CN103578897A - 用于高通量x射线源的梯度真空 - Google Patents

Abstract

一种用于生成X射线束（102）的X射线管（100），X射线管（100）包括：可旋转安装的阳极（104），所述可旋转安装的阳极布置和配置成当暴露于电子束（106）时生成X射线；在阳极（104）内的中空空间（108）；冷却单元（110），所述冷却单元配置成用于通过中空空间（108）内的流体循环冷却阳极（104）；以及真空泵装置（114、136、150），所述真空泵装置配置成用于生成在中空空间（108）内的第一真空（116）和在围绕阳极（104）的空间（112）中的第二真空（118），其中与第二真空（118）相关的压力值低于与第一真空（116）相关的压力值；其中真空泵装置（114、136、150）包括泵（114），所述泵布置成用于形成在第一真空（116）和第二真空（118）之间的连续压力梯度。

Description

用于高通量X射线源的梯度真空

技术领域

本发明涉及X射线管、X射线源和操作X射线管的方法。

背景技术

X射线管是产生X射线的真空管。X射线是具有比紫外光短的波长的电磁波谱。X射线管在许多领域中使用，例如X射线结晶照相术、医疗设备、机场行李扫描仪和用于工业检查。

X射线管包括将电子发射到真空中的阴极和收集电子的阳极，因此建立电子束。高压电源连接阴极和阳极以加速电子。来自阴极的电子与阳极材料碰撞使得生成的能量的一部分作为X射线发射。X射线束然后可以通过经过X射线光学器件并且随后经过准直器成形。能量的剩余部分导致阳极被加热。热典型地通过辐射和传导冷却从阳极去除并且可能涉及在阳极后面或内部流动的冷却水的使用。

在旋转阳极管中，阳极例如可以由来自真空管外部的一系列定子绕组的电磁感应旋转。旋转阳极的目的是导致电子束在沿着圆形轨道的范围内而不是在固定位置碰撞阳极，这因此分散热并且允许使用更大的电子束功率，因此生成X射线的更高功率。然而，阳极需要复杂的冷却以获得高X射线通量。此外，阳极的旋转需要高度复杂的轴承和密封件以保持真空。

US8,121,258公开了一种以大于4keV的能量输送X射线束的设备，该设备包括X射线源，所述X射线源包括适合于在阳极的靶区上生成连续电子束以用于由阳极进行X射线发射的电子枪，其中所述阳极形成在100到250毫米之间的直径的旋转体，并且固定地连接到电机轴使得它由旋转系统驱动旋转，并且电子枪和阳极布置在真空室中，所述室包括将由阳极发射的X射线束传输到室的外部的出射窗口，包括X射线光学器件的调节装置，所述X射线光学器件适合于用二维光学效应调节X射线束，其中电子枪设计成发射小于400瓦的功率的电子束，并且包括以由小尺度和大尺度限定的大致长形将所述电子束聚焦到靶区上的装置，其中小尺度包括在10到30微米之间并且大尺度比小尺度大3到20倍，旋转阳极包括发射冷却系统以通过辐射疏散由电子束传输到阳极的能量的一部分，旋转系统包括具有磁轴承的电机，所述磁轴承设计成以大于20,000rpm的速度旋转阳极进行旋转，并且出射窗口布置成传输由阳极发射的X射线束使得朝着调节装置发射的X射线束由大致对应于靶区的形状的小尺度的尺度的大致点状焦斑限定。

常规地，提供旋转阳极X射线管的不同部件之间的适当密封是麻烦的。

发明内容

本发明的目的是提供一种旋转阳极类型的X射线管，其具有紧凑设计并且不受到麻烦的密封。该目的由独立权利要求实现。另外的实施例由从属权利要求体现。

根据本发明的示例性实施例，提供一种用于生成X射线束的X射线管，所述X射线管包括：可旋转安装的阳极（特别是旋转阳极），所述可旋转安装的阳极布置和配置成当暴露于电子束（其可以通过从电子发射器发射电子并且通过经由在发射器和阳极之间施加高电压加速发射电子而生成）时生成X射线；在所述阳极内的中空空间（例如凹陷）；冷却单元，所述冷却单元配置成用于通过所述中空空间内的流体循环冷却所述阳极（其由电子束加热）；以及真空泵装置（即，一个或多个互连的真空泵），所述真空泵装置配置成用于生成在所述中空空间内的第一真空（例如第一负压力，即，低于大气压）和在围绕所述阳极的空间中的第二真空（例如第二负压力），其中与所述第二真空相关的压力值低于与所述第一真空相关的压力值，其中所述真空泵装置包括泵（其可以表示为梯度泵），所述泵布置成用于形成在所述第一真空和所述第二真空之间的连续压力梯度（特别是沿着无密封流动路径）。

根据另一示例性实施例，提供一种X射线源，所述X射线源包括：具有上述特征的X射线管；X射线光学器件（其可以包括一个或多个反射镜），用于收集和聚焦在所述X射线管中生成的X射线；以及可选的X射线束调节器（例如准直器），用于在由所述X射线光学器件收集和聚焦X射线之后调节X射线。

根据又一示例性实施例，一种操作用于生成X射线束的X射线管的方法，其中所述方法包括：将旋转阳极暴露于电子束以由此生成X射线；通过所述旋转阳极内的中空空间内的流体循环冷却所述阳极；以及操作泵（其可以表示为梯度泵，例如分子牵引真空泵）以形成在由另一个泵（例如类似于隔膜泵的低真空泵）提供（或生成）的第一真空和第二真空之间的连续压力梯度使得所述第一真空存在于所述中空空间内并且所述第二真空由所述梯度泵（使用或基于所述第一真空）在围绕所述阳极的空间中生成，其中与所述第二真空相关的压力值低于与所述第一真空相关的压力值。

