用於材料試驗的x射線試驗裝置以及高解析度投影的方法

2023-06-07 05:34:56

用於材料試驗的x射線試驗裝置以及高解析度投影的方法
【專利摘要】本發明涉及一種用於材料試驗的X射線試驗裝置(1)，其包括具有旋轉陽極組件(20)的高度聚焦的X射線源(10)，該旋轉陽極組件具有以可旋轉方式安裝的陽極板(22)和配置成使得該陽極板處於旋轉運動中的陽極板驅動器(28)。該X射線試驗裝置還包括：用於生成聚焦的電子束的電子槍(40)以及包括電子束偏轉單元和控制單元的電子束控制單元(50)，並且該電子束控制單元配置控制電子束在該陽極板上的入射點(44)。還設有試驗對象(100)的支架(102)，該支架相對於該旋轉陽極組件的位置是固定的或者能夠進行固定。本發明還涉及一種用於使用根據本發明的X射線試驗裝置，通過X射線束生成試驗對象的高解析度幾何投影的方法。
【專利說明】用於材料試驗的X射線試驗裝置以及高解析度投影的方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及使用X射線輻射的材料試驗領域。確切地說，本發明涉及藉助於X射線束生成試驗對象的高解析度放大投影。

【背景技術】
[0002]通過將試驗對象放置在儘可能為點形的X射線源之前，可以藉助於X射線束生成試驗對象的高解析度放大投影。X射線源發出的X射線輻射會穿透試驗對象並在其中經歷衰減，所述衰減取決於局部材料性質。例如，將試驗對象放置在二維延伸的X射線輻射檢測器之後，例如，放置在平面檢測器之後，用於以空間分辨方式檢測已穿透試驗對象的X射線輻射。此類檢測器可以是X射線膠片，所述X射線膠片以變黑的方式對入射X射線輻射起反應，但是，此類檢測器也可以是現代半導體檢測器，其中包括多個輻射敏感電池/像素，入射X射線輻射在所述輻射敏感電池/像素中轉換成電輸出信號。例如，現有技術中已知一種使用CMOS技術構建的X射線傳感器，其中入射到閃爍器層上的X射線輻射轉換成可見光，隨後，CMOS技術光敏電池陣列收集所述可見光並將其轉換成電信號。此外，現有技術中還已知一種使用CCD技術的空間分辨、二維延伸X射線檢測器，其中入射X射線輻射直接轉換成電信號，即，不轉換成可見光即轉換成電信號。
[0003]入射到檢測器上的X射線輻射描繪出被射線輻射穿透的試驗對象的放大輪廓，其中可達到的放大率一方面取決於X射線源與工件之間的距離，另一方面取決於X射線源與檢測器之間的距離。除了所用X射線檢測器的解析度(例如，取決於X射線膠片的粒度或者數字X射線檢測器的像素大小)之外，X射線源的範圍大體上決定了可達到的解析度。在實踐中，點形X射線源並不存在；相反，現有技術中常用於生成X射線束的X射線管的焦點範圍通常是無限的。焦點範圍越小，試驗對象產生的投影越輪廓分明，並且所能達到的解析度越聞。
[0004]為了提高解析度，近期開發出了一種使用固定陽極工作的X射線管，精細聚焦的加速電子束入射到所述固定陽極上。原則上，這種情況下能夠使得焦點大小在納米範圍內，因此，在理論上，能夠使得X射線源的範圍在納米範圍內。但是在實踐中會出現問題，即X射線的強度必須足夠的大，才能在實際曝光時間下工作。這需要向陽極施加高電子電流。但是，在此過程中，輸送到陽極上的能量中只有1%的能量轉換成X射線輻射；端部內其餘99%的沉積輻射能只能致使陽極受熱。在電子束聚焦非常強的同時施加高電子電流會導致陽極的局部過熱，從而導致陽極表面損壞。根據目標的熱性質，此事實的結果是，對於固定陽極而言，無法在維持電子電流的同時任意減小焦點直徑。通常，因此使用一微米及略小於一微米的焦點大小。通過使用此類微焦點X射線管，可以生成試驗對象的放大圖，其中可達到的放大係數在500到5000的範圍內。同時，可以達到這樣的強度，以使得曝光幾秒即足以生成策略對象的高對比度圖。當然，這種情況下的限制因素是要檢驗試驗對象的材料厚度。
[0005]如果使用具有旋轉陽極的X射線管來生成X射線輻射，則電子束在陽極表面上沿特定軌跡移動，以便減小陽極的局部熱應力。因此，在原則上，使用旋轉陽極可以在焦點大小相同的情況下產生較高電子束電流密度，因此可以產生較高X射線輻射強度。但是，旋轉陽極X射線管存在一個不可避免的問題，即旋轉電極的機械公差及其裝備會導致焦點位置隨空間不同而變。此外，對於現有技術中已知的多數旋轉陽極X射線管而言，無法將焦點設置在距離試驗對象的近距離處，因此目標通常處於高壓下，因而與出射窗之間的絕緣間距較為有限。鑑於後一種性質導致可達到的放大率通常遠小於使用微焦點X射線管的情況，因此前一種性質還會導致時間集成在檢測器上的投影高度失真。為此，如今的高倍放大材料試驗領域中通常不使用旋轉陽極X射線管。
