CN103718653B - 放射线产生装置和放射线成像装置 - Google Patents

Abstract

一种放射线产生装置包括：包壳1，具有放射线透射通过的第一窗口2；以及放射线管10，被保持在包壳1内，并且具有放射线透射通过并与第一窗口2相对布置的第二窗口15以及放射线屏蔽构件16，放射线屏蔽构件16与第二窗口15热连接，具有被布置为与第二窗口15连通的放射线透射孔21，并且具有从第二窗口15朝向第一窗口2突出的突出部分。热导率高于放射线屏蔽构件16的热导率的热传导构件17与放射线屏蔽构件16的突出部分连接。该放射线产生装置可以屏蔽不必要的放射线，并且通过简单结构冷却靶，而且重量整个地减轻。

Description

放射线产生装置和放射线成像装置

技术领域

本发明涉及一种用于医疗设备和工业设备领域中的无损X射线成像的放射线产生装置、以及使用该放射线产生装置的放射线成像装置。

背景技术

通常，放射线管以高电压使从电子发射源发射的电子加速，以用该电子照射靶来产生诸如X射线的放射线。此时产生的放射线在所有方向上发射。PTL1公开了一种透射型X射线产生装置，在该透射型X射线产生装置中，X射线屏蔽构件被放置在靶的电子入射侧和X射线发射侧以屏蔽不必要的X射线。

为了产生适合于放射线成像的放射线，需要在电子发射源与靶之间施加高电压以用具有高能量的电子束照射靶。然而，通常，放射线的产生效率极其低，并且大约99%的消耗功率在靶处产生热量。因为所产生的热量使靶的温度升高，所以需要用于防止靶的热损伤的单元。PTL2公开了一种X射线产生管，在该X射线产生管中，在X射线透射窗口周围提供冷却机构以提高靶部分的热辐射效率。

引文列表

专利文献

PTL1：日本专利申请公开No.2007-265981

PTL2：日本专利申请公开No.2004-235113

发明内容

技术问题

在医疗领域中通过短时间脉冲和大管电流进行成像或者在工业领域中通过电子束的小焦点进行成像时，靶的温度可以瞬间升高。在这样的情况下，仅经由常规的放射线屏蔽构件的热辐射是不够的。

如果增大放射线屏蔽构件的厚度来提高热辐射性质，则因为放射线屏蔽构件通常由重金属制成，所以整个放射线产生装置的重量增大。此外，与放射线屏蔽构件分开提供冷却机构使得难以缩小整个放射线产生装置的大小。

因此，本发明的目的是提供一种放射线产生装置、以及使用该放射线产生装置的放射线成像装置，该放射线产生装置可以屏蔽不必要的放射线，并且通过简单结构冷却靶，而且重量减轻。

问题的解决方案

为了解决以上问题，根据本发明的一方面，一种放射线产生装置包括：包壳，具有放射线透射通过的第一窗口；以及放射线管，被保持在包壳内，并且具有与第一窗口相对布置的、放射线透射通过的第二窗口，其中，放射线管具有放射线屏蔽构件，该放射线屏蔽构件具有从第二窗口朝向第一窗口突出的突出部分，并且热导率高于放射线屏蔽构件的热导率的热传导构件与放射线屏蔽构件的突出部分连接。

本发明的有益效果

根据本发明，可以确保不必要的放射线的屏蔽性能，并且可以有效地辐射靶的热量。此外，密度低于放射线屏蔽构件的热传导构件被使用，从而使得整个放射线产生装置的重量可以减轻。这使得可以通过大管电流和小焦点进行放射线成像，从而获得分辨率高的捕捉图像。此外，通过减轻重量，所述装置可以容易地应用于家庭医疗测试和用于急救的现场医疗测试。

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是示出本发明的放射线产生装置的示意性截面图。

图2A、2B和2C是根据本发明的实施例的放射线屏蔽构件的周围部分的示意性截面图。

图3A和3B是根据本发明的另一实施例的放射线屏蔽构件的周围部分的示意性截面图。

图4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

现在，将参照附图描述本发明的实施例。

图1是示出本发明的放射线产生装置的实施例的示意性截面图。包壳1在其中保持有透射放射线管10和电压控制部分3（电压控制单元）。包壳1中（在包壳1的内壁与放射线管10之间）的额外空间被绝缘流体8填充。

