具有单个栅电源的多栅电子枪的制作方法

背景技术：

本公开涉及具有单个栅电源的多栅电子枪和系统。

多栅电子枪具有多个栅以控制电子流。多个栅允许针对束电流调制和截止的特定的束成形和相对快的响应时间。在这类多栅电子枪中，施加到栅的电压可以不同。单独的栅电压源用来产生不同的栅电压中的每一个。这些电压是在电子枪的高电压外壳的外部产生并且必须通过一个或多个高电压电缆和高电压馈通部(feedthrough)供应到栅。

多栅电子枪具有多种应用。在一个示例中，多栅电子枪用作计算机化断层摄影(ct)扫描仪的x射线源的部分。一般来说，栅电压源安装在ct扫描仪的机架上。然而，这些机架上的空间是有限的。每个附加的栅电压源在机架上需要附加的空间。

附图说明

图1a至图1i是根据一些实施方案的电子枪的框图。

图2是根据一些实施方案的电子枪的横截面图。

图3是根据一些实施方案的计算机化断层摄影(ct)机架的框图。

具体实施方式

x射线源可以包括被设计为产生电子束的电子枪。电子束指向阳极，该阳极基于入射电子而发射x射线。电子枪中的一个或多个栅可以用来调节电子束和使其成形。

在特定的示例中，多栅电子枪可以具有两个或更多个栅。这些栅允许电子束和因此x射线发射的相对快的改变。栅电压源用来产生这些电压。

栅中的一个或多个可以使用不同的电压。因此，可以使用不同的栅电压源。然而，在一些应用中，附加的栅电压源可能需要难以获得的附加的空间。例如，在计算机化断层摄影(ct)扫描中，x射线源、检测器、电源转换器和其他部件可以安装在绕样本旋转的机架上。如下文将进一步详细地描述，ct机架上的空间可能有限。可用于附加的栅电压源的空间可能限制可以使用的栅数量，从而限制对电子束的控制。

另外，x射线源可以用于医学成像，从而允许非侵入式地观察有机体的内部结构和功能。x射线的穿透能力使它们对于这类应用来说是无价的，但是过度暴露于x射线可能伤害患者或造成附加的健康风险。然而，对电子束的改进的控制可以使得操作员不仅能够通过打开/关闭束而且能够通过在调制意义上命令不同的电流水平来减小患者剂量。如将在下面进一步详细地描述，在一些实施方案中，对单个公共栅电压的控制可以用于在操作范围内调整束电流。

图1a至图1i是根据一些实施方案的电子枪的框图。参考图1a，在一些实施方案中，电子枪100a包括高电压外壳101。高电压外壳是将在相对高的电压下操作的暴露的部件隔离的外壳。在一些实施方案中，高电压外壳可以包括真空外壳。

包括发射极104的阴极102设置在高电压外壳中。发射极104可以是多种发射极。例如，发射极104可以是体发射极、平面发射极、丝极等。阳极108设置在高电压外壳中、与阴极102相对。阴极102和阳极108可以电耦合到多种不同的电位。在一些实施方案中，阳极108接地或在接近接地的电位上；然而，在其他实施方案中，阴极102和阳极108可以以双极方式等操作。概念上示出了阴极102、发射极104和阳极108。这些部件可以具有多种不同的结构配置。在另一个示例中，阴极102可以包括设置在高电压外壳101中的多个发射极104。

多个栅106设置在高电压外壳中、介于阴极102与阳极108之间。示出了n个栅，其中n是大于1的任何整数。栅106被配置为影响从发射极104到阳极108的电子流。

高电压源110设置在高电压外壳101的外部。高电压源110被配置为将电源转换成高电压113。高电压源110可以被配置为产生用于电子枪100a的多种不同的电压，诸如阴极电压、阳极电压、加热器电压等。为了清楚起见，未示出将这些电压供应到电子枪100a的对应部件。

在一些实施方案中，高电压源110可以被配置为接收交流(ac)电压并且将ac电压转换成直流(dc)电压。在其他实施方案中，高电压源110可以被配置为将dc电压转换成高电压113。这样的高电压可以是60kv至150kv之间的电压；然而，在其他实施方案中，高电压113可以不同。高电压源110还可以被配置为产生用于阴极102、发射极104、阳极108等的电压，如虚线所示。然而，在其他实施方案中，一个或多个单独的高电压源可以被配置为向这类部件供应电压。本文中描述的各种电压可以在适当时是相对于阴极电压、阳极电压、接地电压、高电压中的一个等的。

