X射線輻射源、用於產生x射線輻射的方法以及發射單色x射線輻射的x射線輻射源的應用的製作方法

2023-06-19 07:23:41

X射線輻射源、用於產生x射線輻射的方法以及發射單色x射線輻射的x射線輻射源的應用的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種X射線輻射源，在該X射線輻射源中尤其能夠產生單色X射線輻射。此外，本發明涉及一種用於產生X射線輻射的方法以及該X射線輻射源用於透射主體（例如人體）的應用。根據本發明規定，在殼體中氣凝膠（12）例如以杆（45）的形式被提供作為靶標。該杆利用電子束（13）來轟擊，其中在此情況下氣凝膠（12）由於其極其小的密度和高能量而蒸發。因此，靶標通過輥（46）被供給，使得總是未被消耗的靶標可供用於產生尤其單色X射線輻射。
【專利說明】X射線輻射源、用於產生X射線輻射的方法以及發射單色X射線輻射的X射線輻射源的應用

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種X射線輻射源，其具有殼體，在該殼體中設置有靶標，該靶標在以電子束轟擊的情況下可以發射X射線輻射。此外，本發明涉及一種用於產生X射線輻射的方法，其中在X射線輻射源的殼體中以電子束轟擊靶標並且發射X射線輻射。另外，本發明涉及發射單色X射線輻射的X射線輻射源的應用。

【背景技術】
[0002]開頭所說明的類型的X射線輻射源、其應用和用於產生X射線輻射的方法例如在US 2008/0144774 Al中已知。根據該文獻，X射線輻射源例如可以通過將電極布置在殼體中來實現。電子束在殼體中通過電極產生，該電極具有OV的電勢。在該電極對面布置有陽極，該陽極用作用於電子輻射的靶標。該陽極處於10kV上。此外集電器位於該陽極之後，該集電器處於1kV的電勢上。如果電子束射到陽極上，則釋放X射線輻射，該X射線輻射可以通過合適的窗口(對於X射線輻射來說透明的)從殼體耦合輸出並且輸送給應用。
[0003]用作靶標的陽極可以必須被實施為薄壁的結構，因為只在第一原子層中產生單色X射線輻射。更厚的靶標導致韌致輻射的增加的、不期望的產生。例如，該陽極可以具有由硼構成的基板，該基板具有ΙΟμπι到200 μ m之間的厚度。薄鎢層被施加到該基板上，該鎢層具有100 nm到500 nm的層厚度，該鎢層被用作靶標。然而，非常薄的鎢層遭受由電子束引起的聞熱負荷。


