一种具有高稳定性光通量的X射线管的制作方法

本发明涉及x射线管，特别是涉及科学仪器领域使用的x射线管，特别是涉及一种具有高稳定性光通量的x射线管。

背景技术：

1、x射线荧光光谱仪(xrf)、高性能x射线衍射仪(xrd)、微区x射线荧光分析仪(microxrf)和x射线吸收谱仪(xafs)等高端x射线科学仪器，具有微米级焦点的x射线管、x射线源，广泛用于材料、生物、化学、环境、地质和考古等科学领域，以及半导体、新能源、电子设备、薄膜和司法鉴定等行业的物质微区微量、痕量分析，物相定性和定量分析、应力和织构分析、应变和微晶尺寸分析等。传统的工业与医疗用x射线管和x射线源对x射线光通量的稳定性通常要求≤3％/4h，但此类高端x射线科学仪器对x射线管和x射线源有更高的光通量稳定性的要求，通常要求≤0.1％/72h。此外，不同于传统的工业与医用x射线管，高端x射线科学仪器用x射线管和x射线源对焦点物理位置的稳定性有很高的要求，波动通常要求在±1μm以内。而x射线管在工作时，会因高压电场结构的不稳定、阴阳极之间散射二次电子和激发二次电子的累积等因素，导致x射线管的光通量的不稳定。而x射线管在工作时，超过99％的输入能量都转换为热量，导致x射线管阳极温度的上升和波动，由于热胀冷缩的原因，使得焦点位置发生波动，导致进入x射线光学器件的光通量不稳定，因此x射线管阳极温度的恒定(通常要求20-24℃，且允许波动在±0.2℃以内)也至关重要。

2、现有的一些x射线管，对其阳极部分的各种散热方式进行设计，比如：申请号为202210167293.7、201780063975.0、201920164824.0、202222416302.x、202011184705.5和202010552652.1这些中国专利文献所公开的x射线管。但是，这些现有设计的目的都是为了降低阳极或阳极靶上的温度，防止阳极靶靶面的熔化或提高x射线管的寿命，而不涉及包裹阳极头的阳极帽的散热，更不涉及x射线管阳极温度的恒温控制，也控制不了阳极温度的恒定。因此，这些现有设计都不能控制焦点空间位置的高稳定性，不能满足高性能x射线科学仪器对x射线光通量高稳定性的需求。而且，此类x射线管还存在x射线阳极靶面焦点与阳极尾端的距离过长的缺点，这会导致热膨胀长度的增加以及阳极温度热平衡时间的过长，测试时导致需要等待很长的时间以达到稳定性。

3、针对上述问题，申请号为201510464658.2的中国专利文献提出了将阳极靶被电子枪的阴极罩包裹，可以降低反弹二次电子轰击玻璃绝缘外壳使得管壳累积而导致光管高压不稳定，从而引起x射线光通量不稳定的风险。但这种结构在阴极罩上设有x射线出口，不能完全避免二次电子轰击绝缘管壳；此结构没有离开传统的x射线管设计，阳极靶面与来自阴极的电子束直接相对，受到电子轰击，而没有被有效拦截的而朝各个方向散射并轰击绝缘管壳，容易产生引起系统误控制的干扰电流，最终导致光通量不稳定；并且，被阳极高压吸回的散热电子再次轰击阳极，也会产生非预期的杂散x射线，影响光通量的稳定性。进一步的，因为需要有效的高压绝缘长度，也存在x射线阳极靶面焦点与阳极尾端的距离过长的缺点，这会导致热膨胀长度的增加以及阳极温度热平衡时间的过长，测试时导致需要等待很长的时间以达到稳定性。这种阳极靶被管壳包裹的结构，也很难对阳极靶进行包裹式散热来满足阳极温度的低温且恒定，同时也存在x射线离开管壳的位置距离焦点太远，x射线发散，从而导致单位面积上的光通量密度较低，被x射线光学器件收集到的x射线少的缺点。

