X射線裝置以及具有該x射線裝置的ct設備的製作方法
2023-04-30 15:30:46
X射線裝置以及具有該x射線裝置的ct設備的製作方法
【專利摘要】本發明的X射線裝置具備：真空盒，四周密封且內部為高真空；多個電子發射單元，每個電子發射單元互相獨立且排成線形陣列安裝在真空盒的一端的盒壁上；陽極，安裝在真空盒內的另一端，在長度方向上與電子發射單元的柵極所在的平面平行且在寬度方向上與該平面形成預定角度的夾角；電源與控制系統，具有高壓電源、燈絲電源、柵極控制裝置及控制系統，電子發射單元具有：加熱燈絲；與加熱燈絲連接的陰極；從加熱燈絲兩端引出的燈絲引線；柵極，與陰極對置地配置在陰極的上方；具有開口且包圍陰極與燈絲的絕緣支撐件；連接在絕緣支撐件下端外沿的連接固定件；燈絲電源與燈絲引線連接。
【專利說明】X射線裝置以及具有該X射線裝置的CT設備
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種產生分布式X射線的裝置，特別涉及在一個X射線光源設備中通過布置多個獨立的電子發射單元並且利用柵極對電子發射單元進行控制來產生按照預定順序變換焦點位置的X射線的柵控分布式X射線裝置以及具有該柵控分布式X射線裝置的CT設備。
【背景技術】
[0002]一般地，X射線光源是指產生X射線的設備，通常由X射線管、電源與控制系統、冷卻及屏蔽等輔助裝置等構成，其核心是X射線管。X射線管通常由陰極、陽極、玻璃或陶瓷外殼構成。陰極為直熱式螺旋鎢絲，在工作時，通過電流，加熱到一種高溫狀態，產生熱發射的電子束流，陰極被一個前端開槽的金屬罩包圍，金屬罩使電子聚焦。陽極為在銅塊端面鑲嵌的鎢靶，在工作時，在陽極和陰極之間施加有高壓，陰極產生的電子在電場作用下加速運動飛向陽極，並且撞擊靶面，從而產生X射線。
[0003]X射線在工業無損檢測、安全檢查、醫學診斷和治療等領域具有廣泛的應用。特別是，利用X射線的高穿透能力製成的X射線透視成像設備在人們日常生活的方方面面發揮著重要作用。這類設備早期的是膠片式的平面透視成像設備，目前的先進技術是數位化、多視角並且高解析度的立體成像設備，例如CT(computed tomography),可以獲得高清晰度的三維立體圖形或切片圖像，是先進的高端應用。
[0004]在現有的CT設備中，X射線源和探測器需要在滑環上運動，為了提高檢查速度，通常X射線源和探測器的運動速度非常高，導致設備整體的可靠性和穩定性降低，此外，受運動速度的限制，CT的檢查速度也受到了限制。因此，在CT設備中需要一種能夠不移動位置就能產生多個視角的X射線源。
[0005]為了解決現有CT設備中滑環帶來的可靠性、穩定性問題和檢查速度問題以及陽極靶點耐熱問題，在現有專利文獻中提供了一些方法。例如旋轉靶X射線源，可以在一定程度上解決陽極靶過熱的問題，但是，其結構複雜並且產生X射線的靶點相對於X射線源整體仍然是一個確定的靶點位置。例如，有的技術為了實現固定不動X射線源的多個視角而在一個圓周上緊密排列多個獨立的傳統X射線源來取代X射線源的運動，雖然這樣也能夠實現多視角，但是成本高，並且，不同視角的靶點間距大，成像質量(立體解析度)很差。此外，在專利文獻I (US4926452)中提出了一種產生分布式X射線的光源以及方法，陽極靶具有很大的面積，緩解了靶過熱的問題，並且，靶點位置沿圓周變化，可以產生多個視角。雖然專利文獻I是對獲得加速的高能量電子束進行掃描偏轉，存在控制難度大、靶點位置不分立以及重複性差的問題，但仍然是一種能產生分布式光源的有效方法。此外，例如在專利文獻2 (US20110075802)與專利文獻3 (W02011/119629)中提出了一種產生分布式X射線的光源以及方法，陽極靶具有很大的面積，緩解了靶過熱的問題，並且，靶點位置分散固定且陣列式排列，可以產生多個視角。此外，採用碳納米管做為冷陰極，並且對冷陰極進行陣列排布，利用陰極柵極間的電壓控制場發射，從而控制每一個陰極按順序發射電子，在陽極上按相應順序位置轟擊靶點，成為分布式X射線源。但是，存在生產工藝複雜、碳納米管的發射能力與壽命不高的不足之處。
【發明內容】
[0006]本發明是為了解決上述課題而提出的，其目的在於提供一種無需移動光源就能產生多個視角並且有利於簡化結構、提高系統穩定性、可靠性、提高檢查效率的柵控分布式X射線裝置以及具有該柵控分布式X射線裝置的CT設備。
