專利名稱：X射線管以及x射線管的離子偏轉(zhuǎn)和收集裝置的電壓供應(yīng)方法
X射線管以及X射線管的離子偏轉(zhuǎn)和收集裝置的電壓供應(yīng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及具有單對(duì)電極的x射線管的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及離 子偏轉(zhuǎn)和收集裝置(IDC)的電壓源以及控制和提供IDC的電壓電位的方法。 更具體地，本發(fā)明涉及具有產(chǎn)生電子束的陰極和由單對(duì)電極組成的離子偏 轉(zhuǎn)和收集裝置(IDC)的X射線管，還涉及由單對(duì)電極組成的偏轉(zhuǎn)和收集裝 置的電壓供應(yīng)方法。本發(fā)明適用于其中為了保持穩(wěn)態(tài)而必須避免離子轟擊 電子發(fā)射器件的任何領(lǐng)域。
傳統(tǒng)X射線管包括至少兩個(gè)分離的電子發(fā)射極。由于在這些管中陰極 和陽(yáng)極之間的距離很小，所以不能實(shí)現(xiàn)波束成形透鏡。僅陰極杯(cathode cup)影響焦斑的尺寸和形狀。在陰極杯中，發(fā)射極是幾何分離的，因此與 光軸不成直線。因此，每個(gè)發(fā)射極僅產(chǎn)生一個(gè)焦斑。
高端和下一代X射線管需要能夠提供可變的焦斑尺寸和形狀。與傳統(tǒng) 的X射線管相比，在不同的波束成形透鏡之間，這些管在陰極和陽(yáng)極之間 具有較大的距離。為了實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的聚焦特性，需要將電子發(fā)射極置于透鏡 系統(tǒng)的光軸上。由于管內(nèi)部的非完全真空，所以殘留氣體的原子和分子可 能被電離，因此受高壓和/或光學(xué)系統(tǒng)的電磁和靜電透鏡的影響。這些離子 中的一些朝電子發(fā)射極加速。光學(xué)系統(tǒng)將隨后轟擊發(fā)射極的表面的這些離 子聚焦在小斑點(diǎn)中。這可能損壞發(fā)射極的結(jié)構(gòu)，因此降低發(fā)射極的壽命或 導(dǎo)致發(fā)射極的立即失效。具有高電壓加速區(qū)和接著的一個(gè)無電場(chǎng)區(qū)的系統(tǒng) 尤其表現(xiàn)出這種特性。
一種中心具有孔的發(fā)射極設(shè)計(jì)的提議可以解決該問題，US 5343112和 DE 100 20 266 Al中具體描述了該提議。聚焦在發(fā)射極中心上的離子穿過該 孔并且轟擊比發(fā)射極大的結(jié)構(gòu)。由于較高的熱容，所以釋放的能量導(dǎo)致較 小的溫度升高，因此不會(huì)帶來?yè)p壞。
中心具有孔的發(fā)射極設(shè)計(jì)具有在中心無電子發(fā)射區(qū)的缺點(diǎn)。這負(fù)面影響了電子光學(xué)，并導(dǎo)致了焦斑中強(qiáng)度的不均勻分布。因此，不再能實(shí)現(xiàn)均 勻發(fā)射的可能的最小焦斑以及所使用的電子光學(xué)裝置。
另一降低損壞發(fā)射極結(jié)構(gòu)的可能是沿著光軸設(shè)置多個(gè)靜電透鏡(離子
清洗電極ICE)，各靜電透鏡均由相對(duì)于光軸對(duì)稱設(shè)置的兩個(gè)電極構(gòu)成。每 一電極對(duì)中的一個(gè)電極接地，另一電極接負(fù)電位。US 5521900中對(duì)此進(jìn)行 了一般性的描述，其被視為本領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。如US 5521900中所述，在 空間受限的情況下，不可能實(shí)現(xiàn)具有不同負(fù)電壓的多個(gè)靜電透鏡的設(shè)置。
此外，在US 5193105和US 4625150中，描述了由用于產(chǎn)生捕獲離子 的旋轉(zhuǎn)或橫向電場(chǎng)的至少兩對(duì)電極(4電極)組成的多電極裝置(多-ICE)。
