CN102598198A - X射线生成装置的阳极电势的切换 - Google Patents

Abstract

本发明总体上涉及X射线生成技术。当生成X射线图像时，提供具有多个光子能量的X辐射可以帮助区分组织结构。因此，提出了允许切换电子收集元件与电子发射元件之间的电势来提供不同能量模式的X射线生成装置。根据本发明，提供了X射线生成装置，其包括电子发射元件(16)和电子收集元件(20)。操作地耦合电子发射元件(16)和电子收集元件(20)来生成X辐射(14)。电势设置在电子发射元件(16)与电子收集元件(20)之间来从电子发射元件16到电子收集元件(20)加速电子，该电子构成电子束(7)。电子束(17)适合于影响电势。

Description

X射线生成装置的阳极电势的切换

技术领域

本发明总体上涉及X射线辐射生成技术。更特别地，本发明涉及X射线生成装置、X射线系统、X射线生成装置在X射线系统和CT系统的至少一个中的使用以及用于切换电子收集元件电势的方法。特别地，本发明涉及具有用于加速电子的可切换电势的X射线生成装置。

背景技术

可以采用也已知为X射线管的X射线生成装置来生成用于医学成像应用、检查成像应用或安全成像应用的电磁辐射。

X射线生成装置可以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。通过所述两个元件之间的电势来从电子发射元件到电子收集元件加速电子以产生X射线辐射。

从电子发射元件发出的电子行进到电子收集元件并且到达被称为焦斑的区域，从而通过电子轰击例如盘状元件的电子收集元件来产生电磁辐射。电子收集元件或阳极元件可以是静态性质(static nature)的或者可以实施为旋转元件。

X射线管的一个应用例如是在计算机断层摄影系统或CT系统中。当生成X射线的扇形束时，X射线管围绕例如病人的对象旋转。将X射线检测器元件设置在X射线管的对面，然而使其在台架上，X射线检测器元件随着X射线管围绕对象旋转。检测器将X辐射，尤其是由对象衰减的X辐射转换为用于随后的重建以及借助于例如计算机系统的对象内部形态的图像的显示的电信号。

当生成X射线图像来区分例如病人的单独组织时，多个X射线辐射光子能量可以是有利的。

发明内容

从而，可能存在提供能生成具有多个、单独的以及区别的光子能量的X辐射的X射线生成装置的需求。可以将X辐射的光子能量认为是取决于用于加速电子的电子发射元件与电子收集元件之间的电压或电势差。

在下文中，提供了根据独立权利要求的X射线生成装置、X射线系统、X射线生成装置在X射线系统和CT系统的至少一个中的使用以及用于切换电子收集元件电势的方法。

根据本发明的一个范例性实施例，提供了X射线生成系统，其包括电子发射元件和电子收集元件。电子发射元件和电子收集元件操作地耦合来生成X辐射。在电子发射元件与电子收集元件之间设置电势来从电子发射元件到电子收集元件加速电子。如此加速的电子构成电子束。电子束还适合于影响电势。

根据本发明的另一范例性实施例，提供了X射线生成系统，其包括X射线检测器和根据本发明的X射线生成装置。对象可设置在X射线生成装置与X射线检测器之间，并且X射线生成装置和X射线检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，将根据本发明的X射线生成装置用在X射线系统和CT系统的至少一个中。

根据本发明的另一范例性实施例，提供了用于切换电子收集元件电势的方法，其包括提供从电子发射元件到电子收集元件的第一碰撞区域的电子束来生成X辐射，其中，至少部分地向第二碰撞区域提供了电子束，来改变电子发射元件与电子收集元件之间的电势。

如已经指出的，采用多个用于生成图像的X辐射光子能量可以帮助区分待检查的对象的内部结构，例如病人的单独(individual)类型的组织。可以要求具有高能量的时段和具有低能量的时段的脉冲时间小于X射线检测器的积分时段，其在CT扫描器的情况下可以例如是200微秒。可以要求高能量与低能量时段之间的过渡时间为更短。

可以采用例如X射线管的X射线生成装置所连接至的高电压生成器来改变管电压，从而阴极元件与阳极元件之间的电势。然而，在生成器的输出端、高电压电缆和/或阳极处可能存在电容，其可以阻碍以一速度放电，该速度允许电压生成器内的或由电压生成器进行的高能量时段与低能量时段之间的优选的切换。

可以将一种减小高能量与低能量时段之间的过渡时间的解决方案看作改变电势，从而电子发射元件与电子收集元件之间的电压差。

X射线生成装置可以实施为单极或双极X射线生成装置。在单极配置中，可以将负电压提供到电子发射元件，同时将电子收集元件连接至地电势。在双极配置中，甚至可以给电子收集元件提供正电压。