[0007]為了實現上述目的，本發明提供一種柵控分布式X射線裝置，其特徵在於，具備:真空盒，四周密封並且內部為高真空；多個電子發射單元，每個電子發射單元互相獨立且排成線形陣列安裝在所述真空盒一端的盒壁上；陽極，安裝在所述真空盒內的另一端，並且，在長度方向上與所述電子發射單元的柵極所在的平面平行且在寬度方向上與所述電子發射單元的柵極所在的平面形成預定角度的夾角；電源與控制系統，具有與所述陽極連接的高壓電源、與所述多個電子發射單元的每一個連接的燈絲電源、與所述多個電子發射單元的每一個柵極連接的柵極控制裝置、用於對各電源進行控制的控制系統。所述電子發射單元具有:加熱燈絲；與所述加熱燈絲連接的陰極；燈絲引線，從所述加熱燈絲的兩端引出並且與所述燈絲電源連接；柵極，以與所述陰極對置的方式配置在所述陰極的上方；絕緣支撐件，具有開口，並且，包圍所述加熱燈絲以及所述陰極；連接固定件，連接在所述絕緣支撐件的下端外沿，與所述真空盒的盒壁密封連接。所述柵極具有:柵極架，由金屬製成並且在中間形成有開孔；柵網，由金屬製成並且固定在所述柵極架的所述開孔的位置；柵極引線，從所述柵極架引出並且與所述柵極控制裝置連接。所述柵極以與所述陰極對置的方式配置在所述絕緣支撐件的所述開口上，所述燈絲引線以及所述柵極引線穿過所述絕緣支撐件從所述電子發射單元弓丨出到外部。
[0008]此外，在本發明中的柵控分布式X射線裝置中，還具有:高壓電源連接裝置，將所述陽極和所述高壓電源的電纜連接，安裝在所述真空盒的靠近所述陽極的一端的側壁；燈絲電源連接裝置，用於連接所述加熱燈絲和所述燈絲電源；柵極控制裝置連接裝置，用於將所述電子發射單元的所述柵極和所述柵極控制裝置連接。
[0009]此外，在本發明中的柵控分布式X射線裝置中，所述柵極的所述開孔的中心與所述陰極的中心對準，所述開孔的形狀與所述陰極的形狀對應。
[0010]此外，在本發明中的柵控分布式X射線裝置中，所述絕緣支撐件為圓柱形，所述柵極架、所述陰極以及所述柵網為圓形。
[0011]此外，在本發明中的柵控分布式X射線裝置中，所述絕緣支撐件為圓柱形，所述柵極架、所述陰極以及所述柵網為長方形。
[0012]此外，在本發明中的柵控分布式X射線裝置中，所述絕緣支撐件為長方體形，所述柵極架、所述陰極以及所述柵網為圓形。
[0013]此外，在本發明中的柵控分布式X射線裝置中，所述絕緣支撐件為長方體形，並且，所述柵極架、所述陰極以及所述柵網為長方形。
[0014]此外，在本發明中的柵控分布式X射線裝置中，所述柵網為平面形、球面形或者U槽形。
[0015]此外，在本發明中的柵控分布式X射線裝置中，所述真空盒由玻璃或陶瓷製成。
[0016]此外，在本發明中的柵控分布式X射線裝置中，所述真空盒由金屬材料製成。
[0017]此外，在本發明中的柵控分布式X射線裝置中，還具有:真空電源，包括在所述電源與控制系統內；真空裝置，安裝在所述真空盒的側壁上，利用所述真空電源進行工作，維持所述真空盒內的高真空。
[0018]此外，在本發明中的柵控分布式X射線裝置中，所述多個電子發射單元排列成直線形或者是分段直線形。
[0019]此外，在本發明中的柵控分布式X射線裝置中，所述多個電子發射單元排列成圓弧形或者是分段圓弧形。
[0020]此外，在本發明中的柵控分布式X射線裝置中，所述多個電子發射單元的排列間隔是均勻的。
[0021]此外，在本發明中的柵控分布式X射線裝置中，所述多個電子發射單元的排列間隔是非均勻的。
[0022]此外，在本發明中的柵控分布式X射線裝置中，所述柵極控制裝置包括控制器、負高壓模塊、正高壓模塊以及多個高壓開關元件，所述多個開關元件的每一個至少包括一個控制端、兩個輸入端、一個輸出端，各端點之間的耐壓至少大於所述負高壓模塊和所述正高壓模塊所構成的最大電壓，所述負高壓模塊向所述多個高壓開關元件的每一個的一個輸入端提供穩定的負高壓，所述正高壓模塊向所述多個高壓開關元件的每一個的另一個輸入端提供穩定的正高壓，所述控制器對所述多個高壓開關元件的每一個進行獨立控制，所述柵極控制裝置還具有多個控制信號輸出通道，一個所述高壓開關元件的輸出端與所述控制信號輸出通道中的一個連接。
[0023]此外，本發明提供一種CT設備，其特徵在於，所使用的X射線源是如上所述的柵控分布式X射線裝置。
[0024]根據本發明，主要是提供一種柵控分布式X射線裝置，在一個光源設備中產生按某種順序周期變換焦點位置的X射線。本發明的電子發射單元採用熱陰極，相對於其它設計具有發射電流大、壽命長、技術成熟的優點；多個電子發射單元各自獨立固定在真空盒上，裝配簡單、控制靈活、維修方便；通過對柵極的控制來控制各個電子發射單元的工作狀態，狀態切換快速、精準，可以靈活組合出多種工作狀態；採用長條型大陽極的設計，有效緩解了陽極過熱的問題，有利於提高光源的功率；電子發射單元可以直線排列，整體成為直線型分布式X射線裝置，電子發射單元也可以環形排列，整體成為環型分布式X射線裝置，可以滿足眾多使用條件，應用靈活；通過柵極控制電壓的設計，使各電子發射單元產生的電子束具有自聚焦的效果，得到小靶點。相對其它分布式X射線光源設備，本發明電流大，靶點小，靶點位置分布均勻且重複性好，輸出功率高，結構簡單，控制方便，成本低。
