CN102598196B - 具有增大的热载荷能力的电子收集元件、x射线生成装置以及x射线系统 - Google Patents

Abstract

本发明总体上涉及X射线生成技术。静止地提供X射线生成装置的电子收集元件可以允许具有减少的移动部件和制动部件的X射线系统的制造，可能减少了制造成本和失效的源。因此，介绍了具有增大的热载荷能力的电子收集元件。根据本发明，提供了电子收集元件(28)，其包括表面元件(22)和导热元件(26)。导热元件(26)包括第一方向上的第一热导率和至少第二方向上的至少第二热导率。第一热导率大于第二热导率。第一方向基本上垂直于表面元件(22)。

Description

具有增大的热载荷能力的电子收集元件、X射线生成装置以及X射线系统

技术领域

本发明大体上涉及X辐射生成技术。

更特别地，本发明涉及电子收集元件、X射线生成装置、X射线系统以及电子收集元件在X射线生成装置、X射线系统和CT系统中的一个中的使用。特别地，本发明涉及具有增大的热载荷能力的电子收集元件。

背景技术

X射线系统经常包括用于生成电磁辐射的X射线生成装置，例如X射线管，来在例如医学成像应用、检测成像应用或安全成像应用中获取X射线图像。

X射线生成装置经常包括例如阴极元件的电子发射元件和例如阳极元件的电子收集元件。通过加速电子发射元件与电子收集元件之间的电子，来在电子发射元件与电子收集元件之间形成电子束。

电子收集元件可以通过电子轰击来生成电磁辐射或X辐射。例如，电子束可以撞击在电子收集元件的区域上，从而构成焦斑，X辐射在该焦斑上生成。

X射线系统可以采用单个X射线源来生成围绕例如病人的对象旋转的X射线的扇形束或锥形束，来获取X射线图像。

因此，在断层摄影X射线成像系统中，可以获取一系列X射线投影图像或感兴趣的区域的视图，该图像或视图可以用于重构例如病人内的组织分布的三维图像。可以将相应的图像获取称为计算机断层摄影。

此外，可以获取在一个方向上可能具有有限分辨率的准三维图像，该方向可以例如不需要X射线生成装置围绕待检查对象的完全绕转而仅需要部分绕转，例如40°。可以将相应的图像获取称为层析X射线照相组合。

利用X射线焦点的不同位置拍摄投影图像，即X射线生成装置的取向依X射线探测器为转移，这可以由均可能位于台架上的X射线生成装置和X射线探测器围绕对象的机械运动或旋转来实现。

由于X射线生成装置的机械运动可能需要庞大且昂贵的台架并且可能减慢X射线图像的总的获取时间，因此可以认为X射线生成装置的机械运动是不便利的。由于减小获取时间也可以减小例如来自于呼吸或由例如心脏的器官运动的动作假象(motionartefact)并且增加病人的舒适感，因此可以认为减小获取时间是有利的。

用于断层摄影成像系统的X射线生成装置还可以采用旋转的电子收集元件盘或旋转的阳极盘，而非静止的电子收集元件或静止的目标，来提供充足的X射线生成装置功率输出。

因此，能够提供X射线系统的单独部分的机械运动的减小可以是有利的，例如对于减小获取时间。

发明内容

可能存在对减小X射线收集元件和X射线生成装置两者围绕待检查的对象的机械移动并同时保持X射线生成装置的功率输出以及图像分辨率的需求。

因此，可能存在对提供具有增大的热载荷能力的电子收集元件，特别是静止的电子收集元件的需求。

在下文中，提供了根据说明书具体实施例描述的电子收集元件、X射线生成装置、X射线系统以及电子收集元件在X射线生成装置、X射线系统和CT系统之一中的使用。

根据本发明的范例性实施例，提供了具有增大的热载荷能力的电子收集元件，其包括表面元件和导热元件。导热元件包括第一方向上的第一热导率以及至少第二方向上的至少第二热导率。第一热导率大于第二热导率并且第一方向基本上垂直于表面元件。

根据本发明的另一范例性实施例，提供了X射线生成装置，其包括根据本发明的电子收集元件和电子发射元件。电子发射元件和电子收集元件操作地耦合来生成X辐射。

根据本发明的另一范例性实施例，提供了X射线系统，其包括X射线探测器和根据本发明的X射线生成装置。对象可布置在X射线生成装置与X射线探测器之间，并且X射线生成装置和X射线探测器操作地耦合，使得可获得对象的X射线图像。

