CN109417008B - 用于产生x射线的阴极组件 - Google Patents

Abstract

提供一种阴极组件设计，其包括两个扁平发射器，一个较长发射器灯丝和一个较短发射器灯丝。在一种实施方式中，由长发射器和短发射器产生的焦斑尺寸在一定范围内重叠。因此，一个发射器灯丝可以适合于产生小的和集中的焦斑尺寸，而另一个发射器灯丝适合于产生小的和大的焦斑尺寸。

Description

用于产生X射线的阴极组件

技术领域

本文公开的主题涉及X射线管，特别涉及用于产生X射线的X射线阴极系统。

背景技术

各种类型的医学成像系统和治疗系统(例如，放射治疗系统)产生X射线作为其工作的一部分。例如，基于X射线的差分透射的成像技术包括但不限于荧光透视、乳房摄影、计算机断层扫描(CT)、C形臂血管造影、断层合成、常规X射线照相，等等。在这种情况下X射线的产生通常使用X射线管。X射线管通常包括电子发射器，例如阴极，其以高加速度释放电子。一些释放的电子撞击目标阳极。电子与目标阳极的碰撞产生X射线，其可以用在合适的成像或治疗装置中。

在热离子阴极系统中，存在一种通过热离子效应(即响应于被加热)释放电子的灯丝。这种系统的一个挑战是提供长电子发射器寿命以及高射束电流。特别地，通过将发射器加热到高温(接近2600℃)来产生高束电流。在这些温度下，发射器材料(通常是金属，例如钨)蒸发。随着温度升高，蒸发速率增加。因此，X射线管的电子发射器的使用寿命可能会受到限制，尤其是在高射束电流使用中。

发明内容

在一个实施例中，提供一种阴极组件。根据该实施例，阴极组件包括：至少两个扁平灯丝，每个扁平灯丝在被加热时包括电子发射表面，其中第一扁平灯丝的电子发射面积小于第二扁平灯丝的电子发射面积；沿扁平灯丝的第一维度定位的一组宽度偏压电极，其中所述一组宽度偏压电极在工作期间控制由所述扁平灯丝产生的焦斑的宽度；以及沿所述扁平灯丝的第二维度定位的一组长度偏压电极，其中所述一组长度偏压电极在工作期间控制焦斑的长度。

在又一实施例中，提供了一种X射线管。根据该实施例，X射线管包括：阳极；和阴极。阴极包括：一对在被加热时发射电子的扁平灯丝，其中该对扁平灯丝中的第一扁平灯丝比第二扁平灯丝长；一对宽度偏压电极，沿第一维度定位于所述一对扁平灯丝的相对侧上；以及一对长度偏压电极，沿垂直于第一维度的第二维度定位于所述一对扁平灯丝的相对侧上。

在另一实施例中，提供了一种用于在目标上产生电子束焦斑的方法。根据该方法，接收一指定所述目标上的所述电子束焦斑尺寸的输入。基于所述输入，在阴极组件的第一发射器灯丝和第二发射器灯丝之间进行选择。如果所述输入指定第一焦斑尺寸，则选择所述第一发射器灯丝；如果所述输入指定第二焦斑尺寸，则选择所述第一发射器灯丝或所述第二发射器灯丝；如果所述输入指定第三个焦斑尺寸，则选择所述第二发射器灯丝。操作所选择的发射器灯丝以在所述目标上产生由所述输入指定的尺寸的电子束焦斑。

附图说明

参考附图阅读以下详细描述将更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，附图中相同的符号在整个附图中表示相同的部分，其中：

图1是根据本公开的实施例的示例性CT成像系统的示意图；

图2示出了根据本发明的实施例的X射线管组件的实施例，包括阳极和阴极组件；

图3描绘了根据本公开的实施例的不对称阴极组件；

图4描绘了根据本公开的实施例的短发射器灯丝的实施方式；

图5描绘了根据本公开的实施例的长发射器灯丝的实施方式；

图6描绘了根据本公开的实施例的用于阴极组件的宽度偏压电极层；

图7描绘了根据本公开的实施例的用于阴极组件的长度偏压电极层；

图8描绘了根据本公开的实施例的固定在两端的隔膜的实施方式；

图9描绘了根据本公开的实施例的固定在一端的隔膜的实施方式；

图10描绘了根据本公开的实施例的长度偏压电极和宽度偏压电极的几何形状和间隔尺寸；

图11描绘了根据本公开的实施例的冷轨道和宽度偏压电极的几何形状和间隔尺寸；

图12描绘了根据本公开的实施例的由不对称阴极产生的电子束的操作图示；以及

图13图示了根据本公开的实施例的不对称阴极的不同电极的焦斑尺寸重叠。

具体实施方式

下面将描述一个或多个具体实施方式。为了提供这些实施方式的简明描述，并未在说明书中描述实际实施方式的所有特征。应当理解的是，在任何此类实际实施方式的开发中，如在任何工程或设计项目中，必须做出许多特定于实施方式的决策以实现开发者的特定目标，例如遵守与系统相关和与业务相关的约束，这可能因不同实施方式而异。此外，应该理解的是，这种开发工作可能是复杂且耗时的，但是对于受益于本公开的普通技术人员来说仍然是设计、制造和生产的常规任务。

