CN103733734B - 放射线发生装置和放射线成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明的放射线发生装置包括：外封壳1，包括允许放射线通过的第一窗口2；放射线管10，在外封壳1中容纳并且在与第一窗口2相对的位置包括允许放射线通过的第二窗口15；热连接到第二窗口15并且与第二窗口15连通的放射线通过孔21；及从第二窗口15朝第一窗口2突出的放射线屏蔽构件16。在该装置中，具有比放射线屏蔽构件16更高热传导性的热传导构件17连接到放射线屏蔽构件16的突出部分的外周。这种简单的配置可以屏蔽不必要的放射线并且冷却目标，同时便于重量的减小。

Description

放射线发生装置和放射线成像装置

技术领域

本发明涉及适用于医疗装置和工业装置领域中的非破坏性X-射线成像的放射线发生装置和利用其的放射线成像装置。

背景技术

一般而言，放射线管加速通过高电压从电子发射源发射的电子，并且照射目标，由此生成放射线，诸如X-射线。在这个时候所生成的放射线在所有方向上发射。PTL1公开了一种透射X-射线发生装置，该装置包括关于目标来说安置于电子入射侧和X-射线发射侧的X-射线屏蔽构件，用于屏蔽不必要的X-射线。

在电子发射源和目标之间需要施加高电压，以便用高能量电子束照射目标，以生成适于放射线成像的放射线。但是，一般而言，放射线发生效率显著低，而且大约99%的功耗变成了热。所生成的热升高目标的温度，这使得防止目标被热损伤的单元成为必需。PTL2公开了一种X-射线发生管，该X-射线发生管包括在X-射线透射窗口周围的冷却机制，由此改善对于目标部分的散热效率。

引用列表

专利文献

PTL1：日本专利申请公开号2007-265981

PTL2：日本专利申请公开号2004-235113

发明内容

技术问题

在医疗领域中利用短时间脉冲和大管电流的成像及工业领域中利用聚焦电子束的成像中，目标的温度可能瞬间升高。在这种情况下，散热只通过常规放射线屏蔽构件是不够的。

重金属一般被用作放射线屏蔽构件。相应地，如果放射线屏蔽构件为了改善散热属性而加厚，则放射线发生装置的总重量增加。如果除放射线屏蔽构件外单独提供冷却机制，则减小整个放射线发生装置的尺寸变得很难。

因而，本发明的一个目的是提供可以屏蔽不必要的放射线并且利用简单的结构冷却目标同时便于重量减小的放射线发生装置，及利用其的放射线成像装置。

对问题的解决方案

为了实现该目标，根据本发明的一方面，放射线发生装置包括：具有第一窗口的外封壳，放射线通过该第一窗口；及在外封壳中保持并且具有第二窗口的放射线管，放射线通过该第二窗口，其中第一和第二窗口布置成彼此相对，并且其中放射线管具有放射线屏蔽构件，该放射线屏蔽构件在放射线通过孔与第二窗口连通的情况下具有从第二窗口朝第一窗口的一侧突出的突出部分，并且热传导性比放射线屏蔽构件的热传导性高的热传导构件安置在放射线屏蔽构件的突出部分的外侧。

本发明的有利效果

本发明可以保证屏蔽不必要的放射线的性能，并且有效地散去目标的热。此外，采用具有比放射线屏蔽构件更低密度的热传导构件。相应地，放射线发生装置的总重量可以减小。这种配置允许利用大管电流和微聚焦的放射线成像，并且使得可以获得高分辨率拍摄的图像。而且，尺寸和重量的减小便于应用到家用医疗测试和紧急现场医疗测试。

参考附图，本发明的更多特征将从以下示例性实施例的描述变得清楚。

附图说明

[图1]图1是图示出本发明的放射线发生装置的示意性截面图。

[图2A、2B、2C、2D、2E和2F]图2A、2B、2C、2D、2E和2F是图示出根据本发明一个实施例的放射线屏蔽构件的周边部分的示意性截面图。

[图3]图3是图示出根据本发明另一个实施例的放射线屏蔽构件的周边部分的示意性截面图。

[图4]图4是利用本发明的放射线发生装置的放射线成像装置的配置的图。

具体实施方式

下文中将参考附图描述本发明的实施例。

图1是图示出本发明的放射线发生装置的一个实施例的示意性截面图。外封壳1容纳透射放射线管10和电压控制单元3（电压控制单元）。外封壳1中（外封壳1的内壁与放射线管10之间的）剩余空间用绝缘流体8填充。

