X射线装置以及具有该x射线装置的ct设备的制作方法
【专利摘要】本发明的X射线装置具备：真空盒，四周密封且内部为高真空；多个电子发射单元，每个电子发射单元互相独立且排成线形阵列安装在真空盒的一端的盒壁上；阳极，安装在真空盒内的另一端，在长度方向上与电子发射单元的栅极所在的平面平行且在宽度方向上与该平面形成预定角度的夹角；电源与控制系统，具有高压电源、灯丝电源、栅极控制装置及控制系统，电子发射单元具有：加热灯丝；与加热灯丝连接的阴极；从加热灯丝两端引出的灯丝引线；栅极，与阴极对置地配置在阴极的上方；具有开口且包围阴极与灯丝的绝缘支撑件；连接在绝缘支撑件下端外沿的连接固定件；灯丝电源与灯丝引线连接。
【专利说明】X射线装置以及具有该X射线装置的CT设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种产生分布式X射线的装置，特别涉及在一个X射线光源设备中通过布置多个独立的电子发射单元并且利用栅极对电子发射单元进行控制来产生按照预定顺序变换焦点位置的X射线的栅控分布式X射线装置以及具有该栅控分布式X射线装置的CT设备。
【背景技术】
[0002]一般地，X射线光源是指产生X射线的设备，通常由X射线管、电源与控制系统、冷却及屏蔽等辅助装置等构成，其核心是X射线管。X射线管通常由阴极、阳极、玻璃或陶瓷外壳构成。阴极为直热式螺旋钨丝，在工作时，通过电流，加热到一种高温状态，产生热发射的电子束流，阴极被一个前端开槽的金属罩包围，金属罩使电子聚焦。阳极为在铜块端面镶嵌的钨靶，在工作时，在阳极和阴极之间施加有高压，阴极产生的电子在电场作用下加速运动飞向阳极，并且撞击靶面，从而产生X射线。
[0003]X射线在工业无损检测、安全检查、医学诊断和治疗等领域具有广泛的应用。特别是，利用X射线的高穿透能力制成的X射线透视成像设备在人们日常生活的方方面面发挥着重要作用。这类设备早期的是胶片式的平面透视成像设备，目前的先进技术是数字化、多视角并且高分辨率的立体成像设备，例如CT(computed tomography),可以获得高清晰度的三维立体图形或切片图像，是先进的高端应用。
[0004]在现有的CT设备中，X射线源和探测器需要在滑环上运动，为了提高检查速度，通常X射线源和探测器的运动速度非常高，导致设备整体的可靠性和稳定性降低，此外，受运动速度的限制，CT的检查速度也受到了限制。因此，在CT设备中需要一种能够不移动位置就能产生多个视角的X射线源。
[0005]为了解决现有CT设备中滑环带来的可靠性、稳定性问题和检查速度问题以及阳极靶点耐热问题，在现有专利文献中提供了一些方法。例如旋转靶X射线源，可以在一定程度上解决阳极靶过热的问题，但是，其结构复杂并且产生X射线的靶点相对于X射线源整体仍然是一个确定的靶点位置。例如，有的技术为了实现固定不动X射线源的多个视角而在一个圆周上紧密排列多个独立的传统X射线源来取代X射线源的运动，虽然这样也能够实现多视角，但是成本高，并且，不同视角的靶点间距大，成像质量(立体分辨率)很差。此外，在专利文献I (US4926452)中提出了一种产生分布式X射线的光源以及方法，阳极靶具有很大的面积，缓解了靶过热的问题，并且，靶点位置沿圆周变化，可以产生多个视角。虽然专利文献I是对获得加速的高能量电子束进行扫描偏转，存在控制难度大、靶点位置不分立以及重复性差的问题，但仍然是一种能产生分布式光源的有效方法。此外，例如在专利文献2 (US20110075802)与专利文献3 (W02011/119629)中提出了一种产生分布式X射线的光源以及方法，阳极靶具有很大的面积，缓解了靶过热的问题，并且，靶点位置分散固定且阵列式排列，可以产生多个视角。此外，采用碳纳米管做为冷阴极，并且对冷阴极进行阵列排布，利用阴极栅极间的电压控制场发射，从而控制每一个阴极按顺序发射电子，在阳极上按相应顺序位置轰击靶点，成为分布式X射线源。但是，存在生产工艺复杂、碳纳米管的发射能力与寿命不高的不足之处。
【发明内容】
[0006]本发明是为了解决上述课题而提出的，其目的在于提供一种无需移动光源就能产生多个视角并且有利于简化结构、提高系统稳定性、可靠性、提高检查效率的栅控分布式X射线装置以及具有该栅控分布式X射线装置的CT设备。
