專利名稱：用于高分辨率x射線設(shè)備的微焦點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X射線管，該微焦點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算機斷層攝影設(shè)備。由于檢測器技術(shù)、計算機和存儲器容量的進步以及微焦點X射線管的分辨率的提高，微型計算機斷層攝影能夠?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)。因為以高的分辨率重構(gòu)所需要的全部X射線投影的測量通常持續(xù)許多小時，所以由熱引起的試樣投影在檢測器上的移動帶來極大的問題。雖然知道借助基于軟件的算法來補償這種移動，但是可由此達到的分辨率改善是受限的。這里關(guān)鍵的部件是X射線管，因為在對熱不敏感的操縱器上不可能把這些管固定在焦斑中；在焦點和該管在操縱器上的固定架之間在管外殼上始終保持對熱敏感的(通常是金屬的)連接，這不需要另外的措施便導(dǎo)致X射線管的焦點位置在測量持續(xù)的過程中極大地移動。一種用于把X射線管的焦點位置在整個測量持續(xù)過程中盡可能保持恒定的通常措施在于，在開始掃描之前，把該管加熱到運行溫度并且等待，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。此外該熱平衡通過該管的每一個參數(shù)改變被重新破壞，這另外引起極大的等待時間。本發(fā)明的任務(wù)在于，提供一種微焦點X射線管，它使得能夠在工業(yè)應(yīng)用中在較短的時間內(nèi)以較高的分辨率獲得數(shù)據(jù)。本發(fā)明通過獨立權(quán)利要求1的特征解決該任務(wù)。由于借助流過冷卻室的冷卻介質(zhì)對X射線管的冷卻，抵抗由熱引起的焦點位置的移動。這里一個決定性的特征是:根據(jù)本發(fā)明冷卻室基本上是旋轉(zhuǎn)對稱的。由此，在該管不處于熱平衡狀態(tài)下時，也能夠在該管內(nèi)維持主要通過旋轉(zhuǎn)對稱的熱輸入、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)對稱的溫度分布。通過在該管內(nèi)維持旋轉(zhuǎn)對稱的溫度分布，能夠非常有效地阻止焦點的側(cè)向移動，也就是說在垂直于旋轉(zhuǎn)軸線設(shè)置的焦點平面內(nèi)的移動。因為焦點平面內(nèi)的這些移動對于檢測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。能夠省去對該管的預(yù)熱和對于熱平衡建立的等待，這總體而言極大地縮短測量持續(xù)過程。由于根據(jù)本發(fā)明的基本上旋轉(zhuǎn)對稱的冷卻，基本上僅遺留焦點在軸向上的熱移動。這對于檢測器上的位置分辨率具有不太嚴重的作用。此外，只要需要，可以通過提高冷卻功率，也就是說通過相應(yīng)設(shè)計的冷卻泵，有效地阻止焦點的軸向熱移動。通過環(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(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)部凈距大于冷卻室的壁厚，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。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開設(shè)置，更優(yōu)選錯開至少90°，還更優(yōu)選錯開180°，也就是說關(guān)于管軸線彼此相對設(shè)置。這種設(shè)置能夠有助于盡可能均勻地流過整個冷卻室體積。下面根據(jù)有利的實施方式參照


本發(fā)明。附圖中:圖1表示微型計算機斷層攝影系統(tǒng)的示意圖；圖2表不通過第一實施方式中的X射線管的縱向截面；圖3表示垂直于縱長軸線通過X射線管的截面；圖4表示通過第二實施方式中的X射線管的縱向截面；圖5表示通過第三實施方式中的X射線管的縱向截面；圖6表示在對于圖3的另外可選的實施方式中垂直于縱長軸線通過X射線管的截面。圖1中表示的微型計算機斷層攝影設(shè)備包括X射線系統(tǒng)10，其設(shè)計用于拍攝試樣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X射線管11，X射線射束14從X射線管11的聚焦點或焦點16發(fā)射；產(chǎn)生圖像的X射線檢測器12和試樣保持器20，其優(yōu)選設(shè)計用于使試樣13圍繞豎直軸線旋轉(zhuǎn)。X射線檢測器12優(yōu)選是平面檢測器，特別是平板檢測器，然而也可以是行檢測器。試樣13的一組X射線投影例如通過逐步地將試樣保持器20每次旋轉(zhuǎn)規(guī)定的小步進角并且在每個旋轉(zhuǎn)角度下拍攝X射線投影來獲得。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射線檢測器12。從X射線檢測器12中讀出這些X射線投影并且向計算機設(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)算法來計算試樣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，計算機設(shè)備41能夠同樣是設(shè)計用于控制X射線源11、試樣保持器20和X射線檢測器12 ;另外可選的方案是可以提供單獨的控制設(shè)備。