输出稳定性增强的X射线源组件及优化X射线传输的方法
阅读：994发布：2020-05-11
专利汇可以提供输出稳定性增强的X射线源组件及优化X射线传输的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且提供具有增强的输出 稳定性 的 X射线 源组件(2700)及操作方法。该组件包括具有 电子 (2120)撞击在其上的源点的 阳极 (2125)以及用于控制阳极源点相对于输出结构的 位置 的控制系统(2715/2720)。尽管X射线源组件的一个或多个操作条件改变，控制系统也能维持阳极源点相对于输出结构(2710)的位置。所公开的 发明 的一个方面最适合分析基于石油的 燃料 中的硫。，下面是输出稳定性增强的X射线源组件及优化X射线传输的方法专利的具体信息内容。
1.一种X射线源组件，包括：
具有用于生成X射线的阳极的X射线管；
用于聚集由所述阳极生成的X射线的光学部件；
所述组件包括固定在其中的所述X射线管和所述光学部件，X射 线由所述光学部件从所述组件中发出；以及
控制系统，用于控制所述光学部件的X射线输出强度，其中，尽 管所述X射线源组件的至少一个操作条件改变，所述控制系统也能 维持X射线输出强度。
2.如权利要求1所述的X射线源组件，其特征在于，所述控制 系统进一步包括用于监视所述光学部件的X射线输出强度的传感器 和用于使用所监视的X射线输出强度，控制所述阳极和所述光学部 件中的至少一个的位置的控制器。
3.如权利要求2所述的X射线源组件，其特征在于，所述控制 器包括至少一个执行机构，所述至少一个执行机构包括至少一个用于 实现所述阳极相对于所述光学部件的位置的调整的温度执行机构或 机械执行机构，从而控制来自所述光学部件的X射线输出强度。
4.如权利要求1-3的任何一个所述的X射线源组件，其特征在 于，所述光学部件包括形式为多毛细管光学部件、聚焦晶体、针孔、 狭缝或者过滤器的聚焦光学部件和准直光学部件中的一个。
5.如权利要求1-3的任何一个所述的X射线源组件，其特征在 于，所述至少一个操作条件包括阳极功率电平；在所述X射线源组 件周围的环境温度；和/或所述X射线源组件的外壳温度。
6.如权利要求1-3的任何一个所述的X射线源组件，其特征在 于，所述控制系统包括用于控制所述光学部件的X射线输出强度的 自动控制系统，以及其中所述控制系统是基于反馈或基于预测的系 统。
7.如权利要求1-3的任何一个所述的X射线源组件，其特征在 于，所述控制系统进一步包括用于执行下述操作的装置：
获得阳极功率电平；
获得阳极温度、环绕所述阳极的外壳的温度，以及在所述X射线 源组件周围的环境温度中的至少一个；
确定用于所获得的阳极功率电平的参考温度；以及
采用所述参考温度以及所述阳极温度和所述外壳温度中的至少 一个，控制阳极源点相对于所述光学部件的位置。
8.如权利要求1-3中任何一个所述的X射线源组件，进一步包 括：
至少部分封闭所述X射线管的外壳；
用于将所述X射线管安装在所述外壳中的可调整安装装置；
其中所述可调整安装装置允许所述X射线管在所述外壳中的位 置调整，优化从其发出的X射线传输。
9.如权利要求8所述的X射线源组件，其特征在于，所述可调 整安装装置包括多个螺纹紧固件。
10.如权利要求8所述的X射线源组件，进一步包括：
用于将所述X射线管与所述外壳对准的基准点。
11.结合用于使用X射线分析样本的设备的在前权利要求1-3的 任何一个所述的X射线源组件，所述设备包括：
用于使所述样本暴露于X射线以便使所述样本的至少一种成分 发出X射线荧光的装置；以及
用于分析来自所述样本的X射线荧光以便确定所述样本的至少 一种特性的装置。
12.如权利要求1-3的任何一个所述的X射线源组件，进一步 包括：
热耦合到所述X射线管并用于去除由所述X射线管产生的热的导 热介质材料。
13.一种X射线源组件，包括X射线源和X射线聚焦设备，其 中，所述X射线源包括：
用于生成X射线的X射线管；
具有至少一个穿孔的外壳，所述穿孔用于发射由所述X射线管生 成的X射线；
用于将所述X射线管安装在所述外壳中的可调整安装装置；
其中，所述X射线聚焦设备安装在所述外壳中的所述至少一个穿 孔附近，由此所述X射线聚焦设备从所述X射线管接收至少一些X 射线；以及
其中，所述可调整安装装置允许所述X射线管在所述外壳中的位 置调整以优化X射线透过所述X射线聚焦设备的传输。
14.如权利要求13所述的X射线源组件，其特征在于，所述可 调整安装装置包括多个螺纹紧固件。
15.如权利要求13所述的X射线源组件，其特征在于，所述X 射线聚焦设备包括形式为多毛细管光学部件、聚焦晶体、针孔、狭缝 或者过滤器的聚焦光学部件和准直光学部件中的一个。
16.如权利要求13所述的X射线源组件，进一步包括：
用于将所述X射线管与所述外壳对准的基准点。
17.如权利要求16所述的X射线源组件，其特征在于所述基准 点包括定位销或定位孔。
18.结合用于使用X射线分析样本的设备的在前权利要求13-17 的任何一个所述的X射线源组件，所述设备包括：
用于使所述样本暴露于X射线以便使所述样本的至少一种成分 发出X射线荧光的装置；以及
用于分析来自所述样本的X射线荧光以便确定所述样本的至少 一种特性的装置。
19.如权利要求13-17的任何一个所述的X射线源组件，进一 步包括：
热耦合到所述X射线管并用于去除由所述X射线管产生的热的导 热介质材料。
20.如权利要求13-17的任何一个所述的X射线源组件，进一 步包括：
控制系统，用于控制所述X射线管的阳极源点相对于所述至少一 个穿孔的位置，其中尽管所述X射线源组件的至少一个操作条件改 变，所述控制系统也能维持所述阳极源点的位置；
其中所述控制系统包括至少一个执行机构，用于实现所述阳极源 点和所述穿孔中的至少一个的运动；以及
其中所述控制系统进一步包括至少一个传感器，用于提供有关所 述阳极源点相对于所述穿孔的位置的反馈。
21.一种优化来自X射线源和X射线聚焦设备的X射线的传输 的方法，其中，所述X射线源包括用于生成X射线的X射线管和具 有至少一个穿孔的外壳，所述穿孔用于发射由所述X射线管生成的X 射线，所述方法包括：
在所述外壳中提供用于所述X射线管的可调整安装装置；
使用所述可调整安装装置，将所述X射线管安装在所述外壳中；
将所述X射线聚焦设备安装在所述外壳中的所述至少一个穿孔 附近，由此所述X射线聚焦设备从所述X射线管接收至少一些X射 线；以及
调整所述X射线管的所述可调整安装装置以便优化X射线透过所 述X射线聚焦设备的传输。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述可调整安装 装置包括多个螺纹紧固件。
23.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述X射线聚焦 设备包括形式为多毛细管光学部件、聚焦晶体、针孔、狭缝或者过滤 器的聚焦光学部件和准直光学部件中的一个。
24.如权利要求21所述的方法，进一步包括：
利用在所述外壳中的一对准装置，将所述X射线管与所述X射线 外壳对准。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于所述对准装置包括 用于将所述X射线管与所述外壳对准的基准点。
26.一种X射线源组件，包括：
具有源点的阳极，电子撞击在所述源点上；以及
控制系统，用于控制所述阳极源点相对于所述组件的一输出结构 的位置，其中尽管所述X射线源组件的至少一个操作条件改变，所 述控制系统也能维持所述阳极源点相对于所述输出结构的位置。
27.如权利要求26所述的X射线源组件，其特征在于，所述控 制器包括至少一个温度执行机构，用于执行加热所述阳极和冷却所述 阳极中的至少一个，以及由此实现所述阳极源点相对于所述输出结构 的位置的调整；以及用于调整所述阳极源点和所述输出结构中的至少 一个的位置的机械执行机构。
28.如权利要求26所述的X射线源组件，其特征在于，所述控 制系统进一步包括至少一个传感器，用于提供有关所述阳极源点相对 于所述输出结构的位置的反馈，其中所述至少一个传感器包括用于执 行下列操作中的至少一个的传感器：监视阳极功率电平；直接或间接 监视阳极温度，测量在所述X射线源组件周围的环境温度；和/或测 量所述外壳的温度。
29.如权利要求26所述的X射线源组件，其特征在于，所述输 出结构包括用于聚集由所述阳极生成的X射线的光学部件。
30.如权利要求29所述的X射线源组件，其特征在于，所述光 学部件包括形式为多毛细管光学部件、聚焦晶体、针孔、狭缝或者过 滤器的聚焦光学部件和准直光学部件中的至少一个。
31.如权利要求26-30的任何一个所述的X射线源组件，其特 征在于，所述至少一个操作条件包括阳极功率电平；在所述X射线 源组件周围的环境温度；和/或所述X射线源组件的外壳温度。
32.如权利要求26-30的任何一个所述的X射线源组件，其特 征在于，所述控制系统进一步包括用于执行下述操作的装置：
获得阳极功率电平；
获得阳极温度、环绕所述阳极的外壳的温度，以及在所述X射线 源组件周围的环境温度中的至少一个；
确定用于所获得的阳极功率电平的参考温度；以及
采用所述参考温度以及所述阳极温度和所述外壳温度中的至少 一个，控制阳极源点相对于所述输出结构的位置。
33.如权利要求26-30中任何一个所述的X射线源组件，进一 步包括：
至少部分封闭包括所述所述阳极的X射线管的外壳；
用于将所述X射线管安装在所述外壳中的可调整安装装置；
其中所述可调整安装装置允许所述X射线管在所述外壳中的位 置调整以优化从其发出的X射线传输。
34.如权利要求33所述的X射线源组件，进一步包括：
用于将所述X射线管与所述外壳对准的基准点。
35.一种用于提供X射线的方法，包括：
提供具有阳极的X射线源组件，所述阳极具有电子撞击在其上的 源点；以及
控制所述阳极源点相对于所述组件的一输出结构的位置，其中所 述控制包括尽管所述X射线源组件的至少一个操作条件改变，也能 维持所述阳极源点相对于所述输出结构的位置。
36.如权利要求35所述的方法，其特征在于，所述控制包括自 动控制所述阳极源点和所述输出结构中的至少一个的位置，以便尽管 所述X射线源组件的至少一个操作条件改变，也能维持所述阳极源 点相对于所述输出结构的位置。
37.如权利要求35所述的方法，其特征在于，所述输出结构包 括用于聚集由所述阳极生成的X射线的光学部件。
38.如权利要求37所述的方法，其特征在于，所述光学部件包 括形式为多毛细管光学部件、聚焦晶体、针孔、狭缝或者过滤器的聚 焦光学部件和准直光学部件中的至少一个。
39.如权利要求35所述的方法，其特征在于，所述至少一个操 作条件包括阳极功率电平；在所述X射线源组件周围的环境温度； 或所述X射线源组件的外壳温度。
技术领域
本发明总体上涉及X射线源，更具体地说，涉及在操作条件的 范围上，具有增强稳定性的聚焦或准直X射线射束输出的X射线源 组件，以及在流体流(fluid stream)分析中的具体应用。
背景技术
X射线分析方法的实现是二十世纪科学和技术中最重要的发展 之一。X射线衍射、X射线光谱学、X射线成像以及其他X射线分 析技术的使用实际上已经使所有科学领域中的知识产生了意义深远 的增加。
X射线荧光(XRF)是一种分析技术，通过该技术，使物质暴露 于X射线的射束之下以便确定例如存在某些化学成分。在XRF技术 中，暴露于X射线的物质的至少一些化学成分能吸收X射线光子并 产生特有的次生荧光(secondary fluorescence)X射线。这些次生X 射线是该物质中的这些化学成分所特有的。通过适当的检测和分析， 这些次生X射线可以被用来特征化该物质中的一个或多个化学成 分。XRF技术在许多化学和材料科学领域中具有广阔的应用，其中 包括药物分析、半导体芯片评估以及辩论学(forensics)，等等。
XRF方法经常被用于测量燃料，例如基于石油的燃料，诸如汽 油和柴油燃料的含硫量。已知的现有XRF系统可检测燃料中的低至 按重量的百万分之(ppm)五的硫；然而，这种可检测性要求严格 的控制条件，例如，这种可检测性通常仅能在实验室中实现。在不 太严格的条件下，例如，在野外，现有的XRF方法，诸如ASTM标 准方法D2622被限制到仅能检测燃料中的约30ppm的硫。其中，本 发明提供燃料中的硫的XRF检测的可重复性和可检测性。
在上述这些和许多其他行业中，例如分析行业，经常使用X射 线射束生成设备。X射线射束生成设备通常可能包括通过使电子束 撞击到金属表面来生成X射线的X射线管。X射线管通常包括生成 电子束的电子枪和提供使电子束对准到其上的金属表面的阳极。通 常，电子枪和阳极在三种不同模式下操作：1)具有接地的阳极和以 高的正电压操作的电子枪；2)具有接地的电子枪(即接地的阴极) 和以高的负电压操作的阳极；或3)在“双极性”模式中，具有以不 同电压操作的阴极和阳极。对于低功率应用，X射线管通常在“接 地阴极”的情况下操作，其中电子枪和其相邻的部件基本上以地电 势操作而阳极及其相邻的部件，如果有的话，以高电势，例如在50 千伏(kv)或更高的电势下操作。
阳极上的电子束撞击和在这样的高压下的阳极的操作产生热，通 常是大量热，例如，至少约50瓦特。为散去该热量，通常使X射线 管侵入冷却液，即热传导冷却液中，诸如具有足够高的介质强度以 防止冷却油分解和允许在高电势时产生电弧的冷却油。典型的高介 质冷却液是由Shell Oil公司提供的Diala Ax油。
在传统技术中，X射线管和冷却油通常保存在密封容器中，例如 圆柱金属容器中，其中X射线管侵入油中并与容器电绝缘。最终结 构包括具有高电势下的高温阳极的X射线管，由高介质强度的油围 绕，所有的均封装在密封金属容器内。其结果是，当油被阳极加热 时，油通常在容器内对流传热。这种通过对流的油的加热还经对流 使容器壁和X射线管本身加热。通常，可以直接通过例如自然对流、 强迫通风对流或在容器的外部上流动冷却液来使密封容器的外壁冷 却。这一对流和传导的传热链是低效的冷却过程。即使对要求普通 功率耗散的传统的X射线管，X射线射束设备及其部件通常将达到 较高的温度，例如120摄氏度。这样的高温是不期望的并且可能对 X射线管的操作是有害的。
由此，在本领域的技术中需要提供简化的方法，用于冷却X射 线射束设备，或任何其他高温、高压设备。
此外，直到近年来难以实现的聚焦X射线辐射的能力已经允许 缩减X射线源的大小和成本，以及由此的在各种应用中发现用途的 X射线系统的大小和成本。美国专利No.6,351,520描述了X射线源 的一个例子，其包括允许产生高强度、小尺寸X射线点大小的聚焦 元件，同时包含低功率、降低成本的X射线源。
尽管近年来已经实现了聚焦X射线辐射的能力方面的进展，但 仍然需要进一步增强X射线源组件，以提高例如在各种操作条件下， X射线射束的输出稳定性。本发明针对满足这种需要。
X射线荧光(XRF)是一种分析技术，通过该技术，使物质暴露 于X射线的射束之下以便确定例如存在某些化学成分。在XRF技术 中，暴露于X射线的物质的至少一些化学成分能吸收X射线光子并 产生特有的次生荧光(secondary fluorescence)X射线。这些次生X 射线是该物质中的这些化学成分所特有的。通过适当的检测和分析， 这些次生X射线可以被用来特征化该物质中的一个或多个化学成 分。XRF技术在许多化学和材料科学领域中具有广阔的应用，其中 包括药物分析、半导体芯片评估以及辩论学(forensics)，等等。
XRF方法经常被用于测量燃料，例如基于石油的燃料，诸如汽 油和柴油燃料的含硫量。已知的现有XRF系统可检测燃料中的低至 按重量的百万分之(ppm)五的硫；然而，这种可检测性要求严格 的控制条件，例如，这种可检测性通常仅能在实验室中实现。在不 太严格的条件下，例如，在野外，现有的XRF方法，诸如ASTM标 准方法D2622被限制到仅能检测燃料中的约30ppm的硫。其中，本 发明提供燃料中的硫的XRF检测的可重复性和可检测性。
在上述这些和许多其他行业中，例如分析行业，经常使用X射 线射束生成设备。X射线射束生成设备通常可能包括通过使电子束 撞击到金属表面来生成X射线的X射线管。X射线管通常包括生成 电子束的电子枪和提供使电子束对准到其上的金属表面的阳极。通 常，电子枪和阳极在三种不同模式下操作：1)具有接地的阳极和以 高的正电压操作的电子枪；2)具有接地的电子枪(即接地的阴极) 和以高的负电压操作的阳极；或3)在“双极性”模式中，具有以不 同电压操作的阴极和阳极。对于低功率应用，X射线管通常在“接 地阴极”的情况下操作，其中电子枪和其相邻的部件基本上以地电 势操作而阳极及其相邻的部件，如果有的话，以高电势，例如在50 千伏(kv)或更高的电势下操作。
阳极上的电子束撞击和在这样的高压下的阳极的操作产生热，通 常是大量热，例如，至少约50瓦特。为散去该热量，通常使X射线 管侵入冷却液，即热传导冷却液中，诸如具有足够高的介质强度以 防止冷却油分解和允许在高电势时产生电弧的冷却油。典型的高介 质冷却液是由Shell Oil公司提供的Diala Ax油。
在传统技术中，X射线管和冷却油通常保存在密封容器中，例如 圆柱金属容器中，其中X射线管侵入油中并与容器电绝缘。最终结 构包括具有高电势下的高温阳极的X射线管，由高介质强度的油围 绕，所有的均封装在密封金属容器内。其结果是，当油被阳极加热 时，油通常在容器内对流传热。这种通过对流的油的加热还经对流 使容器壁和X射线管本身加热。通常，可以直接通过例如自然对流、 强迫通风对流或在容器的外部上流动冷却液来使密封容器的外壁冷 却。这一对流和传导的传热链是低效的冷却过程。即使对要求普通 功率耗散的传统的X射线管，X射线射束设备及其部件通常将达到 较高的温度，例如120摄氏度。这样的高温是不期望的并且可能对 X射线管的操作是有害的。
由此，在本领域的技术中需要提供简化的方法，用于冷却X射 线射束设备，或任何其他高温、高压设备。
此外，直到近年来难以实现的聚焦X射线辐射的能力已经允许 缩减X射线源的大小和成本，以及由此的在各种应用中发现用途的 X射线系统的大小和成本。美国专利No.6,351,520描述了X射线源 的一个例子，其包括允许产生高强度、小尺寸X射线点大小的聚焦 元件，同时包含低功率、降低成本的X射线源。
尽管近年来已经实现了聚焦X射线辐射的能力方面的进展，但 仍然需要进一步增强X射线源组件，以提高例如在各种操作条件下， X射线射束的输出稳定性。本发明针对满足这种需要。
发明内容
本发明提供解决现有技术方法和装置的许多局限的方法和装置。 在下述描述中，以及整个说明书中，措辞“聚焦”、“进行聚焦”和 “被聚焦”等等重复出现，例如在“聚焦设备”、“X射线聚焦设备”、 “用于聚焦的设备”、“聚焦光学部件”等等中。尽管根据本发明， 这些措辞可能应用于的确“聚焦”X射线，例如使其集中的设备或 方法，但这些措辞不打算将本发明限制到“聚焦”X射线的设备。 根据本发明，术语“聚焦”和相关的术语还意在识别集中X射线、 准直X射线、会聚X射线、发散X射线的方法和设备，或以任何方 式，改变X射线的强度、方向、路径或形状的设备。通过术语“聚 焦”及其相关术语，所有这些处理、控制、改变、修改或处理加工 X射线的手段均包含在本说明书中。
本发明的一个方面是X射线管组件，包括X射线管以及热耦合 到X射线管的导热介质材料，用于去除由X射线管产生的热。该导 热介质材料可以是氮化铝、氧化铍和类金刚石碳等等。X射线管组 件可以包括具有第一端和第二端的X射线管，并且X射线管的第一 端包括电子束发生器而X射线管的第二端包括具有一表面的阳极， 电子束撞击在该表面上以便产生X射线源。导热介质材料通常热耦 合到阳极。冷却装置也可以热耦合到导热介质材料，例如至少一个 散热片或散热销。在本发明的一个方面中，通过导热介质材料，可 能以X射线管去除足够多的热，从而可以通风冷却X射线管组件。 在本发明的一个方面中，通过导热介质材料，可以从X射线管去除 足够热量，从而X射线管不与流体冷却剂接触。
本发明的另一方面包括操作具有电子束发生器和阳极的X射线 管组件的方法，包括：将电子束从电子束发生器引导到阳极以便产 生X射线，并由此加热阳极；提供与阳极热耦合的导热介质材料， 以及通过该导热介质材料，传导来自阳极的热量。同样，该导热介 质材料可以是氮化铝、氧化铍和类金刚石碳等等。在一个方面中， 阳极被电绝缘并且很少或没有电子从阳极到达导热介质材料。在该 方法的一个方面中，当通过导热介质材料，传导来自阳极的热时， 可以从阳极去除足够热量，由此通风冷却X射线管组件。在该方法 的一个方面中，当通过导热介质材料，传导来自阳极的热量时，可 以从阳极去除足够热量，由此X射线管不与流体冷却剂接触。
本发明的另一方面包括X射线源组件，包括：外壳；用于生成 X射线的X射线管，该X射线管安装在该外壳中；热耦合到X射线 管的导热介质材料，用于去除由X射线管产生的热；以及外壳中的 至少一个穿孔，用于发射由X射线管产生的X射线。该X射线管组 件可以进一步包括用于可调整地将X射线管安装在外壳中的装置。 在一个方面中，X射线管组件可以包括具有第一端和第二端的X射 线管，并且X射线管的第一端包括电子束发生器而X射线管的第二 端包括一表面，电子束撞击在该表面上产生X射线。同样，导热介 质材料可以是氮化铝、氧化铍和类金刚石碳等等。通过热耦合到导 热介质材料上的至少一个散热片或散热销，也可以冷却介质材料。 该X射线源组件也可以具有通过例如至少一个螺纹销，可调整地安 装到X射线管外壳上的X射线源。该X射线源组件也可以包括用于 通过例如具有至少一个穿孔的可移动隔板，改变或修改通过外壳中 的至少一个穿孔发出的X射线的装置。在本发明的一个方面中，可 以安装X射线光学部件以便接收通过外壳中的至少一个穿孔发出的 至少一些X射线。在这一组件的一个方面中，通过导热介质材料， 可以从X射线管去除足够多的热，从而可以通风冷却X射线管组件。 在本发明的一个方面中，通过导热介质材料，可以从X射线管去除 足够热量，从而X射线管不与流体冷却剂接触。
本发明的另一方面包括操作具有包括电子束发生器的第一端和 具有阳极的第二端以及与该阳极热耦合的导热介质材料的X射线管 组件的方法，包括从电子束发生器将电子束引导到阳极以便提供X 射线，从而加热阳极；以及通过将热从阳极传导到导热介质材料， 冷却阳极。该X射线管组件可以包括至少一个散热片或散热销以及 冷却阳极可以进一步包括在至少一个散热销或散热片上传递流体冷 却剂。另外，通过将热从阳极传导到导热介质材料来冷却阳极可以 在从阳极传递很少或不传递电子的情况下进行。在这一方法的一个 方面中，当通过导热介质材料，传导来自阳极的热来冷却阳极时， 可以从阳极去除足够热量，由此X射线管组件可以被通风冷却。在 该方法的另一方面中，当通过导热介质材料，传导来自阳极的热量 来冷却阳极时，可以从阳极去除足够热量，由此X射线管不与流体 冷却剂接触。
本发明的另一方面包括用于最优化来自X射线源和X射线聚焦 设备的X射线的传输的方法，其中，该X射线源包括用于生成X射 线的X射线管，该X射线管通过可调整安装装置安装在外壳中；该 外壳具有至少一个穿孔，用于发射由X射线管产生的X射线，该方 法包括：将X射线管安装在外壳中；激发X射线管，由此从外壳中 的至少一个穿孔发出X射线射束；将X射线聚焦设备安装在外壳中 的至少一个穿孔附近，由此X射线聚焦设备从X射线管接收至少一 些X射线；以及调整X射线管的可调整安装装置以便最优化X射线 透过X射线聚焦设备的传输。该可调整安装装置可以包括多个螺纹 紧固件。该X射线聚焦设备可以包括X射线聚焦晶体或X射线聚焦 毛细管设备。
