КОМПАКТНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ РЕНТГЕНОВСКИХ ЛУЧЕЙ
COMPACT DEVICE FOR X-RAY GENERATION

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится, в общем, к генерации рентгеновских лучей, а более конкретно - к рентгеновскому передатчику с трибозарядкой.
Рентгеновские лучи используются множеством способов. Рентгеновские лучи могут использоваться для создания изображений в медицине и в других областях, в приложениях, относящихся к кристаллографии, включающих анализ материалов, или же в других приложениях.
Рентгеновские лучи обычно генерируются в результате электронного торможения (bremmstrahlung) или эмиссии электрона c внутренней оболочки внутри материала. Исторически, помимо естественных явлений, рентгеновские лучи обычно генерировались посредством ускорения электронов в материале, таком как металл, с небольшой долей электронов, вызывающих рентгеновские лучи посредством "bremmstrahlung" или посредством соударяющихся электронов, присутствующих в материале вне внутренних орбиталей, например орбиталей К-оболочки, причем рентгеновские лучи генерировались в момент перехода электронов из орбиталей высоких энергий на менее энергетические орбитали. Однако ускорение электронов, для того чтобы генерировать "полезное количество" рентгеновских лучей, обычно требует затрат значительной энергии, что может быть связано с громоздким оборудованием.
Кроме того, рентгеновские лучи могут генерироваться в результате изменения механического контакта между материалами в управляемой окружающей среде, например при отрывании чувствительной к давлению адгезивной ленты или при изменении механического контакта некоторых материалов в вакуумированной камере. Однако изменение механического контакта между материалами обычно связано с наличием внутри вакуумированной камеры подвижных частей и, кроме того, обычно требует, чтобы некоторые из подвижных частей создавали фрикционный контакт друг с другом. Подвижные части и фрикционный контакт могут приводить к выделению газов и появлению в вакуумированной камере "свободного" мусора, который может оказывать воздействие на работу такого устройства.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Аспекты изобретения обеспечивают излучатель рентгеновских лучей, который может быть компактной конструкции. В некоторых вариантах осуществления небольшой корпус, поддерживающий внутри себя окружающую среду с низким давлением текучей среды, имеет первую стенку с окном, по существу, прозрачным к рентгеновским лучам, с покрытой металлом внутренней поверхностью, и вторую стенку с по меньшей мере участком внешней поверхности, сформированном на электрическом изоляторе, предпочтительно - на диэлектрическом материале. Металл окна обеспечивает электронную мишень, а альтернативно, электронная мишень вместо этого может быть помещена внутри корпуса. Участок стенки сам по себе может быть диэлектрическим материалом, или же иначе - участок стенки может быть металлом, электрически изолированным от остального корпуса, с внешним диэлектрическим покрытием. Контактный материал, предпочтительно - более высокий в трибоэлектрическом ряду, находится в изменяющемся контакте с внешним покрытием, причем изменяющийся контакт предпочтительно является также прерывающимся контактом. Внутри корпуса, например вблизи второй стенки, находится нить, предпочтительно нагреваемая и предпочтительно, - металлическая. При рабочем контакте прерывание контакта между контактным материалом и диэлектриком создает на участке второй стенки, в частности - на внутренней поверхности второй стенки, отрицательный электрический заряд. Связанные с этим отрицательным зарядом электроны и (или) электроны, обеспеченные нитью, могут перемещаться и ударяться о металл на внутренней поверхности, по существу, прозрачного к рентгеновским лучам окна, порождая рентгеновские лучи, которые испускаются или пропускаются через окно.
Некоторые аспекты изобретения обеспечивают устройство для испускания рентгеновских лучей, содержащее корпус, выполненный с возможностью поддерживать окружающую среду с низким давлением текучей среды, при этом корпус имеет первую стенку с окном, по существу, прозрачным к рентгеновским лучам, и вторую стенку, имеющую участок, содержащий внешнюю поверхность, содержащую электрически изолирующий материал; электронную мишень внутри корпуса, выполненную из металла, электрически заряжаемый материал внутри корпуса; и контактный материал для фрикционного контактирования с электрически изолирующим материалом, причем контактный материал является более низким в трибоэлектрическом ряду, чем электрически изолирующий материал.