[0006]根據DE 19 832 972 Al，已知一種X射線發射器，其中包括具有旋轉陽極的X射線管。電子槍產生的聚焦電子束入射到旋轉陽極的旋轉表面上，以便從旋轉陽極上的焦點發出X射線輻射。X射線發射器現在以使得旋轉陽極上的焦點位置能夠高速改變的方式配置。為此，X射線發射器包括檢測器裝置，所述檢測器裝置檢測旋轉陽極上的實際焦點位置，所述實際位置與預定的所需位置進行比較。通過使用合適的偏轉裝置，所述電子束以使得焦點位置與預定的所需位置一致的方式沿特定軌跡運動。根據上述文件中所引用的美國專利說明書US4，458，180 A，眾所周知，改變旋轉陽極上的焦點位置可有利於提供連續的X射線源，這種X射線源尤其可用於計算機X射線斷層掃描領域中。
[0007]DE 4 129 294 Al處理的是類似的技術問題，其中具有旋轉陽極的同等結構X射線管中的電子束定期地在旋轉陽極上的不同極限位置之間來回變化，以免旋轉陽極熱過載。這種X射線源還適用於醫學領域中的X射線計算機斷層掃描領域中。建議將旋轉陽極上的焦點位置的周期變化頻率與旋轉陽極的旋轉頻率關聯起來。
[0008]DE 19 639 920 Al還提供了一種具有旋轉陽極的X射線管，其中使用電子光學系統中的特殊四極組件，以便能夠改變焦點在旋轉陽極上的位置，而不導致電子束橫截面變形。
[0009]所屬領域中的技術人員還能夠從WO 2007/135614 Al中顯而易見地了解到類似建議，即建議根據旋轉陽極的旋轉角度，在旋轉陽極的X射線管中定期改變旋轉陽極上的焦點位置。這是為了能夠十分迅速地改變所生成X射線束的強度，例如，進而可以用於醫學X射線計算機斷層掃描領域中。


【發明內容】

[0010]因此，本發明的目標是指定一種用於材料試驗的X射線試驗裝置，所述X射線試驗裝置適用於通過X射線束生成試驗對象的高解析度幾何投影。在這種情況下，此X射線試驗裝置應該能夠在類似放大條件下生成解析度顯著提高並且/或者強度更大的X射線輻射。此外，本發明的目標是指定一種用於通過X射線束生成試驗對象的高解析度幾何投影的方法，以及一種用於根據本發明來設置X射線試驗裝置的有利方法。
[0011]此目標可以通過以下項實現:一種具有權利要求1中所述特徵的X射線試驗裝置；一種根據權利要求18所述生成試驗對象的高解析度投影的方法；以及一種根據權利要求19所述設置X射線試驗裝置的方法。
[0012]根據本發明的X射線試驗裝置適用於材料試驗，並且用於通過X射線束生成試驗對象的高解析度幾何投影。所述X射線試驗裝置包括高度聚焦的X射線源，所述X射線源包括旋轉陽極組件。所述旋轉陽極組件包括至少一個以可旋轉方式安裝的陽極板以及陽極板驅動器，所述陽極板驅動器配置成使得所述陽極板轉動。此外，所述X射線源包括電子束髮生器，所述電子束髮生器配置成生成以優選方式聚焦的電子束。通常，用於微聚焦管的電子束髮生器包括:電子槍，例如，所述電子槍由熱陰極以及用於生成加速電場的電極構成；以及電子光學系統，用於聚焦所生成的電子束。
[0013]此外，根據本發明的X射線試驗裝置的X射線源包括電子束控制單元。所述電子束控制單元包括電子束偏轉單元和控制單元。所述電子束偏轉單元包括適用於控制，即以適當方式偏轉，所述電子槍生成的所述電子束的裝置。例如，這些裝置可以是用於生成磁場或電場或者其組合的線圈或電極。所述電子束偏轉單元用於控制所述電子束髮生器生成的所述電子束在所述陽極板上的入射點。在此過程中，所述電子束偏轉單元由所述控制單元進行控制。
[0014]此外，所述X射線試驗裝置包括試驗對象支架，所述支架相對於所述旋轉陽極組件的位置是固定的或者是可變但能夠固定的。作為試驗對象的一個實例，可以提及裝載完成的任選多層電路板。由於可達到的X射線強度非常高，因此根據本發明的X射線試驗裝置也適用於以非破壞性方式試驗材料厚度較大的試驗對象，或者移動通過所述X射線試驗裝置的試驗對象。