可以将本发明的一个方面看作提供电子收集元件的正电压电势与地电势之间的切换。随着提供到电子发射元件的电压基本上保持恒定，可以影响电子发射元件与电子收集元件之间的电压差，从而电势，例如使其增大来在具有提供到电子收集元件的正电压的高能量时段中以及在电子收集元件基本上连接至地电势的情况下在低能量时段中提供增大的光子能量。

为了允许电子收集元件电势的相应的快速调整，可以要求将可以定期(regularly)连接至地电势的电子收集元件从地电势电去耦，从而从高压供应或高压生成器的电容电去耦。

可以通过在电子收集元件与地电势之间连接电阻器、电感或二极管元件来执行相应的去耦。可以将也可以是电子收集元件的寄生电容的专用电容并联至所述用于去耦的元件。

从而，可以将电子收集元件认为是具有浮置电势的元件，例如浮置电极。从而可以通过控制的电子碰撞将浮置电极的电势改变为正和/或负。为了控制电子收集元件的电势以及从而X辐射的光子能量，可以提供例如补充阳极元件的补充电子收集元件，其可以直接连接至地电势。

在旋转电子收集元件的情况下，可以至少部分地由例如电磁透镜的偏转元件来偏转定期地在焦斑或焦点轨迹上碰撞的电子束，来碰撞设置在补充电子收集元件上的补充焦斑或焦点轨迹。

可以将由电子在补充焦点轨迹上的碰撞生成的X辐射保留在X射线生成装置内部，例如通过孔元件或准直元件。因此，可以将补充电子收集元件认为是束流收集器(beam dump)。

由于仅部分初始电子束碰撞在电子收集元件上，可以发生通过电子收集元件与地电势之间的电阻器或电感的电流的变化，这从而可以改变或影响电子收集元件的电势并且从而X辐射的束能量。

在X射线生成装置需要仅在单能量模式下操作的情况下，可以利用X射线生成装置的孔元件使电子束整个地朝向补充焦点轨迹偏转，孔元件被重新定位为对应于补充焦点轨迹来产生离开X射线生成装置的X射线束，从而有助于X射线图像的生成。可以将电阻器元件或电感元件认为是旁路的并且在单个能量模式下不操作。

例如在通过例如二极管将电子收集元件从地电势去耦的情况下，提供电子收集元件的电势的改变的另一可能性可以是提供补充电子收集器或散射电子收集元件，其例如是直接连接至正电压，从而与地电势相比的正电压。

可以提供除了焦斑或焦点轨迹之外的电子收集元件的另一碰撞区域。第二碰撞区域可以适合于提供电子散射。从而可以将散射的电子引导朝向散射电子收集元件并且随后可以将电子收集元件正充电或离子化，从而获得类似于散射电子收集元件的电势。随后，电子收集元件的电势从地电势变为正电势，增加了电子发射元件与电子收集元件之间的总电势或电压差。

可以提供由电子散射获得正电势，电子反向散射比＞1是特别地有利的。可以由具有掠入射到例如鳍形或须形表面的散射表面上的电子提供获得例如2至10的电子反向散射比，散射表面可以另外地涂覆有氧化铍、氧化铝或氧化镁。相应的涂层可以用于例如次级电子倍增器的倍增电极。

因此，具体化为浮置电极元件的电子收集元件的电势可以由控制的电子的碰撞改变为正和/或负。

随着根据本发明的电子收集元件电势的变化，可实现大约10至20微秒的过渡时间。在低管电压可以得到最大管功率，例如，在80kV的120kW。采用部分电子束来改变电子收集元件电势而不是来生成X射线辐射，甚至在在高能量模式下，也可以将光子通量认为是充足的。

可以不需要到X射线生成装置的外壳中的馈通，特别地没有除了正和负高电压或地电势的附加的馈通。由于X射线生成装置的内部切换，高电压的外部切换可以不是必须的。可以任意选择脉冲序列。甚至对于不同阳极电势也可以保持焦斑的尺寸和/或大小。

散射元件可以实施为线栅，并且可以涂覆有用于次级电子倍增器的倍增电极的氧化物，如例如氧化铍、氧化铝和氧化镁，或者可以具有如分子式xCl、xBr的盐、包括金属元素U、Nb、W、Ta、Mo、Rh、Ti的金属表面、金刚石晶体、掺杂的金刚石晶体、金刚石箔、掺杂的金刚石箔、碳纳米管和/或富勒烯的结构或涂层。可以仅在平均电子能量可以低于10keV的区域施加氧化物涂层。可以将包括例如鳍、线或须的散射结构用作减速剂结构或减速剂元件来减缓碰撞电子。

在二极管元件的情况下，该元件可以实施为半导体，例如真空中的半导体，或馈通为真空二极管，例如邻近辅助电子收集元件设置的热离子电子发射极。真空二极管可以需要能量转移，例如包括X射线生成装置的外壳的真空内的用于加热的变压器。二极管元件也可以实施为具有作为电子源的场发射极的阴极，如碳纳米管，其邻近辅助电子收集元件或在辅助电子收集元件前面设置，可能不需要电源或另外的馈通。

