CN217509092U - 一种旋转透射靶微焦点x射线源 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种旋转透射靶微焦点X射线源，腔体内安装有电子束系统，电子束系统与阳极靶转轴同侧排布，旋转阳极靶系统中的电机通过锥齿轮传动装置驱动阳极靶旋转，设计靶材微结构，电子束系统发射的电子束垂直轰击旋转的阳极靶的金属靶材，冷却系统用于冷却阳极靶。采用了透射式X射线源的出光原理，实现了微焦点，提高了成像分辨率，相比现有旋转阳极靶X射线源增大了X射线发射角度；电子束轰击旋转的阳极靶，有效散热体积大，提高了散热效率和阳极靶功率；克服了透射式X射线源高分辨成像时成像效率低，反射式X射线源快速成像时分辨率低、图像质量差等不足；提高了成像分辨率、X射线源亮度与X射线通量，降低了成像时间。

Description

一种旋转透射靶微焦点X射线源

技术领域

本实用新型涉及X射线源技术领域，特别是指一种旋转透射靶微焦点X射线源。

背景技术

目前，应用于工业CT系统的X射线源按照阳极靶材的不同主要分为两种：反射式X射线源和透射式X射线源。反射式靶面与入射电子束形成一定倾斜角度，具有较大的散热体积，可以承受较高电压的加速电子，并且部分反射式X射线源阳极靶面由转子带动旋转，更进一步的增大了散热体积，拥有这种特殊设计的反射式X射线源也被称作“旋转靶X射线源”；透射式X射线源的阳极靶是很薄的一层薄膜，靶面与入射电子束垂直，可以获得更小的焦点尺寸和更大的辐射角度。

公开号为CN109473329A的实用新型专利公开了一种透射式X射线源，包括：阴极、电子束汇聚装置和透射式阳极靶，该X射线源为典型的透射式X射线源，电子束被聚焦后轰击衬底上结构区域产生X射线，X射线穿透衬底后通过X射线窗口。同现有的采用金属薄膜作为靶材的透射式X射线源一样，其靶材固定，电子束轰击靶面上固定的局部区域，致使有效散热体积小，透射靶微焦点X射线源的亮度较低、X射线通量低，对于高分辨成像需要较长的时间对样品进行曝光以获得足够的图像信噪比，一次高分辨三维扫描成像可能需要几小时甚至十几小时，曝光时间长，成像效率低。

公开号为CN106981409A的实用新型专利公开了一种反射式X射线源装置，包括三极式X射线源、真空腔、真空泵机组、阳极高压电源、栅极高压及脉冲驱动单元、真空环境监测单元和控制平台，三极式X射线源设置于真空腔内。该X射线源的电子束功率与聚焦电子束的焦点尺寸正相关，即功率越大，焦点尺寸越大。该反射式X射线源的最佳分辨率一般大于5μm，分辨率低，X射线源焦点尺寸大、X射线发射角度小。

公开号为CN211720806U的实用新型专利公开了一种旋转式X射线透射阳极靶，包括真空腔体、旋转靶和轴承组件；从加速器中输出的电子束沿着真空腔体的束流管道轰击旋转靶靶面外缘，部分能量转换为X射线经真空腔体上的透射窗出射到工作区域，且通过旋转靶的高速旋转使得剩余能量以热量的形式沉积到旋转靶外缘上的一条环形区域。该专利中涉及几种旋转式X射线透射转换靶，当阳极靶转轴与电子束系统同侧排布时，驱动转子的电磁线圈产生的磁场会对电子束轨迹产生影响，系统的稳定性较差；当阳极靶转轴与电子束系统对侧排布时，驱动阳极靶旋转的组件会限制X射线窗口贴近样品，造成不必要的X射线强度衰减，对最终的成像质量和成像效率都会产生负面影响。

