CN104823262A

CN104823262A - 用于产生x射线的装置

Info

Publication number: CN104823262A
Application number: CN201380060275.8A
Authority: CN
Inventors: P.比斯利; S.戈斯曼-莱夫查克; O.海德; T.休斯; P.S.阿普塔克
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-09-21
Filing date: 2013-09-09
Publication date: 2015-08-05
Also published as: EP2883236A1; RU2015114702A; KR20150075081A; DE102012216977B4; DE102012216977A1; JP2015529386A; WO2014044567A1; US20150228442A1

Abstract

一种用于产生X射线的装置(700)，其具有具备目标层(510)的阳极(500)、用于发射电子束(210)的阴极(200)、用于借助电场将所述电子束偏转到所述目标层上的导流单元(300)和用于聚焦所述电子束的聚焦单元(800)。

Description

用于产生X射线的装置

本发明涉及一种根据权利要求1的用于产生X射线的装置以及一种根据权利要求13的运行用于产生X射线的装置的方法。

用于产生X射线的X射线管在现有技术中是已知的。X射线管具有用于发射电子的阴极。发射的电子通过高压加速至阳极。在阳极内电子被减速并且在此产生X射线轫致辐射(或连续辐射)和典型的X射线。X射线轫致辐射具有较宽频谱的分布，同时典型的X射线具有离散的线光谱。在由X射线管发射的X射线中两种射线是相叠加的。

具有离散能量的典型的X射线比X射线轫致辐射更好地适用于特定的使用目的。已知的是，X射线通过金属过滤器过滤，以便减少轫致辐射。但是，这种过滤器也会减弱典型的X射线的份额。

还已知的是，从X射线管发射的X射线的轫致辐射份额是各向异性的，并且具有沿由轰击的电子的方向定义的前进方向的最大部分。反之，典型的X射线是各项同性的。US 7,436,931 B2建议安置一种用于从X射线管中沿着与轰击阳极的电子的方向相反的方向导出X射线的窗口。为了可以在这个区域以外安置电子源，所述文献建议，通过磁力偏转装置偏转指向阳极的电子束。

本发明所要解决的技术问题是，提供一种改进的用于产生X射线的装置。所述技术问题通过具有权利要求1的特征的装置解决。本发明所要解决的另一个技术问题是，提供一种运行这种装置的方法。所述技术问题通过具有权利要求13的特征的方法解决。优选的改进方案在从属权利要求中给出。

按照本发明的用于产生X射线的装置具有具备目标层的阳极、用于发射电子束的阴极、用于借助电场将所述电子束偏转到所述目标层上的导流单元、用于聚焦所述电子束的聚焦单元和X射线窗口，用于使在所述阳极的目标层内产生的X射线沿着与轰击所述目标层的电子束相反的反向方向脱离。在此，所述阴极相对于从所述阳极出发的反向方向侧向错移地布置。所述装置以有利的方式被设计得特别紧凑。通过聚焦单元可以有利地在阳极上产生一个特别小的电子束的焦点。导流单元使得可以有利地将由阳极产生的X射线沿着相对于轰击阳极的电子相反的反向方向导出。由此，导出的X射线具有相对较低比例的X射线轫致辐射和相对较高比例的典型的X射线。

在所述装置的一个实施方式中，所述聚焦单元沿所述电子束的传播方向布置在所述导流单元的后面。由此聚焦单元可以有利地将电子束随后直接聚焦在阳极的目标层的一个点上。

在所述装置的一个实施方式中，所述导流单元包括弯曲的屏蔽管。在此，在所述屏蔽管的内部安置有第一电极和第二电极。由此在导流单元的部件可以有利地施加电压，该电压使通过导流单元延伸的电子束沿着屏蔽管的曲率偏转。

在所述装置的一个实施方式中，所述聚焦单元包含内壳。在此，所述阳极安置在所述内壳的内部。由此聚焦单元可以有利地将电子束聚焦在阳极上。在此，阳极安置在无场强的区域内。

在所述装置的一个实施方式中，所述内壳被设计为球壳。从而聚焦单元有利地具有较高的对称性，由此产生容易定义的电场。

在所述装置的一个实施方式中，所述聚焦单元包含外壳，其中，所述外壳至少部分围绕所述内壳。电子束可以有利地在外壳和内壳之间聚焦。此外，电子束的电子可以在外壳和内壳之间沿运动方向加速。

