CN1674204A - 一种x射线管 - Google Patents

Abstract

一种由对机械结构进行调控的脉冲式X射线管，它由装于管壳内的阳极、阴极、阴极外的转盘式脉冲门或快门式脉冲门及管壳等组成。在转盘式脉冲门结构中，脉冲门由脉冲门转盘、脉冲门转盘上附加的可旋动的扇形脉冲门及其阻尼板、脉冲门转盘上的电动机转子及相应的壳外的电动机定子等组成，脉冲门转盘受电动机控制而绕心旋转，脉冲门转盘上有一开口，其开口位于阳极与阴极之间。开口位于其间时有电流通过，否则将被阻断，从而实现X射线的脉冲周期，电动机的转速决定X射线脉冲的频率，脉冲门的开口决定X射线脉冲的宽度或占空比。在脉冲占空比可调节的X射线管结构中，其扇形脉冲门的开口由管壳外的阻尼电磁铁来调控。

Description

一种X射线管

技术范围：

本发明属于一种X射线管特别是一种用对机械结构来调控X射线管电流，以实现脉冲X射线的脉冲式X射线管

技术背景：

X射线技术无论是应用在工业分析、探伤和医学的治疗诊断，其整机电源都需要很高的电压(10KV～450KV)和很大的电动率(5KW～50KW)。并且为求射线感光的时间缩短和减小探测周期，常采用提高阳极电压的方式来增强射线强度。但它有很多副作用，如造成X射线管成本提高、高压供电系统的防护、绝缘、容量的等级提升、结构复杂、造价增加，等等。

近来由于探测器性能的改进和提高、时间和速度的增强，进而使射线接收的功能效率提高，加之数字电路及智能化技术应用，使得对射线参数接收的速率大大提高。故对射线源的放射时间已可在10^-1～10^-5秒内满足测试或接收的要求。即X射线源只要有10^-1～10^-5的X射线的“脉冲宽度”，就能满足要求。这样，若应用脉冲式射线技术，会很明显地带来两个好处：使瞬间X射线强度加大，有时会有同电耗情况连续性射线的几倍，十几倍；以及电耗的大幅降低，有时为同射线强度中连续供电的1/3甚至1/10以下。所以人们一直在探求并力图完善脉冲X射线技术及其应用。但既往的技术有如下缺欠：

首先由于X射线源电压特高，其电流性质又有阴极的热电子放射的特点，所以，为要形成X射线的脉冲形式，而采用开关周期切断阳极高压或者是切断阴极加热电源的方法都行不通。所以，在上个世纪50年代起已有类似于电子三极管中应用栅极即控制极的技术，以控制或调节通至阳极的电子数量，来调节X射线强度，并且沿用至今。这种方式甚至还可认为已是非常成熟。常见型式如图1所示，A为电子三极管式X射线管阳极靶、K为电子三极管式X射线管的阴极、G为电子三极管式X射线管栅极。此种结构的缺欠是：首先为了对阴极电子实现“截流”，在控制极上要加很高的负电压V_G，以抵消阳极的超高压正电场对阴极电子的作用，比如至少要有阳极电压的1/10～1/3。一般地说要有2KV～50KV；其次，X射线管的高压供电，习惯上是阳极接地为“0”。或中点接地为“0”，这就是说控制电压V_G，相对于阳极供电电源至少位于阳极电压的一半的电位上，而这个V_G的调控，必须在操作台上控制或去实施“人机对话”，所以必须要有一个高压绝缘的变压器，而不管它是用高频还是工频。这是高压隔离问题。

其次是X射线的脉冲宽度的控制，即脉冲占空比的控制以及频率的控制，等等。这些参数控制都必须经过同样安全隔离后的数字模拟转换才能实现，因此很容易理解它的结构的复杂性和成本的提高程度。

第三，是设备与器件的兼容性差。

在该型X射线管中，阳极与阴极之间加一个栅极，所以各极之间都必须有一个相应的距离，以保证各极间的耐压。这必然导致管体变形，所以对既往整机就不能很容易兼容配用。

第四是附加电源消耗。

发明的内容

为了克服上述的电场调控的脉冲式X射线管的这些缺欠，本发明提出了一种基本上用对机械结构运作来调控阴极电子束，进而实现脉冲式X射线的机械调控的脉冲式X射线管。

本发明主要由阳极、阴极、脉冲门和管壳四部分组成。其阳极、阴极和管壳结构及类型完全相同于既往的X射线管的同种部件结构，脉冲门的作用与三极管式X射线管中控制极的作用相同，但脉冲门对电子束的调控作用不是完全靠负电位的高压，而是靠一个与阴极基本同电位的机械门的完全封闭或完全开放，来实现对X射管电流的截流与通流，即实现了X射线的脉冲形成。

