RU2811066C1 - Target system of device for generating x-ray radiation of electron beam computed tomograph with double radiation source, device for generating x-ray radiation and electron beam scanner based on it - Google Patents
Target system of device for generating x-ray radiation of electron beam computed tomograph with double radiation source, device for generating x-ray radiation and electron beam scanner based on it Download PDFInfo
- Publication number
- RU2811066C1 RU2811066C1 RU2023125936A RU2023125936A RU2811066C1 RU 2811066 C1 RU2811066 C1 RU 2811066C1 RU 2023125936 A RU2023125936 A RU 2023125936A RU 2023125936 A RU2023125936 A RU 2023125936A RU 2811066 C1 RU2811066 C1 RU 2811066C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- plate
- target system
- target
- electron beam
- generating
- Prior art date
Links
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 title claims abstract description 64
- 230000005855 radiation Effects 0.000 title claims abstract description 51
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 48
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims abstract description 6
- DECCZIUVGMLHKQ-UHFFFAOYSA-N rhenium tungsten Chemical compound [W].[Re] DECCZIUVGMLHKQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 239000002826 coolant Substances 0.000 claims description 11
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 9
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 claims description 9
- 230000006378 damage Effects 0.000 claims description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 5
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims description 4
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims description 2
- 230000007717 exclusion Effects 0.000 claims 1
- 230000013011 mating Effects 0.000 claims 1
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 11
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 8
- 238000002591 computed tomography Methods 0.000 abstract description 7
- 239000003814 drug Substances 0.000 abstract description 4
- 238000009659 non-destructive testing Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 9
- 238000005476 soldering Methods 0.000 description 9
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 8
- 229910000691 Re alloy Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 5
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 description 4
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 3
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 3
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 3
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 3
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 3
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 2
- 229910001385 heavy metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 239000013077 target material Substances 0.000 description 2
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 208000027418 Wounds and injury Diseases 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052790 beryllium Inorganic materials 0.000 description 1
- ATBAMAFKBVZNFJ-UHFFFAOYSA-N beryllium atom Chemical compound [Be] ATBAMAFKBVZNFJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 238000013480 data collection Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 229940079593 drug Drugs 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 208000014674 injury Diseases 0.000 description 1
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 1
- 238000001990 intravenous administration Methods 0.000 description 1
- 238000005304 joining Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 238000003801 milling Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 1
- 238000010606 normalization Methods 0.000 description 1
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 1
- 230000002085 persistent effect Effects 0.000 description 1
- 239000003870 refractory metal Substances 0.000 description 1
- 229910052702 rhenium Inorganic materials 0.000 description 1
- WUAPFZMCVAUBPE-UHFFFAOYSA-N rhenium atom Chemical compound [Re] WUAPFZMCVAUBPE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 102220086802 rs535411352 Human genes 0.000 description 1
- 102220059933 rs754752449 Human genes 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000001757 thermogravimetry curve Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеField of technology to which the invention relates
Изобретение относится к рентгеновской компьютерной томографии, а именно устройствам для генерации рентгеновского излучения со сканирующим электронным пучком, электронно-лучевым компьютерным томографам, и может быть использовано как в медицине, так и в области промышленного неразрушающего контроля.The invention relates to X-ray computed tomography, namely devices for generating x-rays with a scanning electron beam, electron beam computed tomographs, and can be used both in medicine and in the field of industrial non-destructive testing.
Уровень техникиState of the art
Рентгеновская трубка – электровакуумный прибор, служащий источником рентгеновского излучения, которое возникает при взаимодействии испускаемых катодом электронов с веществом анода (антикатода). Энергия электронов, ускоренных электрическим полем, частично переходит в энергию рентгеновского излучения при взаимодействии с тяжелыми металлами, из которых сделан анод. An X-ray tube is an electric vacuum device that serves as a source of X-ray radiation, which occurs when electrons emitted by the cathode interact with the substance of the anode (anti-cathode). The energy of electrons accelerated by an electric field is partially converted into X-ray energy when interacting with the heavy metals from which the anode is made.
Типовой сканер, используемый в рентгеновской компьютерной томографии (КТ-сканер), состоит из рентгеновской трубки, установленной напротив одного или более детекторов. Во время сканирования рентгеновская трубка испускает излучение, которое проходит через исследуемый объект и попадает на один или более детекторов рентгеновского излучения. Сигналы с детекторов преобразуются в данные, которые используются для создания трехмерных изображений объема исследуемого объекта.A typical scanner used in X-ray computed tomography (CT scanner) consists of an X-ray tube mounted opposite one or more detectors. During scanning, the X-ray tube emits radiation that passes through the object being examined and hits one or more X-ray detectors. Signals from the detectors are converted into data, which is used to create three-dimensional images of the volume of the object under study.
Большинство современных КТ-сканеров работают по принципу постоянного вращения, при котором рентгеновская трубка и детектор жестко спарены, а их ротационные движения вокруг сканируемой области происходят одновременно с испусканием и улавливанием рентгеновского излучения (Компьютерная томография. Базовое руководство, Второе издание на русском языке, переработанное и дополненное, Матиас Хофер, Мед. Лит., 2008). Most modern CT scanners operate on the principle of constant rotation, in which the X-ray tube and detector are rigidly coupled, and their rotational movements around the scanned area occur simultaneously with the emission and collection of X-ray radiation (Computed tomography. Basic manual, Second edition in Russian, revised and expanded, Matthias Hofer, Med. Lit., 2008).
Однако устройства с вращающимися рентгеновскими трубками имеют физические ограничения, накладываемые механическим вращением. В частности, для медицинских компьютерных томографов скорость вращения ограничивается приблизительно четырьмя оборотами в секунду, что не позволяет избавиться от появления артефактов движения при реконструкции изображений и увеличивает время проведения исследования.However, devices with rotating X-ray tubes have physical limitations imposed by mechanical rotation. In particular, for medical computed tomography scanners, the rotation speed is limited to approximately four revolutions per second, which does not eliminate the appearance of motion artifacts during image reconstruction and increases the examination time.
Совершенствование медицинских компьютерных томографов направлено на повышение скорости сбора данных, уменьшение лучевой нагрузки, получение качественной трехмерной реконструкции исследуемого объекта, повышение надежности, безопасности и долговечности работы КТ-сканеров.The improvement of medical computed tomographs is aimed at increasing the speed of data collection, reducing radiation exposure, obtaining high-quality three-dimensional reconstruction of the object under study, and increasing the reliability, safety and durability of CT scanners.
Большей производительностью и более высоким качеством реконструируемых изображений обладают электронно-лучевые томографы (например, КТ-сканер «Иматрон СТ-100»), содержащие электронную сканирующую систему, которая включает в себя один или несколько неподвижных источников электронов («пушки»), формирующих поток электронов в направлении мишени (анода). При этом электронный пучок отклоняется с помощью магнитной системы, которая обеспечивает развертку и фокусировку пучка электронов на мишени заданной геометрии. Катодный узел пушки и протяженная мишень находятся в едином вакуумном объеме, мишень, при этом может иметь форму кольца (подковы) большого радиуса. Таким образом, перемещение пучка высокоэнергичных электронов по мишени равнозначно перемещению источника рентгеновского излучения вокруг исследуемого объекта. Поскольку скорость перемещения ограничивается лишь переходными процессами силовой и управляющей электроники, время сканирования при одном обороте источника по сравнению с классическими механическими КТ-сканерами сокращается в десятки раз. Electron beam tomographs (for example, the Imatron ST-100 CT scanner) have greater productivity and higher quality reconstructed images, containing an electronic scanning system that includes one or more stationary sources of electrons (“guns”) that form the flow electrons in the direction of the target (anode). In this case, the electron beam is deflected using a magnetic system, which ensures scanning and focusing of the electron beam on a target of a given geometry. The cathode assembly of the gun and the extended target are located in a single vacuum volume; the target may have the shape of a ring (horseshoe) of large radius. Thus, moving a beam of high-energy electrons across a target is equivalent to moving an X-ray source around the object under study. Since the movement speed is limited only by the transient processes of the power and control electronics, the scanning time for one revolution of the source is reduced tens of times compared to classic mechanical CT scanners.
При столь малом времени сканирования, для обеспечения достаточного для получения качественных изображений рентгеновского выхода, в электронно-лучевых сканерах требуется обеспечить значительную величину мощности или тока. При этом тепловая нагрузка на мишенный узел также возрастает, что, при несоблюдении некоторых условий, может привести к разрушению материалов мишени. По этой причине одним из важнейших моментов при проектировании электронно-лучевых устройств является разработка адекватной системы мишенных узлов. With such a short scanning time, electron beam scanners require a significant amount of power or current to provide sufficient x-ray output to obtain high-quality images. In this case, the thermal load on the target assembly also increases, which, if certain conditions are not met, can lead to destruction of the target materials. For this reason, one of the most important points in the design of electron beam devices is the development of an adequate system of target units.
Для увеличения скорости обследования, пучки электронов, создаваемые катодом, обычно используются для бомбардировки с большой энергией мишени из поликристаллического вольфрама или вольфрам-рениевого сплава. При этом уменьшение размеров фокусного пятна приводит к значительному росту плотности энергии на мишени, что может приводить к перегреву и разрушению поверхности мишени, и, как следствие, выходу из строя рентгеновской трубки. Увеличение фокусного пятна приводит к потере в резкости изображения среза объекта. Таким образом, нагревание мишени часто ограничивает интенсивность генерируемого рентгеновского пучка. To increase inspection speed, electron beams generated by the cathode are typically used to bombard a polycrystalline tungsten or tungsten-rhenium alloy target with high energy. In this case, a decrease in the size of the focal spot leads to a significant increase in the energy density on the target, which can lead to overheating and destruction of the target surface, and, as a consequence, failure of the X-ray tube. Increasing the focal spot leads to a loss of sharpness in the image of the object slice. Thus, heating the target often limits the intensity of the x-ray beam generated.
В используемых на сегодняшний день рентгеновских трубках такую проблему часто решают посредством использования вращающегося анода. Также проблему перегрева решают посредством увеличения массо-габаритных параметров анода, использования теплообменников, окружающих вакуумную оболочку рентгеновских трубок. In X-ray tubes used today, this problem is often solved by using a rotating anode. Also, the problem of overheating is solved by increasing the mass-dimensional parameters of the anode and using heat exchangers surrounding the vacuum shell of the X-ray tubes.
