CN102007563B - 具有无源离子收集电极的x射线管 - Google Patents

Abstract

提出了一种包括阴极(3)、阳极(5)和另一电极(7)的X射线管(1)。其中，布置和调节另一电极，使得由于来自阳极(5)的自由电子(27)的撞击，另一电极(7)负性充电到位于阴极的电势和阳极的电势之间的电势。另一电极(7)可以是无源的，即，基本与有源外部电压源电隔离并不连接到有源外部电压源。另一电极(7)可以充当移除来自初级电子束(21)之内的离子(51)并还移除X射线管(1)的外壳(11)之内残留气体的原子的离子泵。为了进一步提高另一电极(7)的离子泵送能力，可以邻近另一电极(7)布置磁场发生器(61)。

Description

具有无源离子收集电极的X射线管

技术领域

本发明涉及一种具有离子收集电极的X射线管，该X射线管例如可以用于计算机断层摄影(CT)系统中。

背景技术

X射线管例如用于CT系统中，其中X射线管绕着患者旋转，产生X射线扇形束，其中探测器系统与X射线管相对并在扫描架转子上与其一起旋转，探测器系统将衰减的X射线转换成电信号。基于这些电信号，计算机系统可以重构患者身体的图像。

在X射线管中，从阴极发射的一束初级电子命中阳极的焦斑并生成X射线。然而，进入的初级电子的一定比例被反向散射或生成反冲电子，在下文中将这些电子通称为反向引导电子。因此，将其转换成反向引导电子的电流，反向引导电子离开焦斑并携带初级射束的能量的大约40％(W靶)。

一些常规管设计具有在阳极正前方的阴极。因此，在负阴极和正阳极之间建立起强电场。在这种管设计中，由于正充电阳极导致的镜像效应，再次将大量反向引导电子重定向到阳极，由此以不希望的方式加热阳极并进一步从这样的区域产生不希望的离焦辐射，该区域与反向引导电子撞击到阳极上的焦斑间隔开。

在最近改进的方式中，可以通过改进X射线管，从而允许反向引导电子向着收集电极在接近无场空间中行进，以有效地减少不希望的加热和离焦辐射。因此，可以避免所述40％阳极热负载的大部分，并可以避免大部分离焦辐射。

然而，由于从强烈初级射束和反向引导电子的簇射中的残余气体或目标蒸汽生成的离子，可能出现问题。在早期的X射线管设计中，在阳极和阴极之间生成强电场，这样的离子被电场朝向电极之一，通常为阴极吸引。然而，在最近的具有接近无场空间的X射线管设计中，离子可能不再经历强的牵引电场。因此，不再有相关离子泵送活动，如前面的设计那样，其中大量离子被注入阴极中并从X射线管之内的真空被移除。

因此，具有有用电子束的长的接近无场漂移路径的X射线管可能受到电子束中大离子浓度的影响，大离子浓度可能会使其聚焦不稳定，在这种X射线管中，用于产生X射线的有用电子束的主要部分附近的静电场小于由射束空间电荷产生的动态场。

发明内容

可能需要提供至少部分克服上述问题的X射线管。具体而言，可能需要提供一种X射线管，其中可以从初级电子束的漂移路径，尤其是从接近无场漂移路径有效收集并移除X射线管之内产生的离子。此外，可能需要提供一种结构简单，从而降低制造和维护成本的X射线管。

根据本发明的一方面，提供了一种X射线管，该X射线管包括阴极、阳极和另一电极。其中，邻近所述阴极和所述阳极之间的接近无场漂移路径布置所述另一电极，其中，邻近来自所述阴极的电子所撞击到的所述阳极上的焦斑布置所述另一电极，其中，布置和调节所述另一电极，使得由于自由反向引导电子的撞击，所述另一电极负性充电到在阴极的电势和阳极的电势之间的电势，从而使得所述另一电极能够充当离子收集器。