[0025]將本發明的分布式X射線光源應用於CT設備，無需移動光源就能產生多個視角，因此可以省略滑環運動，有利於簡化結構，提高系統穩定性、可靠性，提高檢查效率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]圖1是本發明的柵控分布式X射線裝置的結構示意圖。
[0027]圖2是本發明中的一種電子發射單元的結構示意圖。
[0028]圖3是本發明中的一種圓柱形電子發射單元的結構的俯視圖，(A)是圓形柵孔的情況，(B)是長方形柵孔的情況。
[0029]圖4是本發明中的一種長方體形電子發射單元的結構俯視圖，(A)是圓形柵孔的情況，(B)是長方形柵孔的情況。
[0030]圖5是本發明中的陰極的結構示意圖，(A)是平面圓形的陰極，(B)是平面長方形的陰極，(O是球面圓弧形的陰極，(D)是圓柱弧面形的陰極。
[0031]圖6是本發明中的柵網的結構示意圖，(A)是平面型柵網，(B)是球面型柵網，(C)
是U槽型柵網。
[0032]圖7是在本發明的直線排列的分布式X射線裝置內部電子發射單元與陽極的布置關係的正面不意圖。
[0033]圖8是在本發明的直線排列的分布式X射線裝置內部電子發射單元與陽極的布置關係的側面不意圖。
[0034]圖9是本發明的柵極控制裝置的結構示意圖。
[0035]圖10是本發明的利用柵極的控制進行的自動聚焦的示意圖。
[0036]圖11是在本發明的圓弧型柵控分布式X射線裝置的內部電子發射單元與陽極的布置關係的不意圖，(A)是從圓弧中心觀察的圖，(B)是從圓弧一端觀察的圖。
[0037]附圖標記說明:
I電子發射單元
2陽極 3真空盒
4高壓電源連接裝置
5燈絲電源連接裝置
6柵極控制裝置連接裝置
7電源與控制系統
8真空裝置
E電子束流
X X射線
101加熱燈絲
102陰極
103柵極
104絕緣支撐件
105燈絲引線
106柵極架
107柵網
108柵極引線
109連接固定件
701控制系統
702 高壓電源
703柵極控制裝置
70301控制器 70302負高壓模塊 70303 正高壓模塊 704燈絲電源 801真空泵 802真空閥。
【具體實施方式】
[0038]以下，參照附圖詳細地對本發明進行說明。
[0039]圖1是本發明的柵控分布式X射線裝置的結構示意圖，圖2是本發明中的一種電子發射單元的結構示意圖。如圖1所示，本發明的柵控分布式X射線裝置包括多個電子發射單元I (至少兩個，以後也具體地稱為電子發射單元11、12、13、14、……)、陽極2、真空盒3、高壓電源連接裝置4、燈絲電源連接裝置5、柵極控制裝置連接裝置6、以及電源與控制系統7。此外，電子發射單元I由加熱燈絲101、陰極102、柵極103、絕緣支撐件104、連接固定件109等組成。多個電子發射單元I排列在一條直線上，陽極2是與電子發射單元I的排列相對應的長條形狀，並且，陽極2與由多個電子發射單元I排列而成的直線平行，高壓電源連接裝置4安裝在真空盒3的盒壁上，並且與真空盒3構成整體密封結構。
[0040]電子發射單元I用於按要求產生電子束流，安裝在真空盒3的一端的盒壁上(在此處定義為下端，參見圖1)，利用連接固定件109與真空盒3的壁構成整體密封結構，但是並不限於此，只要能夠將電子發射單元I安裝在真空盒3中，也可以利用其它方式安裝。此外，電子發射單元I的陰極端(包括加熱燈絲101、陰極102、柵極103)處於真空盒內，電子發射單元I的引線端(包括燈絲引線105、柵極引線108、連接固定件109)處於真空盒外，但是並不限於此，也可以是其它方式。此外，在圖2中示出了電子發射單元I的一種結構，電子發射單元I包括加熱燈絲101、陰極102、柵極103、絕緣支撐件104、燈絲引線105、連接固定件109，並且，柵極103由柵極架106、柵網107、柵極引線108組成。陰極102與加熱燈絲101連接在一起，加熱燈絲101通常採用鎢絲，陰極102通常採用熱發射電子能力強的材料，例如，氧化鋇、鈧酸鹽、六硼化鑭等。絕緣支撐件104包圍加熱燈絲101和陰極102，相當於電子發射單元I的殼體，採用絕緣材料，通常為陶瓷。燈絲引線105穿過絕緣支撐件104而被弓丨出到電子發射單元I的下端(但不限於此，只要引出到電子發射單元I的外部即可)，燈絲引線105與絕緣支撐件104之間為密封結構。柵極103安裝在絕緣支撐件104的上端(SP，配置在絕緣支撐件104的開口上)並且與陰極102對置，優選柵極103與陰極102的中心上下對齊。此外，柵極103包括柵極架106、柵網107、柵極引線108，柵極架106、柵網107、柵極引線108均為金屬製成，通常柵極架106為不鏽鋼材料，柵網107為鑰材料，柵極引線108為可伐(合金)材料。柵極引線108穿過絕緣支撐件104而被引出到電子發射單元I的下端(但不限於此，只要引出到電子發射單元I的外部即可)，柵極引線108與絕緣支撐件104之間為密封結構。
