CN101720491A - X射线源 - Google Patents

Abstract

具有阴极(2)的X射线源，阴极包括具有在发射回路(10)和第一和第二端(6、8)之间的可选热回路(12，14)的第一线路(4)。螺旋第二线路(30)缠绕线路(4)以及低功函数涂层设置在这两条线路上。第一和第二线路可以是难熔金属，例如钨，以及低功函数涂层可以包括氧化钡。

Description

X射线源

技术领域

本发明涉及包括X射线阴极的X射线源。

背景技术

X射线通常由X射线源产生，X射线源通常是包括阴极和阳极的真空管的形式。强电场向着阳极加速来自阴极的电子并与阳极碰撞产生X射线。这些X射线穿过通常为铍的窗口通过X射线管。

通过加热阴极由阴极的热电子发射产生电子。对于大功率管，阴极通常由钨制成，其优点在于在用于实现足够的热电子发射的高温(2400K)下稳定。即使在2400K，钨也不融化或变形。在这些高温下，热辐射是显著的，从而阴极可以被热辐射有效地平衡。

在EP 553913中提供了用于X射线分析的已有的X射线管的描述。

使用钨阴极的缺点在于需要获取很大的电功率并维持所需要的高温。显著的冷却也是需要的。此外，可能在高温下发生蒸发，导致窗口的污染，进而减少X射线功率并可能污染X射线光谱。

为此，对于在较低温度发射电子的替代阴极材料感兴趣。因此，钨阴极可以被涂覆氧化钡，导致在1100K的较低温度下发射热电子。在这些温度下，材料的蒸发可以被忽略，并且管的电功率和冷却要求也因此减少。

然而，氧化钡涂层是易碎的，并且能够被强电场中的阳离子的飞溅影响。此外，在所应用的较低温度下，具有较少热辐射，从而变得更加难以保证阴极的所有区域都在相同的温度下。不均匀的温度进而导致不平均的X射线发射，这导致了不良的X射线点。此外，不均匀地将涂层接合到钨丝也导致阳极的X射线发射不均匀。为此，发明人注意到氧化钡不再用于供分析应用的大功率X射线管中。

因此仍然需要能够在相对低的阴极温度和大X射线功率下运行的X射线源。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种根据权利要求1的X射线源。

通过使用具有围绕发射回路线路的螺旋线路、以及涂覆在该线路的成分上的发射器的阴极，大大提高了涂层与线路的接触(即，接合强度)。

可以在发射回路和线路的端部之间提供热回路。与使用没有热回路的简单结构相比，更好地平衡了使用中的线路的温度。

该线路可以被支撑在支撑回路上，支撑回路可以比发射回路的线路更细以避免过度的热交换。

附图说明

下面将参考附图仅通过示例的方式来描述本发明的实施例，附图中：

图1示出了在本发明的实施例中使用的阴极的透视图；

图2示出了根据实施例的包括图1的阴极的X射线源的侧视图；

图3示出了图1的阴极的细节；

图4示出了根据图1的阴极的X射线点和两个比较例；以及

图5示出了图1的阴极随时间的X射线输出的曲线以及比较例。

在不同附图中，相同或类似部件给出相同参考标号，附图是示意的并且不按照比例。

具体实施方式

参考图1，示出了用于X射线管的阴极2。该阴极由在第一端6和相邻布置的第二端8之间延伸的单个长度的钨丝4形成。该阴极具有圆形发射回路10的形状，在发射回路10和相应的第一和第二端6、8之间具有第一和第二热回路12、14。每个第一和第二热回路12、14形成U型线路回路，U的腿16平行于发射回路延伸，也就是说跟随该回路。使用术语“热回路”是因为该回路的功能是在发射回路10和线路的端部6、8之间提供一定的热阻。

参考图2，阴极2布置有围绕中心阳极20的发射回路10。壁22围绕阳极20在阳极20和阴极2之间的延伸。壁22作为障碍物，从而在阴极和阳极之间没有直接的直线路径。在该示例中，阳极表面20是铑，但是根据需要也可以使用替换材料。阴极线路的端部6、8安装在支撑上，其在使用中不与发射回路10热平衡。

除了热回路，额外的细支撑线路23用于支撑该发射回路，其在发射回路周围均匀间隔地布置。关于长度、厚度和位置选择该细支撑线路以实现均匀温度分布。特别地，支撑线路23被制成比钨丝4细，从而它们每单位面积不传导这么多的热量。然而，支撑线路23可以被制成没有热回路，因此它们具有更短的有效长度，从而它们在每单位时间传递与位于发射回路和第一和第二端6、8之间的热回路类似的低的热流量。因此，作为有效长度和厚度之间的折衷的结果，支撑线路23可以具有热回路的热阻80％至120％内的热阻。

