CN101996837A - 控制用于产生x射线的电子束的装置和方法以及x射线管 - Google Patents

控制用于产生x射线的电子束的装置和方法以及x射线管 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于控制用于产生X射线的电子束(11)的装置，具有发射极(1)，光阑(2)，至少两个与所述光阑(2)对应的用于影响所述电子束(11)的控制部件(3，4)，和开关部件(6)，利用该开关部件能够在所述至少两个控制部件(3，4)上施加至少两个不同的电压(U1，U2)，但是在该至少两个控制部件(3，4)上每次总是施加相同的电压(U1，U2)，其中，一个控制部件(4)与用于转换电压(U1，U2)的开关部件(6)的连接导线(10)配备了在转换电压(U1，U2)时使得在该一个控制部件(4)上的相应电压(U1，U2)的调整在时间上被延迟的电路(5)。本发明还涉及一种用于该装置的运行方法以及一种具有该装置的X射线管(13)。

Description

控制用于产生X射线的电子束的装置和方法以及X射线管
技术领域
本发明涉及一种用于控制用于产生X射线、特别是用于调制X射线的、由电子的发射极发出的电子束的装置和方法。此外，本发明还涉及一种具有这样的装置的X射线管。
背景技术
在采用X射线用于医疗技术中的成像的情况下，有不同的应用情况，在这些应用情况中在不同的时间段之内的X射线或辐射功率的调制是值得期望的。例如，在X射线计算机断层造影中、特别是在拍摄非旋转对称的测量对象的二维X射线投影时，将X射线分别与透射的身体横截面匹配。
在X射线计算机断层造影中用于调制X射线的另一个应用情况，是具有两个以大概90°相对彼此偏移地设置在机架的旋转部分上的X系统的计算机断层造影设备。为了避免利用一个X射线系统的X射线探测器探测到通过另一个X射线系统的X射线源的运行所产生的X散射射线，应该在读出一个X射线系统的X射线探测器的测量数据期间，抑制通过另一个X射线系统的X射线源发射X射线。在此，X射线的调制是X射线的暂时切断或者是X射线的暂时抑制。X射线的调制主要通过产生X射线的X射线管的相应运行来进行，其中，优选地改变为了发射电子而使用的热电子发射极的灯丝功率(Heizleistung)，以便产生和截止电子束。X射线管或X射线管的电子发射极的最快的响应时间相应地通过电子发射极的热惰性而被限制。随着灯丝功率变化的该过程，例如关于前面提到的涉及具有两个X射线系统的计算机断层造影设备的例子由于发射极的热惰性而使得如下是有问题的：在短时读取一个X射线系统的X射线探测器的测量数据期间抑制通过另一个X射线系统的X射线源发射X射线并且在读出之后立即又利用另一个X射线系统的X射线源施加X射线。
在US2004/0114722A1中描述了用于产生X射线的装置，其具有阴极、栅极、聚焦电极、阳极和包括欧姆电阻的分压器，该分压器对所施加的管压降进行分压，以产生施加在聚焦电极上的聚焦电压。
从WO2008/155715A2中公知一种用于X射线的快速剂量调制的装置，在该装置中，用于产生要被用来透射对象的X射线的电子束射中阳极的第一区域，并且在该装置中，当没有对象要被透射时，借助偏转装置将电子束偏转到阳极的第二区域。
在US4104526A中描述了一种装置，其具有用于产生电子束的阴极、用于产生X射线的阳极和用于调制或用于抑制电子束的控制栅极。此外，该装置还包括用于采集阳极电流作为用于实际上产生X射线的度量单元的部件，为了控制在阴极和控制栅极之间的电势差而引入该阳极电流。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，这样提供一种本文开头提到种类的装置和方法，使得可以尽可能快速地产生X射线和抑制X射线的产生。此外，要提供一种合适的X射线源。
按照本发明，通过一种用于控制用于产生X射线的电子束的装置来解决上述技术问题，该装置具有可施加发射极电压的用于产生电子束的电子的发射极，光阑，至少两个与所述光阑对应的用于影响电子束的控制部件，和开关部件，利用该开关部件在至少两个控制部件上可施加至少两个不同的电压，但是其中在这些控制部件上每次总是施加相同的电压，并且其中一个控制部件与用于转换电压的开关部件的连接导线配备了在转换电压时使得在该一个控制部件上的相应电压的调整(Einstellung)在时间上被延迟的电路。
