РЕНТГЕНОВСКАЯ ТРУБКА С ПАССИВНЫМ ИОНОСОБИРАЮЩИМ ЭЛЕКТРОДОМ
X-RAY TUBE WITH PASSIVE ION-COLLECTING ELECTRODE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение касается рентгеновской трубки с ионособирающим электродом, при этом рентгеновская трубка может использоваться, например, в системах компьютерной томографии (CT).
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Рентгеновские трубки используются, например, в CT-системах, в которых рентгеновская трубка вращается вокруг пациента, генерируя веерный пучок рентгеновских лучей, при этом противоположно рентгеновской трубке и находясь с ней на роторе гентри, вращается детекторная система, которая преобразует ослабленные рентгеновские лучи в электрические сигналы. На основе этих электрических сигналов компьютерная система может реконструировать изображение тела пациента.
В рентгеновской трубке пучок первичных электронов, эмитированных катодом, бомбардирует фокальное пятно анода и порождает рентгеновские лучи. Однако некоторый процент поступающих первичных электронов рассеивается в обратном направлении или приводит к появлению электронов отдачи, далее такие электроны обычно будем называть обратно-направленными электронами. Тем самым он преобразуется в поток обратно-направленных электронов, покидающих фокальное пятно и уносящих примерно 40% (W-target) энергии первичного пучка.
В некоторых традиционных конструкциях трубок катод располагается непосредственно напротив анода. Соответственно между отрицательно заряженным катодом и положительно заряженным анодом создается сильное электрическое поле. В подобных конструкциях трубок вследствие зеркального эффекта, вызванного положительно заряженным анодом, множество обратно-направленных электронов перенаправляется снова на анод, что приводит к его нежелательному нагреву и, кроме того, порождает нежелательное нефокальное излучение от участков, разнесенных от фокального пятна, где обратно-направленные электроны соударяются с анодом.
В новейшем усовершенствованном подходе такой нежелательный нагрев и нефокальное излучение могут быть существенно снижены путем модернизации рентгеновской трубки, так чтобы обратно-направленные электроны могли перемещаться в практически свободном от поля пространстве в направлении коллекторных электродов. Таким образом, большей части 40-процентной тепловой нагрузки анода можно избежать, а также можно избежать большей части нефокального излучения.
Однако могут возникнуть проблемы, связанные с ионами, образованными из остаточного газа или при испарении мишени в интенсивном первичном пучке, а также в потоке обратно-направленных электронов. В существовавших ранее конструкциях рентгеновской трубки, в которых между анодом и катодом создавалось сильное электрическое поле, такие ионы притягивались электрическим полем в направлении одного из электродов, обычно к катоду. Однако в современных конструкциях рентгеновской трубки, обладающих практически свободным от поля пространством, ионы могут более не испытывать воздействия сильного перемещающего электрического поля. Соответственно более не используются соответствующие ионные насосы, как в предшествующих конструкциях, где большое количество ионов внедрялось в катод и удалялось из разреженного пространства рентгеновской трубки.
