基于两级静电聚焦结构的X射线装置

技术领域

本发明涉及一种X射线装置，尤其涉及一种基于两级静电聚焦结构的X射线装置。

背景技术

近年来输配电网的电缆化率持续攀升，但由于铺设的环境较为复杂恶劣，导致故障问题的发生概率不断上升，严重影响电力系统的安全稳定性。实现对电力电缆运行状态的智能化在线无损巡检，对保障电网安全可靠运行具有重要意义。传统电缆故障检测方法如电桥法、脉冲法、声磁同步法等，主要针对已发生故障的进行定位检测，在线监测不够灵活。X光无损检测具有成像质量高、速度快、可以做到实时成像显示并能实现在线检测等优点，有望解决电缆故障检测的问题。然而相关检测设备价格昂贵、尚未国产化及商业化。此外，传统的X光技术使用高压直流源，存在成像速度慢、体积重量大、能量效率低等缺点，难以与爬行机器人、无人机等智能化平台进行集成。

脉冲X光机可提供短时长高强度的脉冲X射线，是实现高速成像的理想工具，其曝光时间短，穿透力强，可穿过火光和烟雾对爆炸过程中的高速运动现象进行拍摄，是爆轰实验测试、雷管爆炸等研究中不可缺少的测试设备，X射线管是脉冲X光机产生X射线的核心元件。传统工业无损检测X射线管由于是直流单端高压或者双端高压结构，一般采用电子枪静电聚焦后单极加速的方式打到靶上实现出光，仍然不满足脉冲电源工作模式下连续高重频的高压脉冲出光、更高的峰值功率、更小的焦斑以及更高的寿命的要求。

因此，为解决上述技术问题亟需提出一种新的技术手段。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种基于两级静电聚焦结构的X射线装置，通过优化传统X射线管的阳极靶结构，研制具有出光光强高且可调、能谱一致性能好，高重频的X射线管；

本发明通过的一种基于两级静电聚焦结构的X射线装置，包括电子枪、两级静电聚焦结构、阳极靶和开放式真空靶室；

所述电子枪用于产生电子束，且电子束射向阳极靶的靶面；

所述两级静电聚焦结构设置于电子枪的电子束输出端与阳极靶之间；所述两级静电聚焦结构包括一级静电聚焦极和二级静电聚焦极，所述一级静电聚焦极设置于电子枪的阴极，用于对电子束进行束流和聚焦，所述二级静电聚焦极用于对通过一级静电聚焦极的电子束进行二次聚焦并进行加速后作用于阳极靶的靶面；

所述阳极靶用于接收电子束，并在电子束轰击靶面时产生X射线；

所述开放式真空靶室呈倒L型，包括水平部和竖直部；所述开放式真空靶室的竖直部为电子束通道，所述开放式真空靶室的水平部用于容纳靶面，且开放式真空靶室的水平部侧壁设置有X射线出口。

进一步，所述阳极靶包括靶体和靶面，所述靶体呈倒L型，所述靶体的竖直部从开放式真空靶室的水平部伸出并与安装座固定连接；所述靶面的上端与所述靶体的水平部滑动配合，所述靶面的下端与调节驱动组件铰接，所述调节驱动组件向靶面施加驱动力使靶面沿靶体的水平部滑动，进而调节靶面的倾斜角度。