在本申请的上下文中，术语“第一真空和第二真空之间的连续压力梯度”可以特别地表示沿着泵送介质（例如气体）被梯度泵泵送的流动路径的压力分布是连续的并且不具有突变或不连续压力阶越（step）或中断。这可以通过使用真空泵得到保证，所述真空泵支持第一真空和第二真空之间的压力梯度，而不用实现流动路径中的密封。例如，可以使用具有转子的真空泵，所述转子附连到阳极以旋转阳极。

根据本发明的示例性实施例，提供一种X射线管，该X射线管具有保持在第一（较低）真空和第二（较高）真空之间操作的泵室内的连续压力梯度的真空泵（例如分子牵引真空泵）。较低真空可以在旋转阳极的中空空间内生成，使得冷却流体仍然可以传导通过旋转阳极的中空空间而没有冷却流体蒸发的危险。没有必要提供沿其真空路径（和因此在阳极的中空空间和围绕阳极的空间之间）的任何密封，梯度泵在其较高真空端部提供在旋转阳极的直接周围中的较高第二真空。考虑到在第一真空和第二真空之间操作的梯度泵的性能可以省略麻烦的密封。具有转子和定子的这样的梯度泵可以具有与旋转阳极整体形成的转子，由此获得紧凑构造。通过公开的设计能够由冷却单元高效地冷却旋转阳极，所述冷却单元部分地整合在旋转阳极中，并且同时生成在其外部的适当真空。第一真空和第二真空之间的严格分离由于其由梯度泵生成而可有可无，使得可以省略密封。考虑到高效冷却的旋转阳极和在其周围中的适当真空，简单构造可以与X射线束的高通量组合。

所以，通过实现X射线管的室内的梯度泵，例如分子牵引真空泵，可以省略密封。因此，获得基本上无需保养的X射线管。在第一真空和第二真空之间不发生压力的不连续或阶梯式变化。与此相比，压力梯度从第一真空连续地传递到第二真空。

接着，将解释X射线管的另外示例性实施例。然而，这些实施例也适用于X射线源和操作X射线管的方法。

在实施例中，泵是布置成用于在第一真空和第二真空之间操作的分子牵引真空泵。在本申请的上下文中，术语“分子牵引真空泵”可以特别地表示具有在转子和定子之间的空白空间或体积的真空泵，其中对着定子旋转转子将排出待泵送的介质（例如气体），所述介质沿着转子和定子之间的路径（例如螺旋形路径）传播。因此，这样的分子牵引真空泵在较高压力（或开始压力）和较低压力（或最后压力）之间工作，然而所述较高压力是（例如20mbar或以下的）负压力。沿着分子牵引真空泵的工作路径，压力值可以逐渐减小使得可以有沿着路径的梯度真空。在本申请的上下文中，术语“在第一真空和第二真空之间操作分子牵引真空泵”可以特别地表示分子牵引真空泵使用开始真空（其可以由另一个泵提供），并且然后生成较好或较低真空。因此，技术人员将清楚地理解分子牵引泵不产生第一真空。第一真空初始由作为能够使分子牵引泵开始泵送的初始泵送帮助的低真空泵产生。低真空泵因此保持第一真空并且分子牵引泵产生在第一真空的顶部上的压力梯度以便使第二真空具有低于第一真空的压力。

作为分子牵引真空泵的替代选择，例如能够使用涡轮分子泵作为梯度泵。

在实施例中，与第一真空相关的压力值在大约10^-3mbar到大约20mbar之间的范围内。因此，相对简单的真空足以作为第一真空，也使冷却单元的冷却流体免于非期望的蒸发。例如，可以使用在10^-4mbar之前不蒸发的油。在这样的例子中，第一真空的最小可能压力可以为10^-3mbar。

在实施例中，与第二真空相关的压力值在大约10^-4mbar到大约10^-6mbar之间的范围内。这样的中间真空适合于通过用电子束轰击作为靶的旋转阳极生成X射线的环境。

在实施例中，可旋转安装的阳极固定地联接到分子牵引真空泵的转子从而可与转子一起旋转。换句话说，旋转阳极和分子牵引真空泵的转子可以整体地形成。这导致紧凑设计。

在实施例中，冷却单元包括配置成用于通过中空空间循环地泵送冷却流体的冷却流体泵。这样的冷却流体泵可以带凸缘或附连到X射线管的外壳或者可以位于其中。这也有助于紧凑设计。

在实施例中，冷却流体泵包括油泵或液态金属泵。油或液态金属具有的优点是在存在诸如与第一真空同样生成的10^-3mbar到20mbar的压力的情况下倾向于蒸发。所以，冷却流体的真空生成和泵送可以同时发生。

在实施例中，冷却单元包括延伸到中空空间中的毛细管，使得冷却流体通过毛细管经由毛细管的敞开端部泵送到中空空间中，并且经由毛细管的外表面和分子牵引真空泵的转子之间的间隙从中空空间返回（进入冷却流体泵）。这样的毛细管可以作为静态（即，非旋转）部件安装，所述静态部件延伸到旋转阳极中并且用作冷却流体的引导结构。

在实施例中，X射线管包括布置在毛细管的敞开端部处的可旋转安装的冷却流体分配器，以用于通过离心力并且通过由冷却流体泵施加的压力分配间隙内的冷却流体。这样的冷却流体分配器用作某种类型的通风器，该通风器具有将离心力施加到离开毛细管的端部的冷却流体的功能。通过毛细管引导冷却流体所用的压力也有助于冷却流体的分配。

