微焦x射線管的陰極元件的製作方法

2023-05-27 16:37:46 1

專利名稱：微焦x射線管的陰極元件的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種微焦X射線管的陰極元件，包括由金屬絲形成的、可加熱的燈絲(Filament),該燈絲用於熱發射電子以便形成電子束。
背景技術：
在微焦X射線管中，為了實現在μ m範圍內的焦斑尺寸而使用髮夾式燈絲，其中金屬絲彎曲成尖頭電極來發射細的電子束。但是由於增加的高的射線管電流和與此相關的燈絲溫度使得髮夾式燈絲只具有相對短的使用壽命，因此在有限的運行小時以後必需有規律地更換陰極元件。由此引起巨大的附加的維護費用和相應的停機時間，這些尤其妨礙了微焦X射線管在工業生產中的使用
發明內容
本發明的目的是，提供一種具有延長的使用壽命的用於微焦X射線管的陰極元件。本發明藉助獨立權利要求的裝置實現這一目的。由於按照本發明的燈絲在電子束的源範圍內在垂直於電子束的兩個方向上的長形延伸可以顯著提高發射電子的有效面積，從而與髮夾式燈絲的發射電子的絲尖基本尖狀延伸相比，明顯更低的燈絲溫度足夠用於發射相同的電子流。燈絲的長形延伸意味著，長度顯著地、尤其至少50%大於金屬絲的粗度，優選地至少兩倍大，更加優選至少三倍大。較低的燈絲溫度導致明顯延長燈絲的使用壽命並由此延長陰極元件的使用壽命。通過本發明能夠實現數倍地、直到一個數量級並更多地延長的燈絲使用壽命。已經特別驚奇地證實，儘管擴大發射電子的面積，仍然可以實現小於10 μ m、優選地7 μ m和更小的焦點尺寸。因此基於本發明能夠在工業生產中使用高解析度的微焦X射線檢驗裝置。所述燈絲在電子束的源範圍中優選地具有多個並排設置的絲段。通過這種方式使本發明以簡單的方式由單一的燈絲實現。在一個能特別簡單完成的並因此優選的實施方式中燈絲段由多個燈絲圈形成，從而使得發射電子的燈絲範圍具有螺旋絲的形狀。所述燈絲段優選地相互間隔地設置。由此燈絲側面、即燈絲段之間的側面的燈絲面積可以進一步有助於電子發射的表面，由此可以放大本發明的效果。所述燈絲段的數量優選地為至少三個，用於實現明顯增加的發射電子的表面。發射電子的燈絲段數量優選最多為10個、進一步優選最多為6個，以實現最大10 μ m的微焦、即電子束焦斑。奇數燈絲段是有利的，因為正好處於中心的燈絲段使電子束的射線輪廓變得更有利。特別優選三個、五個或七個燈絲段。所述陰極元件優選地設計成可更換的元件，其用於安裝在微焦X射線管的更換座中。在這種情況下根據應用可以使按照本發明的陰極元件或者具有髮夾式燈絲的常規陰極元件安裝在按照本發明的微焦X射線管的更換座裡面。按照本發明的微焦X射線管優選地包括聚光透鏡，其用於在使用按照本發明的陰極元件的情況下使得電子束接近平行地取向。這能夠實現，尤其在使用下遊的常規聚焦透鏡的情況下，與所使用的陰極元件類型無關地得到特有的射線管額定參數。在使用具有髮夾式燈絲的陰極元件情況下，聚光透鏡以適宜的方式斷開。無需使聚光透鏡匹配於按照本發明的陰極元件。


下面藉助有利的實施例參照附圖詳細地解釋本發明。附圖示出圖I示出微計算機X射線攝影系統的示意面，圖2示出微焦X射線管的示意橫截面圖，其中插入了按照圖3、4的陰極元件，圖3示出按照本發明實施例的燈絲立體圖，圖4示出了迎著電子束方向的陰極單元，其具有在圖3中所示的燈絲， 圖5，6示出了迎著電子束方向的陰極單元，其具有另一實施例的燈絲，圖7示出微焦X射線管的示意橫截面圖，其插入有具有髮夾式燈絲的陰極元件。
具體實施例方式在圖I中所示的微計算機X射線攝影系統包括X射線系統10，X射線系統10布置成用於拍攝試樣13的X射線投射組。為此，X射線系統10包括微焦X射線管11，從X射線管11的焦點16發射X射線輻射14，X射線系統10還包括形成圖形的X射線檢測器12和試樣固定器20，試樣固定器20優選地布置成用於使試樣13圍繞垂直軸旋轉。X射線檢測器12優選地是面檢測器、尤其是平板檢測器，但是也可以是線檢測器。例如通過試樣固定器20以分別確定的小的角間距逐步地旋轉和通過在每個旋轉角拍攝X射線投影得到試樣13的X射線投影組。X射線系統10不局限於試樣固定器20圍繞垂直軸的旋轉。作為選擇例如可以使X射線管11和X射線檢測器12圍繞靜止的試樣13旋轉。X射線投影由X射線檢測器12讀出並且傳遞到計算機裝置41，在那裡由所拍攝的X射線發射組利用原理上公知的重建算法計算試樣13的重建的三維體積數據並且例如在顯示屏42上顯示。