CN102884606A - 微焦x射线管的阴极元件 - Google Patents

Abstract

一个用于微焦x射线管的阴极元件，包括由金属丝形成的、可加热的用于热发射电子以形成电子束的灯丝。所述灯丝在电子束的源范围内在垂直于电子束的两个方向上分别具有长形延伸（l1,l2）。

Description

微焦x射线管的阴极元件

技术领域

本发明涉及一种微焦x射线管的阴极元件，包括由金属丝形成的、可加热的灯丝（Filament），该灯丝用于热发射电子以便形成电子束。

背景技术

在微焦x射线管中，为了实现在μm范围内的焦斑尺寸而使用发夹式灯丝，其中金属丝弯曲成尖头电极来发射细的电子束。但是由于增加的高的射线管电流和与此相关的灯丝温度使得发夹式灯丝只具有相对短的使用寿命，因此在有限的运行小时以后必需有规律地更换阴极元件。由此引起巨大的附加的维护费用和相应的停机时间，这些尤其妨碍了微焦x射线管在工业生产中的使用。

发明内容

本发明的目的是，提供一种具有延长的使用寿命的用于微焦x射线管的阴极元件。

本发明借助独立权利要求的装置实现这一目的。

由于按照本发明的灯丝在电子束的源范围内在垂直于电子束的两个方向上的长形延伸可以显著提高发射电子的有效面积，从而与发夹式灯丝的发射电子的丝尖基本尖状延伸相比，明显更低的灯丝温度足够用于发射相同的电子流。灯丝的长形延伸意味着，长度显著地、尤其至少50%大于金属丝的粗度，优选地至少两倍大，更加优选至少三倍大。较低的灯丝温度导致明显延长灯丝的使用寿命并由此延长阴极元件的使用寿命。通过本发明能够实现数倍地、直到一个数量级并更多地延长的灯丝使用寿命。已经特别惊奇地证实，尽管扩大发射电子的面积，仍然可以实现小于10μm、优选地7μm和更小的焦点尺寸。因此基于本发明能够在工业生产中使用高分辨率的微焦x射线检验装置。

所述灯丝在电子束的源范围中优选地具有多个并排设置的丝段。通过这种方式使本发明以简单的方式由单一的灯丝实现。在一个能特别简单完成的并因此优选的实施方式中灯丝段由多个灯丝圈形成，从而使得发射电子的灯丝范围具有螺旋丝的形状。

所述灯丝段优选地相互间隔地设置。由此灯丝侧面、即灯丝段之间的侧面的灯丝面积可以进一步有助于电子发射的表面，由此可以放大本发明的效果。

所述灯丝段的数量优选地为至少三个，用于实现明显增加的发射电子的表面。发射电子的灯丝段数量优选最多为10个、进一步优选最多为6个，以实现最大10μm的微焦、即电子束焦斑。奇数灯丝段是有利的，因为正好处于中心的灯丝段使电子束的射线轮廓变得更有利。特别优选三个、五个或七个灯丝段。

所述阴极元件优选地设计成可更换的元件，其用于安装在微焦x射线管的更换座中。在这种情况下根据应用可以使按照本发明的阴极元件或者具有发夹式灯丝的常规阴极元件安装在按照本发明的微焦x射线管的更换座里面。

按照本发明的微焦x射线管优选地包括聚光透镜，其用于在使用按照本发明的阴极元件的情况下使得电子束接近平行地取向。这能够实现，尤其在使用下游的常规聚焦透镜的情况下，与所使用的阴极元件类型无关地得到特有的射线管额定参数。在使用具有发夹式灯丝的阴极元件情况下，聚光透镜以适宜的方式断开。无需使聚光透镜匹配于按照本发明的阴极元件。

附图说明

下面借助有利的实施例参照附图详细地解释本发明。附图示出：

图1示出微计算机x射线摄影系统的示意面，

图2示出微焦x射线管的示意横截面图，其中插入了按照图3、4的阴极元件，

图3示出按照本发明实施例的灯丝立体图，

图4示出了迎着电子束方向的阴极单元，其具有在图3中所示的灯丝，

图5，6示出了迎着电子束方向的阴极单元，其具有另一实施例的灯丝，

图7示出微焦x射线管的示意横截面图，其插入有具有发夹式灯丝的阴极元件。

具体实施方式

在图1中所示的微计算机x射线摄影系统包括x射线系统10，x射线系统10布置成用于拍摄试样13的x射线投射组。为此，x射线系统10包括微焦x射线管11，从x射线管11的焦点16发射x射线辐射14，x射线系统10还包括形成图形的x射线检测器12和试样固定器20，试样固定器20优选地布置成用于使试样13围绕垂直轴旋转。x射线检测器12优选地是面检测器、尤其是平板检测器，但是也可以是线检测器。例如通过试样固定器20以分别确定的小的角间距逐步地旋转和通过在每个旋转角拍摄x射线投影得到试样13的x射线投影组。x射线系统10不局限于试样固定器20围绕垂直轴的旋转。作为选择例如可以使x射线管11和x射线检测器12围绕静止的试样13旋转。

x射线投影由x射线检测器12读出并且传递到计算机装置41，在那里由所拍摄的x射线发射组利用原理上公知的重建算法计算试样13的重建的三维体积数据并且例如在显示屏42上显示。如图1所示，计算机装置41同样可以布置用于控制x射线源11、试样固定器20和射线检测器12，作为选择可以选择设有独立的控制装置。

