電子撞擊型x射線源中碎片的減少的製作方法

2023-05-07 14:08:31

專利名稱：電子撞擊型x射線源中碎片的減少的製作方法
技術領域：
在此公開的發明改進總地涉及電子撞擊型X射線源。更具體地，本公開
致力於具有液體噴流(liquid-jet)陽極的電子撞擊型x射線源中碎片(debris) 的減少和x射線亮度的改善。
背景技術：
自從Roentgen在19世紀之交發現x射線以來，x射線已用於成像。由 於可用到的x射線光非常有限，所以x射線成像仍主要基於吸收放射線照相
(absorption shadowgraph )。即使對現代計算機x射線斷層造影術(Computer Tomography, CT)成像，這也是基本事實，因此x射線源的亮度在許多應 用中是限制曝光時間和可獲得的解析度的品質因數(figure of merit )。
當今，x射線成像是科學、醫學和工業中普遍和標準的方法。儘管沿用 已久，但是有許多應用將極大地受益於增大的亮度。其中，有需要高空間分 辨率的醫學應用例如乳房x線照相術(mammography )和血管照相術
(angiography),還有需要單色輻射(其目前不能通過合理的曝光次數實現) 的新興技術。此外，某些蛋白質結晶學(proteincrystallography)(現在只在 同步輻射設施中是可行的)可以通過緊湊源(compact source )變得可行。而 且，緊湊x射線源的亮度的顯著增大可以通過合理的曝光次數實現相(phase ) 成像。這是重要的，因為相對比度(phase contrast)通常比吸收對比度高得 多。此外，相對比度成像能減少成像期間的吸收劑量。
緊湊電子撞擊源中產生x射線的基本物理從Roentgen時代起是相同的。 當電子撞擊靶時，電子以兩種方式之一失去能量它們可以在靠近原子核的 電場中減速並發射連續的韌致輻射(bremsstrahlung radiation),或者它們可 以將內殼層電子撞出，導致在空位被填充時發射特徵x射線光子。通過電子 撞擊產生x射線的效率很差，通常在1%以下，電子束攜帶的能量的大部分 被轉化成熱。
目前現有技術的緊湊電子撞擊x射線源的亮度受到陽極中熱效應的限制。x射線譜的亮度(也就是光子數/(mm、rs.BW),其中BW代表帶寬 (bandwidth))與陽極處的有效電子束功率密度成比例，該功率密度必須被 限制為不使陽極熔化或以其他方式損傷陽極。自從第一陰極射線管以來，只 有兩種基本技術，線聚焦和旋轉陽極，已被引入以提高陽極的功率負載容量。 在二十世紀二十年代引入的線聚焦(line focus)原理利用了以下事實， 即，通過擴展打靶面積(targetedarea)而在一角度觀察陽極以保持表觀源面 積(apparent source area)基本恆定，x射線發射是非蘭式的(non-Lambertian ) 以增大有效功率負載容量。忽略Heel效應和視場(field of view),該技巧將 可獲得的功率負載容量增大到約10倍。旋轉陽極在二十世紀三十年代引入 以通過旋轉錐形陽極來連續提供冷的耙表面，以進一步擴展有效電子束加熱 區域。
在這些改進之後，相關於亮度的進展對於緊湊電子撞擊源是相當緩慢 的，這是由於在靶材料、熱傳導、熱存儲、旋轉速度等方面工程的完善。目 前現有技術的源允許100-150kW/mm2的有效電子束功率密度。 一般的高端 設備是例如10kW、 0.3 x 0.3mm2的有效x射線斑點(spot)尺寸的血管照相 術系統和1.5kW、 0.1 x 0.1mm2的有效x射線斑點尺寸的精細聚焦乳房x射 線照相術系統。低功率的微聚焦源(4W、 5ptn的有效x射線斑點尺寸)具 有類似的有效功率密度(200kW/mm2)並且也受到熱效應的限制。