电压控制部分3包括电路板和绝缘变压器，并且经由端子4将控制放射线产生的信号输出到放射线管10中的电子发射源5。阳极部分12的电势经由端子7确定。

包壳1可以具有足以作为容器的强度，并且由金属或塑料材料制成。

绝缘流体8是作为冷却介质放置的、具有电绝缘性质的液体或气体。液体优选地包括电绝缘油。电绝缘油有利地包括矿物油、硅油等。不同的可用绝缘流体8包括氟化电绝缘液体。气体包括大气，并且与使用绝缘液体时相比，使用气体可以减轻装置的重量。

包壳1包括放射线透射通过并且从包壳射出的第一窗口2。从放射线管10发射的放射线通过第一窗口2被发射到外部。第一窗口2由玻璃、铝、钡等制成。

放射线管10包括作为外框架的圆柱形真空容器9、置于其中的电子发射源5、靶部分6和窗口构件8。

真空容器9将放射线管10的内部维持处于真空状态中，并且其主体部分由诸如玻璃或陶瓷的绝缘材料制成。阴极部分11和阳极部分12由导电合金（可伐）制成。真空容器9内部的真空程度可以约为10^-4至10^-8Pa。未示出的吸气剂可以被放置在真空容器9中以维持真空程度。真空容器9包括阳极部分12中的圆柱形开口，并且圆柱形窗口构件13与该开口接合。窗口构件13具有圆柱形放射线透射孔（以下简称为透射孔）21，靶部分6中所产生的放射线（在本实施例中，X射线）的一部分透射通过圆柱形放射线透射孔21。圆柱形靶部分6与透射孔21的内壁接合以密封真空容器9。

电子发射源5被放置为面对真空容器9中的靶部分6。电子发射源5可以由钨丝、热阴极（诸如浸渍型阴极）或冷阴极（诸如碳纳米管）形成。引出电极被放置在电子发射源5中，由该引出电极形成的电场发射的电子被透镜电极会聚以进入靶6并产生放射线。此时，根据放射线的预期用途，将大约40至120kV的加速电压施加于阴极部分11与阳极部分12之间，阴极部分11与电子发射源5电连接，阳极部分12与靶14电连接。

图2是以放大的方式示出图1中的窗口构件13的周围部分的示意性截面图。

靶部分6包括靶14和作为第二窗口的基板15。靶14被放置在第二窗口15在电子发射源一侧的表面上。靶14优选地由熔点高并且放射线产生效率高的材料制成。例如，可以使用钨、钽、钼等。为了降低所产生的放射线在透射通过靶14时的吸收率，靶14的合适厚度大约为几μm至几十μm。

第二窗口15支承靶14，并且至少透射靶14中所产生的放射线的一部分，并且被放置在窗口构件13中的放射线透射孔21中面对第一窗口2的位置中。第二窗口15优选地由这样的材料制成，该材料具有支承靶14并且几乎不吸收靶14中所产生的放射线的强度，并且具有使得快速地辐射在靶14中产生的热量的高热导率。例如，可以使用金刚石、硅氮化物、铝氮化物。为了满足以上对第二窗口15的要求，第二窗口15的合适厚度大约为0.1mm至几mm。

如图2A所示，窗口构件13包括放射线屏蔽构件（以下简称为屏蔽构件）16和热传导构件17。屏蔽构件16具有被布置为与第二窗口15连通的透射孔21，并且屏蔽从靶14发射的放射线之中的不必要的放射线。屏蔽构件16包括两个屏蔽构件（第一屏蔽构件19和第二屏蔽构件20）。第一屏蔽构件19和第二屏蔽构件20可以由相同的材料制成，并且可以整体地形成和放置或者分开放置。第一屏蔽构件19和第二屏蔽构件20可以由不同的材料制成，并且可以通过接合来整体地放置或者分开放置。第二窗口15被固定到屏蔽构件16以维持真空容器9的真空气密性，并且银焊（silversoldering）用作这样的固定单元。

