CN1933091A - X射线发射器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种X射线发射器，包括下述部件：真空外壳(1)，其可围绕轴线(3)转动；阳极(5)，其发射X射线束(29)；阴极(11)，其在由激光束(19)照射时热离子发射电子；绝缘器，其为真空外壳(1)的一部分，且将阴极(11)和阳极(5)隔开；用于在阳极(5)和阴极(11)之间施加高压的设备，该设备用于在形成电子束(11)的情况下朝向阳极(5)加速所发射的电子；用于使真空外壳(1)围绕其轴线(3)旋转(35)的设备；用于冷却X射线发射器的部件的介质；和用于把来自设置在真空外壳(1)的外面的固定的源(17)的激光束(19)对准和聚焦在阴极(11)上的空间上固定的激光烧灼点(21)的设备(18)。

Description

X射线发射器
技术领域
本发明涉及X射线发射器，其带有一个抽成真空的、围绕转动轴线支撑的外壳，该外壳内设置有阴极和阳极，其中，阴极构造有一个表面，其在激光照射下发射电子，该X射线发射器还具有用于转动该外壳的驱动设备。
背景技术
大功率X射线发射器通常具有一个以可转动方式支撑的阳极，以保证自身在产生大辐射功率X射线束的情况下阳极具有大的热容许负荷。
在DE 87 13 042 U1中说明了一种带有抽成真空的、以可围绕转动轴线转动的方式支撑的外壳的X射线管，在所述外壳内设置阴极和阳极。阴极和阳极与外壳固定连接。X射线管具有用于围绕转动轴线转动外壳的驱动设备。一个相对于外壳固定的偏转系统使从阴极向阳极飞行的电子束偏转，使得它击中阳极上的一个环形撞击面。其中，环形撞击面的轴线相应于穿过阴极的转动轴线。因为阳极与外壳的壁导热连接，所以保证从阳极向外壳的外部表面的高的散热。通过流过外壳的冷却介质，能够实现有效的冷却。
在该装置中，通过阴极的近轴位置和阳极的撞击面的远轴位置存在一个相对较长的电子飞行路径，它在聚焦电子束时产生问题。此外，在弱的X射线束的情况下出现该问题，此时在阴极和阳极之间施加比较小的电压。由于电子的较小的动态能量(取决于空间电荷限制)而出现电子束的高度散焦。因此使用这样的X射线管在一定应用的情况下例如拍摄乳腺X射线照片可能受限。
在US 4821305中说明了一种X射线管，其中无论是阳极还是阴极都在一个真空外壳内轴对称设置，真空外壳作为整体围绕轴转动。因此阴极被以可转动的方式支撑并具有一个由一种在光入射时以光电子方式发射电子(光电子)的材料制成的轴对称表面。该电子发射通过一个空间固定的光束触发，后者从真空外壳外面通过一个透明的窗口向阴极聚焦。
然而这一概念的可移植性由于当今的光电阴极的量子效率和由此需要的光功率而看来有问题。在使用大的光功率时，光电阴极由于它的十分小的耐热性而需要相当大的开销。此外，光电阴极的表面在X射线管中实现的真空条件下要承受氧化过程，这限制了这样的X射线管的耐久性。
在US 5768337中，在设置有光电阴极和阳极的真空外壳中，在光电阴极和阳极之间中间接通光电倍增器，由此，产生X射线束所需要的的光功率较小。带有在中间电极之间多次偏转电子束的较长的电子飞行路径需要很高的开销来聚焦射束。
通过EP 0 147 009 B1公开了一种X射线扫描器，特别是计算机断层摄影术。在此，X射线束由击中阳极的电子束产生。此外，提到通过热离子方式发射的电子产生电子束的可能性，其中，阴极表面由一个光束加热。通过带有由高导热性的材料制成的载体层的阴极的被公开的结构，阴极的表面应该能够快速加热和冷却。然而，在所需要的光功率方面看起来是有问题的。
US 6556651 B1说明了一种用于产生医疗X射线束的系统。此外，总体上提到了为产生X射线束所需要的电子束从一个热离子的、由激光加热的阴极发射的可能性。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种在开始时提到的类型的X射线发射器，例如在医疗放射学中使用的，其中，能够通过比较小的激光功率产生足够的X射线功率，可以实现电子束的简单的可聚焦性，系统的简单和有效的冷却允许迅速的再使用性。
