X射线管的制作方法

发明领域

本发明涉及一种x射线管。

发明背景

x射线是由x射线源生成的，x射线源通常是包括阴极和阳极的真空管的形式(即，x射线管)。来自阴极的电子通过电场朝向阳极加速，并在与阳极碰撞时生成x射线。这些x射线通过窗口从x射线管离开。高电压(例如，在1kv至100kv的范围内)被施加到阳极，同时阴极保持接地。也就是说，在x射线管的阳极和阴极之间存在高电位差。

与从阴极射出并被导向阳极的电子束相关联的电流称为发射电流。一般来说，发射电流越高，每单位时间被导向阳极的电子数量就越高。

受来自阴极的电子辐照的阳极区域称为x射线管的“焦斑”。在一些x射线分析应用中，特别是需要高分辨率的应用中，优选具有小的焦斑。一般来说，较小的焦斑具有较高的亮度，并且可以在x射线分析装置中用于在检测器处实现相对高的效率。

通常，当需要小的焦斑时，提供包括盘绕钨丝的x射线管。通过电阻加热(resistivelyheating)灯丝，电子通过热离子发射从阴极发射。当在低的高压设置(lowhigh-voltagesettings)(例如，低于10kv)下工作时，这些x射线管往往具有较差的光谱稳定性。

为了在低的高压设置下使功率最大化，必须增大施加到灯丝的电流(从而增大发射电流)。然而，这增加了从灯丝蒸发并沉积在阳极上的钨的量，这会阻止阳极发射x射线。这会降低x射线管的光谱稳定性。

在一些其他应用中，已经使用了包括有涂层的发射回路的x射线管。包括发射回路的x射线管以前只用于不需要高分辨率的应用，因为这些回路产生大的、环形形状的焦斑。

期望提供一种小的x射线管，其能够在提供小的焦斑、在低的高压设置下的高发射电流和良好的光谱稳定性(即，低输出漂移)方面实现良好的性能。

发明概述

根据本发明的方面，提供了一种x射线管，该x射线管包括：用于发射x射线的阳极，该阳极具有靶表面；阴极，其包括用于发射电子的发射回路，其中，发射回路围绕穿过阳极的轴线延伸，并且阴极和阳极沿着该轴线彼此间隔开；以及电子束导向件，其被构造为使得由发射回路发射的电子辐照阳极的靶表面的区域，其中，受到电子辐照的靶表面的区域由单个边界包围。

电子束导向件被构造成影响电子从阴极到阳极的轨迹，使得电子辐照阳极的“实心”区域，而不是“中空”区域。更正式地说，电子束辐照由单个边界包围的区域，而不是由两个分离的边界包围的区域(例如，环形是由两个分离的边界包围的区域)。

这种布置便于使用发射回路来辐照阳极的小区域。同时，阴极的灯丝是发射回路，而不是常规的盘绕钨丝。提供这种布置可以使x射线管能够在高发射电流下工作，同时对x射线管的输出稳定性影响最小。

阳极的受辐照区域的最大线性尺寸可以在0.1mm至2.0mm之间，优选地在0.9mm至1.5mm之间。如果受辐照区域是圆形的，则受辐照区域的直径可以在0.1mm至2.0mm之间，优选地在0.9mm至1.5mm之间。

x射线管还可以包括在阳极和发射回路之间的第一壁部，其中，第一壁部形成环(ring)，该环围绕轴线延伸。

在一些实施例中，环被布置成阻断从发射回路到阳极的至少一条直接视线，使得在使用中由发射回路发射的电子从发射回路沿着弯曲轨迹行进到阳极。

在使用中，由发射回路发射的电子朝向阳极加速。第一壁部阻断从发射回路到阳极的最短路径，使得电子采取弯曲轨迹。阳极和发射回路沿轴线彼此间隔开，使得第一壁部部分地阻挡阳极。这种布置有助于避免“中空”焦斑的形成。提供这种布置促进小的、实心焦斑的形成。

轴线穿过由第一壁部包围的区域的中心。

在一些实施例中，环包括面向发射回路的倾斜外表面，并且该外表面相对于轴线是倾斜的，以便在外表面和轴线之间限定在30度至60度之间的角度，并且优选地，其中，该角度在40度至50度之间。