Некоторые аспекты изобретения обеспечивают способ испускания рентгеновских лучей из корпуса, причем корпус является, по существу, непрозрачным для рентгеновских лучей и имеет камеру с низким давлением текучей среды, включающий в себя фрикционное контактирование внешней поверхности корпуса с контактной поверхностью, причем внешняя поверхность и контактная поверхность выполнены из различных материалов, тем самым посредством фрикционного контакта создается дисбаланс электрического заряда с накоплением внешней поверхностью отрицательного заряда; обеспечение потока электронов приблизительно от области внутренней поверхности корпуса, соседней с внешней поверхностью, контактирующей с контактной поверхностью, и в направлении окна корпуса; и генерацию рентгеновских лучей вблизи окна корпуса, причем окно корпуса является, по существу, прозрачным к рентгеновским лучам.
Некоторые аспекты изобретения обеспечивают устройство для испускания рентгеновских лучей, содержащее корпус, выполненный с возможностью поддержания низкого давления текучей среды в камере внутри корпуса, корпус, включающий в себя окно, по существу, прозрачное к рентгеновским лучам, но в других местах, по существу, непрозрачный к рентгеновским лучам; средство для создания дисбаланса электрического заряда на участке корпуса посредством изменения контакта материала, внешнего по отношению к корпусу, с поверхностью корпуса; электронную мишень внутри корпуса; и нить внутри корпуса, по существу, между участком корпуса и электронной мишенью.
Эти и другие аспекты изобретения будут более полно понятны по ознакомлении с данным описанием.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 иллюстрирует аспекты устройства для излучения рентгеновских лучей в соответствии с аспектами изобретения.
Фиг. 2 иллюстрирует поперечное сечение участка стенки корпуса в контакте с контактной поверхностью
Фиг. 3 иллюстрирует аспекты дополнительного устройства для испускания рентгеновских лучей в соответствии с аспектами изобретения.
Фиг. 4 иллюстрирует аспекты дополнительного устройства для испускания рентгеновских лучей в соответствии с аспектами изобретения.
Фиг. 5 иллюстрирует аспекты дополнительного устройства для испускания рентгеновских лучей в соответствии с аспектами изобретения.
Фиг. 6 иллюстрирует аспекты дополнительного устройства для испускания рентгеновских лучей в соответствии с аспектами изобретения.
Фиг. 7 иллюстрирует аспекты устройства для испускания рентгеновских лучей по фиг. 6.
Фиг. 8 иллюстрирует способ работы устройства для генерации рентгеновских лучей в соответствии с аспектами изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фиг. 1 иллюстрирует аспекты устройства для излучения рентгеновских лучей в соответствии с аспектами изобретения. Устройство содержит корпус 111, при этом корпус выполнен с возможностью поддерживать в камере окружающую среду с низким давлением текучей среды. В некоторых вариантах осуществления окружающей средой с низким давлением текучей среды является окружающая среда с давлением менее чем 200 мТорр (0,2 мм рт.ст), в некоторых вариантах осуществления с давлением менее чем 50 мТорр (0,050 мм рт. ст.) и в некоторых вариантах осуществления - с давлением менее чем 10 мТорр (0,010 мм рт. ст.). В некоторых вариантах осуществления в корпусе содержится газ, такой как аргон, при этом газ предназначен для того, чтобы способствовать управлению течением тока между противоположно заряженными поверхностями или от заряженной поверхности на "землю", кроме того, газ может служить в качестве источника электронов. Парциальное давление газа может составлять, например, 50 мТорр (0,050 мм рт. ст.) и в различных вариантах осуществления может быть между 1 мТорр (0, 001 мм рт. ст.) и 200 мТорр (0,2 мм рт. ст.). В некоторых вариантах осуществления корпус, в целом, может быть выполнен из керамического материала.
