一种用于X射线源阳极靶的液态金属射流系统

一种用于x射线源阳极靶的液态金属射流系统
技术领域
1.本发明涉及x射线源技术领域，特别是指一种用于x射线源阳极靶的液态金属射流系统。


背景技术：

2.x射线成像作为一种有效的无损检测手段，在材料科学、工业制造、航空航天、现代医学等领域都发挥着重要作用。其中，x射线显微断层扫描成像(ct)系统通常用于表征工程材料(如金属/合金/陶瓷/复合材料等)内部微细观结构，进而对材料内部的微细观结构特征如纤维束、复合材料基体等不同组分或孔洞、微裂纹等缺陷进行识别、提取和定量分析。在x射线显微ct系统中对表征测试的效率和精度起到决定性作用的核心部件之一是x射线源，要实现材料内部微细观结构的快速表征，一般需要采用结构紧凑、稳定、微焦点的x射线源，形成较大的功率密度、实现高亮度出光。
3.在x射线源工作的过程中，从阴极逸出的电子经过高压电场的加速和电子光学系统(如电磁透镜、静电透镜等)的聚焦后轰击阳极靶材的表面，在撞击阳极后，电子以热(约99％的能量)和x射线(主要是轫致辐射和特征辐射)的形式释放它们的能量。高功率电子束对金属靶材的持续轰击会使靶面温度急剧升高导致靶面烧蚀或融化，进而导致x射线源的损坏。x射线源阳极靶材的选择一方面要考虑特征x射线的波长，不同的靶材产生的特征x射线波长不同，需要根据实验条件和实验目的的不同进行选择；另一方面要考虑金属自身的性质，高功率x射线显微ct系统中通常选用熔点高、膨胀系数低、电阻率和热稳定性良好的固体金属钨作为阳极靶材。
4.公开号为cn113728410a的中国发明专利公开了一种具有旋转液态金属靶的x射线源，x射线束在电子束和靶的相互作用区中产生，该区是旋转阳极组件的环形通道中的熔融可熔金属的环形层。该专利采用转子旋转产生的离心力带动液态金属附着在环形槽侧壁上，通过电子束侧面撞击的方式产生x射线并使x射线通过特定角度射出。其具有以下问题：(1)电子束系统与液态金属阳极靶作用区域腔体较大，导致射线源整体体积过大，而x射线显微ct系统要求射线源结构紧凑；(2)由于转子与电子束作用区域为刚性连接，转子旋转产生的振动会直接传递到电子束作用区域，导致焦斑位置稳定性变差，这将直接影响到x射线显微ct系统的分辨率，分辨率差；(3)工作过程中，液态金属的流动性较差，受到换热系统工作效率的限制，长时间工作会导致液态金属工作温度过高，蒸发的液态金属会在x射线窗口处凝固阻挡x射线射出，同时液态金属蒸汽或碎屑扩散到电子束通路上会影响电子束质量，从而影响x射线显微ct系统测试质量及测试精度。
5.公开号为cn102369587b的中国发明专利公开了一种用于向相互作用区域提供液体金属的闭环循环，在该相互作用区域，电子束撞击液体金属以产生x射线。其具有以下问题：(1)该装置采用隔膜泵作为高压泵，液态金属所获得的压强只有10bar-50bar，较低的压强导致液态金属射流的射速不高、液态金属射速调节范围小；(2)只能通过调节高压泵的输入功率来控制液态金属射流的射速，调节精度不高；(3)真空腔中受电子束轰击区域的液态
金属同样会产生碎屑、蒸发等问题，对电子束稳定性、焦斑位置稳定性以及x射线出束产生一定影响，进而影响x射线显微ct系统测试质量与测试精度，导致测试质量与测试精度差；(4)仅电子束系统中有真空组件，一方面，电子束系统内的真空泵持续工作过程中容易将液态金属碎屑和蒸汽吸入电子束系统中，对电子束系统内金属元件造成腐蚀；另一方面，由于液态金属射流系统结构复杂、零部件多，容易产生一些细微的真空泄漏，仅电子束系统内有一套真空系统难以保证电子束与液态金属射流作用的真空腔内真空度的稳定性，真空度的失稳会对电子束质量产生较大影响，进而会对x射线显微ct系统测试质量及测试精度产生影响。


技术实现要素：