根据本发明的另一范例性实施例，根据本发明的电子收集元件在X射线系统、X射线生成装置和CT系统之一中的应用。

可以将本发明的一个方面视为采用具有沿所需的焦点轨迹的空间分布的多个X射线焦点的分布式X射线源，而不是具有单个X射线源的单个移动X射线生成装置。

相应的X射线生成装置可以包含在附有静止的电子收集元件的单个抽真空封套内的多个电子发射元件或电子源，例如冷场发射器、碳纳米管发射器或热电子发射器。多个源和目标也可以布置在其自身的真空封套内。

为了改善包括多个焦点的分布式X射线源的热载荷能力，本发明提出了具有高热载荷能力的静止的电子收集元件。

由于分布式X射线源采用相互邻近或贴近排列的焦点，可以采用静止的目标或静止的电子收集元件，而不是旋转的电子收集元件盘。

静止的电子收集元件可以包括主动冷却的金属元件，例如具有高热导率的金属块来作为导热元件，该金属块例如由铜制作。期望的目标材料或表面元件可以邻近采用包括钨或钼的元素或合金的导热元件布置，例如可以涂覆导热元件。

当电子束的电子在X辐射的曝光或生成期间撞击表面元件或目标层时，电子收集元件经受显著的热负载或热量。电子收集元件的加热可以限制X射线生成装置的可获得功率。

在导热元件的例如铜的基材的热导率大于目标材料的热导率的情况下，可以实现电子收集元件的改善的冷却。

通过基材使热量远离目标材料传导的冷却效果可以随着目标层厚度的降低而增大。

基材的熔点通常可以低于目标材料的熔点，从而目标层的厚度不可以选择得太小，否则基材在目标层之前开始熔化。

从而，期望的是提供目标材料的最佳层厚度，可以认为最佳层厚度是由所使用的材料的热性质所确定的并且与所使用的材料的热性质有关。在导热元件由铜制作的情况下，目标材料的层厚则可以相当大，导致至少在短时间间隔冷却效率降低，与由钼或钨制作的目标材料相比，可以认为铜具有相当低的熔点。

因此，本发明提出了使用由例如碳纤维碳基质复合物的复合材料制作的冷却元件或导热元件，其可能具有单向碳纤维取向来获得优选的导热方向。此外，由碳化硅制作的纤维也可以是可行的。

特别地可以至少局部地垂直于目标表面排列纤维。在目标层可以基本上视为平面的情况下，单独的纤维基本上相互平行。在目标层是弯曲的或球面的情况下，纤维例如可以取向为垂直于目标层表面的局部部分，可以将纤维视为源自该局部部分。

从而，根据本发明的电子收集元件可以包括具有单向纤维结构的复合材料，该单向纤维结构在纤维方向上具有高热导率。至少部分地垂直于目标表面排列纤维。

优选地可以沿纤维传导热量，从而在纤维基质复合物的纤维的主要传播方向上传导热。

可以在表面元件与导热元件之间或目标层与基材之间提供另一层元件，来扩散、分布和/或扩展由于热负载表面元件所发生的热量。因此，层元件或扩散层或扩散阻挡夹层相对于目标层提供增大的热导率，可能具有全向的导热能力，可以是有利的。在将钨用作目标材料的情况下，扩散阻挡层可以阻止碳化钨的形成。

目标层可以包括由钨、钼和铼构成的组中的元素，并且扩散层可以包括铼、碳化钽和铌构成的组中的元素。

目标层和扩散层均可以适合于包括仅数μm的厚度。例如扩散层可以包括范围为1至10μm的厚度，而目标层可以包括范围为5至100μm的厚度。

在将铼用作目标层元件的情况下，可以省略扩散层，具有或不具有厚度的增大，例如厚度加倍。

可以认为碳基复合材料包括高热阻率，例如至少2000℃，同时还包括在纤维方向上的大约500W/mK的高热导率。从而，目标层厚可以基本上保持薄，同时实现增大的冷却率，可能导致电子收集元件热载荷能力基本增大。