Из ряда патентов (например, US4352021, US7872241) известна конструкция КТ-сканера со сканирующим пучком электронов, в котором используется несколько мишеней большой массы, расположенных в четыре ряда, которые охлаждаются проточной водой, что решает проблемы теплоотвода. В частности, в упомянутых публикациях узел мишеней включает четыре полукруглых кольца мишеней, к каждому из которых подходит охлаждающий змеевик. В публикации US7872241 мишень имеет подковообразную форму, сформированную как единое целое, или может быть образована прямыми участками, соединенными вместе для образования формы многоугольника. В одном из частных вариантов мишень включает металлическую заднюю часть, активную и неактивную секции, соединенные с задней частью, например, методом пайки, при этом активная секция выполнена с возможностью генерирования рентгеновских лучей при попадании на неё электронного луча, неактивная секция предназначена, напротив, для подавления генерации рентгеновских лучей. Внешний диаметр активной секции приблизительно равен внутреннему диаметру неактивной секции. Возможен также вариант реализации изобретения с использованием двух источников электронов и мишени с двумя активными секциями, разделенными небольшим зазором, выполненными с возможностью генерирования рентгеновских лучей при попадании на них электронного луча. Активные секции мишени изготовлены из тугоплавкого металла, такого как вольфрам, молибден и/или один из их многочисленных сплавов, и имеют плоские верхние поверхности. Во время работы рентгеновской трубки блоки фокусировки поочередно перемещают электронные лучи от двух источников электронов по первой и второй активным секциям. В результате уменьшения уровня мощности неактивного луча снижается нагрев мишени, а также общая мощность, требуемая от высоковольтного источника питания. From a number of patents (for example, US4352021, US7872241) the design of a CT scanner with a scanning electron beam is known, which uses several large mass targets arranged in four rows, which are cooled by running water, which solves heat removal problems. In particular, in the mentioned publications, the target assembly includes four semicircular target rings, each of which is fitted with a cooling coil. In US7872241, the target has a horseshoe shape, formed as a single piece, or can be formed by straight sections joined together to form a polygon shape. In one of the particular variants, the target includes a metal back part, active and inactive sections connected to the back part, for example, by soldering, while the active section is designed to generate X-rays when an electron beam hits it, the inactive section is intended, on the contrary, to suppression of X-ray generation. The outer diameter of the active section is approximately equal to the inner diameter of the inactive section. It is also possible to implement the invention using two sources of electrons and a target with two active sections separated by a small gap, designed to generate X-rays when hit by an electron beam. The active sections of the target are made of a refractory metal such as tungsten, molybdenum and/or one of their many alloys, and have flat top surfaces. During operation of the X-ray tube, the focusing units alternately move electron beams from two electron sources through the first and second active sections. By reducing the power level of the inactive beam, the heating of the target is reduced, as is the overall power required from the high voltage power supply.
Наиболее близкими к предлагаемой группе изобретений являются система мишеней электронно-лучевого компьютерного томографа и электронно-лучевой сканер, известные из патента US8530849. Электронно-лучевой сканер включает вакуумную камеру; по меньшей мере, два источника электронов, расположенных со стороны задней части вакуумной камеры; магнитную систему вращения, фокусировки и отклонения электронных пучков; систему мишеней, генерирующих рентгеновское излучение, расположенную в передней части вакуумной камеры; окна выхода рентгеновского излучения; детектор генерируемого излучения. При этом система мишеней образована двумя вольфрамовыми мишенями, расположенными концентрично относительно детектора. Концы каждой из мишеней по окружности накладываются на, по крайней мере, часть детектора. За счет разного диаметра мишеней электронный пучок, генерируемый одним из источников, осуществляет столкновение с одной мишенью, не касаясь другой мишени. При этом мишени расположены под углом приблизительно тридцать шесть градусов относительно детектора. В сканере использован детектор, разделенный зазором на два детекторных кольца, каждое из которых образовано пиксельной матрицей (матрицей фотосенсоров). Применение известного решения позволяет получать высокую мощность рентгеновского излучения и обеспечивать приемлемый срок службы рентгеновских трубок. Однако в данной публикации отсутствует описание конструктивного выполнения мишенного узла, который оказывает существенное влияние на надежность устройства и качество получаемого реконструированного изображения. Задача по усовершенствованию системы мишенного узла является актуальной и для данного технического решения.The closest to the proposed group of inventions are the target system of an electron beam computed tomograph and an electron beam scanner, known from patent US8530849. The electron beam scanner includes a vacuum chamber; at least two electron sources located at the rear of the vacuum chamber; magnetic system for rotating, focusing and deflecting electron beams; a system of targets generating X-ray radiation located in the front part of the vacuum chamber; X-ray exit windows; detector of generated radiation. In this case, the target system is formed by two tungsten targets located concentrically relative to the detector. The ends of each of the targets are circumferentially superimposed on at least part of the detector. Due to the different diameters of the targets, the electron beam generated by one of the sources collides with one target without touching the other target. In this case, the targets are located at an angle of approximately thirty-six degrees relative to the detector. The scanner uses a detector divided by a gap into two detector rings, each of which is formed by a pixel matrix (photosensor matrix). The use of the known solution makes it possible to obtain high x-ray power and ensure an acceptable service life of x-ray tubes. However, this publication does not describe the design of the target unit, which has a significant impact on the reliability of the device and the quality of the resulting reconstructed image. The task of improving the target unit system is also relevant for this technical solution.
Таким образом, проблема обеспечения долговечности и надежности мишеней, а также улучшение их характеристик, продолжает оставаться актуальной. Thus, the problem of ensuring the durability and reliability of targets, as well as improving their characteristics, continues to be relevant.
Технической проблемой, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание системы мишеней устройства для генерации рентгеновского излучения по меньшей мере с двумя источниками электронов, а также электронно-лучевого сканера на его основе, характеризующихся надежностью и долговечностью, позволяющих обеспечивать быструю и эффективную генерацию и детектирование рентгеновских лучей, при упрощении технологии изготовления и сборки.The technical problem to be solved by the present invention is the creation of a target system for a device for generating X-ray radiation with at least two sources of electrons, as well as an electron beam scanner based on it, characterized by reliability and durability, allowing for fast and efficient generation and detection X-rays, while simplifying the manufacturing and assembly technology.
Раскрытие изобретенияDisclosure of the Invention
Техническим результатом является создание надежной конструкции электронно-лучевого сканера для рентгеновской компьютерной томографии, характеризующегося протяженностью области сканирования не менее 16 см, и обеспечивающего получение качественного (без дефектов) реконструированного изображения объекта при упрощении технологии изготовления и сборки. Technical result is to create a reliable design of an electron beam scanner for X-ray computed tomography, characterized by a scanning area of at least 16 cm, and providing a high-quality (defect-free) reconstructed image of an object while simplifying the manufacturing and assembly technology.
Технический результат достигается за счет создания конструкции сегмента системы мишеней устройства для генерации рентгеновского излучения, выполненного в виде объемной детали, содержащей основание из теплопроводящего материала со ступенчатым профилем поперечного сечения, имеющее внешнюю и внутреннюю продольные поверхности, стыковочные торцевые поверхности, внешнюю и внутреннюю установочные поверхности, при этом основание снабжено со стороны внутренней установочной поверхности по меньшей мере двумя ступенями с закрепленными на них внутренней и внешней дугообразными пластинами для генерации рентгеновского излучения, и площадкой, расположенной параллельно внешней установочной поверхности, с закрепленной на ней настроечной пластиной, где первая ступень основания с закрепленной внутренней пластиной расположена под углом α по отношению к плоскости расположения настроечной пластины, а вторая ступень с закрепленной внешней пластиной расположена под углом β по отношению к плоскости расположения настроечной пластины, где β<α; основание снабжено по меньшей мере четырьмя монтажными отверстиями, два из которых расположены между внутренней и внешней пластинами, а два других – между настроечной пластиной и внешней продольной поверхностью основания. The technical result is achieved by creating a design for a target system segment of a device for generating X-ray radiation, made in the form of a volumetric part containing a base made of heat-conducting material with a stepped cross-section profile, having external and internal longitudinal surfaces, connecting end surfaces, external and internal mounting surfaces, wherein the base is equipped on the side of the inner mounting surface with at least two steps with inner and outer arc-shaped plates fixed to them for generating X-ray radiation, and a platform located parallel to the outer mounting surface, with a tuning plate fixed on it, where the first stage of the base with a fixed the inner plate is located at an angle α relative to the plane of location of the tuning plate, and the second stage with a fixed outer plate is located at an angle β relative to the plane of location of the tuning plate, where β<α; the base is provided with at least four mounting holes, two of which are located between the inner and outer plates, and the other two are located between the adjustment plate and the outer longitudinal surface of the base.
Ступени основания, а также площадка для размещения настроечной пластины могут быть снабжены упорными для пластин выступами. В предпочтительном варианте реализации изобретения угол α может быть выполнен равным 17°, угол β может быть выполнен равным 13°.The base steps, as well as the platform for placing the tuning plate, can be equipped with plate-resistant protrusions. In a preferred embodiment of the invention, the angle α can be made equal to 17°, the angle β can be made equal to 13°.
Внутренняя пластина может быть выполнена с радиусом кривизны внутренней поверхности от 628 мм до 631 мм, внешняя пластина может быть выполнена с радиусом кривизны внутренней поверхности от 660 мм до 663, настроечная пластина может быть выполнена с радиусом кривизны внутренней поверхности от 713 мм до 715.The inner plate can be made with a radius of curvature of the inner surface from 628 mm to 631 mm, the outer plate can be made with a radius of curvature of the inner surface from 660 mm to 663, the tuning plate can be made with a radius of curvature of the inner surface from 713 mm to 715.
Нижняя граница внешней пластины может быть расположена на высоте h1, составляющей от 4,25 мм до 4,55 мм от нижней границы настроечной пластины, нижняя граница внутренней пластины может быть расположена на высоте h3, составляющей от 24,35 мм до 24,65 мм от нижней границы настроечной пластины; при этом нижняя граница внешней пластины может быть удалена от нижней границы внутренней пластины на расстоянии от 19,95 мм до 20,25 мм в проекции на плоскость расположения настроечной мишени.The lower boundary of the outer plate can be located at a height h1, ranging from 4.25 mm to 4.55 mm from the lower boundary of the adjustment plate, the lower boundary of the inner plate can be located at a height h3, ranging from 24.35 mm to 24.65 mm from the lower edge of the adjustment plate; in this case, the lower boundary of the outer plate can be removed from the lower boundary of the inner plate at a distance from 19.95 mm to 20.25 mm in projection onto the plane of location of the tuning target.
Толщина пластин может составлять от 0,6 до 0,9 мм, ширина внутренней и внешней пластин может составлять от 14,5 до 15 мм, ширина настроечной пластины может составлять от 29,5 до 30 мм.The thickness of the plates can be from 0.6 to 0.9 mm, the width of the inner and outer plates can be from 14.5 to 15 mm, the width of the tuning plate can be from 29.5 to 30 mm.
Основание может быть выполнено из бескислородной меди, а в качестве пластин могут быть использованы вольфрам-рениевые пластины. The base can be made of oxygen-free copper, and tungsten-rhenium plates can be used as plates.
Сегмент системы мишеней может также содержать по меньшей мере два вольфрамовых W-образных сенсора для отслеживания положения электронного пучка на настроечной пластине, закрепленных на теплопроводящем основании с зазором относительно настроечной пластины. Использование вольфрамовых W-образных сенсоров является одним из альтернативных способов настройки параметров пучка. При этом такая настройка может быть реализована другими методами и средствами, например, с помощью тестовых объектов с последующей корректировкой параметров получаемого пучка.The target system segment may also include at least two tungsten W-shaped sensors for monitoring the position of the electron beam on the tuning plate, mounted on a thermally conductive base with a gap relative to the tuning plate. The use of tungsten W-shaped sensors is one of the alternative ways to adjust beam parameters. Moreover, such adjustment can be implemented by other methods and means, for example, using test objects with subsequent adjustment of the parameters of the resulting beam.
