X射线生成方法和X射线生成装置
阅读：1034发布：2020-06-04
专利汇可以提供X射线生成方法和X射线生成装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且将 能量 束 辐射 到旋转对 阴极 上，以在由能量束辐射的部分的平衡状态下的 蒸汽 压 力 被设置为0.1托或上的条件下，加热所述部分，由此生成 X射线 。由能量束辐射的部分通过沿着从所述部分的表面向外的方向施加到所述部分的 离心力 保持在旋转对阴极。，下面是X射线生成方法和X射线生成装置专利的具体信息内容。
1.一种用于生成X射线的方法，包括以下步骤：
将能量束辐射到旋转对阴极上，以在由所述能量束辐射的部分的平衡状态下的蒸汽压力被设置为0.1托或以上的条件下，加热所述部分，由此生成X射线；和沿着从所述部分的表面向外的方向将离心力施加到所述部分，以将所述部分保持在所述旋转对阴极处。
2.如权利要求1所述的生成方法，
其中所述平衡状态下的蒸汽压力被设置为100托或以下。
3.如权利要求2所述的生成方法，
其中所述平衡状态下的蒸汽压力被设置为10托或以下。
4.如权利要求1所述的生成方法，
其中所述旋转对阴极包括带有对应于旋转对阴极的旋转中心的中心轴线的圆筒部分，使得所述能量束被辐射到所述圆筒部分的内壁上。
5.如权利要求1所述的生成方法，
其中所述旋转对阴极的转速被设置在6000转/分钟到9000转/分钟的范围内。
6.如权利要求1所述的生成方法，
其中所述能量束是电子束。
7.一种用于生成X射线的装置，包括：
用于生成能量束的能量束源；
旋转对阴极，用于通过来自所述能量束的能量束的辐射生成X射线；和与所述旋转对阴极连接的旋转机构，用于沿着从所述旋转对阴极向外的方向施加离心力，
其中在由所述能量束辐射的部分的平衡状态下的蒸汽压力被设置为0.1托或以上的条件下，辐射所述能量束，以加热所述部分，并且
其中所述部分由所述离心力保持在所述旋转对阴极。
8.如权利要求7所述的生成装置，
其中所述平衡状态下的蒸汽压力被设置为100托或以下。
9.如权利要求8所述的生成装置，
其中所述平衡状态下的蒸汽压力被设置为10托或以下。
10.如权利要求7所述的生成装置，
其中所述旋转对阴极包括带有对应于所述旋转对阴极的旋转中心的中心轴线的圆筒部分，使得所述能量束被辐射到所述圆筒部分的内壁上。
11.如权利要求7所述的生成装置，
其中所述旋转对阴极的转速被设置在6000转/分钟到9000转/分钟的范围内。
12.如权利要求7所述的生成装置，
其中所述能量束是电子束。
X射线生成方法和X射线生成装置
[0001] 相关申请的相互参照
技术领域
背景技术
[0004] 在X射线衍射测量或类似情况中，常常需要将带有尽可能高的强度的X射线辐射到样品上以实现X射线衍射测量。作为用于X射线衍射测量的X射线生成装置，旋转对阴极(anticathode)靶的X射线生成装置是公知的。
[0005] 旋转对阴极X射线生成装置被配置成使得，当柱状对阴极靶在冷却介质流入柱状对阴极靶中的条件下被旋转时，电子束被辐射到柱状对阴极靶的外表面上。旋转对阴极X射线生成装置具有极高的冷却效率，原因是与固定靶的X射线生成装置相比电子束的辐射部分随着时间变化。所以，在大电流的条件下，电子束可以被辐射到对阴极靶上，以生成带有超高强度(超高亮度)的X射线。
[0006] 顺便说一句，X射线的输出功率通常取决于待施加于阴极和对阴极之间的电功率(电流×电压)。在另一方面，由于X射线的亮度被定义为(电功率)/(靶上的电子束面积)，最大电功率取决于靶上的电子束面积。也就是说，为了增加X射线的亮度，电功率增加而靶上的电子束面积减小。
[0007] 然而，在该情况下，由于每个靶单位面积电子束的强度增加，靶会由电子束辐射而熔化和溅射。所以，X射线的亮度理论上可以在上述方程的基础上增加，但是实际上在靶的熔点的基础上不能增加。鉴于这一点，X射线的亮度受到靶的熔点限制。
