CN103250225A - 放射线产生装置和放射线成像装置 - Google Patents

Abstract

提供一种放射线产生装置和具有该放射线产生装置的放射线成像装置，该放射线产生装置具有简单的结构，并且能够屏蔽不必要的放射线，冷却靶，缩减装置的尺寸和重量，并实现更高的可靠性。透射型放射线管（10）被收纳在被冷却介质（8）填充的收纳容器（1）的内部。所述透射型放射线管包括外壳（19）、电子源（11）、靶单元（14）和屏蔽构件（16），外壳（19）具有孔口，电子源（11）在外壳（19）内部被布置为面对外壳的孔口，靶单元（14）用于响应于从电子源发射的电子的照射来产生放射线，屏蔽构件（16）用于屏蔽从靶单元发射的放射线的一部分。冷却介质接触屏蔽构件的至少一部分。

Description

放射线产生装置和放射线成像装置

技术领域

本发明涉及可应用于医疗器件和工业设备的领域中的无损X射线成像等的放射线产生装置和具有该放射线产生装置的放射线成像装置。

背景技术

放射线管（放射线产生管）将从电子源发射的电子加速到高能量，并用加速的电子照射靶以产生放射线（比如，X射线）。此时产生的放射线在所有方向上发射。鉴于此，收纳放射线管的容器或者放射线管的周围用比如铅的屏蔽构件（放射线屏蔽构件）覆盖，以便防止不必要的放射线泄漏到外部。因而，难以缩减这样的放射线管和收纳放射线管的放射线产生装置的尺寸和重量。

日本专利申请公开No.2007-265981公开了一种透射型多X射线产生装置，该透射型多X射线产生装置通过将屏蔽件各自布置在X射线发射侧和靶的电子入射侧来屏蔽不必要的发射的X射线。

因为靶具有相对低的散热性，所以这样的靶（阳极）-固定类型的透射型放射线管难以产生高能量放射线。日本专利申请公开No.2007-265981中公开的X射线产生装置被配置为靶被接合到屏蔽构件，这使得靶中产生的热量可被传递到屏蔽构件并且通过屏蔽构件被驱散，从而抑制靶的温度升高。

引文列表

专利文献

PTL1：日本专利申请公开No.2007-265981

发明内容

技术问题

然而，常规的透射型放射线管被配置为将屏蔽构件放置在真空室内部，这限制了用于将热量从屏蔽构件传递到真空室外部的区域。因此，靶的散热未必充分，导致实现靶冷却能力与紧凑的轻量级装置之间的平衡中的问题。

问题的解决方案

本发明的目的是提供一种放射线产生装置和具有该放射线产生装置的放射线成像装置，该放射线产生装置的尺寸小，重量轻，散热性优良，并且可靠性高。

为了实现以上目的，根据本发明的放射线产生装置包括：收纳容器；透射型放射线管，布置在收纳容器中；以及冷却介质，填充在收纳容器与透射型放射线管之间，其中，透射型放射线管包括外壳、电子源、靶单元和屏蔽构件，外壳具有孔口（aperture），电子源布置在外壳中，靶单元布置在孔口处，用于响应于从电子源发射的电子的照射来产生放射线，屏蔽构件在孔口处被布置为包围靶单元，用于屏蔽从靶单元发射的放射线的一部分，其中，屏蔽构件的至少一部分接触冷却介质。

本发明的有益效果

本发明被配置为：屏蔽构件被接合到靶单元，并且屏蔽构件的至少一部分接触冷却介质，以使得靶单元中产生的热量被传递到屏蔽构件，热量通过屏蔽构件被传递到冷却介质，以快速地驱散热量。此外，隔热构件插在靶单元与冷却介质之间，从而因为从靶单元的表面到冷却介质的热传递被控制，所以抑制由于局部过热而导致的冷却介质的劣化。这可提供具有简单结构并且能够屏蔽不必要的放射线并冷却靶的放射线产生装置。此外，可缩小用于屏蔽不必要的放射线的构件的尺寸，从而可实现整个放射线产生装置的尺寸和重量的缩减。此外，由于过热而导致的冷却介质的劣化的抑制使得能够长时间段地维持冷却介质的耐压性，从而使得能够提供可靠性更高的放射线产生装置。