在采用电阻器元件的情况下，可以将电阻器元件设置在X射线生成装置的外壳的外部。然而，也可以例如通过使用如掺杂碳化硅(SiC)的电阻阳极来将电阻器元件集成到电子收集元件中，可能不需要附加的馈通。在采用电感元件的情况下，电感元件可以是阳极的集成部分，例如在电子收集元件的绝缘部分或体上的螺旋状线结构或印刷电路板。

在下文中，特别参照X射线生成装置描述了本发明的另一实施例。然而，这些解释也适用于X射线系统、X射线生成装置在X射线系统和CT系统的至少一个中的使用以及用于切换电子收集元件电势的方法。

应当注意的是权利要求，特别是所声明的实体之间的单个或多个特征任意变化和互换都是可以想到的，并且在本专利申请的范围和公开内。

根据本发明的另一范例性实施例，电子束在电子收集元件上的第一碰撞区域可以构成焦斑，并且焦斑的尺寸和/或位置可以受电子束的影响。

通过朝向电子收集元件引导和/或聚焦电子束，可以影响，特别是控制第一碰撞区域或焦斑。

根据本发明的另一范例性实施例，X射线生成装置还可以包括第二碰撞区域，其中电子束的第一部分可碰撞在焦斑上，其中电子束的第二部分可碰撞在第二碰撞区域上，并且电子束的第二部分适合于影响电势。

从而，通过朝向第二碰撞区域引导部分电子束，电势和或电势的变化可以是可控的。

根据本发明的另一范例性实施例，X射线生成装置还可以包括第二碰撞区域和至少一个第二电子发射元件，其中第二电子发射元件适合于提供第二电子束来碰撞在第二碰撞区域上。

通过采用区别的电子发射元件，从而用于生成X辐射和用于提供电子收集元件的电势改变的区别的电子束，可以不需要偏转，从而分离原电子束。因此，可以采用全(full)原电子束来生成X辐射而不需要减小碰撞在焦斑上的电子量。可以对区别的电子束进行强度调制和/或单独地进行切换。

根据本发明的另一范例性实施例，第二碰撞区域可以设置在由所述电子收集元件和补充电子收集元件构成的组中的一个元件上。

通过将部分电子束重新引导到补充电子收集元件或其上也设置有第一碰撞区域的电子收集元件的不同部分上，该部分电子束可以从生成有用的X辐射的有用的电子束发散，同时将该部分电子束用于改变电子发射元件与电子收集元件之间的电势。

根据本发明的另一范例性实施例，第二碰撞区域可以适合于电子的散射，特别地包括电子散射元件，其中电子散射元件可以包括以下至少之一：减速剂元件；鳍形元件；须形元件；线栅；以及包括倍增电极涂层、氧化铍(BeO)、氧化铝(Al₂O₃)、氧化镁(MgO)、分子式为xCl、xBr的盐、包括金属元素U、Nb、W、Ta、Mo、Rh、Ti的金属表面、金刚石晶体、掺杂的金刚石晶体、金刚石箔、掺杂的金刚石箔、碳纳米管和富勒烯之一的元件。

散射元件特别可以是表面或表面元件。相应的电子散射元件或电子散射表面可以允许从碰撞在第二碰撞区域上的电子束的单个电子提供多个散射电子。

根据本发明的另一范例性实施例，X射线生成装置还可以包括散射电子收集元件，其中散射电子收集元件可以适合于收集从电子散射表面散射的电子。电子收集元件还可以适合于是可带正电荷和可由第二碰撞区域上的电子的碰撞来离子化中的至少一个。

通过散射电子，可以将部分电子束用于例如在X射线生成装置的排空外壳内构成电子收集元件与另一元件之间的导电连接，其中另一元件，例如散射电子收集元件，其电势可以不同于电子收集元件的例如地电势的初始电势，以允许通过散射电子流向电子收集元件提供不同的电势。

可以将散射电子收集元件看作用于接收电子的漏极，由于电子散射电子表面与散射电子收集元件之间的电势差，在散射元件与散射电子收集元件之间加速该电子，可能提供导电链接来提供基本上与电子散射元件以及可能地散射电子收集元件的电子收集元件相似的电势。电子反向散射比特别可以大于1，例如2与10之间。因此，对于电子散射表面上的每次电子碰撞，生成2至10个散射电子。

根据本发明的另一范例性实施例，当电子发射元件与电子收集元件之间的电势变化时，供应至X射线生成装置的电压可以基本上保持不变。

因此，例如由于电容效应，可以不需要外部电压切换，这对于X射线图像的有利的获取可能太慢。

根据本发明的另一范例性实施例，X射线生成装置可以包括由电容元件、插入(parenthetic)电容、二极管元件、以及电感元件和电阻元件构成的组中的至少一个元件，其中该至少一个元件可以设置在电子收集元件与最正电势与最负供应电势之间的电势之间，最正电势与最负供应电势之间的电势特别是地电势。