如圖I所示，計算機裝置41同樣可以布置用於控制X射線源11、試樣固定器20和射線檢測器12，作為選擇可以選擇設有獨立的控制裝置。微焦射線管11尤其包括陰極元件15、文納爾柱形電極21、陽極19、優選地作為電磁透鏡實施的聚焦透鏡22和電子束祀23。此外可以設有另一電磁透鏡25,它優選地布置成聚光透鏡，用於接近平行地調直電子束24 ;但是，不是一定需要聚光透鏡25。聚焦射線管11還適宜地包括未示出的用於調整射線位置的偏轉單元。陰極元件15包括燈絲17，燈絲17由適合的金屬絲27、尤其鎢絲製成並且裝配在絕緣的、例如由陶瓷製成的座34上。燈絲的金屬絲27優選地具有100 μ m至300 μ m的強度，例如約200 μ m。在燈絲17的端部上施加加熱電壓，用於由燈絲金屬絲27熱發射電子。在燈絲17與陽極19之間施加通過未示出的高壓發生器產生的加速電壓，用於使從金屬絲提取的電子向著陽極19加速並且產生電子束24。最高加速電壓優選地至少為IOOkV,優選地至少200kV。所產生的電子束利用聚焦透鏡22聚焦到靶23上，由此產生x射線14。靶23優選地以反射結構設置(直接電子束靶)。塊狀的靶23可以接收較高的功率，從而使射線管11有利地布置用於產生至少ImA的最大射線管電流和/或至少IOOW的最大射線管功率。因此射線管11適合於檢驗相對厚的試樣，例如鑄件。本發明不局限於直接電子束靶。按照本發明的燈絲17尤其也可以在具有透射靶的射線管11裡面使用。鑑於此，最大射線管電流優選地至少為O. 5mA和/或最大射線管功率至少為50W。為了在X射線圖形中實現在微計算機照相中所期望的明顯小於10 μ m的細節識別性，需要使在靶23上的電子束焦點16的尺寸在10 μ m以下。為此使電子束24首先利用相對於燈絲17位於適合的負電位上的文納爾柱形電極或柵極21聚焦，從而產生清晰的轉向點26。因此陰極17、文納爾柱形電極21和陽極19形成三極體。在陽極19後面，電子束還通過聚焦透鏡22聚焦在靶的焦點16上。射線管11的電子光路一般布置成用於產生具有最大10 μ m的平均直徑的焦點16，這裡射線管由文納爾柱形電極21、聚焦透鏡22和必要時的聚光透鏡25組成。
在按照圖3和4的優選實施例中，燈絲17的發射電子的部位28由多個優選地基本相互平行設置的圈29形成。在這個實施例中燈絲17是簡單卷繞的燈絲圈。這裡優選涉及至少三個圈29。在圖3和4的實施例中示出可能是最優選的三個圈29。此外優選涉及最多十個圈29，更優選最多七個圈29，用於根據期望的X射線圖形中的細節識別性來限制發射電子範圍的延展。由多個燈絲段30形成朝向靶23的燈絲表面，它形成電子束24的主源，如在圖4中優選地所示。燈絲段30優選地基本平行地取向並因此形成朝向靶23的燈絲17表面的總體上扁平地延伸，其具有垂直於電子束的第一長形延伸11和垂直於電子束且垂直於延伸11的第二長形延伸12(見圖4)。長形延伸意味著，11和12明顯大於燈絲的粗度d，尤其至少大50%，優選至少大兩倍，更優選至少大三倍，在本實施例中約為四倍。與長度約為d2的「點狀」的髮夾式燈絲的尖端表面相比，得到以直到三倍或更大的係數加大的發射電子的燈絲17表面。由此為了產生相同的射線管電流可以明顯降低燈絲17的加熱溫度，並由此以直到10且更大的係數提高其使用壽命。延伸11和12優選地大小基本相同，即相互間的差別不大於兩個延伸中較大者的50%。燈絲17優選地沒有尖端或折彎點，並具有燈絲直徑d範圍內的彎曲半徑。圈29和相關的發射電子的燈絲段30優選地相互間隔地設置，如圖4看到的那樣。間隔優選地小於或等於燈絲27的粗度d，並且優選地位於O. Id至d的範圍，在所示情況下例如為O. 5d或約100 μ m。燈絲段30的間隔布置的優點是，燈絲段30的側面或側面表面附加地用於發射電子的、形成電子束源的表面。由此可以無需更多費用地進一步提高有效發射電子的面積。燈絲段30也可以以其它方式利用燈絲圈29形成。在未示出的實施方式中，每個燈絲段30例如可以由獨立的簡單的燈絲形成。在圖5中所示的實施方式中，例如由蛇形燈絲形成例如五個燈絲段30。按照圖6的實施方式表明，沒有直線的燈絲段30也可以實現朝向靶23的燈絲27表面的總體平坦的延伸。射線管11以敞開的結構形式構成，即，射線管11具有用於通風的裝置並且可以在通風狀態敞開，從而取出陰極元件15並安裝新的陰極元件15，尤其當燈絲已經達到或超過給定的運行時間的時候。為此，射線管11的外殼34由兩個外殼半體35、36組成,它們在一個法蘭37上是相互可分開的。作為可更換的元件實施的陰極元件15優選地包括文納爾柱形電極21，由此生產者就可以將燈絲17相對於用於電子束24的端面開孔31進行定心，而無需由射線管11的操作者完成。在裝入新的陰極元件15以後，通過連接兩個外殼半體35、36真空密封地封閉射線管11，並且利用永久地裝配在射線管11上的真空泵33抽真空到操
