CN113433582A - 一种x射线球管束流诊断方法 - Google Patents

一种x射线球管束流诊断方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种X射线球管束流诊断方法，涉及X射线球管技术领域，所述方法包括以下步骤：1、束流诊断仪采集从X射线球管的阴极发射出的电子束流信号；2、束流诊断仪将步骤1中采集到的信号转换为电信号；3、束流诊断仪将步骤2中的电信号传输给高压发生器的控制模块；4、高压发生器的控制模块对步骤3中接收到的电信号进行判断。本发明能够对从阴极发出的电子束流进行实时监控，并与高压发生器进行联动，在电子束流发生异常行为时触发控制模块动作，迅速切断管内高压，实现对球管的保护。

Description

一种X射线球管束流诊断方法
技术领域
本发明涉及X射线球管技术领域，尤其涉及一种X射线球管束流诊断方法。
背景技术
束流诊断是加速器领域的重要技术，其主要是通过束流检测器与粒子束流的相互作用来获得携带束流信息的光或电信号，通过对这些信号进行处理，可获得粒子束流的空间分布情况与电特性参数等信息，实现对粒子束流的精确测量与控制。
在X射线成像和电子计算机断层扫描中，需要对X射线球管中阴极产生的电子束进行聚焦与偏转，使得电子束能够准确有效地轰击阳极，进而发射出X射线。对此，当前的高端X射线球管，均采用电磁铁所产生的变化磁场来实现电子束的聚焦与偏转。在电磁场带来优秀聚焦效果的同时，电子束的传输路径也比仅使用静电场进行聚焦偏转时的路径更长。在静电场偏转中，阴极与阳极之间的距离只有3厘米左右，无需考虑因聚焦或偏转失效时电子束轰击到除阳极外的球管其他部位所引起的各种烧熔或击穿事故。然而，在电磁场的长传输路径(5厘米以上)中，情况却大为不同。电磁铁的相对磁导率在使用过程中可能因各种热效应而发生20％-50％的大幅变化，从而引起聚焦或偏转磁场的畸变，导致高能量的电子束流偏离其运输通道的中心位置而达到低熔点的管壁上。管壁因温度骤升至2000℃以上而熔化，使得冷却油进入管芯内破坏了真空的环境，导致X射线球管失效。
由于电磁铁各处的温度是不均匀的，且温度变化范围较大，因此难以通过监控电磁铁的温度来判断是否发生畸变。此外，理论上可以替换损坏的球管，但这会产生高昂的成本，且在下一个温度循环中仍会出现磁场畸变现象，因而是治标不治本的。更好的解决方案是对X射线球管中的电子束流进行监控，实时获取电子束流的空间分布信息，确保其打到阳极上。当发现电子束流的运动轨迹偏离其运输通道的中心位置时，及时切断球管内阴阳极之间的高压，消除施加在电子上的牵引力，避免高能电子烧熔球管。
因此，本领域的技术人员致力于提供一种X射线球管束流诊断方法，以避免高能电子烧熔球管的问题。
发明内容
有鉴于现有技术上的缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何提供一种能避免高能电子烧熔球管的X射线球管束流诊断方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种X射线球管束流诊断方法，包括束流诊断仪，所述束流诊断仪安转在X射线球管内，所述束流诊断仪与X射线球管的阴极连接，所述束流诊断仪还与高压发生器通过信号传输线连接，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1、所述束流诊断仪采集从X射线球管的阴极发射出的电子束流信号；
步骤2、所述束流诊断仪将步骤1中采集到的信号转换为电信号；
步骤3、所述束流诊断仪将步骤2中的电信号传输给高压发生器的控制模块；
步骤4、高压发生器的控制模块对步骤3中接收到的电信号进行判断。
进一步地，所述步骤4具体包括以下步骤：
步骤4.1：将步骤3中的电信号与预设值进行比较；
