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X射线源

阅读：693发布：2020-05-12

专利汇可以提供X射线源专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开一种紧凑的 X射线源，它可提高对不需要高压效应的绝缘的可控制性。按照一个方面，一个与阴极串联的有源可变电导器件(130，330)被用在闭环中反馈安置来控制阴极电子束电流；通过该器件流向阴极的电流被直接检测并与所期望电流电平相比。利用该比较结果来控制该器件的电导，由此直接影响阴极电流。按照第二方面，提供一种法拉第罩的延伸，由此使用来向罩内部件提供功率的变压器的次级绕组被屏蔽在一与该罩相连并从中伸出的共轴的管形件内。，下面是X射线源专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种X射线源，其特征在于，包括：
一个X射线发射靶(70)；
一个高压电源(20，90，290)；
一个阴极灯丝(30，230)和一个阳极(60)，耦合到所述的高压电源上，所述的阴极灯丝从所述的高压电源汲取电流并经过所述阳极电极发射指向所述靶的电子束(50)；
一个控制栅电极(40，240)；
自偏压装置，用来产生应用于所述控制栅电极的偏压，以控制所述电子束的大小并产生用于电子束的聚焦电场，该自偏压装置包括：一个有源可变电导器件(130，330)和用来检测所述电子束电流并产生其大小指示的检测装置(160，325/361)；
用来将所述指示传递至远处位置的装置(355，355a)；
在所述远处位置处用来监控所述电子束电流并确定其所需调节的装置；和
控制装置(140，366/365)，用来产生指示所述调节的控制信号并将所述控制信号施加在所述有源可变电导器件上，以控制其电导来改变电子束电流，从而依照所述调节来改变所述电子束的大小。
2.根据权利要求1所述的X射线源，其特征在于，所述有源可变电导器件是晶体管(130，330)。
3.根据权利要求2所述的X射线源，其特征在于，所述晶体管是场效应晶体管(330)或双极晶体管(130)。
4、如权利要求1所述的X射线源，其特征在于，所述有源可变电导器件包括一或多个光敏电阻。
5、如权利要求1至4中任一项所述的X射线源，其特征在于，所述控制装置包括光学装置(366，365)。
6.根据权利要求5所述的X射线源，其特征在于，所述光学装置包括：用来传递光信号的纤维光学系统(155，355a/355b)，和用来将光信号转换成电信号和将电信号转换成光信号的电光器件。
7.根据权利要求1所述的X射线源，其特征在于，所述控制装置包括：能够产生指示所述电子束电流的调频光信号(371)的装置 (361，362)，用来将所述调频光信号传送至所述远处位置的装置 (355a)，和在所述远处位置处用来将所述光信号转换成能够被用户输入所影响的电信号的装置(363，364)。
8.根据权利要求7所述的X射线源，其特征在于，在所述远处位置处设置一计算机，能够被用户操纵来影响所述电子束电流。
9.根据权利要求1所述的X射线源，其特征在于，还包括：反馈装置(366，355b，365)，将来自所述远处的控制信号传递至所述有源可变电导器件。
10.根据权利要求9所述的X射线源，其特征在于，所述反馈装置包括：光学装置(366，355b，371)，并且所述控制信号包括调幅光信号(351)。
11.根据前述任一权利要求所述的X射线源，其特征在于，还包括：一个电流检测器(160，160A)，用来检测所述高压电源与所述阴极灯丝之间的电流，被设置在所述高压电源(20)的输出端与所述有源可变电导器件(130)之间，或者设置在所述有源可变电导器件与所述阴极灯丝(30)之间。
12.根据权利要求11所述的X射线源，其特征在于，所述检流器的输出被直接或间接施加在所述控制装置(140)上。
13、如前述任一权利要求所述的X射线源，其特征在于，还包括：一个其中装有电路的法拉第屏蔽(210，410)、一个高压电源和一个隔离变压器，其中一个隔离变压器绕组(190，390)是轴向屏蔽的，该屏蔽(193/194，393)形成该法拉第屏蔽的延续。
14.根据权利要求13所述的X射线源，其特征在于，所述的隔离变压器绕组包括一次级绕组(190，390)，所述变压器的初级绕组通过变压器铁心(200，400)耦合在该次级绕组上；该变压器次级绕组被设置成将电能馈入所述法拉第屏蔽内的电路中。
15.根据权利要求14所述的X射线源，其特征在于，所述的屏蔽被电连接到一个绕组上。
16.根据权利要求14或15所述的X射线源，其特征在于，所述的共轴屏蔽包括：一个环形金属外皮(193)，该外皮围绕在变压器次级绕组(190)周围并作为管子(194)从次级绕组朝所述法拉第屏蔽 (210)延伸；该环形外皮被成形带有一间断(196)，以避免其用作短路线圈。
17.根据权利要求13至16中任一项所述的X射线源，其特征在于，所述的外共轴导体(193，393)连接到该次级绕组(190，390) 上，由此形成该次级绕组的一部分。
18.X射线装置，其特征在于，包括：前述任一或多个权利要求所述的X射线源。

