CN103959422A - 具有可加热场致发射电子发射器的x射线管和操作其的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种X射线管、一种包括这种X射线管的医疗X射线设备以及一种用于操作这种X射线管的方法。所述X射线管(1)包括具有衬底(4)的电子发射器(3)，所述衬底具有电子发射表面(5)。所述电子发射表面(5)适于通过提供显著的粗糙度而进行从所述电子发射表面的电子的场致发射。可以通过向所述电子发射表面(5)上施加碳纳米管(19)来获得这样的粗糙度。提供场发生器(7)以生成与所述电子发射表面(5)毗邻的电场，以诱发从所述电子发射表面的电子的场致发射。此外，加热器装置(15)被提供，并且适于与电子的所述场致发射同时地加热所述电子发射表面(5)。因此，在由于场效应而从所述电子发射表面(5)发射电子的同时，还可以将该电子发射表面(5)加热到100℃和1000℃之间的大量温度。已经发现，这样加热可以稳定如所述发射器(3)的电子发射特性，因为可以减少所述碳纳米管的吸附物或污染。

Description

具有可加热场致发射电子发射器的X射线管和操作其的方法

技术领域

本发明涉及一种X射线管、一种包括这样的X射线管的医疗X射线设备以及一种操作这样的X射线管的方法。

背景技术

X射线照相装置可以用于各种医疗、分析或其他应用。例如，X射线管可以用于发射X射线以透射要分析的对象，其中，随后探测透射的X射线，并可以从探测的X射线吸收导出被分析对象的特性。

对于下一代X射线照相装置而言，可以期望大电流与电子束的小焦斑相组合以实现高空间分辨率。例如，为了使诸如心脏的运动器官的图像的运动诱发的模糊最小化，可以期望有高的时间分辨率，这尤其可能取决于用于采集图像的X射线源的开关时间等。

在X射线源中，电子从作为电子发射器的阴极被发射，并被电场向着阳极加速。常规上，热阴极用于热电子发射，其中，将阴极加热到极高的温度，使得阴极中电子的能量可以超过用于阴极的材料的逸出功，使得电子可以从热阴极的表面逃逸，并且之后可以向着阳极加速自由的电子。

然而，空间和时间分辨率要求的上述组合可以致使常规热阴极分别由于其非高斯射束和慢响应时间的原因而变得更不适合。此外，常规电子发射器一般不适于X射线管的小型化。

使用场致发射效应的电子发射器似乎满足以上空间和时间分辨率要求，并且具有成为用于下一代X射线管的理想电子源的潜力。

例如，WO2010/131209A1描述了一种X射线源，其具有使用场致发射的多个电子发射器。

然而，已经发现，电子的场致发射可能取决于多种参数，这可能导致不稳定的电子发射。

发明内容

需要允许改善电子发射特性的一种X射线管、一种包括X射线管的医疗X射线设备和一种操作X射线管的方法。具体而言，需要稳定的电子发射。

这样的需求可以由独立权利要求中定义的X射线管、医疗X射线设备和方法来满足。在从属权利要求中定义了本发明的实施例。

根据本发明的第一方面，提出了一种X射线管，其包括电子发射器、场发生器和加热器装置。所述电子发射器包括具有电子发射表面的衬底。这一表面具有粗糙度，所述电子发射表面适于在施加电场时，从这个表面的电子的场致发射。所述场发生器适于生成与所述电子发射器的所述电子发射表面毗邻的电场，以诱发所述电子发射表面的电子的场致发射。所述加热器装置适于与电子的场致发射同时地加热所述电子发射表面。

根据本发明的另一方面，提出了一种操作上文结合第一方面定义的X射线管的方法。该方法包括生成与所述电子发射表面毗邻的电场，以诱发所述电子发射表面的场致发射，并且优选与其同时地向所述加热器装置供应能量，以加热所述电子发射表面。作为选项，可以在生成电场之前向所述加热器装置供应能量，以预先处理所述电子发射表面。

所述电子发射器的所述电子发射表面可以包括碳纳米管(CNT)。这样的碳纳米管可以被涂覆到电子发射器衬底的表面上，并可以提供具有高粗糙度的电子发射表面，因为碳纳米管可以具有仅几纳米的直径，但长度长得多，使得多个纳米管可以像针一样从所述电子发射表面伸出，由此支持由于场效应导致的电子发射。