可以将如下做法视为本发明的主旨：除了常规阴极-阳极布置之外，在X射线管中还提供另一电极。该另一电极可以适于在X射线管工作期间充当离子收集器或离子泵。在这种工作期间，由阴极发射的电子被朝向阳极加速。在撞击到阳极上时，可能从阳极发射出反冲电子或反向散射电子。可以在X射线管之内的一位置布置另一电极，使得这种自由反冲电子可以撞击到该另一电极上。由于自由电子的这种撞击，该另一电极负性充电。还应当布置和调节该另一电极，使得由于撞击自由电子而将该另一电极充电到的电势位于X射线管工作期间阴极的电势和阳极的电势之间。

在本文中，强调如下内容可能是重要的：在X射线管工作期间另一电极被充电到的电势主要是由于，即取决于自由电子到另一电极的撞击。换言之，另一电极的平衡负电势，即在X射线管系统从启动状况进入平衡的连续使用状况后达到的电势，一方面，主要决定于撞击到另一电极上的自由电子的流，另一方面，决定于例如通过从另一电极的电子发射和离子收集而导致的电荷净损失。再换言之，可以将另一电极称为无源、自充电电极。

根据本发明的实施例，另一电极不电连接到外部电压源。换言之，另一电极基本是电隔离和无源的。例如，另一电极既不电连接到X射线管的外壳或X射线管的阳极，也不电连接到用于通过施加外部电压来建立相对于另一电极的预定或可选电势的额外控制单元。绝缘可以不是完美的。即，它可以具有有限线性(欧姆)或非线性电阻特性，例如，使用涂布于陶瓷上的薄层金属表面。

在本文中，另一电极和外部电压源和/或X射线管的其他部件之间缺少电连接这一术语可以被解释为，在另一电极和电压源或X射线管元件之间不提供导电元件。具体而言，可能没有朝向另一电极的电导体或线路。因此，另一电极在自由电子撞击时将充电到特定的平衡电势。然而，“缺少电连接”不应被解释为排除如下可能性：通过常规电导体之外的其他方式，例如通过冷或热电子发射，从另一电极释放电荷，其中冷或热电子发射是指从另一电极的表面向周围气体或真空中发射电子。

在X射线管工作期间，由于自由电子撞击使另一电极所充电到的平衡电势可以远低于阴极的负电势，例如与阴极的电势相比，更接近阳极的电势。例如，该平衡的电势可以介于阳极和阴极之间电势差的1和30％之间，优选介于3和10％之间。例如，如果阴极电势为-120kV，而阳极电势为0kV，可以布置和调节另一电极，使得在大约-5kV建立其平衡电势。

由于其平衡负电势，另一电极可以充当吸引其周围的带正电离子的离子收集器或离子泵。因此，通过蒸汽分子与初级电子束的电子或反向引导电子的碰撞而在周围空间中生成的离子经历电场，并可能被迅速朝向该另一电极拉出真空空间，在该另一电极处它们可能被埋入体材料中。这样的离子泵可以比其他常规已知的)离子泵(例如基于化学吸收剂的以更高效率工作。

根据本发明的另一实施例，X射线管还包括外壳部分，其中外壳部分适于保持在预定电势，且其中另一电极布置在一位置并距外壳部分一距离以使得，一方面在X射线管工作期间，该另一电极的负电势趋向于由于来自阳极并撞击到该另一电极上的电子而增大，另一方面，使得该另一电极的负电势趋向于由于从该另一电极朝向外壳部分发射的电子而减小。

外壳部分可以是包封X射线管的元件，例如阴极、阳极和另一电极的整个外壳或这种整个外壳的部分。外壳部分可以由诸如金属的导电材料制成。可以通过通往外部电压源的电连接将外壳部分保持在预定电势。或者，例如，可以将外壳部分电连接到阳极，由此与阳极处于相同电势上。

尤其是在外壳部分和阳极在相同电势上的后一种情况下，可以设计外壳部分，以便主要包封包括阳极和另一电极的X射线管的部分，其中在X射线管的这个部分中，阴极与阳极和/或外壳部分之间的主电场被屏蔽开。由此，可以在X射线管之内建立接近无场区域。在这个接近无场区域中，例如，可以建立无场漂移路径，其中来自阴极并朝向阳极加速的电子不会经历因阳极和阴极间的电势差而产生的显著电场。具体而言，如果在这样的接近无场区域中布置另一电极，它可以在这一接近无场区域中建立相当低的电场，该低电场将这一接近无场区域中产生的离子朝向另一电极吸引。