当介绍本主题的各种实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”旨在表示存在一个或多个元件。术语“包括”，“包含”和“具有”旨在是包含性的，并且意味着可能存在除所列元件之外的其它元件。

如本文所讨论的，在用于产生X射线的电子发射器(即阴极组件)的环境下，公开了可用于发射电极流的热离子灯丝。可以通过施加热能诱导热离子灯丝从灯丝表面释放电子。实际上，灯丝材料越热，可以发射的电子数量越多。通常选择灯丝材料是因为它能够通过热离子效应产生电子，并且能够承受高温，在某些情况下，高于大约2500℃或更高。合适的灯丝材料的一个例子是钨或钨衍生物，例如掺杂的钨(即添加了杂质的钨)或有涂层的钨基底。

根据目前描述的实施例，介入X射线管使用具有两种不同电子发射器(即，灯丝)长度的阴极，其中每个发射器通常是扁平发射器或盘绕的钨丝。使用较长发射器进行高功率大焦斑(例如，1.0IEC)曝光(即，记录模式曝光)。使用较短发射器灯丝进行使用小光点尺寸(例如，0.6IEC)的荧光透视模式曝光。焦斑尺寸主要通过长度和宽度偏压电极来控制。还可以提供电极用于“网格化”，其可以通过施加大的负(-)电位来完全关闭光束。

因此，根据本方法，提供了一种非对称扁平发射器阴极设计，其包括两个扁平发射器，一个较长发射器灯丝和一个较短发射器灯丝，具有网格化和电压控制的焦斑尺寸控制。在一种实施方式中，由长发射器和短发射器产生的焦斑尺寸在0.5IEC至0.6IEC的范围内重叠。因此，一个发射器灯丝(较短灯丝)适合于产生小的(例如，0.6IEC)和集中的(例如(0.3IEC)焦斑尺寸，而较长发射器灯丝适合于产生小的(例如，0.6IEC)和大的焦斑(例如，1.0IEC)。如本文所用，IEC是指国际电工委员会颁布的焦斑尺寸标准。根据这些标准，在本文的IEC首字母缩略词中，标称焦斑值(f)为0.3(例如，集中)对应于宽度0.3mm-0.45mm和长度0.45mm-0.65mm的焦斑尺寸；标称焦斑值0.6(例如，小)对应于宽度0.6mm-0.9mm和长度0.9mm-1.3mm的焦斑尺寸；标称焦斑值1.0(例如，大)对应于宽度1.0mm-1.4mm和长度1.4mm-2.0mm的焦斑尺寸。

这种焦斑尺寸冗余使成像系统可以使用短发射器或长发射器于小焦斑程序(例如，荧光镜检查)。因此，在工作时，系统可以在发射器灯丝之间切换以分布或平衡发射器灯丝之间的磨损(例如，工作时间)，或者在其中一个发射器灯丝发生故障的情况下(例如，灯丝开路错误)切换到剩下的可工作灯丝。在正常工作条件下，该冗余使发射器的寿命延长。

考虑到前述内容，在详细讨论这种不对称阴极之前，讨论可以结合如本文所述的不对称阴极的成像系统的一般实施例可能是有用的。现在转向附图，图1示出了用于获取和处理图像数据的基于X射线的成像系统10。在所示实施例中，系统10包括用于以不同角度和位置(例如C形臂、计算机断层扫描或断层融合类型系统)对患者(或成像物体)成像的旋转和平移方面，但应该理解的是，在可以采用不对称阴极的每种类型的成像系统中可以不存在这样的部件。通常，成像系统10用于生成和获取与通过患者或成像物体的X射线的差分透射相对应的数据。尽管这里讨论的成像系统10可以在医学成像的背景下进行一般描述，但应该理解的是，这些示例和背景仅仅是为了便于解释和理解而提供的，并且这里讨论的不对称阴极在工业和安检成像背景下同样有用，例如用于无损检验生产零件、乘客、行李、包裹等。