В связи с этим рентгеновские трубки с длинной траекторией дрейфа полезного электронного пучка при практическом отсутствии поля, в которых электростатическое поле в окрестности основной части полезного электронного пучка для генерирования рентгеновских лучей меньше, чем динамическое поле, сгенерированное пространственным зарядом пучка, могут пострадать от существенной концентрации ионов в электронном пучке, что может дестабилизировать его фокусировку.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Не исключено, что существует потребность в создании рентгеновской трубки, в которой, по меньшей мере, частично решаются вышеуказанные проблемы. В частности, может существовать потребность в создании рентгеновской трубки, в которой ионы, сгенерированные в пределах рентгеновской трубки, могут быть эффективно собраны и удалены с траектории дрейфа первичного электронного пучка, в особенности, траектории дрейфа при практическом отсутствии поля. Кроме того, может существовать потребность в создании рентгеновской трубки, конструкция которой проста, что снижает производственные и эксплуатационные расходы.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения обеспечивается рентгеновская трубка, при этом рентгеновская трубка содержит катод, анод и дополнительный электрод. Данный дополнительный электрод выполнен с возможностью того, что вследствие соударения со свободными электронами он отрицательно заряжается до электрического потенциала, уровень которого находится между уровнем потенциала катода и уровнем потенциала анода. В качестве сущности настоящего изобретения можно рассматривать создание дополнительного электрода в рентгеновской трубке в дополнение к традиционной схеме катод-анод. Этот дополнительный электрод может быть выполнен с возможностью выполнения функции коллектора ионов или ионного насоса в процессе работы рентгеновской трубки. В процессе такой работы электроны, эмитированные катодом, ускоряются в направлении анода. При соударении с анодом могут эмитироваться электроны отдачи или электроны, рассеянные в обратном направлении. Дополнительный электрод может располагаться в рентгеновской трубке так, чтобы такие свободные электроны отдачи могли соударяться с дополнительным электродом. Благодаря такому соударению со свободными электронами дополнительный электрод отрицательно заряжается. Дополнительный электрод, помимо этого, выполнен с возможностью того, что электрический потенциал, до которого дополнительный электрод заряжается, находится между уровнем потенциала катода и уровнем потенциала анода в процессе работы рентгеновской трубки.
В этом контексте важно отметить, что электрический потенциал, до которого дополнительный электрод заряжается в процессе работы рентгеновской трубки, является результатом соударения свободных электронов с дополнительным катодом, т.е. зависит от него. Другими словами, равновесный отрицательный потенциал дополнительного электрода, т.е. электрический потенциал, достигнутый после того, как рентгеновская трубка перешла от пускового режима к установившемуся режиму непрерывной работы, главным образом определяется, с одной стороны, потоком свободных электронов, соударяющихся с дополнительным электродом, а, с другой стороны, чистой потерей заряда, например, вследствие электронной эмиссии с дополнительного электрода и сбора ионов. Опять же, говоря другими словами, дополнительный электрод можно называть пассивным самозаряжающимся электродом.
Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения дополнительный электрод электрически не соединен с внешним источником напряжения. Другими словами, дополнительный электрод по существу является электрически изолированным и пассивным. Например, дополнительный электрод электрически не соединен ни с корпусом рентгеновской трубки, ни с анодом рентгеновской трубки, ни с дополнительным блоком управления для установления заданного или выбираемого электрического потенциала на дополнительном электроде путем прикладывания внешнего напряжения. Изоляция может быть несовершенной. А именно она может иметь характеристики линейного (омического) или нелинейного электрического удельного сопротивления лишь в некоторых пределах, например, с использованием тонкого слоя металлического покрытия на керамике.
В этом контексте термин «отсутствие электрического соединения» между дополнительным электродом и внешним источником напряжения и/или другими составными частями рентгеновской трубки можно понимать так, что между дополнительным электродом и источником напряжения или элементом рентгеновской трубки не существует электропроводящего элемента. В частности, может не быть электрического проводника или провода по направлению к дополнительному электроду. Соответственно дополнительный электрод при соударении со свободными электронами будет заряжаться до определенного равновесного потенциала. Однако «отсутствие электрического соединения» не следует понимать как исключение возможности того, что заряды покидают дополнительный электрод иными путями, чем по традиционным электрическим проводникам, например, путем холодной электронной эмиссии или эмиссии горячих электронов, при которых электроны эмитируются с поверхности дополнительного электрода в окружающую газовую среду или разреженное пространство.
Равновесный электрический потенциал, до которого заряжается дополнительный электрод в процессе работы рентгеновской трубки в результате соударения со свободными электронами, может быть значительно ниже отрицательного электрического потенциала катода, например, ближе к уровню электрического потенциала анода, чем к уровню электрического потенциала катода. Например, этот равновесный электрический потенциал может составлять от 1 до 30%, предпочтительно от 3 до 10% разницы потенциалов между анодом и катодом. Например, если потенциал катода равен -120 кВ, а потенциал анода равен 0 кВ, дополнительный электрод может быть выполнен с возможностью обладания равновесным электрическим потенциалом на уровне примерно -5 кВ.