可以从下方冷却碳纤维材料或导热元件，例如主动冷却，和/或可以将碳纤维材料或导热元件安装在主动冷却铜块或另一具有优选的各项同性导热能力的材料上。碳纤维可以具有焦斑尺寸的大小的量级的优选的厚度，特别是它的线性延伸，如例如<1mm，1mm或甚至2mm至10mm，。

可以通过如物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)或热喷涂处理的涂覆技术，将扩散层和/或目标层施加于基材或导热元件。

在下文中，描述了本发明的另外的实施例，其特别地分别涉及电子收集元件、X射线生成装置和X射线系统。然而，应当理解这些解释适用于电子收集元件、X射线生成装置、X射线系统以及电子收集元件在X射线生成装置、X射线系统和CT系统之一中的使用的所有实施例。

应当注意，权利要求之间并且特别是所请求的实体之间的单个或多个特征的任意变形或互换是可以想到的，并且在本专利申请的范围和公开之内。

根据本发明的另一范例性实施例，导热元件是复合元件。

复合元件可以允许特定地创建或裁剪导热元件到期望的应用，特别是导热元件的物理尺寸和物理属性。

根据本发明的另一范例性实施例，导热元件可以包括单向纤维结构。

具有纤维结构，特别是单向纤维结构，可以允许在纤维结构的方向上优选的热传导。

根据本发明的另一范例性实施例，单向纤维结构可以基本上平行于第一方向。从而纤维结构可以至少局部地基本上垂直于表面元件。

具有垂直于表面元件的单向纤维结构可以允许热量通过纤维结构远离表面元件到导热元件的体积或深度中的优选的热传导。

根据本发明的另一范例性实施例，导热元件可以包括单向热导率。

在本专利申请的上下文中，可以将单向热导率特别地理解为热导率，该热导率在一个方向上相比于另一方向显著增大，而在另一方向上，导热元件包括低于第一方向上的热导率的另一热导率。因此，可实现体积内的热能的定向传导。

根据本发明的另一范例性实施例，导热元件可以包括碳纤维碳基质复合结构。

采用碳纤维材料和/或碳基质材料可以提供优选的热导率。

根据本发明的另一范例性实施例，表面元件可以适合作为包括由钼、钨和铼构成的组中的材料的目标表面层元件。

采用相应的材料可以允许借助于对电子收集元件的表面元件的电子轰击的X辐射的优选生成。

根据本发明的另一范例性实施例，电子收集元件还可以包括层元件，其中层元件布置在表面元件与导热元件之间，并且其中层元件包括由铼(Re)、铌(Nb)、碳化钽(TaC)、碳化钛(TiC)、碳化铪(HfC)、氮化钛(TiN)、碳氮化钛(TiCN)、碳化钼(MoC)构成的组中的材料以及包括铼(Re)以及前面提及的材料中的一个的多层布置。

相应的层元件，特别地由相应的材料制作，可以允许表面元件上的可能的小焦斑之间的热能的优选的分布或扩展，分别在导热元件和它的单独的纤维的增大的区域上扩展或分布生成的热量。在纤维方向上，从而垂直于表面元件，的热导率，基本上高于在例如平行于表面元件的另一方向上导热元件的热导率的情况下，相应的层元件可以提供特别的益处。因此，层元件可以适合作为热分布元件。