在图1所示的实施例中，成像系统10包括X射线源12。如本文详细讨论的，源12可包括一个或多个常规的X射线源，例如X射线管。例如，源12可以包括具有不对称阴极组件14的X射线管(下面将更详细地讨论)和阳极16。不对称阴极组件14可以加速电子流18(即，电子束18)，其中一些可能撞击目标阳极16。撞击阳极16的电子束18会引起X射线束20的发射。

源12可以定位在光束限制器或整形器22(例如，准直器)附近。光束限制器或整形器22通常限定一个或多个进入对象24或物体所在区域的X射线束20的尺寸和形状。每个X射线束20通常可以是扇形或锥形，这取决于检测器阵列的配置和/或所需的数据采集方法。每个X射线束20的衰减部分26穿过对象或物体并撞击检测器阵列，其通常在附图标记28处表示。

检测器28通常由多个检测器元件形成，这些检测器元件在X射线束20穿过或绕过放置在成像系统10的视野中的对象或物体之后检测X射线束20。每个检测器元件产生电信号，该电信号表示当光束撞击检测器28时入射在检测器元件位置处的X射线束的强度。

在所描绘的示例中，系统控制器30命令成像系统10工作以执行检查和/或校准规程并处理所获取的数据。源12通常由系统控制器30控制。通常，系统控制器30为X射线检查序列提供功率、焦斑位置、控制信号等。检测器28耦合到系统控制器30，系统控制器30命令获取检测器28产生的信号。系统控制器30还可以执行各种信号处理和滤波功能，例如动态范围的初始调整、数字图像数据的交织等。在目前的背景下，系统控制器30还可以包括信号处理电路和相关的存储电路。如下面更详细讨论的，相关的存储电路可以存储由系统控制器30执行的程序、例程和/或编码算法，以及配置参数，图像数据等。在一个实施例中，系统控制器30可以实现为基于处理器的系统的全部或部分，例如通用或专用计算机系统。

在图1所示的实施例中，系统控制器30可以通过电机控制器36控制线性定位子系统32和旋转子系统34的运动。在成像系统10包括源12和/或检测器28的旋转的实施例中，旋转子系统34可使源12、光束整形器22和/或检测器28相对于对象24旋转。应当注意的是，旋转子系统34可以包括C形臂或旋转龙门架。在其中不以相对于对象24的不同角度获取图像的系统10中，可以不存在旋转子系统34。

线性定位子系统32可以线性地移动被成像的对象或物体所在的桌子或支撑件。因此，桌子或支撑件可以相对于成像体积(例如，位于源12和检测器28之间的体积)线性移动，并且能够从对象或物体的特定区域获取数据，并因此产生与那些特定区域相关联的图像。另外，线性定位子系统32可以移动光束整形器22的一个或多个部件，以便调整X射线束20的形状和/或方向。此外，在源12和检测器28被配置为沿z轴(即，通常与患者台或支撑件的长度和/或与成像孔的长度方向相关联的轴)提供增大或足够的覆盖和/或其中不需要对象或物体的线性运动的实施例中，可以不存在线性定位子系统32。

源12可以由设置在系统控制器30内的X射线控制器38控制。X射线控制器38可以配置成向源12提供功率和定时信号。另外，在一些实施例中，X射线控制器30可以被配置为指定焦斑位置和/或尺寸，以及在本文讨论的某些实施方式中，指定在给定程序期间不对称阴极的哪个灯丝元件在使用中。

系统控制器30还可以包括数据采集系统(DAS)40。在一个实施例中，检测器28耦合到系统控制器30，更具体地耦合到数据采集系统40。数据采集系统40接收由检测器28的读出电子器件收集的数据。数据采集系统40通常从检测器28接收采样模拟信号，并将数据转换成数字信号，以便由基于处理器的系统(例如计算机42)进行后续处理。或者，在其它实施例中，检测器28可以在传输到数据采集系统40之前将采样模拟信号转换成数字信号。

在所描绘的实施例中，计算机42耦合到系统控制器30。由数据采集系统40收集的数据可以被发送到计算机42以进行后续处理。例如，从检测器28收集的数据可以在数据采集系统40和/或计算机42处进行预处理和校准，以产生经历成像的对象或物体的有用成像数据。在一个实施例中，计算机42包含数据处理电路44，用于过滤和处理从检测器28收集的数据。

计算机42可以包括存储器46或者与存储器46通信，存储器46可以存储计算机42处理过的数据、将由计算机42处理的数据、或者将由计算机42执行的例程和/或算法。应当理解的是，成像系统10可以使用能够存储所需数量或类型的数据和/或代码的任何类型的计算机可访问存储器设备。此外，存储器46可以包括一个或多个类似或不同类型的存储器设备，例如磁性、固态或光学设备，其可以是系统10本地的和/或远程的。

