CN103189955A - 用于高分辨率x射线设备的微焦点x射线管 - Google Patents
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Abstract
用于高分辨率X射线设备的微焦点X射线管(11)包括外壳(34)、用于产生电子射束(14)的电子射束源(15)和用于在靶(23)上聚焦电子射束(24)的聚焦透镜(22)。X射线管(11)具有基本上旋转对称的、环形的冷却室(30),其设计用于通过流体的冷却介质。
Description
本发明涉及用于高分辨率X射线设备的微焦点X射线管,该微焦点X射线管包括外壳、用于产生电子射束的电子射束源和用于将电子射束聚焦到靶上的聚焦透镜。
这种X射线管例如公知用于高分辨率的计算机断层摄影设备。
由于检测器技术、计算机和存储器容量的进步以及微焦点X射线管的分辨率的提高,微型计算机断层摄影能够实现以直到微米以下范围的非常高的位置分辨率(体元大小)的体积重构。因为以高的分辨率重构所需要的全部X射线投影的测量通常持续许多小时,所以由热引起的试样投影在检测器上的移动带来极大的问题。虽然知道借助基于软件的算法来补偿这种移动,但是可由此达到的分辨率改善是受限的。
这里关键的部件是X射线管,因为在对热不敏感的操纵器上不可能把这些管固定在焦斑中;在焦点和该管在操纵器上的固定架之间在管外壳上始终保持对热敏感的(通常是金属的)连接,这不需要另外的措施便导致X射线管的焦点位置在测量持续的过程中极大地移动。
一种用于把X射线管的焦点位置在整个测量持续过程中尽可能保持恒定的通常措施在于,在开始扫描之前,把该管加热到运行温度并且等待,直到已经建立热平衡。然而由于X射线管的极大的质量和与此联系在一起的大的热容量,到热平衡建立要持续若干小时。此外该热平衡通过该管的每一个参数改变被重新破坏,这另外引起极大的等待时间。
本发明的任务在于,提供一种微焦点X射线管,它使得能够在工业应用中在较短的时间内以较高的分辨率获得数据。
本发明通过独立权利要求1的特征解决该任务。由于借助流过冷却室的冷却介质对X射线管的冷却,抵抗由热引起的焦点位置的移动。这里一个决定性的特征是:根据本发明冷却室基本上是旋转对称的。由此,在该管不处于热平衡状态下时,也能够在该管内维持主要通过旋转对称的热输入、尤其由于电子光学器件内的能量散逸和管外壳的表面上吸收热能而产生的基本上旋转对称的温度分布。通过在该管内维持旋转对称的温度分布,能够非常有效地阻止焦点的侧向移动,也就是说在垂直于旋转轴线设置的焦点平面内的移动。因为焦点平面内的这些移动对于检测器上的位置分辨率有大的影响,所以根据本发明能够在体积重构中显著提高位置分辨率。能够省去对该管的预热和对于热平衡建立的等待,这总体而言极大地缩短测量持续过程。
由于根据本发明的基本上旋转对称的冷却,基本上仅遗留焦点在轴向上的热移动。这对于检测器上的位置分辨率具有不太严重的作用。此外,只要需要,可以通过提高冷却功率,也就是说通过相应设计的冷却泵,有效地阻止焦点的轴向热移动。
通过环形的冷却室,本发明有利地与尤其是螺旋形围绕旋转轴线设置的冷却管线区分开(abgegrenzt),在那里尤其在轴向的末端区出现极大地偏离旋转对称的冷却。
优选冷却室在纵向截面内的截面面积是要与冷却室连接的冷却管线的截面面积的至少五倍、更优选至少十倍大。该特征由于在给定结构大小的情况下在冷却室内尽可能大的冷却体积而有助于特别有效地冷却。出于同样的理由,优选冷却室在纵向截面内的内部净距大于冷却室的壁厚,由此能够把尽可能多的可供使用的结构空间用作冷却介质体积。
优选冷却室制造成环形圆筒形,其中冷却室的径向内壁和径向外壁制造成圆筒形。该形状由于在给定结构大小的情况下尽可能大的冷却体积而允许特别有效地冷却,此外在制造工艺方面也具有优点。
优选用于冷却介质的入口和出口在该管的圆周方向是彼此错开设置,更优选错开至少90°,还更优选错开180°,也就是说关于管轴线彼此相对设置。这种设置能够有助于尽可能均匀地流过整个冷却室体积。
下面根据有利的实施方式参照附图说明本发明。附图中:
