CN102811544B - 包括多焦点x射线管的x射线设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种包括多焦点X射线管（4）的X射线设备（2），具有多个排成阵列（8）的电子源（10）。每个电子源（10）在这里包括一个阴极（26），以及设有供电装置（42）为阴极（26）供电，其中，阴极（26）与供电装置（42）电隔离。

Description

包括多焦点X射线管的X射线设备

技术领域

本发明涉及一种包括多焦点X射线管的X射线设备，有多个排成阵列的电子源，其中每个电子源包括一个阴极，以及其中，设供电装置为阴极供电。

背景技术

有多焦点X射线管（也称多阴极X射线管）的X射线设备，例如在医学技术成像设备，如X射线断层造影仪中，用于为检查对象立体扫描。在利用单焦点X射线管或单阴极X射线管的情况下，立体扫描代之以通过X射线管的机械移动实现。

由源自于本申请人的公开文件DE102009017649A1已知这种多焦点X射线管，其中使用多个场致发射阴极，更准确地说CNT阴极（CNT：carbon nano tube），用于产生多个电子束。电子束分别作为在不同点的发射电流命中一个公共的阳极，并在那里按已知的原理产生X射线。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种改进的有多焦点X射线管的X射线设备。

此技术问题按本发明通过一种包括多焦点X射线管的X射线设备得以解决，它具有多个排成阵列的电子源，其中每个电子源包括一个阴极，以及设有供电装置为阴极供电，其特征为：阴极与供电装置电隔离。

X射线设备包括多焦点X射线管，有多个排成阵列的电子源，用于产生电子束，它们分别作为在不同点或更准确地说在不同区域内的发射电流，命中一个阳极，并在那里按已知的原理产生X射线。在这里每个电子源包括一个阴极，以及为了给阴极供电设一个供电装置，其中阴极与供电装置电隔离。由此特别有利地获得一种所谓自闭塞（selbstsperrend）阴极。

在电隔离时，大多在两个导电体之间存在空间距离的情况下，中断了两个导电体之间，在本例中亦即阴极与供电装置之间，借助电池的载流子交换。然而，在“断开”阴极时，亦即在不希望从阴极射出电子流的情况下，基于在其中一个阴极与例如一个阳极之间继续存在的电位差，会从该阴极不希望地射出电子。阴极基于电子空缺充正电，这是由于在供电装置与阴极之间电隔离，所以供电装置不能补偿电子空缺。一旦电位差不再足以从阴极释出电子并朝阳极的方向吸引，或在阴极与定位在阴极和阳极之间的栅电极之间形成足够的闭塞场，则在阴极与阳极之间流动的电子流中断。根据在电子二极管和电子晶体管方面的习惯用语，当电子流中断时人们说阴极闭塞。与之相应，阴极基于规定的电隔离所以设计为所谓的自闭塞阴极。由此电子束的产生是固有安全的，从而显著降低不希望地释出X射线的危险。除此之外它们有特别有利的调整特性，因此非常适合在多焦点X射线管中使用。

多焦点X射线管的电子源优选地设计为热力支持的电子源和尤其设计为热发射极。相应的热发射极其特征在于长的预期寿命和可达到的大发射电流。此外，与场致发射极相比，热发射极基于其工作原理只需要较低的控制电压，这导致在设计适用的控制和供电的电子设备时有明显的成本优势。对于典型的CNT发射极，例如产生100mA的发射电流需要高达3kV的控制电压，亦即阴极与栅电极之间的电位差，而对于典型的热发射极，为了同样的发射电流根据加热功率有10V至几个100V伏就已经足够了。

此外，优选一种实施形式，据此作为热发射极使用弥散阴极。在弥散阴极的情况下从备用腔通过大多由钨或钼组成的多孔烧结体，在表面弥散一种电子源材料，例如钡，以及在表面形成一个活性薄膜，从薄膜可以耗费比较低的能量析出电子。与之相应，弥散阴极典型地约为1000℃的工作温度处于单金属热发射极的工作温度之下，由此降低弥散阴极所要施加的加热功率使之较小以及典型地约处于2至10W之间。对于弥散阴极常用另一些名称，例如备用阴极、浸渍式阴极、L阴极、B阴极、S阴极、M阴极或金属毛细管阴极，其中有几个名称用于规定的电子源材料。

此外有利的是，根据使用目的电子源直线状、弧状或矩阵状尤其均匀间隔地布设。这种结构例如适用于围绕检查对象用X射线网格式扫描，此时X射线源不必朝检查对象方向运动。特别有利的是例如电子源之间的距离为几个mm至几个cm，距离尤其在2mm至5cm的范围内。但另一种电子源之间距离变化的实施形式同样是恰当的。