Технический результат также достигается за счет создания системы мишеней устройства для генерации рентгеновского излучения, содержащей набор вышеописанных сегментов, закрепленных на кольцеобразной плите с формированием по меньшей мере двух дугообразных мишеней – внутренней и внешней, и одной настроечной мишени, при этом сегменты закреплены на плите с зазором друг относительно друга, обеспечивающим исключение повреждения сегментов при их тепловом расширении в процессе работы устройства, плита снабжена каналами для охлаждения сегментов системы мишеней, расположенных с образованием не менее двух охлаждающих секций, а также входными и выходными отверстиями для охлаждающей среды.The technical result is also achieved by creating a target system of a device for generating X-ray radiation, containing a set of the above-described segments mounted on a ring-shaped plate with the formation of at least two arc-shaped targets - internal and external, and one tuning target, while the segments are fixed on the plate with a gap relative to each other, ensuring the elimination of damage to the segments during their thermal expansion during operation of the device, the plate is equipped with channels for cooling the segments of the target system, located to form at least two cooling sections, as well as inlet and outlet openings for the cooling medium.
В предпочтительном варианте реализации изобретения система мишеней включает 12 сегментов.In a preferred embodiment of the invention, the target system includes 12 segments.
Каналы для охлаждения сегментов системы мишеней могут быть выполнены с прямоугольным профилем поперечного сечения и могут быть расположены параллельно дугообразным мишеням на равном расстоянии друг от друга, с образованием двух охлаждающих секций, симметричных относительно вертикальной оси, проходящей через центр кольцеобразной плиты.The channels for cooling the segments of the target system can be made with a rectangular cross-section profile and can be located parallel to the arc-shaped targets at an equal distance from each other, forming two cooling sections symmetrical about the vertical axis passing through the center of the annular plate.
В частных вариантах реализации изобретения количество каналов каждой секции может быть выбрано равным не менее 7, при этом ширина и высота каналов составляет, предпочтительно, не менее 4 мм, расстояние между соседними каналами - не менее 14 мм.In particular embodiments of the invention, the number of channels in each section can be selected to be at least 7, while the width and height of the channels is preferably at least 4 mm, and the distance between adjacent channels is at least 14 mm.
Зазор между соседними сегментами системы мишеней может составлять от 0,35 до 0,45 мм, например, 0,4 мм.The gap between adjacent segments of the target system can be from 0.35 to 0.45 mm, for example 0.4 mm.
Технический результат также достигается за счет создания устройства для генерации рентгеновского излучения (рентгеновской трубки), включающего вакуумную камеру; по меньшей мере, два источника электронов, расположенных со стороны задней части вакуумной камеры; магнитную систему вращения, фокусировки и отклонения электронных пучков; вышеописанную систему мишеней для генерации рентгеновского излучения, расположенную в передней части вакуумной камеры; окна выхода рентгеновского излучения.The technical result is also achieved by creating a device for generating X-ray radiation (X-ray tube), including a vacuum chamber; at least two electron sources located at the rear of the vacuum chamber; magnetic system for rotating, focusing and deflecting electron beams; the above-described X-ray generation target system located in the front part of the vacuum chamber; X-ray exit windows.
Технический результат также достигается за счет создания электронно-лучевого сканера (сканирующей системы), включающей установленные на несущей раме вышеописанное устройство для генерации рентгеновского излучения, детекторную систему, коллиматор, расположенный между системой мишеней и детекторной системой. При этом детекторная система образована набором сцинтилляционных матриц, закрепленных на каркасе, снабженном зазором и разделяющим детекторную систему на два кольцеобразных сектора. Каркас выполнен с боковыми стенками, одна из которых является съемной, и снабжен механизмом крепления и юстировки детекторной системы, обеспечивающим также фиксацию каркаса к несущей раме с расположением боковых стенок с противоположных сторон от несущей рамы. Система мишеней закреплена на несущей раме с размещением на ней кольцеобразной плиты с каналами для охлаждения. При этом каркас расположен концентрично относительно системы мишеней с размещением зазора напротив выходного окна устройства для генерации рентгеновского излучения, при этом один сектор детекторной системы расположен с возможностью детектирования излучения от внутренней мишени, а другой – от внешней, где внутренняя и внешняя мишени расположены с обеспечением прохода генерируемого излучения в зазор каркаса. Внутренний диаметр каркаса детекторной системы составляет не менее 1040 мм.The technical result is also achieved by creating an electron beam scanner (scanning system), which includes the above-described device for generating X-ray radiation, a detector system, and a collimator installed on a supporting frame, mounted on a supporting frame. In this case, the detector system is formed by a set of scintillation matrices mounted on a frame equipped with a gap and dividing the detector system into two ring-shaped sectors. The frame is made with side walls, one of which is removable, and is equipped with a mechanism for fastening and adjusting the detector system, which also ensures fixation of the frame to the supporting frame with the side walls located on opposite sides of the supporting frame. The target system is mounted on a supporting frame with a ring-shaped plate with cooling channels placed on it. In this case, the frame is located concentrically relative to the target system with a gap located opposite the output window of the device for generating X-ray radiation, while one sector of the detector system is located with the ability to detect radiation from the internal target, and the other - from the external one, where the internal and external targets are located to ensure passage generated radiation into the frame gap. The internal diameter of the detector system frame is at least 1040 mm.
В предпочтительном варианте реализации детекторная система включает сцинтилляционные матрицы размером не менее 16х32 с размером пикселя не более 1,06 мм на 1,12 мм. При этом кольцеобразный сектор выполнен диаметром не менее 1175 мм и шириной не менее 235 мм. Зазор в кольцеобразном каркасе может быть выполнен шириной от 16,5 до 17 мм и удален от нижней границы внутренней мишени на расстоянии не более 50 мм. In a preferred embodiment, the detector system includes scintillation matrices measuring at least 16x32 with a pixel size of no more than 1.06 mm by 1.12 mm. In this case, the ring-shaped sector is made with a diameter of at least 1175 mm and a width of at least 235 mm. The gap in the ring-shaped frame can be made from 16.5 to 17 mm wide and removed from the lower border of the inner target at a distance of no more than 50 mm.
Настоящий сканер является усовершенствованием по сравнению со сканером, описанным в патенте США №8530849, который характеризуется высокой скоростью сканирования, позволяющей получать качественные изображения, в т.ч. при исследовании сердца, и при этом является более технологичным и надежным. This scanner is an improvement over the scanner described in US Patent No. 8,530,849, which is characterized by high scanning speed, allowing for high-quality images, incl. when examining the heart, and at the same time is more technologically advanced and reliable.
Заявляемая конфигурация сегментов системы мишеней за счет улучшенного теплоотвода обеспечивает снижение температурных нагрузок на мишень в точках формирования источников рентгеновского излучения и позволяет выдерживать наиболее энергоемкий из режимов сканирования без опасности перегрева мишени, при этом за счет точного позиционирования сегментов на плите охлаждения уменьшается вероятность возникновения дефектов на реконструированных изображениях объектов (зон затенения), связанных с плохой нормализацией зазоров мишеней. Организация системы охлаждения мишеней в виде системы проточных водяных каналов, выполненных в плите охлаждения, в сочетании с конструктивным выполнением теплопроводящего основания, также обеспечивает сокращение времени охлаждения и достижение большей однородности в охлаждении всех сегментов мишеней при минимальных производственных и операционных расходах. The claimed configuration of the segments of the target system, due to improved heat removal, ensures a reduction in temperature loads on the target at the points of formation of X-ray sources and allows it to withstand the most energy-intensive scanning modes without the danger of overheating the target, while due to the precise positioning of the segments on the cooling plate, the likelihood of defects occurring on the reconstructed images of objects (shading zones) associated with poor normalization of target gaps. The organization of the target cooling system in the form of a system of flowing water channels made in the cooling plate, in combination with the design of the heat-conducting base, also ensures a reduction in cooling time and the achievement of greater uniformity in the cooling of all target segments with minimal production and operating costs.
Заявляемые параметры мишени являются оптимальными, обеспечивают технологичность в процессе изготовления и сборки, при этом выполнение системы мишеней из отдельных блоков (модулей) обеспечивает удобство и наименьшую трудоемкость в процессе сборки, упрощает процесс производства электронно-лучевого компьютерного томографа.The declared parameters of the target are optimal, ensure manufacturability during the manufacturing and assembly process, while the implementation of the target system from separate blocks (modules) ensures convenience and the least labor intensity during the assembly process, and simplifies the production process of an electron beam computed tomograph.
Заявляемая конфигурация сегмента системы мишеней позволяет создать конструкцию мишенного узла электронно-лучевого томографа, в котором генерирующие излучение пластины точно позиционируются на основании с формированием ровной, без сдвигов излучающей поверхности мишени, радиус кривизны и наклон которой обеспечивают возможность применения данной мишени совместно с детектором излучения с увеличенными диаметром и шириной, что также позволяет увеличить апертуру (воздушный зазор) электронно-лучевого компьютерного томографа до 1 м в диаметре, расширить протяженность сплошной области сканирования исследуемого объекта в рамках одного сканирования до 16 см. Увеличение апертуры расширяет возможности использования электронно-лучевого компьютерного томографа, в т.ч. для проведения исследований пациентов с травмами, а также обеспечивает удобный доступ при проведении манипуляций и внутривенных введений препаратов в процессе исследования. The inventive configuration of a target system segment makes it possible to create the design of a target assembly of an electron beam tomograph, in which the radiation-generating plates are precisely positioned on the base to form a flat, shift-free emitting surface of the target, the radius of curvature and slope of which make it possible to use this target in conjunction with a radiation detector with increased diameter and width, which also allows you to increase the aperture (air gap) of the electron beam computed tomograph to 1 m in diameter, to expand the length of the continuous scanning area of the object under study within one scan to 16 cm. Increasing the aperture expands the possibilities of using the electron beam computed tomograph, incl. for conducting studies of patients with injuries, and also provides convenient access during manipulations and intravenous administration of drugs during the study.
Модульный принцип построения конструкции системы мишеней обеспечивает повышение технологичности устройства в процессе производства сегментов и сборки.The modular design principle of the target system ensures increased manufacturability of the device during the production of segments and assembly.