根据本发明的X射线发射器包括下述部件：
真空外壳，其可围绕轴线转动，
阳极，其发射X射线束，
阴极，其在由激光束照射时热离子发射电子，
绝缘器，其为真空外壳的一部分，且将阴极和阳极分隔开，
用于在阳极和阴极之间施加高压的设备，其用于在形成电子束的情况下朝向阳极加速所发射的电子，
用于使真空外壳围绕其轴线旋转的设备，
用于冷却X射线发射器的部件的介质，和
用于把来自设置在真空外壳的外面的固定的源的激光束对准和聚焦在阴极上的空间上固定的激光烧灼点的设备。
通过本发明的X射线发射器实现，能够通过诸如由二极管激光器或者固体激光器产生的激光功率实现足够高的电子流密度。由于也可以把激光烧灼点远离转动轴线地设置，因而能够容易地实现在激光烧灼点和阳极烧灼点之间电子束的缩短的射束路径，使得电子束向阳极烧灼点上的聚焦和/或偏转能够用比较简单的设备实现。
在X射线发射器的一个简单的结构中，阳极和/或阴极是轴对称的。由此以简单的方式实现，在转动X射线发射器期间电子束或者激光束总是击中阳极或者阴极的表面。
在X射线发射器的另一个变体实施方案中，在下面的意义上阳极和/或阴极具有不连续的轴对称，即，阳极或者阴极围绕轴线以一个360°的整数倍的角的转动导致阳极或者阴极相同的图像。通过这种结构保证，在(快速)转动X射线发射器时不产生由于阳极或者阴极引起的失衡。然而特别是能够以分段方式不同地构造阳极或阴极的载体层。例如在阴极或者阳极内作为轮辐设置的高机械强度的材料可以承载具有高发射效率的材料段。一种这样的结构可以以简单的方式制造。
在一个特别有利的结构中，把激光束非对称变形。由此产生非对称激光烧灼点。因为阴极表面转动，所以在激光烧灼点内发生阴极表面的被加热的部分的运动。为达到规定的温度，在尚未加热的阴极表面进入激光烧灼点处的边沿，比在已经加热的阴极表面离开激光烧灼点处的边沿因此需要较大的激光功率。通过非对称变形的激光束，产生非对称的激光烧灼点，具有在其内不同的激光功率。通过变形一方面能够节省激光功率，另一方面能够在阴极的入射和出射点在激光烧灼点内产生近似相等的陡峭的温度上升和下降沿，这将导致在激光烧灼点范围内保持在恒定水平的有效的电子发射。
在另一个有利的结构中，激光束可由光学器件分成至少两个分射束，它们各自形成一个分激光烧灼点。通过从部分烧灼点合成激光烧灼点，能够以简单的方式实现非对称激光烧灼点。此外表明，通过合成的激光烧灼点，在加热和冷却方面，阴极表面的温度可更好地被控制。
在一个特别适宜的结构中，作为激光器使用二极管激光器或者固体激光器。
在本发明的一个优选的实施形态中，激光束的形状可变。由此可以通过改变激光烧灼点的大小来改变电子束的截面形状。改变激光束的强度也是适宜的。由此可以通过耦合的激光功率改变电子流强度。同样在一个有利的结构中可改变激光束的时间结构。通过该结构，激光烧灼点的加热和冷却允许以另外一种简单的方式调节，例如通过使用脉冲形式的激光束。为控制和成形激光束所需要的设备在此可以安装在真空外壳内部或者外部。
在另一个结构中，阴极的表面可以以电、光学和/或感应方式预热。通过预热阴极，需要较小的激光功率来通过激光产生热离子电子发射所需要的温度。通过预热使阴极的温度接近于电子发射的发射温度。因此为导致电子发射需要较小的总的激光功率。使预热期间的温度越接近于热离子电子发射必须达到的温度，则电子发射所需要的激光功率就越小。
在一个优选的结构中，阴极的表面设置在一个载体层上。通过该载体层在导热性、热容量和密度方面的特殊特性，一方面可以从阴极的表面导出热量，另一方面能够优化表面的基础温度的获取，使得用于产生对应于在激光烧灼点内的电子的热离子发射的温度的功率减小或甚至被最小化。
