CN208903967U - 一种磁扫描式的x射线管 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种磁扫描式的X射线管，属于X射线技术领域。所述磁扫描式的X射线管包括阴极组件、磁聚焦偏转组件和阳极组件。阴极组件产生电子束并对电子束预聚焦，电子束在磁聚焦偏转组件的作用下，产生偏转并聚焦，最终撞击在阳极组件中的靶盘上。磁聚焦偏转组件使电子束在垂直和水平方向上进行不同程度偏转，撞击在靶盘上的不同位置并产生X射线，实现了多焦点面阵X射线源。电子束在整个靶盘进行扫描，将热量均匀散布到整个靶盘，避免局部温度过高。通过扫描的方式代替了阳极轴承，提高了寿命并降低了噪音。在靶盘所在管壳外侧采取冷却液直接接触冷却，相比辐射传热效果更好，散热效率更高。

Description

一种磁扫描式的X射线管

技术领域

本实用新型涉及X射线技术领域，特别涉及一种磁扫描式的X射线管。

背景技术

X射线管用以产生X射线，在医学诊断、安全检查和无损探伤等领域发挥着重要的作用。X射线管的基本原理是，其阴极灯丝加热激发出来的热电子，在阴阳极加速电场作用下撞击到靶盘。其中1％的能量转化为X射线，而剩余约99％的能量转化为热能，导致受撞击部位温升很快。固定阳极X射线管中，电子持续撞击在同一位置，局部温升很快，可连续加载功率很低；旋转阳极X射线管采取阳极轴承带动阳极靶盘在真空管壳内高速旋转的方法，将热量分散到整个靶盘。在高真空条件下，靶盘上的热量主要是通过热辐射传递给真空管壳，再由流经管壳的冷却液将热量带走。旋转阳极X射线管，因其相对固定阳极X射线管可连续加载功率提升很多。然而旋转阳极X射线管在工作中受限于其有限的热辐射传递效率，一方面在大功率长时间加载时，易造成靶盘或阳极轴承处滚珠过热，引发管芯打火或轴承卡死的现象，从而影响其寿命；另一方面导致两次放线之间需要大量的等待时间，影响了其所在整机系统的工作效率。

传统X射线管的射线源位置固定或者变化不明显，在对物体进行辐射影像时，X射线透过待测物体后，部分射线因发生康普顿效应而产生偏转，产生散射辐射，这部分散射辐射会叠加到X射线图像，降低了图像的对比度和清晰度；传统X射线管辐射成像时，其视野角边缘处有效光学焦点尺寸增大，易造成空间分辨率降低；另外，以CT(ComputedTomography，X 射线计算机断层摄影)系统应用为例，随着Z方向(即扫描床行进方向) 锥心束角增大，锥心束伪差愈加明显。锥心束伪差的本质原因是采样不足。 CT图像重建是基于被测物体衰减系数的线积分。如图1所示，假设两个不同物体，一个是衰减系系数均匀的物体，另一个是剧烈变化但平均衰减系数与第一个物体相同。对于基于传统单射线源X射线管的锥心束CT系统，两者投影数据相同，从而导致了锥心束伪差。

现在采用碳纳米管或热阴极作为粒子发射源，对其做阵列排布，通过控制阴极和栅极间的电压差，使得粒子发射源按顺序发射，并撞击到靶盘的相应位置，可以实现分布式X射线源。但是，这种分布式X射线源需要多个阴极和栅极，制造工艺复杂，生产成本高，且一般局限于线阵排布而难以实现面阵排布；另外，碳纳米管存在发射不稳定和寿命短的缺陷，而储备式阴极或者钨丝等热阴极存在热管理困难的缺点。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种磁扫描式的X射线管，以解决背景技术中出现的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种磁扫描式的X射线管，包括：

