一种高功率X射线管

技术领域

本发明涉及用于医用或工业用CT或二维成像或准三维成像(如有限角度三维成像)的高功率X射线管。

背景技术

X射线管主要用于X射线机、CT机等医疗或工业用设备上，在施加外部高电压作用下，产生X射线，供医生对患者进行诊断或治疗，或对物品进行无损检测。

X射线管的功率可以从几千瓦到150千瓦，X射线管有一个固定的靶，高能电子束(60kV 到500kV)轰击靶，产生X射线。在X射线管中，高能电子束由阴极打向阳极靶材产生X射线，其中只有不到1％的能量转化为X射线的辐射，另外99％的能量都转化成了阳极的热能,从而导致受撞击部位温度升高很快。

在固定阳极X射线管中，电子持续撞击在同一位置，使固定阳极X射线管局部温度升高很快，虽然可连续加载但功率很低。鉴于此，能否及时将X射线管工作时产生的热能传导出去成为了制约X射线管(尤其是，固定阳极X射线管)连续功率高低的决定性因素。在实际应用中经常出现X射线管的阳极温度过高导致靶面开裂或熔融，以及由于阳极温度过高导致管内打火、绝缘油裂解等严重影响产品的工作稳定性及使用寿命的现象。

目前CT用的高功率靶盘都是旋转阳极靶。旋转阳极靶采取阳极轴承带动阳极靶盘在真空管壳内高速旋转的方法，进而将热量分散到整个靶盘。旋转靶的优点是峰值功率可以非常高，但是连续功率不高，而且这种结构非常复杂，有用到真空轴承，非常容易坏。轴承的热传导能力很差，当CT连续扫描病人后，可能由于靶盘太热了，不得不停下冷却。在高真空条件下，旋转阳极X射线管靶盘上的热量主要是通过热辐射传递给真空管壳，再由流经管壳的冷却液将热量带走。同时还有一部分热量通过热传导和热辐射不可避免地传导到阳极轴承上，使得金属滚珠温度上升。如果热传导或热辐射传递过来的热量过多，会导致金属滚珠超出极限工作温度，进而导致轴承卡死，造成整个X射线管失效的后果。

发明内容

基于现有技术中存在的问题，本发明所要解决的技术问题是提供一种高功率非旋转靶盘X 射线管，其结构简单，并具有良好的散热效率，能够提高X射线管的散热效率，快速地散去阳极靶上的热量，延长X射线管的使用寿命。

本发明提供一种X射线管，具有由真空腔壁围成的真空腔，真空腔的一端设置阴极，真空腔的另一端设置阳极靶盘，电子束从阴极发出，在焦点位置高速撞击阳极靶盘，从而激发产生出X射线，X射线管具有控制组件，其特征在于：所述阳极靶盘为固定阳极靶盘，X射线管工作时，控制组件控制电子束在固定阳极靶盘上的焦点位置产生快速变化。

进一步的，本发明的X射线管，控制组件包括偏转和聚焦磁极组件，通过偏转和聚焦磁极组件改变电子束在固定阳极靶盘上的焦点位置。

进一步的，在阴极的下游是两对二极电磁铁，所述两对二极电磁铁所产生的磁场范围能够使得电子束的偏转范围覆盖到固定阳极靶盘的全部区域。

进一步的，在二极电磁铁的同样位置或前后不同位置处，叠加一个或多个四极电磁铁，这样可以对电子束有更好的聚焦作用，可以保持靶点的尺寸最优化。

进一步的，X射线管具有多个阴极，控制组件包括与多个阴极一一对应的阴极开关，通过控制各个阴极开关的开或关来实现电子束在固定阳极靶盘上的焦点位置的快速变化。

进一步的，阴极为冷阴极或热阴极，冷阴极是通过在阴极表面加一个强电场，电子通过场致发射的效应而从阴极发出。热阴极是把灯丝通过电流加热，从而提高灯丝内电子能量，在外界电场下，电子越过灯丝材料的势垒而发射。

进一步的，每个阴极下游还设置有一对电极或两对电极或一对二极电磁铁或两对二极电磁铁或一个或两个四极电磁铁，可以产生强静电场或磁场，从而实现电子束在固定阳极靶盘的一个或两个方向上偏离半个像素距离。

