CN109698105B - 高剂量输出的透射传输和反射目标x射线系统及使用方法 - Google Patents

Abstract

高剂量输出的透射传输和反射的目标X射线管和使用方法总体上包括用于在高压电位下对电子进行加速的X射线管，其具有：抽空的高压壳体；半球形透射传输和反射的目标阳极，其被设置在所述壳体中；阴极结构，用于使电子朝向被设置在所述壳体中的半球形阳极偏转；灯丝，其位于被设置在所述壳体中的阳极半球的几何中心；电源，其连接到所述阴极以向电子提供加速电压。

Description

高剂量输出的透射传输和反射目标X射线系统及使用方法

相关申请的交叉引用

在法律允许的完整范围内，本美国非临时专利申请是2014年12月31日提交的已被分配序列号14/587,634的题为“High Dose Output,Through Transmission Target X-RaySystem and Methods of Use”的美国非临时专利申请的继续部分，特此要求其优先权和全部的权益。

技术领域

本公开总体上涉及X射线管技术，并且更特别地涉及具有特定阳极、阴极、灯丝配置以及材料选择的X射线管，以产生高剂量的X射线输出。

背景技术

在现有技术X射线管的许多典型状态中，阴极组件和阳极组件在玻璃或金属封装(envelope)中是真空密封的。电子由阴极组件中的至少一个阴极灯丝生成。这些电子通过高压电场朝着阳极组件加速。高能电子在与阳极组件撞击时生成X射线。该过程的副产物是产生大量的热量。

传统的X射线管配置在现有技术中是已知的，例如，Coolidge型X射线管。在Coolidge管中，显示为点输出辐射模式的X射线光子是通过将从灯丝放射出的电子束撞击到目标阳极的表面上而生成的。Coolidge管可以单端操作，其中阴极处于负电位并且阳极处于接地，或者双端操作，其中阴极处于负电位并且阳极处于正电位。在任一种配置中，加速度的能量是电极电位之间的差异。在 Coolidge X射线管中，目标阳极由诸如钨、钽或铱的重金属制成，并且由于这种材料的密度和高熔点而选择这种材料。目标阳极的材料最经常被安装在导热材料(诸如铜)上并通过水或介电油外部冷却。

目标阳极与电子束成直线放置，并且辐射以与电子束成直角的角度进行发射。输出辐射的光谱主要是轫致辐射，并通过改变电子束的加速度能量而改变。这种性质的管用于工业成像、医学成像、分析和辐射应用。这种类型的管的主要限制是在熔化发生之前目标阳极的瓦特密度负载，所生成的X射线光子的有限利用以及所得辐射场的对称性。因为成像设备(电子器件或薄膜)的分辨率是投射到目标阳极上的电子束尺寸的函数。针对最佳图像分辨率，需要小焦点，但是针对最佳图像对比度，需要大量的X射线光子。这两个要求是相反的并在传统的管设计中无法解决。另外，发射辐射的反射性质关于束中心线是不对称的，并且针对X射线辐射应用是非常低效的。

最近，一些低功率的透射传输(through transmission)X射线管已经在市场上出售。这些管使用单个元素(element)作为组合目标和输出窗口。最经常使用的元素是钨，这是因为其较高的熔点，但是以辐射输出降低为代价。

因此，显而易见的是存在对高剂量输出的可识别的未满足的需求，透射传输目标X射线系统和使用方法，其具有较大的表面积阳极目标以散热并因此实现更高的原子序数目标材料，具有改进的辐射输出、较低的熔点和较高的蒸发压力、以及产生较高输出辐射所需的低电极电位。

发明内容

简洁地描述，在示例实施例中，本装置克服了上面提到的缺点并且满足了对高剂量输出的公认需求，透射传输目标X射线管和使用方法通常包括用于在高压电位下对电子加速的X射线管，所述X射线管包括：被密封的抽空壳体；被设置在所述壳体上的透射传输目标阳极结构，所述阳极结构被配置为具有几何中心的半球形；被设置在所述壳体中的阴极结构，所述阴极被配置为使电子朝向所述半球形阳极偏转；被设置在所述壳体中的灯丝，所述灯丝被定位在接近所述半球形的所述几何中心并在所述阳极和所述阴极之间；抽空壳体，所述壳体被配置为在那里真空封入所述阳极、所述阴极以及所述灯丝，并因此，这种X射线管用作提供较大表面积阳极目标以散热，并能够使用不同的z材料以利用具有改善的辐射输出、更低熔点以及产生更高输出辐射所需的更低电极电位的特征X射线。

根据其主要方面和广泛陈述，高剂量输出的透射传输目标X射线管和使用方法总体上包括用于在高压电位下对电子加速的X射线管，其具有：抽空高压壳体；半球形透射传输目标阳极，被设置在所述壳体中；阴极结构，使电子朝向被设置在所述壳体中的半球形阳极偏转；灯丝，位于被设置在所述壳体中的阳极半球的几何中心；电源，连接到所述阴极以向电子提供加速电压。

在透射传输目标X射线管和使用方法的示例性实施例中，X射线管包括：被密封的抽空壳体；被设置在壳体上的透射传输目标阳极结构，阳极结构被配置为具有几何中心的半球形；被设置在壳体中的阴极结构，阴极被配置为使电子朝向阳极结构偏转；被设置在壳体中的灯丝，灯丝被定位在接近半球形的几何中心并在阳极和阴极之间，其中抽空壳体被配置为在其中使阳极结构、阴极结构以及灯丝真空密封。

在用于在高压电位下对电子进行加速的透射传输和反射目标X射线管的另一示例性实施例中，包括：壳体；被设置在壳体上的透射和反射传输目标阳极结构，阳极结构被配置为具有由2D基底创建的圆的中心的半球形；被设置在壳体中的阴极结构，阴极结构被配置为使电子朝向阳极结构偏转；被设置在壳体中的灯丝，灯丝被定位在接近由半球形的2D基底创建的圆的中心并在阳极结构和阴极结构之间，其中抽空壳体被配置为在其中使阳极结构、阴极结构以及灯丝真空密封。

在透射传输目标X射线管的示例性实施例中，用于产生单色输出X射线谱的方法包括提供用于在高压电位下对电子进行加速的X射线管的步骤，该X射线管具有：被密封的抽空壳体；被设置在壳体上的透射和反射传输目标阳极结构，阳极结构被配置为具有几何中心的半球形；被设置在壳体中的阴极结构，阴极结构被配置为使电子朝向阳极结构偏转；被设置在壳体中的灯丝，灯丝被定位在接近由半球形的2D基底创建的圆的中心并在阳极结构与阴极结构之间，其中由半球形的2D基底创建的圆与阴极结构直接接触，并且其中抽空壳体被配置为在其中使阳极结构、阴极结构以及灯丝真空密封，对只低于至少一个目标元素的K_α能量的输出X射线谱进行过滤，并且调节只高于至少一个目标元素的 K_α能量的阴极电压。

