CN108696977B - 用于产生高能量x射线辐射的x射线设备 - Google Patents

用于产生高能量x射线辐射的x射线设备 Download PDF

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Abstract

公开了一种用于产生高能量X射线辐射的X射线设备(1)，包括直线加速器(2)和靶(3)。用于产生X射线辐射(R)的直线加速器(2)被实施，以便产生被引导到靶(3)上的电子束(E)，电子束中的每电子动能为至少1Mev。根据本发明，限束器(4)被布置在直线加速器(2)与靶(3)之间、电子束(E)的波束路径中，限束器(4)具有围绕限束器开口(5)的边缘区域(B)，边缘区域(B)在从直线加速器发出的加速电子束(E)的传播方向(P)上的材料厚度小于具有所产生的动能的电子在边缘区域(B)的材料中的平均射程的10％。

Description

用于产生高能量X射线辐射的X射线设备
技术领域
本发明涉及一种用于产生高能量X射线辐射的X射线设备，包括直线加速器和靶。直线加速器被实施为用于产生X射线辐射，以便产生被引导到靶上的电子束，电子束中的每电子动能至少为1Mev。
背景技术
X射线设备通常具有电子束源，其提供要被施加到靶(还称为：靶材料)的加速电子束。当电子撞击靶时，X射线辐射在所谓的焦斑的区域中出现。电子束源通常由阴极形成，其中发射的电子通过施加的加速场强度向阳极的方向加速，在本示例中阳极形成靶。在高能量应用中，还已知：提供被引导到靶上的电子束的直线加速器可以被用作电子束源。
在放射线透视或放射学的许多应用中，存在产生尽可能小的焦斑的需要。在成像中，这使得高空间分辨率能够利用例如光学放大实现，或者使得由限制X射线辐射场的限束器引起的半影能够被减少。在辐射治疗期间，特别地在强度调制辐射治疗期间，沉积的X射线辐射的更精确的剂量分布还可以以这样的方式实现。
从DE 10 2012 103 974 A1已知一种针对医学成像(诸如计算机断层摄影)的X射线管，其包括阴极和阳极。电子束被引导到靶上，用于产生X射线辐射。为了限制靶上的焦斑大小，电子束穿过限束器通道，该通道被插入限束器主体中，这横向地限制了所述波束。为了消散电子吸收期间产生的热量，限束器通道周围的区域必须被设计为尽可能大，如果需要的话，额外提供水冷却。
使用该现有技术作为起始点，本发明的目标是指定用于产生高能量X射线辐射的X射线设备，利用该设备可以最小化靶上的焦斑范围。
发明内容
根据本发明，该目的通过具有权利要求1的特征的、用于产生上述类型的高能量X射线辐射的X射线设备来实现。
本发明的有利的实施例是从属权利要求的技术方案。
用于产生高能量X射线辐射的X射线设备包括直线加速器和靶。靶通常包含靶材料，其用于通过使加速电子减速来产生X射线辐射。该转换发生的靶的区域被称为焦斑。直线加速器还被实施和配置为产生被提供到靶上的电子束，电子束中的每电子动能为至少1MeV。根据本发明，限束器被布置在直线加速器与靶之间、电子束的波束路径中，限束器具有围绕限束器开口的边缘区域，边缘区域在电子束的传播方向上的材料厚度小于具有所产生的动能的电子在边缘区域的材料中的平均射程的10％。
在直线加速器中，高动能通常被实现，使得与在常规X射线管中所产生的电子相比较，发射的电子具有在材料中增加的平均到达。为了限制该高能区域中的焦斑，本发明选择了设置限束器的方法，该方法不被实施为显著地吸收所产生的能量范围的电子，而是将相互作用实质上限制为无弹性或弹性散射过程。为此目的，限束器(至少在划定限束器开口的边缘区域中)具有的材料厚度仅是具有所产生的动能的电子在边缘区域的材料中的平均射程的一部分。在通过限束器的边缘区域传输电子束时，穿透边缘区域的外围电子经历偏转并且被散射。然后，接着偏离地传播的电子通常不撞击形成靶的靶材料。产生焦斑的电子束的区域因此基本上限于限束器开口的区域。同时，到限束器的能量传输是最小的，因为所述设备基本上基于无弹性散射效果。特别地，这意味着到限束器的较少热量输入，因此该限束器不一定必须额外地被冷却。