说明书全文

技术领域：

本发明总体上涉及X射线的产生，尤其但并不专门涉及一种紧凑的 X射线源。

背景技术：

一般的X射线源包括一热离子源(一般是旁热式灯丝)、一将电子加速至高能量的高压电源和一由高原子序数金属制成的靶。

图1描绘一种非常基本和传统的X射线源的简单示意图，不过实际上该X射线源通常都采用更加复杂的结构来实现，包括使用另外的电极和磁场来控制和聚焦电子束。

在隔离加热源10的作用下，电子从热阴极灯丝30以热离子发射，并经过一居间的阳极60被吸附到金属靶70上。由于借助于高压电源20 在灯丝和阳极/靶之间建立的高位差，电子束50中的电子被加速射向靶。一旦电子撞击靶70，就通过各种方法激励X射线的发射，从而产生X 射线束80的发射。

由于希望阳极和靶处于地电位或大体接近地电位，因此阴极灯丝相对于地就必须处于非常高的负电位。而且，阴极灯丝需要几瓦的功率来达到可工作温度。

图2表示一般的X射线源配置，其中阴极灯丝30被由隔离变压器 11提供的电压来加热。一般，该电压介于2V至6V之间，同时电子被由称之为Cockcroft-Walton电压倍增器的倍压器90提供的高压来加速。该高压可以是在几百千伏的范围内，例如160kV。

通常需要构造一种紧凑的X射线源，这种需要会引入或加剧各种各样的问题，例如与提供精确和有效地控制电子束电流相联系的问题，特别是在希望该X射线源在低辐射输出时能够可靠工作的情况下，以及与在各个部件间获得充分绝缘相联系的问题。

一般对于X射线源通常都希望对电子束50的电流进行控制，在性能差的X射线源，这经常依赖于较热灯丝会比较冷灯丝发出更多电流的原理，仅仅通过改变灯丝的温度来实现。在较高性能的系统中，如在图 3中用非常基本的形式所例示的，这是借助于经常被称为聚焦杯或文纳尔聚焦电极(Wehnelt)的场控电极40，通过控制空间电荷限制体系 (limited regime)中的电子束来实现的。这种聚焦杯40需要相对于阴极灯丝处于负电位，类似于热离子三极真空管中的栅极。该所需的电位可由一个电隔离的偏压电源来提供，或者利用阴极灯丝30和聚焦杯40 之间的反馈电阻120自动偏压来提供。通过该反馈电阻120的电流产生所需的负偏压。然而，这种负反馈系统具有难于调节的缺点。

在传统的X射线源需要工作在低电子束电流电平上时，因为从阴极和聚焦杯泄漏的电子电流与总电子束电流相比变得很显著，所以就会出现问题。这种问题经常起因于冷阴极放电(场致发射)、“表面放电路径形成(surface tracking)”或其它这类有问题的现象。传统的X射线源利用定位在处于地电位(在图4中示意性表示为25)的高压电源一端的电流检测电路来测量电子束电流。因为该系统内在此点处的任何电流测量都不能把实际的热离子电子束电流和泄漏电流区分开，所以就会出现问题。由于对实际电子束电流的精确控制是不可能的，因此这种不能从整个电流测量中分出电流泄漏电平就导致X射线输出的变化。尤其在要求低辐射输出电平的情形下，由诸如上述提到的这些乱真 (spurious)因素而引起在测量电子束电流中的变化就显著并不利影响辐射输出电平和工作的稳定性。