[0007]为了实现上述目的，本发明提供一种栅控分布式X射线装置，其特征在于，具备:真空盒，四周密封并且内部为高真空；多个电子发射单元，每个电子发射单元互相独立且排成线形阵列安装在所述真空盒一端的盒壁上；阳极，安装在所述真空盒内的另一端，并且，在长度方向上与所述电子发射单元的栅极所在的平面平行且在宽度方向上与所述电子发射单元的栅极所在的平面形成预定角度的夹角；电源与控制系统，具有与所述阳极连接的高压电源、与所述多个电子发射单元的每一个连接的灯丝电源、与所述多个电子发射单元的每一个栅极连接的栅极控制装置、用于对各电源进行控制的控制系统。所述电子发射单元具有:加热灯丝；与所述加热灯丝连接的阴极；灯丝引线，从所述加热灯丝的两端引出并且与所述灯丝电源连接；栅极，以与所述阴极对置的方式配置在所述阴极的上方；绝缘支撑件，具有开口，并且，包围所述加热灯丝以及所述阴极；连接固定件，连接在所述绝缘支撑件的下端外沿，与所述真空盒的盒壁密封连接。所述栅极具有:栅极架，由金属制成并且在中间形成有开孔；栅网，由金属制成并且固定在所述栅极架的所述开孔的位置；栅极引线，从所述栅极架引出并且与所述栅极控制装置连接。所述栅极以与所述阴极对置的方式配置在所述绝缘支撑件的所述开口上，所述灯丝引线以及所述栅极引线穿过所述绝缘支撑件从所述电子发射单元弓丨出到外部。
[0008]此外，在本发明中的栅控分布式X射线装置中，还具有:高压电源连接装置，将所述阳极和所述高压电源的电缆连接，安装在所述真空盒的靠近所述阳极的一端的侧壁；灯丝电源连接装置，用于连接所述加热灯丝和所述灯丝电源；栅极控制装置连接装置，用于将所述电子发射单元的所述栅极和所述栅极控制装置连接。
[0009]此外，在本发明中的栅控分布式X射线装置中，所述栅极的所述开孔的中心与所述阴极的中心对准，所述开孔的形状与所述阴极的形状对应。
[0010]此外，在本发明中的栅控分布式X射线装置中，所述绝缘支撑件为圆柱形，所述栅极架、所述阴极以及所述栅网为圆形。
[0011]此外，在本发明中的栅控分布式X射线装置中，所述绝缘支撑件为圆柱形，所述栅极架、所述阴极以及所述栅网为长方形。
[0012]此外，在本发明中的栅控分布式X射线装置中，所述绝缘支撑件为长方体形，所述栅极架、所述阴极以及所述栅网为圆形。
[0013]此外，在本发明中的栅控分布式X射线装置中，所述绝缘支撑件为长方体形，并且，所述栅极架、所述阴极以及所述栅网为长方形。
[0014]此外，在本发明中的栅控分布式X射线装置中，所述栅网为平面形、球面形或者U槽形。
[0015]此外，在本发明中的栅控分布式X射线装置中，所述真空盒由玻璃或陶瓷制成。
[0016]此外，在本发明中的栅控分布式X射线装置中，所述真空盒由金属材料制成。
[0017]此外，在本发明中的栅控分布式X射线装置中，还具有:真空电源，包括在所述电源与控制系统内；真空装置，安装在所述真空盒的侧壁上，利用所述真空电源进行工作，维持所述真空盒内的高真空。
[0018]此外，在本发明中的栅控分布式X射线装置中，所述多个电子发射单元排列成直线形或者是分段直线形。
[0019]此外，在本发明中的栅控分布式X射线装置中，所述多个电子发射单元排列成圆弧形或者是分段圆弧形。
[0020]此外，在本发明中的栅控分布式X射线装置中，所述多个电子发射单元的排列间隔是均匀的。
[0021]此外，在本发明中的栅控分布式X射线装置中，所述多个电子发射单元的排列间隔是非均匀的。
[0022]此外，在本发明中的栅控分布式X射线装置中，所述栅极控制装置包括控制器、负高压模块、正高压模块以及多个高压开关元件，所述多个开关元件的每一个至少包括一个控制端、两个输入端、一个输出端，各端点之间的耐压至少大于所述负高压模块和所述正高压模块所构成的最大电压，所述负高压模块向所述多个高压开关元件的每一个的一个输入端提供稳定的负高压，所述正高压模块向所述多个高压开关元件的每一个的另一个输入端提供稳定的正高压，所述控制器对所述多个高压开关元件的每一个进行独立控制，所述栅极控制装置还具有多个控制信号输出通道，一个所述高压开关元件的输出端与所述控制信号输出通道中的一个连接。
[0023]此外，本发明提供一种CT设备，其特征在于，所使用的X射线源是如上所述的栅控分布式X射线装置。
[0024]根据本发明，主要是提供一种栅控分布式X射线装置，在一个光源设备中产生按某种顺序周期变换焦点位置的X射线。本发明的电子发射单元采用热阴极，相对于其它设计具有发射电流大、寿命长、技术成熟的优点；多个电子发射单元各自独立固定在真空盒上，装配简单、控制灵活、维修方便；通过对栅极的控制来控制各个电子发射单元的工作状态，状态切换快速、精准，可以灵活组合出多种工作状态；采用长条型大阳极的设计，有效缓解了阳极过热的问题，有利于提高光源的功率；电子发射单元可以直线排列，整体成为直线型分布式X射线装置，电子发射单元也可以环形排列，整体成为环型分布式X射线装置，可以满足众多使用条件，应用灵活；通过栅极控制电压的设计，使各电子发射单元产生的电子束具有自聚焦的效果，得到小靶点。相对其它分布式X射线光源设备，本发明电流大，靶点小，靶点位置分布均匀且重复性好，输出功率高，结构简单，控制方便，成本低。