阴极组件，用于产生电子束并对电子束预聚焦；

磁聚焦偏转组件，使电子束发生偏转并聚焦；

阳极组件，用于接收电子束并产生X射线。

可选的，所述磁聚焦偏转组件包括磁四极透镜组和偏转线圈组。

可选的，所述磁聚焦偏转组件还包括磁屏蔽罩，设置在所述磁四极透镜组和偏转线圈组之间。

可选的，所述磁四极透镜组包括两个磁四极透镜，每个磁四极透镜由磁芯及四个缠绕在磁芯上的线圈组成，且其中一个磁四极透镜相对于另一个旋转90°。

可选的，所述偏转线圈组包括垂直偏转线圈和水平偏转线圈；所述水平偏转线圈采用磁通串联式线圈，所述垂直偏转线圈采用内磁环磁通并联式，套在所述水平偏转线圈的外面。

可选的，所述阴极组件包括电子发射源、聚焦极和绝缘陶瓷；其中所述电子发射源位于所述聚焦极中，并且所述电子发射源的引脚通过所述绝缘陶瓷接出。

可选的，所述电子发射源是由钨平板通过蚀刻或冲压工艺形成。

可选的，所述阳极组件包括加速阳极、窗口、靶盘和管壳；所述阴极组件设置在所述加速阳极中，并且两者之间通过绝缘陶瓷进行密封绝缘。

可选的，所述管壳处接地，并采取水基冷却液进行冷却。

可选的，所述水基冷却液的成份包括乙二醇、去离子水、防腐剂和防锈剂。

在本实用新型中提供了一种磁扫描式的X射线管，包括阴极组件、磁聚焦偏转组件和阳极组件。阴极组件用于产生电子束并对电子束预聚焦，电子束在磁聚焦偏转组件的作用下，产生偏转并聚焦，最终撞击在阳极组件中的靶盘上。磁聚焦偏转组件同时采用垂直偏转线圈和水平偏转线圈，使得电子束可以在垂直和水平方向上进行不同程度偏转，从而撞击在靶盘上的不同位置并产生X射线，实现了多焦点面阵X射线源。相对阵列阴极方案的分布式X射线管，本实用新型避免了多阴极多栅极的复杂结构，制造工艺简单且生产成本低，并且相比碳纳米管分布式阴极寿命更长，相比热阴极分布式阴极热管理更加简单。本实用新型中，电子束在整个靶盘进行扫描，将热量均匀散布到整个靶盘，避免局部温度过高。通过扫描的方式代替了阳极轴承，相对于传统旋转阳极X射线管提高了寿命，并且降低了噪音。在靶盘所在管壳外侧采取冷却液直接接触冷却，相比传统旋转X 射线管的辐射传热效果更好，散热效率更高。本实用新型可以应用于工业 CT，无损检测等工业技术应用，也可应用于DR(Digital Radiography，直接数字化X射线摄影系统)，医疗CT等医学应用。在医疗CT方面，本实用新型的阳极组件结构紧凑，方便排列成阵，可方便应用到静态CT，IGCT(Inverse Geometry CT)等系统。

附图说明

图1是传统基于单射线源X射线管的锥心束CT系统对物体投影的示意图；

图2(a)和图2(b)是本实用新型实施例一提供的磁扫描式的X射线管的结构示意图；

图3是本实用新型实施例一提供的磁四极透镜的结构示意图；

图4和图5是垂直偏转线圈和水平偏转线圈上不同电流流向的示意图；

图6和图7是本实用新型实施例二提供的磁四极透镜的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型提出的一种磁扫描式的X射线管作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本实用新型的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。

实施例一

本实用新型提供了一种磁扫描式的X射线管，其结构如图2(a)和图2(b)所示。所述磁扫描式的X射线管包括阴极组件、磁聚焦偏转组件和阳极组件。所述阴极组件用于产生电子束并对电子束预聚焦；电子束进入漂移通道后在所述磁聚焦偏转组件的作用下，产生偏转并聚焦，最终撞击在所述阳极组件的靶盘上。

具体的，请参阅图2(a)，所述阴极组件包括电子发射源1、聚焦极 2和绝缘陶瓷3；其中所述电子发射源1位于所述聚焦极2中，从所述电子发射源1发射出来的电子束受到所述聚焦极2产生的聚焦电场作用而产生初步聚焦。所述电子发射源1的引脚通过所述绝缘陶瓷3引出到真空管壳外。进一步的，所述电子发射源1是钨材质的平板灯丝，该平板灯丝由钨平板通过蚀刻工艺或冲压工艺形成；所述电子发射源1也可使用储备式阴极或六硼化镧阴极等。