4、进一步地，申请号为202080052348.9的中国专利文献所公开的x射线管中，通过将阴极罩也就是聚焦电极遮挡x射线的方式，减少绝缘管壳被x射线轰击的概率，减少打火的风险。但实际大部分应用上，由于发射电子的材料为螺旋形钨丝，阴极阳极靶面上的电子焦点也呈一长条状，而非点状焦点，因此x射线很难被聚焦电极的凸起全部遮挡。此外，此结构的透射靶(当前现有专利文献的图3和图7)因x射线光通量的分散性，不能用于x射线科学仪器，而其它的反射靶结构也没解决申请号为201510464658.2的中国专利文献所存在的阳极靶面与电子束直接相对而被遮挡，焦点与阳极尾端距离过长和阳极靶很难进行包裹式散热、x射线窗口距离焦点太远等缺点，因此也很难满足x射线光通量的高稳定要求。

技术实现思路

1、鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种具有高稳定性光通量的x射线管，能够完全避免电子轰击管壳，能控制焦点空间位置的物理漂移，保证x射线光通量的高稳定性。

2、为实现上述目的，本发明提供一种具有高稳定性光通量的x射线管，包括管壳、阴极组件、阳极组件、以及窗口组件；

3、所述管壳内具有用于形成真空环境的管腔；

4、所述阴极组件设于管腔中，所述阴极组件包括用于发射电子束的电子发射件、以及用于聚焦电子束的聚焦件；

5、所述阳极组件包括阳极帽、阳极杆、以及设有阳极靶的阳极靶组件；所述阳极帽密封设在管壳的一端，所述阳极帽包括沿其轴向依次相连的扩张部、隔断部和缩颈部，所述扩张部从聚焦件的底部和圆周方向包裹聚焦件，所述隔断部中开设有允许电子束通过的电子束入射孔，所述扩张部的内径、缩颈部的内径、以及电子束入射孔的孔径逐渐减小；所述缩颈部中开设有轴向延伸的封装腔和径向贯通的x射线出口，所述阳极杆密封设在封装腔中，所述阳极靶组件密封设在阳极杆朝向隔断部的一端，所述阳极靶经电子束入射孔沿阳极帽轴向与电子发射件和聚焦件相对，所述阳极靶沿阳极帽径向与x射线出口对齐，所述阳极帽在隔断部、缩颈部和阳极靶组件之间形成有帽内腔，所述电子束入射孔和x射线出口都与帽内腔连通；

6、所述窗口组件设在x射线出口中；

7、所述阳极组件的电位高于阴极组件的电位，所述阴极组件的电子发射件发射的电子束被聚焦件与阳极帽之间的加速电场加速、并形成聚焦电子束，所述聚焦电子束经电子束入射孔进入帽内腔、并轰击阳极靶，产生扩散状x射线，所述扩散状x射线经x射线出口射出；此过程中，所述聚焦电子束中的部分电子离开、并形成杂散电子，轰击到所述阳极靶表面的部分反弹电子从帽内腔中经电子束入射孔溢出至扩张部内、并形成溢出电子，所述杂散电子和溢出电子轰击阳极帽的内表面后形成二次电子；

8、沿所述x射线管的轴向，所述聚焦件底部与扩张部顶部之间的距离h大于所述聚焦件底部与隔断部之间的距离d1，使所述二次电子在扩张部内多次回轰后被吸收。

9、进一步地，所述聚焦件底部与扩张部顶部之间的距离h为所述聚焦件底部与隔断部之间的距离d1的2-10倍。

10、进一步地，所述聚焦件底部与扩张部顶部之间的距离h为所述聚焦件底部与隔断部之间的距离d1的3-5倍。

11、进一步地，所述聚焦件外周与扩张部内周之间的距离d2为所述聚焦件底部与隔断部之间的距离d1的1-2倍。

12、进一步地，所述阴极组件还包括第一电极、第二电极、第三电极、与第一电极电连接的第一支撑杆、以及与第二电极电连接的第二支撑杆，所述第一电极、第二电极和第三电极彼此之间电隔离且都安装于管壳，所述第一支撑杆和第二支撑杆都与电子发射件电连接，所述第三电极与聚焦件电连接。

