用于x射线发射装置的靶组件和x射线发射装置

摘要

用于x射线发射装置的靶组件包括真空腔室(91)，所述真空腔室(91)具有至少一个导电壁(92)。该组件包括绝缘元件(93)，该绝缘元件(93)突出穿过导电壁，并且高电压元件可沿着绝缘元件延伸。高电压元件可从腔室外部延伸。高电压元件延伸到绝缘元件的距离导电壁最远的端部部分。该组件包括x射线产生靶，该x射线产生靶设置在绝缘元件的端部部分处并电连接到高电压元件。该组件包括抑制电极(19)。该抑制电极设置在绝缘元件的端部部分处。该抑制电极配置成抑制从绝缘元件的外表面与导电壁的内表面之间的结合部发射的电子朝向绝缘元件的外表面的加速。还公开了一种x射线发射装置。该x射线发射装置可包括靶组件。该装置可包括电子束装置。该电子束装置可设置成朝向x射线产生靶加速电子束。该x射线发射装置可从而产生x射线辐射。

说明书

技术领域

本公开涉及x射线发射装置，并且尤其涉及用于这种装置的靶组件。本公开提供了能够通过升高x射线发射靶相对于地的电势(电位)从而获得更高的x射线发射能量的靶组件。

背景技术

在x射线成像、计量和光谱系统中，通常需要实现具有相对较高的x射线能量、即具有较短的x射线波长的x射线束的发射。这种射束可以提供分辨率改善的射线穿透性，并因此提供改善的对比度和分辨率，特别是当用于成像装置中时，并且尤其是用于微焦(点)成像装置中时。

在x射线发射装置中，通过使加速电子的射束与x射线产生材料的靶相互作用来实现x射线发射，其中所述x射线产生材料通常是诸如钨的具有相对较高原子序数(Z)的金属。通过从与靶相比电势相对更负的源发射，电子被加速，使得从源发射的电子朝向靶加速远离源。例如，可以使用热离子发射来产生用于加速的合适电子。

由于电子束装置中存在的空气可以导致电子束的吸收并且可以防止产生高能电子以及因此产生x射线所需的高电势差的维持，电子束产生和x射线发射通常在高真空条件下执行。然而，即使在超高真空系统中，实现越来越大的加速电势也是困难的，这是因为增加源相对于其中包围源的真空腔室的壁的电势增加了真空击穿和高电势差的耗散的风险，从而导致故障。这可以在一定程度上通过增加真空腔室的尺寸来减轻，但是这使得装置体积庞大、昂贵且难以制造。

因此，在改进形式的x射线系统中已经提出，在电子源和真空腔室的壁之间具有高的负电势差，并且在真空腔室的壁和x射线靶之间具有高的正电势差。在这种有时被称为双极系统的设计中，电子束不仅被加速远离电子源，而且朝向靶被加速。总的加速电势是源和靶之间的电势差，但是由于i)源和腔室之间以及ii)腔室和靶之间的每个的电势差远小于总的加速电势，与常规装置相比，该装置可以更小。因此，降低了真空击穿的风险。此外，通常保持在地电势的磁性聚焦透镜可以在负的阴极电极和正的靶之间被插入于电子束通道中。

然而，在实现这种配置时，装置的正电势部分、即装置的包含高电压靶的部分的稳定性存在问题。

图1中以横截面示出了这种靶组件的候选配置。在图1中，靶组件90具有限定靶装置的封围件(外壳)的真空腔室91。真空腔室91适于保持足够高的真空，典型地为10^-5毫巴或更好。可以通过确保封围件被适当地真空密封并且然后通过将诸如涡轮泵的合适的真空泵施加到泵端口(未示出)来实现这样的真空。高真空对于支持电子束是必要的。