电压控制单元3包括电路板和绝缘的变压器，并且经端子4输出用于控制放射线到放射线管10的电子发射源5的发生的信号。此外，这个单元经端子7定义阳极部分12的电压。

外封壳1可以具有用作容器的足够强度，而且是由金属和塑料材料之一制成的。

绝缘流体8是电绝缘并且作为冷却介质部署的液体和气体之一。在液体的情况下，适当地使用电绝缘油。矿物油和硅油中任何一种都可以适当地用作电绝缘油。另一种可用的绝缘流体8是氟化电绝缘液体。在气体的情况下，可以使用大气，由此，与绝缘液体相比，减小装置的重量。

外封壳1具有第一窗口2，放射线穿过该窗口而且该窗口用于在外部捕捉放射线。从放射线管10发射的放射线进一步被发射通过第一窗口2，到达外部。玻璃、铝和铍中任何一种都可用作第一窗口2。

放射线管10包括：作为外框的圆筒形真空容器9；及在其中部署的电子发射源5、目标组件6和窗口构件8。

真空容器9用于将放射线管10的内部维持为是真空的。任何一种绝缘材料，诸如玻璃和陶瓷，都可以作为主体被采用。阴极部分11和阳极部分12由导电性合金（可伐尔合金（kovar））制成。真空容器9中的真空度可以是大约10^-4至10^-8Pa。未图示出的吸气剂可以布置在真空容器9中，以维持真空度。真空容器9还包括位于阳极部分12的圆筒形开口部分。圆筒形的窗口构件13耦接到该开口部分的壁表面。圆筒形的放射线通过孔（下文中简称为通过孔）21在窗口构件13中形成，其中该通过孔允许从目标组件6生成的放射线（在这个实施例中是X-射线）的一部分通过。圆筒形的目标组件6耦接到通过孔21的内壁，由此允许真空容器9被密封。

电子发射源5在真空容器9中部署成与目标组件6相对。诸如钨丝和浸渍阴极的热阴极和诸如碳纳米管的冷阴极中的任一个都可以作为电子发射源5被采用。引出电极布置在电子发射源5。由引出电极形成的电场所发射的电子被透镜电极汇聚，并且入射到目标6上，以发射放射线。在这个时候，大约40至120kV的加速电压在电连接到电子发射源5的阴极部分11和电连接到目标14的阳极部分12之间施加；该电压根据放射线的用途而不同。

图2A至2F是其中放大了图1中窗口构件13的周边部分的示意性截面图。

目标组件6包括目标14，及作为第二窗口的衬底15。目标14部署在第二窗口15的电子发射源一侧的表面上。具有高熔点和高放射线发生效率的材料适于用作构成目标14的材料。例如，钨、钽和钼中任意一种都可以采用。目标14具有大约从几微米到几十微米的厚度是合适的，以减小在所生成的放射线通过目标14时引起的吸收。

第二窗口15支持目标14，允许由目标14生成的放射线的至少一部分通过其，并且部署在窗口构件13中放射线通过孔21中的一位置，这个位置与第一窗口2相对。具有能够支持目标14的强度、对于在目标14中生成的放射线的少量吸收和用于允许在目标14生成的热快速散去的高热传导性的材料适于用作构成第二窗口15的材料。例如，金刚石、硅氮化物和铝氮化物中的任意一种都可以采用。为了满足对第二窗口15的要求，第二窗口15适当地具有大约0.1至几毫米的厚度。

如图2A中所图示出的，窗口构件13包括放射线屏蔽构件（下文中简称为屏蔽构件）16和热传导构件17。屏蔽构件16具有与第二窗口15连通的通过孔21，并且屏蔽从目标14发射的放射线中不必要的放射线。屏蔽构件16包括两个屏蔽构件（第一屏蔽构件20和第二屏蔽构件19）。第一屏蔽构件20和第二屏蔽构件19可以由相同的材料制成；屏蔽构件可以按一体化的方式构成，或者单独地部署。屏蔽构件可以由各自不同的材料制成；屏蔽构件可以按一体化的方式构成，或者单独地部署。第二窗口15固定到屏蔽构件16，由此允许真空容器9的真空气密性得以维持。银焊可以用于相应固定。