在实施例中，毛细管固定地安装从而保持固定，特别是当阳极、转子和冷却流体分配器旋转时。因此，旋转部分的数量可以保持少。

在实施例中，冷却单元包括配置成用于从循环冷却流体去除热的热交换器，特别是水热交换器。在循环期间，冷却流体将由当电子束撞击旋转阳极以用于X射线生成时生成的旋转阳极的热加热。因此，冷却流体以较低温度朝着旋转阳极传播，在那里加热，并且传播回到冷却流体泵，在该处它可以由热交换器再次冷却。所以，使X射线管的连续操作成为可能。

在实施例中，分子牵引真空泵包括封闭用于待排出的介质的无密封流动路径（例如螺旋形流动路径）的可旋转安装的转子和固定安装的定子。它用于排出围绕阳极的空间中的气体分子，由此生成第二真空。更确切地，转子可以夹在定子的两个部分之间。沿着可以沿着无密封流动路径推动待排出的介质（即，气体）以用于生成真空。

在实施例中，X射线管包括布置在转子和阳极之间的流动减小结构（特别地形成流动路径中的局部缩窄颈部）以用于减小围绕阳极的空间与定子和转子之间的空间之间的压力交换。这样的流动减小结构可以是具有它阻碍由流动减小结构分离的两个空间之间的压力平衡的作用的任何类型的阻流装置。在实施例中，流动减小结构可以是X射线管的外壳中的颈部。所以，可以抑制围绕旋转阳极的空间中的真空由梯度泵的低真空和高真空端部之间的压力交换恶化。

在实施例中，分子牵引真空泵配置成通过流动减小结构也排出围绕可旋转阳极的气体分子。由于通过流动减小结构的联接仅仅弱化而不是变得不可能，因此分子牵引真空泵也有助于泵送（pumping）直接围绕旋转阳极的空间。

在实施例中，布置流动减小结构，使得与在定子和转子之间的空间内的第三真空（例如第三负压力）或真空范围（例如负压力范围）相关的一个或多个压力值、特别是压力梯度大于或等于与第二真空相关的压力值。这可以通过由生成下述第四真空（存在于电子束发射器空间中）的另一个泵附加地泵送第二真空通过另一个孔（或另一个流动减小结构）导致或支持，其中第四真空是比第二真空更加高的真空。使用第四真空的泵送效应，第二真空可以具有等于或小于第三真空的压力。真空然后将从旋转阳极的内部经由分子牵引真空泵的转子和定子之间的间隙、通过流动减小结构朝着围绕旋转阳极的空间连续地提高。换句话说，围绕旋转阳极的空间中的真空将不比通过流动减小结构与围绕旋转阳极的空间分离的空间中的真空差。

在实施例中，真空泵装置包括用于生成第一真空的低真空泵（例如旋转叶片泵或隔膜泵）。然而，任何其它类型的低真空泵也是可能的。这样的低真空泵可以布置在X射线管的外壳的内部或外部。

在实施例中，X射线管包括电子束生成器室，所述电子束生成器室处于上述第四真空（例如第四负压力），并且具有配置成用于生成电子束的电子束生成器，其中与由另一个泵生成的第四真空相关的压力值低于与第二真空相关的压力值。这样的电子束生成器或电子束发射器配置成用于生成将朝着X射线管的阳极引导的电子束以用于生成X射线束。电子束发射器包括导电元件，例如细丝（filament），所述导电元件由能够发射电子的材料制造并且配置成被供应电能以用于发射电子束。因此，为了生成电子束，诸如金属细丝（例如来自钨）的导电结构由与其附连的电流加热。因此，电子束从这样的电子束发射器结构发射。电子束然后朝着旋转阳极加速以由此生成X射线束。在发生电子发射的空间内，很高真空是有利的。电子束生成器室中的真空可以是整个X射线管内的最佳真空。

在实施例中，与第四真空相关的压力值在大约10^-6mbar到大约10^-10mbar的范围内。例如，第四真空可以比第二真空好至少一个数量级。

在实施例中，围绕阳极的空间是无密封的、特别是无窗口的，连接到电子束生成器室。有利地，在电子束生成器室和围绕阳极的空间之间的任何窗口可以省略。这些空间可以在流体（特别是气体）连通方面彼此直接连接。通过省略在围绕阳极的空间和电子束生成器室之间的窗口，高强度电子束可以生成并且朝着旋转阳极引导。

在实施例中，X射线管包括布置在围绕阳极的空间和电子束生成器室之间的另一个流动减小结构（特别地形成流动路径中的另一个局部缩窄颈部），以用于减小围绕阳极的空间和电子束生成器室之间的压力交换。特别地，电子束生成器布置成用于将来自电子束生成器室的电子束经由另一个流动减小结构引导到阳极。这样的另一个流动减小结构可以是阻流装置并且可以抑制电子束生成器室和围绕旋转阳极的空间之间的压力的平衡。该另一个流动减小结构可以代替在电子束生成器室和旋转阳极之间的窗口。

在实施例中，真空泵装置包括用于生成第四真空的高真空泵，特别是涡轮分子真空泵。该高真空泵可以布置在容纳旋转阳极和电子束生成器的X射线管的外部。

在实施例中，高真空泵配置成用于在第四真空和另一个真空、特别是由低真空泵提供的第一真空之间操作。为了生成这样的高真空，适当的开始真空将是必要的。通过协同地使用由低真空泵提供的第一真空，X射线管所需的泵的数量可以保持较小，从而使X射线管紧凑。

例如，在X射线管的外壳内处于不同真空值的所有空间可以以无密封方式彼此连接。第四真空可以与最小压力值相关，接着是第二真空、第三真空和第一真空。不同压力值可以由真空泵装置的单独的真空泵的布置并且由沿着空间布置的流动减小结构或阻流装置保持。