真空腔室91通过到地的连接(未示出)而保持在地电势。

至少一个壁92是导电的，并且有利的是，整个封围件是导电的，以避免静电累积。用于形成所述至少一个导电壁92以及整个真空腔室91的合适的导电材料是铝。

略微渐缩的杆状绝缘元件93突出穿过真空腔室91的导电壁92。绝缘元件93例如可由诸如环氧树脂或聚醚酰亚胺(PEI)树脂的绝缘树脂形成。绝缘元件93包含与绝缘元件同轴地设置的高电压导体94，高电压导体94可连接到定位于腔室91外部的高电压供给源(电源)。

在图1所示的配置中，绝缘元件93和导体94各具有两部分结构，以使得能够实现所述腔室与高电压源的容易的联接和分离。例如，绝缘元件93可由第一渐缩杆和第二渐缩杆的组合形成，其中第一渐缩杆具有在第一渐缩杆内形成的内部渐缩空腔，第二渐缩杆具有匹配第一渐缩杆的内部渐缩部(形)以便被容纳在第一渐缩杆内的外部渐缩部(形)。例如，导体94可于是设置有在第二渐缩杆中的第一部分以及在第一渐缩杆内的第二部分。当第二渐缩杆被容纳在第一渐缩杆的空腔中时，导体的第一部分和第二部分可经由导电联接器进行配合。然而，这种配置不是必需的，并且绝缘元件93和导体94可以分别为整体(单元)式结构。

绝缘元件93在距离导电壁92最远的端部部分93a处支撑靶壳体95。靶壳体95电连接到高电压导体94。在此情况下，导体94上所承载的高电压暴露于腔室91内所含的真空。通过在导体94和靶96之间提供电连接，壳体95支撑x射线产生靶96并且使x射线产生靶96升高到导体94的高电势。

在这种配置中，壳体95由不透射线的材料、例如80％钨/20％铜合金制成。壳体95具有锥形开口，以允许由x射线产生靶96已经产生的生成x射线显现。这种方案能够将x射线限制成刚好足够大以照射检测器的锥形射束，通过所述检测器，所述装置预定以其预定位置和定向操作。这种方案可减少不需要的x射线散射，这可改善对比度。这种方案还可以减小所述装置的未沿着x射线束X的方向设置的部件(部分)所需的任何屏蔽件的厚度。

锥形孔可由薄的透明窗封闭，该透明窗例如由诸如铝或铍的射线可透过材料的薄片形成，以避免由x射线产生靶在电子束E的照射下所产生的气体射入靶壳体95和腔室91的相对壁之间的空间中，在该空间中可能存在高压电场。因此，这种方案也可以改善对抗气致真空击穿的稳定性。

在这种配置中，靶壳体95还设置有入口通道，电子束E能够通过该入口通道到达x射线产生靶96。入口通道可具有特意减小的直径。这种配置可提供节流件，以阻止可能从上述x射线产生靶96射出的气体。

腔室91具有邻近x射线产生靶96设置的x射线发射窗97，以使得从靶产生的x射线X可离开腔室并同时保持腔室中的高真空。这种窗可例如由诸如铝或铍的射线可透过(或x射线可透过)材料的薄片制成。靶96由诸如钨的高原子序数(高Z)材料制成，其在被合适的高能电子束照射时能够产生x射线。

腔室91还具有电子束接收孔98，电子束E可通过该电子束接收孔98被引入，以撞击x射线产生靶96。电子束接收孔98可具有安装装置(未示出)，该安装装置适于将靶组件90联接到电子束枪，从而以所谓的双臂配置形成整体式真空腔室。这种安装配置可例如包括设置在电子束发生器的出口端口和靶组件90的射束引入孔98之间的高真空密封件。

在操作中，图1的靶组件90接收穿过孔98的电子束，该电子束撞击靶96，从而生成通过窗97发射的x射线X。经由通过靶壳体95与导体94的电连接，靶96保持在升高的电压下，导体94由延伸穿过真空腔室91的导电壁92的绝缘元件93支撑在真空腔室91内。通过这种配置，穿过孔98的入射电子束可以被靶96的来自导体94的高的正电势进一步加速。因而，可产生更高能量的X射线。