【發明內容】

[0004]本發明的任務在於，改善開頭所說明的X射線輻射源，使得X射線輻射源的比較長的運行持續時間是可能的，而不必替換靶標。此外，本發明的任務是說明一種用於運行所提及的X射線輻射源的方法。最後，本發明的任務是找到這種X射線輻射源的應用。
[0005]本發明的任務利用開頭所說明的X射線輻射源根據本發明通過如下方式來解決:使用氣凝膠作為靶標材料。該氣凝膠通過以下方式具有極小的密度，即在具有非常薄的壁的氣凝膠材料的網中形成氣孔(類似於泡沫)。X射線輻射源的電子束穿透這種由氣凝膠形成的活性介質並且激發氣凝膠材料的原子的K殼層。一旦這些原子從其被激發的狀態返回到K殼層，能量就以特定量子作為單色X射線輻射被輸出。在此，由於氣凝膠的密度非常小而不形成韌致輻射或僅形成非常少的韌致輻射，其中該韌致輻射(如果到底有)朝著電子束的方向傳播並且因此可以容易地與單色X射線輻射分離。因此，未受幹擾的單色X射線輻射可以被輸送給所期望的應用(例如為了醫學目的)。
[0006]根據本發明的一種構型，氣凝膠被固定在金屬薄膜上，所述金屬薄膜由一種輕金屬或多種輕金屬(合金)、尤其是鋁構成。該氣凝膠由於其極其小的密度而對機械應力敏感，使得具有該氣凝膠的載體結構的載體薄膜有助於該氣凝膠的穩定。載體薄膜本身必須足夠薄地被實施，以便形成儘可能少的韌致輻射並且該韌致輻射根據電子束的取向保持其方向。優選地，如果不使用被打孔的載體，則金屬薄膜應具有0.5 μ m到10 μ m、優選地I μ m的厚度。如果載體薄膜是被打孔的薄膜，則金屬薄膜也可以明顯更厚並且因此機械上更穩定地被實施，因為其對所發射的輻射無貢獻。在此，金屬薄膜有利地可以具有孔，這些孔通過靶標材料被橋接。以此方式也可以使用更厚的薄膜，其中這些薄膜形成格柵狀的支承結構。這些孔例如可以是圓形孔，這些圓形孔按規則的圖案布置。以此方式，形成規則的格柵結構。特別有利的是，這些孔具有規則的六邊形的橫截面並且蜂巢狀地布置在金屬薄膜中。在此情況下，形成由接片構成的支承結構，這些接片按蜂巢圖案布置(對應於蜜蜂蜂巢的俯視圖)。在此情況下，在材料花費有利地儘可能小的情況下可以實現最大的支承作用。韌致輻射的形成在此有利地在很大程度上被避免。在產生單色X射線輻射時容忍靶標的熱損毀。
[0007]在靶標是薄膜狀的(被增強或未被增強)時，特別有利的是，靶標被實施為帶，該帶可以從第一輥被展開並且可以被卷繞到第二輥上。陽極的帶狀的構型具有如下大的優點:可以通過簡單的操作步驟引導該帶經過電子束。由此，可以產生在靶標與電子束之間的相對移動。特別有利的是，將該帶以輥的形式輸送給X射線輻射源並且將被消耗的帶卷繞到相應的輥上，使得可以簡單地在X射線輻射源的運行期間將帶可靠地保存在殼體中並且引導到電子束。此外，當該帶用完時，可以通過取出輥對帶進行簡單更換。特別有利地，為此目的可以規定，第一輥和第二輥被安置在殼體的真空閘中。本申請意義上的真空閘應理解為殼體內的單獨的封閉的空間，該空間一方面朝向殼體內部具有用於帶狀靶標材料的通道。此外，存在向外的可封閉的閘開口，所使用的輥穿過所述閘開口。輥更換於是可以通過僅湧進(Fluten)可供使用的閘室來進行，使得殼體的剩餘殼體空間保持排空。為此要注意的是，X射線輻射的產生優選地在排空的殼體中進行。至少第二輥也應有利地以機械方式與驅動裝置耦合，該驅動裝置優選地被固定在殼體外部。固定在殼體外部具有如下優點:該驅動裝置可以較簡單地維護，因為該驅動裝置可容易地到達並且使維護工作不需要殼體空間的湧進。