通过采用相应的元件，可以将电子收集元件例如从地电势去耦，以获得浮置电极，该浮置电极随后可以允许外部地接收除了地电势以外的不同电势。

通过以下描述的实施例本发明的这些其它方面将会变得明显，并且将参照以下描述的实施例来解释本发明的这些其它方面。

以下将会参照附图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提供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示出了根据本发明的X射线系统的范例性实施例；

图2示出了根据本发明的第一实施例的用于改变电子收集元件的电势的电路示意图的范例性实施例；

图3示出了根据本发明的第二实施例的用于改变电子收集元件的电势的电路示意图的范例性实施例；

图4示出了根据本发明的电势切换的范例性时间图；

图5a-e示出了根据本发明的图4的时间表图内的图3的示意性电路的范例性状态；

图6示出了根据本发明的电子收集盘状元件的范例性实施例；

图7示出了根据本发明的范例性实施例的范例性X射线束几何形状；

图8a-9c示出了电子反向散射的范例性实施例；

图10a-c示出了根据本发明的范例性电子反向散射系数值；以及

图11示出了根据本发明的用于切换电子收集元件电势的方法的范例性实施例。

具体实施方式

现在参考图1，描绘了根据本发明的X射线系统的范例性实施例。

图1的X射线系统2包括X射线生成装置4以及X射线检测器6，这里X射线检测器6范例性地描绘为线阵。X射线生成装置4和X射线检测器6两者互相相对地安装在台架7上。X辐射14在X射线检测器6的方向上从X射线生成装置4发出。将位于支撑体10上的对象8设置在X射线14的路径中。包括X射线生成装置4和X射线检测器6的台架7可以围绕例如病人的对象8旋转来获取X射线图像。提供计算机系统12来控制X射线系统2和/或来评价所获取的X射线图像。

现在参考图2，描绘了根据本发明的第一实施例的用于改变电子收集元件的电势的电路示意图的范例性实施例。

在图2中，将X射线生成装置4范例性地描绘为包括至电子发射元件16的-140kV 32的单极X射线生成装置4。X射线生成装置4包括电子收集元件20以及补充电子收集元件22。补充电子收集元件直接连接至具有0V的地电势34，而电子收集元件20通过电阻元件26连接至地电势34，电阻元件26可能具有平行于电阻元件26的寄生电容28。

由于电子发射元件16与电子收集元件20、22之间的电势差或电压差，从电子发射元件16到电子收集元件20、22加速电子，构成电子束17。

采用偏转元件18来向电子收集元件20、22引导电子束17。因此，通过偏转元件18，可以将电子束17引导至电子收集元件20和补充电子收集元件22中的任何一个。通过偏转元件18，可实现电子收集元件20、22之间的电子束的过渡。

设置孔元件或准直元件24来在对象8的方向上形成和/或成形X射线辐射14。孔元件24的开口可以允许激活的或使用的X射线辐射14a通过，从而在对象8和X射线检测器6的方向上离开X射线生成装置4，同时孔元件24自身阻碍未激活的或未使用的X辐射14b离开X射线生成装置4。可以移动孔元件24并且调整它的开口来确定X辐射的想要的形状。

焦斑38或第一碰撞区域38设置在电子收集元件20上，并且第二碰撞区域40设置在补充电子收集元件22上。也可以将电子束17解释为从电子发射元件16发出流向电子收集元件20、22的电流。在通过偏转元件18将电子束17从仅在电子收集元件20上碰撞的位置移动到或转移到也在补充电子收集元件22的第二碰撞区域40上碰撞的位置的情况下，由电子收集元件20和补充电子收集元件22分离所接收的电流。从而，通过朝向补充电子收集元件22重新引导至少部分电子束17，改变了传导通过电阻元件26的电流。从而，可以相应地调整电阻元件26上的电压。换句话说，通过朝向补充电子收集元件22重新引导至少部分电子束17，可以影响电子发射元件16与电子收集元件20之间的电势。

从而，在偏转元件18不提供无缝过渡而是提供电子束17只在电子收集元件20上碰撞与电子束17在电子收集元件20、22两者上碰撞的切换的情况下，也可以切换电子发射元件16与电子收集元件20之间的电势，从而加速电压。可以根据电子收集元件20上的有效第一碰撞区域38来调整孔元件24的开口的位置和尺寸。

在仅想要单能量X辐射14的情况下，可以通过偏转元件18整个朝向补充电子收集元件22引导电子束17来生成X辐射14。在此情况下，孔元件24可以位于允许X辐射束14b离开X射线生成装置4的外壳的位置。

电容28可以例如是150pF，电阻耦合或电阻元件26可以例如是100kΩ。X辐射的能量的过渡的时间常数τ可以例如是15μsec。X射线14可以具有例如60至140keV的能量。