然而，图1所示的配置可能呈现出以下缺陷，即当导体94承载高的正电势时，在导体94与周围腔室91、特别是导电壁92之间存在高电势梯度。尽管绝缘元件93防止真空腔室91内所封围的真空与导体94接触，并因此使导体94与真空隔离，但是电子从腔室中最负电势的表面发射，当这些电子与将最正电极、即导体94与腔室的其余部分分离的绝缘元件的表面相互作用时，这些电子可倍增或雪崩。这些过程可导致生成电离(离子化)路径，该电离路径允许高电压击穿并允许存储在靶组件的高电压产生元件内的能量的会聚性快速释放。在图1的配置中，壳体的导电壁92至少充当强负电极，其生成可提供丰富的电子源的非常大的面积。

特别地，在i)绝缘元件93、ii)真空腔室的金属壁92和iii)真空之间的界面T处，势垒较低并且电子容易从金属逃逸到真空中。这些电子朝向它们所积聚的绝缘元件表面加速，导致绝缘元件表面局部带负电，但也导致多个二次电子的释放，特别是如果入射电子具有显著高于100eV的能量。当这些二次电子沿着绝缘元件93的长度朝向靶壳体95逐渐“跳跃”时，这些二次电子也被加速并且导致绝缘元件的进一步充电。该过程导致绝缘元件93的表面脱气。如此产生的局部气体云可最终被雪崩电子电离，从而形成气体等离子体通道，储存的电能和高电压系统可通过该通道突然且猛烈地放电。

这种放电阻止保持稳定的高压源，并且可能对所述装置造成很大的损害。

因此，需要一种改进的靶组件，其能够阻止这样的过程并且能够在靶和封围的真空腔室之间保持高的、稳定的正电势。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种用于x射线发射装置的靶组件。该装置可包括真空腔室。该真空腔室可具有至少一个导电壁。该装置可包括绝缘元件。该绝缘元件可突出穿过导电壁。该装置可包括高电压元件。该高电压元件可沿着绝缘元件延伸。该高电压元件可从腔室外部延伸。该高电压元件可延伸到绝缘元件的距离导电壁最远的端部部分。该装置可包括x射线产生靶。该x射线产生靶可设置在绝缘元件的端部部分处。该x射线产生靶可电连接到高电压元件。该装置可包括抑制电极。该抑制电极可设置在绝缘元件的端部部分处。该抑制电极可配置(构造)成抑制从绝缘元件的外表面与导电壁的内表面之间的结合部发射的电子朝向绝缘元件的外表面的加速。

在一种配置(构型)中，抑制电极可电连接到高电压元件。

在一种配置中，抑制电极可从绝缘元件的端部部分朝向导电壁延伸。

在一种配置中，抑制电极可围绕绝缘元件的长度的至少一部分。

在一种配置中，抑制电极可具有从绝缘元件的端部部分向外渐变的渐变部分。

在一种配置中，抑制电极可具有最接近导电壁的平行部分，该平行部分平行于所述电极的外表面。

在一种配置中，抑制电极可由片材形成。

在一种配置中，抑制电极可由金属形成。

在一种配置中，高电压元件可为导体。

在一种配置中，抑制电极可在最接近导电壁的端部部分处具有增厚区域。

在一种配置中，面向导电壁的抑制电极的边缘可被圆化。

在一种配置中，x射线产生靶可支撑在靶壳体中。

在一个配置中，抑制电极可从靶壳体延伸。

在一种配置中，真空腔室可具有用于接收电子束的孔。

在一种配置中，真空腔室可具有用于通过从x射线产生靶产生的x射线的孔。

在一种配置中，导电壁可具有平坦的内表面。

在一种配置中，高电压元件可设置成相对于导电壁提供至少+100kV的电势。

在一种配置中，高电压元件可设置成相对于导电壁提供至少+150kV的电势。

在一种配置中，高电压元件可设置成相对于导电壁提供至少+200kV的电势。

在一种配置中，导电壁可设置成接地。

根据本发明的第二方面，提供了一种x射线发射装置。所述x射线发射装置可包括第一方面的靶组件。该装置可包括电子束装置。该电子束装置可设置成朝向x射线产生靶加速电子束。该x射线发射装置可因而产生x射线辐射。

