專利名稱：X射線焦斑溫度的雙色高溫測量的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及x射線成像的領(lǐng)域，更具體地涉及x射線焦斑溫度的背景技術(shù)當(dāng)x射線管內(nèi)的高速電子從電子發(fā)射極撞擊陽極時(shí)，產(chǎn)生了X射線。 當(dāng)在發(fā)射極和陽極之間施加高壓時(shí)，發(fā)射極產(chǎn)生的電子被加速射向陽極。 當(dāng)電子撞擊陽極時(shí)，會引起相當(dāng)大的陽極發(fā)熱。通過采用可旋轉(zhuǎn)的陽極， 可以在空間和時(shí)間上擴(kuò)散該發(fā)熱。電子撞擊陽極的區(qū)域也被稱為焦斑(focal spot),并且在可旋轉(zhuǎn)陽極情況下，被焦斑照亮的區(qū)域是環(huán)形，稱為焦斑環(huán)。 此外，與可旋轉(zhuǎn)陽極上其余區(qū)域相比較，通常焦斑環(huán)經(jīng)受更大的發(fā)熱。而 且在焦斑環(huán)內(nèi)，焦斑是最熱的。在峰值工作條件中，焦斑環(huán)具有約2000攝 氏度的平均溫度，而焦斑達(dá)到約3000攝氏度的溫度。通常由于旋轉(zhuǎn)部件的 存在以及x射線管的成本，不斷監(jiān)控焦斑處的溫度是有好處的。這種監(jiān)控 有助于對病人、放射科醫(yī)師以及成像裝置的保護(hù)。確定焦斑溫度的一個(gè)示例是通過基于x射線管的工作參數(shù)數(shù)學(xué)上估計(jì) 溫度。然而，數(shù)學(xué)估計(jì)的缺點(diǎn)是它不是很精確，因此x射線管的保護(hù)機(jī)制 必須非常保守，以補(bǔ)償估計(jì)焦斑溫度所缺乏的精確度。美國專利第3,836,805 中給出了在x射線管內(nèi)測量焦斑溫度的另一個(gè)示例。該文獻(xiàn)公開了在x射 線管的金屬端蓋上提供一個(gè)窗口，光探測器可以通過這個(gè)窗口觀察杯狀陽 極的內(nèi)表面。然后，該光探測器產(chǎn)生與它接收到的光強(qiáng)度成比例的電信號。 這種安排產(chǎn)生了錯(cuò)誤地確定焦斑溫度的機(jī)會。因此，精確檢測焦斑溫度是有利的。 發(fā)明內(nèi)容因此，此處公開的X射線管包括發(fā)射極，其用來將電子發(fā)射到可旋轉(zhuǎn) 陽極上的焦斑上。該x射線管還包括中空管，其用來在該中空管一端接收來自焦斑的電磁輻射，并將電磁輻射傳送到另一端。該x射線管還包括兩個(gè)或多個(gè)傳感器，其用來檢測穿過中空管的電磁輻射。此外，這里公開的x射線成像裝置包括上述的x射線管。該x射線成像裝置還包括x射線探測器和對象成像結(jié)構(gòu)。此外， 一種用于確定可旋轉(zhuǎn)陽極上的焦斑溫度的方法包括:測量兩種或 更多種波長的光的強(qiáng)度，并基于所測量的強(qiáng)度確定焦斑溫度。


參考所附各圖閱讀以下說明，將會更好理解這些和各種其它特性、方 面和優(yōu)點(diǎn)，其中圖1示出了X射線管配置的第一實(shí)施例；圖2示出了以兩種不同波長測量的電流之間的比率隨溫度變化的特性； 圖3示出了 x射線配置的第二實(shí)施例； 圖4示出了 x射線配置的第三實(shí)施例； 圖5示出了 x射線配置的第四實(shí)施例；圖6示出了 x射線成像裝置，其包括根據(jù)圖1、 3-5之一所示配置的x 射線管的；以及圖7是確定焦斑溫度的方法的流程圖。
具體實(shí)施方式
