CN1237264A - 作为可调谐x射线源的球形惯性静电约束设备 - Google Patents

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Abstract

一种低成本小体积可调谐X射线源,包括球形电子的注入惯性静电约束(IEC)设备。在球形包围容器(402)内,由容器内的球形栅(401)加速再循环聚焦电子,并且引起在球体的中心等离子体核区(404)密集的电子－电子碰撞。在一用于产生可调谐X射线辐射的机构中的IEC同步加速器源(IEC－SS)基本等效于传统同步加速器源。IEC－SS在相当低的电子能量(与同步加速器中的> 200key相比,< 100kev)下操作,由于与电子－电子相互作用相关联的小尺寸的弯曲半径,仍然给出相同的X射线能量。使用衍射光栅、棱镜等能够对X射线进行滤光以用于特别用途。

Description

作为可调谐X射线源的球形惯性静电约束设备
发明背景
本发明要求1996年11月1日提交的美国临时申请SN60/030,009的国内优先权，该申请的全部内容在此引用参考。
已经对小型、可调谐、硬X射线源进行深入研究，并且广泛应用在很多领域。这些领域包括：X射线诊断、医学照像、显微术、核共振吸收、固体物理和材料科学。
当前，存在多种X射线产生器。最当前设备一般基于三种方法论之一：激光和放电等离子体、电子小型源和同步加速器。这些源的谱可被分成两类：特征X射线和连续能谱X射线。特征X射线源取决于使用中的气体或靶材料的特定原子结构。X射线源的所有类型中，仅有同步加速器产生连续能谱辐射。
激光产生等离子体的作用在于惯性约束聚变。最近，它们的意义也在于作为(V)UV和X射线的源。激光产生等离子体在能量范围内发射光子，该能量范围能够从可见光扩展到硬X射线。观测的发射谱是高温、短寿命、高密度的等离子体的特征。该源产生以材料的特征线为中心的X射线谱。
在激光产生等离子体X射线源中，当高功率脉冲激光聚焦在(固体)靶上时，产生等离子体。终止激光脉冲后，由于快速温度传导，电子能量对离子的损耗、及等离子体扩展进周围真空，所以等离子体极其快速冷却。高密度电子的冷却导致快速复合，高激发态的猝灭和X射线发射的终止。靶材料的选择控制由靶材料的电离状态确定的本征范围的谱输出。谱分布的细节主要取决于靶材料(例如，碳、铝、钛、铜、锌、钼、锡、钨和铅)和其他参数(靶厚度和源尺寸)。
已经建议等离子体放电系统作为高亮度X射线的源。大多数这些设备(the gas puff(气体吹气)，J.Pearlman an J.C.Riordan,J.Vac.Sci.Technol.19,1190(1981),plasma focus(等离子体聚焦)，Y.Kato等，Appl.phys.Lett.48,686(1986),hypocycloidal pinch(圆内旋轮线箍缩)，K.S.Han等，Bull.Am.Phys.31,(1986))是Z-pinch(Z箍缩)几何尺寸的变化。在Z-pinch设备中，使用脉冲电驱动器，诸如快速电容组，在气体的圆柱体积的外边缘上产生大电流。产生的J×B力径向上向内加速等离子体壳，以在轴上形成非常高温度的等离子体，其发射在软X射线区内的特征热辐射。
传统电子小型源使用一适当的由高能量电子束轰击的靶材料。这些源产生以材料的特征线为中心的X射线的宽谱。
同步加速器辐射是由电子发射的电磁辐射，该电子是以相对论速度沿着有大的曲率半径诸如几米到十几米的曲线轨迹移动的。光子的能量范围从几Ev(电子伏特)到105Ev。这对应于原子、分子、固体、和生物系统中电子的结合能。这样，同步加速器光子具有合适的能量，以探测这些电子和对应的化学键的特性，从而理解它们的物理和化学特性。在过去二十年中逐渐大量使用作为同步加速器辐射的源的电子加速器。诸如可调谐性和宽X射线谱的独有的特性表现为在很多应用中不可替代同步加速器。
