УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ РЕНТГЕНОВСКИХ ЛУЧЕЙ
DEVICE AND METHOD FOR OBTAINING DISTRIBUTED X-RAYS

Область техники
Настоящее раскрытие предмета изобретения относится к созданию рентгеновских лучей распределенным образом и, в частности, к устройствам и способам создания распределенных рентгеновских лучей.
Уровень техники
Источники рентгеновских лучей относятся к аппаратам для создания рентгеновских лучей и обычно состоят из рентгеновской трубки, системы питания и управления, и вспомогательных устройств, таких как устройства охлаждения и экранирования. Основным устройством является рентгеновская трубка, которая обычно формируется из катода, анода, и стеклянного или керамического корпуса. Катод для прямого нагрева может быть выполнен из спиральной вольфрамовой нити. При работе ток течет через катод, и катод нагревается до рабочей температуры, приблизительно 2000 K, и создает термоэмиссионные потоки электронного пучка. Катод окружен металлическим колпачком, в котором, в передней части, имеются открытые углубления. Металлический колпачок позволяет сфокусировать электроны. Анод может быть выполнен из вольфрамовой мишени, мозаично помещенной на торцевой поверхности медной пластины. При работе между анодом и катодом имеется высокое напряжение в сотни тысяч вольт. Электроны, создаваемые у катода, ускоряются и перемещаются к аноду под действием электрического поля, и бомбардируют поверхность мишени, тем самым создавая рентгеновские лучи.
Рентгеновские лучи широко используются в различных областях, включая промышленный неразрушающий контроль, контроль безопасности, медицинская диагностика и лечение. В частности, рентгеновские аппараты перспективной визуализации, использующие возможность глубокого проникновения рентгеновских лучей, играют важную роль в различных объектах повседневной жизни людей. В прошлом, такие аппараты включали в себя аппараты перспективной визуализации с плоской пленкой. Современные улучшенные аппараты включают в себя цифровые, многовидовые, аппараты стерео визуализации высокого разрешения, такие как аппараты CT (Компьютерная Томография), которые могут получать трехмерную графику высокого разрешения, или изображения срезов, и они становятся преимущественным и естественными для применения.
Во многих аппаратах CT (включая CT для промышленного обнаружения дефектов, обследования багажа или контроля безопасности, медицинской диагностики, и т.п.) источник рентгеновских лучей обычно помещается на одной стороне обследуемого объекта, и детекторы для приема лучей помещаются на другой стороне обследуемого объекта. При прохождении через обследуемый объект, интенсивность рентгеновских лучей изменяется с толщиной, плотностью и т.п. обследуемого объекта. Интенсивность рентгеновских лучей, принятых детекторами, несет в себе информацию о составе обследуемого объекта для определенного угла изображения. Если местоположения источника рентгеновских лучей и детектора изменяются относительно обследуемого объекта, информация о составе может быть получена из различных углов изображения. Перспективное изображение обследуемого объекта может быть получено выполнением реконструкции, основанной на полученной информации, с помощью компьютерных систем и программных алгоритмов. В существующих аппаратах CT, источник рентгеновских лучей и детектор размещаются на круговом кольце скольжения, окружающем объект. При работе изображение для одного сечения вдоль толщины объекта получается для каждого цикла движения источника рентгеновских лучей и детектора вдоль кругового кольца скольжения. Такое изображение называют срезом. Затем, обследуемый объект перемещается вдоль направления по толщине для получения последовательности срезов. Эти срезы объединяются для демонстрации тонкой трехмерной структуры обследуемого объекта. Соответственно, в существующих аппаратах CT, чтобы получить информацию изображения под различными углами изображения, необходимо изменять местоположение рентгеновского источника. Источник рентгеновских лучей и детектор часто движутся вдоль кольца скольжения с очень высокой скоростью для ускорения обследования. Общая надежность и стабильность аппарата снижаются из-за высокоскоростного движения источника рентгеновских лучей и детектора по кольцу скольжения. Также скорость обследования аппаратом CT ограничивается скоростью движения. В последние годы, последнее поколение аппарата CT использует детекторы, размещенные по кругу, и, таким образом, детекторы не требуют перемещения. Однако источник рентгеновских лучей все же должен двигаться вдоль кольца скольжения. Скорость обследования CT может быть улучшена помещением множественных рядов детекторов и, таким образом, получением множественных изображений срезов для каждого цикла перемещения рентгеновского источника. Однако это не может устранить проблему, вызванную движением по кольцу скольжения. Таким образом, имеется потребность в таком источнике рентгеновских лучей в аппарате CT, чтобы множественные изображения под различными видовыми углами могли быть получены без изменения местоположения рентгеновского источника.
Для увеличения скорости обследования, электронные пучки, создаваемые у катода источника рентгеновских лучей, обычно используются для бомбардировки с большой энергией в течение долгого времени вольфрамовой мишени на аноде. Точки мишени очень малы по размеру и, таким образом, рассеивание тепла становится проблемой с точками мишени.
