CN110957201B - X射线阳极、x射线辐射器和用于制造x射线阳极的方法 - Google Patents

X射线阳极、x射线辐射器和用于制造x射线阳极的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于X射线辐射器(100)的X射线阳极(6)，所述X射线阳极具有设为用于加载电子(e)的结构化表面(14)。根据本发明，结构化表面(14)具有至少分段周期性交替的表面结构(20)，所述表面结构在其深度伸展(T)和周期性(P)方面在微米范围中变化。

Description

X射线阳极、X射线辐射器和用于制造X射线阳极的方法
技术领域
本发明涉及一种X射线阳极，一种X射线辐射器和一种用于制造X射线阳极的方法。
背景技术
X射线辐射器在现有技术中以不同的实施方案广泛知晓。通常，在X射线辐射器的阴极和X射线阳极之间存在电势差，使得由阴极发射的电子朝向X射线阳极加速。电子在焦点的区域中撞击X射线阳极并且在此被制动以发射X射线辐射、尤其轫致辐射。X射线阳极例如可以固定地构成为所谓的固定阳极连带具有典型地基本上居中设置的阴极，或者可围绕旋转轴线转动。通过围绕旋转轴线转动，有效地增大因加载电子而承受热负荷的区域。这种X射线辐射器因此具有旋转阳极，其中阴极典型地居中地设置在由电子撞击的焦点轨迹之上，或者构成为旋转活塞辐射器(也称作为：旋转活塞管)。
在后一种结构形式中，X射线阳极是可转动地支承的壳体的一部分，所述壳体典型地具有束腰部(也为：
Figure BDA0002216104380000011
(X射线腰部))。阴极在这种旋转活塞辐射器中基本上居中地设置在X射线阳极之上，所述X射线阳极设计用于，在边缘侧的区域中加载电子。对此需要的对在阴极侧发射的电子的偏转或聚焦例如通过磁性四极进行。
由于旋转活塞辐射器的这种构造上的设计方案和从束腰部开始存在无场空间的事实，电子一般以平冲击角击中X射线阳极的表面。这造成，反向散射率相对高，使得尤其用于X射线辐射的侧向设置的出射窗口由几乎未被制动的电子射中。击中出射窗口的电子在那里产生X射线辐射，所述X射线辐射作为焦外辐射尤其降低产生的X射线图像的图像质量。
从DE 10 2011 083 413 A1中还已知了具有类似栅格地结构化的区域的X射线阳极，所述区域设计用于，降低材料中的因尤其周期性的温度负荷造成的应力。
发明内容
在该背景下，本发明的目的是，提出一种具有改进的X射线特征的X射线辐射器。
关于设备，在上文中提到的目的通过具有实施例的特征的X射线阳极或具有实施例的特征的X射线辐射器来实现。
关于方法，在上文中提到的目的通过具有实施例的特征的用于制造X射线阳极的方法来实现。
本发明的有利的设计方案是后续实施例的主题。
用于X射线辐射器的X射线阳极具有设为用于加载电子的结构化表面。根据本发明，结构化表面具有至少分段周期性交替的表面结构，所述表面结构在其深度伸展和周期性方面在微米范围中变化。
表述“表面结构在其深度伸展和周期性方面在微米范围中变化”尤其应理解成，深度伸展和周期性为几微米，优选小于40μm，特别优选小于25μm。
表述“结构化表面具有至少分段周期性交替的表面结构”尤其应理解成，所述表面结构具有周期性交替的横截面轮廓。在盘状构成的X射线阳极(也为：阳极盘)的情况下，周期性交替的横截面轮廓尤其可以沿径向方向延伸。
已经证实的是，表面结构化部影响电子的冲击角——和从而电子的反向散射率——和电子的冲击地点。尤其在旋转活塞辐射器中的仿真结果表明，优选的设计方案中的适合的表面结构化部与常见的具有光滑表面的X射线阳极相比可以引起焦外辐射降低达75％。
