專利名稱：電子光學(xué)設(shè)備、x射線發(fā)射裝置及產(chǎn)生電子束的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于產(chǎn)生電子束的電子光學(xué)設(shè)備、 一種x射線發(fā)射裝
置以及一種產(chǎn)生電子束的方法。
背景技術(shù)：
未來(lái)有關(guān)X射線源的高端計(jì)算機(jī)斷層攝影(CT)和心血管(CV)成像 要求(1)更高的功率/管電流，(2)與對(duì)焦斑的尺寸、比率和位置實(shí)施主動(dòng) 控制的能力相結(jié)合的更小的焦斑，(3)用于冷卻的以及與CT相關(guān)的更短的 時(shí)間，(4)更短的掃描架旋轉(zhuǎn)時(shí)間。除此之外，管設(shè)計(jì)在長(zhǎng)度和重量方面 受到限制，從而針對(duì)CV應(yīng)用實(shí)現(xiàn)容易的操縱，針對(duì)CT應(yīng)用獲得可實(shí)現(xiàn)的 掃描架設(shè)置。
采用X射線管內(nèi)的復(fù)雜的熱管理原理給出了實(shí)現(xiàn)更高的功率和更快的 冷卻的一個(gè)關(guān)鍵。在常規(guī)的雙極X射線管中，靶的熱負(fù)荷的大約40%都是 由于從靶反向散射的電子導(dǎo)致的，所述電子被朝向所述靶重新加速，并在 焦斑之外再次擊中所述靶。因而，這些電子促使靶的溫度升高，并且導(dǎo)致 離焦輻射。因此，當(dāng)前開(kāi)發(fā)的新一代X射線管的一個(gè)關(guān)鍵部件就是設(shè)置于 靶前面的散射電子收集器(SEC)。如果兩種元件，即耙和SEC都處于相同 的電位上，那么通過(guò)與單極管設(shè)置相結(jié)合引入這一部件(SEC)能夠在耙的 上方建立無(wú)電場(chǎng)區(qū)域。在這種情況下，靶的熱負(fù)荷僅由為管的X射線輸出 做出貢獻(xiàn)的電子決定。反向散射的電子將在集成到了管的冷卻系統(tǒng)當(dāng)中的 SEC處釋放其能量。
就常規(guī)而言，這一包括SEC的設(shè)置增加了陽(yáng)極和陰極之間的距離，但 是卻沒(méi)有為聚焦元件留下空間。與現(xiàn)有的X射線管相比，這將使電子束路 徑急劇擴(kuò)大，從而使電子束的聚焦更加提前(advanced)。
用于醫(yī)療檢查的新的高端X射線管的一個(gè)主要目標(biāo)在于，在高電壓范圍為U=60-150kV且管電流高達(dá)I=2A的范圍內(nèi)提供可變的小的焦斑尺寸和 位置。此外，必須考慮光程K130mm的情況下管尺寸的限制。
CT或CV成像中的圖像質(zhì)量問(wèn)題要求具備在圖像獲取過(guò)程中對(duì)焦斑尺 寸進(jìn)行主動(dòng)控制的可能性。此外，CT中的有助于提高空間分辨率或者減少 偽影的新的成像模態(tài)，例如，動(dòng)態(tài)焦斑(在切向方向和徑向方向上發(fā)生偏 轉(zhuǎn))還需要對(duì)焦斑位置實(shí)施主動(dòng)控制的能力。
為了滿足上述和其他要求，可能需要一種改進(jìn)的用于產(chǎn)生電子束的電 子光學(xué)設(shè)備、 一種改進(jìn)的X射線發(fā)射裝置和一種改進(jìn)的用于產(chǎn)生電子束的 方法。

發(fā)明內(nèi)容
可以通過(guò)根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求的主題滿足這一需求。在從屬權(quán)利要求中 描述了本發(fā)明的有利實(shí)施例。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種電子光學(xué)設(shè)備，其包括下述優(yōu)選
按照所指示的順序沿光軸布置的部件包括發(fā)射器的陰極，所述發(fā)射器具 有用于發(fā)射電子的平坦表面；用于在基本沿所述光軸的方向上對(duì)所發(fā)射的 電子進(jìn)行加速的陽(yáng)極；用于使經(jīng)過(guò)加速的電子發(fā)生偏轉(zhuǎn)的并且具有第一磁 軛的第一磁四極透鏡；用于使經(jīng)過(guò)加速的電子進(jìn)一步發(fā)生偏轉(zhuǎn)的并且具有 第二磁軛的第二磁四極透鏡；以及用于使經(jīng)過(guò)加速的電子進(jìn)一步發(fā)生偏轉(zhuǎn) 的磁偶極透鏡。
本發(fā)明的這一方面是以這樣一種思路為基礎(chǔ)的，即，將由第一磁四極 透鏡和第二磁四極透鏡構(gòu)成的雙四極透鏡的優(yōu)點(diǎn)與無(wú)結(jié)構(gòu)的或只有略微結(jié) 構(gòu)的薄的扁平發(fā)射器的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合到電子光學(xué)設(shè)備當(dāng)中。所述的雙四極透鏡 提供了卓越的聚焦特性。具有用于發(fā)射電子的平坦表面的扁平發(fā)射器使得 所發(fā)射的電子的側(cè)向能量分量得到降低，由此還有助于實(shí)現(xiàn)所述電子光學(xué) 設(shè)備的卓越的聚焦特性。此外，為了實(shí)現(xiàn)所要求的可變焦斑位置，提供了 用于使所發(fā)射的電子在橫向方向和徑向方向上偏轉(zhuǎn)的磁偶極透鏡。
在下文中，將詳細(xì)說(shuō)明根據(jù)第一方面的電子光學(xué)設(shè)備的特征和優(yōu)點(diǎn)。 本文，將電子設(shè)備定義為既包括具有作為自由電子源的發(fā)射器的陰極 和用于對(duì)所提供的自由電子進(jìn)行加速?gòu)亩a(chǎn)生電子束的陽(yáng)極，又包括用于
