专利名称：X射线管以及x射线管的离子偏转和收集装置的电压供应方法
X射线管以及X射线管的离子偏转和收集装置的电压供应方法
技术领域：
本发明总体上涉及具有单对电极的x射线管的技术领域，尤其涉及离 子偏转和收集装置(IDC)的电压源以及控制和提供IDC的电压电位的方法。 更具体地，本发明涉及具有产生电子束的阴极和由单对电极组成的离子偏 转和收集装置(IDC)的X射线管，还涉及由单对电极组成的偏转和收集装 置的电压供应方法。本发明适用于其中为了保持稳态而必须避免离子轰击 电子发射器件的任何领域。
传统X射线管包括至少两个分离的电子发射极。由于在这些管中阴极 和阳极之间的距离很小，所以不能实现波束成形透镜。仅阴极杯(cathode cup)影响焦斑的尺寸和形状。在阴极杯中，发射极是几何分离的，因此与 光轴不成直线。因此，每个发射极仅产生一个焦斑。
高端和下一代X射线管需要能够提供可变的焦斑尺寸和形状。与传统 的X射线管相比，在不同的波束成形透镜之间，这些管在阴极和阳极之间 具有较大的距离。为了实现优化的聚焦特性，需要将电子发射极置于透镜 系统的光轴上。由于管内部的非完全真空，所以残留气体的原子和分子可 能被电离，因此受高压和/或光学系统的电磁和静电透镜的影响。这些离子 中的一些朝电子发射极加速。光学系统将随后轰击发射极的表面的这些离 子聚焦在小斑点中。这可能损坏发射极的结构，因此降低发射极的寿命或 导致发射极的立即失效。具有高电压加速区和接着的一个无电场区的系统 尤其表现出这种特性。
一种中心具有孔的发射极设计的提议可以解决该问题，US 5343112和 DE 100 20 266 Al中具体描述了该提议。聚焦在发射极中心上的离子穿过该 孔并且轰击比发射极大的结构。由于较高的热容，所以释放的能量导致较 小的温度升高，因此不会带来损坏。
中心具有孔的发射极设计具有在中心无电子发射区的缺点。这负面影响了电子光学，并导致了焦斑中强度的不均匀分布。因此，不再能实现均 匀发射的可能的最小焦斑以及所使用的电子光学装置。
另一降低损坏发射极结构的可能是沿着光轴设置多个静电透镜(离子
清洗电极ICE)，各静电透镜均由相对于光轴对称设置的两个电极构成。每 一电极对中的一个电极接地，另一电极接负电位。US 5521900中对此进行 了一般性的描述，其被视为本领域的发展趋势。如US 5521900中所述，在 空间受限的情况下，不可能实现具有不同负电压的多个静电透镜的设置。
此外，在US 5193105和US 4625150中，描述了由用于产生捕获离子 的旋转或横向电场的至少两对电极(4电极)组成的多电极装置(多-ICE)。
但是，通过仅使用具有无场区域的管中的这些元件中的一个，无场区 外的更多离子朝负电极加速并进入高电压区。这些离子被聚焦并轰击发射 极。因此，仅包含一对电极的装置增加了轰击发射极的离子的数目，所述 一对电极中一个电极接地、 一个电极接负电位。
而且，使用电极的装置都需要一个以上的电压源，由此增加了必需的 空间和质量。这可能导致机架(gantry)的实现问题。
总之，需要一种X射线管和一种方法，以避免离子轰击发射极，从而 避免损坏发射极，并克服上述X射线管和方法的所描述的缺点。
通过根据权利要求1所述的X射线管和根据权利要求7所述的方法， 可以克服这些缺点。本发明包括创造性的X射线管的原理几何装置，以及 单个离子收集器或尤其用于包含无电场区域的高端X射线管的IDC的优选 操作模式。
为了产生正离子的偏转和收集所需的电偶极子场，可以有源地驱动离 子收集器或IDC，或者通过组合的有源和无源电压源驱动离子收集器或IDC。 这可以避免离子轰击发射极，从而避免损坏发射极。
