專利名稱：具有冷電子源的用于產生x射線的裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于產生特別是用于計算機斷層造影的X射線的裝置，具有可抽成真空的外殼，其中設置一個或多個冷電子源作為陰極以及至少一個X射線靶作為陽極，使得在該陰極和陽極之間施加電壓時從該電子源發(fā)射的電子以電子射線的形式被加速到X射線靶上。
背景技術：
用于產生X射線的裝置例如用于醫(yī)療診斷，以獲得透視圖像或者在計算機斷層造影(CT)的情況下獲得患者身體內部的圖像。伴隨著計算機斷層造影的各種可能性，對用于計算機斷層造影的X射線管的要求在不斷提高。從而現(xiàn)代計算機斷層造影需要能以高速度調制管電流的X射線管，以便能夠例如在兩種不同能量時用平衡光子流實現(xiàn)最佳的劑量調制或運行。
在US5105456A中示出用于計算機斷層造影的X射線管，其中采用具有熱發(fā)射的電子源。在產生X射線時該X射線管的外殼和固定在該X射線管中的X射線靶一起旋轉，從而從靜止設置的電子源發(fā)射的電子射線隨著時間的流逝而到達X射線靶上的不同位置。旋轉的外殼使得可以改善X射線靶在運行期間的冷卻。在US5193105A中使用基于熱發(fā)射的電子源。在該文獻的X射線管中，將額外的電極系統(tǒng)、即所謂的RICE系統(tǒng)(Rotating Field Ion ControllingElectrode，旋轉場離子控制電子)和所謂的ICE系統(tǒng)(Ion Controlling Electrode，離子控制電子)設置在外殼中，以減少電子源和X射線靶之間的區(qū)域中的正離子數量?？梢栽谠撾姌O系統(tǒng)中俘獲正離子，其中這既可以通過靜止電場也可以通過交變電場來進行。正離子通過加速電子與X射線管的真空外殼中剩下的氣體分子的碰撞來產生。該正離子中和了電子射線中的電子之間的碰撞力，從而在聚焦區(qū)域內可以將電子射線很好地聚焦在X射線靶上。但由于僅當電子射線在該聚焦區(qū)域之前的區(qū)域中足夠發(fā)散時才能實現(xiàn)盡可能小的焦點，因此在該區(qū)域中的正離子是不期望的，因為它們妨礙了由于電子的碰撞力而需要的電子射線的擴散。通過上述電極裝置可以減少在該區(qū)域中的正離子數量，從而總的來說可以使電子射線清楚地聚焦到X射線靶上。
但基于熱離子發(fā)射的X射線管由于發(fā)射所需要的加熱而具有很長的反應時間，具有很高的能量消耗并且對空間的要求很大。因此這種X射線管恰好不太適用于上述現(xiàn)代CT應用。
除了熱離子發(fā)射源之外還公知有用于產生X射線的場發(fā)射電子源，即所謂的冷電子源。例如在US2002/0094064A1中展示了一種也可以在計算機斷層造影中使用的X射線管。作為電子源，在該X射線管中采用具有一層場發(fā)射材料的基底，如碳納米管。該電子源的各個區(qū)域可以通過所敷設的電極結構來選擇性地啟動，以能夠通過局部電場來局部地發(fā)射電子。該發(fā)射可以在溫度為300K時(冷發(fā)射)進行，并通過電極非?？焖俚貑雍徒K止?；诶潆娮影l(fā)射的X射線管具有可以精確控制X射線的發(fā)射的優(yōu)點，從而可以減少X射線暴露并增大X射線照射時的時間分辨率。在該X射線管中，場發(fā)射流通過施加在電子源上的電壓而不是像在熱離子發(fā)射中那樣通過溫度來控制。因此，可以通過適當控制所施加的電場實現(xiàn)具有可變脈沖寬度和高重復率的脈沖式X射線發(fā)射?？刂齐妷阂话阒晃挥?0到100V的范圍內，從而可以簡單地產生快速的脈沖序列。
US6760407B2也公開了一種本文開始所述類型的用于為計算機斷層造影產生X射線的裝置。在這種X射線管中電子源具有彎曲的表面，通過該表面就已經對電子射線施加了聚焦作用。因此在該X射線管中可以放棄額外的聚焦裝置。