在一些实施例中，第一壁部的外表面限定以轴线为中心的截头圆锥形表面。

在一些实施例中，x射线管还包括封闭阳极和阴极的外壳，并且第一壁部与外壳一体形成。

第一壁部形成外壳的内壁的一部分。替代地，第一壁部可以与外壳分离。在一些实施例中，发射回路围绕外壳的纵向轴线延伸。在这些实施例中，纵向轴线穿过阳极的靶表面。

在一些实施例中，发射回路的中心在轴线上，并且靶表面与从发射回路上的点延伸穿过靶表面中心的直线之间的角度在30度至60度之间。

优选地，该角度在40度至50度之间。阳极的靶表面与发射回路的中心之间的距离等于或小于10mm。

在一些实施例中，发射回路的周长大于阳极的靶表面的周长。

在一些实施例中，x射线管还包括围绕轴线延伸的第二壁部，其中，发射回路布置在第一壁部和第二壁部之间，并且第二壁部包括倾斜的内表面，该内表面限定锥形体积，该锥形体积沿着轴线在远离阳极、远离阳极的靶表面的方向上逐渐变窄。

第二壁部的内表面的形状有助于形成对称的焦斑。锥形体积在从阳极朝向发射回路的方向上逐渐变窄。

第二壁部的内表面可以限定以轴线为中心的截头圆锥形表面。

在一些实施例中，x射线管还包括用于允许x射线离开x射线管的窗口，其中，阳极、发射回路和窗口沿着轴线间隔开。

在一些实施例中，x射线管还包括第三壁部，其中，第三壁部是环形的，并且轴线延伸穿过该环形部的中心。

在一些实施例中，环形部包括面向阳极的内表面，其中，内表面在与阳极的靶表面平行的平面中延伸。

在一些实施例中，发射回路在沿着轴线的方向上被布置在第三壁部和阳极之间。

环形部可以围绕x射线管的窗口延伸。发射回路和第三壁部以穿过阳极的靶表面的轴线为中心。

在一些实施例中，阴极包括：难熔金属制成的第一导线，其在第一端和第二端之间延伸，该第一导线形成(comprise)发射回路；难熔金属制成的第二导线的螺旋部，其围绕第一导线延伸并覆盖第一导线；以及涂层，其覆盖第二导线的螺旋部，该涂层具有低于4ev的逸出功。

涂层可以降低发射回路能够通过热离子发射来发射电子时处于的温度。提供这种阴极可以有助于确保x射线管可以在高发射电流下工作，同时对x射线管的输出稳定性影响最小。在一些实施例中，涂层是氧化钡涂层。

在本发明的方面中，提供了一种x射线管，该x射线管包括：阳极，其用于发射x射线，该阳极具有靶表面；阴极，其包括用于发射电子的发射回路11，其中，发射回路围绕穿过阳极的轴线延伸，并且阴极和阳极沿着该轴线10彼此间隔开；以及电子束导向件，其包括在阳极和发射回路之间的第一壁部19，其中，第一壁部形成环，该环围绕轴线延伸，其中，该环被布置成阻断从发射回路到阳极的至少一条直接视线，使得在使用中由发射回路发射的电子从发射回路沿着弯曲轨迹行进到阳极。

电子束导向件被构造成影响电子从阴极到阳极的轨迹，使得电子辐照阳极的“实心”区域，而不是“中空”区域。更正式地说，电子束辐照由单个边界包围的区域，而不是由两个分离的边界包围的区域(例如，环形是由两个分离的边界包围的区域)。

这种布置便于使用发射回路来辐照阳极的小区域。同时，阴极的灯丝是发射回路，而不是常规的盘绕钨丝，这可以使x射线管能够在高发射电流下工作，同时对x射线管的输出稳定性影响最小。

阳极的受辐照区域的最大线性尺寸可以在0.1mm至2.0mm之间，优选地在0.9mm至1.5mm之间。如果受辐照区域是圆形的，则受辐照区域的直径可以在0.1mm至2.0mm之间，优选地在0.9mm至1.5mm之间。

x射线管还可以包括在阳极和发射回路之间的第一壁部，其中，第一壁部形成环，该环围绕轴线延伸。

在一些实施例中，环被布置成阻断从发射回路到阳极的至少一条直接视线，使得在使用中由发射回路发射的电子从发射回路沿着弯曲轨迹行进到阳极。

在使用中，由发射回路发射的电子朝向阳极加速。第一壁部阻断从发射回路到阳极的最短路径，使得电子采取弯曲轨迹。阳极和发射回路沿轴线彼此间隔开，使得第一壁部部分地阻挡阳极。这种布置有助于避免“中空”焦斑的形成。提供这种布置促进小的、实心焦斑的形成。

