專利名稱：用于醫(yī)學(xué)x射線應(yīng)用的包括發(fā)射體損壞情況下的緊急運行模式的發(fā)射體設(shè)計的制作方法
用于醫(yī)學(xué)X射線應(yīng)用的包括發(fā)射體損壞情況下的緊急運行模式的發(fā)射體設(shè)
計
本發(fā)明涉及x射線管電子發(fā)射體領(lǐng)域。更具體而言，本發(fā)明涉及用于 具有可變焦斑大小和形狀的x射線系統(tǒng)的平面熱離子發(fā)射體。
用于心血管應(yīng)用的傳統(tǒng)X射線管包括至少兩個分離的電子發(fā)射體。由
于在這些管中陰極和陽極之間的距離小，無法實現(xiàn)光束整形透鏡。只有陰
極杯(cathode cup)能影響焦斑大小和形狀。在陰極杯內(nèi)，發(fā)射體在幾何學(xué) 上分離，從而與光軸不在同一線內(nèi)。因此，每個發(fā)射體只能產(chǎn)生一個焦斑。 如果一個發(fā)射體因通過蒸發(fā)到達(dá)壽命終點或由熱機(jī)械應(yīng)力引起開裂而失 效，向其他發(fā)射體中的一個的轉(zhuǎn)換(例如用于放射線透視)將有可能在例 如心臟導(dǎo)管檢査期間安全去除該導(dǎo)管。
US 6,464，551B1描述了具有三個終端或附著柱的發(fā)射絲。將兩個發(fā)射 燈絲安裝在一個由該終端支撐并與該終端電連接的縱向結(jié)構(gòu)中。發(fā)射絲的 每端由一個終端支撐。另外的終端在中部支撐該發(fā)射絲。所產(chǎn)生的發(fā)射面 在電子光學(xué)方面是不同的。因此，這種結(jié)構(gòu)的發(fā)射絲不能成功地用于需要 發(fā)射體有接近相同的電子發(fā)射特性的X射線系統(tǒng)。
現(xiàn)代醫(yī)學(xué)治療需要高度完善的X射線系統(tǒng)以便支持例如用于心血管應(yīng) 用的有效診斷。傳統(tǒng)定焦X射線系統(tǒng)在過去起了主要作用，但其性能和特 征不再支持現(xiàn)代醫(yī)療應(yīng)用的需求。下一代X射線管需要提供可變焦斑大小 和形狀的可能性。這些管陰極和陽極之間的距離大，且在陰極和陽極之間 有不同光束整形透鏡。為達(dá)到X射線系統(tǒng)的最佳聚焦性質(zhì)，有必要在透鏡 系統(tǒng)的光軸上放置電子發(fā)射體。因此，兩個發(fā)射體的設(shè)計不適用于具有可 變焦點大小和形狀、陰極/發(fā)射體和陽極之間的距離大且其間有不同光束整 形透鏡的現(xiàn)代X射線系統(tǒng)，。
用于具有可變焦斑大小和形狀的X射線系統(tǒng)的傳統(tǒng)熱離子發(fā)射體包括 線圈或具有相對高電阻的精細(xì)結(jié)構(gòu)平面部分，當(dāng)對該線圈或平面部分施加電流時，其通過焦耳熱發(fā)熱并發(fā)射電子。這種現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)由兩個更大的
導(dǎo)電終端固定(圖la、 lb)。如果該精細(xì)結(jié)構(gòu)的小部分由任意影響導(dǎo)致?lián)p壞 時，電路被切斷，系統(tǒng)失效，且不存在多余的電子源，并且醫(yī)療檢查變得 危急。
對于X射線管有可能需要如下發(fā)射體即使在發(fā)射體部分損壞的情況 下，仍可以在現(xiàn)代多焦點X射線系統(tǒng)中結(jié)合連續(xù)運行選項使用。
為滿足上述需要，提供了如根據(jù)獨立權(quán)利要求1的主題所描述的新型 熱離子發(fā)射體設(shè)計。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了包括所發(fā)明的發(fā)射體的X射線管。并
且，根椐本發(fā)明的又一方面，提供了x射線系統(tǒng)，尤其是包括所發(fā)明的x
射線管的計算機(jī)斷層攝影系統(tǒng)。
本發(fā)明的有利實施方式由從屬權(quán)利要求進(jìn)行描述。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了用于x射線系統(tǒng)的具有兩個主要終端
的發(fā)射體，該終端形成電流導(dǎo)體并支撐至少兩個發(fā)射部分。由熱離子平面
發(fā)射體直接加熱的發(fā)射部分以如下方式進(jìn)行構(gòu)造使得發(fā)射部分在電子光 學(xué)方面相同或接近相同。
通過這種發(fā)射體設(shè)計，該新型發(fā)射體可以替代X射線管中的傳統(tǒng)發(fā)射