所述装置这样工作，使得发射极电压的绝对值大于在两个控制部件上施加的第一电压的绝对值，从而电子束在静止状态射中X射线目标或用于产生X射线的阳极。为了影响电子束或者说为了调制X射线，通过转换过程在用于影响电子束的控制部件上施加第二电压，其中该第二电压具有大于发射极电压的绝对值。在直接转换为第二电压之后，该第二电压由于电路而在该一个控制部件上延迟地调整(einstellen)，而其几乎直接施加在另一个控制部件上。该延迟调整导致，在第一步骤中电子束通过用于影响电子束的控制部件首先被偏离并且优选地射中与该控制部件对应的光阑。电子束的该偏转非常快地进行，从而可以相应快地中断X射线的产生。在第二步骤中(该第二步骤如第一步骤一样通过到第二电压的转换或者第二电压在该一个控制部件上的延迟调整自动地运行)，当第二电压在该一个控制部件上的调整也结束时，优选完全地截止电子束。电子束的截止基于在发射极和控制部件之间的电势差或电压差。
为了能够重新产生X射线，又从第二电压转换到其绝对值小于发射极电压绝对值的第一电压。同样在这种情况下，第一电压由于电路而在该一个控制部件上延迟调整，而其几乎直接地施加在另一个控制部件上。通过到第一电压的转换，不再截止电子束。通过第一电压在该一个控制部件上的延迟调整，电子束首先优选地被偏离到光阑。如果第一电压在该一个控制部件上的调整也结束，则用于产生X射线的电子束又射中X射线目标或阳极。
也就是说，利用该装置可以快速控制用于产生X射线的电子束和用于抑制产生X射线的电子束，其中特别是通过电子束优选地到光阑的偏转可以快速切断X射线的产生。此外，电子束的随后的截止不一定必须尽可能快地进行。在此更有意义的是，使得由于电子不受控制地射中阳极而导致的电子束的散焦以及由此产生的不期望的X射线很少。通过优选地全部截止电子束，此外还防止光阑必须满足高的热要求，如果为了抑制X射线的产生仅将电子束偏转到光阑，就要求高的热要求。相反地，在按照本发明的装置中电子束仅一直射中光阑，直到在该一个控制部件上呈现第二电压，从而电子束被截止。在X射线的通过脉宽调制的调制中，每个循环由于电子束导致的在光阑中的能量引入始终是恒定的并且特别地也独立于脉宽。
电子的发射极可以是场发射极、所谓的冷阴极、或者也可以是加热的发射极，其中在发射极上分别可以施加用于产生电子束的发射极电压。发射极电压降落在发射极和阳极或另一个电极之间，如果发射极和该另一个电极形成用于产生电子束的所谓的电子枪的话。
按照本发明的一种变形，光阑具有用于电子束穿过的孔。这样的孔眼光阑特别地使得可以快速阻挡电子束。在用于产生X射线的电子束不受阻碍地穿过光阑的孔并且射中X射线目标或阳极的期间，该电子束可以通过在控制部件上的电压的转换偏转到光阑上并且由此被阻挡，从而也抑制了X射线的产生。
按照本发明的一种实施方式，在该一个控制部件上的相应电压在时间上被延迟地调整的电路具有欧姆电阻和电容。优选地，欧姆电阻连接在开关部件和该一个控制部件之间的连接导线中。按照本发明的一种变形，电容连接在该一个控制部件与开关部件的连接导线和馈电线之间，利用该馈电线可以在发射极上施加发射极电压。除了别的之外，根据在该一个控制元件上的电压的调整的期望的时间延迟来选择电阻的大小以及电容值。
按照本发明的变形，至少两个与光阑对应的控制部件是电极并且控制部件与光阑电连接，从而在光阑上也分别施加在控制部件上施加的电压。
按照本发明的另一个变形，第一电压的绝对值小于发射极电压的绝对值并且第二电压的绝对值大于发射极电压的绝对值，由此可以截止和允许电子束。
本发明的涉及X射线管的技术问题通过具有前面描述的装置的X射线管解决。优选地，该装置的发射极、光阑和控制部件与阳极一起设置在X射线管的真空外壳中。
本发明的涉及方法的技术问题通过一种用于控制用于产生X射线的电子束的方法解决，其中，通过在在至少两个与光阑对应的用于影响电子束的控制部件上施加相同的电压的转换过程中，在一个控制部件上的电压的调整在时间上被延迟，使得由于在电子的发射极上施加的发射极电压而产生的用于调制X射线的电子束可选地穿过光阑的孔引导到阳极或者在光阑旁经过而到达阳极或者偏转到光阑并且被阻挡。该方法优选地利用前面描述的装置进行。
附图说明
本发明的实施例在示意性附图中示出，其中：
图1-7示出了一种用于控制在转换循环期间在不同的运行状态中的电子束的装置，并且
图8示出了具有在图1-7中示出的装置的X射线管。
具体实施方式
图1示出了一种用于产生和用于控制用来产生X射线的电子束的本发明装置。该装置包括电子发射极1、在电子发射极1和在图1中未示出的阳极之间设置的光阑2、两个电极3和4、电路5以及以开关6形式的开关部件。
光阑2在本方面的该实施例的情况下是具有孔7的片形的孔眼光阑2。在本发明的该实施例中孔眼光阑2与电极4电连接。