高电压113可以由栅电压源114用来产生公共栅电压116。公共栅电压116可以是与高电压113相同或不同的电压。在一些实施方案中，公共栅电压可以是0与75kv之间的电压；然而，在其他实施方案中，公共栅电压116可以不同。

在一些实施方案中，栅电压源114可以是可变电压源。例如，栅电压源114可以被配置为接收控制输入117。控制输入117可以是来自用于包括电子枪100a的系统的控制器的控制信号；然而，在其他实施方案中，控制输入117可以由不同的源生成。栅电压源114可以被配置为响应于控制输入117而改变公共栅电压116的电压。

在一些实施方案中，栅电压源114可以被配置为连续地改变公共栅电压116。在其他实施方案中，栅电压源114可以被配置为逐步地改变公共栅电压116。在其他实施方案中，栅电压源114可以被配置为在两种状态之间切换：一种状态用于启用电子束并且另一种状态用于禁用电子束。

分压器118设置在高电压外壳101中。公共栅电压116可以经由馈通部119通过高电压外壳101。在一些实施方案中，诸如阴极电压、阳极电压、另一个栅电压、加热器电压等的其他电压可以在馈通部119的另一个导体上通过。在另一个实施方案中，分压器设置在高电压外壳101的外部。

分压器118被配置为基于公共栅电压116来产生多个栅电压112。分压器118被配置为将栅电压112中的至少两个施加到栅106。在一些实施方案中，分压器118可以被配置为针对栅106中的每一个产生不同的电压；然而，如将在下面进一步详细地描述，栅106与栅电压112的关联可以不同。

因此，电子枪100a具有多个栅，但是只有来自单个栅电压源114的单个公共栅电压116。然而，根据这个单个公共栅电压116，可以产生多个不同的栅电压112。在一些实施方案中，栅电压112中的一个或多个可以与公共栅电压116成一定比率。在特定示例中，电子枪100a可以具有四个栅(n＝4)。公共栅电压116与各个栅电压112的比率可以是0、1:1、2:1和0。也就是说，对于10kv的公共栅电压，栅电压112-1至112-4可以分别是0kv、10kv、5kv和0kv。然而，如上所述，公共栅电压116可以是可变的。因此，如果公共栅电压116变为5kv，则栅电压112-1至112-4可以分别变为0kv、5kv、2.5kv和0kv。尽管已经将特定比率用作示例，但是在其他实施方案中，可以使用不同的比率。

在一些实施方案中，可以减少通过高电压电缆和/或馈通部119供应到电子枪100a的高电压数量。由于多个栅电压112是由高电压外壳101内的分压器118产生，因此多个栅电压112不需要通过高电压电缆或通过电子枪100a的馈通部119。因此，可以减小电缆的大小和穿透高电压外壳101的次数。

在一些实施方案中，电子枪100a的栅106和其他部件的几何形状可以被设计为使用在操作范围内与公共栅电压116成比率的电压进行操作。因此，可以通过改变公共栅电压116来控制电子枪100a的操作。改变公共栅电压116导致根据特定比率改变的栅电压112。对于被设计为使用与公共栅电压116成比率的栅电压112进行操作的栅106，可以使用单个控制来调整电子束。相比之下，对于多个栅电压电源，将需要单独地调整每个电压电源以实现期望的输出。因此，层流束可以形成为在特定操作范围内具有可变束电流。

在一些实施方案中，可以选择栅电压112以产生单透镜(einzellens)。例如，如上所述，栅电压112可以是0kv、10kv、5kv和0kv。第一栅106-1可以将电子束聚焦到焦点。剩余的栅106-2至106-4可以使束散焦并且随后将束聚焦成层流束。

尽管未示出，但是在一些实施方案中，电子枪100a仍可以与被配置为操纵电子束的磁性部件结合使用。与由栅106进行的操纵相比，对束的磁性操纵可以更远离发射极104。对电子束的某种操纵可以由栅106执行，而其他操纵可以由磁性部件执行。在特定实施方案中，对磁性控制元件的输入现在可以是可控制的层流电子束。

