CN104851768A - 一种静态多源冷阴极x射线仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种静态多源冷阴极X射线仪，包括一个恒定真空腔系统，若干个三极式X射线发射单元，一个循环冷却系统；所述循环冷却系统由一条穿过真空腔体的铜制冷却管道和泵组成，冷却管道通过面接触的方式紧密的固定在每一个阳极的上方，冷却管道两端通过密封法兰接出真空腔体外，且冷却管道和冷却管道两端连接法兰间采用绝缘陶瓷焊接密封，使真空腔体和冷却管道绝缘，本发明通过冷却管道可以解决因为打到靶材上的电流大，而造成温度高，熔靶或把阳极靶打坏的缺点，我们可以支持大电流，高功率。电流大，可以用在医学上，组织和骨头等地方，因为我们这个功率可调，通过电压调节发射电流大小来调节X射线的强弱。应用范围广。

Description

一种静态多源冷阴极X射线仪

技术领域

本发明涉及一种静态的多源冷阴极X射线仪，用于X射线成像设备的X射线仪。还涉及上述X射线管的系统及相关方法。

背景技术

医用X射线仪能广泛的应用于骨关节，腰颈椎，腹部器官，血管，胰腺，乳腺等人和动物的骨骼、脏器、腺体和组织等部位进行拍片，透视，造影，成像及治疗。能有效筛查并诊断疾病，有利于医生进行术前评估并制定正确的治疗方案。如今专用的X射线仪(简称X光机)有牙科全景X光机，数字乳腺X光机，头部CT等。

目前传统热阴极技术，采用单个X射线管的机械转动，实现不同角度的摄影。例如CT机的X线管装在患者的上方绕检查部位旋转，形成扇形的X射线束，同时在患者下方装环形排列的探测器收集信息，再经过电子计算机的处理重建出人体被检查部位的断面或立体的图像。如今的三维X射线乳腺检测则是X射线管围绕被检测部位10-50°旋转扫描，并收集移动拍摄的扫描图像，经过电脑对这些图像重建形成三维成像；该检测扫描所需的时间取决于视图和乳房的厚度，大约为7-40秒。这比常规的二维乳腺x光检查的时间要长得多。成像时间长会导致病人运动模糊,会降低图像质量,可以让病人感到不舒服。旋转的速率和探测器速率限制了系统扫描速率。

传统的热阴极技术,通过加热真空管内的金属丝达到上千摄氏度高温来产生高能电子。且热阴极存在体积较大、电子发射调制时间较长(毫秒级别)、功耗大等缺陷。针对热阴极的这些缺陷,性能优良的冷阴极的研究应运而生。室温下，阴极在电场作用下发射电子(称为场发射)，因此场发射具有更高的能量利用率。此外，场发射还具有一些独特的性质，例如，对电场变化的快速响应，对温度波动和辐射不敏感，发射出的电子束高度可控，高开关比，电子的弹道传输，而且很小的电压调制范围就可以调制很大的电流范围。

碳纳米材料是碳的一种同素异形体，是准一维纳米材料。由于具有较高的长径比、稳定的化学和机械性能，因此具有优秀的场发射性能。例如，低开启电压、高电子发射稳定性，长寿命等。近年来，将碳纳米材料应用于场发射器件已经成为研究的热点。

发明内容

本发明针对现有热阴极单个X射线管机械旋转多角度扫描成像技术的不足，提供一种基于碳纳米场发射材料的新型静态多源冷阴极X射线成像设备的X射线仪，以实现冷阴极电子的多 角度拍摄。能有效提高X射线成像的分辨率，以及缩短X射线的曝光时间，以及较长的使用寿命，以降低X射线成像设备的开发成本和维护成本。

本发明的技术方案是：一种静态多源冷阴极X射线仪，包括一个恒定真空腔系统，若干个三极式X射线发射单元，一个循环冷却系统；

所述恒定真空腔系统包括一个真空腔体，所述真空腔体为弧形结构，所述弧形结构两端设置法兰，左端法兰连接真空泵，右端法兰连接真空测量仪；

所述真空腔体中按腔体弧度排列若干个三极式X射线发射单元，每一个三极式X射线发射单元自上而下包括一个阳极、一个栅极和一个阴极，每个阳极、栅极和阴极都分别通过陶瓷和螺钉固定在腔体内部，使阳极、栅极、阴极和腔体之间两两绝缘；每个栅极中心设一个电子透射孔，用于聚焦阴极发射出来的电子，并让电子穿过透射孔射向阳极；