已经确定，此外借助这种结构化表面可以产生提高的光子通量。与常见的具有光滑表面的X射线阳极相比光子通量的提高例如为20％，在特别优选的实施方案中达35％。更多功率在焦点中或在焦点轨迹中积聚，其中在那里原则上即使在负荷相同的情况下也达到略微更高的温度。但，关于光子通量的显著的功率提升并不伴随着X射线辐射器的额外负荷，并且有利地可以尤其用于，明显地提高所使用的部件的使用寿命。
替选地或附加地，可以转移至更高的辐射强度，以便能够实现更好的且更为通用的成像。在该情况下要强调的是，光子产率的提高、即尤其可以用于医学成像的光子的数量，目前为止要求提高X射线功率。在此成问题的是，热负荷相应地升高。这造成，在许多迄今市售的X射线辐射器中已经达到热负荷极限。换言之，本发明也能够实现，构造具有明显提高的效率的X射线辐射器或者在X射线辐射器的发射的光子强度没有相应的损失的情况下必须容忍使用功率更弱的高压发生器。
光子产率的提高与冲击角相关，电子以所述冲击角在例如固定阳极的焦点或——尤其在旋转阳极或旋转活塞辐射器中——焦点轨迹的区域中击中阳极表面。因为电子在阳极表面上的入射方向基本上受制于结构类型地预设，所以光子产率的提高也受制于结构类型地而是不同的。尤其已经证实的是，在电子的冲击角为大约20°时，可预期光子产率的大约30％的提高。在X射线辐射器具有光滑的阳极表面的常规的设计方案中，相应地高压发生器的功率必须提高20％，例如从100kW提高到120kW，以便实现相同的光子产率。这会造成热负荷的相应的提高。
在设计方案中提出，周期性交替的表面结构的深度伸展和/或周期性的变化位于平均自由电子行程长度的范围中。表述“深度伸展和周期性位于平均自由电子行程长度的范围中”尤其可理解成，深度伸展和周期性在数量级上位于在X射线阳极的材料中的平均自由电子行程长度的范围中。自由电子行程长度尤其与电子的动能相关。X射线阳极的结构化表面的具体的设计方案因此对于不同电压的X射线辐射器是不同的。如果周期性交替的表面结构的深度伸展和周期性尤其位于平均自由电子行程长度的相应的范围中，那么覆盖宽的功率范围。
为了实现在其深度伸展和/或周期性方面变化的表面结构化部，结构化表面例如可具有相应确定尺寸的针形结构。
在设计方案中提出，交替的表面结构包括至少分段彼此平行伸展的凹槽。表面结构尤其仅关于延伸方向是周期性的。至少分段彼此平行伸展的凹槽尤其沿非径向方向延伸，例如连续地构成并且在设计方案中具有恒定的或变化的深度伸展。凹槽的深度伸展在不同的设计方案中尤其可以周期性地变化。最后的构造方案尤其关于热应力的最小化是有利的。
在不同的实施例中，X射线阳极具有环绕的、例如旋转对称的构造。凹槽尤其倾斜于径向方向伸展，所述径向方向由X射线阳极的环绕的或旋转对称的构造预设。
在设计方案中提出，交替的表面结构包括环绕的、圆形的凹槽。这种构造方案在所有常见的阳极类型中、即尤其在固定阳极、旋转阳极或旋转活塞辐射器中设置。
在设计方案中提出，环绕的、圆形的凹槽彼此同心地设置。X射线阳极例如盘形地构成，使得环绕的、圆形的凹槽的中心尤其可与盘形地构成的X射线阳极的中心重合。这种盘形的X射线阳极例如构成为旋转阳极或者设为具有旋转的真空壳体的旋转活塞辐射器的一部分。
在设计方案中提出，交替的表面结构的深度伸展和周期性的比值基本上为1:1。在具体的设计方案中，表面结构关于其深度伸展在直至40μm的范围中、优选在10μm至30μm的范围中、尤其在10μm至20μm的范围中改变。在设计方案中，深度伸展的变化尤其为大约15μm。交替的表面结构的周期性(也为：周期长度)同样在直至40μm的范围中，优选在10μm至30μm的范围中，特别优选在10μm至20μm的范围中，尤其为大约15μm。
在用于乳房X射线照相术和其他应用的X射线阳极中，必要时假设，交替的表面结构的最优匹配的、最大的深度伸展或凹槽深度小于10μm。