实用新型内容

本实用新型提供了一种旋转透射靶微焦点X射线源，现有的X射线源具有以下问题，透射式X射线源功率低、X射线通量低、成像时间长、成像效率低；反射式X射线源焦点尺寸大、X射线发射角度小、成像分辨率低、图像质量差；驱动转子的电磁线圈产生的磁场对电子束轨迹产生影响，系统的稳定性较差，X射线强度衰减。

为解决上述技术问题，本实用新型的实施例提供如下方案：

一方面，本实用新型实施例提供一种旋转透射靶微焦点X射线源，包括腔体，在所述腔体内安装有电子束系统、旋转阳极靶系统和冷却系统，所述电子束系统与旋转阳极靶系统中的阳极靶转轴同侧排布设置，所述旋转阳极靶系统中的电机通过锥齿轮传动装置驱动阳极靶旋转，所述电子束系统发射的电子束垂直轰击旋转的阳极靶的金属靶材，所述冷却系统用于冷却所述阳极靶；

所述电子束系统包括陶瓷底座和通路件，在所述陶瓷底座的后端连通安装有高压管头，在所述陶瓷底座的前端同轴依次安装有阴极、第一阳极、第二阳极；在所述通路件后端依次安装有第一聚焦透镜和第二聚焦透镜、前端安装有第三聚焦透镜，各聚焦透镜同轴设置，所述通路件内设有与所述阴极同轴的电子束通道；

所述阳极靶包括导热基底，在所述导热基底上设置有金属靶材。

优选地，所述通路件包括第一通路件，在所述第一通路件的前端安装有第二通路件，在所述第一通路件上套设有所述第一聚焦透镜和所述第二聚焦透镜，在所述第二通路件的前端套设有所述第三聚焦透镜；

所述通路件内设有第一电子束通道，在所述第二通路件内设有第二电子束通道，各电子束通道同轴连通设置。

优选地，所述旋转阳极靶系统包括在所述腔体内安装的锥齿轮传动装置，电机驱动主动锥齿轮转动，从动锥齿轮带动阳极靶旋转。

优选地，所述腔体为一体式结构。

优选地，所述腔体由至少两个腔体本体可拆卸连接组成，在所述腔体本体上连通安装有真空系统。

优选地，所述X射线源还包括控制系统。

优选地，所述冷却系统包括在所述腔体内安装的冷却腔体，所述冷却腔体内设有冷却介质，冷却循环水机连通连接所述冷却腔体且循环所述冷却介质。

实用新型本实用新型的上述方案至少包括以下有益效果：

上述方案中，本实用新型采用了透射式X射线源的出光原理，采用电子光学系统对电子束进行聚焦，缩小了焦斑直径，提高了成像分辨率，增大了X射线发射角度；电子束轰击靶材的同时阳极靶旋转，增大了有效散热体积，提高了散热效率和阳极靶功率，在阳极靶处设置了冷却系统，进一步提高了散热效率和阳极靶功率；克服了透射式X射线源高分辨成像时成像效率低，反射式X射线源快速成像时分辨率低、图像质量差等不足；本实用新型提高成像分辨率的同时提高了X射线源的亮度与X射线通量，降低了成像时间。采用锥齿轮传动，消除了驱动装置(高精密步进电机)中电磁线圈磁场对电子束轨迹的影响，同时采用转子与电子束系统同侧排布的设计，使得射线源的X射线窗口可以贴近样品，避免了不必要的X射线强度衰减。