Благодаря своему равновесному электрическому потенциалу, дополнительный электрод может выполнять функцию коллектора ионов или ионного насоса, притягивая положительно заряженные ионы из окружающей его среды. Соответственно ионы, образованные в окружающем пространстве путем соударения молекул пара с электронами первичного электронного пучка или с обратно-направленными электронами, претерпевают воздействие электрического поля и могут быстро выводиться из разреженного пространства по направлению к дополнительному электроду, где они могут погружаться в объемный материал. Такой ионный насос может работать более эффективно, чем иные традиционно известные ионные насосы, основанные, например, на химических геттерах.
Согласно дополнительному варианту осуществления настоящего изобретения рентгеновская трубка дополнительно содержит корпусную часть, при этом корпусная часть выполнена с возможностью удерживания заданного электрического потенциала, причем дополнительный электрод установлен в некотором положении и на некотором расстоянии от корпусной части, так чтобы при работе рентгеновской трубки, с одной стороны, отрицательный потенциал дополнительного электрода имел тенденцию к увеличению благодаря электронам, поступающим с анода и соударяющимся с дополнительным электродом, а, с другой стороны, отрицательный потенциал дополнительного электрода имел тенденцию к снижению благодаря электронам, эмитированным с дополнительного электрода в направлении корпусной части.
Корпусная часть может представлять собой корпус в целом или быть частью такого целого корпуса, заключающей в себя элементы рентгеновской трубки, такие как катод, анод и дополнительный электрод. Корпусная часть может быть выполнена из электропроводящего материала, такого как металл. Корпусная часть может сохранять заданный электрический потенциал за счет электрического соединения с внешним источником напряжения. По альтернативному варианту корпусная часть может быть электрически подсоединена, например, к аноду и тем самым иметь тот же электрический потенциал, что и анод.
В особенности, в последнем случае, когда корпусная часть и анод имеют одинаковый электрический потенциал, корпусная часть может быть выполнена так, чтобы главным образом охватывать участок рентгеновской трубки, содержащий анод и дополнительный электрод, при этом на этом участке рентгеновской трубки основное электрическое поле между катодом и анодом и/или корпусной частью экранировано. Тем самым в рентгеновской трубке может быть создана область с практически отсутствующим полем. В этой области с практически отсутствующим полем, например, может быть создана траектория дрейфа, не подверженная воздействию поля, на которой электроны, исходящие от катода и ускоренные в направлении анода, не испытывают существенного влияния электрического поля, вызванного разностью потенциалов между анодом и катодом. В частности, если дополнительный электрод расположен в такой области с практически отсутствующим полем, он может создать сравнительно слабое электрическое поле в пределах этой области с практически отсутствующим полем, и это слабое электрическое поле притягивает ионы, сгенерированные в этой области с практически отсутствующим полем, по направлению к дополнительному электроду.
Согласно дополнительному варианту осуществления настоящего изобретения дополнительный электрод электрически изолирован от корпусной части посредством изолирующего элемента, при этом изолирующий элемент обладает ограниченной электропроводностью, которая рассчитана так, чтобы в установившемся рабочем режиме рентгеновской трубки электрический ток, протекающий от дополнительного электрода к корпусной части через изолирующий элемент, был меньше потока зарядов, исходящего от анода и поступающего на дополнительный электрод. При такой схеме дополнительный электрод будет заряжаться до определенного отрицательного потенциала благодаря соударению с электронами, хотя малый ток, протекающий через изолирующий элемент, породит потерю отрицательных зарядов. Типичное удельное сопротивление изолирующего элемента может превышать 1 мегаом.
Согласно дополнительному варианту осуществления настоящего изобретения дополнительный электрод содержит поверхностный участок эмиссии, выполненный с возможностью автоэлектронной эмиссии.
Электронам требуется иметь минимальную потенциальную энергию или минимальную кинетическую энергию, для того, чтобы быть в состоянии высвободиться из поверхности определенного материала. Эту энергию также называют работой выхода электронов из материла.
Например, эта энергия может обеспечиваться в виде тепловой энергии. Электрод можно нагреть до такой температуры, чтобы электроны на электроде имели достаточную кинетическую энергию, чтобы покинуть материал электрода. Это также называют принципом работы с горячим катодом.
