阅读说明：本技术 提高真空导电性的x射线和粒子护罩 (X-ray and particle shield for improved vacuum conductivity ) 是由 R.J.德格鲁特 C.斯米特 于 2019-08-21 设计创作，主要内容包括：本文公开了一种提高真空导电性的x射线护罩。实例x射线护罩包含至少一个细长构件,所述细长构件由成形为具有至少180°扭曲的扭曲件的高原子量材料形成。(An x-ray shield for improving vacuum conductivity is disclosed herein. An example x-ray shield includes at least one elongated member formed from a high atomic weight material shaped as a twist having at least a 180 ° twist.)

提高真空导电性的x射线和粒子护罩

技术领域

本申请大体上是针对x射线防护，且更具体来说，涉及高真空环境中的x射线防护。

背景技术

许多工业系统在运作期间会产生有害辐射，这就要求对设备操作者进行安全防护。例如，产生和使用x射线的系统需要不同类型和数量的护罩来限制或防止照射到人类和/或动物。这种护罩通常包含策略性放置的高原子量材料，用于在辐射离开设备并照射到附近的用户之前吸收或阻挡辐射。然而，此类护罩可能比较昂贵，且难以并入到设备中或设备上。

图1是包含x射线护罩的实例高真空系统100。系统100可在高真空室中产生x射线。在一些实例中，例如，x射线是由于电子束与金属的相互作用而产生的。x射线护罩放置在将高真空室连接到真空泵的真空管中和其周围，以便阻止x射线从室中射出。一般来说，所产生的x射线可以4π个球面度中的任一个射出，但是指向真空管的x射线可能是最受关注的，因为为室和真空管的接合部提供x射线护罩很复杂。射向真空管的x射线可以来自各种角度，原因可能在于由电子束/金属相互作用所致的直接发射或室内的反射。然而，如果不存在x射线护罩，那么x射线可能会穿过室壁和/或真空管壁，这是不可取的。真空管的另一问题是需要真空泵能够进入室以便获得高真空环境，同时仍然存在x射线防护。需要在真空管/室接合部中和其周围包含x射线护罩使得需要在真空电导率和x射线安全性之间进行权衡。例如，真空电导率测量的是室被抽空到所要压力和高真空室中的极限压力的速度。

一种减少或去除x射线从室和/或真空管泄漏的情况的技术是包含图1中示出的x射线护罩。x射线护罩包含在室和管道的壁外部的部分、在管道的至少一部分内部的部分以及放置在管道前面的盘。正视图示出了x射线护罩的两个部件，其中图案化区域是泵抽期间气流的开放区域。盘在管道前面的布置基本上形成了供射向真空管的x射线在进入真空管之前所行进通过的曲径。但是，这同样是供高真空室中的气体分子行进以便被真空泵去除的曲径。由x射线护罩形成的曲径至少会影响气体分子，所以它减小了系统的真空电导率。真空电导率的减小使得泵抽时间更长，这可以使用更强大的真空泵来解决，它还使得高真空室中的真空压力比高真空室具有良好电导率的情况下（在分子流动状态中）的真空压力更高。但是，此类解决方案至少会影响到成本、空间要求，并且会增添非所要的振动。因而，需要能够使真空电导率增加的有效x射线护罩。

发明内容

本文中公开增强真空导电性的x射线护罩以及实施此类x射线护罩的系统，并因此解决了上文所论述的问题。实例x射线护罩可以是由成形为具有至少180º扭曲的扭曲件的高原子量材料形成的细长构件。在一些实施例中，扭曲可以是至少210°。在其它实施例中，x射线护罩可以由两个扭曲的细长构件形成。x射线护罩可以形成为适配在将高真空室连接到真空泵的真空管内，并防止或减少x射线离开高真空室。