换句话说，限束器的边缘区域形成散射主体(还称为：散射体)，穿过散射主体的电子的能量范围由可用的加速电压预先确定。在这种情况下随机偏转的电子可以在X射线设备的其他区域中被吸收，并且因此在所产生的X射线辐射的有用辐射场中不再可见。特别地，靶(还称为：靶材料)上的焦斑的限制引起成像方法中经改进的图像质量。因此，由于焦斑的范围接近理想的点源，所以所采集的图像展示较低的不清晰度或展现较小的半影。可能的应用领域例如涉及放射线透视，特别是工件、部件或其他对象的非破坏性测试，特别是在货物检查的情况下对运输货物的检查，其中例如卡车或者用于火车的货运集装箱或者集装箱船被X射线扫描，以便使其内容可见，或者在医学领域中的应用，特别是在辐射治疗的领域中。因此例如，通过本发明提供的对焦斑的限制，可以在辐射治疗中，特别地在强度调制辐射治疗中，实现更精确的剂量分布，因为限制有用光子辐射场的准直器的半影更小。而且，X射线设备可以关于其重量优化，因为用于使产生的X射线辐射准直的下游准直器被省略或者可以至少是有限的。
直线加速器的加速概念可以例如以已知方式基于直线加速器的加速结构内的静止电磁波或行进电磁波的形成。以本身已知的方式，加速结构包括特别地具有多个室的空心空间谐振器结构，其被设计为通过施加适合的电磁场形成加速的电子束。空心空间谐振器结构的室例如通过具有中心开口的隔膜彼此分离。前述加速电子束与已经穿过由加速结构传送的加速电压之后(即，在离开直线加速器之后)的电子束有关。
在简单的示例性实施例中，限束器包含金属薄板，特别是钢或另一过渡金属或合金。例如，用于限束器的另外的特别优选的非金属材料是石墨。
可以理解的是，限束器的材料和材料厚度(至少在围绕限束器开口的边缘区域中)根据在使用X射线设备期间预期产生的电子的动能来调整。利用Mev范围内的动能，如果材料包括轻质材料(诸如石墨)，则材料厚度通常位于一个或多个毫米的范围中。由较重材料(特别地，金属)制成的限束器具有较低的在亚毫米范围内的材料厚度，例如特别地在1/10mm左右的范围中。
在本发明的优选示例性实施例中，散射电子的限束器的至少边缘区域由薄膜或由多个薄膜形成。这样的示例将被看作具有足够小的厚度的散射主体的低成本实现，其中确保与所产生的动能的电子的交互作用基本上限于散射过程。如果限束器的区域(其引起电子的散射)由该类型的薄膜材料形成，那么热量输入被最小化。因此在X射线设备的操作期间，以这种方式实现的限束器不一定必须被有效地冷却。
薄膜优选地包含金属。特别优选地，限束器或者至少限束器的散射边缘区域包含钛。在其他示例性实施例中，限束器或者至少围绕限束器开口的边缘区域包含不锈钢、钨或铜或另一过渡金属或过渡金属合金。
限束器(特别地，这里描述的限束器包含至少一个金属薄膜)能够借助于冷却设备(特别地，借助于水冷却设备)在可能的示例性实施例中被冷却。这确保由无弹性散射过程传送的相对小的热传递甚至都可以被可靠地消散。
优选地，准直器被布置在由靶的辐照产生的X射线的波束路径中。这用于限制所产生的X射线辐射的有用辐射场。如果X射线辐射出现的范围(焦斑)较小，那么有用辐射场的边界处的半影也较小。
特别优选地，至少围绕直线加速器、限束器和靶的真空壳体或者围绕这些部件的真空套而设置有屏蔽件，该屏蔽件适于吸收由撞击真空壳体并且被其减速的散射电子产生的X射线辐射。所产生的X射线辐射可以通过墙体材料的选择而在光谱上受到影响，并且优选地通过被布置在真空壳体外部的屏蔽件来局部地屏蔽。在其他示例性实施例中，在真空壳体内提供屏蔽件。由于X射线设备的真空壳体被抽真空，因而在真空壳体内提供的屏蔽件优选地包含具有高蒸汽压力的材料，特别优选地，该屏蔽件包含具有低原子序数的元素。具有低蒸汽压力的材料还可以在真空壳体外部被使用，以用于屏蔽。该屏蔽件全部或部分地包括例如铅。由于散射电子不被限束器的材料吸收，因而这些散射电子偏离电子束的传播方向散布开来，并且撞击设置有屏蔽材料的真空壳体，散射电子被屏蔽材料吸收。由于在限束器处散射的电子的吸收并不在高度局部区域中发生，而是在真空壳体的大表面区域上发生，因而这里通常还可以免除外部冷却。