С другой стороны, в том случае, когда в окрестности поверхности электрода присутствует сильное электрическое поле, потенциальная энергия электрона может быть снижена. Электроны будут в состоянии проникнуть сквозь потенциальный барьер поверхности, следуя уравнению Фаулера-Нордхейма, устанавливающему связь между током эмиссии и напряженностью электрического поля. Для этой цели, а также чтобы усилить ток, геометрия поверхности электрода может быть выполнена так, чтобы электрическое микрополе усиливалось локально, и электроны могли покинуть материал электрода в соответствующих местах. Например, поверхность электрода может быть снабжена малыми рабочими кромками (tips), например вольфрамовыми кромками, при этом на конце кромки электрический потенциал существенно возрастает и электроны могут эмитироваться с такого конца кромки. Эмиссию электронов вследствие такого локального усиления электрического поля за счет специальной геометрии поверхности часто называют «автоэлектронной эмиссией» или «холодной эмиссией» электронов.
В этом случае величина потока электронов, эмитированных с поверхности электрода, сильно зависит, с одной стороны, от электрического макроскопического поля, обусловленного потенциалом электрода по отношению к соответствующему опорному потенциалу, например, такому как потенциал прилегающей корпусной части рентгеновской трубки, а, с другой стороны, от локального микрополя, которое может быть модифицировано за счет поверхностной геометрии электрода. Например, определено, что при заданном соответствующем размере поверхностного участка эмиссии расстояние, равное примерно 1 мм между поверхностным участком эмиссии электрода, обладающим потенциалом примерно -5 кВ, и прилегающим участком с опорным потенциалом корпусной части, равным 0 кВ, как раз может сбалансировать поступающий поток рассеянных электронов в конкретной рентгеновской трубке.
Согласно дополнительному варианту осуществления настоящего изобретения поверхностный участок эмиссии дополнительного электрода содержит углеродные нанотрубки (CNT). Например, поверхностный участок эмиссии может иметь покрытие из углеродных нанотрубок, образуя тем самым микроскопически грубую поверхностную структуру, при этом нанотрубки образуют острые кромки, на которых электрическое поле может быть локально усилено. Углеродные нанотрубки могут быть особенно предпочтительны, поскольку создаваемая ими плотность потока автоэлектронной эмиссии может быть относительно высокой и при этом также высока стойкость к локальному перегреву и саморазрушению.
Согласно дополнительному варианту осуществления настоящего изобретения дополнительный электрод установлен примыкая к траектории дрейфа при практическом отсутствии поля, располагаясь между катодом и анодом рентгеновской трубки.
Отрицательно заряженный дополнительный электрод может притягивать положительно заряженные ионы, образованные, например, первичным электронным пучком в пределах траектории дрейфа при практическом отсутствии поля, тем самым стабилизируя фокусировку первичного электронного пучка. Термин «примыкая к траектории дрейфа при практическом отсутствии поля» в данном описании можно интерпретировать так, что дополнительный электрод расположен в некотором месте и на некотором расстоянии от траектории дрейфа первичного электронного пучка между катодом и анодом, так чтобы сила притяжения, обусловленная отрицательным зарядом дополнительного электрода, была достаточно высокой для притяжения существенной части ионов, сгенерированных в пределах траектории дрейфа, и направления их к дополнительному электроду. Таким образом, дополнительный электрод может выполнять функцию коллектора ионов. На практике расстояние между дополнительным электродом и траекторией дрейфа при отсутствии поля может быть в диапазоне нескольких миллиметров.
Согласно дополнительному варианту осуществления настоящего изобретения дополнительный электрод расположен примыкая к фокальному пятну, где электроны, исходящие от катода, соударяются с анодом. Будучи расположенным вблизи фокального пятна анода, дополнительный электрод может предпочтительно удалять ионы из объема, окружающего такое фокальное пятно, тем самым способствуя стабилизации фокусировки первичного электронного пучка. Кроме того, электроны отдачи или рассеянные в обратном направлении электроны, эмитированные из фокального пятна, могут легко достичь дополнительного электрода, тем самым заряжая его до требуемого электрического потенциала.