[0015]現在，本發明提供所述X射線試驗裝置的所述旋轉陽極組件，所述旋轉陽極組件包括旋轉角編碼器，所述旋轉角編碼器配置成在所述陽極板的轉動期間檢測當前旋轉角。在這種情況下，現有技術中已知多種旋轉角編碼器，原則上，這些旋轉角編碼器均可用於本發明的環境中。可以通過舉例的方式提及光學遞增計數器，或者對陽極板軸等的放大率改變而做出響應的磁場傳感器。此外，可以使用僅記錄旋轉陽極完成了完整360度旋轉的旋轉角編碼器，其中能夠在陽極板旋轉速度已知的情況下高精度地計算相對當前的旋轉角。
[0016]此外，所述電子束控制單元的所述控制單元配置成根據所述陽極板的檢測旋轉角來控制電子束偏轉單元，使得旋轉陽極板引起的X射線焦點相對於試驗對象支架上的參考點P在空間位置中的變化最小化，其中所述參考點P位於固定位置中。
[0017]如【背景技術】中所述，X射線焦點，即電子束在陽極板上的入射點，與待輻射穿透的試驗對象之間的距離使得試驗對象在固定檢測器上的投影隨時間變化。由於所用檢測器的時間解析度是有限的，因此所記錄的投影存在失真。另一方面，如果X射線焦點與試驗對象之間的距離保持恆定並且只要X射線焦點與參考點P之間的連接線的角位置改變，則不會導致所得的投影放大率發生改變，而是導致二維延伸的檢測器等上的投影發生橫向位移，例如，其中所述參考點可以位於試驗對象支架上或者位於試驗對象本身上。因此，此效果還對投影的可達解析度不利。
[0018]因此，應了解，在獨立裝置權利要求的意義內最大限度地減小陽極板上的入射點的位置變化是指通過電子束控制單元來設置入射點的位置，以使得檢測器在檢測器典型曝光時間內記錄的幾何投影的失真度儘可能低。例如，檢測器典型曝光時間可以是X射線膠片的所需曝光時間，或者數字X射線傳感器的各個像素的積分時間。在圖像處理領域中，還已知的是，如果對多個獨立圖像進行平均計算，則可以改進對象的靜態圖像的質量。在優選改進方案中，包括多個獨立靜態圖像的時間間隔內會出現穩定，對此，在統計圖像評估的範圍內執行平均計算。如果在陽極板的整個旋轉周期中入射點的位置變化最小，則將構成優選特例。
[0019]具體來說，電子束控制單元的適用控制算法包括通過使入射點與參考點P之間的距離波動最小化來使得入射點的位置變化最小化。如上所述，在這種情況下，參考點可以位於試驗對象支架上；具體來說，參考點可以設置在位於支架中的試驗對象邊緣上；或者設置在位於支架內的試驗對象邊緣的幾何中心內。原則上，所屬領域中的技術人員可以在自己的專業知識框架內自行選擇自認為特別適用於指定試驗任務的參考點P。
[0020]另一個有利算法能夠藉助於電子束控制單元，通過使入射點與上述參考點P之間的連接線的角位置在空間中的波動最小化來使入射點的位置變化最小化。
[0021]在一個特別優選改進方案中，所述控制算法用於以使得入射點沿直線移動的方式控制所述控制單元。如果控制算法用於使入射點與參考點之間的連接線的角位置在空間中的波動最小化，此算法尤為有利。
[0022]原則上，所屬領域中的技術人員可使用上述控制算法來執行特殊材料試驗任務，其中，在某些情況下，結合使用多個上述控制算法可在最小化試驗對象在檢測器上的幾何投影的失真度的意義上獲得最佳結果。
[0023]在另一個優選改進方案中，電子束控制單元的控制單元包括存儲單元。此存儲單元中存儲有用於根據陽極板的旋轉角控制電子束偏轉單元的信息。例如，因此可以針對多個獨立旋轉角，向存儲單元中存儲用於根據本發明控制所述控制單元的旋轉角特定參數集。如果能夠以閉合函數的形式表示用於最佳地控制所述控制單元的參數集的旋轉角相關變化，則所述函數也可以存儲在存儲單元中。
[0024]與現有技術中已知的具有旋轉陽極的X射線管不同，我們發現以下情況較為有利:在根據本發明的X射線試驗裝置中，旋轉軸D與陽極板上的電子束入射運動方向之間的傾斜角Θ不大於40度，優選地不大於35度以及尤其不大於30度。根據電子槍和電子束偏轉單元的設計，較小傾斜角Θ也可以較為有利。在現有技術中已知的旋轉陽極X射線管中，傾斜角Θ通常為零度，S卩，陽極板上的X射線束入射方向平行於陽極板的旋轉軸，或者傾斜角Θ為幾度，通常小於10度。上述根據本發明的X射線源幾何結構能夠使得陽極板與試驗對象之間的最小距離保持非常小，從而在幾何投影的可達放大比率方面做出改進。
[0025]如果電子束並非如現有技術中的慣例一般入射到大體呈圓盤形的陽極板的一個覆蓋表面上，而是入射到圓盤形或者截頭圓錐形陽極板的護套表面上，則這也適用。此時可以引導入射電子束和出射X射線輻射，從而實現光學領域中的切向入射。