但迄今為止這種X射線管中的冷電子源的壽命還是一個很大的問題。尤其是由于冷電子源的靈敏表面的離子沖擊而導致壽命縮短，如在Y.Cheng等人的“Electron field emission from carbon nanotubes”，C.R.Physique4(2003)，1021-1033頁或者在Y.Saito等人的“Cathode Ray Tube Lighting Elements withCarbon Nanotube”，Japanese Journal of Applied Physics，Vol.37(1998)，346-348頁中描述的。離子沖擊通過正離子而產生，而該正離子通過外殼中剩下的剩余氣體分子與電子射線的電子發(fā)生碰撞而形成。因此為了提高電子源的壽命，建議在X射線源的外殼中保持大約10-8托的非常高的真空。這例如可以通過另外將吸氣材料設置到真空外殼中來實現(xiàn)。但是，由于陽極溫度很高因此很難在CT設備所需要的高功率X射線管中保持如此高的真空。此外，高真空由于空間電荷效應而妨礙了電子射線清楚地聚焦在陽極上，因為缺乏起中和作用的正離子。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題在于提供一種用于產生尤其是用在計算機斷層造影中的X射線的裝置，該裝置可以使電子射線很好地聚焦在X射線靶上并具有很長的壽命。
本發(fā)明的技術問題通過一種用于產生X射線的裝置來解決，其包括可抽成真空的外殼，其中設置一個或多個冷電子源作為陰極以及至少一個X射線靶作為陽極，使得在陰極和陽極之間施加電壓時由電子源發(fā)射的電子在電子射線中加速到X射線靶上。該裝置的特征在于，在外殼中在電子源和X射線靶之間設置用于減少在電子源區(qū)域中的正離子數量的裝置。
因此在本發(fā)明的裝置中，使用冷電子源、尤其是場發(fā)射電子源，其中可以通過施加在電子源上的電場控制電子流。由此實現(xiàn)對電子發(fā)射的非?？焖俚姆磻獣r間，以及與此關聯(lián)的對X射線發(fā)射的非常快速的反應時間。構造和使用這種電子源的細節(jié)例如可以參見開頭所述的Y.Cheng等人的文獻。通過在電子源區(qū)域中設置在電子源和X射線靶之間的用于減少正離子數量的裝置，防止或至少大大減少這種離子對電子源表面的沖擊。這提高了電子源的壽命，而不會因此限制電子射線聚焦到X射線靶上。因此在本發(fā)明的裝置中不必在外殼中保持非常高的真空。而是預計有一部分氣體分子會通過與電子射線中電子的碰撞而產生正離子，因為這些正離子在電子射線的聚焦區(qū)域中、即尤其是在X射線靶之前的區(qū)域中用于中和電子射線中電子的碰撞力。通過減少該區(qū)域中的空間電荷效應、即電子的相互碰撞，電子射線保持非常清晰的聚焦，而且即使在陽極電勢很小和電子流很高時也可以在X射線靶上形成很小的焦點。
用于減少正離子數量的裝置優(yōu)選由俘獲相應區(qū)域中的正離子的電極系統(tǒng)組成。其優(yōu)選是ICE或RICE電極系統(tǒng)，其中多個電極對圍繞電子射線設置，在這些電極對上施加直流電壓或交流電壓或者這兩種電壓以適當方式的組合。
本發(fā)明的裝置，下面也稱為X射線管，由于對電子射線的快速可調制性以及由此帶來的X射線的快速可調制性，而且由于通過電子射線在X射線靶上的小焦點達到的高分辨率而首先適用于計算機斷層造影設備。在此采用極為不同的計算機斷層造影設備配置，例如第三代計算機斷層造影設備或第五代計算機斷層造影設備，其中X射線管和X射線檢測器都靜止地設置。
