CN1138743A

CN1138743A - X射线管

Info

Publication number: CN1138743A
Application number: CN96104605A
Authority: CN
Inventors: 埃里克·赫尔; 赫尔穆特·库恩; 马赛厄斯·赫尔尼格
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1995-04-07
Filing date: 1996-04-05
Publication date: 1996-12-25
Also published as: DE19513291C2; DE19513291A1; JPH08287855A

Abstract

本发明涉及一种X射线管，它具有一个阳极(7)和一个电子发射极(5)，一电子束(ES)从该电子发射极发射出，该电子束撞击在阳极(7)的撞击面(22)上的聚焦区(BF)内，一有效X射线束从该聚焦区发射出。其中，一具有至少基本上呈圆形截面的电子束(ES)从一个设在电子发射极(5)和阳极(7)之间的、具有阳极电位的针孔光阑(20)穿过。

Description

X射线管

本发明涉及一种X射线管，它具有一阳极和一电子发射极，一至少基本上呈圆形截面的电子束从该电子发射极发出，该电子束从一个设在电子发射极和阳极之间的针孔光阑中穿过并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。

众所周知，如果X射线管聚焦区内的X射线辐射的强度分布与高斯曲线近似的话，这是有利的，因为，这样一种强度分布对于决定图像质量的调制传送功能具有有利的影响(参见A.Gebauer等著的“X射线电视”，Georg Thieme出版社，斯图加特，1974年，第26-33页)。另外，偏离理想的高斯曲线也对阳极的热负荷有不利影响。具有与高斯曲线相近似的强度分布时，理论上可使阳极的最高温度降低约10％(即在同样最高温度下，可使其功率相应提高)。

在传统的具有设计成螺旋形灯丝的电子发射极的X射线管中，对于在阳极上形成的线条形聚焦区而言，仅在聚焦区的长度方向产生一种相当有利的，即梯形的X射线辐射的强度分布。在聚焦区的横向上，与之相反，X射线辐射的强度分布具有一种“隆起”结构，它多数情况下具有两个最大值，有时还具有四个。一种这样的强度分布与理想的高斯曲线偏差甚大。

上述情况也适合于一种由DE 2 855 905 A1所公开的X射线管，在该X射线管中，从一螺旋灯丝发出的电子束从一个为保护真空罩的陶瓷部件而设计成屏蔽电极形式的、设在螺旋灯丝和阳极之间的，具有阳极电位的针孔光阑中穿过。

在一种由DE 34 26 623 A1所公开的X射线管中，从一灯丝发出的电子束也从一个设在螺旋灯丝和阳极之间的，具有阳极电位的针孔光阑穿过。

在由Wo 92/03837 A1所公开的，本文前言所述类型的X射线管中，具有圆形截面的电子束从一个设在电子发射极和阳极之间的针孔光阑中穿过，该针孔光阑因为被设置成聚焦电极的形式，因此，它具有一个与阳极电位所不同的电位。

在由DE-PS 331 837和DE 42 30 047 C1公开的X射线管中，其截面形状没有被说明的一电子束，从一个针孔光阑穿过，该针孔光阑的电位与阳极电位有所不同。

本发明的目的在于，对本文前言所述类型的一种X射线管进行改进，即形成一个具有与高斯曲线相近似的强度分布的聚焦区。

按照本发明，上述目的可通过一种具有一阳极和一电子发射极的X射线管来达到，一种至少截面基本呈圆形的电子束从该电子发射极发出，并从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中穿过，并且撞击到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。

在本发明中，通过应用一种具有圆形截面的电子束，而首先完成了这样一个先决条件，即在聚焦区内，对于任何方向都能产生一个与高斯曲线相近似的X射线辐射的强度分布。其次，通过使具有圆形截面的电子束穿过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，可以确保，电子束即便是在阳极附近仍具有其圆形截面。由于针孔光阑具有与阳极相同的电位，因此，在针孔光阑和阳极之间存在一个零电场区。在针孔光阑和阳极的撞击面之间，因此不会产生因电场引起的电子束截面的几何畸变，其结果是，撞击在阳极的撞击面上的，实际上仍是具有圆形截面的电子束。由此，在本发明所提出的X射线管中，可以确保，在聚焦区内的X射线辐射强度分布即使从任何方向看上去都与理想的高斯曲线具有良好的近似性。如果没有针孔光阑的存在，尽管采用能产生具有圆形截面的电子束的电子发射极，上述形式的强度分布也无法保证，因为，撞击在阳极的撞击面上的电子束在其截面几何形状上会与圆形截面有明显偏差。