但是，通過僅使用具有無場(chǎng)區(qū)域的管中的這些元件中的一個(gè)，無場(chǎng)區(qū) 外的更多離子朝負(fù)電極加速并進(jìn)入高電壓區(qū)。這些離子被聚焦并轟擊發(fā)射 極。因此，僅包含一對(duì)電極的裝置增加了轟擊發(fā)射極的離子的數(shù)目，所述 一對(duì)電極中一個(gè)電極接地、 一個(gè)電極接負(fù)電位。
而且，使用電極的裝置都需要一個(gè)以上的電壓源，由此增加了必需的 空間和質(zhì)量。這可能導(dǎo)致機(jī)架(gantry)的實(shí)現(xiàn)問題。
總之，需要一種X射線管和一種方法，以避免離子轟擊發(fā)射極，從而 避免損壞發(fā)射極，并克服上述X射線管和方法的所描述的缺點(diǎn)。
通過根據(jù)權(quán)利要求1所述的X射線管和根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法， 可以克服這些缺點(diǎn)。本發(fā)明包括創(chuàng)造性的X射線管的原理幾何裝置，以及 單個(gè)離子收集器或尤其用于包含無電場(chǎng)區(qū)域的高端X射線管的IDC的優(yōu)選 操作模式。
為了產(chǎn)生正離子的偏轉(zhuǎn)和收集所需的電偶極子場(chǎng)，可以有源地驅(qū)動(dòng)離 子收集器或IDC，或者通過組合的有源和無源電壓源驅(qū)動(dòng)離子收集器或IDC。 這可以避免離子轟擊發(fā)射極，從而避免損壞發(fā)射極。
在有源/無源電壓源的情況下，通過從陽(yáng)極背散射并對(duì)浮置電極充電的 電子來提供無源電壓源。為了實(shí)現(xiàn)所限定的電位，浮置電極可經(jīng)由齊納二 極管或抑制二極管連接到地電位。
在基于靜電場(chǎng)對(duì)帶電粒子作用的第一裝置中，本發(fā)明優(yōu)選僅使用各電 極上具有相反電位的一對(duì)電極(與US 5193105中所要求保護(hù)的最小數(shù)目的 四個(gè)電極相比，是兩個(gè)電極)，且僅外殼、特別是X射線管接地電位。與單
5元件ICE相比，這可以導(dǎo)致轟擊發(fā)射極的離子顯著減少。為了提供相反的 電壓，僅需要兩個(gè)電源。
在本發(fā)明的第二裝置中，通過運(yùn)用靜電離子偏轉(zhuǎn)器/收集器原理，以及 利用無源裝置代替負(fù)有源電壓源，可以進(jìn)一步除去負(fù)電壓源。該無源裝置 由準(zhǔn)浮置電極和無源電子元件組成，特別地，至少由具有與正電極電位的 相反電壓相等的擊穿電壓的抑制二極管或齊納二極管組成，以實(shí)現(xiàn)對(duì)稱的 電場(chǎng)。利用在無電場(chǎng)區(qū)中的近直線上傳播且碰撞負(fù)電極的散射電子，將在 該負(fù)電極上產(chǎn)生必需的電荷。
結(jié)合附圖，通過詳細(xì)闡述了優(yōu)選實(shí)施例的如下說明，本發(fā)明的其他特 征和優(yōu)點(diǎn)將變得明顯。


圖1描述了一般化的現(xiàn)有技術(shù)X射線管，利用該X射線管可以實(shí)施本 發(fā)明；
圖2A)是垂直于光軸的截面，示出了具有接負(fù)電壓電位的第一電極和 接地電位的第二電極的現(xiàn)有技術(shù)離子控制電極裝置(ICE);
圖2B)是垂直于光軸的截面，示出了用于產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)或橫向電場(chǎng)的現(xiàn)有 技術(shù)四電極裝置；
圖3示出了一般化的雙極管；
圖4示出了一般化的單極管；
圖5A)示出了用于IDC的兩個(gè)電極的有源電壓源的一般化的裝置的光
軸平面中的截面；
圖5B)示出了垂直于光軸的根據(jù)圖5A)的裝置；
圖6示出了圖1中所示的管中的模擬離子軌跡
A) 未激活I(lǐng)DC，
B) —個(gè)電極接地，另一個(gè)電極接負(fù)電位，
C) 兩個(gè)電極接相反電位，僅管外殼接地電位； 圖7示出了發(fā)射極上離子的模擬焦斑
a) 沒有IDC (100%離子)，
b) 使用一個(gè)電極接地而另一個(gè)電極接負(fù)電位的IDC模式(105%離子)
c) 使用兩個(gè)電極接相反電位而僅管外殼接地電位的IDC模式(16%離子)；
圖8示出了具有抑制二極管的無源負(fù)電極的一般化裝置；