当前，正在根据高能电子存储环和弯曲磁体，来实现第三代同步加速器源。通常电子加速器可调谐，以在很宽的光子能量的范围内，即从微波到硬X射线范围内，发射同步加速器辐射。这样，它提供没有其他可用源存在、例如大部分紫外线/软X射线范围的谱区内的电磁辐射。另外，它是迄今最好的硬X射线源，即使对应这个范围存在其他源。该系统已经满足大部分需要，但是对于物理尺寸和成本来说有缺点。不可避免，它们是极其庞大且昂贵需要复杂的支持设施的设备。当前的机器很大，并且耗费千万到亿美元。同步加速器X射线源的特性表明他们是昂贵的、遥控多用户设施，并且因此不适用于用在实验室规模中。其他的X射线源诸如电子小型系统、激光器和放电等离子体，就其可调谐性和连续X射线而言，完全不能与同步加速器同日而语。
所披露的本发明的目的是提供一种小型可调谐X射线源。
另一个目的是提供一种实验室用的小型可调谐X射线源。对应可以使用相当小的样品的应用中，实验室规模的源的可用性将是很有利的。
另一个目的是提供一种小型可调谐X射线源，用于安全检查应用，诸如更灵敏X射线检查系统。
本发明的简述
提出了一种基于惯性静电约束(IEC)容器设计的低成本、小型、可调谐X射线源。在待审批的美国专利申请S/N 08/232,764“惯性静电约束粒子发生器(Inertial-Electrostatic Confinement Particle Generator)”和S/N08/491,127“静电加速循环聚变中子/质子源(Electrostatic Accelerated Recirculating FusionNeutron/Proton Source)”中描述了IEC设备，在此引用作为参考。
在基于IEC的X射线源设计中，通过循环聚焦由一栅加速的球体内的电子，来代替在同步加速器的电子存储环，通过在球体中心的电子-电子碰撞来代替弯曲的磁体。这种结构产生IEC同步加速器源(IEC-SS)，其中用于产生可调谐X射线辐射的机构基本上与弯曲磁体同步加速器源中的相同。IEC-SS以很低的电子能量(与同步加速器中＞200MeV相比，其为＜100keV)运行，同时从电子-电子碰撞中仍然给出由更小尺寸的弯曲半径补偿的相同的辐射X射线能量。简言之，通过阴极栅将电子加速到10至100kev。由于球体(或其他)会聚，在球体中心能量电子散射。散射的相互作用产生了强轫致辐射X射线。由栅偏压控制发射的X射线能量。
附图的简单描述
图1是IEC设备的简图；
图2是按照本发明的IEC-SS X射线源的简图；
图3是测量的X射线谱；
图4是相应于本发明的强度与波长关系图；
图5是相应于本发明的强度与波长关系图；
图6a是真空端口靶支持架结构图；
图6b是X射线窗外部靶结构图；和
图7是使用X射线源用于X射线成像的小孔摄像机系统。
优选实施例的描述
在1994年4月25日提交的美国专利申请08/232,764(Miley等)中，描述了惯性静电约束(IEC)粒子发生器，在此引用作为参考。其中披露的惯性静电约束设备包括一保持在地电位的真空容器，并且其内部包含在容器中心的用作阴极的线栅。该阴极是由多种具有结构强度和适当的二次电子及热电子系数的金属制成。该阴极线栅连接到电源，以提供高负电位(30kV-70kV)，同时容器本身是导电的，并且保持在地电位。氘或氘和氚气体的混合物引入该容器中。一电压施加到阴极线栅，并且调节压力以启动辉光放电。为了通过减少与栅的碰撞，使每单位功率输入的中子产量最大，同时使栅寿命最大，使用操作条件，以产生“星”形辉光放电模式。辉光放电产生离子，该离子是通过阴极栅产生的电场从放电中提取的。这些离子加速通过栅开口，并且聚焦在球形设备的中心点上。产生的高能离子在中心点周围小范围内与本底(background)气体相互作用(束-本底碰撞)并且本身相互之间发生作用(束与束碰撞)，导致高速聚变。结果是得到了用于产生作为D-T聚变反应产品之一的中子的中子发生器。其中发射速率很高，所发射的离子可提供深度自(deep-self)产生的势阱，该势阱约束俘获的成束离子，产生甚至更高的反应速率。通过使用氘和氦-3的场气体的混合物作为质子及中子源，可以改进该设备。该设备的几何形式是球形，如图1所示。该设备基于具有等离子体靶的离子加速器的原理。