異步運行焦斑抖動降低的旋轉陽極的方法和x射線輻射器的製造方法
2023-09-21 12:30:55 3
異步運行焦斑抖動降低的旋轉陽極的方法和x射線輻射器的製造方法
【專利摘要】本發明涉及一種用於異步運行X射線輻射器（1）的旋轉陽極（3）的方法，其中通過定子（6）的具有第一頻率（F1）的電磁交變場向該旋轉陽極（3）施加轉矩。該方法包括如下步驟：將所述第一頻率（F1）提高（101）到第二頻率（F2），其中所述第二頻率（F2）是X射線輻射觸發頻率（F4）的整數倍，並且這樣同時改變（102）交變場的功率，使得所述旋轉陽極（3）的旋轉頻率（F3）保持不變。本發明提供了如下優點，即無需在旋轉陽極上附加力就可以提高交變場的頻率。同樣，本發明提供一種用於執行該方法的X射線輻射器裝置。
【專利說明】異步運行焦斑抖動降低的旋轉陽極的方法和X射線輻射器
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用於異步運行X射線輻射器的旋轉陽極的方法和所屬的X射線輻射器裝置，通過定子的電磁交變場向該旋轉陽極施加轉矩。
【背景技術】
[0002]在醫學X射線成像中具有旋轉陽極的X射線管用於產生X射線輻射。為此將盤形的旋轉陽極加速到高的旋轉頻率並且從在陰極中產生的電子的入射點，即所謂的「焦斑」處旋轉離開。在電子束下旋轉陽極運動得越快，焦斑的可能面積負擔就越高。為了改善X射線成像的圖像質量，給出如下可能性:提高X射線管的脈衝功率或者減小焦斑。在現代旋轉陽極X射線管中旋轉陽極以大約150HZ至200Hz旋轉。相應地，需要強大的陽極驅動來加速數千克質量的旋轉陽極。
[0003]圖1示出了穿過具有X射線管2和旋轉陽極3的X射線輻射器I的橫截面。在X射線管2的真空容器之外而在X射線福射器I的殼體10之內的定子6產生電磁交變場。在旋轉陽極3的軸12上存在轉子5，該轉子通過定子6的交變場處於旋轉運動中。陰極4，例如具有文納爾圓柱電極(Wehneltzylinder)的熱陰極,產生被加速至旋轉陽極3的電子束
11。在旋轉陽極3上的入射點中減速電子束11並且由此產生X射線輻射9，其通過殼體10的射線出射窗7脫離X射線輻射器1，從而隨後例如通過光圈8成形。
[0004]通常以交流電流驅動定子6並且其消耗幾千瓦的電功率。定子6的強電磁交變場對電子束11的電子飛行軌跡具有幹擾影響，因為通過交變場這樣偏轉電子，使得旋轉陽極3上的聚焦受到幹擾。按照旋轉陽極驅動的交變場的頻率節拍發生焦斑的來回跳動。焦點位置的這種調製在藉助X射線輻射產生的X射線圖像中可以通過圖像邊緣的抖動察覺出。該不期望的效果在專業人員中稱為「焦點抖動(Fokuswackeln)」。
[0005]給出至少部分地減小焦點抖動的多個公知的可能性。例如可以在定子和旋轉陽極的背面安裝Mu金屬屏蔽。Mu金屬是軟磁的鎳鐵合金並且具有屏蔽電磁場的特性。由於通過線圈實現了將電子聚焦到旋轉陽極，所以也可以通過改變電磁場來影響電子軌跡以及由此影響聚焦。然而該方法極其昂貴。
[0006]另一種可能性在於，以圖像頻率來同步定子。例如如果以30圖像/秒進行拍攝，則定子可以以30Hz的八倍，即240Hz提供交流電流。由此驅動相位對於每次拍攝是相同的並且焦點抖動可以最小。然而該解決方案在X射線輻射器運行時產生幹擾噪聲。
[0007]在後公開的專利申請文件DE102012204841A1中給出另一種解決方案。為了 X射線輻射的產生給出具有X射線管的旋轉陽極X射線輻射器來產生X射線輻射。X射線輻射器包括在真空容器中布置的旋轉陽極，該旋轉陽極具有旋轉軸、在旋轉軸上布置的轉子和部分布置在真空容器之外的定子。定子產生用於驅動轉子的電磁交變場，其中定子具有至少一個用於產生電磁交變場的定子線圈。此外，X射線輻射器包括用於產生被加速至旋轉陽極的電子束的陰極，其中在陰極或電子束區域中布置至少一個用於補償定子線圈的電磁交變場的補償線圈(Gegenspule)。[0008]以可變的頻率向定子線圈供電的交流電流通常由變頻器提供。變頻器是電流轉換器，該電流轉換器由交流電壓產生頻率和振幅可變化的交流電壓以用於直接供應三相電動機。規定應該按照哪種頻率和振幅產生輸出交流電壓的標準，在此適應電器的要求，例如按照其瞬時機械負載，並且依賴變頻器而變化。根據電器的類型和種類，變頻器可以以單相交流電壓以及三相交流電壓工作，並且也可由單相交流電壓產生三相交流電壓以用於向三相電動機供電。某些變頻器具有附加的傳感器輸入端，以便採集電器的狀態參數，諸如轉子的轉速或瞬時的角度位置。