传统X射线源的另一个问题起因于加速电子束所需要的高压。在采用这种极端电位差时，经常有放电或电击穿的危险。当这类现象出现时，就会快速改变电场。此类电场感应出大电流在X射线电源的电子电路内瞬时流动，这些电流可能会损坏或破坏电路元件，从而引起X射线源的故障。对此问题通常的解决办法是将所有灵敏的元件和电路封闭在法拉第屏蔽内，以避免其受任何快速变化场的影响。

在已知的X射线源中，法拉第屏蔽的完整性被需要留一条管道以将能量和信号通过该管道引入电路所破坏。用来提供信号通道的屏蔽破坏也提供在高压击穿(breakdown)期间的信号干扰。尤其是，该屏蔽的完整性被隔离变压器的使用所破坏，该隔离变压器一般被用于将能量和信号引入法拉第屏蔽内。

本发明试图消除上述所有的问题或一些问题。

发明内容：

本发明的一个方面是一种X射线源，包括：一个高压电源；一个耦合在所述高压电源上的阴极灯丝；一个连接在该阴极灯丝和高压电源之间的有源可变电导器件(an active variable conductance device)；用来确定通过所述可变电导器件流入所述阴极灯丝的电流量并提供其信号指示的装置；和用来利用所述信号控制所述电流量从而控制从所述阴极发射的电子束的电流的控制装置。

这种电流控制布局(arrangement)在概念和效果上都显著不同于传统的电路方案，传统的电路方案一般采用单独的直流电源来提供在阴极电位处下动的栅压。这类供应的电压电平需要精确的控制和稳定性。在美国专利No.5,528,657中已经提出使用这种串联-调节(series- regulating)元件来控制工作高压(阳极/阴极)电平，但是该文献并未教导对栅压电平的串联调节控制。本发明在概念和效果上也显著不同于脉冲栅极X射线管用的电路布置，如在日本专利申请No.59132599中所公开的。该文献教导采用晶体管作为栅极电路中的开关，来以电流脉冲最小的过冲和失真来影响(effect)快速电子束转换。

优选的是，该有源可变电导器件是晶体管，例如场效应晶体管 (FET)或者双极晶体管。

作为替代，该有源可变电导器件可以包括一或多个光敏电阻(light dependent resistor)。

有利的是，这种控制装置包括纤维光学系统(fibre optics)和电光器件或其它任何的光学链路。

通过使用有源可变电导器件来代替先有技术中的无源电阻，就可极大地有利于对电子束电流的控制。优选的是，光学链路被用来控制该可变电导器件，从而减小电磁场干扰的危险。

在一优选实施例中，提供一检流器来检测高压电源和阴极灯丝间的电流，或者高压电源输出和有源可变电导器件间的电流，或者有源可变电导器件和阴极灯丝间的电流。

通过测量该点处而不是高压电源接地端处的电流，就可能区别来自灯丝的实际热离子发射和所有其它形式的泄漏电流。由此，实际的热离子发射电流就可以被测量和控制。

本发明的第二方面，是一种X射线源，包括：一法拉第屏蔽，其中放置有电路；一高压电源和一隔离变压器，其中该隔离变压器被同轴地屏蔽；该屏蔽形成该法拉第屏蔽的延续。

该隔离变压器优选是与电子加速装置和阴极灯丝变压器或者其它阴极灯丝供电装置电连接。

本发明的第一方面和第二方面单个都是有用的(available)，但是一优选实施例包括一种含有本发明两个方面的X射线源。

根据本发明，这里提供一种X射线源，其特征在于，包括：一个X 射线发射靶；一个高压电源；一个阴极灯丝和一个阳极，耦合到所述的高压电源上，所述的阴极灯丝从所述的高压电源汲取电流并经过所述阳极电极发射指向所述靶的电子束；一个控制栅电极；自偏压装置，用来产生应用于所述控制栅电极的偏压，以控制所述电子束的大小并产生用于电子束的聚焦电场，该自偏压装置包括：一个有源可变电导器件和用来检测所述电子束电流并产生其大小指示的检测装置；用来将所述指示传递至远处位置的装置；在所述远处位置处用来监控所述电子束电流并确定其所需调节的装置；和控制装置，用来产生指示所述调节的控制信号并将所述控制信号施加在所述有源可变电导器件上，以控制其电导来改变电子束电流，从而依照所述调节来改变所述电子束的大小。