所述循环冷却系统由一条穿过真空腔体的铜制冷却管道和泵组成，冷却管道通过面接触的方式紧密的固定在每一个阳极的上方，冷却管道两端通过密封法兰接出真空腔体外，且冷却管道和冷却管道两端连接法兰间采用绝缘陶瓷焊接密封，使真空腔体和冷却管道绝缘；

所述真空腔体底面中心按腔体弧度排列有一个阳极接线柱、一个栅极接线柱和若干个与三极式X射线发射单元一一对应的阴极接线柱，所述阳极接线柱一端连接正高压、一端连接所有三极式X射线发射单元的阳极，所述栅极接线柱一端接地、一端连接所有三极式X射线发射单元的腔体的栅极，所述阴极接线柱一端连接负高压、一端连接对应的三极式X射线发射单元的阴极。

进一步的，所述阳极为直角梯形结构，斜面向下，上表面带有凹槽；所述冷却管道为弧形，两端弯曲向下通过密封法兰穿过真空腔体底面，所述冷却管道弧形的弧度与真空腔体相同，配套嵌置于所有阳极的凹槽内，与阳极的凹槽表面紧密接触固定。大大增加了冷却管道与阳极之间的接触面积，可以解决因为打到阳极靶材上的电流大，而造成温度高，熔靶或把阳极靶打坏的缺点，可以支持大电流，高功率。电流大，可以用在医学上，组织和骨头等地方，因为功率可调，通过电压调节发射电流大小来调节X射线的强弱。应用范围广。

进一步的，所述冷却管道自带一排紧固耳，个数与阳极个数相同，一一对应的通过螺丝将冷却管道固定于阳极的凹槽内。安装连接可靠。

进一步的，所述阳极的斜面与水平面之间的夹角为10°到20°。

进一步的，所述真空腔体内部为二级阶梯式结构；阳极两端凸出并开孔，通过阳极固定件固定设置于高级阶梯的水平台面上；栅极为平面结构，两端凸出并开孔，通过栅极固定件固定设置于低级阶梯的水平台面上；阴极直接通过阴极固定件固定设置于真空腔体内最底部 凹槽内，且每个阴极尖端对准对应的栅极中心的电子透射孔。发射原理是电子的场致发射：栅极接地，阴极接负高压。阴极和栅极之间的空间电场降低了电子的逸出功，从而在低电场下实现大电流发射。栅极和阴极的极间距由发射电子的发射体形貌，高度来决定。栅极，阴极和阳极的间距通过腔体内的台阶以及绝缘陶瓷厚度来调控。

进一步的，所述真空腔体的弧形结构的圆心角为55°-60°，半径为600mm-700mm，宽为120mm-130mm，高为90mm-100mm。

进一步的，每个三极式X射线发射单元间隔2°。保证每个三极式X射线发射单元之间绝缘，互不影响。

进一步的，阴极为含铁、钴、镍的金属材料上生长的碳纳米管发射体。由于具有较高的长径比、稳定的化学和机械性能，因此具有优秀的场发射性能。

进一步的，所述真空腔体外侧包裹铅罩。防止射线伤害。

进一步的，所述真空腔体的上盖通过若干个紧固螺丝固定安装于腔体上，且上盖与腔体之间设置有一个腔体无氧铜密封圈。保证密封可靠。

本发明提供的基于碳纳米场发射材料的新型静态多源冷阴极X射线成像设备，具有以下优点：

第一、弧形设计，X射线依次出来打到被照射物体上的X光束比较均匀。

第二、系统带有循环冷却装置，通过冷却管道可以解决因为打到靶材上的电流大，而造成温度高，熔靶或把阳极靶打坏的缺点，我们可以支持大电流，高功率。电流大，可以用在医学上，组织和骨头等地方，因为我们这个功率可调，通过电压调节发射电流大小来调节X射线的强弱。应用范围广。