图1表示微型计算机断层摄影系统的示意图;
图2表示通过第一实施方式中的X射线管的纵向截面;
图3表示垂直于纵长轴线通过X射线管的截面;
图4表示通过第二实施方式中的X射线管的纵向截面;
图5表示通过第三实施方式中的X射线管的纵向截面;
图6表示在对于图3的另外可选的实施方式中垂直于纵长轴线通过X射线管的截面。
图1中表示的微型计算机断层摄影设备包括X射线系统10,其设计用于拍摄试样13的一组X射线投影。为此目的,X射线系统10包括微焦点X射线管11,X射线射束14从X射线管11的聚焦点或焦点16发射;产生图像的X射线检测器12和试样保持器20,其优选设计用于使试样13围绕竖直轴线旋转。X射线检测器12优选是平面检测器,特别是平板检测器,然而也可以是行检测器。试样13的一组X射线投影例如通过逐步地将试样保持器20每次旋转规定的小步进角并且在每个旋转角度下拍摄X射线投影来获得。X射线系统10不限于围绕竖直轴线旋转试样保持器20。另外可选的方案是,例如可以围绕固定的试样13旋转X射线管11和X射线检测器12。
从X射线检测器12中读出这些X射线投影并且向计算机设备41传输这些X射线投影,在那里从拍摄的该组X射线投影中借助一种基本上公知的重构算法来计算试样13的重构的三维体积数据并且例如在屏幕42上显示。如图1所示,计算机设备41能够同样是设计用于控制X射线源11、试样保持器20和X射线检测器12;另外可选的方案是可以提供单独的控制设备。
微焦点X射线管11包括阴极元件15、Wehnelt圆筒21、阳极19、优选作为电磁透镜构造的聚焦透镜22和电子射束靶23。此外可以提供另一个电磁透镜25,其优选作为聚光透镜设计,以便把电子射束24近似平行地定向或者以便产生一个中间的图像;然而聚光透镜25不是一定必需的。此外微焦点X射线管11适当地包括一个未图示的用于调整射束位置的偏转单元。微焦点X射线管11如此设计,使得靶23上的最小的焦点或聚集点小于或者等于10μm,优选小于或者等于4μm,更优选小于或者等于2μm。
此外微焦点X射线管11还包括外壳,其可以由多个段组成。尤其可以提供接收阴极元件15且构成阳极19的外壳段35、包围聚焦透镜22的外壳段36以及必要时还有设置在外壳段35和外壳段36之间的中间外壳段37,中间外壳段37内例如可以设置聚光透镜25。包围线圈33的外壳36有利地不具有热绝缘,特别是非金属的屏蔽或者层,其阻碍热平衡的建立。
X射线管11包括环形的冷却室30,它具有入口31和出口32,它们可以通过冷却管线38与未图示的用于冷却循环的冷却介质泵连接。以这种方式流体的冷却介质(尤其是水或油)可以流过冷却室30,以便抵抗从不同的内部热源和外部热源输入热能以及与此联系在一起的相对于X射线管固定架39移动焦点16。所述热源例如由于电子射束24在靶23上的撞击、在电子光学器件22内的能量散逸以及管外壳34的表面上吸收热能而产生。
冷却室30成环形自身封闭,这从图3和6中最好地看出。在根据图3的实施方式中冷却室30的流体流过的内部空间在圆周方向上完全连续。在该实施方式中入口31和出口32优选彼此错开180°,也就是说彼此相对设置,如图3所示,由此冷却室30尽可能被均匀地流过,而不形成冷却介质的任何优选流动方向。
相反,在根据图6的实施方式中,在冷却室30内提供径向的分开壁48,它在一个圆周位置中断冷却室30的流体流过的内部空间。在这种情况下入口31和出口32适当地设置在分开壁48的区域内在分开壁48的相反侧,以便完全地流过冷却室30。在该实施例中入口和出口也可以在圆周上基本上不错开,而代之为在轴向错开设置。
根据图6的实施例表明,本发明的特征“基本上旋转对称”意味着,除了冷却介质的入口和出口31、32、冷却室内可能的分开壁48和必要时另外的、本质上不干扰旋转对称性的功能元件之外是旋转对称的。术语轴向、径向和旋转对称在本申请的范围内涉及管11的纵长轴线,其通过阴极15和靶23之间的电子射束24的中轴线来定义。