进一步的，本发明的电子束在固定阳极靶盘上的不同点之间的跳动位置可以是每次间隔固定距离或按照一个特定算法生成或让下一个跳到的靶点离上次若干个靶点的一种加权平均的位置最远。

进一步的，固定阳极靶盘被电子束轰击的表面是一层钨材料，厚度为几微米到几百微米，中间为一层过渡材料，过渡材料的要求是熔点比较高，热传导系数高，热膨胀系数介于钨和在外面的高热传导率的材料之间，这种材料可以是但不限于为氮化铝(AlN)，碳化硅(SiC) 或其他高温材料，厚度为几微米到几十微米，这种材料的另外一个作用是作为过渡层减少钨材料和最外面导热材料之间的热膨胀引起的应力，最外面是高热传导率的材料，这些材料可以包括但不限于金刚石，铜，银，金等材料。

在某种条件下，也可以不使用中间过渡材料，直接把钨镀层镀在最外面的热传导率的材料上。

本发明还提供一种CT系统，具有前述的X射线管，还具有X射线探测器、CT机架、计算机系统；其中，所述计算机系统可以实时控制X射线管中的阴极以及偏转和聚焦磁极组件，实现电子束在固定阳极靶面的不同位置形成靶点；所述计算机系统还具有图像处理模块，能够将探测器采集到的多个二维图像进行重建成三维图像或其他合适的表达方式。

进一步的，在CT扫描过程中，在每个二维图成像时让电子束在逆着CT旋转的方向运动，减少电子束靶点在每个二维成像过程中在空间的位置的改变或保持电子束靶点在空间的位置不变，控制器记录每个X光的焦点的位置，位置信息用来在重建过程中建立三维图像。

本发明的有益效果：

1、本发明采用固定阳极靶盘，通过快速改变电子束在固定阳极靶盘上焦点位置，可以达到类似旋转靶的峰值功率，采用本发明的方案，能够减少真空旋转组件，具有结构非常简单的特点，采用本发明的方案可以直接由油冷靶盘，从而可以达到连续工作的效果，并且能够提高系统的稳定性；

2、本发明的方案可以进一步对焦点跳动的算法进行优化，使得固定阳极靶盘的散热效率最大化；

3、本发明通过电子束偏转的半个像素点的距离，可以增加固定阳极靶盘上的焦点数目，能够显著提高空间分辨率；

4、本发明在每个二维图成像时让电子束在逆着CT旋转的方向运动，减少了电子束靶点在每个二维成像过程中在空间的位置的改变或保持电子束靶点在空间的位置不变，这样能够进一步提高空间分辨率。

下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明一实施例的X射线管的示意图；

图2为本发明一实施例中的电磁铁的示意图；

图3为本发明一实施例的固定阳极靶盘的示意图；

图4为装有本发明X射线管的CT系统的示意图；

图5为本发明一实施例的固定阳极靶盘的焦点示意图。

附图标记说明如下：

1-阴极；2-固定阳极靶盘；3-真空腔壁；4-电子束；5-偏转和聚焦磁极组件。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

实施例一

本发明提供一种X射线管，具有由真空腔壁围成的真空腔，真空腔的一端设置阴极，真空腔的另一端设置阳极靶盘，电子束从阴极发出，在焦点位置高速撞击阳极靶盘，从而激发产生出X射线，X射线管具有控制组件，其特征在于：所述阳极靶盘为固定阳极靶盘，X射线管工作时，控制组件控制电子束在固定阳极靶盘上的焦点位置产生快速变化，产生电子束在固定阳极靶盘上快速扫描的效果。

本发明通过变化电子束在固定阳极靶盘上的焦点位置，产生电子束在固定阳极靶盘上快速扫描的效果，从而形成一个虚拟旋转靶的作用；电子束的焦点位置快速变化，使得电子束在阳极靶盘上单个位置的停留时间很短，快速变换电子束焦点位置，能够将热量分散到阳极靶盘整体区域上，保证阳极靶盘具有较好的冷却效果。