[0025]将本发明的分布式X射线光源应用于CT设备，无需移动光源就能产生多个视角，因此可以省略滑环运动，有利于简化结构，提高系统稳定性、可靠性，提高检查效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1是本发明的栅控分布式X射线装置的结构示意图。
[0027]图2是本发明中的一种电子发射单元的结构示意图。
[0028]图3是本发明中的一种圆柱形电子发射单元的结构的俯视图，(A)是圆形栅孔的情况，(B)是长方形栅孔的情况。
[0029]图4是本发明中的一种长方体形电子发射单元的结构俯视图，(A)是圆形栅孔的情况，(B)是长方形栅孔的情况。
[0030]图5是本发明中的阴极的结构示意图，(A)是平面圆形的阴极，(B)是平面长方形的阴极，(O是球面圆弧形的阴极，(D)是圆柱弧面形的阴极。
[0031]图6是本发明中的栅网的结构示意图，(A)是平面型栅网，(B)是球面型栅网，(C)
是U槽型栅网。
[0032]图7是在本发明的直线排列的分布式X射线装置内部电子发射单元与阳极的布置关系的正面不意图。
[0033]图8是在本发明的直线排列的分布式X射线装置内部电子发射单元与阳极的布置关系的侧面不意图。
[0034]图9是本发明的栅极控制装置的结构示意图。
[0035]图10是本发明的利用栅极的控制进行的自动聚焦的示意图。
[0036]图11是在本发明的圆弧型栅控分布式X射线装置的内部电子发射单元与阳极的布置关系的不意图，(A)是从圆弧中心观察的图，(B)是从圆弧一端观察的图。
[0037]附图标记说明:
I电子发射单元
2阳极 3真空盒
4高压电源连接装置
5灯丝电源连接装置
6栅极控制装置连接装置
7电源与控制系统
8真空装置
E电子束流
X X射线
101加热灯丝
102阴极
103栅极
104绝缘支撑件
105灯丝引线
106栅极架
107栅网
108栅极引线
109连接固定件
701控制系统
702 高压电源
703栅极控制装置
70301控制器 70302负高压模块 70303 正高压模块 704灯丝电源 801真空泵 802真空阀。
【具体实施方式】
[0038]以下，参照附图详细地对本发明进行说明。
[0039]图1是本发明的栅控分布式X射线装置的结构示意图，图2是本发明中的一种电子发射单元的结构示意图。如图1所示，本发明的栅控分布式X射线装置包括多个电子发射单元I (至少两个，以后也具体地称为电子发射单元11、12、13、14、……)、阳极2、真空盒3、高压电源连接装置4、灯丝电源连接装置5、栅极控制装置连接装置6、以及电源与控制系统7。此外，电子发射单元I由加热灯丝101、阴极102、栅极103、绝缘支撑件104、连接固定件109等组成。多个电子发射单元I排列在一条直线上，阳极2是与电子发射单元I的排列相对应的长条形状，并且，阳极2与由多个电子发射单元I排列而成的直线平行，高压电源连接装置4安装在真空盒3的盒壁上，并且与真空盒3构成整体密封结构。
[0040]电子发射单元I用于按要求产生电子束流，安装在真空盒3的一端的盒壁上(在此处定义为下端，参见图1)，利用连接固定件109与真空盒3的壁构成整体密封结构，但是并不限于此，只要能够将电子发射单元I安装在真空盒3中，也可以利用其它方式安装。此外，电子发射单元I的阴极端(包括加热灯丝101、阴极102、栅极103)处于真空盒内，电子发射单元I的引线端(包括灯丝引线105、栅极引线108、连接固定件109)处于真空盒外，但是并不限于此，也可以是其它方式。此外，在图2中示出了电子发射单元I的一种结构，电子发射单元I包括加热灯丝101、阴极102、栅极103、绝缘支撑件104、灯丝引线105、连接固定件109，并且，栅极103由栅极架106、栅网107、栅极引线108组成。阴极102与加热灯丝101连接在一起，加热灯丝101通常采用钨丝，阴极102通常采用热发射电子能力强的材料，例如，氧化钡、钪酸盐、六硼化镧等。绝缘支撑件104包围加热灯丝101和阴极102，相当于电子发射单元I的壳体，采用绝缘材料，通常为陶瓷。灯丝引线105穿过绝缘支撑件104而被弓丨出到电子发射单元I的下端(但不限于此，只要引出到电子发射单元I的外部即可)，灯丝引线105与绝缘支撑件104之间为密封结构。栅极103安装在绝缘支撑件104的上端(SP，配置在绝缘支撑件104的开口上)并且与阴极102对置，优选栅极103与阴极102的中心上下对齐。此外，栅极103包括栅极架106、栅网107、栅极引线108，栅极架106、栅网107、栅极引线108均为金属制成，通常栅极架106为不锈钢材料，栅网107为钥材料，栅极引线108为可伐(合金)材料。栅极引线108穿过绝缘支撑件104而被引出到电子发射单元I的下端(但不限于此，只要引出到电子发射单元I的外部即可)，栅极引线108与绝缘支撑件104之间为密封结构。
