X-射线阴极及其制造方法

专利名称：X-射线阴极及其制造方法
技术领域：
本文公开的主题涉及X-射线管，具体来说，涉及X-射线阴极系统及制造X-射线 阴极的方法。
背景技术：
χ-射线管通常包括在高加速下释放电子的诸如阴极的电子源。释放的一些电子 可撞击靶阳极。电子与靶阳极的碰撞会产生X-射线，这些X-射线可用于各种医疗装置，例 如计算机断层扫描(CT)成像系统、X-射线扫描仪等。在热离子阴极系统中，包含灯丝，可 诱导灯丝通过热离子效应、即响应受热而释放电子。但是，阴极与阳极之间的距离必须保持 较短以允许合适的电子轰击。此外，热离子X-射线阴极通常在整个灯丝表面发射电子。因 此，很难将所有电子聚焦到小焦斑上。

发明内容
在一个实施例中，一种χ-射线阴极管灯丝包括衬底和设置在衬底上的涂层。利用 热离子效应来从涂层而不是从衬底发射电子束。在第二实施例中，提供一种X-射线管系统，该系统包括第一阴极灯丝和靶阳极。 第一阴极灯丝包括衬底和设置在衬底上的涂层。靶阳极面对第一阴极灯丝安置在距离第一 阴极灯丝阴极-靶距离的位置。第一电子流通过热离子效应从第一阴极灯丝涂层发射并加 速到达靶阳极上的第一焦斑以产生X-射线。在第三实施例中，提供一种制造X-射线阴极系统的方法。该制造方法包括将涂 层设置在灯丝的衬底上；以及将经涂覆的灯丝置于阴极组合件中。该涂层的功函数低于灯 丝衬底的功函数。


当参考附图阅读以下详细描述时，将能更好地理解本发明的这些和其它特征、方 面和优点，所有附图中，类似的字符表示类似的部件，其中图1是根据本技术的一个实施例的示范性CT成像系统的概略图示；图2示出根据本技术的一个实施例包括阳极和阴极组合件的X-射线管组合件的 实施例；图3示出根据本技术的一个实施例包括局部涂覆的热离子灯丝的阴极组合件的 实施例；图4描绘根据本技术的一个实施例具有按矩形形状设置的涂层的热离子灯丝的 实施例；图5描绘根据本技术的一个实施例具有按网格图案设置的涂层的热离子灯丝的 实施例；图6描绘根据本技术的一个实施例具有按矩形形状设置的涂层的沟槽式(slotted)热离子灯丝的实施例；图7描绘根据本技术的一个实施例的局部涂覆的卷绕灯丝的实施例；图8描绘根据本技术的一个实施例的局部涂覆的直导线灯丝的实施例；以及图9描绘根据本技术的一个实施例可用于间接电子发射的局部涂覆的弯曲灯丝。
具体实施例方式在某些X-射线阴极组合件中，可采用一个或多个热离子灯丝来发射电子流。可通 过施加热能来诱导热离子灯丝从灯丝的表面释放电子。实际上，灯丝材料越热，可发射的电 子数越多。通常根据其通过热离子效应生成电子的能力以及其经受高热量的能力(在一些 情况下，经受高于约250(TC或更高温度)来选择灯丝材料。传统上，选择灯丝材料为钨或钨 衍生物，例如掺杂钨(即，添加杂质的钨)。钨具有高的熔点和相对较低的功函数(即，诱导 电子离开材料所需的最小能量的度量)。但是，在相同温度下，传统的钨灯丝发射的电子通 常少于本文所公开和论述的经涂覆的灯丝实施例。因此，在相同温度下，与采用传统的未经 涂覆的灯丝的χ-射线管相比，采用所公开的经涂覆的灯丝实施例的X-射线管能够生成更 高的X-射线输出。考虑到以上情况，在详细论述这些公开之前，先论述可结合本文所述的经涂覆的 灯丝的成像系统的实施例可具有益处。考虑到这一点，现在转到各图，图1是示出用于获取 和处理图像数据的成像系统10的图。在所示实施例中，系统10是计算机断层扫描(CT)系 统，它设计成获取X-射线投影数据，将投影数据重建成断层图像，并处理图像数据以供显 示和分析。尽管在医疗成像的上下文中论述成像系统10，但本文论述的技术和配置适用于 其它非侵入式成像上下文，例如行李或包裹筛选或制造零件的工业非破坏性评估。在图1 所示的实施例中，CT成像系统10包括X-射线源12。