В вышеупомянутых аспектах и вариантах осуществления дополнительный электрод может выполнять функцию «притягивающего к себе электрода», служащего в качестве «преобразователя потенциала». В то время как кинетическая энергия ионизирующих электронов в первичном электронном пучке может составлять, например, 100-120 кэВ, электроны, эмитированные из дополнительного электрода, например, путем автоэлектронной эмиссии, могут обладать энергией 0-5 кэВ, в зависимости от точки пространства, в которой происходит процесс ионизации. Поскольку сечение ионизации на порядок выше в этом диапазоне низких значений энергии по сравнению с диапазоном высоких значений энергии, эффективность ионизации остаточного газа в рентгеновской трубке, когда поток электронов, обладающих средней энергией, проходит через разреженное пространство в рентгеновской трубке, существенно возрастает. Другими словами, атомы или частицы остаточного газа в рентгеновской трубке могут быть эффективно ионизированы электронами, обладающими низкой энергией, эмитированными из дополнительного электрода, например, путем автоэлектронной эмиссии, а образованные ионы могут притягиваться, т.е. «откачиваться», например, по направлению к дополнительному электроду, который тем самым выполняет функцию ионного насоса.
Согласно дополнительному варианту осуществления настоящего изобретения рентгеновская трубка дополнительно содержит генератор магнитного поля, выполненный с возможностью генерирования магнитного поля в окрестности дополнительного электрода.
Благодаря магнитному полю, сгенерированному таким генератором магнитного поля, электроны, эмитированные из дополнительного электрода, могут принудительно следовать изогнутым, а потому удлиненным траекториям электронов. Например, электроны, эмитированные с поверхностного участка эмиссии дополнительного электрода по направлению к корпусной части рентгеновской трубки, могут принудительно следовать винтовой траектории. Таким образом, траектория, по которой должны пройти электроны через разреженное пространство в рентгеновской трубке, становится удлиненной, что увеличивает вероятность столкновения между электронами и атомами остаточного газа в рентгеновской трубке. Соответственно, образование ионов, а, следовательно, и эффективность откачки могут возрастать.
Магнитное поле, сгенерированное генератором магнитного поля, может обеспечить дополнительное преимущество. Ионы гораздо тяжелее электронов. Например, масса иона примерно на три порядка превышает массу электрона. В результате этого отклоняющее воздействие магнитного поля на движущиеся ионы существенно меньше, чем на электроны, которые перемещаются с той же скоростью. Эта особенность может быть использована так, чтобы траектория дрейфа электронов, эмитированных дополнительным электродом, могла быть значительно изогнута магнитным полем, в то время как ионы, сгенерированные при столкновении таких электронов с незаряженными частицами, отклонялись магнитным полем значительно меньше на своем пути к притягивающему дополнительному электроду. Вследствие этого местоположение, в котором ионы столкнутся с поверхностью дополнительного электрода, будет разнесено от поверхностного участка, с которого эмитируются электроны на дополнительном электроде. Используя данный эффект, можно предотвратить соударение ионов с поверхностным участком эмиссии, предназначенным для автоэлектронной эмиссии. Это может существенно увеличить срок службы дополнительного электрода, поскольку этот поверхностный участок эмиссии является весьма чувствительным и легко повреждается ионной бомбардировкой.
Согласно дополнительному варианту осуществления настоящего изобретения местный поверхностный участок дополнительного электрода имеет покрытие из материала химического геттера. При соударении ионы нейтрализуются и зарываются в слой материала, который образует химическое соединение с этими атомами.
Согласно дополнительному варианту осуществления настоящего изобретения местный поверхностный участок, имеющий покрытие из материала, поглощающего ионы, расположен примыкая к поверхностному участку эмиссии, выполненному с возможностью автоэлектронной эмиссии. Как отмечалось выше, ионы, сгенерированные электронами, эмитированными с поверхностного участка эмиссии дополнительного электрода, соударяются с дополнительным электродом в местах, разнесенных от места расположения поверхностного участка эмиссии. Таким образом, представляется предпочтительным сконструировать дополнительный электрод таким образом, чтобы части поверхности дополнительного электрода были выполнены с возможностью автоэлектронной эмиссии, в то время как примыкающие части поверхностной площади дополнительных электродов, где предполагается соударение с ионами, имели покрытие из ионопоглощающего материала. Тем самым эффективность ионного насоса в виде дополнительного электрода может быть дополнительно повышена.