[0026]在此構造中，其中電子束以淺角入射到圓盤形陽極板的護套表面上，根據本發明的旋轉陽極組件可以替代固定陽極，尤其是替代薄固定陽極，所述薄固定陽極用於輻射穿透幾何結構中。具體來說，可以使用根據本發明的旋轉陽極組件來改進具有固定陽極的現有X射線試驗裝置，以便提高輻射強度。
[0027]在根據本發明的X射線試驗裝置的另一個有利實施例中，至少旋轉陽極組件的陽極板安置在可拆卸的真空密封陽極板外殼中，所述陽極板外殼包括針對所生成X射線輻射的出射窗。在這種情況下，出射窗有利地允許具有圓截面等的發散X射線束以開度角α出射，其中所述開度角至少為10度，優選地為至少30度，尤為優選地為40度或以上。
[0028]優選地，根據本發明的X射線試驗裝置包括電子束髮生器外殼，其中對於微聚焦管而言，至少設有電子槍和聚焦單元，但是在優選情況下，也設有電子束偏轉單元。此電子束髮生器外殼是真空密封的並且能夠通過排空單元排空，例如，所述排空單元為真空泵，例如，所述真空泵連接到電子束髮生器外殼。
[0029]有利地，陽極板外殼包括用於以真空密封的方式將陽極板外殼可更換地連接到電子束髮生器外殼的機械接口。為此，電子束髮生器外殼還有利地包括用於連接陽極板外殼的機械接口，但至少一個適當密封表面用於將陽極板外殼的機械接口連接到電子束髮生器夕卜殼。
[0030]在一個有利改進方案中，陽極板外殼和電子束髮生器外殼彼此流體連通，以便可以通過排空單元來共同地排空所述相互連通的外殼，例如，所述排空單元連接到電子束髮生器外殼。
[0031]如果至少將陽極板安置在連接到冷卻裝置的可拆卸真空密封陽極板外殼中，還能夠實現其他優點。所述冷卻裝置用於從陽極板外殼的殼壁散熱。所述冷卻裝置可以是被動冷卻裝置，例如，採用安置在陽極板外殼的外表面上的散熱片形式的被動冷卻裝置。它還可以是散熱裝置，例如採用熱管形式的散熱裝置。此外，所述冷卻裝置也可以是主動冷卻裝置，例如，在所述主動冷卻裝置中，諸如油或水等冷卻流體圍繞陽極板外殼的外壁流動，其中所述冷卻流體在冷卻劑迴路中輸送並且通過熱交換器冷卻。
[0032]陽極板在運行過程中溫度升高到1，2000C以上，陽極板與環境之間的傳熱最常通過陽極板表面與陽極板外殼內壁之間的熱輻射交換來實現。在此情況下，如果陽極板表面或陽極板外殼內壁或者這兩個部件均完全或部分設有能夠促進熱交換的塗層，則能夠增加通過輻射交換從陽極板到陽極板外殼的傳熱效率。現有技術中的技術人員了解同樣具有所需耐溫性的對應塗層。在這種情況下，可以特別規定，陽極板表面僅部分設有此類塗層，以便電子束入射到陽極板上的區域維持未塗覆。
[0033]如果使用液壓軸承支撐陽極板，則可以進一步促進從陽極板的散熱，其中所述液壓軸承與主體導熱接觸，所述主體的外表面與環境流體熱交換，例如，通過環境空氣或冷卻流體進行熱交換。具體來說,此主體可以是陽極板外殼本身。此類軸承還稱為流體動力軸承，其中，例如，油或空氣作為潤滑劑安置在兩個軸承表面之間，以免它們彼此接觸。
[0034]如果陽極板驅動器包括與陽極板旋轉軸D共線安置的輸出軸，則可以得到根據本發明的X射線試驗裝置的旋轉陽極組件的特别致密結構。如果輸出軸的旋轉軸與陽極板旋轉軸D—致，則特別有利。
[0035]由於必須排空陽極板外殼以運行根據本發明的X射線試驗裝置，因此如果陽極板驅動器安置在陽極板外殼外部，則通常較為有利。在此構造中，如果陽極板驅動器的輸出軸通過真空密封旋轉接頭以不可旋轉方式連接到陽極板，則較為有利。如果真空密封旋轉接頭同時用作陽極板的旋轉支架，則可以獲得特定優勢。如果旋轉接頭，即與陽極板直接機械接觸因而與陽極板熱接觸或者通過中間陽極板軸接觸的旋轉接頭，配置成液壓軸承，通過所述液壓軸承，可以通過導熱從陽極板到陽極板外殼傳熱，則特別有利。一種用於通過X射線束生成試驗對象的高解析度輻射穿透幾何投影的有利方法包括以下方法步驟:
[0036]a.提供根據權利要求1的X射線試驗裝置，
[0037]b.將所述試驗對象安置在支架中，
[0038]c.使用從旋轉陽極板發出的X射線輻射來輻射穿透所述試驗對象，
[0039]d.檢測所述陽極板的旋轉角；以及根據所檢測的旋轉角來控制電子束偏轉單元，使得電子束在陽極板上的入射點相對於支架上位於固定位置中的參考點P的位置變化最小化。