在所述装置的一个实施方式中，所述外壳被设计为球壳。由此有利地获得装置的聚焦单元的特别简单和对称的结构设计。

在所述装置的另一个实施方式中，所述外壳被设计为截球壳。在此也有利地获得聚焦单元的紧凑、简单和对称的结构设计。

在所述装置的一个实施方式中，所述内壳和所述外壳分别具有至少一个开口，所述开口设置用于使所述电子束通过。由此，电子束可以有利地指向并聚焦在安置于内壳中的阳极上。

在所述装置的一个实施方式中，所述装置具有收集器，所述收集器设置用于收集穿过所述阳极的电子束的电子。通过收集器收集的电子可以有利地在电流回路中回收，由此改进了装置的能效。

在所述装置的一个实施方式中，所述收集器和所述聚焦单元的外壳共同包围所述聚焦单元的内壳。由此，收集器有利地适用于收集在较大空间角度范围内散射的电子。

在所述装置的一个实施方式中，所述收集器具有圆柱形部段，其中，所述收集器的圆柱形部段邻接在所述外壳上。在此，所述外壳和所述圆柱形部段相互电绝缘。由此，收集器有利地适用于收集电子束的指向阳极的电子的大部分。在此，收集器可以有利地处于与聚焦单元的外壳不同的另一个电位。

在按照本发明的运行用于产生X射线的装置的方法中，屏蔽管和外壳相对于阴极被施以第一电压。在此，第一电极相对于阴极被施以第二电压。此外，内壳相对于阴极被施以第三电压。在此，所述第一电压具有比所述第二电压更大的正电压值。此外，所述第三电压具有比所述第一电压更大的正电压值。由此，电子束有利地在导流单元中被偏转。此外，电子束在聚焦单元的外壳和内壳之间被聚焦。此外，电子束的电子在外壳和内壳之间沿运动方向被加速。

在所述方法的一个实施方式中，第二电极相对于阴极同样被施以第一电压。由此，电子束的电子有利地在导流单元的内部不会改变其速度值。

在所述方法的一个实施方式中，收集器相对于阴极被施以第四电压。在此，所述第四电压具有比所述第一电压更大的正电压值。此外，所述第三电压具有比所述第四电压更大的正电压值。由此，电子束的穿过阳极的电子有利地被收集器减速，从而电子的一部分能量被回收。由此，所述方法有利地具有较高的能效。

上述的本发明的特性、特征和优点以及所实现的方式方法结合以下对参照附图的实施例的说明详细阐述。在附图中：

图1示出按照第一实施方式的用于产生X射线的装置的剖面示意图，

图2示出用于产生X射线的装置的立体示意图，

图3示出按照第二实施方式的用于产生X射线的装置的剖面示意图，和

图4示出按照第二实施方式的用于产生X射线的装置的立体示意图。

图1示出用于产生X射线的装置100的简化剖面示意图。图1中所示的用于产生X射线的装置100的部件可以安置在真空管中。在这种情况下，用于产生X射线的装置100也可以称为X射线管。图2示出用于产生X射线的装置100的立体示意图。出于视线的原因，在图2没有示出装置100的一些部件。

装置100具有阴极200。阴极200设置用于发射电子，以便产生电子束210。阴极200可以例如通过放热或场放射发射电子。

装置100还包含导流单元300。导流单元300设置用于将从阴极200发出的电子束210偏转，即改变电子束210的方向。导流单元300包括弯曲的由导电材料、例如金属制成的屏蔽管330。屏蔽管330的第一纵向端部331朝向阴极200。从阴极200发射的电子束210的电子可以通过第一纵向端部331进入屏蔽管330。

在导流单元300的屏蔽管330内部安置有第一电极310和第二电极320。第一电极310和第二电极320分别具有纵向延伸的弯曲的条带的形状，并且基本上相互平行地沿屏蔽管330的纵向延伸。电极310、320的曲率基本上等于屏蔽管330的曲率。电极310、320相互间隔。屏蔽管330的中线在第一电极310和第二电极320之间延伸。第一电极310和第二电极320分别有导电材料、例如金属制成。

