專利名稱：具有增強的輸出穩(wěn)定性的x射線源組件及其流體流分析應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及X射線源，更具體地說，涉及在操作條件的范圍上，具有增強穩(wěn)定性的聚焦或準直X射線射束輸出的X射線源組件，以及在流體流(fluid stream)分析中的具體應(yīng)用。
背景技術(shù)：
X射線分析方法的實現(xiàn)是二十世紀科學(xué)和技術(shù)中最重要的發(fā)展之一。X射線衍射、X射線光譜學(xué)、X射線成像以及其他X射線分析技術(shù)的使用實際上已經(jīng)使所有科學(xué)領(lǐng)域中的知識產(chǎn)生了意義深遠的增加。
X射線熒光(XRF)是一種分析技術(shù)，通過該技術(shù)，使物質(zhì)暴露于X射線的射束之下以便確定例如存在某些化學(xué)成分。在XRF技術(shù)中，暴露于X射線的物質(zhì)的至少一些化學(xué)成分能吸收X射線光子并產(chǎn)生特有的次生熒光(secondary fluorescence)X射線。這些次生X射線是該物質(zhì)中的這些化學(xué)成分所特有的。通過適當?shù)臋z測和分析，這些次生X射線可以被用來特征化該物質(zhì)中的一個或多個化學(xué)成分。XRF技術(shù)在許多化學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用，其中包括藥物分析、半導(dǎo)體芯片評估以及辯論學(xué)(forensics)，等等。
XRF方法經(jīng)常被用于測量燃料，例如基于石油的燃料，諸如汽油和柴油燃料的含硫量。已知的現(xiàn)有XRF系統(tǒng)可檢測燃料中的低至按重量的百萬分之(ppm)五的硫；然而，這種可檢測性要求嚴格的控制條件，例如，這種可檢測性通常僅能在實驗室中實現(xiàn)。在不太嚴格的條件下，例如，在野外，現(xiàn)有的XRF方法，諸如ASTM標準方法D2622被限制到僅能檢測燃料中的約30ppm的硫。其中，本發(fā)明提供燃料中的硫的XRF檢測的可重復(fù)性和可檢測性。
在上述這些和許多其他行業(yè)中，例如分析行業(yè)，經(jīng)常使用X射線射束生成設(shè)備。X射線射束生成設(shè)備通?？赡馨ㄍㄟ^使電子束撞擊到金屬表面來生成X射線的X射線管。X射線管通常包括生成電子束的電子槍和提供使電子束對準到其上的金屬表面的陽極。通常，電子槍和陽極在三種不同模式下操作1)具有接地的陽極和以高的正電壓操作的電子槍；2)具有接地的電子槍(即接地的陰極)和以高的負電壓操作的陽極；或3)在“雙極性”模式中，具有以不同電壓操作的陰極和陽極。對于低功率應(yīng)用，X射線管通常在“接地陰極”的情況下操作，其中電子槍和其相鄰的部件基本上以地電勢操作而陽極及其相鄰的部件，如果有的話，以高電勢，例如在50千伏(kv)或更高的電勢下操作。
陽極上的電子束撞擊和在這樣的高壓下的陽極的操作產(chǎn)生熱，通常是大量熱，例如，至少約50瓦特。為散去該熱量，通常使X射線管侵入冷卻液，即熱傳導(dǎo)冷卻液中，諸如具有足夠高的介質(zhì)強度以防止冷卻油分解和允許在高電勢時產(chǎn)生電弧的冷卻油。典型的高介質(zhì)冷卻液是由Shell Oil公司提供的Diala Ax油。
在傳統(tǒng)技術(shù)中，X射線管和冷卻油通常保存在密封容器中，例如圓柱金屬容器中，其中X射線管侵入油中并與容器電絕緣。最終結(jié)構(gòu)包括具有高電勢下的高溫陽極的X射線管，由高介質(zhì)強度的油圍繞，所有的均封裝在密封金屬容器內(nèi)。其結(jié)果是，當油被陽極加熱時，油通常在容器內(nèi)對流傳熱。這種通過對流的油的加熱還經(jīng)對流使容器壁和X射線管本身加熱。通常，可以直接通過例如自然對流、強迫通風(fēng)對流或在容器的外部上流動冷卻液來使密封容器的外壁冷卻。這一對流和傳導(dǎo)的傳熱鏈是低效的冷卻過程。即使對要求普通功率耗散的傳統(tǒng)的X射線管，X射線射束設(shè)備及其部件通常將達到較高的溫度，例如120攝氏度。這樣的高溫是不期望的并且可能對X射線管的操作是有害的。
由此，在本領(lǐng)域的技術(shù)中需要提供簡化的方法，用于冷卻X射線射束設(shè)備，或任何其他高溫、高壓設(shè)備。
此外，直到近年來難以實現(xiàn)的聚焦X射線輻射的能力已經(jīng)允許縮減X射線源的大小和成本，以及由此的在各種應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)用途的X射線系統(tǒng)的大小和成本。美國專利No.6,351,520描述了X射線源的一個例子，其包括允許產(chǎn)生高強度、小尺寸X射線點大小的聚焦元件，同時包含低功率、降低成本的X射線源。
盡管近年來已經(jīng)實現(xiàn)了聚焦X射線輻射的能力方面的進展，但仍然需要進一步增強X射線源組件，以提高例如在各種操作條件下，X射線射束的輸出穩(wěn)定性。本發(fā)明針對滿足這種需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供解決現(xiàn)有技術(shù)方法和裝置的許多局限的方法和裝置。在下述描述中，以及整個說明書中，措辭“聚焦”、“進行聚焦”和“被聚焦”等等重復(fù)出現(xiàn)，例如在“聚焦設(shè)備”、“X射線聚焦設(shè)備”、“用于聚焦的設(shè)備”、“聚焦光學(xué)部件”等等中。盡管根據(jù)本發(fā)明，這些措辭可能應(yīng)用于的確“聚焦”X射線，例如使其集中的設(shè)備或方法，但這些措辭不打算將本發(fā)明限制到“聚焦”X射線的設(shè)備。根據(jù)本發(fā)明，術(shù)語“聚焦”和相關(guān)的術(shù)語還意在識別集中X射線、準直X射線、會聚X射線、發(fā)散X射線的方法和設(shè)備，或以任何方式，改變X射線的強度、方向、路徑或形狀的設(shè)備。通過術(shù)語“聚焦”及其相關(guān)術(shù)語，所有這些處理、控制、改變、修改或處理加工X射線的手段均包含在本說明書中。
本發(fā)明的一個方面是X射線管組件，包括X射線管以及熱耦合到X射線管的導(dǎo)熱介質(zhì)材料，用于去除由X射線管產(chǎn)生的熱。該導(dǎo)熱介質(zhì)材料可以是氮化鋁、氧化鈹和類金剛石碳等等。X射線管組件可以包括具有第一端和第二端的X射線管，并且X射線管的第一端包括電子束發(fā)生器而X射線管的第二端包括具有一表面的陽極，電子束撞擊在該表面上以便產(chǎn)生X射線源。導(dǎo)熱介質(zhì)材料通常熱耦合到陽極。冷卻裝置也可以熱耦合到導(dǎo)熱介質(zhì)材料，例如至少一個散熱片或散熱銷。在本發(fā)明的一個方面中，通過導(dǎo)熱介質(zhì)材料，可能以X射線管去除足夠多的熱，從而可以通風(fēng)冷卻X射線管組件。在本發(fā)明的一個方面中，通過導(dǎo)熱介質(zhì)材料，可以從X射線管去除足夠熱量，從而X射線管不與流體冷卻劑接觸。
本發(fā)明的另一方面包括操作具有電子束發(fā)生器和陽極的X射線管組件的方法，包括將電子束從電子束發(fā)生器引導(dǎo)到陽極以便產(chǎn)生X射線，并由此加熱陽極；提供與陽極熱耦合的導(dǎo)熱介質(zhì)材料，以及通過該導(dǎo)熱介質(zhì)材料，傳導(dǎo)來自陽極的熱量。同樣，該導(dǎo)熱介質(zhì)材料可以是氮化鋁、氧化鈹和類金剛石碳等等。在一個方面中，陽極被電絕緣并且很少或沒有電子從陽極到達導(dǎo)熱介質(zhì)材料。在該方法的一個方面中，當通過導(dǎo)熱介質(zhì)材料，傳導(dǎo)來自陽極的熱時，可以從陽極去除足夠熱量，由此通風(fēng)冷卻X射線管組件。在該方法的一個方面中，當通過導(dǎo)熱介質(zhì)材料，傳導(dǎo)來自陽極的熱量時，可以從陽極去除足夠熱量，由此X射線管不與流體冷卻劑接觸。
本發(fā)明的另一方面包括X射線源組件，包括外殼；用于生成X射線的X射線管，該X射線管安裝在該外殼中；熱耦合到X射線管的導(dǎo)熱介質(zhì)材料，用于去除由X射線管產(chǎn)生的熱；以及外殼中的至少一個穿孔，用于發(fā)射由X射線管產(chǎn)生的X射線。該X射線管組件可以進一步包括用于可調(diào)整地將X射線管安裝在外殼中的裝置。在一個方面中，X射線管組件可以包括具有第一端和第二端的X射線管，并且X射線管的第一端包括電子束發(fā)生器而X射線管的第二端包括一表面，電子束撞擊在該表面上產(chǎn)生X射線。同樣，導(dǎo)熱介質(zhì)材料可以是氮化鋁、氧化鈹和類金剛石碳等等。通過熱耦合到導(dǎo)熱介質(zhì)材料上的至少一個散熱片或散熱銷，也可以冷卻介質(zhì)材料。該X射線源組件也可以具有通過例如至少一個螺紋銷，可調(diào)整地安裝到X射線管外殼上的X射線源。該X射線源組件也可以包括用于通過例如具有至少一個穿孔的可移動隔板，改變或修改通過外殼中的至少一個穿孔發(fā)出的X射線的裝置。在本發(fā)明的一個方面中，可以安裝X射線光學(xué)部件以便接收通過外殼中的至少一個穿孔發(fā)出的至少一些X射線。在這一組件的一個方面中，通過導(dǎo)熱介質(zhì)材料，可以從X射線管去除足夠多的熱，從而可以通風(fēng)冷卻X射線管組件。在本發(fā)明的一個方面中，通過導(dǎo)熱介質(zhì)材料，可以從X射線管去除足夠熱量，從而X射線管不與流體冷卻劑接觸。
本發(fā)明的另一方面包括操作具有包括電子束發(fā)生器的第一端和具有陽極的第二端以及與該陽極熱耦合的導(dǎo)熱介質(zhì)材料的X射線管組件的方法，包括從電子束發(fā)生器將電子束引導(dǎo)到陽極以便提供X射線，從而加熱陽極；以及通過將熱從陽極傳導(dǎo)到導(dǎo)熱介質(zhì)材料，冷卻陽極。該X射線管組件可以包括至少一個散熱片或散熱銷以及冷卻陽極可以進一步包括在至少一個散熱銷或散熱片上傳遞流體冷卻劑。另外，通過將熱從陽極傳導(dǎo)到導(dǎo)熱介質(zhì)材料來冷卻陽極可以在從陽極傳遞很少或不傳遞電子的情況下進行。在這一方法的一個方面中，當通過導(dǎo)熱介質(zhì)材料，傳導(dǎo)來自陽極的熱來冷卻陽極時，可以從陽極去除足夠熱量，由此X射線管組件可以被通風(fēng)冷卻。在該方法的另一方面中，當通過導(dǎo)熱介質(zhì)材料，傳導(dǎo)來自陽極的熱量來冷卻陽極時，可以從陽極去除足夠熱量，由此X射線管不與流體冷卻劑接觸。
本發(fā)明的另一方面包括用于最優(yōu)化來自X射線源和X射線聚焦設(shè)備的X射線的傳輸?shù)姆椒?，其中，該X射線源包括用于生成X射線的X射線管，該X射線管通過可調(diào)整安裝裝置安裝在外殼中；該外科具有至少一個穿孔，用于發(fā)射由X射線管產(chǎn)生的X射線，該方法包括將X射線管安裝在外殼中；激發(fā)X射線管，由此從外殼中的至少一個穿孔發(fā)出X射線射束；將X射線聚焦設(shè)備安裝在外殼中的至少一個穿孔附近，由此X射線聚焦設(shè)備從X射線管接收至少一些X射線；以及調(diào)整X射線管的可調(diào)整安裝裝置以便最優(yōu)化X射線透過X射線聚焦設(shè)備的傳輸。該可調(diào)整安裝裝置可以包括多個螺紋緊固件。該X射線聚焦設(shè)備可以包括X射線聚焦晶體或X射線聚焦毛細管設(shè)備。
本發(fā)明的另一方面是X射線熒光分析系統(tǒng)，包括具有X射線源和外殼的X射線源組件；第一X射線聚焦設(shè)備，可操作地連接到X射線源組件并具有用于使第一X射線聚焦設(shè)備與X射線源組件對準的裝置；X射線暴露組件，具有可操作地連接到X射線聚焦設(shè)備的外殼并具有用于使X射線暴露組件與第一X射線聚焦設(shè)備對準的裝置；第二X射線聚焦設(shè)備，可操作地連接到X射線暴露組件并具有用于使第二X射線聚焦設(shè)備與X射線暴露組件對準的裝置；以及X射線檢測設(shè)備，可操作地連接到第二X射線聚焦設(shè)備并具有用于使X射線檢測設(shè)備與第二X射線聚焦設(shè)備對準的裝置；其中，用于對準的裝置中的至少一個包括多個對準銷。至少一個組件，優(yōu)選的是多個組件的對準允許一個或多個組件廠外裝配并就地安裝，不需要現(xiàn)場大范圍地重新對準組件。避免現(xiàn)場重新對準更有效。
本發(fā)明的另一方面是檢測X射線的方法，包括提供X射線源，使用X射線光學(xué)部件，將至少一些X射線聚焦在小面積X射線檢測器上；以及通過該小面積X射線檢測器，檢測X射線。在本發(fā)明的一個方面中，該小面積檢測器可以是半導(dǎo)體型檢測器或硅-鋰型檢測器(即SiLi型檢測器)。在本發(fā)明的一個方面中，該小面積檢測器可以是PIN二極管型檢測器。本發(fā)明的一個方面進一步包括冷卻該小面積檢測器，例如，通風(fēng)冷卻該小面積檢測器。該小面積射線檢測器可以包括檢測器孔并且該檢測器孔面積可以小于約10平方毫米，優(yōu)選的是小于約6平方毫米，或甚至小于約4平方毫米?？梢允褂妹毠苄蚗射線光學(xué)部件或DCC X射線光學(xué)部件來實施至少一些X射線的聚焦。本方法可以在大于約0攝氏度的溫度，例如在約10攝氏度和約40攝氏度之間的溫度下實施。
本發(fā)明的另一方面包括用于檢測X射線的設(shè)備，包括小面積X射線檢測器；以及用于將至少一些X射線聚焦在該小面積X射線檢測器上的裝置。該小面積X射線檢測器通常包括具有小于約10平方毫米的面積典型的是小于約6平方毫米的檢測器孔。該小面積檢測器可以是半導(dǎo)體型檢測器或硅-鋰型檢測器(即SiLi型檢測器)。在本發(fā)明的一個方面中，該小面積檢測器可以是PIN二極管型檢測器。在本發(fā)明的一個方面中，該小面積檢測器可以被冷卻，例如通風(fēng)冷卻。用于聚焦至少一些X射線的裝置可以包括X射線光學(xué)部件，例如彎曲晶體或毛細管X射線光學(xué)部件。
本發(fā)明的另一方面包括用于使用X射線分析流體的裝置，包括用于使流體暴露于X射線以便使流體的至少一種成分發(fā)出X射線熒光的裝置；以及用于分析來自流體的X射線熒光以便確定流體的至少一種特性的裝置。該流體可以是液體或氣體。用于使流體暴露于X射線的裝置可以是用于在流體上聚焦X射線的至少一種X射線光學(xué)部件。
本發(fā)明的另一方面包括用于使用X射線，分析流體中的成分的方法，包括將流體暴露于X射線以便使流體的至少一種成分發(fā)出X射線熒光；檢測來自流體的X射線熒光；以及分析所檢測到的X射線熒光以便確定流體的至少一種特性。根據(jù)一個方面，在一時間周期內(nèi)基本上連續(xù)地實施該方法。該方法也可以在真空下實施。
在一個方面中，在大于約-50攝氏度的溫度，例如大于約0攝氏度的溫度下實施X射線熒光的檢測。在本發(fā)明的另一方面中，可以使用小面積X射線檢測器，例如半導(dǎo)體型檢測器，例如PIN型半導(dǎo)體X射線檢測器，來實施X射線熒光檢測。
本發(fā)明的另一方面包括用于分析燃料中的硫的裝置，包括用于使燃料暴露于X射線以便使燃料中的至少一些硫發(fā)出X射線熒光的裝置；以及用于分析來自燃料的X射線熒光以便確定燃料中的硫的至少一種特性的裝置。燃料中的硫的至少一個特性可以是燃料中硫的濃度。