5使經(jīng)過(guò)加速的自由電子發(fā)生偏轉(zhuǎn)從而使電子束發(fā)生聚焦和/或偏轉(zhuǎn)的電子光 學(xué)器件。將自由電子被陽(yáng)極加速到其內(nèi)的主方向定義為電子光學(xué)設(shè)備的光 軸。
發(fā)射器具有用于發(fā)射電子的基本平坦的表面。本文，"基本平坦"是指 所述表面不包括顯著的彎曲、開(kāi)口或突起，其基本是扁平的、光滑的，而 且基本上是無(wú)結(jié)構(gòu)的。但是，在所述平坦表面內(nèi)可能存在精細(xì)的結(jié)構(gòu)，例 如，溝槽或凹陷。這樣的結(jié)構(gòu)的深度可以顯著小于所述表面的尺寸。例如， 所述結(jié)構(gòu)的深度可以小于所述表面的長(zhǎng)度的10°/。，優(yōu)選小于其1°/。。所述發(fā) 射器可以具有扁平箔的形式?？梢圆捎弥T如鎢或鎢合金的難熔導(dǎo)電材料制
備所述發(fā)射器。
可以通過(guò)施加電壓，從而在所述發(fā)生器內(nèi)感生加熱電流來(lái)對(duì)所述發(fā)生 器加熱。優(yōu)選感生出使得對(duì)所述發(fā)生器的發(fā)射表面均勻加熱的電流?？梢?從陰極的經(jīng)過(guò)加熱的表面上發(fā)射電子。由于所述陰極的發(fā)射表面是平面的， 因而能夠均勻地發(fā)射電子。電子離開(kāi)所述發(fā)射表面的平均方向在整個(gè)發(fā)射 表面上的各處都是相同的。
就包括(例如)具有狹縫的鎢線圈或者扁平鎢發(fā)射器的常規(guī)陰極而言， 所述陰極的非平面結(jié)構(gòu)將使陰極和陽(yáng)極之間的電位發(fā)生嚴(yán)重扭曲，從而增 加了電子的橫貫光軸的速度分量，進(jìn)而增加了電子光學(xué)設(shè)備的焦斑尺寸。
在根據(jù)本發(fā)明的電子設(shè)備中，由于陰極的發(fā)射表面基本是平面的，因 而施加到陰極和陽(yáng)極之間的電位可以是均勻的，不會(huì)因陰極上的結(jié)構(gòu)而扭 曲。相應(yīng)地，從陰極表面均勻發(fā)射的電子能夠沿設(shè)備的光軸或者平行于設(shè) 備的光軸受到均勻加速。其能夠促進(jìn)電子光學(xué)設(shè)備的焦斑的最小化。
所述陽(yáng)極可以是任何常規(guī)的用于在陽(yáng)極和陰極之間生成電位的陽(yáng)極。 所述的電學(xué)陽(yáng)極可以在圍繞光軸的區(qū)域內(nèi)具有開(kāi)口，從而使在所生成的電 位內(nèi)經(jīng)過(guò)加速的電子能夠飛過(guò)所述陽(yáng)極內(nèi)的這一開(kāi)口。例如，所述陽(yáng)極可 以具有中心帶有開(kāi)口的杯的形式。所述杯可以流注到圍繞所述開(kāi)口在遠(yuǎn)離 所述陰極的方向上延伸的瓶頸內(nèi)。
所述第一和第二磁四極透鏡可以由電磁裝置構(gòu)成，其中，按照能夠生 成磁四極場(chǎng)的方式布置所述電磁裝置。例如，可以將四個(gè)磁極布置在正方 形的各個(gè)角上，從而將兩個(gè)磁南極布置在所述正方形的沿對(duì)角線相對(duì)的角上，而將兩個(gè)磁北極布置在其他的角上。
可以將用于所述第一和第二磁透鏡的電磁線圈分別布置在第一和第二磁軛上?？梢圆捎描F磁材料制備所述磁軛，以增強(qiáng)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)。所述磁軛可以具有這樣調(diào)整的幾何形狀，g卩，使電磁線圈保持在能夠產(chǎn)生磁四極場(chǎng)的位置上。例如，所述磁軛可以具有矩形、正方形或圓形的幾何形狀。所述磁軛可以具有使電磁線圈位于其上的突起。
所述第一和第二磁四極透鏡可以具有基本相同的幾何形狀。優(yōu)選地，將兩個(gè)透鏡相對(duì)比彼此平行布置。此外，可以使每一透鏡垂直于所述光軸布置。
所述第一和第二磁四極透鏡的作用在于使經(jīng)過(guò)加速的電子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而使電子束最終聚焦到探頭上。每一四極透鏡創(chuàng)建出具有梯度的磁場(chǎng)。即，在所述磁場(chǎng)內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度存在差異。四極場(chǎng)的等位面可以具有雙曲線的形式。磁四極場(chǎng)的梯度使得所述磁四極場(chǎng)能夠起到使電子束在第一方向上聚焦的作用，同時(shí)起到在垂直于所述第一方向的第二方向上散焦的作用。
可以將所述的兩個(gè)四極透鏡布置為使其磁場(chǎng)梯度相對(duì)于彼此旋轉(zhuǎn)大約90。。在穿透這兩個(gè)磁四極透鏡之后，能夠?qū)崿F(xiàn)線聚焦，所述線聚焦是指將所述電子束聚焦到具有(例如)大于5的長(zhǎng)寬比的細(xì)長(zhǎng)斑點(diǎn)上。為此，所述第一和第二磁四極透鏡的磁場(chǎng)可以相對(duì)于光軸或者相對(duì)于經(jīng)過(guò)光軸的平面具有對(duì)稱性。
可以通過(guò)一個(gè)或多個(gè)磁偶極線圈提供所述磁偶極透鏡。為了獲得均勻的磁偶極場(chǎng)，可以提供兩個(gè)磁線圈。可以將所述兩個(gè)磁線圈布置在垂直于所述電子光學(xué)設(shè)備的光軸的平面內(nèi)相對(duì)于光軸相對(duì)的兩個(gè)位置上。