體。這些X射線管在單個部分發(fā)射體失效(例如當(dāng)傳統(tǒng)發(fā)射體燒穿時)的
條件下也可以運行。因此，具有了這種在光軸上具有多于一個發(fā)射體部分
并且使焦斑大小和形狀可變的新型x射線管，心血管應(yīng)用中的最新需求得
以滿足。傳統(tǒng)發(fā)射體即使發(fā)射體的一部分損壞也將不能滿足這些繼續(xù)運行 的需求。
新發(fā)明的x射線系統(tǒng)，特別是計算機(jī)斷層攝影系統(tǒng)，具有即使在檢查 期間發(fā)射體的一部分失效也能夠完成腫瘤檢査的優(yōu)勢。這是對x射線系統(tǒng)
的安全性和可靠性的主要貢獻(xiàn)。
通過發(fā)射體或發(fā)射體部分處于同一幾何平面內(nèi)的設(shè)計，如果運行期間
發(fā)射體部分中的一個損壞時，不需要對x射線系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械調(diào)整。
通過將發(fā)射體部分建造成曲回形狀，由此在有兩個發(fā)射體部分的情況 下，每個發(fā)射體部分與另外一個發(fā)射體部分以梳狀方式相纏結(jié)，所述兩個發(fā)射體部分被看作在電子光學(xué)方面相同或接近相同。這樣，將具有兩個發(fā) 射部分的整個發(fā)射體放置到X射線系統(tǒng)的光軸上變得容易。
在電設(shè)置中，每個發(fā)射體部分在主終端之間形成電通路。在這種設(shè)置 中， 一個支路中電通路的斷開將導(dǎo)致所有其他電部分或支路中電流的增加， 并因此引起溫度升高。其結(jié)果是，這些支路將燒穿并且導(dǎo)致發(fā)射體完全失 效。通過控制每個支路中的電流的選項，在一個發(fā)射部分損壞的情況下， 有可能通過將施加的總電流降低至對所有其他支路供給其正常施加電流的 水平而避免這種連鎖反應(yīng)。這種設(shè)置和運行模式導(dǎo)致電子發(fā)射減少和X射 線圖像強(qiáng)度/質(zhì)量下降，但例如在心血管應(yīng)用中可以安全去除導(dǎo)管。
已知直接加熱的電子發(fā)射設(shè)備可能因如蒸發(fā)、離子轟擊、形成電弧或 熱-機(jī)械應(yīng)力等不同效應(yīng)而失效。電線的小損壞通常導(dǎo)致因該部分中的電能 釋放增加而引起的局部高溫，這將通過蒸發(fā)或熔化增加而加速損壞過程， 直至切斷電路。如果只有單個電通路可用，損壞會影響整個電子源。有可
能確定該結(jié)構(gòu)的電阻以檢測出這種損壞，但為了避免熱點(hot spot)并因
此避免整個系統(tǒng)的失效，有必要以如下方式降低所施加的電流使得損壞 區(qū)具有低于臨界值的溫度。從而，其余的發(fā)射部分具有更低的溫度并因此 急劇減少發(fā)射。在醫(yī)學(xué)檢查中，這種運行條件不滿足緊急模式。
將單個電通路分成并聯(lián)的至少兩個電流通路， 一根電線中的故障將導(dǎo) 致那條通路中的電流下降，而其他通路中的電流增加(自我調(diào)節(jié))。對于將 兩個發(fā)射體部分以并聯(lián)方式電連接到主終端的設(shè)計，通過以下方程式1-9 描述了該效果
/ _ ,
/ _ ^ /
通過增加電阻所描述的故障
0 W《1
《=《 (1+3)
7 ， == 7
(方程式i)
(方程式2)
(方程式3) (方程式4) (方程式5)<formula>formula see original document page 8</formula>
(方程式6) (方程式7)
(方程式8) (方程式9)
由此，使用了以下符號
I,是通過一個發(fā)射體部分的一個通路的電流；
12是通過其他發(fā)射體部分的其他通路的電流；
&是一個發(fā)射體部分中的一個通路的電阻值；
R2是其他發(fā)射體部分中的其他通路的電阻值；
3代表電阻值中的小變化因子；
R」是變化后的R,的值；
ir是^發(fā)生變化后的ii的新值；
12*是R,發(fā)生變化后的12的新值；
通過監(jiān)測發(fā)射體上的電壓降，有可能檢測出結(jié)構(gòu)的所有變化并控制加 熱電流。如果電壓變化快于只針對蒸發(fā)效果的估計，可能會產(chǎn)生小的危急 故障，并且可以啟動具有降低的電流的緊急模式。因為上述自我調(diào)節(jié)行為， 必須將總電流降低到小于在單個通路發(fā)射體情況下的電流。例如， 一個支 路中電阻增加10%將使通過該支路的電流減少近5%。這將不足以避免熔化 和斷開電路。因此，必須降低總電流，使其與緊急模式管電流相符合。即 使故障使那個電流支路斷開，仍對余下功能完整的平行發(fā)射體部分施加受 控的正常支路電流，并且因此該發(fā)射體部分發(fā)射電子。對于具有兩個平行 發(fā)射體部分的設(shè)置，所產(chǎn)生的管電流將是必需的施加電流的一半，并且對 于安全緊急模式是足夠的。
