CN107464734A - 分布式x射线光源及其控制方法和ct设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种分布式X射线光源及其控制方法和CT设备。该分布式X射线光源包括：排布设置的多个阴极组件，所述阴极组件用于发射电子束；阳极靶，用于接收阴极组件发射的电子束；以及依次设置在多个阴极组件与阳极靶之间的补偿电极和聚焦电极，补偿电极用于调节阴极组件中的栅网结构两端的电场强度，所述聚焦电极用于对所述阴极组件发射的电子束进行聚焦；其中，所述多个阴极组件中的至少一个阴极组件对应的聚焦电极包括分离设置的第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极之间形成有电子束通道。本发明能够实现使用较少的阴极组件产生较多X射线辐射源的效果，提高了系统的稳定性，减少了阴极组件的使用数量，降低了设备的生产成本。

Description

分布式X射线光源及其控制方法和CT设备
技术领域
本发明涉及X射线技术领域，具体而言，涉及一种分布式X射线光源及其控制方法和CT设备。
背景技术
X射线在工业无损检测、安全检查、医学诊断和治疗等领域具有广泛的应用，特别是利用X射线的高穿透能力制成的X射线透视成像设备在人们日常生活的方方面面发挥着重要作用。这类设备早期是胶片式的平面透视成像设备，目前已发展为数字化、多视角并且高分辨率的立体成像设备，例如CT(Computed Tomography，电子计算机断层扫描)设备，可以获得高清晰度的三维立体图形或切片图像。
如图1所示为相关技术中的分布式X射线光源的结构示意图，该分布式X射线光源包括多个阴极组件(101A、101B、101C、……、101N)、补偿电极103、聚焦电极104、阳极靶102和电源系统(如图1中所示的高压电源和补偿聚焦电源)等。在图1所示的结构中，参照图2，阴极组件中的阴极1011发出的电子束经过补偿电极103和聚焦电极104后只能在阳极靶102上打出一个靶点，进而产生一个X射线辐射源。受阴极尺寸和阴极组件加工工艺的影响，目前阴极组件的最小直径大约在16mm左右，保留一点余量，通常按照20mm的间距排布阴极组件，这样在1m长的光源中能够排布50个阴极组件，一个阴极组件在阳极靶上打出一个靶点，从而产生50个X射线辐射源。
阴极组件中的阴极通常采用储备式热阴极，其工作时的温度在1100℃左右，单个阴极的加热功率在8W左右，那么50个阴极就有400W左右的加热功率，如此高的加热功率会使阴极组件的支架有非常高的温度。根据目前的实验结果，采用不锈钢加工的支架与阴极组件压接的地方有高达300℃的温度，这对阴极组件的热管理带来极大的难度，需要额外添加冷却设备来对阴极组件进行冷却，或者需要加工导热性能更好的材料作为阴极组件的支架，提高了设备的生产成本。
需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的目的在于提供一种分布式X射线光源及其控制方法和CT设备，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。
本发明的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本发明的实践而习得。
根据本发明实施例的第一方面，提供了一种分布式X射线光源，包括：排布设置的多个阴极组件，所述阴极组件用于发射电子束；阳极靶，用于接收所述阴极组件发射的电子束；以及依次设置在所述多个阴极组件与所述阳极靶之间的补偿电极和聚焦电极，所述补偿电极用于调整所述阴极组件中的栅网结构两端的电场，所述聚焦电极用于对所述阴极组件发射的电子束进行聚焦；其中，所述多个阴极组件中的至少一个阴极组件对应的所述聚焦电极包括分离设置的第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极之间形成有电子束通道。