附图说明

图1为本实用新型的旋转透射靶微焦点X射线源的结构示意图；

图2为本实用新型的旋转透射靶微焦点X射线源的电子束系统的结构示意图；

图3为本实用新型的旋转透射靶微焦点X射线源的旋转阳极靶系统的结构示意图；

图4为本实用新型的旋转透射靶微焦点X射线源的阳极靶的主视图；

图5为本实用新型的旋转透射靶微焦点X射线源的阳极靶的左视图；

图6为本实用新型的旋转透射靶微焦点X射线源的电子束系统的示意图；

图7为本实用新型的旋转透射靶微焦点X射线源的电子束系统的示意图；

图8为本实用新型的旋转透射靶微焦点X射线源产生射线方法的流程图。

附图标记：

100、第一腔体；200、第二腔体；300、第三腔体；

101、高压管头；102、陶瓷底座；103、阴极针尖；104、第一阳极；105、第二阳极；106、真空泵/真空规；

201、第一聚焦透镜；202、第二聚焦透镜；203、第三聚焦透镜；2041、第一无氧铜管；2042、第二无氧铜管；2043、第一光阑；2044、第二光阑；

301、阳极靶；3011、第一表面；3012、导热基底；3013、金属靶材；302、电机；303、磁流体密封件；304、锥齿轮传动装置；305、冷却腔体；306、X射线窗口。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

如图1～图8所示的，本实用新型实施例提供了一种旋转透射靶微焦点X射线源，包括腔体，在腔体内安装有电子束系统、旋转阳极靶系统和冷却系统，电子束系统与旋转阳极靶系统中的阳极靶301同侧排布设置，旋转阳极靶系统中的电机302通过锥齿轮传动装置304驱动阳极靶301旋转，电子束系统发射的电子束垂直轰击旋转的阳极靶301，冷却系统用于冷却阳极靶301。

如图1～图2所示的，在本实用新型实施例中，腔体采用开放式设计，腔体由至少两个腔体本体可拆卸连接组成，在腔体本体上连通安装有真空系统。腔体包括依次可拆卸连接的第一腔体100、第二腔体200和第三腔体300。优选地，第一腔体100、第二腔体200和第三腔体300通过铰链连接，采用密封圈实现静态真空密封且各腔体之间的密封圈处定期涂真空脂以保证系统真空度。便于耗材(例如阴极针尖103与阳极靶301)更换和各元件的安装与维护。在本实用新型另一实施例中，腔体采用封闭式设计，腔体为一体式结构。具体地，腔体由至少两个腔体本体连接组成，各腔体间通过焊接的方式连接，保证了系统维持较高的稳定性，防止真空泄漏。

如图1-6所示的，在本实用新型实施例中，电子束系统包括陶瓷底座和通路件，在陶瓷底座102的后端连通安装有高压管头101，在陶瓷底座102的前端同轴依次安装有阴极针尖、第一阳极104、第二阳极105；在通路件的后端依次安装有第一聚焦透镜201和第二聚焦透镜202、前端安装有第三聚焦透镜203，各聚焦透镜同轴设置，通路件内设有与阴极针尖同轴的电子束通道。陶瓷底座102采用绝缘陶瓷材料。陶瓷底座102安装在第一腔体100中，通路件安装在第二腔体200中，使得高压管头101位于X射线源装置的尾部。电子束系统内的所有零件均为同轴设置，使得安装在第二腔体200中的各元件中心轴线与设置在第一腔体100中的各元件中心轴线重合。高压管头101连接高压电源，高压电源通过高压电缆和法兰与高压管头101相连，用于提供阴极针尖与阳极之间的电子束加速电压。

如图1-2所示的，在本实用新型另一实施例中，通路件包括第一无氧铜管2041，在第一无氧铜管2041的前端安装有第二无氧铜管2042，在第一无氧铜管2041上套设有第一聚焦透镜201和第二聚焦透镜202，在第二无氧铜管2042的前端套设有第三聚焦透镜203；在第一无氧铜管2041内设有第一电子束通道，在第二无氧铜管2042内设有第二电子束通道，各电子束通道同轴连通设置。

具体地，阴极针尖的材料采用LaB6针尖，可选的其他阴极针尖材料包括但不限于钨灯丝、钼针尖、碳纳米管等，阴极针尖作为电子源。

具体地，第一阳极104、第二阳极105为栅网结构，通过第一阳极104与阴极针尖之间的电场引出电子，再由第二阳极105与阴极针尖之间的电场把电子加速到预定的电子动能，并将电子引导到阳极靶第一表面3011上。