在实施例中，X射线管包括至少容纳阳极和梯度泵的管外壳。这样的管外壳可以限定X射线管的外部边界。

在实施例中，管外壳具有窗口，所述窗口对于X射线至少部分地透明并且布置成使得X射线能够从阳极、经由窗口传播到具有用于收集和聚焦X射线的X射线光学器件的光学器件外壳中。光学器件外壳可以可附连到管外壳。这样的窗口例如可以由铍或不倾向于吸收X射线达到显著程度的任何其它材料制造。

在实施例中，管外壳具有容纳阳极的第一部段并且具有容纳梯度泵的第二部段。第一部段可以由强烈衰减X射线或对于X射线基本不透明的材料、例如钢制造。第二部段可以由不同于第一部段的另一种材料、特别是轻质金属（例如铝）制造。后一种材料不必是强烈衰减X射线的材料。常规地，为了安全起见X射线管的整个管外壳必须由对于X射线不透明的材料制造。然而由于用作另一个流动减小结构的窄颈部，这由根据所述实施例的X射线管免除。考虑到窄颈部，第一部段几乎完全圆周地封闭阳极使得X射线可以基本上限制在第一部段内。因此，关于第二部段的材料的选择的自由度有利地增加，使得它例如可以由诸如铝的轻质材料制造。

附图说明

通过参考结合附图进行的实施例的以下更详细描述，本发明的实施例的其它目的和许多附带优点将容易领会并且变得更好理解。大致上或功能上相同或相似的特征将由相同的附图标记表示。

图1示出根据本发明的示例性实施例的附连有光学器件外壳的X射线管。

图2是根据本发明的示例性实施例的具有X射线管的X射线源的横截面。

图3是根据图2的X射线源的三维图。

图4是图2的X射线源的X射线管的横截面图。

图5是图2的X射线源的一部分的另一个横截面图。

图中的图示是示意性的。

具体实施方式

在下面，将解释本发明人关于X射线管的一些考虑，基于所述考虑开发了根据本发明的示例性实施例的用于高通量X射线源的梯度真空系统。

本发明的示例性实施例涉及超紧凑高强度X射线源的设计。设计用于在X射线衍射和X射线结晶照相术的领域中应用，它也在需要高强度X射线源的其它领域中得到应用。本发明的实施例的一般操作方法典型地关于本领域中的X射线源。通过将电压施加到发射器，聚焦电子束在真空中生成并且在可能的高电压下朝着金属靶阳极加速。当电子束撞击阳极时，生成X射线以及热。X射线用于上述或其它应用中之一，并且热通过靶阳极的冷却消散。

旋转阳极X射线生成器类型的现有设备具有的缺点是大、需要经常的例行维护和非例行维护、具有倾向于出故障的相当多的组成部分并且具有高拥有成本。本发明的实施例以大效率获得研究样本的高X射线亮度。下面列出可以单独或组合使用的某些方法：

（1）增加施加到电子生成发射器的功率。典型功率负荷高达5kW，但是高达20kW或以上的远远更高的功率是已知的。问题在于可以由于缺少有效的冷却机构容易地破坏阳极。

（2）使用更小、更聚焦电子束增加阳极靶上的电子功率密度。例如，1kW的功率施加到细丝/发射器，生成朝着阳极引导的电子束。电子束从典型地在1mm之上的直径聚焦到典型地为0.1mm至0.05mm的微焦点电子束。这意味着相同数量的总电子在更小斑点区域中撞击阳极靶。微焦斑的面积与它的周围面积的比率允许经由传导的更大散热。问题在于聚焦电子束能有多小和功率负荷能有多高。这再次依赖于有效冷却以防止阳极靶的不可挽回的和致命的损坏。

（3）以增加速度旋转阳极靶使得电子束撞击阳极的点快速地变化，因此分散阳极上的热负荷。典型地，该类型的旋转阳极以高达10,000rpm旋转，惯性牵引和稳定性限制更高速度。需要旋转和真空导致铁磁流体密封（或铁流体密封）和真空馈通（feed throughs）的使用，导致更差的真空并且最终导致发射器和阳极的减小寿命。典型地，当功率负荷增加时待旋转的阳极在尺寸上增加以允许冷却。

（4）X射线光学器件的选择和适当定位。典型地，靠近从阳极生成的X射线的源放置匹配X射线光学器件是有益的，原因是它提供更高效的X射线捕捉。另外由于X射线辐射强度在空间中随着距离的增加而降低，于是从源到样本的更短X射线路径是有益的。这可以通过使用真空或氦X射线束路径部分地减轻。源构造的大尺寸典型地使光学器件进一步远离阳极放置，导致X射线亮度性能减小。

考虑到以上情况，本发明的示例性实施例包括以下方面：

-提供围绕阳极、电子束和X射线路径的高真空环境，同时生成X射线并且获得很紧凑设计，因此增加在研究样本上获得的X射线亮度。

-获得大大简化和很紧凑的X射线源，导致维护大大减少、容易保养和在样本上的更高亮度X射线束方面高性能的设备。

-允许阳极的更快旋转，具有真空泵提供或更确切地代替真空密封的增加优点。典型地，旋转的速度由阳极靶的物理尺寸和设计限制。当阳极的物理尺寸增加时，惯性质量和稳定性增加，导致旋转阳极损坏并且也产生X射线束的不稳定。在本发明的实施例中，需要阳极的尺寸较小，允许更高的旋转速度。该小尺寸由于用于冷却阳极的背部的公开设计、更快旋转和摆动电子束以进一步分散热负荷的设计而可获得。