根据本发明的另一实施例，另一电极通过绝缘元件与外壳部分电隔离，其中绝缘元件具有有限的电导率，其适于使得在X射线管的平衡工作状况下从该另一电极经过绝缘元件到外壳部分的电流小于来自阳极并撞击到该另一电极上的电荷流。在这样的布置中，尽管通过绝缘元件的小电流将引起负电荷的损失，另一电极也将由于碰撞电子而充电到特定负电势。绝缘元件的典型电阻率可以大于1兆欧。

根据本发明的另一实施例，另一电极包括适于电子场致发射的发射表面区域。

电子需要具有最小势能或最小动能，以便能够从特定材料的表面被释放。也将这种能量称为材料的逸出功。

作为示例，可以以热能的形式提供该能量。可以将电极加热到这样的温度，其使得电极之内的电子具有足够动能以能够离开电极材料。也将这称为热阴极原理。

另一方面，在电极的表面附近存在强电场时，能够减小电势电子能量。电子将能够隧穿通过表面势垒，遵守发射电流和电场之间的Fowler-Nordheim关系。为此目的，且为了提高电流，可以以局部增大微观电场的方式调节电极的表面几何结构，使得电子可以在对应位置离开电极材料。例如，可以为电极表面提供小的尖端，例如钨尖端，其中在尖端末端，电势强烈增大并电子可以从这样的尖端末端发射。借助特定表面几何结构，由于这种局部增大的电场导致的电子发射常常被称为电子的“场致发射”或“冷发射”。

其中，从电极表面发射的电子电流的大小，一方面强烈取决于由于相对于对应参考电势的电极电势的宏观电场，例如X射线管的邻近外壳部分的电势，另一方面，取决于可能由于电极的表面几何结构而改变的局部微观场。例如，给定发射表面区域的适合尺寸，已经发现，大约-5kV的电极的发射表面区域和0kV的外壳部分的邻近参考电势区域之间大约1mm的距离可以精确地平衡特定X射线管中散射电子的输入电流。

根据本发明的另一实施例，另一电极的发射表面区域包括碳纳米管(CNT)。例如，可以为发射表面区域涂布碳纳米管，由此产生微观上的粗糙表面结构，纳米管形成可以局部增大电场的尖锐边缘。碳纳米管可能特别有益，因为它们的场致发射电流密度可以相对高，并且抵抗尖端的局部过热和自身破坏方面的稳定性也高。

根据本发明的另一实施例，将另一电极布置成邻近X射线管的阴极和阳极之间的接近无场漂移路径。

负性充电的另一电极可以吸引例如由接近无场漂移路径之内的初级电子束生成的带正电离子，由此稳定初级电子束的聚焦。在这里可以将“邻近接近无场漂移路径”这一术语解释为，将另一电极布置在一位置并距阴极和阳极之间的初级电子束的漂移路径一距离以使得，由于另一电极的负电荷产生的吸引力足够高，以吸引漂移路径之内产生的离子的大部分，并朝向另一电极引导它们。于是，另一电极可以充当离子收集器。在实践中，另一电极和无场漂移路径之间的距离可以在几毫米的范围内。

根据另一实施例，与来自阴极的电子撞击到阳极上的焦斑邻近地布置另一电极。在靠近阳极处的焦斑布置时，另一电极可以有利地从围绕该焦斑的体积移除离子，由此帮助稳定初级电子束的聚焦。此外，从焦斑发射的反冲电子或反向散射电子可以容易地到达另一电极，由此将其充电到期望电势。

在上述方面和实施例中，另一电极可以充当“牵引电极”，作为“电势转换器”。尽管初级电子束之内的电离电子的动能可以例如是100-120keV，根据发生电离过程的空间点，从另一电极例如通过场致发射而发射的电子可以具有0-5keV的能量。由于与高能量范围相比在该较低能量范围中，电离截面高一个数量级，在中等能量的电子电流通过X射线管之内的真空时X射线管之内残留气体的电离效率得到大大增强。换言之，X射线管之内的残留气体的原子或颗粒可以被从另一电极发射(例如通过场致发射)的低能量电子有效电离，并且所生成的离子能够例如被朝向另一电极吸引，即“泵送”，另一电极由此充当离子泵。

