專利名稱：用于高分辨率x射線設(shè)備的微焦點(diǎn)x射線管的制作方法
用于高分辨率X射線設(shè)備的微焦點(diǎn)X射線管本發(fā)明涉及用于高分辨率X射線設(shè)備的微焦點(diǎn)X射線管，該微焦點(diǎn)X射線管包括外殼、用于產(chǎn)生電子射束的電子射束源和用于將電子射束聚焦到靶上的聚焦透鏡。這種X射線管例如公知用于高分辨率的計(jì)算機(jī)斷層攝影設(shè)備。由于檢測(cè)器技術(shù)、計(jì)算機(jī)和存儲(chǔ)器容量的進(jìn)步以及微焦點(diǎn)X射線管的分辨率的提高，微型計(jì)算機(jī)斷層攝影能夠?qū)崿F(xiàn)以直到微米以下范圍的非常高的位置分辨率(體元大小)的體積重構(gòu)。因?yàn)橐愿叩姆直媛手貥?gòu)所需要的全部X射線投影的測(cè)量通常持續(xù)許多小時(shí)，所以由熱引起的試樣投影在檢測(cè)器上的移動(dòng)帶來(lái)極大的問(wèn)題。雖然知道借助基于軟件的算法來(lái)補(bǔ)償這種移動(dòng)，但是可由此達(dá)到的分辨率改善是受限的。這里關(guān)鍵的部件是X射線管，因?yàn)樵趯?duì)熱不敏感的操縱器上不可能把這些管固定在焦斑中；在焦點(diǎn)和該管在操縱器上的固定架之間在管外殼上始終保持對(duì)熱敏感的(通常是金屬的)連接，這不需要另外的措施便導(dǎo)致X射線管的焦點(diǎn)位置在測(cè)量持續(xù)的過(guò)程中極大地移動(dòng)。一種用于把X射線管的焦點(diǎn)位置在整個(gè)測(cè)量持續(xù)過(guò)程中盡可能保持恒定的通常措施在于，在開(kāi)始掃描之前，把該管加熱到運(yùn)行溫度并且等待，直到已經(jīng)建立熱平衡。然而由于X射線管的極大的質(zhì)量和與此聯(lián)系在一起的大的熱容量，到熱平衡建立要持續(xù)若干小時(shí)。此外該熱平衡通過(guò)該管的每一個(gè)參數(shù)改變被重新破壞，這另外引起極大的等待時(shí)間。本發(fā)明的任務(wù)在于，提供一種微焦點(diǎn)X射線管，它使得能夠在工業(yè)應(yīng)用中在較短的時(shí)間內(nèi)以較高的分辨率獲得數(shù)據(jù)。本發(fā)明通過(guò)獨(dú)立權(quán)利要求1的特征解決該任務(wù)。由于借助流過(guò)冷卻室的冷卻介質(zhì)對(duì)X射線管的冷卻，抵抗由熱引起的焦點(diǎn)位置的移動(dòng)。這里一個(gè)決定性的特征是:根據(jù)本發(fā)明冷卻室基本上是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的。由此，在該管不處于熱平衡狀態(tài)下時(shí)，也能夠在該管內(nèi)維持主要通過(guò)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的熱輸入、尤其由于電子光學(xué)器件內(nèi)的能量散逸和管外殼的表面上吸收熱能而產(chǎn)生的基本上旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的溫度分布。通過(guò)在該管內(nèi)維持旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的溫度分布，能夠非常有效地阻止焦點(diǎn)的側(cè)向移動(dòng)，也就是說(shuō)在垂直于旋轉(zhuǎn)軸線設(shè)置的焦點(diǎn)平面內(nèi)的移動(dòng)。因?yàn)榻裹c(diǎn)平面內(nèi)的這些移動(dòng)對(duì)于檢測(cè)器上的位置分辨率有大的影響，所以根據(jù)本發(fā)明能夠在體積重構(gòu)中顯著提高位置分辨率。