Краткое описание чертежейBrief description of drawings
Изобретение поясняется фигурами 1-15, которые служат только для цели иллюстрации вариантов осуществления и не должны рассматриваться как ограничивающие настоящее изобретение. На Фиг. 1 представлен общий вид системы мишеней на теплопроводящих блоках; на Фиг.2 – общий вид одной сборочной единицы системы мишеней (сегмент системы мишеней); на Фиг.3 – фрагмент системы мишеней, установленных на плите охлаждения (Cold Plate), где обозначены углы наклона пластин относительно оси изоцентра (OZ); на Фиг.4 – варианты выполнения каналов для охлаждающей жидкости, общий вид; на Фиг.5 – основание сегмента мишеней; на Фиг.6 – сечение сегмента мишеней по линии А-А на фиг.5 с указанием линейного расположения площадок (ступеней) пластин мишеней; на Фиг.7 – увеличенный вид сечения сегмента мишеней с указанием углового расположения площадок (ступеней) пластин мишеней; на Фиг.8 – общий вид плиты охлаждения со стороны установки сегментов мишеней; на Фиг.9 – общий вид плиты охлаждения со стороны каналов охлаждения; на Фиг.10 – сечение плиты по линии Н-Н на фиг.9 с указанием геометрии каналов охлаждения; на Фиг.11 – общий вид приспособления для пайки с закрепленной на нем сборочной единицей системы мишеней; на Фиг.12 – общий вид рентгеновского источника излучения; на Фиг.13 – несущая рама с установленной вакуумной камерой, каркас детекторной системы, коллиматор; на Фиг.14 – общий вид электронно-лучевого компьютерного томографа с необходимым для его работы оборудованием; на Фиг.15 показано расположение системы мишеней в устройстве для генерации рентгеновского излучения и в электронно-лучевом сканере. The invention is illustrated by figures 1-15, which serve only for the purpose of illustrating embodiments and should not be construed as limiting the present invention. In FIG. Figure 1 shows a general view of the target system on heat-conducting blocks; Figure 2 is a general view of one assembly unit of the target system (segment of the target system); Figure 3 is a fragment of a system of targets installed on a cooling plate (Cold Plate), where the angles of inclination of the plates relative to the isocenter axis (OZ) are indicated; Figure 4 – options for making channels for coolant, general view; Figure 5 – base of the target segment; Figure 6 is a cross-section of the target segment along line A-A in Figure 5, indicating the linear arrangement of the platforms (steps) of the target plates; Figure 7 is an enlarged cross-sectional view of a segment of targets indicating the angular location of the platforms (steps) of the target plates; Fig. 8 is a general view of the cooling plate from the installation side of the target segments; Figure 9 is a general view of the cooling plate from the side of the cooling channels; Fig. 10 is a section of the slab along the H-H line in Fig. 9, indicating the geometry of the cooling channels; Fig. 11 is a general view of the soldering device with the assembly unit of the target system attached to it; Fig. 12 – general view of the X-ray radiation source; Fig. 13 – supporting frame with installed vacuum chamber, frame of the detector system, collimator; Fig. 14 is a general view of an electron beam computed tomograph with the equipment necessary for its operation; Fig. 15 shows the arrangement of the target system in the X-ray generation device and in the electron beam scanner.
Позициями на Фиг. 1-15 обозначены:Reference numbers in FIG. 1-15 are marked:
1 – система мишеней;1 – target system;
2 – сегмент (секция) системы мишеней;2 – segment (section) of the target system;
3 – основание сегмента системы мишеней из теплопроводящего материала;3 – base of a target system segment made of heat-conducting material;
4 – внутренняя пластина для генерации рентгеновского излучения;4 – internal plate for generating X-ray radiation;
5 – внешняя пластина для генерации рентгеновского излучения;5 – external plate for generating X-ray radiation;
6 – настроечная пластина;6 – adjustment plate;
7 – внешняя продольная поверхность основания;7 – outer longitudinal surface of the base;
8 – внутренняя продольная поверхность основания;8 – internal longitudinal surface of the base;
9 – стыковочная торцевая поверхность;9 – connecting end surface;
10 – внутренняя установочная поверхность;10 – internal mounting surface;
11 – внешняя установочная поверхность;11 – external mounting surface;
12 – ступенька на основании для расположения пластины 4;12 – step on the base for the location of plate 4;
13 – ступенька на основании для расположения пластины 5;13 – step on the base for placing plate 5;
14 – площадка для настроечной пластины на внутренней установочной поверхности основания;14 – platform for the adjustment plate on the inner mounting surface of the base;
15 – монтажное отверстие в основании;15 – mounting hole in the base;
16 – упорный выступ со стороны внутренней торцевой поверхности основания (установочный буртик);16 – persistent protrusion from the side of the inner end surface of the base (installation collar);
17 – W-образный сенсор;17 – W-shaped sensor;
18 – плита (пластина) охлаждения;18 – cooling plate (plate);
19 – внутренняя мишень;19 – internal target;
20 – внешняя мишень;20 – external target;
21 – настроечная мишень; 21 – tuning target;
22 – зазор между сегментами;22 – gap between segments;
23 – канал для охлаждающей среды;23 – channel for cooling medium;
24 – охлаждающая секция;24 – cooling section;
25 – входное отверстие для охлаждающей жидкости;25 – inlet for coolant;
26 – выходное отверстие для охлаждающей жидкости;26 – outlet for coolant;
27 – отверстия в плите для крепления сегмента 2;27 – holes in the plate for fastening segment 2;
28 – прижимное приспособление;28 – clamping device;
29 – прижимной элемент;29 – clamping element;
30 – зажим;30 – clamp;
31 – шпилька;31 – hairpin;
32 – несущая (опорная) рама; 32 – load-bearing (support) frame;
33 – вакуумная камера;33 – vacuum chamber;
34 – источник электронов;34 – source of electrons;
35 – магнитная система вращения, фокусировки и отклонения электронных пучков;35 – magnetic system for rotation, focusing and deflection of electron beams;
36 – окно выхода рентгеновского излучения;36 – X-ray exit window;
37 – детекторная система;37 – detector system;
38 – коллиматор;38 – collimator;
39 – каркас детекторной системы;39 – frame of the detector system;
40 – зазор в каркасе 39;40 – gap in frame 39;
41 – боковая стенка каркаса 39;41 – side wall of frame 39;
42 – механизм крепления и юстировки детекторной системы;42 – mechanism for fastening and adjusting the detector system;
43 – гентри;43 – gantry;
44 – стол пациента;44 – patient table;
45 – система распределения питания;45 – power distribution system;
46 – система питания и накопления электроэнергии;46 – power supply and energy storage system;
47 – высоковольтный источник питания;47 – high-voltage power supply;
48 – электроника управления разверткой пучка;48 – beam scanning control electronics;
49 – сервер системы компьютерного управления;49 – computer control system server;
50 – блок, включающий систему сбора данных и систему реконструкции данных;50 – block, including a data acquisition system and a data reconstruction system;
51 – чиллер;51 – chiller;
52 – электрокардиограф;52 – electrocardiograph;
53 – нижняя граница внутренней пластины;53 – lower border of the inner plate;
54 – нижняя граница внешней пластины;54 – lower border of the outer plate;
55 – нижняя граница настроечной пластины;55 – lower limit of the adjustment plate;
56 – крышка плиты 18.56 – plate cover 18.
Осуществление изобретенияCarrying out the invention
Ниже представлено более детальное описание реализации заявляемой группы изобретений, которое не ограничивает объем притязаний изобретений, а демонстрирует возможность их осуществления с достижением заявляемого технического результата.Below is a more detailed description of the implementation of the claimed group of inventions, which does not limit the scope of the claims of the inventions, but demonstrates the possibility of their implementation with the achievement of the claimed technical result.
Система мишеней 1, предназначенная для генерации рентгеновского излучения, согласно предлагаемому изобретению, состоит из отдельных сборочных единиц, образующих, в предпочтительном варианте реализации изобретения, двенадцать сегментов 2 (секций). Каждый сегмент 2 содержит основание 3 из теплопроводящего материала (например, из меди, графита), предпочтительно, выполненное из бескислородной меди высокой проводимости (OFHC), с тремя припаянными пластинами из сплава тяжелых металлов (вольфрам, рений и т.д.), предпочтительно из вольфрам-рениевого сплава, по меньшей мере, две из которых предназначены для генерации рентгеновского излучения – внутренняя 4 и внешняя 5, а одна является настроечной (калибровочной) – пластина 6. Пластины 4, 5, 6 при сборке системы мишеней из сегментов 2 формируют, по меньшей мере, внутреннюю 19 и внешнюю 20 дугообразные мишени (активные), на которые воздействует электронный луч, генерируемый источником электронов, а также настроечную (калибровочную) мишень 21, соответственно. Отклонение (сканирование) электронного пучка по всей длине дугообразных мишеней обеспечивает количество изображений (срезов), необходимых для формирования трехмерного изображения (термограммы) исследуемой области объекта. При этом протяженность мишеней составляет, предпочтительно, не менее 2/3 длины дуги окружности, по которой они расположены.The target system 1, intended for generating X-ray radiation, according to the invention, consists of separate assembly units, forming, in the preferred embodiment of the invention, twelve segments 2 (sections). Each segment 2 contains a base 3 of thermally conductive material (e.g. copper, graphite), preferably made of oxygen-free high conductivity copper (OFHC), with three soldered plates of a heavy metal alloy (tungsten, rhenium, etc.), preferably made of tungsten-rhenium alloy, at least two of which are designed to generate X-ray radiation - internal 4 and external 5, and one is a tuning (calibration) plate - plate 6. When assembling a target system from segments 2, plates 4, 5, 6 form at least the inner 19 and outer 20 arc-shaped targets (active), which are affected by the electron beam generated by the electron source, as well as the tuning (calibration) target 21, respectively. Deflection (scanning) of the electron beam along the entire length of the arc-shaped targets provides the number of images (slices) necessary to form a three-dimensional image (thermogram) of the studied area of the object. In this case, the length of the targets is preferably at least 2/3 of the length of the arc of the circle along which they are located.
Основание 2 выполнено со ступенчатым профилем поперечного сечения и образовано внешней 7 и внутренней 8 продольными поверхностями, стыковочными 9 торцевыми поверхностями, а также внутренней 10 и внешней 11 установочными поверхностями. Со стороны внутренней установочной поверхности 10 основание 3 выполнено по меньшей мере с двумя ступенями 12, 13, на которых закреплены внутренняя 4 и внешняя 5 дугообразные пластины для генерации рентгеновского излучения, а также снабжено площадкой 14, расположенной параллельно внешней установочной поверхности 11, на которой закреплена настроечная пластина 6. При этом ступень 12 с пластиной 4 расположена под углом α по отношению к плоскости расположения настроечной пластины, а ступень 13 с пластиной 5 - под углом β к упомянутой плоскости, где β<α. Таким образом, пластины для генерации рентгеновского излучения оказываются ориентированными под разными углами к оси сканирующей рентгеновской трубки. Углы между пластинами дугообразных мишеней рассчитывают исходя из геометрии расположения источников электронов, мишеней, размера окна выхода рентгеновского излучения и расположения детекторов для расширения сплошной области сканирования исследуемого объекта в рамках проведения одного сканирования. В одном из частных вариантов реализации изобретения угол между внутренней пластиной 4 и плоскостью, параллельной внешней установочной поверхности 11 основания сегмента системы мишеней составляет 17 градусов, угол между внешней пластиной 5 и плоскостью, параллельной внешней установочной поверхности, составляет 13 градусов.The base 2 is made with a stepped cross-section profile and is formed by outer 7 and inner 8 longitudinal surfaces, connecting 9 end surfaces, as well as inner 10 and outer 11 mounting surfaces. On the side of the inner mounting surface 10, the base 3 is made with at least two steps 12, 13, on which the inner 4 and outer 5 arc-shaped plates for generating X-ray radiation are fixed, and is also equipped with a platform 14 located parallel to the outer mounting surface 11, on which the tuning plate 6. In this case, stage 12 with plate 4 is located at an angle α relative to the plane of location of the tuning plate, and stage 13 with plate 5 is located at an angle β to the said plane, where β<α. Thus, the plates for generating X-ray radiation are oriented at different angles to the axis of the scanning X-ray tube. The angles between the plates of arc-shaped targets are calculated based on the geometry of the location of electron sources, targets, the size of the X-ray exit window and the location of the detectors to expand the continuous scanning area of the object under study within one scan. In one of the private embodiments of the invention, the angle between the inner plate 4 and the plane parallel to the outer mounting surface 11 of the base of the target system segment is 17 degrees, the angle between the outer plate 5 and the plane parallel to the outer mounting surface is 13 degrees.