在本发明的其他可能的实施例中，X射线设备的真空壳体能够借助于液体冷却来冷却。
特别优选地，与真空壳体不设置有屏蔽件的区域相比较，设置有屏蔽件的区域具有对所产生的动能的电子的增加的吸收。换句话说，仅在与散射电子的吸收有关的那些区域装备屏蔽件。特别地，这有助于减重。
设置有屏蔽件的区域优选地全部位于在电子束的传播方向上延伸的、从限束器发出的空间角范围内。空间角范围优选地由多个叠加的散射锥体形成，其尖端位于围绕限束器开口的边缘区域内。换句话说，屏蔽件被布置在以下位置，在该位置处，在限束器的边缘区域中散射的电子至少很可能出现。
在本发明的实施例中，将屏蔽件空间角范围对应于在限束器的边缘区域中散射的电子的平均空间角范围。该实施例利用以下观察：平均散射角取决于入射电子的动能以及散射主体二者，散射主体在此设置为围绕限束器开口的边缘区域。取决于在操作期间施加的加速电压和被用于界定焦斑的散射材料，因此可以将屏蔽件设置为所选择的尺寸。特别地，这使得进一步减重成为可能，因为仅在大多数散射电子将被吸收的真空壳体的那些区域设置屏蔽件。因此例如，在较高能量处，散射电子相对于非散射电子的传播方向的偏转比针对具有较低动能的电子的这样的偏转更小。因此，利用被实施为提供高能量X射线辐射的X射线设备，屏蔽件可以被限制在围绕非散射电子束的传播方向的较小浓缩空间角范围内。
为了本说明书的目的，平均空间角范围被假定为以平均散射角为中心的散射锥体，其开口角对应于散射过程的平均偏差，特别是标准差。平均散射角表示散射电子相对于加速轴线的角的平均值，加速轴线与未散射电子的传播方向一致。
X射线设备的直线加速器优选地被实施为产生电子束，电子束中的每电子动能小于20MeV。因此，X射线设备优选地能够被用于放射线透视或者放射学领域中的前述应用。
本发明还涉及用于制造用于产生高能量X射线辐射的X射线设备的方法，特别地用于制造上文所描述的X射线设备之一的方法。X射线设备包括直线加速器和靶，其中用于产生X射线辐射的直线加速器被实施为产生被引导到靶上的电子束，电子束中的每电子动能为至少1MeV。根据本发明，部件被布置在直线加速器与靶之间的电子束的波束路径中，部件在电子束的传播方向上的材料厚度小于具有所产生的动能的电子在部件的材料中的平均射程的10％。通过将直线加速器产生的电子束施加到部件上，在部件上插入一个波数限制设备开口。在这种意义上，在插入限束器开口之后，部件形成已经描述的限束器。
已经示出，由于电场的存在，借助于直线加速器产生的电子束已经锐利地聚焦，使得电子束的中心的粒子密度大大地增加。本发明还利用该特性来将上文所描述的限束器开口插入到部件中。为此目的，与在正常操作中生成的电流强度相比，可以由直线加速器提供的加速电子束的电流强度被增加，以便将孔烧制到被插入到波束路径中的部件中——该部件例如由上文所描述的薄膜中的一个或多个形成。在这种情况下，以这种方式产生的限束器开口的尺寸对应于电子束的中心区域，并且因此自动地对应于具有用于在中心区域外部散射的电子的上述散射特性的限束器开口。已经具有限束器开口的限束器的调节的工作可以被避免，并且因此安装和调节成本可以被节省。
附图说明
对于本发明的进一步的描述，读者可以参考在附图中示出的示例性实施例。在附图中，分别以示意图示出：
图1：以示意性截面图示出了根据第一示例性实施例的X射线设备；
图2：以示意性截面图示出了根据第二示例性实施例的X射线设备；
图3：示出了在所选择的散射体处电子散射的平均散射区域。
在所有附图中，对应于彼此的部分或者参考变量被标记相同的附图标记。
具体实施方式
图1以示意性截面图示出了根据本发明的第一示例性实施例的X射线设备1。X射线设备1包括仅示意性地示出的直线加速器2，其被设计为产生每电子动能为至少1MeV的电子束E。电子束E被引导到靶3上。靶3在焦斑区域中发射X射线辐射R。