本发明的另一方面是X射线荧光分析系统，包括：具有X射线 源和外壳的X射线源组件；第一X射线聚焦设备，可操作地连接到 X射线源组件并具有用于使第一X射线聚焦设备与X射线源组件对 准的装置；X射线暴露组件，具有可操作地连接到X射线聚焦设备 的外壳并具有用于使X射线暴露组件与第一X射线聚焦设备对准的 装置；第二X射线聚焦设备，可操作地连接到X射线暴露组件并具 有用于使第二X射线聚焦设备与X射线暴露组件对准的装置；以及 X射线检测设备，可操作地连接到第二X射线聚焦设备并具有用于 使X射线检测设备与第二X射线聚焦设备对准的装置；其中，用于 对准的装置中的至少一个包括多个对准销。至少一个组件，优选的 是多个组件的对准允许一个或多个组件厂外装配并就地安装，不需 要现场大范围地重新对准组件。避免现场重新对准更有效。
本发明的另一方面是检测X射线的方法，包括：提供X射线源， 使用X射线光学部件，将至少一些X射线聚焦在小面积X射线检测 器上；以及通过该小面积X射线检测器，检测X射线。在本发明的 一个方面中，该小面积检测器可以是半导体型检测器或硅-锂型检测 器(即SiLi型检测器)。在本发明的一个方面中，该小面积检测器可 以是PIN二极管型检测器。本发明的一个方面进一步包括冷却该小 面积检测器，例如，通风冷却该小面积检测器。该小面积射线检测 器可以包括检测器孔并且该检测器孔面积可以小于约10平方毫米， 优选的是小于约6平方毫米，或甚至小于约4平方毫米。可以使用 毛细管型X射线光学部件或DCC X射线光学部件来实施至少一些X 射线的聚焦。本方法可以在大于约0摄氏度的温度，例如在约10摄 氏度和约40摄氏度之间的温度下实施。
本发明的另一方面包括用于检测X射线的设备，包括：小面积 X射线检测器；以及用于将至少一些X射线聚焦在该小面积X射线 检测器上的装置。该小面积X射线检测器通常包括具有小于约10 平方毫米的面积典型的是小于约6平方毫米的检测器孔。该小面积 检测器可以是半导体型检测器或硅-锂型检测器(即SiLi型检测器)。 在本发明的一个方面中，该小面积检测器可以是PIN二极管型检测 器。在本发明的一个方面中，该小面积检测器可以被冷却，例如通 风冷却。用于聚焦至少一些X射线的装置可以包括X射线光学部件， 例如弯曲晶体或毛细管X射线光学部件。
本发明的另一方面包括用于使用X射线分析流体的装置，包括： 用于使流体暴露于X射线以便使流体的至少一种成分发出X射线荧 光的装置；以及用于分析来自流体的X射线荧光以便确定流体的至 少一种特性的装置。该流体可以是液体或气体。用于使流体暴露于 X射线的装置可以是用于在流体上聚焦X射线的至少一种X射线光 学部件。
本发明的另一方面包括用于使用X射线，分析流体中的成分的 方法，包括：将流体暴露于X射线以便使流体的至少一种成分发出 X射线荧光；检测来自流体的X射线荧光；以及分析所检测到的X 射线荧光以便确定流体的至少一种特性。根据一个方面，在一时间 周期内基本上连续地实施该方法。该方法也可以在真空下实施。
在个方面中，在大于约-50摄氏度的温度，例如大于约0摄氏 度的温度下实施X射线荧光的检测。在本发明的另一方面中，可以 使用小面积X射线检测器，例如半导体型检测器，例如PIN型半导 体X射线检测器，来实施X射线荧光检测。
本发明的另一方面包括用于分析燃料中的硫的装置，包括：用于 使燃料暴露于X射线以便使燃料中的至少一些硫发出X射线荧光的 装置；以及用于分析来自燃料的X射线荧光以便确定燃料中的硫的 至少一种特性的装置。燃料中的硫的至少一个特性可以是燃料中硫 的浓度。
本发明的另一方面是提供用于分析燃料中的硫的方法，使燃料暴 露于X射线以便使燃料中的至少一些硫发出X射线荧光；检测X射 线荧光；以及分析来自硫的X射线荧光以便确定燃料中的硫的至少 一种特性。在一时间周期内基本上连续实施该方法。使燃料暴露于 X射线可以在真空下实施。当在真空下实施时，燃料通常密封在一 室中以便防止暴露于真空，例如，燃料可以密封在室中而X射线经 室中的窗接近燃料。根据一个方面，X射线可以是单色X射线。另 外，X射线荧光的检测可以在大于约-100摄氏度，通常大于约-50 摄氏度，或甚至于大于约0摄氏度的温度，例如在约室温(20摄氏 度)下实施。可以使用半导体型检测器，例如PIN型半导体检测器 实施检测。
有关本发明的改进的散热方面，本发明是用于冷却和电绝缘高 压、生热部件的设备。该设备包括：第一导热材料，具有与所述部 件热连接的第一侧和一第二侧；导热介质材料，具有与第一导热材 料的第二侧热相接的第一侧和一第二侧；以及第二导热材料，具有 与导热介质材料的第二侧热相接的第一侧，其中，由所述部件产生 的热通过该设备被传导远离部件同时最小化设备上的电流损耗。在 本发明的一个方面中，所述部件和第一导热材料间的热相接通过所 述部件和第一导热材料的接触面实现，其中该接触面具有第一外尺 寸，以及其中，第一导热材料包括具有大于第一外尺寸的第二外尺 寸的外围，其中在从接触面朝向第一导热材料的外围的方向中，在 第一导热材料中传导来自所述部件的至少一些热。在本发明的另一 方面中，第一导热材料包括第一板，其中至少一些热在从接触面朝 向第一板的外围的方向中，在第一板中传导，并因此通过该导热介 质材料传导到第二导热介质材料。本发明还可以包括用于帮助从第 二导热材料移出热的装置，例如至少一个散热片或散热销。在本发 明的一个方面中，导热介质材料包括氮化铝、氧化铍和类金刚石中 的一个。高压、生热部件可以是X射线发生器、电子束发生器、高 压引线或微波发生器等等。
本发明的这一方面可以与如上所述的流体分析技术和光学部件 一起使用。
散热发明的另一方面是X射线管组件，包括：由高压、加热阳 极组成的X射线管；以及耦合到阳极的散热设备，该散热设备包括： 第一金属板，具有与阳极热相接的第一侧和一第二侧；导热介质材 料板，具有与第一金属板的第二侧热相接的第一侧和一第二侧；以 及第二金属板，具有与导热介质材料板热相接的第一侧；其中在阳 极中产生的热通过该设备被传导远离阳极的同时，该设备上的电流 损耗被最小化。在本发明的一个改进方面中，散热设备提供用于阳 极的结构支撑，例如散热设备能基本上提供用于阳极的所有结构支 撑。在本发明的另一方面中，X射线管组件进一步包括与第一金属 板耦合的高压连接器。
本发明的这一方面可以与如上所述的流体分析技术和光学部件 一起使用。
散热发明的另一方面是用于制作用于冷却和电绝缘高压、生热部 件的设备的方法，该方法包括：提供具有用于接触该部件的第一表 面和一第二表面的第一导热材料；提供具有第一表面和第二表面的 导热介质材料；将第一导热介质材料的第一表面耦合到第一导热材 料的第二表面，使得第一导热材料和导热介质材料热连接；提供具 有第一表面和第二表面的第二导热材料；以及将第二导热材料的第 一表面耦合到导热介质材料的第二表面，使得导热介质材料和第二 导热材料热连接。在本发明的一个方面中，耦合包括胶粘、粘接、 钎焊(soldering)、铜焊(brazing)或焊接(welding)。可以使用的 一种粘合剂是Dow Chemical的4174导热硅粘合剂或其等效物。本 发明的另一方面进一步包括使高压连接器耦合到导电的第一导热材 料。
本发明的这一方面可以与如上所述的流体分析系统和光学部件 一起使用。
由于可能期望使由X射线设备产生的X射线射束与内部或外部 X射线光学部件对准，因此根据本发明的一个方面，X射线射束设 备的部件以这样一种方式安装，使得用户可以调整X射线射束相对 于光学部件的位置或方向，以便考虑由于热膨胀引起对准变化等等。 此外，由于当X射线管在密封容器内被螺栓固定并且该密封容器包 含冷却流体时，使X射线射束与光学部件对准很难，因此在本发明 的一个方面中，提供X射线射束设备，其需要很少或不需要冷却流 体。例如，根据本发明的一个方面，提供具有足够冷却的X射线射 束设备，但仍允许使设备对准，例如精确地对准光学设备。
本发明的这一方面可以与如上所述的流体分析系统和光学部件 一起使用。
有关本发明的增强的稳定性方面，诸如在如上所述的X射线管 中，使用撞击在阳极上的电子束以生成X射线，能生成足够使在X 射线源内支撑和定位X射线管的元件热膨胀的热量。该热膨胀能足 够使从阳极发散的X射线以及例如用来控制X射线的方向的元件之 间未对准。结果是，以不同功率操作X射线源会导致发散X射线和 聚焦电极间的一范围内的未对准。该未对准可能使X射线源的输出 功率强度大幅改变。未对准还会使用于一些类型的射束控制元件， 例如用于针孔或单面反射镜的X射线光点或X射线射束位置变化。 因此，在一个方面中，在此提供X射线源组件，其在操作功率电平 的一个范围内具有增强的输出稳定性，以及增强的X射线光点或X 射线射束位置稳定性。更具体地说，根据本发明的一个方面的X射 线源组件提供即使改变X射线源的一个或多个操作条件，诸如阳极 功率电平、外壳温度和组件周围的环境温度，也能维持相对恒定的 X射线射束输出强度。
本发明的这一方面可以与如上所述的流体分析系统、光学部件和 散热方面一起使用。
为增强稳定性，通过提供包括具有电子撞击在其上的源点的阳极 和用于控制阳极源点相对于输出结构的位置的控制系统的X射线源 组件，提供另外的优点。即使X射线源组件的一个或多个操作条件 改变，该控制系统也能维持阳极源点相对于输出结构的位置。
本发明的这一方面可以与如上所述的流体分析系统、光学部件和 散热方面一起使用。
在本发明的另一增强稳定性的方面中，提供X射线源组件，包 括具有用于生成X射线的阳极的X射线管，以及用于聚集由阳极产 生的X射线的光学部件。该X射线源组件进一步包括用于控制光学 部件的X射线输出强度的控制系统。即使一个或多个X射线源组件 的操作条件改变，该控制系统也能维持X射线输出强度。
本发明的这一方面可以与如上所述的流体分析系统、光学部件和 散热方面一起使用。
在本发明的另一增强稳定性的方面中，提出了一种提供X射线 的方法，包括：提供具有阳极的X射线源组件，其中该阳极具有电 子撞击在其上的源点；以及控制阳极源点相对于输出结构的位置， 其中所述控制包括即使X射线源组件的至少一个操作条件改变，也 能维持阳极源点相对于输出结构的位置。
本发明的这一方面可以与如上所述的流体分析系统、光学部件和 散热方面一起使用。
在本发明的增强稳定性的另一方面中，提出了一种提供X射线 的方法，包括：提供具有包括用于生成X射线的阳极的X射线管和 用于聚集由阳极生成的X射线的光学部件的X射线源组件；以及控 制来自该光学部件的X射线输出强度，其中所述控制包括即使X射 线源组件的至少一个操作条件改变，也能维持来自光学部件的X射 线输出强度。
本发明的这一方面可以与如上所述的流体分析系统、光学部件和 散热方面一起使用。
本发明的这些和其他实施例以及方面在观察附图、下面的说明书 和附加权利要求书后，将变得更显而易见。
本发明的一个方面是X射线管组件，包括X射线管以及热耦合 到X射线管的导热介质材料，用于去除由X射线管产生的热。该导 热介质材料可以是氮化铝、氧化铍和类金刚石碳等等。X射线管组 件可以包括具有第一端和第二端的X射线管，并且X射线管的第一 端包括电子束发生器而X射线管的第二端包括具有一表面的阳极， 电子束撞击在该表面上以便产生X射线源。导热介质材料通常热耦 合到阳极。冷却装置也可以热耦合到导热介质材料，例如至少一个 散热片或散热销。在本发明的一个方面中，通过导热介质材料，可 能以X射线管去除足够多的热，从而可以通风冷却X射线管组件。 在本发明的一个方面中，通过导热介质材料，可以从X射线管去除 足够热量，从而X射线管不与流体冷却剂接触。
本发明的另一方面包括操作具有电子束发生器和阳极的X射线 管组件的方法，包括：将电子束从电子束发生器引导到阳极以便产 生X射线，并由此加热阳极；提供与阳极热耦合的导热介质材料， 以及通过该导热介质材料，传导来自阳极的热量。同样，该导热介 质材料可以是氮化铝、氧化铍和类金刚石碳等等。在一个方面中， 阳极被电绝缘并且很少或没有电子从阳极到达导热介质材料。在该 方法的一个方面中，当通过导热介质材料，传导来自阳极的热时， 可以从阳极去除足够热量，由此通风冷却X射线管组件。在该方法 的一个方面中，当通过导热介质材料，传导来自阳极的热量时，可 以从阳极去除足够热量，由此X射线管不与流体冷却剂接触。
本发明的另一方面包括X射线源组件，包括：外壳；用于生成 X射线的X射线管，该X射线管安装在该外壳中；热耦合到X射线 管的导热介质材料，用于去除由X射线管产生的热；以及外壳中的 至少一个穿孔，用于发射由X射线管产生的X射线。该X射线管组 件可以进一步包括用于可调整地将X射线管安装在外壳中的装置。 在一个方面中，X射线管组件可以包括具有第一端和第二端的X射 线管，并且X射线管的第一端包括电子束发生器而X射线管的第二 端包括一表面，电子束撞击在该表面上产生X射线。同样，导热介 质材料可以是氮化铝、氧化铍和类金刚石碳等等。通过热耦合到导 热介质材料上的至少一个散热片或散热销，也可以冷却介质材料。 该X射线源组件也可以具有通过例如至少一个螺纹销，可调整地安 装到X射线管外壳上的X射线源。该X射线源组件也可以包括用于 通过例如具有至少一个穿孔的可移动隔板，改变或修改通过外壳中 的至少一个穿孔发出的X射线的装置。在本发明的一个方面中，可 以安装X射线光学部件以便接收通过外壳中的至少一个穿孔发出的 至少一些X射线。在这一组件的一个方面中，通过导热介质材料， 可以从X射线管去除足够多的热，从而可以通风冷却X射线管组件。 在本发明的一个方面中，通过导热介质材料，可以从X射线管去除 足够热量，从而X射线管不与流体冷却剂接触。
本发明的另一方面包括操作具有包括电子束发生器的第一端和 具有阳极的第二端以及与该阳极热耦合的导热介质材料的X射线管 组件的方法，包括从电子束发生器将电子束引导到阳极以便提供X 射线，从而加热阳极；以及通过将热从阳极传导到导热介质材料， 冷却阳极。该X射线管组件可以包括至少一个散热片或散热销以及 冷却阳极可以进一步包括在至少一个散热销或散热片上传递流体冷 却剂。另外，通过将热从阳极传导到导热介质材料来冷却阳极可以 在从阳极传递很少或不传递电子的情况下进行。在这一方法的一个 方面中，当通过导热介质材料，传导来自阳极的热来冷却阳极时， 可以从阳极去除足够热量，由此X射线管组件可以被通风冷却。在 该方法的另一方面中，当通过导热介质材料，传导来自阳极的热量 来冷却阳极时，可以从阳极去除足够热量，由此X射线管不与流体 冷却剂接触。
本发明的另一方面包括用于最优化来自X射线源和X射线聚焦 设备的X射线的传输的方法，其中，该X射线源包括用于生成X射 线的X射线管，该X射线管通过可调整安装装置安装在外壳中；该 外壳具有至少一个穿孔，用于发射由X射线管产生的X射线，该方 法包括：将X射线管安装在外壳中；激发X射线管，由此从外壳中 的至少一个穿孔发出X射线射束；将X射线聚焦设备安装在外壳中 的至少一个穿孔附近，由此X射线聚焦设备从X射线管接收至少一 些X射线；以及调整X射线管的可调整安装装置以便最优化X射线 透过X射线聚焦设备的传输。该可调整安装装置可以包括多个螺纹 紧固件。该X射线聚焦设备可以包括X射线聚焦晶体或X射线聚焦 毛细管设备。
本发明的另一方面是X射线荧光分析系统，包括：具有X射线 源和外壳的X射线源组件；第一X射线聚焦设备，可操作地连接到 X射线源组件并具有用于使第一X射线聚焦设备与X射线源组件对 准的装置；X射线暴露组件，具有可操作地连接到X射线聚焦设备 的外壳并具有用于使X射线暴露组件与第一X射线聚焦设备对准的 装置；第二X射线聚焦设备，可操作地连接到X射线暴露组件并具 有用于使第二X射线聚焦设备与X射线暴露组件对准的装置；以及 X射线检测设备，可操作地连接到第二X射线聚焦设备并具有用于 使X射线检测设备与第二X射线聚焦设备对准的装置；其中，用于 对准的装置中的至少一个包括多个对准销。至少一个组件，优选的 是多个组件的对准允许一个或多个组件厂外装配并就地安装，不需 要现场大范围地重新对准组件。避免现场重新对准更有效。
本发明的另一方面是检测X射线的方法，包括：提供X射线源， 使用X射线光学部件，将至少一些X射线聚焦在小面积X射线检测 器上；以及通过该小面积X射线检测器，检测X射线。在本发明的 一个方面中，该小面积检测器可以是半导体型检测器或硅-锂型检测 器(即SiLi型检测器)。在本发明的一个方面中，该小面积检测器可 以是PIN二极管型检测器。本发明的一个方面进一步包括冷却该小 面积检测器，例如，通风冷却该小面积检测器。该小面积射线检测 器可以包括检测器孔并且该检测器孔面积可以小于约10平方毫米， 优选的是小于约6平方毫米，或甚至小于约4平方毫米。可以使用 毛细管型X射线光学部件或DCC X射线光学部件来实施至少一些X 射线的聚焦。本方法可以在大于约0摄氏度的温度，例如在约10摄 氏度和约40摄氏度之间的温度下实施。
本发明的另一方面包括用于检测X射线的设备，包括：小面积 X射线检测器；以及用于将至少一些X射线聚焦在该小面积X射线 检测器上的装置。该小面积X射线检测器通常包括具有小于约10 平方毫米的面积典型的是小于约6平方毫米的检测器孔。该小面积 检测器可以是半导体型检测器或硅-锂型检测器(即SiLi型检测器)。 在本发明的一个方面中，该小面积检测器可以是PIN二极管型检测 器。在本发明的一个方面中，该小面积检测器可以被冷却，例如通 风冷却。用于聚焦至少一些X射线的装置可以包括X射线光学部件， 例如弯曲晶体或毛细管X射线光学部件。
本发明的另一方面包括用于使用X射线分析流体的装置，包括： 用于使流体暴露于X射线以便使流体的至少一种成分发出X射线荧 光的装置；以及用于分析来自流体的X射线荧光以便确定流体的至 少一种特性的装置。该流体可以是液体或气体。用于使流体暴露于 X射线的装置可以是用于在流体上聚焦X射线的至少一种X射线光 学部件。
本发明的另一方面包括用于使用X射线，分析流体中的成分的 方法，包括：将流体暴露于X射线以便使流体的至少一种成分发出 X射线荧光；检测来自流体的X射线荧光；以及分析所检测到的X 射线荧光以便确定流体的至少一种特性。根据一个方面，在一时间 周期内基本上连续地实施该方法。该方法也可以在真空下实施。
在个方面中，在大于约-50摄氏度的温度，例如大于约0摄氏 度的温度下实施X射线荧光的检测。在本发明的另一方面中，可以 使用小面积X射线检测器，例如半导体型检测器，例如PIN型半导 体X射线检测器，来实施X射线荧光检测。
本发明的另一方面包括用于分析燃料中的硫的装置，包括：用于 使燃料暴露于X射线以便使燃料中的至少一些硫发出X射线荧光的 装置；以及用于分析来自燃料的X射线荧光以便确定燃料中的硫的 至少一种特性的装置。燃料中的硫的至少一个特性可以是燃料中硫 的浓度。
本发明的另一方面是提供用于分析燃料中的硫的方法，使燃料暴 露于X射线以便使燃料中的至少一些硫发出X射线荧光；检测X射 线荧光；以及分析来自硫的X射线荧光以便确定燃料中的硫的至少 一种特性。在一时间周期内基本上连续实施该方法。使燃料暴露于 X射线可以在真空下实施。当在真空下实施时，燃料通常密封在一 室中以便防止暴露于真空，例如，燃料可以密封在室中而X射线经 室中的窗接近燃料。根据一个方面，X射线可以是单色X射线。另 外，X射线荧光的检测可以在大于约-100摄氏度，通常大于约-50 摄氏度，或甚至于大于约0摄氏度的温度，例如在约室温(20摄氏 度)下实施。可以使用半导体型检测器，例如PIN型半导体检测器 实施检测。
有关本发明的改进的散热方面，本发明是用于冷却和电绝缘高 压、生热部件的设备。该设备包括：第一导热材料，具有与所述部 件热连接的第一侧和一第二侧；导热介质材料，具有与第一导热材 料的第二侧热相接的第一侧和一第二侧；以及第二导热材料，具有 与导热介质材料的第二侧热相接的第一侧，其中，由所述部件产生 的热通过该设备被传导远离部件同时最小化设备上的电流损耗。在 本发明的一个方面中，所述部件和第一导热材料间的热相接通过所 述部件和第一导热材料的接触面实现，其中该接触面具有第一外尺 寸，以及其中，第一导热材料包括具有大于第一外尺寸的第二外尺 寸的外围，其中在从接触面朝向第一导热材料的外围的方向中，在 第一导热材料中传导来自所述部件的至少一些热。在本发明的另一 方面中，第一导热材料包括第一板，其中至少一些热在从接触面朝 向第一板的外围的方向中，在第一板中传导，并因此通过该导热介 质材料传导到第二导热介质材料。本发明还可以包括用于帮助从第 二导热材料移出热的装置，例如至少一个散热片或散热销。在本发 明的一个方面中，导热介质材料包括氮化铝、氧化铍和类金刚石中 的一个。高压、生热部件可以是X射线发生器、电子束发生器、高 压引线或微波发生器等等。
本发明的这一方面可以与如上所述的流体分析技术和光学部件 一起使用。
散热发明的另一方面是X射线管组件，包括：由高压、加热阳 极组成的X射线管；以及耦合到阳极的散热设备，该散热设备包括： 第一金属板，具有与阳极热相接的第一侧和一第二侧；导热介质材 料板，具有与第一金属板的第二侧热相接的第一侧和一第二侧；以 及第二金属板，具有与导热介质材料板热相接的第一侧；其中在阳 极中产生的热通过该设备被传导远离阳极的同时，该设备上的电流 损耗被最小化。在本发明的一个改进方面中，散热设备提供用于阳 极的结构支撑，例如散热设备能基本上提供用于阳极的所有结构支 撑。在本发明的另一方面中，X射线管组件进一步包括与第一金属 板耦合的高压连接器。
本发明的这一方面可以与如上所述的流体分析技术和光学部件 一起使用。
散热发明的另一方面是用于制作用于冷却和电绝缘高压、生热部 件的设备的方法，该方法包括：提供具有用于接触该部件的第一表 面和一第二表面的第一导热材料；提供具有第一表面和第二表面的 导热介质材料；将第一导热介质材料的第一表面耦合到第一导热材 料的第二表面，使得第一导热材料和导热介质材料热连接；提供具 有第一表面和第二表面的第二导热材料；以及将第二导热材料的第 一表面耦合到导热介质材料的第二表面，使得导热介质材料和第二 导热材料热连接。在本发明的一个方面中，耦合包括胶粘、粘接、 钎焊(soldering)、铜焊(brazing)或焊接(welding)。可以使用的 一种粘合剂是Dow Chemical的4174导热硅粘合剂或其等效物。本 发明的另一方面进一步包括使高压连接器耦合到导电的第一导热材 料。
本发明的这一方面可以与如上所述的流体分析系统和光学部件 一起使用。
由于可能期望使由X射线设备产生的X射线射束与内部或外部 X射线光学部件对准，因此根据本发明的一个方面，X射线射束设 备的部件以这样一种方式安装，使得用户可以调整X射线射束相对 于光学部件的位置或方向，以便考虑由于热膨胀引起对准变化等等。 此外，由于当X射线管在密封容器内被螺栓固定并且该密封容器包 含冷却流体时，使X射线射束与光学部件对准很难，因此在本发明 的一个方面中，提供X射线射束设备，其需要很少或不需要冷却流 体。例如，根据本发明的一个方面，提供具有足够冷却的X射线射 束设备，但仍允许使设备对准，例如精确地对准光学设备。
本发明的这一方面可以与如上所述的流体分析系统和光学部件 一起使用。
有关本发明的增强的稳定性方面，诸如在如上所述的X射线管 中，使用撞击在阳极上的电子束以生成X射线，能生成足够使在X 射线源内支撑和定位X射线管的元件热膨胀的热量。该热膨胀能足 够使从阳极发散的X射线以及例如用来控制X射线的方向的元件之 间未对准。结果是，以不同功率操作X射线源会导致发散X射线和 聚焦电极间的一范围内的未对准。该未对准可能使X射线源的输出 功率强度大幅改变。未对准还会使用于一些类型的射束控制元件， 例如用于针孔或单面反射镜的X射线光点或X射线射束位置变化。 因此，在一个方面中，在此提供X射线源组件，其在操作功率电平 的一个范围内具有增强的输出稳定性，以及增强的X射线光点或X 射线射束位置稳定性。更具体地说，根据本发明的一个方面的X射 线源组件提供即使改变X射线源的一个或多个操作条件，诸如阳极 功率电平、外壳温度和组件周围的环境温度，也能维持相对恒定的 X射线射束输出强度。