尽管已经将栅电压112的特定序列和特定栅电压112用作示例，但是在其他实施方案中，该序列和栅电压112可以不同。如将在下文进一步详细地描述，栅电压112可以是不随公共栅电压116而改变的参考电压。多个栅可以使用来自分压器118的相同栅电压112。栅电压112可以具有与栅106的顺序匹配或不同的顺序。多个栅电压源114可以用于产生栅电压112，其中至少一个栅电压源114产生公共栅电压116，根据该公共栅电压产生至少两个栅电压112。

另外，本文中描述的电压可以根据电子枪的配置而不同，诸如具有接地阳极、接地阴极等的配置。例如，10kv的电压可以是相对于处于-150kv的阴极。因此绝对电压可以相对于接地是-140kv。

参考图1b，在一些实施方案中，电子枪100b可以类似于图1a的电子枪100a。然而，在这个实施方案中，高电压源110和栅电压源114组合成高电压/栅电压源110/114。使用分压器118来产生栅电压112允许组合的高电压/栅电压源110/114的大小的增加较小，因为与用于产生多个栅电压的电子器件相比，可以向高电压源110添加更少的电子器件来产生单个公共栅电压116。

参考图1c，在一些实施方案中，电子枪100c可以类似于上述电子枪100a和/或100b。然而，在一些实施方案中，电阻器梯(resistorladder)118c用作分压器118。特别地，电阻器梯118c具有由抽头tx和ty表示的多个抽头t。尽管使用两个抽头tx和ty作为示例，但是在其他实施方案中，抽头t的数量和放置可以不同。例如，一些抽头t可以位于电阻器梯的顶部，即，处于公共栅电压116。在其他实施方案中，一些抽头t可以处于参考电压121。参考电压121可以是任何固定电压，诸如阴极电压、阳极电压、接地电压等。在一些实施方案中，栅电压112中的至少两个是在电阻器梯118c的抽头t处的电压。

在一些实施方案中，抽头t中的每一个可以连接到单个栅106。此处，栅106-1连接到抽头tx，并且栅106-n连接到抽头ty。在其他实施方案中，多个栅106可以连接到单个抽头t。尽管抽头t和栅106的顺序匹配，但是在其他实施方案中，关联可以不同。任何抽头t可以连接到任何栅106。

参考图1d，在一些实施方案中，电子枪100d可以类似于上述电子枪100a、100b和/或100c。然而，在一些实施方案中，电阻器梯118d包括至少一个可变电阻器。在这个示例中，电阻器中的每一个是可变的；然而，在其他实施方案中，并非电阻器梯118d的所有的电阻器是可变的。

使用可变电阻器，不仅可以通过改变公共栅电压116、在抽头t处的电压，而且还可以通过设置电阻器梯118d的一个或多个电阻器的电阻来改变在抽头t处的每个电压。在一个示例中，可变电阻器中的一个或多个可以是电位计。在另一个示例中，编程接口120可以设置在高电压外壳101的外部。可变电阻器可以是可编程电阻器。编程接口可以是被配置为使用控制信号123与电阻器梯118d的一个或多个可变电阻器介接的电路。通过对电阻器进行编程，可以改变栅电压112与公共栅电压116的比率。

控制信号123可以通过馈通部119穿透高压外壳101，该馈通部类似于用于公共栅电压116的馈通部119。然而，在其他实施方案中，可以使用不同的技术来通过高电压外壳101进行通信，诸如通过使用光隔离器。

参考图1e，在一些实施方案中，电子枪100e类似于上述电子枪100a、100b、100c和/或100d。然而，在一些实施方案中，电子枪100e包括五个栅106-1至106-5。栅106-1至106-5中的每一个被配置为从分压器118接收对应的栅电压112-1至112-5。

参考图1f，在一些实施方案中，电子枪100f类似于上述电子枪100a、100b、100c、100d和/或100e。然而，在一些实施方案中，分压器118被配置为向栅106中的至少两个施加相同的栅电压112。在这个示例中，分压器118被配置为将栅电压112-1施加到栅106-1和106-2两者。尽管在这个示例中，相同的栅电压112-1已经被示出为施加到相邻的栅106，但是在其他实施方案中，由分压器118施加相同栅电压112-1的栅106可以是栅106中的任一个。

