CN101853762A

CN101853762A - 具有多阴极的x射线管

Info

Publication number: CN101853762A
Application number: CN201010129633A
Authority: CN
Inventors: 沃尔特·拜尔莱因; 安德烈亚斯·贝姆; 马库斯·亨默莱因; 奥利弗·休尔曼; 于尔根·奥尔希莱格尔; 彼得·韦尔利
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-03-04
Filing date: 2010-03-04
Publication date: 2010-10-06
Also published as: US8295441B2; DE102009011642A1; US20100226479A1

Abstract

本发明涉及一种在真空区域(111)中具有多阴极(112)的改进的X射线管(210，310，410)。此外，在真空区域(111)中设置多个无线可控元件(217，417)，其分别对应于一个阴极(112)或一阴极组并且在接收在真空区域(111)外部的控制信号的情况下建立该阴极或阴极组与阴极控制电压导线(213，313)的导电连接。本发明还涉及一种具有这样的X射线管(210，310，410)的系统(100，200，300)，其具有多个发送元件(241，441)用于无线地操控所述无线可控元件(217，417)。

Description

具有多阴极的X射线管

技术领域

本发明涉及一种具有多阴极的改进的X射线管。

背景技术

已知在X射线管中通过所谓的碳毫微管(也称为Carbon Nanotubes(CNT))代替经典的热阴极。可以这样构造碳毫微管，使得其通过场发射发出电子并且作为高效的电子发射器用于平板的和自发光的场发射显示器或也用作X射线管中的阴极。

从发表于2005年的Applied Physics Letters 86，184104的文章“Staionaryscanning x-ray source based on carbon nanotube field emitters”中已知X射线管的一种特别有意思的结构。在该结构中在一个X射线管中设置多个CNT阴极。这样的多阴极管使得可以具有空间分辨率，而利用常规的单阴极管只能通过机械移动X射线管才能实现这点。

特别是，在计算机断层造影(CT)领域中期望的是，在一个管中集成大量的(例如大约1000个)阴极。在此，被证明是有缺陷的是，对于每个一定要设置在管的真空区域中的阴极，要设置一个向外至控制器的套管(Durchführung)。该套管被证明也是有问题的，因为其必须具有高的耐压性能。典型地，出现的电压为0到5kV之间。

发明内容

由此，本发明要解决的技术问题是，提供一种具有多个阴极的X射线管，其中用于阴极的控制导线的真空套管(Vakuumdurchführungen)的数量小于阴极的数量。

上述技术问题是通过一种X射线管解决的，其具有：

-真空区域；

-多个设置在真空区域中的阴极；和

-多个设置在真空区域中的无线可控元件，其分别对应于一个阴极或一组阴极，并且在从真空区域外部接收控制信号时建立该阴极或该组阴极与阴极控制电压导线的导电连接。

在此，可以光学地进行对无线可控元件的控制。例如使用光控半导体(例如可光触发的晶闸管或晶体管)作为无线可控的元件。

作为替换，可以通过电场和/或磁场进行对无线可控元件的操控。例如可以使用脉冲变压器(Pulsübertrager)、利用GMR效应的元件或霍尔元件作为无线可控元件。

由此，可以极大减少用于阴极控制电压导线的真空套管的数量。在最简单的情况下可以利用唯一一条或少数几条阴极控制电压导线进行阴极的馈电。优选在无线可控元件未受控制的状态中阴极是无电压的，并且在各个对应的无线可控元件的相应控制的情况下阴极与一条或多条阴极控制电压导线连接。

此外，本发明还涉及一种具有这样的管的系统，该系统此外至少还具有：

-多个用于无线地控制无线可控元件的发送元件；和

-用于控制发送元件的控制器。

在这样的系统中，可以这样构造发送元件和无线可控元件，使得可控元件作为接通/断开开关起作用，即，响应于控制信号建立或断开阴极或阴极组与阴极控制电压导线或多条阴极控制电压导线的导电连接。然后可以借助调制的控制信号控制通过导电连接流动的电流的(有效)强度。

作为替换，还可以这样构造发送元件和无线可控元件，使得控制信号影响阴极或阴极组与阴极控制电压导线或多条阴极控制电压导线的导电连接的电阻，并因此控制通过导电连接流动的电流的强度。