圖9是直到用于圖1所示的設(shè)計(jì)裝置的幾百伏特的抑制二極管擊穿電
壓，無源電極的取決于管電流(點(diǎn)P1-P4)的充電時(shí)間的曲線圖IO是無源負(fù)電極(1)上的電壓和管電流(2)相對(duì)于時(shí)間的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
圖1中示出的X射線管1的眾所周知的現(xiàn)有技術(shù)裝置示出了具有陰極 杯3的陰極2 (利用該X射線管1可以實(shí)施本發(fā)明)，該陰極杯3產(chǎn)生高電 壓區(qū)4，特別地，該陰極杯3產(chǎn)生從陰極杯3延伸到陽(yáng)極(未明確示出)的 陽(yáng)極圓盤6的電子束5。電子束5在陽(yáng)極圓盤6上形成焦斑7。電子束5由 離子偏轉(zhuǎn)器/收集器(IDC) 8對(duì)稱地環(huán)繞，且進(jìn)一步由"光學(xué)"透鏡9環(huán)繞， 所述離子偏轉(zhuǎn)器/收集器(IDC) 8偏轉(zhuǎn)和收集從電子束5出來的離子，所述 "光學(xué)"透鏡9將電子束5聚焦到所述焦斑7。在電子束5穿過IDC 7之后， 到達(dá)無電場(chǎng)區(qū)IO。
圖2A)示出的截面垂直于現(xiàn)有技術(shù)的離子控制電極裝置(ICE) 11的 光軸，該離子控制電極裝置(ICE) 11的一個(gè)電極12接負(fù)電壓電位-U，而 另一電極13接地電位G。
圖2B)示出了現(xiàn)有技術(shù)的四電極裝置14，其用于產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)或橫向電場(chǎng)。 這里，通過沿著電子束的光軸設(shè)置多個(gè)靜電透鏡15、 16(離子清洗電極ICE) 的布置提供減少離子的可能，各靜電透鏡由相對(duì)于光軸對(duì)稱設(shè)置的兩個(gè)電 極17、 18、 19、 20構(gòu)成。
圖3示出了現(xiàn)有技術(shù)的雙極管24。這里，高電壓電場(chǎng)22中的背散射的 電子25朝陽(yáng)極23再次加速。除了有效尺寸和位置控制以外，將來高端CT 和CV X射線管要求較高的功率和較小的焦斑。通過在X射線管24內(nèi)部使 用優(yōu)化的熱量管理概念，提供了實(shí)現(xiàn)較高功率的一種方法。如圖3所示， 在傳統(tǒng)的X射線管中，使用了雙極高電壓源，其中陽(yáng)極23接正高電壓電位 +HV。因此，從陽(yáng)極23背散射的電子25朝陽(yáng)極23再次加速，因此將全部 管功率的近90-95%施加到陽(yáng)極23。
圖4示出了單極管26。無電場(chǎng)區(qū)27中的背散射電子25沿著直線(箭
7頭方向)不受影響地傳播。利用一高電壓源，單極裝置可用來增加管功率。
高電壓電位-HV根據(jù)孔開口的直徑通過電陽(yáng)極23中的孔28穿透到實(shí)質(zhì)上的 無電場(chǎng)區(qū)27內(nèi)。在這個(gè)區(qū)域中，背散射電子25幾乎沿著直線傳播，且碰 撞耗散功率的特定熱管理管部件(這里未示出)。通過這種方式，從耙材耗 散約40%的功率，在不使靶過載的情況下可以獲得較高的管功率。然而，這 樣的單極裝置在陰極30和陽(yáng)極23之間要求有較大的距離，因此要求較好 的光學(xué)透鏡系統(tǒng)。管26中的殘留氣體的原子和分子能夠通過散射的電子25 來電離，并通過穿過陽(yáng)極開口的弱電場(chǎng)來加速。這些離子被通過光學(xué)透鏡 系統(tǒng)和電子束的空間電荷聚焦在發(fā)射極上，并損壞或完全破壞發(fā)射極。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的用于IDC的兩個(gè)電極32、 33的有源電壓源31 的裝置。圖5A)示出了光軸平面中的截面34，而圖5B)示出了垂直于電子 束光軸的截面35。如圖5所示，通過使用具有一個(gè)相對(duì)于地電位G的負(fù)電 壓電位-U和一個(gè)相對(duì)于地電位G的正電壓電位+U的電偶極子，幾乎所有的 離子均能夠被偏轉(zhuǎn)或被收集，以便維護(hù)發(fā)射極的功能。該離子偏轉(zhuǎn)器和收 集器(IDC)的合成電場(chǎng)作用于接著碰撞IDC的離子。 一些離子碰撞陰極杯 而不碰撞發(fā)射極。