此外还有一种实施形式是有利的，据此每个阴极可以单独控制。按一种优选的控制方案，借助于在阴极上的可控电位来改变发射电流，亦即电子束的密度或强度。

此外也有利的是，每个阴极在工作状态相对于基准电位，例如机壳电位，有正的电位差。在这里机壳电位优选地由用于X射线设备所有部分的一个公共的机壳提供。

此外有利的是，为了热力支持，为每个电子源设一个由供电装置供电的加热元件，其中，加热元件与供电装置彼此电隔离。为此一种实施形式是恰当的，据此每个加热元件可以单独控制。由此可例如补偿制造公差。

按另一项有利的扩展设计，为电子源设公共的阴极底板作为支架，它有一些孔，孔中分别装入一个预制的电子源组件。由此以非常简单的方式获得电子源彼此相对固定的结构，并因而实现一个多电子源阵列。

此外也有利的是，为每个电子源配设自己的并因而可单独控制的栅电极，以及它们优选电绝缘地固定在阴极底板上。由此例如有可能在时间上彼此错开地利用电子源产生X射线。此外，为了栅电极相互间和/或相对于阴极底板绝缘或附加绝缘，在有些实施方案中使用一个或多个例如由陶瓷制成的绝缘条。

按另一项扩展设计，为电子源设公共的栅电极，它固定在阴极底板上以及尤其设计为带孔板或格栅。以此方式可例如减少必要的构件数量并因而降低生产费用。

按另一种有利的设备方案，每个电子源设计为模件，以及，多个模件为构成阵列彼此靠近固定。在这里优选地，每个模件设有联接器，借助它们可建立多个模件之间的机械连接。由此可以按积木原理在装配的框架内排列成行和彼此靠近地固定任意多个模件。

与是否设置公共阴极底板或是否将电子源设计为模件无关，恰当的是，阵列构成装配组件。该装配组件优选地包括电子源、如果设有阴极底板则其上所设的所有栅电极、以及用于电子源与所设栅电极的触点接通接头。所述装配组件优选地在单独的装配工序中制成，以及在以后的一道装配工序中相对于其余构件，例如阳极，定位和固定。采用这种工艺方法的目的是为了降低生产成本。为此，起先将最小的构件组装成较大的组件，以及在以后的过程中再将较大的组件组合成完整的设备。

如尤其在上文已表述的X射线设备特殊的机械设计，也可以与所述电隔离的特殊设计无关。这种特殊的机械设计可看作独立的发明。在此保留分案申请的提交。

按一种有利的扩展设计，X射线设备还包括控制装置，尤其用于电子源的控制和供电，其中优选地，每个电子源可由控制装置逐个控制。通过相应的逐个可控性，可以实现X射线设备有很大差别的工作模式，从而可以非常灵活地使用这种X射线设备。

此外也有利的是，将X射线设备设计为，在工作状态为每个电子源的加热元件和为每个电子源的阴极给定一个公共的阴极电位，下面称为阴极电位，以及，在加热元件上的电位为了调整加热件温度借助交流电压改变。在加热元件上的电位基本上周期性改变，所以在加热元件上的电位的时间平均值基本上与阴极电位一致。因此借助直流电压造成的阴极电位叠加在加热元件由交流电压造成的电位上，在这里交流电压的幅度优选地小于70V。以此方式保持阴极与加热元件之间有效的小的电位差，由此避免在这两个元件之间飞弧。

例如在栅电极与机壳电位之间的电位差约为400V-500V时，规定作为阴极与机壳电位间的电位差，以及在未施加加热电压时，在加热元件与机壳电位之间规定一个约500V的值，以及为加热电压的幅度规定一个约10V的值。然后，为了控制电子发射并因而为了控制电子束，阴极电位，亦即阴极的电位和加热元件上时间平均的电位值，朝机壳电位的方向吸引，从而在栅电极与阴极之间形成期望的电位差。

在这里特别规定，阴极电位通过公共的电触头既用于加热元件也用于阴极。公共电触头优选地定位在管内部，所以与为每个元件设有单独电触点的实施形式相比，可以取消穿过管壁的电导线，这显著降低生产成本。

在采用弥散阴极作为电子源时，工作期间产生从备用腔挥发电子源材料，亦即例如钡或氧化钡的问题。其后果是，这种材料尤其沉积在栅电极上。因此取决于温度地发生从沉积的材料不希望的电子发射的问题。若设在X射线管内的阳极处于对于X射线管的工作为典型的电位，则这种电子发射引起所谓的暗电流，这导致损害多焦点X射线管期望的功能。