Некоторые патенты и документы предлагают определенные способы для решения проблем с современными аппаратами CT, таких как надежность, стабильность, скорость обследования, и рассеивания тепла точек мишени анода. Например, перегрев мишени анода может быть снижен до некоторой степени посредством вращения мишени в рентгеновском источнике. Однако такой способ осуществляется со сложной структурой, и точки мишени, создающие рентгеновские лучи, все же остаются в фиксированных положениях относительно источника рентгеновских лучей в целом. В качестве другого примера, способ получения множественных углов изображения со стационарным источником рентгеновских лучей заключается в близком расположении множественных отдельных обычных источников рентгеновских лучей вдоль окружности кольца, вместо перемещения рентгеновского источника. Хотя этот способ дает возможность получить множественные углы изображения, он имеет высокую стоимость, и при этом получается низкое качество (стерео разрешение) изображения из-за больших интервалов между точками мишени при различных точках наблюдения. Патентный документ 1 (US4926452) предоставляет способ создания распределенных рентгеновских лучей в рентгеновском источнике. В данном способе, мишень анода имеет большую площадь, и это смягчает проблему перегрева мишени. Кроме того, положения точек мишени изменяются вдоль окружности и, таким образом, могут быть получены множественные углы изображения. Способ в патентном документе 1 представляет собой эффективный способ создания распределенных рентгеновских лучей, хотя он используется для сканирования и отклонения ускоренных высокоэнергетичных электронных пучков, и имеет проблемы, такие как трудности при выполнении управления, не дискретные положения точек мишени, и плохая повторяемость.
Патентный документ 2 (WO 2011/119629) предоставляет способ создания распределенных рентгеновских лучей в рентгеновском источнике. В данном способе, мишень анода имеет большую площадь, и это смягчает проблему перегрева мишени. Кроме того, положения точек мишени разделены и фиксированным образом размещены в матрице и, таким образом, могут быть получены множественные углы изображения. Углеродные нанотрубки размещаются в матрице, чтобы сформировать холодные катоды. Напряжения между катодными управляющими электродами используются для управления полем эмиссии, тем самым управляя катодами для последовательного испускания электронов. Затем, испускаемые электроны бомбардируют мишень анода в соответствующих положениях и, таким образом, источник становится источником распределенных рентгеновских лучей. Однако способ имеет недостатки, включающие в себя сложные процессы изготовления, малую энергию эмиссии и короткое время эксплуатации углеродных нанотрубок.
Сущность изобретения
Аппараты и способы для создания распределенных рентгеновских лучей предоставляются в связи с одной или несколькими проблемами в обычной технологии.
В аспекте настоящего раскрытия предоставляется аппарат для создания распределенных рентгеновских лучей, включающий в себя: электронную пушку, сконфигурированную для создания потоков электронных пучков; устройство сканирования, установленное окружающим потоки электронных пучков и сконфигурированное для создания сканирующего магнитного поля для отклонения потоков электронных пучков; ограничивающее поток устройство, имеющее множество регулярно-размещенных отверстий, причем, когда потоки электронных пучков сканируют через ограничивающее поток устройство под управлением устройства сканирования, импульсные электронные пучки, соответствующие положениям отверстий в порядке сканирования, выводятся последовательно в виде матрицы ниже ограничивающего поток устройства; мишень анода, установленную ниже по потоку от ограничивающего поток устройства, причем подачей напряжение на мишень анода формируется однородное электрическое поле между ограничивающим поток устройством и мишенью анода для ускорения матрицы импульсных электронных пучков; причем рентгеновские лучи создаются, когда ускоренные электронные пучки бомбардируют мишень анода.
В другом аспекте настоящего раскрытия предоставляется способ создания распределенных рентгеновских лучей, включающий в себя: управление электронной пушкой для создания потоков электронных пучков; управление устройством сканирования для создания сканирующего магнитного поля для отклонения потоков электронных пучков; сканирование потоками электронных пучков через множество отверстий, регулярно установленных на ограничивающем поток устройстве, под управлением устройства сканирования для последовательного выведения импульсных электронных пучков, распределенных в виде матрицы; создание электрического поля для ускорения импульсных электронных пучков, распределенных в виде матрицы; и бомбардировка мишени анода ускоренными электронными пучками для создания рентгеновских лучей.
В соответствии с вышеупомянутыми аспектами настоящего раскрытия, положения потоков пучков и фокусных пятен могут быть изменены посредством электромагнитного сканирования быстрым и эффективным образом. Конструкция с ограничением потока перед высокоэнергетическим ускорением может дать распределение потоков пучков в виде матрицы, сберегает электроэнергию и эффективно препятствует ограничивающему ток устройству создавать тепло.
Кроме того, в соответствии с некоторыми вариантами реализации настоящего раскрытия, использование источника с горячим катодом имеет преимущества высокой эмиссии потока и длительного эксплуатационного времени по сравнению с другими конструкциями.
Кроме того, сканирование непосредственно с помощью потоков электронных пучков с низкой энергией начального движения имеет преимущества более простого управления и более высокой скорости сканирования.
Кроме того, конструкция большого анода в форме полосы может эффективно снизить перегрев анода, и облегчить усовершенствование источника питания.
Кроме того, по сравнению с другими аппаратами с источником распределенных рентгеновского излучения, вышеупомянутые варианты реализации имеют преимущества большого потока, малых точек мишени, однородного распределения положений точек мишени, хорошей повторяемости, высокой выходной мощности, простой технологии и низкой стоимости.
Кроме того, аппарат для создания распределенных рентгеновских лучей в соответствии с вариантами реализации настоящего раскрытия может быть применен в аппаратах CT для получения множественных углов изображения без перемещения источника, и таким образом исключает движение по кольцу скольжения. Это преимущественно для упрощения структуры и улучшения стабильности системы, надежности и эффективности обследования.