在屏蔽管330的第一纵向端部331上进入屏蔽管330内的电子束210的电子可以在第一电极310和第二电极320之间穿过屏蔽管330。通过在第一电极310、第二电极320和屏蔽管330上施加的适合大小的电压，使得在导流单元300的屏蔽管330内部产生电场，该电场在电子束210的电子经过屏蔽管330时如此使电子束的电子偏转，从而使电子束210符合屏蔽管330的曲率。由此改变电子束210的方向。在穿过导流单元300后，电子束210的电子在屏蔽管的第二纵向端部332上离开屏蔽管330。

用于产生X射线的装置100还包含聚焦单元400。聚焦单元400用于将电子束210聚焦到阳极500的目标层510的焦点上。其目的是，产生尽可能小直径的焦点，这例如用于医学目的、如血管造影是有利的。

在所示实施方式中，聚焦单元400包含外壳410和内壳420。外壳410和内壳420分别由导电材料、如金属制成。外侧410和内侧420分别设计为球壳。外侧410和内侧420相互同心地布置。外壳410具有第一开口411。内壳420具有第一开口421。从同轴布置的壳体410、420的中心向外观察，内壳420的第一开口421和外壳410的第一开口411出于共同的径向上，其朝向导流单元300的屏蔽管330的第二纵向端部332。穿过导流单元300的屏蔽管330离开第二纵向端部332的电子束210的电子可以穿过外壳410的第一开口411和内壳420的第一开口421进入聚焦单元400。

在聚焦单元400的其它实施方式中，外壳410和内壳420可以设计为不是球壳形状的(例如设计为椭圆形的)，并且也不必一定同轴地布置。

如果适合大小的电压施加到聚焦单元400的外壳410和内壳420上，则由此在聚焦单元400的外壳410和内壳420之间形成沿径向指向的电场，使得在外壳410的第一开口411和内壳420的第一开口421之间延伸的电子束210产生聚焦的作用。电子束210在此通过电场的径向延伸近似地聚焦在聚焦单元400的外壳400和内壳420的共同的中心上。此外，外壳410和内壳420之间的电子束210的电子被如此加速，使得电子束210的电子的速度升高。电子束210的电子的增长的动能在此来自外壳410和内壳420之间的电势差。

在被聚焦单元400的内壳420围绕的空间内安置有用于产生X射线的装置100的阳极500。阳极500具有支架520，该支架固定目标层510。阳极500的支架520例如可以具有金刚石或者由其制成。目标层510例如可以具有钨或者由其制成。阳极500具有前侧501和后侧502。阳极500的前侧501由目标层510构成。

如此布置阳极500，使得穿过外壳410的第一开口411和内壳420的第一开口421进入聚焦单元400内的电子束210接触阳极500的前侧501上的目标层510。优选电子束210基本垂直地接触目标层510。阳极500优选如此布置在聚焦单元400的内壳420的内部空间内，使得目标层510处于通过聚焦单元400被作用聚焦的电子束210的焦点内。随之使焦点具有最小的直径，电子束210的电子在该焦点内轰击阳极500的目标层510。

轰击阳极500的目标层510的电子束210的电子在目标层510内被减速，其中产生X射线。该X射线在多个或所有空间方向上放射。在此，X射线包括X射线轫致辐射和典型的X射线。X射线轫致辐射在由轰击目标层510的电子束210的方向定义的向前方向上的比例大于相反的反向方向。

因为对于不同的医学和技术目的，希望X射线轫致辐射的比例尽可能地小，所以在用于产生X射线的装置100中用于导出在阳极500的目标层510内产生的X射线的X射线窗口110位于反向方向上，即在与电子束210轰击目标层510的方向相反的方向上。X射线窗口110在此例如可以覆盖+/-20°的空间角度范围。

用于产生X射线的装置100的优点在于，阴极200至少部分布置在空间区域以外，穿过X射线窗口被导出的X射线在X射线的从阳极500的目标层510开始的路径上通过该空间区域。由此，X射线不会或仅轻微地被阴极200屏蔽或者减弱。通过导流单元300实现了，阴极200在由X射线窗口110覆盖的空间区域以外布置。这使得，阴极200在侧面相对于反向方向错移地布置并且电子束210则沿与反向方向相反的向前方向指向阳极500的目标层510。

用于产生X射线的装置100还包括收集器600。该收集器600沿着由轰击目标层510的电子束210的方向定义的前进方向布置在聚焦单元400的后面并且布置在聚焦单元400的外壳410的外面。