在按照本发明的系统的一种实施方式中，可以设置用于测量通过阴极控制电压导线流动的电流的装置。利用该测量装置使得可以采用具有校准模式的控制器，在该校准模式中：

-发送定义的控制信号；

-采集对应的阴极电流测量值；

-一直修改控制信号，直到达到定义的阴极电流测量值；

-存储对于该阴极电流测量值的修改的控制信号，以及

-重复该过程，直到对于所有感兴趣的阴极电流测量值确定了相应的控制信号。

作为替换或附加地，控制器可以具有学习模式，在该学习模式中：

-发送定义的控制信号；

-采集对应的阴极电流测量值；

-存储控制信号与阴极电流测量值的对应；以及

附图说明

以下借助4个附图详细解释本发明的实施例。其中，

图1示出了按照现有技术的CNT-X射线管的示意图；

图2示出了按照本发明的X射线管的第一实施方式的示意图；以及

图3和图4示出了本发明的其它实施方式的示意图。

具体实施方式

图1示意性示出了现有技术中公知的X射线管110，具有在真空区域111中的n个CNT阴极112₁...112_n。CNT阴极112₁...112_n的每一个通过单独的阴极导线113₁...113_n供电，阴极导线113₁...113_n通过各个真空套管114₁...114_n引导到真空区域111中。此外，在真空区域111中设置栅极(Gitter)115和阳极116。在真空区域111外部有X射线管110嵌入于其中的系统100的其它组件：与栅极115电相连的栅极电压供应120、与阳极116电相连的阳极电压供应130、和控制器140。典型的栅极电压为5kV；典型的阳极电压为20kV到180kV之间。

图2示意性示出了集成于系统200中的按照本发明的X射线管210的一种实施方式。X射线管210具有真空区域111，在该真空区域中设置n个阴极112₁...112_n。每个阴极112₁...112_n对应于一个无线可控元件217₁...217_n。无线可控元件217中的每一个优选是开关元件，其在不受控制的状态将各个对应的阴极112与对于所有阴极共同的阴极电压供应213电分离，而在受控制的状态将其与阴极电压供应213电连接。

图2示例性示出了光学可控的开关元件。n个无线可控元件217₁...217_n中的每一个对应于一个无线发送元件241₁...241_n，无线发送元件由控制器240控制并且在通过控制器240相应控制的情况下发送光学控制信号，这样构造该光学控制信号，使得只有对应的无线可控元件对此响应(通过箭头表示)。在设置于真空区域中的光学可控元件217和设置于真空区域111外部的光学发送元件241之间的管外壳的相应区域对于各个波长是可以透射的，例如由玻璃组成。

为了避免错误控制，例如可以考虑，在互相密集设置元件217的情况下对于不同波长安排各个相邻元件，从而各个相邻元件的杂散控制信号没有影响。作为替换或附加地，可以借助光导体将控制信号从发送元件241传输直到靠近管210的外壳。避免错误控制的其它可能性例如是，使用在发送元件241和对应元件217之间的射线路径中聚焦的光学器件，或者采用激光源作为发送元件241。原则上，可见或不可见光适合于信号传输。

作为光学可控开关元件例如考虑光可控半导体，特别是可光触发的晶闸管或可光触发的晶体管。基于碳化硅(SiC)的特殊晶闸管/晶体管达到例如6kV的截止电压并且由此能够作为单独的元件满足期望的功能。作为替换，可以串联设置几个耐压的半导体元件，以便达到所需的耐压性能。例如利用光电二极管控制的共栅-共阴电路或级联电路(Kaskoden-oder Kaskadenschaltungen)是很合适的。然后，这些组件分别共同形成一个无线可控元件217。

本发明的一个重要优点根据图1和图2的比较将直接可以看出：按照本发明只需一个真空套管214，以便将所有的阴极112选择性地与阴极电压供应耦合，而在现有技术中每个阴极112₁...112_n需要一个套管114₁...114_n。制造按照现有技术的管要困难得多，因为必须确保，所有的套管114₁...114_n是密封的，(例如1000中的)一个唯一不密封的套管114将使得整个管不可用。因为通常仅必须对一个阴极112供电或对少数几个阴极112同时供电，所以对阴极电压供应213的电负载容量的要求不高于或肯定是可控制地高于按照图1的单供应113的情况下。