Следует отметить, что аспекты, варианты осуществления и признаки изобретения были описаны со ссылкой на различные объекты. В частности, некоторые признаки и варианты осуществления были описаны со ссылкой на саму рентгеновскую трубку, в то время как другие признаки и варианты осуществления были описаны в отношении ее работы или использования. Однако специалист в данной области техники поймет из вышеприведенного и последующего описания, что, если не указано иначе, в дополнение к любому сочетанию или признакам, принадлежащим одному типу объекта, любое сочетание признаков, относящихся к различным объектам, также рассматривается как раскрытое в данной заявке.
Аспекты и варианты осуществления, определенные выше, а также дополнительные аспекты настоящего изобретения станут ясны из примеров вариантов осуществления, которые будут описаны далее со ссылкой на чертежи, которыми, однако, изобретение не ограничивается.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фигуре 1 показана традиционная рентгеновская трубка.
На Фигуре 2 показана рентгеновская трубка по одному варианту осуществления изобретения.
На Фигуре 3 показана увеличенная секция A, как указано на Фигуре 3.
Следует отметить, что чертежи являются лишь схематичными и выполнены не в масштабе. Кроме того, одинаковые номера позиций относятся к одинаковым элементам на всех чертежах.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
На Фигуре 1 показана традиционная рентгеновская трубка 101, содержащая в качестве основных своих составных частей катод 103 и анод 105. Составные части рентгеновской трубки 101 заключены в корпус 111. Катод 103 имеет высокий отрицательный потенциал, например -120 кВ, и механически крепится к корпусу 111 посредством электроизолирующего элемента 113, так что катод 103 электрически изолирован от корпуса 111. Анод 105 выполнен в виде круглого диска, который может вращаться вокруг оси 117 вращения. Анод 105 содержит наклонную поверхность 115. Электроны (e-) первичного электронного пучка 121, эмитированные с катода 103 и ускоренные в направлении анода 105, соударяются с анодом 105 в фокальной точке 119 на наклонной поверхности 115.
При таком соударении, выполняемом электронами, примерно 60-процентная доля электронного пучка 121, направленного на анод 105, служит генерированию пучка рентгеновских лучей 123. Этот пучок рентгеновских лучей 123 может проходить через окно 125 в корпусе 111 в направлении объекта исследования.
Однако остальная доля электронного пучка 121, равная примерно 40%, преобразуется в электроны отдачи, разлетающиеся в направлении от анода 105. Эти обратно-направленные электроны 127 будут притягиваться положительным электрическим потенциалом анода 105 или корпуса 111. Отклоненные таким образом обратно-направленные электроны 127 могут соударяться с поверхностью анода 105 в точке 129, разнесенной от фокальной точки 119, что приводит, с одной стороны, к генерированию нефокального рентгеновского излучения 131, а, с другой стороны, к существенному тепловыделению в аноде 105.
Следует отметить, что на Фигурах 1 и 2 показан лишь участок рентгеновской трубки 101 до центральной оси (CL). Центральную ось (CL) можно рассматривать как ось симметрии анода 105, и по этой оси симметрии может располагаться ось 117 вращения анода.
На Фигуре 3 показан вариант осуществления рентгеновской трубки 1 по настоящему изобретению. Рентгеновская трубка 1 содержит катод 3 и анод 5, расположенные в корпусе 11. Катод 3 механически присоединен к корпусу 11, но электрически изолирован от корпуса 11 посредством изолирующего элемента 13. Дискообразный анод 5 может вращаться вокруг оси 17 вращения.