可以将碳纳米管直接涂覆到电子发射器衬底的表面上。可以不使用中间层和/或粘结剂来将碳纳米管附着到电子发射器衬底的表面。

在操作X射线管期间，可以将所述电子发射表面加热到超过100℃但低于温度上限的提高的温度，在所述温度上限处，热电子发射变得大于总电子发射的10％或大于场诱发的电子发射的10％。例如，所述加热器装置可以适于将电子发射表面加热到100摄氏度(℃)和1000摄氏度(℃)之间的，优选200℃和900℃之间的温度。已经发现，将电子发射表面加热到远超环境温度但优选远低于发生显著热电子发射的温度的这种提高的温度，在将场效应用于电子发射时，提高了稳定的电子发射特性。所述电子发射表面的加热应当显著低于发生显著热电子发射的温度，因为加热仅仅进一步优化了场致发射。将所述电子发射表面加热到的提高的温度应当保持低于这样的温度：在该温度下，从电子发射表面或CNT的热电子发射是显著的。优选地，这样的热电子发射保持低于总发射的10％。

所述加热器装置可以是适于直接或间接加热电子发射器衬底的电子发射表面的任何装置。可以应用任何类型的加热机制。例如，可以使用利用例如红外光源或激光器的辐射加热来加热所述电子发射表面。或者，可以应用通过介质的热传递，例如通过承载被加热液体的通道或介质的热传递。

作为另一范例，所述加热器装置可以使用焦耳加热，有时也称为电阻加热。例如，所述加热器装置可以包括被布置在电子发射器衬底处的电阻式元件，以在向所述电阻式元件施加电流时加热所述电子发射表面。通过将例如电阻式元件布置为与所述电子发射表面热接触来使用焦耳加热的加热器装置可以允许将这个表面加热到提高的温度的简单选项。

此外，所述X射线管可以包括加热器装置控制器，所述加热器装置控制器可以适于控制向所述电子发射器的所述加热器装置的能量供应，以将所述电子发射表面加热到预定义温度。其中，所述加热器装置可以包括用于测量所述电子发射表面的实际温度的传感器，使得基于这样的信息，可以控制所述加热器装置以将所述电子发射表面加热并保持在预定温度范围内，所述预定温度范围例如为平均温度+/-例如50℃的可接受的温度偏差。将所述电子发射表面的温度保持在这样的预定义温度范围中可以帮助稳定电子发射特性。

在一种实施方式中，所述加热器装置控制器可以适于控制供应给在所述电子发射器衬底处提供的电阻式元件的电流，以加热所述电子发射表面。可以容易地控制这样电流供应，由此获得所述电子发射表面的稳定的提高的温度。

提出的X射线管的场发生器可以包括导电网格。这个网格可以被布置为与所述电子发射表面毗邻。所述场发生器可以包括与所述电子发射表面以及与所述网格的电连接，使得可以向这些部件施加场发生器中生成的电压，由此在所述电子发射表面和所述网格之间生成电场。由于这样的电场的原因，电子可以由于场效应而从粗糙电子发射表面中包括的尖端被释放。所述网格可以进一步适于使得从所述电子发射表面发射的这些被释放的电子可以向着所述X射线管的阳极透射通过所述网格。

包括所提出的X射线管的实施例的医疗X射线设备可以是任何类型的X射线照相装置，例如计算机断层摄影(CT)设备。

应注意，在本文中部分地相对于所提出的X射线管，部分相对于所提出的医疗X射线设备，并且部分相对于所提出的操作X射线管的方法，描述了本发明实施例的可能特征和优点。本领域技术人员将理解，可以在各实施例之间组合或交换所描述的特征，以便获得备选实施例以及可能实现的协同效应。

附图说明

在下文中，结合附图描述本发明的实施例。然而，附图或说明书都不应被解释为对本发明的限制。

图1示出了根据本发明实施例的X射线管。

附图仅仅是示意性的，并不成比例。

附图标记列表：

1 X射线管

3 电子发射器

4 电子发射器衬底

5 电子发射表面

7 场发生器

9 网格

11 控制器

13 衬底表面

15 加热器装置

17 电阻式元件

19 碳纳米管

21 电子光学器件

22 加热器装置控制器

25 场发生器控制器

27 电子光学器件控制器

29 旋转阳极

31 外壳

33 窗口

35 电子束

37 X射线束

39 焦斑

具体实施方式

图1示出了根据本发明实施例的X射线管1的实施例。

在外壳31围绕的真空空间中，电子发射器3和旋转阳极29被布置。电子发射器3包括电子发射器衬底4。在指向旋转阳极29的表面13上，通过利用很多碳纳米管19涂覆电子发射表面5来提供这个表面。

