CN102446678A - 具有改进的真空处理的x射线管 - Google Patents

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CN102446678A CN201110042715XA CN201110042715A CN102446678A CN 102446678 A CN102446678 A CN 102446678A CN 201110042715X A CN201110042715X A CN 201110042715XA CN 201110042715 A CN201110042715 A CN 201110042715A CN 102446678 A CN102446678 A CN 102446678A
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E·B·比尔
R·M·罗菲尔斯
K·科皮塞蒂
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Abstract

在一个实施例中，X射线管(10)包括：电子束源(14)，其包括配置成发射电子束(32)的主阴极(16)；和阳极组件(18)，其包括配置成接收该电子束(32)并且当由该电子束(32)撞击时发射X射线(34)的阳极(20)。该X射线管(10)还包括外壳(12)，至少该主阴极(16)和该阳极(20)设置在该外壳中(12)，和设置在该外壳(12)中并且配置成发射电子以撞击该阳极(20)用于对该外壳(12)除气的次阴极(22)。

Description

具有改进的真空处理的X射线管
技术领域
本文公开的主旨涉及X射线管辐射源，并且更具体地涉及X射线管的处理。
背景技术
在非侵入成像系统中，X射线管作为X射线辐射源在投影X射线系统、荧光透视系统、断层X射线照相组合系统和计算机断层摄影(CT)系统中使用。典型地，X射线管包括阴极和阳极。在该阴极内的发射体响应于由施加电流引起的热、通过热离子效应而发射电子流。该阳极包括由该电子流撞击的靶。因此，该靶产生X射线辐射和热。这样的系统在医疗环境中是有用的，而且对于包裹和包装筛选、部件检验、各种研究环境等等都是有用的。
辐射穿过感兴趣受检者，例如病人，并且辐射的一部分撞击检测器或照相底片，图像数据收集在其中。在一些X射线系统中，照相底片然后显影以产生可由放射科医师或主治医师使用用于诊断目的的图像。在数字X射线系统中，光检测器产生代表撞击检测器表面的离散像素区的辐射量和强度的信号。该信号然后可处理以产生可显示用于回顾的图像。在CT和断层X射线照相组合系统中，当扫描架围绕患者移动时包括一系列检测器元件的检测器阵列通过各种位置产生相似的信号，并且处理技术被使用以用于重建受检者的有用图像。
X射线管可具有在大量检查序列期间的使用寿命，并且当在医疗护理或其他设施中需要时一般必须对于检查序列是可用的。考虑到X射线管常常遇到的需求安排，管的故障受到特别关注。已经在X射线管中观察到各种故障模式，并且这些具有多种来源。例如，在X射线管处理期间，水气、碳氢化合物或其他微粒甚至在烘烤除气(bakeout)加热和真空下处理后仍可保留在X射线管内。X射线管故障的另外来源在后处理使用期间由于阴极或阳极材料的泄漏、退化等等发生，其中微粒可在管内形成或释放。这些微粒可随着时间推移导致管的最终故障。
发明内容
根据一个实施例，X射线管包括：电子束源，其包括配置成发射电子束的主阴极；和阳极组件，其包括配置成接收该电子束并且当由该电子束撞击时发射X射线的阳极。该X射线管还包括外壳(至少主阴极和阳极设置在该外壳中)、设置在该外壳中并且配置成在处理期间发射电子以撞击阳极用于对阳极和外壳除气的次阴极。
根据另一个实施例，用于制造X射线管的方法包括组装X射线管，其包括：电子束源，其包括配置成在X射线管的正常操作期间发射电子束的主阴极；阳极组件，其包括配置成接收该电子束并且当由该电子束撞击时发射X射线的阳极；外壳，至少主阴极和阳极设置在该外壳中；邻近阳极设置在该外壳中的次阴极。该方法还包括使阳极和次阴极通电以从该次阴极发射电子以对内部体积除气并且密封该内部体积。
根据另外的实施例，X射线管包括：电子束源，其包括配置成发射电子束的主阴极；和阳极组件，其包括配置成接收该电子束并且当由该电子束撞击时发射X射线的阳极。该X射线管还包括外壳(至少主阴极和阳极设置在该外壳中)和包括次阴极的电离真空计组件(iongauge assembly)，该电离真空计组件配置成在该X射线管的使用期间检测该外壳内的材料。
