CN1138742A - 带有低温发射极的x射线管 - Google Patents

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Abstract

一种具有一阳极(10)和一电子发射极(5)的X射线管，电子发射极(5)至少在其发射电子的平面的区域内由一种具有比钨低的电子逸出功的电子发射材料组成。另外，设有一个安装在电子发射极(5)和阴极(10)之间的、具有阳极电位的针孔光阑(20)，电子束(ES)穿过该光阑。作为电子发射材料的电子发射极含有最好是六硼化镧或铱-铈(Ir/Ce)系或铱-镧(Ir/La)系合金。

Description

带有低温发射极的X射线管
本发明涉及一种X射线管，它具有一个阳极和一个电子发射极，一电子束从该电子发射极发出，并且该电子发射极至少在其发射电子的平面的区域内是由一种发射电子的材料组成，该材料具有比钨更低的电子逸出功，并且该X射线管还带有一个设在电子发射极和阳极之间的针孔光阑，电子束从该针孔光阑穿过，并撞击在阳极的撞击面上的聚焦区内，一有效X射线束从该聚焦区发出。
如果电子束的电子撞击到阳极上，那么，除产生所希望的X射线外，还产生离子，这些离子沿位于电子发射极和阳极之间的电场的场线朝电子发射极方向运动。它们带着一相应的动能碰撞在该电子发射极上。其中例如由于发射层的熔化、化学反应或侵蚀，可能会损伤电子发射极，这会降低发射极的发射能力。
在今天广泛应用的X射线管中，存在有例如由钨制成的电子发射极，它们相对耐离子轰击。但无论如何，这种形式的电子发射极的寿命受到其高的工作温度的限制，因为由于电子发射极的材料的蒸发，从而由此导致X射线管最终失效。如果不是上述形式的，而是如在由DE 4026 300 A1和WO 92/03837 A1所公开的X射线管中，采用前言所述类型的所谓的低温发射极，也就是说电子发射极至少在其发射电子的面的区域内由这样一种材料组成，它具有比钨更低的电子逸出功，因此在较低温度下就可发射出电子，其电子发射极的寿命，和由此导致X射线管的寿命，主要受离子轰击的限制。
另外，在DE 4026 300 A1和WO 92/03837 A1公开的X射线管中，电子束穿过一个针孔光阑，该光阑在WO 92/03837 A1中用作聚焦电极，在DE 4026300 A1中则用作栅极或聚焦电极。
另外的一种X射线管，其电子束穿过一个针孔光阑，也由DE4230 047 C1所公开。
由DE 40 26 300 A1所公开的X射线管，正如由DE 40 26 301A1所公开的一种X射线管一样，具有一个低温发射极，在该发射极中，作为发射电子材料采用的是六硼化镧(LaB6)。
本发明的目的在于，对前言所述类型的X射线管，即一种带有低温发射电极的X射线管这样来设计，使得电子发射极并由此使X射线管的寿命提高。
按照本发明，上述目的可通过一种具有一个阳极和一个电子发射极的X射线管来达到，一电子束从该电子发射极发出，并且该电子发射极至少在其发射电子的平面的区域内是由一种发射电子的材料构成，该材料具有比钨更低的电子逸出功，该X射线管还具有一个设在电子发射极和阳极之间的、具有阳极电位的针孔光阑，电子束从该针孔光阑穿过，该电子束撞击在阳极的撞击面上的一个聚焦区内，一有效X射线束从该聚焦区发出。
由于针孔光阑具有阳极电位，在阳极的撞击面和针孔光阑之间的针孔光阑区域内，存在一个零电场区。由于，通过电子撞击阳极而产生的离子仅在零电场区内产生，而仅仅穿过针孔光阑进入在针孔光阑和电子发射极之间的非零电场区的那部分离子能到达电子发射极。这样仅仅是所产生的离子中的较少部分能到达电子发射极，使得电子发射极的寿命可被提高，并由此X射线管的寿命也被提高。
因为光阑孔越小，离子通过针孔光阑到达电子发射极的几率就越小，当电子束以一个与撞击面的法线所成的大于45°的角度撞击在聚焦区内时是有利的。在这种情况下，至少当针孔光阑设在一个至少基本上垂直于电子束的平面内时，对于电子束的各截面而言，便产生一个最小尺寸的光阑孔。另外，当电子束具有一个圆形截面时，对于一个给定的电子束截面面积而言，便产生一个针孔光阑的穿通孔的最小尺寸。