能夠省去對(duì)該管的預(yù)熱和對(duì)于熱平衡建立的等待，這總體而言極大地縮短測(cè)量持續(xù)過(guò)程。由于根據(jù)本發(fā)明的基本上旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的冷卻，基本上僅遺留焦點(diǎn)在軸向上的熱移動(dòng)。這對(duì)于檢測(cè)器上的位置分辨率具有不太嚴(yán)重的作用。此外，只要需要，可以通過(guò)提高冷卻功率，也就是說(shuō)通過(guò)相應(yīng)設(shè)計(jì)的冷卻泵，有效地阻止焦點(diǎn)的軸向熱移動(dòng)。通過(guò)環(huán)形的冷卻室，本發(fā)明有利地與尤其是螺旋形圍繞旋轉(zhuǎn)軸線設(shè)置的冷卻管線區(qū)分開(kāi)(abgegrenzt)，在那里尤其在軸向的末端區(qū)出現(xiàn)極大地偏離旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的冷卻。優(yōu)選冷卻室在縱向截面內(nèi)的截面面積是要與冷卻室連接的冷卻管線的截面面積的至少五倍、更優(yōu)選至少十倍大。該特征由于在給定結(jié)構(gòu)大小的情況下在冷卻室內(nèi)盡可能大的冷卻體積而有助于特別有效地冷卻。出于同樣的理由，優(yōu)選冷卻室在縱向截面內(nèi)的內(nèi)部?jī)艟啻笥诶鋮s室的壁厚，由此能夠把盡可能多的可供使用的結(jié)構(gòu)空間用作冷卻介質(zhì)體積。優(yōu)選冷卻室制造成環(huán)形圓筒形,其中冷卻室的徑向內(nèi)壁和徑向外壁制造成圓筒形。該形狀由于在給定結(jié)構(gòu)大小的情況下盡可能大的冷卻體積而允許特別有效地冷卻，此外在制造工藝方面也具有優(yōu)點(diǎn)。優(yōu)選用于冷卻介質(zhì)的入口和出口在該管的圓周方向是彼此錯(cuò)開(kāi)設(shè)置，更優(yōu)選錯(cuò)開(kāi)至少90°，還更優(yōu)選錯(cuò)開(kāi)180°，也就是說(shuō)關(guān)于管軸線彼此相對(duì)設(shè)置。這種設(shè)置能夠有助于盡可能均勻地流過(guò)整個(gè)冷卻室體積。下面根據(jù)有利的實(shí)施方式參照


本發(fā)明。附圖中:圖1表示微型計(jì)算機(jī)斷層攝影系統(tǒng)的示意圖；圖2表不通過(guò)第一實(shí)施方式中的X射線管的縱向截面；圖3表示垂直于縱長(zhǎng)軸線通過(guò)X射線管的截面；圖4表示通過(guò)第二實(shí)施方式中的X射線管的縱向截面；圖5表示通過(guò)第三實(shí)施方式中的X射線管的縱向截面；圖6表示在對(duì)于圖3的另外可選的實(shí)施方式中垂直于縱長(zhǎng)軸線通過(guò)X射線管的截面。圖1中表示的微型計(jì)算機(jī)斷層攝影設(shè)備包括X射線系統(tǒng)10，其設(shè)計(jì)用于拍攝試樣13的一組X射線投影。為此目的，X射線系統(tǒng)10包括微焦點(diǎn)X射線管11，X射線射束14從X射線管11的聚焦點(diǎn)或焦點(diǎn)16發(fā)射；產(chǎn)生圖像的X射線檢測(cè)器12和試樣保持器20，其優(yōu)選設(shè)計(jì)用于使試樣13圍繞豎直軸線旋轉(zhuǎn)。X射線檢測(cè)器12優(yōu)選是平面檢測(cè)器，特別是平板檢測(cè)器，然而也可以是行檢測(cè)器。試樣13的一組X射線投影例如通過(guò)逐步地將試樣保持器20每次旋轉(zhuǎn)規(guī)定的小步進(jìn)角并且在每個(gè)旋轉(zhuǎn)角度下拍攝X射線投影來(lái)獲得。X射線系統(tǒng)10不限于圍繞豎直軸線旋轉(zhuǎn)試樣保持器20。