CN101410928A - X射线焦斑温度的双色高温测量 - Google Patents

Abstract

这里公开的一种X射线管包括用于将电子发射到可旋转阳极的焦斑上的发射极。该X射线管还包括中空管，其用于在该中空管的一端接收来自焦斑的电磁辐射，并将电磁辐射传输到另一端。该X射线管还包括用于检测穿过该中空管的电磁辐射的两个或多个传感器。

Description

X射线焦斑温度的双色高温测量

技术领域

本发明一般涉及x射线成像的领域，更具体地涉及x射线焦斑温度的测量。

背景技术

当x射线管内的高速电子从电子发射极撞击阳极时，产生了X射线。当在发射极和阳极之间施加高压时，发射极产生的电子被加速射向阳极。当电子撞击阳极时，会引起相当大的阳极发热。通过采用可旋转的阳极，可以在空间和时间上扩散该发热。电子撞击阳极的区域也被称为焦斑(focalspot)，并且在可旋转阳极情况下，被焦斑照亮的区域是环形，称为焦斑环。此外，与可旋转阳极上其余区域相比较，通常焦斑环经受更大的发热。而且在焦斑环内，焦斑是最热的。在峰值工作条件中，焦斑环具有约2000摄氏度的平均温度，而焦斑达到约3000摄氏度的温度。通常由于旋转部件的存在以及x射线管的成本，不断监控焦斑处的温度是有好处的。这种监控有助于对病人、放射科医师以及成像装置的保护。

确定焦斑温度的一个示例是通过基于x射线管的工作参数数学上估计温度。然而，数学估计的缺点是它不是很精确，因此x射线管的保护机制必须非常保守，以补偿估计焦斑温度所缺乏的精确度。美国专利第3,836,805中给出了在x射线管内测量焦斑温度的另一个示例。该文献公开了在x射线管的金属端盖上提供一个窗口，光探测器可以通过这个窗口观察杯状阳极的内表面。然后，该光探测器产生与它接收到的光强度成比例的电信号。这种安排产生了错误地确定焦斑温度的机会。因此，精确检测焦斑温度是有利的。

发明内容

因此，此处公开的x射线管包括发射极，其用来将电子发射到可旋转阳极上的焦斑上。该x射线管还包括中空管，其用来在该中空管一端接收来自焦斑的电磁辐射，并将电磁辐射传送到另一端。该x射线管还包括两个或多个传感器，其用来检测穿过中空管的电磁辐射。

此外，这里公开的x射线成像装置包括上述的x射线管。该x射线成像装置还包括x射线探测器和对象成像结构。

此外，一种用于确定可旋转阳极上的焦斑温度的方法包括：测量两种或更多种波长的光的强度，并基于所测量的强度确定焦斑温度。

附图说明

参考所附各图阅读以下说明，将会更好理解这些和各种其它特性、方面和优点，其中：

图1示出了x射线管配置的第一实施例；

图2示出了以两种不同波长测量的电流之间的比率随温度变化的特性；

图3示出了x射线配置的第二实施例；

图4示出了x射线配置的第三实施例；

图5示出了x射线配置的第四实施例；

图6示出了x射线成像装置，其包括根据图1、3-5之一所示配置的x射线管的；以及

图7是确定焦斑温度的方法的流程图。

具体实施方式

现在回到各图并首先参考图1，示出了x射线管100的实施例。更具体地，图1示出了x射线管100的一些部件，该x射线管100包括具有x射线焦斑120的可旋转阳极110，附着于x射线管壁140上的中空管130，以及传感元件150。窗口160出现在x射线管壁上，位于x射线管壁与中空管之间的接合部。窗口160对于穿过中空管130传送的任何光都应该是透明的。因为x射线管也是高度真空的，所以在这种低压下该窗口160应该是稳定的并且保持x射线管100内的真空。

在某些实施例中，窗口160也可以包括铅玻璃层。在x射线管工作期间，某些x射线有可能穿过中空管泄漏出x射线管。铅玻璃(未示出)用来吸收这种游离的x射线。因为由于x射线的直接转换，x射线可以使传感元件150错误地产生信号或者甚至可以损坏传感元件，所以铅玻璃的附加功能是防止x射线撞击传感元件150。当使用铅玻璃时，铅玻璃也可以分散或吸收一定数量的光。然而，已知了铅玻璃的吸收和分散属性，也可以通过传感元件150的适当校准来补偿这种效应。

在图1的配置中，将中空管130完全密封在x射线管100内。将中空管130的一端朝向焦斑120放置，而将中空管130的第二端或相对端附着于窗口160的内表面上，该内表面是窗口160的位于x射线管100内的表面。在后续讨论中，将靠近焦斑的中空管一端称为收集极端，而将远离焦斑的中空管一端称为发射极端。中空管130内部涂上黑色。选择中空管130的长度和直径，使得只有来自焦斑的光能进入到传感元件。焦斑以外区域发射的所有光都被中空管的已涂黑的内表面吸收。这样，穿过中空管传输到中空管第二端的任何光主要是焦斑120发射的可见光。