[0008] 鉴于这一点，在参考文献1中，试图将电子束辐射到旋转对阴极X射线生成装置的圆筒部分的内侧，以将辐射部分加热到等于或接近对阴极靶的熔点的温度。在这里，中心轴线被设置用于旋转对阴极X射线生成装置，使得圆筒部分可以围绕中心轴线旋转。在该情况下，由于电子束辐射部分被加热到大约对阴极靶的熔点的温度，电子束辐射部分至少部分被熔化。然而，由于电子束辐射部分由旋转对阴极靶的旋转所生成的离心力保持在圆筒部分上，源自电子束辐射的局部熔化部分不能从圆筒部分向外溅射。
[0009] 所以，根据参考文献1，由于在旋转对阴极靶的熔化和溅射被阻止的条件下，每个靶单位面积待辐射到旋转对阴极靶上的电子束的强度可以增加，与常规X射线相比可以获得带有相对更高亮度的X射线。
[0010] [参考文献1]JP-A 2004-172135(KOKAI)
[0011] 然而，考虑到高分辨率分析、检查和医疗应用，需要增加X射线的亮度并且因此开发了一种X射线生成方法和一种X射线生成装置，以满足上述要求。
发明内容
[0012] 本发明的目标是提供一种可以生成带有高亮度的X射线的新的X射线生成方法和装置。
[0013] 为了实现该目标，本发明涉及一种用于生成X射线的方法，包括以下步骤：将能量束辐射到旋转对阴极上，以在由能量束辐射的部分的平衡状态下的蒸汽压力被设置为0.1托或以上的条件下，加热所述部分，由此生成X射线；和沿着从所述部分的表面向外的方向将离心力施加到所述部分，以将所述部分保持在旋转对阴极。
[0014] 本发明也涉及一种用于生成X射线的装置，包括：用于生成能量束的能量束源；旋转对阴极，用于通过来自能量束的能量束的辐射生成X射线；和与旋转对阴极连接的旋转机构，用于沿着从旋转对阴极向外的方向施加离心力，其中在由能量束辐射的部分的平衡状态下的蒸汽压力被设置为0.1托或以上的条件下，辐射能量束，以加热所述部分，其中所述部分由离心力保持在旋转对阴极。
[0015] 在本发明中，旋转对阴极靶被利用使得能量束被辐射到旋转对阴极靶上以生成X射线。在该情况下，能量束被控制使得旋转对阴极的在平衡状态下的蒸汽压力可以被设置为0.1托或以下。所以，可以长时间生成带有高亮度的预期X射线，同时防止旋转对阴极的消耗。到目前为止，可以长时间生成带有高亮度的预期X射线同时防止旋转对阴极的消耗的原因还未被找出和澄清。然而，通过几个实验重复确认了上述效果/功能。
[0016] 根据本发明，带有根据参考文献1生成的X射线的三倍或以上亮度的X射线可以被生成。
[0017] 在本发明中，“平衡状态下的蒸汽压力”表示热平衡状态下的蒸汽压力，并且“0.1托或以上”的定义指的是由Ohmsha出版的“真空手册(Ulvac有限公司)”。
[0018] 在本发明的一个方面中，旋转对阴极包括带有对应于旋转对阴极的旋转中心的中心轴线的圆筒部分，使得能量束被辐射到圆筒部分的内壁上。在该情况下，由能量束辐射的部分可以容易地和绝对地保持在旋转对阴极。
[0019] 在本发明的另一方面中，能量束是电子束。在该情况下，每个靶(旋转对阴极)单位面积待辐射的电子束(能量束)的强度可以容易地增加，以容易地生成带有高亮度的X射线。
[0021] 为了更好地理解本发明，参考附图。
[0022] 图1是结构图，示出了根据本发明的一个实施例的X射线生成装置。
[0023] 图2是图1中所示的X射线生成装置的放大图。
[0024] 图3是结构图，示出了根据本发明的另一实施例的X射线生成装置。
具体实施方式
[0025] 在下文中，将参考图详细描述本发明。
[0026] 图1是结构图，示出了根据本发明的一个实施例的X射线生成装置。图2是图1中所示的X射线生成装置的放大图。