步骤4.2：根据步骤4.1的比较结果，当电信号超出预设值时，切断高压发生器。
进一步地，所述步骤1中的电子束流信号是电子束流的空间位置、横向截面尺寸、纵向束团长度、发射度中的一种或多种。
进一步地，所述步骤1中的电子束流信号还可以是电子束流的束团电荷量、平均流强、束团不稳定性中的一种或多种。
进一步地，所述束流诊断仪包括仪器装置外壳、束流运输通道外壳、水平电极对、垂直电极对，所述束流运输通道外壳置于所述仪器装置外壳内，所述水平电极对置于所述束流运输通道外壳水平方向的两侧，所述垂直电极对置于所述束流运输通道外壳垂直方向的两侧。
进一步地，所述步骤1中电子束流的位置信号计算如下：
Figure BDA0003063682070000021
式中，Sx(t)为t时刻电子束流在水平方向的位置信号，b为所述水平电极对到所述束流诊断仪中心的距离，
Figure BDA0003063682070000022
为所述水平电极对的左电极或右电极的端部与所述束流诊断仪的中心所成的夹角，IL(t)和IR(t)分别为所述水平电极对的左电极和右电极的感应电流强度，x为电子束流的横坐标，以所述束流诊断仪的中心为原点，以水平方向为x轴，以垂直方向为y轴，Ο(x)是x的高阶项。
进一步地，所述步骤1中电子束流的位置信号计算如下：
Figure BDA0003063682070000023
式中，Sy(t)为t时刻电子束流在垂直方向的位置信号，a为所述垂直电极对到所述束流诊断仪中心的距离，θ为所述垂直电极对的上电极或下电极的端部与所述束流诊断仪的中心所成的夹角，IU(t)和ID(t)分别为所述垂直电极对的上电极和下电极的感应电流强度，y为电子束流的纵坐标，以所述束流诊断仪的中心为原点，以水平方向为x轴，以垂直方向为y轴，Ο(y)是y的高阶项。
优选地，所述步骤4中的预设值为：电子束流的运动轨迹偏离其运输通道的中心位置达到5mm。
优选地，所述步骤4中的预设值为：电子束流的运动轨迹偏离其运输通道的中心位置达到10°。
进一步地，所述方法可用于X射线球管自动化地调试电子束流的焦点位置和大小。
本发明至少具有如下有益技术效果：
1、本发明提供的X射线球管束流诊断方法，能够对X射线球管中电子束流进行实时监控，采集电子束流的位置偏移量等空间分布信息、束流强度等电特性参数信息以及束团不稳定性等时变信息，从而判断电子束流是否存在异常行为。
2、本发明提供的X射线球管束流诊断方法，在监测到X射线球管中的电子束流发生异常行为后，能够立刻触发高压发生器中的控制模块动作，迅速切断阴阳极之间的高压，停止高能电子的加速运动，保护球管不被烧熔或击穿。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的束流诊断仪联动高压发生器的示意图；
图2是本发明的一个较佳实施例的束流诊断仪在X射线球管中的位置示意图；
图3是本发明的一个较佳实施例的束流诊断仪结构示意图；
图4是本发明的一个较佳实施例的束流诊断仪工作原理图。
其中，1-控制模块，2-高压发生器，3-X射线球管，4-信号传输线，5-阴极，6-束流诊断仪，7-电子束流，8-阳极，31-仪器装置外壳，32-束流运输通道外壳，33-水平电极对，34-垂直电极对，41-左电极，42-右电极。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
如图1和图2所示，本发明的一个较佳实施例的X射线球管束流诊断方法，通过束流诊断仪6来实现。束流诊断仪6安装在X射线球管3内，并与X射线球管3的阴极5连接，对从阴极5发出的电子束流7进行监控，电子束流7在正常情况下轰击到X射线球管3的阳极8，从而产生X射线。束流诊断仪6通过信号传输线4与高压发生器2连接，高压发生器2的内部设置有控制模块1，对高压发生器2进行控制。束流诊断仪6与高压发生器2的联动工作是动态、不间断地进行的，从而实现对电子束流7的实时监控。