因此，本发明的实施例提供以下的组合：

-在样本上的更高X射线亮度方面的更高性能

-更稳定的X射线束

-更好的阳极冷却

-大大减少的维护/保养和支持

-紧凑得多的X射线源

-改善的高真空/真空系统，导致紧凑性以及更高性能和可靠性

-阳极上的电子束的软件控制和对准

-经由软件控制可限定的样本上的可变X射线束尺寸

-电子束的动态运动使得导致它在一定范围的位置上撞击阳极，分散热负荷。

本发明的示例性实施例设计成允许更大功率密度的电子束撞击在阳极表面上而不产生阳极材料的立即总体破坏，并且由此生成更大亮度的可使用的X射线以用于准直和调节它们。成形X射线束然后可以被引导到样本并且用于待研究/暴露于X射线的样本。本发明的实施例能够提供在从用于X射线衍射和/或结晶照相术中的最高强度家庭实验室X射线源可获得的0.75到2倍之间的范围的X射线强度。电子束摆动和光学投影的方法提供在待研究的样本处的电子和因此软件可控X射线束尺寸。在某些应用领域中，使X射线束尺寸与样本的尺寸匹配的能力是期望的。小弱衍射样本受益于更小、更高聚焦和更高强度X射线束，而更大样本可以受益于更低强度的更大直径X射线束。根据本发明的实施例的装置比该类型的其它X射线源明显更紧凑并且更可保养和更低维护，同时提供相当的或更大的X射线强度。

更大强度X射线束在用于从样本获得更高分辨率三维结晶照相结构数据的结晶照相术的领域中是期望的。在实施例中，阳极安装在分子牵引真空泵的转子驱动轴的顶部上，所述转子驱动轴用于以至少25,000rpm的操作速度旋转阳极，同时也提供设备的真空密封并且保持更低真空压力的区域作为梯度真空环境的一部分。在阳极上生成的热借助于介质冷却路径从阳极的背部去除，所述介质冷却路径包括具有分子牵引真空泵的驱动轴的敞开构造的中空阳极和热交换冷却介质容器。冷却介质（例如真空泵油）借助于泵从阳极循环到热交换器冷却介质容器。

本发明的实施例基于梯度真空的原理。该方法提供电子束和X射线生成所需的高真空环境，同时不需要真空馈通和铁磁流体真空密封。在传统旋转阳极系统中，阳极由在真空室的外部的电机旋转并且由也必须进入室的水冷却。因此，需要旋转密封（例如铁磁流体）。在本发明的实施例中，旋转和冷却都在真空室的内部获得并且因此不需要旋转密封和水管旋转馈通。在该梯度真空方法中，两个或更多个区域必须连接，同时保持处于不同真空压力。这也可以是一个区域，在该区域中不同区域保持处于不同真空压力。较高真空和较低真空的区域之间的干预区域因此将提供较高和较低真空之间的真空梯度。在实施例中，至少存在三个互连区域/室。这些区域动态地泵送以保持它们的压力。第一区域使用低真空泵（例如无油隔膜泵）保持处于低真空，大约10mbar。该区域包含用于阳极的冷却介质并且位于在出口端部处需要低真空的分子牵引泵之后。液体冷却介质在该低真空压力下可使用，但是在高真空下不可使用（其中它可以蒸发成蒸汽）。低真空空间延伸到液体冷却介质循环的所有地方（因此到达泵转子的中心和阳极圆盘的内部）。分子牵引泵在入口端部处产生大约10^-5到10^-6mbar的真空。在分子牵引泵的该端部，阳极安装在泵转子上。围绕旋转阳极的真空空间部分地闭合并且因此包括第二区域。它与分子牵引泵转子部分地分离，但是允许围绕轴的狭缝以允许将空气泵送到体积之外（但是应当注意这不是将抑制自由旋转的围绕转子轴的密封）。第三区域使用涡轮分子真空泵保持处于高真空，例如10^-7mbar。发射器、电子路径和用于电子束的静电/电磁聚焦光学器件包含在该高真空区域中。这保证从发射器获得高效电子束产生所需的真空清洁性和发射器部分的长寿命。电子束将从高真空区域传到中间中空区域中以便撞击到阳极上以产生X射线，并且因此产生小孔以联结两个区域。孔尺寸确定成使得电子束可以高效地传递并且也在两个区域之间保持压力差。梯度真空方法提供用于各种部件（其对于发射器是高真空并且对于冷却液体是低真空）的最佳真空方案，旋转阳极位于它们之间的中间真空中。真空空间的部分分离使敏感的发射器与来自分子牵引泵轴承的污染和从低真空空间扩散的冷却液体分子隔离。

发射器的污染将减小它的效率并且缩短它的寿命。分割真空空间的附加益处是为了组件的安全保护。在一个泵由于高压放电而将出故障或停机的情况下，于是真空的分割将限制它们可以改变其压力的速率，因此以更受控方式为系统提供停机的时间（例如上升到大气压）。

参考下图，将解释所述系统的实现：

图1在示意图中示出用于生成X射线束102的X射线管100以及用于生成的X射线束102的束成形的附接X射线光学器件180的布置。图1中所示的布置构成X射线源并且可选地与独立准直器结构（未在图1中显示）组合。

X射线管100包括旋转阳极104，该旋转阳极布置和配置成当暴露于电子束106或由电子束撞击时生成X射线束102。被施加电流并且例如可以由钨制造的电子发射器144、例如金属细丝发射朝着阳极104引导通过静电和/或电磁聚焦光学器件179的电子束106。静电和/或电磁聚焦光学器件179能够操纵电子束106的性质，例如它撞击到旋转阳极104的外表面上的位置。本领域的技术人员知道，用电子束106轰击旋转阳极104的表面（其例如可以由铜制造）将直接导致X射线束102的生成。高电压施加在电子发射器144和阳极104之间以加速在其间传播的电子束106。

