专利名称：具有冷电子源的用于产生x射线的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于产生特别是用于计算机断层造影的X射线的装置，具有可抽成真空的外壳，其中设置一个或多个冷电子源作为阴极以及至少一个X射线靶作为阳极，使得在该阴极和阳极之间施加电压时从该电子源发射的电子以电子射线的形式被加速到X射线靶上。
背景技术：
用于产生X射线的装置例如用于医疗诊断，以获得透视图像或者在计算机断层造影(CT)的情况下获得患者身体内部的图像。伴随着计算机断层造影的各种可能性，对用于计算机断层造影的X射线管的要求在不断提高。从而现代计算机断层造影需要能以高速度调制管电流的X射线管，以便能够例如在两种不同能量时用平衡光子流实现最佳的剂量调制或运行。
在US5105456A中示出用于计算机断层造影的X射线管，其中采用具有热发射的电子源。在产生X射线时该X射线管的外壳和固定在该X射线管中的X射线靶一起旋转，从而从静止设置的电子源发射的电子射线随着时间的流逝而到达X射线靶上的不同位置。旋转的外壳使得可以改善X射线靶在运行期间的冷却。在US5193105A中使用基于热发射的电子源。在该文献的X射线管中，将额外的电极系统、即所谓的RICE系统(Rotating Field Ion ControllingElectrode，旋转场离子控制电子)和所谓的ICE系统(Ion Controlling Electrode，离子控制电子)设置在外壳中，以减少电子源和X射线靶之间的区域中的正离子数量。可以在该电极系统中俘获正离子，其中这既可以通过静止电场也可以通过交变电场来进行。正离子通过加速电子与X射线管的真空外壳中剩下的气体分子的碰撞来产生。该正离子中和了电子射线中的电子之间的碰撞力，从而在聚焦区域内可以将电子射线很好地聚焦在X射线靶上。但由于仅当电子射线在该聚焦区域之前的区域中足够发散时才能实现尽可能小的焦点，因此在该区域中的正离子是不期望的，因为它们妨碍了由于电子的碰撞力而需要的电子射线的扩散。通过上述电极装置可以减少在该区域中的正离子数量，从而总的来说可以使电子射线清楚地聚焦到X射线靶上。
但基于热离子发射的X射线管由于发射所需要的加热而具有很长的反应时间，具有很高的能量消耗并且对空间的要求很大。因此这种X射线管恰好不太适用于上述现代CT应用。
除了热离子发射源之外还公知有用于产生X射线的场发射电子源，即所谓的冷电子源。例如在US2002/0094064A1中展示了一种也可以在计算机断层造影中使用的X射线管。作为电子源，在该X射线管中采用具有一层场发射材料的基底，如碳纳米管。该电子源的各个区域可以通过所敷设的电极结构来选择性地启动，以能够通过局部电场来局部地发射电子。该发射可以在温度为300K时(冷发射)进行，并通过电极非常快速地启动和终止。基于冷电子发射的X射线管具有可以精确控制X射线的发射的优点，从而可以减少X射线暴露并增大X射线照射时的时间分辨率。在该X射线管中，场发射流通过施加在电子源上的电压而不是像在热离子发射中那样通过温度来控制。因此，可以通过适当控制所施加的电场实现具有可变脉冲宽度和高重复率的脉冲式X射线发射。控制电压一般只位于50到100V的范围内，从而可以简单地产生快速的脉冲序列。
US6760407B2也公开了一种本文开始所述类型的用于为计算机断层造影产生X射线的装置。在这种X射线管中电子源具有弯曲的表面，通过该表面就已经对电子射线施加了聚焦作用。因此在该X射线管中可以放弃额外的聚焦装置。
但迄今为止这种X射线管中的冷电子源的寿命还是一个很大的问题。尤其是由于冷电子源的灵敏表面的离子冲击而导致寿命缩短，如在Y.Cheng等人的“Electron field emission from carbon nanotubes”，C.R.Physique4(2003)，1021-1033页或者在Y.Saito等人的“Cathode Ray Tube Lighting Elements withCarbon Nanotube”，Japanese Journal of Applied Physics，Vol.37(1998)，346-348页中描述的。离子冲击通过正离子而产生，而该正离子通过外壳中剩下的剩余气体分子与电子射线的电子发生碰撞而形成。因此为了提高电子源的寿命，建议在X射线源的外壳中保持大约10-8托的非常高的真空。这例如可以通过另外将吸气材料设置到真空外壳中来实现。但是，由于阳极温度很高因此很难在CT设备所需要的高功率X射线管中保持如此高的真空。此外，高真空由于空间电荷效应而妨碍了电子射线清楚地聚焦在阳极上，因为缺乏起中和作用的正离子。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种用于产生尤其是用在计算机断层造影中的X射线的装置，该装置可以使电子射线很好地聚焦在X射线靶上并具有很长的寿命。