因此，高剂量输出的透射传输目标X射线管和使用方法的特征是其生成对称的X射线场的能力。

高剂量输出的透射传输目标X射线管和使用方法的另一特征是其提供较大的表面积阳极目标以散热的能力。

高剂量输出的透射传输目标X射线管和使用方法的又另一特征是其能够使用不同的z材料以利用将增加辐射输出的特征X射线的能力。

高剂量输出的透射传输目标X射线管和使用方法的又另一特征是其使用具有较低熔点的目标材料以用于特殊应用(例如单色X射线的生成)和治疗应用的能力。

高剂量输出的透射传输目标X射线管和使用方法的又另一特征是其利用较低电极电位以产生较高输出辐射的能力。

高剂量输出的透射传输目标X射线管和使用方法的又另一特征是其提供新阳极配置的能力，这使得可以使用具有不同特征X射线的可替换目标材料。

高剂量输出的透射传输目标X射线管和使用方法的又另一特征是其提供X 射线管的能力，该X射线管要求不以空气冷却或液体冷却的形式进行散热或限制散热。此外，由于新阳极配置的表面积增加，因此强制的空气冷却更有效。

高剂量输出的透射传输目标X射线管和使用方法的又另一特征是其提供具有由于大表面积阳极目标散热能力而增加的寿命的X射线管的能力。

高剂量输出的透射传输目标X射线管和使用方法的又另一特征是其针对阳极提供新结构和几何形状以增加阳极的表面积的能力。

高剂量输出的透射传输目标X射线管和使用方法的又另一特征是其提供具有更好传热特性的阳极配置的能力，这将使得阳极能够在更低的温度下操作，并因此实现了较低熔点材料的选择和提高的辐射输出，并延长了X射线管的使用寿命。

高剂量输出的透射传输目标X射线管和使用方法的又另一特征是其针对阴极提供新结构和几何形状的能力，这使电子朝向新结构和几何形状的阳极偏转和/或加速。

高剂量输出的透射传输目标X射线管和使用方法的又另一特征是其针对灯丝提供新结构和几何形状的能力，该灯丝释放朝向新结构和几何形状的阳极而均匀分布的电子。

高剂量输出的透射传输目标X射线管和使用方法的又另一特征是其将最小阳极目标提供给辐射样品距离的能力，从而产生可以放置得更靠近物体的X射线源。

高剂量输出的透射传输目标X射线管和使用方法的又另一特征是其产生用于生物或有机材料辐射、放射治疗、通过杀死或改变人体细胞治疗某些疾病、成像的X射线(例如医疗、工业和双重能量，对物体的非破坏性评估，X射线缺陷，X射线衍射模式，治疗性X射线，分析X射线以及X射线显微镜)的能力。

高剂量输出的透射传输和反射的目标X射线管及使用方法的又另一特征是其产生与目标阳极的前向电子行进相反的有用量的反射光子的能力。从X射线场的Z轴图可以观察到该现象。

由于阳极的半球形和对应的阴极结构，高剂量输出的透射传输和反射的目标X射线管及使用方法的又另一特征是通过改变两个结构之间的距离而被动地操纵电子场的能力。

高剂量输出的透射传输和反射的目标X射线管及使用方法的又另一特征是改变灯丝尺寸和形状以改变电子发射特性的能力。

对于本领域的技术人员来说，当根据附图进行阅读时，高剂量输出的透射传输和反射的目标X射线管及使用方法的这些和其它特征将从对示例性实施例和权利要求的以下详细描述变得更明显。

附图说明

通过参考附图来阅读对示例性实施例的详细描述，将更好地理解高剂量输出的透射传输目标X射线管和使用方法，在附图中，相同的附图标记始终表示类似的结构并且指的是相似的元件，且在附图中：

图1是Coolidge类型的现有技术X射线管的示意性横截面表示；

图2是透射传输目标X射线管的示例性实施例的示意性横截面表示，示出了正从阴极灯丝发射出的电子轨迹线的剖面并且示出了正从阳极目标发射出的输出辐射的剖面；

图3是X射线能量keV相对金目标剂量的图形表示；

图3.1是X射线能量keV相对诸如钨、铱和金作为目标的材料的组合的剂量的图形表示；

图4是目标阳极厚度相对不同kV的剂量的图形表示；

图5是利用图2的透射传输目标X射线管来辐射生物材料的示例应用的示图表示；

图6是图2的透射传输目标X射线管与单色滤波器组合的示例性实施例的示意性正视横截面表示；

图7是X射线能量相对透射传输目标X射线管与图6的单色滤波器组合的剂量的图形表示；

图8是透射传输目标X射线管的可替换示例性实施例的示意性正视横截面表示，示出了正从阴极灯丝发射出的电子轨迹线的剖面并且示出了正从阳极目标发射出的输出辐射的剖面；

图9是生成对称形状的X射线场的方法的流程图；

图10是透射传输和反射的目标X射线管的可替换示例性实施例的示意性横截面表示，示出了正从阴极灯丝发射出的电子轨迹线的剖面并且示出了正从阳极目标发射出并从阳极目标反射出的输出辐射的剖面；

图11A是图10的透射传输和反射的目标X射线管的可替换示例性实施例的横截面表示，示出了具有延伸的管侧壁；

图11B是图10的透射传输和反射的目标X射线管的可替换示例性实施例的横截面表示，示出了具有缩短的管侧壁；

图12是图10的透射传输和反射的目标X射线管的可替换示例性实施例的横截面表示以及与管中心线相关的光子或辐射的光子强度的图形表示；以及

图13是利用图10的透射传输和反射的目标X射线管来辐射生物材料的示例应用的示图表示。

要注意的是，所呈现的附图仅旨在用于说明的目的，并且因此它们既不希望也不旨在将本公开限制于所示结构的任何或所有精确细节，除了在它们可能被认为对要求保护的发明至关重要的范围内之外。

具体实施方式

在描述本公开的示例性实施例时，如图1-3、3.1、4-10、11A、11B、12-13 中所示，为了清楚起见，采用了特定的术语。然而，本公开不旨在限于如此选择的特定术语，并且要理解的是，每个特定元件包括以类似方式操作以完成类似功能的所有技术等同物。本文阐述的示例是非限制性示例，并且仅仅是其它可能示例中的示例。

现在参考图1，所示了Coolidge型X射线管12的示意性横截面表示，如图 1所示，包括：X射线管壳体1，其可以是玻璃或金属；高压绝缘体2；以及真空电介质3，被包含在X射线管壳体1其中。在Coolidge管中，显示为扇形输出辐射模式7的X射线光子通过撞击从灯丝5发出到目标阳极9(被示为X射线目标9)的表面上的电子束(被示为电子轨迹6)而生成。Coolidge管可以单端操作，其中阴极(被示为阴极组件4)处于负电位并且目标阳极9处于接地，或者双端操作，其中阴极4处于负电位并且目标阳极9处于正电位。在任一种配置中，加速度的能量是电极电位之间的差异。在Coolidge X射线管中，目标阳极9由诸如钨、钽或铱的重金属制成，并且由于它们的密度(钨-19.35，钽-16.65 或铱-22.4gr/cm3(克每立方厘米))和高熔点(钨-3410，钽-2996或铱-2410摄氏度(C))而选择这种材料。目标阳极9的材料最经常被安装在诸如铜的导热材料上(被示为阳极热导体8)。此外，在Coolidge型X射线管设计12中，用于产生给定的所得辐射7的电极电位之间的电能量的量是非常高的，导致了目标阳极9材料的加热要求特定目标冷却考虑，例如旋转目标阳极9、对目标阳极 9进行空气冷却或液体冷却，例如通过水或介电油流过冷却线10。对阳极组件进行冷却的目的是实现X射线管的更高功率的操作。