从以下参照附图对示例性实施例的描述，本发明的进一步的特征将变得清楚。

附图说明

图1是本发明的放射线产生装置的示意图。

图2A、2B、2C、2D和2E是示出本发明的靶单元周围的配置的示意图。

图3是使用本发明的放射线产生装置的放射线成像装置的配置图。

具体实施方式

以下，将使用附图来描述本发明的实施例，但是本发明不限于这些实施例。此外，本发明的放射线产生装置中使用的放射线不仅包括X射线，而且还包括中子放射线和γ放射线。

图1是本发明的放射线产生装置（X射线产生装置）的示意图。透射型放射线管10（以下称为X射线管）收纳在收纳容器1内部。其中收纳X射线管10的收纳容器1内部的其余空间被冷却介质8填充。收纳容器1在其内部包括具有电路板的电压控制单元3（电压控制单元）、隔离变压器（isolation transformer）等。阴极控制信号、电子引出控制信号、电子束会聚控制信号和目标控制信号分别通过端子4、5、6和7从电压控制单元3施加于X射线管，以控制X射线产生。

收纳容器1可具有足以作为容器的强度，并且由金属、塑料等制成。收纳容器1可如本实施例那样包括由玻璃、铝、铍等制成的放射线透射窗口2。当设置放射线透射窗口2时，从X射线管10发射的放射线通过放射线透射窗口2向外辐射。

冷却介质8可具有电绝缘性。例如，可使用用作绝缘介质和用于冷却X射线管10的冷却介质的电绝缘油。矿物油、硅油等优选地用于电绝缘油。冷却介质8的其他可用例子可包括氟系列电绝缘体。

X射线管10包括外壳19、电子源11、靶单元14和屏蔽构件16。X射线管10还包括引出电极12和透镜电极13。由引出电极12产生的电场使电子从电子源11发射。发射的电子被透镜电极13会聚，并入射在靶单元14上以产生放射线。像本实施例那样，X射线管10还可包括排气管20。当设置排气管20时，例如，外壳19的内部通过排气管20被抽成真空，然后排气管20的一部分被密封，从而使得外壳19的内部能够为真空。

外壳19被设置来使X射线管10内部保持真空，并且由玻璃、陶瓷等制成。外壳19内部的真空度可为约10^-4至10^-8Pa。外壳19可在其内部包括未示出的吸气器以保持真空度。外壳19还包括孔口。屏蔽构件16接合到该孔口。屏蔽构件16具有与外壳19的孔口连通的通路。靶单元14接合到该通路，以气密地密封外壳19。

电子源11在外壳19内部被布置为面对外壳19的孔口。热阴极（比如，钨丝）和浸渍阴极或冷阴极（比如，碳纳米管）可用作电子源11。引出电极12布置在电子源11附近。由引出电极12产生的电场发射的电子被透镜电极13会聚，并入射在靶14上以产生放射线。施加于电子源11与靶14之间的加速电压Va根据放射线的意图的用途而不同，但是大致为约40kV至120kV。

如图2A所示，靶单元可包括靶14和透射板15。透射板15支承靶14，并透射靶14中产生的放射线的至少一部分。透射板15布置在屏蔽构件16的与外壳19的孔口连通的通路中。形成透射板15的材料优选地具有足以支承靶14的强度，吸收较少的在靶14中产生的放射线，并且具有高热导率以便快速地驱散靶14中产生的热量。例如，可使用金刚石、硅氮化物、铝氮化物等。为了满足以上对透射板15的要求，透射板15的厚度适合为约0.1mm至10mm。透射板15可与靶14一体地形成。

靶14布置在透射板15面对电子源侧的表面（内表面侧）上。形成靶14的材料优选地具有高熔点和高放射线产生效率。例如，可使用钨、钽、钼等。为了减少当产生的放射线穿过靶14时吸收的放射线，靶14的厚度适合为约1μm至20μm。

屏蔽构件16屏蔽从靶14发射的放射线的一部分。屏蔽构件16在外壳19的孔口中被布置为包围靶单元14。屏蔽构件16在其整个外围上与靶单元14连接，但是根据屏蔽构件16与靶单元14之间的布置关系，可以不必在其整个外围上连接。屏蔽构件16具有与孔口连通的通路，并且透射板15被接合到该通路。靶14可以不与该通路连接。屏蔽构件16可包括两个管状（比如，像本实施例那样，圆筒形）的屏蔽构件（第一屏蔽构件17和第二屏蔽构件18）。