對按照例如與現(xiàn)有技術的上述文獻相同的方式實施的冷電子源，優(yōu)選這樣結構化，可以有目的地控制用于發(fā)射電子的各個區(qū)域。這可以通過敷設在發(fā)射材料上或設置在其上方的電極結構、尤其是電極柵格或電極陣列來實現(xiàn)，其中可以在各個電極上選擇性地施加電壓。發(fā)射電子的材料優(yōu)選由碳納米管層制成，但還可以通過公知的Spindt發(fā)射器形成。
在電子源的實施中，在所屬的基底上首先敷設由半導體材料制成的光電層，在該光電層之上敷設電子發(fā)射層。在電子發(fā)射層上又設置合適的電極結構。在這種實施方式中可以通過將激光或LED穿過對激光輻射透明的基底而入射到光電層上，從而在電極結構上局部地施加用于發(fā)射電子的電壓。利用這種結構可以實現(xiàn)在例如由US4821305A中的熱離子發(fā)射器的關聯(lián)中公開的X射線管，其中電子源和X射線靶相對地設置在在運行時旋轉的圓柱形容器中。


下面結合附圖借助實施例再次解釋本發(fā)明。其中圖1示出本發(fā)明裝置的實施方式的第一示例；圖2示出本發(fā)明裝置的實施方式的第二示例；圖3示出本發(fā)明裝置的實施方式的第三示例；圖4示出本發(fā)明裝置的實施方式的第四示例；圖5示出圖4實施方式的軸向視圖；圖6示出圖3實施方式的軸向視圖；以及圖7示出用于減少正離子數量的電極裝置的例子。
具體實施例方式
圖1示意性示出本發(fā)明裝置實施例方式的例子，其中旋轉的X射線靶3用作陽極。圍繞旋轉軸20旋轉的X射線靶3和冷電子源1設置在真空外殼5中。
在此，冷電子源1具有凹形表面，通過該表面已經可以將所發(fā)射的電子射線2聚焦在X射線靶4上。電子發(fā)射通過在電子源1上施加合適的電場來實現(xiàn)，如在電子源的現(xiàn)有技術中公開的。通過作為陽極的X射線靶3的旋轉一電子射線2的電子被加速到該陽極上，在X射線靶3上產生圓形的燒灼帶4，由此改善了局部溫度負載的分布。通過到達的電子在到達位置上產生特征性X射線，該X射線通過圖中未具體示出的外殼5的窗口從X射線管中逸出。該例子示意性示出在電子源1區(qū)域內的ICE和/或RICE電極裝置7。通過該電極裝置7俘獲通過電子射線2的電子與外殼5中殘留的氣體原子碰撞而形成的正離子，從而不能到達電子源1的表面。在另一面上，這樣的離子留在電子射線的聚焦區(qū)域中，從而在該聚焦區(qū)域中消除對聚焦起負面作用的空間電荷效應。
由于具有凹形表面的電子源1的面積一般比較大，可以放棄其它聚焦電極，如Wehnelt電極，因為該聚焦通過從電子源1的定向發(fā)射就已經實現(xiàn)了。
圖2以示意圖示出本發(fā)明裝置實施方式的另一個例子，其中采用旋轉活塞管。在這種情況下，為了將X射線靶3上的熱能分布在環(huán)形帶4上，通過環(huán)形軌道上的聚焦和偏轉線圈6來引導電子射線2。在此在冷電子源1的區(qū)域內也設置了用于俘獲正離子的ICE和/或RICE電極系統(tǒng)7。這還阻止了正離子在聚焦區(qū)域之前的區(qū)域8中流動到電子射線2上，從而該電子射線可以無妨礙地擴散到聚焦和偏轉線圈6。但在接著的聚焦區(qū)域9中，正離子有利地減少或中和了電子射線2中的電子的碰撞力，從而該電子射線可以最佳地聚焦，即使加速電壓很低和電流很高也能實現(xiàn)。