第三、本装置中每个单元中的每个电极都是独立的，都可以单独替换，提高了使用效率。

第四、本装置中每个单元中的每个电极都是独立固定在腔体上，这样一体性比较好，X射线出腔体的焦点不会因为系统移动造成较大的误差，稳定性比较强。

第五、通过真空泵和真空测量仪实现动态真空，能有效维持X射线管内部真空度，在工作过程中，不会因为放气损坏阴极发射体，有利于延长冷阴极的使用(工作)寿命。

第六、新型静态多源冷阴极X射线系统实现了多源发射多角度拍摄的X射线技术，克服了传统热阴极采用单个X射线管的机械转动来实现不同角度的摄影所导致的成像时间长，病人运动模糊，图像质量降低等问题。

第七、克服了热阴极X射线管存在体积较大、电子发射调制时间较长(毫秒级别)、功耗大等缺陷问题。实现开机瞬间电场开启，发射电子，缩短X射线的曝光时间，降低辐射剂量。

新型静态多源冷阴极X射线成像设备的X射线发射单元，通过控制阴极的尺寸能有效控制阴极制备及发射面积。并采用三极式结构，通过栅极聚焦，可实现小焦点，提高X射线成像的分辨率。

第八、通过将每个发射单元的电极都独自作为一个个体安装在腔体上，使X射线束打到检测物体上的范围和焦点更可控。

第九、整体结构简易，可功能扩展，可以随时更换零部件或电极，提高仪器使用效率，进而可降低X射线成像设备的开发和维护成本。

附图说明

以下附图仅对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。图1用于说明新型静态多源冷阴极X射线成像设备的一种示意性实施方式的结构示意图。图2显示了新型静态多源冷阴极X射线成像设备组装后的俯视示意图。图3显示了新型静态多源冷阴极X射线成像设备组装后的侧视示意图。图4为单个发射单元固定在腔体上的示意图。

标号说明

1.真空腔体上盖 

2.腔体无氧铜密封圈

3.冷却管道(自带一排紧固耳)

4.冷却管道接口处绝缘陶瓷

5.冷却管道接口处法兰

6.冷却管道与真空腔体处密封的无氧铜圈

7.阳极

8.栅极

9.阴极

10.阴极固定件(陶瓷架)

11.真空腔体

12.腔体右端法兰 

13阴极接线柱 

14.上盖紧固螺丝 

15.冷却管固定螺丝

16.冷却管道法兰与腔体连接的紧固螺丝

17.阳极T型绝缘陶瓷(上)

18.阳极固定螺丝 

19.阳极T型绝缘陶瓷(下)

20.栅极固定螺丝 

21.栅极T型绝缘陶瓷(上)

22.栅极T型绝缘陶瓷(下)

23.陶瓷架固定螺丝

24.阴极定位螺丝 

25.腔体左端法兰 

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式，在各图中相同的标号表示相同的部分。

本发明提供的新型静态多源冷阴极X射线成像设备的结构展开如图1所示；其组装后的俯视示意图如图2所示；侧视示意图如图3所示；单个发射单元固定在腔体上如图3所示。本发明提供了一种新型静态多源冷阴极X射线成像设备的X射线仪，包括一个恒定真空腔系统，若干个三极式X射线发射单元，一个循环冷却系统。

其中，恒定真空腔系统包括一个真空腔体11，真空腔体11是外形是圆心角57°，半径r为650mm，宽126mm，高93mm的弧形结构，两个端口是CF法兰，右边复合高真空计接在右端法兰12，高真空泵接左端的法兰25，工作时能维持腔体真空度在恒定E-6pa，能有效维持X射线管内部真空度，有利于延长冷阴极的使用(工作)寿命。真空腔体底面中心有一排接线柱共27个，用于电源输入，分别为一个阳极接线柱、一个栅极接线柱和25个与三极式X射线发射单元一一对应的阴极接线柱，阳极接线柱一端连接正高压、一端连接所有三极式X射线发射单元的阳极，栅极接线柱一端接地、一端连接所有三极式X射线发射单元的腔体的栅极，阴极接线柱一端连接负高压、一端连接对应的三极式X射线发射单元的阴极。真空腔体11的上盖1通过若干个紧固螺丝14固定安装于腔体上，且上盖与腔体之间设置有一个腔体无氧铜密封圈2，保证密封可靠。