适合用作低温电极的电子发射材料尤其有铱一铈和铱一镧合金，同样适合用作低温电极的材料是六硼化镧。
下面结合附图对本发明的一个实施例进行说明，附图中：
图1为本发明的X射线管纵向截面简图；
图2为图1中X射线管纵向截面的局部放大图；
图3为图1和图2中X射线管的聚焦区的放大透视图；
图4为图3中IV-IV线处截面图。
图1中，1代表X射线管真空罩，该真空罩在所描述的实施例中，通常用金属和陶瓷或玻璃，也可能采用其它材料制成。在真空罩1内，装有一个在一个管状的延伸罩2内的阴极装置3，该阴极装置具有一个被容纳在一个旋转对称的文纳尔电极4内部的电子发射极，该电子发射极作为平面发射极被制成一种圆片形热阴极5的形式，并借助一个陶瓷片6固定在文纳尔电极4上。与热阴极5相对，设有一个用7表示其总体的旋转阳极，它具有一个通过轴8与一个转子9相连的阳极盘10。转子9以图1中未示出的方式被可旋转的支撑在一个与真空罩相连的轴11上。在转子9的区域内，一个定子12被安装在真空罩1的外壁上。该定子同转子9一起作用，用来构成一个驱动旋转阳极的电动机。
在X射线管工作时，一交流电流通过电线13和14传给定子12，使得通过轴11与转子9相连的阳极10旋转。
管电压借助导线15和16被加上。导线15同轴11相连，而轴本身与真空罩1导电性连接，电线16与热阴极5的一接头相连。热阴极5的另一接头与电线17相连，加热电流可通过电线传给热阴极5。在这种场合下，一种呈圆形截面的电子束从热阴极5发射出。在图1中仅示出了电子束ES的中心轴。而在图2和3中也描绘出了它的轮廓，即边界线。
该电子束首先穿过一个聚焦电极19，该聚焦电极通过一个绝缘体21的中间连接而被固定在真空罩1上，然后穿过一个与真空罩1导电连接的，并且因此具有阳极电位的、设在一个至少基本上与电子束ES成直角的平面上的针孔光阑20的光阑孔A。然后撞击在一个阳极盘10的撞击面22上的用BF表示的聚焦区内。X射线束从该聚焦区BF发出。在图1和图2中，用点划线示出的、并用ZS及RS表示其中央光束和边缘光束的有效X射线束，从一个线束出射窗23射出。
热阴极5，即一种所谓的低温发射极，是由一种具有比通常用作阴极材料的钨更低的电子逸出功，并因此具有更低的工作温度的材料制成。热阴极5作为烧结体由铱和铈(Ir-Ce)或铱和镧(Iv-La)或六硼化镧(LaB6)制成。作为低温发射极的材料，几乎所有的由铼或元素周期表中第VIII纵列的金属和钡、钙、镧、钇、钆、铈、钍、铀中的一种元素组成的合金都适用。另外，添加有镧的钨基片或钼基片也适用。其次，镀钍的钨也适用于作低温发射极材料。
按照图1，在热阴极5的一接头和文纳尔电极4之间有文纳尔电压UW存在。另外，按照图1，在热阴极5的一接头和聚焦电极19之间存在一个聚焦电压UF。
为电子束ES而设的聚焦电极19的呈旋转对称的穿通孔的形状、聚焦电压UF和文纳尔电压UW是这样进行选择的，即使得产生一个电子束ES的虚拟焦点或称“交叠点”，该点从热阴极5看过去处在撞击面22的后面，由此产生一种片状电子束ES，即在热阴极5和聚焦区BF之间基本上没有交叉的电子轨道。
为避免撞击面的热载荷超过其允许范围，电子束同撞击面22的法线N成这样一个角度α撞击到聚焦区BF上，即产生一个长条形、确切地说是椭圆形聚焦区(参见图3)，该聚焦区BF的宽度B与电子束的直径D相当(见图4)。在热阴极5、文纳尔电极4、聚焦电极19和针孔光阑20的几何形状给定时及加热电流和管电压给定时，该直径D取决于文纳尔电压UW和聚焦电压UF。
鉴于通常进行的聚焦区测量，角α应这样选择，即当电子束ES直径D为0.1-2.0mm时，聚焦区的长度在1-15mm之间，该给出的直径范围被视为在针孔光阑20之后的电子束ES的直径。