現代旋轉陽極的功率負載極限可以如下計算
其中爿咖c加e是表觀X射線源面積，i 是陽極半徑，/是斑點高度，23是斑點 寬度，T^似是在損壞(breakdown)前的最大許可溫度，Zi是安全裕度 (safety margin), n咖是陽極初始溫度，人是熱導率，p是密度，c^是比熱 (specific heat capacity ), /是旋轉頻率，f是負載周期，A:是考慮到徑向熱傳 導、輻射熱損失和陽極厚度的校正因子。從公式l可以看出，增大功率負載 極限的唯一的方法是增大斑點速率，即/和/ 。不幸的是即使非常不實際的 一組參數(lm直徑的陽極和1kHz的旋轉)也只能將輸出通量增大到約6 倍。因此，常規的x射線源技術不太可能更進一步地發展，即使付出巨大的 工程上的努力。增大基於電子撞擊的緊湊硬X射線源的亮度的方法是允許較高的電子束 功率密度的才艮本上不同的陽極構造。為此，之前已才艮道了新的液體金、屬噴流
(liquid-metal-jet)陽極概念。如下面說明的，由於根本不同的熱限制，此陽 極構造可以允許比現有技術顯著更高(>100倍)的單位面積的熱負載。液 體噴流系統已經在碎片可忽略的(negligible debris)雷射產生等離子體軟x 射線和EUV源中廣泛地用作靶。液體鎵噴流也在飛秒雷射等離子體實驗中 用作產生硬x射線的靶。而且，電子束已與水噴流結合以用於通過螢光
(fluorescence)產生低功率軟x射線。先前已報導了具有液體陽極(靜態的 或在表面上流動)的x射線管，但它們用於高亮度操作的優點受到限制，因 為此系統固有的低的流速和冷卻能力。近來的工作還包括在薄窗後流動的液 體陽極。
與常規陽極相比，液體金屬噴流系統的高得多的功率密度容量(2-3個 量級或更大)簡單地說是由於三個主要原因(i)與固體陽極相比液體噴流 陽極的不同的熱性質，(ii)比旋轉陽極可行的情況相比更高噴流速度的潛 力，以及(iii)液體噴流的再生特性，這使對保證陽極完好無損的要求更加 鬆動。
然而，當試圖增大此系統的功率時，碎片的發射是潛在的實際困難。因 此，需要作出改進以減少液體噴流陽極x射線源的碎片問題。

發明內容
簡言之，這裡提出一種產生x射線輻射的方法，其特徵在於電子束在靶 噴流的橫向方向上的半高全寬(foil width at half maximum ， FWHM)是靶噴 流橫向尺寸的約50%或更小。現在已發現，這導致靶噴流上的非常熱的電子 束撞擊區域的可觀的屏蔽效果，於是有利地減少所產生的碎片的量。此外， 獲得了額外的技術效果，當從側面觀察x射線斑點時有效功率密度增大。該 效果與前面描述的線聚焦原理類似。
因此，在此公開的發明原理具有吸引人的優勢，即可以獲得碎片的減少 而不顯著增大靶噴流傳播速度，而是通過採用撞擊在耙上時具有大約為靶噴 流的橫向尺寸的一半或更小的半高全寬(FWHM)的電子束。通過採用比靶 噴流的橫向尺寸顯著更小的電子束，靶噴流將產生屏蔽效應，其以有利的方 式限制了所產生的碎片的量。本發明原理還延伸到產生X射線輻射的系統，所述系統包括實施該方法 的裝置。
應理解，撞擊靶噴流處的電子束的尺寸(FWHM)可以略大於靶噴流牙黃 向尺寸的50%並仍產生本發明的屏蔽效應。