根据本发明，这里还提供一种包括任何一个或多个此处所描述或所要求保护的新颖特征的X射线源或装置。

附图说明：

仅只借助于实例并参照所附的示意图来描述本发明的实施例。

图1表示一传统X射线源的电路布置；

图2表示在结合有高压倍增电路和隔离加热变压器的X射线源中的传统阴极灯丝加热；

图3表示一利用负反馈偏压的X射线源；

图4表示依照本发明第一方面的一个实例的X射线源的一个实施例；

图5表示依照本发明第一方面的另一实例的X射线源的另一实施例；

图6表示依照本发明第二方面的一个实例的X射线源的一个实施例；

图7表示依照本发明第二方面的另一实例的X射线源的另一实施例；

图8表示结合本发明两个方面的实例的X射线源的一优选实施例。

具体实施方式

在所有的图1至7中，相同的参考标记始终被用于表示相似的部件和特征。但是，在图8中，直接与图1至7中可比的部件和特征被给出在图1至7中所用增加200的参考标记。
在图1所示的传统X射线源中，阴极灯丝30连接在隔离电源10上。环绕阴极灯丝30并连接在高压电源20上的是聚焦杯40。在操作中，电子束50通过环形阳极60被加速并被聚焦在发射X射线80的金属靶70 上。电源10通常包括一隔离的逐降(step-down)变压器(在图2中示作11)，提供大约6V的电压来加热阴极灯丝30。
图2表示一种传统的X射线源，包括连接在聚焦杯40上的高压倍增器电路90。在此，隔离变压器11被表示为连接在阴极灯丝30上。另外，倍压器90是通常所说的Cockcroft-Walton倍压器90。大多数现代的X射线源都使用此类倍压器，其功能对本领域的熟练人员是公知的。
在图3所示的传统X射线源中，包括一可变反馈电阻120，连接在阴极灯丝30和聚焦杯40之间。这种结构向聚焦杯40提供负偏压，从而确保聚焦杯40与阴极灯丝30的电位相比处于负电位。如果该聚焦杯用以提供对该电子束电流的空间电荷控制，偏压是必需的，并且通常偏压可供选择的是由隔离负偏压电源来提供。
起因于图3中X射线源的问题，来源于和安全、精确地改变反馈电阻的值以保持对电子束电流的最佳控制有关的困难。依照本发明第一方面的X射线源实施例表示在图4中。此处，采用一个有源可变电导器件 130来代替反馈电阻。该器件例如可以是一场效应晶体管(FET)。作为选择，也可使用由光学链路控制用以改变电导的光敏电阻(LDR)。实际上，读者知道存在着许多其它的器件适合特定的应用需要。
在图4的X射线源中，该可变电导器件130是一双极电阻，响应于控制信号150而由控制电路140控制(通过多种已知方法中的一种)。在采用光学控制的情形中，控制信号150由已知光学链路中选择的一种像传统的纤维光缆来传递，并被适当的电光器件像发光二极管(LED) 和光电二极管来转换。按照这种方式，就可以提供对电子束电流的精确动态和无惯性控制。
在依照本发明第一方面的X射线源的再一实施例中，如图5所示，采用电流检测电路160来提供对电子束电流的可量度指示。此电路可以包括一LED，其亮度直接与放大的电子束电流成正比。此电路通过控制信号150和相关的控制电路140产生控制信号170，该控制信号170被用于反馈控制该可变电导器件130。(这种反馈回路被用虚线155示意性地表示)。实际上，其它的部件也可包括在该反馈回路中，这些部件包括接地电路156，以使信号170返回到地并从地传输信号150。该电流检测电路160被表示位于该高压电源和有源电导器件之间。作为替代，该电流检测电路也可位于由160A指示的位置处，即位于有源电导器件 130和灯丝30之间。
