МНОГОЛУЧЕВАЯ РЕНТГЕНОВСКАЯ ТРУБКА
MULTIBEAM X-RAY TUBE

Изобретение относится к области электронной техники, в частности, к многолучевым рентгеновским трубкам, обеспечивающим возможность получения томографического изображения различных объектов, в том числе в медицинских целях для маммографии, с использованием многолучевых многокатодных источников электронной эмиссии для получения серии снимков объекта под разными углами для проведения компьютерной томографии и томосинтеза.
Известно, что для получения множества рентгеновских лучей, позволяющих получить серию снимков объекта под разными углами, в рентгеновской трубке в основном используется вариант исполнения рентгеновских трубок с множеством катодов. При этом перемещения многокатодной рентгеновской трубки в пространстве, как в традиционных системах томосинтеза с использованием однолучевого рентгеновского излучателя, не требуется. Замена механического перемещения излучателя электрическим переключением катодов приводит к значительному улучшению качества реконструкции изображения за счет точного позиционирования фокальных пятен электронной эмиссии в пространстве, полной неподвижности фокусного пятна при экспозиции мишени, что приводит к сокращению общей продолжительности времени обследования до нескольких секунд.
Специфика многокатодных многолучевых рентгеновских трубок для компьютерной томографии применительно к медицинскому назначению, в частности для маммографов, заключается в необходимости проведения томографического анализа со сканированием объекта в перекрещивающихся направлениях под разными углами с возможностью создания трехмерного изображения сканируемого объекта, и много внимания уделяется обеспечению при этом безопасного теплового режима функционирования рентгеновских трубок и безопасности работы с медицинскими приборами.
Известна рентгеновская трубка для генерации множества рентгеновских излучений различной интенсивности (US 4823371 В1), включающая множество катодов различных размеров с устройствами контроля фокусного расстояния, обеспечивающими быстрое переключение между дискретными значениями рабочих токов, и анод, расположенный на расстоянии от катодов. Однако фокальные пятна отдельных электронных лучей расположены на аноде в одном месте, что приводит к формированию одного направленного рентгеновского луча и к невозможности проведения томографического анализа со сканированием объекта в различных направлениях.
Известно устройство рентгенографической -компьютерной томографии (US 5195112 В1), содержащее множество стационарных электронных источников, включающих устройства для излучения и ускорения движения электронов к стационарному кольцевому аноду, средства для приложения электрического потенциала между каждым из множества электронных источников и анодом для ускорения движения электронов к аноду так, чтобы электроны сталкивались с анодом и генерировали излучение и чтобы фокальные пятна сканировались установленными участками анода перед тем, как любое существенное ускорение электронов будет иметь место, а также детектор для формирования сигнала изображения и устройства для формирования изображения. Однако мощность рентгеновского излучения ограничена из-за необходимости ограничений тепловых нагрузок на анод, что приводит к недостаточно высокой четкости регистрируемого сигнала, ослабленного при прохождении излучения через различные ткани, при формировании трехмерных изображений.
Известно устройство генерирования множества рентгеновских лучей и устройство формирования рентгеновского изображения для осуществления неразрушающей радиографии (RU 2399907 С1), при этом устройство генерирования множества рентгеновских лучей содержит множество источников электронов, расположенных двумерно и обеспечивающих эмиссию электронов при избирательной активации источников электронов в соответствии с приложенными сигналами активации от средства активации, и множество мишеней, расположенных противоположно множеству источников электронов, и при этом мишени генерируют рентгеновские лучи с различным качеством излучения в соответствии с местом генерирования рентгеновских лучей, а устройство формирования рентгеновского изображения содержит двухмерный детектор рентгеновского излучения. Однако устройство генерирования множества рентгеновских лучей имеет низкую мощность рентгеновского излучения в связи с необходимостью ограничения тепловой нагрузки на неподвижные мишени.
Известны технические решения многолучевых многокатодных рентгеновских трубок, в которых для снижения тепловой нагрузки на мишень анод выполнен вращающимся.
Известна рентгеновская трубка для кругового сканирования в режиме томосинтеза (US 2011002442 А), содержащая в корпусе анод в виде вращающегося диска с мишенью на его конической боковой поверхности и множество катодов, закрепленных в корпусе вокруг анода в плоскости его вращения, обеспечивающих множество фокальных пятен на поверхности мишени, равномерно распределенных, например, на круговой линии мишени и создающих при воздействии выходящих из катодов электронов источники рентгеновского излучения. Объект обследования может быть расположен на оси вращения анода на некотором расстоянии от источника излучения и подвергнут облучению рентгеном, произведенным последовательно во всех источниках излучения, при этом рентгеновская трубка сохраняет относительно объекта статичное положение, обеспечивая создание трехмерных изображений.
Однако узкая зона расположения фокальных пятен на мишени и, как следствие, высокая плотность тепловой энергии, выделяемой в области источника рентгеновского излучения на поверхности анода, и большое количество пространственно разделенных окон вывода рентгена делает невозможным сканирование крупных объектов, с размерами, сопоставимыми с диаметром анода трубки.
Известны технические решения по обеспечению определенного расположения фокального пятна на мишени для исключения перегрева мишени.