在一個支路中出現(xiàn)短路的情況下，總電阻減少，并且因此功率降低。 必須有更高的施加電流以達(dá)到足夠的管電流，由于電流供應(yīng)有限而只對于 小的短路才有可能達(dá)到該足夠的管電流。
對于高質(zhì)量的X射線圖像，需要有良好定義的小的焦點，其通過復(fù)合 電子光學(xué)器件而在高端X射線系統(tǒng)中實現(xiàn)。那些光學(xué)器件對于發(fā)射體在光軸上的精確位置有高的要求。不可能使用幾何學(xué)上分離的發(fā)射體建立以上 所解釋的冗余發(fā)射體系統(tǒng)。通過使用以上所解釋的設(shè)計克服了這個問題。 兩個支路在光學(xué)方面接近相同，并且每個支路可以獨自地在不降低光學(xué)質(zhì) 量的情況下用作電子源。
根椐本發(fā)明的另一實施方式，所述至少兩個發(fā)射部分在主終端之間以 串聯(lián)方式電連接，這在發(fā)射部分之間建立了電中點，并且具有電連接至該 電中點的第三終端，由此，第三終端形成中點電流導(dǎo)體。
在本發(fā)明的另一實施方式中，發(fā)射部分具有位于彼此之中的兩個螺旋 的結(jié)構(gòu)，這建立起雙螺旋，其電連接的中點位于雙螺旋的中部，而其另外 的端點在雙螺旋的外部端點處連接至主終端。
在該設(shè)計中，每個發(fā)射部分在電子光學(xué)方面相同的特性是相同的，這 使得將雙螺旋的中部定位到X射線系統(tǒng)的光軸上成為可能。
可以將具有三個終端的發(fā)射體設(shè)計更加靈敏地進(jìn)行控制。在該設(shè)置中， 有可能分別測量發(fā)射體部分的每個電支路的電流。如果一個支路中發(fā)生故 障，另一個支路中的電流增加，并且可能超出安全運行的電流極限。通過 降低所施加的總電流來將兩個支路電流降至臨界極限以下，發(fā)射體將回到 非臨界狀態(tài)。這導(dǎo)致管電流下降，不過對于緊急運行模式是足夠的。另外， 可以在全橋電路中建立起在兩個支路中的測量，以顯著性地增加監(jiān)測的靈 敏性。可以比在只具有兩個終端的設(shè)置中更早地檢測出故障。
與兩終端設(shè)置相比，三終端設(shè)置的又一優(yōu)勢在短路的情況下予以給出。 通過監(jiān)測發(fā)射體的總電阻和所有支路電流，有可能檢測出 一個支路中的短 路。在這種情況下，根據(jù)上述過程，有可能通過打開開關(guān)并結(jié)合降低所施 加的總電流而斷開相關(guān)支路中的電流通路。
在該設(shè)計的另一方面，兩個發(fā)射體部分如兩個螺旋位于彼此之中導(dǎo)致 由加熱電流所產(chǎn)生的相對強(qiáng)的磁場。發(fā)射體像線圈一樣工作，并因此產(chǎn)生 相對高的磁場。遺憾的是，這以負(fù)作用的方式影響電子光學(xué)器件。
該相對強(qiáng)的磁場可以通過本發(fā)明的又一實施方式得以克服，其中提供 了第四終端。如上所述的螺旋狀發(fā)射體部分沒有在雙螺旋中間的其中點處 電連接。而是提供兩個分幵的內(nèi)部終端，使得螺旋狀發(fā)射體部分彼此電絕 緣，從而在兩個支路之間切斷電流通路。這樣，可以在支路中以相反的方式施加電流，并且所產(chǎn)生的磁場的振幅更好地分布在發(fā)射部分上。通過附 加的終端實現(xiàn)了振幅的顯著降低。
與兩個終端方案相比，三個終端或四個終端方案更穩(wěn)定并且能適應(yīng)振動。
在本發(fā)明的又一實施方式中，發(fā)射部分每個均具有曲回結(jié)構(gòu)，并且以 梳狀方式相纏結(jié)或并排平放。在曲回結(jié)構(gòu)的一端上提供中點電流導(dǎo)體，并 且將兩個主終端每個均提供在曲回結(jié)構(gòu)的另一端處。這樣，與雙螺旋設(shè)計 相比，發(fā)射體上的溫度分布更佳。在雙螺旋設(shè)計中，除了中點之外，螺旋 結(jié)構(gòu)上的溫度分布非常均等。原因在于四終端設(shè)計中的第三或第四終端， 熱量在該處傳導(dǎo)入終端。因此在曲回結(jié)構(gòu)的情況下，因為避免了對焦斑強(qiáng) 度分布可能有負(fù)面影響的中央相對低溫的中心區(qū)，發(fā)射電子的分布更佳。