此外，目标阳极9与电子束6成直线放置，并且所得到的辐射7通过形成输出辐射7的束的输出辐射窗口11以与电子束6成直角的角度进行发射。

现在参考图2，通过示例而非限制的方式，示出了高剂量输出的透射传输目标X射线管20的示例性实施例的示意性横截面表示。优选地，透射传输目标X 射线管20包括抽空密封室或封装，诸如壳体21，其可以是玻璃、合金或金属，其创建了被抽空的空间25。壳体21的一端、第一端21.1优选地连接到高压电源33的第一连接器31。被包含在壳体21中的主要元件优选地是阳极结构22、阴极结构23、第一灯丝引线27、第二灯丝引线28以及灯丝24。此外，阳极结构22优选地包括作为阳极结构22的一部分的透射传输目标43的阳极，其中目标43优选地沉积在壳体21的第一端21.1的内表面42上。阴极结构23可以连接到接地或高压电源33的第二连接器32。灯丝24优选地连接到加热电流电源 44的第一灯丝引线27和加热电流电源44的第二灯丝引线28。优选地，目标43 是沉积在壳体21的第一端21.1的内表面42上的电子相互作用材料以及连同壳体21的电弧(arcing)或圆形横截面的、圆顶或半球形的第一端21.1包括阳极结构22。还被包含在壳体21中的优选地是高压绝缘体26，其部分地封闭壳体 21，在壳体21的第二端21.2上。

轫致辐射和特征辐射30优选地以电弧或半圆形横截面、圆顶或半球形辐射模式从透射传输目标X射线管20中发射。当高能电子从加热灯丝24发出并由高压电源33加速时产生特征辐射，目标阳极结构22的表面上的阳极结构22和阴极结构23的电极电势之间的电能(被示为电子轨迹35)将电子从目标元素(目标43)击出其轨道。当这发生时，下一个较高能量轨道中的电子将落入该较低的能量轨道，并发出等于两个电子轨道之间能量差的辐射爆发。因为目标43的每个元素或材料具有不同的原子结构，所以发射出的辐射的能量水平是该元素的唯一和特征。原子水平被指定为K、L、M、N......并且每个水平具有指定为α、β......的另外的子水平。例如，如果元素(目标43)的K轨道中存在空位(vacancy) 并且电子从L轨道下降以填充空位，那么发出的能量等于E_X-ray＝E_kα-E_L。主要且最有用的特征辐射是各种元素(目标43)的K_α能量水平，并且在阳极结构 22和阴极结构23的电极电势之间的电能的能量小于高压电源33的100千伏 (kV)时发生。本文认识到的是，透射传输目标X射线管20优选地可以使用目标43或由各种元素组成的复合目标43的K_α特征辐射来填充低于100千伏 (kV)的X射线谱并且使用来自更高Z元素的轫致辐射以产生卓越性能特性的 X射线管。

表I目标43材料或组合材料

阳极材料(43)	轫致辐射	特征辐射	总辐射
				钨	700	300	1000
钨+金	700	600	1300
				钨+金+铱	700	900	1600

针对钨阳极的被标准化的所有读数和在200kV下的操作。

一种新的壳体和目标阳极结构形状

为了解决传统X射线管和电流透射传输管的缺点，具有选择性阳极结构22 的透射传输目标X射线管20已经被设计。优选地，透射传输目标X射线管20 对于其上可以沉积各种目标43元素或材料以形成阳极结构22的基板(使用蒸发或溅射技术经由电化学平板电镀、机械结合或气相沉积中的一个在阳极结构上形成一个目标元素)利用由低Z材料(例如铝或铍、碳、陶瓷、不锈钢或其合金)形成的壳体21的阳极结构22的大直径52、半球形结构。优选地使用半球形阳极结构22，这是因为它具有相同直径的盘状基板的两倍的表面积。半球面积为2πr²，且盘面积为πr²。表面积的这种增加允许增加功率耗散，改善目标43上的电子对称性，增加表面积以散热，并因此提高冷却效率。此外，阳极基板22可以涂覆有作为目标43的各种元素、元素的组合或它们的合金以形成阳极结构22并且为特定目的而产生期望的特征辐射30或者涂覆有高Z元素以利用轫致辐射和特征辐射30的组合产生增加的输出。与Coolidge型X射线管相比，对于相同的辐射30输出，这都是在降低的阴极电位、高压电源33处来完成的，如图1所示。

本文认识到的是，配置有大表面积的半球形阳极结构22由于其在较大表面积上散热的能力而导致自冷却或较冷却或较低温度的阳极，并因此不要求任何内部冷却系统(例如旋转阳极或具有内部通道的冷却流体)，以在操作期间消散阳极结构22中生成的热量。

本文还认识到的是，配置有大表面积的半球形阳极结构22对称地提供跨阳极结构22的电子的均匀分布，并因此生成辐射30的均匀分布。

特定涂覆的目标阳极基板

优选地，透射传输目标X射线管20利用金作为被涂覆了半球形阳极结构22的目标43，其沉积在壳体21的第一端21.1的内表面42上以形成阳极结构 22。作为阳极结构22的目标43元素的金具有大约68.8keV处的K_α峰值和大约 77keV处的K_β峰值，当在150至160千伏(kV)进行操作时，高压电源33、轫致辐射和特征辐射光谱、辐射30，如图3中所示，理想地适于一个或多个高输出辐射应用并远远优于传统的X射线管，例如图1中所示的Coolidge型X射线管，这是因为以下优点。优选地，阳极结构22的金目标43元素提供了以下优点，这是因为辐射30的产生效率与乘以高压电源33的kV的阳极结构22的金目标43的原子序数成正比。这里，对于Coolidge型X射线管，金(Au)的原子序数是79，钨(W)的原子序数是74，如图1中所示。两个原子序数之间的百分比差异为6.75％。基于计算辐射30的公式1-((kV*z)/(kV*z))*100 ＝效率kV*Z*10-6；用作目标阳极结构22的金是6.75％，在与针对Coolidge 型X射线管的钨(W)目标43相同的千伏(kV)水平下，在生成轫致辐射、辐射30时更高效，如图1中所示。传统的X射线管不能利用使用金作为针对高功率辐照管的目标43材料，这是因为由于Coolidge型X射线管的阳极热导体8 的小表面积设计的与钨(3422摄氏度)相比的金(1064摄氏度)的熔化温度较低，图1中所示。然而，针对透射传输目标X射线管20的阳极结构22的半球形结构所提供的较大目标43面积，阳极表面积22增加，从而允许增加的功率耗散；并因此，较低熔点的元素(例如金)可以用于目标43。例如，与图 1的目标阳极9的1平方英寸相比，阳极结构22的面积可以大至25平方英寸，其可以在1兆W/cm²下进行操作。本文预期的是用于目标43的其它较低熔点元素(例如原子序数在74至82之间的元素，并且更特别地，铅(Pb)和铀(U) 等)可以用作针对阳极结构22的目标43材料。本文还预期的是，针对阳极结构22的目标43材料优选4-40微米厚度，并且取决于针对目标43选择的材料、所需类型的辐射30发射以及高压电源33的加速电压而选择目标43材料的厚度。这些特性使单色光束能够在高压电源33的较低kV下具有增加的辐射。