进一步的，参见图1，本发明X射线管的控制组件包括偏转和聚焦磁极组件5，可以通过偏转和聚焦磁极组件5改变电子束4在固定阳极靶盘2上的焦点位置，实现电子束的快速扫描；

更具体的：

阴极为热阴极，由钨或钼或钽或其他低逸出功的材料组成，阴极材料被加热到上千度的温度，电子束从阴极材料里逸出，在强电场的驱动下打到固定阳极靶盘上。热阴极可以是一个或多个，比如说两个，或三个或五个。在热阴极的下游是两对二极电磁铁，可以让电子束在较大范围内偏转，所述两对二极电磁铁的磁力范围能够使得电子束的偏转范围覆盖到固定阳极靶盘的全部区域，从而在固定阳极靶盘上形成非常紧密排布的电子束焦点位置。

进一步的，与两对二极电磁铁重合处还可以设置一个或多个四极电磁铁，例如，如图2 所示，即为在两对二极电磁铁重合处还设置一个四极电磁铁，该一个四极电磁铁可以控制焦点在宽度和长度方向的大小。上述二极与四极电磁铁可以是绕在一个铁芯上，并且可以共享绕组，形成一个组合式的磁铁。可以用两个这样组合式的磁铁以精确控制X靶点的长度和宽度大小。

在该种方式下，阴极也可以为冷阴极，冷阴极是通过在阴极表面加一个强电场，电子通过场致发射的效应而从阴极发出。

进一步的，固定阳极靶盘是一个可以承受高功率，具有非常快的散热功能。其由一种或几种不同的材料组成。一种组成是这样的：固定阳极靶盘被电子束轰击的表面是一层钨材料，厚度可以从几个微米到几百微米，中间为一层过渡材料，过渡材料的要求是熔点比较高，热传导系数高，热膨胀系数介于钨和在外面的高热传导率的材料之间，这种材料可以是但不限于为氮化铝(AlN)，碳化硅(SiC)或其他高温材料，厚度为几微米到几十微米，这种材料的另外一个作用是作为过渡层减少钨材料和最外面导热材料之间的热膨胀引起的应力，最外面是高热传导率的材料，这些材料可以包括但不限于金刚石，铜，银，金等材料。

固定阳极靶盘的尺寸可以从几个厘米到十几厘米见方，可以是长方形或圆形。

图3示出了固定阳极靶盘的一种可能的焦点分布形式，固定阳极靶盘的出X射线的焦点非常致密地均匀或非均匀地分布在靶上，如图3(a)所示。X射线的焦点位置非常紧密，邻近的焦点可以是完全挨着甚至可以部分重叠。焦点数目从几个到几百个。部分重叠的焦点可以控制地非常精确，只差半个像素的距离，如图3(b)所示，这样可以提高CT的成像分辨率。焦点的分布范围可以到左右十几个公分(X方向)，上下几个公分(Z)方向。X射线管尺寸非常小，一个CT，配有1个或多个X射线管，可以提供多个阴极发射的高压电源、探测器。

如图4所示，在CT工作过程中，CT支架，X射线管和探测器可以以每秒0.5圈至4圈的速度旋转，旋转过程中，电子束的焦点在这些可能的位置上不停的跳动。在每个焦点位置时间非常短，比如几十微秒，然后就跳动下一个位置，这样固定阳极靶盘上焦点的温度不会上升地很快。CT扫描过程得到几百个到上千个投影图，由重建算法根据投影图及角度位置信息自动建立三维图像。

X射线在固定阳极靶盘上的不同点之间的跳动示意图如图3(c)所示，可以是顺序跳动，或通过控制随机跳动，例如可以按照图3(c)上标明的数字顺序进行跳动，也可以是按照一定的算法进行优化得到。

进一步的，X射线在固定阳极靶盘上的不同点之间的跳动位置用一定的算法优化，从而使靶上能承受最大的功率或者靶面的温度保持最低。例如，有一种算法是让下一个跳到的靶点离上次若干个靶点的一种加权平均的位置最远。比如说选上次的N个靶点，先算出N个靶点的加权平均的位置。则第N+1个靶点的位置为P