本发明的这一方面可以与如上所述的流体分析系统、光学部件和 散热方面一起使用。
为增强稳定性，通过提供包括具有电子撞击在其上的源点的阳极 和用于控制阳极源点相对于输出结构的位置的控制系统的X射线源 组件，提供另外的优点。即使X射线源组件的一个或多个操作条件 改变，该控制系统也能维持阳极源点相对于输出结构的位置。
本发明的这一方面可以与如上所述的流体分析系统、光学部件和 散热方面一起使用。
在本发明的另一增强稳定性的方面中，提供X射线源组件，包 括具有用于生成X射线的阳极的X射线管，以及用于聚集由阳极产 生的X射线的光学部件。该X射线源组件进一步包括用于控制光学 部件的X射线输出强度的控制系统。即使一个或多个X射线源组件 的操作条件改变，该控制系统也能维持X射线输出强度。
本发明的这一方面可以与如上所述的流体分析系统、光学部件和 散热方面一起使用。
在本发明的另一增强稳定性的方面中，提出了一种提供X射线 的方法，包括：提供具有阳极的X射线源组件，其中该阳极具有电 子撞击在其上的源点；以及控制阳极源点相对于输出结构的位置， 其中所述控制包括即使X射线源组件的至少一个操作条件改变，也 能维持阳极源点相对于输出结构的位置。
本发明的这一方面可以与如上所述的流体分析系统、光学部件和 散热方面一起使用。
在本发明的增强稳定性的另一方面中，提出了一种提供X射线 的方法，包括：提供具有包括用于生成X射线的阳极的X射线管和 用于聚集由阳极生成的X射线的光学部件的X射线源组件；以及控 制来自该光学部件的X射线输出强度，其中所述控制包括即使X射 线源组件的至少一个操作条件改变，也能维持来自光学部件的X射 线输出强度。
本发明的这一方面可以与如上所述的流体分析系统、光学部件和 散热方面一起使用。
本发明的这些和其他实施例以及方面在观察附图、下面的说明书 和附加权利要求书后，将变得更显而易见。
附图说明
在说明书的结束部分特别指出和清楚地主张视为本发明的主题。 然而，可能通过参考下述优选实施例的详细描述和附图，更好地理 解本发明，有关实施的组织和方法以及其另外的目的和优点，其中：
图1是能用来实施本发明的X射线荧光系统的示意性框图。
图2是现有技术X射线管的示意性截面图，其中本发明的一个 方面是在其上的一种改进。
图3是本发明的一个方面的示意性截面图。
图4、5和6示例说明本发明的另一方面的各种透视图、
图7是本发明的另一方面的外壳组件的透视图。
图8是图7所示的本发明的方面的透视图，其中外科被移去。
图9是根据本发明的另一方面的X射线荧光系统的示意性框图。
图10示例说明根据本发明的一个方面，高压元件和冷却和电绝 缘设备的一个实施例的截面正视图。
图11示例说明根据本发明的一个方面，图10的冷却和电绝缘设 备的详细情况。
图12描述根据本发明的一个方面，X射线源组件的一个实施例 的截面图。
图13描述根据本发明的一个方面，用于诸如图12所示的X射 线源的，绘制出输出强度与位移的源扫描曲线的一个例子。
图14描述图1的X射线源组件的截面视图，其示出了根据本发 明的一个方面解决的源点与光学部件的未对准；
图15描述根据本发明的一个方面，表示用于监视源点到光学部 件的位移的不同传感器位置的图14的X射线源组件的截面图；
图16是根据本发明的一个方面，在图12、14和15中所描述的 阳极基座组件的一个实施例的截面图；
图17是根据本发明的一个方面，图12、14和15的阳极叠层的 截面图；
图17A是表示根据本发明的一个方面，用于不同阳极功率电平 的阳极叠层的元件上的温度变化的图；
图17B是根据本发明的一个方面，作为阳极功率电平的函数的 参考温度的变化的图；
图18描述根据本发明的一个方面，增强的X射线源组件的一个 实施例的截面图；
图19描述根据本发明的一个方面，用于X射线源组件的控制系 统的一个实施例的框图；
图19A是表示根据本发明的一个方面，由图19的控制系统的处 理器实现的处理的一个实施例；
图20是根据本发明的一个方面，用于X射线源组件的控制处理 的一个实施例的流程图；以及
图21是根据本发明的一个方面，能由图20的控制处理所使用的 示例性的参考温度表。
图1是能用来实施本发明的X射线荧光系统的示意性框图。
图2是现有技术X射线管的示意性截面图，其中本发明的一个 方面是在其上的一种改进。
图3是本发明的一个方面的示意性截面图。
图4、5和6示例说明本发明的另一方面的各种透视图、
图7是本发明的另一方面的外壳组件的透视图。
图8是图7所示的本发明的方面的透视图，其中外科被移去。
图9是根据本发明的另一方面的X射线荧光系统的示意性框图。
图10示例说明根据本发明的一个方面，高压元件和冷却和电绝 缘设备的一个实施例的截面正视图。
图11示例说明根据本发明的一个方面，图10的冷却和电绝缘设 备的详细情况。
图12描述根据本发明的一个方面，X射线源组件的一个实施例 的截面图。
图13描述根据本发明的一个方面，用于诸如图12所示的X射 线源的，绘制出输出强度与位移的源扫描曲线的一个例子。
图14描述图1的X射线源组件的截面视图，其示出了根据本发 明的一个方面解决的源点与光学部件的未对准；
图15描述根据本发明的一个方面，表示用于监视源点到光学部 件的位移的不同传感器位置的图14的X射线源组件的截面图；
图16是根据本发明的一个方面，在图12、14和15中所描述的 阳极基座组件的一个实施例的截面图；
图17是根据本发明的一个方面，图12、14和15的阳极叠层的 截面图；
图17A是表示根据本发明的一个方面，用于不同阳极功率电平 的阳极叠层的元件上的温度变化的图；
图17B是根据本发明的一个方面，作为阳极功率电平的函数的 参考温度的变化的图；
图18描述根据本发明的一个方面，增强的X射线源组件的一个 实施例的截面图；
图19描述根据本发明的一个方面，用于X射线源组件的控制系 统的一个实施例的框图；
图19A是表示根据本发明的一个方面，由图19的控制系统的处 理器实现的处理的一个实施例；
图20是根据本发明的一个方面，用于X射线源组件的控制处理 的一个实施例的流程图；以及
图21是根据本发明的一个方面，能由图20的控制处理所使用的 示例性的参考温度表。
具体实施方式
图1示例说明用于使物质暴露于X射线辐射，以便产生随后能 被检测并分析以便确定该物质的特性的荧光辐射的典型系统10的示 意性框图。这种系统通常包括X射线源12、第一X射线聚焦设备 14、样本激发室16、第二X射线聚焦设备18和X射线检测器20。 X射线源12，例如X射线管产生X射线的射束22。由于X射线射 束22通常是发散射束，因此射束22通过一个或多个X射线聚焦设 备14，而被衍射或聚焦。X射线聚焦设备14可以是一个或多个双弯 晶体(doubly curved crystal)，例如具有基本上平行的原子面的双弯 曲晶体，诸如在2000年9月22日提交的未决申请09/667,966(律 师案号0444.035)中所公开的晶体，其内容在此引入以供参考。X 射线聚焦设备可以是一个或多个毛细管型X射线光学部件或弯曲晶 体光学部件，例如在美国专利6,317,783；6,285,506；5,747,821； 5,745,547；5,604,353；5,570,408；5,553,105；5,497,008；5,192,869 和5,175,755中公开的光学部件中的一个，这些专利文献的内容在此 引入以供参考。所述一个或多个X射线聚焦设备产生被引导至样本 激发室16的聚焦射束24。
在激发室16中的待测样品可以是想要了解其特性的任何所需物 质。样本可以是固体、液体或气体。如果样本是固体，通常将样本 放在相对平的表面，例如X射线反射平面上，例如光反射表面。样 本，如果是固体、液体或气体，也可以包含在密封容器或室中，例 如具有X射线透明孔的密封容器，其中X射线射束能通过该透明孔。 当用射束24照射时，通常激发室16中的样本的至少一种成分，以 这样一种方式被激发，使得该成分发出X射线荧光，即由于被X射 线24激发，产生X射线的二次光源26。同样，由于X射线射束26 通常是X射线的发散射束，因此通过第二X射线聚焦设备18，例如 与设备14类似的设备聚焦射束26，以便产生被引导向X射线检测 器20的X射线的聚焦射束28。对本领域的技术人员来说，显而易 见的是，尽管本发明的这一和其他方面根据X射线荧光应用进行了 描述，但其也可以用在X射线吸收应用中。
X射线检测器20可以是正比计数器型或半导体型X射线检测 器。通常，X射线检测器20产生包含被检测X射线的至少一些特性 的电信号30，该电信号30被发送到分析器32，用于分析、打印输 出或其他显示。
本发明的各个方面对图1中所示的系统10和系统部件提供了进 步和改进。根据图2和3公开了本发明的这些方面中的一个方面。 图2示例说明典型的现有技术X射线管组件34的截面图，例如由 CA，Scotts Valley的Oxford Instruments生产的系列5000 TF5011 X射 线管，尽管也可以使用其他类似的X射线管。作为典型，这一现有 技术X射线管34包括圆柱外壳36，其通常包括非导电玻璃外壳。 电子束发生器38和阳极40安装在外壳34中，通常为如图所示的方 向。阳极40通常是薄固体材料，例如安装在铜或类似的高导热率材 料的导电阳极上的钨或铬。阳极40通常形成为提供表面50，并使圆 柱支撑结构41形成为提供用于在外壳36中的阳极40的刚性支撑， 以及还使结构41上的气体容积与结构41下的容积隔离。阳极40还 包括穿过外壳36的圆柱非导电支撑44。电连接42为电子束发生器 38提供电力。外壳36通常包括至少一个孔46，用于发射由X射线 管34产生的X射线。外壳36通常将管34的内部容积与周围环境隔 离并且管34的内部容积通常具有至少一些形状或真空，例如约10-6 托。
当将例如50瓦特的电力提供到电连接42时，电子束发生器38 产生指向阳极40的表面50的电子束，如箭头48所示。表面50通 常是斜面，例如与管轴倾斜约45度。电子束48与表面50的交互作 用产生在所有方向中散射的X射线。所产生的X射线的波长和频率 是提供到电连接42的电力的函数等等。然而，这些散射的X射线的 至少一个路径用指向孔46的箭头52表示。X射线射束52的方向通 常是管34的方向的函数。用箭头52表示的X射线射束通过在孔46 中的X射线可渗透阻挡层(permeable barrier)54。X射线可渗透阻 挡层54通常由允许通过X射线同时将外壳36的内部容积与周围环 境隔开的铍(Be)或钛(Ti)制成。
通过将电子束48撞击在阳极40上生成的X射线生成大量热， 例如，通常使阳极40的温度升高到至少60摄氏度，以及能达到钨 的熔点一样高。因此，通常将管34侵入冷却和绝缘液56，例如基于 石油的油中。管34和液体56通常容纳在圆柱外壳58中。外壳58 通常不可渗透X射线，例如，外壳58通常可以是内衬有铅的。冷却 和绝缘液56的容积及由此的外壳58的大小是X射线管34的冷却要 求的函数。外壳58还通常包括与管34的孔46对准的孔60以发射 由管34产生的X射线。管34通常通过连接到管34的支架44的支 撑结构62，例如通过螺纹连接，刚性地安装在外壳58中。支架44 通常由不导电材料，例如陶瓷材料制成以便使阳极40与外壳58电 绝缘。
图3示例说明根据本发明的一个方面的X射线管组件64，其是 在图2所示的现有技术X射线管组件上的改进。在图3中出现的许 多特征可能基本上与图2的特征相同，并用相同的标记表示。根据 本发明的这一方面，X射线管组件64包括具有外壳36的X射线管 34′(可以与管34类似)、电子束发生器38、阳极40和孔46，它们 基本上与参考图2所示例说明和所述的结构相同。然而，根据本发 明，X射线管组件64包括安装至或热耦合至X射线管34′的至少一 个导热、但不导电的材料70。导热不导电材料(可以称为导热介质 材料)70是具有高导热率以及高介质强度的材料。例如，材料70 通常具有至少约100Wm-1K-1的导热率，并且最好为至少150 Wm-1K-1，以及材料70通常具有至少约1.6×107Vm-1的介质强度， 最好是至少约2.56×107Vm-1。材料70可以是氮化铝、氧化铍、类金 刚石碳、它们中的组合或它们的等效物或衍生物。在图3中，材料 70示例为圆柱结构，例如圆柱形或矩形圆柱(rectangular cylindrical) 结构，尽管材料70可以采用许多不同几何形状并提供所需功能。
X射线管64可以通常安装在外壳158中。外壳158，与图2中 的外壳58类似，通常由X射线不可渗透材料，例如内衬铅的材料、 铅或钨制成。外壳158可以采取任何适当的形状，包括圆柱形和矩 形圆柱。在本发明的一个方面中，外壳158由钨板制成，以及由于 钨的不良切削性，外壳158最好为矩形圆柱形状。当然，如果可以 产生用于提供制作钨外壳的其他装置的方法，这些方法也可以应用 于本发明。
根据本发明，导热介质材料70允许具体来说将热传导远离阳极 40以及总体上说远离管34′同时最小化或防止具体来说的通过阳极 40的电流以及总体上说的通过管34′的电流。在本发明的这一方面 中，支架44′(与图2的管34的支架44不同)通常由导电材料，例 如铜或铝制成。根据本发明的这一方面，经支架44′和材料70，使热 传导远离阳极40同时材料70使阳极40与例如外部外壳158电绝缘。
与现有技术的X射线管组件不同，根据本发明的这一方面的X 射线管34′的温度能够通过经材料70的表面积，使热传导远离阳极 40以及使热耗散到相邻的环境而降低。因此，材料70具体来说冷却 阳极40以及总体上说冷却管34′以致降低管34′的冷却需求，或能实 现增加阳极40的热量。例如，在本发明的一个方面中，材料70的 存在提供用于冷却管34′的充足的手段，由此需要很少或不需要另外 的冷却装置。在本发明的另一方面中，材料70的存在提供了用于冷 却管34′的充足手段，由此空气冷却提供了管34′的充足冷却，例如 强迫通风冷却(尽管非强迫空气冷却特征化了本发明的一个方面)。 在本发明的另一方面中，材料70的存在提供了用于冷却管34′的充 足冷却，由此与用于现有技术的X射线管组件所需的液体相比，需 要更少的冷却和绝缘液体，例如，比现有技术X射线管组件少至少 10％的冷却液体；通常比现有技术管组件少至少20％冷却液体，最 好，比现有技术管组件少至少50％。
根据本发明的一个方面，通过增加材料70的表面积，例如通过 将散热片或散热销引入到材料70，增加材料70的冷却能力。在本发 明的另一方面中，通过将散热片或散热销引入到热耦合到材料70的 结构上，获得另外的冷却能力。在图3的剖视图中示例说明一种这 样的任选结构。图3包括安装到或者热耦合到材料70的板72。由例 如铜或铝的导热材料制成的板72可以提供用于冷却的足够表面积。 在本发明的这一方面中，通过使用散热片或散热销74，提高热耦合 结构的表面积。根据本发明的一个方面，板72和散热片74由导热 的材料组成以便能使热传导远离例如基于铜、铁或铝的材料70。在 本发明的另一方面中，由导热和防X射线穿透的材料，例如钨铜制 作板72。钨铜中的铜提供所需电导率同时钨提供所需X射线屏蔽。 具有相同或类似属性的其他材料也可以用于板72。当板72是双重材 料(duplex material)，象钨铜时，散热片70可以简单的是基于铜或 铝的材料。
图4、5和6示例说明根据本发明的一个方面的X射线源和X射 线聚焦设备组件80以及X射线源组件82。X射线源和X射线聚焦 设备组件80包括X射线源组件82和X射线聚焦设备84。图4所示 的X射线聚焦设备84是如在上述美国专利中所公开的多毛细管X 射线光学部件，但设备84也可以是任何类型的X射线聚焦设备，例 如上述公开的X射线聚焦晶体(focusing crystal)和毛细管型光学部 件。在本发明的一个方面中，X射线源组件82包括具有如图3所述 和所示例说明的导热介质材料70的至少一个X射线源64。尽管在 图3中，将X射线源组件82示为矩形圆柱形状，但组件82也可以 采用任何方便的几何形状，包括圆柱形或球形。组件82经电连接86 和87接收电力。
图5示例说明在图4中所示的X射线源和X射线聚焦设备组件 80的局部剖视图。如图5所示，组件80包括X射线源组件82和X 射线聚焦设备84。X射线源组件82包括外壳88、X射线管组件64 (如图3所示)和X射线隔板组件90。根据本发明的这一方面，外 壳88是圆柱形，例如圆形或矩形圆柱形状，并由X射线屏蔽材料， 例如铅、内衬铅的材料、钨、贫铀或其组合制成。外壳88包括用于 发射由X射线管34′生成的X射线的至少一个穿孔(未示出)以及 用于安装X射线光学部件84的装置89。在图5所示的本发明的该 方面中，安装装置89包括在外壳中的穿孔附近的螺栓法兰连接，通 过该穿孔，由X射线管34′生成的X射线被传递至光学部件84。
外壳82还可以包括具有穿孔94的底板92，X射线管组件64可 以延伸穿过该穿孔94。例如，如图5所示，X射线管组件64的散热 片74可以延伸穿过底板穿孔94，例如以便向散热片74提供空气通 道。如图中所示，在本发明的一个方面中，散热片74可以径向定向。
根据本发明的另一方面，外壳88最好包括使外壳88对准其被安 装至其上的部件的至少一个装置。例如，外壳88中的该对准装置可 以包括参照X射线管源点的方向的一个或多个定位销或定位销孔 98。下面将论述这些定位销孔或销的调整和方向。
X射线源组件82还可以包括隔板组件90，用于改变从组件82 发出的X射线的量和类型。根据本发明的这一方面，隔板组件90 包括具有相对于X射线管组件中的X射线孔，例如相对于图3所示 的孔46可平移的至少一个穿孔96、最好是多个穿孔96的隔板圆柱 91。孔96可以改变大小和形状，或可以包含能用来改变由组件82 发出的X射线的量和类型的一个或多个X射线过滤设备。尽管隔板 组件90可以包括具有一个或多个孔的任何类型的板，但是根据图5 所示的本发明的该方面，隔板组件90包括绕X射线管34′的轴安装 并可旋转地安装到外壳88上的圆柱体9l。隔板柱体9l可以安装在 盘93上。根据本发明的这一方面，可以借助于未示出的装置，经盘 93旋转隔板柱体9l，来改变孔96相对于管34′的孔的方向(再次参 见图3)。旋转隔板柱体9l的装置可以是手动装置或自动装置，例如， 通过步进马达或线性执行部件(linear actuator)。
图6示例说明图4和5的X射线源和聚焦设备组件80的视图， 为清楚说明起见，将外壳88的侧面和顶部去除。图6示例说明了X 射线管组件64、隔板柱体组件90以及X射线光学部件84。图6还 示例说明了将X射线管组件64可调节地安装到外壳88的底板92 上。如图5所示，电连接86可操作地连接到管34′的阳极40，而电 连接87可操作地连接到管34′的电子束阳极发生器38(见图3)。
根据本发明的这一方面，X射线管组件64(具有导热介质材料 70)可调节地安装到外壳88上，从而可以改变和优化由X射线管 34′发出的X射线的方向和定向，例如优化以便与X射线光学部件 84对准。尽管可以使用改变X射线管组件64的定向和对准的许多 装置，包括旋转和平移调整，但是根据图4、5和6所示的本发明的 该方面，X射线管组件64的定向和对准通过至少一个螺杆或螺丝， 最好是多个螺杆或螺丝来实现。在图6所示的该方面中，三个螺丝 100穿过底板92并与板72的底表面啮合。螺丝100可以螺纹安装入 孔中，例如板72中的螺纹孔，或可以简单地支撑板72的底表面。 可以手动或自动地实施螺丝100或任何其他调整装置的调整。
根据本发明的一个方面，定向或管组件64的调整是可以与外壳 88对齐的。即，在本发明的一个方面中，由X射线管34′产生的X 射线射束的定向可与外壳88以及与X射线源组件82配套的部件的 对准对齐。例如，X射线聚焦设备或样本激发室可以通过简单地与 外壳上的一个或多个基准点对准，与X射线管34′对准。在图4、5 和6所示的本发明的该方面中，由X射线管34′产生的X射线射束 的定向和对准与外壳88上的一个或多个定位销或定位销孔98对齐。 其结果是，通过适当地使配套部件与定位销或孔98对准，能相应地 使配套部件与管34′的X射线射束例如通过很少的调整或没有进一 步的调整而对准。
图7示例说明根据本发明的另一方面的X射线荧光组件110。X 射线荧光组件110包括X射线源组件112、样本激发室组件116和X 射线检测器组件120。组件110还包括未示出的至少一个X射线聚 焦设备(通常至少两个设备)。所有这些设备均集成为具有外壳115 的单个组件110。
图8示例说明图7所示的X射线荧光系统110，但将外壳115去 除以便显示X射线源组件112、样本激发室组件116、X射线检测器 组件120和两个X射线聚焦设备114和118之间的代表性空间关系。 以与图1所示的系统10类似的方式，X射线源组件112产生X射线 射束122，该射束122由X射线聚焦设备114聚焦以便在激发室组 件116中的待测的样本上产生聚焦射束124。由样本激发室组件116 中的样本的X射线辐射产生的X射线荧光生成X射线荧光射束126。 射束126被X射线聚焦设备118聚焦以便产生指向X射线检测器组 件120的聚焦X射线射束128。源组件112、容器组件116和检测器 组件中的每一个分别包括安装法兰113、117和121，用于将每个组 件安装到外壳115上。X射线聚焦设备114和118还包括用于将这 些设备安装到外壳115的装置。
在现有技术的XRF检测方法中，例如在D2622方法，样本激发 路径和检测路径被保持在惰性气体气氛中，例如在氦气氛中。然而， 惰性气体的可用性，特别是在远程位置中，使得这些现有技术工艺 的实现很不方便。相反，在本发明的一个方面中，样本激发路径和 检测路径维持在真空下，并且不需要惰性气体。例如，在图7和8 所示的系统110中，外壳115被保持在真空下，例如至少约15托下。 真空可以通过不具有移动部件的文氏管泵(venturi pump)提供。然 而，如果需要并且可用，在本发明的另一方面中，也可以引入惰性 气体诸如氮或氦并维持在外壳115中，例如在压力下。在本发明的 另一方面中，可以加热或冷却外壳115，例如通过直接或间接热交换 器或经辐射或对流加热或冷却装置，来进行加热或冷却。在本发明 的另一方面中，外壳115可以不加压并且实质上包含大气压力和温 度。
X射线源组件112可以包括任何类型的X射线源，但源组件112 最好包括与图4、5和6所示的源组件82类似或相同的源。即，源 组件112最好包括具有导热介电的X射线管组件，诸如材料70，并 可调整地安装到其外壳上以及可以经定位销或定位销孔与相邻部件 例如孔115对齐。
X射线聚焦设备114和118可以是先前描述的聚焦设备中的任何 一个，例如双弯晶体或多毛细管光学元件。尽管在图8中所示的X 射线聚焦设备114和118显示为双弯晶体，但是也可以将其他类型 的X射线光学部件用于系统110，包括如在上述引用的美国专利中 所公开的多毛细管、单片X射线光学部件。
在一些现有技术的XRF方法中(例如仍然是D2622方法)，使 用多色X射线实施样本激发。其中，使用多色X射线激发要求使用 至少两个X射线波长以便校正在多色激发中固有的误差。根据本发 明的一个方面，使用单色X射线，实施例如通过X射线聚焦设备114 的激发。使用单色激发避免了对于当使用多色激发时通常需要的检 测误差的校正的需要。例如，在本发明的一个方面中，由于没有轫 致辐射照明，因此降低了背景辐射水平。其结果是，本发明通过使 用单色激发，提供了比现有技术方法更高的信噪比。