电子发射极1(在本发明的该实施例的情况下是场发射极，即，由于电场而发射电子的发射极)，在本发明的该实施例的情况下利用馈电线8施加UE＝-120kV的电压，该电压降落在电子发射极1和阳极之间。替换地，发射极还可以是加热的发射极。
第一电极3利用连接导线9直接与开关6相连。第二电极4利用连接导线10同样与开关6相连。连接导线10配备了电路5，其中在连接导线10中连接了电路5的欧姆电阻R并且在连接导线10和馈电线8之间连接了电容。
利用开关6在本发明的该实施例的情况下可以在电压U1＝-119kV和电压U2＝-121kV之间转换。当转换到电压U1时，该电压既施加在电极3上也施加在电极4上。当转换到电压U2时，该电压同样既施加在电极3上也施加在电极4上。
在图1中电极3和4二者都施加电压U1。由于发射极电压UE的绝对值大于电压U1的绝对值，电子发射极1发射电子，电子按照通过孔眼光阑2的孔7而穿过的电子束11在朝向用于产生X射线的未示出的阳极的方向上运动。在图1中还示出了电压-时间图，从中可以看出，通过实线表示的在电极3上的电压，和通过虚线表示的在电极4上的电压相同并且处于静止状态。
在图2示出的第一步骤中，利用开关6从电压U1转换到电压U2，该电压小于或者说就其绝对值来说大于发射极电压UE。在转换过程之后电压U2实际上直接施加在电极3上，而其在电极4上的调整通过电路5被延迟，这在图2表示的电压-时间图中示出。由此对于短的时间首先发生电子束11到孔眼光阑2的偏转，由此电子束11以期望的方式对于X射线的产生已经被阻挡。电子束11的快速偏转在此防止了，通过否则的话出现的电子束的逐渐的扩张，电子以不期望的方式射中阳极并且产生X射线，也就是所谓的超焦点射线(Extrafokalstrahlung)。
如果通过电阻电路导致电压U2在时间上延迟，但是最终以完整的高度在电极4和孔眼光阑2上调整，这可以以时间顺序从图3和图4的电压时间图得出，电子束11由于此时在电子发射极1和电极3和4以及孔眼光阑2之间的静止的电势差而完全被截止，即，没有电子束或者说没有电子射中孔眼光阑2。也就是孔眼光阑2仅必须在在电子束11的偏转和其被截止之间的短的时间内吸收一定的功率，从而不必对孔眼光阑2提出高的热要求。
如有要重新产生X射线，则又利用开关6转换到电压U1。利用该转换将电压U1实际地直接施加到电极3上，而电压U1在电极4上的调整又由于电路5而被延迟。通过转换到按照绝对值来说更小的电压U1，如在图5中示出的，重新开始形成电子束11，其中只要电压U1还没有全部施加在电极4上，如图6所示，电子束11首先射中孔眼光阑2。
如果电压U1也全部施加在电极4上，则产生在图7中示出的运行状态，其相应于在图1中示出的运行状态，也就是电子束11穿过孔眼光阑的孔7并且射中用于产生X射线的未示出的阳极。
图1至7以电压-时间图示出了用于调制电子束11的转换循环，其中，实线示出了在电极3上施加的电压随时间的调整或者说电压变化，虚线示出了在电极4上施加的电压随时间的调整或者说电压变化。这样的转换循环例如可以具有大约200μs的循环时长，其中在电子束的偏转和截止之间的时间为大约5μs。假定在电子发射极1和孔眼光阑2之间的电势差为10kV并且流过大约1安培的电子流，则对于孔眼光阑2在从电子束11的偏转到截止的5μs中产生大约250瓦的平均功率。
在图8中，图1至7的装置作为具有阳极12的X射线管13的部分。该装置和阳极12被设置在X射线管13的真空外壳14中。X射线管13的接线、特别是装置的接线在图8中不再详细示出。
此外，本发明的前面描述仅理解为示例性的。场发射极1仅仅是示意性地示出并且还可以另外地实施。电极3和4可以实施为平的或弯曲的、特别是实施为半圆形弯曲的电极板。
光阑2不一定是孔眼光阑。还可以这样构造光阑，使得用于产生X射线的电子束从光阑旁边经过并且为了阻挡电子束而偏转到光阑。

Claims (17)

1.一种用于控制用于产生X射线的电子束(11)的装置，具有
-能被施加发射极电压(UE)的用于产生电子束(11)的电子的发射极(1)，
-光阑(2)，
-至少两个与所述光阑(2)对应的用于影响所述电子束(11)的控制部件(3，4)，和
