专利名称：与旋转阳极移动同步地操纵电子束的x射线管的制作方法
技术领域：
本发明涉及借助于x射线管生成x射线的领域。具体而言，本发明涉 及一种x射线管，其中对撞击到x射线管阳极上的电子束进行周期性操纵。 因而，所述操纵可包括改变束流使得及时调制所生成x射线的强度。所述
操纵还包括这样的空间变化使得撞击到阳极上的电子束的焦斑可以在空间 上进行改变。
本发明还涉及一种X射线系统，具体而言是一种医学X射线成像系统，
其中，所述x射线系统包括如上所述的x射线管。
此外，本发明涉及一种生成x射线的方法，其特别用于进行医学x射 线成像，其中使用如上所述的x射线管。
背景技术：
计算机断层摄影(CT)是放射诊断的标准成像技术。在一些情形中， 人们期望提供一种具有脉冲式X射线源的CT系统，其中，及时调制所发 射X射线的强度。例如，对人体的快速移动器官(例如，心脏区域)进行
x射线成像需要x射线源提供定时开关电子束。然而，脉冲式x射线源同
样可用于其他应用中，例如移动对象的二维荧光透视或放射治疗。
为了控制X射线管的X射线输出剂量，必须控制撞击到X射线管阳极
上的电子束流。已知有多种调制x射线管内电子束流的方法。
第一种已知的方法是改变电子发射器(例如热阴极)的温度。从而， 有可能控制在一定时间间隔内从电子发射器中释放的电子数量。
第二种已知的方法是用脉冲式高压电源为x射线管供电，使得及时改 变介于电子源和x射线管阳极之间的电场。从而，及时改变作用于己经从
电子发射器中释放的电子上的静电力，以便以脉冲的方式从电子发射器周 围的电子云中移除存在于所述电子云中的电子。
第三种已知的方法是改变电子发射器正前面的电场。这可通过给电极施加脉冲电压来实现，所述电极定位成非常靠近电子发射器。所述电极例 如可以是栅极，其允许电子束穿透电极。
所有这些方法都具有这样的缺陷，即脉冲电子束的生成基于向X射线 管的各个部件施加相对较高的交变电压或电流。然而，所有这些部件和这 些部件对应的供电线路都具有寄生电容和电阻，使得对应的电压和电流信
号模糊不清。因此，逐步式切换x射线强度仅在为调制电子束而采用代价
高的电压或电流源的情况下是可能的。
而且，同样存在这样的x射线成像应用，其中期望提供一种具有x射
线源的CT系统，其能够将发射X射线的焦斑相对于被检査患者从一个位 置快速移动到另一位置。已经提议通过对撞击到X射线管阳极表面上的电 子束进行电和/或磁偏转来实现这种移动。
同样已经提议通过移动阳极表面来提供空间焦斑移动。从而，电子束 可相对于对应的电子源在不同的距离处击中阳极表面。
US 4,107,563公开了一种X射线发生管，其特别适于在CT装置中使 用。所述X射线发生管包括旋转阳极，所述旋转阳极能以振荡的方式沿阳 极的旋转轴进行线性移动。借助于所谓的8字形凹槽实现所述阳极振荡， 所述8字形凹槽形成于旋转阳极的轴上，并与设置在旋转轴的轴承处的销 钉机械地相互作用。当阳极相对于X射线管的封套进行移动时，代表所生 成X射线的原点的焦斑同样相对于所述封套进行移动。
JP 58-117629公开了一种小型且低成本的X射线管，其通过对X射线 管的靶形状进行变形和处理来生成X射线微束，从而可以响应于耙的旋转 而改变电子束的行进距离。
US 5,907,592公开了一种用于产生多组被检査对象投影测量值的CT装 置。所述CT装置包括具有阳极表面的X射线源，其以这样的方式成型使 得在阳极旋转期间，在两个焦斑位置之间顺序调制所生成的X射线束。从 而，在阳极的每次旋转期间采集两组投影数据，其中，这些投影数据代表 对象的两个不同切片。以交错的方式使用投影数据来重建对象的图像。
需要提供一种X射线管，其能够轻松且快速地操纵电子束，以便及时 调制所生成的X射线。
发明内容
这一需要可由根据各独立权利要求的主题来满足。本发明的各有利实 施例由各从属权利要求进行描述。
根据本发明的第一方面，提供了一种X射线管，包括(a)电子源，其 适于生成沿射束轴投射的电子束，(b)阳极，将其布置在所述射束轴内， 使得电子束撞击到阳极表面的焦斑上，所述阳极可围绕z轴旋转，以及(c) 电子束操纵设备，其连附到可旋转阳极。
本发明的这一方面基于这样的思想，即可以以有利的方式采用旋转阳 极以便以相对于阳极移动同步的方式来操纵电子束。从而，与阳极一起旋 转的各部分适于调制撞击到阳极表面上的电子束。当然，射束调制的周期 要比阳极转动的周期短。典型地，阳极以近似10Hz和lkHz之间的旋转速 度进行旋转。优选地，阳极以近似50Hz和200Hz之间的旋转速度进行旋 转。
通过对己知的X射线管进行极其简单的修改可实现所述的X射线管。 唯一必要的修改是为电子束操纵设备提供支撑布置，使其能刚性地固定到 可旋转阳极上。
典型地，电子源是热阴极。这样的优势在于通过充分控制热阴极材料 的温度可以精确地调节电子流。
根据本发明的实施例，电子束操纵设备是电磁力生成设备，其适于将 电磁力施加到电子束的电子上。与已知的动态操作电磁力生成设备(其典 型地布置在X射线管内的空间固定位置上)相比，可以用具有或多或少恒 定安培数的静态电荷和/或静态电流来操作旋转电磁力生成设备。因此，所 述X射线管具有这样的优势，即不必向可旋转电磁力生成设备施加较高的 交变电压电平或交变电流。因此，寄生电容和/或电阻很少或根本不会对平 化所施加的电压和/或电流信号有所贡献，使得能够实现很好地近似对电子 束的逐步调制。
根据本发明的实施例，电磁力生成设备包括对电子束进行电操纵的电 极，其中，所述电极可连接规定的电压电平。这样的优势在于，通过控制 静态电压电平实现对电子束强度的调制，所述静态电压电平施加给与阳极 协同旋转的电极。通过与以电子和电磁力生成设备之间的磁相互作用为基础的射束调制 进行对照，由于不必为电磁力生成设备生成电流而更容易实现对射束的精 确控制。然而，必须提到的是，用永磁体同样可以实现基于磁相互作用的 射束调制，所述永磁体相对于可旋转阳极进行空间固定。