Например, известна рентгеновская трубка со множеством фокальных пятен разного размера (US 5511105 А), содержащая анод в виде тарелки со средством ее вращения, имеющий мишень, разделенную на множество областей, состоящих из разных материалов, и источники эмиссии электронов для генерации, по меньшей мере, одного фокального пятна в каждой указанной области мишени и множества фокальных пятен соответственно различных размеров в, по меньшей мере, одной из областей, и источники эмиссии генерируют фокальные пятна в разных областях и фокальные пятна разных размеров в одной области смежной к ним, на разных радиусах указанной тарелки анода в ее периферийной части вдоль прямой линии, пересекающей указанную периферийную часть, или вдоль прямой линии, направленной радиально на тарелке анода и пересекающей указанную периферийную часть, для получения положения фокуса, которое будет одно и то же для всех указанных фокальных пятен. При этом источники эмиссии содержат средства для генерирования, по меньшей мере, одного большого фокального пятна и, по меньшей мере, одного маленького фокального пятна в двух областях, и для генерирования больших локальных пятен немедленно смежными друг к другу, а анод разделен на две части, выполненные из разных материалов. Трубка имеет общее для всех фокальных пятен окно вывода.
Известно техническое решение кругового многолучевого рентгеновского устройства, использующего многолучевую рентгеновскую трубку, имеющую форму в виде круга (US 8031832 В), состоящего, по меньшей мере, из двух сегментов и нескольких диафрагм, при этом фокусные пятна трубки расположены по окружности. Объект исследования и детектор располагаются в центре круга. Блок управления трубкой задает последовательность включения лучей. Изображения томосинтеза могут быть получены без механических перемещений излучателя.
Известен многолучевой рентгеновский излучатель (US 7970099 В), в котором многолучевая рентгеновская трубка выполнена в виде многоугольника, в котором фокусные пятна расположены вдоль сторон многоугольника. Блок управления рентгеновской трубки включает поочередно отдельные источники излучения. Устройство оснащено несколькими диафрагмами, способными перемещаться вдоль сторон многоугольника и формировать направление и угол пучка излучения. Послойное изображение объекта исследования может быть получено без перемещения рентгеновской трубки.
Наиболее близким к настоящему изобретению является рентгеновская трубка общего назначения для стереографии (US 4596028 В), содержащая в цилиндрическом корпусе анод в виде вращающегося диска с мишенью на его боковой конической поверхности и N одинаковых независимых катодов, формирующих на поверхности мишени фокальные пятна одинакового размера, расположенные на поверхности мишени таким образом, чтобы получить на мишени анода N дискретных источников рентгеновских лучей на расстоянии друг от друга, при этом любые два из указанных источников излучения формируют рабочую пару так, что рентгеновское излучение, которые они генерируют, при вращении анода последовательно выводится в окно вывода, расположенное в торце корпуса трубки в плоскости, параллельной плоскости вращения анода, что при облучении объекта позволяет получить стереографические картины объекта в детекторе излучения.
Однако в указанных выше рентгеновских трубках узкая зона расположения фокальных пятен на мишени, а также форма фокусного пятна электронного потока в виде круга на мишени, то есть концентрирование потока энергии на малой ограниченной площадке, приводит к высокой плотности тепловой энергии в фокальном пятне, выделяемой на поверхности мишени/анода, а большое количество пространственно разделенных окон вывода рентгена и геометрическое расположение источников рентгена по дуге окружности в плоскости, не пересекающей объект сканирования, делает невозможным проведение всестороннего томографического анализа сканируемого объекта.
Таким образом, проблема создания многокатодного рентгеновского излучателя, обеспечивающего высокую плотность рентгеновского облучения в сочетании с возможностью пространственного сканирования объекта при статичном расположении излучателя относительно этого объекта, является весьма актуальной.
Настоящее изобретение направлено на решение технической проблемы создания рентгеновской трубки, обеспечивающей пространственное сканирование неподвижного объекта в перекрещивающихся направлениях под разными углами дискретными рентгеновскими лучами, имеющими высокую плотность рентгеновского излучения, при статичном расположении рентгеновской трубки относительно этого объекта.
При создании настоящего изобретения была поставлена задача обеспечения в неподвижной многолучевой рентгеновской трубке формирования и вывода из трубки в перекрещивающихся направлениях дискретных рентгеновских лучей, охватывающих неподвижный объект сканирования и имеющих высокую плотность энергии, необходимую для томографического анализа сканируемого объекта, путем
- использования источников электронов, подающих электронный луч в виде потока электронов с конфигурацией их поперечного сечения, обеспечивающей в их фокальном пятне на мишени конфигурацию источника рентгеновского излучения в форме узкой фигуры, протяженной в сторону окна вывода рентгеновского луча и обеспечивающей наибольшую плотность энергии в потоке электронов в направлении, перпендикулярном направлению вывода рентгеновских лучей;
- последующего отбора рентгеновского излучения в направлении окна вывода со всей площади источника рентгеновского излучения и формирования дискретного сканирующего рентгеновского луча, охватывающего область объекта, подлежащую сканированию;
- размещения источников рентгеновского излучения на мишени, обеспечивающего направление сформированных сканирующих рентгеновских лучей с перекрещиванием их в области, подлежащей сканированию, с площадью поперечного сечения луча, охватывающей область сканирования, и при этом было бы обеспечено:
- размещение источников электронов между собой на кратчайшем расстоянии, необходимом для обеспечения дискретности электронных лучей и, соответственно, дискретности источников рентгеновского излучения, генерируемых на мишени в области фокальных пятен электронных лучей;
- снижение температурных нагрузок на мишень в точках формирования источников рентгеновского излучения и создание наилучших условий для охлаждения мишени между импульсным воздействием потоков электронов на точки мишени.