現(xiàn)在回到各圖并首先參考圖1，示出了 x射線管100的實(shí)施例。更具體地，圖l示出了x射線管100的一些部件，該x射線管100包括具有x射 線焦斑120的可旋轉(zhuǎn)陽極110，附著于x射線管壁140上的中空管130，以 及傳感元件150。窗口 160出現(xiàn)在x射線管壁上，位于x射線管壁與中空管 之間的接合部。窗口 160對于穿過中空管130傳送的任何光都應(yīng)該是透明 的。因?yàn)閤射線管也是高度真空的，所以在這種低壓下該窗口 160應(yīng)該是 穩(wěn)定的并且保持x射線管100內(nèi)的真空。在某些實(shí)施例中，窗口 160也可以包括鉛玻璃層。在x射線管工作期 間，某些x射線有可能穿過中空管泄漏出x射線管。鉛玻璃(未示出)用來吸 收這種游離的x射線。因?yàn)橛捎趚射線的直接轉(zhuǎn)換，x射線可以使傳感元件 150錯(cuò)誤地產(chǎn)生信號或者甚至可以損壞傳感元件，所以鉛玻璃的附加功能是 防止x射線撞擊傳感元件150。當(dāng)使用鉛玻璃時(shí)，鉛玻璃也可以分散或吸收 一定數(shù)量的光。然而，已知了鉛玻璃的吸收和分散屬性，也可以通過傳感 元件150的適當(dāng)校準(zhǔn)來補(bǔ)償這種效應(yīng)。在圖1的配置中，將中空管130完全密封在x射線管100內(nèi)。將中空 管130的一端朝向焦斑120放置，而將中空管130的第二端或相對端附著 于窗口 160的內(nèi)表面上，該內(nèi)表面是窗口 160的位于x射線管100內(nèi)的表 面。在后續(xù)討論中，將靠近焦斑的中空管一端稱為收集極端，而將遠(yuǎn)離焦 斑的中空管一端稱為發(fā)射極端。中空管130內(nèi)部涂上黑色。選擇中空管130 的長度和直徑，使得只有來自焦斑的光能進(jìn)入到傳感元件。焦斑以外區(qū)域 發(fā)射的所有光都被中空管的已涂黑的內(nèi)表面吸收。這樣，穿過中空管傳輸 到中空管第二端的任何光主要是焦斑120發(fā)射的可見光。當(dāng)來自焦斑120的可見光穿過中空管傳送時(shí)，某些數(shù)量的x射線(未示 出)也很有可能會通過中空管的發(fā)射極端傳送。將該發(fā)射極端附著在x射線 管壁140上的窗口 160上，以吸收可能在收集極端進(jìn)入中空管并穿過中空 管130傳送的任何游離的x射線。此外，確定窗口160的位置，以在焦斑 120和傳感元件150之間穿過中空管130建立一條視線。傳感元件150包括至少兩個(gè)傳感器，并離直接位于窗口 160外表面上 的x射線管壁很近，使得傳感器可以檢測到穿過中空管130和窗口 160的 可見光。在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器是p-i-n結(jié)光電二極管。然而，也可以采 用便宜的硅p-n結(jié)二極管。為了在光學(xué)領(lǐng)域中進(jìn)行檢測，即檢測可見光，硅 光電二極管是檢測器的好的選擇。采用硅光電二極管的優(yōu)點(diǎn)包括二極管的 較低成本、二極管的耐用性以及二極管與板上或板外電子元件的易于集成 性。光電二極管產(chǎn)生了與入射到光電二極管上的光強(qiáng)度成比例的電流。傳感元件150中的每個(gè)傳感器還包括窄帶通濾波器(未示出)，以使得傳 感器只能檢測到特定波長的可見光。相比其它傳感器中的窄帶通濾波器， 該窄帶通濾波器允許通過不同波長的光。窄帶通濾波器的示例是法布里-珀 羅標(biāo)準(zhǔn)具(Fabry-PerotEtalon)。法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具作為精調(diào)濾波器來工作。 例如，通過在傳感二極管頂上沉積層疊的薄介電層來構(gòu)造這些濾波器。然 而，可以采用其它任何適合的窄帶濾波器。兩個(gè)傳感器測量了兩種不同波長的光強(qiáng)度，從而產(chǎn)生了兩個(gè)不同電流。 己知兩種不同波長(頻率)的光強(qiáng)度使得能夠在不知道發(fā)射系數(shù)情況下確定 所測量的溫度。