Корпус имеет первую стенку 113 с по меньшей мере участком, имеющим электрически изолирующую внешнюю поверхность из полимидной пленки, например, в некоторых вариантах осуществления - из каптона, и предпочтительно диэлектрического материала. В некоторых вариантах осуществления участок стенки, имеющий электрически изолирующую внешнюю поверхность, представляет собой мембрану, образованную с электрически изолирующей внешней поверхностью. В некоторых вариантах осуществления участок стенки в направлении внутренней части корпуса содержит металл, электрически изолированный от других частей корпуса, при этом электрически изолирующий материал покрывает внешнюю часть корпуса. В некоторых вариантах осуществления часть корпуса содержит сетку из металла, которая в некоторых вариантах осуществления может быть внутри его, на нем или утоплена в другой материал. В некоторых вариантах осуществления участок стенки содержит неметалл, например стекло или керамический материал.
Контактная поверхность 115 находится в изменяющемся контакте с электрически изолирующей внешней частью корпуса. Эта контактная поверхность предпочтительно выполнена из материала, такого, что изменение контакта между контактной поверхностью и электрически изолирующим материалом приводит к дисбалансу электрического заряда. Предпочтительно материал является таким, что электрически изолирующий материал становится заряженным более отрицательно. В некоторых вариантах осуществления материал является более высоким в трибоэлектрическом ряду, чем электрически изолирующий материал. Контактная поверхность может состоять в изменяющемся контакте с электрически изолирующим материалом посредством фрикционного контакта контактной поверхности с переменной площадью поверхности электрически изолирующего материала. Это может быть выполнено, например, обеспечением в течение времени разных участков контактной поверхности с разными участками электрически изолирующего материала посредством повторяющегося контакта и разделения поверхностей или посредством чего-либо или всего из вышеизложенного.
Контактная поверхность может сдвигаться или приводиться в движение различными способами. В некоторых вариантах осуществления и как показательно проиллюстрировано на фиг. 1, контактная поверхность может приводиться в движение вращательным образом, при этом контактная поверхность подсоединена к электродвигателю 117 посредством вала 119. В некоторых вариантах осуществления контактная поверхность может приводиться в движение устройством прямолинейного движения в направлении движения, например, параллельном поверхности электрически изолирующего материала или перпендикулярном этой поверхности. В некоторых вариантах осуществления прямолинейное движение может быть колебательным, например, с приводом от электродвигателя, при этом электродвигатель имеет периодическое реверсирование направления, или же - от электродвигателя, соединенного с контактной поверхностью посредством соответствующих реверсирующих тяг. В некоторых таких вариантах осуществления прямолинейное движение может быть приложено посредством кругового движения ремня или ленты, при этом ремень или лента служат в качестве контактной поверхности или несут ее. В некоторых вариантах осуществления контактная поверхность может приводиться в движение устройствами с ручным управлением, а в некоторых вариантах осуществления может приводиться в движение вручную.
Во время работы переменный контакт между контактной поверхностью и электрически изолирующим материалом приводит к накоплению электронов - или к отрицательной зарядке - электрически изолирующего материала. В тех вариантах осуществления, в которых электрически изолирующий материал является мембраной, образующей участок стенки корпуса, эта мембрана становится отрицательно заряженной. В тех вариантах осуществления, в которых электрически изолирующий материал является внешним покрытием для части корпуса, например металлической части, электрически изолированной от других частей корпуса, образующих вторую стенку, этот металл становится отрицательно заряженным. Электроны, обеспечивающие отрицательный заряд, могут перемещаться и ударять в электронную мишень внутри корпуса.
В варианте осуществления по фиг. 1 электронная мишень представляет собой металл на внутренней поверхности окна 121 корпуса. Этот металл, которым может быть золото, может быть осажден на окно, например, напылением. Окно является, по существу, прозрачным к рентгеновским лучам и может быть выполнено из бериллия. Как показано на фиг. 1, это окно находится в стенке корпуса, напротив стенки, имеющей электрически изолирующий материал, образующей внешнюю часть. Когда электроны ударяются в металл, могут генерироваться некоторые рентгеновские лучи. Рентгеновские лучи могут выходить из корпуса через бериллиевое окно, поэтому устройство служит в качестве генератора рентгеновских лучей с возможностями по испусканию или пропусканию рентгеновских лучей.