В конкретном варианте осуществления, показанном на Фигуре 2, рентгеновская трубка 1 представляет собой так называемую трубку одностороннего типа (single ended). Это означает, что в то время как катод 3 имеет большой отрицательный электрический потенциал, равный, например, -120 кВ, анод 5 имеет нулевой потенциал, т.е. 0 кВ. Кроме того, корпус 11 электрически соединен с анодом 5, так что корпус 11 также имеет нулевой потенциал. Кроме того, корпус 11 выполнен так, что он по существу размещает в себе анод 5, при этом обеспечивается лишь малый проход 35 в качестве соединения между катодом 3 и анодом 5. Через эту «горловину» 35 первичный электронный пучок 21, эмитированный катодом 3, может проходить в направлении наклонной поверхности 15 анода 5, так чтобы сгенерировать пучок рентгеновских лучей 23, эмитированных из фокальной точки 19.
Благодаря специальной конструкции корпуса 11, содержащего «горловину» 35, существует область 37 с практическим отсутствием поля, начинающаяся приблизительно от верхнего конца «горловины» 35 и продолжающаяся вниз до окрестности анода 5. В этой области 37 с практическим отсутствием поля электростатическое поле в окрестности основной части первичного электронного пучка 21 слабее динамического поля, сгенерированного пространственным зарядом пучка.
Как и в традиционных рентгеновских трубках, при соударении электронного пучка 21 с анодом 5 в фокальной точке 19 генерируются электроны 27 отдачи. Однако, поскольку эти электроны 27 генерируются в пределах области 37 с практическим отсутствием поля, данные электроны 27 не притягиваются анодом 5, обладающим нулевым потенциалом. Вместо этого, в силу их высокой кинетической энергии, эти электроны 27 могут поступать на дополнительный электрод 7, обеспеченный рядом с анодом 5 поблизости от электронного пучка 21 в области 37 с практическим отсутствием поля.
Дополнительный электрод 7 выполнен из электропроводящего материала, однако механически крепится к корпусу 11 посредством изолирующего элемента 43, выполненного из электроизолирующего материала. Таким образом, дополнительный электрод 7 электрически изолирован и, следовательно, может заряжаться соударяющимися с ним обратно-направленными электронами 27. Поскольку эти обратно-направленные электроны 27 могут иметь очень высокую энергию в диапазоне до уровня разности потенциалов между катодом 3 и анодом 5, т.е. в диапазоне до 120 кэВ, дополнительный электрод теоретически может заряжаться до соответствующего отрицательного потенциала, уровень которого находится между уровнем электрического потенциала анода 5 и уровнем электрического потенциала катода 3.
Чтобы предотвратить приобретение чрезмерного отрицательного заряда дополнительным электродом 7, на дополнительном электроде 7 предусмотрен поверхностный участок 41 эмиссии, выполненный с возможностью автоэлектронной эмиссии. Увеличенный вид секции A, указанной на Фигуре 2, показан на Фигуре 3. Поверхностный участок 41 эмиссии представляет собой область дополнительного электрода 7, которая, например, имеет покрытие из углеродных нанотрубок или снабжена малыми острыми рабочими кромками с целью локального усиления электрического поля между дополнительным электродом 7 и соседней частью корпуса 11. Благодаря макроскопическому электрическому полю, создаваемому разностью потенциалов между подзаряженным дополнительным электродом 7 и соседней частью корпуса 11, а также локальному усилению этого электрического поля на микроуровне в силу структуры поверхности на поверхностном участке 41 эмиссии, электроны 43 могут эмитироваться с поверхностного участка 41 эмиссии в направлении корпуса 11. При этом величина потока электронов 43, эмитированных с поверхностного участка 41 эмиссии, будет сильно зависеть от разности потенциалов между дополнительным электродом 7 и корпусом 11. Соответственно, для дополнительного электрода 7 будет достигнут равновесный или установившийся потенциал, при котором поток электрических зарядов, создаваемый обратно-направленными электронами 27, исходящими из фокальной точки 19 анода 5, имеет ту же величину, что и поток электронов 43, эмитированных из поверхностного участка 41 эмиссии в направлении корпуса 11.