计算机42还可以适于控制由系统控制器30启用的特征(即，扫描操作和数据获取)。此外，计算机42可以被配置为通过操作员工作站48从操作员接收命令和扫描参数，操作员工作站48可以配备有键盘和/或其它输入设备。由此，操作员可以通过操作员工作站48控制系统10。因此，操作员可以从计算机42观察构建的图像和/或与系统10相关的其它数据。同样，操作员可以通过操作员工作站48启动成像或校准例程，选择和应用图像滤波器等。

如图所示，系统10还可以包括耦合到操作员工作站48的显示器50。另外，系统10可以包括打印机52，打印机52连接到操作员工作站48并配置成打印由系统10产生的图像。显示器50和打印机52也可以直接或通过操作员工作站48连接到计算机42。另外，操作员工作站48可以包括或耦合到图像存档和通信系统(PACS)54。应当注意的是，PACS 54可以耦合到远程客户端56、放射科信息系统(RIS)、医院信息系统(HIS)或内部或外部网络，以便不同位置的其他人可以访问图像数据。

考虑到前面的一般系统描述，现在转到图2，该图示意性地描绘了X射线管组件的实施例的各方面，包括不对称阴极组件14和阳极16的实施例。在示出的实施例中，不对称阴极组件14和目标阳极16的方向彼此相对。阳极16可以由任何合适的金属或复合材料制成，包括钨、钼或铜。通常选择阳极表面材料以具有相对高的耐火值，以便承受电子撞击阳极16产生的热量。在某些实施例中，阳极16可以是旋转盘，如图所示，但是在其它实施方式中，阳极在使用期间可以是静止的。在旋转阳极实施方式中，阳极16可以以高速(例如，1,000至10,000转/分钟)旋转，以便扩散入射的热能并实现更高的温度容限。阳极16的旋转导致X射线焦斑72(即，阳极上被电子撞击射的位置)的温度保持在比阳极16不旋转时更低的值，从而允许使用高通量X射线实施例。

由阴极组件14产生的电子束18聚焦在阳极16上的X射线焦斑72上。阴极组件14和阳极16之间的空间通常被抽真空，以使与其它原子的电子碰撞最小化并使电位最大化。通常在阴极14和阳极16之间产生强电势，在某些情况下在使用期间高达140kV，并且在时效处理以及与医学成像相关的其它制备规程中高达175kV，导使阴极14发出的电子通过热离子效应强烈地吸引到阳极16。所得到的电子束18指向阳极16。所产生的焦斑72的电子轰击通过轫致辐射效应，即制动辐射产生X射线束20。

所示阴极组件14包括一组偏压电极60(即偏转电极)。在所描绘的示例中，四个偏压电极包括长度偏压电极62(即，内部长度(L-ib)偏压电极和外部长度(L-ob)偏压电极)和宽度偏压电极64(即，左宽度(W-l)偏压电极和右宽度(W-r)偏压电极)，它们一起可用作电子聚焦透镜。根据本文所讨论的实施方式，偏压电极60具有不同的有效长度但具有相同的宽度(即，共同的宽度)并且与电极上窄范围的聚焦电压(例如，-4kV至+4kV)一起使用，以在阳极16上产生投射焦斑。防护物70可以定位成围绕偏压电极60并连接到阴极电位。防护物70可以有助于，例如，由于电极几何形状的尖锐特征减小峰值电场，从而改善高电压稳定性。另外，高度抛光的防护物70减少了由阴极14吸收的热负荷或总吸收热功率。

在某些实施例中，包括引出电极69并且设置在阴极组件14和阳极16之间。在其它实施例中，不包括引出电极69。当包括时，引出电极可以保持在比阴极14更高的20kV的电位。开口71允许电子通过引出电极69。

如上所述，调节扁平灯丝68的温度，使得在使用时(例如，当加热到电子发射温度以上时)从灯丝68发射电子。大部分电子在与灯丝68限定的平面区域正交的方向上发射。因此，所得到的电子束18被偏压电极60包围。偏压电极60通过使用有源光束操纵有助于将电子束18聚焦到阳极16上的焦斑72中。也就是说，偏压电极60可以各自产生偶极子场，以使电子束18电偏转。然后可以使用电子束18的偏转来辅助电子束18的焦斑瞄准。可以使用宽度偏压电极64帮助定义所得焦斑72的宽度，而长度偏压电极62可用于帮助定义所得焦斑72的长度。根据本实施方式，与偏压电极60相关联的聚焦电压在-4kV至+4kV的范围内在目标(即阳极)上产生投射焦斑。