[0041]此外，具體地，關於柵極103的結構，其主體是一塊金屬板(例如，不鏽鋼材料)即柵極架106，在柵極架106的中間形成有開孔，該開孔的形狀可以是方形或圓形等，在該開孔的位置固定有金屬絲網(例如，鑰材料)即柵網107，並且，從金屬板的某個位置引出一根引線(例如，可伐合金材料)即柵極引線108，從而能夠將柵極103連接到一個電位。此外，柵極103位於陰極102的正上方，柵極103的上述開孔的中心與陰極102的中心對準(SP，上下在一條垂線上)，開孔的形狀與陰極102的形狀相對應，通常開孔的大小比陰極102的面積小。但是，只要是電子束流能夠通過柵極103，柵極103的結構並不限於上述結構。此夕卜，柵極103與陰極102之間通過絕緣支撐件104進行相對位置固定。
[0042]此外，具體地，關於連接固定件109的結構，推薦的，其主體是一個圓形刀口法蘭，中間形成有開孔，該開孔的形狀可以是方形或圓形等，在開孔的位置與絕緣支撐件104的下端外沿密封連接，如焊接連接，刀口法蘭的外沿形成有螺釘孔，可以通過螺栓連接將電子發射單元I固定在真空盒3的壁上，其刀口與真空盒3的壁之間形成真空密封連接。這是一種方便拆卸的靈活結構，當多個電子發射單元I中的某一個發生故障時，可以靈活更換。需要指出的是，連接固定件109的功能是實現絕緣支撐件104與真空盒3之間的密封連接，可以有多種靈活的方式，如通過金屬法蘭過渡的焊接，或者玻璃高溫熔融密封連接，或者陶瓷金屬化後與金屬的焊接等方式。
[0043]此外，電子發射單元I可以是圓柱形的結構，S卩，絕緣支撐件104為圓柱形，而陰極
102、柵極架106、柵網107可以同時為圓形或者同時為長方形。在圖3中示出了一種圓柱形的電子發射單元I的俯視圖，其中，(A)示出了陰極102、柵極架106、柵網107同時為圓形的結構，(B)示出了陰極102、柵極架106、柵網107同時為長方形的結構。此外，對於圓形陰極，為了使陰極102的表面產生的電子實現更好的匯聚效果，通常優選將陰極102的表面加工成球面圓弧形(如圖5 (C)所示)。陰極102的表面的直徑通常為幾_，例如直徑2_，在柵極架106上所安裝的柵網107的開孔的直徑通常為幾mm，例如直徑1mm。此外，從柵極103到陰極102的表面的距離通常為零點幾mm到幾mm，例如2mm。此外，對於長方形陰極，為了使陰極102的表面產生的電子實現更好的匯聚效果，通常優選的是圓柱弧面形，這樣有利於窄邊方向的電子束流進一步會聚。通常弧面長度為幾mm到幾十mm，寬度為幾mm，例如長10mm、寬2mm。與此相應地，柵網107為長方形，優選其寬度為1mm、長度為10mm。在圖5中示出了陰極102分別為平面圓形、平面長方形、球面圓弧形、圓柱弧面形這四種結構的情況。
[0044]此外，電子發射單元I也可以是長方體型結構，即，絕緣支撐件104為長方體，而陰極102、柵極架106、柵網107可以同時為圓形，或者同時為長方形。在圖4中示出了一種長方體形的電子發射單元I的俯視圖，其中(A)示出了陰極102、柵極架106、柵網107同時為圓形的結構，(B)示出了陰極102、柵極架106、柵網107同時為長方形的結構。需要指出的是，圖3以及圖4中的斜紋線是為了便於區分各個不同的部件，不是表示剖面。
[0045]此外，具體地，關於柵網107的結構，如圖6所示，可以是平面型，也可以是球面型，還可以是U槽型，推薦的是球面型，這是因為球面型的柵網會使得電子束具有更好的聚焦效果。
[0046]此外，陽極2為長條形金屬，安裝在真空盒3內部的另一端(在此處定義為上端，參見圖1)，並且，如圖7所示，在長度方向(圖1、7中的左右方向)上與電子發射單元I的排列線平行，此外，在寬度方向上，陽極2的表面與電子發射單元I的表面所在的平面形成一個小的夾角，通常該夾角為幾度到幾十度(如圖8所示)，典型的如15度。在陽極2上施加有正的高壓電壓，通常為幾十kV到幾百kV，典型的如180kV，由此，在陽極2和電子發射單元I之間形成平行的高壓電場，穿過柵網107的電子束流受到高壓電場的作用而加速，逆著電場方向運動，最終轟擊陽極2，從而產生X射線。此外，優選陽極2採用耐高溫的金屬鎢或者鎢合金等材料。需要指出的是，圖7與圖8中的電子發射單元I只體現了處於真空盒3內的部分，並且電子發射單元的形狀為圓柱形。