Первый эффект дополнительного электрода 7 заключается в притягивании положительно заряженных ионов 51, которые могут быть сгенерированы благодаря столкновениям электронов первичного электронного пучка 21 с атомами остаточного газа в разреженном пространстве, заключенном в корпусе 11. Такие ионы 51 могут притягиваться к дополнительному электроду 7 и, таким образом, погружаться в него. Соответственно такие ионы 51 удаляются из области, примыкающей к первичному электронному пучку 21, где они иначе могли бы создавать помехи первичному электронному пучку 21.
Второй эффект дополнительного электрода 7 может заключаться в следующем. Электроны 43, эмитированные с поверхностного участка 41 эмиссии дополнительного электрода 7, имеют относительно малую кинетическую энергию, не превышающую разность потенциалов между дополнительным электродом 7 и корпусом 11, т.е. в диапазоне, например, от 0 до 5 кэВ. Такие электроны 41 с низким уровнем энергии имеют повышенную вероятность столкновения с атомами остаточного газа в рентгеновской трубке 1. Ионы 53, сгенерированные такими столкновениями, могут далее притягиваться к отрицательно заряженному дополнительному электроду 7, который тем самым опять же работает как ионный насос.
Чтобы еще более усилить последний эффект, в области, примыкающей к дополнительному электроду 7, предусмотрен генератор 61 магнитного поля. Этот генератор 61 магнитного поля выполнен с возможностью генерирования электрического поля в пространстве между дополнительным электродом 7 и корпусом 11, через которое проходят электроны 43, эмитированные с поверхностного участка 41 эмиссии. Сгенерированное магнитное поле служит значительному отклонению эмитированных электронов 43, так чтобы они не перемещались прямо от поверхностного участка 41 эмиссии к корпусу 11, следуя непосредственно силовым линиям электрического поля, но чтобы траектория электронов была изогнута. Соответственно длина и продолжительность перелета электронов 43, эмитированных с поверхностного участка 41 эмиссии, увеличиваются, а потому вероятность столкновения с остаточными атомами возрастает. Тем самым эффективность дополнительного электрода 7, выполняющего функцию ионного насоса, может повышаться. Ионы 53, сгенерированные такими столкновениями электронов с атомами и притягиваемые в направлении дополнительного электрода 7, в силу своей большой массы лишь незначительно отклоняются магнитным полем, сгенерированным генератором 61 магнитного поля. Такие ионы 53 могут перелетать более или менее прямо к дополнительному электроду 7 и ударяться об его поверхность на местном поверхностном участке 63, разнесенном от поверхностного участка 41 эмиссии. Такой местный поверхностный участок 63 может дополнительно иметь покрытие из ионопоглощающего материала с целью дополнительного усиления способности дополнительного электрода 7 по откачке ионов. Соответственно чувствительный поверхностный участок 41 эмиссии существенно предохраняется от ударов ионами 53.
В заключение, признаки и характерные особенности настоящего изобретения могут быть сведены к следующему. Предложена рентгеновская трубка 1, содержащая катод 3, анод 5, а также дополнительный электрод 7. При этом дополнительный электрод выполнен таким образом, что в силу соударения со свободными электронами 27, исходящими от анода 5, дополнительный электрод 7 отрицательно заряжается до электрического потенциала, уровень которого находится между уровнем потенциала катода и уровнем потенциала анода. Дополнительный электрод 7 может быть электрически изолирован и не соединяться с внешним источником напряжения. Дополнительный электрод 7 может выполнять функцию ионного насоса, удаляя ионы 51 из первичного электронного пучка 21, а также устраняя атомы остаточного газа в корпусе 11 рентгеновской трубки 1. С целью дополнительного усиления способности дополнительного электрода 7 по откачке ионов, примыкая к дополнительному электроду 7, может устанавливаться генератор 61 магнитного поля.
Следует отметить, что термин «содержащий» и схожие термины не исключают иных элементов или этапов, а неопределенный артикль «a» или «an» не исключает множества элементов. Кроме того, элементы, описанные в связи с различными вариантами осуществления, могут быть объединены. Следует также отметить, что ссылочные знаки в формуле изобретения не следует истолковывать как ограничивающие объем притязаний формулы изобретения.