第一屏蔽构件20被放置为从第二窗口15朝向电子发射源5突出，并且具有被布置为与第二窗口15连通的电子透射孔22。从电子发射源5发射的电子通过电子透射孔22，并且与靶14碰撞。在靶14中所产生的放射线之中，在靶14的电子发射源一侧散射的放射线被第一放射线屏蔽构件20屏蔽。

第二屏蔽构件19被放置为从第二窗口15朝向第一窗口2突出，并且具有被布置为与第二窗口15连通的透射孔21。透射通过了第二窗口15的放射线通过透射孔21，并且不必要的放射线被第二屏蔽构件19屏蔽。

就使更大剂量的放射线射出到包壳1的外部而言，透射孔21的开口面积优选地从第二窗口15朝向第一窗口2逐渐增大。这是因为透射通过了第二窗口15的放射线被辐射出。

第一屏蔽构件20中的电子透射孔22的中心、第二屏蔽构件19中的透射孔21的中心以及靶14的中心优选地在同一条线上。这是因为这样的布置使得通过用电子照射透射靶14而产生的放射线可以可靠地更大剂量地射出。

屏蔽构件16优选地由放射线吸收率高并且热导率高的材料制成。例如，可以使用诸如钨、钽或它们的合金的金属材料。为了充分地屏蔽不必要的放射线，根据电子的设置加速电压，第一屏蔽构件20和第二屏蔽构件19的合适厚度大约为0.5至5mm。

如图2A和2B所示，热传导构件17被放置为在第二屏蔽构件19的外周边侧围绕第二屏蔽构件19。热传导构件17通过钎焊、铸造、锡焊、焊接、激光焊接、螺丝拧入、燃烧配合、锥度配合、粘合剂或机械螺纹拧紧与第二屏蔽构件19接合。热传导构件17和第二屏蔽构件19具有中心轴相同的圆柱形形状，并且热传导构件17的径向厚度大于第二屏蔽构件19。

如图2C所示，热传导构件17可以被放置在第二屏蔽构件19的内周边侧，以使得第二屏蔽构件19围绕热传导构件17。并且，在这种情况下，屏蔽构件16包括两个屏蔽构件（第一屏蔽构件19和第二屏蔽构件20）。第一屏蔽构件19和第二屏蔽构件20可以由相同的材料制成并且整体地形成，或者由不同材料制成并且通过接合而形成。屏蔽构件16与热传导构件17的外周边接触。

热传导构件17优选地由热导率高于屏蔽构件16并且耐热性高的材料制成，并且可以选自金属材料、碳材料、陶瓷等。金属材料可以包括银、铜、铝、钴、镍、铁等或它们的合金或氧化物。碳材料可以包括金刚石、石墨等。陶瓷可以包括铝氮化物、硅碳化物、氧化铝、硅氮化物等。此外，热传导构件17希望地由密度低于放射线屏蔽构件16的材料制成。

使用密度低于屏蔽构件16的材料作为热传导构件17，从而与窗口构件13仅包括屏蔽构件16的情况相比，减轻了重量。

靶14中所产生的热量直接或通过第二窗口15被直接传送到热传导构件17，或者经由屏蔽构件16被传送到热传导构件17。此外，热量被传送到与热传导构件17接触的绝缘流体并且被快速辐射，从而防止靶14的温度升高。因为热传导构件17的热导率高于屏蔽构件16的热导率，所以与窗口构件13仅包括屏蔽构件16的情况相比，热辐射速度提高。