在發(fā)射部分具有并排平放的曲回結(jié)構(gòu)、建立起兩個在電學(xué)上并聯(lián)并在 幾何學(xué)上平行的曲回支路的情況下，可以降低由熔化引起的支路間電連接 的危險。通過在長度方向上使兩個支路之間的分離狹縫的寬度具有足夠的 尺寸，可以急劇降低這種風(fēng)險。
所有上述設(shè)計對于DC和AC發(fā)射體電流供應(yīng)均可行。
在具有電中部終端的三終端方案的情況下，如果只供給AC發(fā)射體電
流，也有可能快速處理電流通路中如斷裂和短路的損壞。通過在流向/流出 主終端的電流通路中以相反的方式插入二極管，每個發(fā)射體部分僅由電流 供應(yīng)的一個半波進(jìn)行加熱。
優(yōu)勢在于， 一個通路中的斷裂不影響另一支路中的電流，因此另一支 路以其正常模式運行。 一個發(fā)射體部分中的對于短路的電流分布與無損壞 設(shè)置的相等。由于短路部分中電阻降低，釋放較少能量，并且因此在該部 分中引起溫度和發(fā)射降低。未受影響的發(fā)射體部分仍以正常運行模式工作， 并且在有兩個發(fā)射體部分并聯(lián)的情況下，施加所需的電子發(fā)射的一半，其 對于緊急模式仍然是足夠的。通過實現(xiàn)與霍爾傳感器相結(jié)合的電流傳感器
(例如得自于瑞士 P傷ffikon的LEM-ELMS)，有可能通過測量AC和DC 電流分量而容易地檢測出兩種損壞。
所以，基本思想是提供具有多于只有一個發(fā)射體部分的發(fā)射體，這些 發(fā)射體部分在電子光學(xué)上相同或接近相同。發(fā)射體部分可以在電學(xué)上以并聯(lián)模式運行，并具有電壓和電流測量及控制。在并聯(lián)模式下，發(fā)射體部分 可以每個均具有曲回結(jié)構(gòu)，并且所述部分可以以梳狀方式相纏結(jié)。替代地， 發(fā)射體部分可以在電學(xué)上以串聯(lián)模式運行，并具有具有多種幾何設(shè)計的中 部終端，所有這些幾何設(shè)計都在電子光學(xué)方面相同或接近相同。可以使用 雙螺旋或雙曲回結(jié)構(gòu)。曲回結(jié)構(gòu)可以是相纏結(jié)的或并排的。并且，在流向 主終端的電流通路中使用二極管，允許沒有復(fù)雜的電源控制系統(tǒng)的電設(shè)置。 這種復(fù)雜性的降低提高了性價比以及例如X射線管或X射線系統(tǒng)的最終產(chǎn) 品的壽命。
在下文中將通過參考實施方式的實例更詳細(xì)地描述本發(fā)明，但本發(fā)明 并不局限于此。
附圖中的說明是示意性的。要注意的是，在不同的圖表中，對相似的 或相同的元件提供相同的附圖標(biāo)記。附圖顯示了
圖la 傳統(tǒng)熱離子線圈發(fā)射體；
圖lb 傳統(tǒng)熱離子平面曲回發(fā)射體；
圖2a 具有并聯(lián)電路中的兩個曲回結(jié)構(gòu)的平面發(fā)射體，這兩個曲回
結(jié)構(gòu)在光學(xué)方面接近相同；
圖2b 具有通過發(fā)射體的這兩個并聯(lián)電流支路的平面發(fā)射體；
圖3 具有兩個螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)射體設(shè)計，在并聯(lián)電路中結(jié)合成雙螺
旋結(jié)構(gòu)；
圖4 包括具有在光學(xué)上相同的電流通路(線圈性能)的三個終端 的雙螺旋發(fā)射體中的電流方向；
圖5 雙螺旋發(fā)射體，其具有四個終端以降低由加熱電流產(chǎn)生的磁
場；
圖6 具有四個終端的雙螺旋發(fā)射體中的電流流向；
圖7 在并聯(lián)電路中分別具有三個和四個終端的發(fā)射體磁場的振
幅；
圖8 雙螺旋發(fā)射體的溫度分布；
圖9 所提出的具有三個終端的雙曲回發(fā)射體，沒有低溫中心區(qū)域;
圖9a 雙曲回發(fā)射體的溫度分布；

圖10 具有三個終端的雙曲回發(fā)射體的兩個不同的電通路；
圖11 三終端發(fā)射體，其具有兩個非交錯曲回結(jié)構(gòu)以避免損壞情況
下的支路間短路；
圖12 用于電學(xué)上并聯(lián)設(shè)置中的兩終端設(shè)置的故障控制；
圖13 設(shè)計為在幾何學(xué)上平行設(shè)置的發(fā)射體的電設(shè)置和運行模式，
由此，將光學(xué)上相同的發(fā)射體區(qū)域分離以更好地顯示原理設(shè)置；
圖14a具有二極管的設(shè)置，以避免由于發(fā)射體結(jié)構(gòu)內(nèi)的快速局部損
壞而引起整個發(fā)射體失效；
圖14b —個發(fā)射部分中的發(fā)射體斷開情況下的電流流向；