6.本发明提供了一种用于x射线源阳极靶的液态金属射流系统，现有的具有以下问题，与电子束系统直接连接的部分结构大；焦斑位置稳定性变差，x射线显微ct系统的分辨率差；液态金属工作温度过高，导致蒸发的液态金属会在x射线窗口处凝固阻挡x射线射出，液态金属蒸汽或碎屑扩散到电子束通路上会影响电子束质量，影响x射线显微ct系统测试质量及测试精度；液态金属射流的射速不高、液态金属射速调节范围小；液态金属射流的射速调节精度不高；测试质量与测试精度差；仅电子束系统中有真空组件，导致电子束系统内金属元件腐蚀，真空度的稳定性差导致测试质量及测试精度差。
7.为解决上述技术问题，本发明的实施例提供如下方案：
8.一方面，本发明实施例提供一种用于x射线源阳极靶的液态金属射流系统，包括电子束系统和射流系统，所述射流系统在真空腔内喷射液态金属射流，电子束系统发射的电子束轰击所述液态金属射流产生x射线，所述x射线从x射线窗口射出，其特征在于，还包括供给系统、驱动系统和增压系统，所述供给系统和所述增压系统与所述射流系统通过管路柔性连接，所述电子束系统与所述射流系统刚性连接；所述增压系统包括两个液态金属活塞缸和液压活塞缸，所述供给系统向所述液态金属活塞缸提供具有一定初始压强的所述液态金属，所述驱动系统向所述液压活塞缸提供液压油，所述增压系统通过增压将所述液态金属输送至所述射流系统；所述真空腔内的所述液态金属经收集和冷却后回流至所述供给系统；所述真空腔连接有辅助真空系统，稳定所述真空腔的真空条件。
9.优选地，所述驱动系统包括液压油泵，油箱为所述液压油泵提供液压油，所述液压油泵、第一单向阀、换向阀和所述增压系统中的高压泵顺序连接形成供油油路，所述高压泵、第二冷却器和所述油箱顺序连接形成回油油路，所述供油油路上位于所述第一单向阀的输出端、电磁阀、所述第二冷冷却器和所述油箱顺序连接，所述电磁阀连接所述油箱。
10.优选地，所述增压系统包括高压泵，在所述高压泵的两端连接有第二单向阀组，其中一个所述第二单向阀组连接液态金属输送管，另一个所述第二单向阀组通过高压管连接蓄能器，所述蓄能器连接所述射流系统。
11.优选地，所述高压泵包括液压活塞缸和位于所述液压活塞缸两端的液体金属活塞缸，所述液体金属活塞缸连接两个所述第二单向阀组。
12.优选地，供给系统包括介质容器，所述介质容器连接粗过滤器，介质泵连接所述粗过滤器，所述粗过滤器连接高压泵。
13.优选地，辅助真空系统包依次顺序连接的真空泵、真空规及第二过滤器，第二过滤
器连接真空腔。
14.优选地，所述射流系统包括真空腔，在所述真空腔的一侧设置有x射线窗口，或者，在所述真空腔的两对侧均设置有x射线窗口；在所述真空腔的顶部设置有高压喷嘴、底部设置有收集室，所述收集室、止回阀、第一冷却器与第一过滤器依次顺序连接，第一过滤器连接所述供给系统。
15.优选地，所述供给系统、所述驱动系统和所述增压系统单独设置在隔振平台上。
16.优选地，所述供给系统、所述驱动系统和所述增压系统均设置于隔音外壳内。
17.另一方面，本发明实施例提供一种用于x射线源阳极靶的液态金属射流方法，利用所述的系统，所述方法包括：
18.启动装置，液压油泵与介质泵开始工作，控制阀开启；
19.所述介质泵将介质容器中的液态金属经过粗过滤器输送至高压泵内，所述液态金属经所述高压泵加压后再经高压管路流入蓄能器，所述蓄能器输出平稳的所述液态金属流，所述液态金属流经过所述控制阀后由高压喷嘴后在真空腔内射出，所述液态金属回收到收集室内，再经由第一冷却器冷却、第一过滤器过滤后流回介质容器；在上述过程中，控制电磁阀精确控制液态金属射流的射速；
20.待射流系统稳定运转后，开启电子束系统，电子束系统发出的电子束垂直轰击液态金属射流以产生x射线，所述x射线垂直从单侧x射线窗口或双侧x射线窗口射出。
21.本发明的上述方案至少包括以下有益效果：