本发明的技术问题通过一种用于产生X射线的装置来解决，其包括可抽成真空的外壳，其中设置一个或多个冷电子源作为阴极以及至少一个X射线靶作为阳极，使得在阴极和阳极之间施加电压时由电子源发射的电子在电子射线中加速到X射线靶上。该装置的特征在于，在外壳中在电子源和X射线靶之间设置用于减少在电子源区域中的正离子数量的装置。
因此在本发明的装置中，使用冷电子源、尤其是场发射电子源，其中可以通过施加在电子源上的电场控制电子流。由此实现对电子发射的非常快速的反应时间，以及与此关联的对X射线发射的非常快速的反应时间。构造和使用这种电子源的细节例如可以参见开头所述的Y.Cheng等人的文献。通过在电子源区域中设置在电子源和X射线靶之间的用于减少正离子数量的装置，防止或至少大大减少这种离子对电子源表面的冲击。这提高了电子源的寿命，而不会因此限制电子射线聚焦到X射线靶上。因此在本发明的装置中不必在外壳中保持非常高的真空。而是预计有一部分气体分子会通过与电子射线中电子的碰撞而产生正离子，因为这些正离子在电子射线的聚焦区域中、即尤其是在X射线靶之前的区域中用于中和电子射线中电子的碰撞力。通过减少该区域中的空间电荷效应、即电子的相互碰撞，电子射线保持非常清晰的聚焦，而且即使在阳极电势很小和电子流很高时也可以在X射线靶上形成很小的焦点。
用于减少正离子数量的装置优选由俘获相应区域中的正离子的电极系统组成。其优选是ICE或RICE电极系统，其中多个电极对围绕电子射线设置，在这些电极对上施加直流电压或交流电压或者这两种电压以适当方式的组合。
本发明的装置，下面也称为X射线管，由于对电子射线的快速可调制性以及由此带来的X射线的快速可调制性，而且由于通过电子射线在X射线靶上的小焦点达到的高分辨率而首先适用于计算机断层造影设备。在此采用极为不同的计算机断层造影设备配置，例如第三代计算机断层造影设备或第五代计算机断层造影设备，其中X射线管和X射线检测器都静止地设置。
对按照例如与现有技术的上述文献相同的方式实施的冷电子源，优选这样结构化，可以有目的地控制用于发射电子的各个区域。这可以通过敷设在发射材料上或设置在其上方的电极结构、尤其是电极栅格或电极阵列来实现，其中可以在各个电极上选择性地施加电压。发射电子的材料优选由碳纳米管层制成，但还可以通过公知的Spindt发射器形成。
在电子源的实施中，在所属的基底上首先敷设由半导体材料制成的光电层，在该光电层之上敷设电子发射层。在电子发射层上又设置合适的电极结构。在这种实施方式中可以通过将激光或LED穿过对激光辐射透明的基底而入射到光电层上，从而在电极结构上局部地施加用于发射电子的电压。利用这种结构可以实现在例如由US4821305A中的热离子发射器的关联中公开的X射线管，其中电子源和X射线靶相对地设置在在运行时旋转的圆柱形容器中。
下面结合附图借助实施例再次解释本发明。其中图1示出本发明装置的实施方式的第一示例；图2示出本发明装置的实施方式的第二示例；图3示出本发明装置的实施方式的第三示例；图4示出本发明装置的实施方式的第四示例；图5示出图4实施方式的轴向视图；图6示出图3实施方式的轴向视图；以及图7示出用于减少正离子数量的电极装置的例子。
具体实施例方式
图1示意性示出本发明装置实施例方式的例子，其中旋转的X射线靶3用作阳极。围绕旋转轴20旋转的X射线靶3和冷电子源1设置在真空外壳5中。
在此，冷电子源1具有凹形表面，通过该表面已经可以将所发射的电子射线2聚焦在X射线靶4上。电子发射通过在电子源1上施加合适的电场来实现，如在电子源的现有技术中公开的。通过作为阳极的X射线靶3的旋转一电子射线2的电子被加速到该阳极上，在X射线靶3上产生圆形的烧灼带4，由此改善了局部温度负载的分布。通过到达的电子在到达位置上产生特征性X射线，该X射线通过图中未具体示出的外壳5的窗口从X射线管中逸出。该例子示意性示出在电子源1区域内的ICE和/或RICE电极装置7。通过该电极装置7俘获通过电子射线2的电子与外壳5中残留的气体原子碰撞而形成的正离子，从而不能到达电子源1的表面。在另一面上，这样的离子留在电子射线的聚焦区域中，从而在该聚焦区域中消除对聚焦起负面作用的空间电荷效应。