如本文所详细论述，源12可包括一个 或多个常规的X-射线源，例如X-射线管。例如，源12可包括如下文关于图2更详细地描 述的具有阴极组合件14和阳极16的X-射线管。阴极组合件14可使电子流18 ( S卩，电子 束)加速，其中一些电子可撞击靶阳极16。电子束18撞击在阳极16上会导致发射X-射线 束20。源12可安置在接近准直器22的位置。准直器22可由用于源12的每个发射点的 诸如铅或钨光间的一个或多个准直区域组成。准直器22通常限定进入到安置对象M或物 体的区域中的一个或多个X-射线束20的大小和形状。取决于检测器阵列的配置和/或期 望的数据获取方法，每个X-射线束20 —般为扇形或圆锥形。每个X-射线束20的衰减部 分沈穿过对象或物体，并撞击一般在附图标记观处所表示的检测器阵列。检测器28 一般由多个检测器元件形成，这些检测器元件在X-射线束20穿过置于 成像系统10的视场中的对象或物体或绕过该对象或物体之后检测χ-射线束20。当X-射 线束到达检测器观时，每个检测器元件产生表示入射在该检测器元件的位置处的χ-射线 束的强度的电信号。获取并处理电信号以生成一个或多个扫描数据集。系统控制器30命令成像系统10的操作以执行检查和/或校准协议并处理所获取 的数据。源12通常受到系统控制器30的控制。一般，系统控制器30为X-射线检查序列提 供功率、焦斑位置、控制信号等。检测器观耦合到系统控制器30，系统控制器30命令获取 由检测器28生成的信号。系统控制器30还可执行各种信号处理和过滤功能，例如初始调整动态范围、将数字图像数据交错等。在本上下文下，系统控制器30还可包括信号处理电 路和相关联的存储器电路。如下文将更详细地论述，相关联的存储器电路可存储供系统控 制器30执行的程序、例行程序和/或编码算法、配置参数、图像数据等。在一个实施例中， 系统控制器30可作为诸如通用或专用计算机系统的基于处理器的系统的全部或部分来实 现。在图1所示的实施例中，系统控制器30可经由电动机控制器36控制线性定位子 系统32和旋转子系统34的运动。在成像系统10包括源12和/或检测器观的旋转的实 施例中，旋转子系统；34可使源12、准直器22和/或检测器28围绕对象M旋转。应注意， 旋转子系统34可包括包含固定组件(定子)和旋转组件(转子)的门架。线性定位子系统32可线性地移置用于安置成像对象或物体的检查台或支架。因 此，检查台或支架可在门架内或在成像体积(例如，位于源12与检测器观之间的体积)内 线性运动，并使得能够从对象或物体的特定区域获取数据并且因而生成与那些特定区域相 关联的图像。另外，线性定位子系统32可移置准直器22的一个或多个组件，以便调整X-射 线束20的形状和/或方向。此外，在其中源12和检测器观配置成沿ζ轴(即，一般与患 者检查台或支架的长度相关联和/或与成像孔的纵向方向相关联的轴)提供延伸的或足够 的覆盖范围的实施例和/或其中不需要患者或对象线性运动的实施例中，可缺少线性定位 子系统32。本领域技术人员将明白，源12可通过设置在系统控制器30内的X-射线控制器38 来进行控制。X-射线控制器38可配置成向源12提供功率和定时信号。另外，在一些实施 例中，X-射线控制器30可配置成选择性地激活源12，以使得系统10内的不同位置处的管 或发射器可彼此同步或彼此独立地操作。此外，系统控制器30可包括数据获取系统(DAQ40。在一个实施例中，检测器观 耦合到系统控制器30，更具体来说是耦合到数据获取系统40。数据获取系统40接收由检 测器观的读出电子器件收集的数据。数据获取系统40通常从检测器观接收采样模拟信 号，并将该数据转换为数字信号以供诸如计算机42的基于处理器的系统随后处理。或者， 在其它实施例中，检测器观可将采样模拟信号转换为数字信号，然后传送到数据获取系统 40。在所描绘的实施例中，计算机42耦合到系统控制器30。