现在参考图3，描绘了根据本发明的第二实施例的用于改变电子收集元件的电势的电路示意图的范例性实施例。

在图3中，描绘了包括具有散射元件42的电子收集元件20的X射线生成装置4的电路示意图。

再次，从电子发射元件16朝向电子收集元件20发出电子束17。电子收集元件自身包括焦斑38或第一碰撞区域38以及包括散射元件42的第二碰撞区域40。可以采用在图3中未描绘的偏转元件18来将电子束17引导到第一碰撞区域38或第二碰撞区域40中，可能允许延续的过渡以及基本上至少部分地切换电子束17在电子收集元件20上的位置。

给电子收集元件20提供二极管元件30并且通过二极管元件30将电子收集元件20连接到地电势34。给连接至电子发射元件16的负电势32提供高电压生成器的负高电压供应。可以将高电压生成器的正高电压供应连接到散射电子收集元件44所连接到的正电势36。另一散射电子收集元件38设置在地电势34，地电势34也通过二极管元件30以及电子收集元件20的寄生电容28连接至电子收集元件20。

可以采用另一散射电子收集元件48来将从产生使用的X射线的焦斑散射的电子拖离阳极。如果靠近焦斑设置另一散射电子收集元件48，则特别是在管框架相对于阳极带负电的情况下或阴极可以作为电子镜的情况下，这些散射的电子的收集可以帮助减小阳极的热负载，因为它们否则可以回到阳极。

部分电子束17在第二碰撞区域40上碰撞，并且从而通过散射元件42，产生反向散射电子56，通过电子收集元件20与散射电子收集元件44之间的电势，从而地电势34与正电势36之间的电势，朝向散射电子收集元件44引导该反向散射电子。

如可以从图3得到的，电子束17可以以平面入射角击中散射元件42来提供反向散射系数η，例如η＝2至10。

在范例中，负电压可以选择为-80kV，而正电势可以选择为+40kV。从而可以将地电势认为是0kV。为了生成80keV的X辐射，朝向电子收集元件20的第一碰撞区域、焦点轨迹38引导全原电子束17：可得到全功率，从而电子束17的电子的整个电子电流，来在二极管元件30处于导通状态时生成X辐射14。

为了生成具有增大的能量的X辐射，电子收集元件20，特别是它的电势可以增大到+40kV。相应地，电子发射元件16与电子收集元件20之间的电势也增大。为了朝向+40kV驱动电子收集元件20的电势，由偏转元件18朝向散射表面42引导部分原电子束17。然后，将散射电子46拖离朝向具有+40kV的电势的散射电子收集元件44。散射系数η＞1时，可以将电子收集元件20认为是带正电，从而离子化，只要散射过程继续，换句话说只要朝向散射元件42引导部分原电子束17，就保持此电势。

由于电子发射元件16与电子收集元件20之间增大的电势，仍然朝向焦斑38引导电子束17的其余部分，来生成X辐射14，在此情况下X辐射粗略地为120keV。为了加速电势的过渡，在过渡时段将全原束17引导至散射表面42。为了充电回到规则电势，从而例如80kV，将电子束17引导远离散射表面42。

现在参考图4，描绘了根据本发明的第二实施例的用于改变电子收集元件的电势的电路示意图的范例性实施例。

在图4中，描绘了在时间点A与下一时间点A’之间的整个过渡时段。在点A处，电子发射元件16与电子收集元件20之间的电势是80kV。在过渡时间τ₁期间，朝向散射元件42引导部分电子束17。从而，使电子收集元件20带正电至大约+40kV，达到大约120kV的电子发射元件16与电子收集元件20之间的总电势。

操作的此高电势模式可以在时间点B与时间点D之间继续达T₁的持续时间，经持续时间C。在高电势模式中，可以将激活的X辐射14a的总模式功率从低电势模式中的120kW降低至高电势模式中的40至60kW。

在时间点D处，仅将电子束17引导回到焦斑38，从而不再碰撞散射元件42。在过渡时间τ₂期间，电子发射元件16与电子收集元件20之间的电势从大约120kV回到80kV，在时间段E期间可以采用80kV达时间T₂来生成X辐射，再一次具有120kW的绝对功率。在时间段T之后，在时间点A’处，可以重复所描绘的循环。

现在参考图5a至5e，描绘根据本发明的图4的时间表内的图3的示意性电路的范例性状态。

在图5a中，描绘了在时间段E/E’期间X射线生成装置4的操作。通过图5a-e中未描绘的转移元件18，朝向电子收集元件20的焦斑38引导X射线束17。电子收集元件20的电势基本上为地电势34。焦斑38的电子碰撞，这里范例性地为-1000mA的电流，被分离成朝向另一散射电子收集元件48引导的例如-400mA的散射部分46，以及经由二极管元件30朝向地电势引导的例如-600mA的部分。