生成的X射线束102然后可以引导通过包括X射线偏转镜或类似物的X射线光学器件180的X射线光学器件外壳156。低真空泵191在X射线束102传播通过的X射线光学器件外壳156内生成低真空。X射线光学器件180用于X射线聚焦并且作为独立部件附连到X射线管100。

在样本位置193，单色X射线束102然后可以与诸如晶体或粉末的样本相互作用。在样本的下游，可以提供用于检测散射X射线的X射线检测器（未显示）。在X射线光学器件外壳156的入口和出口处，预见对于X射线透明的聚酰亚胺（Kapton）窗口195。作为聚酰亚胺的替代选择，窗口195也可以由铍或具有X射线的高透明度的任何其它材料制造。

X射线管100的管外壳152具有窗口154，该窗口对于X射线束102是透明的，并且布置成使得X射线束102能够从阳极104通过窗口154传播到光学器件外壳156中并且从那里朝着X射线反射镜158传播。

从图1可以看到，凹陷或中空空间108形成于旋转阳极104内。此外，冷却单元110通过中空空间108内的油循环冷却旋转阳极104。此外，由多个真空泵（其将在下面更详细地进行描述）形成的真空泵装置设在X射线管100中并且配置成用于在中空空间108内和之下生成第一真空116。该真空例如可以为1mbar或10mbar。真空泵装置还配置成用于在外部地围绕旋转阳极104的外表面的空间112中生成第二真空118。第二真空118例如可以为10^-5mbar。因此，第二真空118比第一真空116更高或更好。作为真空泵装置的一部分，提供整合或完全位于X射线管100的管外壳152内的分子牵引真空泵114。分子牵引真空泵114在低真空（即，第一真空116）和高真空（即，第二真空118）之间操作。

从图1还可以看到，旋转安装的阳极104刚性地连接到分子牵引真空泵114的转子120。换句话说，旋转阳极104总是与刚性联接的转子120一起旋转。分子牵引真空泵114的定子132总是保持固定或处于固定位置和取向。

冷却单元110包括配置成用于泵送油126通过中空空间108的油泵122。油126传播而没有低真空方案（regime）116中的任何油密封。冷却单元110还具有静态（即，非旋转）毛细管124，该毛细管延伸到中空空间108中使得油126通过毛细管124、经由毛细管124的敞开端部泵送到中空空间108中，以用于与旋转阳极104（电子束106撞击在其上）热交换，并且经由毛细管124的外表面和分子牵引真空泵114的转子120之间的间隙128从中空空间108返回。毛细管124固定地安装从而当阳极104和转子120旋转时保持固定。毛细管124也可以表示为固定油毛细管。此外，冷却单元110包括配置成用于从循环油126去除热的水热交换器130。因此，油用经由外部供水供应水的热交换器130冷却。

返回分子牵引真空泵114，后者包括彼此间隔以由此封闭无密封流动路径111的可旋转安装的转子120和固定安装的定子132。换句话说，转子120的一部分夹在内定子部分和外定子部分（在该实施例中由管外壳152的一部分构成）之间。为了排出围绕阳极104的空间112中的气体分子以由此生成第二真空118，这些气体分子沿着该流动路径111移动。更确切地，它们沿着图1中所示的在压力10^-5mbar和压力10mbar之间的弯曲流动路径移动。不需要沿着该流动路径111的密封，使得X射线管100的构造简单并且基本上无维护。由窄流动路径111产生的流阻足以保持10mbar的低真空与10^-5mbar的高真空分离。换句话说，压力梯度将保持在图1中指示的10mbar和10^-5mbar的压力值所在的位置之间。

局部缩窄颈部134作为管外壳152的收缩设在转子120和旋转阳极104之间的流动路径中。颈部134用作流动减小结构或阻流装置并且减小或抑制围绕阳极104的空间112与定子132和转子120之间的空间155之间的压力交换。通过窄颈部134，分子牵引真空泵114的影响仍然可操作使得后者也排出围绕可旋转阳极112的气体分子。窄颈部134布置成使得定子132和转子120之间的空间155内的第三真空范围177包括压力值（更确切地，连续压力转变或压力梯度）使得空间112包含的真空具有的压力至少与第三真空177的压力一样低。颈部134是围绕分割真空的转子120的轴的狭缝。

诸如旋转叶片泵的低真空泵136生成第一真空116，如管道197所示。低真空泵136经由另一个管道199也在涡轮分子真空泵150的低压力侧提供低压力。涡轮分子真空泵150在电子束106在其发射之后紧接着传播所沿着的电子束生成器室140中生成例如10^-7mbar的第四真空，即高真空142。

从图1可以看到，围绕阳极104的空间112也连接到电子束生成器室140而没有窗口。换句话说，在空间112和电子束生成器室140之间不必提供密封。该流体接口也由另一个流动减小结构146形成，该流动减小结构是布置在围绕阳极104的空间112和电子束生成器室140之间的收缩颈部。流动路径中的该局部缩窄颈部配置成用于减小围绕阳极104的空间112和电子束生成器室140之间的压力交换。通过采用该措施，电子束106从电子束生成器室140无密封传播到空间112中是可能的，允许获得高通量。窄颈部146可以表示为分割真空的孔，其中电子束106可以穿过所述孔。考虑到窄颈部146，涡轮分子泵150也帮助将空间112中的第二真空118泵送到比空间155中的第三真空177更低的压力。