在本发明的一些实施例中，所述至少一个阴极组件中的各个阴极组件对应的所述聚焦电极分离设置。
在本发明的一些实施例中，所述至少一个阴极组件中的所有阴极组件对应的所述第一电极相互电连接后连接至第一电源，所述所有阴极组件对应的所述第二电极相互电连接后连接至第二电源；其中，所述第一电源和所述第二电源的电压可调。
在本发明的一些实施例中，所述至少一个阴极组件中任两个相邻的阴极组件对应的两个聚焦电极具有公用电极，所述公用电极作为所述两个聚焦电极中第一聚焦电极的第二电极和第二聚焦电极的第一电极。
在本发明的一些实施例中，所述至少一个阴极组件中按照排列顺序的第一个阴极组件对应的所述第一电极与排列序号为偶数的阴极组件对应的所述第二电极相互电连接后连接至第一电源，所述至少一个阴极组件中排列序号为奇数的阴极组件对应的所述第二电极相互电连接后连接至第二电源；其中，所述第一电源和所述第二电源的电压可调。
在本发明的一些实施例中，所述的分布式X射线光源还包括：电压控制模块，连接至所述第一电源和所述第二电源，用于控制所述第一电源和所述第二电源的电压，以调整所述第一电源与所述第二电源之间的电压差。
在本发明的一些实施例中，所述多个阴极组件中的所有阴极组件对应的所述聚焦电极均包括分离设置的所述第一电极和所述第二电极。
在本发明的一些实施例中，所述阴极组件包括：阴极，用于发射电子束；以及所述栅网结构，设置在所述阴极的发射端方向，并与所述阴极的发射端间隔预定距离。
根据本发明实施例的第二方面，提供了一种CT设备，包括：如上述实施例中任一项所述的分布式X射线光源。
根据本发明实施例的第三方面，提供了一种分布式X射线光源的控制方法，用于对上述实施例中任一项所述的分布式X射线光源进行控制，所述控制方法包括：按照预定周期依次调整所述至少一个阴极组件中各个阴极组件对应的所述第一电极和所述第二电极之间的电压差，以控制所述各个阴极组件发射的电子束打在所述阳极靶上的位置。
在本发明的一些实施例所提供的技术方案中，通过将阴极组件对应的聚焦电极设置为分离的第一电极和第二电极，且第一电极和第二电极之间形成有电子束通道，使得阴极组件发射的电子束在通过聚焦电极时会在第一电极和第二电极之间的电压差作用下发生偏移，这样可以通过控制第一电极和第二电极之间的电压差来控制电子束打在阳极靶上的位置，进而能够控制一个阴极组件发射的电子束打在阳极靶上的不同位置上，从而能够实现使用较少的阴极组件产生较多X射线辐射源的效果，减少了分布式X射线光源中阴极组件的使用数量，降低了阴极组件的支架温度和热管理难度，提高了系统的稳定性，-降低了设备的生产成本。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1示出了相关技术中的分布式X射线光源的结构示意图；
图2示出了基于图1所示的分布式X射线光源的结构，阴极组件发射的电子束的运动轨迹示意图；
图3示出了根据本发明的第一个实施例的分布式X射线光源的结构示意图；
图4示出了根据本发明的实施例的阴极组件发射的电子束的一种运动轨迹示意图；
图5示出了根据本发明的第二个实施例的分布式X射线光源的结构示意图；
图6示出了基于图5所示的分布式X射线光源的结构在阳极靶上打出5个靶点的示意图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。
此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知方法、装置、实现或者操作以避免模糊本发明的各方面。
实施例一：
参照图3所示，根据本发明的第一个实施例的分布式X射线光源，包括：排布设置的多个阴极组件(如图3中所示的11A、11B、11C、……、11N)、阳极靶12，以及依次设置在多个阴极组件与阳极靶12之间的补偿电极13和聚焦电极14。在本发明的实施例中，多个阴极组件可以依次设置在安装固定板15上。