如图3所示，本实施例的束流诊断仪6包括仪器装置外壳31、束流运输通道外壳32、水平电极对33、垂直电极对34。束流运输通道外壳32设置在仪器装置外壳31的内部，水平电极对33设置在束流运输通道外壳32的水平方向的两侧，垂直电极对34设置在束流运输通道外壳32的垂直方向的两侧，电子束流7在运动过程中因电磁感应而在水平电极对33和垂直电极对34中产生感应电流，通过实时测量感应电流的强度可以推算出电子束流7的运动轨迹，实现对电子束流7的实时监控。
本发明的较佳实施例的X射线球管束流诊断方法包括以下步骤：
步骤1：束流诊断仪6采集从阴极5发出的电子束流信号；
步骤2：束流诊断仪6将步骤1中采集到的信号转换为电信号；
步骤3：束流诊断仪6将步骤2中的电信号传输给控制模块1；
步骤4：控制模块1对步骤3中接收到的电信号进行判断。
具体地，步骤4包括以下过程：
步骤4.1：控制模块1将步骤3中的电信号与预设值进行比较；
步骤4.2：根据步骤4.1的比较结果，当电信号超出预设值时，切断高压发生器2。
束流诊断仪6能够实时获取X射线球管3内的电子束流空间分布信息，这些信息并不局限于电子束流的空间位置，还包括横向截面尺寸、纵向束团长度、发射度等。利用束流诊断仪6，还能够采集束团电荷量、平均流强等电特性参数信息以及束团不稳定性等时变信息。根据采集到的电子束流信息，在判断出电子束流行为存在异常时，触发高压发生器2中的控制模块1及时迅速地切断管内高压，消除施加在高能电子上的牵引力，防止电子束流烧熔或击穿球管，最终达到保护X射线球管的目的。本实施例中的异常行为并不局限于磁场畸变所引发的束流偏移，还包括其他一切可能导致束流烧熔或击穿球管的情况，如根据束流诊断仪6的两对电极上的感应电流，测出电子束流的强度，当发现流强过大时，根据控制模块1中的预设值，阴极5和阳极8之间的电压被切断，达到保护球管的目的。
在以上过程中，控制模块1实时地调整电磁铁的励磁电流等可控参数值，确保电磁铁一直处在最优的工作范围内。
本发明提供的X射线球管束流诊断方法，除用于监控电子束流的异常情况，还可用于X射线球管自动化地调试电子束流的焦点位置和大小等。
本发明的步骤2中，也可以通过将步骤1中采集到的信号转换为光信号，实现信号的传输。
如图4所示，本发明的另一个较佳实施例中，提供了对电子束流的位置监控的方法。图中，以束流诊断仪6的中心为原点，以水平方向为x轴，以垂直方向为y轴；b为水平电极对33到束流诊断仪6中心的距离，
Figure BDA0003063682070000051
为水平电极对33的左电极41或右电极42的端部与束流诊断仪6的中心所成的夹角，IL(t)和IR(t)分别为水平电极对33的左电极41和右电极42的感应电流强度，x为电子束流7的横坐标，Ib(x,y)为电子束流7的强度。
本实施例中，束流诊断是一个实时的动态监控过程，在每一个时刻点都可以采集到对应的电子束流7的位置信息。在t时刻，分别测出左电极41和右电极42的感应电流强度IL(t)和IR(t)，则电子束流7在t时刻的水平方向上的位置信号Sx(t)计算如下：
Figure BDA0003063682070000052
式中，Ο(x)是x的高阶项。
同样地，测出垂直电极对34的上电极和下电极的感应电流强度IU(t)和ID(t)，可计算出电子束流7在t时刻的垂直方向上的位置信号Sy(t)：
Figure BDA0003063682070000053
式中，a为垂直电极对34到束流诊断仪6中心的距离，θ为垂直电极对34的上电极或下电极的端部与束流诊断仪6的中心所成的夹角，Ο(y)是y的高阶项。
在测得位置信号后，利用信号处理方法转换为位置偏移量，将位置偏移量信号传送到高压发生器2的控制模块1中，与预设值进行比较，判断是否切断高压。本实施例中，预设值可设定为：电子束流的运动轨迹偏离其运输通道的中心位置达到5mm或电子束流的运动轨迹偏离其运输通道的中心位置达到10°。