收集器600用于收集完全穿过阳极500的电子束210的电子，以便优化装置100的能效。为此，内壳420具有第二开口422。外壳410也具有第二开口412。外壳410的第二开口412和内壳420的第二开口422布置在与第一开口411、421相对置的外壳410和内侧420的一侧上。由此，在轰击了阳极500的目标层510后完全穿过的电子束210的电子通过内壳420的第二开口422和外壳410的第二开口412离开聚焦单元400并达到收集器600。

在用于产生X射线的装置100运行时，装置100的不同部件处于不同的电位。阴极200在此可以形成接地电位或参考电位。

导流单元300的屏蔽管330和聚焦单元400的外壳410优选处于共同的正电位。在此，电压例如可以相对于阴极200是10kV。导流单元300的第二电极320优选也处于该电位上。还可行的是，导流单元300的屏蔽管330、导流单元300的第二电极320和聚焦单元400的外壳410分别处于不同的电位。

导流单元300的第一电极310处于一个正电位，其小于导流单元300的屏蔽管330的电位。第一电极310例如可以相对于阴极200处于1kV的电位。

聚焦单元400的内壳420处于一个正电位，其大于聚焦单元400的外壳410的电位。内壳420例如可以相对于阴极200处于150kV的电位。

收集器600可以处于一个正电位，其位于聚焦单元400的外壳410和内壳420的电位之间。收集器600例如可以相对于阴极200处于40kV的电位。

图3示出根据第二实施方式的用于产生X射线的装置700的简化剖面示意图。图4示出用于产生X射线的装置700的立体示意图。出于视线的原因，图4中没有示出一些装置700的部件。

用于产生X射线的装置700与图1和2所示的用于产生X射线的装置100相一致。因此，相互对应的部件标以相同的附图标记并且随后不再详细描述。

替代聚焦单元400，用于产生X射线的装置700具有聚焦单元800。该聚焦单元800包括设计为导电球壳的内壳820。内壳820包含第一开口821，电子束210的电子穿过第一开口821可以进入被内壳820围绕的空间内。在聚焦单元800的内壳820的内部空间内安置有阳极500。电子束210的完全穿过阳极500的电子可以通过第二开口822离开内壳820。聚焦单元800的内壳820一定程度上相当于图1和2中的用于产生X射线的装置100的聚焦单元400的内壳420。

用于产生X射线的装置700的聚焦单元800还包括外壳810。外壳810由导电材料、如金属制成。外壳810具有部分球壳的形状。外壳810被设计为截球壳形状。因此，外壳810也可以称为截球壳。外壳810局部包围聚焦单元800的内壳820。在此，由此构成外壳局部的球壳的中心与内壳的中心重合。外壳810布置在内壳820的朝向导流单元300的屏蔽管330的第二纵向端部332的一侧上。外壳810具有开口811，通过第二纵向端部332离开导流单元300的屏蔽管330的电子束210的电子穿过开口811可以进入聚焦单元800内。

在聚焦单元800的外壳810和内壳820之间也可以通过施加相应的电压产生电场。对在外壳810和内壳820之间延伸的电子束210施加聚焦的作用。电子束210在此也近似地聚焦在聚焦单元800的内壳820的中心点上。同时，电场还使得电子束210的电子的速度增大。

替代收集器600，用于产生X射线的装置700具有收集器900。该收集器900由导电材料、如金属制成并且用于收集电子束210的完全穿过阳极500的电子，以便由此提高用于产生X射线的装置700的能效。

收集器900具有圆柱形部段910，其在一侧被底板部段封闭。由此，收集器900被设计为杯子形状。收集器900的圆柱形部段910具有与聚焦单元800的外壳810相同的直径。收集器900的圆柱形部段910的开放的端部与外壳810的开放端部相邻接。由此，聚焦单元800的内壳810被外壳810和收集器900围绕。

在外壳810和收集器900的圆柱形部段910之间安置有绝缘件920，该绝缘件使外壳810相对收集器900电绝缘。从而外壳810和收集器900可以处于不同的电位。

电子束210的穿过阳极500的电子能够以较大的角度分布离开阳极500。电子的相对于指向阳极500的前侧501的电子束210的方向的方向改变由电子束210的电子与阳极500的目标层510和支架520的原子的碰撞引起。如果阳极500例如具有由金刚石制成的支架520和由钨制成的500nm厚的目标层510，则穿过阳极500的电子的角度分布处于约+/-60°的范围内。收集器900相对于图1和2中的收集器600所具有的优点是，收集器900可以从其整体加大的空间角度范围内收集电子。由此，装置700具有特别高的能效。优选地，内壳820的第二开口822具有相应的大小，以便使电子从整个可能的散射角范围内通过。