在中子发生器实施例中，氘-氘聚变反应发生在等离子体靶上，并且产生具有能量中子。该设备用作简单的球形等离子体二极管，在外球体上具有地电位，并且在几乎几何透明的内部球形栅上具有负电位。球形惯性静电约束设备10示于图1中，其中导电的真空室11连接到接触点17的地电位。该设备具有阴极栅12，它确定了真空室内的一小球体，并且具有提供几何透明度的一栅设计。然而在操作中，由于离子聚焦成如后面描述的“微通道”的作用，此栅设计具有甚高效的透明度。通过高压馈给线(feed through)将电源14连接到惯性阴极栅12。此电压为负值，由此提供真空室的相对正壁和中心栅区之间的偏压。通过控制阀门15，将气体引进真空室11，并且由泵18抽空。
当在一定的栅电压、气体压力、气体类型和栅结构条件下将电位施加到阴极栅时，高密度离子和电子束将形成在启动“星”形操作模式的IEC设备中。在此模式中，高密度空间带电中和的离子束形成在穿过栅线之间敞开的空间的微通道中。由于离子避开了与线的接触，此模式将有效栅透明度增加到几何值之上的一级。这些微通道大大减少了栅轰击和侵蚀，并且增加了电源效率。对于传统的星形模式操作，栅和微通道束是对称的，使得产生会聚的高密度核。该惯性静电约束设备用作中子或质子的重要的源。
球形惯性静电(IEC)设备已经用作等离子体聚变反应堆。在等离子聚变反应堆中，能量的产生必须与不可避免的损耗抗衡，并且在这种损耗中的处理的作用在确定等离子体聚变反应堆的操作温度方面是关键的。通过适当选择某些设计参数，能够使这些能量损耗最小化，但是其他因素则是在反应系统中是固有的；其中一个是轫致辐射。中子产生的效率与反应系统内部固有的轫致辐射的必然损耗相抗衡。在Hirsch的X射线测量实验中测量了高密度的X射线。早先，其目的是通过适当选择某些设计参数，来将轫致辐射最小化。这些特征的确认使用能够使一设备用作X射线源。
IEC等离子体X射线源可具有如图2所示的一般结构，其中电子射入由两个球体中心电极形成的球形IEC设备400的中心。由高透明度栅(透明度＞90％，最好＞95％)形成的内部电极401(阳极)充电为正电压，在驱动电流从1mA变化到100mA时，最好相对于外部接地电极402(阴极)其范围是1KV到150KV。外部电极是支持小于10-6Tort(乇)压力的密封真空室。从阴极402发射的电子被吸附到阳极401，并且在由栅俘获之前通过阳极(栅)很多次。由于球体会聚，电子的注入构成形成密集电子云的电子积累，该密集电子云然后能够用来加速和加热离子。通过由电加热而产生电子的电子发射器409来注入电子。至少有两个最好四个到八个这种组件，每个组件包括电子发射器和电子提取器。由于以由栅偏压加速的相对论速度的强烈的电子-电子相互作用，此操作在球体中心产生强大的轫致辐射。改变随栅偏压偏移的发射的X射线的能谱。应注意的是，在此结构上的偏压与图1中的相反，图1中，中心栅是阴极，而室11用作阳极。
如所周知，在热核反应堆中的等离子体由条形的氢同位素核及电子组成。从这种等离子体中，作为由其他带电粒子的库仑场偏转的结果，能量将不可避免地以轫致辐射(即由带电粒子、主要是电子发射的辐射)的形式损失。
在L.Spitzer的、USAEC报告NYO-6049(1954)第9页中有正确形式的电子-离子轫致辐射能量发射的速率表达式，但是与通过更精确处理得到的结果差别一小数系数，该表达式可从由加速电子辐射能量的速率Pe的传统表达式推出，即， P e = 2 e 2 3 c 3 a 2 - - - - ( 1 )
其中e是电子电荷，c是光速，a是电子加速度。每单位体积轫致辐射所辐射的总功率Pbr已经在一系统的电子中的Maxwellian(麦克斯韦)速度分布中计算，该系统包括单离子类，(Z.S.Glassston和R.H.Lovberg ControlledThermonuclear Reactions(受控热核反应)，Van Nostrand Reinhold公司，1960年，第二章)。 P br = 16 &pi; 2 3 1 / 2 ( kT e ) 1 / 2 e 6 m e 3 / 2 c 3 h n e n i Z 2 - - - - ( 2 )