根据本发明的另一实施例，X射线管还包括邻近另一电极、适于产生磁场的磁场发生器。

由于这种磁场发生器产生的磁场，可以迫使从另一电极发射的电子弯曲，因此延长电子路径。例如，可以迫使在朝向X射线管的外壳部分的方向从另一电极的发射表面区域发射的电子在螺旋路径上。由此，延长了电子必须要穿越X射线管之内真空所行经的路径，由此提高了电子和X射线管之内残留气体的原子之间碰撞的概率。因此，可以增强离子的产生并由此提高另一电极的泵送效率。

磁场发生器产生的磁场可以提供另一优点：离子比电子重得多。例如，离子的质量比电子质量大约大3个数量级。作为其结果，磁场对运动离子的偏转影响比以同样速度运动的电子小得多。可以利用这种特性，使得从另一电极发射的电子的漂移路径可以被磁场严重弯曲，而由这种电子与不带电粒子碰撞产生的离子在向有吸引力的另一电极行进期间被磁场偏转地小得多。作为其结果，离子将撞击到另一电极表面的位置将与另一电极上发射电子的表面区域间隔开。利用这种效应，可以防止离子撞击到用于电子的场致发射的发射表面区域上。这能够显著提高另一电极的寿命，因为这一发射表面区域通常高度敏感，并且容易被离子轰击损伤。

根据本发明的另一实施例，另一电极的部分表面区域涂布有化学吸收材料。在撞击时，离子将被中和并埋入与这些原子一起形成化合物的一层材料中。

根据本发明的另一实施例，涂布有离子吸收材料的部分表面区域与适于电子的场致发射的发射表面区域邻近。如上文进一步概述的，由从另一电极的发射表面区域发射的电子所产生的离子在与发射表面区域的位置间隔开的位置撞击到另一电极上。因此以如下方式设计另一电极可能是有利的：另一电极的表面的部分(一个或多个)适于电子的场致发射，而认为离子将撞击到的另一电极的表面区域的邻近部分(一个或多个)涂布有离子吸收材料。由此可以进一步提高另一电极的离子泵效率。

必须要注意，本发明的各方面、实施例和特征已参考不同的主题描述。具体而言，已经参考X射线管自身描述了一些特征和实施例，而已经关于其操作或用途描述了其他特征和实施例。但是，本领域技术人员将由上述和下述说明推断，除非另有说明，除了属于一类主题的特征的任意组合或特征之外，涉及不同主题的特征之间的任意组合也应当被认为在本申请中得到了公开。

从下文中将要参考附图描述的示范性实施例，本发明上文限定的各方面和实施例以及其他方面将变得显而易见，但本发明不限于于此。

附图说明

图1示出了常规X射线管；

图2示出了根据本发明实施例的X射线管；

图3示出了放大的如图2所示的截面A。

要指出的是附图仅仅是示意性的，并且不是按比例的。此外，在所有附图中类似的附图标记表示类似元件。

具体实施方式

图1示出了包括阴极103和阳极105作为主要部件的常规X射线管101。X射线管101的部件被外壳111所包封。阴极103被设置成例如-120kV的高负电势，并通过电绝缘元件113机械接附于外壳111，使得阴极103与外壳111电隔离。阳极105被设计为圆盘，其可以绕着旋转轴117旋转。阳极105包括倾斜表面115。从阴极103发射并向阳极105加速的初级电子束121的电子(e-)在倾斜表面115上的焦点119处撞击到的阳极105上。

在电子这样撞击时，被引导到阳极105上的电子束121的大约60％的部分用于产生一束X射线123。这束X射线123可以沿着朝向待检查对象的方向透射通过外壳111之内的窗口125。

然而，电子束121的大约40％的其余部分将被转换成以远离阳极105的方向飞行的反冲电子。这些反向引导电子127将被阳极105或外壳111的正电势吸引。这样经偏转的反向引导电子127可以在与焦点119间隔的位置129处撞击到阳极105的表面上，由此，一方面，产生离焦X射线辐射131，另一方面，在阳极105之内产生大量热。