一种简单的结构是在阳极、阴极之间设有一个转盘，在转盘处于阳极、阴极相对位置上设有一个小的开口，当此开口处于阳极、阴极之间时，有电流通过，其它位置则因封锁而截流。这样，转盘的旋转造成电流的通断周期，即产生X射线的脉冲周期，开口占圆周中角度比例即为X射线的脉冲占空比。

脉冲门从结构上约有三种，转盘式固定开角的结构，转盘式可调节开角的结构，快门式开闭门结构。除固定开角的结构外，其它方式的开角大小，时间长短，均由管壳外部的电磁部件调控，都属低电压操作。

此种结构具有如下优点：

第一，它不需要有附加的原来用于控制栅极的调控电源。从而减化了供电系统的结构。

第二，所有的控制部件，包括对脉冲射线宽度、脉冲射线频率等功能的调控都是低压运作，所以不需要高压隔离、电参数变换、变换后参数的高压/低压传输等等，所以能大幅度简化结构，降低成本，提高可靠性。

第三，由于本发明设计的管型结构特点，它很相近于既往的管型结构，因此在整机结构的吻合上，或者说在部件的兼容性上，很容易协调、配用。

第四，它可配装多个阴极或多个阴极、阳极的组对，从而很容易实现使用寿命的几倍提高，或者是用于产生多个输出点的X射线，从而能同时进行多点、多位或多种对象的检测、分析或动态显像，如口岸多道检查等。

附图说明

图1由电场调控的电子三极管式脉冲X射线管的电原理图。

图2一种固定阳极的机械调控脉冲式X射线管示意图

图3脉冲门转盘结构图

图4多个阳极的阴极组对的脉冲式X射线管结构图

图5应用旋转阳极的脉冲式X射线管结构图

图6附有能调控脉冲宽度的脉冲式X射管可控脉冲门的总体结构图

图7可关闭的单页左脉冲门的实体图

图8用快门控制的脉冲门、控制部件、阴极部件的局部结构图

图中：A电子三极管式X射线管阳极靶，K电子三极管式X射线管的阴极，G电子三极管式X射线管栅极，10固定阳极靶面，11固定阳极芯柱，12固定阳极X射线出口，20阴极，21阴极罩，22阴极引线，23阴极紧固套，24阴极芯柱，30脉冲门转盘的电动机定子，31脉冲门转盘的电动机转子，32脉冲门转盘，33脉冲门开口，40脉冲门转盘轴孔，41脉冲门转盘轴杆，42轴承，43定位螺管，44定位螺钉，45定位螺帽，46轴承定位套，50管壳，60阻尼磁极，61阻尼磁极定子，62磁极绕组，71左脉冲门，72右脉冲门，73左脉冲门阻尼板，74右脉冲门阻尼板，75定位桩，76门轴，77门轴套，78左限位桩，79右限位桩，80电触发快门磁极，81电触发快门绕组，82快门拉杆，83机械快门，84快门拉杆弹簧，85快门拉杆轴，86快门拉杆支架，87机械快门紧固套，110旋转阳极，111旋转阳极芯柱，130旋转阳极的电动机定子，131旋转阳极的电动机转子，141旋转阳极轴杆，142旋转阳极轴承，710拉簧。

具体实施方式

下面，先通过对一种最简单的结构类型的分析，来阐明机械调控型脉冲式X射线管的结构与工作原理。

实施例之一：固定脉冲占空比的X射线管。

通常的固定阳极式的X射线管，其阳极与阴极是在外壳中央的轴心相对。本发明的机械调控的脉冲X射线管的阴极与阳极是在偏离整体轴心的外侧，轴向性同位相对，如图2所示。带有阴极罩21的阴极20通过阴极紧固套23固定在中心位置的阴极芯柱24上，阴极20外面罩有一个脉冲门转盘32，此转盘中心有一个轴杆41通过轴承42和通过阴极紧固套23稳固在阴极芯柱24上，脉冲门转盘32与一个管形的脉冲门转盘的电动机转子31连为一体。与此电动机转子3 1相对的管壳50外相应位置装有脉冲门转盘的电动机定子30，这一组电动机的转子、定子，其作用原理与结构方式，完全相同于既往旋转阳极驱动用的电动机组合。电动机的启动将带动脉冲门转盘32的旋转。