由于具有凹形表面的电子源1的面积一般比较大，可以放弃其它聚焦电极，如Wehnelt电极，因为该聚焦通过从电子源1的定向发射就已经实现了。
图2以示意图示出本发明装置实施方式的另一个例子，其中采用旋转活塞管。在这种情况下，为了将X射线靶3上的热能分布在环形带4上，通过环形轨道上的聚焦和偏转线圈6来引导电子射线2。在此在冷电子源1的区域内也设置了用于俘获正离子的ICE和/或RICE电极系统7。这还阻止了正离子在聚焦区域之前的区域8中流动到电子射线2上，从而该电子射线可以无妨碍地扩散到聚焦和偏转线圈6。但在接着的聚焦区域9中，正离子有利地减少或中和了电子射线2中的电子的碰撞力，从而该电子射线可以最佳地聚焦，即使加速电压很低和电流很高也能实现。
图3示出本发明装置的实施方式的另一个例子，其中外壳5与其中设置的电子源1以及X射线靶3一起围绕轴20旋转。在这种情况下在对激光器1 9的射线来说透明的电极基底10上敷设由光电半导体材料11构成的环。在该环上又设置了由发射电子的材料制成的环和构成冷电子源1的微结构化的栅极。在此该栅电极是网状结构的，从而可以借助网状的微电极阵列进行结构化(像素化)形式的电子发射。每个微电极分别通过光电半导体材料连接。通过用激光19或相应的LED进行外部光照射而激活该半导体材料，以产生自由的电荷载体(电子-空穴对)，该电荷载体然后在设置于那里的微电极和处于栅极控制电势的透明电极基底10之间产生电连接。通过该结构只针对恰好位于被照射区域中的区域或像素而激活电子的局部发射。因此，通过改变射线横截面和入射的光射线的形状，可以影响阳极3上焦点的尺寸和形状。此外还可以通过交变的射线偏转产生所谓的弹性焦点。这种装置的重要优点在于，用于激活微电极的光功率比用于直接通过光电效应产生管电流的功率小得多。另外通过旋转圆盒形外壳5，可使热能在X射线靶3上分布在相应的环形带4上。在该实施方式中，也在电子源1的区域中设置相应的ICE和/或RICE电极结构7来减少正离子数量，以此来提高该装置的寿命。图6再次以轴向视图示出这种装置，其中可以看出冷电子源1的环、圆盒形外壳5以及ICE电极结构的内部和外部环7。该电极结构在本实施例中由多个在轴方向上相继排列并围绕中心轴20同心设置的电极环7的对组成。
最后图4示出另一个例子，其中外壳5已实施为环形外壳，其例如可以围绕计算机断层造影设备的检查空间设置。图4的右边在此非常示意地示出该环以及发射的X射线13和设置在该环上的检测器14的示意图，X射线13落在该检测器14上。在图4的左边以放大的示意图示出环形外壳5的截面，其中可以识别出环形的X射线靶3以及冷电子源1的结构化环。在该实施例中也在电子源1的区域中设置ICE或RICE电极结构7。此外，在该示意图中可以识别出用于X射线发射的窗口12。这种装置使得可以实现第五代计算机断层造影设备，在这种设备中X射线管和X射线检测器都静止地设置。环绕的的X射线通过以相同方式环绕的的电子射线2借助对环形电子源1的相应局部控制来产生。
图5再次以轴向视图示出这种装置，其中可以识别出冷电子源1的环、环形外壳5、ICE电极结构的内环7a以及ICE电极结构的外环7b。因此，在该实施例中该电极结构由多个在轴方向上连续排列并围绕环形外壳5的中心轴同心设置的电极环对7a、7b组成。
最后图7示出在电子源1区域中的ICE或RICE电极结构7的设置。下面的电压-路径图示出加速场特征曲线15，该曲线通过阳极的不同电势(阳极电势16)、阴极的不同电势(阴极电势17)和电极结构7的各个电极的不同电势给出。为了避免对加速过程的干扰，该电极结构7与特定的电势序列相结合，后者将一快速交变电场与线性阳极加速场相叠加。该交变的成分去掉了运动困难且缓慢的正离子，而不会明显影响电子的飞行。可以采用连接在阳极电势和阴极电势之间的无源电阻网络，以为该电极系统7的每个电极导出所需要的电势。这可以对管电压的每个值实现。
权利要求