当来自焦斑120的可见光穿过中空管传送时，某些数量的x射线(未示出)也很有可能会通过中空管的发射极端传送。将该发射极端附着在x射线管壁140上的窗口160上，以吸收可能在收集极端进入中空管并穿过中空管130传送的任何游离的x射线。此外，确定窗口160的位置，以在焦斑120和传感元件150之间穿过中空管130建立一条视线。

传感元件150包括至少两个传感器，并离直接位于窗口160外表面上的x射线管壁很近，使得传感器可以检测到穿过中空管130和窗口160的可见光。在一个实施例中，传感器是p-i-n结光电二极管。然而，也可以采用便宜的硅p-n结二极管。为了在光学领域中进行检测，即检测可见光，硅光电二极管是检测器的好的选择。采用硅光电二极管的优点包括二极管的较低成本、二极管的耐用性以及二极管与板上或板外电子元件的易于集成性。光电二极管产生了与入射到光电二极管上的光强度成比例的电流。

传感元件150中的每个传感器还包括窄带通滤波器(未示出)，以使得传感器只能检测到特定波长的可见光。相比其它传感器中的窄带通滤波器，该窄带通滤波器允许通过不同波长的光。窄带通滤波器的示例是法布里-珀罗标准具(Fabry-Perot Etalon)。法布里-珀罗标准具作为精调滤波器来工作。例如，通过在传感二极管顶上沉积层叠的薄介电层来构造这些滤波器。然而，可以采用其它任何适合的窄带滤波器。

两个传感器测量了两种不同波长的光强度，从而产生了两个不同电流。已知两种不同波长(频率)的光强度使得能够在不知道发射系数情况下确定所测量的温度。这可以通过采用两个传感器所测量的两种电流的比率来实现。对于两个测量值都相同的未知发射系数得以抵消。

图2中示出了两个传感器测量的两种波长下的电流之间的比率随温度变化的特性。正如图中所看到的，在较低温度下该比率很小，因此基于该比率难于确定温度。然而，随着该比率变得较大，更容易确定温度。由普朗克(Planckian)定律给出的温度T下黑体的波长相关发射如下：

$I(\mathrm{\λ},T)=\frac{{2\mathrm{\πhc}}^2}{{\mathrm{\λ}}^5}\·\frac{1}{\exp (\mathrm{hc}/\mathrm{\λ}{k}_{B}T)-1},$

其中常数h、c和k_B分别表示普朗克常数、光速以及玻耳兹曼(Boltzmann)常数。这样，对于窄带中心位于λ₁处的滤波二极管，当光电二极管受到温度为T的阳极发出的光照射时，在光电二极管中产生的光电流信号将与I(λ₁，T)成正比。第二个光电管的窄带通滤波器的窄带中心位于另一个波长λ₂处，该第二个光电管的光电流信号与I(λ₂，T)成比率。这样，两个光电二极管在温度T下的光电流I_photo1和I_photo2的比率给出如下：

$\mathrm{ratio}\left(T\right)=\frac{I_{\mathrm{photo}1}\left(T\right)}{I_{\mathrm{photo}2}\left(T\right)}=\frac{{\mathrm{\λ}}_2^5}{{\mathrm{\λ}}_1^5}\·\frac{\exp (\mathrm{hc}/{\mathrm{\λ}}_2{k}_{B}T)-1}{\exp (\mathrm{hc}/{\mathrm{\λ}}_1{k}_{B}T)-1}$

这样，光电流比率是阳极上发光焦斑的温度的单值函数。因为阳极不会精确地表现为理想黑体辐射体，所以通过发射系数k(λ，T)考虑了阳极光谱发射与普朗克法则的偏差：

$I_{\mathrm{non}-\mathrm{ideal}}(\mathrm{\λ},T)=k(\mathrm{\λ},T)\·\frac{{2\mathrm{\πhc}}^2}{{\mathrm{\λ}}^5}\·\frac{1}{\exp (\mathrm{hc}/{\mathrm{\λk}}_{B}T)-1}$

如果两个波长彼此接近的话，则一般认为发射系数与波长无关。在另一个实施例中，传感元件150可以包括三个传感器。由于这种配置考虑了发射系数作为波长函数的线性相关性，而不是将发射系数视为常数，所以具有三个传感器的优点是改进了估计。类似地，在其它实施例中，传感元件150可以具有四个或更多传感器。这种配置考虑发射系数与波长之间的二次特性，等。