22.上述方案中，(1)用液态金属射流代替传统固态阳极靶，以射流的形式快速带走电子束轰击区域的热量，克服了固态阳极靶x射线源出光亮度低的缺陷，提高了靶材功率密度，进而提高了x射线源出光亮度和x射线通量，提高了测试效率，缩短了测试时间；(2)结构设计紧凑，在x射线显微ct系统屏蔽铅房内只需放置电子束系统及与电子束系统刚性连接的射流系统，其余柔性连接部分通过高压管路连接，可设置在单独的隔振平台上；(3)采用两套闭环循环回路结合的方式，高压泵能给液态金属提供最高可达400mpa的压强，可以使得液态金属在电子束作用区域射速最高可达500m/s，射速高、可调节范围大。相比于现有产品大幅度提高了液态金属射流的射速，散热效率更高；(4)电子束作用区域的真空腔体上位设置了辅助真空系统，提高了系统内真空条件的稳定性，同时辅助真空系统在一定程度上可以处理真空腔内液态金属碎屑、蒸发气体等问题，整套装置的工作稳定性及工作寿命优于现有产品；(5)利用电磁阀根据具体测试条件精确调整液态金属射流的射速；(6)提高了x射线源的稳定性及工作寿命。
附图说明
23.图1为本发明的用于x射线源阳极靶的液态金属射流系统的结构示意图；
24.图2为本发明的驱动系统的结构示意图；
25.图3为本发明的电子束系统、射流系统、辅助真空系统的结构示意图；
26.图4为本发明的供给系统和增压系统的结构示意图；
27.图5为本发明的高压泵的结构示意图。
28.附图标记：
29.1、电子束系统；2、射流系统；21、控制阀；22、高压喷嘴；23、真空腔；24、止回阀；25、
第一冷却器；26、第一过滤器；27、收集室；3、供给系统；31、介质容器；32、介质泵；33、粗过滤器；4、驱动系统；41、液压油泵；42、油箱；43、第一单向阀；44、第二冷却器；45、电磁阀；46、换向阀；5、增压系统；51、高压泵；511、液态金属活塞缸；512、液压活塞缸；52、第二单向阀组；53、高压管；54、蓄能器；6、辅助真空系统；61、真空泵；62、真空规；63、第二过滤器。
具体实施方式
30.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
31.实施例一
32.如图1～图4所示的，本实施例提供了一种用于x射线源阳极靶的液态金属射流系统2，采用液态金属射流形式的阳极靶，功率密度数倍于固态金属阳极靶，可以承受更大功率的电子束轰击，使得x射线源具有更高的出光亮度。射流系统2包括源真空腔23，在真空腔23的一侧设置有x射线窗口，或者，在真空腔23的两对侧均设置有x射线窗口，在真空腔23的顶部设置有高压喷嘴22、底部设置有收集室27，收集室27、止回阀24、第一冷却器25与第一过滤器26依次顺序连接。真空腔23与辅助真空系统6连接。辅助真空系统6包依次顺序连接的真空泵61、真空规62及第一过滤器26，第一过滤器26连接真空腔23。蓄能器54连通的控制阀21，控制阀21连接高压喷嘴22，真空腔23体与电子束系统1采用刚性连接，真空腔23体与射流系统2中其余各部分采用柔性连接，避免射流系统2中的介质泵32、液压油泵41以及高压泵51等部件产生的振动对电子束焦斑的位置产生影响。高压喷嘴22在真空腔23内喷出液态金属，形成液态金属射流，电子束系统1发出的电子束垂直轰击液态金属射流以产生x射线，x射线垂直从单侧x射线窗口或双侧x射线窗口射出。x射线窗口的材料至少应对x射线有较低的吸收率，并具有一定的强度；在一种优选的方案中，x射线窗口的材料为铍，其他可替代的方案中x射线窗口的材料包括但不限于金刚石、锂、氮化硼、碳化硅等低原子序数材料或复合材料；在一种优选的方案中，x射线窗口的厚度为70μm，在其他可选的替代方案中厚度范围在30μm-1500μm之间。
33.具体地，液态金属材料的选择为镓铟合金或镓铟锡合金，应当明确的是液态金属对于其他金属具有一定的腐蚀性，系统内各元件中应尽量避免铝、铜质材料与液态金属直接接触，与液态金属直接接触的部分优选的选用不锈钢、钛等不易被液态金属腐蚀的金属材料或非金属材料，另外，系统各部件内液态金属的温度不应过高，过高的温度会加速系统内的腐蚀，液态金属的温度应以稍高于所选液态金属熔点为最佳。