自然还可以通过共同的无线可控元件217控制两个或多个阴极112。同样，发送元件241还可以同时对两个或多个无线可控元件217起作用并由此同时控制两个或多个阴极。它们不必一定是相邻的，而是可以任意设置。为此可以通过光导体简单地光学分布光信号并且传输到相应的位置。

图3示意性示出了集成于系统300中的按照本发明的X射线管310的另一个实施方式。X射线管310具有真空区域111，在该真空区域中设置n个阴极112₁...112_n。每个阴极112₁...112_n对应于一个无线可控元件217₁...217_n。每个无线可控元件217优选是开关元件，其在不受控制的状态下将各个对应的阴极112与阴极电压供应313电分离，并在受控制的状态下将其与阴极电压供应313电连接。

就无线可控元件217和对应的无线发送元件241₁...241_n来说，图3的实施例与图2中示出的实施例没有区别。为了避免重复与此相关地请参见图2的描述。

与图2的实施例不同，图3中示出的实施例具有多个阴极电压供应313₁...313₃。每个阴极电压供应313对应于一组阴极。这样的设置的有利之处是，在X射线管310的实际应用中属于不同组的多个阴极217总是同时处于运行中，因为这样可以限制每个阴极电压供应313的电负荷。虽然在该实施例中需要多个真空套管314₁...314₃，但是与现有技术相比还是非常少的。控制器340在此除了无线发送元件241₁...241_n的控制之外还可以选择性地控制阴极电压供应313。

在图4中示出的、图3的实施例的第一变形中，X射线管410的多个阴极电压供应313中的每一个可以通过多个开关元件417选择性地与阴极112相连。在三个阴极电压供应313的情况下，每个阴极112₁对应于由三个无线发送元件441_1A...241_1C控制的三个开关元件417_1A...417_1c。该与图2和图3的实施例相比开销大的设置提供尽可能高的灵活性：如果一个/多个阴极电压供应正好用于一个阴极的供电，则图2的实施例仅允许唯一的阴极在任意的时刻运行；图3的实施例允许一组阴极中的各个阴极同时运送；只有图4的实施例允许三个任意阴极同时运行。在此，控制器440除了无线发送元件441的控制之外还可以选择性地控制阴极电压供应313。

在图3的实施例的另一种(未示出的)变形中，(空间上任意设置的)阴极可以通过矩阵来控制。例如阴极电压供应可以形成该矩阵的行并且无线发送元件可以形成该矩阵的列。例如，如果有8个阴极，则可以将其排列于一个2×4的矩阵中：两个阴极电压供应对两组阴极供电，其中每组包括四个阴极。每个阴极正好对应于一个开关元件。四个无线发送元件分别对两个组中的每个的开关元件供电。在这种情况下，控制器既控制无线发送元件也控制阴极电压供应。通过选择一个阴极电压供应(“行”)和选择一个无线发送元件(“列”)正好可以选择一个阴极，该阴极然后通过与其对应的开关元件与阴极电压供应相连。在该变形中，可以优化所需的无线发送元件和阴极电压供应的数量。图2例如示出了一个1×n的矩阵：一个阴极电压供应和n个无线发送元件。

本发明的详细解释的实施例特别适合于结合本文开头提到的CNT阴极，但是还可以与任意其它阴极、包括常规的热阴极使用。必要时还需要对于专业人员来说常用的调整，例如热屏蔽或开关元件的冷却。

在实施例中关于无线可控元件217、417首先涉及开关元件(接通/断开开关)，其响应于控制信号仅建立或断开阴极112或阴极组与阴极电压导线213或多条阴极电压导线313₁...313_n的导电连接。然后可以借助调制的控制信号进行阴极电流的控制，例如借助脉宽调制或脉冲序列调制。还可以利用时间和/或频率复用方法，利用该时间和/或频率复用方法可以额外地减少无线发送元件的数量。

作为替换，可以这样控制发送元件和无线可控元件，使得控制信号影响阴极或阴极组与阴极电压导线或多条阴极电压导线的导电连接的电阻，并且因此控制通过导电连接流动的电流的强度。例如，在光可控半导体作为无线可控元件的情况下可以使用由无线发送元件发送的光的强度和/或波长，用于控制通过无线可控元件流动的电流。

