用于X射线源的方法和布置与流程

本公开涉及一种x射线源以及一种对于x射线源的方法。

背景技术：

1、x射线辐射可以通过让电子束撞击到靶标材料上而产生。x射线辐射可以作为来自靶标材料的轫致辐射或特性线发射而产生。x射线源的性能尤其取决于由电子束与靶标之间的相互作用产生的x射线辐射的焦斑的特性。通常，致力于获取x射线辐射更高的亮度和更小的焦斑，这需要改进对电子束以及其与靶标的相互作用的控制。特别地，已经进行了若干次尝试以更准确地确定和控制撞击靶标的电子束的束斑大小和形状。

2、维纳尔(wehnelt)圆柱电极或栅极帽(或简称为维纳尔电极)是电子发射单元中的电极，其用于控制由来自阴极(特别是来自热离子阴极)的电子的发射而产生的电子束。维纳尔电极的使用在本领域中通常是已知的，例如在us 2017/0148605中披露的。

技术实现思路

1、本公开涉及一种使用维纳尔电极的栅极偏压以补偿阴极老化的x射线源以及一种相关方法。本文提出的发明原理通过使用维纳尔电极的栅极偏压来补偿这种阴极老化来延长阴极的有效寿命。

2、用于x射线源的电子枪的典型阴极包括嵌入碳护罩环中的六硼化镧(lab6)晶体。为了发射电子，晶体被加热，并且这种加热使得晶体缓慢蒸发。在继续使用之后，晶体的端表面可能因此退回到碳包埋中，并且端表面的直径可能减小。这两种效应都会导致电子发射角度的减小，从而导致x射线光斑性能的漂移。

3、本公开提出通过向维纳尔电极施加和/或调节偏置电压来对此进行补偿，从而加宽电子发射角度，使得进一步保持x射线光斑性能。阴极老化可以例如通过测量对于至少两种不同的焦点设置的指示电子束宽度的量(例如，电子束束斑大小或电子束的截面强度分布)并将电光系统的模型拟合到结果来监测。由此，可以提取取决于电子束在电子光学器件布置的入口处的发散度(其与阴极处的电子发射角度相关)的量，比如朝向靶标的聚焦角度(会聚焦度)、最小的可获得的束斑大小、透镜焦平面中的电子束的大小、或者电子束发散的发散度等。根据关于栅极偏压如何影响来自阴极和维纳尔电极的发射角度(或者，等效地，在电子光学器件布置的入口处的发散度)的知识以及由此取决于其的量，然后可以施加适当的补偿，从而延长阴极的工作寿命。

4、仅测量对于一个焦点设置的电子束束斑大小(或与电子束的截面强度分布相关的一些其他量)通常不能提供足够的信息来提取例如聚焦角度作为来自阴极的电子发射角度或电子光学器件的入口处的发散度的指标。本文提出的方法是对指示电子束宽度的量进行至少两次测量，并根据这些测量计算取决于在电子光学器件布置的入口处的电子束发散度的量。如果感兴趣的是来自阴极和维纳尔电极的实际发射角度，则可以将系统的模型拟合到(至少)两个测量值，这是有利的，因为可以分离对观察到的束斑大小的变化的不同贡献。

5、然而，在一些实施方式中，可以避免确定指示在两种不同焦点设置下的电子束宽度的量的需要。例如，电子束的发散度可以从电子束能够穿过孔径的程度的测量中得出。这可以通过将从阴极发射的总电流与此总电流穿过孔径的多少进行比较来确定。然后，通过孔径的电流占总发射电流的部分可以被视为电子束发散度的指示。如将理解的，过量发散度可能具有的效果是，比从阴极发射的所有电子少的电子能够穿过孔径，并且穿过孔径的电子越少，发散度就越大。类似地，如果从阴极发射的基本上所有电子都能够穿过孔径，则这可能指示从阴极的发散度(或者相应地，在电子光学器件的入口处的电子束发散度)太小，并且应当向维纳尔电极施加栅极偏置电压以增加发散度。

6、确定指示电子束宽度的量的另一种选择是直接测量在电子光学器件布置上游距阴极已知距离处(即，在电子束已经被光学器件整形或影响之前)的电子束宽度。这可以例如通过在阴极与电子光学器件之间的区域中提供孔径，并通过使电子束在孔径上移动，同时测量到达孔径下游的电子传感器的电子的量来实现。电子传感器例如可以位于靶标的下游。在此实施方式中，电子束在孔径上的移动可以例如受阴极的侧向移动的影响。