轴线穿过由第一壁部包围的区域的中心。

在一些实施例中，环包括面向发射回路的倾斜外表面，并且该外表面相对于轴线是倾斜的，以便在外表面和轴线之间限定在30度至60度之间的角度，并且优选地，其中，该角度在40度至50度之间。

在一些实施例中，第一壁部的外表面限定以轴线为中心的截头圆锥形表面。

在一些实施例中，x射线管还包括封闭阳极和阴极的外壳，并且第一壁部与外壳一体形成。

第一壁部形成外壳的内壁的一部分。替代地，第一壁部可以与外壳分离。在一些实施例中，发射回路围绕外壳的纵向轴线延伸。在这些实施例中，纵向轴线穿过阳极的靶表面。

在一些实施例中，发射回路的中心在轴线上，并且靶表面与从发射回路上的点延伸穿过靶表面中心的直线之间的角度在30度至60度之间。

优选地，该角度在40度至50度之间。阳极的靶表面与发射回路的中心之间的距离高达10mm。

在一些实施例中，发射回路的周长大于阳极的靶表面的周长。

在一些实施例中，x射线管还包括围绕轴线延伸的第二壁部，其中，发射回路布置在第一壁部和第二壁部之间，并且第二壁部包括倾斜的内表面，该内表面限定锥形体积，该锥形体积沿着轴线在远离阳极、远离阳极的靶表面的方向上逐渐变窄。

第二壁部的内表面的形状有助于形成对称的焦斑。锥形体积在从阳极朝向发射回路的方向上逐渐变窄。

第二壁部的内表面可以限定以轴线为中心的截头圆锥形表面。

在一些实施例中，x射线管还包括用于允许x射线离开x射线管的窗口，其中，阳极、发射回路和窗口沿着轴线间隔开。

在一些实施例中，x射线管还包括第三壁部，其中，第三壁部是环形的，并且轴线延伸穿过该环形部的中心。

在一些实施例中，环形部包括面向阳极的内表面，其中，内表面在与阳极的靶表面平行的平面中延伸。

在一些实施例中，发射回路在沿着轴线的方向上被布置在第三壁部和阳极之间。

环形部可以围绕x射线管的窗口延伸。发射回路和第三壁部以穿过阳极的靶表面的轴线为中心。

在一些实施例中，阴极包括：难熔金属制成的第一导线，其在第一端和第二端之间延伸，该第一导线形成发射回路；难熔金属制成的第二导线的螺旋部，其围绕第一导线延伸并覆盖第一导线；以及涂层，其覆盖第二导线的螺旋部，该涂层具有低于4ev的逸出功。

涂层可以降低发射回路能够通过热离子发射来发射电子时处于的温度。提供这种阴极可以有助于确保x射线管可以在高发射电流下工作，同时对x射线管的输出稳定性影响最小。在一些实施例中，涂层是氧化钡涂层。

附图简述

现在将参照附图对本发明的示例进行详细描述，在附图中：

图1显示了根据本发明的实施例的x射线管的示意性横截面视图；

图2a显示了包括发射回路的阴极的透视图；

图2b显示了发射回路的特写视图；

图3示出了示例“环状”焦斑和“点状”焦斑；

图4示出了在图1的x射线管中电子束的路径；

图5示出了根据实施例的在x射线管内部的电场；和

图6显示了对于阳极的示例性受辐照区域，强度随位置的变化。

实施例的详细描述

本发明提供一种具有阴极和阳极的x射线管。阴极包括用于发射电子的发射回路。该x射线管还包括电子束导向件，该电子束导向件被构造成使得来自发射回路的电子辐照由单个边界包围的阳极区域(实心区域)。包括发射回路的阴极以前只用于形成大的、中空焦斑(例如，具有大致12mm的直径)。

图1以横截面显示了x射线管1。x射线管1包括阴极3和阳极5，它们被布置在外壳7中。外壳7提供真空管。在使用中，阴极3被加热并通过热离子发射来发射电子。来自阴极3的电子形成电子束，该电子束被导向阳极5的靶表面6。高电压被施加到阳极5，同时阴极3保持接地，使得在阳极5和阴极3之间存在电位差。来自阴极3的电子朝向阳极5加速。当来自阴极3的电子撞击阳极5时，这些电子导致从阳极5发射出x射线。发射的x射线通过x射线管1中的窗口9从x射线管1中离开。窗口布置在x射线管的端部，面向阳极5的靶表面6。阴极布置在阳极5和窗口9之间。