[0027] 在图1和2中，X射线生成装置10包括位于彼此的附近并且通过气密元件2a、4a和6a彼此分离的用于容纳旋转对阴极1的对阴极室2、用于容纳阴极3的阴极室4和用于容纳旋转对阴极1的驱动电机5的旋转驱动室6。在用于分离对阴极室2和阴极室4的分离壁2b处形成用于通过电子束30的小孔2c，所述电子束将通过分离壁2b从阴极3被发射。然后，与真空泵(未显示)连接的真空出口2d和4d分别设在对阴极室2和阴极室4。
[0028] 旋转对阴极1包括由Cu(铜)或类似物制造的圆筒部分11、形成为关闭圆筒部分11的一个开口的圆板12、和与形成一体的圆筒部分11和圆板12共用中心轴的旋转轴13。
圆筒部分11、圆板12和旋转轴13的内部形成气孔使得冷却水可以流入它们的内部。电子束被辐射到圆筒部分11的内壁上以在圆筒部分11上形成电子束辐射部分1a。
圆筒部分11、圆板12和旋转轴13的内部形成气孔使得冷却水可以流入它们的内部。电子束被辐射到圆筒部分11的内壁上以在圆筒部分11上形成电子束辐射部分1a。
[0030] 旋转对阴极1通过旋转轴13的旋转被旋转，使得从旋转对阴极1(也就是圆筒部分11)向外生成离心力。
[0031] 在靠近圆板12的旋转轴13的底部设有旋转轴密封元件13c，用于通过将旋转轴13和气密元件6a布置在气密条件下将对阴极室2的内部保持在真空。
[0032] 用于沿着电子束辐射部分1a的内壁流动冷却水的固定分离元件14被插入旋转对阴极1中。固定分离元件14形成与旋转轴13的形状一致的圆筒形状，沿着圆板12的形状扩大并且被拉长为不接触(short of)圆筒部分11的内壁。
[0033] 换句话说，固定分离元件14将旋转对阴极1的内部空间分成双管结构。双管结构的外管14a与冷却水入口16连通。在这里，轴向密封元件14c设在旋转轴13的左侧周边，使得从入口16被引入的冷却水被引入双管结构的外管14a中，从而不会泄漏到设有轴承13a、13b和驱动电机5的容纳空间。
[0034] 从入口16被引入的冷却水流入双管结构的外管14a中，从圆筒部分11的内壁返回并且流入双管结构的内管14b中。在该情况下，电子束辐射部分1a的内壁由冷却水冷却，残余冷却水流入内管14b中并且从出口17被排出。
[0035] 在旋转对阴极1的电子束辐射部分1a的附近的气密元件2a处设有用于将电子束30的辐射所生成的X射线20带出到电子束辐射部分1a上的X射线窗口21。在X射线窗口21处设有X射线半透膜22，所述X射线半透膜由可以让X射线通过其中的材料例如Be、Al制造，使得预期X射线可以被带出该装置，并且保持对阴极室2的真空条件。
[0036] 阴极3包括绝缘结构部分32、细丝33、韦纳尔(wehnelt)34等，并且被配置成使得可以通过从高压电功率引入部分31供应带有几十kV的高压电功率和供应细丝电功率来将电子束30辐射到旋转对阴极1上。
[0037] 在这样的状态下，在冷却水被引入旋转对阴极1(也就是圆筒部分11)的内部的条件下，当旋转对阴极1以高速由驱动电机5旋转时，电子束30被辐射到旋转对阴极1的电子束辐射部分1a上，从而生成X射线20。
[0038] 在该实施例中，当电子束30被辐射到电子束辐射部分1a上时，旋转对阴极1的圆筒部分11的电子束辐射部分1a的平衡状态下的蒸汽压力被设置为0.1托或以上，优选地100托或以下，更优选地10托或以下。在该情况下，可以长时间生成带有高亮度的预期X射线，同时旋转对阴极靶的消耗被阻止。到目前为止，可以长时间生成带有高亮度的预期X射线同时阻止旋转对阴极的消耗的原因还未被找出和澄清。
[0039] 如果电子束辐射部分1a的平衡状态下的蒸汽压力超过可以被定义为所在的蒸汽压力的上限值的100托，旋转对阴极1会显著地被消耗，使得不能稳定地生成带有高亮度的预期X射线。如果平衡状态下的蒸汽压力被设置为大约10托，可以长时间生成带有高亮度的预期X射线，同时阻止旋转对阴极靶的消耗，即使旋转对阴极靶由各种材料制造。
[0041] Γm＝5.8×10-2×p·(M/T)1/2(g·cm-2·sec-1) (1)
[0042] (在这里，p：平衡状态下的蒸汽压力(托)，M：分子量，T：温度(K))。