上述实施例的优点是测量流过图5中由电路160(或作为替代的 160A)表示的电路中的一点的电流，就可以精确地区别热离子电流和泄漏电流，如前所述该泄漏电流可被许多外界因素影响。然后，通过光学链路150就可以将测量的电流值用于反馈控制回路中，便于对偏压电平的最佳调节。该电流灵敏电路160可以采用许多不同的形式，可以是光学的或是电子的或其它的。许多此类的装置对于熟练的读者都是很显然的。
如上所述，传统上都将所有灵敏的电路和部件封闭在法拉第屏蔽中。但是，通常不可能完全地从潜在破环性的电磁场中电学屏蔽所有的部件，这是由于必需打破法拉第屏蔽以通向用于电源线、控制输入等的电路。
参看图6和7，变压器初级绕组180通过变压器铁心200被耦合在变压器次级绕组190上。该变压器次级绕组190将电能馈入法拉第屏蔽 210内的电路中。
在本发明第二方面的实施例中，一环形金属外皮193围绕变压器次级绕组190，并作为管194从次级电路190朝向主法拉第屏蔽210延伸。对于实际的屏蔽目的，该环形外皮193和管194形成法拉第屏蔽210的一个组成部分。管194用作导管(conduit)，屏蔽线195将绕组190 连接(或延伸至)进法拉第屏蔽内的电路上。该环形外皮带有一间断或电中断196，避免其作为短路线圈(shorted turn)。然而，此间断使得仍旧获得全屏蔽。
图7表示图6的一个变型，其中外部同轴导体形成次级绕组的一部分；并在点197处连接次级绕组。从而，该外部导体就形成该绕组和绕组向法拉第屏蔽延伸的一部分。
应当注意，在图6和7中，为了清楚起见，对于初级绕组和次级绕组仅仅表示一匝。但是在实际上，对于任一绕组或两个绕组都可给出不止一匝。
现在参看图8，表示本发明的一优选实施例，其中本发明两个方面的改进形式被结合进一集成的高压发生器和X射线源中。
电子束由来自阴极230的热离子发射产生，该阴极230是由钨丝或其它材料制成，一般成形为发夹的形状。为了使其发射电子，该阴极必须被加热至白炽。所需的阴极温度由电阻自身发热来得到。借助于以已知的方式在阴极230和阳极(图8中未表示)间施加的电场，该电子就从阴极230提取。如前所描述的，这种配置是使阳极处于地电位而阴极被升至很高的负电位。电子束电流的大小被施加在环形栅极电极或文纳尔聚焦电极240上的“偏”压来控制，后者包围着该阴极。相对于阴极，该偏压经常是负的。此偏压同时也用来产生一用于所发射电子束的聚焦电场，由此控制电子束的直径并最终控制X射线源的大小。通常，阴极230和环形栅极电极240被保持真空；该真空壁在图8中被部分示作235。
通过一种被称作自偏压的技术来得到栅极偏压，这种自偏压技术通常用在三极管器件上，包括特别是电子显微镜。此电子束电流通过连接在栅极和和阴极间的电阻，并跨过该电阻产生一个构成栅极偏压的电压。从而，该系统是自稳定的，并且不需要用于栅压的单独电源。该电子束电流的大小取决于该电阻的尺寸和电子枪的物理性能，其中该电子枪随几何形状而定。
依照该实施例，该电阻被一个电阻可被电子改变的器件所代替。优选的器件是一场效应晶体管(FET)330，但是操作的原理也可采用其它的器件像光敏电阻来实现。
该电子束电流连续流过电阻325、FET 330和电阻325。齐纳二极管336保护FET 330免受过高的电压。
如上所述，这种配置在概念和效果上均显著不同于传统的电路方案，传统的电路方案一般采用单独的DC电源来提供在阴极电位上浮动的栅压，并且利用一系列调节元件用于电压控制和稳压。