[0041]此外，具体地，关于栅极103的结构，其主体是一块金属板(例如，不锈钢材料)即栅极架106，在栅极架106的中间形成有开孔，该开孔的形状可以是方形或圆形等，在该开孔的位置固定有金属丝网(例如，钥材料)即栅网107，并且，从金属板的某个位置引出一根引线(例如，可伐合金材料)即栅极引线108，从而能够将栅极103连接到一个电位。此外，栅极103位于阴极102的正上方，栅极103的上述开孔的中心与阴极102的中心对准(SP，上下在一条垂线上)，开孔的形状与阴极102的形状相对应，通常开孔的大小比阴极102的面积小。但是，只要是电子束流能够通过栅极103，栅极103的结构并不限于上述结构。此夕卜，栅极103与阴极102之间通过绝缘支撑件104进行相对位置固定。
[0042]此外，具体地，关于连接固定件109的结构，推荐的，其主体是一个圆形刀口法兰，中间形成有开孔，该开孔的形状可以是方形或圆形等，在开孔的位置与绝缘支撑件104的下端外沿密封连接，如焊接连接，刀口法兰的外沿形成有螺钉孔，可以通过螺栓连接将电子发射单元I固定在真空盒3的壁上，其刀口与真空盒3的壁之间形成真空密封连接。这是一种方便拆卸的灵活结构，当多个电子发射单元I中的某一个发生故障时，可以灵活更换。需要指出的是，连接固定件109的功能是实现绝缘支撑件104与真空盒3之间的密封连接，可以有多种灵活的方式，如通过金属法兰过渡的焊接，或者玻璃高温熔融密封连接，或者陶瓷金属化后与金属的焊接等方式。
[0043]此外，电子发射单元I可以是圆柱形的结构，S卩，绝缘支撑件104为圆柱形，而阴极
102、栅极架106、栅网107可以同时为圆形或者同时为长方形。在图3中示出了一种圆柱形的电子发射单元I的俯视图，其中，(A)示出了阴极102、栅极架106、栅网107同时为圆形的结构，(B)示出了阴极102、栅极架106、栅网107同时为长方形的结构。此外，对于圆形阴极，为了使阴极102的表面产生的电子实现更好的汇聚效果，通常优选将阴极102的表面加工成球面圆弧形(如图5 (C)所示)。阴极102的表面的直径通常为几_，例如直径2_，在栅极架106上所安装的栅网107的开孔的直径通常为几mm，例如直径1mm。此外，从栅极103到阴极102的表面的距离通常为零点几mm到几mm，例如2mm。此外，对于长方形阴极，为了使阴极102的表面产生的电子实现更好的汇聚效果，通常优选的是圆柱弧面形，这样有利于窄边方向的电子束流进一步会聚。通常弧面长度为几mm到几十mm，宽度为几mm，例如长10mm、宽2mm。与此相应地，栅网107为长方形，优选其宽度为1mm、长度为10mm。在图5中示出了阴极102分别为平面圆形、平面长方形、球面圆弧形、圆柱弧面形这四种结构的情况。
[0044]此外，电子发射单元I也可以是长方体型结构，即，绝缘支撑件104为长方体，而阴极102、栅极架106、栅网107可以同时为圆形，或者同时为长方形。在图4中示出了一种长方体形的电子发射单元I的俯视图，其中(A)示出了阴极102、栅极架106、栅网107同时为圆形的结构，(B)示出了阴极102、栅极架106、栅网107同时为长方形的结构。需要指出的是，图3以及图4中的斜纹线是为了便于区分各个不同的部件，不是表示剖面。
[0045]此外，具体地，关于栅网107的结构，如图6所示，可以是平面型，也可以是球面型，还可以是U槽型，推荐的是球面型，这是因为球面型的栅网会使得电子束具有更好的聚焦效果。
[0046]此外，阳极2为长条形金属，安装在真空盒3内部的另一端(在此处定义为上端，参见图1)，并且，如图7所示，在长度方向(图1、7中的左右方向)上与电子发射单元I的排列线平行，此外，在宽度方向上，阳极2的表面与电子发射单元I的表面所在的平面形成一个小的夹角，通常该夹角为几度到几十度(如图8所示)，典型的如15度。在阳极2上施加有正的高压电压，通常为几十kV到几百kV，典型的如180kV，由此，在阳极2和电子发射单元I之间形成平行的高压电场，穿过栅网107的电子束流受到高压电场的作用而加速，逆着电场方向运动，最终轰击阳极2，从而产生X射线。此外，优选阳极2采用耐高温的金属钨或者钨合金等材料。需要指出的是，图7与图8中的电子发射单元I只体现了处于真空盒3内的部分，并且电子发射单元的形状为圆柱形。