[0047]此外，電源與控制系統7包括控制系統701、高壓電源702、柵極控制裝置703、燈絲電源704等。高壓電源702通過安裝在真空盒3的盒壁上的高壓電源連接裝置4與陽極2相連接。柵極控制裝置703通過柵極控制裝置連接裝置6分別與各個柵極引線108連接，通常具有與電子發射單元I的數量相同數量的獨立的柵極引線108，柵極控制裝置703的輸出路數與柵極引線108的數量相同。柵極控制裝置連接裝置6通常為帶連接頭的電纜，數量與柵極引線108的數量相同，推薦的為耐壓不小於3kV的同軸線。燈絲電源704通過燈絲電源連接裝置5分別與各個燈絲引線105連接。燈絲電源連接裝置5通常為帶連接頭的電纜，推薦的為多根雙芯電纜，數量與電子發射單元I的數量相同，推薦的是燈絲電源704的輸出迴路的數量也與電子發射單兀I的數量相同，從而實現對應，並可以對每一個電子發射單元I的燈絲功率進行大小調節和獨立控制。此外，控制系統701對高壓電源702、柵極控制裝置703、燈絲電源704等的工作狀態進行控制。
[0048]此外，如圖9所示，柵極控制裝置703包括控制器70301、負高壓模塊70302、正高壓模塊70303以及多個高壓開關兀件switchl、switch2、switch3、switch4、......。多個高壓開關元件的每一個至少包含一個控制端(C)、兩個輸入端(Inl與In2)、一個輸出端(Out)，各端點之間的耐壓最少要大於負高壓模塊70302和正高壓模塊70303所構成的最大電壓(即，如果負高壓輸出一 500V並且正高壓輸出+2000V，那麼各端點間的耐壓至少要大於2500V)。控制器70301具有多路獨立的輸出，每一路連接到一個高壓開關元件的控制端。負高壓模塊70302提供一個穩定的負高壓，通常為負幾百伏，範圍可以是OV至一 10kV，推薦的為一 500V，該負高壓連接到各個高壓開關元件的一個輸入端，此外，正高壓模塊70303提供一個穩定的正高壓，通常為正幾千伏，範圍可以是OV至+10kV，推薦的為+2000V，該正高壓連接到各個高壓開關元件的另一個輸入端。各高壓開關元件的輸出端分別連接到控制信號輸出通道channell、channel2、channel3、channel4、......而匯合成多路控制信號進行輸出。控制器70301控制各高壓開關元件的工作狀態，使得各輸出通道的控制信號為負高壓或者正高壓。
[0049]此外，電源與控制系統7能夠在不同的使用條件下對燈絲電源704的各個輸出迴路的電流大小進行調節，從而調節各加熱燈絲101給陰極102的加熱溫度，用來改變各電子發射單元I的發射電流大小，最終調節各次X射線發射的強度。此外，也可以調節柵極控制裝置703的各個輸出通道的正高壓控制信號的強度，從而改變各電子發射單元I的發射電流大小，最終調節各次X射線發射的強度。此外，也可以對各電子發射單元I的工作時序和組合工作模式進行編程以靈活控制。
[0050]此外，真空盒3是四周密封的空腔殼體，其內部為高真空，殼體可以由玻璃或陶瓷等絕緣材料構成。在真空盒3的下端(參見圖1)安裝有多個電子發射單元I，這些電子發射單元I排列成直線，在上端(參見圖1)安裝有長條形的陽極2，陽極2在長度方向上與電子發射單元I平行。真空盒3內部的空間足夠電子束流在電場中的運動而不會產生任何阻擋。真空盒3內的高真空是通過在高溫排氣爐內烘烤排氣獲得的，其真空度通常優於10_3Pa，推薦的是真空度優於KT5Pa。
[0051]此外，推薦的是真空盒3的殼體是金屬材料，在採用金屬材料的情況下，電子發射單元I通過其連接固定件109與真空盒3的壁進行刀口法蘭密封方式的連接，陽極2利用絕緣支撐材料在真空盒3內進行固定安裝，並且，真空盒3的殼體與電子發射單元I以及陽極2之間保持足夠的距離，既不會產生高壓打火，也不會對電子發射單元I與陽極2之間的電場分布產生實質影響。
[0052]此外，高壓電源連接裝置4用於將陽極2和高壓電源702的電纜連接，安裝在真空盒3的靠近陽極2的一端的側壁。高壓電源連接裝置4通常為內部帶金屬柱的錐形陶瓷結構，一端與陽極2相連接,另一端與真空盒3的盒壁緊密連接,一起形成真空密封結構。高壓電源連接裝置4內部的金屬柱用於使陽極2和高壓電源702的電纜接頭形成電路連接。通常高壓電源連接裝置4與電纜接頭之間設計為可插拔式結構。
[0053]此外，本發明的柵控分布式X射線裝置還可以包括真空裝置8，真空裝置8包括真空泵801和真空閥802，真空裝置8安裝在真空盒3的側壁上。真空泵801在真空電源705的作用下進行工作，用於維持真空盒3內的高真空。通常，柵控分布式X射線裝置在工作時，電子束流轟擊陽極2，陽極2會發熱並釋放少量氣體，通過使用真空泵801，能夠將這部分氣體快速抽出，從而維持真空盒3內部的高真空度。真空泵801優選使用真空離子泵。真空閥802通常選用可以承受高溫烘烤的全金屬真空閥門，如全金屬手動插板閥。真空閥802通常處於關閉狀態。相應地，柵控分布式X射線裝置的電源與控制系統7還包括真空裝置8的真空電源(Vacc PS) 705。