Краткое описание чертежей
Нижеследующие чертежи иллюстрируют осуществление настоящего раскрытия. Чертежи и осуществление предоставляют некоторые варианты реализации настоящего раскрытия не ограничивающим и не исключающим образом, причем:
Фиг.1 изображает блок-схему аппарата для создания распределенных рентгеновских лучей в соответствии с вариантом реализации настоящего раскрытия;
Фиг.2 - схематическая диаграмма, изображающая направление движения потоков электронных пучков, отклоненных магнитным полем в аппарате в соответствии с вариантом реализации настоящего раскрытия;
Фиг.3 - схематическая диаграмма, изображающая пилообразный сигнал потока сканирования, используемый для сканирования ограничивающего поток устройства в аппарате в соответствии с вариантом реализации настоящего раскрытия;
Фиг.4 - схематическая диаграмма, показывающая вид в плане ограничивающего поток устройства в соответствии с вариантом реализации настоящего раскрытия;
Фиг.5 - схематическая диаграмма, показывающая вид сечения ограничивающего поток устройства на фиг.4 в соответствии с вариантом реализации настоящего раскрытия;
Фиг.6 - пространственное распределение и вариация интенсивности потоков электронных пучков, когда они проходят через ограничивающее поток устройство в соответствии с вариантом реализации настоящего раскрытия;
Фиг.7 - схематическая диаграмма, изображающая соотношение между током сканирования, потоком электронных пучков, и положением фокуса рентгеновских лучей относительно ограничивающего поток устройства и анода в пределах цикла; и
Фиг.8 - схематические диаграммы, показывающие сечения и частичные виды аппаратов для создания распределенных рентгеновских лучей в соответствии с другим вариантом реализации настоящего раскрытия.
Подробное описание вариантов реализации
Ниже подробнее рассматриваются конкретные варианты реализации настоящего раскрытия. Следует отметить, что описанные варианты реализации предназначены только для иллюстрации и не для ограничения настоящего раскрытия. Многочисленные конкретные детали показаны для ясного и полного понимания настоящего раскрытия. Специалистам в данной области техники будет очевидно, что эти конкретные детали не необходимы для осуществления настоящего раскрытия. Подробное описание известных схем, материалов или способов опущено, поскольку это могло бы затруднить понимание настоящего раскрытия.
Всюду по спецификации, выражение "вариант реализации", "варианты реализации", "пример" или "примеры" означает, что конкретные признаки, структуры или характеристики, описанные в связи с таким вариантом реализации или примером, содержатся, по меньшей мере, в одном варианте реализации настоящего раскрытия. Выражения "вариант реализации", "варианты реализации", "пример" или "примеры" в различных местах всюду по спецификации не обязательно относятся к тому же самому варианту реализации или примеру. Кроме того, конкретные признаки, структуры или характеристики могут содержаться в одном или нескольких вариантах реализации или примерах в любой соответствующей комбинации и/или субкомбинации. Специалисты в данной области техники увидят, что выражение "и/или" в данном случае означает любые или все комбинации одного или нескольких перечисленных элементов.
Варианты реализации настоящего раскрытия предоставляют аппараты и способы для создания распределенных рентгеновских лучей в связи с одной или несколькими проблемами в обычной технологии. Например, горячий катод электронной пушки используется в вакууме для создания электронных пучков, имеющих определенную начальную энергию движения и скорость. Затем, периодическое сканирование выполняется с электронными пучками с изначально низкой энергией, которые, таким образом, принуждаются к соответственному отклонению. Ограничивающее поток устройство предоставляется на траектории прохождения электронных пучков вдоль направления соответственного отклонения. Через отверстия, размещенные в матрице на ограничивающем поток устройстве, только часть электронных пучков, нацеленных на определенные положения, может пройти для формирования последовательных потоков электронных пучков, распределенных в виде матрицы. Затем, эти потоки электронных пучков ускоряются электрическим полем высокого напряжения для получения высокой энергии, бомбардировки мишени анода и, таким образом, последовательного создания соответствующих фокусов и рентгеновских лучей, распределенных в виде матрицы в мишени анода. В соответствии с вариантами реализации настоящего раскрытия, положения потоков пучков и фокусов могут быть изменены посредством электромагнитного сканирования быстрым и эффективным образом. Конструкция с выполнением ограничения потока перед высокоэнергетическим ускорением может позволить получить распределение потоков пучков в виде матрицы, сохранить электроэнергию и эффективно препятствовать созданию теплоты ограничивающим поток устройством.
Как пример, аппарат для создания распределенных рентгеновских лучей в соответствии с вариантом реализации включает в себя электронную пушку, устройство сканирования, вакуумную камеру, ограничивающее поток устройство, мишени анода, систему питания и управления и т.п. Электронная пушка связана с верхом вакуумной камеры и создает потоки электронных пучков, имеющие начальную энергию движения и скорость, которые входят в вакуумную камеру. Устройство сканирования, установленное выше вакуумной камеры, создает периодические магнитные поля, которые вызывают периодическое отклонение потоков электронных пучков. После прохождения некоторого расстояния, потоки электронных пучков достигают ограничивающего поток устройства, расположенного в центральной части вакуумной камеры. Матрица отверстий на ограничивающем поток устройстве позволяет проходить только части электронных пучков в соответствующих положениях, тем самым формируя последовательные, распределенные по матрице потоки электронных пучков ниже ограничивающего поток устройства. Высокое напряжение подается на мишень анода, расположенную внизу вакуумной камеры, и таким образом электрическое поле для ускорения формируется между ограничивающим поток устройством и мишенью анода. Последовательные, распределенные в виде матрицы потоки электронных пучков, проходящие через ограничивающее поток устройство, ускоряются электрическим полем, получают большую энергию и бомбардируют мишень анода. Поэтому соответствующие распределенные в виде матрицы рентгеновские лучи фокусируются и рентгеновские лучи последовательно создаются в мишени анода. Система питания и управления подает рабочие токи и высокое напряжение на соответствующую электронную пушку, устройство сканирования, мишень анода и т.п., предоставляет человеко-машинный рабочий интерфейс и логическое управление, и текущий контроль для нормальной работы всего аппарата.