其中，阴极组件用于发射电子束，在本发明的实施例中，如图3和图4所示，阴极组件包括用于发射电子束的阴极111和栅网结构112，栅网结构112设置在阴极111的发射端方向，并与阴极111的发射端间隔预定距离，当栅网结构112处于正电位时，阴极111发射电子束；当栅网结构112处于负电位时，阴极111截止，不发射电子束。
阳极靶12用于接收阴极组件发射的电子束，并将电子束的能量转为X射线辐射源，同时将多余的能量通过冷却介质带走。补偿电极13用于调整栅网结构112两端的电场强度，一方面使得电子束能够快速通过栅网结构112，降低电子束在栅网结构112上的拦截率；另一方面调整补偿电极13的电压，使得栅网结构112两端的电场强度基本一致，避免电子束穿过栅网结构112后发射度增长的问题，保证电子束更容易进行聚焦。
聚焦电极14用于对阴极组件发射的电子束进行聚焦，确保电子束打在阳极靶12上具有合适的焦斑大小。在本发明的实施例中，如图3所示，所述多个阴极组件中的至少一个阴极组件对应的聚焦电极14包括分离设置的第一电极141和第二电极142，第一电极141和第二电极142之间形成有电子束通道。需要说明的是，在图3所示的结构中，所有阴极组件对应的聚焦电极14均包括分离设置的第一电极141和第二电极142。在本发明的其他实施例中，分布式X射线光源中可以仅有一个阴极组件对应的聚焦电极是图3中所示的结构，或者其中的多个阴极组件对应的聚焦电极是图3中所示的结构。
如图4所示，由于聚焦电极14设置为第一电极141和第二电极142，因此可以通过改变第一电极141与第二电极142之间的电压差来使电子束打在阳极靶12上的不同位置。比如，当第一电极141与第二电极142之间的电压差为+Vdefl时，电子束在经过聚焦电极14时不仅会被聚焦，而且会朝向第一电极141的方向偏移(如图4所示)；当第一电极141与第二电极142之间的电压差为-Vdefl时，电子束在经过聚焦电极14时不仅会被聚焦，而且会朝向第二电极142的方向偏移；当第一电极141与第二电极142之间的电压差为0时，电子束在经过聚焦电极14时仅被聚焦而不发生偏移，这样就使得一个阴极组件发射的电子束能够打在阳极靶12上的不同位置，进而能够在保证X射线辐射源数量一定的情况下，有效降低阴极组件的使用个数。
具体地，如果设定电子束的偏移距离为10mm，一个阴极组件发射的电子束在阳极靶上打出3个靶点，那么阴极组件的安装间距为30mm，1m的距离可以安装的阴极组件数量为33，该33个阴极组件可以打出99个光源，实现了采用较少的阴极组件打出较多靶点的效果，降低了系统的生产成本，同时降低了阴极组件的安装固定板的热管理难度。
在本发明的实施例中，如图3所示，各个阴极组件对应的聚焦电极14分离设置，即各个阴极组件对应的聚焦电极相互分离。
为了实现对图3中所示的各个聚焦电极的控制，在本发明的实施例中，可以将所有阴极组件对应的第一电极141相互连接后连接至第一电源，并将所有阴极组件对应的第二电极142相互连接后连接至第二电源，其中，所述第一电源和所述第二电源的电压可调。具体可以通过真空电缆来进行电连接。
在本发明的实施例中，可以设置电压控制模块连接至所述第一电源和所述第二电源，以通过控制所述第一电源和所述第二电源的电压，来调整所述第一电源与所述第二电源之间的电压差。
具体来讲，对于图3所示的分布式X射线光源，当通过电压控制模块控制第一电源与第二电源之间维持一个电压差之后，可以控制阴极组件逐个发射电子束，当所有阴极组件都发射电子束之后，再控制第一电源与第二电源之间维持另一个电压差，然后再控制阴极组件逐个发射电子束，以此循环来实现扫描过程。