优选地提出，深度伸展的最大变化与X射线辐射器的kV级相关地选择。用于医学放疗的X射线阳极因此具有带有其他深度变化的表面结构化部，例如用于乳房X射线摄影术的X射线阳极。
交替的表面结构的横截面轮廓具有如下伸展，所述伸展位于电子的平均自由行程长度和发射的光子的吸收长度的范围中，并且本身可以具有近似任意的构造。例如，交替的表面结构包括具有陡峭的壁的沟槽结构，所述壁尤其借助于激光剥离引入到X射线阳极的材料中。
在设计方案中提出，交替的表面结构在横截面中具有基本上正弦形地伸展的轮廓，基本上矩形轮廓或基本上锯齿轮廓。这种结构的制造在其可以借助于激光剥离产生时得以简化。
在设计方案中提出，交替的表面结构的深度伸展和/或周期性小于40μm，优选小于30μm，特别优选小于20μm，尤其为大约15μm。
在设计方案中提出，交替的表面结构借助于局部去除、尤其借助于剥离方法、例如借助于激光剥离或电子束剥离引入到X射线阳极的材料中。在这种剥离方法中，通常将高能射束对准要结构化的构件的表面并且有针对性地去除材料。这种方法适合于，在微米范围中以高精度产生结构化部。在此，尤其可以快速地、精确地并且成本适宜地结构化不规则的、弯曲的和/或锥形的表面。作为机械的和/或化学的剥离方法，考虑微结构加工、例如微铣切，微刻模和刻蚀方法，连同事先对焦点轨迹的包覆或掩盖。
在设计方案中提出，交替的表面结构借助于增材制造方法(也为：additiveFertigungsverfahren)，尤其借助于选择性激光熔化、选择性激光烧结、选择性电子束熔化来制造。
在设计方案中提出，交替的表面结构借助于熔丝制造、冷气喷塑、丝网印刷或借助于覆层方法、尤其借助于化学气相沉积(chemical vapor deposition,CVD)或物理气相沉积(physical vapor deposition,PVD)制造。
根据本发明的X射线辐射器具有在上文中描述的具有结构化表面的X射线阳极。伴随于此的优点直接从迄今参考结构化的X射线阳极的描述中得出。尤其地，这样构成的X射线辐射器具有带有降低的焦外辐射的辐射特征。这尤其提高检测到的X射线图像的图像质量。此外，在应用于医学中时可以减少人员、尤其患者的射线暴露。因为X射线阳极的表面结构化部此外引起光子的更高的产率，所以例如此外在发射的X射线强度基本上保持不变的情况下可以转变成较低的功率。由此得出热负荷的降低，使得X射线辐射器的使用寿命提高。
在设计方案中提出，X射线阳极可围绕旋转轴线转动。换言之，X射线辐射器例如具有旋转阳极或者构成为旋转活塞辐射器。在对此替选的实施方案中，X射线阳极构成为固定阳极。
在设计方案中，X射线辐射器具有这种构造设计方案，使得电子基本上以直至90°的冲击角、优选以小于60°、特别优选小于50°的冲击角、尤其以小于45°的冲击角击中结构化表面。电子的这种平冲击角通常造成相对高的反向散射率。所述高的反向散射率可以至少绝大部分地通过如下方式补偿：在焦点的区域中或者——在旋转的X射线阳极中——在焦点轨迹的范围中，X射线阳极设有在上文中描述的结构化表面。最小的冲击角例如可以为大约1°。
优选地，在上文中描述的X射线辐射器用于产生X射线图像。X射线阳极的表面结构尤其设计用于，使降低图像质量的焦外辐射最小化。这可以有利地在全部基于X射线辐射的成像方法中使用，尤其在计算机断层扫描、乳房X射线摄影、血管造影、X光摄影或在材料检查中使用。
在设计方案中，产生的X射线辐射提供用于成像，例如用于医学成像，用于放疗，用于材料检查或用于行李检查。X射线辐射器例如在C形臂X射线设备、计算机断层扫描仪、乳腺X摄影或血管造影的X射线装置中或在医学成像的其他X射线装置中使用。