На фиг.1 показана блок-схема аппарата для создания распределенных рентгеновских лучей в соответствии с вариантом реализации настоящего раскрытия. Аппарат для создания распределенных рентгеновских лучей, как показано на фиг.1, включает в себя электронную пушку 1, устройство 2 сканирования, вакуумную камеру 3, ограничивающее поток устройство 4, анодную мишень 5, и систему 6 питания и управления. Электронная пушка 1 связана с верхом вакуумной камеры 3, устройство 2 сканирования установлено над верхом вакуумной камеры 3, и ограничивающее поток устройство 4 расположено в центральной части вакуумной камеры 3. В примере, ограничивающее поток устройство имеет множество регулярно расположенных отверстий. Мишень 5 анода имеет форму полосы, например, и устанавливается на нижней стороне вакуумной камеры 3. Мишень 5 анода параллельна ограничивающему ток устройству 4, и они имеют по существу ту же самую длину. В другом варианте реализации, имеющая форму полосы мишень 5 анода может иметь длину, отличную от таковой для имеющего форму пластины ограничивающего поток устройства 4. Например, мишень 5 анода может быть длиннее и/или шире, чем ограничивающее поток устройство 4. Сторона мишени 5 анода в форме полосы, противостоящая ограничивающему поток устройству 4, может быть плоской стороной в форме полосы. Задняя сторона мишени 5 анода может быть неплоской структурой любой другой формы, такой как структура охлаждающего ребра или структура усиливающего ребра. Это может обеспечить большую жесткость, большую теплоемкость, и лучшее рассеивание тепла.
2
В соответствии с вариантом реализации настоящего раскрытия, электронная пушка 1 сконфигурирована для создания потоков 10 электронных пучков, имеющих начальную скорость и энергию движения. Электронная пушка может быть структурирована для, например, включения в себя катода для испускания электронов, фокусирующего электрода для ограничения потока электронных пучков, чтобы достичь малого пятна потока пучка и хорошей плотности паттерна перемещения, анода для ускорения и выведения электронов. В соответствии с конкретным вариантом реализации настоящего раскрытия, электронная пушка 1 представляет собой электронную пушку с горячим катодом, имеющую большую эффективность для испускания потоков электронных пучков и большой рабочий ресурс. Катод электронной пушки с горячим катодом обычно нагревается нитью накала до 1000~2000°C, и испускает поток с плотностью до нескольких Ас/см. Обычно анод электронной пушки заземляется, и катод устанавливается при отрицательном высоком напряжении. Высокое напряжение на катоде составляет обычно между отрицательными несколькими кВ до отрицательных десятков кВ.
В соответствии с вариантом реализации настоящего раскрытия, устройство 2 сканирования может включать в себя набор индукционных катушек без сердечника или сканирующий магнит с сердечником. Первичная функция устройства 2 сканирования заключается, при приведении в действие токами сканирования, в создании сканирующего магнитного поля, которое отклоняет направление распространения потоков 10 электронных пучков, проходящих через устройство 2 сканирования. На фиг.2 показана схематическая диаграмма направления распространения потоков 10 электронных пучков, отклоняющихся под действием магнитного поля. Когда напряженность магнитного поля В увеличивается, угол θ, на который отклоняется направление распространения потоков 10 электронных пучков, становится большим и, таким образом, смещение L от центра ограничивающего поток устройства 4 увеличивается, когда потоки 10 электронных пучков достигают ограничивающего поток устройства 4. Соответствие между L и В представляет собой функцию L=L(B), то есть смещение L потоков электронных пучков от центра ограничивающего поток устройства 4 может контролироваться управлением величиной магнитного поля B, которое определяется величиной тока сканирования Is, т.е. B=B(Is). Обычно это прямая пропорциональность. Таким образом, оказывается возможным управлять смещением L потоков 10 электронных пучков от центра ограничивающего поток устройства 4, управляя величиной тока сканирования.
В соответствии с вариантом реализации настоящего раскрытия, обычно используется пилообразный ток сканирования для сканирования электронных пучков. Идеальный ток сканирования может изменяться плавно и линейно от отрицательного до положительного, изменяясь мгновенно до максимально отрицательного при достижении максимально положительного, и затем изменяется так периодически. Идеальный ток сканирования может создавать изменяющееся магнитное поле, подобное форме сигнала тока. На фиг.3 показана форма пилообразного сигнала тока сканирования.
-5
В соответствии с вариантом реализации настоящего раскрытия, вакуумная камера 3 представляет собой герметичный полый корпус, внутри которого имеется высокий вакуум. Корпус изначально выполнен из изоляционного материала, такого как стекло или керамика. Верхняя сторона вакуумной камеры 3 имеет открытую границу для ввода потоков электронных пучков. Ограничивающее поток устройство 4 располагается в центральной части вакуумной камеры 3, и мишень 5 анода располагается на нижней стороне вакуумной камеры 3. Полость между верхней стороной и центральной частью достаточно велика для движения сканируемых и отклоненных электронных пучков, и не будет блокировать ни один из отклоненных потоков электронных пучков в треугольной области, как показано на чертеже. Полость 20 между центральной частью и нижней стороной достаточно велика для параллельного движения потоков электронных пучков, и не будут блокировать ни один из потоков электронных пучков в прямоугольной области между ограничивающим поток устройством 4 и мишенью 5 анода. Высокий вакуум в вакуумной камере 3 получается обезгаживанием и откачкой в пределах высокотемпературной печи откачки, и вакуум обычно бывает лучше чем 10Па.
В соответствии с вариантом реализации настоящего раскрытия, корпус вакуумной камеры 3 может быть выполнен из металлического материала, такого как нержавеющая сталь. Если корпус вакуумной камеры 3 выполнен из металлического материала, корпус должен поддерживаться на расстоянии от внутренних ограничивающего поток устройства 4 и мишени 5 анода, так, чтобы три - вакуумная камера 3, ограничивающее поток устройство 4 и мишень 5 анода  - были бы электрически изолированы друг от друга, при том, что никакое воздействие не накладывалось бы на распределение электрического поля между ограничивающим поток устройством 4 и мишенью 5 анода.