所述偶極透鏡的作用在于提供基本均勻的磁場(chǎng)，以便使經(jīng)過(guò)加速的電子以一定的方式發(fā)生偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而使電子束在探頭上的焦點(diǎn)發(fā)生移動(dòng)。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述磁偶極透鏡包括被布置在第二磁四極透鏡的磁軛上的偶極線圈。通過(guò)將所述偶極線圈布置在該第二磁軛上，能夠使所述磁偶極場(chǎng)直接疊加到所述第二四極透鏡的磁四極場(chǎng)上。所述第二磁軛既能充當(dāng)?shù)诙臉O透鏡的磁軛，又能夠充當(dāng)所述偶極透鏡的磁軛。由此，能夠節(jié)省空間，并且能夠縮小整個(gè)電子光學(xué)設(shè)備的長(zhǎng)度。此外，還能夠消除額外的磁軛的重量。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，所述電子光學(xué)設(shè)備包括散射電子收集器
(SEC)。所述SEC適于收集在來(lái)自所述電子光學(xué)設(shè)備的經(jīng)加速的電子在發(fā)生撞擊時(shí)產(chǎn)生的反向散射電子。所述經(jīng)加速的電子撞擊諸如X射線發(fā)射裝置的陽(yáng)極圓盤(pán)的探頭的表面。這些電子中的一些將被反射。其他的電子從所述探頭釋放次級(jí)電子。所有的這些反向散射電子飛離所述探頭，抵達(dá)SEC并在該處得到收集。所述SEC可以位于第二四極透鏡的下游，即，處于所述電子光學(xué)設(shè)備的與所述陰極相對(duì)的一端。
可以采用導(dǎo)電材料制備所述SEC。可以向所述SEC施加電壓，從而使所述SEC和所述陽(yáng)極處于相同的電位上。例如，可以將所述SEC電連接至所述陽(yáng)極。所述SEC可以具有倒置的杯形式，其中心具有電子束能夠穿過(guò)的開(kāi)口。所述SEC可以延續(xù)至所述陽(yáng)極杯的瓶頸。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，諸如包括發(fā)射器的陰極、陽(yáng)極、第一、第二磁四極透鏡和磁偶極透鏡以及任選的散射電子收集器的這些部件中的每一個(gè)均具有相對(duì)于光軸的對(duì)稱性。相對(duì)于光軸共軸布置所述的部件。采用這樣的對(duì)稱布置能夠簡(jiǎn)化所述電子光學(xué)設(shè)備的設(shè)計(jì)。此外，還能夠?qū)崿F(xiàn)所定義的對(duì)稱焦斑。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，所述電子光學(xué)設(shè)備具有沿光軸小于90mm，優(yōu)選介于70mm和90mm之間的長(zhǎng)度?？梢詫⑺鲭娮庸鈱W(xué)設(shè)備的包括散射電子收集器的長(zhǎng)度調(diào)整為不大于150mm，優(yōu)選介于120mm和150mm之間?？梢酝ㄟ^(guò)采用諸如扁平發(fā)射器的空間節(jié)省扁平部件以及通過(guò)有利地布置所述設(shè)備的各部件來(lái)獲得這一短長(zhǎng)度。例如，可以將所述磁偶極透鏡集成到所述第二四極透鏡中，從而節(jié)省了光軸方向上的空間。具有這樣的短長(zhǎng)度的電子光學(xué)設(shè)備尤其適用于諸如CT或CV應(yīng)用的具有空間或重量限制的應(yīng)用。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，所述發(fā)射器的平坦表面是無(wú)結(jié)構(gòu)的。換言之，所述發(fā)射器的能夠由其朝向陽(yáng)極發(fā)射電子的表面是不具有任何凹陷或突起的均勻平面?？梢詮倪@樣的無(wú)結(jié)構(gòu)表面均勻地發(fā)射電子。此外，這樣的無(wú)結(jié)構(gòu)發(fā)射器表面不會(huì)干擾介于包括所述發(fā)射器的陰極和所述陽(yáng)極之間的電場(chǎng)。尤其是接近所述發(fā)射器的表面的電場(chǎng)不會(huì)受到任何結(jié)構(gòu)的干擾。相應(yīng)地，電場(chǎng)線保持直線，電子在基本不存在任何橫向移動(dòng)分量的情況下平行于光軸進(jìn)行加速。電子束未被展寬。這有助于對(duì)電子束進(jìn)行更好的聚焦。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，所述發(fā)射器的平坦表面存在精細(xì)結(jié)構(gòu)。換言之，在所述發(fā)射器的平坦表面內(nèi)設(shè)置有諸如溝槽、狹縫或凹陷的精細(xì)結(jié)構(gòu)。這些精細(xì)結(jié)構(gòu)可以例如用于將對(duì)所述發(fā)射器電加熱的電流限制在所述發(fā)射器內(nèi)。但是，可以通過(guò)選擇這樣的精細(xì)結(jié)構(gòu)的尺寸和/或布置使所發(fā)射的電子不會(huì)被過(guò)度的散射，而且使電場(chǎng)不會(huì)過(guò)度扭曲。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種X射線發(fā)射裝置，其包括下述沿光軸布置的部件如上所述的電子光學(xué)設(shè)備；以及陽(yáng)極圓盤(pán)，將其布置為
使經(jīng)過(guò)加速的電子撞擊到陽(yáng)極圓盤(pán)的電子接收表面上。