目标43优选地由合适的材料(例如金(Au)或铅(Pb)，包括具有74到 82之间的原子序数的其它元素)形成，并且另外铜(Cu)、银(Ag)和铀(U) 可以用于目标阳极结构22。优选地，这些材料包括其它合适的特性，例如高K_α能量水平、电子到X射线的高转换率或本领域技术人员理解的其它有益特性。

此外，透射传输目标X射线管20的灯丝24优选地被配置为电弧或圆形横截面或半球形配置，定位在阴极结构23其中，并且这种配置使电子束29沿电子轨迹35朝向阳极结构22进行静电聚焦，或更特别地，以阳极结构22的目标 43上的180度(180°)或半球形模式进行静电聚焦，使电子束29均匀地分布在目标43、壳体21的阳极结构22的第一端21.1的内表面42上。此外，灯丝 24优选地涂覆有大约40-50微米厚的氧化物材料，并且使用连接到加热电流电源44的第一灯丝引线27和加热电流电源44的第二灯丝引线28的nicon导线来间接加热来加热灯丝24，以提供热振动能量而用于从灯丝24释放电子。如上所述，跨目标43和阳极结构22的电子束29的这种分布降低或减少了目标43和阳极结构22的瓦特密度(瓦特/面积，W/cm²)负载，并且因此防止了由于目标 43和阳极结构22的均匀加热而引起的热点。

本文认识到的是，半球形阳极结构22和电弧或半球形灯丝24组合地对称提供跨目标43和阳极结构22的电子的均衡分布。

本文还认识到的是，半球形阳极结构22和电弧或半球形灯丝24组合地提供跨目标43和阳极结构22的准直电子轨迹35。

本文还认识到的是，半球形阳极结构22和电弧或半球形灯丝24组合提供均衡的电子行进距离58，电子束29从灯丝24行进到目标阳极结构22的距离。

又此外，透射传输目标X射线管20的阴极结构23优选地被配置为'V'形或切口'V'形横截面，或碗状或喇叭状(flared)配置等，并且这种配置静电地引导电子束29(有效且均衡地沿电子轨迹35朝向目标43和阳极结构22或更特别地以180度(180°)模式分布到目标43和阳极结构22上)，以使电子束29均匀地分布在半球形目标43和阳极结构22、壳体21的第一端21.1的内表面42上。

本文认识到的是，半球形阳极结构22、电弧或半球形灯丝24和喇叭状阴极结构23组合地提供了关于中心线CL近似对称的方向性X射线的最大生成。

本文认识到的是，透射型目标X射线管20可以包括具有特定涂覆目标43 的阳极结构，例如通过使用目标43材料的参数。

本文认识到的是，透射传输目标X射线管20可以包括用于X射线偏转的阳极结构22的特定涂覆目标43，例如通过使用用于目标43的低Z材料。

本文认识到的是，透射传输目标X射线管20可以包括用于X射线偏转的阳极结构22的特定涂覆目标43，例如通过使用用于目标43的高Z材料。

本文认识到的是，针对高压电源33的低功率要求或者针对高剂量辐射30 应用，透射传输目标X射线管20可以包括阳极结构22的特定涂覆目标43，例如通过使用目标43材料的参数。

本文认识到的是，透射传输目标X射线管20可以包括用于医学成像的阳极结构22的特定涂覆目标43，例如通过使用钼作为目标43材料。

本文认识到的是，透射传输目标X射线管20可以包括用于工业成像的阳极结构22的特定涂覆目标43，例如通过使用金作为目标43材料来增加X射线光子的数量，其继而改善图像对比度。

现在参考图3，通过示例而非限制的方式，示出了针对透射传输目标X射线管20的X射线能量keV(λ)相对输出辐射剂量的图形表示，示出了具有目标 43金材料。在目标43金材料的特征辐射R1的该图中，Y轴表示给定量的输出辐射(辐射30)的剂量(以光子为单位)，例如光子数量，且X轴表示给定量的X射线能量的千伏(波长)，并且随着千伏(波长)的变化，由针对金的图表示的光子剂量的数量也变化。如图中所示，出现辐射尖峰并且将其指定为K_α和 K_β剂量峰值，其是由使用目标43金材料导致的特征辐射峰值。使用目标43金材料导致目标43材料的辐射剂量增加，而不要求增加输入功率kV(λ)，这是因为辐射尖峰被显示为大约对应于K_α峰值的68.7kV(λ)和对应于K_β峰值的77 kV(λ)。

现在参考图3.1中，通过示例而非限制的方式，示出了针对透射传输目标X 射线管20的X射线能量kV(λ)相对输出辐射剂量的图形表示，示出了具有基于目标43的材料的组合而配置的目标43材料。优选地，目标43优选地由合适的材料(例如金(Au)、铅(Pb)，包括具有74到82之间的原子序数的其它元素，以及另外的铜(Cu)、银(Ag)和铀(U))形成。在金钨和铱的组合目标43的特征辐射R2的该图中，Y轴表示给定量的辐射的剂量(以光子为单位)，例如光子的数量，并且X轴表示给定量的X射线能量的千伏(波长)，并且随着千伏(波长)的变化，光子剂量数量也会发生变化。如图中所示，出现辐射尖峰并将其指定为金钨和铱两者的K_α和K_β峰值，其是由使用目标43的材料组合导致的特征辐射峰值。使用金钨和铱的目标43材料导致组合材料、目标43发生的输出辐射(辐射30)剂量增加，而不要求增加输入功率kV(λ)高压电源 33，如表II中所示。

表II

元素	K<sub>α</sub>l	K<sub>α</sub>2	K<sub>β</sub>1	K<sub>β</sub>2
					金	68.804	66.990	77.985	80.182
钨	59.318	57.982	67.244	69.1
					铱	64.896	63.287	73.560	75.620

本文认识到的是，针对从上面的元素列表中选择的每种材料来构成组合材料，针对目标43，如所示出的，目标43的特征辐射R2将具有附加的和不同的 K_α和K_β、被选择并添加到目标43的每种材料的峰值。本文还认识到的是，从上面列表中选择的每种材料的添加导致基于多种材料和每种材料的目标43材料生成附加的和不同的K_α和K_β，峰值，并因此增加输出辐射剂量，针对组合材料的目标43发生的辐射30，而不要求增加输入功率kV(λ)、高压电源33，如由特征辐射R2的曲线图的面积增加所示。通过为目标43添加上面列出的多种组合材料，针对组合材料的目标43发生的改进输出辐射(辐射30)剂量将大大增加。如果1000瓦的功率生成100戈瑞(Gray)的剂量，则组合目标43可以生成多于50％的剂量。

