X射線源及包括X射線源的系統的製作方法
2023-10-19 07:42:22 2
本發明一般涉及一種X射線源，特別地涉及一種適用於大面積X射線產生情形下的X射線源。本發明還涉及一種包括此X射線源的系統。
背景技術：
用於產生X射線輻射的系統在例如，醫學診斷中用於採集射線照相圖像或者產生用於技術診斷應用的平面圖像。X射線輻射的另一個有效使用是在物質處理中用以減少生物和其他汙染的影響。例如，可以照射食物來延長有效期，使得食物的食用更安全。可以以相同的方式來照射廢水或者徑流來減少汙染的影響。
在技術診斷成像領域，X射線對穿透待檢查的固體物體的內部結構特別有效，並且由通過那裡的X射線所形成的圖像顯示物體的內部缺陷或者結構缺陷。技術診斷X射線成像因此提供用於在製造期間和產品的有效期內評估產品的結構方面的一個有價值的質量控制檢查工具。這種形式的診斷分析有時優於其他類型的評估，因為成像物體不需要在評估過程中被破壞。因此，技術診斷成像也被稱為非破壞性測試。
圖1a中示意性地示出一個典型的現有技術中的裝置。X射線管1通常包括一個電子槍，電子槍具有發射加速到陽極3的電子束2的陰極（未示出）。陽極由例如鎢的金屬靶表面組成，由於加速電子的撞擊，X射線從該陽極上產生。輻射由兩部分組成，軔致輻射和特徵輻射。軔致輻射是主要部分，並且以具有垂直於電子束2的線性路徑的最大值和具有與sin2(v)的角度成比例的分布（其中，v=0是角度平行於電子線性運動，即軔致輻射強度最大值垂直於電子束路徑2）的強度屬性輻射，而特徵輻射在整個立體角（球面）上具有均勻的強度分布。圖1b示出sin2分布10，其中，示出來自電子路徑的徑向軔致輻射強度為均勻的。從而，由圖1a所示，陽極3通常與電子束2的軸線成一定角度放置，X射線4可以在大致垂直於電子束軸的方向上透射。應當注意的是，在這種裝置中，大約一半所產生的X射線將穿透如陽極中，並且將被吸收。X射線4然後可以穿過用於校準X射線束的薄鈹窗口，並且還在X射線管1內提供一個真空密封。此後，X射線4沿著大致圓錐形路徑離開X射線管1，其中，圓錐的頂點與由撞擊電子束所形成的目標上的點大致重合。
這種發散輻射圖案，基本上源自點源將在真空中具有與距離r的平方反比成比例的強度下降，即，對於純幾何原因，為1/r2。為了以適當的劑量有效地利用該輻射圖案，必須產生考慮隨著距離而下降的輻射劑量，並且感興趣的物體必須合理地放置在輻射錐體中。雖然一些輻射源使用多個點源，或一個或多個移動點源，來補償次優發射圖案，此發射系統具有其自身固有的缺點和複雜性。特別地，涉及源定時，源定位等的混合體是常見的。
在特別是去汙或者衛生目的的材料處理中，重要的是能夠遞送足夠均勻和足夠強輻射圖案，以確保足夠輻射來減少微生物（或者更大生物體）和汙染物的影響。
已經得到一種方法來解決上述提及問題，該方法通過引入用於X射線產生的大面積平板源。在EP1948249中公開了此實施例的示例，其中，一個或者多個X射線輻射的大面積平板源被引導如目標區域中。待處理的目標物質例如經傳送帶、管等防止在目標區域內，並且用來自一個或者多個平板源輻射照射以減少汙染物存在於目標物質中的生物效應。該解決方案的缺點是當平行或者接近平行於表面傳輸時，強度分布中的大部分將損失。圖2構思性地示出現有技術中平板X射線裝置20中的X射線分布，（裝置）包括透射陰極22和陽極24，也指示如上所述的平行X射線分布。
因此，需要一種改進的X射線源和相應的系統，其至少減輕現有技術中的可靠性問題，進一步關注低成本應用。
技術實現要素：
根據本發明的一個方面，上述至少部分地通過被配置為提供X射線輻射的全向傳輸的X射線源來緩解，所述X射線源包括陽極、場發射陰極，對於X射線輻射為透明的真空室，陽極和場發射陰極布置在真空外殼內部，其中，真空外殼是延伸的管狀真空室，場發射陰極與延伸的管狀真空室的內表面相鄰地布置，以及將陽極中心地布置在延伸的管狀真空室的內部。