[0040]根據本發明的X射線試驗裝置以及根據本發明的方法能夠實現一種用於X射線輻射的至少微聚焦高強度輻射源，其中X射線源的位置以及發射方向的穩定性均顯著高於迄今為止通過旋轉陽極X射線管獲得的結果，並且對於輻射穩定性而言，所述微聚焦高強度輻射源類似於現有技術中已知的具有固定陽極的微焦點X射線管。同時，藉助於相同解析度，它們允許顯著較高的X射線強度，以便能夠檢查材料厚度較大的試驗對象或者使用較短的曝光時間。因此，開闢了藉助於X射線束的高解析度材料試驗的全新應用領域。
[0041]一種用於設置根據權利要求8所述的X射線試驗裝置的特別有利方法包括以下方法步驟:
[0042]a.提供根據權利要求1的X射線試驗裝置，
[0043]b.將所述試驗對象安置在支架中，
[0044]c.使用從旋轉陽極板發出的X射線輻射來輻射穿透所述試驗對象，
[0045]d.檢測所述陽極板的旋轉角；以及根據所檢測的旋轉角來控制電子束偏轉單元，使得最小化電子束在陽極板上的入射點相對於支架上位於固定位置中的參考點P的位置變化最小化。
[0046]例如,可以通過試驗地檢測入射點與參考點P之間的距離變化或者入射點與參考點之間的連接線的位置在空間的變化或者同時檢測這兩者來試驗地檢測入射點的旋轉角關聯位置變化。例如，這可以通過在參考結構上形成圖像來實現，其中根據陽極板的旋轉角來檢測整幅圖像在二維延伸的檢測器上的放大係數和位移變化。可以從此步驟來確定上述數量。在給定基本假設的情況下，例如，假定陽極板呈圓柱形並且陽極板的旋轉軸相對於對稱軸略微偏移，則可以通過計算來確定用於控制電子束偏轉單元的參數集。通過應用此參數集，即，通過應用由此確定的「補償」，藉助於電子束偏轉單元，入射點在陽極板上的位置變化得以最小化。
[0047]此處請再次注意，本發明上下文中的「最小化入射點的位置變化」應特別理解為表示通過入射點的旋轉角關聯控制來最小化二維延伸的檢測器上生成的試驗對象投影的失真效果，其中所述失真效果是由陽極板的旋轉運動引起的。如上所述，在此情況下，必須考慮到以下項的影響:所生成X射線輻射的方向變化以及由於入射點與試驗對象之間的距離發生變化而導致的投影放大係數變化。
[0048]在上述方法的一個特別優選實施例中，以特定方式來選擇用於控制電子束單元的參數，以便在應用補償之後，即，根據所選擇/儲存的參數集使用電子束偏轉單元進行有效射線束控制，陽極板上由電子槍生成的電子束入射點將沿直線移動。如果此直線基本上重合於入射點與參考點之間的連接線，則能夠取得特別有利的結果。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0049]下文將參考示例性實施例來更詳細地說明本發明的其他優點和特徵。這些示例性實施例將參考附圖來更詳細地描述。在附圖中:
[0050]圖1示出了根據本發明的X射線試驗裝置的示意圖，其中根據本發明，所述X射線試驗裝置在不進行電子束控制的情況下運行，
[0051]圖2示出了根據本發明的圖1所示X射線試驗裝置的示意圖，其中根據本發明，所述X射線試驗裝置在進行電子束控制的情況下運行，
[0052]圖3示出了根據本發明的X射線試驗裝置的示例性實施例的X射線源的透視圖，以及
[0053]圖4示出了圖3所示X射線源的局部截面圖。

【具體實施方式】
[0054]圖1示出了根據本發明的X射線試驗裝置I的示意圖。所述X射線試驗裝置包括X射線源10，所述X射線源用於在二維延伸的檢測器60上生成固持在支架102內的試驗對象100的放大幾何投影。X射線源10包括旋轉陽極組件20，所述旋轉陽極組件包括以可旋轉方式安裝在軸24上的陽極板22。陽極板驅動器28的輸出軸以共線方式連接到陽極板的旋轉軸D，或者通過軸24與其連接，所述陽極板驅動器以不可旋轉方式連接到軸24。陽極板22以圓盤形方式構成，例如，並且由鎢構成，所屬領域中的技術人員能夠根據自己的專業知識選擇熟悉的適當材料來用於陽極板22中。
[0055]電子束42由電子槍40產生，電子槍40包括熱陰極41，用於生成自由電子，下遊的電子光學系統43對所述自由電子進行加速和聚集以形成電子束42。
[0056]如果屏蔽掉對電子束42傳播的所有影響，例如，電場或磁場，則電子束42沿直線傳播並且在入射點44、44'處碰撞陽極板22的外套表面。在X射線試驗裝置I的運行期間，通過陽極板驅動器28使得陽極板22處於旋轉運動中，其中典型的旋轉速度為50轉/分到4000轉/分。