其中，Te是Maxwellian分布中电子的动力温度，ne和ni分别是电子和离子的密度，me是电子静质量，h是Planck(普朗克)常数。在从v到v+dv的频率范围内每单位频率间隔每单位体积内轫致辐射的速率的传统表达式是： dP v = 16 &pi; 2 3 1 / 2 ( kT e ) - 1 / 2 e 6 m e 3 / 2 c 3 n e n i Z 2 exp ( - hv / kT e ) dv - - - - ( 3 )
当对所有频率积分时，此表达式推导为等式(2)。对于任意的电子和离子密度，依据波长表达的等式(3)，相对值Dpλ,/dλ已经在图4中作为波长的函数画出(C.T.Ulrey:Phys.Rev.,10:401(1918)，在616页列出，Evans,TheAtomic Nucleus(原子核)，McGraw-Hill,Inc.,(1972))。当对一厚钨靶执行此计算时，由于X射线产生机构的类似性，预期谱的形状非常类似于从IED所得到的谱形状。靠每个曲线最大值的左边，轫致辐射的能量辐射由指数项决定，并且随波长的减少迅速减少。假定Maxwellian电子速度分布，来计算轫致辐射功率分布。对于单能量的电子速度，预期该分布较窄。
在低于50kev温度处，来自等离子体的轫致辐射几乎全部由电子-离子相互作用引起。在高温处，由于电子-电子相互作用的轫致辐射的产生将是很大的，这不同于电子-离子相互作用产生的轫致辐射。假定不引起相对论效应，将没有电子-电子轫致辐射，但是在高的电子速度时不是这样，并且从这种形式的辐射中能够产生相当大的损耗。下面的结果将给出该情况的一般指示。在C.F.Wandel等NuclearInstr.,4,249(1959)，R.F.Post,Ann.Rev.Nuclear Sci,9,367(1959)中，在25keV的动力温度处，电子-电子轫致辐射能量与电子-离子相互作用的能量比估计为0.06，在50keV处，为0.13，在100keV时是0.34。
在IEC结构中，在电流-电压-压力的适当条件下，能够形成虚阴极。[G.Miley等，Inertial-Electrostatic Confinement Neutron/Proton Source(惯性静电约束中子/质子源)，AIP conf.proc.299，编辑：M.Haines,A.Knight]。在这种情况下，当电子接近虚阴极时的减速对X射线的产生有额外的贡献。[R.Eisberg,Quantum Physics of Atoms,Molecules,Solids,Nuclei,and Particles(原子、分子、固体、核子和粒子的量子物理)，2nd Ed.,John Wiley and Sons,1985]。取决于虚阴极的高度，此项能够等于或高于电子/电子碰撞的贡献。由于在这种情况下电子能够失去他们全部的能量X射线，结果通常使得X射线谱偏移向较高能量。
X射线谱的实验测量已经使用图2所述的实验执行。结果如图3所示。如同所希望的，沿着曲线的数据非常类似于先前示于图4计算的谱。
图3的IEC谱是在设定施加的电压为30kV时得到的。测量的谱略宽，对于范围到230kV的谱在最大值二分之一处(FWHM)全宽度为15keV(与图4中E-30keV的12keV FWHM相比)。通过变化施加的栅压，偏移谱的分布，以给出类似于图4谱的一系列谱。对于很多实验，这种特性的宽范围的谱是十分有用的。然而，在某些情况下，希望采用窄带的X射线能量。