此外，如图3A和3B所示，当热传导构件17具有翅片（fin）结构时，热传导构件17与绝缘流体接触的面积增大，从而使得可以更有效地辐射热量。

热传导构件17可以被部分地放置在第二屏蔽构件19的外周边或内周边上，而不是围绕整个外周边或内周边。

此外，为了进一步提高热辐射性质，屏蔽构件16和热传导构件17优选地被放置为使得靶构件6朝向第一窗口2伸出真空容器9的端面位置。

可以使用阳极接地系统或中点接地系统作为用于施加加速电压的方法。阳极接地系统是这样的系统，在该系统中，当施加于靶14与电子发射源5之间的电压是Va[V]时，作为阳极的靶14的电势被设置为地电势（0[V]），并且电子发射源5相对于地的电势被设置为-Va[V]。同时，中点接地系统是这样的系统，在该系统中，靶14相对于地的电势被设置为+(Va-α)[V]，并且电子发射源5相对于地的电势被设置为-α[V]（其中，Va>α>0）。α的值在Va>α>0的范围内，通常接近于Va/2。中点接地系统用于减小相对于地的电势的绝对值，从而缩小爬电距离。爬电距离在本文中是电压控制部分3与包壳1之间的距离以及放射线管10与包壳1之间的距离。如果可以缩小爬电距离，则可以缩小包壳1的大小，因此可以减轻绝缘流体8的重量，从而进一步缩小放射线产生装置的大小和重量。

（例子1）

如图2A所示，钨被选择作为包括整体形成的第一屏蔽构件19和第二屏蔽构件20的屏蔽构件16，铜被选择作为热传导构件17。热传导构件17通过钎焊被固定到屏蔽构件16的具有从第二窗口15朝向第一窗口2突出的突出部分的一部分的外周边侧。使用包括矿物油的绝缘油作为绝缘流体8。使用中点接地系统作为电压控制系统。使用钨丝作为电子发射源5，并且该钨丝被未示出的加热单元加热以发射电子。发射的电子通过根据由施加于引出电极和透镜电极的电压以及施加于电子发射源5与靶14之间的电压Va引起的电势的分布进行电子束轨迹控制而被加速到高能量，并且被使得与靶碰撞以产生放射线。使用片状钨作为靶14。为了将50[V]设置到引出电极、将1000[V]设置到透镜电极并将中点接地系统中的Va设置为100[kV]，靶14的电压被设置为+50[kV]，并且电子发射源5的电压被设置为-50[kV]。

（例子2）

如图2B所示，在这个例子中，第一屏蔽构件19和第二屏蔽构件20被分开放置，并且热传导构件17被放置在第一屏蔽构件19的外周边侧，以部分地与第二窗口15直接接触。除了这点之外，这个例子具有与例子1的配置类似的配置。第二窗口15中所产生的热量的一部分不经由第一屏蔽构件19被直接传送到热传导构件17，从而进一步提高了热辐射速度。

（例子3）

这个例子类似于例子1，除了钼被选择作为屏蔽构件16、铝被选择作为热传导构件17、并且片状钼被用作靶14之外。这个例子与例子1的不同之处在于，使用阳极接地系统作为电压控制系统。为了将50[V]设置到引出电极、将3000[V]设置到透镜电极并将阳极接地系统中的Va设置为50[kV]，靶14的电压被设置为+50[kV]，并且电子发射源5的电压被设置为0[kV]。

（例子4）

这个例子类似于例子1，除了钨被选择作为屏蔽构件16、并且SiC或石墨片被选择作为热传导构件17之外。

（例子5）

这个例子类似于例子1，除了钨和钼的合金（组分配比：90%钨和10%钼）被选择作为屏蔽构件16、并且铜和铝的合金（组分配比：90%铜和10%铝）被选择作为热传导构件17之外。

（例子6）

这个例子类似于例子1，除了钨被选择作为屏蔽构件16、并且图3A中所示的翅片形铜被选择作为热传导构件17之外。

（例子7）

在这个例子中，如图2C所示，热传导构件17被放置在具有从第二窗口15朝向第一窗口2突出的突出部分的屏蔽构件16的内周边侧。第二窗口15通过钎焊被连接到形成在热传导构件17中的透射孔21的内壁。钨被选择作为屏蔽构件16，并且铜被选择作为热传导构件17。

（例子8）

这个例子类似于例子7，除了具有图3B中的翅片结构的铜被选择作为热传导构件17之外。

在以上任一例子中，放射线产生装置能够被满意地处理。在以上条件下发射放射线，并且对所产生的一定剂量的放射线进行测量。如此，确认可以获得稳定剂量的放射线。此时，没有泄漏不必要的放射线，并且对靶没有损伤。