另外可選的方案是，例如可以圍繞固定的試樣13旋轉(zhuǎn)X射線管11和X射線檢測(cè)器12。從X射線檢測(cè)器12中讀出這些X射線投影并且向計(jì)算機(jī)設(shè)備41傳輸這些X射線投影，在那里從拍攝的該組X射線投影中借助一種基本上公知的重構(gòu)算法來(lái)計(jì)算試樣13的重構(gòu)的三維體積數(shù)據(jù)并且例如在屏幕42上顯示。如圖1所示，計(jì)算機(jī)設(shè)備41能夠同樣是設(shè)計(jì)用于控制X射線源11、試樣保持器20和X射線檢測(cè)器12 ;另外可選的方案是可以提供單獨(dú)的控制設(shè)備。微焦點(diǎn)X射線管11包括陰極元件15、Wehnelt圓筒21、陽(yáng)極19、優(yōu)選作為電磁透鏡構(gòu)造的聚焦透鏡22和電子射束靶23。此外可以提供另一個(gè)電磁透鏡25，其優(yōu)選作為聚光透鏡設(shè)計(jì)，以便把電子射束24近似平行地定向或者以便產(chǎn)生一個(gè)中間的圖像；然而聚光透鏡25不是一定必需的。此外微焦點(diǎn)X射線管11適當(dāng)?shù)匕ㄒ粋€(gè)未圖示的用于調(diào)整射束位置的偏轉(zhuǎn)單元。微焦點(diǎn)X射線管11如此設(shè)計(jì)，使得靶23上的最小的焦點(diǎn)或聚集點(diǎn)小于或者等于10 μ m,優(yōu)選小于或者等于4 μ m,更優(yōu)選小于或者等于2 μ m。此外微焦點(diǎn)X射線管11還包括外殼，其可以由多個(gè)段組成。尤其可以提供接收陰極元件15且構(gòu)成陽(yáng)極19的外殼段35、包圍聚焦透鏡22的外殼段36以及必要時(shí)還有設(shè)置在外殼段35和外殼段36之間的中間外殼段37,中間外殼段37內(nèi)例如可以設(shè)置聚光透鏡
25。包圍線圈33的外殼36有利地不具有熱絕緣，特別是非金屬的屏蔽或者層，其阻礙熱平衡的建立。
X射線管11包括環(huán)形的冷卻室30，它具有入口 31和出口 32，它們可以通過(guò)冷卻管線38與未圖示的用于冷卻循環(huán)的冷卻介質(zhì)泵連接。以這種方式流體的冷卻介質(zhì)(尤其是水或油)可以流過(guò)冷卻室30，以便抵抗從不同的內(nèi)部熱源和外部熱源輸入熱能以及與此聯(lián)系在一起的相對(duì)于X射線管固定架39移動(dòng)焦點(diǎn)16。所述熱源例如由于電子射束24在靶23上的撞擊、在電子光學(xué)器件22內(nèi)的能量散逸以及管外殼34的表面上吸收熱能而產(chǎn)生。冷卻室30成環(huán)形自身封閉，這從圖3和6中最好地看出。在根據(jù)圖3的實(shí)施方式中冷卻室30的流體流過(guò)的內(nèi)部空間在圓周方向上完全連續(xù)。在該實(shí)施方式中入口 31和出口 32優(yōu)選彼此錯(cuò)開(kāi)180°，也就是說(shuō)彼此相對(duì)設(shè)置，如圖3所示，由此冷卻室30盡可能被均勻地流過(guò)，而不形成冷卻介質(zhì)的任何優(yōu)選流動(dòng)方向。相反，在根據(jù)圖6的實(shí)施方式中，在冷卻室30內(nèi)提供徑向的分開(kāi)壁48，它在一個(gè)圓周位置中斷冷卻室30的流體流過(guò)的內(nèi)部空間。在這種情況下入口 31和出口 32適當(dāng)?shù)卦O(shè)置在分開(kāi)壁48的區(qū)域內(nèi)在分開(kāi)壁48的相反側(cè)，以便完全地流過(guò)冷卻室30。在該實(shí)施例中入口和出口也可以在圓周上基本上不錯(cuò)開(kāi)，而代之為在軸向錯(cuò)開(kāi)設(shè)置。