前述附图和讨论在一般的示意性水平涉及阴极组件的某些方面和可以采用这种阴极组件用于产生X射线的成像系统。现在将介绍和讨论用于阴极组件的不对称扁平发射器的某些结构方面。如本文所讨论的，在所描述的示例中，描述了不对称阴极，其是多丝阴极，其中不同的扁平灯丝在展开时具有不同的有效长度。在本示例中，扁平灯丝是简单的扁平灯丝，每个灯丝具有一个温度区和相同或相当的宽度，但是在其它实施方式中这些因素可以变化。在一个实施例中，所得到的阴极具有±2.0％或更好的偏置电压精度或误差容差，≤-8kV的栅极电压，0.3kV至+2kV的宽度偏压范围和最大±4kV的长度偏压范围。在其它实施例中，这些值可以基于期望的系统配置而变化。

尽管本发明的示例通常被描述为具有两根灯丝(即，较短灯丝和较长灯丝)，但应当理解的是，在其它实施例中，阴极组件中可存在多于两根不同有效长度的灯丝。此外，尽管本文所述的灯丝的长度实际上不同，但是它们在它们支持的焦斑尺寸方面在操作上重叠，使得灯丝的所支持的焦斑尺寸可以有一定程度的冗余，从而有效地增加阴极组件的寿命。

考虑到这一点，在本实施方式中，不对称扁平发射器阴极的设计允许两个不同的发射器(即扁平灯丝)在高电流下产生小焦斑(例如，0.6IEC)而没有早期寿命故障，例如由于发射材料的蒸发。也就是说，长发射器灯丝可以聚焦(例如通过偏压电极)以提供小焦斑。类似地，小发射器灯丝也可以聚焦以提供小焦斑。也就是说，两个发射器灯丝都可以用于产生不同但重叠(例如，在0.5IEC至0.6IEC)范围内的焦斑尺寸，使得两个发射器灯丝都可以共享小点“荧光”负荷，从而共享X射线管的寿命，进而有效延长了阴极组件的寿命。根据这种方法，共享或重叠焦斑尺寸范围内的工作量可以在两个不同尺寸的灯丝之间共享或分开和/或在一根灯丝故障的情况下，剩余的灯丝仍可用于在重叠的焦斑尺寸范围内产生焦斑。

转到图3，提供了一种不对称阴极组件14的示例。在该示例中，阴极组件14包括长度偏压电极62(设置为单件可堆叠环形结构)和宽度偏压电极64(设置为单件可堆叠环形结构)。长度和宽度偏压电极限定了两个电子发射扁平灯丝68(例如，扁平钨发射器)可见的区域。在所描绘的示例中，对应于长度偏压电极和宽度偏压电极的可堆叠结构被堆叠或定位在陶瓷绝缘体或基板66以形成阴极组件14。

隔膜80将发射扁平灯丝68隔开，并且其本身是一个宽度偏压电极(即，其工作以限定所得焦斑72的宽度)，其工作在与主宽度偏压电极64相同的电位。在一个实施例中，隔膜80具有垂直的金字塔形横截面，该横截面不同于在阴极组件14的背景下悬挂在发射器灯丝68的平面上的宽度偏压电极64的扁平形状。相对于偏压电极60(例如，宽度偏压电极64)和隔膜80，较低电压(例如，±4kV对较高电压范围)的聚焦效应更明显，并且相应地更有效。在最高正(+)电压下隔膜80上没有电子束电流，这就防止了电极电源的过载(保持较小的电源尺寸和设计容量)和故障。

在一个实施例中，长度偏压电极62和/或宽度偏压电极64中的一个或全部是薄电极(例如，1mm-2mm厚)。在所描绘的示例中，并且如随后的图示中所示，长度偏压电极62固定到环形结构92或与环形结构连续，环形结构92围绕宽度偏压电极64和发射器灯丝68。这种几何形状使得在工作期间由电压差产生的电场(即，在发射器灯丝68处的-V和在目标(即，阳极16)处的+V)能够到达发射器表面。因此，电子更容易从发射器表面引出并朝向目标加速。在一个实施例中，偏压电极60(即，长度偏压电极62和宽度偏压电极64)靠近发射电极68定位以促进电子引出和加速，从而在荧光透视模式下，对于小点(例如，0.6IEC)实现成像操作所需的高射束电流(例如，400mA-1200mA)。