[0008]確保電子束與靶標材料之間的相對移動的另一可能性在於，用於電子束的產生裝置可迴轉地實施。通過產生裝置的迴轉，電子束也在靶標材料上來回遊移，由此可以均勻地衝擊整個靶標材料。自然，可迴轉的產生裝置也可以與輥機構組合。輥機構可以引起電子束在帶上在卷繞方向上移動，而產生裝置尤其可以垂直於帶的移動方向可迴轉。這確保，帶也可以在其完整的寬度上被利用，由此可以最佳地充分利用靶標材料。
[0009]本發明的一種替代的構型規定，氣凝膠具有杆的形狀並且可以利用引導設備被引導穿過電子束。該杆有利地可以具有如下橫截面，該橫截面適於被電子束完全穿透。因此，電子束的引導在該變型方案中是不必要的。如果氣凝膠被消耗，則可以通過引導設備來移動杆，使得未被消耗的材料可被引入電子束的影響範圍中。杆形狀可以有利地非常簡單地來製造。有利地，杆形狀在考慮其固有彈性的情況下被支承在輥上，該輥位於引導設備的另一端上。通過棍的滾動，氣凝膠的杆自動地通過引導設備被供給(nachgefiihrt),其中該引導設備同時能夠有助於杆材料的矯直。
[0010]根據本發明的一種有利的構型規定，氣凝膠由如下材料構成，該材料的原子的K殼層具有對於應用有用的發射特性。詳細地，該定義適用於如下輕金屬:所有鹼金屬、除鐳之外的所有鹼土金屬、此外鈧、釔、鈦和鋁。用於構造氣凝膠的其他有利的材料族是鎢、鑰和鑭系元素的族。詳細地，在此涉及元素鑭和在元素周期表中跟隨在鑭之後的14種元素。
[0011]氣凝膠的使用此外有如下優點:通過利用電子束激發靶標可以有利地產生單色X射線輻射。在此，涉及具有僅僅一種波長的X射線輻射，這具有如下優點:例如利用單色X射線輻射可以更清晰地成像X射線圖。因此，本發明的一種替代的解決方案也是使用該單色X射線輻射照射主體，其中必須提供該主體，使得在所使用的單色X射線輻射的波長處在圖像上顯現主體的對比度。該主體可以是技術結構(技術的或無生命的主體)、譬如部件連接，其必須針對空氣流入進行檢查。其他可能性是記錄人或獸類身體的X射線圖。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]隨後藉助附圖來描述本發明的其他細節。相同或相應的附圖元素在各個圖中分別配備有相同的附圖標記並且只在各個圖之間產生差別的範圍內多次予以解釋。
[0013]圖1以示意性剖面示意性地示出單色X射線輻射在由氣凝膠構成的薄膜中的產生，
圖2以示意剖面示出根據本發明的X射線光源的一個實施例，其中使用根據圖1的薄膜，以及
圖3示出用於根據本發明的X射線輻射源的杆形式的靶標材料的另一實施例。