В соответствии с вариантом реализации настоящего раскрытия, ограничивающее поток устройство 4 включает в себя металлическую пластину в форме полосы, имеющую матрицу сквозных отверстий. Множество отверстий 4-a, 4-b, 4-c..., размещенный в матрицу предоставляются на ограничивающем поток устройстве 4. Имеются, по меньшей мере, два отверстия. Отверстия сконфигурированы так, чтобы позволить части потоков электронных пучков проходить через них. Рекомендуется, чтобы каждое отверстие было сформировано в прямоугольной форме, и отверстия были бы однородны по размеру и размещены в линию. Ширина D каждого отверстия находится в диапазоне от 0,3 мм до 3 мм, предпочтительно от 0,5 мм до 1 мм, так, чтобы потоки электронных пучков, проходящие через отверстия, имели малые пятна пучков и определенную интенсивность пучка. Длина H каждого отверстия находится в диапазоне от 2 мм до 10 мм, предпочтительно 4 мм, так, чтобы интенсивность потоков электронных пучков, проходящих через отверстия, могла быть увеличена без воздействия на точки рентгеновской мишени. Интервал W между двумя смежными отверстиями должен быть не менее чем 2R, R - радиус пятна потоков электронных пучков, спроектированных на ограничивающее поток устройство 4, так, чтобы при работе, пятно пучка потоков электронных пучков, спроектированных на ограничивающее поток устройство, перемещалось вокруг в зависимости от величины магнитного поля B, и пятно пучка могло охватить только одно из отверстий. В данный конкретный момент имеется только одно отверстие на ограничивающем поток устройстве 4, через которое могут пройти потоки электронных пучков. Иначе говоря, потоки электронных пучков фокусируются в положение одного отверстия, проходят через одно отверстие в электрическое поле высокого напряжения между ограничивающим поток устройством 4 и мишенью 5 анода для их ускорения и, наконец, бомбардируют мишени 5 анода, чтобы сформировать одну точку рентгеновской мишени. По истечении некоторого времени, пятно пучка перемещается на ограничивающее поток устройство 4 и, таким образом, охватывает следующее отверстие, через которое потоки электронных пучков пройдут и, соответственно, сформируют следующую точку мишени рентгеновских лучей на мишени 5 анода.
На фиг.5 показана схематическая диаграмма вида сечения ограничивающего поток устройства. Пластина ограничивающего поток устройства 4 имеет толщину. Проведенные линии вдоль поверхностей сечения соответствующих отверстий в направлении отклонения потоков электронных пучков пересекаются в центре магнитного поля B, так чтобы через каждое из отверстий проходили потоки электронных пучков той же самой величины.
На фиг.6 показаны изменения в потоках электронных пучков, проходящих через ограничивающее поток устройство 4. Потоки электронных пучков в виде пятен, непрерывно создаваемые электронной пушкой 1, входят в вакуумную камеру. Когда действует устройство 4 сканирования, направление распространения потоков электронных пучков отклоняется периодически. В течение одного цикла, пятна пучка потоков электронных пучков накладываются для получения интенсивности электронного пучка, которая имеет однородное распределение с левой стороны на правую ограничивающего поток устройства 4, как показано на верхней части фиг.6. Из-за матрицы отверстий на ограничивающем поток устройстве 4, интенсивность электронного пучка имеет распределение периодической гистограммы ниже ограничивающего поток устройства 4, как показано в нижней части фиг.6. Электронные пучки последовательно создаются слева направо один за другим, и имеют то же самое распределение в виде матрицы, как отверстия на ограничивающей ток пластине. Для каждой из положений слева направо, только один электронный пучок создается в данный момент в пределах одного цикла.
Предпочтительно, ограничивающее поток устройство 4 имеет то же самое напряжение, что и анод электронной пушки 1, так, чтобы когда потоки 10 электронных пучков, создаваемые электронной пушкой 1, распространяются к ограничивающему поток устройству 4, траектория распространения не подвергалась бы действию каких-либо других факторов, кроме отклонения, вызванного сканирующим магнитным полем. В соответствии с другим вариантом реализации, ограничивающее поток устройство 4 может иметь напряжение, отличное от анода электронной пушки 1. Это зависит от различных вариантов применения и различных требований.
В соответствии с вариантом реализации настоящего раскрытия, мишень 5 анода выполнена из металлической полосы, и предоставляется на нижней стороне вакуумной камеры 3 как параллельная ограничивающему поток устройству 4 в направлении длины, и под малым углом относительно ограничивающего поток устройства 4 в направлении ширины. Мишень 5 анода строго параллельна ограничивающему поток устройству 4 в направлении длины (как показано на фиг.1). Положительное высокое напряжение прикладывается к мишени 5 анода, и параллельное электрическое поле высокого напряжения формируется, таким образом, между мишенью 5 анода и ограничивающим поток устройством 4. Потоки электронных пучков, проходящие через ограничивающее поток устройство 4, ускоряются электрическим полем высокого напряжения, распространяются вдоль направления электрической поля и, наконец, бомбардируют мишени 5 анода для создания рентгеновских лучей 11.