在某些实施例中，发射器灯丝68可各自侧接薄的接地金属部件82(此处称为“冷轨道”82)，其相对于发射器灯丝表面(例如，凸块)升高或突出。在某些实施方式中，冷轨道由镍、钼、钼合金等制成。冷轨道82有助于塑造电场，从而改善从发射器灯丝68引出的电子束的聚焦。特别地，放置在宽度偏压电极64上的电位可以相距小于或约1mm，产生足够强的场以提取不能聚焦的电流。冷轨道82与发射器灯丝68处于相同的电位。窄金属冷轨道82用于屏蔽宽度偏压电极，从而消除不可用的提取电流并帮助聚焦电子束。以这种方式，冷轨道防止电子被引导，或撞击并可能熔化宽度偏压电极64。此外，冷轨道防止提取的电子束电流对宽度偏置电压电源产生不利影响。

如图3所示，长度偏压电极62具有包括相对于一个灯丝的缺口区域74的几何形状，使得相应灯丝的更大长度或面积被暴露用于电子发射。因此，这种更多暴露的灯丝在本文中称为长或较长灯丝(或发射器)76。相反，具有较小暴露面积的灯丝在本文中称为短或较短灯丝(或发射器)78。发射器灯丝的两个不同长度的发射表面可用于使用相同的阴极结构(即，阴极组件14)在目标(即，阳极16)上的相同位置处产生不同范围的焦斑尺寸。举例来说，在一种实施方式中，长发射器灯丝76产生大焦斑尺寸(例如，IEC 1.0)和小焦斑尺寸(例如，IEC 0.6)，而短发射器灯丝78产生小焦斑尺寸(例如，IEC 0.6)和集中焦斑尺寸(例如，IEC 0.3)。

举例来说，图4和图5分别描绘了短发射器灯丝78和长发射器灯丝76的示例。在一种实施方式中，发射器灯丝的厚度约为200μ。在一个示例中，较短发射器灯丝78具有3.2mm×6.5mm的发射表面(即，被加热到电子发射温度的表面)，而较长发射器灯丝具有3.2mm×11mm的发射表面。在所描绘的示例中，形成发射器灯丝(发射涂层或基底金属)的发射材料以曲折或蛇形几何形状形成或以其它方式提供。另外，图4和图5的所示示例还传达了工作温度范围信息。特别地，在所描绘的示例中，在400mA下工作的较短发射器灯丝达到2,377℃的温度，而在400mA下工作的较长发射器灯丝达到2,320℃的工作温度。

图6和图7分别描绘了对应于宽度偏压电极64的阴极组件14的宽度电极层86以及周围的支撑环88(图6)，和对应于长度偏压电极62的阴极组件14的长度电极层90以及周围的支撑环形结构92(图7)。如图3、图6和图7所示，在所描绘示例中，宽度电极被底切并且宽度电极材料在长度电极附近被移除。在一种实施方式中，宽度电极层86和长度电极层90可以机械地制造为钎焊金属部件，其中部分被切除以在制造期间提供所描绘的几何形状。然后可以堆叠所得的宽度电极层86和长度电极层90以形成图3中所示的阴极组件14的各方面。另外，应该注意的是，如图6所示，发射器灯丝68是不需要共面的(即，发射表面不需要在同一平面或平行)。相反，发射器灯丝68的发射表面可以相对于彼此成角度，例如朝向共同焦斑点成角度，如图6所示。

转到图8和图9，宽度电极层86的两个不同实施例与隔膜80结合示出，隔膜80可以形成为宽度电极层86的一部分或者单独形成并且在制造之后附接到宽度电极层86(即，作为插入组件)。在图8中，隔膜80显示为与两端94成一体或连接在一起，以便相对于灯丝68和偏压电极(例如，宽度偏压电极64)相对固定。在这种实施方式中，隔膜80在两端固定为宽度电极层86或盖的整体部分。

相反，在图9中，隔膜80仅固定在一端而没有固定在相对端。在这种实施方式中，隔膜80可以单独制造并“插入”到科瓦合金杯的槽96A和96B中。然后隔膜80可以在一端(这里是槽96A)固定或者连接(例如，激光焊接)，而在另一端(这里是槽96B)不固定。因此，在图9所示的实施例中，隔膜80在一端(这里是槽96B)处可以二维或三维地自由移动到有限的程度(例如，几十微米)。

转到图10和图11，提供了本文描述的某些特征的空间布置的透视图，以便提供这些特征的几何环境并且示出某些合适的间隔距离。例如，在图10中，示出了长度偏压电极62相对于宽度偏压电极64的视图以及两者之间的最小间距，这里约为2mm(例如，1.9264mm)。类似地，图11描绘了宽度偏压电极64和冷轨道82的几何形状以及相应的最小间距，这里约为1cm(例如，1.0935mm)。