还又认识到的是，基于上面的材料列表，针对目标43材料的输出辐射(辐射30)剂量的增加，而不要求增加输入功率(kV(λ)*mA)，这降低了冷却要求。

还又认识到的是，基于上面的材料列表，针对目标43材料的输出辐射(辐射30)剂量的增加，而不要求增加输入功率(kV(λ)*mA)、高压电源33，这能够实现以较低输入功率(kV(λ)*mA)的辐射和照射应用，例如医疗应用。

现在参考图4，通过示例而非限制的方式，示出了用于透射传输目标X射线管20的目标43材料的以经验确定的厚度相对剂量输出辐射(辐射30)的图形表示。在目标43的轫致辐射相对材料厚度的该图中，Y轴表示给定量的输出辐射(辐射30)的剂量(以光子为单位)，例如光子数，且X轴表示目标43材料厚度(以微米为单位)，并且随着目标43材料厚度变化，由曲线图表示的光子数也变化。针对变化的高压电源33，代表性曲线呈现出阳极结构22和阴极结构23的电极电位之间的电能，例如50kV Ra、100kV Rb以及200kV Rc。在每个曲线中，剂量基于增加的目标43材料厚度而倾斜上升、平稳(plateaus)以及逐渐减小。在图4中本文认识到的是，目标阳极结构22的目标43材料的厚度优选地是大约4-40微米，且目标阳极结构22的目标43材料的厚度更优选地是大约4-18微米，且取决于所选择的材料、所需类型的辐射30发射以及高压电源 33的加速电压而选择目标43材料的厚度。

在图4中，本文还认识到的是，较高的加速电压、高压电源33、更高效的透射传输目标X射线管20处于将由灯丝24发射的电子转换成增加的剂量输出辐射30，以利用特征辐射峰值。

在图4中，本文还认识到的是，在特征辐射R曲线50kV Ra、100kV Rb和 200kV Rc中没有出现尖点，并且更特别地，代表性辐射R曲线50kV Ra具有从目标43的约3-5微米厚度的平稳、代表性辐射R曲线100kV Rb具有从目标43 的约7-10微米厚度的平稳、代表性辐射R曲线200kV Rc具有从目标43的约 14-18微米厚度的平稳、以及共同代表性辐射R曲线50kVRa，100kV Rb和200kV Rc具有从目标43的优选4-18微米厚度的平稳。

透射传输目标X射线管20的设计变量(例如要为目标43选择的材料(具有从73到79个重元素的Z的材料)、所选择的目标43材料厚度(以微米为单位)、以及所选择的高压电源33的电压)改变了剂量输出辐射30，例如以较低的高压电源33功率的增加剂量输出辐射。

在图4中，本文仍又认识到的是，对所选择的目标43材料和/或所选择的目标43材料厚度(以微米为单位)的改变，改变了剂量输出辐射30。

在图4中，本文仍又认识到的是，具有在例如50kV和100kV的两个电压下进行操作的具有高压电源33的透射传输目标X射线管20的双重能量可以优选地选择目标43的材料厚度以适应两种能量，例如，可以选择3-10微米之间的目标43材料厚度，其中具有从目标43(50kV)的约3-5微米厚度的平稳的代表性辐射R曲线50kV Ra和具有从目标43(100kV)的约7-10微米厚度的平稳的代表性辐射R曲线100kV Rb重叠。

现在参考图5，通过示例而非限制的方式，示出了利用透射传输目标X射线管20来辐射生物材料的示例应用，如图2中所示和所述的。在使用时，透射传输目标X射线管20的特征辐射和轫致辐射30优选地从透射传输目标X射线管20以电弧或半圆形横截面、圆顶或半球形辐射30模式发射。优选地，透射传输目标X射线管20产生特征辐射30，该特征辐射30被配置为使得大面积的强辐射30能够改善吞吐量辐射并同时辐射更多或增加数量的样本S。此外，样本S可以被定位在接近或邻近透射传输目标X射线管20的壳体21的阳极结构 22，或者被定位静止或者通过移动机械结构定位，这取决于通过利用辐射模式的几何形状来增加受到特征辐射30的样本S的均匀曝光水平的应用。此外，透射传输目标X射线管20优选地在透射传输目标X射线管20的第一端21.1周围产生对称的辐射场(辐射30)，以向样本S的所有区域提供一致剂量的辐射30。

本文认识到的是，透射传输目标X射线管20的辐射30输出与Coolidge型现有技术的X射线管相比而言是增加的，图1中所示。例如，如果透射传输目标X射线管20输出两倍辐射30，那么样本S要求透射传输目标X射线管20所需的运行时间的一半，并且另外使用对高压电源33的较低功率要求的较高剂量辐射30、具有较低的电力需求空调负载节省的BTU中的较低热负荷、高压电源 33，所有都致使了透射传输目标X射线管20的较低操作成本。此外，被配置有大表面积的半球形阳极结构22由于其散热能力而导致冷却或更冷或更低温度的阳极，并因此不要求任何内部或外部冷却系统，例如旋转阳极或具有内部通道的冷却流体，以消散在操作期间在阳极结构22中生成的热量，并因此降低了透射传输目标X射线管20的操作成本。

现在参考图6，通过示例而非限制的方式，示出了透射传输目标X射线管 20(可替换地50)与单色滤波器60组合的高剂量输出的示意性横截面表示。优选地，单色滤波器60可以被定位在接近或邻近辐射30的路径中的壳体21的第一端21.1或在壳体21的阳极结构22与辐射30的路径中的样本S之间，以使来自辐射30的所选辐射衰减或对其过滤。再次参考图3，通过示例而非限制的方式，单色滤波器60可以被配置为对指定的辐射30进行滤波或使其衰减，例如小于54kV(λ)的所有辐射，以产生K_α和K_β剂量峰值的指定辐射30，其是使用目标43金材料而引起的特征辐射峰值。

图7是X射线能量相对透射传输目标X射线管20与图6的单色滤波器组合的剂量的图形表示。在目标43金材料的特征辐射R1的该图中，Y轴表示给定量的输出辐射30的剂量(以光子为单位)，例如光子数，且X轴表示给定量X 射线能量的千伏(波长)，在75kV(λ)和85kV(λ)之间，并且随着千伏(波长) 变化，由针对金的剂量辐射30表示的光子数量也变化。如图中所示，出现辐射尖峰并且将其指定为K_α和K_β剂量峰值，其是由使用目标43金材料而导致的特征辐射峰值。在使用时，所选择的目标43材料及其K_α和K_β剂量峰值以及所选择的单色滤波器60优选地实现辐射30的期望辐射分布，并且因此可以被指定为针对透射传输目标X射线管20(可替换地50)来实现各种特定辐射30分布，以用于指定的图像和治疗示例或用途。