附图说明

为了更好地理解本发明，并且为了示出如何实施本发明，将仅以示例的方式参考附图，其中：

图1以横截面示出了相对更容易受到HV(高电压)击穿的影响的x射线发射靶组件的示例；

图2以横截面示出了相对较不易受到HV击穿的影响的x射线发射靶组件的实施方式；

图3a是与图1的组件相关的等电势图；以及

图3b是与图2的组件相关的等电势图。

具体实施方式

本公开的一个实施方式在图2中以横截面示出。图2示出了与图1所示配置具有类似结构的用于x射线发射装置的靶组件。在图1中具有9x形式的附图标记的元件在图2中被给予1x形式的附图标记，并且可以被假定为配置基本相同。为了理解图2的实施方式的这些方面的配置和操作，参考上文关于图1的公开。

与图1所示的配置不同，图2所示的实施方式还设置有抑制(性)电极19。抑制电极19设置在绝缘元件13的端部部分13a处并且朝向导电壁12延伸。本领域技术人员可将抑制电极称为“花盆”，因为如图2所示，它与普通花园容器形状相似。然而，这种命名被认为是非限制性的，如下文所解释，抑制电极19的形状和几何结构的变型是可能的，其保持至少一些相同的优点。

因此，在本实施方式中，抑制电极19由四个主要部分(区段)形成。第一部分大致为圆柱形，并且围绕靶组件15，从而为靶组件15提供良好的结构连接和电连接。该部分在图2中被指示为圆柱形支撑部分191。

圆锥形渐变部分192从圆柱形支撑部分191朝向导电壁12延伸。随着渐变部分192远离壳体15朝向导电壁12延伸，其呈锥形(渐变)或向外张开。因此，随着抑制电极19接近导电壁12，抑制电极19逐渐与绝缘元件13的外表面更远地间隔。

圆柱形平行部分193从渐变部分192延伸。

增厚区域194从平行部分193朝向壁12延伸，该增厚区域194在抑制电极19接近导电壁12的边缘处增厚和圆化(或倒圆)。例如通过使制造抑制电极19的材料增厚和/或圆化，增厚区域194可以形成为增厚的实心区域，或者替代性地，例如通过将制造抑制电极19的材料折回到自身上以形成圆化端部。

已经发现，图2中所示的抑制电极19的配置在抑制从绝缘元件13的外表面、导电壁12的内表面12a和真空腔室11围封的真空之间的三结(三结合部)T所发射的电子朝向绝缘元件13的外表面的加速方面特别有效。

然而，本领域技术人员将理解，抑制电极19的几何结构、形状和配置方面的变型是可能的。

在图2的配置中，抑制电极19电连接至高电压导体(高压导体)14。这提供了对来自三结T的电子的加速的尤其有效的抑制。然而，根据需要，例如由于在高电压导体14与抑制电极19之间存在可能起到分压器作用的电阻元件，电极可以处于不同的电势。

在图2中，抑制电极19从绝缘元件13的端部部分朝向导电壁延伸。在抑制电极19的增厚边缘区域194和导电壁12之间存在间隙。在其它配置中，该间隙可根据需要增加或减少。

在图2的配置中，抑制电极19围绕绝缘元件13的长度的一部分而非全部，从而使得在增厚区域194和导电壁12之间存在间隙。然而，绝缘元件的长度的比例以及导电壁12和增厚区域194之间的间隙的绝对尺寸可根据装置的整体设计而变化。