碳纳米管(CNT)是碳的同素异形体，其通常具有圆柱形纳米结构。纳米管的长度可以明显地大于其直径。

纳米管19被布置在电子发射表面5上，从而生产出非常粗糙的表面，其中，至少一些纳米管19像细针一样向阳极29伸出。纳米管19的尖端可以充当由于场致发射而发射电子的源，因为在这种尖端处，与电子发射表面毗邻的所生成的电场可能在局部集中，并可能具有局部提高的场强。由于这样提高的场强，可能在这种尖端处释放纳米管中包括的电子。其中，取决于纳米管的特有性质，像纳米管的横摇角和半径，纳米管可能具有金属或半导体特性。

可以使用被布置为与电子发射表面5毗邻的导电网格9生成电场。可以将X射线管1的控制器11中包括的场发生器控制器23电连接到电子发射表面5和网格11两者，使得可以在这些部件之间施加例如2kV的电压。获得的电场可以具有充分大的强度，以由于场致发射而从纳米管尖端释放电子。

从电子发射表面5释放并形成电子束35的电子之后可以由电子光学装置控制器23控制的电子光学装置21聚焦，并可以在焦点39处撞击到旋转阳极29上。在这样的焦点39处，X射线束37作为韧致辐射而被生成。这一X射线束37能够通过X射线透明窗口33离开外壳31。

在现有的使用场效应电子发射器的X射线管中，根据X射线管1的各种工作条件，已经观察到电子发射特性的变化。这种时变的电子发射特性可能导致变化的X射线发射，这之后可能会不利地影响使用X射线束37的任何应用，例如影响将X射线束37用于生成要检查的对象的射线照片的医疗设备。

现在发现，观察到的电子发射特性的变化可能是由于具有碳纳米管的电子发射表面的变化特性造成的。

例如，碳纳米管的污染或吸附物可能改变其电学和/或几何性质，由此还改变了电子发射特性。此外，在常规的CNT电子发射器中，频繁使用有机粘结剂将碳纳米管粘结到衬底表面上。然而，这样的有机粘结剂可能会在X射线管1之内的真空条件下放气，这种放气可能对于真空度和/或电子发射特性是有害的。

现在已经观察到，将电子发射表面5的碳纳米管加热到远超常规X射线管的场致发射发射器中通常出现的温度的提高的温度，可以使电子发射器的电子发射特性稳定。可以与X射线管1中电子发射器3的操作同时地，即与生成与电子发射表面5毗邻的电场同时地，执行这样的加热流程。额外地或备选地，所述加热流程可以在电子发射器3的正常电子发射操作之前，并且可以用于预先处理的X射线管1。

可以执行电子发射表面5的加热，使得在电子发射表面5处获得200℃和900℃之间的，优选400℃和900℃之间的温度。这样的温度远高于环境温度或没有任何额外加热时电子发射器3的温度。另一方面，该温度范围的上限远低于热电子发射器中使用的典型温度。换言之，尽管由于提高的温度可以向电子发射表面的碳纳米管中包括的电子提供额外的动能，但可以选择温度的上限，使得这一额外能量仍然远低于电子发射表面材料，即例如碳纳米管的逸出功能量，使得不会由于热电子发射而出现显著的释放电子流。

因此，尽管温度提高了，但电子发射器3仍然作为场效应电子发射器而工作，使得可以通过控制网格9和电子发射表面5之间生成的电场来控制释放电子流。通过改变这样的电场，向阳极29发射的电子束可以被改变并可以例如被开启和关闭，由此还能够改变X射线束37。

为了加热电子发射表面5，为X射线管1提供加热器装置15。尽管通常可以使用能够将电子发射表面5加热到所需的提高的温度的任何加热器装置，但在下文中将更详细地描述一种特定类型的加热器装置15。然而，应注意，可以使用依赖于例如电阻加热、辐射加热、传导加热、感应加热等的其他类型的直接或间接加热器装置。