本發(fā)明的另一方面是提供用于分析燃料中的硫的方法，使燃料暴露于X射線以便使燃料中的至少一些硫發(fā)出X射線熒光；檢測X射線熒光；以及分析來自硫的X射線熒光以便確定燃料中的硫的至少一種特性。在一時間周期內(nèi)基本上連續(xù)實施該方法。使燃料暴露于X射線可以在真空下實施。當在真空下實施時，燃料通常密封在一室中以便防止暴露于真空，例如，燃料可以密封在室中而X射線經(jīng)室中的窗接近燃料。根據(jù)一個方面，X射線可以是單色X射線。另外，X射線熒光的檢測可以在大于約-100攝氏度，通常大于約-50攝氏度，或甚至于大于約0攝氏度的溫度，例如在約室溫(20攝氏度)下實施?？梢允褂冒雽?dǎo)體型檢測器，例如PIN型半導(dǎo)體檢測器實施檢測。
有關(guān)本發(fā)明的改進的散熱方面，本發(fā)明是用于冷卻和電絕緣高壓、生熱部件的設(shè)備。該設(shè)備包括第一導(dǎo)熱材料，具有與所述部件熱連接的第一側(cè)和一第二側(cè)；導(dǎo)熱介質(zhì)材料，具有與第一導(dǎo)熱材料的第二側(cè)熱相接的第一側(cè)和一第二側(cè)；以及第二導(dǎo)熱材料，具有與導(dǎo)熱介質(zhì)材料的第二側(cè)熱相接的第一側(cè)，其中，由所述部件產(chǎn)生的熱通過該設(shè)備被傳導(dǎo)遠離部件同時最小化設(shè)備上的電流損耗。在本發(fā)明的一個方面中，所述部件和第一導(dǎo)熱材料間的熱相接通過所述部件和第一導(dǎo)熱材料的接觸面實現(xiàn)，其中該接觸面具有第一外尺寸，以及其中，第一導(dǎo)熱材料包括具有大于第一外尺寸的第二外尺寸的外圍，其中在從接觸面朝向第一導(dǎo)熱材料的外圍的方向中，在第一導(dǎo)熱材料中傳導(dǎo)來自所述部件的至少一些熱。在本發(fā)明的另一方面中，第一導(dǎo)熱材料包括第一板，其中至少一些熱在從接觸面朝向第一板的外圍的方向中，在第一板中傳導(dǎo)，并因此通過該導(dǎo)熱介質(zhì)材料傳導(dǎo)到第二導(dǎo)熱介質(zhì)材料。本發(fā)明還可以包括用于幫助從第二導(dǎo)熱材料移出熱的裝置，例如至少一個散熱片或散熱銷。在本發(fā)明的一個方面中，導(dǎo)熱介質(zhì)材料包括氮化鋁、氧化鈹和類金剛石中的一個。高壓、生熱部件可以是X射線發(fā)生器、電子束發(fā)生器、高壓引線或微波發(fā)生器等等。
本發(fā)明的這一方面可以與如上所述的流體分析技術(shù)和光學(xué)部件一起使用。
散熱發(fā)明的另一方面是X射線管組件，包括由高壓、加熱陽極組成的X射線管；以及耦合到陽極的散熱設(shè)備，該散熱設(shè)備包括第一金屬板，具有與陽極熱相接的第一側(cè)和一第二側(cè)；導(dǎo)熱介質(zhì)材料板，具有與第一金屬板的第二側(cè)熱相接的第一側(cè)和一第二側(cè)；以及第二金屬板，具有與導(dǎo)熱介質(zhì)材料板熱相接的第一側(cè)；其中在陽極中產(chǎn)生的熱通過該設(shè)備被傳導(dǎo)遠離陽極的同時，該設(shè)備上的電流損耗被最小化。在本發(fā)明的一個改進方面中，散熱設(shè)備提供用于陽極的結(jié)構(gòu)支撐，例如散熱設(shè)備能基本上提供用于陽極的所有結(jié)構(gòu)支撐。在本發(fā)明的另一方面中，X射線管組件進一步包括與第一金屬板耦合的高壓連接器。
本發(fā)明的這一方面可以與如上所述的流體分析技術(shù)和光學(xué)部件一起使用。
散熱發(fā)明的另一方面是用于制作用于冷卻和電絕緣高壓、生熱部件的設(shè)備的方法，該方法包括提供具有用于接觸該部件的第一表面和一第二表面的第一導(dǎo)熱材料；提供具有第一表面和第二表面的導(dǎo)熱介質(zhì)材料；將第一導(dǎo)熱介質(zhì)材料的第一表面耦合到第一導(dǎo)熱材料的第二表面，使得第一導(dǎo)熱材料和導(dǎo)熱介質(zhì)材料熱連接；提供具有第一表面和第二表面的第二導(dǎo)熱材料；以及將第二導(dǎo)熱材料的第一表面耦合到導(dǎo)熱介質(zhì)材料的第二表面，使得導(dǎo)熱介質(zhì)材料和第二導(dǎo)熱材料熱連接。在本發(fā)明的一個方面中，耦合包括膠粘、粘接、釬焊(soldering)、銅焊(brazing)或焊接(welding)?？梢允褂玫囊环N粘合劑是Dow Chemical的4174導(dǎo)熱硅粘合劑或其等效物。本發(fā)明的另一方面進一步包括使高壓連接器耦合到導(dǎo)電的第一導(dǎo)熱材料。
本發(fā)明的這一方面可以與如上所述的流體分析系統(tǒng)和光學(xué)部件一起使用。
由于可能期望使由X射線設(shè)備產(chǎn)生的X射線射束與內(nèi)部或外部X射線光學(xué)部件對準，因此根據(jù)本發(fā)明的一個方面，X射線射束設(shè)備的部件以這樣一種方式安裝，使得用戶可以調(diào)整X射線射束相對于光學(xué)部件的位置或方向，以便考慮由于熱膨脹引起對準變化等等。此外，由于當X射線管在密封容器內(nèi)被螺栓固定并且該密封容器包含冷卻流體時，使X射線射束與光學(xué)部件對準很難，因此在本發(fā)明的一個方面中，提供X射線射束設(shè)備，其需要很少或不需要冷卻流體。例如，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供具有足夠冷卻的X射線射束設(shè)備，但仍允許使設(shè)備對準，例如精確地對準光學(xué)設(shè)備。
本發(fā)明的這一方面可以與如上所述的流體分析系統(tǒng)和光學(xué)部件一起使用。
有關(guān)本發(fā)明的增強的穩(wěn)定性方面，諸如在如上所述的X射線管中，使用撞擊在陽極上的電子束以生成X射線，能生成足夠使在X射線源內(nèi)支撐和定位X射線管的元件熱膨脹的熱量。該熱膨脹能足夠使從陽極發(fā)散的X射線以及例如用來控制X射線的方向的元件之間未對準。結(jié)果是，以不同功率操作X射線源會導(dǎo)致發(fā)散X射線和聚焦電極間的一范圍內(nèi)的未對準。該未對準可能使X射線源的輸出功率強度大幅改變。未對準還會使用于一些類型的射束控制元件，例如用于針孔或單面反射鏡的X射線光點或X射線射束位置變化。因此，在一個方面中，在此提供X射線源組件，其在操作功率電平的一個范圍內(nèi)具有增強的輸出穩(wěn)定性，以及增強的X射線光點或X射線射束位置穩(wěn)定性。更具體地說，根據(jù)本發(fā)明的一個方面的X射線源組件提供即使改變X射線源的一個或多個操作條件，諸如陽極功率電平、外殼溫度和組件周圍的環(huán)境溫度，也能維持相對恒定的X射線射束輸出強度。
本發(fā)明的這一方面可以與如上所述的流體分析系統(tǒng)、光學(xué)部件和散熱方面一起使用。
為增強穩(wěn)定性，通過提供包括具有電子撞擊在其上的源點的陽極和用于控制陽極源點相對于輸出結(jié)構(gòu)的位置的控制系統(tǒng)的X射線源組件，提供另外的優(yōu)點。即使X射線源組件的一個或多個操作條件改變，該控制系統(tǒng)也能維持陽極源點相對于輸出結(jié)構(gòu)的位置。
本發(fā)明的這一方面可以與如上所述的流體分析系統(tǒng)、光學(xué)部件和散熱方面一起使用。
在本發(fā)明的另一增強穩(wěn)定性的方面中，提供X射線源組件，包括具有用于生成X射線的陽極的X射線管，以及用于聚集由陽極產(chǎn)生的X射線的光學(xué)部件。該X射線源組件進一步包括用于控制光學(xué)部件的X射線輸出強度的控制系統(tǒng)。即使一個或多個X射線源組件的操作條件改變，該控制系統(tǒng)也能維持X射線輸出強度。
本發(fā)明的這一方面可以與如上所述的流體分析系統(tǒng)、光學(xué)部件和散熱方面一起使用。
在本發(fā)明的另一增強穩(wěn)定性的方面中，提出了一種提供X射線的方法，包括提供具有陽極的X射線源組件，其中該陽極具有電子撞擊在其上的源點；以及控制陽極源點相對于輸出結(jié)構(gòu)的位置，其中所述控制包括即使X射線源組件的至少一個操作條件改變，也能維持陽極源點相對于輸出結(jié)構(gòu)的位置。
本發(fā)明的這一方面可以與如上所述的流體分析系統(tǒng)、光學(xué)部件和散熱方面一起使用。
在本發(fā)明的增強穩(wěn)定性的另一方面中，提出了一種提供X射線的方法，包括提供具有包括用于生成X射線的陽極的X射線管和用于聚集由陽極生成的X射線的光學(xué)部件的X射線源組件；以及控制來自該光學(xué)部件的X射線輸出強度，其中所述控制包括即使X射線源組件的至少一個操作條件改變，也能維持來自光學(xué)部件的X射線輸出強度。
本發(fā)明的這一方面可以與如上所述的流體分析系統(tǒng)、光學(xué)部件和散熱方面一起使用。
本發(fā)明的這些和其他實施例以及方面在觀察附圖、下面的說明書和附加權(quán)利要求書后，將變得更顯而易見。


在說明書的結(jié)束部分特別指出和清楚地主張視為本發(fā)明的主題。然而，可能通過參考下述優(yōu)選實施例的詳細描述和附圖，更好地理解本發(fā)明，有關(guān)實施的組織和方法以及其另外的目的和優(yōu)點，其中圖1是能用來實施本發(fā)明的X射線熒光系統(tǒng)的示意性框圖。
圖2是現(xiàn)有技術(shù)X射線管的示意性截面圖，其中本發(fā)明的一個方面是在其上的一種改進。
圖3是本發(fā)明的一個方面的示意性截面圖。
圖4、5和6示例說明本發(fā)明的另一方面的各種透視圖、圖7是本發(fā)明的另一方面的外殼組件的透視圖。
圖8是圖7所示的本發(fā)明的方面的透視圖，其中外科被移去。
圖9是根據(jù)本發(fā)明的另一方面的X射線熒光系統(tǒng)的示意性框圖。
圖10示例說明根據(jù)本發(fā)明的一個方面，高壓元件和冷卻和電絕緣設(shè)備的一個實施例的截面正視圖。
圖11示例說明根據(jù)本發(fā)明的一個方面，圖10的冷卻和電絕緣設(shè)備的詳細情況。
圖12描述根據(jù)本發(fā)明的一個方面，X射線源組件的一個實施例的截面圖。
圖13描述根據(jù)本發(fā)明的一個方面，用于諸如圖12所示的X射線源的，繪制出輸出強度與位移的源掃描曲線的一個例子。
圖14描述圖1的X射線源組件的截面視圖，其示出了根據(jù)本發(fā)明的一個方面解決的源點與光學(xué)部件的未對準；圖15描述根據(jù)本發(fā)明的一個方面，表示用于監(jiān)視源點到光學(xué)部件的位移的不同傳感器位置的圖14的X射線源組件的截面圖；圖16是根據(jù)本發(fā)明的一個方面，在圖12、14和15中所描述的陽極基座組件的一個實施例的截面圖；圖17是根據(jù)本發(fā)明的一個方面，圖12、14和15的陽極疊層的截面圖；圖17A是表示根據(jù)本發(fā)明的一個方面，用于不同陽極功率電平的陽極疊層的元件上的溫度變化的圖；圖17B是根據(jù)本發(fā)明的一個方面，作為陽極功率電平的函數(shù)的參考溫度的變化的圖；圖18描述根據(jù)本發(fā)明的一個方面，增強的X射線源組件的一個實施例的截面圖；圖19描述根據(jù)本發(fā)明的一個方面，用于X射線源組件的控制系統(tǒng)的一個實施例的框圖；圖19A是表示根據(jù)本發(fā)明的一個方面，由圖19的控制系統(tǒng)的處理器實現(xiàn)的處理的一個實施例；圖20是根據(jù)本發(fā)明的一個方面，用于X射線源組件的控制處理的一個實施例的流程圖；以及圖21是根據(jù)本發(fā)明的一個方面，能由圖20的控制處理所使用的示例性的參考溫度表。
具體實施例方式
圖1示例說明用于使物質(zhì)暴露于X射線輻射，以便產(chǎn)生隨后能被檢測并分析以便確定該物質(zhì)的特性的熒光輻射的典型系統(tǒng)10的示意性框圖。這種系統(tǒng)通常包括X射線源12、第一X射線聚焦設(shè)備14、樣本激發(fā)室16、第二X射線聚焦設(shè)備18和X射線檢測器20。X射線源12，例如X射線管產(chǎn)生X射線的射束22。由于X射線射束22通常是發(fā)散射束，因此射束22通過一個或多個X射線聚焦設(shè)備14，而被衍射或聚焦。X射線聚焦設(shè)備14可以是一個或多個雙彎晶體(doubly curved crystal)，例如具有基本上平行的原子面的雙彎曲晶體，諸如在2000年9月22日提交的未決申請09/667,966(律師案號0444.035)中所公開的晶體，其內(nèi)容在此引入以供參考。X射線聚焦設(shè)備可以是一個或多個毛細管型X射線光學(xué)部件或彎曲晶體光學(xué)部件，例如在美國專利6,317,783；6,285,506；5,747,821；5,745,547；5,604,353；5,570,408；5,553,105；5,497,008；5,192,869和5,175,755中公開的光學(xué)部件中的一個，這些專利文獻的內(nèi)容在此引入以供參考。所述一個或多個X射線聚焦設(shè)備產(chǎn)生被引導(dǎo)至樣本激發(fā)室16的聚焦射束24。
在激發(fā)室16中的待測樣品可以是想要了解其特性的任何所需物質(zhì)。樣本可以是固體、液體或氣體。如果樣本是固體，通常將樣本放在相對平的表面，例如X射線反射平面上，例如光反射表面。樣本，如果是固體、液體或氣體，也可以包含在密封容器或室中，例如具有X射線透明孔的密封容器，其中X射線射束能通過該透明孔。當用射束24照射時，通常激發(fā)室16中的樣本的至少一種成分，以這樣一種方式被激發(fā)，使得該成分發(fā)出X射線熒光，即由于被X射線24激發(fā)，產(chǎn)生X射線的二次光源26。同樣，由于X射線射束26通常是X射線的發(fā)散射束，因此通過第二X射線聚焦設(shè)備18，例如與設(shè)備14類似的設(shè)備聚焦射束26，以便產(chǎn)生被引導(dǎo)向X射線檢測器20的X射線的聚焦射束28。對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，顯而易見的是，盡管本發(fā)明的這一和其他方面根據(jù)X射線熒光應(yīng)用進行了描述，但其也可以用在X射線吸收應(yīng)用中。
X射線檢測器20可以是正比計數(shù)器型或半導(dǎo)體型X射線檢測器。通常，X射線檢測器20產(chǎn)生包含被檢測X射線的至少一些特性的電信號30，該電信號30被發(fā)送到分析器32，用于分析、打印輸出或其他顯示。
本發(fā)明的各個方面對圖1中所示的系統(tǒng)10和系統(tǒng)部件提供了進步和改進。根據(jù)圖2和3公開了本發(fā)明的這些方面中的一個方面。圖2示例說明典型的現(xiàn)有技術(shù)X射線管組件34的截面圖，例如由CA，Scotts Valley的Oxford Instruments生產(chǎn)的系列5000 TF5011 X射線管，盡管也可以使用其他類似的X射線管。作為典型，這一現(xiàn)有技術(shù)X射線管34包括圓柱外殼36，其通常包括非導(dǎo)電玻璃外殼。電子束發(fā)生器38和陽極40安裝在外殼34中，通常為如圖所示的方向。陽極40通常是薄固體材料，例如安裝在銅或類似的高導(dǎo)熱率材料的導(dǎo)電陽極上的鎢或鉻。陽極40通常形成為提供表面50，并使圓柱支撐結(jié)構(gòu)41形成為提供用于在外殼36中的陽極40的剛性支撐，以及還使結(jié)構(gòu)41上的氣體容積與結(jié)構(gòu)41下的容積隔離。陽極40還包括穿過外殼36的圓柱非導(dǎo)電支撐44。電連接42為電子束發(fā)生器38提供電力。外殼36通常包括至少一個孔46，用于發(fā)射由X射線管34產(chǎn)生的X射線。外殼36通常將管34的內(nèi)部容積與周圍環(huán)境隔離并且管34的內(nèi)部容積通常具有至少一些形狀或真空，例如約10-6托。