本發明的另外一個方面是最小化或者至少顯著地減少如上討論的被吸收到陽極中的X射線，以及儘可能多地利用所產生的輻射。
根據本發明的X射線源的一般用途是在操作期間在X射線源周圍的大面積內實現有用的X射線輻射。結合現有技術，場發射陰極與真空室的內表面相鄰地布置，而不是普通方案中陰極通常地中心布置。在典型的現有技術的裝置中，陰極布置在外殼的內表面，電子將撞擊陽極而產生X射線，但是由於在這種現有技術的裝置中的陰極優選地由重元素例如鎢來製造，不可避免地，立即產生的X射線（在很大程度上）將在陽極中被吸收，因此，這種現有技術中的裝置的總體效率將會降低。
這種裝置的另外一個優點是場發射陰極的表面積增加，因此，允許更大的陽極暴露給從場發射陰極發射的電子。從而，由於本發明的裝置中陽極被場發射陰極所「圍繞」，根據本發明，與陰極布置在中心的解決方案相比，可以更有效地產生X射線的全向輻射。
在X射線源的操作期間，在陰極和中心布置的陽極之間施加電勢，電子因此從陰極發射且朝向陽極的方向上被加速至高速度。一旦電子與陽極碰撞就產生X射線。隨後，當布置在管狀腔室的內表面的場發射陰極基本上「圍繞」陽極時，X射線以「所有方向」從陽極發射。
陽極為金屬材料，例如包括鎢或者更抗裂的錸（5%）和鎢（95%）或者鉬的合金。其他金屬材料也是可能的，包括例如銅和鈷。從上文可以理解，本發明的X射線源，其中，陰極布置為基本上圍繞中心布置的陽極，可以因此允許形成X射線源，其中，與現有技術的解決方案相比，陰極的總表面可以更大，因此可能允許朝向陽極發射的電子的增加。
在本發明的優選實施例中，場發射陰極對於X射線輻射基本上是透明的，例如作為透射陰極。從而，將不必要包括一個現有技術的X射線源解決方案中常見的特別布置的「窗口」。此外，事實上，場發射陰極基本上透明允許X射線輻射的全方位的發射。然而，應當注意的是，在本發明的構思內，可能允許陰極表面的一些部分「屏蔽」X射線輻射，例如在一個或者多個選擇的方向限制X射線輻射。
在本發明的一些實施例中，陽極具有一個與延伸管狀真空室的內部的至少一個部分相匹配且沿著其延伸的延伸形狀，優選地由玻璃材料製造。在例如配置為陽極的銅靶的情形下，銅靶可以被構造為與管狀真空室相匹配的實心圓柱體。
優選地，X射線源配置為連接至一個可控的高壓源，用於在陰極和陽極之間提供上述的電勢差。高壓源電連接至陽極和陰極，且優選地配置輸送介於（至少）4-20 kV的高電壓。
有利地，X射線源可以適於在提供低至1 mA電流時產生高達大約20 keV的X輻射光譜。從而，可以設置具有僅小能力消耗的合適的X射線源，從而使得X射線源的成本運行有效。
優選地，真空室具有大約10-4 Pa或者更低的壓力，以使得能夠使用場發射的冷陰極，並且避免降解、壽命電弧和與這種設備中不良真空相關的類似現象的問題。
在本發明的實施例中，場發射陰極包括多個納米結構。由此所提供的協同效應允許改善朝向陽極的電子發射，並且因此與現有技術相比，允許產生一個改進的和能量高效的X射線。在本文上下中，術語納米結構指其中至少一個維度在高達幾百納米的數量級上的結構。這種納米結構可以例如包括納米管、納米棒、納米線、納米鉛筆、納米釘、納米花、納米帶、納米針、納米盤、納米壁、納米纖維和納米球。此外，納米結構也可以由任何上述提及的結構的組合所形成。納米結構的優選方向為在基本上垂直於細長管狀腔室的內表面的方向上。根據本發明的一個實施例，納米結構可以包括ZnO納米棒。
根據本發明的一個替代實施例，納米結構可以包括碳納米管。碳納米管可以適合作為場發射體納米結構，部分取決於由於他們的細長形狀，細長形狀可以在其尖端集中並闡述較高的電場，也取決於他們的電性能。