比如，当第一电源与第二电源之间的电压差为+Vdefl时，各个阴极组件发射的电子束会打到阳极靶12上对应的“1”的位置上；当第一电源与第二电源之间的电压差为0时，各个阴极组件发射的电子束会打到阳极靶12上对应的“0”的位置上；当第一电源与第二电源之间的电压差为-Vdefl时，各个阴极组件发射的电子束会打到阳极靶12上对应的“3”的位置上。
此外，如果调节第一电源与第二电源之间的压差大小，可以使电子束打在阳极靶上的任意位置，实现一个阴极组件打出4、5、6、7等多个靶点。
实施例二：
参照图5所示，根据本发明的第二个实施例的分布式X射线光源，包括：排布设置的多个阴极组件(如图5中所示的11A、11B、11C、……、11N)、阳极靶12，以及依次设置在多个阴极组件与阳极靶12之间的补偿电极13和聚焦电极14。在本发明的实施例中，多个阴极组件可以依次设置在安装固定板15上。
其中，阴极组件、阳极靶12和补偿电极13的功能与设置方式与实施例一种类似，此处不再赘述。
同样地，类似于实施例一，在实施例二中，每个阴极组件对应的聚焦电极同样分为分离设置的第一电极和第二电极，且这两个电极之间形成有电子束通道。参照图5，与实施例一不同的是，任两个相邻的阴极组件对应的两个聚焦电极具有公用电极，该公用电极作为这两个聚焦电极中第一聚焦电极的第二电极和第二聚焦电极的第一电极。具体如图5所示，阴极组件11A对应的聚焦电极和阴极组件11B对应的聚焦电极具有公用电极143，该公用电极143作为阴极组件11A的第二电极，并且作为阴极组件11B的第一电极。
同样需要说明的是，在图5所示的结构中，所有阴极组件对应的聚焦电极均包括分离设置的第一电极和第二电极。在本发明的其他实施例中，分布式X射线光源中可以仅有部分阴极组件对应的聚焦电极是图5中所示的结构。
在本发明的实施例中，针对图5所示的结构，可以按照多个阴极组件的排列顺序，将第一个阴极组件对应的第一电极与排列序号为偶数的阴极组件对应的第二电极相互电连接后连接至第一电源，并将排列序号为奇数的阴极组件对应的第二电极相互电连接后连接至第二电源。具体地，对于图5所示的结构，可以将阴极组件11A(第一个阴极组件)对应的第一电极、阴极组件11B(排列序号为2)对应的第二电极……相互电连接后连接至第一电源；将阴极组件11A(排列序号为1)对应的第二电极、阴极组件11C(排列序号为3)对应的第二电极……相互电连接后连接至第二电源。具体可以通过真空电缆进行电连接。图5所示的结构相比于图3所示的结构可以减少真空电缆的连接数量。
类似于实施例一，可以设置电压控制模块连接至所述第一电源和所述第二电源，以通过控制所述第一电源和所述第二电源的电压，来调整所述第一电源与所述第二电源之间的电压差。
具体来讲，对于图5所示的分布式X射线光源，当通过电压控制模块控制第一电源与第二电源之间维持一个电压差之后，可以控制阴极组件逐个发射电子束，当所有阴极组件都发射电子束之后，再控制第一电源与第二电源之间维持另一个电压差，然后再控制阴极组件逐个发射电子束，以此循环来实现扫描过程。
比如，当第一电源与第二电源之间的电压差为+Vdefl时，各个阴极组件发射的电子束会打到阳极靶12上对应的“1”的位置上；当第一电源与第二电源之间的电压差为0时，各个阴极组件发射的电子束会打到阳极靶12上对应的“0”的位置上；当第一电源与第二电源之间的电压差为-Vdefl时，各个阴极组件发射的电子束会打到阳极靶12上对应的“3”的位置上。需要注意的是，由于图5中所示的结构中各个阴极组件对应的聚焦电极连接至第一电源和第二电源的方式与实施例一中不同，因此图5中相邻的阴极组件发出的电子束的扫描顺序是相反的。
此外，如果调节第一电源与第二电源之间的压差大小，可以使电子束打在阳极靶上的任意位置，实现一个阴极组件打出4、5、6、7等多个靶点。具体如图6所示，通过控制第一电源与第二电源之间的压差大小，可以使一个阴极组件打出5个靶点。