適宜地，所產生的x射線輻射可以用在諸如成像、醫學應用、結晶學、 x射線顯微術、鄰近或投影式光刻、光電子譜或x射線螢光(只列出少數) 的應用中。


圖1示意性示出從上方觀察的本發明的用於液體金屬噴流x射線源的裝 置。照片插圖顯示低功率操作(左圖)和高功率操作(右圖)期間的金屬噴流。
圖2是曲線圖，示出作為所施加的電子束功率和電子束聚焦斑點的函數 的碎片發射速率。誤差棒表示標準偏差。
圖3是示意圖，示出用於電子束的橢圓聚焦或線聚焦的使用。
具體實施例方式
圖1示出根據本發明的用於產生x射線輻射的液體金屬噴流x射線源即 系統10的實驗布置。包括99.8%的錫的液體金屬噴流15通過30pm或50pm 直徑的玻璃毛細管噴嘴注入到真空室18中。達到60m/s的噴流速率可以通 過對熔化的錫施加200巴(bar)的氮氣壓強來實現。於是靶噴流的速度與最 快的旋轉陽極相當。電子束系統20基於連續操作的600W (50kV， 12mA) 電子束槍。電子束根據LaB6陰極的尺寸(50pm或200pm直徑)被磁透鏡 聚焦到約15或約25nm的半高全寬(FWHM)直徑斑點。電子槍通過單獨 的2501/s的渦輪空氣泵(turbo-drag pump )泵抽，磁透鏡的末端處的孔徑足 夠小以保持主真空室(約10'4mbar)與電子槍(約l(r7mbar)之間足夠的壓 強差。然而，將理解，在一些實施例中泵可以省略。陰極通過120nm厚的 鋁箔中1mm直徑的孔與錫蒸汽屏蔽開，該鋁箔置於噴流與磁透鏡之間。即 使在槍的高功率操作期間，陰極周圍的真空保持在低的10^mbar的範圍，導 致LaB6陰極的適當的壽命(>1000h)。碎片鑑定板(witness plate) 12置於 主容器(tank)中四個不同的位置離x射線源大約150mm。用於x射線成像，我們採用4008 x 2672像素塗敷磷光體的CCD探測器14, CCD探測器14具 有9pm的像素和測得的約34pm F—WHM的點擴散函數(point-spread fUnction， PSF)。金的乳房x射線照相術解析度物體16 (具有25pm寬的線和間距的 20pm厚的金)置於離源50mm並在CCD前方190mm。 12倍放大的顯微鏡 17用於噴流的光學觀察。
進行實驗以評估產生x射線的發明原理。研究了若干不同系統參數的碎 片沉積速率在38W與86W之間的電子束功率，22或40m/s的噴流速度， 30或50nm的噴流直徑，以及15或26pm的電子束聚焦。鑑定板12暴露到 錫蒸汽6-24分鐘並用表面輪廓曲線儀(KLA Tencor P-15 )分析。圖2示出 結果。曲線1 (22m/s、 30|tim直徑的噴流，24±2pm直徑的斑點)示出碎片 沉積速率指數相關於施加到噴流的功率，這與錫的作為溫度的函數的增大的 蒸汽壓一致。曲線2示出用24士2iam的斑點來自22m/s、 50inm直徑的噴流的 碎片發射。通過比較曲線1和2，應注意，增大的噴流直徑導致減小的碎片 發射速率。相信這是由於兩個原因(i)較大噴流的增大的質量流導致噴流 的平均溫度減小，因此減小了蒸發速率；(ii)使噴流直徑增大但保持電子束 的尺寸恆定，導致噴流上非常熱的電子束撞擊區域的更有效的屏蔽，如從碎 片鑑定板看到的。應注意，通過增大噴流尺寸與電子束尺寸的比率可以基本 獲得相同的效果。已發現具有與噴流尺寸相比為50%或更小的電子束尺寸尤 其有利。曲線3進一步提供了屏蔽概念的證據。曲線3具有與曲線2相同的 噴流參數，但x射線斑點更小(15.5 ± 1.5nmFWHM)，明顯導致改進的屏蔽。 在72W的施加功率，較小的焦距導致碎片發射速率與24 ± 2)im的操作相比 減小到約十六分之一。最後，曲線4示出增大的靶速度(40m/s、 30pm直徑 的噴流，24土2pm的斑點)對碎片速率的影響。噴流速率增大約80%結合施 加功率增大約50%導致相同的碎片發射速率。