在为了调制电子束强度而采用基于磁相互作用的电磁力生成设备的情 形中，为了从电子束路径中移除电子而使用电子束流收集器作为电子陷阱 是有益的。
必须指出的是，电磁力生成设备还包括一个以上的电极或一个以上的 电极部分，它们可以相对于彼此处于不同的电压电平。因而，可提供调制 的电子束，其不但包括两个而且包括两个以上的不同电子束状态。
根据本发明的另一实施例，电极处于与阳极一样的电压电平。这样的 优势在于，不必在移动的电极与典型静态电压源之间提供额外的电连接。
根据本发明的另一实施例，(a)阳极是关于z轴旋转对称的圆盘，和 (b)在阳极的顶视图中，电极覆盖阳极的至少一个扇区。优选地，该圆盘 在该圆盘的外环区域内是平坦的或成锥形。这样的优势在于，根据平坦化 角度，主要在基本垂直于z轴的方向上发射所生成的X射线。
根据本发明的另一实施例，X射线管还包括电子聚焦设备，当阳极的 角位置在预定的角度范围内时，将其布置在电子源和电磁力生成设备之间。 这样的优势在于可精确控制焦斑的长度和宽度，以便从X射线管所生成 的X射线发源于阳极表面的空间精确界定区域。
电子聚焦设备例如可以是文纳尔圆柱。这是圆柱状电极，其包含带相 反电势的X射线管阴极，且其被设计成对电子束进行聚焦和空间控制。
根据本发明的另一实施例，电极包括开口。这样的优势在于当电极 被定位为紧挨着电子源时，在电子源和电极之间能够生成大体上均匀的电 场。在电极与电子源相比处于高电压电平的情形下，可生成电牵引场 (electric pull field),或增强现存的牵引场，这使得电子源阴极周围的电子 被从该电子云(空间电荷)中牵引出，从而由于受限于其附近的空间电荷， 而显著增加电子束的强度。因此，所述电牵引场必须比介于电子源和阳极 之间所生成的电子加速场更强。当然，电牵引场的强度不仅依赖于电子源 和电极间的电压差，电牵引场的强度还依赖于电子源和电极间的距离。在电极内部设置开口的另一优势在于，可实现电子束的高穿透因子。 特别是在当开口的大小使得电子束可横穿电极而不会紧靠电极或者电极部 分的边或角的情形中更是如此。
优选地，电磁力生成设备适合以这样的方式操纵射束强度，使得根据 阳极相对于电子源的角位置，电子束能以最大强度撞击到阳极表面上，或
者能完全切断电子束，使得没有x射线生成。因而，提供脉冲式x射线源。
根据本发明的另一实施例，电极包括至少两部分，它们借助于支架彼 此机械连接。优选地，支架同样可用于所述两部分彼此进行电连接。
根据本发明的另一实施例，支架包括棒或杆。这些元件的特征在于具 有明显延长的形状。这样的优势在于支架对电子束仅产生非常小的遮蔽效 应从而几乎不会干扰电子束的传播。
优选地，支架包括多个棒或杆的布置，从而可以实现由这些元件制成 的机械稳定框架。因而，所述框架可借助于两个空间分离的连接器机械连 接两个电极部分，从而在两个电极部分间提供稳定且抗弯曲的机械连接。
根据本发明的另一实施例，支架布置在由于电极的存在而使电子源和 阳极间的电场减小的区域内。这样的优势在于，在电子源和阳极之间仅生 成非常小的电子加速场变形并且仅很小一部分电子或根本没有电子会击中 支架。
根据本发明的另一实施例，电磁力生成设备以这样的方式从阳极上突 出，使得当电磁力生成设备到达电子源和阳极之间时，在电子源和电极之 间仅留有很小的间隙。这样的优势在于，在电子源和电极之间可提供很强 的电场。因此，可将从电子源释放的电子有力地拉入电子束中。然而，应 当考虑到的是，所述间隙必须足够宽，以保证电极即使在不平稳地操作所
述x射线管时也不会与电子源发生机械碰撞。此外，应当考虑到的是，在
不同部件(其处于不同电势上)之间不会发生真空放电。
优选地，小间隙的宽度小于电子源和阳极间距离的大约10%。更优选
地，小间隙的宽度小于在电子源和阳极表面间延伸的整个电子束路径长度
的大约5%。仅提供小间隙的优势在于生成非常高的电牵引场，这适于将电 子从电子源周围的电子云中有力地牵引出。
根据本发明的另一实施例，电磁力生成设备包括至少两个电极。优选地，电极沿着阳极的圆周以对称的方式进行分布，使得可以生成具有恒定 重复频率的X射线脉冲。
根据本发明的另一实施例，x射线管还包括电子排斥设备，其适于在
电极处于除电子源之外的角位置时至少部分抑止电子束电流。这样的优势 在于，可以显著增加调制指数，即由于存在牵引电极而增强的电子束强度 与由于存在电子排斥设备而降低的电子束强度之间的比率。高调制指数的
优势在于，利用对已知x射线管进行极其简单的修改来提供切换式、具体 而言脉沖式x射线源。当然，x射线脉冲的时间行为仍取决于阳极的转动。
根据本发明的另一实施例，将电子排斥设备布置在相对于电子源空间
固定的位置上。这样的优势在于在不使用任何移动部件的情况下可实现 电子排斥设备，从而提供电子排斥设备不会使X射线管的组装更加复杂； 电子排斥电势会相当地小并能以简单且有效地方式实现绝缘手段。固定式 电子排斥设备优选连附到电子源。
当然，固定式电子排斥设备提供向电子束的电子所施加的排斥力，其 中所述排斥力不依赖于阳极的实际角位置。然而，牵引电极和从电子源释 放的电子之间的电磁相互作用会比电子排斥设备和所释放的电子之间的所 述相互作用更强。换句话说，牵引电极的存在过度补偿了电子排斥设备的 效果。
然而，必须提到的是，向电操作的电子排斥设备施加交变电压当然也 是可能的，其中所述交变电压与阳极移动同步。
根据本发明的另一实施例，电子排斥设备是栅极，其可关于电子源用 负电压进行充电。这样的优势在于，利用设计和制造X射线管领域中己知 的各部件来实现电子排斥设备，进而实现整个X射线管。