圖3示出本發(fā)明裝置的實施方式的另一個例子，其中外殼5與其中設置的電子源1以及X射線靶3一起圍繞軸20旋轉。在這種情況下在對激光器1 9的射線來說透明的電極基底10上敷設由光電半導體材料11構成的環(huán)。在該環(huán)上又設置了由發(fā)射電子的材料制成的環(huán)和構成冷電子源1的微結構化的柵極。在此該柵電極是網狀結構的，從而可以借助網狀的微電極陣列進行結構化(像素化)形式的電子發(fā)射。每個微電極分別通過光電半導體材料連接。通過用激光19或相應的LED進行外部光照射而激活該半導體材料，以產生自由的電荷載體(電子-空穴對)，該電荷載體然后在設置于那里的微電極和處于柵極控制電勢的透明電極基底10之間產生電連接。通過該結構只針對恰好位于被照射區(qū)域中的區(qū)域或像素而激活電子的局部發(fā)射。因此，通過改變射線橫截面和入射的光射線的形狀，可以影響陽極3上焦點的尺寸和形狀。此外還可以通過交變的射線偏轉產生所謂的彈性焦點。這種裝置的重要優(yōu)點在于，用于激活微電極的光功率比用于直接通過光電效應產生管電流的功率小得多。另外通過旋轉圓盒形外殼5，可使熱能在X射線靶3上分布在相應的環(huán)形帶4上。在該實施方式中，也在電子源1的區(qū)域中設置相應的ICE和/或RICE電極結構7來減少正離子數量，以此來提高該裝置的壽命。圖6再次以軸向視圖示出這種裝置，其中可以看出冷電子源1的環(huán)、圓盒形外殼5以及ICE電極結構的內部和外部環(huán)7。該電極結構在本實施例中由多個在軸方向上相繼排列并圍繞中心軸20同心設置的電極環(huán)7的對組成。
最后圖4示出另一個例子，其中外殼5已實施為環(huán)形外殼，其例如可以圍繞計算機斷層造影設備的檢查空間設置。圖4的右邊在此非常示意地示出該環(huán)以及發(fā)射的X射線13和設置在該環(huán)上的檢測器14的示意圖，X射線13落在該檢測器14上。在圖4的左邊以放大的示意圖示出環(huán)形外殼5的截面，其中可以識別出環(huán)形的X射線靶3以及冷電子源1的結構化環(huán)。在該實施例中也在電子源1的區(qū)域中設置ICE或RICE電極結構7。此外，在該示意圖中可以識別出用于X射線發(fā)射的窗口12。這種裝置使得可以實現(xiàn)第五代計算機斷層造影設備，在這種設備中X射線管和X射線檢測器都靜止地設置。環(huán)繞的的X射線通過以相同方式環(huán)繞的的電子射線2借助對環(huán)形電子源1的相應局部控制來產生。
圖5再次以軸向視圖示出這種裝置，其中可以識別出冷電子源1的環(huán)、環(huán)形外殼5、ICE電極結構的內環(huán)7a以及ICE電極結構的外環(huán)7b。因此，在該實施例中該電極結構由多個在軸方向上連續(xù)排列并圍繞環(huán)形外殼5的中心軸同心設置的電極環(huán)對7a、7b組成。
最后圖7示出在電子源1區(qū)域中的ICE或RICE電極結構7的設置。下面的電壓-路徑圖示出加速場特征曲線15，該曲線通過陽極的不同電勢(陽極電勢16)、陰極的不同電勢(陰極電勢17)和電極結構7的各個電極的不同電勢給出。為了避免對加速過程的干擾，該電極結構7與特定的電勢序列相結合，后者將一快速交變電場與線性陽極加速場相疊加。該交變的成分去掉了運動困難且緩慢的正離子，而不會明顯影響電子的飛行?？梢圆捎眠B接在陽極電勢和陰極電勢之間的無源電阻網絡，以為該電極系統(tǒng)7的每個電極導出所需要的電勢。這可以對管電壓的每個值實現(xiàn)。
權利要求
1.一種用于產生X射線的裝置，其中在可抽成真空的外殼(5)中設置一個或多個冷電子源(1)作為陰極以及至少一個X射線靶(3)作為陽極，使得在陰極和陽極之間施加電壓時由該電子源(1)發(fā)射的電子在電子射線(2)中加速到X射線靶(3)上，其特征在于，在該外殼(5)中在電子源(1)和X射線靶(3)之間設置用于減少在該電子源(1)區(qū)域中的正離子數量的裝置(7)。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述用于減少正離子數量的裝置(7)是在施加直流電壓或交流電壓時俘獲正離子的電極系統(tǒng)。