参考图1g，在一些实施方案中，电子枪100g类似于上述电子枪100a、100b、100c、100d、100e和/或100f。然而，在一些实施方案中，栅106中的至少一个电连接至参考电压112-r。此处，一个栅106-1电连接至参考电压112-r。参考电压112-r可以是任何固定电压，诸如阴极电压、阳极电压、接地电压等。尽管单个栅106-1被示出为连接至参考电压112-r，但是在其他实施方案中，多个栅106可以连接至参考电压112-r。在一些实施方案中，一个或多个其他栅106可以连接至不同的参考电压。也就是说，多个栅106可以连接至多个不同的参考电压。

参考图1h，在一些实施方案中，电子枪100h类似于上述电子枪100a、100b、100c、100d、100e、100f和/或100g。然而，在一些实施方案中，电子枪100h耦合到多个栅电压源114。此处，使用j个栅电压源114作为示例，其中j是大于一的整数。

栅电压源114中的每一个被配置为接收高电压113并且作为响应而产生对应的公共栅电压116。公共栅电压116可以通过该馈通部119供应到高电压外壳101中；然而，在其他实施方案中，单独的馈通部可以用于公共栅电压116中的一个或多个。对于栅电压源114-1，将公共栅电压116-1施加到一个或多个栅106-1至106-l，其中l是大于或等于一的整数。在一些实施方案中，将公共栅电压116-1直接施加到栅106-1至106-l。

栅电压源114-j被配置为产生公共栅电压116-j。分压器118被配置为针对栅106-m至106-n产生栅电压112-m至112-n，其中m和n是整数并且m小于n。换句话说，分压器118被配置为基于公共栅电压116-j产生至少两个栅电压112，并且将那些栅电压112施加到对应的栅106。

因此，尽管一些栅106可以接收基于公共栅电压116产生的栅电压112，但是其他电极106可以具有直接施加到那些电极106的另一个公共栅电压116。

参考图1i，在一些实施方案中，电子枪100i类似于上述电子枪100a、100b、100c、100d、100e、100f、100g和/或100h。然而，在一些实施方案中，电子枪100i耦合至j个栅电压源114-1至114-j。公共栅电压116-1至116-j中的每一个由对应的分压器118-1至118-j接收。那些分压器118中的每一个被配置为产生至少两个栅电压112并将那些电压施加到对应的栅106。

在一些实施方案中，分压器118可以耦合到相同的参考电压。然而，在其他实施方案中，分压器118可以使用不同的参考电压。因此，来自不同分压器118的栅电压112所在的范围针对变化的公共栅电压116而改变。例如，如上所述，一个公共栅电压116-1从10kv变为5kv可以导致一些栅电压112从10kv和5kv分别变为5kv和2.5kv。然而，在参考电压为10kv且公共栅电压116-j从10kv变为5kv的情况下，所得的栅电压可以从10kv和10kv分别变为5kv和7.5kv。

图2是根据一些实施方案的电子枪的横截面图。在一些实施方案中，电子枪200包括阴极102a、发射极104a、栅106a和阳极108a。发射极104a是矩形平面发射极。栅106a具有对应的矩形开口107。

如图所示，栅106a中的一些可以具有不同的厚度。另外，栅可以以相等或不相等的间隔隔开。在一些实施方案中，当栅电压与一个或多个公共栅电压成比率时，可以选择栅106a的几何形状和位置以在操作范围内产生层流电子束。

图3是根据一些实施方案的计算机化断层摄影(ct)机架的框图。在一些实施方案中，ct机架包括x射线源302、冷却系统304、控制系统306、马达驱动器308、检测器310、ac/dc转换器312、高电压源314以及栅电压源316。尽管已经将特定部件用作除了x射线源302、高电压源314和栅电压源316之外还可以安装在ct机架上的部件的示例，但在其他实施方案中，其他部件可以不同。

在一个示例中，ct机架300上的空间可能完全地被附加的部件占据。因此，用于附加的栅电压源316的空间可能不可用。然而，通过将x射线源302与如本文所述的电子枪一起使用，可以将单个栅电压源316在x射线源302的高电压外壳内分成多个栅电压。

参考图1a至图1i，一些实施方案包括一种系统，该系统包括：高电压外壳101；阴极102，该阴极设置在高电压外壳101中；阳极108，该阳极设置在高电压外壳101中；多个栅106，该多个栅设置高电压外壳101中、介于阴极102与阳极108之间；电压源114，该电压源被配置为产生公共栅电压116；以及分压器118，该分压器设置在高电压外壳101中，该分压器被配置为基于公共栅电压116来产生多个栅电压112，并且被配置为将栅电压112中的至少两个施加到栅106。