线束射出窗23的位置是这样选择的，即使得有效X射线束的中央光束ZS与聚焦区BF处的撞击面22的法线N之间的夹角β至少基本上等于角α。沿有效X射线束的中央光束方向看过去，聚焦区为一个对高图像质量有利的基本呈圆形的截面。
由于电子束ES具有这种圆形截面，这就首先为在聚焦区BF内的任何方向上都产生一个近似于高斯曲线的X射线辐射的强度分布，创造了先决条件。由于电子束从设在热阴极5和阳极盘10之间，具有阳极电位的针孔光阑20穿过，这确保了电子束ES即便在直接靠近阳极盘10处仍具有其圆形截面。由于针孔光阑20具有与阳极相同的电位，因此在针孔光阑和阳极盘10之间存在一个零电场区，在该区内不再发生由电场引起的电子束ES的截面几何形状的畸变。其结果是，实际上是一种圆形截面的电子束撞击在撞击面22上。据此，一种在聚焦区BF处即使在任何方向都与高斯曲线良好近似的X射线辐射的强度分布得以保证。如果没有针孔光阑存在、尽管采用能产生一种圆形截面电子束的阴极装置3，上述这样一种强度分布也无法保证。因为，撞击到撞击面22上的电子束ES在其截面几何形状上明显偏离圆形截面。
由于电子束ES具有一种片形射线束轮廓，使得聚焦区BF处的X射线辐射的强度分布与理想的高斯曲线的近似性得以进一步改善。
针孔光阑20还保护热阴极5免受离子撞击。因为，在本发明X射线管中，通过电子束ES与阳极盘10撞击而产生的离子存在于零电场区内，只有穿过针孔光阑20而进入在针孔光阑20和热阴极5之间的非零电场区的那部分离子才能到达热阴极5。因此，所产生的离子只有较少部分到达热阴极5，所以在本发明的X射线管中，与没有针孔光阑的X射线管相比，热阴极5的寿命、并由此决定X射线管的寿命被提高。与以往的例如由钨制成的电子发射极相比，用作热阴极5的低温发射极的优点：由于低的工作温度可达到一个高的寿命，直到这时才充分显示出来，因为已经避免了因离子撞击而使热阴极5过早失效。
由于电子束ES以一个与撞击面22的法线N构成的大于45°的角度α撞击在聚焦区BF上，而针孔光阑设在一个与电子束至少基本上垂直的平面内，针孔光阑的光阑孔A的尺寸比为产生同样大小的聚焦区电子束以一个与撞击面22的法线N成一小于45°的尖角撞击到聚焦区时为小，这是有利的，因为离子到达热阴极5的几率随光阑孔A越小而越低。还由于电子束ES具有一个圆形截面，对于给定的电子束ES截面面积和给定的角α而言，针孔光阑20的光阑孔A产生一个最小值。
在一个用来封闭延伸罩2的陶瓷件24的壁段内侧和一个容纳带有热阴极5的文纳尔电极4的陶瓷管25之间，设有两个压电转换器26、27，其中该压电转换器基本上指的是压电晶体。该压电转换器26、27一方面起使阴极装置3和延伸罩2机械连接的作用；另一方面，它的作用在于：出于校准目的，为改变电子射线束ES同撞击面22的法线N之间的夹角α和使撞击面上的聚焦区BF移位而对热阴极5和旋转阳极7进行相对调整。这可通过简单方法而达到，即对热阴极5和旋转阳极7在一个包含电子束ES和法线N的平面内做相对调整。对此，压电转换器26、27应当这样安装，即在与它们毗连的电压变化时，它们主要在法线N方向改变长度。
按照图2，压电转换器26、27同一个控制装置28连通。是开启用X表示的旋钮29a，还是开启用α表示的旋钮29b，要看情况而定，压电转换器26和27将受同向或反向操纵。在受同向操纵时，分别按照操纵方向，电子束沿法线N方向向一方或另一方平移。在反向操纵时，电子束ES同法线N之间的夹角α向一方或另一方变化。
压电转换器26、27由此构成一个调节装置，它使得，在压电转换器26、27的调节范围内，相应地对阴极装置3和旋转阳极7之间的校准进行相对调整，即使聚焦区BF始终处在一个所希望的位置。
当法线N和电子束ES之间夹角很大，如为80°时，这种可校准性特别具有意义，因为，即使很小的错误校准都可导致由于X射线管工作期间发热引起旋转阳极7的轴向移位和发热引起包含热阴极5的阴极装置3倾斜和移位而使电子束ES偏离撞击面22。