Фиг. 2 показывает контактную поверхность 215 в контакте с электрически изолирующим материалом 217, например, как в некоторых вариантах осуществления устройства по фиг. 1. На фиг. 2 ось 211 приводит в движение основание 213. Это основание в некоторых вариантах осуществления может быть деревянным. Контактная поверхность 215 скреплена с основанием и поэтому приводится в движение вместе с основанием. Контактная поверхность может быть, например, кварцевой. Контактная поверхность находится в переменном контакте с электрически изолирующим материалом, например каптоном. Каптон скреплен с металлом 219 и обеспечивает для него внешнюю поверхность. По мере того как каптон "трибозаряжается" вследствие изменения контакта с контактной поверхностью, на поверхности металла, удаленной от поверхности каптона, а именно - на поверхности металла, обращенной к внутренней части корпуса, накапливаются отрицательные заряды.
Фиг. 3 иллюстрирует аспекты дополнительного устройства для генерации рентгеновских лучей в соответствии с аспектами изобретения. Это устройство по фиг. 3, как и устройство по фиг. 4, включает в себя корпус 311, выполненный с возможностью поддержания окружающей среды с низким давлением текучей среды. Корпус включает в себя участок одной стенки, содержащей мембрану 313 из диэлектрического материала, при этом в некоторых вариантах осуществления диэлектрический материал покрывает внешнюю поверхность металла, электрически изолированную от остального корпуса и образующую остальной участок одной стенки. Ось 315 приводит в движение основание 317, при этом основание имеет прикрепленный к нему контактный материал 321, находящийся в переменном контакте с диэлектриком корпуса. Показанная на фиг. 3 ось приводится в движение электродвигателем 319.
Внутренняя сторона мембраны и внутренняя сторона металла, подстилающего мембрану, если он присутствует, выполнена в виде автоэмиссионых остриев 323. Автоэмиссионные острия могут быть, например, острыми металлическими кончиками или углеродными нанотрубками. В некоторых вариантах осуществления присутствует множество таких металлических элементов, которые в некоторых вариантах осуществления являются электрически изолированными друг от друга. В некоторых вариантах осуществления из каждого металлического элемента продолжается одно такое острие, в некоторых вариантах осуществления из каждого металлического элемента продолжается одно или более автоэмиссионных остриев и в некоторых вариантах осуществления из каждого металлического элемента продолжается множество автоэмиссионных остриев. Дополнительно, в некоторых вариантах осуществления над автоэмиссионными остриями может быть расположена электропроводящая сетка с относительно низким напряжением, в некоторых вариантах осуществления - менее чем в 1000 В, приложенным к этой электропроводящей сетке, чтобы способствовать предотвращению электрического разряда с автоэмиссионных остриев, при этом управление приложенным напряжением служит для того, чтобы управлять электронной эмиссией с остриев. Кроме того, внутри корпуса находится нагревательная нить 325, например, из вольфрама или из гексаборида лантана или же, альтернативно, - катод, такой как катод из окиси бария, предпочтительно - поблизости от автоэмиссионных остриев. Нагревательная нить через разъемы в корпусе (не показаны) может быть подсоединена к источнику энергии, например к батарее. Эта нагревательная нить обеспечивает источник электронов, который, например, может находиться под управляемой подачей энергии от внешнего источника питания.
Другая стенка корпуса, показанная на фиг. 3 напротив стенки с диэлектриком, содержит окно 327. Само окно является, по существу, прозрачным к рентгеновским лучам и выполнено, например, из бериллия. Но в варианте осуществления по фиг. 3 внутренняя поверхность окна покрыта металлом, например золотом, образующим электронную мишень.
Работа устройства по фиг. 3 приводит к отрицательной зарядке мембраны, при этом электроны из мембраны и из нити перемещаются к электронной мишени на поверхности окна и ударяются в нее. Рентгеновские лучи, возникшие в результате этого процесса, проходят сквозь окно, поэтому это устройство является источником испускания рентгеновских лучей.