微焦射线管11尤其包括阴极元件15、文纳尔柱形电极21、阳极19、优选地作为电磁透镜实施的聚焦透镜22和电子束靶23。此外可以设有另一电磁透镜25，它优选地布置成聚光透镜，用于接近平行地调直电子束24；但是，不是一定需要聚光透镜25。聚焦射线管11还适宜地包括未示出的用于调整射线位置的偏转单元。

阴极元件15包括灯丝17，灯丝17由适合的金属丝27、尤其钨丝制成并且装配在绝缘的、例如由陶瓷制成的座34上。灯丝的金属丝27优选地具有100μm至300μm的强度，例如约200μm。在灯丝17的端部上施加加热电压，用于由灯丝金属丝27热发射电子。在灯丝17与阳极19之间施加通过未示出的高压发生器产生的加速电压，用于使从金属丝提取的电子向着阳极19加速并且产生电子束24。最高加速电压优选地至少为100kV，优选地至少200kV。

所产生的电子束利用聚焦透镜22聚焦到靶23上，由此产生x射线14。靶23优选地以反射结构设置（直接电子束靶）。块状的靶23可以接收较高的功率，从而使射线管11有利地布置用于产生至少1mA的最大射线管电流和/或至少100W的最大射线管功率。因此射线管11适合于检验相对厚的试样，例如铸件。

本发明不局限于直接电子束靶。按照本发明的灯丝17尤其也可以在具有透射靶的射线管11里面使用。鉴于此，最大射线管电流优选地至少为0.5mA和/或最大射线管功率至少为50W。

为了在x射线图形中实现在微计算机照相中所期望的明显小于10μm的细节识别性，需要使在靶23上的电子束焦点16的尺寸在10μm以下。为此使电子束24首先利用相对于灯丝17位于适合的负电位上的文纳尔柱形电极或栅极21聚焦，从而产生清晰的转向点26。因此阴极17、文纳尔柱形电极21和阳极19形成三极管。在阳极19后面，电子束还通过聚焦透镜22聚焦在靶的焦点16上。射线管11的电子光路一般布置成用于产生具有最大10μm的平均直径的焦点16，这里射线管由文纳尔柱形电极21、聚焦透镜22和必要时的聚光透镜25组成。

在按照图3和4的优选实施例中，灯丝17的发射电子的部位28由多个优选地基本相互平行设置的圈29形成。在这个实施例中灯丝17是简单卷绕的灯丝圈。这里优选涉及至少三个圈29。在图3和4的实施例中示出可能是最优选的三个圈29。此外优选涉及最多十个圈29，更优选最多七个圈29，用于根据期望的x射线图形中的细节识别性来限制发射电子范围的延展。

由多个灯丝段30形成朝向靶23的灯丝表面，它形成电子束24的主源，如在图4中优选地所示。灯丝段30优选地基本平行地取向并因此形成朝向靶23的灯丝17表面的总体上扁平地延伸，其具有垂直于电子束的第一长形延伸l1和垂直于电子束且垂直于延伸l1的第二长形延伸l2（见图4）。长形延伸意味着，l1和l2明显大于灯丝的粗度d，尤其至少大50%，优选至少大两倍，更优选至少大三倍，在本实施例中约为四倍。与长度约为d2的“点状”的发夹式灯丝的尖端表面相比，得到以直到三倍或更大的系数加大的发射电子的灯丝17表面。由此为了产生相同的射线管电流可以明显降低灯丝17的加热温度，并由此以直到10且更大的系数提高其使用寿命。延伸l1和l2优选地大小基本相同，即相互间的差别不大于两个延伸中较大者的50%。灯丝17优选地没有尖端或折弯点，并具有灯丝直径d范围内的弯曲半径。

圈29和相关的发射电子的灯丝段30优选地相互间隔地设置，如图4看到的那样。间隔优选地小于或等于灯丝27的粗度d，并且优选地位于0.1d至d的范围，在所示情况下例如为0.5d或约100μm。灯丝段30的间隔布置的优点是，灯丝段30的侧面或侧面表面附加地用于发射电子的、形成电子束源的表面。由此可以无需更多费用地进一步提高有效发射电子的面积。