循环冷却系统由一条穿过真空腔体的铜制冷却管道3和泵组成，冷却管道3通过面接触的方式紧密的固定在每一个阳极7的上方，可以采用绝缘油冷却的方式。作为优选的结构，所述阳极7为直角梯形结构，斜面向下(斜面与水平面之间的夹角为10°到20°)，上表面带有凹槽；所述冷却管道3为弧形，两端弯曲向下通过密封法兰5穿过真空腔体底面，所述冷却管道弧形的弧度与真空腔体相同，配套嵌置于所有阳极的凹槽内，与阳极的凹槽表面紧 密接触固定。大大增加了冷却管道与阳极之间的接触面积，可以解决因为打到阳极靶材上的电流大，而造成温度高，熔靶或把阳极靶打坏的缺点，可以支持大电流，高功率。电流大，可以用在医学上，组织和骨头等地方，因为功率可调，通过电压调节发射电流大小来调节X射线的强弱。应用范围广。

同时，冷却管道自带一排紧固耳，个数与阳极个数相同，一一对应的通过螺丝15将冷却管道固定于阳极的凹槽内，安装连接可靠。且冷却管道和冷却管道两端连接法兰间采用绝缘陶瓷4焊接密封，使真空腔体和冷却管道绝缘。冷却管道与真空腔体之间采用紧固螺丝16固定密封，且密封处设置无氧铜圈6保证密封可靠。

真空腔体中按腔体弧度排列25个X射线发射单元，每个单元间隔2°。每一个单元自上而下包括一个阳极、一个栅极和一个阴极，每个阳极、栅极和阴极都分别通过陶瓷和螺钉固定在腔体内部，使阳极、栅极、阴极和腔体之间两两绝缘；每个栅极中心设一个电子透射孔，用于聚焦阴极发射出来的电子，并让电子穿过透射孔射向阳极。

具体的，所述真空腔体内部为二级阶梯式结构；阳极7两端凸出并开孔，通过阳极固定件(配套的上阳极T型绝缘陶瓷17和下阳极T型绝缘陶瓷19以及穿插于上下阳极T型绝缘陶瓷中心孔内的阳极固定螺丝18固定，连接可靠且绝缘)固定设置于高级阶梯的水平台面上；栅极8为平面结构，两端凸出并开孔，通过栅极固定件(配套的上栅极T型绝缘陶瓷21和下栅极T型绝缘陶瓷22以及穿插于上下栅极T型绝缘陶瓷中心孔内的栅极固定螺丝20固定，连接可靠且绝缘)固定设置于低级阶梯的水平台面上；阴极9直接通过阴极固定件(阴极固定陶瓷架10和阴极定位螺丝24)固定设置于真空腔体内最底部凹槽内，且每个阴极尖端对准对应的栅极中心的电子透射孔。

本发明通过将每个发射单元的电极都独自作为一个个体安装在腔体上，使X射线束打到检测物体上的范围和焦点更可控。每个栅极中心设一个电子透射孔，用于聚焦阴极发射出来的电子，并让电子穿过透射孔射向阳极。发射原理是电子的场致发射：栅极接地，阴极接负高压。阴极和栅极之间的空间电场降低了电子的逸出功，从而在低电场下实现大电流发射。每个发射单元工作时，25个阳极电压始终处于接触状态，栅极接地，阴极采用25个单独的MOSFET开关管控制电源输入，通过分时序方式连续给25个阴极接上脉冲电压，这样就可以控制25个单个结构连续发射X射线。例如，t1时刻，只给A阴极接通负5KV单个脉冲电压，其余阴极不接通脉冲电压，在t2时刻，只给B阴极接通5KV单个脉冲电压，其余阴极不接通脉冲电压....依次类推，分时序连续地分别给25个阴极接触脉冲电压，即可正常工作发射射线。

所述真空腔体外侧包裹铅罩。防止射线伤害。

如上所述栅极和阴极的极间距由发射电子的发射体形貌，高度来决定。栅极，阴极和阳极的间距通过腔体内的台阶以及绝缘陶瓷厚度来调控。

如上所述阴极为含铁、钴、镍的金属材料上生长的碳纳米管(CNT)发射体，栅极为镍或者不锈钢等金属材料，阳极可用铜镶钨、钼、铑等金属或直接使用金属复合材料。紧固件、连接柱、导电柱、螺栓等材料为热膨胀系数一致或近似的金属材质。

