专利名称：X射线扫描仪和其x射线源的制作方法
技术领域：
本发明涉及χ射线扫描仪，并且更具体地涉及被布置为使用不同能量的X射线用于例如对象成像或分析的扫描仪。
背景技术：
现在正在设计新一代多焦点X射线管，以解决包括快速移动的被检测对象的成像系统中的问题。这在断层成像系统(tomographic imaging systems)中特别重要，在所述断层成像系统中，对象运动可能在重构图像中创建不可接受的高级别的(high level)伪像。 为了解决这个问题，提出了多焦点X射线源，在所述多焦点X射线源中，典型地将经常数百个单独电子枪布置在圆形阵列内，并且顺序地切换每个电子枪，以照射具有与电子腔的半径相同的半径的圆形阳极上的对应点。这形成旋转X射线源，而不需要组件的物理运动，由此创建很高速度断层成像的机会。在这样的断层X射线系统中，经常期望提供材料辨别能力，该能力典型地通过使用依据一组已知参考标准(例如，空气、水、铝)校准的断层图像的重构灰度级来实现。应认识到，由于被检测对象内的每个成分材料将入射X射线束中的每个光谱分量衰减至不同量，因此当考虑X射线束的能量谱时可以实现进一步的材料辨别能力。低原子数量的材料提供低能量X射线的适度衰减而高原子数量材料提供低能量X射线的明显衰减。与简单集成X射线光谱的情况相比，通过分析被对象过滤之后的X射线光谱，能够获得进一步的材料辨别。在实际X射线系统中，测量到达探测器的每个单个X射线光子的能量是高代价的。 这是因为每个探测器元件上的光子到达速率相对高(经常超过IMHz光子到达速率)并且探测电子设备的复杂度和相关联的功率消耗变成显著问题。一种简化该情形的手段是每个成像通道利用多于一个便宜的集成探测器，而在一个探测器和另一个之间设置过滤器。过滤后的探测器一般被制作得厚，以测量通过对象传送的X射线束的高能量成分。未过滤的探测器通常相当薄，所以优选响应传送的X射线束的低能量成分。
发明内容
本发明提出一种X射线扫描仪，其包括电子源和阳极，该阳极具有带有一系列材料区域的靶表面，所述一系列材料区域可以在扫描方向上沿着靶表面被间隔开。材料区域可以由不同材料形成。电子源可以被布置为以预定顺序将电子定向在靶表面的一系列靶区域上，以生成具有不同能量谱的X射线束。每个材料区域可以由均勻材料形成，该均勻材料可以是诸如金属之类的单一元素或者混合物。材料区域可以包括在与扫描方向垂直的方向上延伸的带。可替代地，材料区域可以包括在与扫描方向倾斜的方向上延伸的带。材料区域可以被形成为靶金属的薄膜。
可以由电子束的焦点区域来定义每个靶区域，每个靶区域可以在相应的一个材料区域内。可替代地，每个靶区域可以覆盖至少两个材料区域的一部分。扫描仪可以还包括被布置为探测X射线的多个探测器。所述探测器可以基本相同。所述探测器可以包括被布置为对于至少一种能量或者预定范围的能量的X射线具有不同响应的两组探测器。一组探测器中的探测器可以包括过滤材料和探测器元件。探测器可以是集成探测器。扫描仪还可以包括处理部件，该处理部件被布置为从探测器接收信号并且处理该信号以生成输出。输出可以是被布置为生成图像的图像数据集。本发明还提供X射线扫描仪，该X射线扫描仪包括电子源和阳极，该阳极具有由多种不同材料形成的靶表面。电子源可以被布置为将电子束定向在靶表面上，以同时从两种材料生成两种不同能量谱的X射线。扫描仪还可以包括具有不同响应特性的两个探测器阵列。例如，一个阵列可以对于具有一种能量谱的X射线更敏感，而另一个阵列可以对于具有另一能量谱的X射线更加敏感。一个探测器阵列的探测器可以包括过滤材料以及探测器元件。这两种材料可以每个被布置为生成在相应的荧光能量处具有强度峰值的X射线。过滤材料可以被布置为在两种荧光能量处提供不同衰减。过滤材料可以具有在两种荧光能量之间的频率处的吸收限 (absorption edge)0靶表面可以具有多个材料区域，每一个由一种材料形成，并且电子源可以被布置为将电子束定向在靶的靶表面上，靶区域包括至少两个材料区域的一部分。电子源可以被布置为将电子定向在沿着靶间隔开的多个靶区域上。材料区域可以被布置为平行带，每个平行带延伸通过多个靶区域。靶表面可以由材料的混合来形成。现在将仅参考附图通过示例来描述本发明的优选实施例。