如果是这样，通过下列方法能够选择较窄谱或“带”，即通过从晶体表面的Bragg反射、或通过衍射光栅、或通过使用其他“传统的”X射线光学技术(J.B.Murphy等，“Synchrotron radiation resources and condensers forprojection x-ray lithography(同步加速器辐射源和聚光器用于投射X射线光刻技术)”，Appl.Optics(应用光学)，vol.32,no.34,pp.6920-6929(1993年12月1日)；“Short Wavelength Lasers and Their Application(短波长激光及其应用)”中，I.A.Artyukov等，“On the efficiency of grazingincidence optics:the spiralcollimator(关于切线入射光学器件的效率：螺旋准直仪)”，Nova SciencePulishers,Inc.,NY,pp.299-310(1992)；H.Takenaka等,“Laser Interaction andRolation Plasma Phenomena(激光相互作用和旋转等离子体现象)”中，“Heatresistance of Mo-based and W-based multilayer soft x-ray mirrors(基于Mo和基于W的多层软X射线镜的热阻)”，12 Intemational Conference(国际会议)，Osaka,Japan 1995,PartⅡ,American Institute of Physics(美国物理研究所)，PP.808-813(1992))。这种X射线带选择在某种类型实验中或在需要窄范围X射线能量的工业应用中尤其需要。通过使用带选择技术，首先调节IEC电压，以优化所需范围内的整个X射线谱。然后采用X射线带选择器，以进一步变窄撞击处理中的靶或谱的X射线波长的范围。此过程示于图5中。假定在波长范围0.45到0.55nm中的X射线是所需要的，则首先将IEC电压升到50kV。这将偏移宽X射线谱的最大强度，使得峰值位于希望的范围中，如图中所示的。然后，采用适当的带选择技术(衍射光栅等)以选择0.45-0.55nm带。如可从图中看出的，调节按照带选择的IEC X射线谱，优化在所需范围内得到的X射线强度。如果没有优化IEC电压，例如，不是30kV或更低，图中所示的在所需带中的强度将减少50％或更多。
否则，如果不需要窄波长X射线，则能够直接使用调谐的IEC X射线。
能够用多种方法实现将带选择光学器件与IEC X射线的耦合。在图6a和图6b中示出两种特征方法，区别是在IEC真空室11内插入选择光学器件和靶，或使用外部光学器件501，从真空容器通过一薄的、真空密闭、金属X射线窗口502提取X射线。图6a使用“传统的”X射线衍射光学器件451(C.V.Azaroff，X-ray Spectroscopy(X射线光谱学)，McGraw-Hill,NY,(1973))用于带选择。衍射光学器件451和靶452位于IEC边的扩展端口453中。端口453通过在主真空容器中的开口404连接，使得X射线从IEC栅区逃逸出来，并且进入光学系统，同时通过主室抽运系统，端口内保持在真空状态下。在端口端部的双阀门455结构使得便于插入和移去靶/样品，而不破坏主室的真空。此方法具有的优点是，从IEC逃逸出来的X射线没由使用真空窗衰减(如图6b所示)，并且靶能够保持在真空状态下。另一方面，通过双门阀门系统，靶/镜片的插入和移去是复杂的。如果可允许略微减少的X射线强度，并且如果靶不需保持在真空下，能够使用图6b的外部结构。X射线从IEC室11通过低-Z金属窗502逃逸出来。将使用诸如Be的低-Z材料，以将X射线衰减最小化，其保持结构强度维持真空状态。如果希望视觉观看室内，也能够采用含有最小聚集(concentration)高-Z材料如铅的选择玻璃。图6中的两个结构看作典型的例子。可考虑在几何尺寸、选择光学器件、靶/镜片插入/移去方面的许多变化用于特定应用。例如也使用棱镜。