两个值-400mA和-600mA总计为-1000mA，其由电子发射元件16提供。在时间段E期间，生成80keV的X辐射。

关于图5b，描绘了时间点A/A’。在时间点A，通过偏转元件18朝向散射元件42引导整个电子束17。再一次，给电子收集元件20提供-1000mA的范例性电流，在时间点A与B之间的过渡时段开始时，电子收集元件20基本上连接至地电势。在散射元件42上碰撞的电子束17生成朝向连接至+40kV的电势36的散射电子收集元件44引导的散射电子46。

在图5b中，假设了范例性的散射比为2，从而-1000mA的电流生成散射元件42与散射电子收集元件44之间的-2000mA的电流。因为时间点A是过渡阶段τ₁的开始时间点，所以电子收集元件20的电势开始从0伏特升高到近似39kV。

在图5c中，描绘了在时间点B的X射线生成装置4。仍然朝向散射元件42引导电子束17。在时间点B，将电子收集元件20的电势抬高至大约+39kV，从而近似等于正电势36。在此情况下，由于几乎相同的电势，散射元件42与散射电子收集元件44之间的牵引场接近0，而散射系数例如从2.0下降至1.8，作为范例，从而导致从散射元件42至散射电子收集元件44的-1800mA的散射电子电流。

由于在此情况下二极管元件是反向的，所以没有电流朝向地电势通过二极管元件30。在此特别范例中，在时间点A与B之间的过渡时间中，在τ₁范例性地为6μs时，没有有用的X射线可以生成。

关于图5d，在时间段C、T₁中，继续朝向散射元件42引导部分电子束17，再一次具有1.8的范例性散射系数，从而通过在散射元件42上的-500mA的碰撞电流来产生-900mA。朝向焦斑38引导另一部分电子束电流来生成有用的X辐射14。在此情况下，产生具有119keV能量的X射线辐射，然而仅通过500mA的电流。

来自焦斑38的电子可以被反向散射，并且逆着具有例如0.2的反向散射系数η的抵抗场，而产生朝向地电势的-100mA的电流。慢散射电子可以自己返回至阳极。

关于图5e，在时间点D，通过仅朝向焦斑38引导电子束17来开始具有持续时间为τ₂的反向过渡阶段。在电子收集元件20从大约+39kV返回其电势到0kV，从而地电势34，的时候，产生的X射线14具有从119keV到80keV的下降的能量。可以用反向散射系数η为大约0.4的另一散射电子收集元件48来收集来自焦点轨迹38的反向散射电子46，从而产生-400mA的电流。

现在参考图6，描绘根据本发明的电子收集盘状元件的范例性实施例。

在图6中，假设从低能量模式开始，朝向焦点轨迹38b引导原电子束17、17a，焦点轨迹38b构成低能量模式下的主焦点轨迹来以X射线生成装置4或X射线管的基本上全功率生成X辐射14。

为了快速过渡到高能量模式，朝向散射元件42径向地扫描17c电子束17。由于平坦的入射角，扩展了物理焦斑长度。从而，可以想到的是甚至陶瓷表面也可以能够经受住由碰撞电子束17c生成的热负载。从散射元件42，生成了散射电子46，该散射电子46被朝向散射电子收集元件44引导。从而可以将散射电子46认为是对电子收集元件20重新充电直到达到高能量模式。

反向扫描电子束17来构成电子束17b，在此情况下，采用高能量模式下的焦点轨迹38a来生成有用的X辐射14直到τ₁之后完成过渡。

由于电子发射元件16的原电流保持未变，根据电子发射元件16与电子收集元件20之间的电压或电势差，X射线生成装置4的功率输出升高例如150％，从80kV到大约120kV。由于功率密度的增大，可以需要高能量模式下的不同焦点轨迹38，在由偏转元件18聚焦的束保持未变的情况下，与低能量模式38b下的焦点轨迹相比，可能必须增大焦斑长度或宽度或两者。通过以与电势的增大相同的比，例如150％，在过渡时段期间可以特别有利地放大焦斑长度。

为了保持焦点轨迹的X射线生成部分上的焦点功率密度恒定，聚焦参数可能必须适合于电压或电势的增大。因此，在高能量模式下，其中生成有用的X射线的该部分焦斑的长度可以比在低能量模式下的短，低能量模式下，焦斑的全长位于生成X射线的表面38a上。

例如，如果焦斑的一半会位于生成有用的X射线的表面38上，并且其另一半位于散射表面42，并且如果在高能量模式下焦斑的总长必须增加到低能量模式下长度的150％，为了保持功率密度恒定，生成有用的X射线的该部分焦斑的长度为在低能量模式下生成有用X射线的长度的150％∶2＝75％，换句话说，当从低能量模式到高能量模式时，X射线光焦斑会收缩25％。此情况下，在高能量模式下，仅一半撞击阳极的电子会生成有用的X射线。由于每单位电流在高能量模式下生成的X射线通量根据公知的高压电势的平方律增大，所以这不是主要的不足，并且因此在此范例中绝对通量近于恒定。由于较小的焦斑尺寸(长度)，甚至可以改善X射线光特性。