Фиг. 4 на виде поперечного полуразреза иллюстрирует аспекты дополнительного устройства для испускания рентгеновских лучей в соответствии с аспектами изобретения. Устройство по фиг. 4 подобно устройству по фиг. 3, с корпусом 411, обеспечивающим поддержание окружающей среды с низким давлением текучей среды, бериллиевым окном 421 с одной стороны корпуса и с мембраной 413, образующей участок противоположной стены корпуса. Контактный материал 415, более высокий в трибоэлектрическом ряду, чем мембрана, находится в прямолинейном скользящем контакте с мембраной, приводя к трибозарядке мембраны. Из мембраны в направлении внутренней полости корпуса выступают автоэмиссионные острия 417, с нитью 419, например нагреваемой, между окном и автоэмиссионными остриями и предпочтительно рядом с или вблизи с автоэмиссионными остриями. Отрицательная трибозарядка мембраны делает возможным накопление отрицательного заряда на кончиках автоэмиссионных остриев, по существу, обеспечивая около остриев отрицательный поверхностный заряд и делая возможным, чтобы эти острия служили в качестве катода. Металлическая внутренняя поверхность 423 на окнах служит в качестве анода, получая электроны от нити накала. Когда электроны ударяются в металлическую внутреннюю поверхность, которая действует также в качестве электронной мишени, возникают рентгеновские лучи, которые проходят сквозь окно.
Фиг. 5 иллюстрирует аспекты дополнительного устройства для испускания рентгеновских лучей в соответствии с аспектами изобретения. Устройство по фиг. 5 подобно устройству по фиг. 4, но отличается тем, что не имеет металлического покрытия. Вместо этого электронная мишень расположена внутри корпуса и не находится в контакте с окном.
В устройстве по фиг. 5 корпус на одной стенке имеет окно 525, при этом окно, по существу, прозрачно к рентгеновским лучам. Мембрана, например, из каптона образует участок другого окна, при этом другое окно не является противоположным стенке, содержащей окно. Контактная поверхность 515 находится в скользящем переменном контакте с мембраной, при этом контактный материал является более высоким в трибоэлектрическом ряду, чем мембрана. Автоэмиссионные острия находятся непосредственно внутри относительно мембраны, а нить 519 - внутри автоэмиссионных остриев.
Цельная электронная мишень 521, например, из металла расположена внутри корпуса. Эта электронная мишень включает в себя поверхность 523, имеющую линию прямой видимости, включающую нить/автоэмиссионные острия/мембрану и окно. Во время работы устройства электроны из нити накала ударяются в электронную мишень, создавая рентгеновские лучи, некоторые из которых выходят через окно. В некоторых вариантах осуществления электронную мишень предпочтительно можно поворачивать, так чтобы поверхность 523 могла получать меньше электронов, или поворачивать, так чтобы испускать в сторону окна меньше электронов, тем самым позволяя осуществлять повышенное управление потоком рентгеновских лучей через окно. Аналогично или дополнительно, в некоторых вариантах осуществления электронную мишень можно перемещать ближе к окну или дальше от окна, также позволяя осуществлять повышенное управление потоком рентгеновских лучей через окно. В некоторых вариантах осуществления расстояние от мембраны до мишени также можно изменять, чтобы изменять максимальную энергию ударяющих электронов как средство управления выходной энергией рентгеновских лучей. Материал мишени может быть выбран для обеспечения конкретного спектра рентгеновских лучей, например с характеристическими линиями рентгеновского излучения материала, такого как молибден. Дополнительно, в некоторых вариантах осуществления часть корпуса и контактная поверхность, а также автоэмиссионные острия, вместо этого или в дополнение, могут быть размещены в обратном порядке, при этом эти элементы расположены на противоположной стороне корпуса, а материал внешней части корпуса и контактная поверхность поменялись местами. Притом, что материалы поменяли свои места на обратные, во время работы создается положительный заряд, и этот положительный заряд притягивает электроны из нити к этой противоположной стороне корпуса, причем в некоторых вариантах осуществления электронная мишень расположена на пути таких электронов. Однако в некоторых вариантах осуществления электронная мишень может быть в каком-нибудь другом месте, например на внутренней поверхности окна, при этом можно считать, в электронной мишени возникают рентгеновские лучи, обусловленные электронами обратного рассеяния, и эти рентгеновские лучи испускаются через окно.