在本实用新型实施例中，第一聚焦透镜201、第二聚焦透镜202、第三聚焦透镜203为电子光学元件，由高精密直流电源供电产生磁场。在本实用新型另一实施例中，第一聚焦透镜201、第二聚焦透镜202、第三聚焦透镜203采用静电透镜。

在本实用新型实施例中，第一聚焦透镜201、第二聚焦透镜202和第三聚焦透镜203被用于对电子束进行聚焦，使电子束最终到达阳极靶第一表面3011的束斑直径≤30μm。在本实用新型另一实施例中，焦斑的直径为0.5-10μm。本实用新型的第三聚焦透镜203作为电子物镜，最终将电子束聚焦在阳极靶第一表面3011上，第三聚焦透镜203应具有长于第一聚焦透镜201和第二聚焦透镜202的焦距。

在本实用新型实施例中，电子束通路采用无氧铜管，减少电子束运动过程中反向散射电子和反射电子对电子束稳定性的影响，无氧铜管还起到了过滤/聚集外层电子的作用。如图7所示的，在本实用新型另一实施例中，在第一聚焦透镜201和第二聚焦透镜202的焦点后设置第一光阑2043、第二光阑2044，用来过滤外层电子。

在本实用新型实施例中，控制系统调节高精密电流源的输出值，改变电子光学系统对电子束的聚焦作用，实现点状焦斑直径0.5-30μm可调，在本实用新型另一实施例中，第三聚焦透镜203选用磁四级透镜，控制系统调节高精密电流源的输出值，使电子束最终在阳极靶第一表面3011呈线型焦斑。

如图3～图5所示的，本实用新型实施例的旋转阳极靶301系统包括在腔体内安装的锥齿轮传动装置304，电机302驱动主动锥齿轮转动，从动锥齿轮带动阳极靶301旋转，从动锥齿轮带动阳极靶转轴转动，进而阳极靶转轴带动阳极靶301转动。具体地，电机302采用高精密步进电机，高精密步进电机302安装在第三腔体300顶部，通过锥齿轮传动装置304为阳极靶301旋转提供驱动力。具体地，旋转阳极靶301系统还包括磁流体密封件303，磁流体密封件303为与高精密步进电机302相连的传动轴提供动态真空密封。

具体地，锥齿轮传动装置304选用齿线为曲线，带有螺旋角的弧齿锥齿轮，减小了齿轮啮合产生的自激振动对阳极靶第一表面3011电子束焦点处结构形状的影响。各锥齿轮使用模数较大的齿轮，同样可以减小齿轮啮合产生的自激振动。高精密步进电机302可以使旋转阳极靶301的转速维持在一个较高的水平，装置正常运转，阳极靶301的转速维持在100r/min以上。

本实用新型阳极靶301包括导热基底3012，在导热基底3012上设置有金属靶材3013，具体地，在导热基底3012的第一表面3011上设置有金属靶材3013。金属靶材3013正对聚焦透镜中心轴线，金属靶材3013的宽度范围在1μm-10μm之间，优选金属靶材3013的宽度为1μm。由阴极针尖产生的电子束经加速电压加速，再经聚焦透镜压缩后聚焦于阳极靶301上的金属靶材3013处，与金属靶材3013作用产生X射线。导热基底3012为圆盘状。在本实用新型实施例中，导热基底3012与金属靶材3013为不同材料。导热基底材料至少应具有30W/(m·K)的导热率，优选的材料包括金刚石，可替代的材料包括但不限于石墨、碳化硅、氮化硅、高温陶瓷复合材料等。金属靶材3013呈环形结构，沿导热基底3012周向嵌入导热基底3012表面，并与导热基底3012热连接。导热基底3012材料的厚度范围在100μm-1000μm之间，优选导热基底3012材料的厚度为250μm；金属靶材3013的厚度范围在5μm-50μm之间，优选金属靶材3013的厚度为10μm。金属靶材材料至少应在被电子束轰击时产生具有预定能谱的X射线，优选的材料包括钨，可替代的材料包括但不限于铬、铜、铝、铑、钼、金、铂、铱、钴、钽、钛、铼、碳化钽、碳化钛以及包括前述项的一项或多项的合金或组合。