已经证实的是，电子的平冲击角与表面结构化的X射线阳极的组合引起光子产率的提高，所述提高的数量级已经为大约35％。然而，在这种平冲击角的情况下，光谱经受小的预过滤，所述预过滤在较陡峭的入射的情况下、即在电子的大于60°的冲击角的情况下取消。光子产率的有效的提高因此在超过上述的60°的冲击角的情况下更大地降低。
在用于制造在上文中提到的X射线阳极之一的方法中，借助于剥离方法、尤其借助于激光剥离或电子束剥离将交替的表面结构引入到X射线阳极的材料中。在制造方法的一个替选的设计方案中，借助于增材制造方法、尤其借助于选择性激光熔化、激光烧结、电子束熔化和/或借助于熔丝制造、冷气喷塑、丝网印刷或借助于覆层方法、尤其借助于化学气相沉积或物理气相沉积制造交替的表面结构。在设计方案中，交替的表面结构也可以通过在上文中描述的方法的任意组合形成。尤其可以设计，提出将增材和减材方法组合。
附图说明
为了进一步地描述本发明，参照在附图中示出的实施例。在示意图中示出：
图1示出旋转活塞辐射器的示意构造的剖面图，
图2示出旋转活塞辐射器的横截面的不符合比例的视图；
图3示出具有表面结构化部的X射线阳极的局部的不符合比例的视图；
图4示出具有表面结构化部的X射线阳极的俯视图的不符合比例的视图。
彼此相应的部分在全部附图中设有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出构成为旋转活塞辐射器的X射线辐射器100，所述X射线辐射器具有在壳体2内在支承件8中可转动地支承的真空壳体4。壳体2典型地由或可由液态冷却剂、尤其由冷却油填充，使得在运行中旋转的真空壳体4直接由冷却剂环流。真空壳体4例如可以经由轴5置于围绕旋转轴线R的转动运动中。
真空壳体4的一部分由盘状构成的X射线阳极6形成，所述X射线阳极具有边缘侧的、设为加载电子e的区域。在X射线阳极6和阴极10之间存在高电压，使得阴极10在运行中发射电子e，所述电子朝向X射线阳极6加速。在此，尤其包括多个磁性偏转线圈的偏转装置12将电子e偏转到适合的轨迹上，使得所述电子在焦点B的区域中击中X射线阳极6的表面14。
偏转装置12例如构成为磁性双极并且在真空壳体4的束腰部16的区域中设置。因为在束腰部16和X射线阳极6之间的区域基本上无场，所以电子在这种实施方式中以相对小的冲击角α击中X射线阳极6的表面14。
在电子e击中X射线阳极6时，以本身已知的方式产生X射线γ。X射线γ经由出射窗口18离开X射线辐射器100的壳体2。在出射窗口18下游可以连接其他的、未详细示出的用于射束成形的装置，如例如挡板箱或准直器。
表面14的在焦点B的区域中由电子e加载的区域具有在微米范围中的表面结构化部。结构化表面14的表面结构20示意地在图2至4的不符合比例的视图中示出。
图2示出关于旋转轴线R旋转对称地构成的真空壳体4的远离束腰部16的部段。表面结构20的视图为了更好地说明而大幅放大地示出。在不符合比例的视图中，具有在微米范围中的周期性交替的轮廓的表面结构20不可见。
周期性交替的表面结构20此外详细地在不符合比例的图3和以俯视图在不符合比例的图4中示出。
在图2至4中示例性示出的设计方案中，周期性交替的表面结构20包括多个凹槽22，所述凹槽相对于彼此作为同心圆在X射线阳极6的边缘侧的区域中形成环绕的表面结构化部。例如，凹槽22、如在唱片中那样构成。在俯视图(图4)中，同心圆形的凹槽22的中点与旋转轴线R重合。
在横截面中，表面结构20大致具有正弦形的轮廓(参见图3)，所述正弦形的轮廓具有周期性P和深度伸展T。不仅周期性P(或者周期长度)、而且深度伸展T位于微米范围中。在仅为了说明示出并且理解为非限制性的实施例中，在深度伸展T和周期性之间的比值大约为1:1。尤其地，深度伸展T和周期性P为大约15μm。