[0047]此外，电源与控制系统7包括控制系统701、高压电源702、栅极控制装置703、灯丝电源704等。高压电源702通过安装在真空盒3的盒壁上的高压电源连接装置4与阳极2相连接。栅极控制装置703通过栅极控制装置连接装置6分别与各个栅极引线108连接，通常具有与电子发射单元I的数量相同数量的独立的栅极引线108，栅极控制装置703的输出路数与栅极引线108的数量相同。栅极控制装置连接装置6通常为带连接头的电缆，数量与栅极引线108的数量相同，推荐的为耐压不小于3kV的同轴线。灯丝电源704通过灯丝电源连接装置5分别与各个灯丝引线105连接。灯丝电源连接装置5通常为带连接头的电缆，推荐的为多根双芯电缆，数量与电子发射单元I的数量相同，推荐的是灯丝电源704的输出回路的数量也与电子发射单兀I的数量相同，从而实现对应，并可以对每一个电子发射单元I的灯丝功率进行大小调节和独立控制。此外，控制系统701对高压电源702、栅极控制装置703、灯丝电源704等的工作状态进行控制。
[0048]此外，如图9所示，栅极控制装置703包括控制器70301、负高压模块70302、正高压模块70303以及多个高压开关兀件switchl、switch2、switch3、switch4、......。多个高压开关元件的每一个至少包含一个控制端(C)、两个输入端(Inl与In2)、一个输出端(Out)，各端点之间的耐压最少要大于负高压模块70302和正高压模块70303所构成的最大电压(即，如果负高压输出一 500V并且正高压输出+2000V，那么各端点间的耐压至少要大于2500V)。控制器70301具有多路独立的输出，每一路连接到一个高压开关元件的控制端。负高压模块70302提供一个稳定的负高压，通常为负几百伏，范围可以是OV至一 10kV，推荐的为一 500V，该负高压连接到各个高压开关元件的一个输入端，此外，正高压模块70303提供一个稳定的正高压，通常为正几千伏，范围可以是OV至+10kV，推荐的为+2000V，该正高压连接到各个高压开关元件的另一个输入端。各高压开关元件的输出端分别连接到控制信号输出通道channell、channel2、channel3、channel4、......而汇合成多路控制信号进行输出。控制器70301控制各高压开关元件的工作状态，使得各输出通道的控制信号为负高压或者正高压。
[0049]此外，电源与控制系统7能够在不同的使用条件下对灯丝电源704的各个输出回路的电流大小进行调节，从而调节各加热灯丝101给阴极102的加热温度，用来改变各电子发射单元I的发射电流大小，最终调节各次X射线发射的强度。此外，也可以调节栅极控制装置703的各个输出通道的正高压控制信号的强度，从而改变各电子发射单元I的发射电流大小，最终调节各次X射线发射的强度。此外，也可以对各电子发射单元I的工作时序和组合工作模式进行编程以灵活控制。
[0050]此外，真空盒3是四周密封的空腔壳体，其内部为高真空，壳体可以由玻璃或陶瓷等绝缘材料构成。在真空盒3的下端(参见图1)安装有多个电子发射单元I，这些电子发射单元I排列成直线，在上端(参见图1)安装有长条形的阳极2，阳极2在长度方向上与电子发射单元I平行。真空盒3内部的空间足够电子束流在电场中的运动而不会产生任何阻挡。真空盒3内的高真空是通过在高温排气炉内烘烤排气获得的，其真空度通常优于10_3Pa，推荐的是真空度优于KT5Pa。
[0051]此外，推荐的是真空盒3的壳体是金属材料，在采用金属材料的情况下，电子发射单元I通过其连接固定件109与真空盒3的壁进行刀口法兰密封方式的连接，阳极2利用绝缘支撑材料在真空盒3内进行固定安装，并且，真空盒3的壳体与电子发射单元I以及阳极2之间保持足够的距离，既不会产生高压打火，也不会对电子发射单元I与阳极2之间的电场分布产生实质影响。
[0052]此外，高压电源连接装置4用于将阳极2和高压电源702的电缆连接，安装在真空盒3的靠近阳极2的一端的侧壁。高压电源连接装置4通常为内部带金属柱的锥形陶瓷结构，一端与阳极2相连接,另一端与真空盒3的盒壁紧密连接,一起形成真空密封结构。高压电源连接装置4内部的金属柱用于使阳极2和高压电源702的电缆接头形成电路连接。通常高压电源连接装置4与电缆接头之间设计为可插拔式结构。
[0053]此外，本发明的栅控分布式X射线装置还可以包括真空装置8，真空装置8包括真空泵801和真空阀802，真空装置8安装在真空盒3的侧壁上。真空泵801在真空电源705的作用下进行工作，用于维持真空盒3内的高真空。通常，栅控分布式X射线装置在工作时，电子束流轰击阳极2，阳极2会发热并释放少量气体，通过使用真空泵801，能够将这部分气体快速抽出，从而维持真空盒3内部的高真空度。真空泵801优选使用真空离子泵。真空阀802通常选用可以承受高温烘烤的全金属真空阀门，如全金属手动插板阀。真空阀802通常处于关闭状态。相应地，栅控分布式X射线装置的电源与控制系统7还包括真空装置8的真空电源(Vacc PS) 705。