根据本发明的另一实施例，电子排斥设备连附到阳极。优选地，电子 排斥设备位于阳极的一个扇区内，将该扇区布置在分配给电极的阳极扇区 的旁边或下方。
为了提供最大调制指数，可将阳极表面分割成至少一个分配给电极的 第一扇区，和至少一个分配给电子排斥设备的第二扇区。这样的优势在于， 电子束受制于推动电子束的电子牵引设备，或者受制于阻碍电子束传播的 电子排斥设备。根据本发明的另一实施例，电子排斥设备包括电绝缘材料。这样的优 势在于，绝缘材料为电子束的自我抑止做好准备，因为当电子撞击到绝缘 材料上时，它将自动进行充电，使得由于带电电子排斥设备所生成的电场 而排斥其他电子。这意味着电子排斥设备代表了导致电子束有效抑制的所 谓电子镜。
根据本发明的另一实施例，电磁力生成设备是用于空间操纵电子束的 电子偏转设备。电子束的操纵具有在所述X射线管的操作期间，阳极表面 上的焦斑位置以与阳极旋转同步的方式进行空间变化的效果。这样的变化
例如可用于双焦斑X射线系统，其中用源自空间不同焦斑处的两组稍微不
同的x射线穿透被检查对象。
根据本发明的另一实施例，电子偏转设备适于将电子束相对于z轴进 行径向偏转。这样的优势在于，电子束垂直于阳极表面部分的圆周运动进 行移动，从而可实现精确控制焦斑位置。
根据本发明的另一实施例，X射线管还包括另外的电极，其中所述另 外的电极可连接另外的电压电平。具体而言，在所定义的电压电平和所述 另外的电压电平具有不同的代数符号时， 一个电极可用作牵引电极，而另 一电极可代表推开电极。因而，可增强电子束偏转，使得焦斑可以在阳极 表面上相当宽的区域内变化。
根据本发明的另一实施例，将另外的电极布置在相对于电子源空间固 定的位置上。这样的优势在于，由于不必提供电压源和移动构件之间的电 连接而很容易接触到另外的电极。
根据本发明的另一实施例，另外的电极处于与电子源相同的电压电平。 这样的优势在于，不必为给另外的电极供电而设置额外电压源。当第一电 极处于与阳极相同的电压时，与为了操作X射线管而不论以何种方法提供 电压电平相比，不必为了实现所述X射线管而提供附加的电压电平。因此，
从已知的各x射线管开始，仅用相当简单的机械设置可实现所述x射线管。
根据本发明的另一实施例，电子偏转设备以这样的方式从阳极中突出， 使得电子束基本沿电子源和阳极间整个电子路径长度进行操纵，换句话说， 在电子源和电子偏转设备之间只有非常狭窄的间隙。因此，只要有可能， 从电子源发射的电子能在相互作用的长度内与电子偏转设备进行交互。然而，应当考虑的是，所述间隙必须足够宽以保证电子偏转设备即使在不平 稳地操作所述X射线管时也不会与电子源和/或与电子聚焦设备发生机械碰 撞。此外，必须确保不会发生真空放电。
优选地，所述相互作用长度至少是电子源和阳极间整个电子束路径长
度的卯％。最佳地，所述相互作用长度至少是整个电子束路径长度的95%。
根据本发明的另一实施例，电子偏转设备适于将电子束进行离散偏转， 使得(a)当阳极角位置在第一角度范围内时生成第一焦斑，以及(b)当 阳极角位置在第二角度范围内时生成第二焦斑。这样的优势在于，借助于 简单的机械设置可实现双焦斑X射线管。
必须提到的是，也可改动电子偏转设备使得在阳极的一次转动期间， 连续生成三个甚至更多的不同焦斑。在这种情形中，电子偏转设备必须包 括三个甚至更多的节段，籍此给每个节段分配一定的可旋转阳极角度范围。
此外，必须提到的是，电子偏转设备同样能以这样的方式形成，使得 在旋转阳极的一次转动期间，焦斑常常在两个甚至更多的空间不同的焦斑 之间来回切换两次甚至多次。这意味着与阳极移动的周期性相比，焦斑以 更高的调和周期性进行变化。
根据本发明的另一方面，提供了一种X射线系统，具体而言是一种像 计算机断层摄影系统这样的医学X射线成像系统。所提供的X射线系统包 括根据任意一个上述X射线管实施例所述的X射线管。
本发明的这一方面基于这样的思想，即上述X射线管可用于各种X射 线系统，特别是用于医学诊断。
人们可从被检查对象的脉冲照射中获得好处，例如能够采集移动对象 清晰的X射线图像。
此外，人们可从用两组不同的X射线照射被检查对象中获得好处，籍 此两个X射线组在不同的照射角度下穿透所述对象。当使用探测器阵列来 感测橫贯对象的X射线时，人们能这样设计X射线系统，以便应用所谓的 交错(interleaving)技术。因而，在仅使用一个焦斑的情形中，源自不同 焦斑的相邻X射线彼此分隔达相邻X射线之间距离的一半。这样的优势在 于，当分配给两个焦斑的两次X射线采集以恰当的方式组合时，能增强X 射线系统的空间分辨率。在最佳情况下，空间分辨率可加倍。此外，人们可从利用两个不同的x射线管对被检查对象进行照射中获 得好处，籍此在非常不同的照射角度下，例如在CT系统的回转轴偏离90 度的情况下，所生成的两个X射线束穿透对象。因而，电流调制能力可用 于在两个X射线管之间来回切换。
必须提到的是，所述X射线系统还可用于除医学成像外的其他目的。 例如，所述X射线系统还可用于诸如行李检査装置的安全系统。因而，脉 冲式X射线源能够进行行李物品的检査，所述行李物品设置在相当快速移 动的传送带上。
根据本发明的另一方面，提供了一种生成X射线的方法，特别是生成 供像计算机断层摄影这样的医疗X射线成像使用的X射线。所提供的方法 包括使用根据任意一个上述X射线管实施例所述的X射线管。
必须注意的是，已经参考不同的主题描述了本发明的各个实施例。具 体而言，已经参考装置类型的权利要求描述了一些实施例，而已经参考方 法类型的权利要求描述了其他实施例。然而，如果没有其他提示，本领域 的技术人员能从上面和下面的说明书中推断出，除了属于一种主题类型的 特征的任意组合之外，有关不同主题的各个特征之间的任意组合，具体而 言是装置类型权利要求的特征和方法类型权利要求的特征间的任意组合同 样被认为在本申请中得到了公开。