第一屏蔽构件20部署成从第二窗口15朝电子发射源5突出（与第二屏蔽构件19相对，第二屏蔽构件19在下面描述）并且形成与第二窗口15连通的电子束通过孔22。从电子发射源5发射的电子通过电子束通过孔22并且与目标14碰撞。在目标14发生的放射线中从目标14朝电子发射源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部署成从第二窗口15朝第一窗口2突出，并且包括与第二窗口15连通的通过孔21。已经通过第二窗口15的放射线进一步通过通过孔21。不必要的放射线被第二屏蔽构件19屏蔽。

关于把尽可能多的放射线带到外封壳1的外部，通过孔21的开口面积从第二窗口15朝第一窗口2逐渐增大是合适的。采用这种配置是因为通过第二窗口15的放射线是径向扩散的。

第一屏蔽构件20的电子束通过孔22的中心、第二屏蔽构件19的通过孔21的中心和目标14的中心在同一条线上是合适的。采用这种布置，以允许通过用电子照射透射目标14所生成的更多放射线被更安全地带走。

具有高放射线吸收性和高热传导性的材料被适当地用作构成屏蔽构件16的材料。例如，诸如钨和钽及其合金的任何金属材料都可以采用。第一屏蔽构件20和第二屏蔽构件19的厚度在大约0.5至5mm以便充分屏蔽不必要的放射线是适当的，虽然这个厚度依赖于为电子设定的加速电压。

如图2A和2B中所图示出的，热传导构件17布置在第二屏蔽构件19周围，以环绕这个第二屏蔽构件19。通过硬焊、成型、软焊、焊接、激光焊接、螺丝接合、过盈装配、锥度装配、粘合剂和机械螺丝接合中任意一种，热传导构件17耦接到第二屏蔽构件19。热传导构件17和第二屏蔽构件19具有同心圆筒形状。热传导构件17在径向方向的厚度比第二屏蔽构件19的大。

构成热传导构件17的材料具有比屏蔽构件16更高的热传导性和更高的耐热性是适当的。金属材料、碳系材料和陶瓷中任意一种都可以采用。在金属材料中，银、铜、铝、钴、镍、铁及其合金和氧化物中任意一种都可以采用。在碳系材料中，金刚石和石墨中任意一种都可以采用。在陶瓷中，铝氮化物、硅碳化物、铝氧化物和硅氮化物中任意一种都可以采用。此外，比放射线屏蔽构件16具有更低密度的材料被用作构成热传导构件17的材料是适当的。

在采用具有比屏蔽构件16更小密度的材料作为热传导构件17的情况下，与其中窗口构件13只包括屏蔽构件16的配置的情况相比，重量可以减小。

在目标14生成的热直接地或者经第二窗口15传导到热传导构件17，或者经屏蔽构件16传导到热传导构件17。热进一步传导到与热传导构件17接触的绝缘流体并且快速散去，由此抑制目标14温度的增加。热传导构件17的热传导性比屏蔽构件16的热传导性高。相应地，在窗口构件13只包括屏蔽构件16的情况下，散热的速度增大。

如图3中进一步图示出的，在热传导构件17具有鳍结构的情况下，热传导构件17的与绝缘流体接触的面积变大。相应地，热被更有效地散去。

代替环绕整个外周或内周，热传导构件17可以部分地位于第二屏蔽构件19的外周或内周。

为了改善散热属性，屏蔽构件16和热传导构件17适当地配置成使目标组件6部署成朝第一窗口2突出超过真空容器9的端面的位置。

阳极接地和中点接地中任意一种都可以作为施加加速电压的一种方案被采用。阳极接地是把目标14的电位设置成阳极接地（0[V]）而把电子发射源5的电位相对于地设置成-Va[V]的一种方案，其中在目标14和电子发射源5之间施加的电压是Va[V]。同时，中点接地是把目标14的电位相对于地设置成+(Va-α)[V]而把电子发射源5的电位相对于地设置成-α[V]的一种方案（应当指出，Va>α>0）。α的值是范围Va>α>0内的任意值。一般来说，该值接近Va/2。在采用中点接地的情况下，相对于地的电位的绝对值可以减小，而且爬电距离可以缩短。由此，爬电距离是电压控制单元3和外封壳1之间的距离，及放射线管10和外封壳1之间的距离。如果爬电距离可以缩短，则外封壳1的尺寸可以减小。相应地，绝缘流体8的重量可以随之减小，由此允许放射线发生装置的尺寸和重量减小更多。