从而可以由散射元件42的边来发射可以进入使用的X射线束14的一些较低强度的X射线。

在可以同时改变焦斑的宽度和长度的情况下，可以加速高能量模式与低能量模式之间的过渡，以避免焦点轨迹38或散射表面42的过热。

为了反向过渡到低能量模式，将电子束17整个引导至焦点轨迹38b。从而散射元件42不再接收电子。因此，电子收集元件20的电势会越来越负直到二极管元件开启并将其连接至地电势34。可以使偏转元件18的聚焦参数回到与先前的高能量设定相比的低能量设定。因此，可以将过渡认为是在时段τ₂之后完成。

现在参考图7，描绘根据本发明的范例性实施例的范例性的X射线束的几何形状。

如先前参考图6所描述的，有源区50位于焦点轨迹38以及散射元件42的较小部分上，X射线从该有源区50进入使用的X射线扇形束。然而，由于孔元件24具有相应调整的开口阻挡路径，可以将撞击散射元件42的电子认为是未明显地有助于使用的X射线束14。因此，基本上仅在焦斑38处生成的X辐射14可以离开用于生成X射线图像的X射线生成装置4。

现在参考图8a至9c，描绘电子反向散射的范例性实施例。

在图8a中，描绘了大约为1的散射比。具有掠入射，即小入射角，的电子进入到例如如金或钨的电子不透明表面。在该结构内行进，然而靠近例如钨体的表面下的电子可以与电子多重相互作用。可以将50％的散射电子认为是待释放到X射线生成装置4的真空半球中，从而构成大约为1的散射比。由于物体内的多重散射，剩下的50％可以在物体中损失。这些也至少部分地可用于释放。

关于图8b，在可以将图8a的物体认为是箔或一种鳍形结构或须形结构的情况下，否则损失在物体中的至少部分电子，也可以被释放到真空中，特别是在电子进入物体的相对侧上。这可以适用于特别是在箔的厚度在碰撞电子的穿透深度的范围内的情况。因此，通过η＝η_top+η_bottom＞1，散射比η＞1可以是可实现的。

关于图9，描绘了随能量变化的散射比η。

如例如氧化铍、氧化镁和氧化铝的倍增电极涂层可以提供2至10的电子散射系数。采用夹层结构是特别有益的，该夹层结构采用如钨的高z材料来作为可以有效地散射高能电子的底层和底层上的具有相应的倍增电极涂层或前述涂层的混合来增强的次级电子发射的附加涂层。

关于图9b、c，描绘了采用鳍形结构或须形结构来生成反向散射电子56。掠入射下的反向散射还可以由粗糙结构来增强，特别是具有鳍或须的表面结构。突出的元件特别地可以比碰撞电子46的平均穿透深度更薄。从而，可以将反向散射电子56从单独的鳍的顶侧和后侧释放，从而获得＞2的散射增益，其导致散射比η≥2.0，例如对于具有例如80至150keV的钨。

散射电子46进入具有单独的须或鳍52的散射元件42的梳状结构。当电子逐个穿透多个须时，在进入和离开单个鳍或须52时，生成反向散射电子56。由电场54将反向散射电子56朝向散射电子收集元件44加速。从而，单个散射电子46可以生成多个反向散射电子56，例如10个，从而产生反向散射比η＝10。

现在参考图10a至10c，描绘根据本发明的范例性的电子反向散射系数值。

图10a描绘了对于60keV的电子束，电子反向散射系数η与入射角α的关系曲线。

关于图10b，描绘了从半无限钨靶反向散射的65keV电子的总能谱。从图10b中可以看出，尽管大量的电子被几乎弹性地反向散射，但是散射的电子的平均能量显著地低于原能量。在例如从W表面的多个散射事件之后，散射电子减速。可以将这种设置用作减速剂元件，其使平均电子能量下降到其它材料具有高散射率η的范围内。

关于图10c，描绘了对于具有30keV的入射动能的电子，电子反向散射系数η与样品材料Z的原子数的关系曲线。特别地，高z元件提供了高散射系数η并且作为减速剂元件是有用的。

关于图11，描绘了用于切换电子收集元件电势的方法。

用于切换电子收集元件电势的方法58包括向电子收集元件38的第一碰撞区域38提供60来自于电子发射元件16的电子束17来生成X辐射14，其中可以至少部分地向第二碰撞区域40提供电子束17来改变电子发射元件16与电子收集元件38之间的电势。

应当注意术语“包括”不排除其它元件或步骤，并且“一”或“一个”不排除多个。另外，可以组合与不同实施例关联地描述的元件。还应当注意权利要求中的参考数字不应当解释为对权利要求范围的限制。