Поставленная задача была решена созданием многолучевой рентгеновской трубки для сканирования неподвижного объекта в перекрещивающихся направлениях при ее статичном положении, содержащей размещенные в заземленном корпусе:
- анод, имеющий форму диска, снабженный мишенью, расположенной на его поверхности, и встроенным механизмом вращения анода вокруг его оси вращения, совпадающей с осью его симметрии;
- систему источников электронов, содержащую N источников электронов и обеспечивающую генерирование N дискретных потоков электронов, подлежащих подаче на поверхность мишени для образования на мишени N дискретных источников рентгеновского излучения в областях расположения N фокальных пятен указанных дискретных потоков электронов;
- окно вывода рентгеновского излучения, отличающейся тем, что
- анод имеет форму диска, обращенного плоской поверхностью к указанной системе источников электронов, и изолирован от корпуса высоковольтным изолятором;
- мишень расположена на указанной плоской поверхности анода и имеет форму плоского кольца с центром на оси вращения анода;
- окно вывода рентгеновского излучения является общим для вывода рентгеновского излучения всех N источников рентгеновского излучения, размещено в боковой стенке корпуса выше уровня плоскости мишени и выполнено плоским в форме прямоугольника, перпендикулярного плоскости мишени и имеющего верхнюю сторону прямоугольника на уровне не более 35° к плоскости мишени и нижнюю сторону прямоугольника на уровне не менее 10° к плоскости мишени;
- система источников электронов приспособлена для генерирования и проецирования на мишень в периодическом импульсном режиме N дискретных потоков электронов, имеющих конфигурацию поперечного сечения, обеспечивающую формирование на поверхности мишени, соответственно, N фокальных пятен, имеющих в фокальном пятне наибольшую плотность энергии электронов в направлении, перпендикулярном направлению вывода рентгеновского излучения, генерируемого источником рентгеновского излучения, сформированным в указанном фокальном пятне, через окно вывода;
- дополнительно содержит N неподвижных коллиматоров, имеющих потенциал анода, размещенных входом каждый вблизи от соответствующего источника рентгеновского излучения, имеющего конфигурацию указанного фокально пятна, над поверхностью мишени в области между каждым одним источником рентгеновского излучения и окном вывода, и при этом каждый коллиматор обеспечивает отбор излучения с поверхности соответствующего одного источника рентгеновского излучения в направлении к окну вывода и формирование указанного рентгеновского излучения в виде луча пирамидальной формы, охватывающей область наибольшей плотности энергии в луче, сопряженной в срединной части с верхней и нижней сторонами прямоугольника окна вывода и имеющей прямоугольное основание, охватывающее область объекта, подлежащую сканированию.
При этом согласно изобретению, целесообразно, чтобы система источников электронов была выполнена в виде электронно-оптической системы, обеспечивающей в периодическом импульсном режиме последовательную подачу на мишень дискретных потоков электронов, обеспечивающих формирование на поверхности мишени фокальных пятен, имеющих форму узких фигур, протяженных в сторону окна вывода и ориентированных по длине в направлении одной и той же общей для них точки.
При этом согласно изобретению, целесообразно, чтобы система источников электронов была выполнена в виде электронно-оптической системы, обеспечивающей в периодическом импульсном режиме последовательную подачу на мишень дискретных потоков электронов, обеспечивающих формирование на поверхности мишени фокальных пятен, имеющих форму овалов, близких к прямоугольнику, с соотношением длин большой оси овала и малой оси овала не менее, чем 5:1, с большими осями, сходящимися за окном вывода в области объекта, подлежащей сканированию, с расположением центров указанных овалов N фокальных пятен на мишени на одной линии, отстоящей от оси вращения анода в направлении к окну вывода.
При этом согласно изобретению, целесообразно, чтобы указанные центры овалов N фокальных пятен были расположены на мишени на одной линии, представляющей собой отрезок хорды, параллельной плоскости окна вывода.
При этом согласно изобретению, целесообразно, чтобы указанные центры овалов N фокальных пятен были расположены на мишени на одной линии, представляющей собой отрезок хорды, расположенной под углом 1-2° к плоскости окна вывода.
При этом согласно изобретению, целесообразно, чтобы трубка содержала систему источников электронов, выполненную в виде электронно-оптической системы, в которой:
- указанные импульсные N источников электронов размещены в корпусе трубки по одной прямой линии на одинаковом расстоянии друг от друга над поверхностью части мишени, ближайшей к указанному окну вывода, и приспособлены для генерирования и вывода в направлении плоскости мишени последовательно в периодическом импульсном режиме каждого одного из N потоков электронов, имеющего поперечное сечение в форме круга;
- между выводами указанных N источников электронов и мишенью размещен заземленный управляющий электрод, приспособленный для преобразования каждого из указанных N потоков электронов, имеющих поперечное сечение в форме круга, в один из N конфигурированных потоков электронов, обеспечивающих при проекции на мишень формирование на мишени, соответственно, одного из N фокальных пятен, имеющих форму овала, близкого к прямоугольнику, с соотношением длин большой оси овала и малой оси овала не менее чем 5:1, с направлением больших осей сходящимися в общей для них точке за окном вывода, с расположением центров указанных овалов N фокальных пятен на мишени на отрезке ее хорды, отстоящей от оси вращения анода в направлении к окну вывода.
При этом согласно изобретению, целесообразно, чтобы указанный управляющий электрод был размещен параллельно плоскости мишени и снабжен N каскадами сквозных отверстий, расположенных вблизи указанных выходов N источников электронов и имеющих в каскаде входные отверстия круглой формы для ввода одного из указанных N потоков электронов и выходные отверстия в форме овалов, у которых большие оси ориентированы в сторону окна вывода и сходятся за окном вывода в общей для них точке, для вывода каждого одного из указанных N конфигурированных потоков электронов.