[0009]圖2按照框圖和電壓曲線示出了變頻器18的功能原理。三相輸入電壓Ul通過整流器13整流並且利用中間電路14的電容器按照電壓保持穩定。在中間電路的輸出端出現中間電路電壓U2，該中間電路電壓大約為輸入電壓Ul的1.35倍。在框圖的左下方示出了輸入電壓Ul關於時間t的對於三個相的曲線。在其旁邊示出了中間電路電壓U2的曲線。
[0010]中間電路電壓U2通過逆變器15轉換為具有時鐘周期形式的電動機電壓U3。該方法基於正弦評估的脈衝寬度調製。時鐘控制的電動機電壓U3的結構取決於期望的輸出頻率。在框圖的右下圖示出了電動機電壓U3與時間t的依賴關係。明顯能夠識別不同的脈衝寬度。藉助傅立葉分析可以示出，變頻器18的時鐘控制的電動機電壓U3在電動機16上展現出相同的作用，諸如有相同振幅和頻率的正弦電壓。藉助控制電子器件17來控制電動機旋轉場的產生。
【發明內容】
[0011]本發明要解決的技術問題是，提供在產生X射線輻射時避免焦點抖動的另一種方法和另一種裝置。
[0012]上述技術問題通過根據本發明的互相獨立的權利要求的方法和裝置來解決。有利的改進方案在從屬權利要求中給出。
[0013]本發明的基本思路在於，儘管提高了電動機驅動頻率，但旋轉陽極的旋轉頻率仍保持恆定，方法是增大在轉子和定子之間的轉差率(Schlupf)。
[0014]本發明要求保護一種用於異步運行X射線輻射器的旋轉陽極的方法，通過定子的具有第一頻率的電磁交變場向該旋轉陽極施加轉矩。在此，將交變場的頻率提高到第二頻率，其中第二頻率是X射線輻射觸發頻率的整數倍。這樣同時改變交變場的功率，使得旋轉陽極的旋轉頻率保持不變。本發明提供了如下優點，即無需在旋轉陽極上附加力就可以提高交變場的頻率。
[0015]在改進方案中，在定子上用於產生電磁交變場的定子電壓可以是脈衝寬度調製的。
[0016]在另一種實施方式中可以減小功率，其中改變定子電壓的脈衝寬度。
[0017]具有優勢地，可以僅在X射線輻射觸發的情況下提高第一頻率並且同時改變交變場的功率。
[0018]此外，第一頻率可以是220Hz並且第二頻率可以是240Hz，其中旋轉陽極的旋轉頻率是200Hz。
[0019]本發明還提供一種X射線輻射器裝置。其包括用於產生X射線輻射的X射線管、在X射線管中布置的可旋轉的旋轉陽極和產生具有第一頻率的電磁交變場以用於驅動旋轉陽極的定子。此外，該裝置包括變頻器，該變頻器提供具有第一頻率的定子電壓以用於產生電磁交變場，該變頻器將第一頻率提高到第二頻率，其中第二頻率是X射線輻射觸發頻率的整數倍，並且這樣同時改變定子電壓，使得旋轉陽極的旋轉頻率保持不變。
[0020]在另一種實施方式中，定子電壓可以是脈衝寬度調製的。
[0021]在該裝置的改進方案中，變頻器可以改變定子電壓的脈衝寬度。
[0022]在另一種構造中，可以僅在X射線輻射觸發的情況下提高第一頻率並且改變定子電壓的調製。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]本發明的其它特徵和優點藉助於附圖由下面對實施例的描述給出。附圖中:
[0024]圖1示出了按照現有技術穿過X射線輻射器的橫截面，
[0025]圖2示出了按照現有技術變頻器的框圖，
[0026]圖3示出了用於運行旋轉陽極的方法的流程圖，
[0027]圖4示出了具有旋轉陽極的X射線管裝置的框圖。
【具體實施方式】
[0028]圖3示出了按照本發明的用於運行旋轉陽極的從步驟100至103的方法的流程圖。在第一步驟100中，旋轉陽極以200Hz的旋轉頻率F3旋轉，其中驅動旋轉陽極的定子的電磁交變場以220Hz的第一頻率Fl脈動。由於在旋轉陽極的轉子和定子之間的大的氣隙形成在旋轉頻率F3和第一頻率Fl之間的大的轉差率。
[0029]在第二步驟101中，以30Hz的觸發頻率F4觸發X射線輻射。在執行步驟102的同時將交變場的頻率提高到240Hz的第二頻率F2，該第二頻率是觸發頻率F4的整數倍(F2= 8XF4)。由此避免焦點抖動。為了旋轉陽極不必加速到更高的旋轉頻率F3，減小交變場的功率。該交變場的功率減小例如通過改變電動機電壓U3的調製進行。旋轉頻率F3在200Hz處保持恆定，僅提高定子的驅動頻率。異步驅動的轉差率增大。
[0030]在步驟103中，在X射線圖像拍攝結束時驅動頻率又返回到第一頻率Fl並且再次取消電動機電壓U3的改變的調製，從而再次提高功率並且減小轉差率。
[0031]替換地，可以不取決於X射線圖像拍攝永久地增加轉差率。驅動頻率總是X射線輻射觸發頻率的倍數並且比旋轉陽極的旋轉頻率高大約40Hz。
[0032]圖4示出了按照本發明的X射線輻射器裝置的框圖，其具有用於產生X射線輻射的X射線管2和在X射線管2中布置的可旋轉的旋轉陽極3。定子6產生具有第一頻率Fl的電磁交變場以用於藉助轉子5來驅動旋轉陽極3。