要注意的是，在图1和2中，仅示出了直到中线(CL)的X射线管101的部分。可以将中线(CL)解释为阳极105的对称轴，阳极的旋转轴117可以位于该对称轴中。

图2示出了根据本发明的X射线管1的实施例。X射线管1包括布置在外壳11之内的阴极3和阳极5。阴极3机械连接到外壳11但通过绝缘元件13与外壳11电隔离。盘形阳极5可以绕着旋转轴17旋转。

在图2所示的具体实施例中，X射线管1是所谓的单端管类型。这意味着，在将阴极3设置到例如-120kV的强负电势时，将阳极5设置成地电势，即0kV。此外，外壳11电连接到阳极5，使得外壳11也被设置为地电势。此外，调节外壳11，使得它基本包封阳极5，且使得仅提供小的通道35作为阴极3和阳极5之间的连接。通过这个“瓶颈”35，由阴极3发射的初级电子束21能够在朝向阳极5的倾斜表面15的方向经过，以便产生从焦点19发射的X射线束23。

由于包括“瓶颈”35的外壳11的特定结构，存在从大致“瓶颈”35的上端开始向下延伸到阳极5附近的接近无场区域37。在这个接近无场区域37中，初级电子束21的大部分附近的静电场小于由束空间电荷产生的动态场。

如在常规X射线管中那样，在电子束21在焦点19处撞击到阳极5上时，产生反冲电子27。然而，由于这些电子27是在接近无场区域37之内产生的，所以这些电子27不被处于地电势的阳极5吸引。相反，由于它们的高动能，这些电子27可以飞到邻近阳极5提供并靠近接近无场区域37之内的电子束21的另一电极7。

另一电极7由导电材料制成，但通过由电绝缘材料制成的绝缘元件43机械接附于外壳11。因此，另一电极7是电隔离的，因此可以被撞击的反向引导电子27充电。由于这些反向引导电子27可以具有在直到阴极3和阳极5之间的电势差的范围中，即在直到120keV的范围中的非常高的能量，理论上可以将另一电极充电到阳极5的电势和阴极3的电势之间某处的对应负电势。

为了防止对另一电极7过度负性充电，为另一电极7提供发射表面区域41，其适于电子的场致发射。图3中示出了在图2中所示的截面A的放大图。发射表面区域41是另一电极7的一个区域，其例如涂布有碳纳米管或拥有小的尖锐端部，以便在另一电极7和外壳11的相邻部分之间局部增大电场。由于从被充电的另一电极7和相邻外壳11之间的电势差产生的宏观电场以及这一电场因为发射表面区域41之内的表面结构的局部微观增大，能够从发射表面区域41在朝向外壳11的方向发射电子43。其中，从发射表面区域41发射的电子43的电流大小将强烈取决于另一电极7和外壳11之间的电势差。因此，将为另一电极7建立平衡或稳态电势，其中，由来自阳极5的焦点19的反向引导电子27提供的电荷电流大小与从发射表面区域41在朝向外壳11方向发射的电子43的电流相同。

另一电极7的一个效果是吸引带正电的离子51，由于来自初级电子束21的电子与由外壳11包封的真空中的残留气体的原子碰撞可能产生该带正电的离子51。这样的离子51可能被朝向另一电极7牵引并从而被埋在那里。因此，这样的离子51被从邻近初级电子束21的区域移除掉，在该区域，离子本来可能会干扰初级电子束21。

另一电极7的另一个效果可以如下：从另一电极7的发射表面41发射的电子43具有相对低的动能，该动能至多是另一电极7和外壳11之间的电势差，即在例如0和5keV的范围内。这样的低能量电子41与X射线管1之内残留气体的原子碰撞的概率增大。然后由这种碰撞产生的离子53可以被朝向带负电的另一电极7吸引，另一电极7因此再次充当了离子泵。