圖14c 一個發(fā)射部分中的電流通路中出現(xiàn)短路的情況下的電流流
向；
附圖標(biāo)記列表
1發(fā)射體
3終端
5終端
7第一發(fā)射部分
9第二發(fā)射部分
11終端和發(fā)射部分之間的觸點
13終端和發(fā)射部分之間的觸點
15曲回結(jié)構(gòu)
17曲回結(jié)構(gòu)
19螺旋形狀發(fā)射部分
21螺旋形狀發(fā)射部分
23中點終端
25中點終端和發(fā)^f部分之間的觸點
27終端
29終端
31電壓測量工具
33電流控制工具
35控制器37 用于電流測量的工具
39 二極管 41 二極管
圖2a顯示了施加電流的優(yōu)選實施方式，其使用兩個主終端3、 5連接 至具有兩個發(fā)射部分7、 9的發(fā)射體1。將發(fā)射體1的兩個發(fā)射部分7、 9在 觸點ll、 13處與終端3、 5相連接。從圖2a中可以看出，發(fā)射體l的兩個 發(fā)射部分7、 9位于彼此之中，兩者都具有曲回結(jié)構(gòu)。從圖2a中還可以看 出，兩個發(fā)射部分7、 9位于同一幾何平面內(nèi)。典型地，這種形狀的發(fā)射體 由在其中切割出狹縫以便構(gòu)建出雙曲回結(jié)構(gòu)的金屬板制成。在該發(fā)射體設(shè) 計中，兩個發(fā)射部分7、 9以梳狀方式相纏結(jié)。
如果對兩個主終端3、 5供給電流，存在兩個電支路或通路，因此來自 主終端3的電流能通過在終端3和發(fā)射部分9之間的觸點13流過兩個發(fā)射 部分7、 9，通過兩個曲回結(jié)構(gòu)15、 17流至終端5和發(fā)射部分7之間的觸點 11，至主終端5。由于流過兩個曲回結(jié)構(gòu)15、 17的電流所產(chǎn)生的焦耳熱， 建立起兩個電子光學(xué)方面相同的發(fā)射體部分7、 9。圖2b舉例說明了通過發(fā) 射體的電流通路。可將這種類型的發(fā)射體放置為其發(fā)射表面的中心與X射 線系統(tǒng)的光軸垂直。
如果運行期間兩個發(fā)射體部分7、 9中的一個損壞，另一個發(fā)射體部分 繼續(xù)正常工作。這樣，在需要具有可變焦斑大小和形狀的X射線管的情況 下，也可以支持心血管應(yīng)用。這些X射線管通常在陰極和陽極之間有大的 距離，并且需要放置在X射線系統(tǒng)的光軸上的發(fā)射體。
圖2b舉例說明了源自終端5與發(fā)射部分7之間的一個接觸點11和終 端3與發(fā)射部分9之間的另一個接觸點13的兩個不同的電流通路。
圖3顯示了具有兩個發(fā)射部分7、 9的發(fā)射體的不同設(shè)計。這種情況下， 兩個發(fā)射部分7、 9以串聯(lián)方式電連接。電中點在中點終端23和發(fā)射部分7、 9之間的觸點25處與終端23相連接。從圖3中可以看出，發(fā)射部分具有位 于彼此之中的螺旋形狀19、 21。整個發(fā)射體由在其中切割出狹縫以便設(shè)計 成雙螺旋結(jié)構(gòu)的金屬板形成。在電子光學(xué)方面，根椐圖3的設(shè)計的兩個發(fā) 射部分是相同的?？梢匀菀椎貙蓚€發(fā)射部分7、 9的整個發(fā)射表面與X射線系統(tǒng)的光軸 垂直放置。因為中央的中點終端23在位于中點終端23和發(fā)射部分7、 9之 間的觸點25處與發(fā)射部分7、9相連接，電流可以同時流過兩個發(fā)射部分7、 9的兩個不同螺旋形狀部分19、 21。這導(dǎo)致由加熱電流所產(chǎn)生的相對強(qiáng)的 磁場。發(fā)射部分7、 9像線圈一樣運轉(zhuǎn)，并因此產(chǎn)生相對高的磁場。在X射 線系統(tǒng)中并不希望有這種效果，因為它以負(fù)作用的方式影響電子光學(xué)器件。
這種負(fù)面影響可以通過施加電流的另一實施方式得以克服。圖5顯示 了另一種發(fā)射體設(shè)計。在這種情況下，發(fā)射體的兩個部分7、 9沒有共同的 中點。而是在兩個發(fā)射部分7、 9的每個螺旋19、 21的中部提供兩個附加 終端27、 29。于是可以提供兩個電通路。 一個通路由終端5、終端5和發(fā) 射部分7之間的觸點11、在螺旋結(jié)構(gòu)21的中部與終端29相連接的發(fā)射部 分7的螺旋結(jié)構(gòu)21構(gòu)成。另一電部分對稱地由終端3、終端3和發(fā)射部分 9之間的觸點13、在發(fā)射部分9的螺旋結(jié)構(gòu)19的中部與終端27相連接的 發(fā)射部分9的螺旋結(jié)構(gòu)19構(gòu)成。
