电子窗口 124和液体-金属循环系统130的 至少一部分146的阳极模块120)可被复制来适应需要X射线多源的应用。如此，每个电子 窗口 124和液体-金属循环系统130的关联部分146定位在X射线焦点的位置处并且相继 由电子束108来处理。多个逆向扇形束几何结构是需要X射线多源的应用的一个示例。从 而，包括多个电子窗口 124和关联部分146的阳极结构适合于实现具有LIMX多源系统的 X射线衍射成像（XDI)系统。
[0013] 图2是可与X射线装置100 (在图1中示出并且沿区域2采取）一起使用的阳极 模块120的示意横截面侧视图。电子束108被取向并且配置成限定平面150,其具有预定宽 度值W和预定长度值L，宽度维度与长度维度垂直。平面150和长度L在图2中示出为垂直 地进入并且离开页面。
[0014] 图3是可与阳极模块120 (在图2中示出并且在区域3处采取）一起使用的电子 窗口 124的示意透视图。在示范性实施例中，电子窗口限定多个表面，即真空侧表面160和 冷却剂侧表面162。表面160和162中的每个在至少一个维度中弯曲，并且在示范性实施例 中，在两个维度中弯曲来限定二维（2D)的大致上双曲抛物面表面160和162。
[0015] 冷却剂侧表面162限定在与液体-金属144跨电子窗口 124流动的方向大致上一 致的第一方向上的第一曲率半径。而且，表面162的第一曲率半径是第一方向上电子束108 的宽度W和电子窗口 124中电子束108的电子范围的函数，如在下文进一步描述的。
[0016] -般，电子窗口 124的主要功能是通过电子撞击电子窗口 124和液体金属144而 将电子能转换成X射线。该转化过程对于具有相对高原子序数的窗口材料得到提高。具有 原子序数74的钨和它的合金通常用于电子到X射线转换。对于小的窗口厚度值，X射线产 量随窗口厚度线性增加。
[0017] 然而，对于中等的窗口厚度值，X射线产量逐渐变得独立于厚度。这是由于到窗口 中更大深度存活下来的至少一些电子失去如此多的动能使得它们在X射线产生方面低效。 此外，在窗口中的显著深度处产生的那些X射线显著衰减。因此，对于较厚的窗口，X射线产 量接近极限，即X射线产量饱和。另外，从窗口内的电子束的能量吸收随着窗口厚度增加而 增加并且也使窗口的两个表面之间的温度梯度增加。如此，窗口厚度的进一步增加未提高X 射线产量，而相反，促进到X射线管的热极限的差额的减小。因此，优选的电子窗口厚度在 电子范围的近似25%与近似50%之间的范围中实现。对于采用钨的具有近似250千电子伏 特（keV)的电子束，电子范围是近似50微米（μ m)。因此，在近似12 μ m与近似25 μ m之间 的厚度范围内的钨金属箔电子窗口是优选的。给出这样的对于电子窗口箔的厚度范围，在 金属箔上入射的电子中的大部分将扩散通过箔并且进入液体金属流内，即使能量减少也如 此。
[0018] 为了提高X射线从液体金属源介质的提取，电子窗口半径R应足够大使得X射线 靶的配置相对于电子束接近平面体。电子束在它照射靶时促使X射线从具有深度S (等同 于电子范围)、宽度W (等于电子束的宽度）和长度L (在电子束垂直于它的宽度的维度上） 的材料体积发射。在典型的情况下，δ是近似50 μ m，W是近似2毫米(mm)并且L是近似 5mm。如此，在弯曲电子窗口可以视为平面的使得与平面度的偏离小于电子范围时在流动方 向上的曲率半径的近似可以根据以下等式而做出：

【权利要求】
1. 一种用于生成X射线的装置，包括： 用于发射电子束的至少一个电子源，所述电子束限定平面，所述平面具有在宽度维度 上的预定宽度值和在长度维度上的预定长度值，所述宽度维度大致上与所述长度维度垂 直； 至少一个窗口框，其至少部分限定至少一个液体金属流径；以及 至少一个电子窗口，其耦合于所述至少一个窗口框，所述至少一个电子窗口安置在所 述至少一个液体金属流径内并且配置成接收所述电子束，所述至少一个电子窗口响应于其 上的电子入射而发射X射线，其中所述至少一个电子窗口包括在所述宽度维度和所述长度 维度中的至少一个中弯曲的表面。
2. 如权利要求1所述的装置，其中，在至少一个维度中弯曲的所述表面包括大致上双 曲抛物面表面。