X射线样本激发室组件116可以包括任何类型的腔或表面，用于 保存或保持用于测试的样本，例如固体、液体或气体样本。在本发 明的一个方面中，样本激发室组件116包括导管123和125，分别用 于引入样本和从样本激发室116移出样本，例如用于连续液体(例 如气体或液体)分析。
现有技术XRF方法(例如D2622方法)通常要求样本大小为直 径至少25mm，通常更大。在本发明的一个方面中，通过具有X射 线聚焦设备，样本直径可以小于直径25mm，甚至小于直径10mm， 或甚至小于直径3mm。具有这么小的样本直径的能力允许更小的照 明区和更稳定的激发和检测。
X射线检测器组件120可以包括能接收X射线射束128，例如聚 焦的X射线射束的任何类型的X射线检测器。检测器组件120可以 包括正比计数器型X射线检测器或半导体型X射线检测器。在本发 明的一个方面中，X射线检测器120包括至少一个PIN二极管型X 射线检测器。
典型的现有技术XRF方法(例如仍然是D2622方法)将正比计 数器用作X射线检测器。然而，正比计数器型检测器通常要求大的 检测面积或长的检测时间以便计数尽可能多的光子。另外，正比计 数器型检测器通常在它们的检测面积上具有“窗口”。尽管对高能X 射线来说，存在窗口是无关紧要的，但当使用正比计数器型检测器 检测低能X射线时，窗口的存在可能会与透射的X射线干扰。使窗 口更细小以避免这些干扰，增加了气体泄漏的可能性。然而，在本 发明的一个方面中，使X射线聚焦在检测器上避免了对于大检测面 积、长检测时间或作为正比计数器型检测器的特征的窗口的需要。
在现有技术方法(诸如D2622方法)中所使用的另一类型的检 测器使用半导体型检测器。半导体型检测器通常比正比计数器型检 测器更佳，因为其中，半导体型检测器尺寸更小。例如，正比计数 器型检测器通常具有约大于半导体型检测器的检测器面积500倍的 检测器面积。另外，半导体型检测器实现比正比计数器型检测器更 高的分辨率和更好的分辨X射线能量。然而，半导体型检测器通常 在尺寸方面有限制，因为随着半导体型检测器的尺寸增加，半导体 “漏电流”增加，产生不期望的检测噪声。另一方面，减小半导体 型检测器的尺寸降低了由于漏电流而产生的检测噪声。然而，通常， 半导体型检测器还在检测器可能是多小方面有限制，因为当半导体 型检测器变得更小时，检测器检测效率开始下降。
通常，为增加半导体型检测器的性能，半导体型设备被冷却，例 如在任何地方，从约负10摄氏度冷却到约77绝对温度。然而，冷 却这些设备很昂贵并且不方便。另外，冷却半导体型检测器引入了 在检测器上形成凝结物的可能性，其干扰检测器性能。降低在冷却 检测器上形成凝结物的可能性一种方法是将检测器保持在惰性气体 环境中，例如使用氮气的窗口后面。有时，使用真空代替惰性气体 以便限制由于惰性气体而出现的热传递。然而，同样地，将惰性气 体或真空用于半导体型检测器不方便且昂贵，最好是避免。
本发明避免或克服了使用半导体型检测器的一些缺点。首先，由 于使用X射线聚焦设备聚焦了激发射束，避免了正比计数器型检测 器的大的检测面积。根据本发明的X射线的聚焦更适合于半导体型 检测器。根据本发明的X射线能量或通量的聚焦和集中，特别是使 用单色X射线的X射线能量或通量的聚焦和集中，稍微抵消了当减 小半导体型检测器的尺寸时通常出现的分辨率损失。其结果是，根 据本发明的一个方面，能在大于-10摄氏度的温度，例如大于0摄氏 度，或大于10摄氏度时，或甚至在约室温(约20摄氏度)或以上 的温度下操作半导体型检测器，例如与正比计数器型检测器的性能 相比，具有性能方面很少的能感觉到的损失。
另外，没有了对于通常要求一些形式的保护“窗”以避免冷却表 面上的凝结物的冷却的需要，根据本发明的一个方面，不需要保护 窗。即，本发明的一个方面是无窗口的半导体型X射线检测器，用 于在高于0摄氏度的温度时或在约室温或更高时使用。
能用在X射线荧光系统中的一种类型的半导体型检测器是PIN 二极管型半导体检测器，例如硅PIN二极管。根据本发明的一个方 面，用于一种这样的PIN二极管检测器的规格出现在表1中。根据 本发明的PIN二极管可以安装到前置放大器板上并通过电缆连接到 放大器上。
表I：PIN二极管型X射线检测器规格
类型 Si-PIN
有效面积(二极管) 2.4mm×2.4mm(5.6mm2)
厚度(二极管) 500μm
检测器窗 8μm DuraBeryllium
检测器外壳 TO-8头部0.600英寸直径
准直器类型 0.060英寸铝
具有检测器的检测器前置放大器 2英寸×1英寸电路板
放大器板 3英寸×5英寸电路板
电缆长度 0至6英尺
检测器分辨率，Mn Kα(55FE) 25摄氏度下的500eV(典型)
检测器分辨率，Mn Kα(55FE) 40摄氏度下的700eV(典型)
背景取数 待确定
能量转换 5mV/KeV(典型)；10mV/KeV(最大)
最低检测限度 1Kev
峰值漂移 在25-40摄氏度间的温度下为2％
噪声计数 在25摄氏度的温度下为＜0.01cps
电源输入 +/-12V(典型)
低电平鉴别器 0V(最小)9V(最大)
高电平鉴别器 0V(最小)9V(最大)
能量输出脉冲 9V(最大)
TTL输出脉冲 5V(典型)
图9示例说明根据本发明的另一方面，用于分析流体，通常是连 续地分析流体的X射线荧光系统210。X射线荧光分析系统210通 常包括至少一个X射线荧光组件212，例如图7和8所示的具有X 射线源组件112、X射线样本激发室组件116、X射线检测器组件120 和一个或多个X射线聚焦设备114、118的X射线荧光系统110，尽 管也可以使用执行类似功能的其他组件。系统210还包括流体入口 214、流体出口216和流体净化入口218。入口214、出口216和净 化入口218也可以包括手动或自动隔离阀(未示出)。被引入到流体 入口214的流体可以是能经X射线荧光分析的任何类型的液体或气 体，但在本发明的一个方面中，该流体是燃料，例如流体燃料，诸 如基于石油的燃料，例如汽油、柴油燃料、丙烷、甲烷、丁烷或煤 气等等。能经X射线荧光检测的基于石油的燃料的一种成分是硫， 尽管也能检测其他组分。在本发明的一个方面中，由系统210分析 的流体是其中柴油燃料中的硫的含量被特征化的柴油燃料，例如硫 的浓度被确定。用于特征化柴油燃料中的含硫量的系统可以按照NY， Albany的X-Ray Optical Systems公司的商标SINDIETM来购买。
通过210的流体的流动借助于各种传统的流动和压力控制设备， 例如一个或多个控制阀222、224、流量计226和压力指示器228来 调节和监视。控制阀222、224通常是双向或三向阀并且可以是手动 或自动控制阀。系统210的控制和操作可以是手动控制或经控制器 220自动控制。控制器220通常包含一个或多个传统的可编程逻辑控 制器(PLC)、功率输入、功率调节器、信号输入、信号处理器、数 据分析器、输入设备和输出设备。控制器220经图9的剖视图中所 示的各种电连接，从监视和控制设备接收输入信号并将适当的控制 系统引导至监视和控制设备。系统210可被容纳在一个或多个箱、 外壳或机壳230中，例如，流体处理设备可以位于一个箱中而控制 器220位于分开的箱中。箱或机壳通常是NEMA 4/12净化机壳。系 统210可以是固定或便携式的。
下述描述将具体地描述用于检测柴油燃料中的硫的本发明的应 用，即SINDITM系统，但对本领域的技术人员来说显而易见的是， 本发明可以应用于柴油燃料的其他成分或包含硫或其他成分的其他 流体。系统210的操作进行如下。使X射线分析组件212通电，例 如经来自控制器220的电连接211。将通常包含至少一些硫的柴油燃 料经入口214引入到系统210并通过阀224传递，并经导管215进 入X射线分析组件212中。柴油燃料被引入到系统212中的X射线 暴露组件的X射线暴露室(例如经图8中的导管123)，在这里，使 柴油燃料暴露于X射线，至少一些硫X射线发出荧光并且由系统212 检测硫存在。对应于由系统212检测到的硫的电信号被传送到控制 器220，用于数据分析和或显示。柴油燃料退出暴露室(例如经图8 中的导管125)并通过导管217，然后经出口216从系统210排出。 导管217中的燃料的流量的压力和流速可以分别通过流量测量设备 226(例如旋转流量计)和压力指示器228(例如压力计)，以及分别 经电连接227和228转送到控制器220的相应的信号来检测。通过 阀222和224的流动方向(和通过其的流速)可以例如响应于由流 量计226或压力指示器228检测的流量和压力，分别经控制信号223 和225，由控制器220来调节。净化入口218可被用来将液体或气体 净化引入到系统中，例如水、空气或氮，或用来引入具有已知含硫 量的燃料，用于系统校准。净化的方向和流量可以经阀222和224 手动或自动控制。
同样地，对本领域的技术人员来说显而易见的是，系统210，即 SINDIETM系统的紧凑和坚固的设计适合于分析许多类型的流体。然 而，当用于分析基于石油的燃料时，系统210能用于原油井处、油 贮藏设备、燃料精炼厂中、燃料分布管线或网络的任何地方、或期 望了解基于石油的燃料的含硫量的任何别的地方的硫分析。使用系 统210消除了如通常在燃料的硫分析的传统方法中所需要的样本制 备和分析试剂的需要。系统210提供连续、快速、在线的燃料硫含 量因此能尽可能快速地实现质量评估和控制。用于图9所示的系统 的一些分析和物理规格出现在表II中。
表II：用于图9所示的本发明的方面的分析和物理规格
检测范围 5ppm(mg/kg)至50,000ppm
检测限度 1ppm(典型)
可重复性 5％RSD(10-200ppm)
操作温度 -18至50摄氏度
通信 基于RS 232/485串行输出的10T/以太网
设备网 Profibus-DP以及任选的DCS系统
远程诊断能力 是
最大输入燃料流压力 100PSIG
氮气净化 干，在80-100PSIG下
功率 110VAC50/60Hz，500瓦特
重量 250磅(近似)
尺寸 78英寸 H×24英寸 W×18英寸D
本发明的改进的散热方面
根据本发明的进一步的散热方面，图10示例说明了根据本发明 的一个方面，具有高介质强度和导热冷却和导热冷却及电绝缘设备 的X射线射束组件1100的截面图。X射线射束组件1100包括X射 线不可渗透机壳1160，其包含通常由玻璃或陶瓷制成的、具有透射 窗1110的真空密闭X射线管1105。在图10中，仅部分示出机壳1160， 但应理解到机壳1160通常可以包围整个X射线射束组件1100。X 射线管1105容纳相对高压(HV)阳极1125排列的电子枪1115。电 子枪1115是由于电压而以电子束，即电子束(e-beam)1120的形式 发射电子的设备，如本领域所公知的。HV阳极1125充当靶，电子 束撞击到其上，其结果是产生X射线辐射1130，即X射线，如本领 域所公知的。
电子枪115通常保持在地电势(例如约0伏)而HV电极1125 保持在高压电势，通常在约50Kv或更高。结果是，从处于地电势 的电子枪115发射出的电子束1120被电吸引到处于高压电势的HV 阳极1125的表面上，从而产生X射线1130。电子束1120撞击阳极 1125，而X射线1130从阳极1125，从阳极1125上被称为X射线 1130的“焦点”1127的位置发射。在焦点1127处的阳极1125的表 面的方位角允许X射线1130指向透射窗1110。透射窗1110通常由 允许X射线1130射出X射线射束组件1100，同时维持X射线管1105 中的真空得X射线透射材料，诸如铍等等制成。在本发明的一个方 面中，例如，当使用更高能量的X射线时，例如20Kev光子或更高 时，可以不需要窗口，X射线可以穿过X射线管，例如玻璃X射线 管，而不需要窗口。
与撞击表面相对的HV阳极1125的末端通常突出X射线管1105 的本体并机械地、热或电耦合(例如连接)到基座组件1135。根据 本发明的一个方面，基座组件1135是三板结构，包括由导热材料制 成的第一板1140、由介质材料制成的第二板1150和由导热材料制成 的第三板，或基板1145。第一板1140通过第二、介质板1150至少 部分与第三板1145电绝缘。在本发明的一个方面中，第一板1140 充当热扩散器(thermal spreader)，即，板1140在有限面积，例如板 1140上的小的位于中央的有限面积上从阳极1125接收热，并将热散 布到板1140的更大面积以便于进一步散热。可以将基座组件1135 安装到外壳1160上。在本发明的一个方面中，基座组件1135至少 支持阳极1125并且可以支持X射线管1105。在本发明的一个方面 中，板1140和阳极1125包括单个集成部件，例如由单块金属加工 的部件或锻造为单个部件。在本发明的另一方面中，板1140和阳极 1125是用传统手段，例如通过钎焊、铜焊、焊接，或通过粘合剂， 例如导电粘合剂联接的分开的部件。在本发明的一个方面中，基座 组件1135仅为X射线管1105提供结构支撑。在图11中提供了基座 组件1135内的互连的进一步的详细情况。
在本发明的一个方面中，板1140、板1145或板1140和1145两 者可以包括在板1150上(或类似结构上，诸如条、块或圆柱)导电 材料的涂层或层。在本发明的一个方面中，对应于板1140、板1145 或板1140和1145两者的导电材料的涂层或层可以包括位于板1150 (或类似结构)上的或通过化学气相淀积或喷涂等等方法施加于其 上的导电材料(例如铜等等)的层。
根据本发明的另一方面，基座组件1135可以包括由导热介质材 料制成的单独的板或部件结构，例如单独的板1150(或类似结构， 诸如条、块或圆柱)，并且可以省略板1140和板1144，或相应的结 构。板1150可以直接位于阳极1125上并且提供用于冷却阳极1125 的足够的热路径。
在本发明的另一方面中，基座组件1135可以包括两个板或两个 部件的结构，其中可以省略板1140或板1145(或等效的结构)。在 本发明的一个方面中，阳极1125可以位于导热介电材料诸如板1150 上(或类似的结构，诸如条、块或圆柱上)，并且导电板1145可以 位于板1150上(或类似结构上)以及提供用于冷却阳极1125的足 够的热路径。在本发明的一个方面中，导热板1145(或其等效)的 功能可以通过施加于导热介质材料，诸如板1150(或类似结构)的 导电材料的层或涂层来提供。在本发明的一个方面中，可以通过化 学气相沉积、喷涂或类似的工艺，来施加导电材料(例如铜)的层 或涂层。在本发明的一个方面中，导热介质板1150的功能可以通过 施加于导电板1145(或其等效物)的导热介质材料的层或涂层来提 供。在本发明的一个方面中，导热介质材料的层或涂层可以是类金 刚石碳(DLC)，例如通过化学气相沉积施加于板1145(或其等效物) 上的DLC。在本发明的一个方面中，导热介质材料的层或涂层充当 热扩散器以便将来自阳极1125的热分布到导体板1145上。
另外，在本发明的另一两部件方面中，阳极1125可以位于导热、 导电材料，诸如板1140上(或类似结构，诸如条、块或圆柱上)， 而导热介质材料(诸如板1150或类似结构)可以位于板1140上(或 类似结构上)并提供用于冷却阳极1125的足够的热路径。同样，在 本发明的一个方面中，导电板1140(或其等效物)的功能可以通过 施加于导热介质材料诸如板1150(或类似结构上)的导电材料层来 提供。
在本发明的双部件或三部件实施例中，板1140和1145可以是圆 形板，例如2英寸直径盘状板，尽管根据本发明，也可以采用任何 传统形状的板，例如三角形、方形或矩形。板1140和1145可以由 导热材料形成，例如高导热材料，诸如含铜的材料，例如铜；含铝 的材料；含银的材料；含金的材料；金刚石材料，例如类金刚石碳； 或这些材料的两种或多种的组合。在本发明的一个方面中，板1140 和1145还可以包括导电材料，例如上述材料的一种。板1140和1145 可以具有在约0.1英寸到约0.5英寸范围内的厚度，例如约0.25英寸 的厚度。在本发明的一个方面中，板1140和1145可以为约相同的 尺寸，例如可以具有约相同的直径。然而，在本发明的一个方面中， 板1140和1145形成不同尺寸，例如如图10所示，板1145可以大 于板1140，例如在直径方面更大。基板1145还可以包括一些结构或 安装装置以便支撑和容纳X射线射束组件1100的整体结构。在本发 明的一个方面中，板1140和板1145的厚度可以比板1140的表面积 小。例如，在本发明的一个方面中，板1140或板1145的表面积(平 方英寸)与厚度的比(按英寸)通常可以为至少约5∶1。在本发明 的一个方面中，板1140或板1145的表面积与其厚度之比可以在约 10∶1和约100∶1之间。在本发明的一个方面中，板1140的直径为 约2英寸而板1140的厚度为约0.25英寸，其对应于约12.5∶1的面 积与厚度比。
在本发明的单部件、双部件和三部件实施例中，介质板1150还 可以是圆形板，尽管也可以使用任何传统形状的板，如上述参照板 1140和1145的描述。板1150可以小于板1140和1145，例如，当 板1140、1145和1150为圆形时，板1150可以在直径方面小于板1140 和1145。在本发明的一个方面中，板1150可以为盘形并具有约1.5 英寸的直径。板1150可以由在高压下提供高导热率的材料，诸如氧 化铍陶瓷、氮化铝陶瓷、类金刚石碳或它们的衍生物或等效物形成。 其结果是，介质板1150可以具有高介质强度同时也可以是良好的导 热体。例如，在本发明的一个方面中，介质板1150包括具有每K度 每米至少约150瓦特(W/m/K)的导热率和和每米至少约1.6×107 伏(V/m)的介质强度的材料。介质板1150可以具有在约0.1英寸 和约0.5英寸的范围内的典型厚度，例如约0.25英寸的厚度。在本 发明的一个方面中，与介质板1150的表面积相比，介质板1150的 厚度可以很小。例如，在本发明的一个方面中，板1150的表面积(平 方英寸)与厚度(英寸)之比通常为至少约5∶1。在本发明的一个 方面中，介质板1150的表面积与其厚度之比可以在约5∶1和约100∶ 1之间。在本发明的一个方面中，板1150的直径具有约1.5英寸的 直径以及约0.25英寸的厚度，其对应于约7.0∶1的面积厚度比。
氧化铍陶瓷具有约铜的2/3的典型的导热率，而氮化铝陶瓷具有 铜的约1/2的导热率。在本发明的一个方面中，将氧化铍陶瓷用于 形成介质板1150。在本发明的一个方面中，氮化铝陶瓷用于形成介 质板1150。在一些应用中，氮化铝陶瓷是优选的，因为氧化铍是有 毒物质，因此，对制造工艺或对环境原因来说，不是所期望的。相 反，氮化铝陶瓷是易于起作用的效能成本合算、无毒的氧化铍的替 代方案。
在本发明的一个方面中，导体板1140、1145和介质板1150是平 的以便最小化板间的粘接材料的量。例如，在本发明的一个方面中， 盘1140和1145的表面以及盘1150的表面是平的以便在至少约0.001 英寸内。
在本发明的一个方面中，HV阳极1125至少热连接到板1140。 在本发明的另一方面中，阳极1150至少热连接并且电连接到板 1140。在本发明的又一方面中，阳极1125机械连接、热连接并且电 连接到基座组件1135的板1140。在本发明的另一方面中，板1140 可以至少电连接到高压源，例如经HV引线1155。在本发明的另一 方面中，板1140机械连接、热连接以及电连接到高压源，例如，经 HV引线1155。HV引线1155可以连接到板1140，如在2002年7 月26日提交的，即与本申请同一天提交的、共同未决申请序列号 No.10/206,531(律师案号0444.058)中所公开的，其内容在此引入 以供参考。因此，在本发明的另一方面中，将高压电势提供到板1140 和HV阳极1125。相反，基板1145通常保持在约地电势。在本发明 的一个方面中，介质板1150提供高压板1140和接地基板1145间的 电绝缘。同样，下面参考图11，提供所有互连的进一步的详细情况。
在本发明的另一方面中，高压电缆1155可以通过除经1140外的 装置与阳极1125电通信。例如，在本发明的一个方面中，电缆1155 例如通过共同未决申请序列号No.10/206,531(律师案号0444.058) 中公开的电连接，直接连接到阳极1125。例如，在阳极1125直接位 于导热介质材料，诸如板1150上的本发明的一个方面中，电缆1155 可以直接连接到阳极1125。在本发明的另一方面中，电缆1155经其 他装置，例如与结构1135无关的装置与阳极1125通信。
在本发明的一个方面中，具有电子枪1115和HV阳极1125的X 射线管1105、基座组件1135和HV引线1155被均容纳在机壳1160 中，从而形成X射线射束组件1100。机壳1160可以用也被称为密 封剂的密封材料1162来填充，例如封装X射线射束组件1100的元 件的封装材料，诸如硅酮封装材料或其等效物。如图10所示，X射 线射束组件1100的一些元件可以突出机壳1160之外，诸如基座组 件1135。机壳1160密封剂1162可以形成可能没有气囊的并且可能 用来经密封剂1162或外壳1160，将X射线射束组件1100的许多表 面与周围环境，例如周围空气隔离的结构。在本发明的一个方面中， 密封剂1162包括具有至少约1.6×107V/m的击穿电压的材料，例如 硅酮填充材料或其等效物。在本发明的另一方面中，密封剂1162的 热属性对密封剂1162的功能来说不重要，例如，包含密封剂1162 的材料可能不需要良好的热导体。可以用作密封剂1162的材料是硅 酮材料，例如硅酮弹性体，诸如Dow Sylgard184硅酮弹性体，或 其等效物。
图11示例说明根据本发明的一个方面的基座组件1135的详细的 截面图。在本发明的一个方面中，基座组件1135用作高介质强度和 导热散热设备。在本发明的另一方面中，基座组件1135用作高介质 强度和导热散热设备以及用于X射线射束组件1100的结构支撑。
图11示例说明HV阳极1125至少热连接到板1140，尽管在本 发明的一个方面中，阳极1125机械连接、热连接以及电连接到板 1140。在本发明的一个方面中，阳极1125经传统手段，例如一个或 多个机械紧固件、焊接、铜焊、钎焊、粘合剂等等机械连接到板1140 上。在本发明的一个方面中，阳极1125经安装双头螺栓1205、接合 层1210或其组合，连接到板1140上。安装双头螺栓1205可以是由 导电材料，例如钢、铝、铜或上述其他导电材料终的一种形成的带 螺纹的销子。在图11所示的本发明的方面中，安装双头螺栓1205 被拧螺丝进入HV电极1125和板1140中。接合层1210可以由例如 高电导率焊料，诸如铟锡(In-Su)焊料，例如In-Sn低熔点焊料或 其等效物形成。
板1140、1145和1150也可以通过传统的手段，例如使用一个或 多个机械紧固件、焊接、铜焊、钎焊、粘合剂等等彼此连接。在本 发明的一个方面中，分别经接合层1215、1220，使介质板1150连接 到板1140以及使板1145连接到介质板1150。接合层1215、1220 可以是例如与用于上述接合层1210的焊料类似的高电导率焊料。在 本发明的一个方面中，板1145包括用于支撑或安装基座组件1135 的装置，其也可以支撑X射线射束组件1100，或至少支撑阳极1125。 尽管用于支撑基座组件1135的装置可以是任何传统的支撑装置，但 在本发明的一个方面中，板1145包括至少一个安装孔1405，例如至 少一个带螺纹的安装孔。