從圖6中可以看出，現(xiàn)在可以將沿不同方向的兩個電流送至通過雙螺 旋結(jié)構(gòu)。如圖7所圖示，所產(chǎn)生的磁場低得多。如圖3所描述的三終端方 案在雙螺旋結(jié)構(gòu)的中部具有相對高的磁活動。通過在兩個發(fā)射部分7、 9的 雙螺旋結(jié)構(gòu)19、 21的中部具有兩個終端27、 29的四終端方案可以基本上 消除這個不良影響。
圖8給出了在位于彼此之中的雙螺旋結(jié)構(gòu)19、 21中構(gòu)建兩個發(fā)射部分 7、 9的情況下的溫度分布的印象。應(yīng)當(dāng)領(lǐng)會的是，在雙螺旋結(jié)構(gòu)內(nèi)部達(dá)到 最高溫度。發(fā)射部分7、 9的外在部分，以及在中點終端23與發(fā)射部分7、 9之間的觸點25處與中點終端相連接的雙螺旋結(jié)構(gòu)的中點具有低得多的溫 度。終端不僅用作與發(fā)射部分的電連接，而且用作散熱器。
典型地放置在X射線系統(tǒng)的光軸上的發(fā)射體的相對低溫的中心可能會 對X射線系統(tǒng)的焦斑的強(qiáng)度分布有負(fù)面影響。然而，從機(jī)械觀點出發(fā)，所 有終端在幾何行上的這些設(shè)計更穩(wěn)定并且能適應(yīng)振動。
在發(fā)射體的中部具有低溫中心但仍提供了三個或更多終端的優(yōu)勢的微 小缺點可以由施加電流的另一實施方式所克服。在圖9中顯示了這一替代 實施方式。圖9的實施方式合并了貫穿己討論過的其他實施方式的許多可用優(yōu)勢。
在該實施方式中，發(fā)射體包括與中點終端23以串聯(lián)方式電連接的兩個發(fā)射 部分7、 9。在每個主終端3、 5之間，每個發(fā)射部分7、 9具有曲回結(jié)構(gòu)15、 17。發(fā)射體1的共同的中點部分與位于中點終端23和發(fā)射部分7、 9之間 的觸點25相連接。如在其他實施方式中那樣，主終端3、 5和發(fā)射部分7、 9之間的觸點11、 13作為發(fā)射體1的電接觸和機(jī)械支撐。中點終端23在另 一幾何末端處支撐發(fā)射體l。
圖10以爆炸式圖示顯示了圖9中所示的實施方式。兩個曲回狀結(jié)構(gòu)15、 17清晰可辨，并且每個可看作是發(fā)射器1的發(fā)射部分7、 9的一部分。兩個 不同的電流支路清晰可見。
在圖9a中，示出了圖9的實施方式中的發(fā)射體1上的溫度分布。發(fā)射 體1的兩個發(fā)射部分7、 9的兩個曲回結(jié)構(gòu)15、 17顯示出均勻溫度分布， 而與終端3、 5、 23相連接的發(fā)射部分7、 9的外在部分具有約為60(TC的低 得多溫度。該實施方式中的曲回結(jié)構(gòu)具有約為2，40(TC的均勻溫度?？梢悦?顯避免發(fā)射部分7、 9的雙螺旋結(jié)構(gòu)中部的低溫點。
如圖9和圖10中所示的曲回狀結(jié)構(gòu)具有通過發(fā)射部分7、 9的兩個電 支路因熔化而相互影響的某種危險。有可能產(chǎn)生支路間連接。這種支路間 連接將危及整個發(fā)射體1的功能。該問題可以通過圖11中所示的施加電流 的另一實施方式得以克服。在這種情況下，顯示了兩個發(fā)射部分7、 9的相 纏結(jié)的曲回結(jié)構(gòu)19、 21的機(jī)械分離。在電學(xué)方面不存在差異。但在機(jī)械方 面，兩個曲回結(jié)構(gòu)19、 21在幾何上彼此相對地平行布置。這樣，可以大大 降低支路間電連接的危險。通過在長度方向上使兩個發(fā)射部分7、 9的兩個 曲回結(jié)構(gòu)19、 21之間的分離狹縫的寬度具有足夠的尺寸，可以徹底降低這 種危險。
接下來，描述了對于將發(fā)射部分7、 9并聯(lián)到主終端3、 5的實施方式 的電設(shè)置。在該設(shè)置中，由通過發(fā)射部分7或發(fā)射部分9引起的一個支路 中的電通路的斷開將導(dǎo)致另一電通路中電流的增加。因此，這將導(dǎo)致仍工 作著的發(fā)射部分溫度升高。作為該溫度升高的結(jié)果，該支路也會燒穿，并 且結(jié)果會是發(fā)射體1的完全失效。通過由每個支路中的電流控制工具33—— 例如可變電流供應(yīng)一一控制電流的選項，在一個發(fā)射部分損壞的情況下，有可能通過降低總施加電流"而避免這種連鎖反應(yīng)。為此目的，有必要以 損壞區(qū)域具有低于臨界值的溫度的方式來降低施加電流1.&。因此，另一發(fā) 射部分具有低得多的溫度，并且因此發(fā)射降低。然而，通過采用電壓測量 工具31——例如電壓計——對發(fā)射體1上的電壓降進(jìn)行監(jiān)測，有可能檢測