В предпочтительном варианте реализации изобретения ступени 12, 13 основания 3, а также площадка 14 для размещения настроечной пластины 6 снабжены упорными выступами 16, обеспечивающими фиксацию пластин на основании в процессе пайки.In a preferred embodiment of the invention, the steps 12, 13 of the base 3, as well as the platform 14 for placing the tuning plate 6, are equipped with thrust protrusions 16 that ensure the fixation of the plates on the base during the soldering process.
Кроме того, основание 3 снабжено по меньшей мере четырьмя монтажными отверстиями 15, два из которых расположены между внутренней 4 и внешней 5 пластинами, а два других – между настроечной пластиной 6 и внешней продольной поверхностью 7 основания 2. In addition, the base 3 is equipped with at least four mounting holes 15, two of which are located between the inner 4 and outer 5 plates, and the other two - between the adjustment plate 6 and the outer longitudinal surface 7 of the base 2.
В одном из вариантов реализации изобретения габаритные размеры основания 3 могут составлять от 277,5 до 278,5 мм по длине, от 128,5 до 129,5 мм по ширине и от 47,5 до 48,5 мм по высоте. Внутренняя пластина 4 может быть выполнена с радиусом кривизны внутренней поверхности не менее 625 мм, внешняя пластина 5 - с радиусом кривизны внутренней поверхности не менее 660 мм, а настроечная пластина 6 - с радиусом кривизны внутренней поверхности не менее 710 мм. При этом нижняя граница 54 внешней пластины 5 расположена, предпочтительно, на высоте h1, составляющей не более 3,5 мм от нижней границы 55 настроечной пластины 6, а нижняя граница 53 внутренней пластины 4 - на высоте h3, составляющей не более 24 мм от нижней границы настроечной пластины 6. Нижняя граница внешней пластины 5 удалена от нижней границы внутренней пластины 4 на расстояние, предпочтительно, не более 32 мм в проекции на плоскость расположения настроечной мишени 6, и от настроечной пластины - на расстояние не более 53,5 мм. Толщина пластин составляет, предпочтительно, от 0,6 до 0,9 мм. Использование пластин меньшей толщины для улучшения контакта с основанием может привести к сокращению срока службы мишени. Ширина внутренней и внешней пластин в частных вариантах реализации изобретения составляет от 14,5 до 15 мм, ширина настроечной пластины - от 29,5 до 30 мм. Сегменты мишеней могут быть снабжены вольфрамовыми W-образными сенсорами для отслеживания положения электронного пучка на настроечной пластине. W-образный сенсор в конкретном варианте реализации изобретения может иметь диаметр прутков 0,76 мм, длину крайних прутков - 59 мм, длину центрального прутка - 43 мм, которые закреплены на теплопроводящем основании с зазором относительно настроечной пластины примерно 10 мм.In one embodiment of the invention, the overall dimensions of the base 3 can be from 277.5 to 278.5 mm in length, from 128.5 to 129.5 mm in width and from 47.5 to 48.5 mm in height. The inner plate 4 can be made with a radius of curvature of the inner surface of at least 625 mm, the outer plate 5 with a radius of curvature of the inner surface of at least 660 mm, and the adjusting plate 6 with a radius of curvature of the inner surface of at least 710 mm. In this case, the lower boundary 54 of the outer plate 5 is located, preferably, at a height h1, which is no more than 3.5 mm from the lower boundary 55 of the adjustment plate 6, and the lower boundary 53 of the inner plate 4 is located at a height h3, which is no more than 24 mm from the bottom boundaries of the tuning plate 6. The lower boundary of the outer plate 5 is removed from the lower boundary of the inner plate 4 at a distance of, preferably, no more than 32 mm in projection onto the plane of location of the tuning target 6, and from the tuning plate - at a distance of no more than 53.5 mm. The thickness of the plates is preferably from 0.6 to 0.9 mm. Using thinner plates to improve base contact may result in shorter target life. The width of the inner and outer plates in particular embodiments of the invention is from 14.5 to 15 mm, the width of the tuning plate is from 29.5 to 30 mm. Target segments can be equipped with tungsten W-shaped sensors to monitor the position of the electron beam on the tuning plate. The W-shaped sensor in a specific embodiment of the invention may have a rod diameter of 0.76 mm, a length of the outer rods of 59 mm, a length of the central rod of 43 mm, which are mounted on a heat-conducting base with a gap relative to the tuning plate of approximately 10 mm.
Во время генерации рентгеновского излучения пучок электронов перемещается с высокой скоростью по поверхности мишеней 19, 20, вызывая локальный разогрев до высоких температур, потенциально опасных для целостности материалов мишени. Основание 3 из теплопроводящего материала обеспечивает теплоотвод конструкции, исключая её деформацию при перегреве. Кроме того, конструктивом системы мишеней предусмотрена система охлаждения, расположенная со стороны внешней установочной поверхности 11 основания 3 и представляющая собой набор проточных каналов 23 для циркуляции охлаждающей среды (охлаждающих ребер), выполненных в плите 18 охлаждения, и образующих по меньшей мере две охлаждающие секции 24, пример реализации которых показан на Фиг.9, 10. During the generation of X-ray radiation, a beam of electrons moves at high speed along the surface of the targets 19, 20, causing local heating to high temperatures, potentially dangerous to the integrity of the target materials. Base 3 made of heat-conducting material ensures heat removal from the structure, eliminating its deformation when overheated. In addition, the design of the target system provides a cooling system located on the side of the external mounting surface 11 of the base 3 and representing a set of flow channels 23 for circulation of the cooling medium (cooling fins), made in the cooling plate 18, and forming at least two cooling sections 24 , an example of the implementation of which is shown in Figs. 9, 10.
В одном из частных вариантов были определены оптимальные параметры каналов (форма профиля канала, ширина, высота, расстояние между соседними каналами) системы охлаждения, обеспечивающие наилучшую эффективность теплоотвода. В частности, каналы могут быть выполнены с прямоугольным профилем поперечного сечения или иметь форму поперечного сечения в виде трапеции, предпочтительно, с углом наклона стенок 5°-10°. Требуемый профиль каналов системы охлаждения может быть реализован с помощью фрезерования в процессе изготовления плиты охлаждения. Предпочтительным является расположение каналов системы охлаждения параллельно дугообразным мишеням на равном расстоянии друг от друга. При этом в предпочтительном варианте выполнения изобретения толщина плиты охлаждения составляет от 21 до 23 мм, высота и ширина каналов в плите охлаждения - от 3 до 5 мм, расстояние между соседними каналами от 13 до 15 мм. Количество каналов может составлять не менее 7. Часть плиты 18 в области крепления сегментов выполнена шире её дугообразной верхней части.In one of the particular options, the optimal parameters of the channels (channel profile shape, width, height, distance between adjacent channels) of the cooling system were determined, ensuring the best heat removal efficiency. In particular, the channels can be made with a rectangular cross-sectional profile or have a trapezoidal cross-sectional shape, preferably with a wall angle of 5°-10°. The required profile of the cooling system channels can be realized by milling during the manufacturing process of the cooling plate. It is preferable to arrange the cooling system channels parallel to the arc-shaped targets at an equal distance from each other. In this case, in the preferred embodiment of the invention, the thickness of the cooling plate is from 21 to 23 mm, the height and width of the channels in the cooling plate is from 3 to 5 mm, the distance between adjacent channels is from 13 to 15 mm. The number of channels can be at least 7. The part of the plate 18 in the area of fastening the segments is made wider than its arched upper part.
В одном из частных вариантов реализации изобретения входные отверстия 25 для охлаждающей жидкости расположены в центральной части кольца плиты 18 (её нижней части), а выходные 26 – на концах её широкой части, при этом циркуляция охлаждающей жидкости осуществляется в двух частях плиты – охлаждающих секциях 24, симметричных относительно вертикальной оси, проходящей через центр кольцеобразной плиты 18. Плита охлаждения снабжена крышками 56, обеспечивающими герметичность охлаждаемых секций 24. Описанный вариант конструктивного выполнения системы охлаждения обеспечивает оптимальную плотность ребер, что приводит к уменьшению затрат на механическую обработку, при этом достигается расход охлаждающей жидкости приблизительно 3 галлона в минуту. Данный расход охлаждающей жидкости и её рабочая температура около 20°C являются достаточными для достижения полного охлаждения конструкции по истечении периода 450 с. Повышение расхода и предварительное охлаждение жидкости не обеспечивают дополнительных преимуществ при работе системы охлаждения. In one of the private embodiments of the invention, the inlet holes 25 for the coolant are located in the central part of the ring of the plate 18 (its lower part), and the outlets 26 are at the ends of its wide part, while the circulation of the coolant is carried out in two parts of the plate - cooling sections 24 , symmetrical with respect to the vertical axis passing through the center of the annular plate 18. The cooling plate is equipped with covers 56 that ensure the tightness of the cooled sections 24. The described design option for the cooling system ensures optimal fin density, which leads to a reduction in machining costs, while achieving the cooling flow rate liquid approximately 3 gallons per minute. This coolant flow rate and its operating temperature of about 20°C are sufficient to achieve complete cooling of the structure after a period of 450 s. Increasing the flow rate and precooling the fluid does not provide additional benefits to the operation of the cooling system.
Для улучшения отведения тепла из нагреваемых частей конструкции может быть использована подложка из интерфейсного материала, расположенная между основаниями 3 сегментов 2 и плитой 18 охлаждения, которая увеличивает пропускную способность по теплообмену в среде высокого вакуума внутри камеры. В качестве материала подложки может выступать, например, пиролитический графит. Плита охлаждения снабжена отверстиями для её крепления на несущей раме электронно-лучевого сканера.To improve heat removal from the heated parts of the structure, a substrate made of an interface material can be used, located between the bases of the 3 segments 2 and the cooling plate 18, which increases the heat transfer capacity in a high vacuum environment inside the chamber. The substrate material can be, for example, pyrolytic graphite. The cooling plate is equipped with holes for mounting it on the supporting frame of the electron beam scanner.
