CN102224560B - 用于x射线管的辅助格栅电极 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种旋转阳极类型的X射线管100，其包括至少一个具有孔径106的临时负偏置的辅助格栅电极119，管阴极的热离子电子发射器111发射的电子束115能够通过所述孔径。作为其备选方案，也可以对辅助格栅电极119进行正偏置，以便增强热离子电子111发射器的电子发射。由此可以利用馈通电缆120将辅助格栅电极连接到可控电压源单元122的电源电压UAux，馈通电缆充当为主控格栅112提供格栅电源电压UG的馈电线路。

Description

用于X射线管的辅助格栅电极
技术领域
本发明涉及高功率X射线源的领域，尤其涉及旋转阳极类型的X射线管，其能够有利地应用于材料检查领域或医学X射线成像应用领域。根据本发明，公开了上述种类的X射线管，其包括至少一个具有孔径的临时负偏置的辅助格栅电极，管阴极的热离子电子发射器发射的电子束能够通过所述孔径。作为其备选方案，也可以正偏置辅助格栅电极，以便增强从发射器的电子发射。由此可以利用馈通(feedthrough)电缆将辅助格栅电极连接到可控电压源单元的电源电压，馈通电缆充当为主控格栅提供格栅电源电压的馈送线路。
背景技术
源于热离子电子发射器表面的电子发射强烈取决于通常由X射线管阳极生成的“牵引”电场。为了实现快速的开/关切换，从相关现有技术知道，可以为旋转阳极类型的X射线管装备格栅电极，所述格栅电极放置在管阴极的电子发射器前方附近。在过去的电子管中，将所述格栅电极实现为金属丝(wire)的格栅。因此，尽管在现代X射线管中看起来更像孔径，但仍然将这种电极称为“格栅”，并且它是阴极杯静电聚焦的一部分。为了完全切断电子束，所谓的切断电压Uco被施加到生成排斥电场的格栅电极，并且通常由电子发射器和格栅电极之间的电势差的绝对值给出。发射器表面处所得的电场是格栅和阳极所生成的场之和。如果在电子发射器上的所有位置总场都是排斥的，则完全切断了电子发射。
发明内容
当装备有上述格栅电极时，常规X射线管通常面临一些严重问题，可以将其总结如下：
第一个问题在于，格栅开关阴极的主控格栅处的切断电压需要与管电压成正比(后者被定义为阳极与阴极的电势差)，在管电压比较高的一些情况下，现有的X射线管和现有用于操作这些X射线管的绝缘技术可能无法可靠地处理这种情况。新的格栅设计以大的通过格栅和发射器表面上用于高电子发射的大的牵引场为特征。在这些情况下，需要高的格栅切断电压。考虑到阴极中温度很高，绝缘技术是非常困难的问题。为了确保可靠的运行，需要限制格栅切断电压。目前，在电压要求和可用绝缘技术之间存在差距。
在给定的设计限制条件下，通过减小通过栅格考虑了可用格栅切断电压的范围，第二个问题是在低管电压、诸如血管成像应用所需要的低管电压下电子发射不良。另一方面，用于补偿的高发射器温度减少了热离子电子发射器的使用寿命。
此外，由于源自带负电阴极表面或热离子电子发射器的真空电弧放电，可能导致X射线管的严重损坏。许多真空放电是从阴极头开始的。如果它们终止于地电势(其存在于在这里还称为“管框架”的管罩的表面上)，高压管电路、至少高压馈通电缆被迅速放电，从而可能发生对X射线管或对电缆线路之间的绝缘的严重损坏并触发更多放电。如果未加以恰当地限制，电弧放电可能将X射线管电流升高到几千安培，使得放电路径的垂足(footpoint)处具有极大的能量密度，这可能损坏电子发射器和/或释放粒子(particle)。此外，这可能进一步危及X射线管的高压稳定性。此外，电缆上的反射可能带来电磁兼容性(EMC)问题。
有鉴于此，本发明的目的是提供一种装备有格栅电极的X射线管，通过提供有限的格栅切断电压并允许发射增强和电弧放电电流限制克服了所有上述问题。
这一目的是通过根据所附权利要求中的任一项的X射线管实现的。本发明的有利方面从附属权利要求将变得显而易见。
如这里主张的，本发明的第一方面涉及一种旋转阳极类型的高功率X射线管，所述X射线管包括旋转阳极、装备有热离子电子发射器的阴极，以及在所述热离子电子发射器和所述旋转阳极之间布置于真空罩(也称为“管框架”或“管壳”)中的至少临时负偏置的主控格栅，其中，所述X射线管还包括偏置的孔径辅助格栅电极，所述X射线管阴极的热离子电子发射器发射的电子束在通过所述主控格栅之后，以及撞击管阳极的X射线发射表面的目标区中的焦斑之前，穿过所述辅助格栅电极。
本发明的另一方面涉及一种用于操作如上所述的高功率X射线管的方法，其中，通过为孔径辅助格栅电极供应电极电势来打开电子束以便增强阴极发射，所述电极电势或者接近其在X射线管内位置的空间点处电场的电压电势，或者处在更正性的电压电势UAux。为了切断该电子束，为孔径辅助格栅电极供应负电压电势UAux。