第一屏蔽构件17具有当电子入射在靶14上并且产生放射线时屏蔽朝向靶14的电子源侧散射的放射线的功能。第一屏蔽构件17具有与外壳19的孔口连通的通路。从电子源11发射的电子穿过第一屏蔽构件17的与外壳19的孔口连通的通路，并且朝向靶14的电子源侧散射的放射线被第一屏蔽构件17屏蔽。

第二屏蔽构件18具有屏蔽穿过透射板15并且从透射板15发射的放射线的不必要放射线的功能。第二屏蔽构件18具有与外壳19的孔口连通的通路。穿过透射板15的放射线穿过第二屏蔽构件18的与外壳19的孔口连通的通路，并且不必要的放射线被第二屏蔽构件18屏蔽。

图2A至2E是靶单元14周围的示意图。在本实施例中，如图2A至图2E所示，第二屏蔽构件18的通路的截面积可从透射板15起朝向电子源的相对侧逐渐地增大（离透射板15越远，该面积增大得越多）。其原因是穿过透射板15的放射线被径向辐射。

此外，在本实施例中，优选的是，在从透射板15起的电子源侧与从透射板15起的电子源的相对侧之间，各侧的通路的开口（opening）的重心匹配（第一屏蔽构件17的通路的开口的重心与第二屏蔽构件18的通路的开口的重心匹配）。更具体地讲，如图2A至2E所示，第一屏蔽构件17的通路的开口和第二屏蔽构件18的通路的开口优选地布置在与其上放置透射板15的靶的表面垂直的同一直线上，透射板15插在它们之间。这是因为在本实施例中，靶14被用电子照射以产生放射线，并且穿过透射板15的放射线被发射。

形成屏蔽构件16（第一屏蔽构件17和第二屏蔽构件18）的材料优选地具有高放射线吸收率和高热导率。例如，可使用金属材料，比如，钨和钽。为了充分地屏蔽不必要的放射线和防止靶周围的尺寸不必要地增大，第一屏蔽构件17和第二屏蔽构件18的厚度适合为3mm至20mm。

阳极接地系统和中性点接地系统可用作本实施例的放射线产生装置中使用的电压控制单元，但是优选使用中性点接地系统。阳极接地系统是这样的，假定施加于靶14与电子源11之间的加速电压为Va[V]，用作阳极的靶14的电压被设置为地（0[V]），电子源11的电压被设置为-Va[V]。与此相反，中性点接地系统是这样的，靶14的电压被设置为+(Va-α)[V]，电子源11的电压被设置为-α[V]（其中，Va>α>0）。Va>α>0范围内的任何值可被设置给α，但是Va/2是优选的。中性点接地系统的使用可减小相对于地的电压的绝对值，并且可缩短沿面距离（creeping distance）。这里，沿面距离意指电压控制单元3与收纳容器1之间的距离以及X射线管10与收纳容器1之间的距离。沿面距离的缩短可缩小收纳容器1的尺寸，这可通过缩小的尺寸来减轻冷却介质8的重量，从而导致放射线产生装置的尺寸和重量的进一步缩减。

第一实施例

图2A示出本实施例的靶单元14周围的配置。靶14直接地或者通过透射板15与第一屏蔽构件17和第二屏蔽构件18机械接触和热接触。透射板15在电子源的相对侧（外表面侧）的表面和第二屏蔽构件18形成外壳19的外壁的一部分，并且被定位在收纳容器1的内部，与冷却介质8直接接触。结果，当电子入射在靶14上时产生的热量从透射板15在电子源的相对侧的表面被驱散到冷却介质8，同时还通过第二屏蔽构件18被快速地驱散到冷却介质8。因而，靶14的温度升高被抑制。