當將例如50瓦特的電力提供到電連接42時，電子束發(fā)生器38產(chǎn)生指向陽極40的表面50的電子束，如箭頭48所示。表面50通常是斜面，例如與管軸傾斜約45度。電子束48與表面50的交互作用產(chǎn)生在所有方向中散射的X射線。所產(chǎn)生的X射線的波長和頻率是提供到電連接42的電力的函數(shù)等等。然而，這些散射的X射線的至少一個路徑用指向孔46的箭頭52表示。X射線射束52的方向通常是管34的方向的函數(shù)。用箭頭52表示的X射線射束通過在孔46中的X射線可滲透阻擋層(permeable barrier)54。X射線可滲透阻擋層54通常由允許通過X射線同時將外殼36的內(nèi)部容積與周圍環(huán)境隔開的鈹(Be)或鈦(Ti)制成。
通過將電子束48撞擊在陽極40上生成的X射線生成大量熱，例如，通常使陽極40的溫度升高到至少60攝氏度，以及能達到鎢的熔點一樣高。因此，通常將管34侵入冷卻和絕緣液56，例如基于石油的油中。管34和液體56通常容納在圓柱外殼58中。外殼58通常不可滲透X射線，例如，外殼58通?？梢允莾?nèi)襯有鉛的。冷卻和絕緣液56的容積及由此的外殼58的大小是X射線管34的冷卻要求的函數(shù)。外殼58還通常包括與管34的孔46對準的孔60以發(fā)射由管34產(chǎn)生的X射線。管34通常通過連接到管34的支架44的支撐結(jié)構(gòu)62，例如通過螺紋連接，剛性地安裝在外殼58中。支架44通常由不導(dǎo)電材料，例如陶瓷材料制成以便使陽極40與外殼58電絕緣。
圖3示例說明根據(jù)本發(fā)明的一個方面的X射線管組件64，其是在圖2所示的現(xiàn)有技術(shù)X射線管組件上的改進。在圖3中出現(xiàn)的許多特征可能基本上與圖2的特征相同，并用相同的標記表示。根據(jù)本發(fā)明的這一方面，X射線管組件64包括具有外殼36的X射線管34′(可以與管34類似)、電子束發(fā)生器38、陽極40和孔46，它們基本上與參考圖2所示例說明和所述的結(jié)構(gòu)相同。然而，根據(jù)本發(fā)明，X射線管組件64包括安裝至或熱耦合至X射線管34′的至少一個導(dǎo)熱、但不導(dǎo)電的材料70。導(dǎo)熱不導(dǎo)電材料(可以稱為導(dǎo)熱介質(zhì)材料)70是具有高導(dǎo)熱率以及高介質(zhì)強度的材料。例如，材料70通常具有至少約100Wm-1K-1的導(dǎo)熱率，并且最好為至少150Wm-1K-1，以及材料70通常具有至少約1.6×107Vm-1的介質(zhì)強度，最好是至少約2.56×107Vm-1。材料70可以是氮化鋁、氧化鈹、類金剛石碳、它們中的組合或它們的等效物或衍生物。在圖3中，材料70示例為圓柱結(jié)構(gòu)，例如圓柱形或矩形圓柱(rectangular cylindrical)結(jié)構(gòu)，盡管材料70可以采用許多不同幾何形狀并提供所需功能。
X射線管64可以通常安裝在外殼158中。外殼158，與圖2中的外殼58類似，通常由X射線不可滲透材料，例如內(nèi)襯鉛的材料、鉛或鎢制成。外殼158可以采取任何適當?shù)男螤?，包括圓柱形和矩形圓柱。在本發(fā)明的一個方面中，外殼158由鎢板制成，以及由于鎢的不良切削性，外殼158最好為矩形圓柱形狀。當然，如果可以產(chǎn)生用于提供制作鎢外殼的其他裝置的方法，這些方法也可以應(yīng)用于本發(fā)明。
根據(jù)本發(fā)明，導(dǎo)熱介質(zhì)材料70允許具體來說將熱傳導(dǎo)遠離陽極40以及總體上說遠離管34′同時最小化或防止具體來說的通過陽極40的電流以及總體上說的通過管34′的電流。在本發(fā)明的這一方面中，支架44′(與圖2的管34的支架44不同)通常由導(dǎo)電材料，例如銅或鋁制成。根據(jù)本發(fā)明的這一方面，經(jīng)支架44′和材料70，使熱傳導(dǎo)遠離陽極40同時材料70使陽極40與例如外部外殼158電絕緣。
與現(xiàn)有技術(shù)的X射線管組件不同，根據(jù)本發(fā)明的這一方面的X射線管34′的溫度能夠通過經(jīng)材料70的表面積，使熱傳導(dǎo)遠離陽極40以及使熱耗散到相鄰的環(huán)境而降低。因此，材料70具體來說冷卻陽極40以及總體上說冷卻管34′以致降低管34′的冷卻需求，或能實現(xiàn)增加陽極40的熱量。例如，在本發(fā)明的一個方面中，材料70的存在提供用于冷卻管34′的充足的手段，由此需要很少或不需要另外的冷卻裝置。在本發(fā)明的另一方面中，材料70的存在提供了用于冷卻管34′的充足手段，由此空氣冷卻提供了管34′的充足冷卻，例如強迫通風(fēng)冷卻(盡管非強迫空氣冷卻特征化了本發(fā)明的一個方面)。在本發(fā)明的另一方面中，材料70的存在提供了用于冷卻管34′的充足冷卻，由此與用于現(xiàn)有技術(shù)的X射線管組件所需的液體相比，需要更少的冷卻和絕緣液體，例如，比現(xiàn)有技術(shù)X射線管組件少至少10％的冷卻液體；通常比現(xiàn)有技術(shù)管組件少至少20％冷卻液體，最好，比現(xiàn)有技術(shù)管組件少至少50％。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，通過增加材料70的表面積，例如通過將散熱片或散熱銷引入到材料70，增加材料70的冷卻能力。在本發(fā)明的另一方面中，通過將散熱片或散熱銷引入到熱耦合到材料70的結(jié)構(gòu)上，獲得另外的冷卻能力。在圖3的剖視圖中示例說明一種這樣的任選結(jié)構(gòu)。圖3包括安裝到或者熱耦合到材料70的板72。由例如銅或鋁的導(dǎo)熱材料制成的板72可以提供用于冷卻的足夠表面積。在本發(fā)明的這一方面中，通過使用散熱片或散熱銷74，提高熱耦合結(jié)構(gòu)的表面積。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，板72和散熱片74由導(dǎo)熱的材料組成以便能使熱傳導(dǎo)遠離例如基于銅、鐵或鋁的材料70。在本發(fā)明的另一方面中，由導(dǎo)熱和防X射線穿透的材料，例如鎢銅制作板72。鎢銅中的銅提供所需電導(dǎo)率同時鎢提供所需X射線屏蔽。具有相同或類似屬性的其他材料也可以用于板72。當板72是雙重材料(duplex material)，象鎢銅時，散熱片70可以簡單的是基于銅或鋁的材料。
圖4、5和6示例說明根據(jù)本發(fā)明的一個方面的X射線源和X射線聚焦設(shè)備組件80以及X射線源組件82。X射線源和X射線聚焦設(shè)備組件80包括X射線源組件82和X射線聚焦設(shè)備84。圖4所示的X射線聚焦設(shè)備84是如在上述美國專利中所公開的多毛細管X射線光學(xué)部件，但設(shè)備84也可以是任何類型的X射線聚焦設(shè)備，例如上述公開的X射線聚焦晶體(focusing crystal)和毛細管型光學(xué)部件。在本發(fā)明的一個方面中，X射線源組件82包括具有如圖3所述和所示例說明的導(dǎo)熱介質(zhì)材料70的至少一個X射線源64。盡管在圖3中，將X射線源組件82示為矩形圓柱形狀，但組件82也可以采用任何方便的幾何形狀，包括圓柱形或球形。組件82經(jīng)電連接86和87接收電力。
圖5示例說明在圖4中所示的X射線源和X射線聚焦設(shè)備組件80的局部剖視圖。如圖5所示，組件80包括X射線源組件82和X射線聚焦設(shè)備84。X射線源組件82包括外殼88、X射線管組件64(如圖3所示)和X射線隔板組件90。根據(jù)本發(fā)明的這一方面，外殼88是圓柱形，例如圓形或矩形圓柱形狀，并由X射線屏蔽材料，例如鉛、內(nèi)襯鉛的材料、鎢、貧鈾或其組合制成。外殼88包括用于發(fā)射由X射線管34′生成的X射線的至少一個穿孔(未示出)以及用于安裝X射線光學(xué)部件84的裝置89。在圖5所示的本發(fā)明的該方面中，安裝裝置89包括在外殼中的穿孔附近的螺栓法蘭連接，通過該穿孔，由X射線管34′生成的X射線被傳遞至光學(xué)部件84。
外殼82還可以包括具有穿孔94的底板92，X射線管組件64可以延伸穿過該穿孔94。例如，如圖5所示，X射線管組件64的散熱片74可以延伸穿過底板穿孔94，例如以便向散熱片74提供空氣通道。如圖中所示，在本發(fā)明的一個方面中，散熱片74可以徑向定向。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，外殼88最好包括使外殼88對準其被安裝至其上的部件的至少一個裝置。例如，外殼88中的該對準裝置可以包括參照X射線管源點的方向的一個或多個定位銷或定位銷孔98。下面將論述這些定位銷孔或銷的調(diào)整和方向。
X射線源組件82還可以包括隔板組件90，用于改變從組件82發(fā)出的X射線的量和類型。根據(jù)本發(fā)明的這一方面，隔板組件90包括具有相對于X射線管組件中的X射線孔，例如相對于圖3所示的孔46可平移的至少一個穿孔96、最好是多個穿孔96的隔板圓柱91。孔96可以改變大小和形狀，或可以包含能用來改變由組件82發(fā)出的X射線的量和類型的一個或多個X射線過濾設(shè)備。盡管隔板組件90可以包括具有一個或多個孔的任何類型的板，但是根據(jù)圖5所示的本發(fā)明的該方面，隔板組件90包括繞X射線管34′的軸安裝并可旋轉(zhuǎn)地安裝到外殼88上的圓柱體91。隔板柱體91可以安裝在盤93上。根據(jù)本發(fā)明的這一方面，可以借助于未示出的裝置，經(jīng)盤93旋轉(zhuǎn)隔板柱體91，來改變孔96相對于管34′的孔的方向(再次參見圖3)。旋轉(zhuǎn)隔板柱體91的裝置可以是手動裝置或自動裝置，例如，通過步進馬達或線性執(zhí)行部件(linear actuator)。
圖6示例說明圖4和5的X射線源和聚焦設(shè)備組件80的視圖，為清楚說明起見，將外殼88的側(cè)面和頂部去除。圖6示例說明了X射線管組件64、隔板柱體組件90以及X射線光學(xué)部件84。圖6還示例說明了將X射線管組件64可調(diào)節(jié)地安裝到外殼88的底板92上。如圖5所示，電連接86可操作地連接到管34′的陽極40，而電連接87可操作地連接到管34′的電子束陽極發(fā)生器38(見圖3)。
根據(jù)本發(fā)明的這一方面，X射線管組件64(具有導(dǎo)熱介質(zhì)材料70)可調(diào)節(jié)地安裝到外殼88上，從而可以改變和優(yōu)化由X射線管34′發(fā)出的X射線的方向和定向，例如優(yōu)化以便與X射線光學(xué)部件84對準。盡管可以使用改變X射線管組件64的定向和對準的許多裝置，包括旋轉(zhuǎn)和平移調(diào)整，但是根據(jù)圖4、5和6所示的本發(fā)明的該方面，X射線管組件64的定向和對準通過至少一個螺桿或螺絲，最好是多個螺桿或螺絲來實現(xiàn)。在圖6所示的該方面中，三個螺絲100穿過底板92并與板72的底表面嚙合。螺絲100可以螺紋安裝入孔中，例如板72中的螺紋孔，或可以簡單地支撐板72的底表面?？梢允謩踊蜃詣拥貙嵤┞萁z100或任何其他調(diào)整裝置的調(diào)整。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，定向或管組件64的調(diào)整是可以與外殼88對齊的。即，在本發(fā)明的一個方面中，由X射線管34′產(chǎn)生的X射線射束的定向可與外殼88以及與X射線源組件82配套的部件的對準對齊。例如，X射線聚焦設(shè)備或樣本激發(fā)室可以通過簡單地與外殼上的一個或多個基準點對準，與X射線管34′對準。在圖4、5和6所示的本發(fā)明的該方面中，由X射線管34′產(chǎn)生的X射線射束的定向和對準與外殼88上的一個或多個定位銷或定位銷孔98對齊。其結(jié)果是，通過適當?shù)厥古涮撞考c定位銷或孔98對準，能相應(yīng)地使配套部件與管34′的X射線射束例如通過很少的調(diào)整或沒有進一步的調(diào)整而對準。
圖7示例說明根據(jù)本發(fā)明的另一方面的X射線熒光組件110。X射線熒光組件110包括X射線源組件112、樣本激發(fā)室組件116和X射線檢測器組件120。組件110還包括未示出的至少一個X射線聚焦設(shè)備(通常至少兩個設(shè)備)。所有這些設(shè)備均集成為具有外殼115的單個組件110。
圖8示例說明圖7所示的X射線熒光系統(tǒng)110，但將外殼115去除以便顯示X射線源組件112、樣本激發(fā)室組件116、X射線檢測器組件120和兩個X射線聚焦設(shè)備114和118之間的代表性空間關(guān)系。以與圖1所示的系統(tǒng)10類似的方式，X射線源組件112產(chǎn)生X射線射束122，該射束122由X射線聚焦設(shè)備114聚焦以便在激發(fā)室組件116中的待測的樣本上產(chǎn)生聚焦射束124。由樣本激發(fā)室組件116中的樣本的X射線輻射產(chǎn)生的X射線熒光生成X射線熒光射束126。射束126被X射線聚焦設(shè)備118聚焦以便產(chǎn)生指向X射線檢測器組件120的聚焦X射線射束128。源組件112、容器組件116和檢測器組件中的每一個分別包括安裝法蘭113、117和121，用于將每個組件安裝到外殼115上。X射線聚焦設(shè)備114和118還包括用于將這些設(shè)備安裝到外殼115的裝置。
在現(xiàn)有技術(shù)的XRF檢測方法中，例如在D2622方法，樣本激發(fā)路徑和檢測路徑被保持在惰性氣體氣氛中，例如在氦氣氛中。然而，惰性氣體的可用性，特別是在遠程位置中，使得這些現(xiàn)有技術(shù)工藝的實現(xiàn)很不方便。相反，在本發(fā)明的一個方面中，樣本激發(fā)路徑和檢測路徑維持在真空下，并且不需要惰性氣體。例如，在圖7和8所示的系統(tǒng)110中，外殼115被保持在真空下，例如至少約15托下。真空可以通過不具有移動部件的文氏管泵(venturi pump)提供。然而，如果需要并且可用，在本發(fā)明的另一方面中，也可以引入惰性氣體諸如氮或氦并維持在外殼115中，例如在壓力下。在本發(fā)明的另一方面中，可以加熱或冷卻外殼115，例如通過直接或間接熱交換器或經(jīng)輻射或?qū)α骷訜峄蚶鋮s裝置，來進行加熱或冷卻。在本發(fā)明的另一方面中，外殼115可以不加壓并且實質(zhì)上包含大氣壓力和溫度。
X射線源組件112可以包括任何類型的X射線源，但源組件112最好包括與圖4、5和6所示的源組件82類似或相同的源。即，源組件112最好包括具有導(dǎo)熱介電的X射線管組件，諸如材料70，并可調(diào)整地安裝到其外殼上以及可以經(jīng)定位銷或定位銷孔與相鄰部件例如孔115對齊。
X射線聚焦設(shè)備114和118可以是先前描述的聚焦設(shè)備中的任何一個，例如雙彎晶體或多毛細管光學(xué)元件。盡管在圖8中所示的X射線聚焦設(shè)備114和118顯示為雙彎晶體，但是也可以將其他類型的X射線光學(xué)部件用于系統(tǒng)110，包括如在上述引用的美國專利中所公開的多毛細管、單片X射線光學(xué)部件。