所述阴极棒材料为含可催化制备发射体的金属或金属化合物，如常见的铁、钴、镍，等纯金属催化剂或含催化剂金属的化合物等。发射体制备方法为物理气相沉积，化学气相沉积，丝网印刷，溶液法等。通常发射体厚度为几十微米。

Claims (10)

1.一种静态多源冷阴极X射线仪，其特征在于：包括一个恒定真空腔系统，若干个三极式X射线发射单元，一个循环冷却系统；

所述恒定真空腔系统包括一个真空腔体，所述真空腔体为弧形结构，所述弧形结构两端设置法兰，左端法兰连接真空泵，右端法兰连接真空测量仪；

所述真空腔体中按腔体弧度排列若干个三极式X射线发射单元，每一个三极式X射线发射单元自上而下包括一个阳极、一个栅极和一个阴极，每个阳极、栅极和阴极都分别通过陶瓷和螺钉固定在腔体内部，使阳极、栅极、阴极和腔体之间两两绝缘；每个栅极中心设一个电子透射孔，用于聚焦阴极发射出来的电子，并让电子穿过透射孔射向阳极；

所述循环冷却系统由一条穿过真空腔体的铜制冷却管道和泵组成，冷却管道通过面接触的方式紧密的固定在每一个阳极的上方，冷却管道两端通过密封法兰接出真空腔体外，且冷却管道和冷却管道两端连接法兰间采用绝缘陶瓷焊接密封，使真空腔体和冷却管道绝缘；

所述真空腔体底面中心按腔体弧度排列有一个阳极接线柱、一个栅极接线柱和若干个与三极式X射线发射单元一一对应的阴极接线柱，所述阳极接线柱一端连接正高压、一端连接所有三极式X射线发射单元的阳极，所述栅极接线柱一端接地、一端连接所有三极式X射线发射单元的腔体的栅极，所述阴极接线柱一端连接负高压、一端连接对应的三极式X射线发射单元的阴极。

2.根据权利要求1所述的一种静态多源冷阴极X射线仪，其特征在于：所述阳极为直角梯形结构，斜面向下，上表面带有凹槽；所述冷却管道为弧形，两端弯曲向下通过密封法兰穿过真空腔体底面，所述冷却管道弧形的弧度与真空腔体相同，配套嵌置于所有阳极的凹槽内，与阳极的凹槽表面紧密接触固定。

3.根据权利要求2所述的一种静态多源冷阴极X射线仪，其特征在于：所述冷却管道自带一排紧固耳，个数与阳极个数相同，一一对应的通过螺丝将冷却管道固定于阳极的凹槽内。

4.根据权利要求2所述的一种静态多源冷阴极X射线仪，其特征在于：所述阳极的斜面与水平面之间的夹角为10°到20°。

5.根据权利要求1所述的一种静态多源冷阴极X射线仪，其特征在于：所述真空腔体内部为二级阶梯式结构；阳极两端凸出并开孔，通过阳极固定件固定设置于高级阶梯的水平台面上；栅极为平面结构，两端凸出并开孔，通过栅极固定件固定设置于低级阶梯的水平台面上；阴极直接通过阴极固定件固定设置于真空腔体内最底部凹槽内，且每个阴极尖端对准对应的栅极中心的电子透射孔。

6.根据权利要求1所述的一种静态多源冷阴极X射线仪，其特征在于：所述真空腔体的弧形结构的圆心角为55°-60°，半径为600mm-700mm，宽为120mm-130mm，高为90mm-100mm。

7.根据权利要求1所述的一种静态多源冷阴极X射线仪，其特征在于：每个三极式X射线发射单元间隔2°。

8.根据权利要求1所述的一种静态多源冷阴极X射线仪，其特征在于：阴极为含铁、钴、镍的金属材料上生长的碳纳米管发射体。

9.根据权利要求1所述的一种静态多源冷阴极X射线仪，其特征在于：所述真空腔体外侧包裹铅罩。

10.根据权利要求1所述的一种静态多源冷阴极X射线仪，其特征在于：所述真空腔体的上盖通过若干个紧固螺丝固定安装于腔体上，且上盖与腔体之间设置有一个腔体无氧铜密封圈。