借助这样结构化的X射线阳极6，尤其在平电子入射时(参见图2)可以降低沿入射方向散射的电子e的份额。所述效应可以有利地在不同结构类型的X射线阳极6中、即尤其也在旋转阳极或固定阳极中使用。然而特别有利地，这可以在旋转活塞辐射器中使用，以便补偿固有的、即结构类型造成的缺点，所述缺点从电子e的平冲击角α与同其关联的高的反向散射率中得出。X射线阳极6的表面结构20尤其降低散射的电子e的份额，所述份额射向出射窗口18并因此降低由散射的电子e造成的、降低图像质量的焦外辐射。
在凹槽22或结构化表面14的凹陷部之内，预期有提高的应力集中，所述应力集中通过在X射线辐射器100运行期间X射线阳极6的热负荷造成。合适的是，在凹槽22或凹陷部之内设有尽可能大的曲率，以便对抗X射线阳极6的塑性变形。可以考虑的是，在所述部位处形成消除应力裂纹，然而所述消除应力裂纹一般至少不明显地影响凹槽22的功能。尤其是合理地假设，这种裂纹不会引起剂量的减小或仅引起剂量的小的减小，至少与光滑的阳极表面相比，所述光滑的阳极表面关于此可能具有老化现象。
尽管本发明的细节参照优选的实施例详细说明和描述，但本发明不限制于此。其他的变型形式和组合可以由本领域技术人员从中导出，而不偏离本发明的主要构思。尤其地，结构化表面14可以在不同结构类型的X射线阳极6中设置，以便最小化焦外辐射和/或在功率保持不变时提高光子产率。

Claims (28)

1.一种用于X射线辐射器(100)的X射线阳极(6)，其具有设为用于加载电子(e)的结构化表面(14)，
其特征在于，
所述结构化表面(14)具有至少分段周期性交替的表面结构(20)，所述表面结构(20)在其深度伸展(T)方面变化，其中周期性交替的所述表面结构(20)的变化的深度伸展(T)和周期性(P)均小于40μm并且所述深度伸展(T)和/或所述周期性(P)的变化处于所述X射线阳极的材料中的平均自由电子行程长度的范围中。
2.根据权利要求1所述的X射线阳极(6)，
其特征在于，
交替的所述表面结构(20)包括至少分段彼此平行伸展的凹槽(22)。
3.根据权利要求2所述的X射线阳极(6)，
其特征在于，
所述X射线阳极(6)具有环绕的构造，并且所述凹槽(22)倾斜于径向方向伸展，所述径向方向由所述X射线阳极的环绕的构造预设。
4.根据权利要求2所述的X射线阳极(6)，
其特征在于，
所述X射线阳极(6)具有旋转对称的构造，并且所述凹槽(22)倾斜于径向方向伸展，所述径向方向由所述X射线阳极的旋转对称的构造预设。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的X射线阳极(6)，
其特征在于，
交替的所述表面结构(20)包括环绕的、圆形的凹槽(22)。
6.根据权利要求5所述的X射线阳极(6)，
其特征在于，
所述圆形的凹槽(22)彼此同心地设置。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的X射线阳极(6)，
其特征在于，
交替的所述表面结构(20)的深度伸展(T)和周期性(T)的比值基本为1:1。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的X射线阳极(6)，
其特征在于，
交替的所述表面结构(20)在横截面中具有正弦形伸展的轮廓、具有矩形轮廓或具有锯齿轮廓。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的X射线阳极(6)，
其特征在于，
交替的所述表面结构(20)的所述深度伸展(T)和/或周期性(P)小于30μm。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的X射线阳极(6)，