При этом согласно изобретению, целесообразно, чтобы указанные N источников электронов были выполнены в виде N катодных узлов, содержащих соответственно:
- N катодов, электрически изолированных от корпуса трубки;
- N подогревателей катодов, электрически изолированных от указанных катодов и электрически соединенных параллельно друг другу;
- N фокусирующих электродов, электрически соединенных с указанными катодами и имеющих выходные отверстия круглой формы, и при этом указанные N катодов выполнены с возможностью регулирования площади поперечного сечения каждого из указанных N потоков электронов с помощью изменения потенциала соответствующего катода.
В дальнейшем многолучевая рентгеновская трубка согласно изобретению проиллюстрирована примером ее выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых:
Фиг. 1 - многолучевая рентгеновская трубка согласно изобретению, продольный разрез А-А на Фиг. 2;
Фиг. 2 - многолучевая рентгеновская трубка согласно изобретению, разрез В-В на Фиг. 1;
Фиг. 3 - система источников электронов согласно изобретению, фрагмент I на Фиг. 1;
Фиг. 4 - система источников электронов согласно изобретению, разрез D-D на Фиг. 2;
Фиг. 5 - электрическая схема многолучевой рентгеновской трубки согласно изобретению;
Фиг. 6 - расположение фокальных пятен на поверхности мишени, фрагмент III на Фиг 2;
Фиг. 7 - система источников электронов согласно изобретению, вид F на Фиг. 4, фрагмент;
Фиг. 8, 9 - схемы формирования конфигурированного потока электронов в система источников электронов согласно изобретению, поперечный и продольный разрезы;
Фиг. 10 - схема проецирования рентгеновского излучения на плоскость окна вывода, в плоскости большой оси фокального пятна;
Фиг.11, 12 - схема отбора и формирования рентгеновского луча пирамидальной формы, вид на мишень сбоку - Фиг. 11, фрагмент II на Фиг. 1, и вид на мишень сверху - Фиг. 12;
Фиг. 13 - схема вывода сканирующих рентгеновских лучей, сформированных в форме пирамиды с помощью неподвижных коллиматоров, при расположении фокальных пятен на хорде, параллельной плоскости окна вывода;
Фиг. 14 - схема вывода сканирующих рентгеновских лучей, сформированных в форме пирамиды с помощью неподвижных коллиматоров, при расположении фокальных пятен на хорде, расположенной под углом β к плоскости окна вывода.
При этом описанный вариант выполнения многолучевой рентгеновской трубки согласно изобретению не является исчерпывающим, не ограничивает изобретение и не выходит за рамки формулы изобретения.
Многолучевая рентгеновская трубка согласно изобретению для сканирования неподвижного объекта в перекрещивающихся направлениях при ее статичном положении может быть выполнена в варианте, показанном на Фиг. 1-14.
Как показано на Фиг. 1, многолучевая рентгеновская трубка 1 согласно изобретению содержит размещенные в заземленном корпусе 2: анод 3 с размещенной на нем плоской мишенью 4, систему 5 источников электронов, размещенную над поверхностью мишени 4 и обеспечивающую генерирование и проецирование на поверхность мишени 4 дискретных потоков электронов, вызывающих формирование на мишени 4 дискретных источников рентгеновского излучения, и окно 6 вывода рентгеновского излучения.
Согласно изобретению, как показано Фиг. 1, 2, на анод 3 выполнен в форме плоского диска, плоской торцовой поверхностью 7 обращенного к указанной системе 5 источников электронов, снабжен встроенным механизмом 8 вращения анода 3 вокруг его оси 3а вращения, совпадающей с осью его симметрии, и изолирован от корпуса 2 высоковольтным изолятором 9. При этом встроенный механизм 8 вращения анода 3 вокруг его оси 3а вращения может быть выполнен в виде электродвигателя, ротор 8а которого расположен в корпусе 2 трубки 1, в ее вакуумной части, а статор 8 с размещен снаружи корпуса 2 (Фиг. 1).
При этом согласно изобретению, мишень 4 (Фиг. 1, 2) выполнена в форме плоского кольца с центром на оси 3а вращения анода 3 и закреплена на плоской торцевой поверхности 7 диска анода 3 так, что рабочая поверхность 4а мишени 4 обращена к системе 5 источников электронов.
Согласно изобретению, система 5 источников электронов (Фиг. 1, 2) выполнена в виде электронно-оптической системы, содержащей N источников 10 электронов и обеспечивающей в периодическом импульсном режиме генерирование и проецирование на поверхность мишени 4 N дискретных потоков электронов, обеспечивающих формирование на поверхности мишени 4, соответственно, N фокальных пятен 11 (Фиг. 2) имеющих наибольшую плотность энергии электронов в направлении, перпендикулярном направлению вывода рентгеновского излучения, генерируемого источником 12 рентгеновского излучения (Фиг. 1, 2), сформированном в области расположения указанного фокального пятна 11, через окно 6 вывода (Фиг. 1, 2).
Согласно изобретению, система 5 источников электронов может быть выполнена в виде электронно-оптической системы, обеспечивающей в периодическом импульсном режиме последовательную подачу на мишень 4 дискретных потоков электронов, обеспечивающих формирование на поверхности мишени 4 фокальных пятен 11, имеющих форму узких фигур (Фиг. 2), протяженных в сторону окна 6 вывода и ориентированных каждая по длине в направлении одной точки Р, одинаковой для всех фокальных пятен 11, в области 13 объекта, подлежащей сканированию (Фиг. 1, 2.).