在本发明的一个变体实施方案中，阴极的载体层的导热性比阴极的表面低。由此阻止阴极的过快冷却。
在另一个变体实施方案中载体层的热容量和/或低的密度比阴极的表面低。由此也能够把阴极的温度保持在电子发射的阈值附近。由此阴极保持灵活而且能够快速对激光强度和激光烧灼点的几何形状做出反应。
在本发明的一个优选的结构中，电子束在阴极和阳极之间的区域内可通过一个在电子束的区域内产生磁场的磁铁系统成形和偏转。
按照另一个结构，电子束在阴极和阳极之间可通过静电设备成形。
在X射线发射器的一个特别简单的形式中，真空外壳构造成圆筒形状，且围绕圆柱轴线对称支撑。在真空外壳的这一特殊的形式中，阴极优选构造为圆筒的一个底，阳极构造为一个位置相对的底。
在一种节省材料的实施形式中，阴极设计为圆形环。同样阳极在一个节省材料的构造方式中设计为圆形环。通过这样的构造方式阴极或者阳极也能被设计得特别稳定，因为能够把用特殊的阳极或者阴极材料制成的环植入一种特别稳定的材料中。
在另一个结构中，X射线发射器如此构造，使得激光束穿过载体层击中阴极表面。在该结构中，阴极可以构造为真空外壳的外部表面。
在另一个结构中，真空外壳包括一个对于激光光学透明的窗口，激光穿过该窗口击中阴极表面。
X射线发射器优选以可转动的方式支撑在发射器外壳内，所述外壳由一种冷却介质填充。由此保证整个系统的有效冷却。
在此，真空外壳包括把热量从真空外壳的部件向真空外壳的外部表面传输的导热部件是有利的。由此保证例如位于真空外壳内部的被加热的组件诸如阳极表面的高的导热性。
附图说明
附图中示出了本发明的实施例。图中：
图1表示真空外壳的概略图，
图2表示在激光烧灼点的位置的阴极环的视图，
图3概略表示在激光烧灼点沿图2的线V-V的激光功率的曲线，
图4表示在把电子流密度作为Y轴和把激光烧灼点处的位置作为X轴的坐标系中由此产生的电子发射，和
图5表示通过真空外壳的另一种结构的一部分的局部纵截面。
具体实施方式
图1表示真空外壳1的一个三维视图。真空外壳1在此构造为圆筒，其中圆筒壳由绝缘材料组成，它旋转对称地围绕轴线3支撑。阳极5构成圆筒的一个底。其中，它包括载体层7和环形构造的表面9，从表面9发射X射线束29。在真空外壳(圆筒)的相对的底上设置一个环形的阴极11。它包括作为真空外壳1的外侧面的一部分的载体层13和表面15，表面15表示真空外壳1的内侧。
这里表示的阳极5和阴极11构造为轴对称。但是，把阳极5和阴极11，特别是把它们的载体层7、13构造成使它们仅具有不连续的轴对称，也是有利的。下面将阴极11或者阳极5理解为分段方式的结构，在此阴极11或者阳极5转动一个360°的整数倍，从而导致阴极11或者阳极5的相同的图像。
阴极11的表面15优选由具有低蒸气压力和高熔点的材料组成，例如由通常在X射线阴极中使用的钨组成。在其热容量、导热性和密度方面这样优化载体层13，使得表面15的温度被保持在为电子的热离子发射所需要的温度附近。由此需要激光射束19的较小的功率。在一个可能的结构中，载体层13与表面15由相同的材料组成，在此该材料不是以纯净形式，而是以一种被烧结的空球结构使用。由此载体层13的密度、热容量和导热性与表面15相比减小。由此能够把表面15的温度保持在电子的发射温度附近。
从空间上固定的激光源17向阴极11发射激光束19。通常激光源17构造为二极管激光器或者固体激光器。激光束19在此通过载体层13穿过激光烧灼点21击中阴极11的表面15。激光束19由光学器件18改变其形状、强度和/或时间结构。在此也可以把激光束分开为分激光束。每一分激光束在这种情况下产生一个分激光烧灼点，由它们组成激光烧灼点21。
当激光烧灼点，如在这种情况，从真空外壳1的外部穿过载体层13击中阴极11的表面15时，在真空外壳1的外部设置改变激光束19的特性的光学器件18。如在后面图5中所示，如果激光束通过一个光学透明的窗口63入射到真空外壳1的内部，则光学器件18也可以位于真空外壳1的内部。