其特征在于，
交替的所述表面结构(20)的所述深度伸展(T)和/或周期性(P)小于20μm。
11.根据权利要求1至4中任一项所述的X射线阳极(6)，
其特征在于，
交替的所述表面结构(20)的所述深度伸展(T)和/或周期性(P) 小于15μm。
12.根据权利要求1至4中任一项所述的X射线阳极(6)，
其特征在于，
交替的所述表面结构(20)借助于剥离方法引入到所述X射线阳极(6)的材料中。
13.根据权利要求1至4中任一项所述的X射线阳极(6)，
其特征在于，
交替的所述表面结构(20)借助于激光剥离、电子束剥离、微结构加工、微刻模和刻蚀方法中的至少一种引入到所述X射线阳极(6)的材料中。
14.根据权利要求1至4中任一项所述的X射线阳极(6)，
其特征在于，
交替的所述表面结构(20)借助于增材制造方法来制造。
15.根据权利要求1至4中任一项所述的X射线阳极(6)，
其特征在于，
交替的所述表面结构(20)借助于选择性激光熔化、激光烧结或电子束熔化来制造。
16.根据权利要求1至4中任一项所述的X射线阳极(6)，
其特征在于，
交替的所述表面结构借助于熔丝制造、冷气喷塑、丝网印刷或借助于覆层方法来制造。
17.根据权利要求16所述的X射线阳极(6)，
其特征在于，
所述覆层方法是化学气相沉积或物理气相沉积。
18.一种X射线辐射器(100)，所述X射线辐射器(100)具有根据权利要求1至17中任一项所述的X射线阳极(6)。
19.根据权利要求18所述的X射线辐射器(100)，
其特征在于，
所述X射线阳极(6)能够围绕旋转轴线(R)转动。
20.根据权利要求18或19所述的X射线辐射器(100)，
其特征在于，
所述X射线辐射器(100)在构造上设计成，使得电子(e)以直至90°的冲击角(α)击中所述结构化表面(14)。
21.根据权利要求18或19所述的X射线辐射器(100)，
其特征在于，
所述X射线辐射器(100)在构造上设计成，使得电子(e)以小于60°的冲击角(α)击中所述结构化表面(14)。
22.根据权利要求18或19所述的X射线辐射器(100)，
其特征在于，
所述X射线辐射器(100)在构造上设计成，使得电子(e)以小于50°的冲击角(α)击中所述结构化表面(14)。
23.根据权利要求18或19所述的X射线辐射器(100)，
其特征在于，
所述X射线辐射器(100)在构造上设计成，使得电子(e)以最大45°的冲击角(α)击中所述结构化表面(14)。
24.一种根据权利要求18至23中任一项所述的X射线辐射器(100)的应用，所述X射线辐射器用于产生X射线图像。
25.一种用于制造根据权利要求1至17中任一项所述的X射线阳极(6)的方法，
其特征在于，
借助于剥离方法将交替的表面结构(20)引入到所述X射线阳极的材料中，或者借助于增材制造方法来制造，或者借助于熔丝制造、冷气喷塑或丝网印刷来制造，或者借助于覆层方法来制造。
26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，借助于激光剥离或电子束剥离将交替的表面结构(20)引入到所述X射线阳极的材料中。
27.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，交替的表面结构(20)借助于选择性激光熔化、激光烧结或电子束熔化来制造。
28.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述覆层方法是化学气相沉积或物理气相沉积。
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