在一些現(xiàn)有技術(shù)的XRF方法中(例如仍然是D2622方法)，使用多色X射線實施樣本激發(fā)。其中，使用多色X射線激發(fā)要求使用至少兩個X射線波長以便校正在多色激發(fā)中固有的誤差。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，使用單色X射線，實施例如通過X射線聚焦設(shè)備114的激發(fā)。使用單色激發(fā)避免了對于當使用多色激發(fā)時通常需要的檢測誤差的校正的需要。例如，在本發(fā)明的一個方面中，由于沒有軔致輻射照明，因此降低了背景輻射水平。其結(jié)果是，本發(fā)明通過使用單色激發(fā)，提供了比現(xiàn)有技術(shù)方法更高的信噪比。
X射線樣本激發(fā)室組件116可以包括任何類型的腔或表面，用于保存或保持用于測試的樣本，例如固體、液體或氣體樣本。在本發(fā)明的一個方面中，樣本激發(fā)室組件116包括導(dǎo)管123和125，分別用于引入樣本和從樣本激發(fā)室116移出樣本，例如用于連續(xù)液體(例如氣體或液體)分析。
現(xiàn)有技術(shù)XRF方法(例如D2622方法)通常要求樣本大小為直徑至少25mm，通常更大。在本發(fā)明的一個方面中，通過具有X射線聚焦設(shè)備，樣本直徑可以小于直徑25mm，甚至小于直徑10mm，或甚至小于直徑3mm。具有這么小的樣本直徑的能力允許更小的照明區(qū)和更穩(wěn)定的激發(fā)和檢測。
X射線檢測器組件120可以包括能接收X射線射束128，例如聚焦的X射線射束的任何類型的X射線檢測器。檢測器組件120可以包括正比計數(shù)器型X射線檢測器或半導(dǎo)體型X射線檢測器。在本發(fā)明的一個方面中，X射線檢測器120包括至少一個PIN二極管型X射線檢測器。
典型的現(xiàn)有技術(shù)XRF方法(例如仍然是D2622方法)將正比計數(shù)器用作X射線檢測器。然而，正比計數(shù)器型檢測器通常要求大的檢測面積或長的檢測時間以便計數(shù)盡可能多的光子。另外，正比計數(shù)器型檢測器通常在它們的檢測面積上具有“窗口”。盡管對高能X射線來說，存在窗口是無關(guān)緊要的，但當使用正比計數(shù)器型檢測器檢測低能X射線時，窗口的存在可能會與透射的X射線干擾。使窗口更細小以避免這些干擾，增加了氣體泄漏的可能性。然而，在本發(fā)明的一個方面中，使X射線聚焦在檢測器上避免了對于大檢測面積、長檢測時間或作為正比計數(shù)器型檢測器的特征的窗口的需要。
在現(xiàn)有技術(shù)方法(諸如D2622方法)中所使用的另一類型的檢測器使用半導(dǎo)體型檢測器。半導(dǎo)體型檢測器通常比正比計數(shù)器型檢測器更佳，因為其中，半導(dǎo)體型檢測器尺寸更小。例如，正比計數(shù)器型檢測器通常具有約大于半導(dǎo)體型檢測器的檢測器面積500倍的檢測器面積。另外，半導(dǎo)體型檢測器實現(xiàn)比正比計數(shù)器型檢測器更高的分辨率和更好的分辨X射線能量。然而，半導(dǎo)體型檢測器通常在尺寸方面有限制，因為隨著半導(dǎo)體型檢測器的尺寸增加，半導(dǎo)體“漏電流”增加，產(chǎn)生不期望的檢測噪聲。另一方面，減小半導(dǎo)體型檢測器的尺寸降低了由于漏電流而產(chǎn)生的檢測噪聲。然而，通常，半導(dǎo)體型檢測器還在檢測器可能是多小方面有限制，因為當半導(dǎo)體型檢測器變得更小時，檢測器檢測效率開始下降。
通常，為增加半導(dǎo)體型檢測器的性能，半導(dǎo)體型設(shè)備被冷卻，例如在任何地方，從約負10攝氏度冷卻到約77絕對溫度。然而，冷卻這些設(shè)備很昂貴并且不方便。另外，冷卻半導(dǎo)體型檢測器引入了在檢測器上形成凝結(jié)物的可能性，其干擾檢測器性能。降低在冷卻檢測器上形成凝結(jié)物的可能性一種方法是將檢測器保持在惰性氣體環(huán)境中，例如使用氮氣的窗口后面。有時，使用真空代替惰性氣體以便限制由于惰性氣體而出現(xiàn)的熱傳遞。然而，同樣地，將惰性氣體或真空用于半導(dǎo)體型檢測器不方便且昂貴，最好是避免。
本發(fā)明避免或克服了使用半導(dǎo)體型檢測器的一些缺點。首先，由于使用X射線聚焦設(shè)備聚焦了激發(fā)射束，避免了正比計數(shù)器型檢測器的大的檢測面積。根據(jù)本發(fā)明的X射線的聚焦更適合于半導(dǎo)體型檢測器。根據(jù)本發(fā)明的X射線能量或通量的聚焦和集中，特別是使用單色X射線的X射線能量或通量的聚焦和集中，稍微抵消了當減小半導(dǎo)體型檢測器的尺寸時通常出現(xiàn)的分辨率損失。其結(jié)果是，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，能在大于-10攝氏度的溫度，例如大于0攝氏度，或大于10攝氏度時，或甚至在約室溫(約20攝氏度)或以上的溫度下操作半導(dǎo)體型檢測器，例如與正比計數(shù)器型檢測器的性能相比，具有性能方面很少的能感覺到的損失。
另外，沒有了對于通常要求一些形式的保護“窗”以避免冷卻表面上的凝結(jié)物的冷卻的需要，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，不需要保護窗。即，本發(fā)明的一個方面是無窗口的半導(dǎo)體型X射線檢測器，用于在高于0攝氏度的溫度時或在約室溫或更高時使用。
能用在X射線熒光系統(tǒng)中的一種類型的半導(dǎo)體型檢測器是PIN二極管型半導(dǎo)體檢測器，例如硅PIN二極管。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，用于一種這樣的PIN二極管檢測器的規(guī)格出現(xiàn)在表1中。根據(jù)本發(fā)明的PIN二極管可以安裝到前置放大器板上并通過電纜連接到放大器上。
表IPIN二極管型X射線檢測器規(guī)格類型Si-PIN有效面積(二極管)2.4mm×2.4mm(5.6mm2)厚度(二極管)500μm檢測器窗8μm DuraBeryllium檢測器外殼 TO-8頭部0.600英寸直徑準直器類型 0.060英寸鋁具有檢測器的檢測器前置放大器2英寸×1英寸電路板放大器板3英寸×5英寸電路板電纜長度0至6英尺檢測器分辨率，Mn Kα(55FE) 25攝氏度下的500eV(典型)檢測器分辨率，Mn Kα(55FE) 40攝氏度下的700eV(典型)背景取數(shù)待確定能量轉(zhuǎn)換5mV/KeV(典型)；10mV/KeV(最大)最低檢測限度1Kev峰值漂移在25-40攝氏度間的溫度下為2％噪聲計數(shù)在25攝氏度的溫度下為＜0.01cps電源輸入+/-12V(典型)低電平鑒別器0V(最小)9V(最大)高電平鑒別器0V(最小)9V(最大)能量輸出脈沖9V(最大)TTL輸出脈沖 5V(典型)
圖9示例說明根據(jù)本發(fā)明的另一方面，用于分析流體，通常是連續(xù)地分析流體的X射線熒光系統(tǒng)210。X射線熒光分析系統(tǒng)210通常包括至少一個X射線熒光組件212，例如圖7和8所示的具有X射線源組件112、X射線樣本激發(fā)室組件116、X射線檢測器組件120和一個或多個X射線聚焦設(shè)備114、118的X射線熒光系統(tǒng)110，盡管也可以使用執(zhí)行類似功能的其他組件。系統(tǒng)210還包括流體入口214、流體出口216和流體凈化入口218。入口214、出口216和凈化入口218也可以包括手動或自動隔離閥(未示出)。被引入到流體入口214的流體可以是能經(jīng)X射線熒光分析的任何類型的液體或氣體，但在本發(fā)明的一個方面中，該流體是燃料，例如流體燃料，諸如基于石油的燃料，例如汽油、柴油燃料、丙烷、甲烷、丁烷或煤氣等等。能經(jīng)X射線熒光檢測的基于石油的燃料的一種成分是硫，盡管也能檢測其他組分。在本發(fā)明的一個方面中，由系統(tǒng)210分析的流體是其中柴油燃料中的硫的含量被特征化的柴油燃料，例如硫的濃度被確定。用于特征化柴油燃料中的含硫量的系統(tǒng)可以按照NY，Albany的X-Ray Optical Systems公司的商標SINDIETM來購買。
通過210的流體的流動借助于各種傳統(tǒng)的流動和壓力控制設(shè)備，例如一個或多個控制閥222、224、流量計226和壓力指示器228來調(diào)節(jié)和監(jiān)視?？刂崎y222、224通常是雙向或三向閥并且可以是手動或自動控制閥。系統(tǒng)210的控制和操作可以是手動控制或經(jīng)控制器220自動控制?？刂破?20通常包含一個或多個傳統(tǒng)的可編程邏輯控制器(PLC)、功率輸入、功率調(diào)節(jié)器、信號輸入、信號處理器、數(shù)據(jù)分析器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備?？刂破?20經(jīng)圖9的剖視圖中所示的各種電連接，從監(jiān)視和控制設(shè)備接收輸入信號并將適當?shù)目刂葡到y(tǒng)引導(dǎo)至監(jiān)視和控制設(shè)備。系統(tǒng)210可被容納在一個或多個箱、外殼或機殼230中，例如，流體處理設(shè)備可以位于一個箱中而控制器220位于分開的箱中。箱或機殼通常是NEMA 4/12凈化機殼。系統(tǒng)210可以是固定或便攜式的。
下述描述將具體地描述用于檢測柴油燃料中的硫的本發(fā)明的應(yīng)用，即SINDITM系統(tǒng)，但對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說顯而易見的是，本發(fā)明可以應(yīng)用于柴油燃料的其他成分或包含硫或其他成分的其他流體。系統(tǒng)210的操作進行如下。使X射線分析組件212通電，例如經(jīng)來自控制器220的電連接211。將通常包含至少一些硫的柴油燃料經(jīng)入口214引入到系統(tǒng)210并通過閥224傳遞，并經(jīng)導(dǎo)管215進入X射線分析組件212中。柴油燃料被引入到系統(tǒng)212中的X射線暴露組件的X射線暴露室(例如經(jīng)圖8中的導(dǎo)管123)，在這里，使柴油燃料暴露于X射線，至少一些硫X射線發(fā)出熒光并且由系統(tǒng)212檢測硫存在。對應(yīng)于由系統(tǒng)212檢測到的硫的電信號被傳送到控制器220，用于數(shù)據(jù)分析和或顯示。柴油燃料退出暴露室(例如經(jīng)圖8中的導(dǎo)管125)并通過導(dǎo)管217，然后經(jīng)出口216從系統(tǒng)210排出。導(dǎo)管217中的燃料的流量的壓力和流速可以分別通過流量測量設(shè)備226(例如旋轉(zhuǎn)流量計)和壓力指示器228(例如壓力計)，以及分別經(jīng)電連接227和228轉(zhuǎn)送到控制器220的相應(yīng)的信號來檢測。通過閥222和224的流動方向(和通過其的流速)可以例如響應(yīng)于由流量計226或壓力指示器228檢測的流量和壓力，分別經(jīng)控制信號223和225，由控制器220來調(diào)節(jié)。凈化入口218可被用來將液體或氣體凈化引入到系統(tǒng)中，例如水、空氣或氮，或用來引入具有已知含硫量的燃料，用于系統(tǒng)校準。凈化的方向和流量可以經(jīng)閥222和224手動或自動控制。
同樣地，對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說顯而易見的是，系統(tǒng)210，即SINDIETM系統(tǒng)的緊湊和堅固的設(shè)計適合于分析許多類型的流體。然而，當用于分析基于石油的燃料時，系統(tǒng)210能用于原油井處、油貯藏設(shè)備、燃料精煉廠中、燃料分布管線或網(wǎng)絡(luò)的任何地方、或期望了解基于石油的燃料的含硫量的任何別的地方的硫分析。使用系統(tǒng)210消除了如通常在燃料的硫分析的傳統(tǒng)方法中所需要的樣本制備和分析試劑的需要。系統(tǒng)210提供連續(xù)、快速、在線的燃料硫含量因此能盡可能快速地實現(xiàn)質(zhì)量評估和控制。用于圖9所示的系統(tǒng)的一些分析和物理規(guī)格出現(xiàn)在表II中。
表II用于圖9所示的本發(fā)明的方面的分析和物理規(guī)格檢測范圍 5ppm(mg/kg)至50,000ppm檢測限度 1ppm(典型)可重復(fù)性 5％RSD(10-200ppm)操作溫度 -18至50攝氏度通信 基于RS 232/485串行輸出的10T/以太網(wǎng)設(shè)備網(wǎng)Profibus-DP以及任選的DCS系統(tǒng)遠程診斷能力 是最大輸入燃料流壓力100PSIG氮氣凈化 干，在80-100PSIG下功率 110VAC50/60Hz，500瓦特重量 250磅(近似)尺寸 78英寸H×24英寸W×18英寸D本發(fā)明的改進的散熱方面根據(jù)本發(fā)明的進一步的散熱方面，圖10示例說明了根據(jù)本發(fā)明的一個方面，具有高介質(zhì)強度和導(dǎo)熱冷卻和導(dǎo)熱冷卻及電絕緣設(shè)備的X射線射束組件1100的截面圖。X射線射束組件1100包括X射線不可滲透機殼1160，其包含通常由玻璃或陶瓷制成的、具有透射窗1110的真空密閉X射線管1105。在圖10中，僅部分示出機殼1160，但應(yīng)理解到機殼1160通?？梢园鼑麄€X射線射束組件1100。X射線管1105容納相對高壓(HV)陽極1125排列的電子槍1115。電子槍1115是由于電壓而以電子束，即電子束(e-beam)1120的形式發(fā)射電子的設(shè)備，如本領(lǐng)域所公知的。HV陽極1125充當靶，電子束撞擊到其上，其結(jié)果是產(chǎn)生X射線輻射1130，即X射線，如本領(lǐng)域所公知的。
電子槍115通常保持在地電勢(例如約0伏)而HV電極1125保持在高壓電勢，通常在約50Kv或更高。結(jié)果是，從處于地電勢的電子槍115發(fā)射出的電子束1120被電吸引到處于高壓電勢的HV陽極1125的表面上，從而產(chǎn)生X射線1130。電子束1120撞擊陽極1125，而X射線1130從陽極1125，從陽極1125上被稱為X射線1130的“焦點”1127的位置發(fā)射。在焦點1127處的陽極1125的表面的方位角允許X射線1130指向透射窗1110。透射窗1110通常由允許X射線1130射出X射線射束組件1100，同時維持X射線管1105中的真空得X射線透射材料，諸如鈹?shù)鹊戎瞥?。在本發(fā)明的一個方面中，例如，當使用更高能量的X射線時，例如20Kev光子或更高時，可以不需要窗口，X射線可以穿過X射線管，例如玻璃X射線管，而不需要窗口。
與撞擊表面相對的HV陽極1125的末端通常突出X射線管1105的本體并機械地、熱或電耦合(例如連接)到基座組件1135。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，基座組件1135是三板結(jié)構(gòu)，包括由導(dǎo)熱材料制成的第一板1140、由介質(zhì)材料制成的第二板1150和由導(dǎo)熱材料制成的第三板，或基板1145。第一板1140通過第二、介質(zhì)板1150至少部分與第三板1145電絕緣。在本發(fā)明的一個方面中，第一板1140充當熱擴散器(thermal spreader)，即，板1140在有限面積，例如板1140上的小的位于中央的有限面積上從陽極1125接收熱，并將熱散布到板1140的更大面積以便于進一步散熱?？梢詫⒒M件1135安裝到外殼1160上。在本發(fā)明的一個方面中，基座組件1135至少支持陽極1125并且可以支持X射線管1105。在本發(fā)明的一個方面中，板1140和陽極1125包括單個集成部件，例如由單塊金屬加工的部件或鍛造為單個部件。在本發(fā)明的另一方面中，板1140和陽極1125是用傳統(tǒng)手段，例如通過釬焊、銅焊、焊接，或通過粘合劑，例如導(dǎo)電粘合劑聯(lián)接的分開的部件。在本發(fā)明的一個方面中，基座組件1135僅為X射線管1105提供結(jié)構(gòu)支撐。在圖11中提供了基座組件1135內(nèi)的互連的進一步的詳細情況。