从激光烧灼点21选出形式为电子云的电子，并通过在阴极11和阳极5之间施加的高压以电子束23方式射向阳极5。在此电子束23在一个空间上固定的烧灼点25处击中阳极5的表面9。通过真空外壳1的转动将所产生的热量沿在阳极5的表面9上设置的烧灼环27分布。通过阳极5的载体层7把产生的热量向真空外壳1的外侧导出。
从烧灼点25选出X射线束29，在此，X射线束29从其中选出的真空外壳1的位置的材料对于X射线束29是透明的。在真空外壳1的外部设置一个磁铁系统31，使得电子束23可成形和偏转。另外可选择的方案是，代替磁铁系统31也可以安装静电装置，例如电容器，借助于静电装置可使电子束成形和偏转。通过驱动轴33与真空外壳1连接的电动机35围绕轴线3转动真空外壳1。驱动轴33的纵轴线在此与真空外壳1的纵轴线相重合。在驱动轴33内设置用于在阳极5和阴极11之间施加高压的设备。
图2表示环形构成带有激光烧灼点21的阴极11的表面15的一段的视图。阴极11的转动方向51由箭头表示。在空间上固定的激光烧灼点21的左边沿53，阴极11的转动着的表面15进入。在这一位置阴极11的表面15被冷却。在激光烧灼点内，阴极11的转动着的表面15变热。在右边沿55，变热的阴极11的表面15再次从激光烧灼点21离开。
图3表示非对称成形的激光烧灼点21沿线V-V的激光功率的曲线。X轴以毫米表示激光烧灼点21沿线V-V的位置，Y轴以W/cm2表示激光功率。在左边沿53激光功率明显较高，在移动中降低；在右边沿55激光功率最小。在激光烧灼点21中降低的激光功率恰当地考虑到被冷却的阴极11的表面15进入激光烧灼点21。因此那里需要高的激光功率，以便和在右边沿55一样达到希望的温度，在那里已被加热的阴极11的表面15从激光烧灼点21再次离开。
在此，激光烧灼点21中的不对称功率由光学器件18产生，它从激光源17这样形成激光束19，使得激光功率在横截面上不对称。通过该方法节省了总的激光功率，因为在激光烧灼点的激光功率与达到所需要发射温度需要的功率相匹配。
图4表示在非对称成形的激光烧灼点21中沿线V-V的电子发射，取自一次模型模拟。X轴以毫米表示在激光烧灼点21中沿线V-V的位置，Y轴以A/cm表示电子发射。尽管在发射曲线中有一些波动，但是表示出在整个激光烧灼点21区域相当程度的恒定的电子发射，其在激光烧灼点21之外急剧降低。
图5表示真空外壳1的另一种圆筒形构造的纵截面。阴极11由表面15和载体层13组成，并整个位于真空外壳1的内部。激光束19穿过一个位于真空外壳1的位置相对的底上的光学透明的窗口63落在阴极11的表面15上。为使该透明窗口在使用X射线的过程中不过分失去透明性，可以在每次用在操作X射线发射器的期间产生蒸气的材料撞击之前用保护板保护。
在此阴极11的表面15可通过电气设备61加热。由此提高阴极11的表面15的基础温度，使得需要较小的功率达到相应的发射温度。但是表面15也可以用光学方式例如通过另一个激光束或者感应方式例如通过另外的磁场预热。对于阴极11的光学预热也可以通过将激光束以低于电子发射所需要的功率驱动而使用激光束19。
电子束23击中位于载体层7上的阳极5的表面9，载体层7把热量从阳极的表面9向真空外壳的外侧传输。从阳极的表面9穿过真空外壳的一个对于X射线透明的窗口65射出X射线。整个真空外壳1由射线源外壳67包围，其用冷却介质29填充，以便保证有效冷却整个系统。

Claims (22)

1.X射线发射器，包括下述部件：
真空外壳(1)，其可围绕轴线(3)转动，
阳极(5)，其发射X射线束(29)，
阴极(11)，其在由激光束(19)照射时热离子发射电子，
绝缘器，其为真空外壳(1)的一部分，且将阴极(11)和阳极(5)分隔开，
用于在阳极(5)和阴极(11)之间施加高压的设备，为在形成电子束(23)的情况下朝向阳极(5)加速发射的电子，