3. 如权利要求2所述的装置，其中所述大致上双曲抛物面表面限定第一方向上的第 一曲率半径，所述第一曲率半径是所述第一方向上的电子束的宽度和所述至少一个电子窗 口中电子束的电子范围的函数。
4. 如权利要求3所述的装置，其中，所述大致上双曲抛物面表面进一步限定在大致上 与所述第一方向垂直的第二方向上的第二曲率半径，所述第二曲率半径是所述电子束的长 度和所述至少一个电子窗口中电子束的电子范围的函数。
5. 如权利要求3所述的装置，进一步包括液体-金属循环系统，其中所述第一方向大 致上是液体-金属跨所述至少一个电子窗口的流动方向。
6. 如权利要求5所述的装置，其中，所述液体-金属循环系统是闭路，其包括热去除装 置和流体输送设备。
7. 如权利要求5所述的装置，其中，所述液体-金属循环系统配置成将热从所述至少 一个电子窗口去除。
8. 如权利要求5所述的装置，其中，所述至少一个电子窗口配置成诱发液体金属的湍 流，由此提高从所述至少一个电子窗口的热传递。
9. 如权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个电子窗口具有在电子范围的近似 25%与近似50%之间的范围内的厚度，所述电子范围至少部分由所述至少一个电子窗口限 定。
10. 如权利要求9所述的装置，其中，所述至少一个电子窗口由钨制造，所述电子束包 括具有近似250千电子伏特（keV)能量的电子，所述电子范围是近似50微米（μ m)，并且所 述至少一个电子窗口的厚度在近似12 μ m与近似25 μ m之间的范围内。
11. 一种对于液体-金属阳极X射线（LIMX)源的阳极模块，所述阳极模块包括： 窗口框，其至少部分限定至少一个液体金属流径；以及 电子窗口，其耦合于所述窗口框，所述电子窗口安置在所述液体金属流径内并且配置 成接收电子束，所述电子窗口配置成响应于其上的电子入射而发射X射线，其中所述电子 窗口包括在至少一个维度中弯曲的表面，所述电子束限定平面，所述平面具有在宽度维度 上的预定宽度值和在长度维度上的预定长度值，所述宽度维度大致上与所述长度维度垂 直。
12. 如权利要求11所述的阳极模块，其中，在至少一个方向上弯曲的所述表面包括大 致上双曲抛物面表面。
13. 如权利要求12所述的阳极模块，其中，所述大致上双曲抛物面表面限定在第一方 向上的第一曲率半径，所述第一曲率半径是所述第一方向上的电子束的宽度和所述电子窗 口中电子束的电子范围的函数。
14. 如权利要求13所述的阳极模块，其中，所述大致上双曲抛物面表面进一步限定在 大致上与所述第一方向垂直的第二方向上的第二曲率半径，所述第二曲率半径是所述电子 束的长度和所述电子窗口中电子束的电子范围的函数。
15. 如权利要求13所述的阳极模块，其中，所述第一方向大致上是液体-金属跨所述 电子窗口的流动方向。
16. 如权利要求15所述的阳极模块，其中，所述电子窗口配置成将热传递到所述液体 金属。
17. 如权利要求15所述的阳极模块，其中，所述电子窗口配置成诱发所述液体金属的 揣流，由此提1?从所述电子窗口的热传递。
18. 如权利要求11所述的阳极模块，其中，所述电子窗口具有在电子范围的近似25% 与近似50%之间的范围内的厚度，所述电子范围至少部分由所述电子窗口限定。
19. 如权利要求18所述的阳极模块，其中，所述电子窗口由钨制造并且配置成与电子 束撞击，所述电子束包括具有近似250千电子伏特（keV)能量的电子，其中所述电子窗口内 的电子范围是近似50微米（μ m)，并且所述电子窗口的厚度在近似12 μ m与近似25 μ m之 间的范围内。
20. 如权利要求11所述的阳极模块，进一步包括与所述窗口框和所述电子窗口合作 来引导液体-金属流通过所述阳极模块的液体-金属管道的至少一部分。
【文档编号】H01J35/18GK104319216SQ201410262040
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年6月13日 优先权日:2013年6月14日
【发明者】G.哈丁 申请人:莫福探测仪器有限责任公司