X射线射束组件1100可以包括用于传导和耗散来自板1145的热 的另外的装置。在本发明的一个方面中，板1145可以可操作地连接 到用于传导和耗散来自板1145的热的传统的装置。例如，板1145 可以可操作地连接到一个或多个散热片或散热销。在本发明的另一 方面中，也可以将板1145或散热片或散热销暴露至强迫通风冷却， 例如通过风扇，例如安装到X射线射束组件1100的电风扇的强迫通 风冷却。
根据本发明的一个方面，板1140和1145包括平滑的边缘，例如 图11所示的切成圆角的边缘。根据本发明的这一方面，切成圆角的 边缘使得围绕板的边缘的电场梯度最小化，以便降低用于板1140和 1145之间放电的电势。
根据本发明的一个方面，基座组件1135提供用于X射线射束组 件1100的机械支撑，特别是用于高压阳极1125的支撑，例如很少 或没有直接来自X射线射束组件1100的低电压或接地部件的支撑。 根据本发明的一个方面，由基座组件1135提供的机械支撑还包括用 于将热从X射线射束组件1100去除的热传导路径。在本发明的另一 方面中，除机械支撑或导热外，基座组件1135还可以提供至少一些 电绝缘，其中在基座组件1135上很少或没有电流损失，即最小化来 自阳极1125或来自X射线射束组件1100的任何其他高压部件的电 流损耗。
根据本发明的另一方面，基座组件1135提供有效的耗散装置， 例如传导来自X射线射束组件1100的，例如来自阳极1125的热。 根据本发明的这一方面(见图10)，由射束1120撞击在阳极1125 上和生成X射线1130所产生的热从撞击点1127，沿阳极1125传导 并进入板1140中。板1140然后从阳极1125的接触点，例如在径向 方向中对热进行传导，以及将热分布到板1140上，例如使热均匀分 布到板1140上。板1140中的热随后被传导到板1150中并且来自板 1150的热被传导到板1145中。根据本发明的一个方面中，板1140 中的热分布有效地在板1140中分布热，其中介质板1150上的温度 差最小化。其结果是，介质板1150的导热率可以小于传统导电材料， 例如含铜材料的导热率，并且仍然提供足够的导热率来使热从板 1140耗散到板1145中。板1145中的热可以通过到配套结构的传导 或通过自然对流、强迫空气对流、或在板1145上流动冷却液，来进 一步耗散。在本发明的一个方面中，散热片或散热销(未示出)可 被连接以便可操作地连接到板1145上。另外，根据本发明的一个方 面，可以将一个或多个介质板1150和导电板1145安装到板1140上， 例如，2组或多组板1150和1145可以用来传导热，使其远离X射 线射束组件1100。
根据本发明的一个方面，提供了一种X射线产生设备，其需要 很少或不需要冷却流体，例如需要很少或不需要内部冷却流体。即， 本发明的一个方面避免了对提供密封装置、泄漏保护，或者具有一 些现有技术特征的替代流体的需要。另外，根据本发明的另一方面， 提供了一种X射线产生设备，其能更容易地适合于调整或对准X射 线射束。例如，在不存在冷却流体或没有对冷却流体的需要的情况 下，可以将X射线对准或调整机构包含在X射线设备1100中，例 如用于使X射线射束1130与X射线光学部件，诸如毛细管光学部 件或晶体光学部件对准，而不需要使对准或调整机构流体密封。例 如，在2001年12月4日提交的共同未决申请No.60//336,584(律 师案号0444.045P)中公开了可以与本发明的一个方面一起使用的一 个对准机构，其内容在此引入以供参考。
本发明改进的对准和稳定性方面
如上综述，本发明在一个方面中提供了一种X射线源组件，该 X射线源组件提供例如聚焦的X射线射束或准直的X射线射束，并 且在操作条件的一范围内具有稳定的输出。在一个方面中，尽管一 个或多个操作条件改变，也可以通过控制阳极相对于组件的输出结 构的源点定位的控制系统获得该稳定输出。例如，尽管阳极功率电 平改变或在X射线源组件周围的环境温度改变，但可以维持阳极源 点相对于输出的位置恒定。
控制系统采用一个或多个执行机构，其能导致阳极源点或输出结 构运动。例如，一个执行机构可以包括温度执行机构，其提供加热/ 冷却阳极以便实现阳极源点相对于输出结构的位置的调整。另一执 行机构可以包括机械执行机构，其根据需要，物理地调整阳极源点 或输出结构的为止。又一执行机构可以静电或磁性地移动电子束。 可以由控制系统采用一个或多个传感器以便提供有关阳极源点相对 于输出结构的位置的反馈。传感器可以包括温度传感器，诸如直接 或间接测量阳极温度的传感器，以及外壳温度传感器和环境温度传 感器。传感器也可以包括用于获得阳极功率电平，或直接或间接测 量光学部件输出强度的反馈机构。
在另一方面中，公开了一种X射线源组件，包括具有用于生成 X射线的阳极的X射线管以及用于聚焦由阳极产生的X射线的光学 部件。提供用于控制来自光学部件的X射线的输出强度的控制系统。 尽管X射线源组件的一个或多个操作条件改变，这一控制系统也能 维持X射线输出强度。例如，控制系统能针对阳极功率电平的变化 和/或环境温度的变化进行调整。在下文中，还描述和主张了本发明 的各种另外的特征。
如在此所使用的，短语“输出结构”是指包括X射线源组件部 分的结构或与X射线源组件有关的结构。举例来说，该结构可以包 括X射线透射窗或光学部件，诸如聚焦或准直光学部件，其可以固 定到或者可以不固定到环绕组件内的X射线管的外壳上。
图12以截面图的形式示例说明了根据本发明的一个方面，X射 线源组件2100的前视图。X射线源组件2100包括X射线源2101， 该X射线源2101包括具有透射窗2107的真空密闭X射线管2105 (通常由玻璃或陶瓷形成)。X射线管2105容纳与高压(HV)阳极 2125相对排列的电子枪2115。当施加电压时，电子枪2115以电子 流，即电子束(e-beam)2120的形式发射电子，如本领域所公知的。 HV阳极2125充当具有源点的靶，电子束撞击在该靶上，用于产生 X射线辐射，即X射线2130。
举例来说，电子枪2115可能保持在地电势(0伏)，而HV阳极 2125可能保持在高压电势，通常约50Kv。其结果是，从处于地电 势的电子枪2115发射的电子束2120被电吸引到HV阳极2125的表 面上，从而从阳极上电子束2120撞击阳极处的源点产生X射线 2130。X射线2130基本上直接通过真空密闭X射线管2105的透射 窗2107。透射窗2107通常由诸如铍的材料形成，其允许基本上不受 阻碍地透射X射线同时仍然维持在X射线管2105内的真空。
外壳2110至少局部密封X射线管2105。外壳2110可能包括与 X射线管2105的透射窗2107对准的孔2112。距离来说，孔2112 可能包括外壳2110中的开放的孔或定义出空气空间的封闭孔。在透 射穿过透射窗2107和孔2112之后，X射线2130被光学部件2135 聚焦。在该例子中，图中示出的光学部件2135围绕外壳2110中的 孔2112为中心。光学部件2135可能固定于外壳2110的外部表面， 或可能部分位于外壳2110中以便存在于孔2112内(例如相对于透 射窗2107存在)，或可能单独地由外壳2110支撑但与外壳2110中 的孔2112对准。
如所提到的，举例来说，光学部件2135可能包括聚焦光学部件 或准直光学部件。在图12中，所示的光学部件2135是聚焦元件， 当X射线源2100用于要求高强度、低直径点2145的应用时，其非 常有用。聚焦光学部件2135聚集X射线辐射2130并使辐射聚焦成 会聚X射线2140。当要与要求低功率源的X射线荧光系统一起利用 X射线源2100时，聚焦光学部件可能是有利的。作为备选方案，光 学部件2135可能包括用在要求从光学部件(未示出)输出的X射线 辐射的平行光束的应用中的准直光学元件。在准直光学元件的情况 下，X射线2140将是平行的，而不是会聚到点2145，如图12所示。
光学部件2135可能包括能聚集或操作X射线，例如，用于聚焦 或准直的任何光学元件。举例来说，光学部件2135可能包括多毛细 管束(诸如可从New York，Albany的X-ray Optical Systems公司获得 的)、双弯光学部件或其他光学元件形式，诸如过滤器、针孔或狭缝。 (多毛细管光学部件是经全反射传送光子的薄、空管束。这种光学 部件在例如美国专利证书No.5,175,755、5,192,869和5,497,008中描 述。双弯光学部件在例如美国专利证书No.6,285,506和6,317,483 中描述过)。在X射线源组件2100校准之后，光学部件2135相对于 X射线源2101保持固定(在一个实施例中)直到执行进一步校准X 射线源组件2100为止。
相对撞击表面的HV阳极2125的末端突出X射线管2105的本 体并机械连接和电连接到基座组件2150。基座组件2150包括经介质 盘2160与基板2165电绝缘的第一导体盘2155。所得到的阳极2125 和基座组件2150结构，在此称为阳极叠层(anode stack)，在上面包 含的、共同提交的名为“Method and Device For Cooling and Electrically Insulating A High-Voltage，Heat Generating Component”的 专利申请中详细描述。尽管其中更详细地描述过，但下面简单地论 述基座组件2150的结构和功能。
导体盘2155和基板2165是例如由高导电和高导热材料，诸如铜 构成的几英寸直径的盘状板。举例来说，导体盘2155和基板2165 可以具有在0.1至0.5英寸范围内的厚度，在一个具体实例中，具有 0.25英寸的厚度。基板2165可以进一步包括结构零件以便容纳X射 线源2101的整体结构。
介质盘2160是例如由在高压时提供高介质强度的材料，诸如氧 化铍陶瓷或氮化铝陶瓷形成的1.5英寸直径的盘状板。另外，尽管不 像导体盘2155或基板2165那样导热，但是这些材料的确显示出良 好的导热率。介质盘2150可以具有在0.1至0.5英寸范围内的厚度， 在一个具体实例中，具有0.25英寸厚度。
导体盘2155经适当的高压引线2170机械连接和电连接到高压源 (未示出)。其结果是，将高压电势提供到导体盘2155以及随后提 供到HV阳极2125。因此，基板2165保持在地电势。介质盘2160 提供高压导体盘2155和接地基板2165间的电绝缘。用于将高压引 线2170连接到导体盘2155的组件的一个例子在上述包含的、共同 提交的名为“An Electrical Connector，A Cable Sleeve，and A Method For Fabricating A High Voltage Electrical Connection For A High Voltage Device”的专利申请中描述过。
X射线管2105、基座组件2150和HV引线2170被密封在密封 剂2175中。密封剂2175可以包括具有足够高的介质强度的刚性或 半刚性材料，诸如硅，以避免电压击穿。此外，密封剂2175不需要 是良好的热导体，因为优选的热路径通过基座组件2150。作为具体 的例子，密封剂2175可能通过在X射线管、基座组件和高压引线周 围模制硅酮弹性体(诸如可从Dow Chemical获得的Dow Sylgard184)形成，从而形成没有可能提供到地的不期望的电压击 穿路径的气囊的结构。
图13图示示例说明源扫描曲线2200，其中相对于阳极源点和输 出光学部件间的位移或未对准，绘制了输出强度表示，例如点2145 (图12)强度。点强度由使X射线(2130)扫过光学部件(2135) 的焦点而产生。图中示出Gaussian绘图结果，其中在X射线2130 (以及由此的阳极源点)在光学部件的焦点处适当对准的情况下实 现最大强度。
如图中所示，半最大值处的全宽度(FWHM)W1等于约200微 米。200微米的FWHM表示作为X射线2130(以及由此的阳极源 点)离光学部件2135的焦点的位移为2100微米的距离的结果，在 点2145处，X射线强度下降50％。当适当地校准后，X射线源组件 2100在图13的源扫描曲线的顶部附近斜率约等于0之处，对给定功 率起作用，以致X射线2130相对于光学部件2135的位移方面的较 小扰动(例如5μm或更小)导致可忽略的强度下降。举例来说，X 射线2130相对于光学部件2135的位移的可容许扰动的范围用W2 代表，表示X射线2130和光学部件2135的焦点之间，小于5微米 的位移是可接受的。然而，当X射线源的操作功率从0变化至50W 时，在HV阳极2125和基座组件2150的元件中会发生热膨胀方面 多达50微米的差值。
图14描绘了如上文结合图12所述的X射线源2100。然而，在 这一例子中，由撞击在HV阳极2125上的电子束2120产生的热已 经使得HV阳极2125、导体盘2155和基板2165膨胀，并且以较小 的程度使介质盘2160膨胀。作为这一膨胀的结果，产生X射线2310 的发散射束，其相对于如图12所示的X射线2130垂直偏移。例如， 如果电子枪2115在50W功率下操作，则X射线2310的焦点可以从 其在0W时的位置偏移多达50微米。X射线2310与光学部件2135 未对准，因此，X射线2135的会聚射束产生显著降低强度的点2320。
由于准直光学部件和聚焦光学部件，诸如双弯晶体和多毛细管束 的物理属性，光学部件2135相对于阳极源点的精确定位对X射线 2315的优化准直或聚焦是较理想的。其结果是，X射线2310相对于 光学部件2135的位移，诸如可以由HV阳极2125和基座组件2150 的热膨胀产生的位移，可能导致具有显著降低强度的点2320，如图 13中图示所示。
阳极源点至输出结构的偏移可以使用各种方法来测量。例如，在 阳极叠层的基座处可以采用温度传感器2400以便测量阳极叠层温度 方面的变化，如下文进一步描述的，其可以在校准过程期间，与阳 极源点至光学部件的偏移相关。图16表示可替换的温度传感器实现。
如图16所示，同样包括导体盘2155、介质盘2160和基板2165 的基座组件2150被修改，以便包括凹入基板2165的并且与基板2165 良好热接触的温度传感器2400。为示例说明的目的，图16描绘了表 示从阳极到基座组件和通过基座组件的热传递的波。这些波表示通 过使电子束2120撞击在HV阳极2125上产生的热，如图15所示。
在图15中还描绘了X射线强度测量设备2410。除感应温度以确 定偏移之外，或者作为感应温度以确定偏移的替换，可以测量X射 线源2101或光学部件2135的X射线输出强度。举例来说，在衍射 应用中，可以将离子室或正比计数器用作强度测量设备2410，以便 提供用于诸如在此所述的位置控制系统的所需反馈。在衍射应用中， 感兴趣的能量通常仅在一个波长处，因此位于X射线路径中的正比 计数器仅吸收少量感兴趣的X射线。本领域的技术人员将认识到可 以采用其他强度测量方法以便直接或间接确定从X射线源组件2100 输出的X射线的强度。温度感应、X射线强度感应等等的目标是提 供有关阳极源点和输出结构间的对准的反馈信息。下面参考图18-21 进一步描述控制系统和控制过程。
参考图17-17B，能更好地理解阳极叠层温度和阳极源点至输出 结构的对准之间的关联。
在图17中，所示的阳极叠层包括阳极2125和基座组件2150。 组件2150包括导体盘2155、介质盘2160和基板2165，在这一例子 中，所示的基板2165包含嵌入其中的温度传感器2400。水平放置阳 极叠层以便与图17A的图上的距离轴(X轴)相关。
如图17A所示，阳极叠层在包括组的不同部件上具有不同的温 度降，在阳极2125的最右端处开始，对50W和25W例子，示出了 具有稍微陡于例如导体盘2155上的温度降的斜率的温度降。尽管阳 极2125和盘2155均是导电的，但用于盘2155的更大的横截面表示 从一个主表面到另一个的更小的温度降。如图17A所示，阳极叠层 上的温度变化与阳极功率电平有关。温度变化(y轴)与高于室温的 阳极叠层的变化温度偏移有关。因此，在应用阳极功率电平为0时， 偏移假定为0。
作为进一步的增强，根据本发明的一个方面的X射线源组件可 以被调整以便适应室温或环境温度变化。为了使对膨胀起作用的元 件的总的热膨胀在50W射束电流时与在0W射束电流时相同，那么 板2165(以及从而相连的元件)的0W的基础温度可以被提高到例 如40℃。这在图17A中通过虚线示出。
图17B描绘了低于用于在0和50瓦特间的各种功率电平的阳极 叠层的部件的环境温度的参考温度的例子。更具体地说，图17B描 述用于各种管操作功率的参考温度(在图17A中在0W时导出和示 出)。另外，通过将另外的温度偏差增加到这一参考温度上，相同的 系统能适应环境温度的变化。例如，在50W和20℃下，获得0℃ 的参考Δ温度。如果这一参考Δ温度升高到5℃，那么将提供另外的 加热以便使这一Δ温度维持在20℃。然而，在25℃下，不需要另外 的加热。用这种方式，在例如20℃时需要参考Δ温度中的偏差，其 允许在更高环境温度下的补偿。
图18以横截面视图示例说明根据本发明的另一方面的通常用 2700表示的X射线源组件的一个实施例的正视图。X射线源组件 2700包括X射线源2705和输出光学部件2135。光学部件2135与真 空X射线管2105的X射线透射窗2107对准。X射线管2105同样 容纳与高压阳极2125相对放置的电子枪2115。当施加电压时，电子 枪2115以电子束(即如上所述的电子束2120)的形式发射电子。 HV阳极2125充当相对于源点的靶，电子束撞击在源点上，用于产 生用于透射穿过窗2107并由光学部件2135聚集的X射线辐射2130。 电子枪2125和阳极如上文结合图12、14和15所述的实施例那样起 作用。
阳极2125同样物理连接并电连接到基座组件，该基座组件包括 经介质盘2160与基板2165′电绝缘的导体板2155。基座组件的结构 和功能与结合图12、14和15所述的基座组件相同。高压引线2170 连接到导电板2155以便向阳极2125提供所需功率电平。由密封剂 2175密封电子枪2115、阳极2125、基座组件2150和高压引线2170， 其全部容纳在外壳2710中。外壳2710包括与X射线管2105的X 射线透射窗2170对准的孔2712。在操作中，由光学部件2135聚集 X射线辐射2130，以及在这一例子中，聚焦2740到光点2745。如 上文所提到的，光学部件2135可以包括各种类型的光学元件中的任 何一种，包括多毛细管束和双弯晶体。另外，根据X射线源组件的 应用，光学部件2135可以例如包括聚焦光学部件或准直光学部件。
根据本发明的一个方面，在X射线源组件2700内实现以控制系 统。这一控制系统包括例如处理器2715，在图中示为嵌入外壳2710 中，以及一个或多个传感器以及一个或多个执行机构(诸如传感器/ 执行机构2720和执行机构2730)，其将被耦合到处理器2715。X射 线源组件2700内的这一控制系统包括随着阳极功率电平的变化，补 偿例如HV阳极2125和基座组件2150的热膨胀的功能性以便维持 X射线2130相对于光学部件2135的对准。这使得X射线源组件2700 在阳极操作电平的一范围内，以稳定的强度维持光点大小2745。
图19示例说明根据本发明的一个方面的控制环的一个实施例， 以及图19A描述据本发明的一个方面的控制函数的一个例子。如图 19所示，一个或多个传感器2800提供有关例如阳极叠层温度和/或 X射线输出强度的反馈，其被反馈到实现控制功能的处理器2810。 例如，图19A描述控制功能，其中在来自温度传感器(TS)的值与 参考温度(R)之间确认温度偏差以便能确定当前位置(K)、改变 的速率(d/dt)以及累积历史(S)。然后使这一比例积分微分函数的 结果累加以便提供作为时间的函数(O(t))的输出。将这一输出提供 到一个或多个执行机构2820，其实现阳极源点位置或输出结构(诸 如光学部件)的位置的自动变化，以便例如维持阳极源点相对于输 出结构的位置，或使光学部件的输出强度保持在所需值。通过X射 线源组件的控制系统，能连续地重复这一监视和调整过程。
回到图18，传感器/执行机构2720可以包括物理连接到基板2165′ 的温度执行机构。这一温度执行机构2720可以包括例如用于将加热 和/或将冷却施加到基板2165′以便将热增加到基板上或从基板去除 热的任何装置。举例来说，加热元件可以包括100hm功率电阻器诸 如可从California，Riverside的Caddock Electronics获得的型号 MP850，同时适当的冷却元件可以包括强迫通风散热片或基于流体 的散热片。在操作X射线源组件期间，能利用温度执行机构以便相 对于一个或多个输出结构诸如X射线聚集光学部件，使阳极X射线 点维持在最佳方位。实现施加热或从基板移出热以便尽管组件的一 个或多个操作条件，诸如阳极功率电平改变，也能在X射线源组件 的整个操作中，维持阳极叠层上的一致平均温度。
具体地，在一个实施例中，在X射线源组件的整个操作范围中， 基座组件和HV阳极的热膨胀被维持在允许所生成的X射线始终与 例如聚集光学部件对准的公差内。在例如X射线源组件偏移到降低 的操作功率时可能发生施加另外的热，使得HV阳极和基座组件元 件不遭受由于通过其的散热而引起的尺寸的降低，允许维持X射线 和聚集光学部件的最佳对准。在一个实施例中，加热元件可以包括 在基板内部，而冷却元件可以热耦合到基板的暴露表面上。
尽管在此结合维持阳极叠层上的一致平均温度进行了描述，本领 域的技术人员将认识到存在用于维持阳极源点和输出结构间的所需 对准的其他机构。例如，可以采用机械执行机构2730以便物理地调 整聚集光学部件相对于阳极源点的方向和位置。可以手动调整或自 动调整这些执行机构以便响应从处理器2715接收的信号。对本领域 的技术人员来说，其他致动控制机构也将是显而易见的，并且由在 此给出的权利要求书所包含。控制系统的目标是相对于聚集光学部 件输入(例如焦点)，维持阳极源点的所需方向。通常，这一所需方 向将包含确保最高强度点2745的最佳方向。
图20是可以由图18的处理器2715实现的过程的一个实施例的 流程图。图20表示在X射线源组件操作期间，由处理器周期性重复 的循环，以便例如响应于一个或多个操作条件，诸如施加到阳极的 功率电平的变化，施加或从基座组件移出热，从而维持阳极叠层上 的一致平均温度，从而允许相对于聚集光学部件的输入，最佳地对 准所发射的X射线。
如图20所示，该过程通过读取阳极功率电平2900开始。在一个 实施例中，可以由其信号范围在例如0和10V之间的两个模拟输入， 来确定阳极功率电平。一个输入传送电压，在该电压下，向电子枪 2115(图18)提供电力的电源操作，而第二输入传送由电源取出的 安培数。从这两个输入，可以确定电子枪2115在操作时的功率，其 也是阳极的功率电平。
过程随后读取阳极叠层和源外壳2910的温度。如上面所提到的， 可以使用温度传感器以及将所得到的信号反馈到嵌入组件内的处理 器，由基座组件的基板确定阳极叠层的温度。外壳温度还能包括温 度传感器，在一个实施例中，其将热耦合到外壳的表面以便测量机 壳的膨胀或收缩。测量外壳温度的需要假定受监视的光学部件或其 他输出结构机械耦合到外壳上。
接着，过程确定用于读取功率电平的参考温度2920。参考温度 将是用于在所测量的阳极功率电平时、用于阳极叠层的所需预定温 度。在用于X射线源组件的校准过程期间，可以确定参考温度，并 且参考温度可能对特定的组件是唯一的或对于多个相同制造X射线 源组件的类是通用的。图21描述能被用来查找用于所读取的功率电 平的参考温度的表的一个实施例。如图中所示，图21的表还将外壳 温度用作在确定用于阳极叠层的所需参考温度中，将考虑的另一操 作条件。因此，根据用于X射线源组件的外壳温度和阳极功率电平， 获得用于阳极叠层的所需参考温度。