在一些实施例中，高原子量材料可以是铅或者包含烧结钨粒的材料。另外，在一些实施例中，细长构件可以用例如铝的低原子量材料涂布。

在一些实施例中，x射线护罩可以进行正偏置或负偏置以吸引从泵侧或室侧撞击x射线护罩的带电粒子，例如离子。在其它实施例中，可以冷却x射线护罩以吸引并捕获气体。

附图说明

图1是包含x射线护罩的实例高真空系统。

图2是根据本公开的实施例的实例高真空系统。

图3A和3B是根据本公开的实施例的x射线护罩的实例示意图。

图4A和4B示出了根据本公开的实施例的图3A和3B的实例x射线护罩与真空管道之间剩余的空体积。

图5A和5B是根据本公开的实施例的x射线护罩的实例示意图。

图6A和6B示出了根据本公开的实施例的图6A和6B的实例x射线护罩与真空管道之间剩余的空体积。

贯穿图式的多个视图，相同的参考标号表示对应的零件。

具体实施方式

下面在高真空环境的上下文中描述本发明的实施例，其中产生x射线，并且需要在保持高真空电导率的同时阻挡x射线。然而，应当理解的是，本文所描述的方法通常适用于各种不同的断层摄影方法和设备，包含锥形束系统和平行束系统两者，并且不限于任何特定的设备类型、束类型、物体类型、长度尺度或扫描轨迹。

如在本申请和权利要求书中所使用的，除非上下文中另外明确指明，否则单数形式“一”、“一个”以及“所述”包含复数形式。另外，术语“包含”意指“包括”。进一步地，术语“连接”不排除所连接项之间存在中间元件。

本文所描述的系统、设备以及方法不应以任何方式被解释为限制性的。相反，本公开涉及各种所公开实施例的所有新颖和非显而易见的特征和方面，不论是呈单独形式还是呈彼此的各种组合和子组合形式。所公开的系统、方法以及设备不限于任何特定方面或特征或其组合，所公开的系统、方法以及设备也不要求存在任何一个或多个具体优点或者要求问题被解决。任何操作理论都是为了便于解释，但是所公开的系统、方法以及设备不限于此类操作理论。

尽管一些所公开的方法的操作以便于呈现的特定顺序次序描述，但是应理解，此描述方式涵盖重新布置，除非特定排序是下面所阐述的具体语言所要求的。例如，在某些情况下，可以重新布置或并行执行按顺序描述的操作。此外，为简明起见，附图可能未示出所公开的系统、方法以及设备可以与其它系统、方法以及设备结合使用的各种方式。另外，本说明书有时使用像“产生”和“提供”等术语来描述所公开的方法。这些术语是所执行的实际操作的高级抽象。与这些术语相对应的实际操作将依据特定实施方案而变化，并且容易被本领域普通技术人员辨别。

在一些实例中，数值、程序或设备被称为“最低”、“最佳”、“最小”等。应了解，此类描述旨在表明可以在许多使用的功能替代方案中进行选择，并且这种选择不需要更好、更小或者优选于其它选择。

图2是根据本公开的实施例的实例高真空系统200。高真空系统200简称系统200，它至少包含高真空室202，真空泵204，真空泵管道206、x射线护罩208和外部护罩210的部分。在一些情况下，高真空室202可以是带电粒子显微镜的一部分，但是本公开不限于该方面。带电粒子显微镜的一些实例包含透射电子显微镜、扫描电子显微镜、扫描透射电子显微镜、聚焦离子束系统及其组合。这种带电粒子显微镜可能需要高真空水平，例如非常低的压力，以进行所需操作。例如，带电粒子显微镜可以在10^-5至10^-10托的压力下操作。

真空泵204可以是工业中任何类型的泵，例如机械泵、扩散泵、离子泵、涡轮分子泵等。在一些实施例中，可以有多个泵连接到高真空室202。例如，粗抽泵和高真空泵可以通过各种管道和阀门连接到高真空室202。真空泵204通过真空泵管206连接到高真空室202。真空泵管206可以具有各种长度和内部几何结构，例如直径。当然，本文也考虑了除圆柱形之外的其它内部几何形状，例如椭圆形、正方形、矩形等。在一些实施例（未示出）中，真空泵管206可具有内径较大的部分和内径较小的部分，这两个部分之间具有过渡区域。例如，直径会由于高真空室202和真空泵204的端口的相应直径而发生变化。