Сегменты 2 соседних теплопроводящих оснований расположены с небольшим зазором друг относительно друга, образованным между стыковочными боковыми поверхностями 9, и рассчитанным исходя из линейного расширения теплопоглощающей конструкции из бескислородной меди высокой проводимости (общего увеличения всей длины кольца теплопроводящих блоков исходя из рассчитанной деформации каждого края сегмента менее чем на 0,2 мм при термической нагрузке в течение 6 секунд). Для компенсации данной деформации теплопоглощающие конструкции содержат зазоры, предпочтительно, от 0,35 до 0,45 мм (например, 0,4 мм), расположенные радиально между соседними основаниями сегментов системы мишеней. Расположение сегментов мишени с зазором друг относительно друга на величину, меньше расчетной, может приводить к их механическому повреждению в результате расширения сегментов мишеней при воздействии на них энергией электронов. Расположение сегментов мишени с зазором друг относительно друга на величину, больше расчетной, может приводить к возникновению дефектов (неоднородностям) на получаемых рентгеновских изображениях исследуемых объектов.Segments of 2 adjacent heat-conducting bases are located with a small gap relative to each other, formed between the joining side surfaces 9, and calculated based on the linear expansion of the heat-absorbing structure made of oxygen-free copper of high conductivity (the total increase in the entire length of the ring of heat-conducting blocks based on the calculated deformation of each edge of the segment is less than by 0.2 mm under thermal load for 6 seconds). To compensate for this deformation, the heat-absorbing structures contain gaps, preferably from 0.35 to 0.45 mm (for example, 0.4 mm), located radially between adjacent bases of the segments of the target system. The arrangement of target segments with a gap relative to each other by an amount less than the calculated one can lead to their mechanical damage as a result of expansion of the target segments when exposed to electron energy. The arrangement of target segments with a gap relative to each other by an amount larger than the calculated one can lead to the appearance of defects (inhomogeneities) in the resulting X-ray images of the objects under study.
Процесс пайки пластин для генерации рентгеновского излучения к теплопроводящему основанию осуществляют в вакуумной печи, например, модели Ipsen Turbo Treater. Для обеспечения точности и плотного прилегания пластин к основанию в процессе пайки может быть использовано приспособление 28, представленное на Фиг.11. Данное приспособление обеспечивает точную пайку без образования пустот и без деформации поверхности пластин.The process of soldering plates to generate X-ray radiation to a heat-conducting base is carried out in a vacuum oven, for example, the Ipsen Turbo Treater model. To ensure accuracy and tight fit of the plates to the base during the soldering process, fixture 28, shown in Fig. 11, can be used. This device ensures precise soldering without the formation of voids and without deformation of the surface of the plates.
Ниже представлено описание примера осуществления сборки системы мишеней.Below is a description of an example of how to assemble a target system.
Нарезают пластины из материала Bag-8 толщиной 0,1 мм, которые используют в качестве припоя в процессе пайки. Размеры припоя должны совпадать с размерами вольфрам-рениевых пластин. Осуществляют никелирование вольфрам-рениевых пластин, очистку деталей приспособления ацетоном. Пластины устанавливают на теплопроводящее основание (медный блок), предварительно поместив припой между основанием и пластинами, после чего закрепляют данную конструкцию в приспособлении 28. При этом основание болтами крепят к плите из нержавеющей стали для сохранения плоскостности во время процесса пайки. С помощью графитовых прижимых элементов 29 прижимают вольфрам-рениевые пластины к основанию с использованием зажимов 30 и шпилек 31 из нержавеющей стали. Это позволяет вольфрам-рениевым пластинам принимать форму медного блока во время процесса пайки. Поскольку в результате точной резки на деталях из вольфрам-рениевого сплава образуется прямая кромка, для полного прилегания вольфрам-рениевых пластин на медном блоке в области установочного буртика предварительно срезают фаску на внутренней кромке (кромке, которая находится в месте установочного буртика) деталей из вольфрам-рениевого сплава на ленточно-шлифовальном станке. Всю конструкцию помещают в вакуумную печь. Пошагово нагревают печь до 885oC, что приблизительно на 93oC выше температуры плавления припоя Bag-8 (780 oC), и быстро охлаждают конструкцию путем введения аргона. Затем конструкцию медленно охлаждают в течение часа для дальнейшего извлечения из печи и охлаждения на воздухе. Осуществляют контроль соединения вольфрам-рениевого сплава с медью на наличие непропаянных пустот (например, методом ультразвуковой дефектоскопии). При необходимости сегмент мишени обрезают по размеру, обеспечивающему достижение наиболее точного и наиболее плоского профиля кольца мишени, находящегося внутри вакуумной камеры. Медные блоки с припаянными пластинами помещают в ультразвуковую ванну для очистки, после чего устанавливают на плиту охлаждения с зазором 0,4 мм друг относительно друга. При этом для крепления блоков мишени на плите охлаждения используют отверстия 27 в плите, которые позволяют позиционировать блоки мишеней с указанным зазором. На сегменты мишеней могут быть также установлены W-образные сенсоры 17. Plates of Bag-8 material with a thickness of 0.1 mm are cut, which are used as solder in the soldering process. The dimensions of the solder must match the dimensions of the tungsten-rhenium plates. The tungsten-rhenium plates are nickel-plated and the device parts are cleaned with acetone. The plates are installed on a heat-conducting base (copper block), having previously placed solder between the base and the plates, after which this structure is secured in fixture 28. In this case, the base is bolted to a stainless steel plate to maintain flatness during the soldering process. Using graphite clamping elements 29, the tungsten-rhenium plates are pressed to the base using clamps 30 and stainless steel pins 31. This allows the tungsten-rhenium plates to conform to the shape of the copper block during the soldering process. Since precision cutting results in a straight edge on parts made of tungsten-rhenium alloy, to ensure complete fit of the tungsten-rhenium plates on the copper block in the area of the mounting collar, a chamfer is first cut on the inner edge (the edge that is located at the location of the mounting collar) of the tungsten-rhenium parts. rhenium alloy on a belt grinding machine. The entire structure is placed in a vacuum oven. Step by step, heat the furnace to 885 o C, which is approximately 93 o C above the melting point of Bag-8 solder (780 o C), and quickly cool the structure by introducing argon. The structure is then slowly cooled for an hour before being removed from the oven and cooled in air. The connection of the tungsten-rhenium alloy with copper is monitored for the presence of unsoldered voids (for example, by ultrasonic flaw detection). If necessary, the target segment is cut to a size that achieves the most accurate and flattest profile of the target ring located inside the vacuum chamber. Copper blocks with soldered plates are placed in an ultrasonic bath for cleaning, and then placed on a cooling plate with a gap of 0.4 mm relative to each other. In this case, to attach the target blocks to the cooling plate, holes 27 are used in the plate, which allow the target blocks to be positioned with the specified gap. W-shaped sensors 17 can also be installed on target segments.
Изготовленную систему мишеней в соответствии с заявляемым изобретением используют в устройстве для генерации рентгеновского излучения и электронно-лучевом сканере. Устройстве для генерации рентгеновского излучения включает установленную на несущей раме 32 вакуумную камеру 33, на переднем конце которой устанавливают данную систему мишеней 1, а на задней части камеры - два источника электронов 34 (электронные пушки), питаемые от высоковольтного источника напряжения, каждый из которых создает пучок электронов с заданной кинетической энергией и необходимой конфигурацией. Устройство также включает магнитную систему вращения, фокусировки и отклонения электронных пучков 35, направляющую пучки вдоль траекторий по направлению на активные (генерирующие) дугообразные кольцевые мишени, и окна выхода рентгеновского излучения 36, ограничивающие распространение рентгеновского излучения (обеспечивающие распространение рентгеновского излучения только на исследуемый объект). При этом магнитная система включает одну фокусирующую катушку и несколько отклоняющих катушек для каждого источника электронов, которые размещаются на вакуумной камере и запитываются от источника тока с управлением. Вакуумная камера представляет собой сварную несущую конструкцию из нержавеющей стали, которая имеет экранировку от рентгеновского излучения и обеспечивает сверхвысокий вакуум от 10-5 до 10-9 Па, который необходим для формирования электронного пучка. Окно выхода рентгеновского излучения выполнено из тонкого рентген-прозрачного металла (например, бериллий, тонкая нержавеющая сталь) и является частью вакуумной камеры в области выхода рентгеновского излучения. Область рентгеновского окна расположена напротив мишеней и позволяют пучку генерируемого рентгеновского излучения перемещаться в исследуемой зоне. Угол между мишенями обеспечивает сплошное покрытие исследуемого объекта рентгеновским излучением.The manufactured target system in accordance with the claimed invention is used in a device for generating X-ray radiation and an electron beam scanner. The device for generating X-ray radiation includes a vacuum chamber 33 mounted on the supporting frame 32, at the front end of which this target system 1 is installed, and at the rear of the chamber - two electron sources 34 (electron guns), powered from a high-voltage voltage source, each of which creates a beam of electrons with a given kinetic energy and the required configuration. The device also includes a magnetic system for rotating, focusing and deflecting electron beams 35, directing the beams along trajectories towards active (generating) arc-shaped ring targets, and X-ray output windows 36, limiting the spread of X-ray radiation (ensuring the spread of X-ray radiation only to the object under study) . In this case, the magnetic system includes one focusing coil and several deflecting coils for each electron source, which are placed on a vacuum chamber and powered from a controlled current source. The vacuum chamber is a welded supporting structure made of stainless steel, which is shielded from X-ray radiation and provides an ultra-high vacuum from 10 -5 to 10 -9 Pa, which is necessary for the formation of an electron beam. The X-ray output window is made of thin X-ray transparent metal (eg beryllium, thin stainless steel) and is part of the vacuum chamber in the area of the X-ray output. The X-ray window area is located opposite the targets and allows the beam of generated X-ray radiation to move in the area of interest. The angle between the targets ensures continuous coverage of the object under study with X-ray radiation.
Электронно-лучевой сканер (сканирующая система) включает установленные на несущей раме 32 вышеописанное устройство для генерации рентгеновского излучения, детекторную систему 37 и коллиматор 38, расположенный между системой мишеней и детекторной системой. Детекторная система образована набором сцинтилляционных матриц, закрепленных на кольцеобразном каркасе 39, который снабжен зазором 40, разделяющим детекторную систему 37 на два кольцеобразных сектора. При этом каркас 39 выполнен с боковыми стенками 41, одна из которых является съемной, и снабжен механизмом 42 для крепления и юстировки детекторной системы, а также фиксации каркаса к несущей раме, при этом в зафиксированном положении боковые стенки каркаса расположены с противоположных сторон от несущей рамы. Система мишеней 1 закреплена на несущей раме посредством крепления к раме кольцеобразной плиты 18. Каркас 39 расположен концентрично относительно системы мишеней с размещением зазора 40 напротив выходного окна 36 устройства для генерации рентгеновского излучения, при этом один сектор детекторной системы расположен с возможностью детектирования излучения от внутренней мишени 19, а другой – от внешней 20, где внутренняя и внешняя мишени расположены с обеспечением прохода генерируемого излучения в зазор 40. В предпочтительном варианте реализации изобретения внутренний диаметр каркаса детекторной системы составляет не менее 1040 мм, при этом диаметр кольцеобразного сектора составляет не менее 1175 мм и его ширина не менее 235 мм. Каждый сектор детекторной системы включает набор сцинтилляционных матриц размером не менее 16х32 с размером пикселя не более 1,06 мм на 1,12 мм, с общей площадью детектирования не менее 16 см2. Зазор 40 в кольцеобразном каркасе может быть выполнен шириной от 16,5 до 17 мм и удален от нижней границы внутренней мишени на расстоянии не более 50 мм. The electron beam scanner (scanning system) includes the above-described device for generating X-ray radiation, a detector system 37 and a collimator 38 installed on a supporting frame 32, located between the target system and the detector system. The detector system is formed by a set of scintillation matrices mounted on a ring-shaped frame 39, which is equipped with a gap 40 dividing the detector system 37 into two ring-shaped sectors. In this case, the frame 39 is made with side walls 41, one of which is removable, and is equipped with a mechanism 42 for fastening and adjusting the detector system, as well as fixing the frame to the supporting frame, while in the fixed position the side walls of the frame are located on opposite sides of the supporting frame . The target system 1 is fixed to the supporting frame by attaching an annular plate 18 to the frame. The frame 39 is located concentrically relative to the target system with a gap 40 located opposite the output window 36 of the device for generating X-ray radiation, while one sector of the detector system is located with the ability to detect radiation from the internal target 19, and the other from the outer 20, where the inner and outer targets are located to ensure the passage of the generated radiation into the gap 40. In the preferred embodiment of the invention, the internal diameter of the detector system frame is at least 1040 mm, while the diameter of the annular sector is at least 1175 mm and its width is at least 235 mm. Each sector of the detector system includes a set of scintillation matrices measuring at least 16x32 with a pixel size of no more than 1.06 mm by 1.12 mm, with a total detection area of at least 16 cm 2 . The gap 40 in the ring-shaped frame can be made with a width of 16.5 to 17 mm and removed from the lower boundary of the inner target at a distance of no more than 50 mm.