13、进一步地，所述阴极组件还包括绝缘珠、绝缘件、以及固设在管壳内的过渡连接管，所述第一电极、第二电极和第三电极之间通过绝缘珠相互电隔离，所述第一支撑杆和第二支撑杆都安装在过渡连接管内，所述第一支撑杆与过渡连接管之间、以及第二支撑杆与过渡连接管之间都通过绝缘件电隔离，所述第三电极通过过渡连接管与聚焦件电连接。

14、进一步地，所述过渡连接管上开设有操作孔，所述第一电极与第一支撑杆的连接部位、以及第二电极与第二支撑杆的连接部位都从操作孔处露出。

15、进一步地，所述具有高稳定性光通量的x射线管还包括设在所述管腔内的吸气剂，所述第一电极和第二电极中有一者为公共电极，所述吸气剂的两端分别与公共电极和第三电极相连。

16、进一步地，所述阳极靶组件还包括设在阳极杆朝向隔断部一端处的靶基座、以及固设在靶基座朝向阳极杆的端面上的基座法兰，所述阳极杆朝向靶基座的端面上开设有环形固定槽，所述基座法兰密封连接在环形固定槽中，所述阳极靶固定在靶基座朝向隔断部的端面上。

17、进一步地，所述靶基座的材料为铜、或金刚石。

18、进一步地，所述阳极杆中开设有轴向贯通的杆通孔，所述杆通孔延伸至靶基座处，所述杆通孔的孔壁面和靶基座的外表面围成液冷腔，所述液冷腔用于容纳冷却介质。

19、进一步地，所述窗口组件包括窗口片、窗口法兰和过渡法兰，所述过渡法兰密封连接在缩颈部的x射线出口内，所述窗口法兰密封连接在过渡法兰内，所述窗口法兰的内表面上设有台阶部，所述窗口片在台阶部处密封连接在窗口法兰内。

20、如上所述，本发明涉及的具有高稳定性光通量的x射线管，具有以下有益效果：

21、第一、聚焦电子束中被排斥的杂散电子、以及由杂散电子轰击扩张部而产生的二次电子，由于阳极帽上的电位高于聚焦件的电位，被吸收回阳极帽；再结合聚焦件底部与扩张部顶部之间的距离h远大于聚焦件底部与隔断部之间的距离d1、以及扩张部从聚焦件的底部和圆周方向包裹聚焦件的结构设置，使杂散电子和尤其产生的二次电子在阳极帽的内表面经过多次回轰后能量逐渐耗尽并吸收；同时，从帽内腔中溢出的溢出电子、以及由溢出电子轰击扩张部而产生的二次电子，也会在阳极帽的内表面经过多次回轰后能量逐渐耗尽并吸收。因此，本技术能完全避免二次电子轰击到管壳，进而避免由此产生的干扰电流，最终避免x射线源不会因检测到干扰电流而进行误调节，也就可靠地保证x射线光通量的高稳定性。

22、第二、杂散电子和由其产生的二次电子、以及溢出电子和由其产生的二次电子在扩张部内经多次回轰被吸收，完全避免二次电子因轰击到管壳而在管壳上形成电荷累积，从而避免因造成打火而引起x射线光通量的不稳定。

23、第三、杂散电子和由其产生的二次电子、以及溢出电子和由其产生的二次电子轰击阳极帽的部位为扩张部的内表面，而窗口组件设在缩颈部中，隔断部阻隔在缩颈部和扩张部之间，使得，窗口组件远离被杂散电子、溢出电子和二次电子轰击的部位，并被阳极帽的隔断部阻隔，则电子回轰扩张部内表面而产生的杂散x射线不会进入x射线出口，可靠地提升窗口组件出束x射线的质量和稳定性。

24、第四、阳极靶组件位于阳极帽的缩颈部内部、被缩颈部包裹，容易采取有效的散热方式对阳极靶组件、阳极杆和阳极帽的缩颈部进行散热，也即容易在较低的温度下精确控制阳极靶组件、阳极杆和阳极帽的缩颈部的温升，减小阳极靶焦点因温升导致的焦点空间漂移的问题，满足±1μm以内的要求，有效控制焦点空间位置的物理漂移，进而有效避免因焦点空间漂移导致的x射线光通量不稳定问题。