На фиг.7 показана схематическая диаграмма, изображающая соотношение между током сканирования потока электронных пучков и положением фокусного пятна рентгеновских лучей относительно ограничивающего поток устройства и анода в пределах цикла. Потоки электронных пучков, которые могут пройти через ограничивающее поток устройство 4, последовательно распределяются в виде матрицы и, таким образом, рентгеновские лучи и фокусные пятна рентгеновских лучей, создаваемые потоками 10 электронных пучков, бомбардирующими мишени 5 анода, также распределяются в виде матрицы у мишени анода, как показано на фиг.7. В течение одного цикла, ток Is(B) сканирования изменяется медленно и линейно от максимально отрицательного до максимально положительного, и создает магнитное поле, которое изменяется подобным образом, что и ток Is(B) сканирования. Различные токи Is(B) сканирования приводят к проектированию потоков электронных пучков в различные положения на ограничивающей ток пластине. В большинстве моментов в цикле, потоки 10 электронных пучков блокируются ограничивающим поток устройством 4, тогда как в некоторые моменты потоки электронных пучков могут точно пройти через отверстия на ограничивающем поток устройстве 4. Как пример, в момент tn ток сканирования составляет In, приводя к проектированию потоков 10 электронных пучков на отверстие 4-n на ограничивающем поток устройстве, прохождению через отверстие и приобретению значения I'. Потоки электронных пучков затем ускоряются параллельным электрическим полем высокого напряжения между ограничивающим поток устройством 4 и мишенью 5 анода, получают большую энергию и, наконец, бомбардируют мишень 5 анода в положении 5-n, соответствующем отверстию 4-n на ограничивающем поток устройстве, тем самым создавая рентгеновские лучи. Положение 5-n становится фокусным пятном рентгеновских лучей. Отверстия на ограничивающем поток устройстве распределены в виде матрицы и, таким образом, рентгеновские лучи, создаваемые в мишени 5 анода, имеют фокусные пятна матричного распределения.
На фиг.8 показаны виды сечения аппарата для создания распределенных рентгеновских лучей. В соответствии с другим вариантом реализации настоящего раскрытия, мишень 5 анода располагается вдоль направления короткой стороны под малым углом с ограничивающим поток устройством 4, как показано на фиг.8. Высокое напряжение в мишени 5 анода составляет обычно от десятков до сотен киловольт. Рентгеновские лучи, создаваемые в мишени анода, имеют наибольшую интенсивность в направлении, которое составляет угол 90 градусов с падающими электронными пучками. Лучи вдоль направления пригодны для использования. Мишень 5 анода наклонена под малым углом, обычно от нескольких до десятков градусов. Это облегчает эмиссию рентгеновских лучей. С другой стороны, даже когда широкий поток электронных пучков проектируется на мишень анода, фокусное пятно создаваемых лучей мало по размеру, когда оно рассматривается от направления эмиссии рентгеновских лучей, то есть уменьшается размер фокусного пятна. В соответствии с вариантом реализации настоящего раскрытия, рекомендуется, чтобы мишень 5 анода могла быть выполнена из высокотемпературного стойкого металла, такого как вольфрам. В соответствии с другими вариантами реализации настоящего раскрытия, мишень 5 анода может быть выполнена из некоторого другого материала, такого как молибден.
В соответствии с вариантом реализации настоящего раскрытия, система 6 питания и управления обеспечивает электропитание и управление работой, необходимые для соответствующих ключевых компонентов аппарата с источником распределенного рентгеновского излучения. Как показано на фиг.1, система 6 питания и управления включает в себя электропитание 61 электронной пушки, электропитание 62 фокусировки, электропитание 63 сканирования, электропитание 64 вакуумной системы, и электропитание 65 анода.
В примере, электропитание 61 электронной пушки обеспечивает ток для нити накала и отрицательное высокое напряжение для электронной пушки 1. Электропитание 63 сканирования обеспечивает ток сканирования для устройства сканирования так, чтобы потоки электронных пучков, создаваемых электронной пушкой 1, сканировали бы по ограничивающему поток устройству 4 в соответствии с формой сигнала сканирования, которая показана на фиг.3.
Электропитание 62 фокусировки обеспечивает питание для фокусирующего устройства 7 так, чтобы потоки электронных пучков, создаваемые электронной пушкой 1, имели бы лучшее качество после входа в вакуумную камеру. Например, потоки электронных пучков имеют малое пятно пучка, большую интенсивность потока и более высокую плотность при распространении.
Электропитание 64 вакуумной системы связано с вакуумным устройством 8 для его управления и подачи питания на него. Вакуумное устройство 8 предоставляется на вакуумной камере и работает с электропитанием вакуумной системы для поддержания высокого вакуума в вакуумной камере. Электропитание 65 анода обеспечивает положительное высокое напряжение для мишени 5 анода и логическое управление работы анода под высоким напряжением.
В соответствии с вариантом реализации настоящего раскрытия, аппарат с источником распределенных рентгеновских лучей может дополнительно включать в себя фокусирующее устройство 7, состоящее из канала потока пучка и набора фокусирующих катушек вокруг канала. Канал потока пучка располагается между электронной пушкой 1 и вакуумной камерой 3. С электропитанием 63 для фокусировки, фокусирующее устройство 7 может работать, чтобы сделать потоки электронных пучков, создаваемые электронной пушкой 1, лучшего качества, когда они входят в вакуумную камеру. Например, потоки электронных пучков могут иметь меньшие пятна пучка, большую интенсивность потока и большую плотность по траектории распространения.
В соответствии с вариантом реализации настоящего раскрытия, аппарат с источником распределенных рентгеновских лучей может дополнительно включать в себя вакуумное устройство 8, расположенное в вакуумной камере. С электропитанием 64 вакуумной системы, вакуумное устройство 8 может работать для поддержания высокого вакуума в пределах вакуумной камеры. Обычно, когда аппарат с источником распределенных рентгеновских лучей работает, электронные пучки бомбардируют ограничивающее поток устройство 4 и мишень 5 анода, оба из которых выделяют тепло и выпускают некоторое количество газа. Газ может быть быстро откачан вакуумным устройством 8 для поддержания высокого вакуума в пределах вакуумной камеры. Вакуумное устройство 8 может предпочтительно включить вакуумный ионный насос.