所述陽(yáng)極圓盤(pán)可以具有傾斜表面，來(lái)自所述電子光學(xué)設(shè)備的電子束可以被引導(dǎo)到所述傾斜表面上。撞擊陽(yáng)極圓盤(pán)的表面并且進(jìn)入陽(yáng)極材料的電
子將產(chǎn)生X射線輻射?？梢酝ㄟ^(guò)選擇所述陽(yáng)極圓盤(pán)的傾斜表面的角度使得
與所述電子光學(xué)設(shè)備的光軸橫向地，優(yōu)選地垂直于所述電子光學(xué)設(shè)備的光
軸發(fā)射所述X射線。
可以采用選定的材料制備所述陽(yáng)極圓盤(pán)，以便獲得期望的X射線特性?？梢允顾鲫?yáng)極圓盤(pán)圍繞平行于所述電子光學(xué)設(shè)備的光軸的軸旋轉(zhuǎn)。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，所述電學(xué)陽(yáng)極和陽(yáng)極圓盤(pán)(=耙)基本上處于相同的電位上。在同樣提供散射電子收集器的情況下，可以將這一 SEC設(shè)置到所述陽(yáng)極的電位上。相應(yīng)地，所述陽(yáng)極和陽(yáng)極圓盤(pán)之間的區(qū)域可以不存在任何電場(chǎng)。通過(guò)消除處于陽(yáng)極圓盤(pán)的表面附近的電場(chǎng)，能夠避免來(lái)自所述陽(yáng)極圓盤(pán)的表面的反向散射電子被再次朝向所述陽(yáng)極圓盤(pán)吸弓l。否則，這些再次受到吸引的反向散射電子將使焦斑徒然展寬，而且還會(huì)促使對(duì)陽(yáng)極圓盤(pán)的加熱，從而提高了針對(duì)陽(yáng)極圓盤(pán)的冷卻要求。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，將包括發(fā)射器的陰極、電學(xué)陽(yáng)極、第一磁四極透鏡、第二磁四極透鏡、任選的散射電子收集器以及陽(yáng)極圓盤(pán)全部連接至水冷卻回路。組合式的水冷卻回路可以用于冷卻除了包括發(fā)射器的陰極之外的所有部件。所述冷卻回路中的水是導(dǎo)電的，但是當(dāng)所述及的部件優(yōu)選全部處于地電位時(shí)，將不必提供另外的用于使所述冷卻回路與所述部件電絕緣的措施。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，從所述發(fā)射器的電子發(fā)射表面到所述陽(yáng)極
圓盤(pán)的電子接收表面的距離小于150mm，優(yōu)選介于120mm和150mm之間。如上文概述，這一點(diǎn)可以通過(guò)對(duì)構(gòu)成部件以及部件布置的特定選擇來(lái)實(shí)現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種包括如上文概述的X射線發(fā)射裝置的醫(yī)療X射線裝置。例如，所述醫(yī)療X射線裝置可以是計(jì)算機(jī)斷層攝影或心血管成像裝置。如上文概述，這樣的醫(yī)療裝置可以在焦斑尺寸、焦斑尺寸控制、比率和位置、冷卻時(shí)間以及與CT相關(guān)的掃描架旋轉(zhuǎn)時(shí)間方面具有嚴(yán)格的要求。采用上文概述的X射線發(fā)射裝置能夠滿足這些要求。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種產(chǎn)生電子束的方法，所述方法包括如下步驟從發(fā)射器的平坦表面發(fā)射電子；采用陽(yáng)極在基本平行于光軸的方向上對(duì)所述電子進(jìn)行加速；采用第一磁四極透鏡使經(jīng)過(guò)加速的電子發(fā)生偏轉(zhuǎn)；采用第二磁四極透鏡使經(jīng)過(guò)加速的電子進(jìn)一步發(fā)生偏轉(zhuǎn)；采用磁偶極透鏡使經(jīng)過(guò)加速的電子進(jìn)一步發(fā)生偏轉(zhuǎn)。
本發(fā)明的示范性實(shí)施例是參考電子光學(xué)設(shè)備或X射線發(fā)射裝置描述的。當(dāng)然，必須指出，與不同主題相關(guān)的特征的任意組合都是可能的，而且可以將所述設(shè)備或裝置的特征相應(yīng)地應(yīng)用到根據(jù)本發(fā)明的方法上。
應(yīng)當(dāng)注意，本發(fā)明的實(shí)施例是參考不同的主題描述的。具體而言，一些實(shí)施例是參考設(shè)備類(lèi)權(quán)利要求描述的，而其他實(shí)施例則是參考方法類(lèi)權(quán)利要求描述的。但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員將從上述及下述說(shuō)明中了解到，除了屬于一類(lèi)主題的特征的任意組合之外，屬于不同主題的特征之間的任意組合，尤其是設(shè)備類(lèi)權(quán)利要求的特征和方法類(lèi)權(quán)利要求的特征之間的任意組合也應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為在本申請(qǐng)中得到了公開(kāi)，除非另行明確說(shuō)明。
本發(fā)明的上述方面以及其他方面、特征和優(yōu)點(diǎn)可以從下文將要描述的實(shí)施例的例子中導(dǎo)出并且將參考所述的實(shí)施例的例子進(jìn)行說(shuō)明。在下文中，將參考實(shí)施例的例子更為詳細(xì)地描述本發(fā)明，但是本發(fā)明不限于此。


圖1 a通過(guò)垂直于寬度方向的截面圖示出了根據(jù)本發(fā)明的X射線發(fā)射裝置的示意性設(shè)置；