圖6示出如圖1所示的管中的模擬離子軌跡。圖6A)是未激活I(lǐng)DC時(shí) 的軌跡。圖6B)是一個(gè)電極接地電位G和另一個(gè)電極接負(fù)電壓電位-U時(shí)的 軌跡。圖6C)是兩個(gè)電極接相反電位且僅管外殼接地電位G時(shí)的軌跡。對(duì) 具有ICE的管和沒有離子控制的管的離子軌跡、尤其是靠近電極的那些離 子的軌跡的影響差異在此清楚示出。
圖7a)示出了根據(jù)圖6A)的在沒有IDC (100%離子)的情況下發(fā)射極 上的離子的第一模擬焦斑。
圖7b)是根據(jù)圖6B)的在一個(gè)電極接地電位G而另一個(gè)電極接負(fù)電壓 電位-U的IDC模式(105%離子)的情況下的模擬焦斑，圖7c)示出了根據(jù) 圖6C)的在兩個(gè)電極接相反電位且僅管外殼接地電位G的IDC模式(16% 離子)的情況下的模擬焦斑。
圖7中示出了在如圖1所示的管裝置和例如正/負(fù)幾百伏特的仏oc情況 下的合成離子轟擊密度。與沒有IDC的100%離子密度(圖7a)相比，這使 得離子密度降低到16% (圖7c)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這種減少顯著地降低了對(duì)發(fā)射極的損壞，因此延長(zhǎng)了壽命。
如上所解釋的，通過僅使用一個(gè)IEC (負(fù)電位)，與沒有離子控制的情 況相比，將有更多的離子碰撞發(fā)射極(105%離子密度)(圖7b)。原理上， 這種特性是由負(fù)電極對(duì)離子的加速作用以及隨后注入到高電壓區(qū)引起的 (圖6b和7b)。在這種情況下，這僅導(dǎo)致了離子的少量散焦和偏轉(zhuǎn)。
利用例如正/負(fù)幾百伏特的IW的IDC對(duì)加速的快電子的作用僅具有微 小的效果。
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的具有抑制二極管36或齊納二極管的無源負(fù)電 極的簡(jiǎn)單裝置。該裝置能夠結(jié)合上述兩種效應(yīng)，即在無場(chǎng)區(qū)中的直線傳播 和IDC功能。如果電極沒有連接到地電位G，則散射電子碰撞該電極且以負(fù) 電壓電位-U對(duì)表面充電。通過選擇與正充電的電極預(yù)期的應(yīng)用電壓相對(duì)應(yīng) 的合適的二極管，提供了良好限定的和功能性的有源/無源IDC。
在圖9中，示出了可以如何迅速地將負(fù)電極充電到負(fù)幾百伏特，這足 以使IDC在類似于圖1所示的裝置中正常工作。對(duì)于圖1所示的設(shè)計(jì)裝置 而言，直到幾百伏特的抑制二極管擊穿電壓38，無源電極的充電時(shí)間取決 于管電流(點(diǎn)P1HP4)。充電時(shí)間近似與管電流成反比。給定的管電流要降 低較大的電流需花幾毫秒。通過管電流不完美的上升沿，能夠解釋在后的 值與假設(shè)曲線的偏差(圖10，曲線37)。要達(dá)到所需要的管電流需要花少 數(shù)毫秒(見圖IO)。對(duì)于較陡的上升沿，需要的充電時(shí)間將較小。與X射線 曝光時(shí)間相比，由于充電時(shí)間短，所以有源/無源IDC的功能性不會(huì)顯著地 降低。
而且，正電極，即偏轉(zhuǎn)電極40在整個(gè)發(fā)射期間是激活的。結(jié)果，如圖 8所示，所提出的用于IDC的有源和無源電壓源的組合足以滿足各種X射線 應(yīng)用。
以上所提供的說明特別地產(chǎn)生以下的裝置的提議
在本發(fā)明的第一裝置中，作為具有無電場(chǎng)區(qū)的X射線管的單一離子收 集器/偏轉(zhuǎn)器(IDC)，其基于靜電偶極子、僅利用兩個(gè)接相反電位的電極和 有源電壓源而作用于帶電粒子。
在本發(fā)明的第二裝置中，作為具有被實(shí)現(xiàn)為無源裝置的負(fù)電極41的裝 置，其通過散射電子和由無源電子元件(例如齊納二極管或抑制二極管36)
9所限制的電壓來充電。
本發(fā)明不限于圖中所示的其優(yōu)選實(shí)施例的實(shí)施方式。相反地，可以想 到多種利用所描述的方案和發(fā)明原理的變型，甚至實(shí)現(xiàn)為構(gòu)造完全不同的 實(shí)施例。