例子1

如图2A中所图示出的，钨被选择用于屏蔽构件16，第一屏蔽构件19和第二屏蔽构件20以一体化的方式形成在屏蔽构件16中。铜被选择用于热传导构件17。热传导构件17通过硬焊固定到屏蔽构件16的从第二窗口15朝第一窗口2突出的部分的外周。由矿物油制成的绝缘油作为绝缘流体8被采用。中点接地用于电压控制。钨丝作为电子发射源5被采用，它被未图示出的加热单元加热，以发射电子。根据由施加到引出电极和透镜电极的电压引起的电位分布所进行的电子束轨迹控制，及在电子发射源5和目标14之间所施加的电压Va，所发射的电子被加速到高能量，由此与目标碰撞并且使放射线发生。薄膜钨作为目标14被采用。目标14的电压设置成+50[kV]而且电子发射源5的电压设置成-50[kV]，使得引出电极是50[V]，透镜电极是1000[V]而且中点接地是100[kV]的Va。

例子2

如图2B中所图示出的，在这个例子中，第一屏蔽构件19和第二屏蔽构件20单独地部署。热传导构件17部署在第一屏蔽构件19的外周，使得热传导构件17的一部分与第二窗口15直接接触。除在第二窗口15生成的热的一部分直接传导到热传导构件17而没有第一屏蔽构件19的介入并且由此进一步提高散热速度之外，这个例子在配置上与例子1相似。

例子3

如图2C中所图示出的，在这个例子中，热传导构件17连接到屏蔽构件16的突出部的外周的一部分并且还设在真空容器9的开口部分的壁表面和屏蔽构件16之间。除这点之外，这个例子在配置上与例子1相似。

例子4

如图2D中所图示出的，在这个例子中，热传导构件17设在屏蔽构件16的整个外周。除这点之外，这个例子在配置上与例子1相似。

例子5

如图2E中所图示出的，在这个例子中，热传导构件17部署在第一屏蔽构件19的整个外周，从而与第二窗口15直接接触。除这点之外，这个例子在配置上与例子2相似。

例子6

如图2F中所图示出的，在这个例子中，屏蔽构件16还部署在作为热传导构件17外周并且包括与热传导构件17接触目标14的位置相对的位置的一部分。除这点之外，这个例子在配置上与例子5相似。在目标14发生的放射线中通过热传导构件17并且散射到外部的放射线可以被阻塞。相应地，屏蔽不必要的放射线的性能可以进一步提高。

例子7

除钼被选择用于屏蔽构件16、铝被选择用于热传导构件17而薄膜钼被采用作为目标14之外，这个例子与例子1相似。应当指出，这个例子与例子1的不同之处在于阳极接地用于电压控制。目标14的电压设置成+50[kV]而且电子发射源5的电压设置成0[kV]，使得引出电极是50[V]，透镜电极是3000[V]，而阳极接地是50[kV]的Va。

例子8

除钨被选择用于屏蔽构件16而且SiC和石墨板之一被选择用于热传导构件17之外，这个例子与例子1相似。

例子9

除钨和钼的合金（成分比：钨90%，钼10%）被选择用于屏蔽构件16而铜和铝的合金（成分比：铜90%，铝10%）被选择用于热传导构件17之外，这个例子与例子1相似。

例子10

除钨被选择用于屏蔽构件16而具有图3中所图示出的鳍结构的铜被选择用于热传导构件17之外，这个例子与例子1相似。

这些例子中任意一个都可以令人满意地处理放射线发生装置。在这种条件下，放射线被发射，而且发生的放射线的剂量被测量。确信获得了稳定的放射线剂量。在这种情况下，不必要的放射线没有泄漏，而且目标没有被损伤。