1
2
1
2
N
При этом согласно изобретению, система 5 источников электронов может быть выполнена в виде электронно-оптической системы, обеспечивающей в периодическом импульсном режиме последовательную подачу на мишень 4 дискретных потоков электронов, обеспечивающих формирование на поверхности мишени 4 фокальных пятен 11, имеющих форму овалов (Фиг. 2, 6), близких к прямоугольнику, имеющих длину L большой оси 14 овала и длины L малой оси 15 овала с соотношением L/L≥5, с большими осями 14, сходящимися за окном 6 вывода в точке Р области 13 объекта, подлежащей сканированию, с расположением центров C указанных овалов N фокальных пятен 11 на мишени 4 на одной прямой линии 16 (Фиг. 2, 6), отстоящей от оси 3а вращения анода 3 в направлении к окну 6 вывода.
n
n
При этом согласно изобретению, указанные центры c овалов N фокальных пятен 11 могут быть расположены на мишени 4 на одной прямой линии 16а, представляющей собой отрезок хорды, параллельной плоскости окна б вывода (Фиг. 13), и при этом по два центра из N центров c фокальных пятен 11 расположены на одной и той же окружности кольца мишени 4.
n
n
Согласно изобретению, указанные центры c овалов N фокальных пятен 11 могут быть расположены на мишени 4 на одной прямой линии 16с, представляющей собой отрезок хорды, расположенной под углом β=1-2° к плоскости окна 6 вывода (Фиг. 14), и при этом каждый центр из N центров c фокальных пятен 11 расположен на своей окружности кольца мишени 4, что позволяет улучшить тепловой режим мишени 4 и анода 3.
1
2
<mrow><mi>J</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>I</mi><mrow><msub><mi>L</mi><mn>1</mn></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>L</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
Так как плотность J тепловой нагрузки на аноде 3 трубки 1 обратно пропорциональна площади S фокального пятна 11 электронного луча, согласно изобретению, по форме близкого к прямоугольнику, и S=L·L и при этом
, где I - ток катода 18 источника 10 электронов,
1
2
то увеличением соотношения L/L в диапазоне более чем 5:1 достигается снижение плотности J тепловой нагрузки на мишень 4 и анод 3 трубки 1.
Таким образом, расположение и форма дискретных фокальных пятен 11 с центрами С на определенной окружности кольца мишени 4 согласно изобретению в сочетании с вращением анода 3 с определенной скоростью обеспечивает снижение тепловой нагрузки на аноде 3 и возможность его охлаждения в промежутках между подачей последовательными импульсами дискретных потоков электронов в одну и ту же точку на мишени 4.
Согласно изобретению, указанная система 5 источников электронов может быть выполнена в виде электронно-оптической системы, в которой указанные импульсные N источников 10 электронов (Фиг. 3, 4) размещены в корпусе 2 трубки 1 по одной линии, например прямой линии, соответствующей линии расположения центров С фокальных пятен 11, на одинаковом расстоянии друг от друга над поверхностью части мишени 4, ближайшей к указанному окну 6 вывода (Фиг. 1), и приспособлены для генерирования и вывода в направлении плоскости мишени 4 последовательно в периодическом импульсном режиме каждого одного из N потоков 17 электронов (Фиг. 4), имеющих поперечное сечение потока 17 в форме круга.
При этом согласно изобретению, указанные N источников 10 электронов могут быть выполнены в виде N катодных узлов (Фиг. 3, 4), содержащих, соответственно:
- N катодов 18, выполненных с возможностью регулирования площади поперечного сечения каждого из указанных N потоков 17 электронов с помощью изменения потенциала соответствующего катода 18;
- N подогревателей 19 катодов 18;
- N фокусирующих электродов 20, имеющих выходные отверстия 21 круглой формы.
Согласно изобретению, между выводами указанных N источников 10 электронов и мишенью 4 размещен заземленный управляющий электрод 22.
Электрическая схема многокатодной многолучевой рентгеновской трубки 1 согласно изобретению представлена на Фиг. 5.
H
Согласно изобретению, N катодов 18 электрически изолированы относительно земли и от корпуса 2 трубки 1, N подогревателей 19 электрически изолированы от указанных катодов 18 и имеют два вывода 19а и 196, причем выводы 19а заземлены на корпус 2 трубки 1, а выводы 196 соединены электрически между собой общей шиной 19в, на которую подают напряжение накала U, a N фокусирующих электродов 39 электрически соединены параллельно друг другу, имеют одинаковый потенциал и электрически соединены с катодами 18. Фокусирующие электроды 20 на схеме не показаны, так как имеют одинаковый с катодами 18 потенциал
1
1
2
Согласно изобретению, управляющий электрод 22 (Фиг. 3, 4, 6) приспособлен для преобразования каждого из указанных N потоков 17 электронов (Фиг. 4), имеющих поперечное сечение потока 17 в форме круга, в один из N конфигурированных потоков 23 электронов (Фиг. 7, 8, 9), обеспечивающий при контакте с мишенью 4 формирование на мишени 4, соответственно, одного из указанных N фокальных пятен 11 (Фиг. 8, 9), имеющих форму овала, близкого к прямоугольнику, имеющих длину L большой оси 14 овала и длины L; малой оси 15 овала с соотношением L/L≥5, с большими осями 14, сходящимися за окном 6 вывода в точке Р (Фиг. 2, 13, 14), одинаковой для всех больших осей фокальных пятен 11, в области 13 объекта, подлежащей сканированию, с расположением центров С указанных овалов N фокальных пятен 11 на мишени 4 на одной линии 16 (Фиг. 2), отстоящей от оси 3а вращения анода 3 в направлении к окну 6 вывода, например, на линии 16а, параллельной плоскости окна вывода (Фиг. 13) или на линии 16с, расположенной под углом β=1-2° к плоскости окна 6 вывода (Фиг. 14).