此外，需要注意，"包括"不排除任何其它元件或步驟，且"一個(gè)"或 "一"不排除多個(gè)。而且，需要注意，參考上述示例性實(shí)施例中的一個(gè)描 述的特征或步驟也可以與上述其它示例性實(shí)施例中的其它特征或步驟結(jié)合 使用。權(quán)利要求書中的附圖標(biāo)記也不應(yīng)認(rèn)為是限制性的。
權(quán)利要求
1、一種X射線管(1)，其具有產(chǎn)生電子束(5)的陰極(2，30)以及由單對(duì)電極(32，33；40，41)組成的離子偏轉(zhuǎn)和收集裝置(IDC)(8)，其中，第一電極(33，40)相對(duì)于地電位(G)具有正電壓電位(+U)。
2、 一種包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的X射線管(1)的X射線管(1)， 其中，所述第一電極(33， 40)連接到電壓源(31)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的X射線管(1)，其中，所述第二電極(32) 相對(duì)于所述地電位(G)具有負(fù)電壓電位(-U)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的X射線管(1)，其中，所述第二電極(32) 連接到第二電壓源(31)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的X射線管(1)，其中，所述第二電極(41) 連接到具有至少一個(gè)電子元件的電無源器件。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的X射線管(1)，其中，所述無源器件是抑制 二極管(36)。
7、 一種包括根據(jù)權(quán)利要求1-6所述的X射線管(1)的X射線器件。
8、 一種由單對(duì)電極(32， 33; 40， 41)組成的偏轉(zhuǎn)和收集裝置(IDC) (8)的電壓供應(yīng)方法，其中，所述第一電極(33， 40)相對(duì)于地電位(G)具有正電壓電位(+U)。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述第二電極相對(duì)于所述地電 位(G)具有負(fù)電壓電位(-U)。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，由電壓源(31)提供所述負(fù) 電壓電位(陽(yáng)U)。
11、 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述負(fù)電壓電位(-U)由所 述電子束(8)的散射電子來提供且由包括至少一個(gè)電子元件的電無源器件 來限定。
12、 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的方法，其中，所述無源器件是抑制二極管 (36)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種X射線管，其具有產(chǎn)生電子束的陰極以及由單對(duì)電極組成的離子偏轉(zhuǎn)和收集裝置(IDC)，其中，第一電極相對(duì)于地電位具有正電源，而第二電極相對(duì)于地電位具有有源或無源地產(chǎn)生的負(fù)電壓。而且，本發(fā)明涉及一種由單對(duì)電極組成的偏轉(zhuǎn)和收集裝置(IDC)的電壓供應(yīng)方法，其中，第一電極相對(duì)于地電位具有正電壓電位，而第二電極相對(duì)于地電位具有有源或無源地產(chǎn)生的負(fù)電壓。
文檔編號(hào)H01J35/04GK101501811SQ200780029829
公開日2009年8月5日 申請(qǐng)日期2007年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月10日
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