根据本发明的另一范例性实施例，电子收集元件可以适合作为分布式X射线源。

相应的电子收集元件可以提供从多个单独的角度发出的X辐射，从而无需移动单个专用X射线源。

根据本发明的另一范例性实施例，电子收集元件可以适合作为静止的电子收集元件。

可以不需要采用静止的电子收集元件、用于旋转盘元件的可能的高速转动的专用驱动器，从而降低了X射线生成装置的制造成本。

根据本发明的另一范例性实施例，X射线系统可以适合作为静止的、非旋转的和/或非完全旋转的X射线系统。

相应的X射线系统可以不需要提供用于围绕待检查对象旋转X射线生成装置和X射线探测器的台架。至少可以不需要完全旋转，例如仅例如40°的较小旋转可能是可想到的。

根据以下描述的实施例，本发明的这些以及其它方面将会变得明显，并且参照以下描述的实施例来阐述本发明的这些以及其它方面。

以下将会参照附图来描述本发明的范例性实施例。

图中的示例是示意性的。

在不同的图中，给相似或相同的元件规定相似或相同的参考数字。

图不是按比例绘制的，但是可以描绘定性的比例。

附图说明

图1示出了X射线系统的范例性实施例；

图2a、b示出了根据本发明的具有分布式的X射线源的X射线系统的范例性实施例；

图3示出了根据本发明的电子收集元件的范例性实施例。

具体实施方式

现在参考图1，描绘了X射线系统的范例性实施例。

在图1中，描绘了包括X射线生成装置4以及X射线探测器6的X射线系统2。

X射线生成装置和X射线探测器6均布置在台架7上。台架7适合于围绕在支撑体10上的位于X辐射14的路径中的对象8旋转。X射线探测器6范例地具体化为线阵形探测器布置。计算机系统12连接至X射线系统2以控制获取参数以及评估由X射线探测器6获取的信息，来重构例如对象8的体图像信息。

可以将图1中的X射线系统2视为具体化为X射线生成装置4的单个X射线源，其至少需要部分地围绕台架7上的对象8移动，来获取X射线图像。

现在参考图2a、b，描绘了根据本发明的具有分布式X射线源的X射线系统的范例性实施例。

在图2a中，X射线系统2包括范例性的八个分布式X射线源16，每个X射线源16生成可能布置为锥形束或扇形束的单独的X射线束14。在支撑体10上，对象8布置在台架7的中心，在图2a的情况下台架7可以不适合于为可旋转的，至少不是可完全(fully)旋转的。从而，可以认为图2a中的台架7是用于承载或安装单独的分布式X射线源16的机械支撑体。

可以将每个分布式X射线源16的X辐射14视为穿透对象8，X辐射14可能由对象8的内部组织分布空间地衰减，随后到达图2a中未描绘的X射线探测器元件6。到达X射线探测器元件6的衰减的X辐射通过X射线探测器6转换为电信号，可以将该电信号提供给计算机系统12来重构并显示三维图像数据。

现在参考图2b，图2b示意性地描绘了图2a的台架7的切断的截面。范例性的三个分布式X射线源16布置在台架7的切断上。

对象8布置为使得由分布式X射线源16生成的X辐射14可以穿透对象8，从而在到达图2b中未描绘的探测器元件6之前空间地衰减。分布式X射线源16布置在可能空心的台架7的内部，X辐射14分别离开分布式X射线源16的内部和台架7一槽。该槽还可以包括准直元件来生成X射线束14的扇形形式和锥形形式。

现在参考图3，描绘了根据本发明的电子收集元件的范例性实施例。

电子收集元件28范例性地包括表面元件22以及邻近导热元件26布置并覆盖导热元件26的层元件24或扩散元件24。

电子束18的电子撞击在在焦斑30的区域中的表面元件22上。在图3中仅示意性地描绘了通过电子束18在焦斑30上的撞击来生成X射线辐射14。

通过电子束18的撞击并随后声称X辐射14，在焦斑30的区域中的表面元件22经受热负载。在表面元件22中发生热传播20a，热传播20a的尺寸可能随穿透深度的增加而扩展或扩大。

此外，层元件24还提供热传播或热分布20b，从而进一步扩大经受热量或热负载增大的区域，该区域随后与导热元件26热传导接触。

从而，经受热量增大的区域的尺寸的增大从焦斑30开始扩大到表面元件22与层元件24之间的第一区域34a，并且进一步增大到层元件24与导热元件26之间的区域34b。

导热元件26包括复合结构，该复合结构包括纤维元件32以及基质材料36。纤维元件32和基质材料36均可以是碳基的。

在图3中，纤维元件32互相平行地布置，并且特别地垂直于表面元件22和层元件24二者。从而可以将包括纤维元件32的纤维结构视为提供沿单独的元件32到导热元件26的深度中的热导率。因此，将经过区域34b提供至导热元件26的热负载主要引导到导热元件26的深度或体积中，从而通过热传递20c将热负载传导远离表面元件22和层元件24。

因此，由电子束18提供给表面元件22的热负载通过表面元件22、层元件24以及导热元件26远离焦斑30分布。导热元件26具有沿纤维元件32的热导率的优选方向，纤维元件32具有减小的或可忽略的进一步的传热能力，例如平行于表面元件22。