进一步，所述靶体的水平部下表面下沉形成安装槽，所述安装槽的侧壁设置有滑槽，所述靶面的上端两侧设置有滚动轴承，所述滚动轴承设置于滑槽内。

进一步，所述调节驱动组件包括螺套、顶板、导向杆以及顶杆；

所述螺套外套于靶体的竖直部且螺套与靶体的竖直部螺纹配合，通过旋转螺套驱动顶板向上运动，所述螺套位于所述开放式真空靶室外；

所述顶板位于螺套与所述开放式真空靶室的水平部之间，且所述顶板与所述开放式真空靶室的水平部的外侧壁下表面通过弹簧连接，所述靶体的竖直部穿过顶板；

所述开放式真空靶室的水平部的外侧壁下表面固定设置有导向杆，所述导向杆的轴线与靶体的竖直部轴线平行，所述导向杆穿过顶板；

所述顶杆固定设置于顶板的上表面且顶杆与顶板的板面垂直，所述顶杆的上端从开放式真空靶室的水平部伸入开放式真空靶室并于靶面的下端铰接。

进一步，所述螺套的上端端面设置有滚珠。

进一步，所述电子枪的包含阴极与控制极，所述控制极与阴极之间的电位差为-20kV。

进一步，一级静电聚焦极和二级静电聚焦极的电位相等。

进一步，所述开放式真空靶室的电子束通道的进口两侧壁为可伸缩的波纹面结构。

进一步，还包括水冷组件和红外测温仪；

所述水冷组件包括水泵、水箱、循环水管、水冷管和翅片；所述翅片设置于所述水冷管上，所述水冷管的两端穿过所述循环水管；所述循环水管设置于安装座内并伸出安装座，所述循环水管的一端与水泵连接，所述循环水管的另一端设置于水箱内；

所述红外测温仪设置于开放式真空靶室外侧壁上，用于测量开放式真空靶室内的温度，并将测量的温度传输至水泵控制器，当开放式真空靶室的温度超过阈值时，水泵控制器控制水泵工作。

进一步，所述开放式真空靶室的水平部外侧还设置有散热翅片。

本发明的有益效果：本发明通过-20kV的短脉冲电压实现对电子束的高重复频率引出和控制，且能够实现最大脉冲电子束束流不小于2A，并通过两级静电聚焦结构实现对电子束的双段高压加速，使本发明能够产生0.5mm焦斑和40mm透射性能的X射线；通过调节靶角角度还能提高X射线成像系统极限空间分辨率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明X射线装置剖视图；

图2为本发明滚动轴承和靶面连接示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作出进一步说明：

本发明提供的一种基于两级静电聚焦结构的X射线装置，整体装置如图1所示，包括电子枪1、两级静电聚焦结构、阳极靶和开放式真空靶室9；

所述电子枪1用于产生电子束1.1，且电子束1.1射向阳极靶的靶面5；

所述两级静电聚焦结构设置于电子枪1的电子束1.1输出端与阳极靶之间；所述两级静电聚焦结构包括一级静电聚焦极2和二级静电聚焦极3，所述一级静电聚焦极2设置于电子枪1的阴极，用于对电子束1.1进行束流和聚焦，所述二级静电聚焦极3用于对通过一级静电聚焦极2的电子束1.1进行二次聚焦并进行加速后作用于阳极靶的靶面5；

所述阳极靶用于接收电子束1.1，并在电子束1.1轰击靶面时产生X射线16；

所述开放式真空靶室9呈倒L型，包括水平部和竖直部；所述开放式真空靶室9的竖直部为电子束通道，所述开放式真空靶室9的水平部用于容纳靶面5，且开放式真空靶室9的水平部侧壁设置有X射线出口9.3；所述X射线出口9.3所在的水平部侧壁和开放式真空靶室9的竖直部侧壁共面。

上述结构，能够通过-20kV的短脉冲电压实现对电子束的高重复频率引出和控制，并在两级静电聚焦结构对电子束的双段高压加速下，产生0.5mm焦斑和40mm透射性能的X射线。

本实施例中，所述阳极靶包括靶体4和靶面5，所述靶体4呈倒L型，所述靶体4采用的材料为铜；所述靶体4的竖直部从开放式真空靶室9的水平部伸出并与安装座10固定连接；所述安装座10为中空结构，材料采用耐热合金钢；所述靶面5的上端与所述靶体4的水平部滑动配合，所述靶面5的下端与调节驱动组件铰接，所述调节驱动组件向靶面5施加驱动力使靶面5沿靶体4的水平部滑动，进而调节靶面5的倾斜角度；

所述开放式真空靶室9的水平部自由端和所述靶体4的水平部自由端朝向相反，所述开放式真空靶室9的竖直部自由端和所述靶体4的竖直部自由端朝向相同，且所述靶体4的竖直部位于所述开放式真空靶室9的内侧，具体地，当所述靶体4的水平部向左时，所述开放式真空靶室9的水平部向右；当所述靶体4的水平部向右时，所述开放式真空靶室9的水平部向左。