在本發(fā)明的一個方面中，板1140、板1145或板1140和1145兩者可以包括在板1150上(或類似結(jié)構(gòu)上，諸如條、塊或圓柱)導(dǎo)電材料的涂層或?qū)印Ｔ诒景l(fā)明的一個方面中，對應(yīng)于板1140、板1145或板1140和1145兩者的導(dǎo)電材料的涂層或?qū)涌梢园ㄎ挥诎?150(或類似結(jié)構(gòu))上的或通過化學(xué)氣相淀積或噴涂等等方法施加于其上的導(dǎo)電材料(例如銅等等)的層。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，基座組件1135可以包括由導(dǎo)熱介質(zhì)材料制成的單獨的板或部件結(jié)構(gòu)，例如單獨的板1150(或類似結(jié)構(gòu)，諸如條、塊或圓柱)，并且可以省略板1140和板1144，或相應(yīng)的結(jié)構(gòu)。板1150可以直接位于陽極1125上并且提供用于冷卻陽極1125的足夠的熱路徑。
在本發(fā)明的另一方面中，基座組件1135可以包括兩個板或兩個部件的結(jié)構(gòu)，其中可以省略板1140或板1145(或等效的結(jié)構(gòu))。在本發(fā)明的一個方面中，陽極1125可以位于導(dǎo)熱介電材料諸如板1150上(或類似的結(jié)構(gòu)，諸如條、塊或圓柱上)，并且導(dǎo)電板1145可以位于板1150上(或類似結(jié)構(gòu)上)以及提供用于冷卻陽極1125的足夠的熱路徑。在本發(fā)明的一個方面中，導(dǎo)熱板1145(或其等效)的功能可以通過施加于導(dǎo)熱介質(zhì)材料，諸如板1150(或類似結(jié)構(gòu))的導(dǎo)電材料的層或涂層來提供。在本發(fā)明的一個方面中，可以通過化學(xué)氣相沉積、噴涂或類似的工藝，來施加導(dǎo)電材料(例如銅)的層或涂層。在本發(fā)明的一個方面中，導(dǎo)熱介質(zhì)板1150的功能可以通過施加于導(dǎo)電板1145(或其等效物)的導(dǎo)熱介質(zhì)材料的層或涂層來提供。在本發(fā)明的一個方面中，導(dǎo)熱介質(zhì)材料的層或涂層可以是類金剛石碳(DLC)，例如通過化學(xué)氣相沉積施加于板1145(或其等效物)上的DLC。在本發(fā)明的一個方面中，導(dǎo)熱介質(zhì)材料的層或涂層充當熱擴散器以便將來自陽極1125的熱分布到導(dǎo)體板1145上。
另外，在本發(fā)明的另一兩部件方面中，陽極1125可以位于導(dǎo)熱、導(dǎo)電材料，諸如板1140上(或類似結(jié)構(gòu)，諸如條、塊或圓柱上)，而導(dǎo)熱介質(zhì)材料(諸如板1150或類似結(jié)構(gòu))可以位于板1140上(或類似結(jié)構(gòu)上)并提供用于冷卻陽極1125的足夠的熱路徑。同樣，在本發(fā)明的一個方面中，導(dǎo)電板1140(或其等效物)的功能可以通過施加于導(dǎo)熱介質(zhì)材料諸如板1150(或類似結(jié)構(gòu)上)的導(dǎo)電材料層來提供。
在本發(fā)明的雙部件或三部件實施例中，板1140和1145可以是圓形板，例如2英寸直徑盤狀板，盡管根據(jù)本發(fā)明，也可以采用任何傳統(tǒng)形狀的板，例如三角形、方形或矩形。板1140和1145可以由導(dǎo)熱材料形成，例如高導(dǎo)熱材料，諸如含銅的材料，例如銅；含鋁的材料；含銀的材料；含金的材料；金剛石材料，例如類金剛石碳；或這些材料的兩種或多種的組合。在本發(fā)明的一個方面中，板1140和1145還可以包括導(dǎo)電材料，例如上述材料的一種。板1140和1145可以具有在約0.1英寸到約0.5英寸范圍內(nèi)的厚度，例如約0.25英寸的厚度。在本發(fā)明的一個方面中，板1140和1145可以為約相同的尺寸，例如可以具有約相同的直徑。然而，在本發(fā)明的一個方面中，板1140和1145形成不同尺寸，例如如圖10所示，板1145可以大于板1140，例如在直徑方面更大。基板1145還可以包括一些結(jié)構(gòu)或安裝裝置以便支撐和容納X射線射束組件1100的整體結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的一個方面中，板1140和板1145的厚度可以比板1140的表面積小。例如，在本發(fā)明的一個方面中，板1140或板1145的表面積(平方英寸)與厚度的比(按英寸)通常可以為至少約5∶1。在本發(fā)明的一個方面中，板1140或板1145的表面積與其厚度之比可以在約10∶1和約100∶1之間。在本發(fā)明的一個方面中，板1140的直徑為約2英寸而板1140的厚度為約0.25英寸，其對應(yīng)于約12.5∶1的面積與厚度比。
在本發(fā)明的單部件、雙部件和三部件實施例中，介質(zhì)板1150還可以是圓形板，盡管也可以使用任何傳統(tǒng)形狀的板，如上述參照板1140和1145的描述。板1150可以小于板1140和1145，例如，當板1140、1145和1150為圓形時，板1150可以在直徑方面小于板1140和1145。在本發(fā)明的一個方面中，板1150可以為盤形并具有約1.5英寸的直徑。板1150可以由在高壓下提供高導(dǎo)熱率的材料，諸如氧化鈹陶瓷、氮化鋁陶瓷、類金剛石碳或它們的衍生物或等效物形成。其結(jié)果是，介質(zhì)板1150可以具有高介質(zhì)強度同時也可以是良好的導(dǎo)熱體。例如，在本發(fā)明的一個方面中，介質(zhì)板1150包括具有每K度每米至少約150瓦特(W/m/K)的導(dǎo)熱率和和每米至少約1.6×107伏(V/m)的介質(zhì)強度的材料。介質(zhì)板1150可以具有在約0.1英寸和約0.5英寸的范圍內(nèi)的典型厚度，例如約0.25英寸的厚度。在本發(fā)明的一個方面中，與介質(zhì)板1150的表面積相比，介質(zhì)板1150的厚度可以很小。例如，在本發(fā)明的一個方面中，板1150的表面積(平方英寸)與厚度(英寸)之比通常為至少約5∶1。在本發(fā)明的一個方面中，介質(zhì)板1150的表面積與其厚度之比可以在約5∶1和約100∶1之間。在本發(fā)明的一個方面中，板1150的直徑具有約1.5英寸的直徑以及約0.25英寸的厚度，其對應(yīng)于約7.0∶1的面積厚度比。
氧化鈹陶瓷具有約銅的2/3的典型的導(dǎo)熱率，而氮化鋁陶瓷具有銅的約1/2的導(dǎo)熱率。在本發(fā)明的一個方面中，將氧化鈹陶瓷用于形成介質(zhì)板1150。在本發(fā)明的一個方面中，氮化鋁陶瓷用于形成介質(zhì)板1150。在一些應(yīng)用中，氮化鋁陶瓷是優(yōu)選的，因為氧化鈹是有毒物質(zhì)，因此，對制造工藝或?qū)Νh(huán)境原因來說，不是所期望的。相反，氮化鋁陶瓷是易于起作用的效能成本合算、無毒的氧化鈹?shù)奶娲桨浮?br> 在本發(fā)明的一個方面中，導(dǎo)體板1140、1145和介質(zhì)板1150是平的以便最小化板間的粘接材料的量。例如，在本發(fā)明的一個方面中，盤1140和1145的表面以及盤1150的表面是平的以便在至少約0.001英寸內(nèi)。
在本發(fā)明的一個方面中，HV陽極1125至少熱連接到板1140。在本發(fā)明的另一方面中，陽極1150至少熱連接并且電連接到板1140。在本發(fā)明的又一方面中，陽極1125機械連接、熱連接并且電連接到基座組件1135的板1140。在本發(fā)明的另一方面中，板1140可以至少電連接到高壓源，例如經(jīng)HV引線1155。在本發(fā)明的另一方面中，板1140機械連接、熱連接以及電連接到高壓源，例如，經(jīng)HV引線1155。HV引線1155可以連接到板1140，如在2002年7月26日提交的，即與本申請同一天提交的、共同未決申請序列號No.10/206,531(律師案號0444.058)中所公開的，其內(nèi)容在此引入以供參考。因此，在本發(fā)明的另一方面中，將高壓電勢提供到板1140和HV陽極1125。相反，基板1145通常保持在約地電勢。在本發(fā)明的一個方面中，介質(zhì)板1150提供高壓板1140和接地基板1145間的電絕緣。同樣，下面參考圖11，提供所有互連的進一步的詳細情況。
在本發(fā)明的另一方面中，高壓電纜1155可以通過除經(jīng)1140外的裝置與陽極1125電通信。例如，在本發(fā)明的一個方面中，電纜1155例如通過共同未決申請序列號No.10/206,531(律師案號0444.058)中公開的電連接，直接連接到陽極1125。例如，在陽極1125直接位于導(dǎo)熱介質(zhì)材料，諸如板1150上的本發(fā)明的一個方面中，電纜1155可以直接連接到陽極1125。在本發(fā)明的另一方面中，電纜1155經(jīng)其他裝置，例如與結(jié)構(gòu)1135無關(guān)的裝置與陽極1125通信。
在本發(fā)明的一個方面中，具有電子槍1115和HV陽極1125的X射線管1105、基座組件1135和HV引線1155被均容納在機殼1160中，從而形成X射線射束組件1100。機殼1160可以用也被稱為密封劑的密封材料1162來填充，例如封裝X射線射束組件1100的元件的封裝材料，諸如硅酮封裝材料或其等效物。如圖10所示，X射線射束組件1100的一些元件可以突出機殼1160之外，諸如基座組件1135。機殼1160密封劑1162可以形成可能沒有氣囊的并且可能用來經(jīng)密封劑1162或外殼1160，將X射線射束組件1100的許多表面與周圍環(huán)境，例如周圍空氣隔離的結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的一個方面中，密封劑1162包括具有至少約1.6×107V/m的擊穿電壓的材料，例如硅酮填充材料或其等效物。在本發(fā)明的另一方面中，密封劑1162的熱屬性對密封劑1162的功能來說不重要，例如，包含密封劑1162的材料可能不需要良好的熱導(dǎo)體?？梢杂米髅芊鈩?162的材料是硅酮材料，例如硅酮彈性體，諸如Dow Sylgard184硅酮彈性體，或其等效物。
圖11示例說明根據(jù)本發(fā)明的一個方面的基座組件1135的詳細的截面圖。在本發(fā)明的一個方面中，基座組件1135用作高介質(zhì)強度和導(dǎo)熱散熱設(shè)備。在本發(fā)明的另一方面中，基座組件1135用作高介質(zhì)強度和導(dǎo)熱散熱設(shè)備以及用于X射線射束組件1100的結(jié)構(gòu)支撐。
圖11示例說明HV陽極1125至少熱連接到板1140，盡管在本發(fā)明的一個方面中，陽極1125機械連接、熱連接以及電連接到板1140。在本發(fā)明的一個方面中，陽極1125經(jīng)傳統(tǒng)手段，例如一個或多個機械緊固件、焊接、銅焊、釬焊、粘合劑等等機械連接到板1140上。在本發(fā)明的一個方面中，陽極1125經(jīng)安裝雙頭螺栓1205、接合層1210或其組合，連接到板1140上。安裝雙頭螺栓1205可以是由導(dǎo)電材料，例如鋼、鋁、銅或上述其他導(dǎo)電材料終的一種形成的帶螺紋的銷子。在圖11所示的本發(fā)明的方面中，安裝雙頭螺栓1205被擰螺絲進入HV電極1125和板1140中。接合層1210可以由例如高電導(dǎo)率焊料，諸如銦錫(In-Su)焊料，例如In-Sn低熔點焊料或其等效物形成。
板1140、1145和1150也可以通過傳統(tǒng)的手段，例如使用一個或多個機械緊固件、焊接、銅焊、釬焊、粘合劑等等彼此連接。在本發(fā)明的一個方面中，分別經(jīng)接合層1215、1220，使介質(zhì)板1150連接到板1140以及使板1145連接到介質(zhì)板1150。接合層1215、1220可以是例如與用于上述接合層1210的焊料類似的高電導(dǎo)率焊料。在本發(fā)明的一個方面中，板1145包括用于支撐或安裝基座組件1135的裝置，其也可以支撐X射線射束組件1100，或至少支撐陽極1125。盡管用于支撐基座組件1135的裝置可以是任何傳統(tǒng)的支撐裝置，但在本發(fā)明的一個方面中，板1145包括至少一個安裝孔1405，例如至少一個帶螺紋的安裝孔。
X射線射束組件1100可以包括用于傳導(dǎo)和耗散來自板1145的熱的另外的裝置。在本發(fā)明的一個方面中，板1145可以可操作地連接到用于傳導(dǎo)和耗散來自板1145的熱的傳統(tǒng)的裝置。例如，板1145可以可操作地連接到一個或多個散熱片或散熱銷。在本發(fā)明的另一方面中，也可以將板1145或散熱片或散熱銷暴露至強迫通風(fēng)冷卻，例如通過風(fēng)扇，例如安裝到X射線射束組件1100的電風(fēng)扇的強迫通風(fēng)冷卻。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，板1140和1145包括平滑的邊緣，例如圖11所示的切成圓角的邊緣。根據(jù)本發(fā)明的這一方面，切成圓角的邊緣使得圍繞板的邊緣的電場梯度最小化，以便降低用于板1140和1145之間放電的電勢。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，基座組件1135提供用于X射線射束組件1100的機械支撐，特別是用于高壓陽極1125的支撐，例如很少或沒有直接來自X射線射束組件1100的低電壓或接地部件的支撐。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，由基座組件1135提供的機械支撐還包括用于將熱從X射線射束組件1100去除的熱傳導(dǎo)路徑。在本發(fā)明的另一方面中，除機械支撐或?qū)嵬?，基座組件1135還可以提供至少一些電絕緣，其中在基座組件1135上很少或沒有電流損失，即最小化來自陽極1125或來自X射線射束組件1100的任何其他高壓部件的電流損耗。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，基座組件1135提供有效的耗散裝置，例如傳導(dǎo)來自X射線射束組件1100的，例如來自陽極1125的熱。根據(jù)本發(fā)明的這一方面(見圖10)，由射束1120撞擊在陽極1125上和生成X射線1130所產(chǎn)生的熱從撞擊點1127，沿陽極1125傳導(dǎo)并進入板1140中。板1140然后從陽極1125的接觸點，例如在徑向方向中對熱進行傳導(dǎo)，以及將熱分布到板1140上，例如使熱均勻分布到板1140上。板1140中的熱隨后被傳導(dǎo)到板1150中并且來自板1150的熱被傳導(dǎo)到板1145中。根據(jù)本發(fā)明的一個方面中，板1140中的熱分布有效地在板1140中分布熱，其中介質(zhì)板1150上的溫度差最小化。其結(jié)果是，介質(zhì)板1150的導(dǎo)熱率可以小于傳統(tǒng)導(dǎo)電材料，例如含銅材料的導(dǎo)熱率，并且仍然提供足夠的導(dǎo)熱率來使熱從板1140耗散到板1145中。板1145中的熱可以通過到配套結(jié)構(gòu)的傳導(dǎo)或通過自然對流、強迫空氣對流、或在板1145上流動冷卻液，來進一步耗散。在本發(fā)明的一個方面中，散熱片或散熱銷(未示出)可被連接以便可操作地連接到板1145上。另外，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，可以將一個或多個介質(zhì)板1150和導(dǎo)電板1145安裝到板1140上，例如，2組或多組板1150和1145可以用來傳導(dǎo)熱，使其遠離X射線射束組件1100。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種X射線產(chǎn)生設(shè)備，其需要很少或不需要冷卻流體，例如需要很少或不需要內(nèi)部冷卻流體。即，本發(fā)明的一個方面避免了對提供密封裝置、泄漏保護，或者具有一些現(xiàn)有技術(shù)特征的替代流體的需要。另外，根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種X射線產(chǎn)生設(shè)備，其能更容易地適合于調(diào)整或?qū)蔢射線射束。例如，在不存在冷卻流體或沒有對冷卻流體的需要的情況下，可以將X射線對準或調(diào)整機構(gòu)包含在X射線設(shè)備1100中，例如用于使X射線射束1130與X射線光學(xué)部件，諸如毛細管光學(xué)部件或晶體光學(xué)部件對準，而不需要使對準或調(diào)整機構(gòu)流體密封。例如，在2001年12月4日提交的共同未決申請No.60//336,584(律師案號0444.045P)中公開了可以與本發(fā)明的一個方面一起使用的一個對準機構(gòu)，其內(nèi)容在此引入以供參考。