为避免撞击面上的热负荷超过其允许极限，电子束以一个与撞击面的法线成一角度地撞击到聚焦区内，该角最好大于45°，并且至少基本上与撞击面法线同有效X射线束的中心线之间的夹角相当。据此，产生一个近似于长条形的聚焦区。从有效X射线束的中心线束方向看；形成一个对高的图面质量有利的，至少基本上呈圆形的聚焦点。鉴于通常所进行的对聚焦区的测量，在针孔光阑之后的电子束应具有0.1-2mm的直径，并以这样一个角度撞击到撞击面上，即使聚焦区具有1-15mm的长度，其宽度与电子束直径相当。

按照本发明的一个特别优先实施形式，电子束通过一个聚焦装置被聚焦到一个焦点上，该焦点到电子发射极的距离大于撞击面到电子发射极的距离。该焦点因此是一个虚拟的焦点，由电子发射极往外看，该焦点处在阳极的撞击面后面。通过这种措施可达到，电子束具有一个片状线束轮廓，这有利于使聚焦区内的X射线辐射的强度分布更进一步相似于理想的高斯曲线。另外，对片状线束轮廓应理解为，电子束在电子发射极和焦点或至少聚焦区之间至少基本上没有交叉电子轨道。

鉴于电子束具有圆形截面，聚焦装置，就其供电子束通过的孔的形状而论，应包含一个至少基本上旋转对称的聚焦电极。

按照本发明的优选实施形式，电子发射极具有一个从聚焦区看至少基本呈圆形的电子发射平面，它被容纳在一个关于将电子发射极容置在其容置开口内的至少基本上旋转对称的文纳尔电极内。可通过一种简单方式，使电子束产生圆形截面。电子发射极做成一个所谓的低温发射极是适宜的。这样的低温发射极是由这样一种材料制成的，它具有比通常所用的钨更低的电子逸出功，并由此在低温下就能够发射出足够多的电子。低温发射极例如作为烧结体可由铱-铈或六硼化镧制成。也存在下面的可能性，这种低温发射极被制成直接或间接加热的带有一个用一种适合的材料、如以铱-镧作涂层的发射平面的发射极。但对于电子发射极并不是必须不可避免地为低温发射极。

下面借助于附图对本发明的实施例作进一步的说明，附图中：

图1为根据本发明的X射线管纵向截面的简图；

图2为图1所示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线处剖面图。

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，或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中表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，定子12被安装在真空罩1的外壁上，该定子与转子9一起作用以构成一个驱动旋转阳极的电动机。

在X射线管工作时，交流电流通过导线13和14传给定子12，因此，借助轴11使与转子9相连的阳极盘10旋转。

管电压借助导线15和16来设定。导线15同轴11相连，而轴自身与真空罩1导电连接，导线16与热阴极5的一个接头相连。热阴极5的另一个接头与导线17相连，加热电流通过导线可传给热阴极5。在这种情况下，一种呈圆形截面的电子束从热阴极5发出。在图1中仅示出了电子束ES的中心轴线，而在图2和3中还描绘出了它的轮廓，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电连接、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，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射线束从聚焦区BF发出。在图1和图2中，用点划线示出的并用ZS和RS表示其中心线束和边线束的有效X射线束，从一个线束出射窗23射出。

热阴极5指的是一种所谓的低温发射极，其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(Ir-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表周期表中第VIII纵列的金属和钡、钙、镧、钇、钆、铈、钍、铀元素组中的一种元素所组成的合金都适用。此外，添加有氧化镧的钨基合金或钼基合金也适用。其次，镀钍的钨也适用于低温发射极材料。

按照图1，在热阴极5的一根接头和文纳尔电极4之间有文纳尔电压U_W存在。另外，按照图1，在热阴极5的一根接头和聚焦电极19之间存在一个聚焦电压U_F。

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U_F和文纳尔电压U_W的选择原则在于，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。

为避免撞击面的热负荷超过其允许范围，电子束ES同撞击面22的法线N成这样一个角度α而撞击到聚焦区BF上，即产生一个长条形，确切地说是椭圆形聚焦区BF(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的几何形状给定及加热电流和管电压给定时，该直径D取决于文纳尔电压U_W和聚焦电压U_F。

鉴于通常进行的聚焦区测量，角α应这样选择，使得当电子束ES直径D为0.1-2.0mm时，聚焦区的长度L在1-15mm之间，给定的直径范围适用于在针孔光阑20之后的电子束ES的直径。