34.在真空腔23中，电子束撞击液态金属射流，液态金属射流离开高压喷嘴22后，在一定距离内保持均匀圆形截面，这段区域称作线性区域，在线性区域内，液态金属射流中心轴线与重力方向重合；液态金属射流脱离线性区域后，液态金属会呈不规则截面直到到达收集室27。收集室27中承受液态金属射流冲击的区域为成圆弧状或与射流切线呈一定角度的平板，其材料优选的选用金刚石，在其他可替换的方案里可以选择蓝宝石、红宝石或其他硬度较高的金属/非金属材料。
35.本实施例利用控制阀21控制射流流速及设备关闭后使液态金属立刻停止喷出，保
持系统内压力稳定。
36.本实施例的高压喷嘴22的材料优选金刚石，在其他可替换的方案里可选用红宝石或蓝宝石；高压喷嘴22的孔径优选的使用100μm，在其他可替换的方案里高压喷嘴22的孔径可选用10-1000μm。
37.本实施例的止回阀24能够使收集室27中的液态金属均匀平稳的流经第一冷却器25回到供给系统3的介质容器31内，防止真空腔体与介质容器因真空度不同产生的液体回流现象，使得液态金属能够均匀充分得到冷却。
38.本实施例的第一冷却器25包括制冷线圈及循环冷却液，液态金属在制冷线圈内流动，利用循环冷换热，实现液态金属冷却。第一冷却器25应将液态金属冷却至适度的设定点温度，例如稍高于熔点的温度，以降低系统的腐蚀和其他类型的劣化。由于整套装置内不同区域液态金属温度可能不同，某些元件内的液态金属温度可能低于熔点，凝固的液态金属会影响装置运行的稳定性，在一种优选的实施例中，装置需要配备温度控制系统，可以选用梳状加热器以确保所有元件内的液态金属温度均在熔点以上，在其他可选的实施例中，加热器的选择应包括但不限于空调、管状加热器等。
39.本实施例的第二过滤器63为不锈钢材质滤芯，辅助真空系统6中的第二过滤器63还有一个作用是防止液态金属进入真空组件中对真空组件造成腐蚀，因此可以选用具有较高过滤精度的纸质滤芯或化纤滤芯，在其他可选的实施例中，对于滤芯的选择应包括但不限于微孔滤芯、pp滤芯、陶瓷滤芯、树脂滤芯等。辅助真空系统6维持真空腔23内的真空度高于1
×
10-5pa，可选的替代方案中辅助真空系统6维持真空腔23内的真空度介于1
×
10-3pa与1
×
10-7pa之间。
40.本实施例的射流系统2的工作过程为：控制阀21控制高压喷嘴22，高压喷嘴22在真空腔23内喷出液态金属射流，电子束系统1发出的电子束垂直轰击液态金属射流，产生的x射线垂直从单侧x射线窗口或双侧x射线窗口射出，被轰击后的液态金属射流垂直落入收集室27内，再通过止回阀24、第一冷却器25、第一过滤器26回到供给系统3。
41.驱动系统4为液态金属提供高射速所需的压强，液压油将液压油泵41的驱动力传递至高压泵51，工作介质为液压油。驱动系统4包括液压油泵41，油箱42为液压油泵41提供液压油，液压油泵41、第一单向阀43、换向阀46和增压系统5中的高压泵51液压活塞缸512顺序连接形成供油油路，高压泵51的液压活塞缸512、第二冷却器44和油箱42顺序连接形成回油油路，在供油油路上位于第一单向阀43的输出端处、电磁阀45、第二冷却器44和油箱42顺序连接，电磁阀45连接油箱42。换向阀46优选为电磁换向阀46。液压油泵41的为柱塞泵、叶片泵、隔膜泵或其他高压泵51。本实施例的电磁换向阀46控制高压泵51活塞往复运动。电磁阀45可以起到压力补偿和卸压的作用，通过控制电磁阀45可以精确控制驱动系统4中液压油的压力，进而控制高压泵51的输出压力。在一种优选的实施例中，液态金属在喷嘴处的压强约为50mpa，本装置中驱动系统4能提供的压强值最高可达400mpa。
42.本实施例驱动系统4的工作过程如下：
43.启动液压油泵41，液压油经第一单向阀43和电磁换向阀46流入高压泵51液压活塞缸512的右侧缸体中，缸体内油压升高推动活塞向左侧运动，左侧缸体内液压油排出，活塞运动一段距离后电磁换向阀46启动，液压油泵41入左侧缸体并推动活塞向右侧运动，如此循环往复，在此过程中利用活塞杆不断在高压泵51两侧的第一腔体中吸入、泵送液态金属；