本發(fā)明改進的對準和穩(wěn)定性方面如上綜述，本發(fā)明在一個方面中提供了一種X射線源組件，該X射線源組件提供例如聚焦的X射線射束或準直的X射線射束，并且在操作條件的一范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的輸出。在一個方面中，盡管一個或多個操作條件改變，也可以通過控制陽極相對于組件的輸出結(jié)構(gòu)的源點定位的控制系統(tǒng)獲得該穩(wěn)定輸出。例如，盡管陽極功率電平改變或在X射線源組件周圍的環(huán)境溫度改變，但可以維持陽極源點相對于輸出的位置恒定。
控制系統(tǒng)采用一個或多個執(zhí)行機構(gòu)，其能導(dǎo)致陽極源點或輸出結(jié)構(gòu)運動。例如，一個執(zhí)行機構(gòu)可以包括溫度執(zhí)行機構(gòu)，其提供加熱/冷卻陽極以便實現(xiàn)陽極源點相對于輸出結(jié)構(gòu)的位置的調(diào)整。另一執(zhí)行機構(gòu)可以包括機械執(zhí)行機構(gòu)，其根據(jù)需要，物理地調(diào)整陽極源點或輸出結(jié)構(gòu)的為止。又一執(zhí)行機構(gòu)可以靜電或磁性地移動電子束。可以由控制系統(tǒng)采用一個或多個傳感器以便提供有關(guān)陽極源點相對于輸出結(jié)構(gòu)的位置的反饋。傳感器可以包括溫度傳感器，諸如直接或間接測量陽極溫度的傳感器，以及外殼溫度傳感器和環(huán)境溫度傳感器。傳感器也可以包括用于獲得陽極功率電平，或直接或間接測量光學(xué)部件輸出強度的反饋機構(gòu)。
在另一方面中，公開了一種X射線源組件，包括具有用于生成X射線的陽極的X射線管以及用于聚焦由陽極產(chǎn)生的X射線的光學(xué)部件。提供用于控制來自光學(xué)部件的X射線的輸出強度的控制系統(tǒng)。盡管X射線源組件的一個或多個操作條件改變，這一控制系統(tǒng)也能維持X射線輸出強度。例如，控制系統(tǒng)能針對陽極功率電平的變化和/或環(huán)境溫度的變化進行調(diào)整。在下文中，還描述和主張了本發(fā)明的各種另外的特征。
如在此所使用的，短語“輸出結(jié)構(gòu)”是指包括X射線源組件部分的結(jié)構(gòu)或與X射線源組件有關(guān)的結(jié)構(gòu)。舉例來說，該結(jié)構(gòu)可以包括X射線透射窗或光學(xué)部件，諸如聚焦或準直光學(xué)部件，其可以固定到或者可以不固定到環(huán)繞組件內(nèi)的X射線管的外殼上。
圖12以截面圖的形式示例說明了根據(jù)本發(fā)明的一個方面，X射線源組件2100的前視圖。X射線源組件2100包括X射線源2101，該X射線源2101包括具有透射窗2107的真空密閉X射線管2105(通常由玻璃或陶瓷形成)。X射線管2105容納與高壓(HV)陽極2125相對排列的電子槍2115。當施加電壓時，電子槍2115以電子流，即電子束(e-beam)2120的形式發(fā)射電子，如本領(lǐng)域所公知的。HV陽極2125充當具有源點的靶，電子束撞擊在該靶上，用于產(chǎn)生X射線輻射，即X射線2130。
舉例來說，電子槍2115可能保持在地電勢(0伏)，而HV陽極2125可能保持在高壓電勢，通常約50Kv。其結(jié)果是，從處于地電勢的電子槍2115發(fā)射的電子束2120被電吸引到HV陽極2125的表面上，從而從陽極上電子束2120撞擊陽極處的源點產(chǎn)生X射線2130。X射線2130基本上直接通過真空密閉X射線管2105的透射窗2107。透射窗2107通常由諸如鈹?shù)牟牧闲纬桑湓试S基本上不受阻礙地透射X射線同時仍然維持在X射線管2105內(nèi)的真空。
外殼2110至少局部密封X射線管2105。外殼2110可能包括與X射線管2105的透射窗2107對準的孔2112。距離來說，孔2112可能包括外殼2110中的開放的孔或定義出空氣空間的封閉孔。在透射穿過透射窗2107和孔2112之后，X射線2130被光學(xué)部件2135聚焦。在該例子中，圖中示出的光學(xué)部件2135圍繞外殼2110中的孔2112為中心。光學(xué)部件2135可能固定于外殼2110的外部表面，或可能部分位于外殼2110中以便存在于孔2112內(nèi)(例如相對于透射窗2107存在)，或可能單獨地由外殼2110支撐但與外殼2110中的孔2112對準。
如所提到的，舉例來說，光學(xué)部件2135可能包括聚焦光學(xué)部件或準直光學(xué)部件。在圖12中，所示的光學(xué)部件2135是聚焦元件，當X射線源2100用于要求高強度、低直徑點2145的應(yīng)用時，其非常有用。聚焦光學(xué)部件2135聚集X射線輻射2130并使輻射聚焦成會聚X射線2140。當要與要求低功率源的X射線熒光系統(tǒng)一起利用X射線源2100時，聚焦光學(xué)部件可能是有利的。作為備選方案，光學(xué)部件2135可能包括用在要求從光學(xué)部件(未示出)輸出的X射線輻射的平行光束的應(yīng)用中的準直光學(xué)元件。在準直光學(xué)元件的情況下，X射線2140將是平行的，而不是會聚到點2145，如圖12所示。
光學(xué)部件2135可能包括能聚集或操作X射線，例如，用于聚焦或準直的任何光學(xué)元件。舉例來說，光學(xué)部件2135可能包括多毛細管束(諸如可從New York，A1bany的X-ray Optical Systems公司獲得的)、雙彎光學(xué)部件或其他光學(xué)元件形式，諸如過濾器、針孔或狹縫。(多毛細管光學(xué)部件是經(jīng)全反射傳送光子的薄、空管束。這種光學(xué)部件在例如美國專利證書No.5,175,755、5,192,869和5,497,008中描述。雙彎光學(xué)部件在例如美國專利證書No.6,285,506和6,317,483中描述過)。在X射線源組件2100校準之后，光學(xué)部件2135相對于X射線源2101保持固定(在一個實施例中)直到執(zhí)行進一步校準X射線源組件2100為止。
相對撞擊表面的HV陽極2125的末端突出X射線管2105的本體并機械連接和電連接到基座組件2150。基座組件2150包括經(jīng)介質(zhì)盤2160與基板2165電絕緣的第一導(dǎo)體盤2155。所得到的陽極2125和基座組件2150結(jié)構(gòu)，在此稱為陽極疊層(anode stack)，在上面包含的、共同提交的名為“Method and Device For Cooling andElectrically Insulating A High-Voltage，Heat Generating Component”的專利申請中詳細描述。盡管其中更詳細地描述過，但下面簡單地論述基座組件2150的結(jié)構(gòu)和功能。
導(dǎo)體盤2155和基板2165是例如由高導(dǎo)電和高導(dǎo)熱材料，諸如銅構(gòu)成的幾英寸直徑的盤狀板。舉例來說，導(dǎo)體盤2155和基板2165可以具有在0.1至0.5英寸范圍內(nèi)的厚度，在一個具體實例中，具有0.25英寸的厚度?；?165可以進一步包括結(jié)構(gòu)零件以便容納X射線源2101的整體結(jié)構(gòu)。
介質(zhì)盤2160是例如由在高壓時提供高介質(zhì)強度的材料，諸如氧化鈹陶瓷或氮化鋁陶瓷形成的1.5英寸直徑的盤狀板。另外，盡管不像導(dǎo)體盤2155或基板2165那樣導(dǎo)熱，但是這些材料的確顯示出良好的導(dǎo)熱率。介質(zhì)盤2150可以具有在0.1至0.5英寸范圍內(nèi)的厚度，在一個具體實例中，具有0.25英寸厚度。
導(dǎo)體盤2155經(jīng)適當?shù)母邏阂€2170機械連接和電連接到高壓源(未示出)。其結(jié)果是，將高壓電勢提供到導(dǎo)體盤2155以及隨后提供到HV陽極2125。因此，基板2165保持在地電勢。介質(zhì)盤2160提供高壓導(dǎo)體盤2155和接地基板2165間的電絕緣。用于將高壓引線2170連接到導(dǎo)體盤2155的組件的一個例子在上述包含的、共同提交的名為“An Electrical Connector，A Cable Sleeve，and A MethodFor Fabricating A High Voltage Electrical Connection For A HighVoltage Device”的專利申請中描述過。
X射線管2105、基座組件2150和HV引線2170被密封在密封劑2175中。密封劑2175可以包括具有足夠高的介質(zhì)強度的剛性或半剛性材料，諸如硅，以避免電壓擊穿。此外，密封劑2175不需要是良好的熱導(dǎo)體，因為優(yōu)選的熱路徑通過基座組件2150。作為具體的例子，密封劑2175可能通過在X射線管、基座組件和高壓引線周圍模制硅酮彈性體(諸如可從Dow Chemical獲得的DowSylgard184)形成，從而形成沒有可能提供到地的不期望的電壓擊穿路徑的氣囊的結(jié)構(gòu)。
圖13圖示示例說明源掃描曲線2200，其中相對于陽極源點和輸出光學(xué)部件間的位移或未對準，繪制了輸出強度表示，例如點2145(圖12)強度。點強度由使X射線(2130)掃過光學(xué)部件(2135)的焦點而產(chǎn)生。圖中示出Gaussian繪圖結(jié)果，其中在X射線2130(以及由此的陽極源點)在光學(xué)部件的焦點處適當對準的情況下實現(xiàn)最大強度。
如圖中所示，半最大值處的全寬度(FWHM)W1等于約200微米。200微米的FWHM表示作為X射線2130(以及由此的陽極源點)離光學(xué)部件2135的焦點的位移為2100微米的距離的結(jié)果，在點2145處，X射線強度下降50％。當適當?shù)匦屎?，X射線源組件2100在圖13的源掃描曲線的頂部附近斜率約等于0之處，對給定功率起作用，以致X射線2130相對于光學(xué)部件2135的位移方面的較小擾動(例如5μm或更小)導(dǎo)致可忽略的強度下降。舉例來說，X射線2130相對于光學(xué)部件2135的位移的可容許擾動的范圍用W2代表，表示X射線2130和光學(xué)部件2135的焦點之間，小于5微米的位移是可接受的。然而，當X射線源的操作功率從0變化至50W時，在HV陽極2125和基座組件2150的元件中會發(fā)生熱膨脹方面多達50微米的差值。
圖14描繪了如上文結(jié)合圖12所述的X射線源2100。然而，在這一例子中，由撞擊在HV陽極2125上的電子束2120產(chǎn)生的熱已經(jīng)使得HV陽極2125、導(dǎo)體盤2155和基板2165膨脹，并且以較小的程度使介質(zhì)盤2160膨脹。作為這一膨脹的結(jié)果，產(chǎn)生X射線2310的發(fā)散射束，其相對于如圖12所示的X射線2130垂直偏移。例如，如果電子槍2115在50W功率下操作，則X射線2310的焦點可以從其在0W時的位置偏移多達50微米。X射線2310與光學(xué)部件2135未對準，因此，X射線2135的會聚射束產(chǎn)生顯著降低強度的點2320。
由于準直光學(xué)部件和聚焦光學(xué)部件，諸如雙彎晶體和多毛細管束的物理屬性，光學(xué)部件2135相對于陽極源點的精確定位對X射線2315的優(yōu)化準直或聚焦是較理想的。其結(jié)果是，X射線2310相對于光學(xué)部件2135的位移，諸如可以由HV陽極2125和基座組件2150的熱膨脹產(chǎn)生的位移，可能導(dǎo)致具有顯著降低強度的點2320，如圖13中圖示所示。
陽極源點至輸出結(jié)構(gòu)的偏移可以使用各種方法來測量。例如，在陽極疊層的基座處可以采用溫度傳感器2400以便測量陽極疊層溫度方面的變化，如下文進一步描述的，其可以在校準過程期間，與陽極源點至光學(xué)部件的偏移相關(guān)。圖16表示可替換的溫度傳感器實現(xiàn)。
如圖16所示，同樣包括導(dǎo)體盤2155、介質(zhì)盤2160和基板2165的基座組件2150被修改，以便包括凹入基板2165的并且與基板2165良好熱接觸的溫度傳感器2400。為示例說明的目的，圖16描繪了表示從陽極到基座組件和通過基座組件的熱傳遞的波。這些波表示通過使電子束2120撞擊在HV陽極2125上產(chǎn)生的熱，如圖15所示。
在圖15中還描繪了X射線強度測量設(shè)備2410。除感應(yīng)溫度以確定偏移之外，或者作為感應(yīng)溫度以確定偏移的替換，可以測量X射線源2101或光學(xué)部件2135的X射線輸出強度。舉例來說，在衍射應(yīng)用中，可以將離子室或正比計數(shù)器用作強度測量設(shè)備2410，以便提供用于諸如在此所述的位置控制系統(tǒng)的所需反饋。在衍射應(yīng)用中，感興趣的能量通常僅在一個波長處，因此位于X射線路徑中的正比計數(shù)器僅吸收少量感興趣的X射線。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到可以采用其他強度測量方法以便直接或間接確定從X射線源組件2100輸出的X射線的強度。溫度感應(yīng)、X射線強度感應(yīng)等等的目標是提供有關(guān)陽極源點和輸出結(jié)構(gòu)間的對準的反饋信息。下面參考圖18-21進一步描述控制系統(tǒng)和控制過程。