在传统的X射线发生器中，电子束电流的检测一般是通过测量形成高压倍增器(经常被称作Cockroft-Walton倍压器)的二极管电容器组其底部流过的电流来实现。在当前的系统中，采用这种高压倍增器 290。传统的传感电阻300也被表示。然而，如上所述，在将传感电阻 300上的电压用作测量和控制电子束电流的手段时存在着严重的缺陷；即在该点流过的电流可包括除实际电子束电流外的无关(extraneous) 部分。这些无关电流通常包括从围绕灯丝的外壳真空衬面(facing surface)发出的电流。产生这种发射的位置被称作冷阴极或场发射点，并且对于设计高压真空器件的本领域熟练人员是公知的。场发射点是不稳定的，而且也是不可预知和消除的。如果用于电子束电流稳定的控制信号来源于传感电阻300，则对于从阴极230热离子发射的实际电子束电流的控制就被包括来自场发射点的无关电流的不可测量所破坏。这就使处于低工作电子束电流和高阴极电压下的稳定控制非常困难，并且降低这些情况下的X射线图像质量。本发明允许对来自阴极的实际电流进行测量。这就可以非常精确地控制电子束电流，即使是在通常困难的条件下，像在以低电子束电流工作在极高电压下时，和即使是用当前的场发射点。
实际的电子束电流被作为电阻325两端的电压来检测，并被馈入成形为电压至频率转换器的集成电路361中。集成电路361的频率输出驱动一LED 362，该LED 362将一调频光信号371发送至光纤355a。在光纤355a的另一端，该光信号被入射在光电二极管363上。它将此光信号往回转换成电信号，该电信号精确地表示所测量的电子束电流并通过缓冲放大器364施加在以已知方式与计算机连接的电路(未表示)上。由该系统的用户输入的计算机指令被用来影响对电子束电流的调节。然而，如果不使用计算机，则在操作者直接或远程人工调节方便的位置处给出适当的电路，从而使电子束电流可被实时控制或者控制至预定值。
必需提供一反馈信号，以根据由操作者选择的预定需求水平来对电子束电流进行精确的闭环控制。有利的是，由于FET 330的电阻可通过调节其栅压来改变，所以借助于另一个光电二极管365利用由第二个 LED 366产生的光信号351就可实现；这些光信号351在有效指示电子束电流任何所需变化的意义上是被调幅的。这些信号被传递进入第二光纤355b内，该第二光纤355b的输出照射光电二极管365。
光纤被用来在高压倍增器290的高压端电路和低压端电路之间提供电绝缘。
在电阻300上检测的电流并不用于控制或测量，但是可以被设计来保护高压发生器的电路所使用，如在引起倍压器290中过高电流的故障发生时。
在X射线源内预期会产生偶然放电。这种放电导致快速地改变瞬态电流，并且需要保护有源电子部件避免受这些瞬态电流产生的所辐射和传导的电磁干扰的潜在损害影响。与阴极和栅极相关联的电子线路被包含在一金属壁围成的腔410内。该整个容器连接在栅极上并且因此相对于地处于非常高的电压。该容器对其内的灵敏电路提供非常坚固的屏蔽，并且充当一“法拉第屏蔽”。
尽管并不需要密封，但是该容器也被如此构造使其开口具有最小尺寸。这种法拉第屏蔽的完整性可能会被需要引进和引出电信号而打破。
在本实施例中，该屏蔽内所有电路的电能被一高压隔离变压器提供。该变压器的次级绕组390被绝缘以提供所需的高压隔离，并且被构造成共轴系统。这种共轴结构的外导电部件393形成该主法拉第屏蔽 410的连续延伸。此外，仅仅该共轴结构的外导体缠绕在变压器铁心400 的周围。内导体390从该外导体侧面上的孔中露出，并连接在外导体393 的末端。内导体390的长度和外导体393中孔的尺寸都非常小。次级绕组的共轴自屏蔽结构确保进入法拉第屏蔽内的传导和辐射信号足够小，以能够保证装入其内的灵敏部件的可靠性。
隔离变压器的铁心400位于法拉第屏蔽410的边界外部；仅仅次级绕组390的外共轴部393与法拉第屏蔽壁的连续结合成整体。
有利地是，该法拉第屏蔽可以包括某些附加电子线路，例如可以用来监视、控制或稳定阴极灯丝电压、电流或功率的电路。这些在高压下浮动的电路也可以利用纤维光学系统作为向工作在地电位附近的其它电子线路传递信号的装置。

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