1.一种用于产生X射线的装置，其中在可抽成真空的外壳(5)中设置一个或多个冷电子源(1)作为阴极以及至少一个X射线靶(3)作为阳极，使得在阴极和阳极之间施加电压时由该电子源(1)发射的电子在电子射线(2)中加速到X射线靶(3)上，其特征在于，在该外壳(5)中在电子源(1)和X射线靶(3)之间设置用于减少在该电子源(1)区域中的正离子数量的装置(7)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述用于减少正离子数量的装置(7)是在施加直流电压或交流电压时俘获正离子的电极系统。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述一个或多个冷电子源(1)是场发射电子源。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述一个或多个冷电子源(1)通过在基底上的在施加电场时发射电子的材料结构形成，在该材料结构中或在其上设置电极阵列或电极栅格。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述材料结构由碳纳米管层制成。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述材料结构由Spindt发射器层形成。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的装置，其特征在于，在所述材料结构和基底(10)之间具有光电半导体材料层(11)，并且所述基底(10)至少对一个光射线范围是透明的。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述外壳(5)可旋转地设置，并具有用于使光射线穿过基底(10)而聚焦在所述光电层(11)上的封装可能性。
9.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其特征在于，所述X射线靶(3)相对于所述电子源(1)可旋转地设置，使得电子射线(2)在该X射线靶(3)旋转时先后出现在该X射线靶(3)的不同位置上，这些位置位于一个环形轨道(4)上。
10.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其特征在于，在所述用于减少正离子数量的装置(7)和X射线靶(3)之间设置针对电子射线(2)的偏转装置(6)，通过该偏转装置将电子射线(2)聚焦在X射线靶(3)上，并引导至X射线靶(3)上的环形轨道(4)上。
11.根据权利要求9或10所述的装置，其特征在于，所述用于减少正离子数量的装置(7)是用于在施加直流电压或交流电压时俘获正离子的电极系统，其中该电极系统构成为环形装置，其围绕电子射线(2)并包括多个在该装置中相对设置的电极对。
12.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其特征在于，所述外壳(5)构成为围绕中心轴的中空环，在该外壳中的一侧所述电子源(1)环形延伸，而在相对的另一侧X射线靶(3)环形延伸，其中在该中空环的内圆周上构成一个环绕的窗口(12)用于使X射线(13)从该外壳(5)中逸出，而环形延伸的电子源(1)这样结构化，通过选择性地控制该电子源(1)在外壳(5)的X射线靶(3)上产生环绕的X射线焦点。
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述用于减少正离子数量的装置(7)是用于在施加直流电压或交流电压时俘获正离子的电极系统，其中该电极系统由多个相继位于轴向上并且围绕中心轴同心设置的电极环对(7a，7b)构成。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的装置作为X射线源在计算机断层造影设备中的应用。
全文摘要
本发明涉及一种用于产生X射线的装置，其中在可抽成真空的外壳(5)中设置一个或多个冷电子源(1)作为阴极以及至少一个X射线靶(3)作为阳极，使得在阴极和阳极之间施加电压时由电子源(1)发射的电子在电子射线(2)中加速到X射线靶(3)上。在该外壳(5)中在电子源(1)和X射线靶(3)之间设置用于减少电子源(1)区域中的正离子数量的装置(7)。本发明的装置在电子射线可以很好聚焦并快速调制的同时还具有很长的寿命。
文档编号H01J35/06GK101017759SQ20061006436
公开日2007年8月15日 申请日期2006年9月28日 优先权日2005年9月28日
发明者埃克哈德·亨普尔, 德特莱夫·马特恩, 斯蒂芬·波佩斯库 申请人:西门子公司