从图1可以看到，管外壳152具有第一部段160，该第一部段容纳阳极104并且由钢制造。钢强烈地衰减或吸收X射线从而保护X射线管100的外部免于X射线。与此相比，考虑到X射线管100的设计，特别是窄颈部146和134的提供，第二部段162可以由不必需要具有显著X射线吸收性质的轻质材料、例如铝制造。所以，X射线管100可以以低重量形成。

应当说分子牵引真空泵114可以备选地例如是涡轮分子泵或本领域技术人员考虑用于提供所需真空梯度的任何其它泵的变型。

图2显示根据本发明的示例性实施例的X射线源200的横截面图并且图3显示三维图。

X射线源200具有基本上具有如参考图1所述的性质的X射线管100。此外，用于收集和聚焦在X射线管100中生成的X射线束102的X射线光学器件180附连到X射线管100。除此以外，提供X射线束调节器210或准直器以用于在由X射线光学器件180收集和聚焦X射线束之后调节X射线束102。

也显示了安全遮光器308和快速遮光器245。此外，显示了调节螺杆247，通过该调节螺杆可以相对于X射线管100调节X射线光学器件180，并且可以相对于X射线光学器件180调节X射线束调节器210。特别地，可以通过致动调节螺杆247对准X射线光学器件180的可调节反射镜158。

除了已经在图1中显示的部件以外，X射线管100具有布置在毛细管124的敞开端部处的可旋转安装的油分配器202以用于通过离心力并且通过由油泵122施加的压力分配间隙128内的油126。高电压真空隔离器用附图标记217表示。此外，显示了高电压电路219。而且，显示了低真空管221和具有用于油脱气（oil degassing）的空间的油罐223。在低真空管221内，存在低真空（即，第一真空116）。也显示了内部具有油供应管的转子轴225。发射器144以及可去除盖229是可去除的。而且，在图2中显示了磁驱动、正偏移（positive displacement）油泵122。

图4和图5是X射线管100的部分的放大图。图4也示出待连接到高电压生成器（其通常位于外壳152的外部）的高电压连接器400。

应当注意术语“包括”不排除其它元件或特征并且“一”不排除多个。与不同实施例关联描述的元件也可以组合。也应当注意的是权利要求中的附图标记不应当被理解为限制权利要求的范围。

Claims (14)

1.一种用于生成X射线束（102）的X射线管（100），所述X射线管（100）包括：

可旋转安装的阳极（104），所述可旋转安装的阳极布置和配置成当暴露于电子束（106）时生成X射线；

在所述阳极（104）内的中空空间（108）；

冷却单元（110），所述冷却单元配置成用于通过所述中空空间（108）内的流体循环冷却所述阳极（104）；

真空泵装置（114、136、150），所述真空泵装置配置成用于生成在所述中空空间（108）内的第一真空（116）和在围绕所述阳极（104）的空间（112）中的第二真空（118），其中与所述第二真空（118）相关的压力值低于与所述第一真空（116）相关的压力值；

其中所述真空泵装置（114、136、150）包括泵（114），所述泵布置成用于形成在所述第一真空（116）和所述第二真空（118）之间的连续压力梯度。

2.根据权利要求1所述的X射线管（100），其中所述泵是布置成用于在所述第一真空（116）和所述第二真空（118）之间操作的分子牵引真空泵（114）。

3.根据权利要求1或2所述的X射线管（100），其中所述可旋转安装的阳极（104）固定地联接到所述泵（114）的转子（120），从而可与所述转子（120）一起旋转。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的X射线管（100），其中所述冷却单元（110）包括配置成用于泵送冷却流体（126）通过所述中空空间（108）的冷却流体泵（122）。

5.根据权利要求4所述的X射线管（100），其包括以下特征中的至少一个：

所述冷却流体泵（122）包括由油泵和液态金属泵组成的群组中的一种；

所述冷却单元（110）包括延伸到所述中空空间（108）中的毛细管（124），使得所述冷却流体（126）通过所述毛细管（124）经由所述毛细管（124）的敞开端部泵送到所述中空空间（108）中，并且经由所述毛细管（124）的外表面和所述泵（114）的转子（120）之间的间隙（128）从所述中空空间（108）返回；

所述冷却单元（110）包括延伸到所述中空空间（108）中的毛细管（124），使得所述冷却流体（126）通过所述毛细管（124）经由所述毛细管（124）的敞开端部泵送到所述中空空间（108）中，并且经由所述毛细管（124）的外表面和所述泵（114）的转子（120）之间的间隙（128）从所述中空空间（108）返回，其中所述X射线管（100）包括可旋转安装的冷却流体分配器（202），所述可旋转安装的冷却流体分配器布置在所述毛细管（124）的敞开端部和所述阳极（104）之间，并且配置成用于通过离心力和通过由所述冷却流体泵（122）施加的压力分配所述间隙（128）内的冷却流体（126）；

所述冷却单元（110）包括延伸到所述中空空间（108）中的毛细管（124）使得所述冷却流体（126）通过所述毛细管（124）经由所述毛细管（124）的敞开端部泵送到所述中空空间（108）中，并且经由所述毛细管（124）的外表面和所述泵（114）的转子（120）之间的间隙（128）从所述中空空间（108）返回，其中所述毛细管（124）固定地安装从而保持固定，特别是当所述阳极（104）、所述转子（120）和所述冷却流体分配器（202）旋转时；

所述冷却单元（110）包括配置成用于从所述循环冷却流体（126）去除热的热交换器（130），特别是水热交换器。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的X射线管（100），其中所述分子牵引真空泵（114）包括可旋转安装的转子（120）和固定安装的定子（132），在它们之间封闭无密封流动路径以排出围绕所述阳极（104）的空间（112）中的气体分子，由此生成第二真空（118）。