[0033]變頻器18由整流的中間電路電壓U2產生具有第一頻率Fl的定子電壓U3以用於產生電磁交變場。按照本發明，在X射線圖像採集開始時變頻器18將第一頻率Fl提高到第二頻率F2，其中第二頻率F2是X射線輻射觸發頻率F4的整數倍。同時變頻器18這樣改變定子電壓U3，使得旋轉陽極的旋轉頻率F3保持不變。優選地，這一點通過改變脈衝寬度調製的定子電壓U3的脈衝寬度進行。由控制電子器件17來控制變頻器18。
[0034]附圖標記列表
[0035]I X射線輻射器[0036]2X射線管
[0037]3旋轉陽極
[0038]4陰極
[0039]5轉子
[0040]6定子
[0041]7射線出射窗
[0042]8光圈
[0043]9X射線輻射
[0044]10殼體
[0045]11電子束
[0046]12軸
[0047]13整流器
[0048]14中間電路
[0049]15逆變器
[0050]16電動機
[0051]17控制電子器件
[0052]18變頻器
[0053]100具有旋轉頻率F3的旋轉
[0054]101觸發X射線輻射
[0055]102提高交變場的頻率
[0056]103X射線圖像拍攝的結束
[0057]Fl第一頻率
[0058]F2第二頻率
[0059]F3旋轉陽極3的旋轉頻率
[0060]F4X射線輻射觸發頻率
[0061]Ul輸入電壓
[0062]U2中間電路電壓
[0063]U3電動機電壓/定子電壓
【權利要求】
1.一種用於異步運行X射線輻射器(I)的旋轉陽極(3)的方法，通過定子(6)的具有 第一頻率(Fl)的電磁交變場向該旋轉陽極施加轉矩，其特徵在於:-將所述第一頻率(Fl)提高(101)到第二頻率(F2)，其中所述第二頻率(F2)是X射線 輻射觸發頻率(F4)的整數倍，並且-這樣同時改變(102)交變場的功率，使得所述旋轉陽極(3)的旋轉頻率(F3)保持不變。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，脈衝寬度調製在定子(6)上用於產生電磁 交變場的定子電壓(U3)。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，減小所述功率。
4.根據權利要求2和3所述的方法，其特徵在於，改變所述定子電壓(U3)的脈衝寬度。
5.根據上述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，僅在X射線輻射觸發的情況 下提高(101)第一頻率(Fl)並且同時改變(102)交變場的功率。
6.根據上述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，所述第一頻率(Fl)是220Hz 並且所述第二頻率(F2)是240Hz，其中所述旋轉陽極(3)的旋轉頻率(F3)是200Hz。
7.—種X射線輻射器裝置，具有:-用於產生X射線輻射(9)的X射線管(2)，-在所述X射線管(2)中布置的可旋轉的旋轉陽極(3)，和-定子(6)，其產生具有第一頻率(Fl)的電磁交變場以用於驅動所述旋轉陽極(3)，其特徵在於:-變頻器(18)，-該變頻器提供具有第一頻率(Fl)的定子電壓(U3)以用於產生電磁交變場，-該變頻器將所述第一頻率(Fl)提高到第二頻率(F2)，其中所述第二頻率(F2)是X射 線輻射觸發頻率(F4)的整數倍，並且-這樣同時改變所述定子電壓(U3)，使得所述旋轉陽極(3)的旋轉頻率(F3)保持不變。
8.根據權利要求7所述的裝置，其特徵在於，所述定子電壓(U3)是脈衝寬度調製的。
9.根據權利要求8所述的裝置，其特徵在於，所述變頻器(18)改變所述定子電壓(U3) 的脈衝寬度。
10.根據權利要求7至9中任一項所述的裝置，其特徵在於，僅在X射線輻射觸發的情 況下所述定子電壓(U3 )具有第二頻率(F2 )並且改變所述定子電壓(U3 )的調製。
11.根據權利要求7至10中任一項所述的裝置，其特徵在於，所述第一頻率(Fl)是 220Hz並且所述第二頻率(F2)是240Hz，其中所述旋轉陽極的旋轉頻率(F3)是200Hz。
【文檔編號】H01J35/10GK103582275SQ201310330394
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年8月1日 優先權日:2012年8月1日
【發明者】J.富爾斯特, A.柯納, J.沃克 申請人:西門子公司