控制器240、340、440可以具有学习和/或校准模式。在学习模式中，在无线可控元件的操控被改变期间，测量在阴极电压导线中流动的电流。对于每个操控，存储阴极电流的测量值，从而全局地或优选对于每个阴极单独地例如在控制器中存在一个表，其给出操控和阴极电流的关系。在校准模式中同样测量流过的电流，然而无线可控元件的控制被一直改变，直到达到特定的电流测量值。如果达到该值，则存储为此所需的控制，优选仍然是对于每个阴极单独的。学习模式和校准模式具有强的相似性并且还可以以任意方式互相组合。然而如果在实际的应用中期望几个(例如在1和5之间)离散的阴极电流强度(其为此却是保持精确的)，则校准模式首先是有意义的。相反，如果首先要确定在操控和阴极电流之间的关系(例如因为由于大的串联杂散对于每个阴极不同)并且在实际应用中对于阴极电流强度期望许多不同的值，则学习模式是具有优势的。

虽然关于在无线发送元件和无线可控元件之间的光学传输方法示出了本发明的实施例，但是自然还可以在本发明的其它实施方式中采用其它无线传输方法。例如借助所谓的脉冲变压器的磁耦合是可能的，其一个绕组设置在真空区域中并且其另一个绕组设置在真空区域外。此外借助利用GMR效应(giantmagnetoresistance巨大磁阻)的元件的磁耦合是可能的，或者还可以借助霍尔元件。当然借助电场的耦合也是可能的。

Claims

1.一种X射线管(210，310，410)，其具有：

-真空区域(111)；

-多个设置在该真空区域(111)中的阴极(112)；和

-多个设置在该真空区域(111)中的无线可控元件(217，417)，其分别对应于一个阴极(112)或一阴极组，并且在从该真空区域(111)外部接收控制信号时建立该阴极或阴极组与阴极控制电压导线(213，313)的导电连接。

2.根据权利要求1所述的X射线管(210，310，410)，其中，光学地进行对所述无线可控元件(217，417)的操控。

3.根据权利要求2所述的X射线管(210，310，410)，其无线可控元件(217，417)是光控半导体。

4.根据权利要求1所述的X射线管(210，310，410)，其中，通过电场和/或磁场进行对所述无线可控元件(217，417)的操控。

5.根据权利要求4所述的X射线管(210，310，410)，其无线可控元件(217，417)是脉冲变压器的接收器、利用GMR效应的元件或霍尔元件。

6.根据上述权利要求中任一项所述的X射线管(210，310，410)，其中，设置多条阴极控制电压导线(313₁...313₃)。

7.一种系统(200，300，400)，该系统具有：

-根据权利要求1至6中任一项所述的X射线管(210，310，410)；

-多个用于无线地操控所述无线可控元件(217，417)的发送元件(241，441)；和

-用于控制所述发送元件(241，441)的控制器(240，340，440)。

8.根据权利要求7所述的系统(200，300，400)，其中，这样构造其发送元件(241，441)和无线可控元件(217，417)，使得所述无线可控元件(217，417)响应于控制信号仅仅建立或断开阴极(112)或阴极组与阴极控制电压导线(213)或多条阴极控制电压导线(313)的导电连接。

9.根据权利要求8所述的系统(200，300，400)，其中，调制所述控制信号，以便控制通过所述导电连接流动的电流的强度。

10.根据权利要求7所述的系统(200，300，400)，其中，这样构造其发送元件(241，441)和无线可控元件(217，417)，使得所述控制信号影响阴极或阴极组与阴极控制电压导线(213)或多条阴极控制电压导线(313)的导电连接的电阻，并因此控制通过导电连接流动的电流的强度。

11.根据权利要求7至10中任一项所述的系统(200，300，400)，其中，所述系统具有用于测量通过阴极控制电压导线(213，313)流动的电流的附加装置，并且该系统的控制器(240，340，440)具有校准模式，在该校准模式中：

-发送定义的控制信号；

-采集对应的阴极电流测量值；

-一直修改控制信号，直到达到定义的阴极电流测量值；

-存储对于该阴极电流测量值的修改的控制信号，以及

12.根据权利要求7至10中任一项所述的系统(200，300，400)，其中，所述系统具有用于测量通过阴极控制电压导线(213，313)流动的电流的附加装置，并且该系统的控制器(240，340，440)具有学习模式，在该学习模式中：

-发送定义的控制信号；

-采集对应的阴极电流测量值；

-存储控制信号与阴极电流测量值的对应；以及