在一些实施方案中，电压源114是可变电压源114。

在一些实施方案中，分压器118是电阻器梯118c；并且栅电压112中的至少两个是在电阻器梯118c的抽头t处的电压。

在一些实施方案中，电阻器梯118d的至少一个电阻是可变电阻器。

在一些实施方案中，栅电压112中的至少一个是公共栅电压116。

在一些实施方案中，分压器118被配置为将栅电压112中的一个施加到栅106中的至少两个。

在一些实施方案中，该系统还包括：第二电压源114，该第二电压源被配置为产生第二公共栅电压116；以及第二分压器118，该第二分压器设置在高电压外壳101中，该第二分压器被配置为基于第二公共栅电压116来产生多个第二栅电压112，并且被配置为将第二栅电压112中的至少两个施加到栅106。

在一些实施方案中，该系统还包括第二电压源114；其中栅106中的至少一个电连接到第二电压源114。

在一些实施方案中，栅106中的至少一个电连接至参考电压。

在一些实施方案中，该系统还包括计算机化断层摄影(ct)机架300；其中高电压外壳101和电压源114设置在ct机架300上。

一些实施方案包括一种方法，该方法包括：由电压源114产生公共栅电压116；在电子枪100的高电压外壳101内将公共栅电压116分成多个栅电压112；以及在高电压外壳101内将栅电压112施加到多个栅106。

在一些实施方案中，该方法还包括响应于公共栅电压116的变化而按比例地改变栅电压112。

在一些实施方案中，产生公共栅电压116包括在高电压外壳101的外部产生公共栅电压116。

在一些实施方案中，栅电压112中的至少一个是公共栅电压116。

在一些实施方案中，将栅电压112施加到栅106包括将栅电压112中的一个施加到栅106中的至少两个。

在一些实施方案中，该方法还包括：产生第二公共栅电压116；以及在高电压外壳101内将第二公共栅电压116分成多个第二栅电压112；以及将第二栅电压112施加到栅106。

在一些实施方案中，该方法还包括将参考电压施加到栅106中的至少一个。

用于发射电子的构件的示例包括发射极104

用于控制电子流的构件的示例包括栅106

用于产生公共电压的构件的示例包括栅电压源114。用于产生第二电压的构件的示例包括栅电压源114。

用于基于公共电压来产生多个控制电压的构件的示例包括分压器118。用于基于第二公共电压来产生多个第二控制电压的构件的示例包括分压器118。

用于电阻划分公共电压的构件的示例包括电阻器梯118c和118d。

用于将控制电压施加到用于控制电子流的多个构件的构件的示例包括分压器118与栅106之间的连接。用于将第二控制电压施加到用于控制电子流的多个构件的构件的示例包括分压器118与栅106之间的连接。

虽然已经根据特定实施方案描述了特征、装置、方法和系统，但本领域普通技术人员将容易地认识到，对特定实施方案的许多变化是可能的，并且因此，任何变化应被视为在本文所公开的精神和范围内。因此，在不脱离所附权利要求的精神和范围的情况下，本领域普通技术人员可以进行许多修改。

本书面公开之后的权利要求特此明确地合并到本书面公开中，其中每项权利要求独立地作为单独的实施方案。本公开包括独立权利要求及其从属权利要求的所有排列。此外，能够从所附独立权利要求和从属权利要求中得出的附加实施方案也明确地合并到本书面描述中。通过将给定的从属权利要求的从属关系替换为短语“以权利要求[x]开始并且以紧随其后的权利要求结尾的任何权利要求”来确定这些附加的实施方案，其中加括号的项“[x]”被替换为最近引用的独立权利要求的编号。例如，对于以独立权利要求1开始的第一权利要求集，权利要求3可以从属于权利要求1和2，其中这些独立的从属关系产生两个不同的实施方案；权利要求4可以从属于权利要求1、2或3中的任一项，其中这些独立的从属关系产生三个不同的实施方案；权利要求5可以从属于权利要求1、2、3或4中的任一项，其中这些独立的从属关系产生四个不同的实施方案；以此类推。

关于特征或要素的术语“第一”的权利要求的叙述并不一定意味着存在第二个或另外的这种特征或元素。要求保护专有性质或特权的本发明的实施方案定义如下。