转到图12，示出了如本文所讨论的不对称阴极组件14的操作视图。在该示例中，示出了由短发射器灯丝78发射以撞击阳极16的电子束98。使用施加到长度偏压电极62、宽度偏压电极64和隔膜80的电压来实现电子束98的聚焦，通过消除不可用的提取电流，冷轨道82也有助于聚焦电子束98。

考虑到前面关于如本文所讨论的非对称阴极的结构和操作方面，图13描绘了如何使用如本文所讨论的短发射器灯丝78或长发射器灯丝76来产生焦斑(集中(0.3IEC)，小(0.6IEC)和大(1.0IEC))的图示。在所描绘的示例中，描绘的区域110示出了对应于将用于产生参考光点尺寸的电极电压的范围，区域110A对应于使用长发射器灯丝76的大光点尺寸，区域110B对应于使用长发射器灯丝76的小光点尺寸，区域110C对应于使用短发射器灯丝78的小光点尺寸，区域110D对应于使用短发射器灯丝78的集中光点尺寸。在所描绘的示例中，栅极电压(适用于荧光透视模式操作)低于±10kV限制，偏置电压(用于正确焦斑尺寸)低于高压发生器限值。对于合适的焦斑尺寸控制，仅需要2％的电压调节，标称调节为0.5％。

如图13所示，可以通过使用短发射器灯丝78以及长发射器灯丝76来制作小焦斑尺寸(例如，适合于荧光透视的焦斑尺寸)。因此，产生这种小焦斑的工作量可以在两个灯丝之间分布，以延长阴极组件的寿命，或者在一个灯丝故障后可以使用剩余的灯丝继续产生小焦斑尺寸。

鉴于前述内容，使用详细的模拟和/或模型进行了发射器寿命的计算。结果显示在表1中。可以观察到，通过在短发射器灯丝78和长发射器灯丝76之间共享荧光透视模式成像工作负荷，可以改善X射线管的寿命(例如，基线情况的近三倍)。

表1

如表1所示，成像模式(荧光透视、记录或压缩)显示在表的最右列中的三行。在这三行中，最左边的几列表示每种模式使用哪些发射器灯丝(长发射器灯丝(L)，短发射器灯丝(S)或两者(L&S))。第五行表示以总小时数计的模拟X射线管寿命，根据与最左边情况对应的基线情况，计算寿命比并将其显示在最下面一行。基于这些结果，在荧光透视成像模式下使用不对称阴极共用长短发射器灯丝预计可使X射线管寿命最大化。

本发明的技术效果包括阴极组件，例如用于X射线管中的阴极组件，其具有两种不同尺寸的电子发射器灯丝。在工作中，某些操作的工作量可以在不同尺寸的灯丝之间分布，例如在不同尺寸的灯丝的重叠操作范围之间，以延长发射器灯丝的使用寿命。举例来说，长发射器灯丝和短发射器灯丝都可用于产生适合于X射线成像背景中的荧光透视的小焦斑(0.6EC)。在这样的示例中，长发射器灯丝和短发射器灯丝都可以以网格模式起作用，从而使得能够从任一发射器进行荧光透视模式操作。此外，部分冗余使得终端用户可以在手术期间一个发射器发生故障时切换发射器，并且实施继续操作使手术安全结束(导管撤回等)。

在该示例中，短发射器灯丝由于长度仅为6.5mm(在该实施例中)，也适合于产生集中的(0.3IEC)焦斑，并且因此仅需要适度的长度方向聚焦电压±4kV。长发射器灯丝也适用于产生大焦斑(1.0IEC)，并且具有较大面积以用于大电子束电流提取和适度温度，因此延长了发射器寿命。

对于所描述的实施例，长度偏置电压低于4kV。在高压发电机中更容易产生较低的电压，并且较低的电压更容易在阴极杯的固体电介质部分上产生较小的应力。商业优势包括但不限于：更长的发射器寿命，更少的更换频率以及更少的现场工程师服务呼叫。

该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本发明的可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例具有与权利要求的字面语言相同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差别的等效结构元件，则这些其它示例旨在落入权利要求的范围内。

Claims (16)