参考温度和所读取的温度被馈送到诸如上面结合图19所述的位 置、速率和累积历史控制算法中。使用该算法来计算到一个或多个 执行机构2930的输出。本领域的技术人员能容易实现比例积分微分 算法以便实现这一函数。只要获得该输出，就将该输出提供到执行 机构(一个或多个)以便例如，维持阳极源点相对于光学元件输出 2940的位置。
作为一个具体例子，处理器能输出包括允许散热片在旋转速度的 一个范围上操作，从而以适当速率从阳极叠层的基板移出热的脉冲 宽度调制信号的信号。占空比是能通过阳极的操作功率而被确定的 脉冲宽度调制输出。第二输出能允许提供到加热元件的功率变化， 从而改变增加到阳极叠层的基板的热量。在一个实施例中，在执行 比例积分微分(PID)算法后，处理器能利用公式或查找表来确定对 阳极当前操作时的特定功率电平，阳极叠层的基板应当维持的温度 (即参考温度)。
作为对上述基于反馈的算法的替换，处理器可以实现(举例来说) 基于模型或基于预测的算法。作为基于预测的算法的例子，可以有 意不对准源和光学部件以便识别已知源扫描曲线上的精确起始位 置。例如，可以使源和光学部件对准错放到源扫描曲线的高斜率位 置，从而允许精确测量或推断位移。此后，使用所确定的位移，可 以使用已知源扫描曲线来进行调整以便返回到曲线的峰值。
尽管参考优选实施例特别示出和描述了本发明，但本领域的技术 人员将理解到在不背离在下述权利要求书中描述的本发明的精神和 范围的情况下，可以对本发明在形式和细节方面做出各种改进。
相关申请的交叉引用
本申请包含与下述申请的主题有关的主题，这些申请被指定给 与本申请相同的受让人。下面列出的申请在此引用，以供参考。
由Radley等人于2001年12月4日提交的美国专利申请序列号 No.60/336,584，“X-RAY TUBE AND METHOD AND APPARATUS FOR ANALYZING FLUID STREAMS USING X-RAYS”(代理人， 案号0444.045P)；
由Radley于2002年5月29日提交的美国专利申请序列号No. 60/383,990，“A METHOD AND APPARATUS FOR DIRECTING X-RAYS”(代理人，案号0444.055P)；
由Radley等人于2002年7月26日提交的美国专利申请序列号 No.60/398,965，“X-RAY SOURCE ASSEMBLY HAVING ENHANCED OUTPUT STABILITY”(代理人，案号0444.056P)；
由Radley于2002年7月26日提交的美国专利申请序列号No. 60/398,968，“METHOD AND DEVICE FOR COOLING AND ELECTRICALLY INSULATING A HIGH-VOLTAGE， HEAT-GENERATING COMPONENT”(代理人，案号0444.057P)；
由Radley于2002年7月26日提交的美国专利申请序列号No. 10/206,531，“AN ELECTRICAL CONNECTOR，A CABLE SLEEVE， AND A METHOD FOR FABRICATING AN ELECTRICAL CONNECTION”(代理人，案号0444.058)；
由Radley等人于2002年7月26日提交的美国专利申请序列号 No.60/398,966，“DIAGNOSING SYSTEM FOR AN X-RAY SOURCE ASSEMBLY”(代理人，案号0444.065P)。
在激发室16中的待测样品可以是想要了解其特性的任何所需物 质。样本可以是固体、液体或气体。如果样本是固体，通常将样本 放在相对平的表面，例如X射线反射平面上，例如光反射表面。样 本，如果是固体、液体或气体，也可以包含在密封容器或室中，例 如具有X射线透明孔的密封容器，其中X射线射束能通过该透明孔。 当用射束24照射时，通常激发室16中的样本的至少一种成分，以 这样一种方式被激发，使得该成分发出X射线荧光，即由于被X射 线24激发，产生X射线的二次光源26。同样，由于X射线射束26 通常是X射线的发散射束，因此通过第二X射线聚焦设备18，例如 与设备14类似的设备聚焦射束26，以便产生被引导向X射线检测 器20的X射线的聚焦射束28。对本领域的技术人员来说，显而易 见的是，尽管本发明的这一和其他方面根据X射线荧光应用进行了 描述，但其也可以用在X射线吸收应用中。
X射线检测器20可以是正比计数器型或半导体型X射线检测 器。通常，X射线检测器20产生包含被检测X射线的至少一些特性 的电信号30，该电信号30被发送到分析器32，用于分析、打印输 出或其他显示。
本发明的各个方面对图1中所示的系统10和系统部件提供了进 步和改进。根据图2和3公开了本发明的这些方面中的一个方面。 图2示例说明典型的现有技术X射线管组件34的截面图，例如由 CA，Scotts Valley的Oxford Instruments生产的系列5000 TF5011 X射 线管，尽管也可以使用其他类似的X射线管。作为典型，这一现有 技术X射线管34包括圆柱外壳36，其通常包括非导电玻璃外壳。 电子束发生器38和阳极40安装在外壳34中，通常为如图所示的方 向。阳极40通常是薄固体材料，例如安装在铜或类似的高导热率材 料的导电阳极上的钨或铬。阳极40通常形成为提供表面50，并使圆 柱支撑结构41形成为提供用于在外壳36中的阳极40的刚性支撑， 以及还使结构41上的气体容积与结构41下的容积隔离。阳极40还 包括穿过外壳36的圆柱非导电支撑44。电连接42为电子束发生器 38提供电力。外壳36通常包括至少一个孔46，用于发射由X射线 管34产生的X射线。外壳36通常将管34的内部容积与周围环境隔 离并且管34的内部容积通常具有至少一些形状或真空，例如约10-6 托。
当将例如50瓦特的电力提供到电连接42时，电子束发生器38 产生指向阳极40的表面50的电子束，如箭头48所示。表面50通 常是斜面，例如与管轴倾斜约45度。电子束48与表面50的交互作 用产生在所有方向中散射的X射线。所产生的X射线的波长和频率 是提供到电连接42的电力的函数等等。然而，这些散射的X射线的 至少一个路径用指向孔46的箭头52表示。X射线射束52的方向通 常是管34的方向的函数。用箭头52表示的X射线射束通过在孔46 中的X射线可渗透阻挡层(permeable barrier)54。X射线可渗透阻 挡层54通常由允许通过X射线同时将外壳36的内部容积与周围环 境隔开的铍(Be)或钛(Ti)制成。
通过将电子束48撞击在阳极40上生成的X射线生成大量热， 例如，通常使阳极40的温度升高到至少60摄氏度，以及能达到钨 的熔点一样高。因此，通常将管34侵入冷却和绝缘液56，例如基于 石油的油中。管34和液体56通常容纳在圆柱外壳58中。外壳58 通常不可渗透X射线，例如，外壳58通常可以是内衬有铅的。冷却 和绝缘液56的容积及由此的外壳58的大小是X射线管34的冷却要 求的函数。外壳58还通常包括与管34的孔46对准的孔60以发射 由管34产生的X射线。管34通常通过连接到管34的支架44的支 撑结构62，例如通过螺纹连接，刚性地安装在外壳58中。支架44 通常由不导电材料，例如陶瓷材料制成以便使阳极40与外壳58电 绝缘。
图3示例说明根据本发明的一个方面的X射线管组件64，其是 在图2所示的现有技术X射线管组件上的改进。在图3中出现的许 多特征可能基本上与图2的特征相同，并用相同的标记表示。根据 本发明的这一方面，X射线管组件64包括具有外壳36的X射线管 34′(可以与管34类似)、电子束发生器38、阳极40和孔46，它们 基本上与参考图2所示例说明和所述的结构相同。然而，根据本发 明，X射线管组件64包括安装至或热耦合至X射线管34′的至少一 个导热、但不导电的材料70。导热不导电材料(可以称为导热介质 材料)70是具有高导热率以及高介质强度的材料。例如，材料70 通常具有至少约100Wm-1K-1的导热率，并且最好为至少150 Wm-1K-1，以及材料70通常具有至少约1.6×107Vm-1的介质强度， 最好是至少约2.56×107Vm-1。材料70可以是氮化铝、氧化铍、类金 刚石碳、它们中的组合或它们的等效物或衍生物。在图3中，材料 70示例为圆柱结构，例如圆柱形或矩形圆柱(rectangular cylindrical) 结构，尽管材料70可以采用许多不同几何形状并提供所需功能。
X射线管64可以通常安装在外壳158中。外壳158，与图2中 的外壳58类似，通常由X射线不可渗透材料，例如内衬铅的材料、 铅或钨制成。外壳158可以采取任何适当的形状，包括圆柱形和矩 形圆柱。在本发明的一个方面中，外壳158由钨板制成，以及由于 钨的不良切削性，外壳158最好为矩形圆柱形状。当然，如果可以 产生用于提供制作钨外壳的其他装置的方法，这些方法也可以应用 于本发明。
根据本发明，导热介质材料70允许具体来说将热传导远离阳极 40以及总体上说远离管34′同时最小化或防止具体来说的通过阳极 40的电流以及总体上说的通过管34′的电流。在本发明的这一方面 中，支架44′(与图2的管34的支架44不同)通常由导电材料，例 如铜或铝制成。根据本发明的这一方面，经支架44′和材料70，使热 传导远离阳极40同时材料70使阳极40与例如外部外壳158电绝缘。
与现有技术的X射线管组件不同，根据本发明的这一方面的X 射线管34′的温度能够通过经材料70的表面积，使热传导远离阳极 40以及使热耗散到相邻的环境而降低。因此，材料70具体来说冷却 阳极40以及总体上说冷却管34′以致降低管34′的冷却需求，或能实 现增加阳极40的热量。例如，在本发明的一个方面中，材料70的 存在提供用于冷却管34′的充足的手段，由此需要很少或不需要另外 的冷却装置。在本发明的另一方面中，材料70的存在提供了用于冷 却管34′的充足手段，由此空气冷却提供了管34′的充足冷却，例如 强迫通风冷却(尽管非强迫空气冷却特征化了本发明的一个方面)。 在本发明的另一方面中，材料70的存在提供了用于冷却管34′的充 足冷却，由此与用于现有技术的X射线管组件所需的液体相比，需 要更少的冷却和绝缘液体，例如，比现有技术X射线管组件少至少 10％的冷却液体；通常比现有技术管组件少至少20％冷却液体，最 好，比现有技术管组件少至少50％。
根据本发明的一个方面，通过增加材料70的表面积，例如通过 将散热片或散热销引入到材料70，增加材料70的冷却能力。在本发 明的另一方面中，通过将散热片或散热销引入到热耦合到材料70的 结构上，获得另外的冷却能力。在图3的剖视图中示例说明一种这 样的任选结构。图3包括安装到或者热耦合到材料70的板72。由例 如铜或铝的导热材料制成的板72可以提供用于冷却的足够表面积。 在本发明的这一方面中，通过使用散热片或散热销74，提高热耦合 结构的表面积。根据本发明的一个方面，板72和散热片74由导热 的材料组成以便能使热传导远离例如基于铜、铁或铝的材料70。在 本发明的另一方面中，由导热和防X射线穿透的材料，例如钨铜制 作板72。钨铜中的铜提供所需电导率同时钨提供所需X射线屏蔽。 具有相同或类似属性的其他材料也可以用于板72。当板72是双重材 料(duplex material)，象钨铜时，散热片70可以简单的是基于铜或 铝的材料。
图4、5和6示例说明根据本发明的一个方面的X射线源和X射 线聚焦设备组件80以及X射线源组件82。X射线源和X射线聚焦 设备组件80包括X射线源组件82和X射线聚焦设备84。图4所示 的X射线聚焦设备84是如在上述美国专利中所公开的多毛细管X 射线光学部件，但设备84也可以是任何类型的X射线聚焦设备，例 如上述公开的X射线聚焦晶体(focusing crystal)和毛细管型光学部 件。在本发明的一个方面中，X射线源组件82包括具有如图3所述 和所示例说明的导热介质材料70的至少一个X射线源64。尽管在 图3中，将X射线源组件82示为矩形圆柱形状，但组件82也可以 采用任何方便的几何形状，包括圆柱形或球形。组件82经电连接86 和87接收电力。
图5示例说明在图4中所示的X射线源和X射线聚焦设备组件 80的局部剖视图。如图5所示，组件80包括X射线源组件82和X 射线聚焦设备84。X射线源组件82包括外壳88、X射线管组件64 (如图3所示)和X射线隔板组件90。根据本发明的这一方面，外 壳88是圆柱形，例如圆形或矩形圆柱形状，并由X射线屏蔽材料， 例如铅、内衬铅的材料、钨、贫铀或其组合制成。外壳88包括用于 发射由X射线管34′生成的X射线的至少一个穿孔(未示出)以及 用于安装X射线光学部件84的装置89。在图5所示的本发明的该 方面中，安装装置89包括在外壳中的穿孔附近的螺栓法兰连接，通 过该穿孔，由X射线管34′生成的X射线被传递至光学部件84。
外壳82还可以包括具有穿孔94的底板92，X射线管组件64可 以延伸穿过该穿孔94。例如，如图5所示，X射线管组件64的散热 片74可以延伸穿过底板穿孔94，例如以便向散热片74提供空气通 道。如图中所示，在本发明的一个方面中，散热片74可以径向定向。
根据本发明的另一方面，外壳88最好包括使外壳88对准其被安 装至其上的部件的至少一个装置。例如，外壳88中的该对准装置可 以包括参照X射线管源点的方向的一个或多个定位销或定位销孔 98。下面将论述这些定位销孔或销的调整和方向。
X射线源组件82还可以包括隔板组件90，用于改变从组件82 发出的X射线的量和类型。根据本发明的这一方面，隔板组件90 包括具有相对于X射线管组件中的X射线孔，例如相对于图3所示 的孔46可平移的至少一个穿孔96、最好是多个穿孔96的隔板圆柱 91。孔96可以改变大小和形状，或可以包含能用来改变由组件82 发出的X射线的量和类型的一个或多个X射线过滤设备。尽管隔板 组件90可以包括具有一个或多个孔的任何类型的板，但是根据图5 所示的本发明的该方面，隔板组件90包括绕X射线管34′的轴安装 并可旋转地安装到外壳88上的圆柱体9l。隔板柱体9l可以安装在 盘93上。根据本发明的这一方面，可以借助于未示出的装置，经盘 93旋转隔板柱体9l，来改变孔96相对于管34′的孔的方向(再次参 见图3)。旋转隔板柱体9l的装置可以是手动装置或自动装置，例如， 通过步进马达或线性执行部件(linear actuator)。
图6示例说明图4和5的X射线源和聚焦设备组件80的视图， 为清楚说明起见，将外壳88的侧面和顶部去除。图6示例说明了X 射线管组件64、隔板柱体组件90以及X射线光学部件84。图6还 示例说明了将X射线管组件64可调节地安装到外壳88的底板92 上。如图5所示，电连接86可操作地连接到管34′的阳极40，而电 连接87可操作地连接到管34′的电子束阳极发生器38(见图3)。
根据本发明的这一方面，X射线管组件64(具有导热介质材料 70)可调节地安装到外壳88上，从而可以改变和优化由X射线管 34′发出的X射线的方向和定向，例如优化以便与X射线光学部件 84对准。尽管可以使用改变X射线管组件64的定向和对准的许多 装置，包括旋转和平移调整，但是根据图4、5和6所示的本发明的 该方面，X射线管组件64的定向和对准通过至少一个螺杆或螺丝， 最好是多个螺杆或螺丝来实现。在图6所示的该方面中，三个螺丝 100穿过底板92并与板72的底表面啮合。螺丝100可以螺纹安装入 孔中，例如板72中的螺纹孔，或可以简单地支撑板72的底表面。 可以手动或自动地实施螺丝100或任何其他调整装置的调整。
根据本发明的一个方面，定向或管组件64的调整是可以与外壳 88对齐的。即，在本发明的一个方面中，由X射线管34′产生的X 射线射束的定向可与外壳88以及与X射线源组件82配套的部件的 对准对齐。例如，X射线聚焦设备或样本激发室可以通过简单地与 外壳上的一个或多个基准点对准，与X射线管34′对准。在图4、5 和6所示的本发明的该方面中，由X射线管34′产生的X射线射束 的定向和对准与外壳88上的一个或多个定位销或定位销孔98对齐。 其结果是，通过适当地使配套部件与定位销或孔98对准，能相应地 使配套部件与管34′的X射线射束例如通过很少的调整或没有进一 步的调整而对准。
图7示例说明根据本发明的另一方面的X射线荧光组件110。X 射线荧光组件110包括X射线源组件112、样本激发室组件116和X 射线检测器组件120。组件110还包括未示出的至少一个X射线聚 焦设备(通常至少两个设备)。所有这些设备均集成为具有外壳115 的单个组件110。
图8示例说明图7所示的X射线荧光系统110，但将外壳115去 除以便显示X射线源组件112、样本激发室组件116、X射线检测器 组件120和两个X射线聚焦设备114和118之间的代表性空间关系。 以与图1所示的系统10类似的方式，X射线源组件112产生X射线 射束122，该射束122由X射线聚焦设备114聚焦以便在激发室组 件116中的待测的样本上产生聚焦射束124。由样本激发室组件116 中的样本的X射线辐射产生的X射线荧光生成X射线荧光射束126。 射束126被X射线聚焦设备118聚焦以便产生指向X射线检测器组 件120的聚焦X射线射束128。源组件112、容器组件116和检测器 组件中的每一个分别包括安装法兰113、117和121，用于将每个组 件安装到外壳115上。X射线聚焦设备114和118还包括用于将这 些设备安装到外壳115的装置。
在现有技术的XRF检测方法中，例如在D2622方法，样本激发 路径和检测路径被保持在惰性气体气氛中，例如在氦气氛中。然而， 惰性气体的可用性，特别是在远程位置中，使得这些现有技术工艺 的实现很不方便。相反，在本发明的一个方面中，样本激发路径和 检测路径维持在真空下，并且不需要惰性气体。例如，在图7和8 所示的系统110中，外壳115被保持在真空下，例如至少约15托下。 真空可以通过不具有移动部件的文氏管泵(venturi pump)提供。然 而，如果需要并且可用，在本发明的另一方面中，也可以引入惰性 气体诸如氮或氦并维持在外壳115中，例如在压力下。在本发明的 另一方面中，可以加热或冷却外壳115，例如通过直接或间接热交换 器或经辐射或对流加热或冷却装置，来进行加热或冷却。在本发明 的另一方面中，外壳115可以不加压并且实质上包含大气压力和温 度。
X射线源组件112可以包括任何类型的X射线源，但源组件112 最好包括与图4、5和6所示的源组件82类似或相同的源。即，源 组件112最好包括具有导热介电的X射线管组件，诸如材料70，并 可调整地安装到其外壳上以及可以经定位销或定位销孔与相邻部件 例如孔115对齐。
X射线聚焦设备114和118可以是先前描述的聚焦设备中的任何 一个，例如双弯晶体或多毛细管光学元件。尽管在图8中所示的X 射线聚焦设备114和118显示为双弯晶体，但是也可以将其他类型 的X射线光学部件用于系统110，包括如在上述引用的美国专利中 所公开的多毛细管、单片X射线光学部件。
在一些现有技术的XRF方法中(例如仍然是D2622方法)，使 用多色X射线实施样本激发。其中，使用多色X射线激发要求使用 至少两个X射线波长以便校正在多色激发中固有的误差。根据本发 明的一个方面，使用单色X射线，实施例如通过X射线聚焦设备114 的激发。使用单色激发避免了对于当使用多色激发时通常需要的检 测误差的校正的需要。例如，在本发明的一个方面中，由于没有轫 致辐射照明，因此降低了背景辐射水平。其结果是，本发明通过使 用单色激发，提供了比现有技术方法更高的信噪比。
X射线样本激发室组件116可以包括任何类型的腔或表面，用于 保存或保持用于测试的样本，例如固体、液体或气体样本。在本发 明的一个方面中，样本激发室组件116包括导管123和125，分别用 于引入样本和从样本激发室116移出样本，例如用于连续液体(例 如气体或液体)分析。
现有技术XRF方法(例如D2622方法)通常要求样本大小为直 径至少25mm，通常更大。在本发明的一个方面中，通过具有X射 线聚焦设备，样本直径可以小于直径25mm，甚至小于直径10mm， 或甚至小于直径3mm。具有这么小的样本直径的能力允许更小的照 明区和更稳定的激发和检测。
X射线检测器组件120可以包括能接收X射线射束128，例如聚 焦的X射线射束的任何类型的X射线检测器。检测器组件120可以 包括正比计数器型X射线检测器或半导体型X射线检测器。在本发 明的一个方面中，X射线检测器120包括至少一个PIN二极管型X 射线检测器。
典型的现有技术XRF方法(例如仍然是D2622方法)将正比计 数器用作X射线检测器。然而，正比计数器型检测器通常要求大的 检测面积或长的检测时间以便计数尽可能多的光子。另外，正比计 数器型检测器通常在它们的检测面积上具有“窗口”。尽管对高能X 射线来说，存在窗口是无关紧要的，但当使用正比计数器型检测器 检测低能X射线时，窗口的存在可能会与透射的X射线干扰。使窗 口更细小以避免这些干扰，增加了气体泄漏的可能性。然而，在本 发明的一个方面中，使X射线聚焦在检测器上避免了对于大检测面 积、长检测时间或作为正比计数器型检测器的特征的窗口的需要。
在现有技术方法(诸如D2622方法)中所使用的另一类型的检 测器使用半导体型检测器。半导体型检测器通常比正比计数器型检 测器更佳，因为其中，半导体型检测器尺寸更小。例如，正比计数 器型检测器通常具有约大于半导体型检测器的检测器面积500倍的 检测器面积。另外，半导体型检测器实现比正比计数器型检测器更 高的分辨率和更好的分辨X射线能量。然而，半导体型检测器通常 在尺寸方面有限制，因为随着半导体型检测器的尺寸增加，半导体 “漏电流”增加，产生不期望的检测噪声。另一方面，减小半导体 型检测器的尺寸降低了由于漏电流而产生的检测噪声。然而，通常， 半导体型检测器还在检测器可能是多小方面有限制，因为当半导体 型检测器变得更小时，检测器检测效率开始下降。
通常，为增加半导体型检测器的性能，半导体型设备被冷却，例 如在任何地方，从约负10摄氏度冷却到约77绝对温度。然而，冷 却这些设备很昂贵并且不方便。另外，冷却半导体型检测器引入了 在检测器上形成凝结物的可能性，其干扰检测器性能。降低在冷却 检测器上形成凝结物的可能性一种方法是将检测器保持在惰性气体 环境中，例如使用氮气的窗口后面。有时，使用真空代替惰性气体 以便限制由于惰性气体而出现的热传递。然而，同样地，将惰性气 体或真空用于半导体型检测器不方便且昂贵，最好是避免。
本发明避免或克服了使用半导体型检测器的一些缺点。首先，由 于使用X射线聚焦设备聚焦了激发射束，避免了正比计数器型检测 器的大的检测面积。根据本发明的X射线的聚焦更适合于半导体型 检测器。根据本发明的X射线能量或通量的聚焦和集中，特别是使 用单色X射线的X射线能量或通量的聚焦和集中，稍微抵消了当减 小半导体型检测器的尺寸时通常出现的分辨率损失。其结果是，根 据本发明的一个方面，能在大于-10摄氏度的温度，例如大于0摄氏 度，或大于10摄氏度时，或甚至在约室温(约20摄氏度)或以上 的温度下操作半导体型检测器，例如与正比计数器型检测器的性能 相比，具有性能方面很少的能感觉到的损失。
另外，没有了对于通常要求一些形式的保护“窗”以避免冷却表 面上的凝结物的冷却的需要，根据本发明的一个方面，不需要保护 窗。即，本发明的一个方面是无窗口的半导体型X射线检测器，用 于在高于0摄氏度的温度时或在约室温或更高时使用。