參考圖17-17B，能更好地理解陽極疊層溫度和陽極源點至輸出結(jié)構(gòu)的對準之間的關(guān)聯(lián)。
在圖17中，所示的陽極疊層包括陽極2125和基座組件2150。組件2150包括導(dǎo)體盤2155、介質(zhì)盤2160和基板2165，在這一例子中，所示的基板2165包含嵌入其中的溫度傳感器2400。水平放置陽極疊層以便與圖17A的圖上的距離軸(X軸)相關(guān)。
如圖17A所示，陽極疊層在包括組的不同部件上具有不同的溫度降，在陽極2125的最右端處開始，對50W和25W例子，示出了具有稍微陡于例如導(dǎo)體盤2155上的溫度降的斜率的溫度降。盡管陽極2125和盤2155均是導(dǎo)電的，但用于盤2155的更大的橫截面表示從一個主表面到另一個的更小的溫度降。如圖17A所示，陽極疊層上的溫度變化與陽極功率電平有關(guān)。溫度變化(y軸)與高于室溫的陽極疊層的變化溫度偏移有關(guān)。因此，在應(yīng)用陽極功率電平為0時，偏移假定為0。
作為進一步的增強，根據(jù)本發(fā)明的一個方面的X射線源組件可以被調(diào)整以便適應(yīng)室溫或環(huán)境溫度變化。為了使對膨脹起作用的元件的總的熱膨脹在50W射束電流時與在0W射束電流時相同，那么板2165(以及從而相連的元件)的0W的基礎(chǔ)溫度可以被提高到例如40℃。這在圖17A中通過虛線示出。
圖17B描繪了低于用于在0和50瓦特間的各種功率電平的陽極疊層的部件的環(huán)境溫度的參考溫度的例子。更具體地說，圖17B描述用于各種管操作功率的參考溫度(在圖17A中在0W時導(dǎo)出和示出)。另外，通過將另外的溫度偏差增加到這一參考溫度上，相同的系統(tǒng)能適應(yīng)環(huán)境溫度的變化。例如，在50W和20℃下，獲得0℃的參考Δ溫度。如果這一參考Δ溫度升高到5℃，那么將提供另外的加熱以便使這一Δ溫度維持在20℃。然而，在25℃下，不需要另外的加熱。用這種方式，在例如20℃時需要參考Δ溫度中的偏差，其允許在更高環(huán)境溫度下的補償。
圖18以橫截面視圖示例說明根據(jù)本發(fā)明的另一方面的通常用2700表示的X射線源組件的一個實施例的正視圖。X射線源組件2700包括X射線源2705和輸出光學(xué)部件2135。光學(xué)部件2135與真空X射線管2105的X射線透射窗2107對準。X射線管2105同樣容納與高壓陽極2125相對放置的電子槍2115。當施加電壓時，電子槍2115以電子束(即如上所述的電子束2120)的形式發(fā)射電子。HV陽極2125充當相對于源點的靶，電子束撞擊在源點上，用于產(chǎn)生用于透射穿過窗2107并由光學(xué)部件2135聚集的X射線輻射2130。電子槍2125和陽極如上文結(jié)合圖12、14和15所述的實施例那樣起作用。
陽極2125同樣物理連接并電連接到基座組件，該基座組件包括經(jīng)介質(zhì)盤2160與基板2165′電絕緣的導(dǎo)體板2155。基座組件的結(jié)構(gòu)和功能與結(jié)合圖12、14和15所述的基座組件相同。高壓引線2170連接到導(dǎo)電板2155以便向陽極2125提供所需功率電平。由密封劑2175密封電子槍2115、陽極2125、基座組件2150和高壓引線2170，其全部容納在外殼2710中。外殼2710包括與X射線管2105的X射線透射窗2170對準的孔2712。在操作中，由光學(xué)部件2135聚集X射線輻射2130，以及在這一例子中，聚焦2740到光點2745。如上文所提到的，光學(xué)部件2135可以包括各種類型的光學(xué)元件中的任何一種，包括多毛細管束和雙彎晶體。另外，根據(jù)X射線源組件的應(yīng)用，光學(xué)部件2135可以例如包括聚焦光學(xué)部件或準直光學(xué)部件。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，在X射線源組件2700內(nèi)實現(xiàn)以控制系統(tǒng)。這一控制系統(tǒng)包括例如處理器2715，在圖中示為嵌入外殼2710中，以及一個或多個傳感器以及一個或多個執(zhí)行機構(gòu)(諸如傳感器/執(zhí)行機構(gòu)2720和執(zhí)行機構(gòu)2730)，其將被耦合到處理器2715。X射線源組件2700內(nèi)的這一控制系統(tǒng)包括隨著陽極功率電平的變化，補償例如HV陽極2125和基座組件2150的熱膨脹的功能性以便維持X射線2130相對于光學(xué)部件2135的對準。這使得X射線源組件2700在陽極操作電平的一范圍內(nèi)，以穩(wěn)定的強度維持光點大小2745。
圖19示例說明根據(jù)本發(fā)明的一個方面的控制環(huán)的一個實施例，以及圖19A描述據(jù)本發(fā)明的一個方面的控制函數(shù)的一個例子。如圖19所示，一個或多個傳感器2800提供有關(guān)例如陽極疊層溫度和/或X射線輸出強度的反饋，其被反饋到實現(xiàn)控制功能的處理器2810。例如，圖19A描述控制功能，其中在來自溫度傳感器(TS)的值與參考溫度(R)之間確認溫度偏差以便能確定當前位置(K)、改變的速率(d/dt)以及累積歷史(S)。然后使這一比例積分微分函數(shù)的結(jié)果累加以便提供作為時間的函數(shù)(O(t))的輸出。將這一輸出提供到一個或多個執(zhí)行機構(gòu)2820，其實現(xiàn)陽極源點位置或輸出結(jié)構(gòu)(諸如光學(xué)部件)的位置的自動變化，以便例如維持陽極源點相對于輸出結(jié)構(gòu)的位置，或使光學(xué)部件的輸出強度保持在所需值。通過X射線源組件的控制系統(tǒng)，能連續(xù)地重復(fù)這一監(jiān)視和調(diào)整過程。
回到圖18，傳感器/執(zhí)行機構(gòu)2720可以包括物理連接到基板2165′的溫度執(zhí)行機構(gòu)。這一溫度執(zhí)行機構(gòu)2720可以包括例如用于將加熱和/或?qū)⒗鋮s施加到基板2165′以便將熱增加到基板上或從基板去除熱的任何裝置。舉例來說，加熱元件可以包括10Ohm功率電阻器諸如可從California，Riverside的Caddock Electronics獲得的型號MP850，同時適當?shù)睦鋮s元件可以包括強迫通風(fēng)散熱片或基于流體的散熱片。在操作X射線源組件期間，能利用溫度執(zhí)行機構(gòu)以便相對于一個或多個輸出結(jié)構(gòu)諸如X射線聚集光學(xué)部件，使陽極X射線點維持在最佳方位。實現(xiàn)施加熱或從基板移出熱以便盡管組件的一個或多個操作條件，諸如陽極功率電平改變，也能在X射線源組件的整個操作中，維持陽極疊層上的一致平均溫度。
具體地，在一個實施例中，在X射線源組件的整個操作范圍中，基座組件和HV陽極的熱膨脹被維持在允許所生成的X射線始終與例如聚集光學(xué)部件對準的公差內(nèi)。在例如X射線源組件偏移到降低的操作功率時可能發(fā)生施加另外的熱，使得HV陽極和基座組件元件不遭受由于通過其的散熱而引起的尺寸的降低，允許維持X射線和聚集光學(xué)部件的最佳對準。在一個實施例中，加熱元件可以包括在基板內(nèi)部，而冷卻元件可以熱耦合到基板的暴露表面上。
盡管在此結(jié)合維持陽極疊層上的一致平均溫度進行了描述，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到存在用于維持陽極源點和輸出結(jié)構(gòu)間的所需對準的其他機構(gòu)。例如，可以采用機械執(zhí)行機構(gòu)2730以便物理地調(diào)整聚集光學(xué)部件相對于陽極源點的方向和位置?？梢允謩诱{(diào)整或自動調(diào)整這些執(zhí)行機構(gòu)以便響應(yīng)從處理器2715接收的信號。對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，其他致動控制機構(gòu)也將是顯而易見的，并且由在此給出的權(quán)利要求書所包含。控制系統(tǒng)的目標是相對于聚集光學(xué)部件輸入(例如焦點)，維持陽極源點的所需方向。通常，這一所需方向?qū)_保最高強度點2745的最佳方向。
圖20是可以由圖18的處理器2715實現(xiàn)的過程的一個實施例的流程圖。圖20表示在X射線源組件操作期間，由處理器周期性重復(fù)的循環(huán)，以便例如響應(yīng)于一個或多個操作條件，諸如施加到陽極的功率電平的變化，施加或從基座組件移出熱，從而維持陽極疊層上的一致平均溫度，從而允許相對于聚集光學(xué)部件的輸入，最佳地對準所發(fā)射的X射線。
如圖20所示，該過程通過讀取陽極功率電平2900開始。在一個實施例中，可以由其信號范圍在例如0和10V之間的兩個模擬輸入，來確定陽極功率電平。一個輸入傳送電壓，在該電壓下，向電子槍2115(圖18)提供電力的電源操作，而第二輸入傳送由電源取出的安培數(shù)。從這兩個輸入，可以確定電子槍2115在操作時的功率，其也是陽極的功率電平。
過程隨后讀取陽極疊層和源外殼2910的溫度。如上面所提到的，可以使用溫度傳感器以及將所得到的信號反饋到嵌入組件內(nèi)的處理器，由基座組件的基板確定陽極疊層的溫度。外殼溫度還能包括溫度傳感器，在一個實施例中，其將熱耦合到外殼的表面以便測量機殼的膨脹或收縮。測量外殼溫度的需要假定受監(jiān)視的光學(xué)部件或其他輸出結(jié)構(gòu)機械耦合到外殼上。
接著，過程確定用于讀取功率電平的參考溫度2920。參考溫度將是用于在所測量的陽極功率電平時、用于陽極疊層的所需預(yù)定溫度。在用于X射線源組件的校準過程期間，可以確定參考溫度，并且參考溫度可能對特定的組件是唯一的或?qū)τ诙鄠€相同制造X射線源組件的類是通用的。圖21描述能被用來查找用于所讀取的功率電平的參考溫度的表的一個實施例。如圖中所示，圖21的表還將外殼溫度用作在確定用于陽極疊層的所需參考溫度中，將考慮的另一操作條件。因此，根據(jù)用于X射線源組件的外殼溫度和陽極功率電平，獲得用于陽極疊層的所需參考溫度。
參考溫度和所讀取的溫度被饋送到諸如上面結(jié)合圖19所述的位置、速率和累積歷史控制算法中。使用該算法來計算到一個或多個執(zhí)行機構(gòu)2930的輸出。本領(lǐng)域的技術(shù)人員能容易實現(xiàn)比例積分微分算法以便實現(xiàn)這一函數(shù)。只要獲得該輸出，就將該輸出提供到執(zhí)行機構(gòu)(一個或多個)以便例如，維持陽極源點相對于光學(xué)元件輸出2940的位置。
作為一個具體例子，處理器能輸出包括允許散熱片在旋轉(zhuǎn)速度的一個范圍上操作，從而以適當速率從陽極疊層的基板移出熱的脈沖寬度調(diào)制信號的信號。占空比是能通過陽極的操作功率而被確定的脈沖寬度調(diào)制輸出。第二輸出能允許提供到加熱元件的功率變化，從而改變增加到陽極疊層的基板的熱量。在一個實施例中，在執(zhí)行比例積分微分(PID)算法后，處理器能利用公式或查找表來確定對陽極當前操作時的特定功率電平，陽極疊層的基板應(yīng)當維持的溫度(即參考溫度)。
作為對上述基于反饋的算法的替換，處理器可以實現(xiàn)(舉例來說)基于模型或基于預(yù)測的算法。作為基于預(yù)測的算法的例子，可以有意不對準源和光學(xué)部件以便識別已知源掃描曲線上的精確起始位置。例如，可以使源和光學(xué)部件對準錯放到源掃描曲線的高斜率位置，從而允許精確測量或推斷位移。此后，使用所確定的位移，可以使用已知源掃描曲線來進行調(diào)整以便返回到曲線的峰值。
盡管參考優(yōu)選實施例特別示出和描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解到在不背離在下述權(quán)利要求書中描述的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對本發(fā)明在形式和細節(jié)方面做出各種改進。
權(quán)利要求
1.一種X射線源組件，包括X射線源和X射線聚焦設(shè)備，其中，所述X射線源包括用于生成X射線的X射線管；具有至少一個穿孔的外殼，用于發(fā)射由所述X射線管產(chǎn)生的X射線；在所述外殼中的用于所述X射線管的可調(diào)整安裝裝置；其中，所述X射線聚焦設(shè)備安裝在所述外殼中的所述至少一個穿孔附近，由此所述X射線聚焦設(shè)備從所述X射線管接收至少一些X射線；以及其中，所述可調(diào)整安裝裝置允許所述X射線管在所述外殼中的位置調(diào)整優(yōu)化X射線透過所述X射線聚焦設(shè)備的傳輸。
2.如權(quán)利要求1所述的X射線源組件，其特征在于，所述可調(diào)整安裝裝置包括多個螺紋緊固件。
3.如權(quán)利要求1所述的X射線源組件，其特征在于，所述X射線聚焦設(shè)備包括X射線聚焦晶體和X射線聚焦毛細管設(shè)備中的一個。
4.如權(quán)利要求1所述的X射線源組件，進一步包括用于使所述X射線管對準所述X射線外殼的裝置。
5.結(jié)合用于使用X射線分析流體的設(shè)備的在前權(quán)利要求1-4的任何一個所述的X射線源組件，所述設(shè)備包括用于使所述流體暴露于X射線以便使所述流體的至少一種成分發(fā)出X射線熒光的裝置；以及用于分析來自所述流體的X射線熒光以便確定所述流體的至少一種特性的裝置。
6.如權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于，所述流體的所述至少一種特性包括所述流體中至少一種成分的濃度。
7.如權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于，所述流體包括流體流。
8.如權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于，所述用于暴露的裝置和/或用于分析的裝置包括用于聚焦來自所述流體的X射線或使X射線聚焦到所述流體上的至少一個X射線聚焦或準直光學(xué)部件。
9.如權(quán)利要求1-8的任何一個所述的X射線源組件，進一步包括熱耦合到所述X射線管并用于去除由所述X射線管產(chǎn)生的熱的導(dǎo)熱介質(zhì)材料。
10.一種優(yōu)化來自X射線源和X射線聚焦設(shè)備的X射線的傳輸?shù)姆椒ǎ渲?，所述X射線源包括用于生成X射線的X射線管和具有至少一個穿孔的外殼，所述穿孔用于發(fā)射由所述X射線管產(chǎn)生的X射線，所述方法包括在所述外殼中提供用于所述X射線管的可調(diào)整安裝裝置；使用所述可調(diào)整安裝裝置，將所述X射線管安裝在所述外殼中；將所述X射線聚焦設(shè)備安裝在所述外殼中的所述至少一個穿孔附近，由此所述X射線聚焦設(shè)備從所述X射線管接收至少一些X射線；以及調(diào)整所述X射線管的所述可調(diào)整安裝裝置以便優(yōu)化X射線透過所述X射線聚焦設(shè)備的傳輸。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述可調(diào)整安裝裝置包括多個螺紋緊固件。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述X射線聚焦設(shè)備包括X射線聚焦晶體和X射線聚焦毛細管設(shè)備中的一個。
13.如權(quán)利要求10所述的方法，進一步包括通過所述外殼中的一對準裝置，使所述X射線管對準所述X射線外殼。