1.一种阴极组件，包括：

至少两个扁平灯丝，每个扁平灯丝在被加热时包括电子发射表面，其中第一扁平灯丝的电子发射面积小于第二扁平灯丝的电子发射面积；

沿所述扁平灯丝的第一维度定位的一组宽度偏压电极，其中所述一组宽度偏压电极在工作期间控制由所述扁平灯丝产生的焦斑的宽度；

沿所述扁平灯丝的第二维度定位的一组长度偏压电极，其中所述一组长度偏压电极在工作期间控制所述焦斑的长度；以及

隔膜，所述隔膜位于所述第一扁平灯丝和所述第二扁平灯丝之间，其中在工作期间，所述隔膜与所述宽度偏压电极处于相同的电位。

2.根据权利要求1所述的阴极组件，其特征在于，所述第一扁平灯丝和所述第二扁平灯丝的宽度和厚度相同，但是各自的电子发射表面的有效长度不同。

3.根据权利要求2所述的阴极组件，其特征在于，所述第一扁平灯丝的长度小于所述第二扁平灯丝的长度。

4.根据权利要求1所述的阴极组件，其特征在于，所述长度偏压电极包括靠近所述第二扁平灯丝的缺口区域，使得所述第二扁平灯丝的更大发射区域被暴露。

5.根据权利要求1所述的阴极组件，其特征在于，所述隔膜在所述隔膜的一端或两端固定到宽度电极支撑环。

6.根据权利要求1所述的阴极组件，还包括每个扁平灯丝上的一对接地金属部件，其邻近电子发射表面而设置并平行于所述宽度偏压电极，其中每个扁平灯丝上的所述一对接地金属部件相对于相应扁平灯丝的电子发射表面突出或升高。

7.根据权利要求6所述的阴极组件，其特征在于，所述一对接地金属部件在工作期间与所述扁平灯丝处于相同的电位。

8.根据权利要求1所述的阴极组件，其特征在于，所述至少两个扁平灯丝相对于彼此成角度，使得每个灯丝的相应电子发射表面在工作期间垂直于焦斑位置。

9.根据权利要求1所述的阴极组件，其特征在于，所述第一扁平灯丝的尺寸设计成在第一尺寸范围内在目标上产生焦斑，并且所述第二扁平灯丝的尺寸设计成在与所述第一尺寸范围部分重叠的第二尺寸范围内在所述目标上产生焦斑。

10.一种X射线管，包括：

阳极；和

阴极，包括：

一对扁平灯丝，其在被加热时发射电子，其中所述一对扁平灯丝中的第一扁平灯丝比第二扁平灯丝长；

一对宽度偏压电极，沿第一维度定位于所述一对扁平灯丝的相对侧；

一对长度偏压电极，沿垂直于所述第一维度的第二维度定位在所述一对扁平灯丝的相对侧；以及

隔膜，所述隔膜位于所述一对扁平灯丝之间并且在与所述一对宽度偏压电极相同的方向上，其中所述隔膜在工作期间与所述宽度偏压电极处于相同的电位。

11.根据权利要求10所述的X射线管，还包括：在每个扁平灯丝上的一对接地金属部件，其邻近每个扁平灯丝的电子发射表面而设置并平行于所述宽度偏压电极，其中每个扁平灯丝上的所述一对接地金属部件相对于相应扁平灯丝的电子发射表面突出或升高。

12.根据权利要求11所述的X射线管，其特征在于，所述一对接地金属部件在工作期间与所述扁平灯丝处于相同的电位。

13.根据权利要求10所述的X射线管，其特征在于，所述第一扁平灯丝和所述第二扁平灯丝相对于彼此成角度，使得每个扁平灯丝的电子发射表面在工作期间指向所述阳极上的焦斑位置。

14.根据权利要求10所述的X射线管，其特征在于，所述第一扁平灯丝的尺寸设计成在第一尺寸范围内在所述阳极上产生焦斑，并且所述第二扁平灯丝的尺寸设计成在与所述第一尺寸范围部分重叠的第二尺寸范围内在所述阳极上产生焦斑。

15.一种用于在目标上产生电子束焦斑的方法，包括：

接收指定所述目标上所述电子束焦斑尺寸的输入；以及

通过以下方式，选择性地操作阴极组件的第一发射器灯丝或第二发射器灯丝以在所述目标上产生由所述输入指定的尺寸的电子束焦斑，其中所述第一发射器灯丝和所述第二发射器灯丝的长度不同：

当所述输入指定第一焦斑尺寸时选择所述第一发射器灯丝；

当所述输入指定第二焦斑尺寸时选择所述第一发射器灯丝和所述第二发射器灯丝；以及

当所述输入指定第三焦斑尺寸时选择所述第二发射器灯丝；

其中，当所述输入指定第二焦斑尺寸时选择所述第一发射器灯丝和所述第二发射器灯丝包括在所述第一发射器灯丝和所述第二发射器灯丝之间切换以平衡所述第一发射器灯丝和所述第二发射器灯丝之间的工作时间。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，当所述输入指定第二焦斑尺寸时选择所述第一发射器灯丝和所述第二发射器灯丝包括考虑了所述第一发射器灯丝或所述第二发射器灯丝的故障，以便当所述第一发射器灯丝或所述第二发射器灯丝之一不起作用时允许产生所述第二焦斑尺寸。

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