[0057]由於不可避免的機械公差，例如在旋轉陽極組件20的安裝中或者在軸24上的陽極板22的偏心安裝中，因此入射點44、44'相對於旋轉軸D的徑向位置及入射點縱向於旋轉軸D的橫向位置均發生變化。圖1中以示例性的方式針對旋轉陽極板22的兩個極端位置用虛線來表示這種變化。入射點44表示電子束42在陽極板22的外套表面上的位置，其具有最大徑向距離。相反，44'表示徑向距離最小的入射點。可以立即從圖1中清楚地了解至IJ，除了入射點44和44'的徑向距離變化之外，入射點44、44'還會沿旋轉軸D位移，SP，沿橫向位移。
[0058]例如，當電子束42從點44入射到陽極板22的外套表面上時，現在可以觀察到成象。入射點44在一定程度上構成點形X射線輻射源，從該點處，開度角為α (圖1中未圖示)的電子束群經由陽極板外殼32(未圖示)內設有的出射窗34(未圖示)從陽極板外殼32出射並且碰撞位於支架102中的試驗對象100。穿過試驗對象100時，X射線輻射將發生特定於材料且局部改變的衰減，隨後通過以與試驗對象100相距一定距離的方式安置的X射線檢測器60來以空間分辨方式檢測所述X射線輻射。在圖示的示例性實施例中，X射線檢測器60配置成具備CMOS設計的二維延伸分辨的數字X射線檢測器，例如，所述檢測器具有1024X1024像素的解析度以及20cm到40cm的典型方形檢測器表面邊長。當然，也可以使用其他檢測器構造，尤其是球截形表面等主動檢測器表面設計。
[0059]用實線圖示的邊緣射線示意性地指示試驗對象100在檢測器60的有效表面上的放大圖像範圍，所述放大圖像在檢測器60上產生，其中在圖1中，所述邊緣射線從入射點44輻射。
[0060]如果現在觀察到與旋轉軸D的徑向距離最小的入射點44'並且再次從入射點44'觀察到試驗對象100的幾何投影，其中所述幾何投影在檢測器60上生成，則所生成的幾何投影分隔為兩條虛線。顯然，從陽極板22的整個旋轉周期看去，試驗對象100在檢測器60的有效表面上的幾何投影發生顯著位移。此位移最終將導致檢測器60所檢測到的試驗對象100的幾何投影失真。一方面，它的原因是入射點44與試驗對象100之間的距離改變，此距離改變還伴隨著幾何投影的放大率改變。另一方面，可以從圖1中清楚地看出，旋轉軸D上的入射點44的橫向位置改變還伴隨著檢測器60上的投影的幾何位置發生位移。由於檢測器60的時間分辨能力是有限的，因此這兩種改變均會導致檢測器60所記錄的X射線圖像失真，當在陽極板22的整個旋轉周期或更長時間段內集成所記錄的試驗對象100的X射線圖像時，所述失真特別清晰。一方面，這可以通過X射線檢測器60的對應長曝光時間來實現，另一方面，也可以通過疊加檢測器60所記錄的時間解析度較高的多幅後續獨立圖像。
[0061]在根據圖2的X射線試驗裝置I的運行模式中，啟用另外提供的電子束控制單元50，所述電子束控制單元能夠執行根據本發明的方法。電子束控制單元50包括電子束偏轉單元52，例如，所述電子束偏轉單元包括兩個用於產生磁場的線圈。電子束42在向陽極板22行進的途中穿過此磁場。此外，電子束控制單元50包括控制單元54,所述控制單元連接到旋轉角編碼器30，所述控制單元用於以適當方式檢測軸24圍繞旋轉軸D的當前旋轉角Y，並且將其發射到控制單元54。
[0062]此外，控制單元54中設有存儲單元56，所述存儲單元中存儲有用於控制電子束偏轉單元52的參數集，在圖示的示例性實施例中，所述參數集用於控制電子束偏轉單元中產生磁場的線圈。例如，可以根據權利要求8在前一校準步驟中確定此參數集。
[0063]在此示例性實施例中，現在以特定方式確定存儲在存儲單元56中的參數集，以便電子束控制單元50以主動的方式控制電子束42，在這種情況下，特別是主動控制電子束在陽極板22的外套表面上的入射點44、44'的方式來控制電子束偏轉單元的線圈。在此處所示的根據本發明的方法的特別優選實施例中，以使得入射點44、44'在陽極板22的整個旋轉周期中沿直線G圍繞其旋轉軸D移動的方式來確定參數集。在此情況下，直線G由入射點44與參考點P之間的連接線給出，所述參考點安置在支架102內試驗對象100的外圍外殼上。可以立即從圖2中清楚地看出，在此情況下，在上述控制入射點44期間，形成於X射線檢測器60上的試驗對象100的幾何投影的上邊緣位置不改變。從入射點44'輻射並且表示從入射點44'起產生的投影的虛線又標出了在此過程中，試驗對象100在X射線檢測器60上的投影的第二極端位置。