由数据获取系统40收集 的数据可传送到计算机42以便随后处理。例如，从检测器观收集的数据可在数据获取系 统40和/或计算机42处经历预处理和校准以产生经历成像的对象或物体的衰减系数的线 积分的表示。在一个实施例中，计算机42包括用于对从检测器观收集的数据进行过滤和 处理的数据处理电路44。计算机42可包括存储器46或可与存储器46通信，存储器46可存储由计算机42 处理的数据、将由计算机42处理的数据、或将由计算机42执行的例行程序和/或算法。应 了解，成像系统10可利用能够存储期望量或类型的数据和/或代码的任何类型的计算机可 访问存储器装置。而且，存储器46可包括一个或多个类似或不同类型的存储器装置，例如 磁、固态或光装置，它们可在系统10的本地和/或远程位置。计算机42还可适于控制由系统控制器30启用的特征(即，扫描操作和数据获 取)。而且，计算机42可配置成经由操作人员工作站48从操作人员接收命令和扫描参数，操作人员工作站48可配备键盘和/或其它输入装置。从而，操作人员可经由操作人员工作 站48控制系统10。因此，操作人员可从计算机42观察重建的图像和/或与系统10有关的 其它数据。同样地，操作人员可经由操作人员工作站48启动成像或校准例行程序、选择和 运用图像过滤器等。如图所示，系统10还可包括耦合到操作人员工作站48的显示器50。另外，系统 10还可包括耦合到操作人员工作站48并配置成打印这些电压测量结果的打印机52。显示 器50和打印机52还可直接或经由操作人员工作站48连接到计算机42。此外，操作人员工 作站48可包括或耦合到图片存档和通信系统(PACS) 54。应注意，PACS M可耦合到远程系 统56、放射科信息系统(RIS)、医院信息系统(HIS)或内部或外部网络，以便在不同地点的 其他人可访问图像数据。考虑到以上一般性系统描述，现在转到图2，该图描绘X-射线管组合件58的实施 例，X-射线管组合件58包括如图1所示的阴极组合件14和阳极16的实施例。在所示实 施例中，阴极组合件14和靶阳极16放置在彼此距离阴极-靶距离d的位置，并且朝向彼此 定向。阴极组合件14可包括下文关于图3更详细描述的一组偏置电极(S卩，偏转电极)60、 62、64、66、灯丝68、汲取电极69和防护罩70。阳极16可由包括钨、钼或铜在内的任何合适 的金属或组合物制成。阳极的表面材料通常选择具有较高的耐热值以便经受由于电子撞击 阳极16而生成的热量。在某些实施例中，阳极16可以是旋转盘，如图所示。因此，阳极16 可以高速(例如，1000至10000转/分钟)旋转，以便散布伴随而来的热能并实现更高的温 度容限。阳极16的旋转导致焦斑72(8卩，阳极上被电子撞击的位置)的温度保持在比阳极 16不旋转时低的值，从而允许使用高流量X-射线实施例。阴极组合件14 ( S卩，电子源)安置在距离阳极16阴极-靶距离d的位置，以便将 由阴极组合件14生成的电子束18聚焦在阳极16的焦斑72上。阴极组合件14与阳极16 之间的空间通常清空以便将电子与其它原子的碰撞减至最少并使电位能最大化。通常在阴 极14与阳极16之间形成强电位能，在一些情况下为20kV以上，从而使通过热离子效应由 阴极14发射的电子强烈吸引到阳极16。所得电子束18指向阳极16。焦斑72的所得电子 轰击将通过韧致辐射(Bremsstrahlung)效应、即制动辐射生成X-射线束20。距离d是确定诸如长度和宽度的焦斑72特性并且因此确定所生成的X-射线束20 的成像能力的因素。如果距离d过大，则只有不足数量的电子将撞击阳极16和/或电子束 18可展开过多而无法生成合适大小的X-射线束20。所得X-射线图像可包含虚影或其它 成像伪影。传统上，将距离d设置成小于约50mm以便限定能够生成合适的X-射线束20的 小焦斑(例如，约小于0. 