В соответствии с заявляемым изобретением была изготовлена система мишеней, составленная из 12 сегментов, закрепленных на кольцеобразной плите с зазором 0,4 мм между соседними сегментами. Габаритные размеры основания сегмента составляли: L1=278 мм, L2=139 мм, L3=129 мм (Фиг.5). Ширина внутренней и внешней пластин, закрепленных на основании, составляла 14,5 мм, ширина настроечной пластины - 29,5 мм. Высота b1 выступа составляла 0,9 мм. Толщина пластин составляла 0,8 мм, при этом внешняя пластина закреплена под углом α= 17° по отношению к плоскости расположения настроечной пластины, а внутренняя пластина – под углом β=13° к данной плоскости. Радиус кривизны внутренней продольной поверхности сегмента R1= 621 мм; радиус кривизны внешней поверхности внутренней пластины R2=644 мм; радиус кривизны внешней поверхности настроечной пластины R3=714 мм, радиус кривизны внешней поверхности внешней пластины R4=675 мм, радиус кривизны внутренней поверхности внутренней пластины R5=629,7 мм, радиус кривизны внутренней поверхности внешней пластины R6=661,1 мм, радиус кривизны внутренней поверхности настроечной пластина R7=714,2 мм (Фиг.5). Нижняя граница внешней пластины расположена на высоте h1=3,5 мм от нижней границы настроечной пластины, верхняя граница внутренней пластины расположена на высоте h2=21,1 мм от нижней границы настроечной пластины, а нижняя граница внутренней пластины расположена на высоте h3=23,6 мм от нижней границы настроечной пластины, при этом нижняя граница внешней пластины удалена от нижней границы внутренней пластины на расстояние 31,4 мм в проекции на плоскость расположения настроечной мишени; нижняя граница внешней пластины удалена от настроечной пластины на расстояние 53,1 мм. Сегменты снабжены вольфрамовыми W-образными сенсорами для отслеживания положения электронного пучка на настроечной пластине. Прутки имели диаметр 0,76 мм, длина крайних прутков составляла 59 мм, центрального прутка - 43 мм. Прутки были закреплены на теплопроводящем основании с зазором относительно настроечной пластины 10 мм. Плита, на которой были установлены сегменты, имела габаритные размеры L4=1491 мм, L5=1636,6, внутренний радиус кривизны плиты охлаждения R8=587,5. Толщина плиты охлаждения составляла L6=22 мм. Плита была разделена на две секции, каждая из которых была образована семью каналами для охлаждающей жидкости, имеющими прямоугольный профиль поперечного сечения, с расстоянием между соседними каналами L7=14 мм, шириной каналов L8=4 мм и высотой каналов L11=8 мм. Величина зазора (полости) между нижней границей крышки и верхней границей прямоугольного канала составляла L9=8 мм, толщина плиты охлаждения от нижней границы канала до нижней границы плиты охлаждения составляла L10=4 мм. Система мишеней закреплялась на несущей раме с вакуумной камерой, на которой также устанавливались каркас с детекторной системой, включающей 1161 сцинтилляционную матрицу размером 16х32 с размером пикселя 1,06 мм на 1,12 мм, и коллиматор, при этом внутренний диаметр каркаса детекторной системы составлял 1040 мм. В каркасе был выполнен зазор шириной 16,5 мм, разделяющий детекторную систему на два кольцеобразных сектора шириной 235 мм, расположенный на расстоянии 50 мм от нижней границы внутренней мишени. Диаметр кольцеобразного сектора составлял 1175 мм. Окно выхода рентгеновского излучения представляло собой полосу нержавеющей стали толщиной 0,38 мм. In accordance with the claimed invention, a target system was manufactured consisting of 12 segments mounted on a ring-shaped plate with a gap of 0.4 mm between adjacent segments. The overall dimensions of the base of the segment were: L1=278 mm, L2=139 mm, L3=129 mm (Figure 5). The width of the inner and outer plates fixed to the base was 14.5 mm, the width of the tuning plate was 29.5 mm. The height b1 of the protrusion was 0.9 mm. The thickness of the plates was 0.8 mm, with the outer plate fixed at an angle α = 17° relative to the plane of the adjustment plate, and the inner plate at an angle β = 13° to this plane. Radius of curvature of the inner longitudinal surface of the segment R1= 621 mm; radius of curvature of the outer surface of the inner plate R2=644 mm; radius of curvature of the outer surface of the tuning plate R3=714 mm, radius of curvature of the outer surface of the outer plate R4=675 mm, radius of curvature of the inner surface of the inner plate R5=629.7 mm, radius of curvature of the inner surface of the outer plate R6=661.1 mm, radius of curvature inner surface of the adjustment plate R7 = 714.2 mm (Fig. 5). The lower boundary of the outer plate is located at a height of h1=3.5 mm from the lower boundary of the tuning plate, the upper boundary of the inner plate is located at a height of h2=21.1 mm from the lower boundary of the tuning plate, and the lower boundary of the inner plate is located at a height of h3=23, 6 mm from the lower border of the tuning plate, while the lower border of the outer plate is removed from the lower border of the inner plate by a distance of 31.4 mm in projection onto the plane of the tuning target; the lower border of the outer plate is removed from the adjustment plate at a distance of 53.1 mm. The segments are equipped with tungsten W-shaped sensors to monitor the position of the electron beam on the tuning plate. The rods had a diameter of 0.76 mm, the length of the outer rods was 59 mm, and the length of the central rod was 43 mm. The rods were fixed on a heat-conducting base with a gap of 10 mm relative to the adjustment plate. The plate on which the segments were installed had overall dimensions L4=1491 mm, L5=1636.6, internal radius of curvature of the cooling plate R8=587.5. The thickness of the cooling plate was L6=22 mm. The plate was divided into two sections, each of which was formed by seven coolant channels having a rectangular cross-section profile, with a distance between adjacent channels L7=14 mm, channel width L8=4 mm and channel height L11=8 mm. The size of the gap (cavity) between the lower boundary of the cover and the upper boundary of the rectangular channel was L9=8 mm, the thickness of the cooling plate from the lower boundary of the channel to the lower boundary of the cooling plate was L10=4 mm. The target system was mounted on a supporting frame with a vacuum chamber, on which a frame with a detector system was also installed, including 1161 scintillation matrices measuring 16x32 with a pixel size of 1.06 mm by 1.12 mm, and a collimator, while the internal diameter of the detector system frame was 1040 mm. A 16.5 mm wide gap was made in the frame, dividing the detector system into two ring-shaped sectors 235 mm wide, located at a distance of 50 mm from the lower boundary of the internal target. The diameter of the ring-shaped sector was 1175 mm. The X-ray exit window was a strip of stainless steel 0.38 mm thick.
Типовые параметры сканирования, обеспечиваемые изготовленным сканером: анодное напряжение от -70 кВ до -140 кВ; ток пучка, определяемый первеансом источника электронов, равен 1,5А при напряжении на катоде -140 кВ; вакуум в источнике электронов - 10-8-10-7 Торр, в сканирующей трубке в области мишени - 10-6-10-5 Торр; время пробега пучка по мишени (длительность одного сканирования) 25 мс; размер осей эллипса пятна пучка на мишени порядка 1 мм на 7 мм. Протяженность сканирующей области - 16 см. Апертура сканера (диаметр гентри) составляла 100 см.Typical scanning parameters provided by the manufactured scanner: anode voltage from -70 kV to -140 kV; the beam current, determined by the perveance of the electron source, is equal to 1.5 A at a cathode voltage of -140 kV; vacuum in the electron source is 10 -8 -10 -7 Torr, in the scanning tube in the target area - 10 -6 -10 -5 Torr; travel time of the beam over the target (duration of one scan) 25 ms; The size of the ellipse axes of the beam spot on the target is about 1 mm by 7 mm. The length of the scanning area was 16 cm. The scanner aperture (gantry diameter) was 100 cm.
На Фиг.14 представлен общий вид электронно-лучевого компьютерного томографа, реализованного с использованием заявляемой группы изобретений, с дополнительным оборудованием, и который включает электронно-лучевой сканер с гентри 43, и связанные со сканером электронный блок управления, выполненный с возможностью регулировки подачи напряжения на устройство для генерации рентгеновского излучения электронно-лучевого сканера и съема информации с детектора, систему распределения питания 45, систему питания и накопления электроэнергии 46, высоковольтный источник напряжения 47, чиллер 51. При этом электронный блок управления включает электронику управления разверткой пучка (ЭУРП) 48, систему компьютерного управления 49, блок 50, включающий систему сбора данных и систему реконструкции данных. В состав томографа также входят стол пациента 44, электрокардиограф 52 и пульт управления (не показан). ЭУРП размещена в стандартной стойке и связана с помощью соединительных кабелей с системой распределения питания, системой магнитного отклонения, системой компьютерного управления, системой сбора данных, столом пациента, высоковольным источником питания, электрокардиографом. Figure 14 shows a general view of an electron beam computed tomograph, implemented using the claimed group of inventions, with additional equipment, and which includes an electron beam scanner with a gantry 43, and an electronic control unit associated with the scanner, configured to adjust the voltage supply to a device for generating X-ray radiation from an electron beam scanner and retrieving information from the detector, a power distribution system 45, a power supply and energy storage system 46, a high-voltage voltage source 47, a chiller 51. In this case, the electronic control unit includes the beam scan control electronics (EBSC) 48, computer control system 49, block 50, including a data acquisition system and a data reconstruction system. The tomograph also includes a patient table 44, an electrocardiograph 52 and a control panel (not shown). The EURP is located in a standard rack and is connected via connecting cables to a power distribution system, a magnetic deflection system, a computer control system, a data acquisition system, a patient table, a high-voltage power supply, and an electrocardiograph.