這可以通過采用兩個(gè)傳感器所測量的兩種電流的比率來實(shí) 現(xiàn)。對于兩個(gè)測量值都相同的未知發(fā)射系數(shù)得以抵消。圖2中示出了兩個(gè)傳感器測量的兩種波長下的電流之間的比率隨溫度 變化的特性。正如圖中所看到的，在較低溫度下該比率很小，因此基于該 比率難于確定溫度。然而，隨著該比率變得較大，更容易確定溫度。由普 朗克(Planckian)定律給出的溫度T下黑體的波長相關(guān)發(fā)射如下其中常數(shù)h、 c和kB分別表示普朗克常數(shù)、光速以及玻耳茲曼(Boltzmann) 常數(shù)。這樣，對于窄帶中心位于、處的濾波二極管，當(dāng)光電二極管受到溫 度為T的陽極發(fā)出的光照射時(shí)，在光電二極管中產(chǎn)生的光電流信號將與 /(A,r)成正比。第二個(gè)光電管的窄帶通濾波器的窄帶中心位于另一個(gè)波長人2處，該第二個(gè)光電管的光電流信號與/(^,r)成比率。這樣，兩個(gè)光電二極管在溫度T下的光電流Iph。,。,和Iph。,。2的比率給出如下(7) 義52 exp(hc/;i2;tBr)—i V,o2(T) 《exp(/zc/;i^r)-i這樣，光電流比率是陽極上發(fā)光焦斑的溫度的單值函數(shù)。因?yàn)殛枠O不 會精確地表現(xiàn)為理想黑體輻射體，所以通過發(fā)射系數(shù)k(X，T)考慮了陽極光譜發(fā)射與普朗克法則的偏差A(yù) exp(/zc /— 1如果兩個(gè)波長彼此接近的話，則一般認(rèn)為發(fā)射系數(shù)與波長無關(guān)。在另一個(gè)實(shí)施例中，傳感元件150可以包括三個(gè)傳感器。由于這種配置考慮了發(fā)射系數(shù)作為波長函數(shù)的線性相關(guān)性，而不是將發(fā)射系數(shù)視為常數(shù)，所以 具有三個(gè)傳感器的優(yōu)點(diǎn)是改進(jìn)了估計(jì)。類似地，在其它實(shí)施例中，傳感元件150可以具有四個(gè)或更多傳感器。這種配置考慮發(fā)射系數(shù)與波長之間的二次特性，等。當(dāng)在電子發(fā)射極和陽極之間施加了高壓時(shí)，電子朝向旋轉(zhuǎn)陽極加速運(yùn) 動(dòng)。然而，即使不施加高壓，發(fā)射極仍可保持"開"狀態(tài)，該狀態(tài)下發(fā)射 極加熱到正常工作溫度。在發(fā)射極為"開"的期間，通常有某些來自發(fā)射 極的光，通過焦斑反射到中空管內(nèi)。進(jìn)入到中空管的該反射光可導(dǎo)致焦斑 溫度的錯(cuò)誤確定。因此，需要考慮該反射光對實(shí)際傳感器讀數(shù)的影響。在上述說明中，傳感元件150中的傳感器用來測量電磁光譜的可見光譜區(qū)的光。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所已知的，在其它實(shí)施例中，也可能采用測 量來自焦斑的紅外輻射的傳感器。應(yīng)當(dāng)把對所描述配置的這種改變理解為 本發(fā)明的一部分。為了便于解釋，下面說明的各種實(shí)施例將可見光用于檢 測和測量目的，不應(yīng)將這視為限制性的。圖3示出了 x射線管300的另一個(gè)實(shí)施例，其示出了具有旋轉(zhuǎn)陽極110、 中空管130以及傳感元件150的x射線管100的一些部件。在該實(shí)施例的配置中，中空管130穿過了x射線管壁140，使得中空管130的收集極端位 于x射線管內(nèi)部，而中空管的發(fā)射極端位于x射線管外部，并與傳感元件 很接近。傳感元件150位于從焦斑120穿過中空管130的直視線上。在當(dāng) 前實(shí)施例的配置中，由于中空管130穿過x射線管壁140，在x射線管壁上 沒有窗口。