7、对电子束的截面强度分布(例如，电子束束斑大小)的测量可以通过使该电子束扫描越过分隔具有不同反射和/或吸收电子能力的两个区域的边缘并记录指示电子束的强度的量的多个值来进行，其中该多个值是针对多个电子束位置记录的。这两个区域可以被提供为结构化靶标(例如金刚石衬底上的钨层)的不同部分。在另一替代方案中，这两个区域可以由靶标提供，使得电子束可以偏转到至少部分地在靶标(例如液态金属射流靶标)之外的位置。这两个区域也可以被提供为可以插入电子束路径中的专用校准对象，或者被提供为作为电子光学器件布置的一部分包括的孔径。

8、因此，本公开提供了一种对于x射线源的方法，该x射线源包括电子源和电子光学器件布置，电子源用于提供电子束，电子光学器件布置用于使电子束朝向靶标偏转并聚焦以产生x射线辐射，电子源包括阴极、维纳尔电极和阳极。该方法包括：确定指示电子束的宽度的量；基于所确定的指示电子束的宽度的量，计算取决于在电子光学器件布置的入口处(即，电子束进入电子光学器件布置处)的电子束发散度的量；以及向维纳尔电极施加或调节偏置电压，使得取决于在电子光学器件布置的入口处的电子束发散度的量被调节到期望值。

9、通常，优选的是，施加到维纳尔电极的偏置电压使得靶标上的电子束束斑大小接近期望值，即，可以使用电子光学器件布置获得期望的电子束斑。

10、向维纳尔电极施加偏置电压的步骤可以通过施加或改变相对于阴极在+/-10kv范围内的栅极偏置电压来执行。

11、阳极可以通过位于阴极与电子光学器件布置之间的阳极孔径来实现。替代性地，靶标本身可以构成阳极。

12、由于在x射线源的操作期间直接接近阴极和维纳尔电极的实际困难，优选地，指示电子束的宽度的量在电子光学器件布置下游的位置处被确定。这也提供了对取决于电子光学器件布置的入口处的电子束发散度的量的计算，其中已经考虑了电子光学器件布置对电子束的影响。

13、对指示电子束的宽度的量的确定优选地在x射线源的操作期间进行多次。每次确定了量并且计算了取决于在电子光学器件布置的入口处的电子束发散度的量时，可以更新施加到维纳尔电极的偏置电压以补偿阴极老化，使得在延长的时间段内保持电子束在靶标处的期望焦点。这种更新可以例如在操作者请求时，由于来自x射线源中的一个或多个监测系统的触发、或者在特定阴极的使用寿命期间的预定时机而完成。预定时机可以例如是以规则的间隔或以朝向阴极的预期寿命终点逐渐更短的间隔。

14、在另一方面，提供了一种x射线源，其包括电子源，用于提供电子束，该电子源包括阴极、维纳尔电极和阳极。x射线源进一步包括：电子光学器件布置，该电子光学器件布置被配置为使电子束朝向靶标偏转并聚焦以产生x射线辐射；用于确定指示电子束的宽度的量的布置；以及控制器，该控制器可操作地连接到电子源、电子光学器件布置和用于确定指示电子束的宽度的量的布置。控制器被配置为：基于指示电子束宽度的量的确定，计算取决于在电子光学器件布置的入口处的电子束发散度的量；以及向维纳尔电极施加或调节偏置电压，使得取决于在电子光学器件布置的入口处的电子束发散度的量被调节到期望值。

15、本发明设想了不同类型的x射线产生靶标。例如，靶标可以包括比如固态反射靶标或固态透射靶标等固态靶标。固态靶标可以被提供为静止或移动(例如，旋转阳极)靶标。在其他实施方式中，靶标可以包括比如液态射流靶标(例如液态金属射流靶标)等液态靶标。

16、在本发明的范围内可以有若干修改和变化。特别地，在本发明构思的范围内，可以设想包括多于一个靶标或多于一个电子束的x射线源。此外，本文所描述类型的x射线源可以有利地与根据特定应用而定制的x射线光学器件和/或检测器组合，这些特定应用例如但不限于以下各项：医学诊断、无损测试、光刻、晶体分析、显微镜学、材料科学、显微镜表面物理学、x射线衍射法测定蛋白质结构、x射线光谱分析(xps)、临界尺寸小角x射线散射(cd-saxs)、宽角x射线散射(waxs)和x射线荧光光谱分析(xrf)。

17、在本发明的上下文中，电子束的截面强度分布的确定应当从广义上理解。通常不需要获得提供电子束截面的每个点处的强度的全强度分布。而是，截面强度分布的确定可以限于确定：例如电子束的半峰全宽(fwhm)；电子束焦点的束斑大小；或者与截面强度分布相关的任何其他量，这些量可以用于计算取决于电子束在电子光学器件布置的入口处的发散度的一些量，例如电子束朝向靶标的聚焦角度。