x射线护罩208可放置在将真空泵204连接到真空室202的管道内，所述管道在本文中可以称为真空泵管道206，以便阻止在高真空室202中产生且在真空泵204/真空泵管道206的方向上射出的x射线泄漏。x射线护罩208可以由一个或多个扭曲的细长构件形成。例如，x射线护罩208可以由以所需扭曲度扭曲的扁条形成，扭曲度在180°到360°的范围内。在一些实施例中，扭曲度为210°、225°或270°。通常，可能希望扭曲度结合扭曲节距（例如，扭转速率）和x射线护罩208的厚度减小或防止高真空室202和真空泵204和/或真空管206的部分之间的视线轨迹不受外部x射线护罩的保护。另外，扭曲度还可取决于x射线护罩208的布置，例如，它是由单个扁条形成还是由多个扁条形成（例如，见图5），其中x射线护罩208的较多数目个构件降低了最小扭曲度，从而提供所希望的x射线防护水平。此外，虽然x射线护罩208被示出为放置在管道206内的独立部件，但是在其它实施例中，x射线护罩208可以与例如真空室202的壁的系统200的部件集成、在管道206内部和管道206的部分集成，或甚至作为真空泵204的输入端口的一部分集成。然而，x射线护罩208的位置和集成不是限制性的，并且本文设想了所有配置。

形成x射线护罩208的细长构件除了扭曲特征之外还具有宽度、长度和厚度。宽度由真空管206的内径确定，并且长度可由真空管206的长度确定。然而，应注意，在一些实施例中，x射线护罩的长度可能小于真空管206的长度。通常，x射线护罩208的长度可以基于扭曲量，因为可以使长度最小化以确保期望的x射线护罩呈现一定程度的扭曲。x射线护罩208的厚度可以基于用于形成x射线护罩的材料，但也可以比图1中所示的盘更薄。因为x射线护罩是扭曲的，所以冲击x射线将以一定角度撞击x射线护罩208，这提供了比以正常角度撞击x射线护罩208更厚的相互作用体积-参见厚度被标记为“d”的小图。

x射线护罩208可以由高原子量材料形成，以减少或防止x射线或其它高能光子和粒子从系统200泄漏。例如，x射线护罩208可以由铅、例如Densimet或Inermet的由烧结钨粒形成的金属等等形成。虽然可以将其它重金属添加到列表中，但是在大多数实施例中，x射线护罩208可能希望由比较便宜的材料形成。但是，本文设想了更昂贵的金属。另外，x射线护罩208可以用例如铝的低z材料涂布，以便在x射线护罩208被高能粒子或高能x射线撞击时减少由x射线护罩208产生的x射线。在一些实施例中，可以实施低z材料的薄涂层，例如厚度为约0.2mm。用一层低z材料涂布x射线护罩208可以使得真空管206的厚度由于真空管206内x射线的产生减少而更薄。

从室202进入真空泵管道206的x射线可能会撞击x射线护罩208。因为x射线护罩208被扭曲，所以x射线以非垂直角度撞击。因此，由于几何形状，x射线护罩208的有效厚度更厚-参见小图。虽然图2中未示出室202和真空泵管道206周围的外部护罩，但是这种护罩是存在的。例如，在系统200的大多数（如果不是全部）实施例中，将包含围绕室202和管道206的至少一部分的护罩。

与图1的x射线护罩相比，x射线护罩208提供增加的真空电导率。增加的电感至少可归因于由于缺少图1的盘而没有直接阻挡气体分子。x射线是因为撞击到扭曲的x射线护罩而被阻挡，而不是因为盘。x射线护罩的扭曲方面还提供增加的真空电导率，因为在真空泵204的影响下移出室202的气体的移动阻力比基于盘的x射线护罩所提供的移动阻力小。在一些实施例中，真空电导率增加多达31％。

另外或另一选择为，在一些实施例中，x射线护罩208可以进行正偏置或负偏置以吸引带电粒子。例如，由实施为泵204的离子泵射出的离子可以被偏置的x射线护罩208捕获，而不是进入真空室202。又例如，偏置的x射线护罩208可以吸引从真空室202进入的离子，所述离子可以在聚焦离子束系统或例如组合电子和聚焦离子束系统的双束系统中产生。

在一些实施例中，x射线护罩208可以通过热耦合来冷却，这会通过吸引真空室202中的气体来进一步提高泵抽效率。例如，x射线护罩208可以冷却到液氮温度。

在一些实施例中，x射线护罩208和/或真空管206的内表面可以用一层非蒸散型吸气剂（NEG）材料涂布。当活化时，NEG材料可以以稳定的化学化合物形式捕获其表面上的气体分子。NEG材料可包含钛（Ti）、钒（V）、锆（Zr）、铝（Al）和铁（Fe）中的一种或多种。在其它实施例中，x射线护罩208和/或真空管道206的内表面可以用NEG材料制成。在一个实例中，可以在烘烤期间使NEG材料活化。在另一实例中，NEG材料可以由位于真空管道206外部的加热器（未示出）活化。来自高真空室202或真空泵204的分子可以被NES材料捕获。