通过为孔径辅助格栅电极供应诸如上述负电压电势UAux来关闭孔径辅助格栅电极的时机可以与向X射线管的主控格栅施加负格栅切断电压Uco同步，所述格栅切断电压由管阴极的热离子电子发射器和主控格栅之间的电势差给出。另一方面，通过为孔径辅助格栅电极供应正电压电势UAux来打开孔径辅助格栅电极的过程可以与关闭所述格栅切断电压Uco同步。
此外，本发明涉及一种X射线检查系统，其包括如上所述的X射线管，并且最后提出了一种软件程序，所述软件程序在运行于这样的X射线检查系统的控制单元上时，用于执行上述方法。
附图说明
通过以下说明、权利要求和附图，本发明的有利特征、方面和优点将变得显而易见。由此，
图1示出了现有技术中已知的Philips的SRC 120 0508 X射线管的切开3D视图，该X射线管作为旋转阳极类型的X射线管；
图2示出了根据本发明的旋转阳极类型的X射线管的截面示意图，其包括实现为带孔径圆板的辅助电极(格栅电极或控制格栅)，所述孔径用于让放置于管阴极前方的热离子电子发射器发射的电子束通过；
图3示出了图2中描绘的实施例的更为详细的截面图；以及
图4示出了根据本发明第一示范性实施例提出的X射线管的截面示意图，其中，所述辅助电极连接到可控电压源，其允许可靠的格栅切换和低管电压下的增强电子发射。
所用附图标记及其含义的表格：
100    旋转阳极类型X射线管
100a   管框架(真空罩)
101    旋转阳极(阳极电压电势：例如UA＝+75kV)
102    阳极绝缘体
103    阴极(阴极电压电势：例如UC＝-75kV)
104    阴极绝缘体
105    X射线端口
106    辅助格栅电极119的电子孔径
107    高压电缆(即，加热电流馈线110和栅极电压馈线113)
108    球轴承系统
109    焦斑
110    加热电流馈通线路
111    热离子电子发射器(例如钨丝)
112    主控格栅，至少临时负偏置(UG＜0)
113    栅极电压馈通线路
114    X射线
115    电子束
116    高压绝缘体
117    格栅绝缘体
118    绝缘体
119    单孔径辅助格栅电极(例如，实现为具有孔的大圆板)，例如
       可以对其进行负偏置(UAux＜0)
120    辅助电压电势馈通
121    格栅电压源
122    辅助电极电压源
126    同步
400    实施例“格栅切换和发射增强”
UA     阳极电压电势(正)
Uco    格栅切断电压(Uco＝|UH-UG|，其中UH＝UC)
UAux   辅助格栅电极119的电压电势(负)，例如
    UAux＝0kV(电子束打开，高电场强度)：低UC下的大发射，
    UAux≈-15kV：高UC下的正常工作，
    UAux＝-30kV：电子束切断，脉冲工作
UC  阴极电压电势(负)，例如
    UC＝-60kV：增强的发射和发射器寿命，
    UC＝-90kV：增强的发射和发射器寿命，
    UC＝-125kV(＝最小值)：解决了切断问题
UG  主控格栅112的电压电势：
例如UG＝-6kV(从-12kV降低)
UH  热离子电子发射器111的加热电压(与阴极电压电势UC相同)
UN  辅助电压电势Uaux的负最小值，帮助切断管电流
UP  辅助电压电势UAux的正最大值，用于实现增强的阴极发射
具体实施方式
在下文中，将结合特定细节并参考附图解释本发明的不同实施例。
本发明的第一示范性实施例实现了增强的格栅切换，参考了由附图标记100表示的旋转阳极类型的X射线管。根据本发明，所述管装备有放置于X射线管的旋转阳极101和阴极103之间的辅助格栅电极119，其中，所述辅助格栅电极以孔径106为特征，源自热离子电子发射器111(例如可以将其实现为钨丝)的电子束115在通过X射线管的主控格栅112之后且在撞击管阳极的X射线发射表面的目标区中的焦斑109之前，通过孔径106。在新的单端管设计中，在阴极区域中几乎没有任何(从阳极散射的)背散射电子的电流。因此辅助格栅电极119工作基本不消耗功率，并可以连接到可控辅助电极电压源122。为了打开电子束115，可以将辅助格栅电极119的电极电势UAux设置成接近其位置的空间点处电场的电压电势(在不应当存在这种电极电势的情况下)，或接近更正性的电压电势，以便增强阴极发射(尤其是在高发射可能成为问题的低管电压时)。为了关闭该电子束，可以为辅助格栅电极119供应负电压，其可以与向X射线管的主控格栅112施加格栅切断电压Uco同步，所述主控格栅置于热离子电子发射器111(从阳极那里看)前方。
这意味着以下优点：切断电压Uco被降低到能够利用现有的绝缘技术处理的值。此外，在低管电压下的高管发射电流是可能的，这实现了良好的图像质量，并且最终，进一步益处是辅助格栅电极119减少了来自阴极103的电弧放电。