出結(jié)構(gòu)的所有變化并控制加熱電流1,&。在兩個發(fā)射部分7、 9以并聯(lián)方式電 連接的情況下，可以通過方程1至9確定由兩個發(fā)射部分7、 9中的一個的 電阻變化所引起的電流上的變化。
接下來，將討論三終端方案中的電設(shè)置。在圖13中顯示了該方案的一 般設(shè)置。
所述兩個發(fā)射部分7、 9在這里顯示為曲回結(jié)構(gòu)，但也可以很好地為如 圖3所示的位于彼此之中的兩個螺旋結(jié)構(gòu)的形式?？梢愿`敏地控制這種 具有三個終端3、 5、 23的發(fā)射體設(shè)計。在該設(shè)置中，有可能通立獨立的控 制器35分別測量發(fā)射部分的每個電支路中的電流。如果一個支路中出現(xiàn)故 障，另一支路中的電流將增加，并且可能超過電流的安全運行極限。通過 降低所施加的總電流I .e以將兩個支路電流都降至臨界極限以下，整個發(fā)射 體l將回到非臨界狀態(tài)。這將導(dǎo)致X射線管電流下降，不過該電流對于緊 急運行模式是足夠的。
另外，可在全橋電路中建立起由兩個發(fā)射部分7、 9所建立的兩個支路 內(nèi)的測量，以顯著增強(qiáng)監(jiān)測的靈敏性。可以比在僅具有兩個終端3、 5的設(shè) 置中更早地檢測出故障。
在由發(fā)射部分7、 9所建立的兩個支路中的一個中有短路的情況下，并 且通過監(jiān)測發(fā)射體l的總電阻和通過發(fā)射部分7、 9的所有支路電路，有可 能檢測一個支路中的短路。在這種情況下，有可能斷開相關(guān)支路中的電流 通路~~"在這種情況下，通過發(fā)射部分7或發(fā)射部分9——通過根椐上述過 程打開開關(guān)(未顯示)并結(jié)合降低所施加的總電流I ,&。數(shù)字37代表這種情 況下用于電流測量的工具。
三終端方案的另一優(yōu)勢在于較簡單的電設(shè)置，該電設(shè)置可以在沒有控 制器35的情況下運行以控制總電流I總，但是如圖14a所示如果只施加AC 發(fā)射體電流，該電設(shè)置也使得有可能處理電流通路中如斷裂或短路的快速 損壞。通過在流向/流出主終端3、 5的電流通路中以相反方式插入二極管39、 41，每個發(fā)射部分7、 9僅由電流供應(yīng)的一個半波進(jìn)行加熱。如圖14b 中所示， 一個通路中的斷裂不影響另一支路中的電流，因此另一支路以其 正常模式運行。如圖14c中所示， 一個發(fā)射部分7、 9中的對于短路的電流 分布也與無損壞設(shè)置的相等。
由于短路部分中電阻降低，釋放較少能量，并且因此在發(fā)射體1的該 部分中引起溫度和發(fā)射的降低。未受影響的發(fā)射部分仍以正常運行模式工 作。在這種情況下，將僅可利用對于功能完整的X射線系統(tǒng)所需的電子發(fā) 射的一半。然而，該電子發(fā)射對于緊急模式仍然是足夠的。通過另外地實 現(xiàn)與霍爾傳感器(未顯示)相結(jié)合的電流傳感器，有可能通過測量電流中 的AC和DC分量而容易地檢測出兩種損壞。
應(yīng)當(dāng)注意的是，"包括"一詞不排除其他元件或步驟，并且"一"或"一 個"不排除多個。而且可以將結(jié)合不同實施方式描述的元件進(jìn)行組合。還 應(yīng)當(dāng)注意的是，權(quán)利要求書中的附圖標(biāo)記不應(yīng)被解釋為對權(quán)利要求的范圍 的限制。
權(quán)利要求
1、用于X射線系統(tǒng)的發(fā)射體(1)，包括兩個主終端(3、5)，所述兩個主終端形成電流導(dǎo)體并且支撐至少兩個發(fā)射部分(7、9)，由此，所述發(fā)射部分(7、9)以如下方式進(jìn)行構(gòu)造使得所述發(fā)射部分(7、9)在電子光學(xué)方面接近相同。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)射體(1)，由此，所述發(fā)射體(1)是被 直接加熱的熱離子平面發(fā)射體。