當通過增大電子束功率和功率密度來嘗試較高亮度的操作時，碎片速率 將自然地增大。我們注意到，對於亞kW電子束槍，由於陰極發射率，電子 束功率密度的技術限制為數十MW/mm2,也就是這裡報導的金屬噴流陽極的 最高功率密度以上兩個數量級。噴流陽極的功率密度容量的顯著改進可以通
過具有快得多的噴流來實現，實際上已經表明應可以產生速度達到至少約 500m/s的穩定的錫噴流。另一方面，這並不一定是調整噴流以減少碎片產生 的唯一方法。如圖2的結果所示，且根據此處公開的本發明的原理，具有較大直徑(與電子束相比)的中速噴流可以證明具有比顯著更快但較薄的噴流
更好的碎片減少性質(比較曲線3和4 )。
應注意，電子束在靶噴流上的斑點可以根據需要為圓形、橢圓形或線聚 焦。例如，如圖3所示，可優選使用橢圓形電子束斑點(線聚焦)一使其長 軸橫穿靶噴流的縱向延伸方向，並如此處建議並要求保護的那樣具有為靶噴 流直徑的約50%或更小的沿長軸的FWHM。根據眾所周知的線聚焦原理， 這將使靶的有效功率負載容量增大而當從側面觀察打靶區域時不犧牲x射線 源的亮度。
然而，當根據以上內容使用拉長的電子束斑點時，並不需要其擴展橫穿 靶噴流。橢圓形或線聚焦的電子束斑點的任何一般取向是可以的，x射線亮 度的有效增大可以通過從合適的角度觀察(收集)產生的x射線來獲得。例 如，如果使用的電子束斑點具有基本沿靶噴流延伸的線聚焦時，增大的x射 線亮度可以通過從沿靶噴流的傾斜角度觀察斑點來獲得。
此外應指出，當採用圓形電子束斑點時也可使用線聚焦原理。原因如下。 當電子束撞擊在靶噴流上時，隨著電子穿透輩巴噴流，x射線輻射一般產生在 靶材料的第一個數微米以內。作為非限制性示例，電子一4殳可以穿透到靶材 料中大約4微米。這在圖1的放大側視圖中示意性示出。因此，當從側面觀 察時，如圖1所示，x射線輻射將產生在具有僅數微米寬的拉長輪廓的區域 中。作為實際示例，考慮具有50微米尺寸(FWHM)的圓形電子束斑點， 其撞擊在大約IOO微米直徑的靶噴流上。這將在靶噴流中產生大致類似於圓 柱體的x射線區域(或"體積")，該圓柱體具有50孩i米的直徑和略孩t超過4 微米的高度(由於噴流表面的曲率)。如果沿電子束觀察該x射線區域，則 表觀x射線斑點將是50微米直徑的圓。然而，當從側面觀察相同的x射線 區域時，它將具有拉長區域(具有大約50微米的長度和略微超過4微米的 寬度)的大致形狀，也就是說表觀區域的顯著減小導致從該觀察方向x射線 源的改善的亮度。因此，可以優選地從相對於電子束成一角度的方向來收集 所產生的x射線發射。例如，如果靶噴流傳播方向和電子束傳播方向相對於 彼此成直角，那麼x射線源的亮度可以通過從與電子束成直角的方向收集所 產生的輻射而最大化。
技術例如碎片緩減系統、增大噴流傳播速度等有利地結合。草巴噴流可以是導電的或非導電的。例如，靶噴流可以包括金屬(例如錫 或鎵)、金屬合金或低熔點合金、低溫氣體或適於作為電子撞擊X射線源的 靶的任何其它液體物質。
還應理解，耙噴流可以具有任何橫截面形狀，例如圓形、矩形或橢圓形。