[0054]需要指出的是，本发明的栅控分布式X射线装置工作于高真空状态，高真空的获得和维持方法可以是:将阳极2在真空盒3内完成安装，将高压电源连接装置4及真空装置8在真空盒3的壁上完成密封连接，在真空盒3下端的电子发射单元连接处先用盲板法兰密封，使真空盒3整体形成一个密封结构；然后，将该结构置于真空炉中烘烤去气，真空阀802连接外部真空抽气系统，目的在于去除各部件的材料所吸附的气体；然后，在常温洁净环境中，从真空阀802向真空盒3内注入氮气，形成保护环境，再打开电子发射单元连接处的盲板法兰并安装电子发射单元，逐个进行；所有电子发射单元安装好后，从真空阀802连接外部真空抽气系统抽气，并再次进行烘烤排气，使真空盒3的内部为高真空；在烘烤排气的过程中可进行各个电子发射单元的阴极的激活；烘烤排气完成后，关闭真空阀802，使真空盒3内部保持高真空；栅控分布式X射线装置工作过程中，阳极释放的少量气体由真空泵801抽除，维持真空盒3内部的高真空。当某一个电子发射单元损坏或者到寿命需要更换时，从真空阀802往真空盒3内部注入氮气形成保护；在最短时间内，拆下需要更换的电子发射单元，安装新的电子发射单元；真空阀802连接外部真空抽气设备,对真空盒3抽真空；当真空盒3内部再次达到高真空时，关闭真空阀802，使真空盒3内部保持高真空。
[0055]需要指出的是，如果栅极控制装置703只改变相邻的电子发射单元中的一个电子发射单元的栅极的状态，在同一时刻，相邻的电子发射单元只有一个进行电子发射而形成电子束流时，则该电子发射单元的栅极两侧的电场对该电子束流具有自动聚焦的效果。如图10所示，图中的用电子发射单元I与阳极2之间的箭头表示电子运动的方向(逆电力线方向)。在图10中，阳极2为高电压+160kV，大电场的在电子发射单元I与阳极2之间的箭头都是从电子发射单元I指向阳极2，也就是说，只要电子发射单元I发射出电子束流，则电子束流都会向阳极2运动。考察电子发射单元I的表面的局部电场状态，在相邻的电子发射单元12、13、14中，电子发射单元13的栅极103的电压由一 500V变为+2000V，则电子发射单兀13进入电子发射状态,相邻的电子发射单兀12和电子发射单兀14的栅极103的电压仍然为一 500V,如果电子发射单兀12、14存在电子发射，则电子从电子发射单兀12和电子发射单元14的栅极103向电子发射单元13的栅极103运动，但是，由于在电子发射单元12、14不存在电子发射，所以，从电子发射单元13发射出来的电子束受到了从电子发射单元13指向相邻的电子发射单元12和电子发射单元14的电场的作用而受到挤压，因此，具有自动聚焦效果。
[0056]此外，需要特别指出的是，本发明的栅控分布式X射线装置可以是直线型排列，也可以是圆弧型排列，从而满足不同的应用需求。在图11中示出了在本发明的圆弧型栅控分布式X射线装置的真空盒内部电子发射单元和阳极的布置关系的示意图，(A)是从圆弧中心观察的图，(B)是从圆弧一端观察的图。需要指出的是，图11中的电子发射单元I只体现了处于真空盒3内的部分，并且电子发射单元I的形状为长方体形。电子发射单元I在一个平面上沿圆周布置，布置的弧度大小可以根据需要确定。阳极2布置在电子发射单元I的上方，是一种内高外低的圆弧锥面结构，即，在圆弧方向上与电子发射单元I所在的圆弧平行，在圆弧的轴线方向与电子发射单元I的上表面形成一个小的夹角，类似圆弧形屋顶结构。电子束流从电子发射单元I的上表面发射出来，受到阳极2与电子发射单元I之间的高压电场加速，最终轰击阳极2，在阳极2上形成圆弧形排列的系列X射线靶点，有用的X射线的出射方向指向圆弧的中心O。关于圆弧型栅控分布式X射线装置的真空盒3，与其内部的电子发射单元I的布置和阳极2的形状对应地也是圆弧型，或者称为环形。圆弧型分布式X射线装置的出射X射线都指向圆弧的圆心0，能够应用于需要射线源圆形排列的情况。
[0057]此外，需要特别指出的是，在栅控分布式X射线装置中，栅极与电子发射单元可以是分离的结构。
[0058]此外，需要特别指出的是，在栅控分布式X射线装置中，各电子发射单元的排列可以是直线形，也可以是例如L形或者U形等分段直线形，此外，各电子发射单元的排列可以是弧形，还可以是分段弧线形，例如，由不同直径的弧形段连接而成的曲线或者直线段与弧线段的组合等。
[0059]此外，需要特别指出的是，在栅控分布式X射线装置中，各电子发射单元的排列间距可以是均匀的，也可以是非均匀的。
实施例
[0060](系统组成)