现在参考图8，通过示例而非限制的方式，示出了透射传输目标X射线管 50的高剂量输出的可替换示例性实施例的示意性横截面表示。优选地，透射传输目标X射线管50包括抽空密封的室或封装，例如壳体21，其可以是玻璃、合金或金属。壳体21的一端、第一端21.1优选地连接到高压电源33的第一连接器31。壳体21内包含的主要元件优选地为阳极结构22、阴极结构23.1、第一灯丝引线27、第二灯丝引线28、以及灯丝24.1。此外，阳极结构22优选地包括透射传输目标43的阳极作为阳极结构22的一部分，其中目标43优选地沉积在壳体21的第一端21.1的内表面42其上。阴极结构23.1可以连接到接地或高压电源33的第二连接器32。灯丝24.1优选地连接到加热电流电源44的第一灯丝引线27和加热电流电源44的第二灯丝引线28。目标43是沉积在壳体21 的第一端21.1的内表面42上的电子相互作用材料(即，使用蒸发或溅射技术经由电化学平板电镀、机械结合或气相沉积中的一个在阳极结构上形成一个目标元素)并且与壳体21的电弧或圆形横截面的、圆顶或半球形的第一端21.1，一起包括阳极结构22。仍还包含在壳体21内的优选地是高压绝缘体26，其在壳体21的第二端21.2上部分地封闭壳体21。

透射传输目标X射线管50的灯丝24.1优选地被配置为阴极结构23.1内的直线或略微弯曲的横截面或平面或盘形配置，并且这种配置使电子束29.1沿电子轨迹35.1朝向目标43和阳极结构22进行静电聚焦，或更特别地，以目标43 和阳极结构22上的聚焦点配置模式进行静电聚焦，以使接近中心线CL的电子束29.1集中在壳体21的第一端21.1的内表面42上。

又此外，透射传输目标X射线管50的阴极结构23.1优选地被配置为'U'形横截面，或圆柱形配置或其它聚焦配置，并且这种配置使电子束29.1沿电子窄轨迹35.1朝向目标43和阳极结构22静电加速，或更特别地，以聚焦模式静电加速到目标43和阳极结构22上，以使电子束29.1在半球形目标43和阳极结构 22、壳体21的第一端21.1的内表面42上狭窄地分布。电子束29.1的这种集中能够在具有阳极直径52的窄光点配置中实现高剂量输出，并且透射传输目标X 射线管50可以用于诸如用于应用，以产生用于放射治疗、成像(例如医疗、工业和双重能量、对象的非破坏性评估)的聚焦X射线。

如图2所示，本文预期的是，点直径52可以基于设计因素(例如开口或间隙，例如阴极结构23.1的内径56、电子束29.1的电子行程距离58(电子从灯丝24.1行进到目标43和阳极结构22的距离)、和/或壳体21的半球形阳极结构 22的直径52)而按比例放大/缩小或者增大或减小尺寸。例如，在使用时，阴极结构23.1的内径56、电子束29.1的电子从灯丝24.1行进到目标43和阳极结构 22的电子行进距离58、和/或壳体21的半球形阳极结构22的直径52可以被指定为实现与经受X射线穿透的放射治疗深度的肿瘤尺寸成比例的点直径52。

本文认识到的是，半球形阳极结构22、灯丝24.1和变窄的阴极结构23.1组合地提供聚焦的、径向线性对称的X射线场。

本文认识到的是，半球形阳极结构22、灯丝24.1和喇叭状阴极结构23.1组合地生成接近中心线CL的定向X射线，以用于黑素瘤和其它癌细胞的治疗性X 射线治疗。

本文预期的是单色滤波器60可以与类似于图6和7中所示和所公开的透射传输目标X射线管50一起使用。

现在参考图9，通过示例而非限制的方式，示出了生成对称半球形X射线场的方法的流程图900。在方框或步骤910中，提供了高剂量输出的透射传输目标X射线管20/50，其具有如本文所述的抽空密封壳体21、半球形阳极结构22、阴极结构23、目标43、以及灯丝24。在方框或步骤915中，针对目标43选择材料或材料、z材料的组合。在方框或步骤920中，针对高压电源33选择加速电压。在方框或步骤925中，致使高剂量输出的透射传输目标X射线管20产生用于生物材料辐射的X射线。在方框或步骤930中，致使高剂量输出的透射传输目标X射线管20产生用于物体的非破坏性评估的X射线。在方框或步骤935 中，致使高剂量输出的透射传输目标X射线管20产生用于对生物样本的破坏性治疗的X射线。其它治疗包括成像，例如医学、工业、和双重能量、对物体的非破坏性评估。

现在参考图10，通过示例而非限制的方式，示出了高剂量输出的透射传输和反射目标X射线管50的可替换示例性实施例的示意性横截面表示。优选地，透射传输和反射目标X射线管50包括抽空密封的室或封装，例如壳体21，其可以是玻璃、合金或金属。壳体21的一端、第一端21.1优选地连接到高压电源 33的第一连接器31。壳体21内包含的主要元件优选地为阳极结构22、阴极结构23.1、第一灯丝引线27、第二灯丝引线28、和灯丝24.1。此外，阳极结构22 优选地包括透射传输和反射目标43的阳极作为阳极结构22的一部分，其中目标43优选地沉积在壳体21的第一端21.1的内表面42上。阴极结构23.1可以连接到接地或高压电源33的第二连接器32。灯丝24.1优选地连接到加热电流电源44的第一灯丝引线27和加热电流电源44的第二灯丝引线28。目标43是沉积在壳体21的第一端21.1的内表面42上的电子相互作用材料并且与壳体21 的电弧或圆形横截面2-D圆形的或基底的或半球形的第一端21.1一起包括阳极结构22。仍还包含在壳体21内的优选地是高压绝缘体26，其在壳体21的第二端21.2上部分地封闭壳体21。

透射传输和反射目标X射线管50的灯丝24.1优选地被配置为阴极结构23.1 内的直线或略微弯曲的横截面或平面或盘形配置，并且这种配置使电子束29.1 沿电子轨迹35.1朝向目标43和阳极结构22静电成形，或更特别地，以目标43 和阳极结构22上的大面积电子模式静电成形，以使接近中心线CL的电子束29.1 均匀地分布在壳体21的第一端21.1的内表面42上。此外，灯丝24.1和阴极结构23.1可以被定位在接近壳体21的电弧或圆形横截面的2-D圆形或基底或半球形的第一端21.1的中心线CL(由半球形第一端21.1的2D基底创建的圆的中心) 和在阴极结构23.1之间。