根據(jù)圖6的實(shí)施例表明，本發(fā)明的特征“基本上旋轉(zhuǎn)對(duì)稱”意味著，除了冷卻介質(zhì)的入口和出口 31、32、冷卻室內(nèi)可能的分開(kāi)壁48和必要時(shí)另外的、本質(zhì)上不干擾旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的功能元件之外是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的。術(shù)語(yǔ)軸向、徑向和旋轉(zhuǎn)對(duì)稱在本申請(qǐng)的范圍內(nèi)涉及管11的縱長(zhǎng)軸線，其通過(guò)陰極15和靶23之間的電子射束24的中軸線來(lái)定義。在根據(jù)圖2的實(shí)施方式中冷卻室30圍繞管外殼34、尤其圍繞包圍聚焦透鏡22的外殼段36設(shè)置。在該實(shí)施方式中冷卻室30主要在軸向上延伸，也就是說(shuō)它的軸向延伸優(yōu)選至少是它的徑向延伸的兩倍大。例如冷卻室30的軸向延伸可以與聚焦透鏡22的線圈33的軸向延伸匹配。在根據(jù)圖4和5的實(shí)施方式中，冷卻室30在管外殼34內(nèi)設(shè)置。在圖4表示的變體中冷卻室30設(shè)置在包圍聚焦透鏡22的外殼段36外部，這里在中間的外殼段37內(nèi)。在圖5表示的變體中冷卻室30在包圍聚焦透鏡22的外殼段36內(nèi)直接在線圈33旁邊設(shè)置。在這兩種實(shí)施方式中冷卻室30主要在徑向上延伸，也就是說(shuō)它的徑向延伸優(yōu)選比它的軸向延伸至少大50%。例如冷卻室30的徑向延伸可以與聚焦透鏡22的線圈33的徑向延伸匹配。在根據(jù)圖2、4和5的實(shí)施方式中冷卻室30與聚焦透鏡22的線圈33相鄰設(shè)置，這是因?yàn)榫€圈33表示該管11中的一個(gè)主熱源。但是本發(fā)明不限于冷卻室30與聚焦透鏡25相鄰設(shè)置。在根據(jù)圖2到6的實(shí)施方式中冷卻室具有環(huán)形圓筒的優(yōu)選形狀。因此冷卻室30的徑向外壁45和徑向內(nèi)壁46形成圓筒形。用于構(gòu)成封閉的冷卻室30所需要的側(cè)壁47優(yōu)選是圓盤形。構(gòu)成冷卻室的壁45、46、47優(yōu)選用具有至少50w/mk的良好導(dǎo)熱性的材料制成，尤其用以鋁、銅和/或黃銅為基礎(chǔ)的材料制成。如可從圖2、4和5看出的那樣，冷卻室30在縱向截面內(nèi)的截面面積比要通過(guò)接頭
31、32與冷卻室30連接的冷卻管線38的截面面積的十倍要大。因此冷卻介質(zhì)在冷卻室30內(nèi)的流動(dòng)速度優(yōu)選比要通過(guò)接頭31、32與冷卻室30連接的冷卻管線38內(nèi)的速度的十分之一要小。冷卻室30在縱向截面內(nèi)的內(nèi)部?jī)艟鄻O大地大于壁45到47的壁厚，由此能夠盡可能多地把可供使用的結(jié)構(gòu)空間用作冷卻介質(zhì)容積。上述特征由于冷卻室30內(nèi)在給定結(jié)構(gòu)大小的情況下盡可能大的冷卻容積有助于有效的冷卻。本發(fā)明不限于一個(gè)冷卻介質(zhì)入口 31、一個(gè)冷卻介質(zhì)出口 32以及必要時(shí)的一個(gè)分開(kāi)壁48。可以設(shè)想具有多個(gè)冷卻介質(zhì)入口 31、多個(gè)冷卻介質(zhì)入口 31和/或多個(gè)分開(kāi)壁48的另外的實(shí)施方式。管11可以具有多個(gè)冷卻室30，它們例如可以在軸向上彼此錯(cuò)開(kāi)設(shè)置。上面關(guān)聯(lián)具有透射靶的管11說(shuō)明了冷卻室30。然而冷卻室30可以沒(méi)有困難地另選有利地裝入具有直接輻射幾何結(jié)構(gòu)的，也就是說(shuō)具有反射靶的管11中。上面為在CT設(shè)備中的優(yōu)選的應(yīng)用說(shuō)明了管11。然而可以設(shè)想組件的工業(yè)X射線測(cè)試或者X射線測(cè)量的其它應(yīng)用。一般X射線管11可以有利地在具有產(chǎn)生圖像的檢測(cè)器的高分辨率X射線設(shè)備中使用。