在有源/无源电压源的情况下，通过从阳极背散射并对浮置电极充电的 电子来提供无源电压源。为了实现所限定的电位，浮置电极可经由齐纳二 极管或抑制二极管连接到地电位。
在基于静电场对带电粒子作用的第一装置中，本发明优选仅使用各电 极上具有相反电位的一对电极(与US 5193105中所要求保护的最小数目的 四个电极相比，是两个电极)，且仅外壳、特别是X射线管接地电位。与单
5元件ICE相比，这可以导致轰击发射极的离子显著减少。为了提供相反的 电压，仅需要两个电源。
在本发明的第二装置中，通过运用静电离子偏转器/收集器原理，以及 利用无源装置代替负有源电压源，可以进一步除去负电压源。该无源装置 由准浮置电极和无源电子元件组成，特别地，至少由具有与正电极电位的 相反电压相等的击穿电压的抑制二极管或齐纳二极管组成，以实现对称的 电场。利用在无电场区中的近直线上传播且碰撞负电极的散射电子，将在 该负电极上产生必需的电荷。
结合附图，通过详细阐述了优选实施例的如下说明，本发明的其他特 征和优点将变得明显。
图1描述了一般化的现有技术X射线管，利用该X射线管可以实施本 发明；
图2A)是垂直于光轴的截面，示出了具有接负电压电位的第一电极和 接地电位的第二电极的现有技术离子控制电极装置(ICE);
图2B)是垂直于光轴的截面，示出了用于产生旋转或横向电场的现有 技术四电极装置；
图3示出了一般化的双极管；
图4示出了一般化的单极管；
图5A)示出了用于IDC的两个电极的有源电压源的一般化的装置的光
轴平面中的截面；
图5B)示出了垂直于光轴的根据图5A)的装置；
图6示出了图1中所示的管中的模拟离子轨迹
A) 未激活IDC，
B) —个电极接地，另一个电极接负电位，
C) 两个电极接相反电位，仅管外壳接地电位； 图7示出了发射极上离子的模拟焦斑
a) 没有IDC (100%离子)，
b) 使用一个电极接地而另一个电极接负电位的IDC模式(105%离子)
c) 使用两个电极接相反电位而仅管外壳接地电位的IDC模式(16%离子)；
图8示出了具有抑制二极管的无源负电极的一般化装置；
图9是直到用于图1所示的设计装置的几百伏特的抑制二极管击穿电
压，无源电极的取决于管电流(点P1-P4)的充电时间的曲线图IO是无源负电极(1)上的电压和管电流(2)相对于时间的曲线图。
具体实施例方式
图1中示出的X射线管1的众所周知的现有技术装置示出了具有阴极 杯3的阴极2 (利用该X射线管1可以实施本发明)，该阴极杯3产生高电 压区4，特别地，该阴极杯3产生从阴极杯3延伸到阳极(未明确示出)的 阳极圆盘6的电子束5。电子束5在阳极圆盘6上形成焦斑7。电子束5由 离子偏转器/收集器(IDC) 8对称地环绕，且进一步由"光学"透镜9环绕， 所述离子偏转器/收集器(IDC) 8偏转和收集从电子束5出来的离子，所述 "光学"透镜9将电子束5聚焦到所述焦斑7。在电子束5穿过IDC 7之后， 到达无电场区IO。
图2A)示出的截面垂直于现有技术的离子控制电极装置(ICE) 11的 光轴，该离子控制电极装置(ICE) 11的一个电极12接负电压电位-U，而 另一电极13接地电位G。
图2B)示出了现有技术的四电极装置14，其用于产生旋转或横向电场。 这里，通过沿着电子束的光轴设置多个静电透镜15、 16(离子清洗电极ICE) 的布置提供减少离子的可能，各静电透镜由相对于光轴对称设置的两个电 极17、 18、 19、 20构成。
图3示出了现有技术的双极管24。这里，高电压电场22中的背散射的 电子25朝阳极23再次加速。除了有效尺寸和位置控制以外，将来高端CT 和CV X射线管要求较高的功率和较小的焦斑。通过在X射线管24内部使 用优化的热量管理概念，提供了实现较高功率的一种方法。如图3所示， 在传统的X射线管中，使用了双极高电压源，其中阳极23接正高电压电位 +HV。因此，从阳极23背散射的电子25朝阳极23再次加速，因此将全部 管功率的近90-95%施加到阳极23。