又此外，透射传输和反射目标X射线管50的阴极结构23.1优选地或可以被配置为'U'形横截面，或圆柱形配置或其它散焦配置，并且这种配置使电子束 29.1沿着电子轨迹35.1朝向目标43和阳极结构22静电加速，或者更特别地，以去聚焦模式静电加速到目标43和阳极结构22上，以使电子束29.1在半球形目标43和阳极结构22、壳体21的第一端21.1的内表面42上均匀地分布。电子束29.1的这种分布实现了以通过向前光子方向52(向前被定义为电子束29.1 的电子以扇形模式从阳极结构22行进的相同方向)和使用与阳极22相反的反射光子方向52.1(反射被定义为电子束29.1的电子以反射扇形模式从阳极结构 22行进的相反方向)的高剂量输出。在使用时，高剂量输出的透射传输和反射目标X射线管50的可替换示例性实施例可以用于经由透射和反射传输目标X 射线管50对样本S的批量照射，例如透射传输目标X射线管50的第一端21.1 周围的对称辐射场(辐射30)以向被定位在接近壳体21的第一端21.1的样本S 的所有区域提供一致剂量的辐射30，如图5所示；以及透射传输目标X射线管 50的第二端21.2周围的可替换辐射场(辐射30)以向被定位在平行于中心线 CL和接近壳体21(并且更特别地，接近壳体21的第二端21.2)的样本S的所有区域提供一致剂量的辐射30，如图13所示。

现在参考图11A，通过示例而非限制的方式，示出了高剂量输出的透射传输和反射目标X射线管50A的可替换示例性实施例的横截面表示，示出了减小的阳极到阴极间距。优选地，高剂量输出的透射传输和反射目标X射线管50A的可替换示例性实施例可以被配置为具有壳体21的第一端21.1或被定位在与壳体 21的第二端21.2相距直线距离110A处的阳极结构22，或阴极结构23.1；其中电子束29.1实现了以通过向前光子方向52A(向前被定义为电子束29.1的电子以宽扇形模式从阳极结构22行进的相同方向)和使用与阳极22相反的反射光子方向52.1A(反射被定义为电子束29.1的电子以反射宽扇形模式从阳极结构 22行进的相反方向)的高剂量输出。

现在参考图11B，通过示例而非限制的方式，示出了高剂量输出的透射传输和反射目标X射线管50B的可替换示例性实施例的横截面表示，示出了增加的阳极到阴极间距。优选地，高剂量输出的透射传输和反射目标X射线管50B的可替换示例性实施例可以被配置为具有壳体21的第一端21.1，或被定位在与壳体21的第二端21.2相距直线距离110B处的阳极结构22或阴极结构23.1；其中电子束29.1实现了以通过向前光子方向52B(向前被定义为电子束29.1的电子以窄扇形模式从阳极结构22行进的相同方向)和使用与阳极22相反的反射光子方向52.1B(反射被定义为电子束29.1的电子以反射窄扇形模式从阳极结构 22行进的相反方向)的高剂量输出。

如图2所示，本文预期的是，点直径52可以基于设计因素(例如开口或间隙，例如阴极结构23.1的阴极内径56、电子束29.1的电子行程距离58(电子从灯丝24.1行进到目标43、阳极结构22的距离)、和/或壳体21的半球形阳极结构22的直径52)而按比例放大/缩小或者增大或减小辐射30的尺寸。

现在参考图11A、11B和12，通过示例而非限制的方式，示出了穿过辐射 30(例如光子P(透射传输X射线场或光谱))和反射辐射30(例如反射光子 Pr(反射传输X射线场或光谱))的光子强度关于透射传输目标X射线管50的管中心线C1的图形表示。在该辐射30的标准化数量的图中，例如透射和反射传输目标X射线管50的光子P/Pr相对距在壳体21的第二端21.2上部分封闭壳体21的基线绝缘体26的以毫米为单位的距离。此外，再次参考图12，Y轴表示关于透射传输和反射目标X射线管50或输出辐射(辐射30)的管中心线C1 的给定量的光子P和反射光子Pr的标准化光子数P/Pr(以光子为单位)，例如光子数量，且X轴表示距在壳体21的第二端21.2上部分封闭壳体21的基线绝缘体26的以毫米为单位的距离。在图12的该示例性图中，壳体21的第一端21.1 或阳极结构22被定位在距壳体21的第二端21.2或阴极结构23.1的直线距离 110A可以是大约两百七十五毫米(275毫米)，和标准化光子数P/Pr基于直线距离110A而倾斜上升、平稳以及逐渐下降。在图12中本文认识到的是，标准化光子数P/Pr在大约七十五毫米(75毫米)处倾斜上升，从大约七十五毫米(75 毫米)到大约二百五十毫米(250毫米)处平稳，以及此后二百五十毫米(250 毫米)处逐渐下降。

本文预期的是，上面列出的设计因素可以用于改变或调整由透射传输和反射目标X射线管50生成的穿过光子P和/或反射光子Pr的定位、位置、量和数量。

如图11A、11B和12中所示，本文预期的是，设计因素，这种线性距离110 (例如被定位在距壳体21的第二端21.2或阴极结构23.1的直线距离110的壳体21的第一端21.1或阳极结构22)，和这种调整、设计或预先确定的线性距离 110改变了由反射传输的目标X射线管50生成的反射光子Pr(反射传输X射线场)的数量和位置。

在图12中，本文还认识到的是，点直径52可以基于设计因素(例如，如图2中所示，壳体21的第一端21.1或阳极结构22与距壳体的第二端21.2或阴极结构23.1的线性距离110A、以及开口或间隙，例如阴极结构23.1的阴极内直径56、电子束29.1的电子行程距离58(电子从灯丝24.1行进到目标43、阳极结构22的距离)、和/或壳体21的半球形阳极结构22的直径52)而按比例放大/缩小或者增大或减小反射光子Pr或侧输出辐射30的尺寸。

现在参考图13，通过示例而非限制的方式，示出了利用透射传输目标X射线管50来辐射生物材料的示例应用，如图10中所示和所述的。在使用时，透射传输目标X射线管50特征辐射和轫致辐射30，P优选地从透射传输目标X 射线管50以电弧或半圆形横截面，圆顶或半球形辐射30模式(对称的半球形反射传输X射线场)和反射辐射30发射，Pr优选地从壳体21的阳极结构22 反射，如图12中所示。优选地，透射和反射传输目标X射线管50产生特征辐射30，该特征辐射30被配置为使得大面积的强辐射30能够改善吞吐量辐射和反射辐射并同时辐射更多或增加数量的样本S。此外，样本S可以被定位在接近、靠近或邻近透射传输目标X射线管50的壳体21的阳极结构22，或者被定位静止或者通过移动机械结构定位，这取决于通过利用辐射模式的几何形状来增加受到特征辐射30(穿过光子P和/或反射光子Pr)的样本S的均匀曝光水平的应用，如图12中所述。此外，透射传输目标X射线管50优选地在透射传输目标 X射线管50的壳体21的第一端21.1和第二端21.2周围产生对称的辐射场(辐射30)(穿过光子P和/或反射光子Pr)，以向样本S的所有区域提供一致剂量的辐射30。