本发明在上面定义的各个方面和另外的方面从下文描述的各实施方式 的示例中变得显而易见，并参考各实施方式的示例进行阐述。下文将参考 各实施方式的示例详细描述本发明，但本发明并非局限于这些示例。
图la示出了根据本发明优选实施例的X射线管的截面图，其中可旋转 阳极位于第一角位置；
图lb示出了图la中所示的X射线管的截面图，其中可旋转阳极位于 第一角位置；
图2a示出了图la和lb中所示的X射线管阳极的顶视图； 图3a示出了图la和lb中所示阳极的顶视图，其中指示出分配给不同 束流的不同焦斑轨迹；图3b示出了说明束流作为阳极旋转相位的函数的图示；
图4a示出了包括四个牵引电极的阳极的顶视图，所述四个牵引电极沿
阳极圆周均等地分布；
图4b示出了说明束流作为图3a所示阳极旋转相位的函数的图示； 图5示出了包括四个牵引电极和四个静电电子镜的阳极的顶视图； 图6示出了包括连接到X射线管电子源的可充电栅极的X射线管的截
面图，其中可充电栅极用作静态电子排斥设备；
图7a示出了根据本发明另一实施例的X射线管的截面图，其中可旋转
阳极位于第一角位置；
图7b示出了图7a所示的X射线管的截面图，其中可旋转阳极位于第
二角位置；
图8a示出了图7a所示X射线管阳极的顶视图8b示出了说明射束偏转作为图8a所示阳极的旋转相位相对于焦斑 的函数的图示。 附图标记列表 IOOX射线管 110电子源 111热阴极
115电子聚焦设备/文纳尔圆柱
120a电子束(高电流)
120b电子束(低电流)
121焦斑
130阳极
135旋转轴/z轴
136旋转方向
140电磁力生成设备/牵引电极 141开口/间隙 142a电牵引场(强) 142b电牵引场(弱) 145支架
15146框架/轮辐
222a第一焦斑轨迹(高电子束流)
222b第二焦斑轨迹(低电子束流)
230阳极
235旋转轴/z轴
236旋转方向
240电磁力生成设备/牵引电极 241开口 246框架/轮辐 321焦斑
322a焦斑轨迹(高电子束流)
322b焦斑轨迹(低/零电子束流)
330阳极
335旋转轴/z轴
336旋转方向
350指示表示时间的箭头
bc束流
cp旋转相位
421焦斑
422a焦斑轨迹(高电子束流) 422b焦斑轨迹(低/零电子束流) 421焦斑 435旋转轴/z轴 436旋转方向
440电磁力生成设备/牵引电极
446框架/轮辐
450指示表示时间的箭头
bc束流
cp旋转相位
521焦斑530阳极
535旋转轴/z轴
536旋转方向
540电磁力生成设备/牵引电极 546支架/轮辐
560电子排斥设备/电子绝缘材料/电子镜 600X射线管 610电子源 611热阴极
615电子聚焦设备/文纳尔圆柱
620c阻断的电子束
630阳极
635旋转轴/z轴
636旋转方向
640电磁力生成设备/牵引电极
641开口
642c电子排斥场
645支架
646框架/各轮辐
660电子排斥设备/可充电的栅极 661电压源 700X射线管 710电子源 711热阴极
715电子聚焦设备/文纳尔圆柱
720电子束
721a第一焦斑
721b第二焦斑
730阳极
731转轴735旋转轴/z轴 736旋转方向
740电子偏转设备/第一电极/牵引电极
745支架
770第二电极
771用于第二电极的支架
821a第一焦斑
822a第一焦斑轨迹(偏转的电子束)
822b第二焦斑轨迹(未偏转的电子束)
830阳极
831转轴
835旋转轴/z轴
836旋转方向
850指示所绘时间的箭头
bd射束偏转
cp旋转相位
具体实施例方式
附图中的图示是示意性的。值得注意的是，在不同的图中，类似或相 同的元件设有相同的附图标记或设有这样的附图标记，它们与对应的附图 标记仅第一个数字不同。
在下文中，参照图la和图lb解释表示本发明优选实施例的X射线管 100的结构。因而，图la示出了在第一时间点处的X射线管100的截面图， 而图lb示出了在第二时间点处的X射线管100的截面图。
X射线管IOO包括电子源110。电子源110包括热阴极111和电子聚焦 设备115，所述电子聚焦设备115借助于所谓的文纳尔圆柱来实现。当正确 操作时，电子源110发射电子束120a。
X射线管100还包括可旋转阳极130，其具有旋转对称的形状。阳极 130具有圆盘形状，在其外环形区域以内是平坦的。阳极130被支撑在枢轴 承(未描绘)中。此外，阳极130耦接到旋转驱动器(未示出)，所述旋转驱动器在操作中使阳极130围绕旋转轴135旋转。旋转移动的方向用箭头 136指示。
电子束120a撞击到阳极130上表面的焦斑121上。
为了控制电子束120a的强度，阳极130设有电磁力生成设备，其根据 本文所述的实施例是牵引电极(pull electrode) 140。牵引电极140借助于 支架145安装在可旋转阳极130上，其从阳极130的上表面向上突出。
支架145不止用于机械支撑牵引电极140。支架145还用作电极140 和阳极130之间的电连接器。这意味着牵引电极140总是处于与阳极130 相同的电压电平。典型地，电子源110处于接地电平而阳极BO和牵引电 极140处于近似+40kV到+225kV的电压电平。因此，可生成相应能量范 围内的X射线光子。
牵引电极140以这样的方式成型，使得在阳极130的第一扇区之上， 电极140以旋转对称的方式围绕旋转轴135延伸。换句话说，电极140具 有环面形状，但是将其限制在阳极130的第一扇区内。