[0054]需要指出的是，本發明的柵控分布式X射線裝置工作於高真空狀態，高真空的獲得和維持方法可以是:將陽極2在真空盒3內完成安裝，將高壓電源連接裝置4及真空裝置8在真空盒3的壁上完成密封連接，在真空盒3下端的電子發射單元連接處先用盲板法蘭密封，使真空盒3整體形成一個密封結構；然後，將該結構置於真空爐中烘烤去氣，真空閥802連接外部真空抽氣系統，目的在於去除各部件的材料所吸附的氣體；然後，在常溫潔淨環境中，從真空閥802向真空盒3內注入氮氣，形成保護環境，再打開電子發射單元連接處的盲板法蘭並安裝電子發射單元，逐個進行；所有電子發射單元安裝好後，從真空閥802連接外部真空抽氣系統抽氣，並再次進行烘烤排氣，使真空盒3的內部為高真空；在烘烤排氣的過程中可進行各個電子發射單元的陰極的激活；烘烤排氣完成後，關閉真空閥802，使真空盒3內部保持高真空；柵控分布式X射線裝置工作過程中，陽極釋放的少量氣體由真空泵801抽除，維持真空盒3內部的高真空。當某一個電子發射單元損壞或者到壽命需要更換時，從真空閥802往真空盒3內部注入氮氣形成保護；在最短時間內，拆下需要更換的電子發射單元，安裝新的電子發射單元；真空閥802連接外部真空抽氣設備,對真空盒3抽真空；當真空盒3內部再次達到高真空時，關閉真空閥802，使真空盒3內部保持高真空。
[0055]需要指出的是，如果柵極控制裝置703隻改變相鄰的電子發射單元中的一個電子發射單元的柵極的狀態，在同一時刻，相鄰的電子發射單元只有一個進行電子發射而形成電子束流時，則該電子發射單元的柵極兩側的電場對該電子束流具有自動聚焦的效果。如圖10所示，圖中的用電子發射單元I與陽極2之間的箭頭表示電子運動的方向(逆電力線方向)。在圖10中，陽極2為高電壓+160kV，大電場的在電子發射單元I與陽極2之間的箭頭都是從電子發射單元I指向陽極2，也就是說，只要電子發射單元I發射出電子束流，則電子束流都會向陽極2運動。考察電子發射單元I的表面的局部電場狀態，在相鄰的電子發射單元12、13、14中，電子發射單元13的柵極103的電壓由一 500V變為+2000V，則電子發射單兀13進入電子發射狀態,相鄰的電子發射單兀12和電子發射單兀14的柵極103的電壓仍然為一 500V,如果電子發射單兀12、14存在電子發射，則電子從電子發射單兀12和電子發射單元14的柵極103向電子發射單元13的柵極103運動，但是，由於在電子發射單元12、14不存在電子發射，所以，從電子發射單元13發射出來的電子束受到了從電子發射單元13指向相鄰的電子發射單元12和電子發射單元14的電場的作用而受到擠壓，因此，具有自動聚焦效果。
[0056]此外，需要特別指出的是，本發明的柵控分布式X射線裝置可以是直線型排列，也可以是圓弧型排列，從而滿足不同的應用需求。在圖11中示出了在本發明的圓弧型柵控分布式X射線裝置的真空盒內部電子發射單元和陽極的布置關係的示意圖，(A)是從圓弧中心觀察的圖，(B)是從圓弧一端觀察的圖。需要指出的是，圖11中的電子發射單元I只體現了處於真空盒3內的部分，並且電子發射單元I的形狀為長方體形。電子發射單元I在一個平面上沿圓周布置，布置的弧度大小可以根據需要確定。陽極2布置在電子發射單元I的上方，是一種內高外低的圓弧錐面結構，即，在圓弧方向上與電子發射單元I所在的圓弧平行，在圓弧的軸線方向與電子發射單元I的上表面形成一個小的夾角，類似圓弧形屋頂結構。電子束流從電子發射單元I的上表面發射出來，受到陽極2與電子發射單元I之間的高壓電場加速，最終轟擊陽極2，在陽極2上形成圓弧形排列的系列X射線靶點，有用的X射線的出射方向指向圓弧的中心O。關於圓弧型柵控分布式X射線裝置的真空盒3，與其內部的電子發射單元I的布置和陽極2的形狀對應地也是圓弧型，或者稱為環形。圓弧型分布式X射線裝置的出射X射線都指向圓弧的圓心0，能夠應用於需要射線源圓形排列的情況。
[0057]此外，需要特別指出的是，在柵控分布式X射線裝置中，柵極與電子發射單元可以是分離的結構。
[0058]此外，需要特別指出的是，在柵控分布式X射線裝置中，各電子發射單元的排列可以是直線形，也可以是例如L形或者U形等分段直線形，此外，各電子發射單元的排列可以是弧形，還可以是分段弧線形，例如，由不同直徑的弧形段連接而成的曲線或者直線段與弧線段的組合等。
[0059]此外，需要特別指出的是，在柵控分布式X射線裝置中，各電子發射單元的排列間距可以是均勻的，也可以是非均勻的。
實施例
[0060](系統組成)