3.根據權利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述一個或多個冷電子源(1)是場發(fā)射電子源。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的裝置，其特征在于，所述一個或多個冷電子源(1)通過在基底上的在施加電場時發(fā)射電子的材料結構形成，在該材料結構中或在其上設置電極陣列或電極柵格。
5.根據權利要求4所述的裝置，其特征在于，所述材料結構由碳納米管層制成。
6.根據權利要求4所述的裝置，其特征在于，所述材料結構由Spindt發(fā)射器層形成。
7.根據權利要求4至6中任一項所述的裝置，其特征在于，在所述材料結構和基底(10)之間具有光電半導體材料層(11)，并且所述基底(10)至少對一個光射線范圍是透明的。
8.根據權利要求7所述的裝置，其特征在于，所述外殼(5)可旋轉地設置，并具有用于使光射線穿過基底(10)而聚焦在所述光電層(11)上的封裝可能性。
9.根據權利要求1至6中任一項所述的裝置，其特征在于，所述X射線靶(3)相對于所述電子源(1)可旋轉地設置，使得電子射線(2)在該X射線靶(3)旋轉時先后出現(xiàn)在該X射線靶(3)的不同位置上，這些位置位于一個環(huán)形軌道(4)上。
10.根據權利要求1至6中任一項所述的裝置，其特征在于，在所述用于減少正離子數量的裝置(7)和X射線靶(3)之間設置針對電子射線(2)的偏轉裝置(6)，通過該偏轉裝置將電子射線(2)聚焦在X射線靶(3)上，并引導至X射線靶(3)上的環(huán)形軌道(4)上。
11.根據權利要求9或10所述的裝置，其特征在于，所述用于減少正離子數量的裝置(7)是用于在施加直流電壓或交流電壓時俘獲正離子的電極系統(tǒng)，其中該電極系統(tǒng)構成為環(huán)形裝置，其圍繞電子射線(2)并包括多個在該裝置中相對設置的電極對。
12.根據權利要求1至6中任一項所述的裝置，其特征在于，所述外殼(5)構成為圍繞中心軸的中空環(huán)，在該外殼中的一側所述電子源(1)環(huán)形延伸，而在相對的另一側X射線靶(3)環(huán)形延伸，其中在該中空環(huán)的內圓周上構成一個環(huán)繞的窗口(12)用于使X射線(13)從該外殼(5)中逸出，而環(huán)形延伸的電子源(1)這樣結構化，通過選擇性地控制該電子源(1)在外殼(5)的X射線靶(3)上產生環(huán)繞的X射線焦點。
13.根據權利要求12所述的裝置，其特征在于，所述用于減少正離子數量的裝置(7)是用于在施加直流電壓或交流電壓時俘獲正離子的電極系統(tǒng)，其中該電極系統(tǒng)由多個相繼位于軸向上并且圍繞中心軸同心設置的電極環(huán)對(7a，7b)構成。
14.根據權利要求1至13中任一項所述的裝置作為X射線源在計算機斷層造影設備中的應用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于產生X射線的裝置，其中在可抽成真空的外殼(5)中設置一個或多個冷電子源(1)作為陰極以及至少一個X射線靶(3)作為陽極，使得在陰極和陽極之間施加電壓時由電子源(1)發(fā)射的電子在電子射線(2)中加速到X射線靶(3)上。在該外殼(5)中在電子源(1)和X射線靶(3)之間設置用于減少電子源(1)區(qū)域中的正離子數量的裝置(7)。本發(fā)明的裝置在電子射線可以很好聚焦并快速調制的同時還具有很長的壽命。
文檔編號H01J35/06GK101017759SQ20061006436
公開日2007年8月15日 申請日期2006年9月28日 優(yōu)先權日2005年9月28日
發(fā)明者埃克哈德·亨普爾, 德特萊夫·馬特恩, 斯蒂芬·波佩斯庫 申請人:西門子公司