用于使真空外壳(1)围绕其轴线(3)旋转(35)的设备，
用于冷却X射线发射器的部件的介质，和
用于把设置在真空外壳(1)的外面的固定的源(17)的激光束(19)对准和聚焦在阴极(11)上的空间上固定的激光烧灼点(21)的设备(18)。
2.根据权利要求1的X射线发射器，其特征在于，
阳极(5)和/或阴极(11)是轴对称的。
3.根据权利要求1的X射线发射器，其特征在于，
阳极(5)和/或阴极(11)在下面的意义上具有不连续轴对称性，即阳极(5)或阴极(11)围绕轴线(3)以一个360°的整数倍的转动导致阳极(5)或阴极(11)的相同的图像。
4.根据权利要求1到3中至少一项的X射线发射器，其特征在于，
击中阴极(11)的激光束(19)可以非对称地成形，并由此可产生非对称的激光烧灼点(21)。
5.根据权利要求1至4中至少一项的X射线发射器，其特征在于，
激光束(19)可由光学器件(18)分为至少两个分射束，其每个形成一个分激光烧灼点。
6.根据权利要求1至5中至少一项的X射线发射器，其特征在于，
激光束(19)可由二极管激光器或者固体激光器产生。
7.根据权利要求1至6中至少一项的X射线发射器，其特征在于，
激光束(19)其形状、强度和/或时间结构可改变。
8.根据权利要求1至7中至少一项的X射线发射器，其特征在于，
阴极(11)的表面(15)可通过电、光学和/或感应方式加热。
9.根据权利要求1至8中至少一项的X射线发射器，其特征在于，
阴极(11)的表面(15)设置在载体层(13)上。
10.根据权利要求9的X射线发射器，其特征在于，
阴极(11)的表面(15)设置在载体层(13)上，其导热性比阴极(11)的表面(15)低。
11.根据权利要求9的X射线发射器，其特征在于，
阴极(11)的表面(15)设置在载体层(13)上，其热容量比阴极(11)的表面(15)低。
12.根据权利要求9的X射线发射器，其特征在于，
阴极(11)的表面(15)设置在载体层(13)上，其密度比阴极(11)的表面(15)低。
13.根据权利要求1至12中至少一项的X射线发射器，其特征在于，
电子束(23)在阴极(11)和阳极(5)之间可通过在电子束(23)的区域内产生磁场的磁铁系统(31)成形和偏转。
14.根据权利要求1至13中至少一项的X射线发射器，其特征在于，
电子束(23)在阴极(11)和阳极(5)之间可通过静电设备成形和偏转。
15.根据权利要求1至14中至少一项的X射线发射器，其特征在于，
真空外壳(1)构造为被围绕真空外壳(1)的轴线(3)对称支撑的圆筒。
16.根据权利要求15的X射线发射器，其特征在于，
阴极(11)是圆筒的一个底，阳极(5)是圆筒的一个位置相对的底。
17.根据权利要求1至16中至少一项的X射线发射器，其特征在于，
阴极(11)构造为圆形环。
18.根据权利要求1至17中至少一项的X射线发射器，其特征在于，
阳极(5)构造为圆形环。
19.根据权利要求9至18中至少一项的X射线发射器，其特征在于，
如此设置阴极(11)，使得激光束(19)穿过阴极(11)的载体层(13)击中阴极(11)的表面(15)。
20.根据权利要求1至18中至少一项的X射线发射器，其特征在于，
真空外壳(1)包括一个光学透明的窗口(63)，激光束(19)穿过该窗口击中阴极(11)的表面(15)。
21.根据权利要求1至20中至少一项的X射线发射器，其特征在于，
真空外壳(1)以可转动的方式支撑在X射线发射器的外壳(67)内，该真空外壳用冷却介质(69)填充。
22.根据权利要求1至21中至少一项的X射线发射器，其特征在于，
真空外壳(1)包括导热部件，其把热量从真空外壳(1)的部件向真空外壳(1)的外部表面传输。
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