在图2的配置中，设置有从绝缘元件13的端部部分13a向外渐变(呈锥形)的渐变部分192。在本实施方式中，渐变部分192的锥角为约12度，虽然可例如以±10度进行锥角的变化，而没有限制。在一些情况下，可以不设置渐变部分，并且抑制电极可以例如呈圆柱形形式。在其他配置中，渐变部分可以向内渐变。

在图2的配置中，抑制电极具有从渐变部分192朝向导电壁12延伸的平行部分193。在变型实施方式中，该部分可以被延伸或者可以不存在。如果存在的话，其不需要是严格平行的，而是例如也可以向内渐变或向外渐变。

在图2所示的配置中，抑制电极19由金属片材、特别是铝形成。例如，抑制电极19可由机加工或旋压铝形成。诸如铜箔的其它导电材料也可以被考虑。这种配置提供良好的结构性能以及良好的导电性。然而，在其它配置中，电极可例如由金属网片形成，这可以减少材料使用和重量，并且可以更容易形成。

在图2所示的配置中，抑制电极19具有最接近导电壁12的增厚区域194。这样的增厚区域可避免使电场集中并且因此可降低电极19与壁12之间的真空击穿的可能性。但是，在其它配置中，该增厚部分可不存在。在图2的配置中，增厚部分具有圆化端部，虽然再次说明，由于在某些真空腔室配置中可能不需要圆化端部，因此该圆化端部可不存在。

在图2的配置中，x射线产生靶16设置在靶壳体15中，并且相对于导体14限定的中心轴线14偏移。然而，这种配置是示例性的，并且靶16的位置可不同于上述配置。图2所示的靶16的位置在某些情况下有利于靶16容易接近通过孔18进入的入射电子束。

在图2所示的配置中，抑制电极19从靶壳体15延伸。然而，抑制电极19可在某些情况下直接从绝缘元件13延伸，或者可设置在绝缘元件13周围的不同于靶壳体15的分离(单独)支撑结构上。

在图2的配置中，抑制电极19关于导体14的轴线对称。然而，这种对称性可能是不需要的，并且抑制电极可例如沿导体14的轴线观察呈现椭圆形而非圆形的横截面，或者可在该方向上观察呈现另一种横截面，例如考虑到腔室11的几何结构的可能的变化。

在图2所示的配置中，真空腔室11具有孔18，该孔18用于接收电子束进入真空腔室，从而以所谓的双臂配置撞击靶16。然而，在其他配置中，真空腔室还可与一个或多个适当的电子光学透镜(包括例如磁透镜和静电透镜)、射束成形(整形)器等一起围封电子束发射源，以便在一个腔室11内形成完整系统。因此，图2的配置是模块化的，并且可以翻新改装到现有的电子束产生装置上，但是所述原理可以等同地应用于其中所有元件均包含在一个整体真空封围件内的非模块化系统。

在图2所示的配置中，真空腔室具有使x射线通达(或将x射线传递给)正在研究的样品或其他物体的x射线发射窗17。跨越孔17的实心窗的存在允许样品处于腔室11的外部，从而使得样品可以被保持在大气中而不是真空中。然而，在其它配置中，在整体式真空腔室11内设置整个x射线系统是可接受的，该x射线系统包括样品支架(底座)和用于已通过样品的x射线辐射的检测器。

在图2所示的配置中，导电壁12的内表面12a是平坦的，并且垂直于绝缘元件13的外表面13a延伸。这样的配置有利于避免真空腔室11内的高电势梯度。然而，其中壁12a例如向内或向外弯曲的其它配置也是可能的。

在图2所示的配置中，高电压导体14设置成相对于导电壁提供例如至少+100kV的正电势。然而，随着电压增加，靶电势升高在实现更高电子束能量方面的优势增加，但真空击穿的风险和不稳定性也增加。相应地，在高电压导体14相对于导电壁12的升高更多的电势(诸如+150kV、+200kV或甚至更高)下，抑制电极19的存在变得更有利。