用于产生X射线的装置700的部件在装置700运行是可以处于相同的电位上，与用于产生X射线的装置100的部件相应。尤其，外壳810可以相对于阴极200处于10kV的电位。聚焦单元800的内壳820可以相对于阴极200处于150kV的电位。收集器900可以相对于阴极200处于40kV的电位。

尽管通过优选实施例详细示出并阐述了本发明的细节，但是本发明不受公开实施例的限制，并且只要不脱离本发明的保护范围，技术人员由此可以推导出其它变型方案。

Claims

1.一种用于产生X射线的装置(100、700)，其具有

具备目标层(510)的阳极(500)，

用于发射电子束(210)的阴极(200)，

导流单元(300)，用于借助电场将所述电子束(210)偏转到所述目标层(510)上，

用于聚焦所述电子束(210)的聚焦单元(400、800)，

和X射线窗口，用于使在所述阳极(500)的目标层(510)内产生的X射线沿着与轰击所述目标层(510)的电子束(210)相反的反向方向脱离，

其中，所述阴极(200)相对于从所述阳极(500)出发的反向方向侧向错移地布置。

2.如权利要求1所述的装置(100、700)，其中，所述聚焦单元(400、800)沿所述电子束(210)的传播方向布置在所述导流单元(300)的后面。

3.如前述权利要求之一所述的装置(100、700)，其中，所述导流单元(300)包括弯曲的屏蔽管(330)，其中，在所述屏蔽管(330)的内部安置有第一电极(310)和第二电极(320)。

4.如前述权利要求之一所述的装置(100、700)，其中，所述聚焦单元(400、800)包含内壳(420、820)，其中，所述阳极(500)安置在所述内壳(420、820)的内部。

5.如权利要求4所述的装置(100、700)，其中，所述内壳(420、820)被设计为球壳。

6.如权利要求4或5所述的装置(100、700)，其中，所述聚焦单元(400、800)包含外壳(410、810)，其中，所述外壳(410、810)至少部分围绕所述内壳(420、820)。

7.如权利要求6所述的装置(100、700)，其中，所述外壳(410)被设计为球壳。

8.如权利要求6所述的装置(100、700)，其中，所述外壳(810)被设计为截球壳。

9.如权利要求6至8之一所述的装置(100、700)，其中，所述内壳(420、820)和所述外壳(410、810)分别具有至少一个开口(411、412、421、422、811、821、822)，所述开口设置用于使所述电子束(210)通过。

10.如前述权利要求之一所述的装置(100、700)，其中，所述装置(100、700)具有收集器(600、900)，所述收集器(600、900)设置用于收集穿过所述阳极(500)的电子束(210)的电子。

11.如权利要求10和权利要求6、8和9之一所述的装置(100、700)，其中，所述收集器(900)和所述聚焦单元(800)的外壳(810)共同包围所述聚焦单元(800)的内壳(820)。

12.如权利要求11所述的装置(100、700)，其中，所述收集器(900)具有圆柱形部段(910)，其中，所述收集器(900)的圆柱形部段(910)邻接在所述外壳(810)上，其中，所述外壳(810)和所述圆柱形部段(910)相互电绝缘。

13.一种运行用于产生X射线的装置(100、700)的方法，所述装置(100、700)是如权利要求3和6所述的装置，其中，屏蔽管(330)和外壳(410、810)相对于阴极(200)被施以第一电压，其中，第一电极(310)相对于阴极(200)被施以第二电压，其中，内壳(420、820)相对于阴极(200)被施以第三电压，其中，所述第一电压具有比所述第二电压更大的正电压值，其中，所述第三电压具有比所述第一电压更大的正电压值。

14.如权利要求13所述的方法，其中，所述第二电极(320)相对于阴极(200)同样被施以第一电压。

15.如权利要求13或14所述的方法，其中，用于产生X射线的装置(100、700)根据权利要求10构成，其中，收集器(600、900)相对于阴极(200)被施以第四电压，其中，所述第四电压具有比所述第一电压更大的正电压值，其中，所述第三电压具有比所述第四电压更大的正电压值。