在直线加速器2与靶3之间的波束路径中布置的是限束器4，其扩散地散射入射主电子束E的外围部分，使得靶3上的焦斑的范围被减少。为此目的，围绕限束器开口5的限束器4的至少一个边缘区域B包含一种材料，该材料适于散射具有所产生的动能的电子。与在边缘区域B的材料中所产生的动能的电子的射程相比，限束器4的边缘区域B在电子束E的传播方向P上具有较小的材料厚度。具体而言，此处考虑的示例性实施例中，边缘区域B的材料厚度小于边缘区域B的材料中1MeV的动能的电子的射程的约10％。
在电子束E的中心外部传播的电子由边缘区域B扩散地散射，并且因此分布在X射线设备1的真空壳体6的内表面上的大表面区域上。相应地，由吸收这些电子导致的热量输入也分布在真空壳体6的宽广区域上，从而可以省去真空壳体6的外部冷却。
在真空壳体6外部布置的是屏蔽件7，其在示例性实施例中包含铅，并且在真空壳体6的整个外表面上(除靶3的区域之外)延伸。
由于电子束E的横向边缘区域被散射远离靶3，因而通过产生的X射线辐射R来记录的图像中的半影能够被最小化。因此，X射线设备1的一个应用领域是放射线透视，其他应用领域涉及例如医学放射治疗。
在示出的示例性实施例中，限束器4由简单薄板或金属或由金属制成的薄膜形成。由于电子与限束器4的材料的相互作用基本上被限制为无弹性和弹性散射事件，这里的热量输入也是最小的。因此，限束器4的冷却不一定必要。
用于限束器4的液体冷却的冷却设备8被提供为一个选项，在图1中示意性地示出。在这种情况下，限束器4被设计为使得冷却液(例如水)可以传送通过至少部分的限束器。在一个可能的示例性实施例中，限束器4由两个平面平行的薄膜形成，在两个平面之间形成一个空间，冷却液能够被引入到该空间中。
如果使从靶3发出的X射线辐射R准直，则由散射电子引起的X射线辐射R的比例可以进一步减少。为此目的，准直器9(例如，多叶准直器)可选地被布置在靠近出现X射线辐射R的靶的区域中。
图2示出了根据第二示例性实施例的X射线设备1。该示例性实施例与图1图示的示例的不同之处仅在于屏蔽件7的范围，因此读者可以首先参考相关描述以避免重复。
在图2中所示的第二示例性实施例中，屏蔽件7被限于真空壳体6的部分区域。屏蔽件7被设计为使得在边缘区域B中散射的电子的至少绝大部分将由屏蔽件7吸收。为此目的，散射边缘区域B的一个出射空间角范围Ω(由附图中的虚线表示)将被屏蔽，平均而言，大多数电子将被散射到该空间角范围中。因此，屏蔽件7的范围将被设计为根据平均散射角φ和与该平均散射角φ的平均偏差的电子动能的函数。
针对所选择的散射材料，以及针对2MeV与18MeV之间的特定能量范围，在图3中图示了与设计屏蔽件7相关的信息。分别示出了针对相应能量的电子散射所确定的平均散射角φ和与之的平均偏差σ，平均偏差σ被表示为以平均散射角φ为中心的块。这里的平均偏差σ对应于标准差，使得在图示的示例中，假定正态分布散射事件，预计约68％的电子将在由平均散射角φ和平均偏差σ定义的平均空间角范围中散射。
作为入射电子的动能的函数的平均散射角范围的知识可以用于明确地几何设计和屏蔽X射线设备1。屏蔽件7覆盖的空间角范围Ω对应于平均散射角范围的和，平均散射角范围的散射中心位于限束器4的边缘区域B中，该边缘区域B对电子散射起决定性作用。屏蔽件7的范围可以通过该构建方法被大大减少。
这里描述的用于制造X射线设备1的优选的方法包括如下方法步骤，其中在其最后安装状态中形成限束器4的部件被引入由直线加速器2所提供的电子束E的波束路径中。限束器开口5借助于电子束E被烧制到部件中。为此目的，与在常规操作期间产生的电流强度相比，由直线加速器2可能提供的电子波束的电流强度可以增加。由于直线加速器2的聚焦特性，电子的数目在电子束E的中心区域中显著增加，并且在边缘侧显著减小，因此在本方法中，保留具有上文所描述的散射特性的、围绕限束器开口5的边缘区域B。与电子束E的中心区域相比，电子束E的边缘侧波束区域中的电子数目显著减少，因此侧波束区域中的电子在X射线设备1的常规操作中从靶3散射开，从而使靶3上焦斑的范围最小化。