圖lb通過(guò)垂直于長(zhǎng)度方向的截面圖示出了圖la的示意性設(shè)置；圖2示出了可以被用作圖la的設(shè)置中的第一磁四極透鏡的磁四極透
鏡；
圖3示出了可以被用作圖la的設(shè)置中的第二磁四極透鏡的包括磁偶極
透鏡的磁四極透鏡；
圖4示出了指示采用根據(jù)本發(fā)明的X射線發(fā)射裝置能夠獲得的針對(duì)不
同管電流的面積最小化焦斑的長(zhǎng)度和寬度的圖；圖5顯現(xiàn)出CT應(yīng)用的不同焦斑；
圖6顯現(xiàn)出通過(guò)向根據(jù)本發(fā)明的X發(fā)射裝置的磁偶極透鏡施加特定電流所獲得的不同焦斑位置；
圖7示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的計(jì)算機(jī)斷層攝影裝置。
具體實(shí)施例方式
附圖中的圖示是示意性的。應(yīng)當(dāng)注意，在不同的附圖中，為類(lèi)似或等同的元件提供相同的附圖標(biāo)記或者采用僅第一位與對(duì)應(yīng)的附圖標(biāo)記不同的附圖標(biāo)記。
未來(lái)的X射線醫(yī)療檢查對(duì)與快速的位置變化相結(jié)合的焦斑尺寸和形狀有精密復(fù)雜的要求。由于光程通常為130mm的空間限制和實(shí)現(xiàn)SEC的最佳熱管理方面的原因，需要比通常在X射線管中所采用的好得多的電子光學(xué)器件。
圖la和lb示出了根據(jù)本發(fā)明的X射線發(fā)射裝置1的實(shí)施例。所提出的能夠達(dá)到上述要求的X射線發(fā)射裝置包括具有作為電子源的扁平發(fā)射器3的陰極和透鏡系統(tǒng)5。
斑點(diǎn)控制的目標(biāo)在于以一定的方式在陽(yáng)極圓盤(pán)7的傾斜部分上形成線聚焦(細(xì)長(zhǎng)斑點(diǎn))，使得有效的X射線源在從X射線出射窗口觀看時(shí)在寬度和長(zhǎng)度尺寸上具有基本相等的尺寸。為此，必須根據(jù)陽(yáng)極傾斜角(通常為8°)使斑點(diǎn)長(zhǎng)度相對(duì)于寬度擴(kuò)大一定的倍數(shù)(通常為8)。
必須使光學(xué)器件、具有發(fā)射器3的陰極以及透鏡系統(tǒng)5都是最佳的，這樣才能達(dá)到反映最新現(xiàn)有技術(shù)的X射線管的高要求。第一個(gè)基本步驟是降低所發(fā)射的電子的切向能量分量。這一點(diǎn)是通過(guò)從陰極3內(nèi)的扁平、光滑的無(wú)結(jié)構(gòu)鎢或鎢合金箔發(fā)射器發(fā)射電子實(shí)現(xiàn)的，其中，通過(guò)施加的電流對(duì)所述發(fā)射器直接加熱。所述發(fā)射器3具有朝向陽(yáng)極11的平坦表面9。
通過(guò)具有處于高電位的環(huán)的陰極杯13給出了在長(zhǎng)度和寬度方向上的第 一預(yù)聚焦元件。進(jìn)入電學(xué)陽(yáng)極開(kāi)口的入口 15充當(dāng)具有各向同性散焦效應(yīng)的 第二光學(xué)元件。其具有通常為20mm的入口直徑，并且在瓶頸17內(nèi)擴(kuò)大到 30mm,從而為非嚴(yán)格的電子束成形提供空間。
將主要的光學(xué)部件，即，包括第一磁四極透鏡19和第二磁四極透鏡21 的雙磁四極透鏡圍繞瓶頸17大致放置到陰極3和靶陽(yáng)極圓盤(pán)7之間的中間 位置。所述主要的光學(xué)部件由陰極側(cè)的第一四極透鏡19和陽(yáng)極側(cè)的集成有 偶極透鏡23的第二四極透鏡21構(gòu)成，從而使焦斑能夠在x/z方向上，艮口， 在垂直于X射線裝置1的光軸25的平面內(nèi)移動(dòng)。所述第一磁四極透鏡19 在焦斑的長(zhǎng)度方向上聚焦，而在焦斑的寬度方向上散焦。之后，通過(guò)下述 第二四極透鏡21使電子束在寬度方向上聚焦，而在長(zhǎng)度方向上散焦。在組 合的情況下，所述的兩個(gè)順次布置的磁四極透鏡保證在焦斑的兩個(gè)方向上 的凈聚焦效應(yīng)，這在圖1中也給出了演示。雙磁四極透鏡的這一工作模式 在耙陽(yáng)極圓盤(pán)7上獲得所需要的長(zhǎng)寬比通常介于7和10之間的窄的線聚焦。
此外，通過(guò)這一原理將保留占據(jù)陰極3和靶陽(yáng)極圓盤(pán)7之間的總距離 的40%以上的無(wú)電場(chǎng)、因而無(wú)光的區(qū)域29，以容納用于進(jìn)行散射電子的熱 管理的散射電子收集器31。
在圖lb中，區(qū)域(a)指示了發(fā)射和加速長(zhǎng)度，區(qū)域(b)指示了聚焦 和束成形長(zhǎng)度，而區(qū)域(c)指示了散射電子收集器和熱管理長(zhǎng)度。
圖2示出了第一磁四極透鏡19的頂視圖。正方形的磁軛41包括指向 所述正方形的中心的突起43。在這四個(gè)突起43中的每個(gè)上提供了磁線圈 45。
類(lèi)似地，圖3示出了第二磁四極透鏡21的頂視圖。正方形的磁軛51 包括指向所述正方形的中心的突起53。在這四個(gè)突起53中的每個(gè)上提供了 磁線圈55。此外，將用于形成磁偶極透鏡23的磁線圈57布置在所述正方 形的磁軛51的每一縱向臂的中央。
所公開(kāi)的設(shè)置需要大約130mm的束路徑長(zhǎng)度，該長(zhǎng)度顯著大于普通的 雙極管中的束路徑長(zhǎng)度(》20mm)，但是該設(shè)置仍然允許將管制造得足夠小、 足夠輕，以用于CV應(yīng)用，以及適于裝配到普通的CT掃描架上。