Фиг. 6 иллюстрирует аспекты дополнительного устройства для испускания рентгеновских лучей в соответствии с аспектами изобретения. В варианте осуществления по фиг. 6 корпус 611 снова выполнен с возможностью обеспечивать поддержание окружающей среды с низким давлением текучей среды. Корпус на одной стороне включает в себя окно 621, по существу, прозрачное для рентгеновских лучей, с мембраной 613 на противоположной стороне, возможно, покрывающей электрически изолирующий материал. Внутри корпуса находится нить 619 для обеспечения источника электронов.
Мембрана в результате трибозарядки, обусловленной контактом качения с контактным материалом 615, заряжается отрицательно. Материал мембраны и контактного материала выбраны таким образом, что в результате изменения контакта поверхностей этих двух материалов имеет место трибозарядка, причем мембрана заряжается отрицательно относительно контактного материала.
В варианте осуществления по фиг. 6 контактный материал содержится во вторичном контейнере, а мембрана образует также стенку этого вторичного контейнера. Контейнер может быть закрытым контейнером, обеспечивающим управляемую окружающую среду вокруг контактного материала и внешней поверхности (по отношению к корпусу) мембраны. Управляемая окружающая среда предпочтительно управляется таким образом, чтобы предотвратить электрический разряд вне корпуса. В некоторых вариантах осуществления контейнер содержит диэлектрическое вещество, например гексафлюорид серы, чтобы предотвращать такой разряд.
Фиг. 7 иллюстрирует вариант осуществления контактного валика 713, который может также скользить в контакте с мембраной. Этот контактный валик включает в себя первый участок 715 из первого диэлектрического материала и второй, иной диэлектрический материал с меньшей диэлектрической постоянной. Каждый из первого диэлектрического материала и второго диэлектрического материала открыт на поверхности валика в разных областях. Когда валик катится через мембрану, первый участок и второй участок контактируют с мембраной попеременно. Этот попеременный контакт приводит к изменению компенсирующего заряда, причем, когда с мембраной контактирует второй диэлектрический материал, накопленный на мембране отрицательный заряд сбрасывается.
Фиг. 8 иллюстрирует способ работы устройства для передачи рентгеновских лучей в соответствии с аспектами изобретения. На фиг. 8 корпус 811 выполнен с возможностью поддерживать окружающую среду с низким давлением текучей среды. Корпус на одной стороне корпуса включает в себя окно 827, при этом окно выполнено из материала, по существу, прозрачного к рентгеновским лучам. На внутренней поверхности окна расположена электронная мишень. Мембрана 813 образует участок противоположной стенки корпуса, предпочтительно- с автоэмиссионными остриями с внутренней стороны мембраны и с нагреваемой нитью с внутренней стороны автоэмиссионных остриев. Мембрана находится в переменном контакте с контактным материалом 815. Материал мембраны и контактный материал выбраны таким образом, что изменение контакта приводит к отрицательной трибозарядке мембраны.
Контактный материал прикреплен к основанию 817 на системе привода. Как показано в варианте осуществления по фиг. 8, система привода включает в себя ось 819, приводимую в движение электродвигателем 821, при этом ось вращает основание 817. В других вариантах осуществления контактный материал может приводиться в движение по-другому.
Как проиллюстрировано на фиг. 8, контактный материал может быть изъят из контакта с мембраной. Как только контактный материал будет изъят из контакта с мембраной, накопленный отрицательный заряд будет "сброшен" с внутренней поверхности мембраны, приводя к току электронов с нити накала к электронной мишени, создавая рентгеновские лучи, которые проходят через окно.
Хотя изобретение было описано применительно к различным вариантам осуществления, следует понимать, что изобретение содержит новизну и неочевидность пунктов формулы изобретения, обоснованную настоящим описанием.