IEC X射线源601的其他应用包括X射线成像。用于使用软X射线的这种技术是公知的，例如I.H.Hutchinson,Principles of Plasma Diagnostics(等离子体诊断原理)，Cambridge University Press(剑桥大学出版社)，NY,(1987)。在图7中示出了将IEC应用于此的通常方法。在此图中，X射线600通过传统的小孔摄像机系统604，图像记录在检测器605上，如图所示，或记录在拍摄胶片上。被拍摄的物体603放置在希望得到聚焦长度的合适位置的X射线路径上。该物体足够薄，以使得X射线能够穿过它。该结构中所使用的X射线窗与图6b中的类似。然而，如果需要真空结构，能够采用类似于图6a的几何结构。
前述的等离子体中的轫致辐射效应的特性可作为在IEC设备中的参数特征选择的基础，使得能够实现可调谐X射线源。如图2所示，在IEC-SS系统400中，来自电子发射器409(通过从源410以驱动电压5-15V施加的电流1A到15A来加热)，通过放置在球形真空约束容器402内的球形阳极栅401，被加速到10keV至100keV,401也可用作阴极。球形线栅401是自支撑结构，不用内部支撑，具有多个电子可以流过的开口。该栅也能由多个叶片组成，这些多个叶片组合到一几何模式中，当从半径方向观看时，具有薄的轮廓，以便达到高几何透明度。由于球体会聚，能量电子在球中心404碰撞。高能电子的相互作用产生强度X射线。X射线谱取决于由栅偏压405控制的电子能量。X射线通向容器墙壁中的窗口406，经圆柱通道407发送到检测器408。在通道内或在X射线路径中的其他方便位置上，能够放置使X射线的谱变窄的装置。这种装置可以是一使用从晶体表面、衍射光栅、棱镜等Bragg(布拉格)反射的设备。IEC-SS可使用相对低能量电子来产生X射线。IEC-SS具有许多潜在的独特和吸引人的特征，可用在很多应用中。这些特征包括小型、相对低成本、可调谐性、高光子能量操作。与IEC-SS相关的相对窄的固有线宽能够提供较少的不可用辐射，而这种辐射能够损坏光学器件和靶样品。此外，通过改变在IEC-SS脉冲模式中的电子脉冲能量，可以产生线性调频X射线脉冲。IEC-SS的脉冲结构、可调谐性和高光子能量的能力可以提供用于研究超速现象的重要工具。另外，IEC-SS的相对低的成本和小型化能够使得同步加速器光源更容易为用户使用。
扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)是在材料、生物医学和很多其他科学领域中用于结构确定的有力工具，迄今通常已经在同步加速器辐射(SR)设施中进行了研究。在实验室中用于EXAFS测量的仪器的研究是重要的，因为它们对使用SR的实验具有互补作用，尤其当需要特殊样品准备和/或分析的快速反馈时。在实验室中执行EXAFS测量的问题主要是由来自源的强特征X射线线引起的谱劣变。开发专门用于EXAFS实验中的X射线源是重要的。迄今，常使用的X射线源用于X射线衍射术中。因此，通常设计电子枪，以在高管电压下操作提供强特征X射线。相反，EXAFS实验需要强连续能谱X射线。基于IEC-SS的实验室使用可以减轻这个问题。
IEC-SS X射线束的一个实际应用将大大提高在人体中跟踪部件的低聚光的成像能力。特别是，它能够用在数字差分血管照像术(DDA)，一种新的医用X射线诊断概念(参照P.R.Moran,et al,Physics Today(今日物理)，July(7月)(1983)；及“Optics Today(今日光学)”，由J.N.Howard编辑(AIP,New York,1986),p.308)。这种新技术是用于对血管照像的差分X射线吸收诊断过程。在传统的血管照像术中，通过静脉注射X射线吸收物质例如碘，来实现血管的X射线照像。用于照像的可用X射线是极宽带的，并且需要大量的碘和X射线。使用差分X射线吸收技术的可调谐X射线束将是很灵敏的诊断工具，用于以减少的辐射量测量碘的低聚光。碘在大约33keV的光子能量处具有K边缘吸收。在DDA中，使用两种X射线束：一种是在33keV(碘中用于峰值吸收的能量)及另一种是大约30keV。这两个光子能量的质量衰减系数的差别大约是8。穿过组织的光子与组织的质量厚度和质量衰减系数的指数相乘结果成正比。因此，33keV光子图像和30keV光子图像之间的区别是碘聚光的直接和敏感测量，同时抑制不含碘的骨头和其他组织的图像。这些区别的X射线吸收技术将使用经血流“非侵入”注射进心脏的碘的更低聚集。两个X射线束的成像和相减将同时执行，并且因此在成像过程期间病人的移动将不成为问题。