脉冲门转盘32的结构如图3所示，在阳极10与阴极20相对的位置有一个扇形开口33，它是电子流的唯一特定通道口。从电位上说由于与阴极罩21、阴极芯柱24连为一体，故与阴极20同电位。

脉冲式X射线的形成如下：当阴极20通电发射电子，并且在阳极芯柱11加有高电压时，如果脉冲门开口33恰处于阴极20的位置，因其开口较大，且与阴极同电位，故电子流无碍通过。当电动机启动后，脉冲门转盘32转动，一旦脉冲门开口33旋动移位，越过阴极罩21，则电子通路阻断、阳极电流消失，即X射线消失。随脉冲门转盘32的旋转，必出现阳极电流的通断周期，从而产生了X射线的脉冲周期。

由于脉冲转盘电动机转子31的转速即为X射线脉冲的频率，所以调控电动机转速可调控X射线脉冲的频率。X射线的占空比，即在一周期内X射线脉冲的宽度，是由开口33占角大小决定的，因此，不同开角有不同脉宽。

X射线的脉冲频率也可由脉冲门转盘上门的开口数量，来预先设定，如可开有2个或3个开口等等。每增一个开口，脉冲频率增加一倍，门的开口分布决定脉冲宽度与占空比例。当均匀分布且相同开口时，将会有完全相同的脉冲宽度与周期。

阳极10与阴极20组对的数量，可以不只一对，比如二个对称组装的组对的结构，能带来新的功能：它可有相对的两个方向的脉冲射线。其结构如图4所示。

此外还可更多位组装，它可产生同步的多脉冲源，这在多点检测和多点分析的同步应用及提高速度上有重要意义。此外，若各个阴极不同时使用，将会相当于“多管一体式”组装，当然具有多管寿命，或具多倍地提高使用寿命的功效。

阳极的结构模式还可以是非固定式或旋转式。其结构型式如图5所示。它适用于瞬间功率较大的射线应用范围。在旋转阳极的结构中，其阳极组件部分完全相同于既往的旋转阳极的结构：旋转阳极110连同旋转阳极电动机转子131通过旋转阳极轴杆141由轴承42配装在旋转阳极芯柱111上，在外壳50外部的相应位置装有旋转阳极电动机定子130，当电动机启动时，旋转阳极110旋动。

在多射线点应用或提高寿命的应用上，只需相应增加阴极数量即可。脉冲门转盘的开口应有相应吻合，比如在单点射线输出的情况下，并只求提高使用寿命时，开口只要一个，在要求有多点输出且必须同步时，开口数量可予相应增加。当然，要求多点输出但不同步输出时，可只要一个开口即可。

实施例之二：脉冲占空比可调节的X射线管

一个完全的能调节X射线脉冲宽度的X射线管如图6所示。它与固定占空比，即固定脉冲门开口的X射线管(如图2，图3)相比，其主要区别在于在脉冲门开口处增设了两扇可开闭的门及开闭这两扇门的阻尼用的环周电磁铁。

现将结构细述如下：

脉冲门71、72是对开式称左脉冲门71、右脉冲门72。在脉冲门转盘32的中心位置设有门轴76，左脉冲门71、右脉冲门72的常态位置是完全履盖在脉冲门开口33处，且脉冲门的门缝处在开口33的中分处，在开口的外沿中点设有一个初始位的定位桩75，用以限定脉冲门的动作区间只是在定位桩的一侧往返。比如右脉冲门72只能向右侧打开及返回闭合，而不能向左移位。双侧门的外周边缘，即靠近管壳处，各有一个径向弧形板，其材质构成及其形状，均完全相同于脉冲门转盘32上装置的脉冲门转盘的电动机转子31，或者说应用了该转子的一部分。这个弧形部分称为左脉冲门阻尼板73和右脉冲门阻尼板74。其结构如图7所示。

在左脉冲门阻尼板73和右脉冲门阻尼板74的管壳外部的相对位置，有全周分布的多组阻尼磁极60，它是电磁铁。常态无磁，由外界电流通过绕在磁极上的磁极绕组62来激磁并调控磁场的大小。