相反，窗口 160附著在發(fā)射極端，以防止任何x射線傳到外面。 傳感元件150與圖1所述類似。在圖3中，將傳感元件150示出為附著在 窗口 160上。然而，這并非強(qiáng)制的?？梢詫鞲性?50與窗口 160間隔 一定距離，但保持在使傳感元件150能充分檢測從中空管發(fā)出的可見光的 距離內(nèi)。圖4示出了 x射線管400的另一個(gè)實(shí)施例，其示出了 x射線管100的 一些部件。在該實(shí)施例的配置中，將x射線管外部的發(fā)射極端與光纖元件 180相連接，以從焦斑到傳感元件150傳送光170。在當(dāng)前實(shí)施例的配置中， 因?yàn)閬碜越拱?20的光170穿過中空管130和光纖元件180撞擊傳感元件 150，所以可以仍將傳感元件150視為處于從焦斑120穿過光纖元件180和 中空管130的視線中。這種配置的優(yōu)點(diǎn)是不需要將傳感元件150緊挨著放 置在中空管的發(fā)射極端前。此外，由于全內(nèi)反射的屬性，采用光纖元件180 不會導(dǎo)致任何信號強(qiáng)度損失。然而，需要小心精確地進(jìn)行光纖元件180與 中空管130發(fā)射極端的連接。在圖5中所示另一個(gè)實(shí)施例中，x射線管500的配置包括放置在窗口 160與傳感元件150之間的棱鏡510，如圖所示。棱鏡510可以由玻璃或任 何其它適當(dāng)材料制成。該棱鏡510使得來自中空管130發(fā)射極端并穿過窗 口 160的光被該棱鏡分為在不同路徑上傳輸?shù)膬蓚€(gè)或更多波長的光，艮卩， 棱鏡510對光進(jìn)行了空間分離。可以用位于傳感元件150內(nèi)的兩個(gè)或更多 傳感器對每個(gè)波長進(jìn)行適當(dāng)檢測。采用棱鏡510的優(yōu)點(diǎn)是，允許傳感元件 150的傳感器(這些傳感器通常依次放置)對相同焦斑區(qū)域進(jìn)行成像，但是如 果不使用棱鏡510，這些傳感器會對彼此輕微偏移的不同焦斑區(qū)域進(jìn)行成像。圖6示出了x射線成像裝置600，其包括x射線管610、 x射線檢測器 620和對象成像結(jié)構(gòu)630，該x射線管610包括圖1、 3和4中所示三個(gè)具 體配置之一。在醫(yī)療應(yīng)用中，該對象成像結(jié)構(gòu)630可以是病人床或機(jī)架。 在工業(yè)應(yīng)用中，對象成像結(jié)構(gòu)630可以是設(shè)計(jì)用于支撐要在期望方向上成 像的對象的任何結(jié)構(gòu)。也必須理解為，在某些其它實(shí)施例中，可以將圖l、 圖3和圖4的一個(gè)或多個(gè)特征組合在一起以獲得這種組合的優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)該把 這些改變視為在本發(fā)明范圍內(nèi)。圖7示出了說明采用圖1、 3和4中所示x射線管的至少一個(gè)實(shí)施例來 確定焦斑溫度的可能方法的流程圖700。該方法包括測量從中空管收集極端 傳送到發(fā)射極端的兩個(gè)或多個(gè)波長的光強(qiáng)度。如前所述，傳感元件檢測來 自中空管的光。傳感元件包括兩個(gè)或多個(gè)傳感器，每個(gè)傳感器具有用來允 許該特定傳感器檢測特定波長段的窄帶濾波器。該方法包括測量當(dāng)電子束 發(fā)射極處于工作時(shí)、兩個(gè)或多個(gè)波長的光強(qiáng)度710。該方法還包括基于所測 量的光強(qiáng)度確定焦斑溫度720。必須注意到傳感器產(chǎn)生的電流與傳感器檢測 的光強(qiáng)度成正比。在一個(gè)實(shí)施例中，可以將兩個(gè)電流的比率用于確定焦斑 處的溫度。隨著溫度的增加，較短波長的相應(yīng)讀數(shù)與較長波長的相應(yīng)讀數(shù) 之間獲得的比率值也增加。