在电极140中形成开口 141。开口 141以这样的方式成型，使得电子束 120a可穿过牵引电极140。根据本文描述的实施例，所述开口是狭缝141， 其具有有限圆弧的形状。因此，电极140实际上由两部分制成，它们借助 于由轮辐(spoke)制成的框架146进行机械和电连接。在图la和lb分别 描绘的旋转相位中，轮辐146位于所示横截面的之上和之下。这种情况由 指示轮辐146的虚线来说明。
当牵引电极140到达电子源110下方(见图la)时，生成电牵引场142a， 该电牵引场比在没有电极140情况下电子源110和阳极130之间的电场要 大的多。电子源110正下方的电场的增强基于如下事实即电子源110和 牵引电极140之间的距离比电子源110和阳极130上表面之间的距离小很 多。所增强的牵引场"2a具有从热阴极111周围的电子云中牵引出更大量 电子的效果。换句话说，电子束流不但依赖于热阴极111的温度，而且电 子束流更依赖于电牵引场142a的量级。因此，存在与阳极130处于相同电 压电平并且定位于电子源110正下方的牵引电极140显著增加了电子束 120a的电流。图la中描绘了这种情况。
当牵引电极140到达在电子源110的旁边(见图lb)时，在热阴极lll处存在电牵引场142b。电牵引场142b对应于由电子源110和阳极140间的 电压差所生成的电场。当然，该电场强烈依赖于电子源110和阳极140间 的距离。通过与图la指示的强电牵引场142a相对照，弱场142b从阴极111 周围的电子云中移除较少的电子。这样的效果在于，电子束120b包括更小 的电流、具体而言更小的安培数。这种情况由虚点箭头120b说明。
必须提到的是，能以这样的方式调制X射线管100的几何结构以及电 子源110和阳极130、具体而言和牵引电极140的电压电平，以便可以实现 射束开关。因而，电子束120a包括预定的电流强度，而电子束120b被完 全切断，即没有电子到达阳极表面。
此外，应该指出，由于牵引电极140位于电子源110、具体而言电子聚 焦设备115的正下方这一实事，在电子源110和牵引电极140之间延伸的 电场内电子束120a的电子得到显著地加速。换句话说，牵引电极140和阳 极130上表面间的空间仅包括非常弱的电场。这意味着为了不使电子束 120a在该空间内强烈散焦，电子聚焦设备115必须进行正确地调整。
优选地，轮辐146 (其将牵引电极140的内外部分相连)位于只包括低 电场的区域中。这样的优势在于，使由于存在轮辐而造成的电场变形最小， 从而以良好的近似来忽略电子束120a的散焦。
应该清楚，当阳极130围绕旋转轴135进行旋转时，电子束120的强 度在两个不同数值间切换。当牵引电极140到达在电子源110下方时，生 成具有高束流的电子束120a (见图la)。当牵引电极140未到达在电子源 IIO下方时，生成具有低束流的电子束120b(见图lb)。因此，电子束120a、 120b的强度以相对于阳极移动同步的方式自动进行调制。当然，脉冲宽度 总是比阳极转动的周期短。
在这一点上必须提到的是，牵引电极140的存在当然对电子源110和 阳极130间的电通量线产生影响。为了避免电子束120a的散焦，因而避免 扩大的焦斑121，可以与阳极移动同步地动态操作电子聚焦设备115，使得 电子束120a和120b都以近似相同的聚焦度撞击到阳极表面上。
图2示出了阳极130的顶视图，其现在用附图标记230表示。阳极230 按箭头236所指示地围绕旋转轴235顺时针旋转。阳极230设有两部分牵 引电极240。牵引电极240的两部分经代表间隙的开口 241彼此分离。开口241以这样的方式形成和定位,使得电子束在没有空间干扰的情况下可穿过 电极240。
电极240的两部分借助于框架246进行电和机械连接，所述框架246 由多个轮辐组装而成。此外，电极240与阳极230电连接。
当阳极230和电极240共同围绕旋转轴235旋转时，电子源(未在图2 中描绘)和阳极230之间存在的带电电极240对电牵引场有强烈的影响， 使得能及时调制电子束强度。因而，可将阳极230的环面分割成第一焦斑 轨迹222a和第二焦斑轨迹222b 。第一焦斑轨迹222a代表高强度电子束120a 撞击到阳极230的区域上。第二焦斑轨迹222b代表低或零强度电子束120b
撞击到阳极表面的区域上。
图3a示出了阳极230的顶视图，其现在用附图标记330表示。阳极330 按箭头336所指示地围绕旋转轴335旋转。阳极330被从空间固定的电子 源(未绘出)所发射的电子束进行击中。因而，生成空间固定的焦斑321。 焦斑321具有狭长矩形的形状。由于在焦斑321内生成的X射线从旋转轴 335径向相外发射，因此垂直于所发射X射线方向的焦斑321的投影更小。 优选地，在该投影中焦斑321具有正方形的形状。
如前面己经解释的，旋转电极240调制电子束强度，使得可以识别出 其中高强度电子束120a撞击到阳极330上的第一焦斑轨迹322a。因此，可 识别其中低或零强度电子束120b撞击到阳极表面上的第二焦斑轨迹322b。
根据本文所述的实施例，牵引电极240覆盖大约12.5。％的阳极330的 角圆周。因此，在阳极330的一次转动中，高强度束脉冲将持续大约阳极 转动周期的1/8。阳极的这些部分(其仅受到很小的电流)甚至可以忽略， 或者由不同于受到高电流部分(即，其携载焦斑轨迹322a)那样的热-机械 稳定的材料来制造。
.图3b示出了说明束流的时间行为bc作为阳极旋转相位cp的函数的图 示。假设射束调制为100%，即束流的强度在零电流和最大电流之间切换。 阳极330典型地以恒定角速度进行旋转，使得相位(p正比于时间t。