12圖4示出了作為管電流的函數(shù)的采用50mn^的發(fā)射面積得到的最小焦 點(diǎn)。顯然，相對(duì)于管電流而言，與當(dāng)今用于醫(yī)療檢查的每種其他X射線管 相比，這些焦點(diǎn)明顯很小?？梢匀菀椎赝ㄟ^(guò)僅控制兩個(gè)磁四極透鏡19、 21 的線圈電流而通過(guò)以給定的管電流下獨(dú)立地改變長(zhǎng)度和寬度來(lái)擴(kuò)大這些最 小焦斑。
己經(jīng)做過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)研究電子發(fā)射發(fā)射器對(duì)光學(xué)特性有多強(qiáng)的影響。就采 用具有50mm2的無(wú)結(jié)構(gòu)發(fā)射表面的發(fā)射器的X射線發(fā)射裝置而言，可以獲 得0.2mm的焦斑寬度和0.23mm的焦斑長(zhǎng)度。就采用具有50mm2的略微結(jié) 構(gòu)的發(fā)射表面并且在寬度方向上具有20x4(nim的狹縫的發(fā)射器的X射線發(fā) 射裝置而言，可以獲得0.3mm的焦斑寬度和0.46mm的焦斑長(zhǎng)度。通過(guò)釆 用精細(xì)結(jié)構(gòu)的發(fā)射器能夠獲得的斑點(diǎn)尺寸明顯更大，其中，所述精細(xì)結(jié)構(gòu) 的發(fā)射器具有與無(wú)結(jié)構(gòu)發(fā)射器相同的發(fā)射面積，但是其采用了具有20個(gè)寬 度為40jim的狹縫的曲折(meander)設(shè)計(jì)來(lái)建立電流路徑。對(duì)于最小的斑 點(diǎn)而言，焦斑寬度擴(kuò)大了 50%,焦斑長(zhǎng)度擴(kuò)大了 100%。對(duì)所述長(zhǎng)度有更強(qiáng) 的影響是由從在寬度方向上取向的狹縫內(nèi)壁發(fā)射的電子導(dǎo)致的。
對(duì)于通常采用的線圈發(fā)射器而言，甚至急劇增加了這一效應(yīng)對(duì)于僅 為240mA的管電流和120kV而言，最小的投射焦斑面積(對(duì)于8。的傾斜角 為0.513x0.946mm2 = 0.485mm2)超過(guò)所述無(wú)結(jié)構(gòu)發(fā)射器設(shè)置的十倍。
為了進(jìn)一步演示所述電子光學(xué)原理的可能性，圖5示出了三個(gè)被調(diào)整 至適合近期CV和CT應(yīng)用的尺寸的焦斑。圖5a示出了用于CV應(yīng)用的IEC 03焦斑；圖5b示出了用于CT應(yīng)用的0.75x0.9mm2的焦斑；圖5c示出了用 于CT應(yīng)用的1.30xl.45mm2的焦斑。
圖6示出了利用集成在第二磁軛上的偶極在X和Z方向上移動(dòng)的焦斑。
最后，圖7示出了計(jì)算機(jī)斷層攝影設(shè)備100，其又被稱為CT掃描器， 可以在其內(nèi)使用上述X射線發(fā)射裝置。CT掃描器100包括掃描架101，其 可以圍繞旋轉(zhuǎn)軸102旋轉(zhuǎn)。利用電動(dòng)機(jī)103驅(qū)動(dòng)掃描架101。
附圖標(biāo)記105表示諸如上述X射線發(fā)射裝置的輻射源，其發(fā)射多色輻 射107。 CT掃描器100還包括窗孔系統(tǒng)106，其使從X射線源105發(fā)射的 X輻射形成輻射束107。還可以通過(guò)過(guò)濾元件(未示出)改變從輻射源105 發(fā)射的輻射束的譜分布，其中，所述過(guò)濾元件靠近所述窗孔系統(tǒng)106布置?？梢砸龑?dǎo)輻射束107，使其穿透感興趣區(qū)域110a，例如，所述感興趣 區(qū)域可以是患者110的頭部110a，其中，所述輻射束107可以是錐形或者 扇形束107。
將患者110安置在掃描床112上。將患者的頭部110a布置到掃描架101 的中央?yún)^(qū)域，所述中央?yún)^(qū)域代表CT掃描器100的檢查區(qū)域。在穿過(guò)感興趣 區(qū)域110a之后，輻射束107撞擊到輻射探測(cè)器115上。為了能夠抑制X輻 射被患者頭部110a散射并在傾斜的角度下撞擊到X射線探測(cè)器上，提供了 一種未示出的防散射濾線柵。優(yōu)選將所述防散射濾線柵安置到探測(cè)器115 的正前面。
將X射線探測(cè)器115布置到與X射線管105相對(duì)的掃描架101上。探 測(cè)器115包括多個(gè)探測(cè)元件115a，其中，每一探測(cè)元件115a能夠?qū)航?jīng)穿 過(guò)患者110的頭部110a的X射線光子進(jìn)行探測(cè)。
在掃描感興趣區(qū)域110a的過(guò)程中，使X射線源105、窗孔系統(tǒng)106和 探測(cè)器115與掃描架101 —起沿箭頭117指示的旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)。為了實(shí)現(xiàn) 掃描架101的旋轉(zhuǎn)，將電動(dòng)機(jī)103連接至電動(dòng)機(jī)控制單元120，所述電動(dòng)機(jī) 控制單元120本身又連接至數(shù)據(jù)處理裝置125。數(shù)據(jù)處理裝置125包括可以 通過(guò)硬件和/或通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)的重建單元。所述重建單元適合基于在各種觀 察角度下獲得的多幅2D圖像重建3D圖像。