本实施例中，所述靶体4的水平部下表面下沉形成安装槽，所述安装槽的侧壁设置有滑槽4.1，所述靶面5的上端两侧设置有滚动轴承4.2，所述滚动轴承4.2设置于滑槽4.1内；

具体地，所述滚动轴承4.2安装在靶面5上端的安装轴上，该安装轴可以是一个轴焊接在靶面的上边缘，也可以是靶面的上边缘处向纵向(相对于靶面来说，纵向是指平行于靶面上边缘的方向，垂直于靶面的方向为横向，即图1中的左右方向)延伸形成安装轴，优选采用第二种方式，靶面和安装轴形成一个整体，加工难度也更低。

本实施例中，所述调节驱动组件包括螺套8、顶板7、导向杆9.1以及顶杆6；

所述螺套8外套于靶体4的竖直部且螺套8与靶体4的竖直部螺纹配合，通过旋转螺套8驱动顶板7向上运动，所述螺套8位于所述开放式真空靶室9外；

所述顶板7位于螺套8与所述开放式真空靶室9的水平部之间，且所述顶板7与所述开放式真空靶室9的水平部的外侧壁下表面通过弹簧15连接，所述靶体4的竖直部穿过顶板7，且顶板7关于靶体4的竖直部轴线对称；所述弹簧15设置的位置也关于靶体4的竖直部轴线对称；前述结构能够保证顶板在受到驱动力时受力均衡；

所述开放式真空靶室9的水平部的外侧壁下表面固定设置有导向杆9.1，所述导向杆9.1的轴线与靶体4的竖直部轴线平行，所述导向杆9.1穿过顶板7，且导杆9.1关于靶体竖直部轴向对称；当转动螺套8时，会对顶板7产生横向摩擦力，导致弹簧发生横向形变进而使弹簧失效；导向杆9.1能够固定顶板7不发生扭动，进而保证弹簧发生竖直方向上的形变，从而导向杆用于保证顶板运动的稳定性；

所述导向杆9.1的长度大于所述开放式真空靶室外侧壁到所述螺套8最低位置的长度，所述螺套8的最低位置为螺纹的下端。上述结构能够保证导向杆9.1始终穿过顶板7。

所述顶杆6固定设置于顶板7的上表面且顶杆6与顶板7的板面垂直，所述顶杆6的上端从开放式真空靶室9的水平部伸入开放式真空靶室9并于靶面5的下端铰接；

本实施例中，所述螺套8的上端端面设置有滚珠8.1，所述滚珠8.1关于靶体4的竖直部轴线对称，所述滚珠8.1用于减小螺套8和顶板7之间的摩擦力；

所述螺套8设置的初始位置刚好与所述顶板7的初始位置接触，所述顶板7的初始位置为弹簧15无形变状态下顶板7的位置；

通过上述结构，能够改变靶面5的倾斜角度或者靶角a；对于能量(能量以产生电子束时的工作电压体现，即该工作电压等级不同，能量就不同)不同的电子束，会有一个最优的靶角使得出光的光强高，能谱一致性好，同理对于同一种能量的电子束，改变靶角也会改变出光的光强和能谱一致性，为了获得更好的光强和能谱一致性，可以针对不同能量的电子束改变靶角实现，而对于固定能量的电子束，在使用时，对于光强和能谱一致性的要求也不同，针对于不同的要求，可以在两者都满足条件的情况下适当减小靶角以提高射线成像系统极限空间分辨率；例如，能量为150ekV的电子束所撞击靶面所产生的X射线透射金属铝的深度为40mm，在只需要对金属铝的透射深度为20mm的要求下，若不改变电子束的能量，则可以适当减小发射的X光光强，只需满足要求即可，在这种情况下，可以在最优靶角的基础上适当减小靶角，这样在满足出光光强和投射深度的情况下，还能够提高成像系统极限空间分辨率。