在图2所示的配置中，导电壁12设置成接地，尽管在某些情况下，可能期望调整导电壁12相对于地的电势，以获得在高电压导体14上的电势与导电壁12上的电势以及诸如电子发射阴极的电子束装置的电子束产生侧的任何部件的电势之间的有利平衡。在其它实施方式中，例如，可通过调整靶16相对于地承载的总加速电压的份额和发射阴极承载的份额来获得有利平衡。

在图2所示的配置中，高电压导体14向靶16提供高的正电势。因此，必须将高电压提供给腔室11的外部的高电压导体14，高电压导体14在其整个长度上保持很长。然而，在替代性配置中，诸如电压倍增器、例如考克饶夫特-瓦尔顿(Cockroft-Walton)电压倍增器的替代性高电压元件可用于在从腔室外部施加的较低驱动电压的基础上至少部分地沿着绝缘元件13的长度逐渐形成高电压。尽管与高电压导体的情况相比，这种情况可能导致三结T处的电场减小，但是如本文所公开的抑制电极的提供可能有利于抑制可能产生的来自三结的任何电子发射。

图2的实施方式被示出为通过孔18接收电子束。然而，该装置的实施方式包括其中电子束装置联接到电子接收孔18以提供完整的x射线发射装置的实施方式。

在结合图2公开的实施方式的范围内，许多变型是可能的，而不脱离本文公开的本发明的基本原理。仅仅使用针对真空腔室11、绝缘元件13和导体14的任何给定几何结构的最佳配置的常规车间反复试验(试错)，便可以产生这些变型。

现在，将给出关于可以通过本文公开的抑制电极实现的至少一个优点的解释，并且其通过图2的实施方式或其变型参考分别在不存在和存在抑制电极192的情况下实现的等电势线举例说明。

在图3a中，图2的配置以横截面示出，抑制电极19已被移去。因此，该配置类似于图1。还以10kV间隔示出了从高电压导体14上的+220kV电势产生的等电势线。

从图3a中可以看出，沿着绝缘元件13的几乎整个长度有非常可观的电场成分(其以直角穿越等电势线)进入绝缘元件13的外表面。因此，从三结T发射的任何电子，无论其发射角度如何，均将被正电势捕获并且将朝向绝缘元件的表面被加速，这潜在地(可能)导致不稳定性和放电。

相反，当如图3b所示使用抑制电极时，对应于图2的配置，至少对于从壁12延伸的绝缘元件的第一部分，电场的指向绝缘元件13的分量大大减少。因此，电子趋向于沿着绝缘元件13、而不是进入绝缘元件13被加速。

此外，在由抑制电极19的增厚部分194限定的开口内，电场方向从朝向绝缘元件13的略微倾斜逐渐改变至远离绝缘元件13朝向抑制电极19的显著倾斜。

因此，抑制电极19不仅能够将发射的电子转移离开绝缘元件13的表面，而且还能够捕获转移的电子。

另外，在由抑制电极19的增厚部分194限定的开口内，等电势线彼此之间的间隔变得相对较大，这表明电场强度至少在该区域中沿着绝缘元件13的表面的长度减小。

因此，抑制电极19还能够减小在该区域中的发射电子所经历的加速场。

再次，从图3b可以理解，抑制电极19的形状和几何结构的变化将允许保持相同的效果，并且可以在某些情况下有利于适应不同几何结构的封围件、靶壳体和系统的其它元件。然而，一旦认识到抑制电极19的概念的重要性，技术人员可以利用基本的电子光学原理来容易地采用这些变型。

因此，在此描述和要求保护的图2中的配置及其变型至少提供了在具有负电势发射源和正电势靶的双极x射线系统中避免高电压击穿的技术问题的解决方案。因此，这种配置可以实现更高的工作电子电压，并且因此实现导致改进的x射线穿透的x射线束能量，并且因此特别是在微焦(点)x射线成像系统中实现改进的对比度和分辨率。