能用在X射线荧光系统中的一种类型的半导体型检测器是PIN 二极管型半导体检测器，例如硅PIN二极管。根据本发明的一个方 面，用于一种这样的PIN二极管检测器的规格出现在表1中。根据 本发明的PIN二极管可以安装到前置放大器板上并通过电缆连接到 放大器上。
表I：PIN二极管型X射线检测器规格
类型 Si-PIN
有效面积(二极管) 2.4mm×2.4mm(5.6mm2)
厚度(二极管) 500μm
检测器窗 8μm DuraBeryllium
检测器外壳 TO-8头部0.600英寸直径
准直器类型 0.060英寸铝
具有检测器的检测器前置放大器 2英寸×1英寸电路板
放大器板 3英寸×5英寸电路板
电缆长度 0至6英尺
检测器分辨率，Mn Kα(55FE) 25摄氏度下的500eV(典型)
检测器分辨率，Mn Kα(55FE) 40摄氏度下的700eV(典型)
背景取数 待确定
能量转换 5mV/KeV(典型)；10mV/KeV(最大)
最低检测限度 1Kev
峰值漂移 在25-40摄氏度间的温度下为2％
噪声计数 在25摄氏度的温度下为＜0.01cps
电源输入 +/-12V(典型)
低电平鉴别器 0V(最小)9V(最大)
高电平鉴别器 0V(最小)9V(最大)
能量输出脉冲 9V(最大)
TTL输出脉冲 5V(典型)
图9示例说明根据本发明的另一方面，用于分析流体，通常是连 续地分析流体的X射线荧光系统210。X射线荧光分析系统210通 常包括至少一个X射线荧光组件212，例如图7和8所示的具有X 射线源组件112、X射线样本激发室组件116、X射线检测器组件120 和一个或多个X射线聚焦设备114、118的X射线荧光系统110，尽 管也可以使用执行类似功能的其他组件。系统210还包括流体入口 214、流体出口216和流体净化入口218。入口214、出口216和净 化入口218也可以包括手动或自动隔离阀(未示出)。被引入到流体 入口214的流体可以是能经X射线荧光分析的任何类型的液体或气 体，但在本发明的一个方面中，该流体是燃料，例如流体燃料，诸 如基于石油的燃料，例如汽油、柴油燃料、丙烷、甲烷、丁烷或煤 气等等。能经X射线荧光检测的基于石油的燃料的一种成分是硫， 尽管也能检测其他组分。在本发明的一个方面中，由系统210分析 的流体是其中柴油燃料中的硫的含量被特征化的柴油燃料，例如硫 的浓度被确定。用于特征化柴油燃料中的含硫量的系统可以按照NY， Albany的X-Ray Optical Systems公司的商标SINDIETM来购买。
通过210的流体的流动借助于各种传统的流动和压力控制设备， 例如一个或多个控制阀222、224、流量计226和压力指示器228来 调节和监视。控制阀222、224通常是双向或三向阀并且可以是手动 或自动控制阀。系统210的控制和操作可以是手动控制或经控制器 220自动控制。控制器220通常包含一个或多个传统的可编程逻辑控 制器(PLC)、功率输入、功率调节器、信号输入、信号处理器、数 据分析器、输入设备和输出设备。控制器220经图9的剖视图中所 示的各种电连接，从监视和控制设备接收输入信号并将适当的控制 系统引导至监视和控制设备。系统210可被容纳在一个或多个箱、 外壳或机壳230中，例如，流体处理设备可以位于一个箱中而控制 器220位于分开的箱中。箱或机壳通常是NEMA 4/12净化机壳。系 统210可以是固定或便携式的。
下述描述将具体地描述用于检测柴油燃料中的硫的本发明的应 用，即SINDITM系统，但对本领域的技术人员来说显而易见的是， 本发明可以应用于柴油燃料的其他成分或包含硫或其他成分的其他 流体。系统210的操作进行如下。使X射线分析组件212通电，例 如经来自控制器220的电连接211。将通常包含至少一些硫的柴油燃 料经入口214引入到系统210并通过阀224传递，并经导管215进 入X射线分析组件212中。柴油燃料被引入到系统212中的X射线 暴露组件的X射线暴露室(例如经图8中的导管123)，在这里，使 柴油燃料暴露于X射线，至少一些硫X射线发出荧光并且由系统212 检测硫存在。对应于由系统212检测到的硫的电信号被传送到控制 器220，用于数据分析和或显示。柴油燃料退出暴露室(例如经图8 中的导管125)并通过导管217，然后经出口216从系统210排出。 导管217中的燃料的流量的压力和流速可以分别通过流量测量设备 226(例如旋转流量计)和压力指示器228(例如压力计)，以及分别 经电连接227和228转送到控制器220的相应的信号来检测。通过 阀222和224的流动方向(和通过其的流速)可以例如响应于由流 量计226或压力指示器228检测的流量和压力，分别经控制信号223 和225，由控制器220来调节。净化入口218可被用来将液体或气体 净化引入到系统中，例如水、空气或氮，或用来引入具有已知含硫 量的燃料，用于系统校准。净化的方向和流量可以经阀222和224 手动或自动控制。
同样地，对本领域的技术人员来说显而易见的是，系统210，即 SINDIETM系统的紧凑和坚固的设计适合于分析许多类型的流体。然 而，当用于分析基于石油的燃料时，系统210能用于原油井处、油 贮藏设备、燃料精炼厂中、燃料分布管线或网络的任何地方、或期 望了解基于石油的燃料的含硫量的任何别的地方的硫分析。使用系 统210消除了如通常在燃料的硫分析的传统方法中所需要的样本制 备和分析试剂的需要。系统210提供连续、快速、在线的燃料硫含 量因此能尽可能快速地实现质量评估和控制。用于图9所示的系统 的一些分析和物理规格出现在表II中。
表II：用于图9所示的本发明的方面的分析和物理规格
检测范围 5ppm(mg/kg)至50,000ppm
检测限度 1ppm(典型)
可重复性 5％RSD(10-200ppm)
操作温度 -18至50摄氏度
通信 基于RS 232/485串行输出的10T/以太网
设备网 Profibus-DP以及任选的DCS系统
远程诊断能力 是
最大输入燃料流压力 100PSIG
氮气净化 干，在80-100PSIG下
功率 110VAC50/60Hz，500瓦特
重量 250磅(近似)
尺寸 78英寸 H×24英寸 W×18英寸D
本发明的改进的散热方面
根据本发明的进一步的散热方面，图10示例说明了根据本发明 的一个方面，具有高介质强度和导热冷却和导热冷却及电绝缘设备 的X射线射束组件1100的截面图。X射线射束组件1100包括X射 线不可渗透机壳1160，其包含通常由玻璃或陶瓷制成的、具有透射 窗1110的真空密闭X射线管1105。在图10中，仅部分示出机壳1160， 但应理解到机壳1160通常可以包围整个X射线射束组件1100。X 射线管1105容纳相对高压(HV)阳极1125排列的电子枪1115。电 子枪1115是由于电压而以电子束，即电子束(e-beam)1120的形式 发射电子的设备，如本领域所公知的。HV阳极1125充当靶，电子 束撞击到其上，其结果是产生X射线辐射1130，即X射线，如本领 域所公知的。
电子枪115通常保持在地电势(例如约0伏)而HV电极1125 保持在高压电势，通常在约50Kv或更高。结果是，从处于地电势 的电子枪115发射出的电子束1120被电吸引到处于高压电势的HV 阳极1125的表面上，从而产生X射线1130。电子束1120撞击阳极 1125，而X射线1130从阳极1125，从阳极1125上被称为X射线 1130的“焦点”1127的位置发射。在焦点1127处的阳极1125的表 面的方位角允许X射线1130指向透射窗1110。透射窗1110通常由 允许X射线1130射出X射线射束组件1100，同时维持X射线管1105 中的真空得X射线透射材料，诸如铍等等制成。在本发明的一个方 面中，例如，当使用更高能量的X射线时，例如20Kev光子或更高 时，可以不需要窗口，X射线可以穿过X射线管，例如玻璃X射线 管，而不需要窗口。
与撞击表面相对的HV阳极1125的末端通常突出X射线管1105 的本体并机械地、热或电耦合(例如连接)到基座组件1135。根据 本发明的一个方面，基座组件1135是三板结构，包括由导热材料制 成的第一板1140、由介质材料制成的第二板1150和由导热材料制成 的第三板，或基板1145。第一板1140通过第二、介质板1150至少 部分与第三板1145电绝缘。在本发明的一个方面中，第一板1140 充当热扩散器(thermal spreader)，即，板1140在有限面积，例如板 1140上的小的位于中央的有限面积上从阳极1125接收热，并将热散 布到板1140的更大面积以便于进一步散热。可以将基座组件1135 安装到外壳1160上。在本发明的一个方面中，基座组件1135至少 支持阳极1125并且可以支持X射线管1105。在本发明的一个方面 中，板1140和阳极1125包括单个集成部件，例如由单块金属加工 的部件或锻造为单个部件。在本发明的另一方面中，板1140和阳极 1125是用传统手段，例如通过钎焊、铜焊、焊接，或通过粘合剂， 例如导电粘合剂联接的分开的部件。在本发明的一个方面中，基座 组件1135仅为X射线管1105提供结构支撑。在图11中提供了基座 组件1135内的互连的进一步的详细情况。
在本发明的一个方面中，板1140、板1145或板1140和1145两 者可以包括在板1150上(或类似结构上，诸如条、块或圆柱)导电 材料的涂层或层。在本发明的一个方面中，对应于板1140、板1145 或板1140和1145两者的导电材料的涂层或层可以包括位于板1150 (或类似结构)上的或通过化学气相淀积或喷涂等等方法施加于其 上的导电材料(例如铜等等)的层。
根据本发明的另一方面，基座组件1135可以包括由导热介质材 料制成的单独的板或部件结构，例如单独的板1150(或类似结构， 诸如条、块或圆柱)，并且可以省略板1140和板1144，或相应的结 构。板1150可以直接位于阳极1125上并且提供用于冷却阳极1125 的足够的热路径。
在本发明的另一方面中，基座组件1135可以包括两个板或两个 部件的结构，其中可以省略板1140或板1145(或等效的结构)。在 本发明的一个方面中，阳极1125可以位于导热介电材料诸如板1150 上(或类似的结构，诸如条、块或圆柱上)，并且导电板1145可以 位于板1150上(或类似结构上)以及提供用于冷却阳极1125的足 够的热路径。在本发明的一个方面中，导热板1145(或其等效)的 功能可以通过施加于导热介质材料，诸如板1150(或类似结构)的 导电材料的层或涂层来提供。在本发明的一个方面中，可以通过化 学气相沉积、喷涂或类似的工艺，来施加导电材料(例如铜)的层 或涂层。在本发明的一个方面中，导热介质板1150的功能可以通过 施加于导电板1145(或其等效物)的导热介质材料的层或涂层来提 供。在本发明的一个方面中，导热介质材料的层或涂层可以是类金 刚石碳(DLC)，例如通过化学气相沉积施加于板1145(或其等效物) 上的DLC。在本发明的一个方面中，导热介质材料的层或涂层充当 热扩散器以便将来自阳极1125的热分布到导体板1145上。
另外，在本发明的另一两部件方面中，阳极1125可以位于导热、 导电材料，诸如板1140上(或类似结构，诸如条、块或圆柱上)， 而导热介质材料(诸如板1150或类似结构)可以位于板1140上(或 类似结构上)并提供用于冷却阳极1125的足够的热路径。同样，在 本发明的一个方面中，导电板1140(或其等效物)的功能可以通过 施加于导热介质材料诸如板1150(或类似结构上)的导电材料层来 提供。
在本发明的双部件或三部件实施例中，板1140和1145可以是圆 形板，例如2英寸直径盘状板，尽管根据本发明，也可以采用任何 传统形状的板，例如三角形、方形或矩形。板1140和1145可以由 导热材料形成，例如高导热材料，诸如含铜的材料，例如铜；含铝 的材料；含银的材料；含金的材料；金刚石材料，例如类金刚石碳； 或这些材料的两种或多种的组合。在本发明的一个方面中，板1140 和1145还可以包括导电材料，例如上述材料的一种。板1140和1145 可以具有在约0.1英寸到约0.5英寸范围内的厚度，例如约0.25英寸 的厚度。在本发明的一个方面中，板1140和1145可以为约相同的 尺寸，例如可以具有约相同的直径。然而，在本发明的一个方面中， 板1140和1145形成不同尺寸，例如如图10所示，板1145可以大 于板1140，例如在直径方面更大。基板1145还可以包括一些结构或 安装装置以便支撑和容纳X射线射束组件1100的整体结构。在本发 明的一个方面中，板1140和板1145的厚度可以比板1140的表面积 小。例如，在本发明的一个方面中，板1140或板1145的表面积(平 方英寸)与厚度的比(按英寸)通常可以为至少约5∶1。在本发明 的一个方面中，板1140或板1145的表面积与其厚度之比可以在约 10∶1和约100∶1之间。在本发明的一个方面中，板1140的直径为 约2英寸而板1140的厚度为约0.25英寸，其对应于约12.5∶1的面 积与厚度比。
在本发明的单部件、双部件和三部件实施例中，介质板1150还 可以是圆形板，尽管也可以使用任何传统形状的板，如上述参照板 1140和1145的描述。板1150可以小于板1140和1145，例如，当 板1140、1145和1150为圆形时，板1150可以在直径方面小于板1140 和1145。在本发明的一个方面中，板1150可以为盘形并具有约1.5 英寸的直径。板1150可以由在高压下提供高导热率的材料，诸如氧 化铍陶瓷、氮化铝陶瓷、类金刚石碳或它们的衍生物或等效物形成。 其结果是，介质板1150可以具有高介质强度同时也可以是良好的导 热体。例如，在本发明的一个方面中，介质板1150包括具有每K度 每米至少约150瓦特(W/m/K)的导热率和和每米至少约1.6×107 伏(V/m)的介质强度的材料。介质板1150可以具有在约0.1英寸 和约0.5英寸的范围内的典型厚度，例如约0.25英寸的厚度。在本 发明的一个方面中，与介质板1150的表面积相比，介质板1150的 厚度可以很小。例如，在本发明的一个方面中，板1150的表面积(平 方英寸)与厚度(英寸)之比通常为至少约5∶1。在本发明的一个 方面中，介质板1150的表面积与其厚度之比可以在约5∶1和约100∶ 1之间。在本发明的一个方面中，板1150的直径具有约1.5英寸的 直径以及约0.25英寸的厚度，其对应于约7.0∶1的面积厚度比。
氧化铍陶瓷具有约铜的2/3的典型的导热率，而氮化铝陶瓷具有 铜的约1/2的导热率。在本发明的一个方面中，将氧化铍陶瓷用于 形成介质板1150。在本发明的一个方面中，氮化铝陶瓷用于形成介 质板1150。在一些应用中，氮化铝陶瓷是优选的，因为氧化铍是有 毒物质，因此，对制造工艺或对环境原因来说，不是所期望的。相 反，氮化铝陶瓷是易于起作用的效能成本合算、无毒的氧化铍的替 代方案。
在本发明的一个方面中，导体板1140、1145和介质板1150是平 的以便最小化板间的粘接材料的量。例如，在本发明的一个方面中， 盘1140和1145的表面以及盘1150的表面是平的以便在至少约0.001 英寸内。
在本发明的一个方面中，HV阳极1125至少热连接到板1140。 在本发明的另一方面中，阳极1150至少热连接并且电连接到板 1140。在本发明的又一方面中，阳极1125机械连接、热连接并且电 连接到基座组件1135的板1140。在本发明的另一方面中，板1140 可以至少电连接到高压源，例如经HV引线1155。在本发明的另一 方面中，板1140机械连接、热连接以及电连接到高压源，例如，经 HV引线1155。HV引线1155可以连接到板1140，如在2002年7 月26日提交的，即与本申请同一天提交的、共同未决申请序列号 No.10/206,531(律师案号0444.058)中所公开的，其内容在此引入 以供参考。因此，在本发明的另一方面中，将高压电势提供到板1140 和HV阳极1125。相反，基板1145通常保持在约地电势。在本发明 的一个方面中，介质板1150提供高压板1140和接地基板1145间的 电绝缘。同样，下面参考图11，提供所有互连的进一步的详细情况。
在本发明的另一方面中，高压电缆1155可以通过除经1140外的 装置与阳极1125电通信。例如，在本发明的一个方面中，电缆1155 例如通过共同未决申请序列号No.10/206,531(律师案号0444.058) 中公开的电连接，直接连接到阳极1125。例如，在阳极1125直接位 于导热介质材料，诸如板1150上的本发明的一个方面中，电缆1155 可以直接连接到阳极1125。在本发明的另一方面中，电缆1155经其 他装置，例如与结构1135无关的装置与阳极1125通信。
在本发明的一个方面中，具有电子枪1115和HV阳极1125的X 射线管1105、基座组件1135和HV引线1155被均容纳在机壳1160 中，从而形成X射线射束组件1100。机壳1160可以用也被称为密 封剂的密封材料1162来填充，例如封装X射线射束组件1100的元 件的封装材料，诸如硅酮封装材料或其等效物。如图10所示，X射 线射束组件1100的一些元件可以突出机壳1160之外，诸如基座组 件1135。机壳1160密封剂1162可以形成可能没有气囊的并且可能 用来经密封剂1162或外壳1160，将X射线射束组件1100的许多表 面与周围环境，例如周围空气隔离的结构。在本发明的一个方面中， 密封剂1162包括具有至少约1.6×107V/m的击穿电压的材料，例如 硅酮填充材料或其等效物。在本发明的另一方面中，密封剂1162的 热属性对密封剂1162的功能来说不重要，例如，包含密封剂1162 的材料可能不需要良好的热导体。可以用作密封剂1162的材料是硅 酮材料，例如硅酮弹性体，诸如Dow Sylgard184硅酮弹性体，或 其等效物。
图11示例说明根据本发明的一个方面的基座组件1135的详细的 截面图。在本发明的一个方面中，基座组件1135用作高介质强度和 导热散热设备。在本发明的另一方面中，基座组件1135用作高介质 强度和导热散热设备以及用于X射线射束组件1100的结构支撑。
图11示例说明HV阳极1125至少热连接到板1140，尽管在本 发明的一个方面中，阳极1125机械连接、热连接以及电连接到板 1140。在本发明的一个方面中，阳极1125经传统手段，例如一个或 多个机械紧固件、焊接、铜焊、钎焊、粘合剂等等机械连接到板1140 上。在本发明的一个方面中，阳极1125经安装双头螺栓1205、接合 层1210或其组合，连接到板1140上。安装双头螺栓1205可以是由 导电材料，例如钢、铝、铜或上述其他导电材料终的一种形成的带 螺纹的销子。在图11所示的本发明的方面中，安装双头螺栓1205 被拧螺丝进入HV电极1125和板1140中。接合层1210可以由例如 高电导率焊料，诸如铟锡(In-Su)焊料，例如In-Sn低熔点焊料或 其等效物形成。
板1140、1145和1150也可以通过传统的手段，例如使用一个或 多个机械紧固件、焊接、铜焊、钎焊、粘合剂等等彼此连接。在本 发明的一个方面中，分别经接合层1215、1220，使介质板1150连接 到板1140以及使板1145连接到介质板1150。接合层1215、1220 可以是例如与用于上述接合层1210的焊料类似的高电导率焊料。在 本发明的一个方面中，板1145包括用于支撑或安装基座组件1135 的装置，其也可以支撑X射线射束组件1100，或至少支撑阳极1125。 尽管用于支撑基座组件1135的装置可以是任何传统的支撑装置，但 在本发明的一个方面中，板1145包括至少一个安装孔1405，例如至 少一个带螺纹的安装孔。
X射线射束组件1100可以包括用于传导和耗散来自板1145的热 的另外的装置。在本发明的一个方面中，板1145可以可操作地连接 到用于传导和耗散来自板1145的热的传统的装置。例如，板1145 可以可操作地连接到一个或多个散热片或散热销。在本发明的另一 方面中，也可以将板1145或散热片或散热销暴露至强迫通风冷却， 例如通过风扇，例如安装到X射线射束组件1100的电风扇的强迫通 风冷却。
根据本发明的一个方面，板1140和1145包括平滑的边缘，例如 图11所示的切成圆角的边缘。根据本发明的这一方面，切成圆角的 边缘使得围绕板的边缘的电场梯度最小化，以便降低用于板1140和 1145之间放电的电势。
根据本发明的一个方面，基座组件1135提供用于X射线射束组 件1100的机械支撑，特别是用于高压阳极1125的支撑，例如很少 或没有直接来自X射线射束组件1100的低电压或接地部件的支撑。 根据本发明的一个方面，由基座组件1135提供的机械支撑还包括用 于将热从X射线射束组件1100去除的热传导路径。在本发明的另一 方面中，除机械支撑或导热外，基座组件1135还可以提供至少一些 电绝缘，其中在基座组件1135上很少或没有电流损失，即最小化来 自阳极1125或来自X射线射束组件1100的任何其他高压部件的电 流损耗。
根据本发明的另一方面，基座组件1135提供有效的耗散装置， 例如传导来自X射线射束组件1100的，例如来自阳极1125的热。 根据本发明的这一方面(见图10)，由射束1120撞击在阳极1125 上和生成X射线1130所产生的热从撞击点1127，沿阳极1125传导 并进入板1140中。板1140然后从阳极1125的接触点，例如在径向 方向中对热进行传导，以及将热分布到板1140上，例如使热均匀分 布到板1140上。板1140中的热随后被传导到板1150中并且来自板 1150的热被传导到板1145中。根据本发明的一个方面中，板1140 中的热分布有效地在板1140中分布热，其中介质板1150上的温度 差最小化。其结果是，介质板1150的导热率可以小于传统导电材料， 例如含铜材料的导热率，并且仍然提供足够的导热率来使热从板 1140耗散到板1145中。板1145中的热可以通过到配套结构的传导 或通过自然对流、强迫空气对流、或在板1145上流动冷却液，来进 一步耗散。在本发明的一个方面中，散热片或散热销(未示出)可 被连接以便可操作地连接到板1145上。另外，根据本发明的一个方 面，可以将一个或多个介质板1150和导电板1145安装到板1140上， 例如，2组或多组板1150和1145可以用来传导热，使其远离X射 线射束组件1100。
根据本发明的一个方面，提供了一种X射线产生设备，其需要 很少或不需要冷却流体，例如需要很少或不需要内部冷却流体。即， 本发明的一个方面避免了对提供密封装置、泄漏保护，或者具有一 些现有技术特征的替代流体的需要。另外，根据本发明的另一方面， 提供了一种X射线产生设备，其能更容易地适合于调整或对准X射 线射束。例如，在不存在冷却流体或没有对冷却流体的需要的情况 下，可以将X射线对准或调整机构包含在X射线设备1100中，例 如用于使X射线射束1130与X射线光学部件，诸如毛细管光学部 件或晶体光学部件对准，而不需要使对准或调整机构流体密封。例 如，在2001年12月4日提交的共同未决申请No.60//336,584(律 师案号0444.045P)中公开了可以与本发明的一个方面一起使用的一 个对准机构，其内容在此引入以供参考。
本发明改进的对准和稳定性方面
如上综述，本发明在一个方面中提供了一种X射线源组件，该 X射线源组件提供例如聚焦的X射线射束或准直的X射线射束，并 且在操作条件的一范围内具有稳定的输出。在一个方面中，尽管一 个或多个操作条件改变，也可以通过控制阳极相对于组件的输出结 构的源点定位的控制系统获得该稳定输出。例如，尽管阳极功率电 平改变或在X射线源组件周围的环境温度改变，但可以维持阳极源 点相对于输出的位置恒定。