附图说明
当下列详细说明参照附图(其中相似的符号在整个附图中代表相似的部件)阅读时，本发明的这些和其他的特征、方面和优势将变得更好理解，其中：
图1是根据本公开的方面的示范性X射线管的图解视图。
图2是根据本公开的方面的示范性X射线管的另外的图解视图。
图3是根据本公开的方面的X射线管的示范性电离真空计的图解视图。
图4是根据本公开的方面的X射线管的示范性电离真空计的图解视图；和
图5是根据本公开的方面的在用于制造X射线管的方法中的示范性步骤的流程图。
具体实施方式
本方式针对在X射线管内的次阴极的集成。该次阴极可在处理X射线管中采用。更具体地，在X射线管处理期间，在本方式中采用的次阴极可由电流加热，其导致电子从次阴极朝阳极发射并且对X射线管除气。用于除气的次阴极的使用在处理期间不使用X射线管主阴极并且可延长主阴极的寿命。另外，次阴极可用于检测处理和后处理期间X射线管内的真空完整性(vacuum integrity)并且充当与高压相关的潜在X射线管错误和故障的诊断工具。
根据本方式，次阴极可消除对用于处理X射线管的标准烘烤除气技术的需要和/或缩短在制造期间排空这些管的处理时间。在一个实施例中，次阴极可由丝极构成，其被加热以通过热离子效应在阳极发射电子以加热阳极并且对X射线管除气或有助于对X射线管除气。在一些实施例中，次阴极可正偏置或负偏置。例如，负偏置次阴极可包括将电子从丝极引向阳极或朝阳极聚焦的杯状物。在另一个实施例中，次阴极可形成用于在X射线管处理期间和/或在其之后使用的电离真空计的一部分。例如，电离真空计可监测在X射线管内的残留气体或泄漏的存在和提供代表X射线管内的真空状态的信号。
考虑到这一点，并且现在转到附图，图1是图示根据本公开的方面的X射线管10的图。该X射线管10包括外壳12，包括主阴极16的电子束源14、次阴极22和包括阳极20的阳极组件18。该外壳12可是玻璃或金属封套。该X射线管10可放置在由铝制成并且内衬有铅的罩壳(未示出)内。在处理期间，X射线管10连接到配置成在X射线管10内产生真空的排气管24。该排气管24连接到外壳12的内部体积26。实际上，外壳12至少部分环绕和围住受控体积26。该受控体积26中包含使阳极20旋转的马达的转子28和电子束源14的至少一部分(例如，主阴极16)。如图示的，主阴极16、阳极20和次阴极22设置在外壳12内，而定子30邻近转子28设置在外壳12外部。
主阴极16配置成发射电子束，如由箭头32指示的。阳极20配置成接收电子束32并且当受到电子束32撞击时发射X射线，如由虚线34指示的。窗口36邻近电子束32撞击阳极20的地方设置。如图示的，该窗口36设置在X射线管10的一侧。该窗口36配置成允许发射的X射线34离开外壳12。更具体地，在X射线管10的操作期间，电子束源14耦合于高压源40，其允许通过施加的电流来加热主阴极16的丝极(未示出)以产生热丝极，其在高压下高速释放电子32。在真空中，由于热离子效应，发射的电子32加速并且撞击旋转阳极20的靶42，其导致X射线34的发射。主阴极16和阳极20之间的电压差范围可在从数万伏到超过数十万伏。阳极20通过轴44耦合于转子28。阳极20的旋转(如由箭头46指示的)由设置在定子30内的转子28驱动并且由耦合于定子30的电源48供电。阳极20的旋转允许电子束32不断地照在阳极周边上不同的点。取决于X射线管10的结构，期望的辐射可由例如镭和人造放射物等物质以及电子、中子和其他高速粒子来发射。在X射线管10的外壳12内，在室温下优选地维持大约10-5至约10-9托的真空以允许主阴极16和阳极20之间电子束32的不受干扰的传输。
在X射线管处理期间，排气管24将典型地连接到真空泵。在烘烤除气处理期间，X射线管10放置在加热的烤箱中。X射线管10的烘烤除气处理包括通过烤箱向管10施加热，同时通过真空泵使管10除气(从管10排空气体)。烘烤除气之后，但同时继续除气，进行干燥或通电。进行主阴极16的通电，从而加热阴极16以产生电子束32。进行阳极20的通电，从而在外壳12内驱动阳极20旋转。电子束32撞击阳极20，允许焦点轨迹(focal track)的调整和电子束32的斑点尺寸的验证。干燥还通过加热X射线管10的其他部件而导致额外的除气。烘烤除气和干燥之后，通过将管道24卷边来密封内部体积26。在常规处理中，该除气程序可需要多个小时并且降低在X射线管10中存在的残留气体量，其可以导致例如“喷溅(spitting)/真空击穿”等事件。喷溅指由内部体积26中和电子束32的路径内存在的粒子或高压(其使电子32偏向除阳极20的靶42的焦点轨迹之外的一些其他点)引起的不需要的放电。