图3A和3B是根据本公开的实施例的x射线护罩308的实例示意图。x射线护罩308可以在任何高真空系统中实施，例如系统200。x射线护罩308可以放置将真空室流体连接到真空泵的真空管道中，并且包含x射线护罩308可以防止x射线或其它高能光子从真空室射出。

x射线护罩308可以由扭曲到所需扭曲度的细长构件形成，例如半扁条。虚线表示x射线护罩308的另一端的位置。扭曲度可在180º到大于360º范围内。在一些实施例中，扭曲角可以是210°。与x射线护罩208一样，x射线护罩308具有厚度、长度、宽度和节距。由于长度不包含360°扭曲，所以图3B中仅示出了半个节距。可以基于x射线护罩308要***的真空管确定所有或一些尺寸。例如，宽度可以基于x射线护罩将***的真空管的内径来确定。宽度可以设定为略小于内径，使得x射线护罩308与真空管适配。长度也可以由真空管道确定。例如，如果真空管很短，那么长度将选择为与真空管适配，而不会介入室或真空泵。另外，长度还可以基于所需扭曲量和扭曲节距，例如扭曲率。例如，如果需要大节距并且扭曲度大于275°，那么长度可能需要长到足以适应节距和扭曲度。厚度可以基于用于形成x射线护罩308的高原子序数材料以及其它尺寸来确定。使用的材料可基于x射线吸收/阻挡特性而影响厚度。例如，相比于能力较强的材料，能力较弱的材料可能需要更厚的厚度。实例厚度包含5mm、10mm、15mm及更大。

另外，x射线护罩308的宽度可以沿着长度改变，以适应具有多个内径的真空管。例如，如果真空管具有呈第一内径的部分，该部分过渡到具有第二内径的部分，那么x射线护罩308也可以形成为具有两个不同的宽度，这两个宽度之间具有过渡区域，使得x射线护罩308在真空管的两个部分和过渡区域内均适配。

此外，为了在提供所需的x射线保护的同时确保高泵电导率，长度和节距可以形成为最大化x射线护罩308和周围管道之间的空间的空体积，同时保持所需的x射线保护。例如，图4A和4B示出了根据本公开的实施例的实例x射线护罩308和真空管道（未示出）之间剩余的空体积。图4A示出了彼此缠绕的两个体积312A和312B的实例，图4b示出了单个体积312A。空体积提供将气体泵出室的通道，其中气体的移除降低了室中的压力。

图5A和5B是根据本公开的实施例的x射线护罩508的实例示意图。x射线护罩508可以包含在任何高真空系统中，例如系统200。x射线护罩508可以放置在连接真空室和真空泵的真空管道中，并且包含x射线护罩508可以防止x射线从真空室泄漏，同时增强系统的泵电导率。增强泵电导率可允许系统使用较弱的泵来获得相同的所需真空，或使用相同的泵并在更短的时间内获得所需的抽真空，或实现更好的极限真空压力。

x射线护罩508可在许多方面类似于x射线护罩308，不同之处在于它包含额外的细长构件。例如，x射线护罩508可以由两个垂直的半扁条形成，当从一端而不是从单个半扁条观察时，这两个半扁条形成加号形状。使用额外的细长构件可以使得扭曲度减小。例如，x射线护罩408可以扭曲到105°，以实现与x射线护罩308在扭曲210°时将获得的防护量类似的x射线防护量。使用两个细长构件而不是一个可以另外提供额外的x射线防护，并且进一步将可用空间体积分成四个相互缠绕的体积，而不是两个，例如参见图6A、B。相互缠绕的体积包含单独的体积412A、412B、412C和412D。在一些实施例中，高原子量材料的额外交叉可以使得x射线护罩508的厚度减小。减小材料厚度可以降低成本和重量，同时保持所需的x射线保护和真空电导率。

本文所讨论的用于说明所公开的技术的实施例不应被视为限制性的，而是仅提供实施方案的实施例。例如，如本文所公开的x射线护罩可包含形成为y形的三个细长构件，或者可具有多于四个的构件。例如，不同数量的构件可能会影响扭曲度以实现所需的x射线防护量，一般来说，额外数量的细长构件需要较少的扭曲。本领域技术人员将理解所公开的技术可以实施的其它无数方式，这些方式在本文中加以设想并且在本公开的范围内。