25mm2或更小)。本文所公开并且下文关于各图更详细论述的实施 例允许将距离d设置成大约50mm或更大的距离d。实际上，所公开的实施例允许在较长的 阴极-靶距离情况下具有非常小的焦斑大小，从而允许在X-射线管组合件58的内部容纳 其它装置，例如电子收集器或束流处理磁体。在某些实施例中，包含汲取电极69，它设置在阴极组合件14与阳极16之间。在其 它实施例中，不包含汲取电极69。当包含时，汲取电极可保持为阳极16电位，在一些情况 下为20kV以上。汲取电极69包括开口 71。开口 71允许电子穿过汲取电极69。在所描绘 的实施例中，汲取电极安置在距离阴极组合件14阴极-电极距离e的位置。阴极-电极距 离e也是确定诸如长度和宽度的焦斑72特性以及因此确定所生成的X-射线束20的成像能力的因素。电子在距离e上加速，并且在距离d-e上无加速地漂移。如果距离e过大，则 只有不足数量的电子将撞击阳极16和/或电子束18可能展开过多而无法生成合适大小的 X-射线束20。所得X-射线图像可能会包含虚影或其它成像伪影。传统上，将距离e设置 成小于约50mm以便限定能够生成合适的X-射线束20的小焦斑(例如，约小于0. 25mm2或 更小)。本文所公开并且下文关于各图更详细论述的实施例允许将距离e设置成大约15mm 至50mm以上的距离e。转到图3，该图示出X-射线阴极组合件14的一个实施例，其中灯丝68是经涂覆的 扁平热离子灯丝。在所示实施例中，灯丝68包括设置在衬底76上的涂层74。在某些实施 例中，涂层74可由诸如碳化铪、碳化钽、二硼化铪、碳化锆、氮化铪、氮化钽、氮化锆、二硼化 钨及其衍生物的材料制成，并且可设置在衬底76上，如下文关于图4-6更详细地描述。衬 底76可以由诸如钨或钽的材料制作成平板或矩形的形式。应了解，衬底76可具有其它形 状，例如导线、卷绕导线、弯曲盘、扁平盘等。可选择功函数低于衬底76的功函数的涂层74。S卩，涂层74释放电子所需的热 能可小于衬底76所需的热能。实际上，在涂层的功函数为约3. 5电子伏特(eV)的灯丝实 施例中，在相同温度下，与传统的未经涂覆的钨灯丝相比，发射电子电流密度(即，与灯丝 的每单位表面积所发射的电子的数量和密度有关的度量)可提高约一百倍。因此，在相同 温度下，与由传统灯丝所产生的电子束相比，经涂覆的灯丝68可产生多得多的电子和更强 大的电子束18。实际上，在相同温度下，与由传统灯丝所产生的电子束相比，功函数小于约 4. 5eV的涂层可导致灯丝68产生更强大的电子束18。另外，可选择涂层74以抵抗可存在 于X-射线管组合件58中的某些气体以及离子反向轰击(例如，反弹的电子)，从而导致涂 层74具有较长的工作寿命。另外，可调节灯丝68的热离子温度(即，进行电子发射时的温度)以使得涂层74 而不是衬底76可用作电子束18的主要发射层。具有较低功函数的涂层74将在比具有较 高功函数的衬底低的温度发射电子。因此，可将灯丝68的温度设置为某一值，例如比为传 统灯丝设置的值低约400°C的值。由于涂层74的功函数较低，所以涂层74将在较低的温度 值发射电子。使用较低工作温度还可在延长经涂覆的灯丝68的寿命方面具有优势。灯丝 68故障在传统上是由于灯丝68材料在热离子操作期间蒸发而驱使的。在高真空状态中， 例如在X-射线管组合件58内发现的高真空状态中，材料损耗可与蒸发材料的蒸汽压成比 例。在一些情况下，在相同的热离子发射密度下，诸如包含碳化铪、碳化钽、二硼化铪、碳化 锆、氮化铪、氮化钽、氮化锆和二硼化钨的涂层74的涂层74实施例的蒸汽压可比传统钨灯 丝的蒸汽压低六倍。因此，由于经涂覆的灯丝68可表现出较小的材料蒸发，所以灯丝68的 寿命可大大增加。使用诸如碳化铪、碳化钽、二硼化铪、碳化锆、氮化铪、氮化钽、氮化锆、二硼化钨及 其衍生物的化学物质的另一个优点是，当设置在衬底76上时，所得涂层74可非常稳定。即， 灯丝68可暴露至高温，例如超过约2500°C的温度，而不会使涂层74熔融或与基底衬底76 形成合金或溶液。实际上，涂层74的熔点可高于衬底76的熔点，它包括约3400°C以上的熔 点。此外，涂层74的实施例可表现出一致的蒸发，即，在蒸发期间，涂层中的某些化学物质 之比(例如，铪碳比)可保持恒定。因此，很少或不会出现由于化学组份的改变而导致的热 离子电子发射的变化。