以该方式，可以在发射回路10的全部长度周围实现相对均匀温度分布。

热回路12、14的效果是通过增加发射回路10和端6、8之间的线路的长度来将发射回路10与端6、8热解耦。

阴极2和阳极20布置在具有面对阳极20的铍窗口26的真空壳24中。壳24被抽真空。

图3示出了阴极2的钨丝4的细节。第二钨丝30螺旋状地布置在第一钨丝4周围。氧化钡涂层32布置在线路的成分(composition)上。在该示例中，在螺旋线路的每匝之间具有小缝隙，并且涂层32延伸进入这些缝隙以及在表面上延伸。这就确定产生涂层32和线路4、30之间的强接合和良好的化学接触。

在该示例中，发射回路10是直径为38mm的圆形回路。每个热回路13、14的长度为30mm。内钨丝4具有250μm的直径，以及第二螺旋线路30具有29μm的直径。在该示例中，螺旋的间距是35μm，使得小缝隙为(35-29)＝6μm。涂层的厚度是10μm。发射回路由三个支撑线路23支撑，在该示例中，支撑线路具有100μm的直径和5mm的长度。

本领域的技术人员应该理解，这些尺寸可以被改变。通常，发射回路10具有最大线性尺寸，即在圆形情况下的直径从1mm至500mm，在典型实施例中从5mm至150mm。例如，线路的长度可以从15mm至1500mm。热回路14、16可以具有长度为2至170mm之间的线路。内线路4可以具有从50μm至900μm的直径，以及外部螺旋线路30的直径为从1μm至500μm。外部螺旋线路30的间距应至少为外部螺旋线路的直径直至外部螺旋线路的直径的10倍，优选地直至外部螺旋线路的直径的两倍，因此对于该示例中的直径29μm的螺旋线路，间距优选为29μm至58μm。涂层厚度可以从0.5μm至内部线路直径的50％。外部螺旋线路可以紧密接合至内部线路，或可以与其间隔例如内部线路直径的0至20％。支撑线路例如可以具有从20至500μm的直径并且具有任何适当长度，例如从2mm至30mm。具体的，支撑线路的直径可以为内部线路直径的20％至80％，或20％至50％。

热回路的每个腿的长度可以是发射回路的长度的10％至40％。发射回路可以围绕圆形的阳极延伸，围绕圆形的圆周至少延伸300°。

在使用中，在阳极20和阴极2之间施加高电压。该电压可以例如从20至60keV；根据需要也可以使用其他电压。优选地，这通过施加小的正电压至阴极并且施加大的正电压至阳极来实现，如在EP608015中所说明的。通过阴极2热发射电子27，并撞击阳极20，在那里它们使得发射X射线28。所发射的X射线经过窗口26射出。

发明人发现热回路、螺旋线路以及涂层的结合产生了很好的期望结果。

使用BaO使得在比现有技术的钨阴极更低的温度下的热电子发射成为可能。BaO形成在第二钨丝螺旋上的方法增加了BaO的稳定性。注意，在测试的示例中，涂层是50％BaO和50％SrO的混合物；BaO负责用于低温发射并且因此涂层被称为BaO涂层。

发明人已经测试了根据本发明的阴极、BaO涂层被直接施加于钨丝的替换BaO阴极、以及不具有BaO涂层的钨阴极。对X射线点进行成像。图4示出了这三种情况-左边图像来自钨阴极，中间图像来自替换的BaO阴极以及右边图像来自本发明。

可以看到，根据本发明的阴极传递了非常均匀的X射线点，这是因为均匀的温度分布和涂层和环绕线路之间的良好接合。相反，传统的具有BaO涂层的X射线阴极产生了具有部分缺失点的不均匀点，这将给出较差的结果。

此外，根据本发明的阴极的寿命显著长于传统钨阴极。不存在钨蒸发导致了随时间的稳定的X射线输出。图5示出了根据本发明的管的X射线输出(顶部线)以及具有钨阴极的现有管的X射线输出。

尽管对本发明的实施例的描述描述了使用钨用于内部线路4和螺旋线路30，但是也可以使用替换材料，包括铂、铼、镍、钼、铱、铂、钽、钯、铌、锇或铪以及其他难熔材料。所使用的材料也可以是这些金属的组合和/或合金。

同样，氧化钡不是仅有的低温X射线发射器，也可以使用氧化钇、六硼化镧(LaB₆)、ThB₄、掺杂钨、掺杂氧化钡以及组合物、碳纳米管以及其他具有低于4eV的功函数的材料。这样的材料可以通过诸如LaB_X的公式来表示，即非理论配比公式。发射器涂层也可以包括填充物，例如氧化钙、氧化锶、氧化铝或二氧化硅。