При этом согласно изобретению, указанный управляющий электрод 22 размещен параллельно плоскости мишени 4 (Фиг. 4) и снабжен N каскадами 24 сквозных отверстий (Фиг. 3, 7, 8, 9), расположенных вблизи выходов 10а указанных N источников 10 электронов и имеющих в каскаде 24 входные отверстия 25 круглой формы (Фиг. 7, 8, 9) для ввода одного из указанных N дискретных потоков 17 электронов и выходные отверстия 26 в форме овалов (Фиг. 7, 8, 9), у которых большие оси 26а ориентированы в сторону окна 6 вывода (Фиг. 7) и сходятся за окном 6 вывода, для вывода каждого одного из указанных N конфигурированных потоков 23 электронов в направлении плоскости мишени 4 (Фиг. 8, 9). При этом оси симметрии сквозных отверстий каскадов 24 управляющего электрода 22 совпадают с осями отверстий выходов 10а указанных N источников 10 электронов.
Выбор размеров, формы и ориентации выходных отверстий 26 управляющего электрода 22 обеспечивает получение конфигурированного потока 23 электронов, имеющего соответствующие требуемые форму и ориентацию его поперечного сечения, что позволяет при его фокусировке в каскаде 24 сквозных отверстий управляющего электрода 22 получить на поверхности мишени 4 фокальное пятно 11 заданной формы и площади, с определенной ориентацией на мишени 4.
Как известно специалистам в области рентгенографии, рентгеновское изображение представляет собой сумму теней исследуемого объекта на стол 13а детекторов рентгеновского излучения (Фиг. 1, 2), получаемого от каждой точки источника 12 рентгеновского излучения. При большом размере источника 12 рентгеновского излучения тени, формируемые излучением отдельных точек источника 12, получаются смещенными относительно друг друга: на границе изображения появляются полутени, и четкость изображения падает, изображения мелких включений внутри объектов сканирования получаются размытыми.
1′
В плоскости, перпендикулярной направлению вывода рентгеновского излучения и проходящей через большую ось 14 фокального пятна 11, величина L высоты рентгеновского луча, проецируемая на окно 6 вывода (Фиг. 10), определяется выражением L=Ltgα, где α - угол наклона высоты рентгеновского луча к плоскости мишени 4.
2
2
От размера проекции этой величины L на плоскость окна 6 вывода и от размера проекции ширины L источника 12 излучения (Фиг. 12) зависит четкость изображения рентгеновского снимка: с уменьшением размеров L и L четкость изображения повышается.
Так как расположение и конфигурация N источников 12 рентгеновского излучения обусловлено расположением и конфигурацией соответствующих N фокальных пятен 11 на мишени 4, образующихся при контакте соответствующих N конфигурированных потоков 23 электронов с мишенью 4, то формирование в области контакта N фокальных пятен 11 в виде узких фигур с наибольшей концентрацией энергии электронов в их узкой части, например удлиненных овалов, обращенных большой осью в сторону окна 6 вывода, с направлением их больших осей в одну одинаковую для них точку Р в области, подлежащей сканированию (Фиг 2), позволяет получить на мишени 4 N источников 12 рентгеновского излучения, имеющих наибольшую плотность рентгеновского излучения в узкой части овалов, перпендикулярной направлению вывода рентгеновского излучения из трубки 1 (Фиг. 12, 13, 14).
2
1
Согласно изобретению, окно 6 вывода рентгеновского излучения (Фиг. 1.2) является общим для вывода рентгеновского излучения всех N источников 12 рентгеновского излучения, образующихся на мишени 4 в области указанных фокальных пятен 11 N конфигурированных потоков 23 электронов, при этом окно 6 вывода размещено в боковой стенке 2а корпуса 2 трубки 1 выше уровня плоскости мишени 4 (Фиг. 1) и выполнено плоским в форме прямоугольника, перпендикулярного плоскости мишени 4 и имеющего верхнюю сторону 6а прямоугольника на уровне величины угла α не более 35° к плоскости мишени 4 и нижнюю сторону 6с прямоугольника на уровне величины угла α не менее 10 к плоскости мишени 4 (Фиг. 11).
1
2
2
2
1
Таким образом, выполнение окна 6 вывода согласно изобретению обеспечивает вывод дискретного сканирующего рентгеновского луча в определенном диапазоне углов α и α по высоте окна 6 вывода, соответствующих наиболее эффективному проецированию рентгеновского излучения наименьшей высоты L и наименьшей ширины L на окно 6 вывода со всей площади источника L рентгеновского излучения по длине L.
При этом согласно изобретению, трубка 1 содержит N неподвижных коллиматоров 27 (Фиг 1, 2), имеющих потенциал анода 3, размещенных каждый своим входом 28 вблизи от соответствующего источника 12 рентгеновского излучения, имеющего конфигурацию указанного фокально пятна 11, над поверхностью мишени 4 в области между каждым одним источником 12 рентгеновского излучения и окном 6 вывода (Фиг. 1.2). При этом каждый коллиматор 27 обеспечивает отбор рентгеновского излучения со всей поверхности соответствующего одного источника 12 рентгеновского излучения в направлении к окну 6 вывода (Фиг. 11) и формирование на выходе 29 каждого из N коллиматоров 27 рентгеновского излучения в виде потока 30 пирамидальной формы, сопряженной в срединной части с верхней 6а и нижней 6с сторонами прямоугольника окна 6 вывода и имеющей прямоугольное основание 30а (Фиг. 1, 11), охватывающее область 13 объекта, подлежащую сканированию.