图1是已知扫描系统的原理图；图加和2b示出依据不同阳极材料的X射线能量谱的图；图3是根据发明实施例的扫描系统的原理图；图4是形成图3的扫描系统的一部分的X射线源的原理图；图5是形成图4的系统的一部分的阳极的前视图；图6是示出图4的系统的操作的原理图；图7是作为典型滤波器材料中的能量函数的X射线吸收图；图8是根据本发明的第二实施例的靶的前视图；图9是示出图8的靶产生的X射线的能量谱的图；图10是用于图8的靶的探测器阵列的部分的概图；图11是用于图8的靶的另一探测器阵列的部分的概图；图12是示出图10和11的过滤器与图8的靶的匹配的图；图13是本发明的第三实施例的靶的前视图；图14是根据本发明的第四实施例的靶的前视图。
具体实施例方式参考图1，X射线扫描仪包括X射线源10的环形阵列，其从X射线探测器12的环形阵列的轴偏移开。每个源10被依次激发，并且对于每个源，存储并且分析来自探测器12 的信号。每个传感器是已知的堆叠传感器，该堆叠传感器包括在较厚的后探测器元件16前面的薄前探测器元件14以及在这两个探测器元件之间的过滤器18。前探测器元件14被布置为探测较低能量X射线，后探测器元件16布置为探测较高能量X射线，以及过滤器18被布置为过滤掉未被前探测器元件14吸收的较低能量X射线。由于所有探测器与扫描仪的轴X对准并且面向扫描仪的轴X，因此将看到在X射线束的中心，堆叠探测器1 工作良好，这是因为前探测器元件14、过滤器18和后探测器元件16全部与入射X射线束的方向对准。相反，在探测器12b中的束的边缘，前探测器元件 14、过滤器18以及后探测器元件16都不与该束对准并且有明显的低能量漏入后探测器元件16。类似地，由前探测器元件14对X射线束呈现的相对大的材料厚度引起高能量信号漏入测量信号中。探测器元件之间的该信号泄漏危害X射线系统提供材料辨别的能力。参考图2，在一个实施例中，本发明通过在X射线源中使用不同靶材料来提供能量辨别，由此调制主要X射线束的光谱成分。图2示出在相同管电压(具有最大X射线能量 Ep)操作的X射线管的理想X射线谱，在图加中具有低原子数量(Z)的阳极(诸如银，Ag) 而在图2b中具有高原子数量的阳极(诸如钨，W)。可以看出轫致辐射(Bremsstrahlung) 光谱成分在每种情形中类似，但是在能量谱中形成高强度峰值的特性荧光线在能量上很不同。对于钨靶而言，荧光辐射的相对位置造成的平均光谱能量明显比用银靶观察到的平均光谱能量更高。当集成由复合对象衰减之后传送的X射线信号时，银阳极X射线束将被高原子数量材料明显衰减，而钨光谱将被衰减少得多。考虑钨对银阳极的比率，X射线数据提供与当使用两个探测器组获得的数据集等效数据集。参考图3，根据本发明实施例的X射线扫描仪包括X射线源110的阵列和从所述源的轴偏移开的X射线探测器112的阵列。在每种情形中，阵列都围绕扫描仪的轴被间隔开。每个源被布置为朝向扫描仪的轴定向电子束。每个探测器也朝向扫描仪的轴被定向。 在该情形中，每个阵列是环形阵列，而源或者探测器可以形成部分环形阵列，或者其他形状的阵列。然而，可期望所述源或者所述源内生成X射线束的源位置被布置在垂直于扫描仪轴的公共平面内。类似地，探测器被布置在一个或多个阵列中，每个阵列都位于垂直于扫描仪轴的平面内。