因此有利的是，为了抑制这种暗电流，至少栅电极用一种材料制成或用一种材料镀层，这种材料阻止来自备用腔的电子源材料，亦即备用材料沉积在栅电极上，或至少使之难以发生。为此尤其适用金、铂、钛、石墨、碳化钼或碳化钨。此外另一些构件，例如聚焦电极，也可以恰当地用这种材料制造或用这种材料镀层。

附图说明

下面借助示意图详细说明本发明。其中：

图1表示装配组件的剖视图，包括多个排成阵列的热发射极、阴极底板以及一个栅电极；

图2表示栅电极俯视图；

图3表示按模件实施形式的电子源剖视图；

图4表示安装在阴极底板内的电子源组件剖视图；

图5表示装配组件剖视图，包括多个排成阵列的热发射极、阴极底板以及多个栅电极；以及

图6表示X射线设备的方块线路图。

具体实施方式

在所有的图中互相对应的部分采用相同的符号。

在本发明的上下文中，术语X射线设备2不仅应用于X射线管4，而且应用于包括X射线管4和其他构件，例如控制装置6的功能单元。然而在本实施例中，X射线设备2肯定包括多个排成阵列8作为电子源的热发射极10。

在图1的示意性剖视图中可见相应的阵列8。在这里阵列8构成一个装配组件，它由八个排列成行、彼此按均匀的距离固定在阴极底板12上的热发射极10，以及一个绝缘地安装在该阴极底板12上的栅电极14组成，在栅电极内加工八个作为光阑16的几何孔。

按另一项扩展设计，为每个电子源配设自己的相对于其余栅电极14电绝缘的栅电极14。图5示意表示一种合乎目的的实施例。在这里各栅电极14分别借助两个沿图纸平面法线方向彼此错开的螺钉连接固定在阴极底板12上。为了使栅电极14相对于阴极底板12附加地绝缘，将陶瓷条50定位在各栅电极14与阴极底板12之间，陶瓷条50用螺钉与阴极底板12连接。在这里栅电极14置入陶瓷条50内并相应地下沉设置。陶瓷条50按使用情况或设计为整体，或由多个陶瓷条组成。使用于螺钉连接的金属螺钉18借助陶瓷垫片20与栅电极14电隔离。

为了有利于使相同零件有大的份额，为了固定在图5所示实施例中使用的阴极组件22，采用同样的螺钉连接，包括一致的螺钉18和一致的陶瓷垫片20。图4中正是表示这种固定方案在完成装配的状态下的示意性剖视图，图4的剖切方向垂直于图5的剖切方向延伸。

在这里，每个阴极组件22包括一个金属细管24，在其下方在完成装配的状态面朝光阑16的端部，固定一个多孔的钨圆片，它有埋入的备用钡作为阴极26。为了间接加热阴极26，在金属细管24内部定位一个加热元件，例如钨制的加热丝，它通过两个电接头28供给电能。电接头28之一，在这里以没有详细表示的方式，例如通过电位pin与钨圆片导电连接，因此可为阴极26和相应的接头给定一个公共的阴极电位作为基准电位。如此实现的加热装置与阴极26一起固定在陶瓷支架30上，它在装配的框架内装入阴极底板12的安装孔32内，并在那里借助螺钉18和螺母34夹紧。在这里，两个在阵列8中相邻的阴极组件22优选偏心布置的电接头28，优选地彼此旋转180°布设。

与阵列8借助阴极底板12的构成不同，规定相应的阵列8可以通过多个模件36排列成行和彼此靠近的固定来实现。这种模件36包括有加热装置的阴极26、一个或多个栅电极14、以及用于阴极26、栅电极14和加热装置的电接头。

按一种非常适宜的实施方案，X射线设备2不仅包括X射线管4而且还包括控制装置6。图6按方块线路图的方式表示这种方案。在这里，X射线管4通过由四个间接加热的阴极26、一个公共的栅电极14和一个公共的阳极38组成的配置构成，阳极38定位在真空管40内。为该配置的各元件设电触头，它们从真空管40伸出以及与供电组件42、46、48和/或控制装置6连接。

借助控制装置6实施配置中元件的控制和/或供电以及供电组件42、46、48的控制。在这里，根据使用情况或工作模式采用不同的调整或控制方法，它们在源自于本申请人和部分尚未公开的文件DE102009017649A1（以电压调整的基本原理为基础的调整方法）、DE102009036940A1（以阴极电流调整的基本原理为基础的调整方法）、DE102010043561（以栅电流调整的基本原理为基础的调整方法）以及DE102010043540（以阳极电流调整的基本原理为基础的调整方法）中详细说明。因此明确涉及这些文件全部公开的内容。