在图1中，外壳7具有纵向轴线10。阴极3和阳极5在沿着真空管7的纵向轴线10的方向上彼此间隔开。阴极3包括发射回路11，发射回路11围绕纵向轴线10延伸使得发射回路11的中心在轴线10上。发射回路的周长大于靶表面6的周长，使得发射回路11也围绕阳极5的靶表面6延伸。纵向轴线10穿过阳极5的靶表面6，穿过发射回路11的中心，并穿过窗口9。

由发射回路发射的电子被电子束导向件引导，电子束导向件至少部分地决定了电子从阴极到阳极所采取的路径。

在图1所示的实施例中，电子束导向件由外壳7的内壁提供。内壁被成形为使得在使用中在x射线管1内部的电场将从阴极3发射的电子导向阳极5的靶表面6，以辐照靶表面的实心区域(而不是中空区域)。内壁的形状影响在x射线管内部的电场，因而影响由阴极3发射的电子的轨迹。在操作期间，内壁保持接地，同时高电压被施加到阳极5。

x射线管的内壁包括第一壁部19。第一壁部布置在发射回路11和阳极5之间，以便物理地阻挡从发射回路到阳极5的靶表面6的最短直线路径。第一壁部19包括外表面13，外表面13离开轴线10面向外并面朝发射回路11。外表面相对于轴线10倾斜。在图1中，外表面在与轴线10成45度的角度处。在这种布置中，第一壁部19部分地阻挡阳极的靶表面6使之与发射回路隔开。由发射回路发射的电子在它们到达阳极的靶表面6处之前被迫在第一壁部19之上沿曲线行进。因为沿轴线10阳极在空间上与发射回路分离，所以电子沿着扩展的路径朝向靶表面行进。这可以有助于减小阳极的受辐照区域的尺寸。

内壁还包括第二壁部21，第二壁部21在沿轴线10的方向上布置在第一壁部和窗口9之间。第二壁部形成环，该环围绕轴线10延伸。第二壁部的内表面是倾斜的，并且限定了锥形体积，该锥形体积在从阳极5的靶表面6朝向窗口9的方向上逐渐变窄。

内壁的第三壁部23环绕窗口9，以限定x射线管的颈部(neck)。x射线管的内壁的第二壁部21布置在第三壁部下方。

第二壁部和第三壁部一起限定从颈部延伸的在阴极3上方的肩部(shoulder)。第三壁部的下表面(面向阳极)限定肩部的上部，而第二壁部21的内表面提供内壁的肩部的下部。

在肩部下方且在阴极下方，内壁的第一壁部向内朝向轴线且向上远离阳极的靶表面伸出。

转向图2a，更详细地示出了阴极3。阴极3包括在邻近布置的第一端和第二端之间延伸的单个长度的钨丝。阴极具有圆形发射回路11的形式，其中在发射回路11与第一和第二端之间形成第一和第二热回路(thermalloops)12。第一和第二热回路中的每一个回路都由导线的u形回路形成，该u形回路的腿(legs)平行于发射回路而延伸，也就是说遵循该圆延伸。使用术语“热回路”是因为回路的功能是在发射回路和导线的端部之间提供某个热阻。

图2b更详细地显示了发射回路。阴极包括第一钨丝4、第二钨丝30和发射器涂层32，第一钨丝4形成圆形发射回路。第二钨丝30围绕第一钨丝4以螺旋方式布置。发射器涂层32布置在导线的组合结构(composition)上。在该示例中，在螺旋导线的各个匝之间存在小的间隙，且涂层延伸到这些间隙中以及到表面上方。这被认为在涂层32和导线4、30之间产生强结合和良好的化学接触。

发射回路具有从0.5mm至5mm的最大线性尺寸(即，在圆形情况下的直径)。涂层厚度可以是从0.5μm至发射回路的直径的50％。第二导线可以紧密地结合到第一导线，或者可以与第一导线隔开，例如隔开发射回路的直径的0至20％。支撑导线可以具有例如从20μm至500μm的直径以及任何合适的长度，例如从2mm至30mm。支撑导线尤其可以具有内部导线直径的20％至80％、或20％至50％的直径。