控制系统114被布置为控制所述源110，使得它们中的每个可以被单独地激发，以扫描该扫描仪中的对象。同样，源110被设置为依次地被激发，但是在该情形中， 源110被布置为生成具有不同能量谱的X射线，并且探测器是单元件的非堆叠探测器。探测器全部都相同，具有相同的响应，即响应于能量范围上的X射线而产生相同输出。在该情形中，探测器是集成探测器，其探测能量范围上的X射线。它们产生的输出随着该范围上的总X射线强度而改变。探测器112之间的信号泄漏已经消除，这是因为直接校准因素 (straightforward calibration fator)可以考虑到在激发束边缘的由相邻探测器产生的少量过滤。参考图4，X射线源环由多个X射线管制成，每个X射线管包括被布置为产生电子束202的电子源200以及阳极204。可以以已知的方式控制电子源200，以沿着阳极204纵向地扫描电子束202，从而从沿着阳极204的源位置产生X射线206。
参考图5，阳极204涂覆有具有两种不同靶材料A和B的薄膜区域。在此，靶材料 A被图案化到矩形区域或者块206中的阳极204，每个块在其本身区域上具有均勻成份(在该情形中是单个元件)并且大于入射电子束的焦点区。散布在材料A的每个靶块206之间的是包括不同靶材料B的靶块208。因此靶材料块206、208形成以围绕扫描仪的环形布置的靶区域或位置的线性阵列，靶材料沿着该阵列在两种不同材料A和B之间交替。参考图6，可以控制扫描仪，使得两个电子束扫过被检测对象，两个束优选偏移 180度加上在相邻一对A和B型靶块之间的角度位移。在该实施例中，使用可切换的电子源进行扫描，该可切换电子源被控制为开启被定向在一个靶区域上的电子束并且然后再次将其关闭，并且然后依次开启并且关闭被定向在其他靶位置的每一个上的电子束，使得该束分步地扫过所述靶位置。这造成同时指向(target)材料A的一个块和材料B的一个块， 两个激发靶区域几乎彼此相对，使得探测器阵列112的一半可以用于探测来自它们中的一个的X射线，而探测器阵列112的另一半检测同时来自另一个的X射线。典型地，选择材料 A和B的块206的间隔，使得两个轨迹的角度采样率都满足奈奎斯特(Nyquist)采样准则。来自探测器112的数据可以然后用于重构独立的断层图像，对于每个源类型A或 B重构一个断层图像，然后可以从一个断层图像减去另一个断层图像，或者在图像重构之后分析所述断层图像。可替代地，可以在反投影之前组合投影数据，以形成修改的投影数据集。参考图7，本发明的另一实施例与第一实施例相同，但是使用与探测器相关联的过滤器，以作为X射线能量的函数来改变探测器的响应特性，即它们的响应的大小，以提供进一步的能量辨别。为了提供辨别，响应特性需要是不同形状，即随能量不同地变化，不仅仅是不同的标度。图7示出作为X射线能量的函数的典型过滤材料的吸收系数μ。可以看到吸收材料具有在特性能量fe处的吸收限，该能量等于K层原子电子的参与成为可能处的能量。这造成在正好低于特性能量fe的能量处的低吸收以及在正好高于特性能量fe的能量处的高吸收。这允许过滤材料用于阻止某些X射线能量并且通过其他X射线能量。通过仔细选择与不同荧光峰值匹配的靶材料和适合的过滤材料，能够进一步增强集成探测器的选择性能量响应。例如，利用合适的过滤，一组探测器可以被制作得比另一组对于在一种靶材料的荧光峰值上的X射线、或者在可以包括该峰值的第一能量范围上的X射线更加敏感， 并且另一组探测器可以被制作得比第一组对于在另一靶材料的荧光峰值上的X射线、或者在可以包括该峰值的第二能量范围上的X射线更加敏感。更一般地。一个探测器阵列对于在两个荧光峰值能量上的X射线的响应的比率与另一探测器阵列的响应的比率不同。