2
Таким образом, согласно изобретению, обеспечивается вывод через окно 6 вывода рентгеновского излучения с наибольшей плотностью энергии по всей высоте L и всей ширине L рентгеновского луча, а также обеспечиваются размеры его поперечного сечения, позволяющие охватывать лучом всю область сканирования при наибольшей плотности энергии рентгеновского луча внутри указанного потока пирамидальной формы.
Таким образом, выполнение многолучевой рентгеновской трубки 1 согласно изобретению обеспечивает:
- размещение источников 10 электронов между собой на кратчайшем расстоянии, необходимом для обеспечения дискретности электронных лучей и, соответственно, дискретности источников 12 рентгеновского излучения при одновременном снижении тепловой нагрузки на точки мишени 4 и анод 3;
- формирование потока 23 электронов с конфигурацией их поперечного сечения, обеспечивающей в их фокальном пятне 11 на мишени конфигурацию источника 12 рентгеновского излучения в форме узкой фигуры, протяженной в сторону окна 6 вывода рентгеновского луча 30 и обеспечивающей наибольшую плотность энергии в потоке электронов в направлении, перпендикулярном направлению вывода рентгеновских лучей;
- размещение источников 12 рентгеновского излучения на мишени, обеспечивающего направление сформированных сканирующих рентгеновских лучей 30 с перекрещиванием их в одной точке области 13, подлежащей сканированию, с минимальной площадью поперечного сечения сканирующего луча 30, охватывающей область сканирования,
- формирование источников 12 рентгеновского излучения в наилучших условиях охлаждения мишени 4 и анода 3 между импульсным воздействием потоков 23 электронов на одни и те же точки мишени 4;
- вывод из неподвижной трубки 1 в перекрещивающихся направлениях дискретных рентгеновских лучей 30, охватывающих неподвижный объект сканирования и имеющих высокую плотность энергии, необходимую для томографического анализа сканируемого объекта;
2
- отбор рентгеновского излучения в направлении окна 6 вывода со всей площади источника 12 рентгеновского излучения с формированием рентгеновского луча 30, имеющего пирамидальную форму, характеризующуюся наименьшей высотой L и наименьшей шириной L проекции этого луча на плоскость окна 6 вывода.
Многолучевая рентгеновская трубка 1 согласно изобретению работает следующим образом.
СМ
Первоначально на все катоды 18 подают положительный потенциал смещения Y, токи катодов 18 при этом отсутствуют.
a
Анод 3 находится под положительным потенциалом u и вращается с определенной линейной скоростью, достаточной для того, чтобы тепловая нагрузка конфигурированного потока 23 электронов на мишень 4 анода 3 не приводила к испарению материала мишени 4 и перегрева анода 3.
CM
K
CM
При работе многолучевой рентгеновской трубки 1 на катоды 18 поочередно поступают импульсы отрицательной полярности с амплитудой Uu, причем Uu<2U, что приводит к появлению эмиссионного тока. В этом состоянии потенциал катода 18 является отрицательным относительно земли: U=U-Uu.
При поступлении на катод 18 импульса отрицательной полярности Uu электроны катода 18 под действием электрического поля в пространстве между катодом 18 и анодом 3 начинают перемещаться по направлению к аноду 3.
При этом происходит формирование одного из N дискретных потоков 17 электронов, генерируемого в импульсном режиме источником 10 электронов соответственно в направлении к одной, соответствующей ему, точке на мишени 4 и имеющего поперечное сечение потока 17 в форме круга.
i
Затем, при прохождении потока 17 электронов через каскад 24 сквозных отверстий управляющего электрода 22, формируется конфигурированный поток 23 электронов, имеющий после вывода из отверстия 26 каскада 24 поперечное сечение заданных размеров в форме узкого овала с заданным соотношением длин его большой и малой осей, с большой осью, направленной в определенную общую для них точку за окном 6 вывода. Сформированный таким образом конфигурированный поток 23 электронов при его контакте с поверхностью мишени 4 обеспечивает образование в определенной области мишени 4, соответствующей указанному источнику 10 электронов, фокального пятна 11, имеющего заданную форму, размеры и ориентацию на мишени 4, с центром С фокального пятна 11 в определенной точке заданной линии 16 расположения центров всех N фокальных пятен 11, например, в заданной точке на отрезке хорды 16а, параллельной плоскости окна 6 вывода, или на отрезке хорды 16а, имеющей с плоскостью окна 6 вывода угол β=1-2°. Расчет траекторий конфигурированных потоков 23 электронов представлен на Фиг. 7.
Воздействие каждого конфигурированного потока 23 электронов в области расположения фокального пятна 11 его электронного луча на вращающейся мишени 4 вызывает формирование соответствующего источника 12 рентгеновского излучения, имеющего площадь, конфигурацию и ориентацию на мишени 4, соответствующие фокальному пятну 11. При этом, в соответствии с наиболее плотным распределением энергии электронов в узкой части овала фокального пятна 11, рентгеновское излучение, генерируемое источником 12, имеет наибольшую плотность энергии рентгеновского излучения с поверхности источника 12 в узкой части овала, шириной, равной длине малой оси 15 овала фокального пятна 11.