参考数字：

2     X射线系统

4     X射线生成装置

6     X射线检测器

7     台架

8     对象

10    支撑体

12    X辐射

16    电子发射元件

17a、b、c  电子束

18    偏转元件

20    电子收集元件

22    补充电子收集元件

24    孔元件/准直元件

26    电阻元件/电感元件

28    寄生电容/电容

30    二极管元件

32    负电势

34    地电势

36    正电势

38a、b焦斑/第一碰撞区域

40    第二碰撞区域

42    散射元件

44    散射电子收集元件

46    散射电子

48    另一散射电子收集元件

50    有源区

52    鳍/须

54    电场

56    反向散射电子

58    用于切换电子收集元件电势的方法

60    步骤：提供电子束

Claims (15)

1.一种X射线生成装置(4)，包括：

至少一个电子发射元件(16)；以及

至少一个电子收集元件(20)；

其中，所述电子发射元件(16)和所述电子收集元件(20)操作地耦合来生成X辐射(14)；

其中，在所述电子发射元件(16)与所述电子收集元件(20)之间设置电势来将电子从所述电子发射元件(16)加速到所述电子收集元件(20)，所述电子构成至少一个电子束(17)；并且

其中，所述电子束(17)适合于影响所述电势。

2.根据前述权利要求所述的X射线生成装置，

其中，所述电子束(17)在所述电子收集元件(20)上的第一碰撞区域(38)构成焦斑(38)；并且

其中，所述焦斑(38)的尺寸和/或位置可以受到所述电子束(17)的影响。

3.根据前述权利要求中的至少一项所述的X射线生成装置，还包括

偏转元件(18)，

其中，所述偏转元件(18)适合于影响所述电子束(17)在所述电子收集元件(20)上的尺寸和/或位置。

4.根据前述权利要求中的至少一项所述的X射线生成装置，还包括

第二碰撞区域(40)；

其中，所述电子束(17)的第一部分可碰撞在所述焦斑(38)上；

其中，所述电子束(17)的第二部分可碰撞在所述第二碰撞区域(40)上；并且

其中，所述电子束(17)的所述第二部分适合于影响所述电势。

5.根据权利要求1至3中的至少一项所述的X射线生成装置，还包括

至少一个第二电子发射元件；以及

至少一个第二碰撞区域(40)；

其中，所述第二电子发射元件适合于提供第二电子束来碰撞在所述第二碰撞区域(40)上。

6.根据权利要求4或5所述的X射线生成装置，

其中，所述第二碰撞区域(40)设置在由所述电子收集元件(20)和补充电子收集元件(22)构成的组中的一个元件上。

7.根据权利要求4或5所述的X射线生成装置，

其中，所述第二碰撞区域(40)适合于电子的散射，特别地包括电子散射元件(42)。

8.根据权利要求7所述的X射线生成装置，

其中，所述电子散射元件(42)包括以下至少之一：表面；表面元件；减速剂元件；鳍形元件；须形元件；线栅；以及包括倍增电极涂层、氧化铍(BeO)、氧化铝(Al₂O₃)、氧化镁(MgO)、分子式为xCl、xBr的盐、包括金属元素U、Nb、W、Ta、Mo、Rh、Ti的金属表面、金刚石晶体、掺杂的金刚石晶体、金刚石箔、掺杂的金刚石箔、碳纳米管、富勒烯之一的元件。

9.根据权利要求4至8中的至少一项所述的X射线生成装置，还包括

至少一个散射电子收集元件(44)；

其中，所述散射电子收集元件(44)适合于收集从所述电子散射表面(42)散射的电子。

10.根据权利要求4至9中的至少一项所述的X射线生成装置，

其中，所述电子收集元件(20)适合于为通过电子在所述第二碰撞区域(40)上的碰撞而可正充电和可离子化之一。

11.根据前述权利要求中的至少一项所述的X射线生成装置，

其中，当改变所述电子发射元件与所述电子收集元件之间的所述电势时，供应到所述X射线生成装置(4)的电压基本上保持不变。

12.根据前述权利要求中的至少一项所述的X射线生成装置，还包括

由寄生电容(28)、二极管元件(30)、电感元件(26)和电阻元件(26)构成的组中的至少一个元件；

其中，所述至少一个元件设置在所述电子收集元件(20)与一电势之间，所述一电势在最正电势与最负供应电势之间。

13.一种X射线系统，包括

根据前述权利要求中的至少一项所述的X射线生成装置(4)；以及

X射线检测器(6)；

其中，对象(8)可设置在所述X射线生成装置(4)与所述X射线检测器(6)之间；并且

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

14.根据权利要求1至12中的至少一项所述的X射线生成装置(4)在X射线系统和CT系统的至少一个中的使用。

15.一种用于切换电子收集元件电势的方法(58)，包括

提供(60)从电子发射元件(16)到电子收集元件(38)的第一碰撞区域(38)的电子束(17)来生成X辐射(14)；

其中，可以至少部分地向第二碰撞区域(40)提供所述电子束(17)，来改变所述电子发射元件(16)与所述电子收集元件(38)之间的电势。

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