[0043] 作为一个例子，如果旋转对阴极1由Cu制造，当平衡状态下的蒸汽压力p为10托时，温度T为2130K。由于Cu的分子量M为63.54，根据方程(1)Cu的蒸发速率Γm变为-2 -1 20.1(g·cm ·sec )。在另一方面，由于电子束辐射部分1a的面积为例如大约0.24(cm)，-2 -1 2
在0.1(g·cm ·sec )×0.24(cm)的乘法计算的基础上每个单位时间的蒸发量变为-2 -1 -2
2.4×10 (g·sec )。即，每秒蒸发2.4×10 (g)的Cu。
在0.1(g·cm ·sec )×0.24(cm)的乘法计算的基础上每个单位时间的蒸发量变为-2 -1 -2
2.4×10 (g·sec )。即，每秒蒸发2.4×10 (g)的Cu。
[0044] 由于Cu的密度ρ为8.92(g·cm-3)，在2.4×10-2(g·sec-1)/8.92(g·cm-3)＝-3 3 -1 -3 32.7×10 (cm·sec )的计算的基础上蒸发2.7×10 (cm)的Cu。
[0045] 旋转对阴极1的电子束辐射部分1a的体积蒸发量可以由以下方程表示：
[0046] 旋转对阴极的圆周长度(cm)×电子束的束宽度(cm)×每秒旋转对阴极的下陷深度(cm) (2)
[0047] 所以，如果旋转对阴极1的圆周长度被设置为10∏cm并且电子束30的束宽度被设置为0.08cm，方程(2)可以被计算为10∏×0.08×d并且关系式10∏×0.08×d＝-3 -12.7×10 可以被满足，每秒旋转对阴极1的下陷深度d可以被计算为d＝10.7μm·sec 。
[0048] 通常，由于旋转对阴极1的厚度为大约2mm，如果满足上述关系式(即d＝-110.7μm·sec )，旋转对阴极1被消耗使得大约三分钟后一些孔可以形成于旋转对阴极1。
在另一方面，电子束辐射部分1a由电子束30的辐射下陷，使得预期X射线被带出电子束辐射部分1a的下陷部分。如果预期X射线的带出角为例如六度，当下陷部分的深度变为63μm时，预期X射线不能被带出电子束辐射部分1a。因此，在该实施例中的X射线生成装置操作大约六秒之后预期X射线不能被带出。
在另一方面，电子束辐射部分1a由电子束30的辐射下陷，使得预期X射线被带出电子束辐射部分1a的下陷部分。如果预期X射线的带出角为例如六度，当下陷部分的深度变为63μm时，预期X射线不能被带出电子束辐射部分1a。因此，在该实施例中的X射线生成装置操作大约六秒之后预期X射线不能被带出。
[0049] 如果平衡状态下的蒸汽压力被设置为作为它的下限值的0.1托，通过以相同方式进行上述计算，在该实施例中的X射线生成装置操作大约十分钟之后预期X射线不能被带出。
[0050] 也就是说，根据在常规文献中公开的理论方程，认为图1和2中公开的X射线生成装置只能操作六秒到十分钟，并且因此不能长时间操作。因此，认为即使在图1和2中所示的X射线生成装置(旋转对阴极X射线生成装置)被利用的情况下，也难以长时间稳定地生成带有高亮度的X射线。
[0051] 然而，当电子束辐射部分1a的平衡状态下的蒸汽压力被设置为0.1托或以上时，即使图1和2中所示的X射线生成装置以与上述相同的方式操作，令人吃惊地，X射线生成装置可以稳定地操作几天并且带有高亮度的预期X射线可以在与操作时间相同的时期生2
成。目前，在半径为5cm的旋转对阴极1由Cu制造的情况下，带有大约130kW/mm 的亮度的X射线生成20小时。X射线的强度在20小时内不下降，使得图1和2中所示的X射线生成装置可以具有长达如上所述的理论寿命的几倍至数百倍的寿命。
成。目前，在半径为5cm的旋转对阴极1由Cu制造的情况下，带有大约130kW/mm 的亮度的X射线生成20小时。X射线的强度在20小时内不下降，使得图1和2中所示的X射线生成装置可以具有长达如上所述的理论寿命的几倍至数百倍的寿命。