束流bc用阳极移动相对于焦斑位置219的定相来描绘，该定相对应于 如图3a所指示的任意相位点0。和180。。因而，在从0。到45。的相位间隔范 围之间，电子束以最大强度撞击到阳极上。在相位点45°和360°之间，电子束被抑止。箭头350指示阳极移动的定相，该定相描绘在图3a中。当然， 由于阳极移动的周期性，束流的调制也以360。的周期周而复始。
图4a示出了根据本发明另一实施例的容纳在X射线管内的阳极430 的顶视图。阳极430装备有包括四个牵引电极440的电磁力生成设备，每 个牵引电极与阳极430相电连接。各牵引电极440沿阳极圆周均等地分布。 每个电极440包括两部分，它们借助于由多个轮辐制成的框架446进行电 和机械连接。
当阳极430按箭头436所指示地沿旋转轴435进行旋转时，空间固定 的焦斑421遍扫阳极表面。因而，能够识别四个焦斑轨迹422a，其每一个 代表高强度电子束120a撞击到阳极430的区域上。因此，能够识别四个焦 斑轨迹422b，其每一个代表低或零强度电子束120b撞击到阳极表面的区域 上。
图4b示出了说明束流的时间行为bc作为阳极430旋转相位cp的函数的 图示。再次假设射束调制为100%，即束流的强度在零电流和最大电流之间 切换。如从包括四个均等分布的牵引电极440的电磁力生成设备中所预期 的，在0。和360。之间的相位间隔中，生成四个电子束脉冲。再次，箭头450 指示阳极移动的定相，该定相描绘在图4a中。
图5示出了根据本发明另一实施例的容纳在X射线管内的阳极530的 顶视图。除了提供四个电子镜560之外，可旋转阳极530与图4中描绘的 阳极430 —样。因此，不再赘述阳极530的设计。参考图4中描绘的阳极 430的描述。
各电子镜560位于四个牵引电极540之间并在阳极按箭头536所指示 地进行旋转时，与各牵引电极540 —起围绕旋转轴535共同旋转。各射束 镜560包括电绝缘材料。当射束镜560被电子束击中时，绝缘材料将充负 电。这增强了电子源前面的空间电荷并切断电子束。
设有电子镜560和牵引电极540的X射线管能进行电子束强度的更高 调制。这是基于这样的事实，即当各牵引电极540到达在电子源前面时， 将从电子源中静电牵引出电子，并将提高射束强度。当各电子镜560到达 在电子源前面时，将从阳极中静电排斥出电子，使得电子束被抑止。
图6示出了根据本发明另一实施例的X射线管600的截面图。X射线管600绝大部分对应于图la和lb中描绘的X射线管100。为了不再赘述， 参考上面给出的X射线管100的描述。
通过与图la和lb所示的X射线管100相对照，X射线管600附加地 设有借助于支架(未绘出)附连到电子源610的可充电栅极660。可充电栅 极660与电压源661电连接。
固定的可充电栅极660提供排斥电场642c，使得排斥力作用于电子束 620c的电子上。因此，在电子源610下方不存在牵引电极640的情况下， 电子束620c被阻断。
当然，.排斥功能不依赖于阳极630的实际角位置。然而，当在电子源 610的下方存在牵引电极640时，牵引电极640和从电子源610中释放的电 子之间的电磁相互作用比栅极660和所释放的电子之间的所述相互作用更 强。换句话说，牵引电极640的存在过度补偿了电子排斥设备的效果。当 然，该过度补偿只有在牵引电极640和阳极630相对于电子源610处于正 的高电压，和栅极660相对于电子源610处于负的低电压，以及适当限定 所实现几何结构内的各位置时才成为可能。
必须提到的是，当然还可以给栅极660施加交变电压，其中所述交变 电压与阳极630的移动同步。因而，当牵引电极到达电子源610的下方时， 栅极660可切换到空载(floating)电压电平。这同样可用于调制焦斑大小， 因为调制的栅极电势一般将对各电场线产生影响并用它进行电子束的聚 焦。
在下文中，参照图7a和图7b解释代表本发明另一实施例的X射线管 700的结构。因而，图7a示出了在第一时间点处的X射线管700的截面瞬 态图，而图7b示出了在第二时间点处的X射线管700的截面瞬态图。
如从图7a和图7b中所看到的，X射线管700包括电子源710。电子源 710包括热阴极711和电子聚焦设备715，所述电子聚焦设备715可借助于 所谓的文纳尔圆柱来实现。当正确操作时，电子源710发射电子束720。因 而，电子束720的电流强烈依赖于热阴极711的实际温度。温度越高则有 更多的电子从阴极材料中释放。
X射线管700还包括可旋转阳极730，其具有旋转对称的形状。如从图 7a和图7b中所看到的，阳极730具有圆盘形状，其在它的外环区域以内是平坦的。阳极730借助于转轴731进行支撑，转轴731容纳在枢轴承中(未 绘出)。转轴731耦接到旋转驱动器(未示出)，所述旋转驱动器在操作中 使阳极730围绕旋转轴735进行旋转。旋转移动的方向用箭头736进行指不。
电子束720撞击到阳极730上表面的焦斑721a、 721b。如从图7a和图 7b中所看到的，焦斑721a和721b的位置彼此间隔开，因为电子束720的 路径在空间上不是恒定的。
为了对电子束720进行空间控制，阳极730设有电子偏转组件。所述 电子偏转组件包括从阳极730的上表面伸出的支架745。所述电子偏转组件 还包括连附到支架745的第一电极740。在阳极730的第一扇区上方，第一 电极740以旋转对称的方式围绕旋转轴735延伸。换句话说，第一电极740 具有环面形状，但是将其限制在阳极730的预定扇区上。如能够从侧视图 中指示电极740的虚线所得出的，根据本文所述的实施例，预定的扇区是 半圆周。
支架745不但用于机械支撑第一电极740，支架745还用作第一电极 740和阳极730之间的电连接器。这意味着第一电极740总是处于与阳极 730相同的电压电平。典型地，电子源710处于接地电平，而阳极730和第 一电极740处于近似+60keV到+ 140keV的电压电平。因而，能够生成诊 断相关能量范围内的X射线光子。