Один из N неподвижных коллиматоров 27, имеющих потенциал анода 3 и размещенных каждый своим входом 28 вблизи от соответствующего источника 12 рентгеновского излучения над поверхностью мишени 4 в области между источником 12 рентгеновского излучения и окном 6 вывода (Фиг. 11, 12), обеспечивает через вход 28 отбор рентгеновского излучения со всей поверхности соответствующего одного источника 12 рентгеновского излучения, имеющего конфигурацию указанного фокально пятна 11, в направлении к окну 6 вывода и формирование на выходе 29 каждого из N коллиматоров 27 рентгеновского излучения в виде потока 30 пирамидальной формы, охватывающей область наибольшей плотности энергии в луче, сопряженной в срединной части с верхней 6а и нижней 6 с сторонами прямоугольника окна 6 вывода и имеющей прямоугольное основание 30а (Фиг. 1), охватывающее область 13 объекта, подлежащую сканированию.
Таким образом, рентгеновское излучение источника 12 представляет собой рентгеновский луч пирамидальной формы, в котором область высокой плотности энергии луча ограничена по высоте и ширине плоскостями пирамиды, сопряженной с верхней 6а и нижней 6 с сторонами прямоугольника окна 6 вывода, что позволяет обеспечить высокую плотность энергии в луче и, соответственно, высокую четкость изображения при сканировании объекта, а прямоугольное основание пирамиды имеет заданные размеры и охватывает сканируемый объект, обеспечивая безопасность использования многолучевой рентгеновской трубки 1 согласно изобретению.
При использовании многолучевой многокатодной трубки 1 согласно изобретению для томографического исследования внутренней структуры объекта с помощью сканирования проводят последовательное многократное просвечивание этого объекта рентгеновскими лучами 30 в пересекающихся направлениях, обусловленных направлением вывода последовательно рентгеновского излучения с поверхности N источников 12 рентгеновского излучения, имеющих узкую форму, ориентированную длиной в направлении окна 6 вывода, в одну точку Р области 13 сканирования (Фиг. 1, 2).
к
При этом источники 10 электронов включаются по очереди посредством последовательной подачи отрицательных потенциалов U на соответствующий этому источнику 10 катод 18.
Затем производится компьютерная обработка полученных N рентгеновских снимков с целью создания 3-мерного образа объекта сканирования.
При сравнении экспериментальных данных по созданию томографических образов, полученных с помощью многолучевой рентгеновской трубки 1 согласно изобретению, и образов, получаемых ранее во взаимно пересекающихся направлениях с помощью однолучевых трубок, движущихся вокруг объекта сканирования, было установлено следующее:
B
B
1) Существующие методы компьютерной обработки образов позволяют получить как 3D, так и посрезовое изображение объекта сканирования с помощью движущегося источника рентгеновского излучения. При этом при движении источника рентгеновского излучения во время снимка вокруг объекта сканирования происходит увеличение размера L источника рентгеновского излучения до размера L:L=VxТ, где V - линейная скорость источника рентгена, Т - время экспозиции объекта, что, соответственно, приводит к снижению четкости изображения.
2) Для увеличения четкости изображения при использовании однолучевой трубки необходимо уменьшать либо скорость движения источника рентгена, либо время экспозиции. Уменьшение первого увеличивает время снятия томограммы, уменьшение второго влияет отрицательно на четкость изображения.
3) В многолучевой рентгеновской трубке 1 согласно изобретению источники 12 рентгеновского излучения неподвижны их проецируемый на окно 6 вывода размер L определяется только линейными размерами фокального пятна 11. Поэтому время экспозиции и соответственно четкость изображения может быть увеличена многократно по сравнению с традиционной однолучевой рентгеновской трубкой, движущейся вокруг объекта сканирования.
Многолучевая рентгеновская трубка 1 согласно изобретению позволяет создать компьютерный томограф для маммографического обследования, обладающий важными преимуществами:
1) при построении 3D изображения используются в заданной последовательности все N источников рентгеновского излучения, каждый из которых обеспечивает создание соответствующего ему рентгеновского снимка объекта в одном из пересекающихся между собой направлений, что позволяет получить ряд последовательных образов объекта сканирования и после обработки этих образов с помощью компьютера, получить 3D образ или посрезовое изображение этого объекта;
1
2
2) при одинаковых токе катода источника электронов и размере L рентгеновского излучения использование узкой формы фокального пятна, близкой к прямоугольнику, протяженной в направлении окна вывода, варьирование величин углов α и α позволяет увеличить на мишени длину L1 источника рентгеновского излучения и соответственно увеличить площадь поверхности, воспринимающей тепло потока электронов, снизить тепловую нагрузку на вращающийся анод при обеспечении неизменной четкости изображения рентгеновского снимка и увеличить долговечность рентгеновской трубки;
3) окно вывода рентгеновского излучения, выполненное общим, совместно с коллиматорами позволяет ограничить зону облучения рентгеновским излучением областью, в которой находится объект сканирования, и при этом использовать только один паяный узел - одно окно вывода, что значительно упрощает конструкцию трубки.
Специалистам в области рентгенографии должно быть понятно, что в многолучевую рентгеновскую трубку согласно изобретению могут быть внесены различные модификации и усовершенствования, не выходящие за рамки формулы изобретения.
Многолучевая рентгеновская трубка согласно изобретению может быть изготовлена с использованием известных материалов, оборудовании и технологий, и может найти широкое применение для получения томографического изображения различных объектов, в том числе в медицинских целях для маммографии, для получения серии снимков объекта под разными углами для проведения компьютерной томографии и томосинтеза.