（例子9）

接着，将参照图4描述使用本发明的放射线产生装置的放射线成像装置。这个例子的放射线成像装置包括放射线产生装置30、放射线检测器31、信号处理器32、装置控制部分33和显示部分34。例如，有利地使用例子1至9中的放射线产生装置作为放射线产生装置30。放射线检测器31经由信号处理器32与装置控制部分33连接，装置控制部分33与显示部分34和电压控制部分3连接。放射线产生装置30中的处理由装置控制部分33共同控制。装置控制部分33对放射线产生装置30和放射线检测器31进行组合控制。从放射线产生装置30发射的放射线经由被检体35被放射线检测器31检测，并且被检体35的放射线透射图像被捕捉。所捕捉的放射线透射图像显示在显示部分34上。装置控制部分33控制放射线产生装置30的驱动，并控制经由电压控制部分3施加于放射线管10的电压信号。

尽管已经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所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应遵循最宽泛的解释，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2011年8月5日提交的日本专利申请No.2011-171610和于2011年11月7日提交的日本专利申请No.2011-243055的权益，这些专利申请的全部内容特此通过引用并入本文。

Claims (16)

1.一种放射线产生装置，其特征在于包括：

包壳，所述包壳具有放射线透射通过的第一窗口；

放射线管，所述放射线管被保持在所述包壳内，并且具有放射线透射通过的、与所述第一窗口相对布置的第二窗口，其中

所述放射线管具有放射线屏蔽构件，所述放射线屏蔽构件具有从所述第二窗口朝向所述第一窗口突出的突出部分，

热导率高于所述放射线屏蔽构件的热导率的热传导构件与所述放射线屏蔽构件的突出部分连接，

绝缘流体被填充在所述包壳和放射线管之间，以及

所述第二窗口连接到所述热传导构件。

2.根据权利要求1所述的放射线产生装置，其中，所述突出部分形成被布置为与所述第二窗口连通的放射线透射孔。

3.根据权利要求1所述的放射线产生装置，其中

所述热传导构件被布置在所述放射线屏蔽构件的突出部分的外周边。

4.根据权利要求1所述的放射线产生装置，其中

所述热传导构件被布置在所述放射线屏蔽构件的突出部分的内周边。

5.根据权利要求1所述的放射线产生装置，其中

所述热传导构件的密度小于所述放射线屏蔽构件的密度。

6.根据权利要求1至4中的任何一个所述的放射线产生装置，其中

所述热传导构件和所述放射线屏蔽构件具有同轴圆柱形的形状，以及

所述热传导构件在径向方向上的厚度大于所述放射线屏蔽构件在径向方向上的厚度。

7.根据权利要求1所述的放射线产生装置，其中

所述绝缘流体是电绝缘油。

8.根据权利要求1所述的放射线产生装置，其中

所述热传导构件通过钎焊材料与所述第二窗口连接。

9.根据权利要求1所述的放射线产生装置，其中

所述放射线管包括：

真空容器；

电子发射源，所述电子发射源被布置在所述真空容器内；

靶，所述靶响应于从所述电子发射源发射的电子的照射而发射放射线；以及

基板，在所述基板上，所述靶形成在所述基板的与所述电子发射源相对的一侧，其中

所述第二窗口形成在所述基板中。

10.根据权利要求1所述的放射线产生装置，其中

所述放射线屏蔽构件和所述热传导构件由彼此不同的金属或合金形成。

11.根据权利要求1所述的放射线产生装置，其中

所述热传导构件由陶瓷形成。

12.根据权利要求1所述的放射线产生装置，其中

所述热传导构件具有翅片结构。

13.根据权利要求1至4中的任何一个所述的放射线产生装置，其中

所述热传导构件被螺丝拧紧到所述放射线屏蔽构件。

14.根据权利要求1所述的放射线产生装置，其中

所述热传导构件由碳系列材料形成。

15.根据权利要求9所述的放射线产生装置，其中

所述靶和所述放射线屏蔽构件由钨形成，并且所述热传导构件由铜形成。

16.一种放射线成像装置，其特征在于包括：

根据权利要求1至15中的任何一个所述的放射线产生装置；

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通过被检体的放射线；以及

控制单元，所述控制单元用于控制所述放射线产生装置和所述放射线检测器，以使所述放射线产生装置和所述放射线检测器彼此相关。