В соответствии с вариантом реализации настоящего раскрытия, аппарат с источником распределенных рентгеновских лучей может дополнительно включать в себя высоковольтное штепсельное соединительное устройство 9, расположенное на нижней стороне вакуумной камеры. Соединительное устройство 9 связано с мишенью 5 анода в вакуумной камере и простирается вне вакуумной камеры, чтобы сформировать вместе с вакуумной камерой герметичную структуру. Высоковольтное штепсельное соединительное устройство 9 сконфигурировано для непосредственного соединения электропитания высокого напряжения с мишенью 5 анода.
В соответствии с вариантом реализации настоящего раскрытия, аппарат с источником распределенных рентгеновских лучей может дополнительно включать в себя устройство 12 экранирования и коллимации, как показано на фиг.8. Устройство 12 экранирования и коллимации располагается вне вакуумной камеры и сконфигурировано для экранирования нежелательных рентгеновских лучей. Устройство 12 экранирования и коллимации имеет отверстие в виде полосы относительно анода, в положении, где выходят используемые рентгеновские лучи. Отверстие имеет определенную длину и ширину, заданную в направлении эмиссии рентгеновских лучей, чтобы ограничить рентгеновские лучи в пределах желаемого диапазона применения. Рекомендуется, чтобы устройство 12 экранирования и коллимации было выполнено из освинцованного материала. В соответствии с вариантом реализации настоящего раскрытия, система 6 питания и управления аппарата с источником распределенных рентгеновских лучей может дополнительно включать в себя источники питания для фокусирующего устройства и вакуумного устройства.
Как показано на фиг.1 и 8, аппарат с источником распределенных рентгеновских лучей может включать в себя электронную пушку 1, устройство 2 сканирования, вакуумную камеру 3, ограничивающее поток устройство 4, мишень 5 анода, фокусирующее устройство 7, вакуумное устройство 8, высоковольтное штепсельное соединительное устройство 9, устройство 12 экранирования и коллимации, и систему 6 питания и управления.
В соответствии с некоторыми вариантами реализации, электронная пушка 1 включает в себя электронную пушку с горячим катодом. Выход электронной пушки 1 связан с одним концом вакуумного канала фокусирующего устройства 7. Другой конец вакуумного канала связан с верхней стороной вакуумной камеры 3. Пакет фокусирующих катушек предоставляется на внешней стороне вакуумного трубопровода. Устройство 2 сканирования располагается снаружи верхней стороны вакуумного канала. Ограничивающее поток устройство 4 располагается в центральной части вакуумной камеры 3, и вакуумное устройство 8 располагается с одной стороны вакуумной камеры 3 на уровне центральной части. Мишень 5 анода в форме полосы и высоковольтное штепсельное соединительное устройство 9, связанное с мишенью 5 анода, располагаются с нижней стороны вакуумной камеры 3. Мишень 5 анода и ограничивающее поток устройство 4 параллельны друг другу и имеют по существу ту же самую длину. Система 6 питания и управления включает в себя множество модулей, включая электропитание 61 электронной пушки, электропитание 62 фокусировки, электропитание 63 сканирования, электропитание 64 вакуумной системы, электропитание 65 анода и т.п., которые связаны с компонентами, включающими в себя электронную пушку 1, фокусирующее устройство 7, устройство 2 сканирования, вакуумное устройство 8, мишень 5 анода и т.п., через силовой кабель и управляющий кабель.
При работе, электропитание 61 электронной пушки, электропитание 62 фокусировки, электропитание 63 сканирования, электропитание 64 вакуумной системы, и высоковольтное электропитание 65 анода начинают функционировать в соответствии с установленными программами, соответственно, под управлением системы 6 питания и управления. Электропитание 61 электронной пушки обеспечивает питание нити 1 электронной пушки, которая, в свою очередь, нагревает катод до очень высокой температуры для создания большого количества термоэмиссионных электронов. При этом электропитание 61 электронной пушки предоставляет отрицательное высокое напряжение 10 кВ на катод электронной пушки, так, чтобы малое электрическое поле высокого напряжения для ускорения было сформировано между катодом и анодом электронной пушки. Термоэмиссионные электроны ускоряются электрическим полем для прохождения к аноду, тем самым формируя потоки 10 электронных пучков.
В процессе прохождения к аноду, потоки электронных пучков фокусируются фокусирующим электродом электронной пушки для формирования потоков пучков с малым пятном пучка и проходят через центральное отверстие анода, и затем становятся потоками электронных пучков, имеющими начальную энергию и скорость движения (10 кВ). Потоки электронных пучков переходят в вакуумный канал и фокусируются фокусирующим устройством 7 так, чтобы диаметр пятна пучка был дополнительно уменьшен, тем самым получая потоки электронных пучков высокой интенсивности с малым пятном. Такие потоки электронных пучков далее переходят в вакуумную камеру 3 и подвергаются действию устройства 2 сканирования поверх вакуума так, чтобы направление движения было периодически отклоненным. Переходя далее на ограничивающее поток устройство 4, большая часть отклоненных потоков электронных пучков блокируется и поглощается ограничивающим поток устройством 4. Часть потоков электронных пучков, соответственно отклоненных, может проходить через отверстия на ограничивающем поток устройстве 4 и входить в электрическое поле высокого напряжения между ограничивающим поток устройством 4 и мишенью 5 анода. Под действием электрического поля высокого напряжения, потоки электронных пучков проходят вдоль направления электрического поля (то есть двигаясь перпендикулярно от ограничивающего поток устройства 4 к аноду), получают большую энергию, и бомбардируют мишени 5 анода, тем самым создавая рентгеновские лучи 11.