此外，數(shù)據(jù)處理裝置125還充當(dāng)控制單元，其與電動(dòng)機(jī)控制單元120 通信，以便使掃描架101的移動(dòng)與掃描床112的移動(dòng)相協(xié)調(diào)。通過(guò)電動(dòng)機(jī) 113執(zhí)行掃描床112的直線位移，電動(dòng)機(jī)113也連接至電動(dòng)機(jī)控制單元120。
在CT掃描器100的工作過(guò)程中，掃描架101旋轉(zhuǎn)，與此同時(shí)，使掃描 床112平行于旋轉(zhuǎn)軸102直線移動(dòng)，由此執(zhí)行對(duì)感興趣區(qū)域110a的螺旋掃 描。應(yīng)當(dāng)注意，也可能執(zhí)行圓形掃描，在圓形掃描中，在平行于旋轉(zhuǎn)軸102 的方向上沒(méi)有位移，而是僅使掃描架101圍繞旋轉(zhuǎn)軸102旋轉(zhuǎn)。由此，可 以以高準(zhǔn)確度測(cè)量頭部110a的各切片?？梢酝ㄟ^(guò)在針對(duì)每一離散的掃描床 位置已經(jīng)執(zhí)行至少一半的掃描架旋轉(zhuǎn)之后平行于轉(zhuǎn)動(dòng)軸102以離散步進(jìn)循 序地移動(dòng)掃描床112來(lái)獲得對(duì)患者頭部的更大的三維表示。 . 將探測(cè)器115耦合至前置放大器118，所述前置放大器118本身又耦合 至數(shù)據(jù)處理裝置125。在多個(gè)不同的X射線投影數(shù)據(jù)集的基礎(chǔ)上，所述處理裝置125能夠重建患者頭部110a的3D表示，其中，所述多個(gè)不同的X 射線投影數(shù)據(jù)集是在不同的投影角度下獲取的。
為了觀察到患者頭部U0a的經(jīng)重建的3D表示，提供了耦合至數(shù)據(jù)處 理裝置125的顯示器126。此外，還可以通過(guò)打印機(jī)127打印出所述3D表 示的透視圖的任意切片，其中，打印機(jī)127也耦合至數(shù)據(jù)處理裝置125。此 外，還可以將數(shù)據(jù)處理裝置125耦合至圖片存檔及通信系統(tǒng)128 (PACS)。
應(yīng)當(dāng)注意，可以相對(duì)于計(jì)算機(jī)斷層攝影設(shè)備100本地布置監(jiān)視器126、 打印機(jī)127和/或其他在CT掃描器100內(nèi)提供的裝置。或者，可以使這些 部件遠(yuǎn)離CT掃描器100，例如，使其處于機(jī)構(gòu)或醫(yī)院內(nèi)的其他地方，或者 處于通過(guò)一個(gè)或多個(gè)諸如因特網(wǎng)、虛擬專用網(wǎng)等的可配置網(wǎng)絡(luò)鏈接到所述 CT掃描器100的完全不同的場(chǎng)所。
綜合所有上文討論的事實(shí)，應(yīng)當(dāng)指出，所提出的包括無(wú)結(jié)構(gòu)的扁平發(fā) 射器乃至精細(xì)結(jié)構(gòu)的扁平發(fā)射器以及兩個(gè)磁四極透鏡的新的電子光學(xué)原理 提供了醫(yī)療X射線檢查所需的所有特征，同時(shí)因其尺寸小巧，又不會(huì)超出 幾何空間和重量的限制。所述電子光學(xué)原理包括介于70-90mm的長(zhǎng)度內(nèi)的 無(wú)結(jié)構(gòu)的或者精細(xì)結(jié)構(gòu)的薄的扁平發(fā)射器以及在陽(yáng)極側(cè)磁軛上帶有偶極線 圈的磁雙四極透鏡，并且從發(fā)射器到靶的總光程介于120mm和150mm之 間。雙四極透鏡和耙之間的50-60mm的長(zhǎng)度是沒(méi)有透鏡的，而可以包括散 射電子收集器(SEC)。
例如，對(duì)于醫(yī)療X射線應(yīng)用需要100-1600mA的管電流和70-140kV的 高電壓而言，這一原理可以提供例如寬度介于0.2-1.3mm之間可變，并且焦 斑長(zhǎng)度介于0.23-1.45mm之間的任意值的焦斑。此夕卜，有可能沿徑向方向和 切向方向快速移動(dòng)這些焦點(diǎn)，這樣可以得到更高的空間分辨率。
可以將本發(fā)明應(yīng)用于任何具有這樣的特點(diǎn)的領(lǐng)域，即，必須將電子聚 焦成與高電流結(jié)合獲得可變的焦斑尺寸、形狀和位置，但是光學(xué)元件只能 得到有限的空間。
應(yīng)當(dāng)注意，術(shù)語(yǔ)"包括"不排除其他元件或步驟，單數(shù)冠詞并不排除 復(fù)數(shù)。同樣，可以對(duì)結(jié)合不同實(shí)施例描述的各元件進(jìn)行組合。還應(yīng)當(dāng)注意， 權(quán)利要求中的附圖標(biāo)記不應(yīng)理解為對(duì)權(quán)利要求的范圍的限定。
為了扼要概括上文所述的本發(fā)明的實(shí)施例，應(yīng)當(dāng)聲明為了滿足高端X射線管的高電子光學(xué)要求，需要比標(biāo)準(zhǔn)的管內(nèi)采用的原理更好的原理。一 種實(shí)現(xiàn)這一目的的解決方案是通過(guò)使扁平電子發(fā)射器與帶有集成的磁偶極
透鏡的磁雙四極透鏡結(jié)合而給出的?？梢栽诖蠹s130mm的光程內(nèi)實(shí)現(xiàn)這一 設(shè)置，其中，所有的聚焦元件都處于發(fā)射器所在的一半內(nèi)，因此，可以將 這一設(shè)置切實(shí)地應(yīng)用于CV和CT應(yīng)用所采用的高端管。這一電子光學(xué)原理 提供了下述優(yōu)點(diǎn)1)將高電流電子束聚焦成所需的垂直于光軸的線形小焦 斑，該焦斑通常具有7-10的長(zhǎng)寬比，2)在大的kV和mA范圍內(nèi)保持聚焦 特性，3)獨(dú)立控制焦斑的寬度和長(zhǎng)度，4)主動(dòng)控制焦斑的尺寸和位置。