灯丝段30也可以以其它方式利用灯丝圈29形成。在未示出的实施方式中，每个灯丝段30例如可以由独立的简单的灯丝形成。在图5中所示的实施方式中，例如由蛇形灯丝形成例如五个灯丝段30。按照图6的实施方式表明，没有直线的灯丝段30也可以实现朝向靶23的灯丝27表面的总体平坦的延伸。

射线管11以敞开的结构形式构成，即，射线管11具有用于通风的装置并且可以在通风状态敞开，从而取出阴极元件15并安装新的阴极元件15，尤其当灯丝已经达到或超过给定的运行时间的时候。为此，射线管11的外壳34由两个外壳半体35、36组成，它们在一个法兰37上是相互可分开的。作为可更换的元件实施的阴极元件15优选地包括文纳尔柱形电极21，由此生产者就可以将灯丝17相对于用于电子束24的端面开孔31进行定心，而无需由射线管11的操作者完成。在装入新的阴极元件15以后，通过连接两个外壳半体35、36真空密封地封闭射线管11，并且利用永久地装配在射线管11上的真空泵33抽真空到操作真空。

在优选的实施例中，尤其当期望更高的射线图形细节识别性的时候，射线管11适于可选地与发夹式灯丝17一起使用。为此，仅在座32里面安装一个具有发夹式灯丝的阴极元件15；在图7中示出在这种高分辨率的运行状态中的射线管11。除了更换阴极元件15，或者未示出的高压发生器，不必在结构上对射线管11进行其他改变。为实现这一点，所使用的具有基本扁平延伸的灯丝17的主要参数，如灯丝长度和直径、尺寸如圈直径以及间隔，需要被最优化地选择。在具有发夹式灯丝的射线管11运行时，聚光透镜25优选地关闭。因此射线管11以常见的方式利用聚焦透镜22运行。优选地，通过插入具有发夹式灯丝的阴极元件自动地关闭聚光透镜25。

在图1中所示的实施方式涉及微计算机摄影系统10。但是射线管11同样适用于两维的没有CT重建的放射性检验设备。

Claims (15)

1.一种用于微焦x射线管的阴极元件（15），所述阴极元件（15）包括由金属丝（27）形成的、可加热的灯丝（17），所述灯丝（17）用于热发射电子以形成电子束（24），其特征在于，所述灯丝（17）在电子束的源范围（28）内在垂直于电子束（24）的两个方向上分别具有长形的延伸（l1,l2）。

2.如权利要求1所述的阴极元件，其中，所述灯丝（17）在电子束（24）的源范围（28）内具有多个并排设置的灯丝段（30）。

3.如权利要求2所述的阴极元件，其中所述灯丝段（30）相互间隔地设置。

4.如权利要求2或3所述的阴极元件，其中所述灯丝段（30）的数量为至少三个。

5.如权利要求2至4中任一项所述的阴极元件，其中所述灯丝段（30）由灯丝（27）的多个灯丝圈（29）形成。

6.如上述权利要求中任一项所述的阴极元件，其中所述阴极元件（15）设计成可更换的元件，以便安装在微焦x射线管（11）的更换座（32）中。

7.一种微焦x射线管（11），包括如上述权利要求中任一项所述的阴极元件（15）和靶（23），以便借助于碰撞到靶（23）上的电子束（24）来产生x射线（14）。

8.如权利要求7所述的微焦x射线管，其中，所述电子束（24）在靶（23）上的焦斑（16）具有最大10μm的平均直径。

9.如权利要求7或8所述的微焦x射线管，其中，所述x射线管可通风、打开并真空密封地封闭，以更换阴极单元。

10.如权利要求7至9中任一项所述的微焦x射线管，包括用于将x射线管抽真空的真空泵（33）。

11.如权利要求7至10中任一项所述的微焦x射线管，包括聚光透镜（25），所述聚光透镜（25）布置成使得电子束（24）接近平行地取向。

12.如权利要求11所述的微焦x射线管，其中，如果具有发夹式灯丝的阴极元件（15）被安装在微焦x射线管（11）中，所述聚光透镜（25）可以被关闭。

13.如权利要求7至12中任一项所述的微焦x射线管，其中最大射线管电流为至少1mA。

14.如权利要求7至13中任一项所述的微焦x射线管，其中最大射线管功率为至少100W。

15.一种利用微焦x射线检验试样的方法，包括利用微焦x射线管（11）产生x射线，所述微焦x射线管（11）包括由金属丝（27）形成的、可加热的灯丝（17），所述灯丝（17）用于热发射电子以形成电子束（24），其特征在于，所述灯丝（17）在电子束的源范围（28）内在垂直于电子束（24）的两个方向上分别具有长形的延伸（l1,l2）。

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