为了更加加大这后一种效果，在邻近另一电极7的区域中提供磁场发生器61。这个磁场发生器61适于在另一电极7和外壳11之间的、在发射表面区域41处发射的电子43通过的空间之内产生电场。所产生的磁场用于使所发射的电子43强烈偏转，使得它们不会直接从发射表面区域41直接跟随电势线向外壳11飞行，而是使得电子43的路径是弯曲的。因此，在发射表面区域41发射的电子43的飞行长度和持续时间延长，因此，与残留原子碰撞的概率增大。由此可以提高充当离子泵的另一电极7的效率。由于通过这种电子-原子碰撞产生并向另一电极7吸引的离子53质量大，所以它们仅被由磁场发生器61产生的磁场轻微偏转。这样的离子53可以或多或少地直接向着另一电极7飞行并在与发射表面区域41间隔开的部分表面区域63处撞击另一电极7表面。还可以用离子吸附材料涂布该部分表面区域63以便进一步增强另一电极7的离子泵送能力。因此，基本上保护敏感的发射表面区域41免于离子53的撞击。

最后，可以如下总结本发明的特征和特性：提出了一种包括阴极3、阳极5和另一电极7的X射线管1。其中，布置和调节另一电极，使得由于来自阳极5的自由电子27的撞击，另一电极7负性充电到位于阴极的电势和阳极的电势之间的电势。另一电极7可以与外部电压源电隔离且不连接到外部电压源。另一电极7可以充当移除来自初级电子束21之内的离子51并还移除X射线管1的外壳11之内的残留气体的原子的离子泵。为了进一步提高另一电极7的离子泵送能力，可以邻近另一电极7布置磁场发生器61。

应当注意，术语“包括”和类似术语不排除其他元件或步骤，术语“一”或者“一个”不排除多个元件。此外，还可以将联系不同的实施例描述的元件结合起来。还应当指出，不应将权利要求中的附图标记解读为对权利要求的范围构成限制。

Claims (9)

1.一种X射线管(1)，包括：

阴极(3)；

阳极(5)；

另一电极(7)；

其中，邻近所述阴极(3)和所述阳极(5)之间的接近无场漂移路径(37)布置所述另一电极(7)，

其中，邻近来自所述阴极(3)的电子(27)所撞击到的所述阳极(5)上的焦斑(19)布置所述另一电极(7)，

其中，布置和调节所述另一电极(7)，使得由于自由反向引导电子(27)的撞击，所述另一电极(7)负性充电到在阴极的电势和阳极的电势之间的电势，从而使得所述另一电极能够充当离子收集器。

2.根据权利要求1所述的X射线管，

其中，所述另一电极(7)不电连接到外部电压源。

3.根据权利要求1或2所述的X射线管，

还包括外壳部分(11)；

其中，所述外壳部分(11)适于保持在预定电势；并且

其中，所述另一电极(7)布置在一位置并距所述外壳部分(11)一距离，使得在所述X射线管工作期间，所述另一电极的负电势趋向于由于来自所述阳极并撞击到所述另一电极上的电子而增大，并使得所述另一电极的负电势趋向于由于从所述另一电极向所述外壳部分发射的电子而减小。

4.根据权利要求1或2所述的X射线管，还包括外壳部分(11)；

其中，所述外壳部分(11)适于保持在预定电势；并且

其中，所述另一电极(7)被绝缘元件(43)与所述外壳部分(11)电隔离，且其中所述绝缘元件(43)具有有限的电导率，其适于使得在所述X射线管的平衡的工作状况下，从所述另一电极(7)通过所述绝缘元件到所述外壳部分(11)的电流等于或小于来自所述阳极(5)并撞击到所述另一电极(7)上的电荷的流。

5.根据权利要求1或2所述的X射线管，

其中，所述另一电极(7)包括适于电子的场致发射的发射表面区域(41)。

6.根据权利要求5所述的X射线管，

其中，所述发射表面区域(41)包括碳纳米管。

7.根据权利要求1或2所述的X射线管，

还包括邻近所述另一电极(7)、适于产生磁场的磁场发生器(61)。

8.根据权利要求1或2所述的X射线管，

其中，所述另一电极(7)的部分表面区域(63)涂布有离子吸收材料。

9.根据权利要求8所述的X射线管，

其中，所述部分表面区域(63)邻近适于电子的场致发射的发射表面区域(41)定位。

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