当在电子发射极和阳极之间施加了高压时，电子朝向旋转阳极加速运动。然而，即使不施加高压，发射极仍可保持“开”状态，该状态下发射极加热到正常工作温度。在发射极为“开”的期间，通常有某些来自发射极的光，通过焦斑反射到中空管内。进入到中空管的该反射光可导致焦斑温度的错误确定。因此，需要考虑该反射光对实际传感器读数的影响。

在上述说明中，传感元件150中的传感器用来测量电磁光谱的可见光谱区的光。如本领域技术人员所已知的，在其它实施例中，也可能采用测量来自焦斑的红外辐射的传感器。应当把对所描述配置的这种改变理解为本发明的一部分。为了便于解释，下面说明的各种实施例将可见光用于检测和测量目的，不应将这视为限制性的。

图3示出了x射线管300的另一个实施例，其示出了具有旋转阳极110、中空管130以及传感元件150的x射线管100的一些部件。在该实施例的配置中，中空管130穿过了x射线管壁140，使得中空管130的收集极端位于x射线管内部，而中空管的发射极端位于x射线管外部，并与传感元件很接近。传感元件150位于从焦斑120穿过中空管130的直视线上。在当前实施例的配置中，由于中空管130穿过x射线管壁140，在x射线管壁上没有窗口。相反，窗口160附着在发射极端，以防止任何x射线传到外面。传感元件150与图1所述类似。在图3中，将传感元件150示出为附着在窗口160上。然而，这并非强制的。可以将传感元件150与窗口160间隔一定距离，但保持在使传感元件150能充分检测从中空管发出的可见光的距离内。

图4示出了x射线管400的另一个实施例，其示出了x射线管100的一些部件。在该实施例的配置中，将x射线管外部的发射极端与光纤元件180相连接，以从焦斑到传感元件150传送光170。在当前实施例的配置中，因为来自焦斑120的光170穿过中空管130和光纤元件180撞击传感元件150，所以可以仍将传感元件150视为处于从焦斑120穿过光纤元件180和中空管130的视线中。这种配置的优点是不需要将传感元件150紧挨着放置在中空管的发射极端前。此外，由于全内反射的属性，采用光纤元件180不会导致任何信号强度损失。然而，需要小心精确地进行光纤元件180与中空管130发射极端的连接。

在图5中所示另一个实施例中，x射线管500的配置包括放置在窗口160与传感元件150之间的棱镜510，如图所示。棱镜510可以由玻璃或任何其它适当材料制成。该棱镜510使得来自中空管130发射极端并穿过窗口160的光被该棱镜分为在不同路径上传输的两个或更多波长的光，即，棱镜510对光进行了空间分离。可以用位于传感元件150内的两个或更多传感器对每个波长进行适当检测。采用棱镜510的优点是，允许传感元件150的传感器(这些传感器通常依次放置)对相同焦斑区域进行成像，但是如果不使用棱镜510，这些传感器会对彼此轻微偏移的不同焦斑区域进行成像。

图6示出了x射线成像装置600，其包括x射线管610、x射线检测器620和对象成像结构630，该x射线管610包括图1、3和4中所示三个具体配置之一。在医疗应用中，该对象成像结构630可以是病人床或机架。在工业应用中，对象成像结构630可以是设计用于支撑要在期望方向上成像的对象的任何结构。也必须理解为，在某些其它实施例中，可以将图1、图3和图4的一个或多个特征组合在一起以获得这种组合的优点。应该把这些改变视为在本发明范围内。

图7示出了说明采用图1、3和4中所示x射线管的至少一个实施例来确定焦斑温度的可能方法的流程图700。该方法包括测量从中空管收集极端传送到发射极端的两个或多个波长的光强度。如前所述，传感元件检测来自中空管的光。传感元件包括两个或多个传感器，每个传感器具有用来允许该特定传感器检测特定波长段的窄带滤波器。该方法包括测量当电子束发射极处于工作时、两个或多个波长的光强度710。该方法还包括基于所测量的光强度确定焦斑温度720。必须注意到传感器产生的电流与传感器检测的光强度成正比。在一个实施例中，可以将两个电流的比率用于确定焦斑处的温度。随着温度的增加，较短波长的相应读数与较长波长的相应读数之间获得的比率值也增加。

在某些实施例中，该方法还包括校准步骤730，以消除在焦斑处反射的电子发射极所发出的光也会被检测到所带来的影响。该校准步骤通过检测当在电子发射极和可旋转阳极之间未施加高压时的来自中空管发射极端的光，来消除所检测光中的反射分量。这就意味着没有电子撞击到可旋转阳极上，并且确保了进入到中空管收集极端的任何光完全是从焦斑反射的、电子发射极所发出的光。然后，可以从当该x射线管完全工作时所测量的电流中减去上面所测量的光强度也即由此产生的电流。