类似地，一个探测器阵列对于具有两种材料的两个能量谱的X射线的响应的比率与另一探测器阵列对于具有那些能量谱的X射线的响应的比率不同。作为示例，钽过滤器强烈吸收钨特性X射线，而对钼特性X射线相对透明。参考图8，在包括如图7中的探测器布置的另一实施例中，阳极304的靶区域在其上形成了靶金属A和B的平行带306、308，平行带306、308沿着电子束被扫描方向的方向S 延伸，并且将电子束设计得足够大以同时照射靶材料A和B 二者。在该情形中，有四个带， 每种材料A和B各两个，但是明显可以使用其他数量的带。生成合成X射线光谱，其具有如在图9中示出的能量谱，该能量谱是两种材料A和B的谱的和，其具有两个峰值，每个峰值由靶材料A和B中的一个产生。通过在某些探测器处替换合适的过滤材料，例如如图7中
7所示，能够在不同探测器处用不同能量相关性生成不同响应。参考图10，在一个实施例中，两个环的探测器阵列包括第一和第二相邻的探测器环41h、412b，在每个环中每隔一个探测器地放置单独的金属过滤器418。参考图11，在另一实施例中，使用两个环型探测器阵列512，其中，在一个环51 整个上放置过滤材料518 的带，而在另一个环512b上不使用过滤器。如果适合，可以在多环探测器系统上使用类似的图案。这两种探测器布置可以用于图5或者图8的靶。参考图12，在任何一种探测器布置中，选择过滤材料，使得吸收限权落在合成X射线光谱中的两个峰值之间的能量上。如上所描述，如果Mo和W用作两种靶材料，那么Ta可以用作合适的过滤材料。应该认识到，具有带有不同峰值的不同X射线能量谱的两种靶材料的组合、和合适的所选择过滤器为改进的准确的材料分析提供了准单一能量成像，这是因为其提供了来自两组探测器的输出之间的高度区别，这高度依赖被扫描对象的吸收光谱，并且因此提供例如不同材料的对象之间的良好程度的辨别。通过使用溅射涂覆可以制作复合靶。使用多个溅射靶和阴影或者其他覆盖技术， 直接图案化任何靶配置。为了确保靶金属A、B和分段阳极基底金属之间良好的粘度，靶金属能够被合金或者扩散至阳极基底中。在合适高温(典型在范围500-1000C)操作的真空或者氢填充熔炉中典型实施该合金或扩散处理。依赖选取的处理条件，可以形成薄界面层或者将全部靶金属合金至基底金属。作为该处理的进一步细化。可以使用各种不同涂覆金属(例如，钨和铀)的薄膜 (例如10-100埃)(例如一个在另一个的顶部)溅射涂覆来形成多层靶。该多层靶可以然后被一起合金或者扩散至基底金属，以形成在电子轰击期间产生合理的合成X射线谱的靶。参考图13，在另一实施例中，不同原子数量Z的两种靶材料A和B再次被布置为沿着阳极604的交替区域或带606、608，但是在该情形中，靶材料的带以与电子束的扫描方向 S倾斜的角度布置，在该情形中大约45°。带604、608足够窄，并且被形成角度使得它们的上端和下端之间在电子束的扫描方向S上的偏移d是至少等于它们的宽度W。这意味着电子束(其大得足以延伸跨越靶区域的基本全部宽度并且在扫描方向S上与所述带一样宽) 将通常覆盖由两种靶材料的近似相等区域组成的靶区域。这允许使用与图10或图11的探测器阵列类似的探测器阵列。参考图14，在另一实施例中，用具有不同原子数目的两种靶材料A和B的混合物 708覆盖阳极704的靶区域。这再次意味着当电子束710撞击靶时，生成的X射线束具有其中带有两个峰值的谱，这两个峰值可以通过例如使用图11或图12的探测器布置来过滤以用于探测。应认识到，在描述的其中使用两种靶材料的实施例中，将能够在一些情况中使用三种或者更多种靶材料，以获得进一步的能量辨别。
权利要求
1.一种包括电子源和阳极的X射线扫描仪，该阳极具有靶表面，该靶表面带有沿着该靶表面在扫描方向上被间隔开的一系列材料区域，所述材料区域由不同材料形成，布置电子源以便以预定顺序将电子定向在靶表面的一系列靶区域上，从而生成具有不同能量谱的 X射线束。