由于压电转换器26和27即使在已经抽真空的X射线管中也可由控制装置28来操作，因此任何时候，无论是在因发热引起的旋转阳极移位，还是因发热引起的包含热阴极5的阴极装置3倾斜和/或移位的场合下，可随时对压电转换器26和27进行相应的校正性操作。因为不需要特别地校准，X射线管的装配就可容易地实现，确保了电子束按规定撞击在旋转阳极7的撞击面22上。
在所述的实施例中，为降低成本而采用了压电转换器26和27。也可采用其它电的、机械的、或机电的调节装置。
在所述的实施例中，由压电转换器26和27组成的调节装置由于其较低的质量、即较低的重量而同阴极装置3相配置在一起。这就是说，要实现阴极装置3和旋转阳极7之间所希望的相对运动，仅调节阴极装置3就可以了。不过，原则上也有这种可能，即将调节装置同旋转阳极7配置在一起，由此，所希望的相对运动仅通过旋转阳极7的调节就可实现。另外，也有这种可能性，一个调节装置不但同阴极装置3也同旋转阳极7相配置，则所希望的相对运动通过阴极装置3和旋转阳极7的调节来实现。在所描述的实施例中，调节装置包含多个调节元件，即两个压电转换器26、27。但在某些情况下，调节装置仅包含一个调节元件就足够了。
对于所描述的烧结体形式的热阴极5的结构还存在着其它供选择的可能性。热阴极5由一基体和一在供发射电子的平面区内涂覆在基体上的涂层构成，其中，涂层由这样一种材料组成，它具有比基体材料更低的电子逸出功。用作基体的材料，可供选择的有钨和钼，用作涂层的材料为六硼化镧(LaB6)。
还存在另一种可能性，热阴极5由一基体和一涂层构成，该涂层在发射电子平面以外的区域覆盖基体，并由一种具有比基体材料更高的电子逸出功的材料组成。适合用作基体的材料例如为LaB6，用作涂层的材料为钨和钼。
如果采用一个对离子撞击不敏感的电子发射极，可不用针孔光阑20，而设置一个具有阳极电位的其它电极，由此确保，实际具有圆形截面的电子束ES撞击到撞击面22上。
在上面所述的实施例中，涉及的是一种旋转阳极X射线管。本发明也可在带有固定阳极的X射线管中得到采用。
在所述的实施例中，电子发射极由一个被直接加热的热阴极构成，也可用一种其它电子发射极代替直接加热式热阴极，例如一种间接加热的阴极或一种电子枪例如皮尔斯-电子枪。如果一种直接加热式热阴极被用作电子发射极，它不是必须如同在所述实施例中那样制成平面发射极，相反，也可采用一种尤其是被弯曲成凹面的电子发射极。

Claims (7)

1、一种X射线管，它具有一阳极(10)和一电子发射极(5)，一电子束(ES)从该电子发射极发出，并且该电子发射极至少在其发射电子的平面的区域内由一种发射电子材料组成，该材料具有比钨低的电子逸出功，其特征在于，该X射线管具有一个设在电子发射极(5)和阳极(10)之间的、具有阳极电位的针孔光阑(20)，电子束(ES)穿过该光阑并撞击在阳极(10)的撞击面(22)上的一个聚焦区(BF)内，一有效X射线束从此聚焦区发出。
2、按权利要求1所述的X射线管，其特征在于，电子束以一个与撞击面(22)的法线N成大于45°的角度α撞击在聚焦区(BF)内。
3、按权利要求1或2所述的X射线管，其特征在于，电子束(ES)具有一个至少基本上呈圆形的截面。
4、按权利要求1至3中任一项所述的X射线管，其特征在于，作为发射电子材料的电子发射极(5)含有添加了六硼化镧的钨或钼或镀钍的钨。
5、按权利要求1至3中任一项所述的X射线管，其特征在于，作为发射电子材料的电子发射极(5)含有一种由铼或元素周期表中第VIII纵列的一种金属和由钡、钙、镧、钇、钆、铈、钍、铀中的一种元素组成的合金。
6、按权利要求5所述的X射线管，其特征在于，作为发射电子材料的电子发射极(5)含有一种由铱-铈(Ir/Ce)系、铱-镧(Ir/La)系或铱-铂(Ir/Pt)系合金。
7、按权利要求5所述的X射线管，其特征在于，作为发射电子材料的电子发射极(5)含有六硼化镧(LaB6)。
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