更进一步的，焦点的跳动变化分为两个层面，

第1个层面为以4个较临近点为一组焦点，在Z和X方向各两个，一组4个焦点的间距是CT探测器像素的一半或(具体数值随着成像中心的位置而有所调整)在一个二维成像的过程内，焦点位置在这4个焦点位置跳动，可以增加空间分辨率。使焦点偏离半个像素距离的这种设置，可以增加CT的空间分辨率。由于在其他条件不变的情况下(相同x光焦点大小，相同探测器像素大小等)，使焦点偏离半个焦点距离的这种设置相当于把X光焦点的位置数目增加了一倍，增加的X光焦点位置在原来X光焦点位置的中间，这样X光焦点数目增加一倍，每个焦点的间距比原来小了一半，可以增加空间分辨率。

第2个层面为大幅度的跳动，即在不同的二维图成像的过程中，焦点空间位置变化很大，焦点跳动距离较远，间隔远更利于散热。

作为一个具体的实施例，可以参见附图5来说明本发明两个层面的跳动方式，例如，可以是在每个小区域的4个焦点内进行跳动结束后转移到较远的其他区域进行下一组4个的跳动，对应附图5中按照11-12-13-14-21-22-23-24进行跳动。

作为可选的其他实施例，本发明的电子束焦点的变化跳动，可以是对大范围的第2层面的跳动与小范围的第1层面的跳动进行任意的组合，例如，还可以是按照附图5所示的11-21-31-41-12-22-32-42-13-23-33-43-14-24-34-44顺序进行跳动。

实施例二

根据本发明的另一方式，本发明设置多个阴极，控制组件包括与多个阴极一一对应的阴极开关，通过控制各个阴极开关的开或关来实现电子束在固定阳极靶盘上的焦点位置的快速变化，实现电子束的快速扫描；更具体的：

阴极为冷阴极，冷阴极是通过在阴极表面加一个强电场，电子通过场致发射的效应而从阴极发出。设置多个阴极，与焦点个数对应，每一个焦点位置都有一个阴极对应，这样不需要偏转系统，而只是通过一个阴极的开关进行阴极的开或关的发射控制，从而实现电子束在不同的地方产生靶点。

进一步的，针对该方式下的多个阴极，每个阴极下游还设置有一对电极或两对电极或一对二极电磁铁或两对二极电磁铁或一个或两个四极电磁铁，可以产生强静电场或磁场，从而实现电子束在固定阳极靶盘的一个或两个方向上偏离半个像素距离。

使焦点偏离半个像素距离的这种设置，可以增加CT的空间分辨率。由于在其他条件不变的情况下(相同x光焦点大小，相同探测器像素大小等)，使焦点偏离半个焦点距离的这种设置相当于把X光焦点的位置数目增加了一倍，增加的X光焦点位置在原来X光焦点位置的中间，这样X光焦点数目增加一倍，每个焦点的间距比原来小了一半，可以增加空间分辨率。

实施例三

本发明还提供一种CT系统，具有前述的X射线管，还具有X射线探测器、CT机架、计算机系统；其中，所述计算机系统可以实时控制X射线管中的控制组件，实现电子束在固定阳极靶面的不同位置形成靶点；所述计算机系统还具有图像处理模块，能够将探测器采集到的多个二维图像进行重建成三维图像或其他合适的表达方式。

进一步的，在CT扫描过程中，在每个二维图成像时让电子束在逆着CT旋转的方向运动，降低电子束靶点在每个二维成像过程中在空间的位置变化。

CT旋转过程中，每个二维成像的过程中，固定阳极靶盘上焦点是在移动的，跟随CT支架的旋转而旋转，例如，在一个二维成像的过程中大约移动2个毫米左右，这种焦点的跟随移动会导致CT图像分辨率的降低。本发明的X射线管有偏转电子束的作用，可以在每个二维图成像时让电子束在逆着CT旋转的方向运动，这样靶点在每个二维成像过程中在空间的位置可以保持不变或降低变化。这会有利于改善CT图像的空间分辨率。

焦点的速度可以用以下公式来调节：

V

ω

R

V

α:优化因子，范围在0-2之间

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，对本发明多个实施例之间进行部分特征的替换和组合的方案也在本发明的公开范围内。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。