本发明的第二示范性实施例涉及一种X射线检查系统(例如，在X射线、CT或3DRA装置中实现)，包括如上文参考所述第一示范性实施例描述的旋转阳极类型的X射线管。
本发明的应用
如上所述，可以在对格栅切换、电子发射和放电电流限制有高标准和高安全性要求的材料检查领域或医学X射线成像应用范围内有利地应用本发明。
尽管在附图和前述说明中对本发明给出了详细的图示和说明，但是应当将这样的图示和说明看作是说明性的或者示范性的，而非限定性的，这意味着本发明不局限于所公开的实施例。通过研究附图、说明书和所附权利要求，本领域技术人员能够在实践所要求保护的本发明的过程当中理解并实施针对所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，单数冠词“一”或“一个”不排除复数。此外，权利要求中包含的任何附图标记都不应被理解为限制本发明的范围。

Claims (7)

1.一种旋转阳极类型的高功率X射线管(100)，包括旋转阳极(101)、装备有热离子电子发射器(111)的阴极(103)、以及在所述热离子电子发射器和所述旋转阳极之间布置于真空罩(100a)中的至少临时负偏置的主控格栅(112)，所述X射线管还包括偏置的孔径辅助格栅电极(119)，所述X射线管阴极(103)的所述热离子电子发射器(111)发射的电子束(115)在通过所述主控格栅(112)之后且撞击所述X射线管的阳极的X射线发射表面的目标区中的焦斑(109)之前，穿过所述孔径辅助格栅电极(119)，
其中，所述孔径辅助格栅电极(119)被配置为接收负电压电势(UAux)以关闭所述电子束(115)，关闭所述电子束(115)的过程与向所述X射线管的主控格栅(112)施加负格栅切断电压(Uco)同步，所述格栅切断电压由所述X射线管的阴极的热离子电子发射器(111)和所述主控格栅(112)之间的电势差给出。
2.根据权利要求1所述的X射线管(100)，
其中，所述孔径辅助格栅电极(119)被配置为接收正电压电势(UAux)以打开所述电子束(115)，打开所述电子束(115)的过程与关闭所述格栅切断电压(Uco)同步。
3.一种用于操作旋转阳极类型的高功率X射线管(100)的方法，所述X射线管包括旋转阳极(101)、装备有热离子电子发射器(111)的阴极(103)、以及在所述热离子电子发射器和所述旋转阳极之间布置于真空罩(100a)中的至少临时负偏置的主控格栅(112)，所述X射线管还包括偏置的孔径辅助格栅电极(119)，所述X射线管阴极(103)的所述热离子电子发射器(111)发射的电子束(115)在通过所述主控格栅(112)之后且撞击所述X射线管的阳极的X射线发射表面的目标区中的焦斑(109)之前，穿过所述孔径辅助格栅电极(119)，
其中，通过为所述孔径辅助格栅电极(119)供应电极电势来打开所述电子束(115)，所述电极电势或者接近其在所述X射线管(100)内位置的空间点处电场的电压电势，或者处在更正性的电压电势(UAux)，以便增强阴极发射，
其中，通过为所述孔径辅助格栅电极(119)供应负电压电势(UAux)来关闭所述电子束(115)，
其中，通过为所述孔径辅助格栅电极(119)供应负电压电势(UAux)来关闭所述电子束(115)的过程与向所述X射线管的主控格栅(112)施加负格栅切断电压(Uco)同步，所述格栅切断电压由所述X射线管的阴极的热离子电子发射器(111)和所述主控格栅(112)之间的电势差给出。
4.根据权利要求3所述的方法，
其中，通过为所述孔径辅助格栅电极(119)供应正电压电势(UAux)来打开所述电子束(115)的过程与关闭所述格栅切断电压(Uco)同步。
5.一种X射线检查系统，包括根据权利要求1所述的X射线管(100)。
6.一种用于操作根据权利要求1所述的高功率X射线管的装置，包括：
用于通过为所述孔径辅助格栅电极(119)供应电极电势来打开所述电子束(115)的模块，所述电极电势或者接近其在所述X射线管(100)内位置的空间点处电场的电压电势，或者处在更正性的电压电势(UAux)，以便增强阴极发射；以及
用于通过为所述孔径辅助格栅电极(119)供应负电压电势(UAux)来关闭所述电子束(115)的模块，
其中，通过为所述孔径辅助格栅电极(119)供应负电压电势(UAux)来关闭所述电子束(115)的过程与向所述X射线管的主控格栅(112)施加负格栅切断电压(Uco)同步，所述格栅切断电压由所述X射线管的阴极的热离子电子发射器(111)和所述主控格栅(112)之间的电势差给出。
7.根据权利要求6所述的装置，
其中，通过为所述孔径辅助格栅电极(119)供应正电压电势(UAux)来打开所述电子束(115)的过程与关闭所述格栅切断电压(Uco)同步。
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