權(quán)利要求
1、一種電子光學(xué)設(shè)備(1)，其包括下述沿光軸(25)布置的部件包括發(fā)射器(3)的陰極，其中，所述發(fā)射器具有用于發(fā)射電子的基本平坦的表面(9)；用于在基本沿所述光軸(25)的方向上對(duì)所發(fā)射的電子進(jìn)行加速的陽(yáng)極(11)；用于使經(jīng)過(guò)加速的電子發(fā)生偏轉(zhuǎn)的并且具有第一磁軛(41)的第一磁四極透鏡(19)；用于使經(jīng)過(guò)加速的電子進(jìn)一步發(fā)生偏轉(zhuǎn)的并且具有第二磁軛(51)的第二磁四極透鏡(21)；以及用于使經(jīng)過(guò)加速的電子進(jìn)一步發(fā)生偏轉(zhuǎn)的磁偶極透鏡(23)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述磁偶極透鏡(23)包括布 置在所述第二磁軛(51)上的偶極線圈(57)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，還包括散射電子收集器(31)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1到3之一所述的設(shè)備，其中，所述部件中的每一個(gè) 均具有相對(duì)于所述光軸(25)的對(duì)稱性，并且其中，將所述部件相對(duì)于所 述光軸(25)共軸布置。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1到4之一所述的設(shè)備，其中，所述設(shè)備(1)具有 沿所述光軸(25)小于90mm的長(zhǎng)度。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1到5之一所述的設(shè)備，其中，所述發(fā)射器(3)的 平坦表面(9)是無(wú)結(jié)構(gòu)的。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1到5之一所述的設(shè)備，其中，所述發(fā)射器(3)的 平坦表面(9)存在精細(xì)結(jié)構(gòu)。
8、 一種X射線發(fā)射裝置，其包括下述沿光軸(25)布置的部件 根據(jù)權(quán)利要求1到7之一所述的電子光學(xué)設(shè)備(1);以及 陽(yáng)極圓盤(pán)(7)，將其布置為使經(jīng)過(guò)加速的電子撞擊到所述陽(yáng)極圓盤(pán)(7)的電子接收表面上。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的X射線發(fā)射裝置，其中，所述陽(yáng)極(11)和 所述陽(yáng)極圓盤(pán)(7)基本處于相同的電位上。
10、 根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的X射線發(fā)射裝置，其中，將所述陽(yáng)極 (11)、所述第一磁四極透鏡(19)、所述第二磁四極透鏡(21)、任選的所述散射電子收集器(31)和所述陽(yáng)極圓盤(pán)(7)全部連接至水冷卻回路。
11、 根據(jù)權(quán)利要求8到10之一所述的X射線發(fā)射裝置，其中，從所述 發(fā)射器(3)的電子發(fā)射表面(9)到所述陽(yáng)極圓盤(pán)(7)的所述電子接收表 面之間的距離小于150mm。
12、 一種包括根據(jù)權(quán)利要求8到11之一所述的X射線發(fā)射裝置的醫(yī)療 X射線裝置。
13、 一種產(chǎn)生電子束的方法，所述方法包括如下步驟 從發(fā)射器(3)的平坦表面(9)發(fā)射電子；采用陽(yáng)極(11)在基本平行于光軸(25)的方向上對(duì)所述電子進(jìn)行加速；采用第一磁四極透鏡(19)使經(jīng)過(guò)加速的電子發(fā)生偏轉(zhuǎn)； 采用第二磁四極透鏡(21)使經(jīng)過(guò)加速的電子進(jìn)一步發(fā)生偏轉(zhuǎn)； 采用磁偶極透鏡(23)使經(jīng)過(guò)加速的電子進(jìn)一步發(fā)生偏轉(zhuǎn)。
全文摘要
描述了一種電子光學(xué)布置、一種X射線發(fā)射裝置和一種產(chǎn)生電子束的方法。一種電子光學(xué)設(shè)備(1)包括下述沿光軸(25)布置的部件具有發(fā)射器(3)的陰極，所述發(fā)射器(3)具有用于發(fā)射電子的基本平坦的表面(9)；用于在基本在所述光軸(25)的方向上對(duì)所發(fā)射的電子進(jìn)行加速的陽(yáng)極(11)；用于使經(jīng)過(guò)加速的電子發(fā)生偏轉(zhuǎn)的并且具有第一磁軛(41)的第一磁四極透鏡(19)；用于使經(jīng)過(guò)加速的電子進(jìn)一步發(fā)生偏轉(zhuǎn)的并且具有第二磁軛(51)的第二磁四極透鏡(21)；以及用于使經(jīng)過(guò)加速的電子進(jìn)一步發(fā)生偏轉(zhuǎn)的磁偶極透鏡(23)。
文檔編號(hào)H01J35/00GK101523544SQ200780037971
公開(kāi)日2009年9月2日 申請(qǐng)日期2007年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月13日
發(fā)明者S·胡特曼, S·霍爾茨阿普費(fèi)爾, W·馬林 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司