根據另一個優選實施例，上述討論的X射線源優選提供為X射線系統的組件，其中，X射線系統優選地還包括電連接到X射線源用於為X射線源供電的可控高壓電源。
另外地，X射線系統可以包括一個用於控制電源操作的控制單元，可能還與適用於監測環境變量的至少一個傳感器通信連接，並且作為響應地控制電壓電平。環境變量可以例如存在於液體或者氣體中，例如在水中或者在空氣中，的微生物的水平。
從而，在一個優選實施例中，X射線系統配置為處理例如水的液體，因此，X射線系統還包括用於將X射線源放置於水生環境中的防水裝置。這樣的實施例還可以包括一個用於接收受汙染液體流的入口和用於輸出處理後的液體流的出口，其中，X射線輻射朝著受汙染液體流全方向地輻射。如此，可以使用X射線輻射的受控暴露來消毒例如水的液體。在水中，在淨化過程中，通過電離輻射產生的羥基自由基可能比直接作用於微生物的輻射的直接影響更重要。
延伸的管狀腔室優選地具有圓形對稱性，從而在本質上對應於水管的典型對稱性，因此，使得根據本發明的X射線源的結構形式對於液體運輸相關的用途特別有用。
或者，X射線系統還可以包括用於接收受汙染空氣流的處理空氣路徑，以及用於在處理空氣路徑內布置X射線源的裝置，其中，X射線輻射朝向處理空氣路徑中的空氣流全方向地輻射。以與處理水相似的方式，可以使用X射線輻射的受控暴露來消毒空氣流。
在本發明的一個可能的實施例中，X射線源布置為靜電除塵器的部件，還包括至少一個收集板。在這種實施例中，X射線源可以用於對包含在通過處理空氣路徑的空氣流中的顆粒進行充電。收集板設置用於收集帶電顆粒的相應電荷，從而有效地充當空氣淨化器。這種系統可以另外地包括一個用於收集顆粒的過濾介質，其中，過濾介質沿著空氣流的方向布置在X射線源的下遊。包括在本發明的系統中的電源還可以電連接到至少一個收集板，因此，消除使用另外電源的必要性，並且因此提供以相對低成本製造和操作這種系統的可能。
上述討論的X射線系統可以為可攜式的，因此，還包括一個電池操作的高壓電源，有利地允許X射線系統對於現場應用可以移動。
當研究所附權利要求和以下描述時，本發明的進一步特徵和優點將變得顯而易見。本領域的技術人員應該認識到，在不脫離本發明的範圍的情況下，本發明的不同特徵可以組合來產生除了下面描述的那些實施例之外的實施例。
附圖說明
從下面的詳細描述和附圖將容易理解本發明的各個方面，包括其具體特徵和優點，其中：
圖1a和1b分別示出現有技術的點X射線裝置和來自此X射線裝置的X射線分布；
圖2示出在現有技術的平板X射線裝置中產生的X射線分布圖案；
圖3a和3b示出根據本發明的當前優選實施例的一個X射線源；
圖4a-4b示出在根據本發明的一個X射線源中產生的X射線分布圖案；
圖5示出一個配置用於水處理的X射線系統的示例；以及
圖6提供一個配置用於空氣處理的替代X射線系統。
具體實施方式
現在將在下文中參照附圖更全面地描述本發明，在附圖中示出本發明的當前優選實施例。然而，本發明可以以許多不同的形式實施，並且不應該被解釋為限於本文所闡述的實施例；相反地，提供這些實施例是為了徹底性和完整性，並且將本發明的範圍完全傳達給本領域的技術人員。全文上下，相同的附圖標記始終表示相同的元件。
現在參照附圖，且具體參照圖3a和3b，示出X射線源100。X射線源100包括陽極102，場發射陰極104和真空室106。真空室106優選由玻璃材料製造成，具有允許真空室對於X射線輻射為透明的厚度和化學構造。
陽極102以及場發射陰極104布置在真空外殼106的內部，並且場發射陰極104設置在真空室106的內表面108上。場發射陰極104依次包括布置在內表面108上的導電和X射線透明的基底110。基底110可以例如包括氧化銦錫（ITO），其具有選擇為允許X射線輻射穿過的厚度。