其工作过程如下：在静止形态，左脉冲门71、右脉冲门72两扇门叶，由中间的弹簧710拉拢，中间无缝隙，并且尽管在脉冲门转盘32旋动起来，也由于初始位的定位桩75的存在而仍然处于闭合状态，从而遮断阴极的电子流。但当阻尼磁极60有磁力时，左脉冲门阻尼板73、右脉冲门阻尼板74因在在该磁场中运转，自身产生涡流，形成反作用力而造成转动迟滞，产生反方向拉力，并且是：脉冲门转盘32向左旋转时，两脉冲门同时受力且相同而向右拉，但左脉冲门因定位桩75的作用而位置不变，只右脉冲门72向右开，从而由右脉冲门72的敞开而提供电子束流的可行通道。反之是左脉冲门71打开，运作相同。

左脉冲门71，右脉冲门72打开的大小与磁极60的场强成正比，所以改变阻尼磁极的绕组62的电流，即实现对X射线脉冲的宽度的调控。

实施例之三：任意脉冲宽度及周期的X射线管

另一种调节脉冲宽度的方式是利用快门的结构，这里的快门是完全相同于普通照像机上配用的各类机械式快门，它被配罩在阴极上。配用在脉冲式X射线管后的局部结构如图8所示，其工作过程如下：在管壳50外面有一电触发快门磁极80，当绕于其上的电触发快门绕组81上通有电流时，使电触发快门磁极80产生的磁力拉动管壳50内的快门拉杆82，从而触发开启机械快门83，使其张开闭合一次，使机械快门83对阴极20的电子流完成一次通断动作。

脉冲射线的宽度或占空比由快门的开启时间及其二次开启的间隔来决定，此种结构的好处是时间参数调节的自由度比较大，但不宜于高频应用和长时间使用。

快门材料应是金属，以保证与阴极的“零”电位的电场效应。

Claims (6)

1、一种X射线管，特别是一种由对机械结构进行调节控制而产生脉冲式X射线的X射线管，其特征在于：其结构是由阳极、阴极、阴极外部罩有的转盘式脉冲门或快门式脉冲门、管壳等组成。

2、根据权利要求1所述的X射线管，其特征在于：在转盘式脉冲门结构中，其脉冲门转盘上有一个扇形开口，开口即为电子束或称X射线管电流的通道，其开口角度大小与全周的比，即为X射线的脉冲占空比。该脉冲门转盘有一中心轴，外沿有一电动机转子，在该转子对应位置的管壳外有一电动机定子，二者组成常见的交流电动机。电动机的运转使转子带动脉冲门转盘转动，使电子束或称X射线管电流能周期通断，X射线的周期通断，形成X射线脉冲。用调节电动机转速来实现脉冲X射线的频率变化。

3、根据权利要求1、权利要求2所述的X射线管，其特征在于：脉冲门转盘除固定开口型式外，还可在开口处附加可旋动的二叶扇形门，被称为左、右门，该门同轴于脉冲门转盘。左、右门由其间的拉簧保持常态时的闭合。该左、右门外沿各有一个弧形阻尼板，弧形阻尼板相对应的管壳外有全周分布的阻尼用电磁铁。当脉冲门转盘带动左、右门在这个阻尼电磁铁中转动时，因磁场作用，使二叶门开隙，出现电子束或称X射线管电流通道，该通道占全周比例的大小即为X射线脉冲宽度，因此它是用改变阻尼电磁铁的场强来改变X射线占空比或宽度的。

4、根据权利要求1所述的X射线管，其特征在于：在快门式脉冲门结构中，是应用了普通照相机上的机械快门，罩装在阴极上，它由管壳外的电磁铁通断时间来触发快门开闭改变电子束电流通断长短来调控X射线的脉冲宽度的。

5、根据权利要求1所述的X射线管，其特征在于，它的阳极可以是固定式的，也可以旋转式的。旋转式的阳极的结构型式，旋转启动的运作方式，完全相同于现在已有的各种旋转式阳极X射线管如Varian、Duanle等产品。

6、根据权利要求1所述的X射线管，其特征在于，在固定阳极结构中，其阴极、阳极的组对数量可以是一组也可以是多组的，该类型中的脉冲门转盘开口及左右门，可以是单孔开口及单组门，也可是多开口及多组门。在旋转式阳极结构中，其阴极可以是一组即多焦点式，也可以是多组的。其脉冲门转盘开口及左、右门可以是单孔开口及单组门，也可是多开口及多组门。

Images