作真空。在優選的實施例中，尤其當期望更高的射線圖形細節識別性的時候，射線管11適於可選地與髮夾式燈絲17 —起使用。為此，僅在座32裡面安裝一個具有髮夾式燈絲的陰極元件15 ;在圖7中示出在這種高解析度的運行狀態中的射線管11。除了更換陰極元件15，或者未示出的高壓發生器，不必在結構上對射線管11進行其他改變。為實現這一點，所使用的具有基本扁平延伸的燈絲17的主要參數，如燈絲長度和直徑、尺寸如圈直徑以及間隔，需要被最優化地選擇。在具有髮夾式燈絲的射線管11運行時，聚光透鏡25優選地關閉。因此射線管11以常見的方式利用聚焦透鏡22運行。優選地，通過插入具有髮夾式燈絲的陰極元件自動地關閉聚光透鏡25。
在圖I中所示的實施方式涉及微計算機攝影系統10。但是射線管11同樣適用於兩維的沒有CT重建的放射性檢驗設備。
權利要求
1.一種用於微焦X射線管的陰極元件(15)，所述陰極元件(15)包括由金屬絲(27)形成的、可加熱的燈絲(17)，所述燈絲(17)用於熱發射電子以形成電子束(24)，其特徵在於，所述燈絲(17)在電子束的源範圍(28)內在垂直於電子束(24)的兩個方向上分別具有長形的延伸(11，12)。
2.如權利要求I所述的陰極元件，其中，所述燈絲(17)在電子束(24)的源範圍(28)內具有多個並排設置的燈絲段(30 )。
3.如權利要求2所述的陰極元件，其中所述燈絲段(30)相互間隔地設置。
4.如權利要求2或3所述的陰極元件，其中所述燈絲段(30)的數量為至少三個。
5.如權利要求2至4中任一項所述的陰極元件，其中所述燈絲段(30)由燈絲(27)的多個燈絲圈(29)形成。
6.如上述權利要求中任一項所述的陰極元件，其中所述陰極元件(15)設計成可更換的元件，以便安裝在微焦X射線管(11)的更換座(32)中。
7.一種微焦X射線管(11)，包括如上述權利要求中任一項所述的陰極元件(15)和靶(23)，以便藉助於碰撞到靶(23)上的電子束(24)來產生X射線(14)。
8.如權利要求7所述的微焦X射線管，其中，所述電子束(24)在靶(23)上的焦斑(16)具有最大10 μ m的平均直徑。
9.如權利要求7或8所述的微焦X射線管，其中，所述X射線管可通風、打開並真空密封地封閉，以更換陰極單元。
10.如權利要求7至9中任一項所述的微焦X射線管，包括用於將X射線管抽真空的真空泵(33)。
11.如權利要求7至10中任一項所述的微焦X射線管，包括聚光透鏡(25)，所述聚光透鏡(25 )布置成使得電子束(24 )接近平行地取向。
12.如權利要求11所述的微焦X射線管，其中，如果具有髮夾式燈絲的陰極元件(15)被安裝在微焦X射線管(11)中，所述聚光透鏡(25 )可以被關閉。
13.如權利要求7至12中任一項所述的微焦X射線管，其中最大射線管電流為至少ImA0
14.如權利要求7至13中任一項所述的微焦X射線管，其中最大射線管功率為至少IOOff0
15.一種利用微焦X射線檢驗試樣的方法，包括利用微焦X射線管(11)產生X射線，所述微焦X射線管(11)包括由金屬絲(27)形成的、可加熱的燈絲(17)，所述燈絲(17)用於熱發射電子以形成電子束(24)，其特徵在於，所述燈絲(17)在電子束的源範圍(28)內在垂直於電子束(24)的兩個方向上分別具有長形的延伸(11，12)。
全文摘要
一個用於微焦x射線管的陰極元件，包括由金屬絲形成的、可加熱的用於熱發射電子以形成電子束的燈絲。所述燈絲在電子束的源範圍內在垂直於電子束的兩個方向上分別具有長形延伸(l1,l2)。
文檔編號H01J1/18GK102884606SQ201080065686
公開日2013年1月16日 申請日期2010年4月9日 優先權日2010年4月9日
發明者E·諾伊澤, A·施密特, W·施佩納 申請人:Ge傳感與檢測技術有限公司