如图1?图9所示，本发明的栅控分布式X射线装置由多个电子发射单元1、阳极2、真空盒3、高压电源连接装置4、灯丝电源连接装置5、栅极控制装置连接装置6、真空装置8以及电源与控制系统7组成。多个电子发射单元I排成线形阵列安装在真空盒3的下端的盒壁上，电子发射单元I的阴极端处于真空盒内，电子发射单元I的引线端处于真空盒外，每个电子发射单元I互相独立，长条形的阳极2安装在真空盒3内的上端，在线型排列方向上，阳极2与电子发射单元I互相平行，在线型排列的垂直切面，阳极2与电子发射单元I的上表面形成一个小的夹角。高压电源连接装置4安装在真空盒3的上端，内部与阳极2相连，外部以可插拔的形式连接高压电缆。灯丝电源连接装置5将每一个电子发射单元I的灯丝引线105连接到灯丝电源704。栅极控制装置连接装置6将各电子发射单元I的栅极引线108连接到栅极控制装置703。真空装置8安装在真空盒3的侧壁上，真空装置8包括真空泵801和真空阀802。电源与控制系统7包括控制系统701、高压电源702、栅极控制装置703、灯丝电源704、真空电源705等多个模块，通过电力电缆和控制电缆与系统的多个电子发射单元I的加热灯丝101、栅极103以及阳极2、真空装置8等部件相连接。
[0061](工作原理)
在本发明的栅控分布式X射线装置中，电源与控制系统7对灯丝电源704、栅极控制装置703与高压电源702进行控制。在灯丝电源704的作用下，加热灯丝101将阴极102加热到高温(例如，50(T200(TC)发射状态，阴极102在其表面产生大量电子。栅极控制装置703使各个栅极103处于负电压，例如一 500V，各个电子发射单元I的栅极103与阴极102之间形成负电场，电子被限制在阴极102的表面。高压电源702使阳极2处于非常高的正高压，通常为正的几十千伏到几百千伏，在电子发射单元I与阳极2之间形成正的加速电场。在需要产生X射线的情况下，电源与控制系统7按照指令或者预先设定程序使栅极控制装置703的某一路输出由负电压切换为正电压，并且按照时序来变换各路输出信号，例如，在时刻I，栅极控制装置703的输出通道channell由一 500V变为+2000V，在对应的电子发射单元11内，栅极103与阴极102之间的电场变为正电场，电子从阴极102的表面向栅极103运动，透过栅网107进入到电子发射单元11与阳极2之间的正向电场，从而获得加速，变为高能量，最终轰击阳极2，在阳极2上产生一个靶点21，并且，在靶点21的位置产生X射线的发射，在时刻2，栅极控制装置703的输出通道channel2由一 500V变为+2000V，对应的电子发射单元12发射电子，在阳极2上产生靶点22，并且在靶点22位置产生X射线的发射，在时刻3，栅极控制装置703的输出通道channel3由一 500V变为+2000V，对应的电子发射单元13发射电子，在阳极2上产生靶点23，并且在靶点23位置产生X射线的发射，依次类推，然后靶点24位置产生X射线的发射，然后靶点25位置产生X射线的发射……，并且循环往复。因此，电源与控制系统7利用栅极控制装置703使各个电子发射单元I按照预定时序交替地进行工作而发射电子束，并且，在阳极2的不同位置交替地产生X射线，从而成为分布式X射线源。
[0062]此外，阳极2受到电子束流轰击时释放的气体被真空泵801实时抽走，真空盒3内维持高真空，这样有利于长时间稳定运行。电源与控制系统7除了对各电源进行控制以使按照设定程序驱动各个部件协调工作，同时可以通过通讯接口和人机界面接收外部命令，对系统的关键参数进行修改和设定，更新程序和进行自动控制调整。
[0063]此外，通过将本发明的栅控分布式X射线光源应用于CT设备，从而能够得到系统稳定性及可靠性好并且检查效率高的CT设备。
[0064](效果)
本发明主要是提供一种栅控分布式X射线装置，在一个光源设备中产生按照预定顺序周期性地变换焦点位置的X射线。本发明的电子发射单元采用热阴极，相对于其它设计具有发射电流大、寿命长、技术成熟的优点；多个电子发射单元各自独立固定在真空盒上，装配简单、控制灵活、维修方便；通过对栅极的控制来控制各个电子发射单元的工作状态，状态切换快速、精准，可以灵活组合出多种工作状态；采用长条型大阳极的设计，有效缓解了阳极过热的问题，有利于提高光源的功率；电子发射单元可以直线排列，整体成为直线型分布式X射线装置，电子发射单元也可以环形排列，整体成为环型分布式X射线装置，可以满足众多使用条件，应用灵活；通过利用栅极来控制电压的设计，使各电子发射单元产生的电子束具有自聚焦的效果，得到小靶点。相对其它分布式X射线光源设备，本发明电流大，靶点小，靶点位置分布均匀且重复性好，输出功率高，结构简单，控制方便，成本低。
[0065]此外，将本发明的栅控分布式X射线光源应用于CT设备，无需移动光源就能产生多个视角，因此可以省略滑环运动，有利于简化结构，提高系统稳定性、可靠性，提高检查效率。