X射线管700还包括第二电极770，其借助于支架771与电子源110 进行机械和电耦合。由于将电子源710以空间固定位置布置在X射线管700 内，因此同样将第二电极770固定在X射线管700内。
当第一电极740位于电子源710的侧下方时，电子束720朝旋转轴735 径向偏转，使得电子束720撞击到第一焦斑721a中的阳极730上。图la 中描述了这种情况。因而，对于电子束720内的所有电子，第一电极740 起到像牵引电极一样的作用。
必须提到的是，由于牵引电极740位于电子源710、具体而言电子聚焦 设备715的正下方这一实事，因此在电子源710和第一电极740之间延伸 的电场内电子束720的电子得到显著地加速。换句话说，第一电极740和 阳极730上表面间的空间仅包括非常弱的电场。这意味着为了不使电子束720在该空间内强烈散焦，电子聚焦设备715必须进行正确地调整。
当第一电极740位于电子源710的对侧时，电子源710和阳极730之 间的电场不受或极其弱地受到第一电极740的影响。因此，电子束720大 体以直线投射到阳极730上，使得电子束720撞击到第二焦斑731b中的阳 极730。图7b中描绘了这种情况。
应该清楚的是，当阳极730围绕旋转轴735旋转时，电子束720的焦 斑721a、 721b在两个空间不同的位置间进行切换。当第一电极740到达到 电子源710的侧下方时，电子束720偏转，并且第一焦斑721a位于紧靠支 架745的基座处(见图7a)当第一电极740未到达电子源710的紧靠下方 时，电子束720大体上以直线进行投射，并且焦斑721b位于距支架745的 基座预定距离处(见图7b)。当然偏转的周期总是比阳极转动周期短。
在这一点上必须提到的是，第一电极740的存在当然对电子源710和 阳极730间的各电通量线产生影响。为了避免电子束720的散焦，因而避 免扩大的焦斑721a、 721b，与阳极移动同步地动态操作电子聚焦设备715， 以便偏转和没有偏转的电子束720都以近似相同的聚焦度撞击到阳极表面。
图8a示出了阳极730的顶视图，其现在用附图标记830表示。由转轴 831支撑的阳极830按箭头836的指示进行顺时针旋转。用附图标记821a 表示阳极表面上生成的焦斑。焦斑821a具有狭长矩形的形状。然而，由于 在焦斑821a内生成的X射线从旋转轴835径向相外发射，因此垂直于发射 X射线方向的焦斑821a的投影更小。优选地，在该投影中焦斑821a具有 正方形的形状。
根据本文所述的实施例，牵引电极740覆盖一半的阳极830。因此，在 阳极830的一次转动中，在阳极表面上生成两个焦斑轨迹。当电子束720 按图7a所指示的进行偏转时，第一焦斑轨迹822a由焦斑821a在阳极表面 上的相对移动进行界定。当电子束720按图7b所指示的不进行偏转时，第 二焦斑轨迹822b由焦斑721b在阳极表面上的相对移动进行界定。
图8b示出了说明射束偏转的时间行为bd作为阳极830旋转相位cp的函 数的图示。阳极830典型地以恒定角速度进行旋转，使得相位cp正比于时间
用阳极移动相对于焦斑位置821a的定相来描述射束偏转bd，该定相对应于如图8a中所示的任意相位点0°和180°。因而，在从0°到180°的相位 间隔范围内，电子束偏转，从而得到焦斑轨迹822a。在相位点180°和360° 之间，电子束不进行偏转，从而得到焦斑轨迹822b。箭头850指示阳极移 动的定相，该定相描绘在图8a中。当然，由于阳极移动的周期性，射束偏 转也以360。周期周而复始。
必须提到的是，电子偏转设备740的其他分割当然也是可能的。例如 电子偏转设备740能以不对称的方式形成，使得偏转电子束和未偏转电子 束之间的时间分布是不均等的。此外，所述电子偏转设备还以这样的方式 形成具有不止一个节段(segment),使得在阳极740的一次转动期间，焦 斑721a、 721b常常在两个空间不同的焦斑之间来回切换两次甚至更多。
此外需要指出的是，还可采用这样的电子偏转设备740，使得在阳极 730的一次转动期间，连续生成三个甚至更多的空间不同的焦斑。在这种情 形中，所述电子偏转设备必须包括三个甚至更多的节段，籍此给每个节段 分配一定的旋转阳极730的角度范围。
值得一提的是，术语"包括"并不排除其他元件或步骤，并且"一" 或"一个"不排除多个。同样在有关不同实施例中描述的各元件能够进行 组合。还值得一提的是，权利要求中的附图标记不应理解为对权利要求范 围的限制。
为了扼要重述本发明上述各实施例，其可陈述为
本发明描述了一种X射线管100，其包括设有牵引电极140的旋转阳 极130。牵引电极140与固定的电子源110相互作用，以便生成调制的电子 束120a、 120b。射束调制可以是强度变化和/或空间偏转。牵引电极140相 对于阳极130安置在固定的位置，并与之共同旋转。牵引电极140可具有 使电子束120a穿过的孔141。当位于电子源110前面时，牵引电极140引 发高电场142a，使得生成强电子束120a。当其不位于电子源110前面时， 仅生成低或零电流电子束120b。然而，牵引电极740还可引起径向射束偏 转，使得根据阳极730的角位置，改变电子束720的焦斑721a、 721b的位 置。
权利要求
1、一种X射线管，包括电子源(110，710)，其适于生成沿射束轴投射的电子束(120a，120b，720)，阳极(130，730)，将其布置在所述射束轴内，使得所述电子束(120a，120b，720)撞击到所述阳极(130，730)表面的焦斑(121，721a，721b)，所述阳极(130，730)可围绕z轴(135，735)旋转，以及电子束操纵设备(140，740)，其连附到所述可旋转阳极(130，730)。