如上文提到的，X射线管10包括次阴极22。该次阴极22在存在或不存在由烘烤除气过程产生的热时在X射线管10的处理中使用。在图示的实施例中，虽然可采用其他设置，次阴极22包括丝极结构50和杯状物52。该丝极结构50配置成在使用中被加热。该丝极结构50可包括一个或多个丝极。该丝极结构50的形状可以是螺旋线圈、D形、平整发射体或任何其他期望的形状。该丝极结构50可由钨或任何其他适合的材料制成。该杯状物52配置成将来自丝极结构50的电子发射引向阳极20。该杯状物52可充当静电透镜，其将从由杯状物52支撑的丝极结构50发射的电子聚焦。该杯状物52可由不锈钢、钴、钼或任何其他适合的材料制成。该杯状物52通过耦合于HV绝缘体56(例如，50kV绝缘体)的电缆54连接到电源，HV绝缘体56由位于外壳12的密封体58部分包裹。该丝极结构50通过施加的电流加热以通过热离子效应高速释放电子。该杯状物52将这些电子聚焦在阳极20。
次阴极22设置在外壳12内并且配置成发射电子以撞击阳极20用于对外壳12除气。例如，在图示的具体实施例中，次阴极22设置在环绕阳极20圆周的离主阴极16180度处。次阴极22可以设置在环绕阳极20圆周的任何位置。另外，如图示的，次阴极22关于阳极20负偏置。也就是说，阳极20接地，并且次阴极22负偏置。
与上文描述的X射线管处理相似的，使用次阴极22的处理牵涉连接排气管24到真空泵。当抽吸真空时，次阴极22通电。次阴极22的通电牵涉加热阴极22的丝极结构50以朝阳极20发射电子。电子从次阴极22朝阳极20的发射对阳极20和外壳12的其他部件除气。然后主阴极16通电，并且之后密封内部体积26，如上文所述的。在处理期间次阴极22的使用可导致在主阴极16通电期间在内部体积26中存在较少的局部压力偏移。因此，主阴极16的通电可以在相对于没有使用次阴极22的处理的更低电力水平发生。这可导致主阴极16的丝极寿命的延长。此外，牵涉次阴极22的处理比在标准烘烤除气过程中更快地加热部件并且可相当大地减少X射线管10的处理时间。在某些实施例中，烘烤除气处理可还在次阴极22的通电之前和/或期间发生。在一些实施例中，次阴极22可以或可以不通电以辅助除气或烘烤除气处理。在这些实施例中，次阴极22可用于如在下文更详细描述的另一个功能。
取决于次阴极22的偏置，X射线管10可不同地配置。图2是图示根据本公开的方面的X射线管10的备选实施例的图。X射线管10包括如上文描述的外壳12、电子束源14和阳极组件18。然而，次阴极22和罩壳(未示出)被正偏置。从而，阳极20设计成电隔离(例如，从25kV直到50kV)。为了使X射线管10电隔离，阳极绝缘体62在外壳12内相应地位于阳极20的转子28的背面66上。次阴极22包括耦合于低压馈入的电缆70的丝极结构50。丝极结构50可如上文描述的那样。次阴极22设置在外壳12内并且配置成发射电子以撞击阳极20用于对阳极20和在外壳12中的其他部件除气。次阴极22可以设置在环绕阳极20圆周任何地方。在除气中次阴极22的操作通过经由施加的电流加热丝极结构50来进行以通过热离子效应高速释放电子。在阳极20上是正偏置，而丝极结构50和罩壳处于地电势，这将电子引向阳极20。当阳极20正偏置时，次阴极22可如上文描述的用于X射线管处理。在某些实施例中，次阴极22可包括块状吸气体(bulk getter body)。该块状吸气体可包括例如锶、钡、锆或其他金属等气体吸收金属的板、线或烧结粉末。
优选地，来自主阴极16的电子束32的产生在真空中发生。然而，在处理期间，可存在微粒。而且，微粒可在后处理操作期间在X射线管10中存在。这样的微粒可通过在管10内的系统部件的泄漏、退化、管丝极的分解等等在管10中引入。这些微粒可在处理和后处理期间增加X射线管10内的压力。在较高压力下操作主阴极16可导致丝极退化并且缩短丝极的寿命。当电子束32撞击这样的微粒物质时，电子束可继续朝向阳极20。然而，在某些情况下，电子束可从在阳极20上的靶42偏转。这两个事件都形成高电流放电。当微粒遇到电子束32并且射束继续沿着它的路径撞击阳极20时，可发生阳极过电流事件。此外，如上文指出的，在电子束32从阳极因微粒而偏向的情况下，高电流放电事件在本领域内一般称为“喷溅”。