在图1中所示的实施例中，电阻式元件17被包括在电子发射器3的衬底4中。这样的电阻式元件17可以形成衬底4的一部分或可以形成整个衬底4。事实是电阻式元件可以具有电阻，使得在施加电压并从而感生电流时，焦耳热在电阻式元件17之内被生成并被传递到电子发射表面5。

可以经由线路将电阻式元件17与加热器装置控制器23的能量源电连接，以向电阻式元件17可控地供应电能。

例如，加热器装置控制器23可以适于控制供应给电阻式元件17的电流，使得将电子发射表面5加热到预定义温度范围之内的温度，例如加热到850℃+/-50℃的温度。将电子发射表面5的温度保持在这样的温度范围中可以例如防止电子发射表面5的碳纳米管的污染，并可以进一步降低使由于场效应而从碳纳米管释放电子所需的逸出功降低。结果，可以使从电子发射表面5的电子发射变得稳定。

加热器装置控制器23可以是外部包括的或X射线管1内部包括的X射线管1的一般控制器11的一部分，并且一般控制器11还包括场发生器控制器25，以控制施加于场发生器7的电极的电压，并且一般控制器11还包括电子光学器件控制器27，以控制电子光学器件21。

应注意，术语“包括”不排除其他元件或步骤，并且量词“一”或“一个”不排除多个。也可以组合与不同实施例相关联描述的元件。还应注意，权利要求中的附图标记不得被解释为对权利要求范围的限制。

Claims (14)

1.一种X射线管(1)，包括：

电子发射器(3)，其具有电子发射表面(5)，所述电子发射表面具有粗糙度，所述电子发射表面适于在施加电场时，从所述电子发射表面的电子的场致发射；

场发生器(7)，其用于生成与所述电子发射器的所述电子发射表面毗邻的电场，以诱发从所述电子发射表面的电子的场致发射；

加热器装置(15)，其适于与电子的所述场致发射同时地加热所述电子发射表面。

2.根据权利要求1所述的X射线管，其中，所述电子发射表面包括碳纳米管(19)。

3.根据权利要求2所述的X射线管，其中，所述碳纳米管被直接涂覆到所述电子发射器衬底的表面上。

4.根据权利要求1到3中任一项所述的X射线管，其中，所述加热器装置适于将所述电子发射表面加热到100℃和1000℃之间的提高的温度。

5.根据权利要求1到4中任一项所述的X射线管，其中，所述加热器装置适于使用焦耳加热、辐照加热和通过介质的热传递之一来加热所述电子发射表面。

6.根据权利要求5所述的X射线管，其中，所述加热器装置包括被布置于电子发射器衬底(4)处的电阻式元件(17)，以在向所述电阻式元件施加电流时加热所述电子发射表面。

7.根据权利要求1到6中任一项所述的X射线管，还包括加热器装置控制器(23)，所述加热器装置控制器适于控制向所述电子发射器的所述加热器装置的能量供应，以将所述电子发射表面加热到预定义温度范围。

8.根据权利要求7所述的X射线管，其中，所述加热器装置控制器适于控制供应给被布置于所述电子发射器的所述电子发射器衬底处的电阻式元件的电流，以加热所述电子发射表面。

9.根据权利要求1到8中任一项所述的X射线管，其中，所述场发生器包括被布置为与所述电子发射表面毗邻的导电网格(11)，并且所述场发生器还包括与所述电子发射表面以及与网格(9)的电连接，以在所述电子发射表面和所述网格之间生成电场，并且

其中，所述网格适于使得从所述电子发射表面发射的电子可以向着所述X射线管的阳极透射通过所述网格。

10.一种医疗X射线设备，包括根据权利要求1到9中任一项所述的X射线管。

11.一种操作根据权利要求1到9中任一项所述的X射线管(1)的方法，所述方法包括：

生成与所述电子发射表面(5)毗邻的电场，以诱发从所述电子发射表面的电子的场致发射；并且

向所述加热器装置(15)供应能量以加热所述电子发射表面。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，同时执行所述电场的生成和向所述加热器装置的能量供应。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，在生成所述电场之前向所述加热器装置供应能量，以预先处理所述电子发射表面。

14.根据权利要求11到13中任一项所述的方法，将所述电子发射表面加热到超过100℃但低于温度上限的提高的温度，在所述温度上限处，热电子发射变得大于场诱发的电子发射的10％。