高體積效能的x射線系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】高體積效能的X射線系統(tǒng)發(fā)明背景1.發(fā)明領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種X射線系統(tǒng)，其特征為具有減小的尺寸，并且具體地涉及用于提供和使用該X射線系統(tǒng)的技術(shù)。
2.相關(guān)技術(shù)說明
[0002]對用于多種目的的、緊湊的、低功率消耗的X射線裝置(包括便攜式X射線分析儀器)存在興趣。然而，提供小型X射線裝置一直是一個挑戰(zhàn)。
[0003]例如，對X射線設(shè)備供電必需的常規(guī)高壓電源的尺寸已經(jīng)約束了設(shè)計者。這已由于相關(guān)聯(lián)的電絕緣要求而加劇。典型地用于便攜式儀器的X射線管需要高達60，000伏特的加速電壓和〈1mA的束電流。用于便攜式X射線儀器裝備的最有益安排是接地陽極X射線源，這樣使得負的高電壓施加到該X射線管的陰極端上，而輸出陽極端被保持在接地電位下并且呈現(xiàn)給該樣品。這些類型的便攜式X射線熒光(XRF)儀器的操作需要加速電壓和束電流的獨立控制。
[0004]具有接地陽極設(shè)計的微型X射線管需要把在一至兩伏特下的高達I瓦特的功率施加到熱離子燈絲上以便足以發(fā)射電子。困難是這種低電壓、相對高功率的信號需要通過施加到該X射線管的陰極端上的全高電壓與接地電勢隔離。傳統(tǒng)的隔離變壓器是龐大的，產(chǎn)生過量的EMI并且是不可靠的。由于它們位于X射線源的高電壓區(qū)域中，由于電絕緣要求，它們對電源的總尺寸有顯著貢獻。通常的隔離方法是通過使用變壓器。傳統(tǒng)的變壓器通過用于它們的構(gòu)造中的獨立絕緣材料實現(xiàn)了隔離。這些材料在歷史上尚未與同小的X射線管一起使用的微型高電壓系統(tǒng)的要求相匹配。非優(yōu)化的變壓器導(dǎo)致設(shè)計中的尺寸增大和空間浪費。
[0005]用于這些微型電源和X射線管的傳統(tǒng)封裝方案使用金屬外殼以容納絕緣材料、最小化所發(fā)射的電噪聲并減少可能導(dǎo)致該絕緣材料隨時間降解的電暈的機會。由于該金屬外殼接近電源的這些高電壓部件，這些部件之間的空間必須填充有高介電強度物質(zhì)。傳統(tǒng)填料已經(jīng)包括變壓器油或聚合物灌封材料。這些材料通常具有400-800伏特/密耳的擊穿強度，要求實質(zhì)性厚度以便絕緣高電壓(高達60，000伏特)。例如，500伏特/密耳的材料將需要約0.120”的最小值，并且通常地使用100%安全裕度，從而產(chǎn)生對于電絕緣的0.240”要求。
[0006]所需要的是用于提供小于先前所實現(xiàn)的X射線發(fā)生器的方法和裝置。優(yōu)選地，這些技術(shù)產(chǎn)生一種通用、低成本的X射線發(fā)生器，可用于儀器裝備諸如便攜式X射線熒光儀器中。
發(fā)明概述
[0007]在一個實施例中，提供一種用于產(chǎn)生X射線的裝置。該裝置包括:殼體，該殼體包括耦合到燈絲變壓器的折疊的高電壓倍增器，該變壓器耦合到用于產(chǎn)生X射線的X射線管。
[0008]在另一個實施例中，提供一種用于制造X射線源的方法。該方法包括:為該源選擇殼體；將折疊的高電壓倍增器、燈絲變壓器的一部分和X射線管布置在該殼體內(nèi)；并且將該燈絲變壓器的剩余部分布置在該殼體的外部上。
[0009]在再另一個實施例中，提供了 X射線源。該X射線源包括:管狀殼體，該殼體包括耦合到燈絲變壓器的折疊的高電壓倍增器，該變壓器耦合到用于產(chǎn)生X射線的X射線管，其中該變壓器包括布置在該殼體的外部表面上的外部線圈、和圍繞該殼體的內(nèi)表面布置的內(nèi)部線圈；以及電耦合到該高電壓倍增器和該燈絲變壓器的控制電路。
附圖的簡要說明
[0010]本發(fā)明的特征以及優(yōu)點從以下結(jié)合附圖進行的描述中是清楚的，在附圖中:
[0011]圖1是描繪現(xiàn)有技術(shù)的X射線發(fā)生器的拓撲結(jié)構(gòu)方面的框圖；
[0012]圖2是如在此披露的X射線源的剖視圖；
[0013]圖3-5展示了根據(jù)在此的傳授內(nèi)容的高電壓倍增器的視圖；
[0014]圖6是利用如在此披露的X射線源的儀器的剖視圖；并且
[0015]圖7-8是描繪在此披露的X射線源的性能的曲線圖。
發(fā)明的詳細說明
[0016]在此披露了用于提供一種小型X射線發(fā)生器的方法和裝置?？傮w上，X射線發(fā)生器的小型形式產(chǎn)生自新穎的電路和組件設(shè)計、材料、和封裝。為了提供一些背景，現(xiàn)在提供在此所使用的一些術(shù)語連同X射線發(fā)生器的基礎(chǔ)綜述的方面。