2.根据权利要求1所述的扫描仪，其中，每个材料区域由均勻材料形成。
3.根据权利要求1或2所述的扫描仪，其中，材料区域包括在与扫描方向垂直的方向上延伸的带。
4.根据权利要求1或2所述的扫描仪，其中，材料区域包括在与扫描方向倾斜的方向上延伸的带。
5.根据前述权利要求中任一项所述的扫描仪，其中，材料区域被形成为靶金属的薄膜。
6.根据前述权利要求中任一项所述的扫描仪，其中，每个靶区域在相应的一个材料区域内。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的扫描仪，其中，每个靶区域覆盖至少两个材料区域的一部分。
8.根据前述权利要求中任一项所述的扫描仪，还包括被布置为探测X射线的多个探测ο
9.根据权利要求8所述的扫描仪，其中，所述探测器基本相同。
10.根据权利要求8所述的扫描仪，其中，所述探测器包括被布置为对于至少一种能量的X射线具有不同响应的两组探测器。
11.根据权利要求9或10所述的扫描仪，其中，一组探测器对于第一能量范围上的X射线更加敏感，而另一组探测器对于第二能量范围上的X射线更加敏感。
12.根据权利要求10或11所述的扫描仪，其中，一组探测器中的探测器包括过滤材料和探测器元件。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的扫描仪，还包括处理部件，其被布置为从探测器接收信号并且处理该信号以生成输出。
14.根据权利要求13所述的扫描仪，其中，该输出是被布置为生成图像的图像数据集。
15.一种X射线扫描仪，包括电子源和阳极、以及具有不同响应特性的两个探测器阵列，该阳极具有由多种不同材料形成的靶表面，电子源被布置为将电子束定向在靶表面上以同时从两种材料生成两种不同能量谱的X射线。
16.根据权利要求15所述的扫描仪，其中，一个探测器阵列对具有两种材料的两种能量谱的X射线的响应的比率与另一探测器阵列对具有那些能量谱的X射线的响应的比率不同。
17.根据权利要求15或16所述的扫描仪，其中，一个探测器阵列中的探测器包括过滤材料和探测器元件。
18.根据权利要求17所述的扫描仪，其中，将两种材料中的每种布置为生成在相应的荧光能量处具有强度峰值的X射线，并且将过滤材料布置为在两种荧光能量处提供不同衰减。
19.根据权利要求18所述的扫描仪，其中，过滤材料具有在两种荧光能量之间的频率处的吸收限。
20.根据权利要求17至19中任一项所述的扫描仪，其中，两个探测器阵列的探测器包括相同的探测器元件。
21.根据权利要求15至20中任一项所述的扫描仪，其中，靶表面具有多个材料区域，每个由一种材料形成，并且将电子源布置为将电子束定向在靶的靶区域上，靶区域包括至少两个材料区域的一部分。
22.根据权利要求21所述的扫描仪，其中，将电子源布置为将电子定向在沿着靶间隔开的多个靶区域上。
23.根据权利要求22所述的扫描仪，其中，将材料区域布置为平行带，每个平行带延伸通过多个靶区域。
24.根据权利要求15至20中任一项所述的扫描仪，其中，靶表面由材料的混合来形成。
全文摘要
一种包括电子源和阳极的X射线扫描仪，该阳极具有靶表面，该靶表面带有沿着该靶表面在扫描方向上被间隔开的一系列材料区域，所述材料区域由不同的材料形成，布置该电子源以便以预定顺序将电子定向在靶表面的一系列靶区域上，从而生成具有不同能量谱的X射线束。
文档编号A61B6/00GK102422379SQ201080020939
公开日2012年4月18日 申请日期2010年3月12日 优先权日2009年3月12日
发明者E.J.莫顿 申请人:Cxr有限公司