例子11

接下来，参考图4，现在将描述利用本发明放射线发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发生装置30、放射线检测器31、信号处理单元32、装置控制单元33及显示器34。例如，例子1至10中的任意一个放射线发生装置都适合作为放射线发生装置30被采用。放射线检测器31经信号处理单元32连接到装置控制单元33。装置控制单元33连接到显示器34和电压控制单元3。放射线发生装置30中的处理是由装置控制单元33一体控制的。装置控制单元33控制放射线发生装置30和放射线检测器31，从而使它们彼此关联。从放射线发生装置30发射的放射线通过被检体35并且被放射线检测器31检测。拍摄被检体35的放射线透射图像。所拍摄的放射线透射图像在显示器34上显示。装置控制单元33控制放射线发生装置30的驱动，并且经电压控制单元3控制要施加到放射线管10的电压信号。

虽然本发明已经参考示例性实施例进行了描述，但是应当理解，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与最广泛的解释一致，从而涵盖所有此类修改和等同结构与功能。

本申请要求于2011年8月5日提交的日本专利申请号2011-171610的权益，该申请的全部内容通过引入结合于此。

Claims (12)

1.一种放射线发生装置，包括：

外封壳，具有第一窗口，放射线通过该第一窗口；及

放射线管，在外封壳中被保持并且具有第二窗口，放射线通过该第二窗口，

其中，第一窗口和第二窗口布置成彼此相对，

其中，电绝缘液体在外封壳与放射线管之间填充，并且

其中，放射线管具有：

电连接到电子发射源的阴极；

电连接到目标的阳极，所述目标部署在第二窗口的电子发射源一侧的表面上，以响应于利用从电子发射源发射的电子的照射而产生放射线；以及

放射线屏蔽构件，所述放射线屏蔽构件具有放射线通过孔，第二窗口被保持在所述放射线通过孔处，并且，所述放射线屏蔽构件具有从第二窗口朝第一窗口突出的突出部分，

所述放射线管还具有金属材料或石墨制成的热传导构件，所述热传导构件具有比放射线屏蔽构件的热传导性高的热传导性，

其中，所述热传导构件被耦接到放射线屏蔽构件的所述突出部分的外周，并且，所述热传导构件的一部分与第二窗口直接接触。

2.如权利要求1所述的放射线发生装置，其中

放射线屏蔽构件布置在真空容器的开口部分，所述真空容器是放射线管的外框，且

热传导构件还布置在该开口部分的壁表面与放射线屏蔽构件之间。

3.如权利要求1所述的放射线发生装置，其中

放射线屏蔽构件包括从第二窗口朝第一窗口的一侧突出的第一放射线屏蔽部分，和朝与第一放射线屏蔽部分相对的一侧突出以便形成与第二窗口连通的电子束通过孔的第二放射线屏蔽部分，且

热传导构件布置在第二放射线屏蔽部分的外周侧。

4.如权利要求3所述的放射线发生装置，其中

热传导构件布置在第二放射线屏蔽部分的整个外周侧。

5.如权利要求1所述的放射线发生装置，其中

热传导构件具有比放射线屏蔽构件的密度小的密度。

6.如权利要求1所述的放射线发生装置，其中

热传导构件和放射线屏蔽构件成形为同心的圆筒，且

热传导构件在径向方向具有比放射线屏蔽构件的厚度大的厚度。

7.如权利要求1所述的放射线发生装置，其中

电绝缘液体是电绝缘油。

8.如权利要求1所述的放射线发生装置，其中

放射线屏蔽构件通过银焊连接到第二窗口。

9.如权利要求1所述的放射线发生装置，其中

热传导构件和放射线屏蔽构件是由彼此不同的金属或合金材料构成的。

10.如权利要求1所述的放射线发生装置，其中

热传导构件具有鳍结构。

11.如权利要求1所述的放射线发生装置，其中

目标和放射线屏蔽构件由钨构成，热传导构件由铜构成。

12.一种放射线成像装置，包括：

如权利要求1至11中任一项所述的放射线发生装置；

放射线检测器，用于检测从放射线发生装置发射并且通过被检体的放射线；及

控制器，用于控制放射线发生装置和放射线检测器，从而使放射线发生装置和放射线检测器彼此关联。