在图6所示的实施例中，为了间接加热阴极26采用加热电流约为200mA至1.3A的串联电路。基于阴极的公差，业已表明逐个调整每个阴极26的加热同样是非常有利的，因此一种相应的实施形式规定作为可选择的方案。在这里，螺旋灯丝44用作加热元件，它与阴极26共同保持在一个公共的阴极电位上，这一阴极电位相对于公共的机壳电位有电位差约为500V。阴极26和螺旋灯丝44在这里借助隔离变压器52与供电装置42电隔离。为了控制发射电流，阴极电位的给定通过控制装置6进行。为了调整阴极26的温度，在每个螺旋灯丝44内感应式传输一个由供电装置42产生的幅度约为10V的交流电压。

对于阴极26与栅电极14之间的距离，业已证实在0μm与500μm之间的值是特别有利的，所以其结果是，相应于栅电极14与阴极26之间电位差的栅阴极控制电压，采用几个10V至几个100V，这取决于发射电流。作为用于断开电子束的反向电压，在所述配置中，调整栅阴极控制电压的值为几个-10V。

根据使用情况，各个电子源并因而在时间上彼此错开地利用于产生X射线脉冲，它们有脉宽为几个10μs至几个100ms，为了保证在脉冲终结时脉冲尽可能迅速地衰减，借助短路进行阴极电位向栅电位反馈，或为栅阴极控制电压暂时还规定一个负的值，例如-50V。但与之不同，也可以采用一种工作模式，其中始终多个电子源同时有效并与之相应地产生X射线。

为了操纵借助电子源产生的电子束的横截面，按X射线管4结构的一种扩展设计规定，在栅电极14与阳极38之间或为所有电子束定位一个或多个聚焦电极，或为每个电子束各定位一个或多个聚焦电极。

本发明不受以上所介绍的实施例限制。确切地说也可以由专业人员从中导出本发明的其他方案，不应脱离本发明的技术主题。此外尤其是所有结合实施例说明的各项特征也可以按其他方式互相组合，不会脱离本发明的技术主题。

Claims (10)

1.一种包括多焦点X射线管(4)的X射线设备(2)，具有多个排成阵列(8)的电子源(10)，其中每个电子源(10)包括一个阴极(26)，以及设有供电装置(42)为阴极(26)供电，其特征为：

-阴极(26)与供电装置(42)电隔离；

-为电子源(10)布设公共的阴极底板(12)作为支架，所述阴极底板具有多个孔(32)，孔中分别装入一个预制的电子源组件(22)；

-为每个电子源(10)配设自己的并因而可单独控制的栅电极(14)或者为所有的电子源(10)设置公共的栅电极(14)；

-装配组件包括阵列(8)，其中，装配组件包括电子源(10)、至少一个栅电极(14)和用于电子源(10)与每个栅电极(14)的触点接通接头(28)，其中，每个栅电极(14)或公共的栅电极(14)与所述阴极底板(12)连接，其中在是多个栅电极(14)的情况下陶瓷条(50)定位在各栅电极(14)与所述阴极底板(12)之间，所述陶瓷条(50)用螺钉与所述阴极底板(12)连接。

2.按照权利要求1所述的X射线设备(2)，其特征为，每个阴极(26)可以单独控制。

3.按照权利要求1或2所述的X射线设备(2)，其特征为，每个阴极(26)相对于基准电位有正的电位差。

4.按照权利要求1所述的X射线设备(2)，其特征为，为了热力支持，为每个电子源(10)设置由供电装置(42)供电的加热元件(44)，其中，加热元件(44)与供电装置彼此电隔离。

5.按照权利要求1所述的X射线设备(2)，其特征为，每个加热元件(44)可以单独控制。

6.按照权利要求1所述的X射线设备(2)，其特征为，每个电子源(10)设计为模件(36)；以及，多个模件(36)为构成阵列(8)彼此靠近固定。

7.按照权利要求1所述的X射线设备(2)，包括控制装置(6)，其特征为，每个电子源(10)可由控制装置(6)逐个控制。

8.按照权利要求1所述的X射线设备(2)，包括控制装置(6)，其特征为，在工作状态为每个电子源(10)的加热元件(44)和为每个电子源(10)的阴极(26)相对于基准电位给定一个公共的阴极电位；以及，在加热元件(44)上的电位为了调整阴极(26)的温度能够借助交流电压改变。

9.按照权利要求1所述的X射线设备(2)，其特征为，为电子源(10)设弥散阴极，所述弥散阴极包括在工作时挥发的备用材料；以及，至少栅电极用一种材料制成或用一种材料镀层，所述材料阻止工作时挥发的备用材料沉积在栅电极上。

10.按照权利要求9所述的X射线设备(2)，其特征在于，所述备用材料是钡或氧化钡。