回流的液压油经第二冷却器44冷却至设定点温度后流回液压油箱42，形成闭环回路。利用电磁阀45可以补充或卸液压油，起到压力补偿和卸压的作用。
44.如图3～图4所示的，增压系统5包括高压泵51，在高压泵51的两端连接有第二单向阀组52，具体地，高压泵51包括液压活塞缸512和位于液压活塞缸512两端的液体金属活塞缸，液体金属活塞缸连接第二单向阀组52，其中一个第二单向阀组52连接液态金属输送管，另一个第二单向阀组52通过高压管53连接蓄能器54，蓄能器54连接射流系统2。增压泵通过液压油驱动活塞往复运动泵送液态金属，同时给予液态金属设定值的压强，高压泵51泵送的液态金属流经第二单向阀组52和蓄能器54后进入射流与收集系统，在高压泵51的两端同时安装有第二单向阀组52，避免了高压泵51工作过程中或装置启停瞬间液态金属发生回流，蓄能器54的作用是衰减液态金属泵送过程中由高压泵51带来的压强脉冲，使液态金属能够平稳的到达喷嘴并在喷出后具有空间上的连续性。在一种优选的实施例中，蓄能器54选用对压强脉冲具有较强衰减作用的活塞式蓄能器54，其他可替代的方案包括但不限于隔膜式蓄能器54或气囊式蓄能器54。
45.供给系统3包括介质容器31，介质容器31连接粗过滤器33，介质泵32连接粗过滤器33，粗过滤器33连接高压泵51，介质泵32将介质容器31内的金属溶液运输至粗过滤器33，经粗过滤器33过滤后输送至高压泵51内。介质泵32给予液态金属一定的初始压强以确保装置工作时高压泵51两端活塞缸(液态金属腔)内液态金属得到充分的供应，防止形成空穴损坏高压泵51或其他元器件。介质泵32的类型可选择隔膜泵，在其他可选的实施例中，介质泵32的选择包括叶片泵、柱塞泵或其他泵。
46.实施例二
47.如图1～图4所示的，本实施例提供了一种用于x射线源阳极靶的液态金属射流方法，采用实施例一的液态金属射流装置，方法包括：
48.启动装置，液压油泵41与介质泵32开始工作，控制阀21开启；
49.介质泵32将介质容器31中的液态金属经过粗过滤器33输送至高压泵51内，液态金属经高压泵51加压后再经高压管53路流入蓄能器54，蓄能器54输出平稳的液态金属流，液态金属流经过控制阀21后由高压喷嘴22后在真空腔23内射出，液态金属回收到收集室27内，再经由第一冷却器25冷却、第一过滤器26过滤后流回介质容器31；在上述过程中，控制电磁阀45精确控制液态金属射流的射速；
50.待射流系统2稳定运转后，开启电子束系统1，电子束系统1发出的电子束垂直轰击液态金属射流以产生x射线，x射线垂直从单侧x射线窗口或双侧x射线窗口射出。
51.本发明的用于x射线源阳极靶的液态金属射流系统2及方法，(1)用液态金属射流代替传统固态阳极靶，以射流的形式快速带走电子束轰击区域的热量，克服了固态阳极靶x射线源出光亮度低的缺陷，提高了靶材功率密度，进而提高了x射线源出光亮度和x射线通量，提高了测试效率，缩短了测试时间；(2)结构设计紧凑，在x射线显微ct系统屏蔽铅房内只需放置电子束系统1及与电子束系统1刚性连接的射流系统2，其余柔性连接部分通过高压管53路连接，可设置在单独的隔振平台上；(3)采用两套闭环循环回路结合的方式，高压泵51能给液态金属提供最高可达400mpa的压强，相比于现有产品大幅度提高了液态金属射流的射速，散热效率更高；(4)电子束作用区域的真空腔23体内设置了辅助真空系统6，提高了系统内真空条件的稳定性，同时辅助真空系统6在一定程度上可以处理真空腔23内液态
金属碎屑、蒸发气体等问题，整套装置的工作稳定性及工作寿命优于现有产品；(5)提高了x射线源的稳定性。
52.以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。