图4示出了单极管26。无电场区27中的背散射电子25沿着直线(箭
7头方向)不受影响地传播。利用一高电压源，单极装置可用来增加管功率。
高电压电位-HV根据孔开口的直径通过电阳极23中的孔28穿透到实质上的 无电场区27内。在这个区域中，背散射电子25几乎沿着直线传播，且碰 撞耗散功率的特定热管理管部件(这里未示出)。通过这种方式，从耙材耗 散约40%的功率，在不使靶过载的情况下可以获得较高的管功率。然而，这 样的单极装置在阴极30和阳极23之间要求有较大的距离，因此要求较好 的光学透镜系统。管26中的残留气体的原子和分子能够通过散射的电子25 来电离，并通过穿过阳极开口的弱电场来加速。这些离子被通过光学透镜 系统和电子束的空间电荷聚焦在发射极上，并损坏或完全破坏发射极。
图5示出了根据本发明的用于IDC的两个电极32、 33的有源电压源31 的装置。图5A)示出了光轴平面中的截面34，而图5B)示出了垂直于电子 束光轴的截面35。如图5所示，通过使用具有一个相对于地电位G的负电 压电位-U和一个相对于地电位G的正电压电位+U的电偶极子，几乎所有的 离子均能够被偏转或被收集，以便维护发射极的功能。该离子偏转器和收 集器(IDC)的合成电场作用于接着碰撞IDC的离子。 一些离子碰撞阴极杯 而不碰撞发射极。
图6示出如图1所示的管中的模拟离子轨迹。图6A)是未激活IDC时 的轨迹。图6B)是一个电极接地电位G和另一个电极接负电压电位-U时的 轨迹。图6C)是两个电极接相反电位且仅管外壳接地电位G时的轨迹。对 具有ICE的管和没有离子控制的管的离子轨迹、尤其是靠近电极的那些离 子的轨迹的影响差异在此清楚示出。
图7a)示出了根据图6A)的在没有IDC (100%离子)的情况下发射极 上的离子的第一模拟焦斑。
图7b)是根据图6B)的在一个电极接地电位G而另一个电极接负电压 电位-U的IDC模式(105%离子)的情况下的模拟焦斑，图7c)示出了根据 图6C)的在两个电极接相反电位且仅管外壳接地电位G的IDC模式(16% 离子)的情况下的模拟焦斑。
图7中示出了在如图1所示的管装置和例如正/负几百伏特的仏oc情况 下的合成离子轰击密度。与没有IDC的100%离子密度(图7a)相比，这使 得离子密度降低到16% (图7c)。实验结果表明这种减少显著地降低了对发射极的损坏，因此延长了寿命。
如上所解释的，通过仅使用一个IEC (负电位)，与没有离子控制的情 况相比，将有更多的离子碰撞发射极(105%离子密度)(图7b)。原理上， 这种特性是由负电极对离子的加速作用以及随后注入到高电压区引起的 (图6b和7b)。在这种情况下，这仅导致了离子的少量散焦和偏转。
利用例如正/负几百伏特的IW的IDC对加速的快电子的作用仅具有微 小的效果。
图8示出了根据本发明的具有抑制二极管36或齐纳二极管的无源负电 极的简单装置。该装置能够结合上述两种效应，即在无场区中的直线传播 和IDC功能。如果电极没有连接到地电位G，则散射电子碰撞该电极且以负 电压电位-U对表面充电。通过选择与正充电的电极预期的应用电压相对应 的合适的二极管，提供了良好限定的和功能性的有源/无源IDC。
在图9中，示出了可以如何迅速地将负电极充电到负几百伏特，这足 以使IDC在类似于图1所示的装置中正常工作。对于图1所示的设计装置 而言，直到几百伏特的抑制二极管击穿电压38，无源电极的充电时间取决 于管电流(点P1HP4)。充电时间近似与管电流成反比。给定的管电流要降 低较大的电流需花几毫秒。通过管电流不完美的上升沿，能够解释在后的 值与假设曲线的偏差(图10，曲线37)。要达到所需要的管电流需要花少 数毫秒(见图IO)。对于较陡的上升沿，需要的充电时间将较小。与X射线 曝光时间相比，由于充电时间短，所以有源/无源IDC的功能性不会显著地 降低。