[0064]將圖1和圖2進行比較可以立即得出清楚結論，S卩，根據本發明的此過程可以大幅減小試驗對象100在X射線檢測器60上的投影的位移/變化。
[0065]圖3示出了根據本發明的X射線試驗裝置I的示例性實施例的X射線源10的透視圖，從此圖中可以顯而易見地看出電子束髮生器外殼46以及與其相連的陽極板外殼32。此外，可以看出安置在陽極板外殼32外部的陽極板驅動器28的外殼，以及陽極板外殼32的主動冷卻裝置36的連接，這些連接用於讓冷卻劑流過安置在陽極板外殼中的冷卻室38。
[0066]可以從根據圖4的截面圖中顯而易見地看出此冷卻室38，所述截面圖進一步示出了旋轉陽極組件20，所述旋轉陽極組件包括陽極板22、軸24和陽極板驅動器28。在此情況下，陽極板驅動器28安置在陽極板外殼32的外部，其中陽極板驅動器28的輸出軸通過真空密封旋轉接頭26以不可旋轉方式連接到軸24。
[0067]陽極板外殼32還配置成真空密封並且與電子束髮生器外殼46流體連通，所述電子束髮生器外殼也配置成真空密封，以便陽極板外殼32還能夠通過排空單元48 (未圖示)排空，例如通過真空泵排空，所述排空單元連接到電子束髮生器外殼46。
[0068]此外，陽極板外殼32包括出射窗34，所述出射窗包括僅針對所生成的X射線輻射的低吸收係數的材料。開度角為α的X射線束從出射窗34射出，其中所述開度角通常為10。到50。，優選地為約40°。
【權利要求】
1.一種用於材料試驗的X射線試驗裝置(I)，所述X射線試驗裝置通過X射線束生成試驗對象(100)的高解析度幾何投影，所述X射線試驗裝置包括 高度聚焦的X射線源(10)，所述X射線源包括: 旋轉陽極組件(20)，所述旋轉陽極組件具有以可旋轉方式安裝的陽極板(22)和配置成使得所述陽極板(22)進入旋轉運動中的陽極板驅動器(28)， 電子槍(40)，所述電子槍配置用於生成聚焦的電子束(42)，以及 電子束控制單元(50)，所述電子束控制單元包括電子束偏轉單元(52)和控制單元(54)，並且所述電子束控制單元配置用於控制所述電子槍(40)生成的所述電子束(42)在所述陽極板(22)上的入射點(44)，以及 試驗對象(100)的支架(102)，所述支架(102)相對於所述旋轉陽極組件(20)的位置是固定的或者能夠進行固定，其中 所述旋轉陽極組件(20)進一步包括旋轉角編碼器(30)，所述旋轉角編碼器配置用於檢測所述陽極板(22)的旋轉角Y，以及 所述控制單元(54)配置用於根據所檢測的所述陽極板(22)的旋轉角Y來控制所述電子束偏轉單元(52)，使得所述陽極板(22)上的所述入射點(44)相對於所述支架(102)上位於固定位置的參考點P的位置變化最小化。
2.根據權利要求1所述的X射線試驗裝置(I)，其中 所述X射線試驗裝置進一步包括X射線檢測器(60)，所述X射線檢測器配置用於在所述X射線源(10)發出的X射線輻射穿過位於所述支架(102)中的試驗對象(100)之後記錄所述X射線輻射，以便使得所述試驗對象(100)的幾何投影可見，以及 所述控制單元(54)配置用於將所述入射點(44)的位置變化最小化，以使得在所述X射線檢測器(60)的典型曝光時間內，所述試驗對象(100)在所述X射線檢測器(60)上的所述幾何投影的放大率和/或位置變化儘可能小。
3.根據權利要求1所述的X射線試驗裝置(1)，其中，所述控制單元(54)配置用於通過使所述入射點(44)與所述參考點P之間的距離波動最小化來使得所述入射點(44)的所述位置變化最小化。
4.根據權利要求1所述的X射線試驗裝置(1)，其中，所述控制單元(54)配置用於通過使所述入射點(44)與所述參考點P之間的連接線的角位置在空間中的波動最小化來使得所述入射點(44)的位置變化最小化。
5.根據權利要求1或4所述的X射線試驗裝置(I)，其中，所述控制單元(54)配置用於通過使所述入射點(44)沿直線移動來使得所述入射點(44)的所述位置變化最小化。
6.根據權利要求1所述的X射線試驗裝置(I)，其中，所述參考點P位於安置在所述支架(102)中的試驗對象(100)的邊緣上。
7.根據權利要求1所述的X射線試驗裝置(I)，其中，所述參考點P位於安置在所述支架(102)中的試驗對象(100)的邊緣的幾何中心上。