在某些實(shí)施例中，該方法還包括校準(zhǔn)步驟730，以消除在焦斑處反射的 電子發(fā)射極所發(fā)出的光也會被檢測到所帶來的影響。該校準(zhǔn)步驟通過檢測 當(dāng)在電子發(fā)射極和可旋轉(zhuǎn)陽極之間未施加高壓時(shí)的來自中空管發(fā)射極端的 光，來消除所檢測光中的反射分量。這就意味著沒有電子撞擊到可旋轉(zhuǎn)陽 極上，并且確保了進(jìn)入到中空管收集極端的任何光完全是從焦斑反射的、 電子發(fā)射極所發(fā)出的光。然后，可以從當(dāng)該x射線管完全工作時(shí)所測量的 電流中減去上面所測量的光強(qiáng)度也即由此產(chǎn)生的電流。此外，應(yīng)該注意到，本申請描述了采用可見光譜區(qū)中的電磁輻射來測ii量焦斑溫度，但是也有可能將該技術(shù)應(yīng)用在紅外光譜區(qū)的測量。相應(yīng)地，需要改變傳感元件150中的傳感器的選擇。在可見光領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)該技術(shù)的優(yōu) 點(diǎn)是傳感器成本低并且傳感器易于集成。與可見光譜區(qū)中的測量相比較， 紅外領(lǐng)域的測量會使傳感器的成本更高。然而，隨著半導(dǎo)體領(lǐng)域中技術(shù)的 進(jìn)步，傳感器成本只會持續(xù)下降，可以證明將會變得有效率。應(yīng)注意到上述實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了說明而非限制，本領(lǐng)域技術(shù)人員 能夠設(shè)計(jì)許多可替換的實(shí)施例而不偏離所附權(quán)利要求的范圍。在這些權(quán)利 要求中，不應(yīng)將括號內(nèi)的任何參考符號理解為對權(quán)利要求的限制。詞語"包 括"并非排斥出現(xiàn)權(quán)利要求中所列以外要素或步驟。要素之前的詞語"一 個(gè)"并非排斥出現(xiàn)多個(gè)這種要素?？梢酝ㄟ^包括幾個(gè)不同要素的硬件方式 以及通過適當(dāng)編程的計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。在系統(tǒng)權(quán)利要求中，列舉了幾 種裝置，可以通過一個(gè)相同項(xiàng)的計(jì)算機(jī)可讀軟件或硬件來實(shí)現(xiàn)幾個(gè)這些裝 置。在彼此不同的從屬權(quán)利要求中記載某些手段的事實(shí)并非表示不能有利 地采用這些手段的組合。
權(quán)利要求
1、一種x射線管(100，300，400，500)，包括發(fā)射極，用于將電子發(fā)射到可旋轉(zhuǎn)陽極(110)上的焦斑(120)上；中空管(130)，其中，所述中空管的第一端用于接收所述焦斑發(fā)出的電磁輻射(170)，并將所接收到的電磁輻射穿過第二端傳送；以及傳感元件(150)，其包括至少兩個(gè)傳感器，用于檢測從所述中空管的所述第二端傳送的所述電磁輻射。
2、 如權(quán)利要求l所述的x射線管，其中，所述電磁輻射(170)在可見光 譜區(qū)和紅外光譜區(qū)的至少一個(gè)光譜區(qū)內(nèi)。
3、 如權(quán)利要求l所述的x射線管，其中，將所述中空管(130)設(shè)置在所 述x射線管內(nèi)，所述第一端位于接近所述焦斑(120)的位置，所述第二端附 著于所述x射線管上的窗口(160)上，所述窗口用于允許來自所述中空管的 所述第二端的所述電磁輻射通過。
4、 如權(quán)利要求3所述的x射線管，其中，所述窗口(160)包括鉛玻璃。
5、 如權(quán)利要求l所述的x射線管，其中，所述中空管(130)的所述第一 端在所述x射線管的內(nèi)部，所述x射線管的所述第二端在所述x射線管的 外部。