图3还示出被4个偏置电极、即长度内部(L-ib)偏置电极60、宽度左(W_l)偏置 电极62、长度外部(L-ob)偏置电极64和宽度右(W-r)偏置电极66环绕的经涂覆灯丝68， 它们可用作电子聚焦透镜。防护罩70可安置成环绕偏置电极60、62、64、66并连接到阴极 电位。防护罩70可帮助例如减少由于电极几何形状的尖锐特征引起的峰值电场，并且因而 提高电压稳定性。在所示实施例中，防护罩70还环绕涂层74。如上所述，可调节扁平灯丝 (flat filament)68的温度以使得从涂层74而不是从灯丝68的衬底发射大多数电子。因 此，大多数电子可沿与由涂层74限定的平面区域垂直的方向退出。因此，所得电子束18被 偏置电极60、62、64和66环绕。偏置电极60、62、64和66可通过利用有源束流操纵来帮助 将电子束18聚焦到阳极16上的非常小的焦斑72上。S卩，偏置电极60、62、64和66可各自 形成偶极场以便电偏转电子束18。然后，可利用电子束18的偏转来帮助电子束18的焦斑 对准。宽度偏置电极62、66可用于帮助限定所得焦斑72的宽度，而长度偏置电极60、64可 用于帮助限定所得焦斑72的长度。通过将诸如图4中所描绘的形状的发射涂层与偏置电 极60、62、64和66的使用相结合，可实现比传统X-射线灯丝实施例显著提高的焦斑性能。 实际上，单独使用涂层74或使用涂层74与偏置电极60、62、64和66的组合允许通过大于 40mm并小于200mm的阴极-靶距离范围来实现合适的焦斑72。转到图4，该图描绘经局部涂覆的灯丝68的一个实施例。在所示实施例中，涂层 74按照矩形图案沉积或以其它方式形成，并且安置在衬底76的中心。应了解，在其它实施 例中，涂层74可完全覆盖衬底76或者可包含不同的形状。实际上，可在衬底76上设置任 意数量的涂层形状或图案。在某些实施例中，涂层74可通过化学气相沉积(CVD)、溅射或其 它分层技术来制作。也可使用诸如粉末挤压、高能球磨和/或烧结的其它技术来制作经涂 覆的灯丝68。额外的制作技术可包括利用高温渗碳。在高温渗碳中，可以按特定形状或图 案将涂层化学物质(例如，铪)沉积到灯丝68上。在一个实施例中，接着可通过诸如炉子 的外部源来加热灯丝68。在另一个实施例中，灯丝68可接着在高温下操作并生成它自己的 热量。在这两个实施例中，灯丝的加热可导致铪到碳化铪的渗碳作用，从而形成碳化铪涂层 74。应了解，可结合高温渗碳技术使用其它化学物质，例如钽和锆。可用于限定涂层74的 形状或图案的其它制作技术包括微芯片制造技术，例如光刻法、光掩模法或显微光刻法等。在图4所示的实施例中，将矩形涂层74设置在衬底76上，以使得宽度为w的衬底 的边缘部分保持未涂覆。如上所述，可调节灯丝68的热离子温度以使得通过利用涂层74 作为主要发射表面来生成电子束18。因此，可选择衬底76的未经涂覆的边缘的宽度w的值 以优化X-射线管的电子束聚焦能力。电子束的聚焦能力可通过选择宽度w的值以使得大 多数发射电子在期望的焦斑72处撞击阳极16来优化。此外，由于衬底76的边缘保持未涂 覆，所以可从衬底76的侧边上发射非常少的电子(如果有的话)。因此，由于大部分电子现 在指向靶阳极16而不是远离靶阳极16指向，所以将浪费的电子量减至最少。