8.根據權利要求1所述的X射線試驗裝置(I)，其中，所述控制單元(54)包括存儲單元(56)，所述存儲單元中存儲有用於根據所述陽極板(22)的所述旋轉角Y來控制所述電子束偏轉單元(52)的信息。
9.根據權利要求1所述的X射線試驗裝置(I)，其中，所述陽極板(22)的旋轉軸D與所述電子束(42)入射到所述陽極板(22)上的方向之間的傾斜角Θ不大於40°，優選地不大於35° ,尤其不大於30°。
10.根據權利要求1所述的X射線試驗裝置(1)，其中，至少所述陽極板(22)設置在可拆卸真空密封陽極板外殼(32)中，所述陽極板外殼具有針對所生成的X射線輻射的出射窗(34)，所述出射窗允許發散X射線束以開度角α射出，所述開度角α為至少10° ,優選地為至少30°，特別優選地為40°或以上。
11.根據權利要求1所述的X射線試驗裝置(1)，其中，至少所述陽極板(22)設置在可拆卸真空密封陽極板外殼(32)中，所述陽極板外殼連接到冷卻裝置(36)，所述冷卻裝置用於從所述陽極板外殼(32)的殼壁散熱。
12.根據權利要求11所述的X射線試驗裝置(1)，其中，所述陽極板(22)和/或所述陽極板外殼(32)的內壁具有塗層，所述塗層允許通過所述陽極板(22)與所述陽極板外殼(32)之間通過輻射交換進行熱交換，相對於未塗層的陽極板(22)或陽極板外殼(32)而言，所述熱交換增加。
13.根據權利要求1所述的X射線試驗裝置(I)，其中，至少所述陽極板(22)設置在可拆卸真空密封陽極板外殼(32)中，所述陽極板外殼包括機械接口，所述機械接口用於與電子束髮生器外殼(46)建立可交換且真空密封的連接，在所述電子束髮生器外殼中至少設有所述電子槍(40)，優選地還設有所述電子束偏轉單元(52)。
14.根據權利要求13所述的X射線試驗裝置(1)，其中，所述陽極板外殼(22)能夠連接到所述電子束髮生器外殼(46)，使得所述陽極板外殼(22)能夠通過排空單元排空，從而排空所述電子束髮生器外殼(46)。
15.根據權利要求1所述的X射線試驗裝置(I)，其中，所述陽極板驅動器(28)包括輸出軸，所述輸出軸以與所述陽極板(22)的所述旋轉軸D共線的方式設置。
16.根據權利要求15所述的X射線試驗裝置(I)，其中，所述輸出軸的軸線與所述陽極板(22)的所述旋轉軸D重合。
17.根據權利要求16所述的X射線試驗裝置(I)，其中，所述陽極板驅動器(28)設置在所述陽極板外殼(32)的外部並且所述輸出軸通過真空密封旋轉接頭(26)以不可旋轉方式連接到所述陽極板(22)。
18.一種用於通過X射線束生成試驗對象(100)的高解析度幾何投影的方法，所述方法包括以下方法步驟: 提供根據權利要求1所述的X射線試驗裝置(I)， 將所述試驗對象(100)設置在所述支架(102)中， 使用從所述旋轉陽極板(22)發出的X射線輻射來輻射穿透所述試驗對象(100)， 檢測所述陽極板(22)的旋轉角Y，並根據所述檢測到的旋轉角Y來控制所述電子束偏轉單元(52)，使得所述電子束(42)在所述陽極板(22)上的所述入射點(44)相對於所述支架(102)上位於固定位置的參考點P的位置變化最小化。
19.一種用於設置根據權利要求8所述的X射線裝置(I)的方法，所述方法包括以下方法步驟: 檢測所述陽極板(22)上的所述入射點(44)相對於所述支架(102)上位於固定位置的參考點P的旋轉角關聯位置變化， 確定適用於控制所述電子束偏轉單元(52)的參數，使得在所述陽極板(22)的旋轉期間檢測到的所述入射點(44)的位置變化最小化，以及 將這些參數存儲在所述存儲單元(56)中，以便所述控制單元(54)調用。
20.根據權利要求19所述的方法，其中，為了使所述位置變化最小化，以特定方式選擇所述電子束偏轉單元(52)的所述參數，以使得在應用所選參數確定的補償之後，所述電子束(42)在所述陽極板(22)上的所述入射點(44)沿所述直線移動。
【文檔編號】G01N23/04GK104297269SQ201410344685
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年7月18日 優先權日:2013年7月19日
【發明者】A.施米特, F.J.阿斯拉米, R.弗裡德曼 申請人:Ge傳感與檢測技術有限公司