7.根据权利要求6所述的X射线管（100），其包括以下特征中的至少一个：

所述X射线管（100）包括布置在所述转子（120）和所述阳极（104）之间的流动减小结构（134），特别地形成所述流动路径中的局部缩窄颈部，以用于减小围绕所述阳极（104）的空间（112）与定子（132）和转子（120）之间的空间（155）之间的压力交换；

所述X射线管（100）包括布置在所述转子（120）和所述阳极（104）之间的流动减小结构（134），特别地形成所述流动路径中的局部缩窄颈部，以用于减小围绕所述阳极（104）的空间（112）与定子（132）和转子（120）之间的空间（155）之间的压力交换，其中所述分子牵引真空泵（114）配置成通过所述流动减小结构（134）也排出围绕所述可旋转阳极（112）的气体分子；

所述X射线管（100）包括布置在所述转子（120）和所述阳极（104）之间的流动减小结构（134），特别地形成所述流动路径中的局部缩窄颈部，以用于减小围绕所述阳极（104）的空间（112）与定子（132）和转子（120）之间的空间（155）之间的压力交换，其中所述流动减小结构（134）布置成使得与在定子（132）和转子（120）之间的空间（155）内的第三真空（177）或真空范围相关的一个或多个压力值大于或等于与所述第二真空（118）相关的压力值。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的X射线管（100），其包括电子束生成器室（140），所述电子束生成器室处于第四真空（142）并且具有配置成用于生成电子束（106）的电子束生成器（144），其中与所述第四真空（142）相关的压力值低于与所述第二真空（118）相关的压力值。

9.根据权利要求8所述的X射线管（100），其包括以下特征中的至少一个：

与所述第四真空（142）相关的压力值在10^-6mbar到10^-10mbar的范围内；

围绕所述阳极（104）的空间（112）是无密封的、特别是无窗口的，连接到所述电子束生成器室（140）；

所述X射线管（100）包括布置在围绕所述阳极（104）的空间（112）和所述电子束生成器室（140）之间的流动减小结构（146），特别地形成所述流动路径中的局部缩窄颈部，以用于减小围绕所述阳极（104）的空间（112）和所述电子束生成器室（140）之间的压力交换；

所述X射线管（100）包括布置在围绕所述阳极（104）的空间（112）和所述电子束生成器室（140）之间的流动减小结构（146），特别地形成所述流动路径中的局部缩窄颈部，以用于减小围绕所述阳极（104）的空间（112）和所述电子束生成器室（140）之间的压力交换，其中所述电子束生成器（144）布置成用于将来自所述电子束生成器室（140）的电子束（106）经由所述流动减小结构（146）引导到所述阳极（104）。

10.根据权利要求8或9所述的X射线管（100），其中所述真空泵装置（114、136、150）包括用于生成所述第四真空（142）的高真空泵（150），特别是涡轮分子真空泵。

11.根据权利要求10所述的X射线管（100），其中所述高真空泵（150）配置成用于在所述第四真空（142）和另一个真空、特别是由低真空泵（136）提供的所述第一真空（116）之间操作。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的X射线管（100），其包括以下特征中的至少一个：

与所述第一真空（116）相关的压力值在10^-3mbar到20mbar之间的范围内；

与所述第二真空（118）相关的压力值在10^-4mbar到10^-6mbar之间的范围内；

所述真空泵装置（114、136、150）包括用于生成所述第一真空（116）的低真空泵（136），特别是由旋转叶片泵和隔膜泵组成的群组中的一种；

所述X射线管（100）包括至少容纳所述阳极（104）和所述泵（114）的管外壳（152）；

所述X射线管（100）包括至少容纳所述阳极（104）和所述泵（114）的管外壳（152），其中所述管外壳（152）具有窗口（154），所述窗口对于X射线是透明的，并且布置成使得X射线能够从所述阳极（104）、经由所述窗口（154）传播到具有用于收集和聚焦X射线的X射线光学器件（158）的光学器件外壳（156）中，所述光学器件外壳（156）可附连到所述管外壳（152）；

所述X射线管（100）包括至少容纳所述阳极（104）和所述泵（114）的管外壳（152），其中所述管外壳（152）具有容纳所述阳极（104）的第一部段（160）并且具有容纳所述泵（114）的第二部段（162），其中所述第一部段（160）由强烈衰减X射线或对于X射线基本不透明的材料、特别是钢制造，并且所述第二部段（162）由不同于所述第一部段（160）的另一种材料、特别是轻质金属、更特别地是铝、更加特别地不必强烈地衰减X射线的材料制造。

13.一种X射线源（200），所述X射线源包括：

根据权利要求1至12中任一项所述的X射线管（100）；

X射线光学器件（180），用于收集和聚焦在所述X射线管（100）中生成的X射线；

X射线束调节器（210），用于在由所述X射线光学器件（180）收集和聚焦X射线之后调节X射线。

14.一种操作用于生成X射线束（102）的X射线管（100）的方法，所述方法包括：

将旋转阳极（104）暴露于电子束（106）以由此生成X射线；

通过所述旋转阳极（104）内的中空空间（108）内的流体循环冷却所述阳极（104）；

操作泵（114）以形成在由另一个泵（122）提供的第一真空（116）和第二真空（118）之间的连续压力梯度，使得所述第一真空（116）存在于所述中空空间（108）内并且所述第二真空（118）在围绕所述阳极（104）的空间（112）中生成，其中与所述第二真空（118）相关的压力值低于与所述第一真空（116）相关的压力值。

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