在根据图2的实施方式中冷却室30围绕管外壳34、尤其围绕包围聚焦透镜22的外壳段36设置。在该实施方式中冷却室30主要在轴向上延伸,也就是说它的轴向延伸优选至少是它的径向延伸的两倍大。例如冷却室30的轴向延伸可以与聚焦透镜22的线圈33的轴向延伸匹配。
在根据图4和5的实施方式中,冷却室30在管外壳34内设置。在图4表示的变体中冷却室30设置在包围聚焦透镜22的外壳段36外部,这里在中间的外壳段37内。在图5表示的变体中冷却室30在包围聚焦透镜22的外壳段36内直接在线圈33旁边设置。在这两种实施方式中冷却室30主要在径向上延伸,也就是说它的径向延伸优选比它的轴向延伸至少大50%。例如冷却室30的径向延伸可以与聚焦透镜22的线圈33的径向延伸匹配。
在根据图2、4和5的实施方式中冷却室30与聚焦透镜22的线圈33相邻设置,这是因为线圈33表示该管11中的一个主热源。但是本发明不限于冷却室30与聚焦透镜25相邻设置。
在根据图2到6的实施方式中冷却室具有环形圆筒的优选形状。因此冷却室30的径向外壁45和径向内壁46形成圆筒形。用于构成封闭的冷却室30所需要的侧壁47优选是圆盘形。
构成冷却室的壁45、46、47优选用具有至少50w/mk的良好导热性的材料制成,尤其用以铝、铜和/或黄铜为基础的材料制成。
如可从图2、4和5看出的那样,冷却室30在纵向截面内的截面面积比要通过接头31、32与冷却室30连接的冷却管线38的截面面积的十倍要大。因此冷却介质在冷却室30内的流动速度优选比要通过接头31、32与冷却室30连接的冷却管线38内的速度的十分之一要小。冷却室30在纵向截面内的内部净距极大地大于壁45到47的壁厚,由此能够尽可能多地把可供使用的结构空间用作冷却介质容积。上述特征由于冷却室30内在给定结构大小的情况下尽可能大的冷却容积有助于有效的冷却。
本发明不限于一个冷却介质入口31、一个冷却介质出口32以及必要时的一个分开壁48。可以设想具有多个冷却介质入口31、多个冷却介质入口31和/或多个分开壁48的另外的实施方式。
管11可以具有多个冷却室30,它们例如可以在轴向上彼此错开设置。
上面关联具有透射靶的管11说明了冷却室30。然而冷却室30可以没有困难地另选有利地装入具有直接辐射几何结构的,也就是说具有反射靶的管11中。
上面为在CT设备中的优选的应用说明了管11。然而可以设想组件的工业X射线测试或者X射线测量的其它应用。一般X射线管11可以有利地在具有产生图像的检测器的高分辨率X射线设备中使用。
Claims (9)
1.用于高分辨率X射线设备的微焦点X射线管(11),所述微焦点X射线管(11)包括外壳(34)、用于产生电子射束(14)的电子射束源(15)和用于将电子射束(24)聚焦在靶(23)上的聚焦透镜(22),其特征在于,所述X射线管(11)具有基本上旋转对称的、环形的冷却室(30),所述冷却室(30)设计用于流过流体的冷却介质。
2.根据权利要求1所述的X射线管,其中,冷却室(30)在纵向截面内的截面面积至少与要与所述冷却室(30)连接的冷却管线(38)的截面面积的五倍一样大。
3.根据上述权利要求之一所述的X射线管,其中,所述冷却室(30)在纵向截面内的内部净距大于冷却室壁(47-47)的壁厚。
4.根据上述权利要求之一所述的X射线管,其中,所述冷却室(30)具有环形圆筒的形状。
5.根据上述权利要求之一所述的X射线管,其中,用于所述冷却介质的入口(31)和出口(32)在所述管的圆周方向上彼此错开设置。
6.根据上述权利要求之一所述的X射线管,其中,用于冷却介质的入口(31)和出口(32)关于管轴线彼此相对设置。
7.根据上述权利要求之一所述的X射线管,其中,所述冷却室(30)与所述聚焦透镜(22)的线圈(33)相邻设置。
8.根据上述权利要求之一所述的X射线管,其中,构成所述冷却室(30)的壁(45-47)用具有至少50w/mk的热导率的材料制成。
9.根据上述权利要求之一所述的X射线管,其中,构成所述冷却室(30)的壁(45-47)用以铝、铜和/或黄铜为基础的材料制成。
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