微焦點X射線管11包括陰極元件15、Wehnelt圓筒21、陽極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電磁透鏡25，其優(yōu)選作為聚光透鏡設(shè)計，以便把電子射束24近似平行地定向或者以便產(chǎn)生一個中間的圖像；然而聚光透鏡25不是一定必需的。此外微焦點X射線管11適當?shù)匕ㄒ粋€未圖示的用于調(diào)整射束位置的偏轉(zhuǎn)單元。微焦點X射線管11如此設(shè)計，使得靶23上的最小的焦點或聚集點小于或者等于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X射線管11還包括外殼，其可以由多個段組成。尤其可以提供接收陰極元件15且構(gòu)成陽極19的外殼段35、包圍聚焦透鏡22的外殼段36以及必要時還有設(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)系在一起的相對于X射線管固定架39移動焦點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的實施方式中冷卻室30的流體流過的內(nèi)部空間在圓周方向上完全連續(xù)。在該實施方式中入口 31和出口 32優(yōu)選彼此錯開180°，也就是說彼此相對設(shè)置，如圖3所示，由此冷卻室30盡可能被均勻地流過，而不形成冷卻介質(zhì)的任何優(yōu)選流動方向。相反，在根據(jù)圖6的實施方式中，在冷卻室30內(nèi)提供徑向的分開壁48，它在一個圓周位置中斷冷卻室30的流體流過的內(nèi)部空間。在這種情況下入口 31和出口 32適當?shù)卦O(shè)置在分開壁48的區(qū)域內(nèi)在分開壁48的相反側(cè)，以便完全地流過冷卻室30。在該實施例中入口和出口也可以在圓周上基本上不錯開，而代之為在軸向錯開設(shè)置。根據(jù)圖6的實施例表明，本發(fā)明的特征“基本上旋轉(zhuǎn)對稱”意味著，除了冷卻介質(zhì)的入口和出口 31、32、冷卻室內(nèi)可能的分開壁48和必要時另外的、本質(zhì)上不干擾旋轉(zhuǎn)對稱性的功能元件之外是旋轉(zhuǎn)對稱的。術(shù)語軸向、徑向和旋轉(zhuǎn)對稱在本申請的范圍內(nèi)涉及管11的縱長軸線，其通過陰極15和靶23之間的電子射束24的中軸線來定義。在根據(jù)圖2的實施方式中冷卻室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。在該實施方式中冷卻室30主要在軸向上延伸，也就是說它的軸向延伸優(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。在這兩種實施方式中冷卻室30主要在徑向上延伸，也就是說它的徑向延伸優(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，這是因為線圈33表示該管11中的一個主熱源。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)的流動速度優(yōu)選比要通過接頭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)部凈距極大地大于壁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)明不限于一個冷卻介質(zhì)入口 31、一個冷卻介質(zhì)出口 32以及必要時的一個分開壁48?？梢栽O(shè)想具有多個冷卻介質(zhì)入口 31、多個冷卻介質(zhì)入口 31和/或多個分開壁48的另外的實施方式。管11可以具有多個冷卻室30，它們例如可以在軸向上彼此錯開設(shè)置。上面關(guān)聯(lián)具有透射靶的管11說明了冷卻室30。然而冷卻室30可以沒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)用說明了管11。然而可以設(shè)想組件的工業(yè)X射線測試或者X射線測量的其它應(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X射線管(11)，所述微焦點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)對稱的、環(huán)形的冷卻室(30)，所述冷卻室(30)設(shè)計用于流過流體的冷卻介質(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)部凈距大于冷卻室壁(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開設(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)對稱的、環(huán)形的冷卻室(30)，其設(shè)計用于通過流體的冷卻介質(zhì)。
文檔編號H01J35/16GK103189955SQ201080068842
公開日2013年7月3日 申請日期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 申請人:Ge傳感與檢測技術(shù)有限公司