此外，应该注意到，本申请描述了采用可见光谱区中的电磁辐射来测量焦斑温度，但是也有可能将该技术应用在红外光谱区的测量。相应地，需要改变传感元件150中的传感器的选择。在可见光领域实现该技术的优点是传感器成本低并且传感器易于集成。与可见光谱区中的测量相比较，红外领域的测量会使传感器的成本更高。然而，随着半导体领域中技术的进步，传感器成本只会持续下降，可以证明将会变得有效率。

应注意到上述实施例对本发明进行了说明而非限制，本领域技术人员能够设计许多可替换的实施例而不偏离所附权利要求的范围。在这些权利要求中，不应将括号内的任何参考符号理解为对权利要求的限制。词语“包括”并非排斥出现权利要求中所列以外要素或步骤。要素之前的词语“一个”并非排斥出现多个这种要素。可以通过包括几个不同要素的硬件方式以及通过适当编程的计算机来实现本发明。在系统权利要求中，列举了几种装置，可以通过一个相同项的计算机可读软件或硬件来实现几个这些装置。在彼此不同的从属权利要求中记载某些手段的事实并非表示不能有利地采用这些手段的组合。

Claims (17)

1、一种x射线管(100，300，400，500)，包括：

发射极，用于将电子发射到可旋转阳极(110)上的焦斑(120)上；

中空管(130)，其中，所述中空管的第一端用于接收所述焦斑发出的电磁辐射(170)，并将所接收到的电磁辐射穿过第二端传送；以及

传感元件(150)，其包括至少两个传感器，用于检测从所述中空管的所述第二端传送的所述电磁辐射。

2、如权利要求1所述的x射线管，其中，所述电磁辐射(170)在可见光谱区和红外光谱区的至少一个光谱区内。

3、如权利要求1所述的x射线管，其中，将所述中空管(130)设置在所述x射线管内，所述第一端位于接近所述焦斑(120)的位置，所述第二端附着于所述x射线管上的窗口(160)上，所述窗口用于允许来自所述中空管的所述第二端的所述电磁辐射通过。

4、如权利要求3所述的x射线管，其中，所述窗口(160)包括铅玻璃。

5、如权利要求1所述的x射线管，其中，所述中空管(130)的所述第一端在所述x射线管的内部，所述x射线管的所述第二端在所述x射线管的外部。

6、如权利要求1所述的x射线管，包括光纤(180)，该光纤(180)与所述中空管的所述第二端连接，以将所述可见光提供到所述至少两个传感器。

7、如权利要求6所述的x射线管，其中，所述至少两个传感器包括p-i-n光电二极管。

8、如权利要求1所述的x射线管，其中，每个所述传感器包括窄带滤波器，以允许所述传感器检测所述中空管(130)传送的特定波长的所述可见光。

9、如权利要求1所述的x射线管，包括棱镜(510)，该棱镜(510)设置在所述中空管(130)的所述第二端与所述传感元件(150)之间，以将来自所述中空管的所述第二端的所述电磁辐射(170)分为两个或更多个不同波长。

10、如权利要求1所述的x射线管，其中，所述中空管(130)基本上吸收了从所述旋转阳极上的非焦斑处发出的所有电磁辐射(170)。

11、如权利要求1所述的x射线管，包括围绕x射线管和所述传感元件(150)的x射线吸收层。

12、一种x射线成像装置(600)，包括：

x射线的检测器(610)；

对象成像结构(630)；以及

用来发射所述x射线的x射线管(620)，所述x射线管还包括：

发射极，用于将电子发射到可旋转阳极上的焦斑上；以及

中空管，其中所述中空管的第一端用于接收所述焦斑发出的电磁辐射，并且将所接收到的电磁辐射穿过所述中空管向所述中空管的第二端传送；以及

至少两个传感器，用于检测穿过所述中空管的所述第二端传送的所述电磁辐射。

13.如权利要求12所述的x射线成像装置，其中，所述电磁辐射在可见光谱区和红外光谱区的至少一个光谱区内。

14.如权利要求12所述的x射线成像装置，其中，所述中空管设置在所述x射线管内，所述第一端位于接近所述焦斑的位置，所述第二端附着于所述x射线管上的铅玻璃窗口上。

15.如权利要求12所述的x射线成像装置，其中，所述中空管的所述第一端在所述x射线管的内部，所述x射线管的所述第二端在所述x射线管的外部。

16.一种确定可旋转阳极上焦斑温度的方法，包括：

测量(710)当电子束发射极工作时从所述可旋转阳极上的所述焦斑发出的两个或更多波长的光的强度；以及

基于所测量的光的强度来确定(720)所述可旋转阳极上的所述焦斑的温度。

17.如权利要求16所述的方法，包括：补偿(730)当没有在所述电子束发射极和所述可旋转阳极之间施加电压时从所述可旋转阳极处反射的、来自所述电子束发射极的光的强度。

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