本文认识到的是，通过和反射传输目标X射线管50的辐射30输出与 Coolidge型现有技术的X射线管相比而言是增加的，如图1中所示。例如，如果透射传输目标X射线管50输出两倍辐射30，那么样本S要求透射传输目标X 射线管50所需运行时间的一半，并且另外使用对高压电源33的较低功率要求的较高剂量辐射30、具有较低的功率需求的空调负载节省的BTU中的较低热负载、高压电源33，所有都致使了透射传输目标X射线管20的较低操作成本。此外，被配置有大表面积的半球形阳极结构22由于其散热能力而导致冷却或更冷或更低温度的阳极，并因此不要求任何内部或外部冷却系统，例如旋转阳极或具有内部通道的冷却流体，以消散在操作期间在阳极结构22中生成的热量，并因此降低了透射传输目标X射线管50的操作成本。

本文仍还预期的是，透射传输和反射目标X射线管50辐射30可以用作生物细胞辐照器、病毒失活辐照器、昆虫辐照器、血液辐照器、食物辐照器。

前面的描述和附图包括本公开的说明性实施例。因此已经描述了示例性实施例，本领域普通技术人员应该注意的是，内部公开仅是示例性的，并且可以在本发明的范围内进行各种其它替换、改编和修改。仅以某种顺序列出或编号方法的步骤并不构成对该方法的步骤顺序的任何限制。本领域的普通技术人员将想到本发明的许多修改和其它实施例，关于其的该发明具有前面的描述和相关联附图中呈现的教导的益处。尽管本文可以采用特定术语，但它们仅用于一般性和描述性意义，且不是用于限制的目的。此外，已经详细描述了本发明；应当理解的是，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行各种改变、替换和变更。因此，本发明不限于本文示出的特定实施例，而是仅由以下权利要求限制。

Claims (25)

1.一种用于在高压电位下对电子进行加速的X射线管，所述X射线管包括：

壳体；

透射传输和反射目标阳极结构，被设置在所述壳体上，所述阳极结构被配置为具有由2D基底创建的圆的中心的半球形，其中被设置在所述壳体上的阳极结构由低Z材料形成，并且其中，所述目标阳极结构具有涂覆在其上的目标元素，所述目标元素的厚度在2到50微米之间；

阴极结构，被设置在所述壳体中，所述阴极结构被配置为使所述电子朝向所述阳极结构进行偏转；

灯丝，被设置在所述壳体中，所述灯丝被定位在接近由所述半球形的2D基底创建的所述圆的中心并在所述阳极结构与所述阴极结构之间；

其中所述壳体被配置为在其中将所述阳极结构、所述阴极结构以及所述灯丝真空密封，并且

其中，所述阳极结构的低Z材料、所述目标元素的厚度以及所述阳极结构的半球形有利于基于与所述目标元素接触的电子，产生在与所述电子相同的方向上行进的向前光子，和在与所述电子不同的方向上行进的反射光子，并且有利于利用所述向前光子和所述反射光子来照射，位于与所述电子相同的方向和不同的方向上包括在所述X射线管的壳体周围的样品。

2.根据权利要求1所述的X射线管，其中所述阳极结构被涂覆有至少一个目标元素，以从源自所述灯丝的多个加速电子产生韧致辐射X射线。

3.根据权利要求1所述的X射线管，其中所述阳极结构由基本上是X射线透明的材料形成。

4.根据权利要求2所述的X射线管，其中使用蒸发或溅射技术经由电化学平板电镀、机械结合或气相沉积中的一个在所述阳极结构上形成所述至少一个目标元素。

5.根据权利要求3所述的X射线管，其中所述材料由以下所组成的组中的一个或多个组成：铍、碳、铝、陶瓷、不锈钢或其合金。

6.根据权利要求2所述的X射线管，其中所述阴极结构产生静电场，所述静电场将源自所述灯丝的所述多个加速电子均匀地分布到所述阳极结构上形成的所述至少一个目标元素上。

7.根据权利要求6所述的X射线管，其中所述X射线管产生对称半球形的透射传输X射线场。

8.根据权利要求7所述的X射线管，其中所述X射线管产生反射传输X射线场。

9.根据权利要求8所述的X射线管，其中调节所述阳极结构和所述阴极结构之间的线性距离以改变所述反射传输X射线场。

10.根据权利要求9所述的X射线管，其中增加所述线性距离以产生宽阔模式的所述反射传输X射线场。

11.根据权利要求9所述的X射线管，其中减小所述线性距离以产生狭窄模式的所述反射传输X射线场。

12.根据权利要求4所述的X射线管，其中所述至少一个目标元素具有2和50微米之间的厚度。

13.根据权利要求4所述的X射线管，其中所述X射线管产生由所述至少一个目标元素和阴极电压确定的输出X射线谱。

14.根据权利要求4所述的X射线管，其中所述X射线管产生由所述至少一个目标元素的k_α能量线和阴极电压确定的输出X射线谱。

15.根据权利要求12所述的X射线管，其中至少一个目标元素厚度由阴极电压和所述至少一个目标元素的转换效率所确定。

16.一种产生单色输出X射线谱的方法，所述方法包括以下步骤：

提供用于在高压电位下对电子进行加速的X射线管，所述X射线管包括：

被密封的抽空壳体；被设置在所述壳体上的透射和反射传输目标阳极结构，所述阳极结构被配置为具有几何中心的半球形；被设置在所述壳体中的阴极结构，所述阴极结构被配置为使所述电子朝向所述阳极结构进行偏转；被设置在所述壳体中的灯丝，所述灯丝被定位在接近由所述半球形的2D基底创建的圆的中心并在所述阳极结构与所述阴极结构之间，其中由半球形的2D基底创建的所述圆与所述阴极结构直接接触，并且其中所述抽空壳体被配置为：在其中将所述阳极结构、所述阴极结构以及所述灯丝真空密封；对只低于至少一个目标元素的K_α能量的所述输出X射线谱进行滤波；并且

对只高于所述至少一个目标元素的所述K_α能量的阴极电压进行调节，

调节所述阳极结构和所述阴极结构之间的线性距离以改变反射传输X射线场，其中增加所述线性距离以产生宽阔模式的所述反射传输X射线场或减小所述线性距离以产生狭窄模式的所述反射传输X射线场。

17.根据权利要求16所述的方法，还包括产生具有已知光谱的输出X射线谱水平以用于分析X射线应用的步骤。

18.根据权利要求16所述的方法，还包括产生双重输出X射线谱以用于图像分析的步骤。

19.根据权利要求17所述的方法，还包括产生透射和反射目标输出X射线谱的步骤。

20.根据权利要求17所述的方法，还包括产生反射目标输出X射线谱的步骤。

21.根据权利要求17所述的方法，还包括通过利用所选择的所述至少一个目标元素的k_α线，以降低的阴极电压产生高水平的输出X射线谱的步骤。

22.根据权利要求16所述的方法，还包括产生用于生物细胞辐照器的目标输出X射线谱的步骤。

23.根据权利要求16所述的方法，还包括产生用于病毒失活辐照器的目标输出X射线谱的步骤。

24.根据权利要求16所述的方法，还包括产生用于昆虫辐照器的目标输出X射线谱的步骤。

25.根据权利要求16所述的方法，还包括产生用于食物辐照器的目标输出X射线谱的步骤。

Images