虽然参考优选的示例性实施例已经更详细地图示并且描述了本发明，但是本发明不由此限制。在不脱离本发明的主要思想的情况下，可以由本领域的技术人员从中导出其他变型和组合。

Claims (14)

1.一种用于产生高能量X射线辐射的X射线设备(1)，包括一个直线加速器(2)和一个靶(3)，其中用于产生X射线辐射(R)的所述直线加速器(2)被实施为产生被引导到所述靶(3)上的一个电子束(E)，所述电子束的每个电子动能为至少1MeV，其特征在于：
一个限束器(4)被布置在所述直线加速器(2)与所述靶(3)之间的、所述电子束(E)的波束路径中，所述限束器(4)具有围绕一个限束器开口(5)的一个边缘区域(B)，所述边缘区域(B)在从所述直线加速器发出的经加速的所述电子束(E)的传播方向(P)上的材料厚度小于具有所产生的所述动能的多个电子在所述边缘区域(B)的材料中的平均射程的10％。
2.根据权利要求1所述的X射线设备(1)，其特征在于，所述限束器(4)的至少所述边缘区域(B)包含石墨。
3.根据权利要求1或2所述的X射线设备(1)，其特征在于，所述限束器(4)的至少所述边缘区域(B)由至少一个薄膜形成。
4.根据权利要求3所述的X射线设备(1)，其特征在于，所述薄膜包含一种金属。
5.根据权利要求4所述的X射线设备(1)，其特征在于，所述薄膜至少部分地包含钛、不锈钢或铜，或者被涂覆有钛、不锈钢或铜。
6.根据权利要求1或2所述的X射线设备(1)，其特征在于，所述限束器(4)能够通过一个冷却设备而被冷却。
7.根据权利要求6所述的X射线设备(1)，其特征在于，所述冷却设备包括一个水冷却设备。
8.根据权利要求1或2所述的X射线设备(1)，其特征在于，一个准直器(9)被布置在所述X射线辐射(R)的所述波束路径中，所述X射线辐射(R)通过将所述波束施加到所述靶(3)来产生。
9.根据权利要求1或2所述的X射线设备(1)，其特征在于，一个真空壳体(6)至少围绕所述直线加速器(2)、所述限束器(4)和所述靶(3)，所述真空壳体至少在一些区域中设置有屏蔽件(7)，所述屏蔽件(7)适于吸收由使多个散射电子减速引起的X射线辐射。
10.根据权利要求9所述的X射线设备(1)，其特征在于，与所述真空壳体(6)中没有屏蔽件的多个区域相比较，设置有所述屏蔽件(7)的所述区域展现出增加的对X射线辐射的吸收。
11.根据权利要求9所述的X射线设备(1)，其特征在于，设置有所述屏蔽件(7)的所述区域完全位于在所述电子束(E)的所述传播方向(P)上延伸的、从所述限束器(4)发出的一个空间角范围(Ω)内。
12.根据权利要求11所述的X射线设备(1)，其特征在于，所述空间角范围(Ω)对应于所述限束器(4)的所述边缘区域(B)中的所述多个散射电子的一个平均空间角范围。
13.根据权利要求1或2所述的X射线设备(1)，其特征在于，所产生的所述电子束(E)中的所述每个电子动能小于20MeV。
14.一种用于制造用于产生高能量X射线辐射(R)的一个X射线设备(1)的方法，所述X射线设备(1)包括一个直线加速器(2)和一个靶(3)，其中用于产生X射线辐射(R)的所述直线加速器(2)被实施为产生被引导到所述靶(3)上的一个电子束(E)，所述电子束的每个电子动能为至少1MeV，其特征在于：
所述电子束(E)的波束路径中的一个部件被布置在所述直线加速器(2)与所述靶(3)之间，所述部件在所述电子束(E)的传播方向(P)上的材料厚度小于具有所产生的所述动能的多个电子在所述部件的材料中的平均射程的10％，其中通过将由所述直线加速器(2)产生的一个电子束(E)施加到所述部件上，一个限束器开口(5)被插入到所述部件中。
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