具体的，所述磁聚焦偏转组件包括磁四极透镜组和偏转线圈组，优选的，还包括磁屏蔽罩5。进一步的，所述磁四极透镜组包括两个磁四极透镜4，所述偏转线圈组包括垂直偏转线圈6和水平偏转线圈7。两个磁四极透镜4靠阴极侧，所述垂直偏转线圈6和所述水平偏转线圈7靠阳极靶盘侧。所述磁屏蔽罩5位于所述磁四极透镜组和所述偏转线圈组之间，将两个磁四极透镜4产生的聚焦磁场与两个偏转线圈产生的偏转磁场隔离开，避免聚焦磁场对偏转后的电子束产生干扰，有效地提高了焦点质量。进一步的，如图3所示，所述磁四极透镜4由磁芯41及四个缠绕在磁芯41上的线圈42组成，按照箭头所示电流方向，产生如图3所示S极和N极。四个磁极产生如图3中虚线箭头所示的磁场。经过所述磁四极透镜4中心向外行进的电子束，在该磁场的作用下，将在水平方向上发散，在垂直方向上汇聚；若采取与箭头方向相反方向的电流或者将磁四极透镜在截面方向旋转90°，则产生与虚线箭头相反的磁场，此时电子束将在水平方向上汇聚，在垂直方向上发散。本实用新型使用了这样排布的两个磁四极透镜，经过这两个磁四极透镜的电子束在水平\垂直方向上先汇聚后发散，在垂直 \水平方向上先发散后汇聚。调整这两个磁四极透镜4的线圈电流，可以让电子束在水平和垂直方向上同时汇聚，也可以改变电子束在任一方向的聚焦焦距。因此，电子束虽然在不同偏转状况下的行进距离不同，但仍然能在磁四极透镜组的作用下于整个靶盘上都达到聚焦效果。除此之外，也可以根据不同需要，调整靶盘上的焦点大小，比如说实现传统X射线CT管的大小焦点。更进一步的，所述水平偏转线圈7采用磁通串联式线圈，避免使用磁芯，从而支持较高的扫描频率；所述垂直偏转线圈6采用内磁环磁通并联式，套在所述水平偏转线圈7的外面，进行较低的扫描频率。通过调整垂直偏转线圈6和水平偏转线圈7的安匝数，使得电子束可以在垂直和水平方向上进行不同程度偏转，从而撞击在靶盘上的不同位置并产生X 射线，实现了多焦点面阵X射线源。所述垂直偏转线圈6和水平偏转线圈 7的组合具备扫描速度快的优点，可以实现微秒级的焦点切换。

电子束在整个靶盘进行扫描，将热量均匀散布到整个靶盘，避免局部温度过高。通过扫描的方式代替了阳极轴承，相对于传统旋转阳极X射线管提高了寿命，并且降低了噪音。在对待测物体进行辐射影像时，通过采取多组窄束X射线，既有效地降低了散射辐射的影响，提高图像的对比度和清晰度；又确保在整个视野角内均一的光学尺寸，保证了图像均一的空间分辨率。本实施例一的磁扫描式的X射线管若应用在CT系统中，其在Z 向采取多焦点X射线源进行辐射采样，可以有效地解决锥心束伪差的问题。

如图4所示，上下两个水平偏转线圈7若采取实线所示电流方向，则产生虚线所示由下至上的磁场，电子束将在水平方向上进行偏转，电流的大小直接影响到偏转的距离。若采取与实线相反方向电流，则产生由上至下的磁场。如图5所示，上下两个垂直偏转线圈6缠绕在磁芯61上，如果按照图中实线所示的电流方向，将产生虚线所示磁场。经过垂直偏转线圈中心的电子束将在垂直方向上产生偏转，且该偏转距离直接与电流大小相关。若采取与实线所示相反的电流方向，将产生与虚线相反方向磁场，电子束将偏向另一个方向。

具体的，所述阳极组件包括加速阳极8、窗口9、靶盘10和管壳11。如图2(b)所示，所述阴极组件设置在所述加速阳极8中，并且两者之间通过绝缘陶瓷12进行密封及绝缘；所述管壳的外表面设置垂直偏转线圈6 和水平偏转线圈7，所述靶盘10在所述管壳11底部。所述加速阳极8和所述管壳11之间也设置绝缘陶瓷。电子束在所述磁聚焦偏转组件的作用下，产生偏转并聚焦，撞击到所述靶盘10的某个位置。在撞击过程中产生的X射线从所述窗口9发射出来。进一步的，所述聚焦极2采取如图2(a) 和图2(b)所示内凹平面或者与电子束行进方向成30°～90°的近似圆锥面结构，确保产生平行电子束或者汇聚电子束。所述加速阳极8开有孔径保证电子束通过，并采取如图2(a)和图2(b)所示的类似锥角的形状设计，矫正了开孔所导致的等位面畸变。所述聚焦极2和所述加速阳极8相互配合，其共同形成的静电透镜，抵消了电子束中空间电荷力的发散效果，形成平行电子束或者汇聚电子束，同时保证了电子束产生尽量小的色散。更进一步的，所述靶盘10具备3°～50°的倾角，从而可以增大实际焦点面积以及减小光学焦点尺寸。如图2(b)所示，所述窗口9处安装有M行 N列(M，N均为正整数)的准直孔对X射线进行约束，从而形成窄束X射线。准直孔的大小和深度取决于焦点的大小和间距，通过并约束其所对应焦点所发射的X射线，并滤除相邻焦点所发射的X射线。通过磁聚焦偏转系统与准直孔的搭配以及相应靶盘尺寸的选用，可以实现不同面积，不同焦点个数，不同形式(比如说圆阵或者方阵)的面阵。在本实施例一中，靶盘长度为200mm，靶盘宽度为60mm，靶角为20°，光学焦点长度和宽度均为1mm，焦点间距为2mm，与焦点位置相应，具备约100×10个准直孔，最终形成大约200mm×20mm面积，包含约100×10个焦点的面阵。所述管壳 11处做接地处理，并采取水基冷却液进行冷却；所述水基冷却液的成份包括乙二醇、去离子水、防腐剂和防锈剂。水基冷却液的冷却效果比绝缘油更好，从而实现更高的散热效率，可以承载更长的连续扫描时间。