转到图5，该图示出其中涂层74按照网格图案设置在衬底76上的灯丝68的实施 例。实际上，可使用任何数量的图案，例如所示的网格图案。可选择图案以例如允许多个焦 斑72模态。在一个模态中，可调节热离子温度以使得仅仅通过涂层74发射大多数电子。在 另一个模态中，可调节热离子温度以使得通过涂层74和衬底76发射电子。因此，可通过利 用单个经涂覆的灯丝68来形成两个焦斑。第一个焦斑可通过来自涂层74的发射来形成， 而第二个焦斑可通过来自涂层74的发射和来自衬底76的发射的组合来形成。因此，按照任何类型的图案涂覆的能力通过例如利用单个灯丝68形成两个焦斑72来允许焦斑72灵 活性。在可用于形成多个焦斑72的某些实施例中，利用单个灯丝68结合偏置电极60、 62、64、66中的一个或多个。在这些实施例中，偏置电极60、62、64、66中的一个或多个可将 电子束有源偏转(activelydeflect)到一个或多个焦斑72中。例如，偏置电极60、62、64、 66中的一个或多个可通过将偶极场减至最小来限定第一宽焦斑72。可通过加强偶极场来 限定第二较窄的焦斑72。实际上，可通过偶极场的有源操纵来限定任何数量和类型的焦斑。在其它实施例中，可使用多个灯丝68来限定多个焦斑72。这些灯丝68中的每一 个可基于灯丝的特性(包括大小、形状、涂层图案、热离子温度等)来限定焦斑72。因此，可 使用数个灯丝68来限定不同类型的焦斑72，例如具有不同表面积的焦斑72。另外，利用多 个灯丝68的实施例可组合使用偏置电极60、62、64、66中的一个或多个以如上所述地帮助 限定和形成多个焦斑72。图6示出其中灯丝68是沟槽式扁平灯丝68的灯丝68的一个实施例。多个沟槽 77设置在灯丝68的衬底76上，从而形成具有大体上锯齿形状的灯丝68。沟槽77减小了 灯丝68的横截面。因此，由于加热电流流过减小的横截面，所以可大大减小能够加热灯丝 68的加热电流(例如，减小至约小于20A的值)。加热电流的这种减小可导致灯丝68的增 加的效率和使用期限。衬底76中包含两个开口 79以便帮助将衬底76固定到阴极组合件 14。在图6所示的实施例中，涂层74按多个矩形形状设置在衬底76上。如前所述，可 通过调节灯丝68的热离子温度以使得仅仅通过涂层74发射大多数电子来利用涂层74发 射电子。应了解，涂层74和如上所述的涂层图案可设置在其它灯丝实施例上，例如下文将 关于图7更详细描述的卷绕灯丝实施例。图7描绘包括置于导线衬底80的面对靶的表面上的涂层74的卷绕灯丝78的实 施例。传统的卷绕灯丝通常在卷绕灯丝的整个表面上发射电子。因此，相当大量的能量用 于从传统灯丝的导线的不朝向阳极16对准的部分发射电子。实际上，传统的卷绕灯丝的大 部分表面(例如，卷绕灯丝78的下部绕组的顶表面)通常远离靶阳极16定向。经过对比， 所公开的实施例允许将涂层74置于导线衬底80上以使得涂层74总是面对阳极16。如前所述，可调节卷绕灯丝78的温度以使得涂层74充当主要发射层。因此，通过 将涂层74放置成面对阳极16，大部分发射电子18可撞击阳极16上的非常小的焦斑。因此， 与传统的卷绕灯丝相比，经涂覆的卷绕灯丝78能够提供更好的焦斑性能和增加的阴极-靶 距离。此外，与传统的导线卷绕灯丝相比，经涂覆的卷绕灯丝78可实现更长的使用期限。涂 层74的蒸发性质允许较少的材料蒸发，从而增加灯丝78的工作寿命。实际上，包括卷绕灯 丝78在内的本文公开的所有灯丝实施例都可实现更长的使用期限。转到图8，该图示出安置在反射杯84中的直导线灯丝82的实施例。在所示实施例 中，导线衬底80不是卷绕的，而是直导线。涂层74可放置在导线衬底80的面对阳极的表 面上，然后可将导线衬底80放置在反射杯84内。反射杯84通过对电子束18进行无源整 形来帮助聚焦电子束18。