[0017]如在此所討論的，術(shù)語“X射線源”通常是指如在此披露的用于產(chǎn)生X射線的設(shè)備，并且不意在暗示一種用于產(chǎn)生X射線的材料，也不應(yīng)與現(xiàn)有技術(shù)的X射線產(chǎn)生設(shè)備的實施例混淆。用來表征X射線源的術(shù)語如“小型”、以及“微型”連同“窄型”和其他相似的術(shù)語應(yīng)被視為相對的(例如相比于現(xiàn)有技術(shù)的技術(shù))，并且被認為是對在此披露的X射線源的性質(zhì)的描述。此種描述性或相對術(shù)語不意在暗示X射線源的大小標準或?qū)嶋H尺寸。通常，“X射線”是指具有在約0.01納米(nm)至約1nm范圍內(nèi)的波長的電磁福射。
[0018]現(xiàn)在參照圖1，示出了現(xiàn)有技術(shù)的X射線發(fā)生器5的電方面。在這個實例中，控制電路10用于控制至少一個高電壓變壓器20。高電壓變壓器20輸出AC電壓到高電壓倍增器30?？刂齐娐?0還提供對至少一個燈絲變壓器40的控制。高電壓倍增器30和燈絲變壓器40 —起驅(qū)動X射線管50。X射線管50用于產(chǎn)生X射線。
[0019]總體上，控制電路10將接收所希望的工作電壓和電流的輸入來保持X射線發(fā)生器5在所希望的輸出水平下的運行。在一些實施例中，所希望的工作電壓和電流由用戶輸入限定，例如通過用戶接口(未示出)。例如，控制電路10可以接收9V直流(DC)輸入信號并且產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制的(PffM) 18伏特(V)峰到峰信號(交流電，AC)。18V峰到峰信號進而被供應(yīng)到高電壓變壓器20。高電壓變壓器20獲取18V AC信號并且基于該脈沖寬度將其變壓成O至5,000伏特的峰到峰DC正弦波。該正弦波被饋送到高電壓倍增器30。高電壓倍增器30進而將該高電壓倍增到適合用于驅(qū)動X射線管50的水平。例如，高電壓倍增器30的輸出可以是所希望的負高電壓輸出(例如，高達約60，000V)。該DC高電壓輸出被施加到X射線管50的陰極端上。在X射線管50的陰極端(在負高電壓下)與X射線管50的陽極端(保持在接地電位下)之間的電勢差用作X射線管50中的電子的加速電位。該高電壓可以被反饋電阻器感測使得該輸出可被精確地控制到所希望的工作電壓。同樣，電流可以被感測并且用于控制施加到該燈絲變壓器上的脈沖寬度來控制該束電流至所希望的水平。
[0020]現(xiàn)在參見圖2，示出了根據(jù)在此的傳授內(nèi)容的X射線源100的一個實施例的截面圖。在這個非限制性實例中，X射線源100是大體上圓柱形的裝置?？梢蕴峁┢渌问胶蛶缀谓Y(jié)構(gòu)的X射線源100。通常，X射線源100的形狀、尺寸、形式、幾何結(jié)構(gòu)和其他這樣的方面可以由設(shè)計者、制造商、指定者或其他類似地利害相關(guān)方來確定。此種方面可以進行選擇，例如，以便高效地與特定的X射線系統(tǒng)接合。然而，出于在此討論的目的，認為X射線源100是圓柱形裝置。在這個實施例中，X射線源100可以被表征為具有中心軸線A、長度L、以及半徑R。
[0021]在這個實施例中，X射線源100總體上被絕緣結(jié)構(gòu)102圍繞，在這種情況下是管狀絕緣結(jié)構(gòu)。在這個實施例中，管狀絕緣結(jié)構(gòu)102由電絕緣材料，如交聯(lián)聚乙稀(PEX)形成。布置在管狀絕緣結(jié)構(gòu)102內(nèi)的是X射線管106 (其包括X射線管燈絲106A)和高電壓區(qū)段104。圍繞管狀絕緣結(jié)構(gòu)102布置的是燈絲變壓器108。圍繞絕緣結(jié)構(gòu)102布置的是金屬殼體101。布置在金屬殼體101的外部上的是控制電路126?？刂齐娐?26耦合到高電壓區(qū)段104和燈絲變壓器108。燈絲變壓器108包括一組外部繞組作為初級線圈108A。初級線圏108A總體上圍繞管狀殼體102被纏繞。燈絲變壓器108還包括一組內(nèi)部繞組作為次級線圈108B。次級線圏108B總體上圍繞X射線管106的本體的基座被纏繞。X射線管106具有的尺寸為使得，在次級線圏108B圍繞其纏繞的情況下，其將緊密地裝配在管狀殼體102的內(nèi)徑中。因此，X射線管106的基座(以及因此次級線圏108B)與初級線圈108A對齊以提供有效的變壓器。使用主要的高電壓絕緣結(jié)構(gòu)102作為用于燈絲變壓器108的絕緣材料消除了燈絲變壓器108的單獨絕緣的需要并且允許將整個組件保持為軸向?qū)ΨQ和緊湊的。
[0022]與這些線圈108A、108B 一起提供內(nèi)圈124的磁性材料和外圈122的磁性材料。在一些實施例中，該磁性材料包括柔性磁性材料。實例包括各種形式的磁箔、復(fù)合材料、鐵氧體磁芯、金屬粉末磁芯、以及表現(xiàn)出類似特性的其他材料。合適的材料是從南卡羅來納州康威(Conway, South Carolina)的METGLAS可商購的。在一些實施例中，包括燈絲變壓器108中的磁性材料是定制模制的。該磁性材料將磁場集中在這些繞組中，使得燈絲變壓器108更高效并且防止了內(nèi)部和外部金