В течение одного цикла сканирования, потоки электронных пучков проходят последовательно через матрицу отверстий на ограничивающем поток устройстве 4 и, таким образом, бомбардируют последовательно мишень анода при соответствующих положениях на мишени анода, создавая последовательно матрицу рентгеновских лучей и точки мишени рентгеновских лучей. Таким образом, реализуется источник распределенных рентгеновских лучей. Газ, выделяемый, когда мишень анода бомбардируется потоками электронных пучков, откачивается вакуумным устройством 8 в режиме реального времени и, таким образом, высокий вакуум поддерживается в пределах вакуумной камеры. Это является преимущественным для долгосрочной устойчивой работы.
Устройство 12 экранирования и коллимации экранирует рентгеновские лучи в нежелательных направлениях, пропускает рентгеновские лучи в желательных направлениях, и ограничивает рентгеновские лучи заданным диапазоном.
В дополнение к управлению соответствующими источниками питания, в соответствии с установленными программами, соответствующими компонентами для скоординированной работы, система 6 питания и управления может получать внешние команды через интерфейс коммуникации и человеко-машинный интерфейс, модифицировать и устанавливать важные системные параметры, обновлять программы, и выполнять автоматическое управление и настройку.
В соответствии с вариантом реализации настоящего раскрытия, рентгеновские лучи создаются в аппарате с рентгеновским источником, и рентгеновские лучи имеют положения фокусных пятен, которые являются периодически изменяемыми в определенном порядке. Кроме того, использование источника с горячим катодом имеет преимущества высокой эмиссии потока и преимущества длительного эксплуатационного времени, по сравнению с другими конструкциями. Кроме того, сканирование непосредственно с потоками электронных пучков с низкой начальной энергии движения имеет преимущества более простой операции управления и преимущества более высокой скорости сканирования. Кроме того, положения потоков пучка и фокусных пятен могут быть изменены посредством электромагнитного сканирования быстрым и эффективным образом. Конструкция с ограничением направляемого потока до высокоэнергетического ускорения может предоставить распределение потоков пучка в матрице, сохранить электроэнергию и эффективно препятствовать ограничивающему ток устройству выделять тепло. Кроме того, конструкция большого анода в форме полосы может эффективно снизить перегрев анода и облегчить усовершенствование источника питания. Кроме того, по сравнению с другими аппаратами с источником распределенных рентгеновских лучей, вышеупомянутые варианты реализации имеют преимущества большого потока, малых точек мишени, однородного распределения положений точек мишени, хорошей повторяемости, высокой выходной мощности, простой технологии и низкой стоимости. Кроме того, аппарат для создания распределенных рентгеновских лучей в соответствии с вариантами реализации настоящего раскрытия может быть применен в аппаратах CT для получения множественных углов изображения без движения источника и, таким образом, позволяет исключить движение по кольцу скольжения. Это является преимущественным для упрощения структуры и усовершенствования стабильности системы, надежности и эффективности обследования.
Различные варианты реализации аппарата и способа для создания распределенных рентгеновских лучей были описаны подробно в отношении блок-схем, структурных схем, и/или примеров. В случае, когда такие блок-схемы, структурные схемы, и/или примеры включают в себя одну или несколько функций и/или операций, специалисты в данной области техники увидят, что каждая функция и/или операция в блок-схемах, структурных схемах, и/или примерах могут быть осуществлены, отдельно и/или все вместе, как различные аппаратные средства, программное обеспечение, встроенное программное обеспечение или по существу любая комбинация этого. В варианте реализации, некоторые части объектов, показанных в вариантах реализации, таких как процесс управления, могут быть осуществлены с применением специальной интегральной схемы (ASIC), полевой программируемой вентильной матрицы (FPGA), процессора цифровых сигналов (DSP) или в любом другом интегрированном формате. Специалисты в данной области техники увидят, что некоторые раскрытые здесь объекты вариантов реализации, частично или в целом, могут быть эквивалентно осуществлены в интегральной схеме, как одна или несколько компьютерных программ, выполняемых на одном или нескольких компьютерах (например, одна или нескольких программ, выполняемых на одной или нескольких компьютерных системах), как одна или несколько программ, выполняемых на одном или нескольких процессорах (например, одна или несколько программ, выполняемых на одном или нескольких микропроцессорах), во встроенном программном обеспечении, или по существу в любой комбинации этого. Специалисты в данной области техники будут иметь возможность проектировать схемы и/или написать программные и/или специальные коды в соответствии с настоящим раскрытием. Кроме того, специалисты в данной области техники увидят, что процесс управления в настоящем раскрытии может быть распределен как различные формы программных продуктов. Независимо от того, какая конкретная поддерживающая сигнал среда используется для осуществления распределения, примерные варианты реализации объектов настоящего раскрытие применимы. Примеры поддерживающей сигнал среды включают в себя, но без ограничения, записываемую среду, такую как гибкий диск, жесткий диск, компакт-диск (CD), цифровой универсальный диск (DVD), цифровая лента, компьютерная память, и передаточная среда, такая как цифровая и/или аналоговая передаточная среда (например, оптический волоконный кабель, волновод, проводной или беспроводной канал связи).
Настоящее раскрытие было описано в отношении нескольких примерных вариантов реализации. Следует отметить, что используемые здесь термины служат для иллюстрации, являются примерными и не ограничивающими. Настоящее раскрытие может быть осуществлено в различных формах в пределах существа или объектов настоящего раскрытия. Следует отметить, что приведенные варианты реализации не ограничиваются каким-либо вышеупомянутым подробным описанием, и должны быть рассмотрены в широком смысле в пределах существа и объема притязаний, определенных в соответствии с приложенной формулой. Все изменяется и вариации, относящиеся к объему притязаний пункты формулы или их эквивалентам, должны рассматриваться как охвачиваемые приложенной формулой.