權(quán)利要求
1.用于高分辨率X射線設(shè)備的微焦點(diǎn)X射線管(11)，所述微焦點(diǎn)X射線管(11)包括外殼(34)、用于產(chǎn)生電子射束(14)的電子射束源(15)和用于將電子射束(24)聚焦在靶(23)上的聚焦透鏡(22)，其特征在于，所述X射線管(11)具有基本上旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的、環(huán)形的冷卻室(30)，所述冷卻室(30)設(shè)計(jì)用于流過(guò)流體的冷卻介質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的X射線管，其中，冷卻室(30)在縱向截面內(nèi)的截面面積至少與要與所述冷卻室(30)連接的冷卻管線(38)的截面面積的五倍一樣大。
3.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的X射線管，其中，所述冷卻室(30)在縱向截面內(nèi)的內(nèi)部?jī)艟啻笥诶鋮s室壁(47-47)的壁厚。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的X射線管，其中，所述冷卻室(30)具有環(huán)形圓筒的形狀。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的X射線管，其中，用于所述冷卻介質(zhì)的入口(31)和出口(32)在所述管的圓周方向上彼此錯(cuò)開(kāi)設(shè)置。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的X射線管，其中，用于冷卻介質(zhì)的入口(31)和出口(32)關(guān)于管軸線彼此相對(duì)設(shè)置。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的X射線管，其中，所述冷卻室(30)與所述聚焦透鏡(22)的線圈(33)相鄰設(shè)置。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的X射線管，其中，構(gòu)成所述冷卻室(30)的壁(45-47)用具有至少50w/mk的熱導(dǎo)率的材料制成。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的X射線管，其中，構(gòu)成所述冷卻室(30)的壁(45-47)用以鋁、銅和/或黃銅為基礎(chǔ)的材料制成。
全文摘要
用于高分辨率X射線設(shè)備的微焦點(diǎn)X射線管(11)包括外殼(34)、用于產(chǎn)生電子射束(14)的電子射束源(15)和用于在靶(23)上聚焦電子射束(24)的聚焦透鏡(22)。X射線管(11)具有基本上旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的、環(huán)形的冷卻室(30)，其設(shè)計(jì)用于通過(guò)流體的冷卻介質(zhì)。
文檔編號(hào)H01J35/16GK103189955SQ201080068842
公開(kāi)日2013年7月3日 申請(qǐng)日期2010年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月27日
發(fā)明者A·施米特, W·施佩納, E·諾伊澤爾 申請(qǐng)人:Ge傳感與檢測(cè)技術(shù)有限公司