本发明提供的X射线球管束流诊断方法，能够对从阴极发出的电子束流进行实时监控，并与高压发生器进行联动，在电子束流发生异常行为时触发控制模块动作，迅速切断管内高压，实现对球管的保护，具有有益的技术效果。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种X射线球管束流诊断方法，包括束流诊断仪，所述束流诊断仪安转在X射线球管内，所述束流诊断仪与X射线球管的阴极连接，所述束流诊断仪还与高压发生器通过信号传输线连接，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1、所述束流诊断仪采集从X射线球管的阴极发射出的电子束流信号；
步骤2、所述束流诊断仪将步骤1中采集到的信号转换为电信号；
步骤3、所述束流诊断仪将步骤2中的电信号传输给高压发生器的控制模块；
步骤4、高压发生器的控制模块对步骤3中接收到的电信号进行判断。
2.如权利要求1所述的X射线球管束流诊断方法，其特征在于，所述步骤4具体包括以下步骤：
步骤4.1：将步骤3中的电信号与预设值进行比较；
步骤4.2：根据步骤4.1的比较结果，当电信号超出预设值时，切断高压发生器。
3.如权利要求1所述的X射线球管束流诊断方法，其特征在于，所述步骤1中的电子束流信号是电子束流的空间位置、横向截面尺寸、纵向束团长度、发射度中的一种或多种。
4.如权利要求1所述的X射线球管束流诊断方法，其特征在于，所述步骤1中的电子束流信号还可以是电子束流的束团电荷量、平均流强、束团不稳定性中的一种或多种。
5.如权利要求1所述的X射线球管束流诊断方法，其特征在于，所述束流诊断仪包括仪器装置外壳、束流运输通道外壳、水平电极对、垂直电极对，所述束流运输通道外壳置于所述仪器装置外壳内，所述水平电极对置于所述束流运输通道外壳水平方向的两侧，所述垂直电极对置于所述束流运输通道外壳垂直方向的两侧。
6.如权利要求5所述的X射线球管束流诊断方法，其特征在于，所述步骤1中电子束流的位置信号计算如下：
Figure FDA0003063682060000011
式中，Sx(t)为t时刻电子束流在水平方向的位置信号，b为所述水平电极对到所述束流诊断仪中心的距离，
Figure FDA0003063682060000012
为所述水平电极对的左电极或右电极的端部与所述束流诊断仪的中心所成的夹角，IL(t)和IR(t)分别为所述水平电极对的左电极和右电极的感应电流强度，x为电子束流的横坐标，以所述束流诊断仪的中心为原点，以水平方向为x轴，以垂直方向为y轴，Ο(x)是x的高阶项。
7.如权利要求5所述的X射线球管束流诊断方法，其特征在于，所述步骤1中电子束流的位置信号计算如下：
Figure FDA0003063682060000021
式中，Sy(t)为t时刻电子束流在垂直方向的位置信号，a为所述垂直电极对到所述束流诊断仪中心的距离，θ为所述垂直电极对的上电极或下电极的端部与所述束流诊断仪的中心所成的夹角，IU(t)和ID(t)分别为所述垂直电极对的上电极和下电极的感应电流强度，y为电子束流的纵坐标，以所述束流诊断仪的中心为原点，以水平方向为x轴，以垂直方向为y轴，Ο(y)是y的高阶项。
8.如权利要求6或7所述的X射线球管束流诊断方法，其特征在于，所述步骤4中的预设值为：电子束流的运动轨迹偏离其运输通道的中心位置达到5mm。
9.如权利要求6或7所述的X射线球管束流诊断方法，其特征在于，所述步骤4中的预设值为：电子束流的运动轨迹偏离其运输通道的中心位置达到10°。
10.如权利要求1所述的X射线球管束流诊断方法，其特征在于，所述方法可用于X射线球管自动化地调试电子束流的焦点位置和大小。
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