-开关部件(6)，利用该开关部件能够在所述至少两个控制部件(3，4)上施加至少两个不同的电压(U1，U2)，但是其中，在该至少两个控制部件(3，4)上每次总是施加相同的电压(U1，U2)，并且其中，一个控制部件(4)与用于转换电压(U1，U2)的该开关部件(6)的连接导线(10)配备了在转换电压(U1，U2)时使得在该一个控制部件(4)上的相应电压(U1，U2)的调整在时间上被延迟的电路(5)。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述光阑(2)具有用于所述电子束(11)穿过的孔(7)。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，使得在该一个控制部件(4)上的相应电压(U1，U2)的调整在时间上被延迟的电路(5)具有欧姆电阻(R)和电容(C)。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述欧姆电阻(R)连接在所述开关部件(6)和该一个控制部件(4)之间的连接导线(10)中。
5.根据权利要求3或4所述的装置，其中，所述电容(C)连接在该一个控制部件(4)与开关部件(6)的连接导线(10)和馈电线(8)之间，利用该馈电线能够在发射极(1)上施加发射极电压(UE)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其中，所述至少两个控制部件是至少两个电极(3，4)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其中，一个控制部件(4)与所述光阑(2)电连接。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其中，第一电压(U1)的绝对值小于发射极电压(UE)的绝对值并且第二电压(U2)的绝对值大于发射极电压(UE)的绝对值。
9.一种X射线管(13)，具有按照权利要求1至8中任一项所述的装置。
10.一种用于控制用于产生X射线的电子束(11)的方法，其中，通过在在至少两个与光阑(2)对应的用于影响电子束(11)的控制部件(3，4)上施加相同的电压(U1，U2)的转换过程中，在一个控制部件(4)上的电压(U1，U2)的调整在时间上被延迟，使得由于在电子的发射极(1)上施加的发射极电压(UE)而产生的用于调制X射线的电子束(11)可选地穿过所述光阑(2)的孔(7)引导到阳极(12)或者在光阑旁经过而到达阳极或者偏转到光阑(2)并且被阻挡。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，在转换过程中利用电路(5)导致在该一个控制部件(4)上的电压(U1，U2)的时间延迟的调整，该电路被配备给该一个控制部件(4)与用于转换电压(U1，U2)的开关部件(6)的连接导线(10)。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，使得在该一个控制部件(4)上的相应电压(U1，U2)的调整在时间上被延迟的该电路(5)具有欧姆电阻(R)和电容(C)。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述欧姆电阻(R)连接在该一个控制部件(4)和所述开关部件(6)之间的连接导线(10)中。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中，所述电容(C)连接在该一个控制部件(4)与开关部件(6)的连接导线(10)和馈电线(8)之间，利用该馈电线在发射极(1)上施加发射极电压(UE)。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的方法，其中，第一电压(U1)的绝对值小于发射极电压(UE)的绝对值并且第二电压(U2)的绝对值大于发射极电压(UE)的绝对值。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，在从第一电压(U1)到第二电压(U2)的转换中，在该一个控制部件(4)上的第二电压(U2)的延迟的调整期间，所述电子束(11)首先偏转到所述光阑(2)，并且在所述第二电压(U2)在该一个控制部件(4)上以完整的高度呈现之后，所述电子束(11)被截止。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其中，在从第二电压(U2)到第一电压(U1)的转换中，在该一个控制部件(4)上的第一电压(U1)的延迟调整期间，所述电子束(11)首先射中所述光阑(2)，并且在所述第一电压(U1)在该一个控制部件(4)上以完整的高度呈现之后，所述电子束(11)穿过光阑(2)的孔(7)或者在所述光阑旁边经过。
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