电子束18的无源整形可通过反射杯84的几何形状、导线灯丝82 在反射杯中的位置和/或涂层74在导线衬底80上的放置来实现。例如，反射杯84的弯曲 部分85可向外弯曲以便限定较宽的电子束18，或者可以向内弯曲以便限定较窄的电子束18。导线灯丝82可放置在反射杯84中的较高高度以便限定较宽的电子束18，或者可放置 在反射杯84中的较低高度以便限定较窄的电子束18。涂层74可放置在导线灯丝82的表 面的较大部分上以便限定较宽的电子束18，或者可放置在导线灯丝82的表面的较少部分 上以便限定较窄的电子束。实际上，可以利用任何数量的反射杯84形状、导线灯丝82位置 和/或涂层放置，以便通过使用无源电子束18整形来达到各种焦斑72。应了解，可与诸如 反射杯84的反射杯一起使用任何数量的经涂覆的灯丝实施例，例如在图2、3、4、5和6中所 描述的扁平灯丝68。实际上，所公开的经涂覆的灯丝实施例可与反射杯84和/或如图2和 3所示的偏置电极60、62、64和66 —起使用。转到图9，该图示出具有可用于间接加热发射的涂层74的弯曲盘灯丝发射器86的 实施例。可从材料发射电子，而与如何加热该材料无关。可通过例如用电子轰击材料本身 来直接或间接加热材料。即，电子发射本身可用于引起加热，从而导致热离子效应和额外的 电子发射。如图所示，诸如直接受热的钨丝的电子源88可发射电子束90，并引导电子束90 聚焦在弯曲盘灯丝86的后部上。电子束90可撞击弯曲盘灯丝86，并使弯曲盘灯丝86的 温度上升。然后，弯曲盘灯丝86中的热量可通过例如热传导传到涂层74。因此，可将涂层 74加热到涂层74通过热离子效应发射电子的温度点。实际上，在导线充当电子源88的某 些实施例中，涂层74可产生比由该导线生成的电子数量多的电子。弯曲盘发射器86的弯曲衬底87可定型成最佳地将电子束18生成到非常小的焦 斑72中。因此，可基于焦斑72的期望大小和距离焦斑72的距离来计算弯曲衬底87的曲 率(g卩，斜率)。增加弯曲衬底87的斜率将把电子束18聚焦到较小、较靠近的焦斑72中。 减小弯曲衬底87的斜率将把电子束18聚焦到较大、较远的焦斑72中。类似地，涂层74也 可帮助聚焦电子束18。例如，涂覆衬底87的较大面积将导致可撞击略大焦斑72的较强大 的电子束18。另外，弯曲发射器86可放置在反射杯84中和/或与如图2和3所示的偏置 电极60、62、64和66 —起使用以改善焦斑性能。应了解，所公开的X-射线管阴极和所得X-射线管组合件可改进现有成像系统。 即，包含所公开的阴极实施例的X-射线管可取代传统的X-射线管。除了更换X-射线管之 外，无需对改进后的成像系统做任何其它修改。在期望其它优化(例如，较低的工作温度) 的改型中，可修改改型后的成像系统的驱动。本发明的技术效果包括增大阴极-靶距离的能力、减小焦斑大小的能力、利用传 统能量级产生X-射线辐射的实质增加以及较长持续时间的灯丝。增大阴极-靶距离允许 在X-射线管组合件内部放置其它装置，例如电子收集器或束流处理磁体。所公开的实施例 允许大大改善电子束质量和功率的额外的聚焦系统、模态和技术。本书面描述利用实例公开包括最佳模式的本发明，并且还使得本领域技术人员能 够实现本发明，包括制作和使用任何装置或系统并执行任何结合的方法。本发明的可授予 专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员可想到的其它实例。如果这些其 它实例具有与权利要求的字面语言没什么不同的结构元素，或者如果这些其它实例包括与 权利要求的字面语言无实质差异的等效结构元素，则它们要在权利要求的范围内。部件列表10成像系统12 -X-射线源