При выходе из источника пучок электронов попадает в электронно-лучевой сканер через фланец со встроенным электродом для удаления ионов, который «перехватывает» ионы, перемещающиеся из зоны мишени в зону катода, с целью минимизации воздействия таких ионов на поверхность катода и влияния на неоднородность пространственного заряда пучка. Электронный пучок управляется системой магнитного отклонения, которая состоит из фокусирующего соленоида (создает первичную фокусировку пучка), двух пар дипольных катушек (создают поперечные по отношению к оси пучка магнитные отклоняющие поля, а также квадрупольный момент для создания эллиптического поперечного сечения пучка), угловых квадрупольных катушек для «вращения» эллипса пучка. Управление токами в катушках осуществляет электроника управления разверткой пучка. Электронный пучок, выходящий из источника, фокусируется на находящуюся под вакуумом рентгеновскую мишень и сканирует ее. Источник рентгеновского излучения передвигается по дуге окружности, рентгеновское излучение проходит через исследуемый объект в области гентри и детектируется матрицей приемных элементов. Сигналы с детекторов преобразуются в данные, которые используются для создания трехмерных изображений объема исследуемого объекта. При этом система сбора данных, входящая в состав электронно-лучевого компьютерного томографа, обеспечивает считывание и передачу данных с детекторной системы на сервер сбора данных и осуществляет запись собранных данных в память сервера. Полученный набор данных обрабатывается системой реконструкции данных с помощью алгоритмов реконструкции, позволяющих получить изображение объема исследуемого объекта. Свойства электронного пучка и пятна пучка на мишени должны оставаться в рамках заданных значений в течение всей развертки. Магнитная система обеспечивает поочередное перемещение пучков электронов по дугообразным секциям системы мишени, расположенным под различными углами, для расширения области сканирования исследуемого объекта в рамках проведения одного сканирования. Использование двух источников электронов обеспечивает пропорциональное уменьшение длины траектории электронных пучков и, соответственно, уменьшение линейных размеров электронно-лучевого сканера вдоль оси сканирования. При этом уменьшение времени проведения одного сканирования определяется соответствующим уменьшением траектории развертки (дугообразной мишени), которая приходится на один источник.Upon exiting the source, the electron beam enters the electron beam scanner through a flange with a built-in ion removal electrode, which “intercepts” ions moving from the target area to the cathode area in order to minimize the impact of such ions on the cathode surface and the impact on space charge inhomogeneity beam. The electron beam is controlled by a magnetic deflection system, which consists of a focusing solenoid (creates primary focusing of the beam), two pairs of dipole coils (create magnetic deflection fields transverse to the beam axis, as well as a quadrupole moment to create an elliptical cross-section of the beam), angular quadrupole coils to “rotate” the beam ellipse. The currents in the coils are controlled by the beam scanning control electronics. The electron beam emerging from the source is focused onto an X-ray target located under vacuum and scans it. The X-ray source moves along a circular arc, X-ray radiation passes through the object under study in the gantry area and is detected by a matrix of receiving elements. Signals from the detectors are converted into data, which is used to create three-dimensional images of the volume of the object under study. In this case, the data acquisition system, which is part of the electron beam computed tomograph, provides reading and transmission of data from the detector system to the data acquisition server and writes the collected data into the server’s memory. The resulting data set is processed by the reconstruction system data using reconstruction algorithms that make it possible to obtain an image of the volume of the object under study. The properties of the electron beam and the beam spot on the target must remain within the specified values throughout the entire sweep. The magnetic system provides alternate movement of electron beams along arc-shaped sections of the target system located at different angles to expand the scanning area of the object under study within a single scan. The use of two electron sources ensures a proportional reduction in the length of the electron beam trajectory and, accordingly, a reduction in the linear dimensions of the electron beam scanner along the scanning axis. In this case, the reduction in the time of one scan is determined by the corresponding reduction in the scanning trajectory (arc-shaped target), which falls on one source.
Заявленный электронно-лучевой сканер характеризуется надежной и простой конструкцией, обеспечивает повышение качества рентгеновских изображений, сокращение времени сканирования, а также характеризуется протяженностью области сканирования не менее 16 см.The claimed electron beam scanner is characterized by a reliable and simple design, improves the quality of X-ray images, reduction of scanning time, and is also characterized by a scanning area of at least 16 cm.
Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что в электронно-лучевой сканер согласно изобретению могут быть внесены различные модификации и усовершенствования, не выходящие за рамки формулы изобретения. Электронно-лучевой сканер может быть изготовлен с использованием известных материалов, оборудований и технологий, и может найти широкое применение для получения томографических изображений различных объектов для медицины (кардиологических исследований) и промышленного неразрушающего контроля.Those skilled in the art will appreciate that various modifications and improvements may be made to the electron beam scanner of the invention without departing from the scope of the claims. An electron beam scanner can be manufactured using known materials, equipment and technologies, and can be widely used for obtaining tomographic images of various objects for medicine (cardiological studies) and industrial non-destructive testing.
Claims (18)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2811066C1 true RU2811066C1 (en) | 2024-01-11 |
Family
ID=
Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5729584A (en) * | 1993-01-25 | 1998-03-17 | Cardiac Mariners, Inc. | Scanning-beam X-ray imaging system |
| RU2164081C2 (en) * | 1999-04-27 | 2001-03-20 | Кванта Вижн, Инк. | Limited-angle x-ray tomograph |
| US20100072384A1 (en) * | 2008-09-22 | 2010-03-25 | Douglas Perry Boyd | Electron beam scanner |
| US20100123087A1 (en) * | 2008-11-19 | 2010-05-20 | Telesecurity Sciences, Inc. | Method and apparatus for production and maintenance of electron beam space-charge neutralization |
| RU123225U1 (en) * | 2011-12-09 | 2012-12-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева" (НГТУ) | X-ray tube anode stationary |
| RU2508052C2 (en) * | 2008-05-09 | 2014-02-27 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | System for x-ray examination with in-built drive device for performing translational and/or rotary movements of focus spot, of, at least, one anode, emitting x-ray radiation, relative to immobile installation position and with means for compensation of resulting parallel and/or angular shifts of emitted x-ray beams |
| RU2578675C1 (en) * | 2013-06-28 | 2016-03-27 | Демидова Елена Викторовна | Multibeam x-ray tube |
| RU2596715C2 (en) * | 2011-02-22 | 2016-09-10 | Конинклейке Филипс Н.В. | Detection device |
| RU2599276C1 (en) * | 2014-06-25 | 2016-10-10 | Тсинхуа Юниверсити | Detector device, computer tomography system with two energy levels and method of detecting using said system |
| RU2634906C2 (en) * | 2012-12-27 | 2017-11-08 | Тсинхуа Юниверсити | Device and method for obtaining distributed x-rays |
| RU2636752C2 (en) * | 2012-09-21 | 2017-11-28 | Сименс Акциенгезелльшафт | Device having anode for generating x-ray radiation |
| EP3734636A1 (en) * | 2017-12-25 | 2020-11-04 | Nanovision Technology (Beijing) Co., Ltd. | Arc-shaped multi-focal point fixed anode gate controlled ray source |
Patent Citations (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5729584A (en) * | 1993-01-25 | 1998-03-17 | Cardiac Mariners, Inc. | Scanning-beam X-ray imaging system |
| RU2164081C2 (en) * | 1999-04-27 | 2001-03-20 | Кванта Вижн, Инк. | Limited-angle x-ray tomograph |
| RU2508052C2 (en) * | 2008-05-09 | 2014-02-27 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | System for x-ray examination with in-built drive device for performing translational and/or rotary movements of focus spot, of, at least, one anode, emitting x-ray radiation, relative to immobile installation position and with means for compensation of resulting parallel and/or angular shifts of emitted x-ray beams |
| US8530849B2 (en) * | 2008-09-22 | 2013-09-10 | Telesecurity Sciences, Inc. | Electron beam scanner |
| US20100072384A1 (en) * | 2008-09-22 | 2010-03-25 | Douglas Perry Boyd | Electron beam scanner |
| US20100123087A1 (en) * | 2008-11-19 | 2010-05-20 | Telesecurity Sciences, Inc. | Method and apparatus for production and maintenance of electron beam space-charge neutralization |
| RU2596715C2 (en) * | 2011-02-22 | 2016-09-10 | Конинклейке Филипс Н.В. | Detection device |
| RU123225U1 (en) * | 2011-12-09 | 2012-12-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева" (НГТУ) | X-ray tube anode stationary |
| RU2636752C2 (en) * | 2012-09-21 | 2017-11-28 | Сименс Акциенгезелльшафт | Device having anode for generating x-ray radiation |
| RU2634906C2 (en) * | 2012-12-27 | 2017-11-08 | Тсинхуа Юниверсити | Device and method for obtaining distributed x-rays |
| RU2578675C1 (en) * | 2013-06-28 | 2016-03-27 | Демидова Елена Викторовна | Multibeam x-ray tube |
| RU2599276C1 (en) * | 2014-06-25 | 2016-10-10 | Тсинхуа Юниверсити | Detector device, computer tomography system with two energy levels and method of detecting using said system |
| EP3734636A1 (en) * | 2017-12-25 | 2020-11-04 | Nanovision Technology (Beijing) Co., Ltd. | Arc-shaped multi-focal point fixed anode gate controlled ray source |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7068749B2 (en) | Stationary computed tomography system with compact x ray source assembly | |
| US20110135066A1 (en) | Multi-segment anode target for an x-ray tube of the rotary anode type with each anode disk segment having its own anode inclination angle with respect to a plane normal to the rotational axis of the rotary anode and x-ray tube comprising a rotary anode with such a multi-segment anode target | |
| EP0461776A2 (en) | X-ray analysis apparatus, especially computer tomography apparatus | |
| US20060104418A1 (en) | Wide scanning x-ray source | |
| US20100098218A1 (en) | Apparatus for providing shielding in a multispot x-ray source and method of making same | |
| JP2004357724A (en) | X-ray ct apparatus, x-ray generating apparatus, and data collecting method of x-ray ct apparatus | |
| US9251987B2 (en) | Emission surface for an X-ray device | |
| US7359486B2 (en) | Structure for collecting scattered electrons | |
| US7809101B2 (en) | Modular multispot X-ray source and method of making same | |
| US20240347310A1 (en) | X-ray tube cathode focusing element | |
| JPH0235417B2 (en) | ||
| JP4585195B2 (en) | X-ray CT system | |
| RU2811066C1 (en) | Target system of device for generating x-ray radiation of electron beam computed tomograph with double radiation source, device for generating x-ray radiation and electron beam scanner based on it | |
| JP5890309B2 (en) | X-ray tube apparatus and X-ray CT apparatus | |
| EP4243050A2 (en) | X-ray cathode focusing element | |
| US7027559B2 (en) | Method and apparatus for generating x-ray beams | |
| US6603834B1 (en) | X-ray tube anode cold plate | |
| US20240105415A1 (en) | X-ray tube assembly and x-ray ct equipment | |
| US20240339284A1 (en) | X-ray cathode shield | |
| JP5766128B2 (en) | X-ray tube apparatus and X-ray CT apparatus | |
| EP4443469A2 (en) | X-ray cathode shield | |
| US12100571B2 (en) | X-ray tube device and X-ray CT apparatus | |
| JP6777526B2 (en) | X-ray tube device and X-ray CT device | |
| JP6798941B2 (en) | X-ray tube device and X-ray CT device | |
| JP2013093102A (en) | X-ray tube device and x-ray ct device |