如圖1?圖9所示，本發明的柵控分布式X射線裝置由多個電子發射單元1、陽極2、真空盒3、高壓電源連接裝置4、燈絲電源連接裝置5、柵極控制裝置連接裝置6、真空裝置8以及電源與控制系統7組成。多個電子發射單元I排成線形陣列安裝在真空盒3的下端的盒壁上，電子發射單元I的陰極端處於真空盒內，電子發射單元I的引線端處於真空盒外，每個電子發射單元I互相獨立，長條形的陽極2安裝在真空盒3內的上端，在線型排列方向上，陽極2與電子發射單元I互相平行，在線型排列的垂直切面，陽極2與電子發射單元I的上表面形成一個小的夾角。高壓電源連接裝置4安裝在真空盒3的上端，內部與陽極2相連，外部以可插拔的形式連接高壓電纜。燈絲電源連接裝置5將每一個電子發射單元I的燈絲引線105連接到燈絲電源704。柵極控制裝置連接裝置6將各電子發射單元I的柵極引線108連接到柵極控制裝置703。真空裝置8安裝在真空盒3的側壁上，真空裝置8包括真空泵801和真空閥802。電源與控制系統7包括控制系統701、高壓電源702、柵極控制裝置703、燈絲電源704、真空電源705等多個模塊，通過電力電纜和控制電纜與系統的多個電子發射單元I的加熱燈絲101、柵極103以及陽極2、真空裝置8等部件相連接。
[0061](工作原理)
在本發明的柵控分布式X射線裝置中，電源與控制系統7對燈絲電源704、柵極控制裝置703與高壓電源702進行控制。在燈絲電源704的作用下，加熱燈絲101將陰極102加熱到高溫(例如，50(T200(TC)發射狀態，陰極102在其表面產生大量電子。柵極控制裝置703使各個柵極103處於負電壓，例如一 500V，各個電子發射單元I的柵極103與陰極102之間形成負電場，電子被限制在陰極102的表面。高壓電源702使陽極2處於非常高的正高壓，通常為正的幾十千伏到幾百千伏，在電子發射單元I與陽極2之間形成正的加速電場。在需要產生X射線的情況下，電源與控制系統7按照指令或者預先設定程序使柵極控制裝置703的某一路輸出由負電壓切換為正電壓，並且按照時序來變換各路輸出信號，例如，在時刻I，柵極控制裝置703的輸出通道channell由一 500V變為+2000V，在對應的電子發射單元11內，柵極103與陰極102之間的電場變為正電場，電子從陰極102的表面向柵極103運動，透過柵網107進入到電子發射單元11與陽極2之間的正向電場，從而獲得加速，變為高能量，最終轟擊陽極2，在陽極2上產生一個靶點21，並且，在靶點21的位置產生X射線的發射，在時刻2，柵極控制裝置703的輸出通道channel2由一 500V變為+2000V，對應的電子發射單元12發射電子，在陽極2上產生靶點22，並且在靶點22位置產生X射線的發射，在時刻3，柵極控制裝置703的輸出通道channel3由一 500V變為+2000V，對應的電子發射單元13發射電子，在陽極2上產生靶點23，並且在靶點23位置產生X射線的發射，依次類推，然後靶點24位置產生X射線的發射，然後靶點25位置產生X射線的發射……，並且循環往復。因此，電源與控制系統7利用柵極控制裝置703使各個電子發射單元I按照預定時序交替地進行工作而發射電子束，並且，在陽極2的不同位置交替地產生X射線，從而成為分布式X射線源。
[0062]此外，陽極2受到電子束流轟擊時釋放的氣體被真空泵801實時抽走，真空盒3內維持高真空，這樣有利於長時間穩定運行。電源與控制系統7除了對各電源進行控制以使按照設定程序驅動各個部件協調工作，同時可以通過通訊接口和人機界面接收外部命令，對系統的關鍵參數進行修改和設定，更新程序和進行自動控制調整。
[0063]此外，通過將本發明的柵控分布式X射線光源應用於CT設備，從而能夠得到系統穩定性及可靠性好並且檢查效率高的CT設備。
[0064](效果)
本發明主要是提供一種柵控分布式X射線裝置，在一個光源設備中產生按照預定順序周期性地變換焦點位置的X射線。本發明的電子發射單元採用熱陰極，相對於其它設計具有發射電流大、壽命長、技術成熟的優點；多個電子發射單元各自獨立固定在真空盒上，裝配簡單、控制靈活、維修方便；通過對柵極的控制來控制各個電子發射單元的工作狀態，狀態切換快速、精準，可以靈活組合出多種工作狀態；採用長條型大陽極的設計，有效緩解了陽極過熱的問題，有利於提高光源的功率；電子發射單元可以直線排列，整體成為直線型分布式X射線裝置，電子發射單元也可以環形排列，整體成為環型分布式X射線裝置，可以滿足眾多使用條件，應用靈活；通過利用柵極來控制電壓的設計，使各電子發射單元產生的電子束具有自聚焦的效果，得到小靶點。相對其它分布式X射線光源設備，本發明電流大，靶點小，靶點位置分布均勻且重複性好，輸出功率高，結構簡單，控制方便，成本低。
[0065]此外，將本發明的柵控分布式X射線光源應用於CT設備，無需移動光源就能產生多個視角，因此可以省略滑環運動，有利於簡化結構，提高系統穩定性、可靠性，提高檢查效率。