14阴极组合件16 阳极18电子束20 =X-射线束22准直器24 对象26衰减部分28附图标记30系统控制器32线性定位子系统34旋转子系统36电动机控制器38 =X-射线控制器40数据获取系统42计算机44数据处理电路46存储器48操作人员工作站50显示器52打印机54图片存档和通信系统(PACS)56远程系统58 =X-射线管组合件60偏置电极62偏置电极64偏置电极66偏置电极68 灯丝69汲取电极70防护罩71 开口72 焦斑74 涂层76 衬底77 沟槽78 灯丝79 开口80 衬底82 灯丝
84反射杯
85弯曲部分
86弯曲盘灯丝
87弯曲衬底
88电子源
90电子束
权利要求
1.一种X-射线管阴极组合件系统，包括衬底；以及设置在所述衬底上的涂层(74)；其中通过热离子效应从所述涂层(74)而不是从所述衬底发射电子束(18，90)。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述涂层(74)包括碳化铪、碳化钽、二硼化铪、碳化 锆、氮化铪、氮化钽、氮化锆或二硼化钨的至少其中之一。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述衬底包括钨、钽、掺杂钨或掺杂钽的至少其中之ο
4.如权利要求1所述的系统，其中所述衬底包括扁平衬底(76)、卷绕衬底(80)、弯曲衬 底(87)或沟槽(77)式衬底的至少其中之一。
5.如权利要求1所述的系统，其中所述涂层(75)局部地覆盖所述衬底。
6.如权利要求1所述的系统，其中所述涂层(74)的功函数小于约4.5电子伏特(eV)。
7.如权利要求1所述的系统，其中所述涂层(74)的熔点大于约3400°C。
8.如权利要求1所述的系统，其中所述热离子效应是通过直接加热、间接加热或其组 合来实现的。
9.如权利要求1所述的系统，其中通过利用化学气相沉积、溅射、粉末挤压、高能球磨、 烧结、高温渗碳或其组合将所述涂层(74)设置在所述衬底上。
10.一种X-射线管系统，包括第一阴极灯丝，包括设置在衬底上的涂层(74)；以及面对所述第一阴极灯丝安置在距离所述第一阴极灯丝阴极-靶距离的位置的靶阳极 (16)；其中第一电子流(18，90)通过热离子效应从所述第一阴极灯丝涂层(74)而不是从所 述衬底发射，并且加速到达所述靶阳极(16)上的第一焦斑(72)以产生X-射线(20)。
11.如权利要求10所述的系统，其中所述涂层(74)包括碳化铪、碳化钽、二硼化铪、碳 化锆、氮化铪、氮化钽、氮化锆或二硼化钨的至少其中之一，并且所述衬底包括钨、钽、掺杂 钨或掺杂钽的至少其中之一。
12.如权利要求10所述的系统，其中所述阴极-靶距离包括大于约40mm的距离。
13.如权利要求10所述的系统，包括至少一个偏置电极(60，62，64，66)、反射杯(84) 或其组合，其中所述偏置电极(60，62，64，66)有源偏转所述第一电子流(18，90)，并且所述 反射杯(84)对所述第一电子流(18，90)进行无源整形。
14.如权利要求10所述的系统，包括安置在距离所述第一阴极灯丝阴极_电极距离的 位置的汲取电极(69)，其中所述汲取电极(69)帮助使所述第一电子流(18，90)加速到达所 述靶阳极(16)上的第一焦斑(72)。
15.如权利要求14所述的系统，其中所述阴极-电极距离包括大于约15mm的距离。
全文摘要
本发明X-射线阴极及其制造方法所公开的实施例包括诸如X-射线管阴极灯丝系统的实施例。该X-射线管阴极灯丝系统包括衬底和设置在衬底上的涂层(74)。在该阴极灯丝系统中，从涂层(74)而不是从衬底发射电子束(18，90)。电子束(18，90)是通过利用热离子效应产生的。
文档编号H01J35/24GK102142346SQ20101062368
公开日2011年8月3日 申请日期2010年12月27日 优先权日2010年2月2日
发明者A·I·梅什科夫, J·万, S·勒迈尔, S·扎利乌波夫斯基 申请人:通用电气公司