当需要减小靶面5的倾斜角度或靶角a时，人为转动螺套8，使螺套8向上移动，从而推动顶板7和顶杆6向上移动，顶板压缩弹簧；当顶杆6向上移动时，会推动滚动轴承4.2在凹槽4.1内向图1中的右方移动，靶面的整体并不会向上运动，而会以铰接处发生一定的转动，从而改变靶面的倾斜角度；其中，靶面5的倾斜角度是指靶面5与靶体4的水平方向(图1中的左右方向)形成的锐角，靶角a是指电子束1.1与近滚动轴承4.2一端的靶面5形成的夹角，如图1所示；

当需要增大靶面5的倾斜角度或靶角a时，人为转动螺套8，使螺套8向下移动，顶板7在顶板7的重力作用和弹簧向下恢复力的作用下，使顶板7向下移动，顶板7带动顶杆6向下移动，从而带动靶面5移动，使靶面5的倾斜角或则靶角a增大。

本实施例中，所述电子枪1通过开放式真空靶室9的电子束通道向阳极靶的靶面5发射电子；所述电子枪1包含-150kV的引出控制极和-130kV的阴极，引出控制极与阴极形成-20kV短脉冲电压，用于控制电子的引出和截止，并且能产生不小于2A的电子束束流；

本发明中的阴极采用螺旋钨丝阴极，能够满足发射电子束束流较高的要求；所述阴极采用插入式阴极板，便于后期的维护，螺旋钨丝阴极和插入式阴极板为现有技术，在此不加以赘述。

本实施例中，所述一级静电聚焦极2位于电子枪1的阴极电位上，电压为-130kV，用于对电子枪产生的电子进行束流和聚焦；所述二级静电聚焦极3对通过一级静电聚焦极2的电子束1.1进行二次聚焦并进行加速后作用于阳极靶的靶面5上，并产生X射线，所述二级静电聚焦极3采用-130kV电压；两级静电聚焦结构能够实现对电子束的双段高压加速；

当经过双段高压加速的电子束1.1击打在有倾斜角设计的阳极靶靶面5上时，能够产生0.5mm焦斑和40mm透射性能的X射线。

本实施例中，所述开放式真空靶室9的电子束通道的进口两侧壁为可伸缩的波纹面结构；

所述可伸缩的波纹面结构为焊接波纹管，焊接波纹管具有密封性好、耐腐蚀、耐高温、寿命长等特性，当整个开放式真空靶室9因为热量过高导致横向、纵向或者角向变形时，能够通过波纹管进行补偿，是温度和体积的补偿元件，焊接波纹管为现有技术，在此不加以赘述。

本实施例中，还包括水冷组件和红外测温仪13；

所述水冷组件包括水泵、水箱、循环水管11、水冷管16和翅片17；所述翅片17设置于所述水冷管16上，且所述翅片17在水冷管16上等间距布置；所述水冷管16的两端穿过所述循环水管11；所述循环水管11设置于安装座10内并伸出安装座10，所述循环水管11的一端与水泵(图1未示出)连接，所述循环水管11的另一端设置于水箱(图1未示出)内；

所述红外测温仪13设置于开放式真空靶室9外侧壁上，用于测量开放式真空靶室9内的温度，并将测量的温度传输至水泵控制器，当开放式真空靶室9的温度超过阈值时，水泵控制器控制水泵工作；

所述水泵用于对水箱中的冷却水在循环水管中流动提供动力。

本实施例中，还包括散热翅片12，所述散热翅片12用于降低开放式真空靶室9内的温度，所述散热翅片12设置于开放式真空靶室9的水平部外侧壁；

由于开放式真空靶室内，电子束1.1击打在阳极靶上会产生热量，所述散热翅片和水冷组件共同作用对开放式真空靶室9进行散热。

本发明在开放式真空靶室9外侧壁上设置有真空计14，用于测量开放式真空靶室9的真空状态；当开放式真空靶室9内的真空条件不满足产生X射线的条件时，抽真空装置对开放式真空靶室9进行抽真空。

上述描述中的上、下、水平和竖直方向均以图1所示的方向。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。