线束射出窗23的位置这样来选择、即使有效X射线束的中心线束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。从有效X射线束的中心线束方向看，存在一个对高图像质量有利的至少基本呈圆形的焦点。

由于电子束ES具有这种圆形截面，这就首先提供了这样一个先决条件，即在聚焦区BF内的任何方向都产生一个近似于高斯曲线的X射线辐射的强度分布。由于电子束从设在热阴极5和阳极盘10之间的针孔光阑20穿过，这确保了电子束ES即便在阳极盘10附近仍具有其圆形截面。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ES撞击在面22上。据此，得以保证即使在聚焦区BF内的任何方向上，X射线辐射的强度分布都与理想的高斯曲线良好近似。如果没有针孔光阑20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就无法保证。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具有一种片状线束轮廓，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，在本发明提出的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而进入到针孔光阑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。这样，所产生的离子只有较少部分到达热阴极5，所以在本发明提出的X射线管中，与没有针孔光阑的X射线管相比，提高了热阴极5的寿命，并由此提高了X射线管的寿命。与传统的电子发射极，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：由于低的工作温度而能够获得高的寿命，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成大于45°的角度α撞击在聚焦区BF内，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20的光阑孔A的尺寸比电子束为产生同样大小的聚焦区以一个与撞击面22的法线N成一小于45°的锐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存在一个最小值。

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，它们基本上就是压电晶体。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。这可通过简单的方法实现，即热阴极5和旋转阳极7能够在一个包含电子束ES和法线N的平面内做相对调整。对此，压电转换器26、27应当如此安装，即在它们的电压变化时，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，压电转换器将受同向或反向操纵。在受同向操纵时，分别按照其操纵方向，电子束沿法线N方向向一方或另一方平移。在反方向操作时，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之间的相互校准进行调整，即使聚焦区BF始终处在一个理想的位置。

当法线N和电子束之间夹角很大时，如为80°时，这种可校准性特别具有意义，因为，即使很小的错误调整都可导致由于X射管工作时发热引起旋转阳极7移位和发热引起包含热阴极5的阴极装置3倾斜和/或移位而使电子束ES偏离撞击面22。

由于压电转换器26和27即使在已经抽成真空的X射线管中也可由控制装置来操作，因此任何时候，无论是在由发热引起的旋转阳极7移位，还是由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。因为不需要特别的校准，X射线管的装配就可容易地实现，确保了电子束按照要求撞击在旋转阳极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，一个调节装置既同阴极装置3也同旋转阳极7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部件，即两个压电转换器26、27。在有些情况下，调节装置仅包含一个调节部件就可以了。

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可能性。热阴极5由一基体和一在用于发射电子的平面内涂覆在基体上的涂层组成，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，例如可供选择的有钨或钼，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，该涂层在电子发射平面以外的区域覆盖在基体上，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或钼。

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。本发明也可应用在带有固定阳极的X射线管中。

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

1、一种X射线管、其具有一个阳极(7)和一个电子发射极(5)，一至少基本上呈圆形截面的电子束从该电子发射极发出，该电子束从一个设在电子发射极(5)和阳极(7)之间的、具有阳极电位的针孔光阑(20)穿过，并撞击在阳极(7)的撞击面(22)上的聚焦区(BF)内，一有效X射线束从该聚焦区发出。

2、按照权利要求1所述的X射线管，其中，电子束(ES)以一个与撞击面(22)的法线(N)所成的角(α)撞击在聚焦区(BF)内，该角至少基本上与撞击面(22)的法线(N)和有效电子束的中心线束(ZS)之间的夹角β相当。

3、按照权利要求2所述的X射线管，它的电子束(ES)具有0.1-2.0mm的直径，并以同撞击面(22)的法线(N)成这样一个角度(α)撞击在聚焦区(BF)内，即使聚焦区(BF)具有1～15mm的长度。

4、按照权利要求1至3中任一项所述的X射线管，其电子束(ES)通过一个聚焦装置(4、19)被聚焦到一个焦点(F)上，该焦点与电子发射极(5)的距离大于撞击面到电子发射极(5)的距离。

5、按照权利要求1至4中任一项所述的X射线管，其聚焦装置(4、19)包含一个至少基本上旋转对称的聚焦电极(19)，电子束(ES)穿过该聚焦电极。

6、按照权利要求1至5中任一项所述的X射线管，其电子发射极(5)具有一个从聚焦区(BF)看至少基本呈圆形的电子发射平面，该平面被容纳在一个至少基本上旋转对称的文纳尔电极(4)内。