尽管已经联系几个优选实施例描述了本发明，但本发明不限于此，它的范围将由所附的权利要求限定。

Claims (26)

1、一种用于产生波长可调谐X射线的设备，包括：
阴极装置，包括球形真空容器；
阳极装置，包括限定一中心球形体积的高透明度球形栅，所述阳极装置靠中地放置在所述阴极装置内；
电子装置，包括多个对称放置在所述阴极装置的内表面附近的电子发射器/提取器组件，用于发射电子进入所述容器；
用于在所述球形真空容器内产生负气压的装置；
用于循环由所述电子发射器组件发射的电子多次通过形成在所述球形真空容器中心的中心区的装置；
用于聚焦和会聚高能电子在所述中心区的装置；
用于向所述阳极施加电位的装置，由此，阳极和阴极装置之间的电位使得电子向阳极装置加速，增加了能量的电子与所述中心区的空闲电子相互作用，从而产生X射线，由此在不同能级的电子产生相应的不同波长的X射线。
2、如权利要求1所述的设备，其中所述电子发射器/提取器组件还包括用于施加电流以加热所述电子发射器/提取器组件的装置。
3、如权利要求1所述的设备，其中所述电子发射器/提取器组件还包括用于向所述电子发射器/提取器组件施加电位以提取电子的装置。
4、如权利要求1所述的设备，其中所述球形栅是自支撑结构，不用内部支撑架，具有多个可以使电子穿过的开口。
5、如权利要求4所述的设备，其中所述栅至少包括一个线和一个叶片结构中的一种。
6、如权利要求1所述的设备，包括至少两个电子发射器组件。
7、如权利要求6所述的设备，包括两个到八个电子发射器组件。
8、如权利要求1所述的设备，其中所述电子发射器/提取器组件包括一电子发射器和一电子提取器。
9、如权利要求2所述的设备，其中所述阴极装置保持在地电位，并且所述阳极装置是具有电源引线的导电电极，电源引线穿过球形真空容器连接并且被其隔开，并且连接到用于施加电位的装置。
10、如权利要求1所述的设备，其中所述球形真空容器是密封的金属壳。
11、如权利要求1所述的设备，其中所述用于施加电位到所述阳极栅的装置提供1KV到150KV范围内的正电位。
12、如权利要求1所述的设备，其中所述用于施加电位到阴极栅的装置使用1mA到100mA范围内的驱动电流。
13、如权利要求1所述的设备，其中所述栅具有大于或等于95％的集合透明度。
14、如权利要求1所述的设备，其中在所述球形真空容器中的压力小于10-6Torr(乇)。
15、如权利要求1所述的设备，其中所述阳极装置的电位是在50V到300V之间的正电位范围内。
16、如权利要求3所述的设备，其中所述用于施加电位到所述电子提取器的装置使用在10mA到5A范围之间变化的驱动电流。
17、如权利要求2所述的设备，其中所述用于施加电流以加热所述电子发射器的装置提供在1A到15A之间范围变化的电流。
18、如权利要求3所述的设备，其中所述用于施加电流以加热所述电子发射器的装置采用在从5V到15V变化范围内变化的驱动电压。
19、如权利要求1所述的设备，其中所述栅至少包括一线和一叶片结构中的一种，使得当从任何径向方向观看时轮廓将是薄的，于是得到限定中心球体体积的高几何透明度。
20、如权利要求1所述的设备，还包括使所述产生的X射线的谱变窄的装置。
21、如权利要求20所述的设备，其中所述装置利用至少一个衍射光栅或棱镜。
22、如权利要求1所述的设备，还包括使所述X射线的靶放置在所述真空容器内的装置。
23、如权利要求1所述的设备，还包括一窗口，用于使X射线从所述真空容器中逃逸出来。
24、如权利要求23所述的设备，还包括用于使所述X射线的靶放置在所述真空容器外面的装置。
25、如权利要求24所述的设备，还包括摄像机系统，用于接收穿过所述靶的X射线。
26、如权利要求22所述的设备，还包括摄像机系统，用于接收穿过所述靶的X射线。
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