靶噴流的一般直徑從約10pm到約100^im，例如30jmi或50pm。然而， 在一些應用中更大的靶噴流橫截面是可以的。在相互作用區域中靶噴流的傳 播速度可以達到約500m/s，普通值為從約20m/s到約60m/s。將理解，靶噴 流傳播速度的增大將導致噴流陽極的改善的功率密度容量。
應理解，以上給出的示例僅用於示例和使本領域技術人員能實現本發 明，而不意圖限制本發明的範圍。本發明的範圍由所附權利要求書定義。
權利要求
1. 一種用於產生x射線輻射的方法，包括步驟通過在壓強下推動液體物質穿過出口來形成靶噴流，該靶噴流傳播通過相互作用區域；以及引導至少一個電子束到所述相互作用區域中的所述靶噴流上，從而所述電子束與所述靶噴流相互作用以產生x射線輻射，其中在所述靶噴流的橫向方向上所述電子束的半高全寬是所述靶噴流的橫向尺寸的約50％或更小。
2. 如權利要求1所述的方法，其中所述電子束以線聚焦引導到所述靶噴 流上。
3. 如權利要求1或2所述的方法，其中所述相互作用區域中所述靶噴流 的傳播速度為約20-60m/s。
4. 如任一項前面的權利要求所述的方法，還包括從相對於所述電子束成 一角度的方向收集所產生的x射線輻射的步驟。
5. 如權利要求4所述的方法，其中所產生的x射線輻射從相對於所述電 子束成直角的方向收集。
6. 如任一項前面的權利要求所述的方法，其中形成所述耙噴流的液體物 質是導電物質。
7. 如權利要求6所述的方法，其中形成所述靶噴流的所述液體物質是金 屬、合金或低熔點合金。
8. 如權利要求1-5的任一項所述的方法，其中形成所述靶噴流的所述液 體物質是低溫氣體或在室溫和大氣壓強下為液體的物質。
9. 如任一項前面的權利要求所述的方法，其中所述靶噴流形成用於所述 電子束的陽極。
10. 如任一項前面的權利要求所述的方法，還包括將所產生的x射線輻 射用於成像的步驟。
11. 如權利要求1-9的任一項所述的方法，還包括將所產生的x射線輻 射用於x射線顯樣M竟的步驟。
12. 如權利要求1-9的任一項所述的方法，還包括將所產生的x射線輻 射用於鄰近或投影式光刻的步驟。
13. 如權利要求1-9的任一項所述的方法，還包括將所產生的x射線輻 射用於光電子譜的步驟。
14. 如權利要求1-9的任一項所述的方法，還包括將所產生的x射線輻 射用於x射線螢光的步驟。
15. 如權利要求1-9的任一項所述的方法，還包括將所產生的x射線輻 射用於結晶學的步驟。
16. —種用於產生x射線輻射的系統，包括用於通過在壓強下推動液體物質穿過出口來形成靶噴流，以使該靶噴流 傳播通過相互作用區域的裝置；以及用於引導至少一個電子束到所述相互作用區域中的所述靶噴流上以使 所述電子束與所述靶噴流相互作用從而產生x射線輻射的裝置，其中所述用於形成靶噴流的裝置和所述用於引導至少一個電子束到靶 噴流上的裝置布置得使所述電子束在所述靶噴流的橫向方向上的半高全寬 是所述把噴流的橫向尺寸的約50%或更小。
全文摘要
一種產生x射線輻射的方法，包括步驟通過在壓強下推動液體物質穿過出口來形成靶噴流，該靶噴流傳播通過相互作用區域；以及引導至少一個電子束到所述相互作用區域中的所述靶噴流上，從而所述電子束與所述靶噴流相互作用以產生x射線輻射，其中在所述靶噴流的橫向方向上所述電子束的半高全寬是所述靶噴流的橫向尺寸的約50％或更小。還公開了一種用於實施該方法的系統。
文檔編號H01J35/08GK101490790SQ200780026317
公開日2009年7月22日 申請日期2007年5月8日 優先權日2006年5月11日
發明者託米·圖希瑪, 漢斯·M·赫茨, 麥可·奧滕達爾 申請人:傑特克公司