14.結(jié)合操作用于使用X射線分析流體的設(shè)備的方法的在前權(quán)利要求10-13的任何一個所述的方法，所述設(shè)備包括用于使所述流體暴露于X射線以便使所述流體的至少一種成分發(fā)出X射線熒光的裝置；以及用于分析來自所述流體的X射線熒光以便確定所述流體的至少一種特性的裝置。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述流體的所述至少一種特性包括所述流體中至少一種成分的濃度。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述流體包括流體流。
17.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述用于暴露的裝置和/或用于分析的裝置包括用于聚焦來自所述流體的X射線或使X射線聚焦到所述流體上的至少一個X射線聚焦或準直光學(xué)部件。
18.如權(quán)利要求10-17的任何一個所述的方法，進一步包括使用熱耦合到所述X射線管的導(dǎo)熱介質(zhì)材料以去除由所述X射線管產(chǎn)生的熱。
19.一種X射線熒光分析系統(tǒng)，包括具有X射線源和外殼的X射線源組件；第一X射線聚焦設(shè)備，可操作地連接到所述X射線源組件以及具有用于使所述第一X射線聚焦設(shè)備與所述X射線源組件對準的裝置；X射線暴露組件，具有可操作地連接到所述X射線聚焦設(shè)備的外殼以及具有用于使所述X射線暴露組件與所述第一X射線聚焦設(shè)備對準的裝置；第二X射線聚焦設(shè)備，可操作地連接到所述X射線暴露組件并具有用于使所述第二X射線聚焦設(shè)備與所述X射線暴露組件對準的裝置；X射線檢測設(shè)備，可操作地連接到所述第二X射線聚焦設(shè)備并具有用于使所述X射線檢測設(shè)備與所述第二X射線聚焦設(shè)備對準的裝置；其特征在于，所述用于對準的裝置中的至少一個包括多個對準銷或孔。
20.一種X射線源組件，包括具有源點的陽極，電子撞擊在所述源點上；以及控制系統(tǒng)，用于控制所述陽極源點相對于輸出結(jié)構(gòu)的位置，其中盡管所述X射線源組件的至少一個操作條件改變，所述控制系統(tǒng)也能維持所述陽極源點相對于所述輸出結(jié)構(gòu)的位置。
21.如權(quán)利要求20所述的X射線源組件，其特征在于，所述控制系統(tǒng)包括用于實現(xiàn)所述陽極源點和所述輸出結(jié)構(gòu)的至少一個的運動的至少一個執(zhí)行機構(gòu)。
22.如權(quán)利要求21所述的X射線源組件，其特征在于，所述至少一個執(zhí)行機構(gòu)包括用于執(zhí)行所述陽極的加熱和冷卻的至少一個的溫度執(zhí)行機構(gòu)，由此實現(xiàn)所述陽極源點相對于所述輸出結(jié)構(gòu)的位置的調(diào)整。
23.如權(quán)利要求21所述的X射線源組件，其特征在于，所述至少一個執(zhí)行機構(gòu)包括用于調(diào)整所述陽極源點和所述輸出結(jié)構(gòu)的至少一個的位置的至少一個機械執(zhí)行機構(gòu)。
24.如權(quán)利要求20所述的X射線源組件，其特征在于，所述控制系統(tǒng)進一步包括至少一個傳感器，用于提供與相對于所述輸出結(jié)構(gòu)的所述陽極源點位置有關(guān)的反饋。
25.如權(quán)利要求24所述的X射線源組件，其特征在于，所述至少一個傳感器包括用于監(jiān)視陽極功率電平的傳感器。
26.如權(quán)利要求24所述的X射線源組件，其特征在于，所述至少一個傳感器包括用于直接或間接監(jiān)視陽極溫度的至少一個傳感器。
27.如權(quán)利要求24所述的X射線源組件，進一步包括外殼，其至少部分密封所述陽極，以及其中，所述至少一個傳感器包括用于測量所述外殼的溫度的至少一個傳感器。
28.如權(quán)利要求20所述的X射線源組件，其特征在于，所述輸出結(jié)構(gòu)包括用于聚集由所述陽極產(chǎn)生的X射線的光學(xué)部件。
29.如權(quán)利要求28所述的X射線源組件，其特征在于，所述光學(xué)部件包括聚焦光學(xué)部件和準直光學(xué)部件中的至少一個。
30.如權(quán)利要求28所述的X射線源組件，其特征在于，所述光學(xué)部件包括多毛細管光學(xué)部件或雙彎晶體中的一個。
31.如權(quán)利要求20所述的X射線源組件，其特征在于，所述控制系統(tǒng)進一步包括用于執(zhí)行下述操作的裝置獲得陽極功率電平；獲得陽極溫度、環(huán)繞所述陽極的外殼的溫度，以及在所述X射線源組件周圍的環(huán)境溫度的至少一個；確定用于所獲得的陽極功率電平的參考溫度；以及采用所述參考溫度以及所述陽極溫度和所述外殼溫度中的至少一個，控制陽極源點相對于所述輸出結(jié)構(gòu)的位置。
32.如權(quán)利要求31所述的X射線源組件，其特征在于，所述用于控制的裝置包括盡管所述X射線源組件的至少一個操作條件改變，也能自動控制陽極源點位置相對于所述輸出結(jié)構(gòu)的裝置。
33.如權(quán)利要求20所述的X射線源組件，其特征在于，所述控制系統(tǒng)維持陽極源點到光學(xué)部件的位移以便輸出強度對于所提供的陽極功率電平處于最大輸出強度的99％以內(nèi)。
34.如權(quán)利要求20所述的X射線源組件，其特征在于，所述控制系統(tǒng)在操作所述X射線源組件期間，動態(tài)控制所述陽極源點相對于所述輸出結(jié)構(gòu)的位置。
35.結(jié)合用于使用X射線，分析流體的設(shè)備的在前權(quán)利要求20-34的任何一個的X射線源組件，所述設(shè)備包括用于使所述流體暴露于X射線以便使所述流體的至少一種成分發(fā)出X射線熒光的裝置；以及用于分析來自所述流體的X射線熒光以便確定所述流體的至少一種特性的裝置。
36.如權(quán)利要求35所述的設(shè)備，其特征在于，所述流體的所述至少一種特性包括所述流體中至少一種成分的濃度。
37.如權(quán)利要求35所述的設(shè)備，其特征在于，所述流體包括流體流。
38.如權(quán)利要求35所述的設(shè)備，其特征在于，所述用于暴露的裝置和/或用于分析的裝置包括用于聚焦來自所述流體的X射線或使X射線聚焦到所述流體上的至少一個X射線聚焦或準直光學(xué)部件。
39.如權(quán)利要求20-38的任何一個所述的X射線源組件，進一步包括熱耦合到所述陽極并用于去除由所述陽極產(chǎn)生的熱的導(dǎo)熱介質(zhì)材料。
40.一種X射線源組件，包括具有用于生成X射線的陽極的X射線管；用于聚集由所述陽極生成的X射線的光學(xué)部件；以及控制系統(tǒng)，用于控制所述光學(xué)部件的X射線輸出強度，其中，盡管所述X射線源組件的至少一個操作條件改變，所述控制系統(tǒng)也能維持X射線輸出強度。
41.如權(quán)利要求40所述的X射線源組件，其特征在于，所述控制系統(tǒng)進一步包括用于監(jiān)視所述光學(xué)部件的X射線輸出強度的傳感器和用于使用所監(jiān)視的X射線輸出強度，控制所述陽極和所述光學(xué)部件中的至少一個的位置的控制器。
42.如權(quán)利要求41所述的X射線源組件，其特征在于，所述控制器包括至少一個執(zhí)行機構(gòu)，所述至少一個執(zhí)行機構(gòu)包括至少一個用于實現(xiàn)陽極相對于所述光學(xué)部件的位置的調(diào)整的溫度執(zhí)行機構(gòu)或機械執(zhí)行機構(gòu)，從而控制來自所述光學(xué)部件的X射線輸出強度。
43.如權(quán)利要求40所述的X射線源組件，其特征在于，所述光學(xué)部件包括聚焦光學(xué)部件和準直光學(xué)部件中的一個。
44.如權(quán)利要求40所述的X射線源組件，其特征在于，所述光學(xué)部件包括多毛細管光學(xué)部件或雙彎晶體中的一個。
45.如權(quán)利要求40所述的X射線源組件，其特征在于，所述光學(xué)部件包括針孔、狹縫或過濾器中的一個。
46.如權(quán)利要求40所述的X射線源組件，其特征在于，所述至少一個操作條件包括陽極功率電平。
47.如權(quán)利要求46所述的X射線源組件，其特征在于，所述至少一個操作條件進一步包括所述X射線源組件周圍的環(huán)境溫度。
48.如權(quán)利要求47所述的X射線源組件，其特征在于，所述至少一個操作條件進一步包括所述X射線源組件的外殼溫度。
49.如權(quán)利要求40所述的X射線源組件，其特征在于，所述至少一個操作條件包括所述X射線源組件周圍的環(huán)境溫度。
50.如權(quán)利要求40所述的X射線源組件，其特征在于，所述至少一個操作條件包括所述X射線源組件的外殼溫度。
51.如權(quán)利要求40所述的X射線源組件，其特征在于，所述控制系統(tǒng)包括用于控制所述光學(xué)部件的X射線輸出強度的自動控制系統(tǒng)，以及其中，所述控制系統(tǒng)是基于反饋或基于預(yù)測的系統(tǒng)。
52.如權(quán)利要求51所述的X射線源組件，其特征在于，所述控制系統(tǒng)將所述光學(xué)部件的所述X射線輸出強度自動維持在用于所提供的陽極功率電平的峰值強度值的1％內(nèi)。
53.如權(quán)利要求40所述的X射線源組件，其特征在于，所述控制系統(tǒng)通過控制所述陽極的溫度和相對于所述光學(xué)部件的陽極的位置中的至少一個，維持X射線輸出強度。
54.結(jié)合用于使用X射線分析流體的設(shè)備的在前權(quán)利要求40-53的任何一個所述的X射線源組件，所述設(shè)備包括用于使所述流體暴露于X射線以便使所述流體的至少一種成分發(fā)出X射線熒光的裝置；以及用于分析來自所述流體的X射線熒光以便確定所述流體的至少一種特性的裝置。
55.如權(quán)利要求54所述的設(shè)備，其特征在于，所述流體的所述至少一種特性包括所述流體中至少一種成分的濃度。
56.如權(quán)利要求54所述的設(shè)備，其特征在于，所述流體包括流體流。
57.如權(quán)利要求54所述的設(shè)備，其特征在于，所述用于暴露的裝置和/或用于分析的裝置包括用于聚焦來自所述流體的X射線或使X射線聚焦到所述流體上的至少一個X射線聚焦或準直光學(xué)部件。
58.如權(quán)利要求40-57的任何一個所述的X射線源組件，進一步包括熱耦合到所述X射線管、用于去除由所述X射線管產(chǎn)生的熱的導(dǎo)熱介質(zhì)材料。
59.一種用于提供X射線的方法，包括提供具有陽極的X射線源組件，所述陽極具有電子撞擊在其上的源點；以及控制所述陽極源點相對于輸出結(jié)構(gòu)的位置，其中所述控制包括盡管所述X射線源組件的至少一個操作條件改變，也能維持所述陽極源點相對于所述輸出結(jié)構(gòu)的位置。
60.如權(quán)利要求59所述的方法，其特征在于，所述控制包括自動控制所述陽極源點和所述輸出結(jié)構(gòu)的至少一個的位置，以便盡管所述X射線源組件的至少一個操作條件改變，也能維持所述陽極源點相對于所述輸出結(jié)構(gòu)的位置。
61.如權(quán)利要求60所述的方法，其特征在于，所述控制包括檢測與相對于所述輸出結(jié)構(gòu)的所述陽極源點位置有關(guān)的至少一個變量。
62.如權(quán)利要求61所述的方法，其特征在于，所述至少一個變量包括陽極功率電平、陽極溫度、至少部分環(huán)繞所述陽極的外殼的溫度，或所述X射線源組件周圍的環(huán)境溫度中的至少一個。
63.如權(quán)利要求59所述的方法，其特征在于，所述輸出結(jié)構(gòu)包括用于聚集由所述陽極產(chǎn)生的X射線的光學(xué)部件。
64.如權(quán)利要求63所述的方法，其特征在于，所述光學(xué)部件包括聚焦光學(xué)部件和準直光學(xué)部件中的至少一個。
65.如權(quán)利要求63所述的方法，其特征在于，所述光學(xué)部件包括多毛細管光學(xué)部件或雙彎晶體中的一個。
66.如權(quán)利要求63所述的方法，其特征在于，所述光學(xué)部件包括針孔、狹縫或過濾器中的至少一個。
67.如權(quán)利要求59所述的方法，其特征在于，所述至少一個操作條件包括陽極功率電平。
68.如權(quán)利要求67所述的方法，其特征在于，所述至少一個操作條件進一步包括所述X射線源組件周圍的環(huán)境溫度。
69.如權(quán)利要求68所述的方法，其特征在于，所述至少一個操作條件進一步包括所述X射線源組件的外殼溫度。
70.如權(quán)利要求59所述的方法，其特征在于，所述至少一個操作條件包括所述X射線源組件的外殼溫度。
71.如權(quán)利要求59所述的方法，其特征在于，所述控制進一步包括獲得陽極功率電平；獲得陽極溫度、環(huán)繞所述陽極的外殼的溫度，以及在所述X射線源組件周圍的環(huán)境溫度中的至少一個；確定用于所獲得的陽極功率電平的參考溫度；以及采用所述參考溫度以及所述陽極溫度和所述外殼溫度中的至少一個，控制陽極源點相對于所述輸出結(jié)構(gòu)的位置。
72.如權(quán)利要求59所述的方法，其特征在于，所述控制包括自動控制所述陽極源點到所述輸出結(jié)構(gòu)的位移以便來自所述X射線源組件的輸出強度對于所提供的陽極功率電平處于最大輸出強度的99％內(nèi)。
73.結(jié)合操作用于使用X射線分析流體的設(shè)備的方法的在前權(quán)利要求59-72的任何一個所述的方法，所述設(shè)備包括用于使所述流體暴露于X射線以便使所述流體的至少一種成分發(fā)出X射線熒光的裝置；以及用于分析來自所述流體的X射線熒光以便確定所述流體的至少一種特性的裝置。
74.如權(quán)利要求73所述的方法，其特征在于，所述流體的所述至少一種特性包括所述流體中至少一種成分的濃度。
75.如權(quán)利要求73所述的方法，其特征在于，所述流體包括流體流。
76.如權(quán)利要求73所述的方法，其特征在于，所述用于暴露的裝置和/或用于分析的裝置包括用于聚焦來自所述流體的X射線或使X射線聚焦到所述流體上的至少一個X射線聚焦或準直光學(xué)部件。
77.如權(quán)利要求59-76的任何一個所述的方法，進一步包括使用熱耦合到所述X射線管的導(dǎo)熱介質(zhì)材料以去除由所述X射線管產(chǎn)生的熱。
全文摘要
提供具有增強的輸出穩(wěn)定性的X射線源組件(2700)及操作方法。該組件包括具有電子(2120)撞擊在其上的源點的陽極(2125)以及用于控制陽極源點相對于輸出結(jié)構(gòu)的位置的控制系統(tǒng)(2715/2720)。盡管X射線源組件的一個或多個操作條件改變，控制系統(tǒng)也能維持陽極源點相對于輸出結(jié)構(gòu)(2710)的位置。所公開的發(fā)明的一個方面最適合分析基于石油的燃料中的硫。
文檔編號H05G1/00GK1618258SQ02827845
公開日2005年5月18日 申請日期2002年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月4日
發(fā)明者伊恩·拉德利, 托馬斯·J·比耶維尼, 約翰·H·小伯德特, 布賴恩·W·加拉格爾, 斯圖爾特·M·沙卡肖巴爾, 陳澤武, 邁克爾·D·穆爾 申請人:X射線光學(xué)系統(tǒng)公司