控制系统采用一个或多个执行机构，其能导致阳极源点或输出结 构运动。例如，一个执行机构可以包括温度执行机构，其提供加热/ 冷却阳极以便实现阳极源点相对于输出结构的位置的调整。另一执 行机构可以包括机械执行机构，其根据需要，物理地调整阳极源点 或输出结构的为止。又一执行机构可以静电或磁性地移动电子束。 可以由控制系统采用一个或多个传感器以便提供有关阳极源点相对 于输出结构的位置的反馈。传感器可以包括温度传感器，诸如直接 或间接测量阳极温度的传感器，以及外壳温度传感器和环境温度传 感器。传感器也可以包括用于获得阳极功率电平，或直接或间接测 量光学部件输出强度的反馈机构。
在另一方面中，公开了一种X射线源组件，包括具有用于生成 X射线的阳极的X射线管以及用于聚焦由阳极产生的X射线的光学 部件。提供用于控制来自光学部件的X射线的输出强度的控制系统。 尽管X射线源组件的一个或多个操作条件改变，这一控制系统也能 维持X射线输出强度。例如，控制系统能针对阳极功率电平的变化 和/或环境温度的变化进行调整。在下文中，还描述和主张了本发明 的各种另外的特征。
如在此所使用的，短语“输出结构”是指包括X射线源组件部 分的结构或与X射线源组件有关的结构。举例来说，该结构可以包 括X射线透射窗或光学部件，诸如聚焦或准直光学部件，其可以固 定到或者可以不固定到环绕组件内的X射线管的外壳上。
图12以截面图的形式示例说明了根据本发明的一个方面，X射 线源组件2100的前视图。X射线源组件2100包括X射线源2101， 该X射线源2101包括具有透射窗2107的真空密闭X射线管2105 (通常由玻璃或陶瓷形成)。X射线管2105容纳与高压(HV)阳极 2125相对排列的电子枪2115。当施加电压时，电子枪2115以电子 流，即电子束(e-beam)2120的形式发射电子，如本领域所公知的。 HV阳极2125充当具有源点的靶，电子束撞击在该靶上，用于产生 X射线辐射，即X射线2130。
举例来说，电子枪2115可能保持在地电势(0伏)，而HV阳极 2125可能保持在高压电势，通常约50Kv。其结果是，从处于地电 势的电子枪2115发射的电子束2120被电吸引到HV阳极2125的表 面上，从而从阳极上电子束2120撞击阳极处的源点产生X射线 2130。X射线2130基本上直接通过真空密闭X射线管2105的透射 窗2107。透射窗2107通常由诸如铍的材料形成，其允许基本上不受 阻碍地透射X射线同时仍然维持在X射线管2105内的真空。
外壳2110至少局部密封X射线管2105。外壳2110可能包括与 X射线管2105的透射窗2107对准的孔2112。距离来说，孔2112 可能包括外壳2110中的开放的孔或定义出空气空间的封闭孔。在透 射穿过透射窗2107和孔2112之后，X射线2130被光学部件2135 聚焦。在该例子中，图中示出的光学部件2135围绕外壳2110中的 孔2112为中心。光学部件2135可能固定于外壳2110的外部表面， 或可能部分位于外壳2110中以便存在于孔2112内(例如相对于透 射窗2107存在)，或可能单独地由外壳2110支撑但与外壳2110中 的孔2112对准。
如所提到的，举例来说，光学部件2135可能包括聚焦光学部件 或准直光学部件。在图12中，所示的光学部件2135是聚焦元件， 当X射线源2100用于要求高强度、低直径点2145的应用时，其非 常有用。聚焦光学部件2135聚集X射线辐射2130并使辐射聚焦成 会聚X射线2140。当要与要求低功率源的X射线荧光系统一起利用 X射线源2100时，聚焦光学部件可能是有利的。作为备选方案，光 学部件2135可能包括用在要求从光学部件(未示出)输出的X射线 辐射的平行光束的应用中的准直光学元件。在准直光学元件的情况 下，X射线2140将是平行的，而不是会聚到点2145，如图12所示。
光学部件2135可能包括能聚集或操作X射线，例如，用于聚焦 或准直的任何光学元件。举例来说，光学部件2135可能包括多毛细 管束(诸如可从New York，Albany的X-ray Optical Systems公司获得 的)、双弯光学部件或其他光学元件形式，诸如过滤器、针孔或狭缝。 (多毛细管光学部件是经全反射传送光子的薄、空管束。这种光学 部件在例如美国专利证书No.5,175,755、5,192,869和5,497,008中描 述。双弯光学部件在例如美国专利证书No.6,285,506和6,317,483 中描述过)。在X射线源组件2100校准之后，光学部件2135相对于 X射线源2101保持固定(在一个实施例中)直到执行进一步校准X 射线源组件2100为止。
相对撞击表面的HV阳极2125的末端突出X射线管2105的本 体并机械连接和电连接到基座组件2150。基座组件2150包括经介质 盘2160与基板2165电绝缘的第一导体盘2155。所得到的阳极2125 和基座组件2150结构，在此称为阳极叠层(anode stack)，在上面包 含的、共同提交的名为“Method and Device For Cooling and Electrically Insulating A High-Voltage，Heat Generating Component”的 专利申请中详细描述。尽管其中更详细地描述过，但下面简单地论 述基座组件2150的结构和功能。
导体盘2155和基板2165是例如由高导电和高导热材料，诸如铜 构成的几英寸直径的盘状板。举例来说，导体盘2155和基板2165 可以具有在0.1至0.5英寸范围内的厚度，在一个具体实例中，具有 0.25英寸的厚度。基板2165可以进一步包括结构零件以便容纳X射 线源2101的整体结构。
介质盘2160是例如由在高压时提供高介质强度的材料，诸如氧 化铍陶瓷或氮化铝陶瓷形成的1.5英寸直径的盘状板。另外，尽管不 像导体盘2155或基板2165那样导热，但是这些材料的确显示出良 好的导热率。介质盘2150可以具有在0.1至0.5英寸范围内的厚度， 在一个具体实例中，具有0.25英寸厚度。
导体盘2155经适当的高压引线2170机械连接和电连接到高压源 (未示出)。其结果是，将高压电势提供到导体盘2155以及随后提 供到HV阳极2125。因此，基板2165保持在地电势。介质盘2160 提供高压导体盘2155和接地基板2165间的电绝缘。用于将高压引 线2170连接到导体盘2155的组件的一个例子在上述包含的、共同 提交的名为“An Electrical Connector，A Cable Sleeve，and A Method For Fabricating A High Voltage Electrical Connection For A High Voltage Device”的专利申请中描述过。
X射线管2105、基座组件2150和HV引线2170被密封在密封 剂2175中。密封剂2175可以包括具有足够高的介质强度的刚性或 半刚性材料，诸如硅，以避免电压击穿。此外，密封剂2175不需要 是良好的热导体，因为优选的热路径通过基座组件2150。作为具体 的例子，密封剂2175可能通过在X射线管、基座组件和高压引线周 围模制硅酮弹性体(诸如可从Dow Chemical获得的Dow Sylgard184)形成，从而形成没有可能提供到地的不期望的电压击 穿路径的气囊的结构。
图13图示示例说明源扫描曲线2200，其中相对于阳极源点和输 出光学部件间的位移或未对准，绘制了输出强度表示，例如点2145 (图12)强度。点强度由使X射线(2130)扫过光学部件(2135) 的焦点而产生。图中示出Gaussian绘图结果，其中在X射线2130 (以及由此的阳极源点)在光学部件的焦点处适当对准的情况下实 现最大强度。
如图中所示，半最大值处的全宽度(FWHM)W1等于约200微 米。200微米的FWHM表示作为X射线2130(以及由此的阳极源 点)离光学部件2135的焦点的位移为2100微米的距离的结果，在 点2145处，X射线强度下降50％。当适当地校准后，X射线源组件 2100在图13的源扫描曲线的顶部附近斜率约等于0之处，对给定功 率起作用，以致X射线2130相对于光学部件2135的位移方面的较 小扰动(例如5μm或更小)导致可忽略的强度下降。举例来说，X 射线2130相对于光学部件2135的位移的可容许扰动的范围用W2 代表，表示X射线2130和光学部件2135的焦点之间，小于5微米 的位移是可接受的。然而，当X射线源的操作功率从0变化至50W 时，在HV阳极2125和基座组件2150的元件中会发生热膨胀方面 多达50微米的差值。
图14描绘了如上文结合图12所述的X射线源2100。然而，在 这一例子中，由撞击在HV阳极2125上的电子束2120产生的热已 经使得HV阳极2125、导体盘2155和基板2165膨胀，并且以较小 的程度使介质盘2160膨胀。作为这一膨胀的结果，产生X射线2310 的发散射束，其相对于如图12所示的X射线2130垂直偏移。例如， 如果电子枪2115在50W功率下操作，则X射线2310的焦点可以从 其在0W时的位置偏移多达50微米。X射线2310与光学部件2135 未对准，因此，X射线2135的会聚射束产生显著降低强度的点2320。
由于准直光学部件和聚焦光学部件，诸如双弯晶体和多毛细管束 的物理属性，光学部件2135相对于阳极源点的精确定位对X射线 2315的优化准直或聚焦是较理想的。其结果是，X射线2310相对于 光学部件2135的位移，诸如可以由HV阳极2125和基座组件2150 的热膨胀产生的位移，可能导致具有显著降低强度的点2320，如图 13中图示所示。
阳极源点至输出结构的偏移可以使用各种方法来测量。例如，在 阳极叠层的基座处可以采用温度传感器2400以便测量阳极叠层温度 方面的变化，如下文进一步描述的，其可以在校准过程期间，与阳 极源点至光学部件的偏移相关。图16表示可替换的温度传感器实现。
如图16所示，同样包括导体盘2155、介质盘2160和基板2165 的基座组件2150被修改，以便包括凹入基板2165的并且与基板2165 良好热接触的温度传感器2400。为示例说明的目的，图16描绘了表 示从阳极到基座组件和通过基座组件的热传递的波。这些波表示通 过使电子束2120撞击在HV阳极2125上产生的热，如图15所示。
在图15中还描绘了X射线强度测量设备2410。除感应温度以确 定偏移之外，或者作为感应温度以确定偏移的替换，可以测量X射 线源2101或光学部件2135的X射线输出强度。举例来说，在衍射 应用中，可以将离子室或正比计数器用作强度测量设备2410，以便 提供用于诸如在此所述的位置控制系统的所需反馈。在衍射应用中， 感兴趣的能量通常仅在一个波长处，因此位于X射线路径中的正比 计数器仅吸收少量感兴趣的X射线。本领域的技术人员将认识到可 以采用其他强度测量方法以便直接或间接确定从X射线源组件2100 输出的X射线的强度。温度感应、X射线强度感应等等的目标是提 供有关阳极源点和输出结构间的对准的反馈信息。下面参考图18-21 进一步描述控制系统和控制过程。
参考图17-17B，能更好地理解阳极叠层温度和阳极源点至输出 结构的对准之间的关联。
在图17中，所示的阳极叠层包括阳极2125和基座组件2150。 组件2150包括导体盘2155、介质盘2160和基板2165，在这一例子 中，所示的基板2165包含嵌入其中的温度传感器2400。水平放置阳 极叠层以便与图17A的图上的距离轴(X轴)相关。
如图17A所示，阳极叠层在包括组的不同部件上具有不同的温 度降，在阳极2125的最右端处开始，对50W和25W例子，示出了 具有稍微陡于例如导体盘2155上的温度降的斜率的温度降。尽管阳 极2125和盘2155均是导电的，但用于盘2155的更大的横截面表示 从一个主表面到另一个的更小的温度降。如图17A所示，阳极叠层 上的温度变化与阳极功率电平有关。温度变化(y轴)与高于室温的 阳极叠层的变化温度偏移有关。因此，在应用阳极功率电平为0时， 偏移假定为0。
作为进一步的增强，根据本发明的一个方面的X射线源组件可 以被调整以便适应室温或环境温度变化。为了使对膨胀起作用的元 件的总的热膨胀在50W射束电流时与在0W射束电流时相同，那么 板2165(以及从而相连的元件)的0W的基础温度可以被提高到例 如40℃。这在图17A中通过虚线示出。
图17B描绘了低于用于在0和50瓦特间的各种功率电平的阳极 叠层的部件的环境温度的参考温度的例子。更具体地说，图17B描 述用于各种管操作功率的参考温度(在图17A中在0W时导出和示 出)。另外，通过将另外的温度偏差增加到这一参考温度上，相同的 系统能适应环境温度的变化。例如，在50W和20℃下，获得0℃ 的参考Δ温度。如果这一参考Δ温度升高到5℃，那么将提供另外的 加热以便使这一Δ温度维持在20℃。然而，在25℃下，不需要另外 的加热。用这种方式，在例如20℃时需要参考Δ温度中的偏差，其 允许在更高环境温度下的补偿。
图18以横截面视图示例说明根据本发明的另一方面的通常用 2700表示的X射线源组件的一个实施例的正视图。X射线源组件 2700包括X射线源2705和输出光学部件2135。光学部件2135与真 空X射线管2105的X射线透射窗2107对准。X射线管2105同样 容纳与高压阳极2125相对放置的电子枪2115。当施加电压时，电子 枪2115以电子束(即如上所述的电子束2120)的形式发射电子。 HV阳极2125充当相对于源点的靶，电子束撞击在源点上，用于产 生用于透射穿过窗2107并由光学部件2135聚集的X射线辐射2130。 电子枪2125和阳极如上文结合图12、14和15所述的实施例那样起 作用。
阳极2125同样物理连接并电连接到基座组件，该基座组件包括 经介质盘2160与基板2165′电绝缘的导体板2155。基座组件的结构 和功能与结合图12、14和15所述的基座组件相同。高压引线2170 连接到导电板2155以便向阳极2125提供所需功率电平。由密封剂 2175密封电子枪2115、阳极2125、基座组件2150和高压引线2170， 其全部容纳在外壳2710中。外壳2710包括与X射线管2105的X 射线透射窗2170对准的孔2712。在操作中，由光学部件2135聚集 X射线辐射2130，以及在这一例子中，聚焦2740到光点2745。如 上文所提到的，光学部件2135可以包括各种类型的光学元件中的任 何一种，包括多毛细管束和双弯晶体。另外，根据X射线源组件的 应用，光学部件2135可以例如包括聚焦光学部件或准直光学部件。
根据本发明的一个方面，在X射线源组件2700内实现以控制系 统。这一控制系统包括例如处理器2715，在图中示为嵌入外壳2710 中，以及一个或多个传感器以及一个或多个执行机构(诸如传感器/ 执行机构2720和执行机构2730)，其将被耦合到处理器2715。X射 线源组件2700内的这一控制系统包括随着阳极功率电平的变化，补 偿例如HV阳极2125和基座组件2150的热膨胀的功能性以便维持 X射线2130相对于光学部件2135的对准。这使得X射线源组件2700 在阳极操作电平的一范围内，以稳定的强度维持光点大小2745。
图19示例说明根据本发明的一个方面的控制环的一个实施例， 以及图19A描述据本发明的一个方面的控制函数的一个例子。如图 19所示，一个或多个传感器2800提供有关例如阳极叠层温度和/或 X射线输出强度的反馈，其被反馈到实现控制功能的处理器2810。 例如，图19A描述控制功能，其中在来自温度传感器(TS)的值与 参考温度(R)之间确认温度偏差以便能确定当前位置(K)、改变 的速率(d/dt)以及累积历史(S)。然后使这一比例积分微分函数的 结果累加以便提供作为时间的函数(O(t))的输出。将这一输出提供 到一个或多个执行机构2820，其实现阳极源点位置或输出结构(诸 如光学部件)的位置的自动变化，以便例如维持阳极源点相对于输 出结构的位置，或使光学部件的输出强度保持在所需值。通过X射 线源组件的控制系统，能连续地重复这一监视和调整过程。
回到图18，传感器/执行机构2720可以包括物理连接到基板2165′ 的温度执行机构。这一温度执行机构2720可以包括例如用于将加热 和/或将冷却施加到基板2165′以便将热增加到基板上或从基板去除 热的任何装置。举例来说，加热元件可以包括100hm功率电阻器诸 如可从California，Riverside的Caddock Electronics获得的型号 MP850，同时适当的冷却元件可以包括强迫通风散热片或基于流体 的散热片。在操作X射线源组件期间，能利用温度执行机构以便相 对于一个或多个输出结构诸如X射线聚集光学部件，使阳极X射线 点维持在最佳方位。实现施加热或从基板移出热以便尽管组件的一 个或多个操作条件，诸如阳极功率电平改变，也能在X射线源组件 的整个操作中，维持阳极叠层上的一致平均温度。
具体地，在一个实施例中，在X射线源组件的整个操作范围中， 基座组件和HV阳极的热膨胀被维持在允许所生成的X射线始终与 例如聚集光学部件对准的公差内。在例如X射线源组件偏移到降低 的操作功率时可能发生施加另外的热，使得HV阳极和基座组件元 件不遭受由于通过其的散热而引起的尺寸的降低，允许维持X射线 和聚集光学部件的最佳对准。在一个实施例中，加热元件可以包括 在基板内部，而冷却元件可以热耦合到基板的暴露表面上。
尽管在此结合维持阳极叠层上的一致平均温度进行了描述，本领 域的技术人员将认识到存在用于维持阳极源点和输出结构间的所需 对准的其他机构。例如，可以采用机械执行机构2730以便物理地调 整聚集光学部件相对于阳极源点的方向和位置。可以手动调整或自 动调整这些执行机构以便响应从处理器2715接收的信号。对本领域 的技术人员来说，其他致动控制机构也将是显而易见的，并且由在 此给出的权利要求书所包含。控制系统的目标是相对于聚集光学部 件输入(例如焦点)，维持阳极源点的所需方向。通常，这一所需方 向将包含确保最高强度点2745的最佳方向。
图20是可以由图18的处理器2715实现的过程的一个实施例的 流程图。图20表示在X射线源组件操作期间，由处理器周期性重复 的循环，以便例如响应于一个或多个操作条件，诸如施加到阳极的 功率电平的变化，施加或从基座组件移出热，从而维持阳极叠层上 的一致平均温度，从而允许相对于聚集光学部件的输入，最佳地对 准所发射的X射线。
如图20所示，该过程通过读取阳极功率电平2900开始。在一个 实施例中，可以由其信号范围在例如0和10V之间的两个模拟输入， 来确定阳极功率电平。一个输入传送电压，在该电压下，向电子枪 2115(图18)提供电力的电源操作，而第二输入传送由电源取出的 安培数。从这两个输入，可以确定电子枪2115在操作时的功率，其 也是阳极的功率电平。
过程随后读取阳极叠层和源外壳2910的温度。如上面所提到的， 可以使用温度传感器以及将所得到的信号反馈到嵌入组件内的处理 器，由基座组件的基板确定阳极叠层的温度。外壳温度还能包括温 度传感器，在一个实施例中，其将热耦合到外壳的表面以便测量机 壳的膨胀或收缩。测量外壳温度的需要假定受监视的光学部件或其 他输出结构机械耦合到外壳上。
接着，过程确定用于读取功率电平的参考温度2920。参考温度 将是用于在所测量的阳极功率电平时、用于阳极叠层的所需预定温 度。在用于X射线源组件的校准过程期间，可以确定参考温度，并 且参考温度可能对特定的组件是唯一的或对于多个相同制造X射线 源组件的类是通用的。图21描述能被用来查找用于所读取的功率电 平的参考温度的表的一个实施例。如图中所示，图21的表还将外壳 温度用作在确定用于阳极叠层的所需参考温度中，将考虑的另一操 作条件。因此，根据用于X射线源组件的外壳温度和阳极功率电平， 获得用于阳极叠层的所需参考温度。
参考温度和所读取的温度被馈送到诸如上面结合图19所述的位 置、速率和累积历史控制算法中。使用该算法来计算到一个或多个 执行机构2930的输出。本领域的技术人员能容易实现比例积分微分 算法以便实现这一函数。只要获得该输出，就将该输出提供到执行 机构(一个或多个)以便例如，维持阳极源点相对于光学元件输出 2940的位置。
作为一个具体例子，处理器能输出包括允许散热片在旋转速度的 一个范围上操作，从而以适当速率从阳极叠层的基板移出热的脉冲 宽度调制信号的信号。占空比是能通过阳极的操作功率而被确定的 脉冲宽度调制输出。第二输出能允许提供到加热元件的功率变化， 从而改变增加到阳极叠层的基板的热量。在一个实施例中，在执行 比例积分微分(PID)算法后，处理器能利用公式或查找表来确定对 阳极当前操作时的特定功率电平，阳极叠层的基板应当维持的温度 (即参考温度)。
作为对上述基于反馈的算法的替换，处理器可以实现(举例来说) 基于模型或基于预测的算法。作为基于预测的算法的例子，可以有 意不对准源和光学部件以便识别已知源扫描曲线上的精确起始位 置。例如，可以使源和光学部件对准错放到源扫描曲线的高斜率位 置，从而允许精确测量或推断位移。此后，使用所确定的位移，可 以使用已知源扫描曲线来进行调整以便返回到曲线的峰值。
尽管参考优选实施例特别示出和描述了本发明，但本领域的技术 人员将理解到在不背离在下述权利要求书中描述的本发明的精神和 范围的情况下，可以对本发明在形式和细节方面做出各种改进。
相关申请的交叉引用
本申请包含与下述申请的主题有关的主题，这些申请被指定给 与本申请相同的受让人。下面列出的申请在此引用，以供参考。
由Radley等人于2001年12月4日提交的美国专利申请序列号 No.60/336,584，“X-RAY TUBE AND METHOD AND APPARATUS FOR ANALYZING FLUID STREAMS USING X-RAYS”(代理人， 案号0444.045P)；
由Radley于2002年5月29日提交的美国专利申请序列号No. 60/383,990，“A METHOD AND APPARATUS FOR DIRECTING X-RAYS”(代理人，案号0444.055P)；
由Radley等人于2002年7月26日提交的美国专利申请序列号 No.60/398,965，“X-RAY SOURCE ASSEMBLY HAVING ENHANCED OUTPUT STABILITY”(代理人，案号0444.056P)；
由Radley于2002年7月26日提交的美国专利申请序列号No. 60/398,968，“METHOD AND DEVICE FOR COOLING AND ELECTRICALLY INSULATING A HIGH-VOLTAGE， HEAT-GENERATING COMPONENT”(代理人，案号0444.057P)；
由Radley于2002年7月26日提交的美国专利申请序列号No. 10/206,531，“AN ELECTRICAL CONNECTOR，A CABLE SLEEVE， AND A METHOD FOR FABRICATING AN ELECTRICAL CONNECTION”(代理人，案号0444.058)；
由Radley等人于2002年7月26日提交的美国专利申请序列号 No.60/398,966，“DIAGNOSING SYSTEM FOR AN X-RAY SOURCE ASSEMBLY”(代理人，案号0444.065P)。
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