实施例二

本实施例二提供了另一种磁扫描式的X射线管，包括阴极组件、磁聚焦偏转组件和阳极组件。与实施例一的差别在于，在本实施例二中，所述磁聚焦偏转组件包括两个磁四极透镜4、磁屏蔽罩5和水平偏转线圈7。两个磁四极透镜4中其中一个的结构如图3所示，另一个磁四极透镜采用如图6或图7所示的结构。请参阅图6，在所述磁芯41上缠绕两个调整线圈43；请参阅图7，在四个线圈42内侧分别缠绕调整线圈44。当调整线圈 43和调整线圈44通过实线所示方向的电流，将产生虚线所示方向的磁场。电子束在该磁场作用下将在垂直方向上进行偏转。若采取与实线相反方向的电流，则产生与虚线相反方向的磁场。

实施例三

本实施例三提供了另一种磁扫描式的X射线管，包括阴极组件、磁聚焦偏转组件和阳极组件。与实施例一的差别在于，在本实施例三中，所述磁聚焦偏转组件包括两个磁四极透镜4、磁屏蔽罩5和水平偏转线圈7。所述两个磁四极透镜4均采用如图3所示的结构。本实施例三提供的磁扫描式的X射线管，取消了垂直偏转线圈，以实现磁扫描线阵X射线管。

上述描述仅是对本实用新型较佳实施例的描述，并非对本实用新型范围的任何限定，本实用新型领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (8)

1.一种磁扫描式的X射线管，其特征在于，包括：

阴极组件，用于产生电子束并对电子束预聚焦；

磁聚焦偏转组件，使电子束发生偏转并聚焦；

阳极组件，用于接收电子束并产生X射线；

所述磁聚焦偏转组件包括磁四极透镜组和偏转线圈组。

2.如权利要求1所述的磁扫描式的X射线管，其特征在于，所述磁聚焦偏转组件还包括磁屏蔽罩，设置在所述磁四极透镜组和偏转线圈组之间。

3.如权利要求1所述的磁扫描式的X射线管，其特征在于，所述磁四极透镜组包括两个磁四极透镜，每个磁四极透镜由磁芯及四个缠绕在磁芯上的线圈组成，且其中一个磁四极透镜相对于另一个旋转90°。

4.如权利要求1所述的磁扫描式的X射线管，其特征在于，所述偏转线圈组包括垂直偏转线圈和水平偏转线圈；所述水平偏转线圈采用磁通串联式线圈，所述垂直偏转线圈采用内磁环磁通并联式，套在所述水平偏转线圈的外面。

5.如权利要求1所述的磁扫描式的X射线管，其特征在于，所述阴极组件包括电子发射源、聚焦极和绝缘陶瓷；其中所述电子发射源位于所述聚焦极中，并且所述电子发射源的引脚通过所述绝缘陶瓷接出。

6.如权利要求5所述的磁扫描式的X射线管，其特征在于，所述电子发射源是由钨平板通过蚀刻或冲压工艺形成。

7.如权利要求1所述的磁扫描式的X射线管，其特征在于，所述阳极组件包括加速阳极、窗口、靶盘和管壳；所述阴极组件设置在所述加速阳极中，并且两者之间通过绝缘陶瓷进行密封绝缘。

8.如权利要求7所述的磁扫描式的X射线管，其特征在于，所述管壳接地，并采取水基冷却液进行冷却。