发射器涂层32包括在比钨更低的温度下导致热离子发射的材料。例如，涂层包括氧化钡和/或氧化锶。有涂层的发射回路11在较低温度下提供电子发射，从而减少或避免材料的蒸发。因此，阴极可以获得一直稳定的x射线输出。

由于在涂层和盘绕导线之间温度分布均匀且结合良好，因此阴极递送非常均匀的x射线斑点。

发明人已经意识到，通过提供包括设置在阳极上方的发射回路的x射线管1，可以提供满/实心(即，非中空)焦斑且同时在低的高压设置下实现高输出稳定性。

表1显示了对于根据本发明的x射线管以及对于两个对比x射线管的一些低kv设置。对比x射线管之一具有以线圈形式的未被涂覆的钨丝。可以看出，在没有不可接受的输出漂移的情况下，对比x射线管的最低kv设置为10kv。在这种低的高压设置下，功率被限制在500w，以保持阴极的寿命。还要注意，使用12mm发射回路的焦斑是环形的。

根据本发明的x射线管也可以在较高ma设置下使用。例如，可以在高达12ma的电流下工作同时仍能获得良好的光谱稳定性。

表1：x射线管操作设置

图3显示了环形焦斑36和实心焦斑38。环形焦斑具有限定在两个不同的边界之间的中空形状。以前，使用发射回路的x射线管产生这种形状的焦斑。这些焦斑很大(通常直径约12mm)。

图3中的实心焦斑由单个连续的边界包围。它不是中空的。它具有1.5mm的直径。

图4是对图1的x射线管1在使用中的电子束的路径的示意性描绘。如图4所示，在使用中，电子在x射线管1内的电场的影响下从阴极3发射并朝向阳极5行进。电子束导向件被布置成使来自阴极的电子束成形，使得电子辐照阳极5的靶表面6的实心区域。内壁被成形为使得来自阴极的电子被迫在第一壁部之上采取弯曲轨迹。内壁的形状能够有助于确保来自阴极的电子扩散到阳极上，使得电子辐照在阳极的表面上的实心区域。如图4所示，来自阴极3的电子被导向阳极5，并辐照由单个边界包围的阳极区域。

图5显示了当x射线管1在使用时在x射线管1内部的电场。

图6示出了焦斑区域的强度如何随位置而变化。这可用于确定焦斑区域是“实心的”(由单个边界包围的区域)还是“中空的”(由多于一个边界包围的区域)。通过捕获阳极的图像并处理该图像以评估焦斑区域的形状，可以确定焦斑区域的形状。

在阳极的图像中阳极的受到电子辐照的部分将具有更高的强度。确定阳极区域的中心区是否受到电子辐照的一种方式是分析阳极的图像。

例如，选择由单个边界包围的阳极区域。所选区域包围焦斑区域。确定所选区域的峰值强度。然后，确定所选区域的中心区的平均强度。例如，中心区是位于所选区域的中心的区，该区大约等于总的所选区域的10％。如果中心区的平均强度等于或小于峰值强度的5％，则焦斑区域是中空焦斑区域。如果中心区的平均强度大于峰值强度的5％，则焦斑区域是实心焦斑区域。

在图6中，阳极的所选区域61的图像显示在页面的左侧。页面右侧的图表显示了测量到的强度如何随阳极的所选区域的图像上的位置而变化。在这个示例中，中心区具有比峰值强度的5％大的强度。因此，焦斑区域是“实心”焦斑区域。

在一些实施例中，第一壁部是环。该环不一定是圆形的。

在一些实施例中，阴极不包括任何热回路。

在一些实施例中，第一壁部不与外壳一体形成。也就是说，第一壁部是与外壳分离的实体。

在一些实施例中，第一壁部和第二壁部是分离的实体。在其他实施例中，第一壁部和第二壁部一体形成。

在一些实施例中，第二壁部和第三壁部是分离的实体。在其他实施例中，第二壁部和第三壁部一体形成。

在一些实施例中，电子束导向件由真空管的内表面提供。在其他实施例中，电子束导向件是与真空管分离的。

受到电子束辐照的阳极区域可以是圆形的，或者它可以具有不同的形状。例如，受到电子束辐照的区域可以是椭圆形的。

阳极可以具有适于产生x射线的任何材料。

技术人员将理解，x射线管可以不是严格意义上的管状。