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)射體(1)，由此，所述發(fā)射部分(7、 9) 的發(fā)射表面在同一平面內(nèi)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的發(fā)射體(1)，由此，所述至少兩個發(fā)射部分 (7、 9)以并聯(lián)方式電連接至所述兩個主終端(3、 5)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的發(fā)射體(1)，由此，所述兩個發(fā)射部分(7、 9)具有曲回結(jié)構(gòu)(15、 17)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的發(fā)射體(1)，由此，所述發(fā)射部分的所述兩 個曲回結(jié)構(gòu)以梳狀方式相纏結(jié)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的發(fā)射體(1)，由此，兩個發(fā)射部分(7、 9) 在所述主終端(3、 5)之間以串聯(lián)方式電連接，在所述發(fā)射部分(7、 9) 之間建立起電中點，并且具有電連接至所述電中點的第三終端(23)，由此， 所述第三終端(23)形成中點電流導(dǎo)體。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的發(fā)射體(1)，由此，所述發(fā)射部分(7、 9) 每個均具有位于彼此之中的螺旋形狀(19、 21)，這建立起雙螺旋，其電連 接的中點位于所述雙螺旋的中部，而其另外的端點在所述雙螺旋的外部端點處連接至所述主終端(3、 5)。
9、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的發(fā)射體(1)，由此，至少兩個發(fā)射部分(7、 9)每個均具有位于彼此之中的螺旋形狀(19、 21)，這建立起雙螺旋，由 此，所述螺旋的外部端點連接至所述兩個主終端(3、 5)，并且內(nèi)部端點獨 立地連接至形成內(nèi)部螺旋電流導(dǎo)體的兩個內(nèi)部終端(27、 29)。
10、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的發(fā)射體(1)，由此，所述發(fā)射部分(7、 9) 具有曲回結(jié)構(gòu)(15、 17)。
11、 根據(jù)權(quán)利要求10所述的發(fā)射體(1)，由此，所述發(fā)射部分(7、 9) 的所述曲回結(jié)構(gòu)(15、 17)以梳狀方式相纏結(jié)或并排平放，并且形成中點 電流導(dǎo)體的所述第三終端(23)在幾何學(xué)上處于所述發(fā)射部分(7、 9)的 一個共同端點處，而將所述發(fā)射部分(7、 9)的其他端點中的每個均在幾 何相對側(cè)連接至并排平放的所述兩個主終端(3、 5)中的一個。
12、 根據(jù)權(quán)利要求4至6中任一項所述的發(fā)射體(1)，由此，將用于 電壓測量(31)的工具和用于電流控制(33)的工具連接至所述兩個主終 端(3、 5)。
13、 根據(jù)權(quán)利要求7至11中任一項所述的發(fā)射體(1)，由此，所述第 三中點終端(23)對從所述第三中點終端(23)到每個主終端(3、 5)的 電支路形成中央電流供應(yīng)。由此，每個支路具有用于連接至所述主終端(3、 5)的電流的測量(37)和/或全橋電路中的電流差測量的工具。
14、 根據(jù)權(quán)利要求7至11中任一項所述的發(fā)射體(1)，由此，在每個 電支路中以相反方式包括二極管(39、 41)，使得所述二極管(39、 41)連 接至所述主終端(3、 5)。
15、 一種X射線管，包括如權(quán)利要求1所述的發(fā)射體。
16、 一種X射線系統(tǒng)，尤其是計算機(jī)斷層攝影系統(tǒng)，包括如權(quán)利要求15所述的X射線管。
全文摘要
本發(fā)明涉及X射線管的電子發(fā)射體領(lǐng)域。更具體而言，本發(fā)明涉及用于具有可變焦斑大小和形狀的X射線系統(tǒng)的平面熱離子發(fā)射體。所述發(fā)射體提供兩個主終端(3、5)，所述兩個主終端形成電流導(dǎo)體并且支撐至少兩個發(fā)射部分(7、9)。所述發(fā)射部分以如下方式進(jìn)行構(gòu)造使得它們在電子光學(xué)方面相同或接近相同，這增加了發(fā)射體損壞情況下的緊急運行選項。
文檔編號H01J35/06GK101443876SQ200780016748
公開日2009年5月27日 申請日期2007年5月2日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月11日
發(fā)明者J·P·克斯特, S·胡特曼 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司