場發射陰極104還包括多個場發射體，例如大量的納米結構112，例如選擇為包括ZnO納米棒或者碳納米棒。納米結構112的長度優選地選擇為至少1 um。
陽極102優選地為金屬材料，例如銅，鎢等。在示例性實施例中，真空室106構造成具有管狀的細長腔室。相應地，選擇陽極102為延伸穿過真空室106的細長銅棒。X射線源100封閉在其延伸的每個端部，例如使用布置在每個端部的泵杆（未示出）。泵杆允許在腔室內部產生真空，優選地具有大約10-4 Pa或者更低的壓力。泵杆優選地也為玻璃的，並且焊接到管狀腔室106上。
泵杆還可以被構造用於允許電源（未示出）和陽極102/陰極104之間電連接。如上所述的電源優選地配置為至少允許對提供給X射線源的電壓電平進行控制。為了隨後調節電壓電平，電源可以另外地配置為從至少一個傳感器接收數據，該數據指示圍繞X射線源100的環境變量。
在X射線源100的操作期間，電源將向陽極102和陰極104提供受控的高電壓。在多個納米結構112的外端和陽極102之間產生電場，由此電子114將被傳輸並且撞擊到中心布置的陽極102的表面上。一旦電子114被陽極102接收，將輻射出X射線116。由於陰極104布置為基本上圍繞陽極102，因此，陽極102將「在所有側面」接收電子114，並且因此X射線將沿著所有方向（例如360度），全方向地，從陽極102傳輸出。
X射線116是X射線源100朝向陰極104傳輸的實現的結果，並且穿過陰極102和腔室106的外部至X射線源100的外部周圍。因此，場發射陰極104可以作為透射陰極來實現。
轉到圖4a和4b，為關於根據本發明得到的結果的進一步解釋。如上所討論，軔致輻射強度的最大值垂直於電子路徑，而特徵輻射在整個立體角（球面）上具有均勻的強度分布。通過使用本發明的構思，可以實現如圖4a和4b所示的「圍繞」陽極102的均勻分布模式，本發明的構思為真空室106特別地選擇為具有管形形狀，並且陽極102中心布置在延伸管狀真空室106的內部。與圖2所示的扁平X射線源相比，本發明的X射線源100在橫向方向上僅「鬆散」有限量的X射線輻射。因此，取決於如下事實：如圖1a和1b中所討論的，陽極102中的一點相對於陰極104基本上相對於陰極104成一個角度放置。因此，X射線源100輻射到外部的X射線輻射中僅沿著陽極102的延伸方向上的橫向X射線輻射將會損失。
轉到圖5，示出X射線系統200的一個可能實施例，X射線系統200包括多個根據本發明的X射線源100。在圖5所示的實施例中的X射線系統200作為水淨化裝置示例。如此，X射線系統200包括主體202，主體202成形為具有矩形橫截面，（主體）具有布置在其一端上的入口204，並且配置為連接至例如泵（未示出）用於將受汙染的水流206輸送至系統200內。系統200還包括布置在主體202的另一端上的出口208，用於輸出至少部分淨化的水210。
多個X射線源以鋸齒形圖案布置在矩形主體202內，使得受汙染的水206順序地通過X射線源100。湍流和混合發送裝置（未示出）可以設置在主體202內部，用於改善X射線源100發射的X射線和受汙染的水206之間的「接觸」，其中，湍流和混合發生裝置選自貫穿孔、孔、衝孔、衝壓結構、波紋和凹槽的組中的一個或者多個。其他類型的湍流和混合裝置也是可能的，並且在本發明的範圍內。同樣地考慮系統200內的X射線源100的放置，例如以單列或者雙列等布置X射線源。在所示的實施例中，示出八個X射線源100。應當理解的是，依賴於系統200的實現，可以提供任意數量的X射線源100（也可以是單個）。