此外，针对上述实施例中的分布式X射线光源，本发明的实施例还提出了一种分布式X射线光源的控制方法，具体即为：按照预定周期依次调整所述至少一个阴极组件中各个阴极组件对应的所述第一电极和所述第二电极之间的电压差，以控制所述各个阴极组件发射的电子束打在所述阳极靶上的位置，进而能够实现使用较少的阴极组件产生较多X射线辐射源的效果，减少了分布式X射线光源中阴极组件的使用数量，降低了阴极组件的支架温度和热管理难度，提高了系统的稳定性-，降低了设备的生产成本。
应当注意，尽管在上文详细描述中提及了用于动作执行的设备的若干模块或者单元，但是这种划分并非强制性的。实际上，根据本发明的实施方式，上文描述的两个或更多模块或者单元的特征和功能可以在一个模块或者单元中具体化。反之，上文描述的一个模块或者单元的特征和功能可以进一步划分为由多个模块或者单元来具体化。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种分布式X射线光源，其特征在于，包括：
排布设置的多个阴极组件，所述阴极组件用于发射电子束；
阳极靶，用于接收所述阴极组件发射的电子束；以及
依次设置在所述多个阴极组件与所述阳极靶之间的补偿电极和聚焦电极，所述补偿电极用于调节所述阴极组件中的栅网结构两端的电场强度，所述聚焦电极用于对所述阴极组件发射的电子束进行聚焦；
其中，所述多个阴极组件中的至少一个阴极组件对应的所述聚焦电极包括分离设置的第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极之间形成有电子束通道。
2.根据权利要求1所述的分布式X射线光源，其特征在于，所述至少一个阴极组件中的各个阴极组件对应的所述聚焦电极分离设置。
3.根据权利要求2所述的分布式X射线光源，其特征在于，所述至少一个阴极组件中的所有阴极组件对应的所述第一电极相互电连接后连接至第一电源，所述所有阴极组件对应的所述第二电极相互电连接后连接至第二电源；
其中，所述第一电源和所述第二电源的电压可调。
4.根据权利要求1所述的分布式X射线光源，其特征在于，所述至少一个阴极组件中任两个相邻的阴极组件对应的两个聚焦电极具有公用电极，所述公用电极作为所述两个聚焦电极中第一聚焦电极的第二电极和第二聚焦电极的第一电极。
5.根据权利要求4所述的分布式X射线光源，其特征在于，所述至少一个阴极组件中按照排列顺序的第一个阴极组件对应的所述第一电极与排列序号为偶数的阴极组件对应的所述第二电极相互电连接后连接至第一电源，所述至少一个阴极组件中排列序号为奇数的阴极组件对应的所述第二电极相互电连接后连接至第二电源；
其中，所述第一电源和所述第二电源的电压可调。
6.根据权利要求3或5所述的分布式X射线光源，其特征在于，还包括：
电压控制模块，连接至所述第一电源和所述第二电源，用于控制所述第一电源和所述第二电源的电压，以调整所述第一电源与所述第二电源之间的电压差。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的分布式X射线光源，其特征在于，所述多个阴极组件中的所有阴极组件对应的所述聚焦电极均包括分离设置的所述第一电极和所述第二电极。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的分布式X射线光源，其特征在于，所述阴极组件包括：
阴极，用于发射电子束；以及
所述栅网结构，设置在所述阴极的发射端方向，并与所述阴极的发射端间隔预定距离。
9.一种CT设备，其特征在于，包括：如权利要求1至8中任一项所述的分布式X射线光源。
10.一种分布式X射线光源的控制方法，用于对如权利要求1至8中任一项所述的分布式X射线光源进行控制，其特征在于，包括：
按照预定周期依次调整所述至少一个阴极组件中各个阴极组件对应的所述第一电极和所述第二电极之间的电压差，以控制所述各个阴极组件发射的电子束打在所述阳极靶上的位置。
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