【具體實施方式】
[0014]在圖1中，作為靶標11設置有氣凝膠12 (作為片段示出)。電子束13以電子14射到靶標材料(例如鑭)的原子15上。也示出了原子15的K殼層16，其中電子束引起K殼層16的電子17之一被激發並且被提升到另一殼層上。當這些電子躍回時，在此情況下發射單色X射線輻射18。
[0015]氣凝膠12被施加在金屬薄膜40上，該金屬薄膜支承該氣凝膠12。此外，金屬薄膜40具有孔41，這些孔可以按規則的圖案被布置在金屬薄膜40中以便確保在金屬薄膜40的支承作用儘可能大的情況下材料密度/原子層數儘可能小。如可從斷面圖42(金屬薄膜的俯視圖)中獲悉的那樣，這些孔41尤其可以具有蜂巢43的形狀。金屬薄膜40的材料於是以接片44的形式構造。接片的寬度可以在考慮到所需要的支承作用的情況下在結構上被確定。
[0016]從圖2中可以獲悉根據本發明的X射線輻射源的構造。X射線輻射源本身被安置在可排空的殼體19中，該殼體具有窗口 22。電子束射到靶標11上，其中該靶標由於其小的厚度而幾乎不吸收電子束的能量。然而，能量的一部分通過以已經描述的方式激發原子15(參見圖1)而被轉換成單色X射線輻射18，該單色X射線輻射可以通過窗口 22離開殼體。穿透靶標的電子束通過集電器以靜電方式減速到如下程度，即電子束的電子低能地擊入在集電器上，使得不能產生韌致輻射。為了將電子束13中的電子14充分加速，設置有所謂的E槍(即電子槍)。該E槍具有被加熱的陰極23，該陰極在存在電場的情況下發射電子。這些電子藉助電透鏡24被聚束，以便電子束在靶標上產生儘可能小的點狀的輻射源。該電場通過如下方式來構建:靶標作為陽極來連接。該陽極可以利用10kV到300kV的電勢來運行，其中附加地在靶標之後還使用電勢為40kv到120kV的集電器27。
[0017]此外，在殼體中設置有第一輥28和第二輥29。根據圖1的以帶30的形式存在的靶標在第一輥28上被捲起並且以未更詳細示出的方式藉助調節驅動裝置M2 (在殼體之外以本身已知的方式位於用於使輥29轉動的驅動軸上)來驅動。在此，靶標11從輥28被展開並且被卷繞到輥29上。為了可以簡單地進行輥28、29的更換，設置有以點劃線勾畫的真空閘31，使得在更換輥28、29時不必湧進殼體的剩餘空間。輥28、29通過所勾畫的活門32來取出。
[0018]電子槍同樣通過軸33可迴轉地支承。驅動通過馬達Ml進行。軸33與繪圖平面平行地處於軸承34中，使得電子槍的迴轉導致電子束13能夠在帶30的整個寬度上迴轉。輥28、29的驅動引起電子束也可以在帶30的縱向伸展方向上更換在靶標上的擊中部位。
[0019]在圖3中示出了杆45形式的靶標。該靶標被卷繞到具有足夠大的直徑的儲備輥46上，以便由於輥46的直徑所引起的變形不損壞靶標的氣凝膠12，尤其是僅彈性變形。通過引導設備47將靶標45輸送給電子束13。在此情況下，以關於圖2所描述的方式使用馬達M2。與圖2不同，用於卷繞靶標的另一輥是不必要的，因為該靶標在以電子束13照射時蒸發。儘管如此可以設想通過以下方式將根據圖3的設備安裝到根據圖2的X射線輻射源中，即代替輥28使用該設備。在此情況下不使用輥29。
【權利要求】
1.X射線輻射源，該X射線輻射源具有殼體(19)，在所述殼體中設置有靶標(11 )，所述靶標在以電子束(13)轟擊的情況下能夠發射X射線輻射， 其特徵在於， 作為靶標材料使用氣凝膠(12)。
2.根據權利要求1所述的X射線輻射源， 其特徵在於， 所述氣凝膠(12)被固定在由一種輕金屬或多種輕重金屬、尤其是鋁構成的金屬薄膜(40)上。
3.根據權利要求2所述的X射線輻射源， 其特徵在於， 所述金屬薄膜(40)具有0.5 μ m到10 μ m、優選地I μ m的厚度。
4.根據權利要求2或3之一所述的X射線輻射源， 其特徵在於， 所述金屬薄膜(40 )具有孔(41)，所述孔通過靶標材料被橋接。
5.根據權利要求4所述的X射線輻射源， 其特徵在於， 所述孔(41)按規則圖案布置。
6.根據權利要求5所述的X射線輻射源， 其特徵在於， 所述孔(41)具有規則的六邊形的橫截面並且蜂巢狀地布置在所述金屬薄膜(40)中。
7.根據上述權利要求之一所述的X射線輻射源， 其特徵在於， 所述靶標被實施為帶(30)，所述帶能夠從第一輥(28)被展開並且被卷繞到第二輥(29)上。
8.根據權利要求1所述的X射線輻射源， 其特徵在於， 所述氣凝膠(12)具有杆(45 )的形狀並且能夠利用引導設備(47 )被引導穿過所述電子束(13)。
9.根據上述權利要求之一所述的X射線輻射源， 其特徵在於， 在靶標材料中包含有來自鑭系元素系列的元素。
10.根據權利要求1至8之一所述的X射線輻射源， 其特徵在於， 靶標材料由一種輕金屬、尤其是鋁構成。
11.用於產生X射線輻射的方法，其中在X射線輻射源的殼體(19)中以電子束(13)轟擊革El標(11)並且發射X射線福射， 其特徵在於， 氣凝膠(12)被用作靶標(11)。
12.根據權利要求11所述的方法， 其特徵在於， 利用所述靶標(11)產生單色X射線輻射。
13.根據權利要求11或12所述的方法， 其特徵在於， 在所述氣凝膠(12)的老的靶標材料被所述電子束(13)消耗時，新的靶標材料被供給。
14.根據權利要求1至10之一所述的發射單色X射線輻射的X射線輻射光源用於透射主體的應用，該主體構成在所使用的X射線輻射的波長處可辨的對比度。
【文檔編號】H01J35/08GK104350572SQ201280073906
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2012年6月14日 優先權日:2012年6月14日
【發明者】O.海德, T.休格斯, J.西爾特爾 申請人:西門子公司