[0052] 在这里，当旋转对阴极1由除了Cu以外的另一靶材料例如Co、Mo和W制造时可以获得相同效果/功能。
[0053] 电子束辐射部分1a由沿着从圆筒部分11向外的方向生成并且通过旋转轴13的旋转生成的离心力保持靠在圆筒部分11，也就是旋转对阴极1上。
[0054] 由于电子束30用作用于加热旋转对阴极1的能量束，每个靶单位面积待辐射的电子束30(能量束)的强度可以容易地增加，以容易地生成带有高亮度的预期X射线。
[0055] 而且，理想的是旋转对阴极1以在6000转/分钟(rpm)到9000转/分钟(rpm)的范围内的转速旋转。在该情况下，可以有效地获得上述效果/功能，但是原因不明。
[0056] 图3是结构图，示出了根据本发明的另一实施例的X射线生成装置。在图1和2所示的X射线生成装置中，用于容纳旋转对阴极1的对阴极室2从用于容纳阴极3的阴极室4分离，使得电子束30通过形成于用于分离对阴极室2和阴极室4的分离壁2b的小孔2c从阴极3线性地被引入对阴极室2中，并且然后被辐射到旋转对阴极1的圆筒部分11上。
[0057] 相反地，在该实施例中的X射线生成装置中，旋转对阴极1和电子束源(阴极)被布置在相同室中(而不是如图1和2中所示的X射线生成装置被布置在各自不同室中)，使得从电子束源发射的电子束由弯曲磁体偏转，并且因此被辐射到旋转对阴极1的圆筒部分11上。在下文中，将具体地描述该实施例。
[0058] 如图3中所示，该实施例中的X射线生成装置包括旋转对阴极1和作为电子束源的电子枪40。旋转对阴极1包括由Cu(铜)或类似物制造的圆筒部分11、形成为关闭圆筒部分11的一个开口的圆板12、和与形成一体的圆筒部分11和圆板12共用中心轴的旋转轴13。圆筒部分11、圆板12和旋转轴13的内部形成气孔使得冷却水可以以与图1和2中所述的相同方式流入它们的内部。
[0059] 在该实施例中，电子束辐射部分1a形成于圆筒部分11的内壁。
[0060] 如图3中所示，该实施例中的X射线生成装置被配置成使得旋转对阴极1和电子枪40被布置在相同室中并且从电子枪40发射的电子束30由弯曲磁体(具体地由弯曲电子透镜40)偏转，以辐射到旋转对阴极1的圆筒部分11上。所以，与图1和2中所示的用于容纳旋转对阴极1的对阴极室2和用于容纳阴极3的阴极室4彼此分离的X射线生成装置10相比，该实施例中的X射线生成装置的结构可以被简化。
[0061] 电子束30从电子枪40侧向发射并且由弯曲电子透镜41偏转大约180度，以辐射到旋转对阴极1的圆筒部分11的内壁上，由此从加热电子束辐射部分1a生成预期X射线20。
[0062] 在该实施例中，当电子束30被辐射到电子束辐射部分1a上时，旋转对阴极1的圆筒部分11的电子束辐射部分1a的平衡状态下的蒸汽压力被设置为0.1托或以上，优选地100托或以下，更优选地10托或以下。在该情况下，可以长时间生成带有高亮度的预期X射线，同时旋转对阴极1的消耗被阻止，但是原因还未被找出和澄清。
[0063] 电子束辐射部分1a由沿着从圆筒部分11向外的方向生成并且通过旋转轴13的旋转生成的离心力保持在圆筒部分11(也就是旋转对阴极1)上。
[0065] 例如，如果电子束辐射部分1a由与预期X射线一致的靶材料制造并且周围区域由带有高熔点和/或高导热率的材料制造，旋转对阴极1的冷却效率可以被增强并且旋转对阴极1的变形可以被防止，使得预期X射线的亮度可以大大增强。
[0066] 而且，理想的是在对阴极室2的X射线半透膜22的前面准备可交换X射线半透保护膜，从而不会让从旋转对阴极1的电子束辐射部分1a蒸发的组分污染X射线半透膜22。在该情况下，带有由具有反冲电子抗性的材料例如Ni制造的长卷式保护膜的供应辊和用于卷拢在供应辊卷开的保护膜的卷拢辊设在X射线窗口21的内部，使得在供应辊和卷拢辊之间拉伸的保护膜被布置在X射线半透膜22的前面。
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