因而，本实施例可极大地改进靶冷却效果。

本实施例的放射线产生装置可被配置为屏蔽构件16仅包括第二屏蔽构件18。在这种情况下，当电子入射在靶14上时产生的热量从透射板15在电子源的相对侧的表面被驱散到冷却介质8，同时还通过第二屏蔽构件18被快速地驱散到冷却介质8。因而，靶14的温度升高被抑制。注意，在靶14的电子源侧需要另一个屏蔽构件（例如，由铅板制成并且覆盖外壳19的外壁的一部分的屏蔽构件）来屏蔽散射的放射线，但是该屏蔽构件无需覆盖放射线管的整个表面，从而使得能够缩减放射线产生装置的尺寸和重量。

第二实施例

在第一实施例中，透射板与冷却介质直接接触，从而靶中产生的热量引起冷却介质与透射板接触的部分的急剧的局部温度升高。局部温度升高引起冷却介质的对流流动，这引起冷却介质在透射板的表面上的回转（turnover），但是其一部分超过分解温度（对于电绝缘油，通常为约200°C至250°C），这可分解（劣化）冷却介质。冷却介质的分解的进展降低冷却介质的耐压性，这引起由于长时间驱动而导致的比如放电的问题。

图2B示出本实施例的靶单元14周围的配置。

隔热构件设置在屏蔽构件18的内表面侧，以便防止透射板15与冷却介质8之间的直接接触。隔热构件是由透射板15和盖板21形成的空间22，盖板21设置在屏蔽构件18的突出部分的端部中。盖板21被接合到第二屏蔽构件18。盖板21优选地由放射线吸收率低的材料（比如，金刚石、玻璃、铍、铝、硅氮化物和铝氮化物）制成。为了提供具有足够作为基板的强度的盖板21并且减少放射线吸收，盖板21的厚度优选地为约100μm至10mm。

形成隔热空间22的材料优选地具有比形成第二屏蔽构件18的材料的热导率低的热导率、低放射线吸收率和高耐热性，并且真空或气体是合适的。气体的例子可包括空气、氮气、惰性气体（比如，氩气、氖气、氦气）。形成隔热空间22的气体的压力可以是大气压力，但是因为气体由于当产生放射线时靶中产生的热量而膨胀，所以可被预设置为低于大气压力。形成隔热空间22的气体的压力与绝对温度成比例，因而基于假设温度，形成时的压力可被设置为该假设温度。本实施例的X射线管10可通过在真空或气态气氛（gaseous atmosphere）中将盖板21接合或焊接到第二屏蔽构件18来形成。

根据本实施例，除了屏蔽构件18的内表面侧之外，屏蔽构件18与冷却介质8直接接触，并且在屏蔽构件18的内表面侧，热导率低于第二屏蔽构件18的热导率的隔热构件22形成在透射板15与冷却介质8之间。因此，靶14中产生的热量被传递到第二屏蔽构件18，热量通过第二屏蔽构件18被传递到冷却介质8以被快速地从冷却介质8驱散。因而，靶14的温度升高被抑制，同时，从透射板15到冷却介质8的热传递被抑制，从而抑制由于局部过热而导致的冷却介质8的劣化。

当隔热构件22是真空时，如图2C所示，孔（连通孔）23设置在第一屏蔽构件17和第二屏蔽构件18中，并且通过该孔，外壳19的内部可调适为与隔热构件22的内部连通。当设置连通孔23时，能够以这样的方式形成本实施例的X射线管10，即，在盖板21被接合到第二屏蔽构件18之后，同时通过排气管20对外壳19的内部和隔热构件22的内部进行排气，并且密封排气管20。

第三实施例

图2D示出本实施例的靶单元14周围的配置。插在透射板15与冷却介质8之间的隔热构件由固态隔热构件24制成。其他组件可与第二实施例的组件相同。

形成隔热构件24的材料优选地具有比形成第二屏蔽构件18的材料的热导率低的热导率、低放射线吸收率和高耐热性。所述材料的例子可包括硅氧化物、硅氮化物、钛氧化物、钛氮化物、钛碳化物、锌氧化物、铝氧化物等。隔热构件24可用膜形成方法形成，在膜形成方法中，在透射板15的表面上对以上任一种材料进行溅射、沉积、CVD、溶胶凝胶、或其他处理；或者以这样的方式形成，即，将由以上材料中的任何材料制成的基板附连或接合到透射板15的表面。为了抑制透射板15与冷却介质8之间的热传递并且减小放射线吸收率，隔热构件24的厚度优选地在10μm至10mm的范围内。