也可以不提供层元件或扩散元件24，而是表面元件22可以直接邻近导热元件26布置。特别地，表面元件22、层元件24和/或导热元件26的热阻率或熔化温度可以是基本相似的，使得可以防止仅熔化一个元件，例如导热元件。

例如，可以将熔点大约为2.400-3.000℃的层元件和热阻率大约为2.000℃的导热元件的布置视为是基本相似的布置。

从而可以将导热元件视为适合于使热量或热负载远离表面元件22和层元件24中的一个传导。

层元件24可以适合于为表面元件22提供充分的粘附力并且适合于为从导热元件26至表面元件22的碳扩散提供阻挡，例如在表面元件22是如钨的碳化物形成金属的情况下。层元件24还可以形成为数种材料的多层堆叠，例如用于生成导热元件26与表面元件22之间的热膨胀系数的匹配。

应当注意，术语“包括”不排除其它元件或步骤，并且“一”不排除多个。另外，可以组合与不同实施例关联描述的元件。

还应当注意，权利要求中的参考数字不应当视为对权利要求的范围的限制。

参考数字：

2X射线系统

4X射线生成装置

6X射线探测器

7台架

8对象

10支撑体

12计算机系统

14X辐射

16分布式X射线源

18电子束

20a,b,c热传递/热传播/热分布

22表面元件

24层元件/扩散元件

26导热元件

28电子收集元件

30焦斑

32纤维元件

34a,b区域

36基质材料

Claims (13)

1.一种电子收集元件(28)，包括：

表面元件(22)；和

导热元件(26)；

其中，所述表面元件(22)和所述导热元件(26)毗连地布置；

其中，所述导热元件(26)包括第一方向上的第一热导率；

其中，所述导热元件(26)包括至少第二方向上的至少第二热导率；

其中，所述第一热导率大于所述第二热导率；

其中，所述第一方向基本上垂直于所述表面元件；

其中，所述导热元件(26)包括单向纤维结构；并且

其中，所述单向纤维结构基本上平行于所述第一方向。

2.根据权利要求1所述的电子收集元件，

其中，所述导热元件(26)是复合元件。

3.根据权利要求1或2所述的电子收集元件，

其中，所述导热元件(26)包括单向热导率。

4.根据权利要求1或2所述的电子收集元件，

其中，所述导热元件(26)包括碳纤维碳基质复合结构。

5.根据权利要求1或2所述的电子收集元件，

其中，所述表面元件(22)适合为目标表面层(22)元件，所述目标表面层(22)元件包括由钼(Mo)、钨(W)和铼(Re)构成的组中的材料。

6.根据权利要求1或2所述的电子收集元件，还包括：

层元件(24)；

其中，所述层元件(24)布置在所述表面元件与所述导热元件(26)之间；并且

其中，所述层元件(24)包括由铼(Re)、铌(Nb)和碳化钽(TaC)、碳化钛(TiC)、碳化铪(HfC)、氮化钛(TiN)、碳氮化钛(TiCN)、碳化钼(MoC)构成的组中的材料以及还包括铼(Re)的多层布置。

7.根据权利要求6所述的电子收集元件，

其中，所述层元件(24)适合为热分布元件(24)。

8.一种X射线生成装置(4)，包括：

电子发射元件；和

根据前述权利要求之一所述的电子收集元件(28)；

其中，所述电子发射元件和所述电子收集元件(28)操作地耦合来生成X辐射(14)。

9.根据权利要求8所述的X射线生成装置，

其中，所述电子收集元件(28)被包括在分布式X射线源(16)中。

10.根据权利要求8或9所述的X射线生成装置，

其中，所述电子收集元件(28)适合为静止的电子收集元件(28)。

11.一种X射线系统(2)，包括：

根据权利要求8至10中的一项所述的X射线生成装置(4)；和

X射线探测器(6)；

其中，对象(8)可布置在所述X射线生成装置(4)与所述X射线探测器(6)之间；并且

其中，所述X射线生成装置(4)和所述X射线探测器(6)操作地耦合，使得可获得所述对象(8)的X射线图像。

12.根据权利要求11所述的X射线系统，

其中，所述X射线系统(2)适合为静止的、非旋转的或非完全旋转的X射线系统(2)。

13.根据权利要求1至7中的一项所述的电子收集元件(28)在X射线生成装置(4)、X射线系统(2)和CT系统之一中的应用。