一旦X射線輻射與受汙染的水206相接觸，水中可能含有細菌和微生物，處理將會啟動，其中，細菌/微生物的細胞將分解，並且因此殺死細菌/微生物，使得至少部分淨化後的水210可以通過出口208輸出。
圖5中所示出的系統200可以例如用於廢水處理或者用於壓載水的實施。其他實施方案當然是可能的，並且在本發明的範圍內。類似地，與圖5相關的描述是參照水進行的。其他液體以類似的方式是可能的，並且在本發明的範圍內。此外，設置控制單元212用於控制電源和可能接受來自傳感器（未示出）的環境變量的測量，例如（基本上）在主體202的出口處得到的細菌/微生物的水平，可以用於控制電壓電平，並且因此控制在X射線源100的陽極102和陰極104之間的電勢差。另外，控制單元212可以配置為控制閥門（未示出），例如布置在出口208的下遊。通過調節這種閥門的打開水平，可以調節受汙染的水206暴露於X射線輻射中的時間。
參照圖6，在本發明的另外一個實施例中，提供了用於空氣淨化的灰塵收集系統300。系統300包括具有入口304的主體302，入口304配置為接收含有多個顆粒的受汙染空氣流306。包括在系統300中的過濾介質308用於過濾掉「粗」顆粒。系統300還設置多個如上所討論的X射線源100，並且用於朝向空氣流全方向輻射X射線。
在圖6中所提供的示例性實施例中，X射線的輻射將對過濾介質308之後剩餘的顆粒進行充電，並且多個收集板310布置在主體302的出口312的附近。空氣流中的顆粒被來自X射線源100的X射線輻射充電，並且隨後由收集板310收集，然後通過312作為淨化後的空氣流314輸出。從而，收集板相應地提供電勢（與帶電顆粒相比）用於允許所討論的顆粒收集。
與灰塵收集系統300相關的上述討論為與空氣相關；然而，任何類型的氣體都是可能的，並且在本發明的範圍內。另外，通常設置風扇（未示出）用於迫使空氣/氣體通過灰塵收集系統300。淨化後的空氣流314可以隨後作為輸入提供給用於建築物，車輛或者類似情形的空調裝置。
以與上述所討論的相似方式，提供控制單元316用於控制電源並且可能從傳感器（未示出）接收環境變量的測量，例如（基本上）在主體302的出口處得到的細菌/微生物的水平，可以用於控制電壓電平，並且因此控制在X射線源100的陽極102和陰極104之間的電勢差。
綜上所述，本發明涉及配置為提供X射線輻射的全向傳輸的X射線源，所述X射線源包括陽極、場發射陰極，對於X射線輻射為透明的真空室，陽極和場發射陰極布置在真空外殼內部，其中，真空外殼是延伸的管狀真空室，場發射陰極與延伸的管狀真空室的內表面相鄰地布置，以及將陽極中心地布置在延伸的管狀真空室的內部。
根據本發明的X射線源的一般用途是在操作期間在X射線源周圍的大面積內實現有用的X射線輻射。結合現有技術，場發射陰極與真空室的內表面相鄰地布置，而不是普通方案中陰極通常地中心布置。這種裝置的優點是場發射陰極的表面積增加，因此，允許更大的陽極暴露給從場發射陰極發射的電子。從而，由於本發明的裝置中陽極被場發射陰極所「圍繞」，根據本發明，可以產生X射線的全向輻射。
儘管附圖可以示出方法步驟的特定順序，但是步驟的順序可以不同於所示出的順序。此外，兩個或者更多個步驟可以同時或者部分同時執行。這種變化將取決於系統所選擇的軟體和硬體以及設計者的選擇。所有的這些變化都在本公開的範圍內。同樣地，軟體實現可以通過具有基於規則的邏輯和其他邏輯的標準編程技術來實現，以完成各種連接步驟，處理步驟，比較步驟和決定步驟。另外地，儘管參照具體示例性實施例已經描述了本發明，但是對於本領域技術人員來說，許多不同的改變，修改等將變得顯而易見。
本領域技術人員通過研究附圖，公開內容和所附權利要求書實踐本發明可以理解和實現所公開的實施例的變化實例。此外，權利要求書中，詞語「包括」不排除其他元件或者步驟，並且不定冠詞「一」或者「一個」不排除多個。