根据本实施例，主要通过膜形成来形成隔热构件24。因而，可简化制造工艺，并且可降低制造成本。

第四实施例

图2E示出本实施例的靶单元14周围的配置。本实施例被配置为：隔热构件25不仅形成在透射板15与冷却介质8之间，而且还形成在第二屏蔽构件18的通路的内壁与冷却介质8之间。隔热构件25的材料和膜形成方法与第三实施例的隔热构件的材料和膜形成方法相同。

本实施例不仅可抑制从透射板15到冷却介质8的热传递，而且还可抑制从第二屏蔽构件18在透射板15附近的相对高温部分到冷却介质8的热传递。因而，本实施例可进一步抑制由于过热而导致的冷却介质8的劣化。

第五实施例

图3是本实施例的放射线成像装置的配置图。该放射线成像装置包括放射线产生装置30、放射线检测器31、信号处理单元32、装置控制单元33和显示单元34。作为放射线产生装置30，使用根据第一实施例至第四实施例之一的放射线产生装置。放射线检测器31通过信号处理单元32与装置控制单元33连接。装置控制单元33与显示单元34和电压控制单元3连接。

放射线产生装置30的处理由装置控制单元33综合控制。例如，装置控制单元33控制放射线产生装置30和放射线检测器31的放射线成像。从放射线产生装置30发射的放射线穿过对象35，并且被放射线检测器31检测，在放射线检测器31中，获取对象35的放射线透射图像。获取的放射线透射图像显示在显示单元34上。此外，例如，装置控制单元33控制放射线产生装置30的驱动，并且通过电压控制单元3控制施加于X射线管10的电压信号。

尽管已参照示例性实施例描述了本发明，但是要理解本发明不限于公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被赋予最宽泛的解释，以便包含所有这样的修改以及等同的结构和功能。

本申请要求于2010年12月10日提交的日本专利申请No.2010-275619和于2010年12月10日提交的日本专利申请No.2010-275621的权益，其全文在此通过引用被并入。

Claims (10)

1.一种放射线产生装置，包括：

收纳容器；

透射型放射线管，所述透射型放射线管布置在所述收纳容器中；和

冷却介质，所述冷却介质填充在所述收纳容器与所述透射型放射线管之间，其中，

所述透射型放射线管包括：

外壳，所述外壳具有孔口，

电子源，所述电子源布置在所述外壳中，

靶单元，所述靶单元布置在所述孔口处，用于响应于从所述电子源发射的电子的照射来产生放射线，和

屏蔽构件，所述屏蔽构件在所述孔口处被布置为包围所述靶单元，用于屏蔽从所述靶单元发射的放射线的一部分，其中，

所述屏蔽构件的至少一部分接触所述冷却介质。

2.根据权利要求1所述的放射线产生装置，其中，

所述靶单元被布置为不与所述冷却介质接触。

3.根据权利要求2所述的放射线产生装置，还包括：

隔热构件，所述隔热构件在所述屏蔽构件的内侧被布置在所述靶单元与所述冷却介质之间。

4.根据权利要求1所述的放射线产生装置，其中，

由所述屏蔽构件形成并且与所述孔口连通的通路的截面积朝向所述外壳的外部逐渐增大。

5.根据权利要求3所述的放射线产生装置，其中，

所述隔热构件在其内部收纳具有低于大气压力的压力的空间。

6.根据权利要求5所述的放射线产生装置，其中，

所述隔热构件在其内部收纳气体。

7.根据权利要求3所述的放射线产生装置，其中，

所述隔热构件通过布置在所述屏蔽构件内部的孔与所述外壳的内部连通。

8.根据权利要求3所述的放射线产生装置，其中，

所述隔热构件包括热导率比所述屏蔽构件的材料的热导率小的材料的固体物质。

9.根据权利要求3所述的放射线产生装置，其中，

所述隔热构件还布置在由所述屏蔽构件形成的通路的内壁与所述冷却介质之间。

10.一种放射线成像装置，包括：

根据权利要求1至9中的任一项所述的放射线产生装置；和

放射线检测器，所述放射线检测器用于检测从所述放射线产生装置发射并且透射穿过对象的放射线。

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