而且，正电极，即偏转电极40在整个发射期间是激活的。结果，如图 8所示，所提出的用于IDC的有源和无源电压源的组合足以满足各种X射线 应用。
以上所提供的说明特别地产生以下的装置的提议
在本发明的第一装置中，作为具有无电场区的X射线管的单一离子收 集器/偏转器(IDC)，其基于静电偶极子、仅利用两个接相反电位的电极和 有源电压源而作用于带电粒子。
在本发明的第二装置中，作为具有被实现为无源装置的负电极41的装 置，其通过散射电子和由无源电子元件(例如齐纳二极管或抑制二极管36)
9所限制的电压来充电。
本发明不限于图中所示的其优选实施例的实施方式。相反地，可以想 到多种利用所描述的方案和发明原理的变型，甚至实现为构造完全不同的 实施例。
此外，需要注意，"包括"不排除任何其它元件或步骤，且"一个"或 "一"不排除多个。而且，需要注意，参考上述示例性实施例中的一个描 述的特征或步骤也可以与上述其它示例性实施例中的其它特征或步骤结合 使用。权利要求书中的附图标记也不应认为是限制性的。
权利要求
1、一种X射线管(1)，其具有产生电子束(5)的阴极(2，30)以及由单对电极(32，33；40，41)组成的离子偏转和收集装置(IDC)(8)，其中，第一电极(33，40)相对于地电位(G)具有正电压电位(+U)。
2、 一种包括根据权利要求1所述的X射线管(1)的X射线管(1)， 其中，所述第一电极(33， 40)连接到电压源(31)。
3、 根据权利要求1或2所述的X射线管(1)，其中，所述第二电极(32) 相对于所述地电位(G)具有负电压电位(-U)。
4、 根据权利要求3所述的X射线管(1)，其中，所述第二电极(32) 连接到第二电压源(31)。
5、 根据权利要求3所述的X射线管(1)，其中，所述第二电极(41) 连接到具有至少一个电子元件的电无源器件。
6、 根据权利要求5所述的X射线管(1)，其中，所述无源器件是抑制 二极管(36)。
7、 一种包括根据权利要求1-6所述的X射线管(1)的X射线器件。
8、 一种由单对电极(32， 33; 40， 41)组成的偏转和收集装置(IDC) (8)的电压供应方法，其中，所述第一电极(33， 40)相对于地电位(G)具有正电压电位(+U)。
9、 根据权利要求8所述的方法，其中，所述第二电极相对于所述地电 位(G)具有负电压电位(-U)。
10、 根据权利要求9所述的方法，其中，由电压源(31)提供所述负 电压电位(陽U)。
11、 根据权利要求10所述的方法，其中，所述负电压电位(-U)由所 述电子束(8)的散射电子来提供且由包括至少一个电子元件的电无源器件 来限定。
12、 根据权利要求ll所述的方法，其中，所述无源器件是抑制二极管 (36)。
全文摘要
本发明涉及一种X射线管，其具有产生电子束的阴极以及由单对电极组成的离子偏转和收集装置(IDC)，其中，第一电极相对于地电位具有正电源，而第二电极相对于地电位具有有源或无源地产生的负电压。而且，本发明涉及一种由单对电极组成的偏转和收集装置(IDC)的电压供应方法，其中，第一电极相对于地电位具有正电压电位，而第二电极相对于地电位具有有源或无源地产生的负电压。
文档编号H01J35/04GK101501811SQ200780029829
公开日2009年8月5日 申请日期2007年7月26日 优先权日2006年8月10日
发明者S·胡特曼 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司