除了圆形，发射回路也可以具有其他形状，例如线形、矩形或椭圆形、或“发夹”形、长“U”形。

具有环、阴极和阳极的特定布置也是可选的，并且阳极也可以例如面向阴极布置或毫无疑问可以以其他形状布置。

对于“X射线源”，旨在任何X射线源，无论其是否包括封闭管。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种X射线源，包括：

阳极；

阴极，具有围绕所述阳极的发射回路；以及

其中所述阴极包括：

难熔金属的第一线路，在第一端和第二端之间延伸；

难熔金属的第二螺旋线路，围绕所述第一线路延伸并至少在所述发射回路的长度上覆盖所述第一线路；以及

涂层，至少在所述发射回路的所述长度上覆盖所述线路，所述涂层具有低于4eV的功函数；

其中所述难熔金属的第一线路包括所述发射回路和所述第一端之间的第一热回路，以及所述发射回路和所述第二端之间的第二热回路，其中每个热回路提供所述发射回路和各个端之间的热阻。

2.根据权利要求1所述的X射线源，其中所述第一热回路和所述第二热回路的每一个包括平行于所述发射回路延伸的一对回路元件。

3.根据上述任一项权利要求所述的X射线源，进一步包括：至少一个支撑线路，支撑所述发射回路，其中所述支撑线路比所述第一线路细以具有更低热导率。

4.根据权利要求4所述的X射线源，其中所述支撑线路具有在所述第一线路的直径的10％至80％的范围内的直径。

5.根据上述任一项权利要求所述的X射线源，其中所述热回路的每个回路元件的长度是所述发射回路的所述长度的10％至40％。

6.根据上述任一项权利要求所述的X射线源，进一步包括环，具有圆周围绕所述阳极在所述阳极和所述阴极之间延伸的壁，以避免所述阳极和所述阴极之间的直接直线路径。

7.根据上述任一项权利要求所述的X射线源，其中在所述阴极线路上的所述涂层包括钡、钇、钍、锇、钌、或钪中的至少一个的氧化物或金属膜或ThB_x、Ba_xSc_yO_z、LaB_x。

8.根据权利要求7所述的X射线源，其中所述阴极上的所述涂层包括BaO。

9.根据上述任一项权利要求所述的X射线源，其中所述阴极的所述第一端和所述第二端是相邻的。

10.根据上述任一项权利要求所述的X射线源，其中所述阴极的所述第一线路和所述第二线路是钨。

Claims (10)

1.一种X射线源，包括：

阳极；

阴极，具有围绕所述阳极的发射回路；以及

其中所述阴极包括：

难熔金属的第一线路，在第一端和第二端之间延伸；

难熔金属的第二螺旋线路，围绕所述第一线路延伸并至少在所述发射回路的长度上覆盖所述第一线路；以及

涂层，至少在所述发射回路的所述长度上覆盖所述线路，所述涂层具有低于4eV的功函数；

其中所述难熔金属的第一线路包括所述发射回路和所述第一端之间的第一热回路，以及所述发射回路和所述第二端之间的第二热回路。

2.根据权利要求1所述的阴极，其中所述第一热回路和所述第二热回路的每一个包括平行于所述发射回路延伸的一对回路元件。

3.根据上述任一项权利要求所述的X射线源，进一步包括：至少一个支撑线路，支撑所述发射回路，其中所述支撑线路比所述第一线路细以具有更低的热导率。

4.根据权利要求4所述的X射线源，其中所述支撑线路具有在所述第一线路的直径的10％至80％的范围内的直径。

5.根据上述任一项权利要求所述的阴极，其中所述热回路的每个回路元件的长度是所述发射回路的长度的10％至40％。

6.根据上述任一项权利要求所述的X射线源，进一步包括环，具有围绕所述阳极在所述阳极和所述阴极之间圆周延伸的壁，以避免所述阳极和所述阴极之间的直接直线路径。

7.根据上述任一项权利要求所述的X射线源，其中所述阴极线路上的所述涂层包括钡、钇、钍、锇、钌、或钪中的至少一个的氧化物或金属膜或ThB_x、Ba_xSc_yO_z、LaB_x。

8.根据权利要求7所述的X射线源，其中所述阴极上的所述涂层包括BaO。

9.根据上述任一项权利要求所述的X射线源，其中所述阴极的所述第一端和所述第二端是相邻的。

10.根据上述任一项权利要求所述的X射线源，其中所述阴极的所述第一线路和所述第二线路是钨。

Images