如上文提到的，次阴极22可用于其他功能。图3图示根据本公开的方面的X射线管10的电离真空计组件72。该电离真空计组件72位于邻近X射线管10的阳极20。该电离真空计组件72配置成在X射线管10使用期间测量外壳12内的压力。此外，该电离真空计组件72还可配置成在X射线管10的处理期间检测压力。该电离真空计组件72包括次阴极22，其包括上文描述的丝极结构50。该电离真空计组件72还包括格栅(grid)76和收集器74。该电离真空计组件72还可包括如上文描述的杯状物52。电离真空计控制器(未示出)可维持该电离真空计组件72的部件的电压。丝极结构50由施加的电流加热以通过热离子效应发射电子，如由箭头78指示的。发射的电子78由于丝极结构50和格栅76之间的电势差朝格栅76加速。然而，这些发射的电子78可与如由标号80指示的气体分子碰撞，撞出电子并且形成带正电的离子，如由标号82指示的。带正电的离子82然后可朝收集器74加速。电子与分子碰撞发生的速率与气体分子密度成比例。从而，离子电流与气体密度(即，压力)成比例。可从离子电流确定在X射线管10的外壳12内的真空压力。电离真空计组件72耦合于监测电路(未示出)。该监测电路配置成基于在外壳12内的材料(例如，上文描述的粒子)的检测产生代表X射线管10的外壳12内的真空状态的信号。
电离真空计组件72可在X射线管处理期间使用以用于确定真空压力是否足够低以使主阴极16和阳极20通电。这可保存或延长主阴极16的寿命并且减少阴极16的早期寿命故障。电离真空计组件72还可在后处理期间使用以用于监测真空压力并且充当用于排除X射线管错误和故障的诊断工具。例如，电离真空计组件72和从组件72收集的信息可纳入系统和装置中用于代替X射线管10的管理和寿命预测，如在名为“X-ray Tube Replacement Management System(X射线管代替管理系统)”的美国专利号6,212,256和名为“X-ray Tube LifePrediction Method and Apparatur(X射线管寿命预测方法和装置)”的美国专利号6,453,009中更详细描述的，其二者都通过引用全文结合于此。
电离真空计组件72还可在X射线管的制造期间通电以对外壳12的内部体积26除气。随着格栅76和收集器74关闭，次阴极22可通电以发射在除气期间撞击阳极20的电子。X射线管10的处理可如上文描述的进行。在次阴极22通电后，格栅76和收集器74可被启动并且电离真空计组件72可以在主阴极16通电之前监测外壳12内的真空压力。
图4图示根据本公开的方面的X射线管10的电离真空计组件72的另一个实施例。除了杯状物52位于次阴极22和格栅76和收集器74之间之外，电离真空计组件72的结构与在图3中的实施例相似。从而，杯状物52将次阴极22与格栅76和收集器74分开。由于热离子发射而从丝极50出来的电子78将朝杯状物52加速(由于其较高电势)。杯状物52可具有孔以向电子78提供瞄准线以到达收集器74，从而，杯状物52充当格栅。在某些实施例中，格栅76将不在电离真空计组件72中使用。朝杯状物52(即，格栅)加速的电子78可由于电势差获得大约200eV。加速电子78可与残留气体碰撞，从而产生离子82。带正电的离子82可朝收集器74加速并且所得的电子回到杯状物52(即，格栅)。从而，杯状物52充当电离真空计组件72的格栅。这可允许收集器74和杯状物52在除气期间具有相同的电势，从而提供更好的聚焦。
图5图示根据本公开的方面在用于制造X射线管10的方法84中的示范性步骤的流程图。该方法84包括组装X射线管10(框86)，其中管10包括电子束源14，其包括配置成在管10的正常操作期间发射电子束32的主阴极22。X射线管10还包括阳极组件18，其包括配置成接收电子束32并且当受到电子束32撞击时发射X射线的阳极20。X射线管10进一步包括外壳12，其中至少具有设置在外壳12内的主阴极16和阳极20以及邻近阳极20设置在外壳12内的次阴极22。在一些实施例中，如上文描述的，阳极20接地，次阴极22负偏置。在其他实施例中，阳极20电隔离并且正偏置，并且次阴极22接地。
如上文描述的，方法84还包括使阳极20和次阴极22通电以从次阴极22发射电子以使管组件的内部体积26除气(框88)。例如，阳极20的通电可包括驱动外壳12内旋转的阳极20。可在次阴极22通电期间和/或之前通过如上文描述的排气管24在管组件的内部体积上抽吸真空(框90)。在一些实施例中，管组件可在次阴极22通电之前和/或期间受热(例如，通过在烤箱中烘烤除气)。