[0066]如上所述，對本申請發明進行了說明，但是並不限於此，應該理解為能夠在本發明宗旨的範圍內對上述實施方式進行各種組合以及各種變更。
【權利要求】
1.一種X射線裝置，其特徵在於，具備: 真空盒，四周密封並且內部為高真空； 多個電子發射單元，每個電子發射單元互相獨立且排成線形陣列安裝在所述真空盒內的一端的盒壁上； 陽極，由金屬構成，安裝在所述真空盒內的另一端，並且，在長度方向上與所述電子發射單元的柵極所在的平面平行且在寬度方向上與所述電子發射單元的柵極所在的平面形成預定角度的夾角；以及 電源與控制系統，具有與所述陽極連接的高壓電源、與所述多個電子發射單元的每一個連接的燈絲電源、與所述多個電子發射單元的每一個連接的柵極控制裝置、用於對各電源進行控制的控制系統， 所述電子發射單元具有:加熱燈絲；與所述加熱燈絲連接的陰極；燈絲引線，從所述加熱燈絲的兩端引出並且與所述燈絲電源連接；柵極，以與所述陰極對置的方式配置在所述陰極的上方；絕緣支撐件，具有開口，並且，包圍所述加熱燈絲以及所述陰極；連接固定件，連接在所述絕緣支撐件的下端外沿， 所述柵極具有:柵極架，由金屬製成並且在中間形成有開孔；柵網，由金屬製成並且固定在所述柵極架的所述開孔的位置；柵極引線，從所述柵極架引出並且與所述柵極控制裝置連接， 所述柵極以與所述陰極對置的方式配置在所述絕緣支撐件的所述開口上， 所述燈絲引線以及所述柵極引線穿過所述絕緣支撐件從所述電子發射單元引出到外部， 所述連接固定件與所述真空盒的盒壁密封連接。
2.如權利要求1所述的X射線裝置，其特徵在於， 所述絕緣支撐件為圓柱形，所述柵極架、所述陰極以及所述柵網為圓形。
3.如權利要求1所述的X射線裝置，其特徵在於， 所述絕緣支撐件為圓柱形，所述柵極架、所述陰極以及所述柵網為長方形。
4.如權利要求1所述的X射線裝置，其特徵在於， 所述絕緣支撐件為長方體形，所述柵極架、所述陰極以及所述柵網為圓形。
5.如權利要求1所述的X射線裝置，其特徵在於， 所述絕緣支撐件為長方體形，所述柵極架、所述陰極以及所述柵網為長方形。
6.如權利要求1所述的X射線裝置，其特徵在於， 所述柵網為平面形、球面形或者U槽形。
7.如權利要求1所述的X射線裝置，其特徵在於， 所述真空盒由玻璃或陶瓷製成。
8.如權利要求1所述的X射線裝置，其特徵在於， 所述真空盒由金屬材料製成。
9.如權利要求1?8的任意一項所述的X射線裝置，其特徵在於， 還具有:高壓電源連接裝置，將所述陽極和所述高壓電源的電纜連接，安裝在所述真空盒的靠近所述陽極的一端的側壁；燈絲電源連接裝置，用於連接所述加熱燈絲和所述燈絲電源；柵極控制裝置連接裝置，用於將所述電子發射單元的所述柵極和所述柵極控制裝置連接。
10.如權利要求1?8的任意一項所述的X射線裝置，其特徵在於， 還具有:真空電源，包括在所述電源與控制系統內；真空裝置，安裝在所述真空盒的側壁上，利用所述真空電源進行工作，維持所述真空盒內的高真空。
11.如權利要求1?8的任意一項所述的X射線裝置，其特徵在於， 所述多個電子發射單元排列成直線形或者分段直線形。
12.如權利要求1?8的任意一項所述的X射線裝置，其特徵在於， 所述多個電子發射單元排列成圓弧形或者分段弧線形。
13.如權利要求1?8的任意一項所述的X射線裝置，其特徵在於， 所述多個電子發射單元的排列間隔是均勻的。
14.如權利要求1?8的任意一項所述的X射線裝置，其特徵在於， 所述多個電子發射單元的排列間隔是非均勻的。
15.如權利要求1?8的任意一項所述的X射線裝置，其特徵在於， 所述柵極控制裝置包括控制器、負高壓模塊、正高壓模塊以及多個高壓開關元件， 所述多個高壓開關元件的每一個至少包括一個控制端、兩個輸入端、一個輸出端，各端點之間的耐壓至少大於所述負高壓模塊和所述正高壓模塊所構成的最大電壓， 所述負高壓模塊向所述多個高壓開關元件的每一個的一個輸入端提供穩定的負高壓， 所述正高壓模塊向所述多個高壓開關元件的每一個的另一個輸入端提供穩定的正高壓， 所述控制器對所述多個高壓開關元件的每一個進行獨立控制， 所述柵極控制裝置還具有多個控制信號輸出通道， 一個所述高壓開關元件的輸出端與所述控制信號輸出通道中的一個連接。
16.一種CT設備，其特徵在於， 所使用的X射線源是權利要求1?15的任意一項所述的X射線裝置。
【文檔編號】H01J35/08GK104470178SQ201310427203
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2013年9月18日 優先權日:2013年9月18日
【發明者】唐傳祥, 唐華平, 陳懷璧, 黃文會, 張化一, 鄭曙昕, 劉耀紅, 劉晉升 申請人:清華大學, 同方威視技術股份有限公司