2、 如权利要求1所述的X射线管，其中所述电子束操纵设备是电磁力生成设备(140， 740)，其适于将电磁力 施加于所述电子束(120a， 120b， 720)的电子上。
3、 如权利要求2所述的X射线管，其中所述电磁力生成设备包括对所述电子束(120a， 120b， 720)进行电子 操纵的电极(140， 740)，其中，所述电极(140， 740)可连接所定义的电 压电平。
4、 如权利要求3所述的X射线管，其中所述电极(140， 740)处于与所述阳极(130， 730)相同的电压电平。
5、 如权利要求3所述的X射线管，其中所述阳极(130， 730)是关于所述z轴(135， 735)旋转对称的圆盘， 并且其中在所述阳极(130， 730)的顶视图中，所述电极(140， 740)覆盖所 述阳极(130， 730)的至少一个扇区。
6、 如权利要求2所述的X射线管，还包括电子聚焦设备(115， 715)，当所述阳极(130， 730)的角位置在预定的角度范围内时，将其布置在所述电子源(110， 710)和所述电磁力生成 设备(140， 740)之间。
7、 如权利要求3所述的X射线管，其中 所述电极(140)包括开口 (141)。
8、 如权利要求3所述的X射线管，其中所述电极(140)包括至少两部分，它们借助于支架(146)彼此机械 连接。
9、 如权利要求8所述的X射线管，其中 所述支架(146)包括棒或杆。
10、 如权利要求8所述的X射线管，其中所述支架(146)布置在其中由于所述电极(140)的存在而使所述电 子源(110)和所述阳极(130)之间的电场降低的区域内。
11、 如权利要求3所述的X射线管，其中所述电磁力生成设备(140， 145)以这样的方式从所述阳极(130)中 突出，使得当所述电磁力生成设备(140)到达所述电子源(110)和所述 阳极(130)之间时，在所述电子源(110)和所述电极(140)之间仅留有 小的间隙。
12、 如权利要求3所述的X射线管，其中 所述电磁力生成设备包括至少两个电极(440)。
13、 如权利要求3所述的X射线管，还包括电子排斥设备(560， 660)，其适于当所述电极(540， 640)处于在所 述电子源(610) —侧的角位置时，至少部分抑止所述电子束流。
14、 如权利要求13所述的X射线管，其中所述电子排斥设备(660)布置在相对于所述电子源(610)空间固定 的位置。
15、 如权利要求14所述的X射线管，其中所述电子排斥设备是栅极(660)，其可用相对于所述电子源(610)的 负电压进行充电。
16、 如权利要求13所述的X射线管，其中 所述电子排斥设备(560)连附到所述阳极(530)。
17、 如权利要求16所述的X射线管，其中 所述电子排斥设备(560)包括电绝缘材料。
18、 如权利要求3所述的X射线管，其中所述电磁力生成设备是用于空间操纵所述电子束(720)的电子偏转设 备(740)。
19、 如权利要求18所述的X射线管，其中所述电子偏转设备(740)适于将所述电子束(720)相对于所述z轴 (735)径向偏转。
20、 如权利要求18所述的X射线管，还包括 另外的电极(770)，其中所述另外的电极(770)可连接另外的电压电平。
21、 权利要求20所述的X射线管，其中将所述另外的电极(770)布置在相对于所述电子源(710)空间固定 的位置。
22、 如权利要求20所述的X射线管，其中所述另外的电极(770)处于与所述电子源(710)相同的电压电平。
23、 如权利要求18所述的X射线管，其中所述电子偏转设备(740)以这样的方式从所述阳极(730)中突出， 使得能基本沿所述电子源(710)和所述阳极(730)间的整个电子路径长 度操纵所述电子束(720)。
24、 如权利要求18所述的X射线管，其中所述电子偏转设备(740)适于离散地偏转所述电子束(720)，使得 当所述阳极(730)的角位置在第一角度范围内时生成第一焦斑(721a)并且当所述阳极(730)的角位置在第二角度范围内时生成第二焦斑(721b)。
25、 一种X射线系统，具体而言是一种像计算机断层摄影系统这样的 医学X射线成像系统，所述X射线系统包括如权利要求1所述的X射线管(100， 700)。
26、 一种用于生成X射线的方法，具体而言是一种用于生成供像计算 机断层摄影这样的医学X射线成像所使用的X射线，所述方法包括使用如权利要求1所提出的X射线管(100， 700)。
全文摘要
本发明描述了一种X射线管(100)，其包括设有牵引电极(140)的旋转阳极(130)。牵引电极(140)与固定的电子源(110)相互作用，以便生成调制的电子束(120a、120b)。射束调制可以是强度变化和/或空间偏转。牵引电极(140)相对于阳极(130)安置在固定的位置，并与之共同旋转。牵引电极(140)可具有使电子束(120a)穿过的孔(141)。当位于电子源(110)前面时，牵引电极(140)这样引发高电场(142a)，使得生成强电子束(120a)。当其不位于电子源(110)前面时，仅生成低或零电流电子束(120b)。然而，牵引电极(740)还可这样引起径向射束偏转，使得根据阳极(730)的角位置，改变电子束(720)的焦斑(721a，721b)的位置。
文档编号H01J35/10GK101449352SQ200780018452
公开日2009年6月3日 申请日期2007年5月14日 优先权日2006年5月22日
发明者R·K·O·贝林 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司