[0066]如上所述，对本申请发明进行了说明，但是并不限于此，应该理解为能够在本发明宗旨的范围内对上述实施方式进行各种组合以及各种变更。
【权利要求】
1.一种X射线装置，其特征在于，具备: 真空盒，四周密封并且内部为高真空； 多个电子发射单元，每个电子发射单元互相独立且排成线形阵列安装在所述真空盒内的一端的盒壁上； 阳极，由金属构成，安装在所述真空盒内的另一端，并且，在长度方向上与所述电子发射单元的栅极所在的平面平行且在宽度方向上与所述电子发射单元的栅极所在的平面形成预定角度的夹角；以及 电源与控制系统，具有与所述阳极连接的高压电源、与所述多个电子发射单元的每一个连接的灯丝电源、与所述多个电子发射单元的每一个连接的栅极控制装置、用于对各电源进行控制的控制系统， 所述电子发射单元具有:加热灯丝；与所述加热灯丝连接的阴极；灯丝引线，从所述加热灯丝的两端引出并且与所述灯丝电源连接；栅极，以与所述阴极对置的方式配置在所述阴极的上方；绝缘支撑件，具有开口，并且，包围所述加热灯丝以及所述阴极；连接固定件，连接在所述绝缘支撑件的下端外沿， 所述栅极具有:栅极架，由金属制成并且在中间形成有开孔；栅网，由金属制成并且固定在所述栅极架的所述开孔的位置；栅极引线，从所述栅极架引出并且与所述栅极控制装置连接， 所述栅极以与所述阴极对置的方式配置在所述绝缘支撑件的所述开口上， 所述灯丝引线以及所述栅极引线穿过所述绝缘支撑件从所述电子发射单元引出到外部， 所述连接固定件与所述真空盒的盒壁密封连接。
2.如权利要求1所述的X射线装置，其特征在于， 所述绝缘支撑件为圆柱形，所述栅极架、所述阴极以及所述栅网为圆形。
3.如权利要求1所述的X射线装置，其特征在于， 所述绝缘支撑件为圆柱形，所述栅极架、所述阴极以及所述栅网为长方形。
4.如权利要求1所述的X射线装置，其特征在于， 所述绝缘支撑件为长方体形，所述栅极架、所述阴极以及所述栅网为圆形。
5.如权利要求1所述的X射线装置，其特征在于， 所述绝缘支撑件为长方体形，所述栅极架、所述阴极以及所述栅网为长方形。
6.如权利要求1所述的X射线装置，其特征在于， 所述栅网为平面形、球面形或者U槽形。
7.如权利要求1所述的X射线装置，其特征在于， 所述真空盒由玻璃或陶瓷制成。
8.如权利要求1所述的X射线装置，其特征在于， 所述真空盒由金属材料制成。
9.如权利要求1?8的任意一项所述的X射线装置，其特征在于， 还具有:高压电源连接装置，将所述阳极和所述高压电源的电缆连接，安装在所述真空盒的靠近所述阳极的一端的侧壁；灯丝电源连接装置，用于连接所述加热灯丝和所述灯丝电源；栅极控制装置连接装置，用于将所述电子发射单元的所述栅极和所述栅极控制装置连接。
10.如权利要求1?8的任意一项所述的X射线装置，其特征在于， 还具有:真空电源，包括在所述电源与控制系统内；真空装置，安装在所述真空盒的侧壁上，利用所述真空电源进行工作，维持所述真空盒内的高真空。
11.如权利要求1?8的任意一项所述的X射线装置，其特征在于， 所述多个电子发射单元排列成直线形或者分段直线形。
12.如权利要求1?8的任意一项所述的X射线装置，其特征在于， 所述多个电子发射单元排列成圆弧形或者分段弧线形。
13.如权利要求1?8的任意一项所述的X射线装置，其特征在于， 所述多个电子发射单元的排列间隔是均匀的。
14.如权利要求1?8的任意一项所述的X射线装置，其特征在于， 所述多个电子发射单元的排列间隔是非均匀的。
15.如权利要求1?8的任意一项所述的X射线装置，其特征在于， 所述栅极控制装置包括控制器、负高压模块、正高压模块以及多个高压开关元件， 所述多个高压开关元件的每一个至少包括一个控制端、两个输入端、一个输出端，各端点之间的耐压至少大于所述负高压模块和所述正高压模块所构成的最大电压， 所述负高压模块向所述多个高压开关元件的每一个的一个输入端提供稳定的负高压， 所述正高压模块向所述多个高压开关元件的每一个的另一个输入端提供稳定的正高压， 所述控制器对所述多个高压开关元件的每一个进行独立控制， 所述栅极控制装置还具有多个控制信号输出通道， 一个所述高压开关元件的输出端与所述控制信号输出通道中的一个连接。
16.一种CT设备，其特征在于， 所使用的X射线源是权利要求1?15的任意一项所述的X射线装置。
【文档编号】H01J35/08GK104470178SQ201310427203
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2013年9月18日 优先权日:2013年9月18日
【发明者】唐传祥, 唐华平, 陈怀璧, 黄文会, 张化一, 郑曙昕, 刘耀红, 刘晋升 申请人:清华大学, 同方威视技术股份有限公司