6、 如權(quán)利要求1所述的x射線管，包括光纖(180)，該光纖(180)與所 述中空管的所述第二端連接，以將所述可見光提供到所述至少兩個(gè)傳感器。
7、 如權(quán)利要求6所述的x射線管，其中，所述至少兩個(gè)傳感器包括p-i-n 光電二極管。
8、 如權(quán)利要求l所述的x射線管，其中，每個(gè)所述傳感器包括窄帶濾 波器，以允許所述傳感器檢測所述中空管(130)傳送的特定波長的所述可見 光。
9、 如權(quán)利要求l所述的x射線管，包括棱鏡(510)，該棱鏡(510)設(shè)置在 所述中空管(130)的所述第二端與所述傳感元件(150)之間，以將來自所述中 空管的所述第二端的所述電磁輻射(170)分為兩個(gè)或更多個(gè)不同波長。
10、 如權(quán)利要求1所述的x射線管，其中，所述中空管(130)基本上吸 收了從所述旋轉(zhuǎn)陽極上的非焦斑處發(fā)出的所有電磁輻射(170)。
11、 如權(quán)利要求1所述的x射線管，包括圍繞x射線管和所述傳感元 件(150)的x射線吸收層。
12、 一種x射線成像裝置(600)，包括 x射線的檢測器(610); 對象成像結(jié)構(gòu)(630);以及用來發(fā)射所述x射線的x射線管(620)，所述x射線管還包括發(fā)射極，用于將電子發(fā)射到可旋轉(zhuǎn)陽極上的焦斑上；以及中空管，其中所述中空管的第一端用于接收所述焦斑發(fā)出的電磁輻射，并且將所接收到的電磁輻射穿過所述中空管向所述中空管的第二端傳送；以及至少兩個(gè)傳感器，用于檢測穿過所述中空管的所述第二端傳送的所述電磁輻射。
13. 如權(quán)利要求12所述的x射線成像裝置，其中，所述電磁輻射在可 見光譜區(qū)和紅外光譜區(qū)的至少一個(gè)光譜區(qū)內(nèi)。
14. 如權(quán)利要求12所述的x射線成像裝置，其中，所述中空管設(shè)置在 所述x射線管內(nèi)，所述第一端位于接近所述焦斑的位置，所述第二端附著 于所述x射線管上的鉛玻璃窗口上。
15. 如權(quán)利要求12所述的x射線成像裝置，其中，所述中空管的所述 第一端在所述x射線管的內(nèi)部，所述x射線管的所述第二端在所述x射線 管的外部。
16. —種確定可旋轉(zhuǎn)陽極上焦斑溫度的方法，包括 測量(710)當(dāng)電子束發(fā)射極工作時(shí)從所述可旋轉(zhuǎn)陽極上的所述焦斑發(fā)出的兩個(gè)或更多波長的光的強(qiáng)度；以及基于所測量的光的強(qiáng)度來確定(720)所述可旋轉(zhuǎn)陽極上的所述焦斑的溫度。
17. 如權(quán)利要求16所述的方法，包括補(bǔ)償(730)當(dāng)沒有在所述電子 束發(fā)射極和所述可旋轉(zhuǎn)陽極之間施加電壓時(shí)從所述可旋轉(zhuǎn)陽極處反射的、 來自所述電子束發(fā)射極的光的強(qiáng)度。
全文摘要
這里公開的一種X射線管包括用于將電子發(fā)射到可旋轉(zhuǎn)陽極的焦斑上的發(fā)射極。該X射線管還包括中空管，其用于在該中空管的一端接收來自焦斑的電磁輻射，并將電磁輻射傳輸?shù)搅硪欢?。該X射線管還包括用于檢測穿過該中空管的電磁輻射的兩個(gè)或多個(gè)傳感器。
文檔編號H01J35/14GK101410928SQ200780011402
公開日2009年4月15日 申請日期2007年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月29日
發(fā)明者C·馬蒂尼, R·皮蒂格 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司