次阴极22通电后，如上文描述的，主阴极16可在密封管组件的内部体积26之前通电(框92)。在某些实施例中，如果主阴极16在密封内部体积26之前通电，次阴极22可不通电。当在密封内部体积26之前次阴极22不通电并且主阴极16通电时，次阴极22可用作电离真空计72以监测继处理后的管组件的真空状态。此外，方法84包括密封内部体积26(框94)。密封内部体积26可包括在除气后卷边或以别的方式密封排气管24。如在上文的实施例中描述的X射线管10可用方法84制成。
上文描述的次阴极22允许X射线管处理结合或代替烘烤除气过程以在阴极16通电之前向主阴极16的丝极提供更低的压力环境。这可延长主阴极16的丝极的寿命并且减少该丝极的早期寿命故障或毒化。另外，在处理期间次阴极22的使用可减少一般与烘烤除气过程关联的处理时间。另外，次阴极可充当电离真空计以帮助在处理期间和之后监测材料的存在并且从而监测X射线管10的外壳12内的真空状态，并且充当诊断和质量控制工具。
该书面说明使用示例以公开本发明，其包括最佳模式，并且还使本领域内技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统和执行任何包含的方法。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域内技术人员想到的其他示例。这样的其他示例如果它们具有不与权利要求的书面语言不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的书面语言无实质区别的等同结构元件则规定在权利要求的范围内。
部件列表
Figure BSA00000437905900101
Figure BSA00000437905900111

Claims (10)

1.一种X射线管(10)，其包括：
电子束源(14)，其包括配置成发射电子束(32)的主阴极(16)；
阳极组件(18)，其包括配置成接收所述电子束(32)并且当由所述电子束(32)撞击时发射X射线(34)的阳极(20)；
外壳(12)，至少所述主阴极(16)和所述阳极(20)设置在所述外壳中(12)；以及
设置在所述外壳(12)中并且配置成发射电子以撞击所述阳极(20)以用于对所述外壳(12)除气的次阴极(22)。
2.如权利要求1所述的X射线管(10)，其中所述阳极(20)接地并且所述次阴极(22)负偏置。
3.如权利要求1所述的X射线管(10)，其中所述阳极(20)电隔离并且被正偏置，并且所述次阴极(22)接地。
4.如权利要求1所述的X射线管(10)，其中所述外壳(12)包围受控体积(26)，所述受控体积(26)中包含使所述阳极(20)旋转的马达的转子(28)和所述电子束源(14)的至少一部分。
5.如权利要求1所述的X射线管(10)，其中所述次阴极(22)包括配置成在使用中被加热的丝极(50)。
6.如权利要求5所述的X射线管(10)，其中所述次阴极(22)包括配置成从所述丝极(50)将电子发射引向所述阳极(20)的杯状物(52)。
7.如权利要求1所述的X射线管(10)，其中所述次阴极(22)包括配置成在所述X射线管(10)的使用期间测量所述外壳(12)内的压力的电离真空计(72)。
8.如权利要求7所述的X射线管(10)，包括耦合于所述电离真空计(72)并且配置成基于在所述外壳(12)内的压力的检测而产生代表所述外壳(12)内的真空状态的信号的监测电路。
9.如权利要求1所述的X射线管(10)，其中所述次阴极(22)设置在环绕所述阳极(20)圆周的离所述主阴极(16)至少90度处。
10.一种X射线管(10)，其包括：
电子束源(14)，其包括配置成发射电子束(32)的主阴极(16)；
阳极组件(18)，其包括配置成接收所述电子束(32)并且当由所述电子束(32)撞击时发射X射线(34)的阳极(20)；
外壳(12)，至少所述主阴极(16)和所述阳极(20)设置在所述外壳中(12)；以及
包括次阴极(22)的电离真空计组件(72)，所述电离真空计组件(72)配置成在所述X射线管(10)的使用期间检测所述外壳(12)内的材料。
CN201110042715XA 2010-10-05 2011-02-15 具有改进的真空处理的x射线管 Pending CN102446678A (zh)

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