本实用新型提供了两种实现微焦点高分辨成像的方法，第一种方法可以通过电子光学系统对电子束进行聚焦，使得电子束到达阳极靶第一表面3011上时焦斑尺寸为0.5-30μm，进而实现微焦点高分辨成像；第二种方法可以通过给定阳极靶第一表面3011的金属靶材3013的宽度，进而达到理想的电子束与金属靶材3013的有效作用面积，在线型焦斑作用时，线型焦斑的长度方向垂直于金属靶材3013的切线方向，金属靶材3013宽度范围采用1-10μm，进而实现微焦点高分辨成像；

本实用新型的在第三腔体300前端设置有X射线窗口306，旋转阳极靶301与电子束作用产生的X射线垂直穿过X射线窗口306；X射线窗口306的材料至少应对X射线有较低的吸收率，并具有一定的强度。在本实用新型实施例中，X射线窗口306的材料为金刚石。在本实用新型另一实施例中，X射线窗口306的材料包括但不限于铍、硅、氮化硼、碳化硅等低原子序数材料或复合材料。

在本实用新型实施例中，X射线窗口306的厚度为70μm。在本实用新型另一实施例中，X射线窗口306的厚度范围在30μm-1500μm之间。

本实用新型实施例的冷却系统包括在腔体内安装的冷却腔体305，冷却腔体305内设有冷却介质，冷却循环水机连通连接冷却腔体305且循环冷却介质。具体地，冷却系统还包括密封水管，密封水管连通冷却腔体305和冷却循环水机。冷却腔体305对阳极靶301进行冷却，具体地，冷却腔体305对阳极靶301的金属靶材3013进行冷却。

本实用新型实施例的腔体采用开放式设计时，装置配套有安装真空系统。真空系统主要由真空泵组、真空规、密封圈等组成。真空泵组包括前级机械泵和涡轮分子泵，前级机械泵位于装置外，涡轮分子泵位于装置第一腔体100顶部，通过法兰与第一腔体100相连，真空系统第一腔体100、第二腔体200、第三腔体300提供不低于1×10^-6Pa超高真空环境；真空规通过位于装置第一腔体100顶部的法兰嵌入腔体中，检测真空环境。

在本实用新型实施例中，真空泵组维持真空腔内的真空度高于1×10^-6Pa。在本实用新型另一实施例中，真空泵组维持真空腔内的真空度介于1×10^-9Pa与1×10^-2Pa之间。

如图8所示的，本实用新型实施例提供了一种旋转透射靶微焦点X射线源射线产生方法，包括旋转透射靶微焦点X射线源，方法包括：

S100、腔体维持真空状态，阴极针尖103导通加热电流，开始预热；阳极靶301维持预定转速旋转；冷却系统启动；

S200、高压电源施加电场，阴极针尖发出的电子束经过高压电场加速到预定电子动能；第一聚焦透镜201、第二聚焦透镜202、第三聚焦透镜203对电子束进行聚焦，并以预定的形状及尺寸将电子束聚焦至阳极靶301；电子束垂直轰击阳极靶301的金属靶材3013，电子束轰击能量转化为热能与X射线；X射线透过阳极靶301后，穿过X射线窗口306，以锥束形状照射。

在步骤S100中，本实用新型实施例的装置运转时，先开启前级机械泵，由前级机械泵将真空腔的真空度抽排至1×10^-2Pa以上，然后开启涡轮分子泵，将真空腔的真空度抽排至1×10^-6Pa以上，并维持此真空度直至装置停止运转。

在步骤S100中，阳极靶301转速维持在100r/min以上。

在步骤S100中，冷却循环水机启动，冷却介质开始循环。

具体地，本实用新型实施例的旋转透射靶微焦点X射线源产生射线方法有控制系统控制，并实现自动化。

本实用新型克服了透射式X射线源高分辨成像时成像效率低，反射式X射线源快速成像时分辨率低、图像质量差等不足；本装置提高成像分辨率的同时提高了X射线源的亮度与X射线通量，进而提高了成像效率，降低了成像时间。具体地：

1、采用了透射式X射线源的出光原理，采用电子光学系统对电子束进行聚焦，缩小了焦斑直径，实现了微焦点，提高了成像分辨率，增大了X射线发射角度；

2、电子束轰击靶材的同时阳极靶301旋转，增大了散热体积，提高了散热效率和阳极靶301功率；在阳极靶301处设置了冷却系统，提高了散热效率和阳极靶301功率；

3、采用锥齿轮传动，消除了驱动装置(高精密步进电机302)中电磁线圈磁场对电子束轨迹的影响，同时采用阳极靶转轴与电子束系统同侧排布的设计，使得射线源的X射线窗口306可以贴近样品，避免了不必要的X射线强度衰减；

4、阳极靶301第一表面3011上的环形结构使电子束作用位置的结构形状不随阳极靶301的转动发生改变，保证出光稳定性；

5、采用磁流体动态密封，使得高精密电机302可以带动旋转阳极靶301高速旋转的同时保持较高的真空度，确保装置长时间工作而不发生损坏；

6、装置可以采用三段开放式设计，便于耗材更换和元件安装与维护；亦可以采用封闭式设计，确保真空腔体内电子束系统工作环境的稳定性。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种旋转透射靶微焦点X射线源，其特征在于，包括腔体，在所述腔体内安装有电子束系统、旋转阳极靶系统和冷却系统，所述电子束系统与旋转阳极靶系统中的阳极靶转轴同侧排布设置，所述旋转阳极靶系统中的电机通过锥齿轮传动装置驱动阳极靶旋转，所述电子束系统发射的电子束垂直轰击旋转的阳极靶的金属靶材，所述冷却系统用于冷却所述阳极靶；

所述电子束系统包括陶瓷底座和通路件，在所述陶瓷底座的后端连通安装有高压管头，在所述陶瓷底座的前端同轴依次安装有阴极、第一阳极、第二阳极；在所述通路件后端依次安装有第一聚焦透镜和第二聚焦透镜、前端安装有第三聚焦透镜，各聚焦透镜同轴设置，所述通路件内设有与所述阴极同轴的电子束通道；

所述阳极靶包括导热基底，在所述导热基底上设置有金属靶材微结构。

2.根据权利要求1所述的旋转透射靶微焦点X射线源，其特征在于，所述通路件包括第一通路件，在所述第一通路件的前端安装有第二通路件，在所述第一通路件上套设有所述第一聚焦透镜和所述第二聚焦透镜，在所述第二通路件的前端套设有所述第三聚焦透镜；

所述通路件内设有第一电子束通道，在所述第二通路件内设有第二电子束通道，各电子束通道同轴连通设置。

3.根据权利要求1所述的旋转透射靶微焦点X射线源，其特征在于，所述旋转阳极靶系统包括在所述腔体内安装的锥齿轮传动装置，电机驱动主动锥齿轮转动，从动锥齿轮带动阳极靶旋转。

4.根据权利要求1所述的旋转透射靶微焦点X射线源，其特征在于，所述腔体为一体式结构。

5.根据权利要求1所述的旋转透射靶微焦点X射线源，其特征在于；所述腔体由至少两个腔体本体可拆卸连接组成，在所述腔体本体上连通安装有真空系统。

6.根据权利要求1所述的旋转透射靶微焦点X射线源，其特征在于，所述X射线源还包括控制系统。

7.根据权利要求1所述的旋转透射靶微焦点X射线源，其特征在于，所述冷却系统包括在所述腔体内安装的冷却腔体，所述冷却腔体内设有冷却介质，冷却循环水机连通连接所述冷却腔体且循环所述冷却介质。

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