ДВУХЦВЕТНОЕ ПИРОМЕТРИЧЕСКОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ РЕНТГЕНОВСКОГО ФОКАЛЬНОГО ПЯТНА
DUAL-COLOUR PYROMETRIC MEASUREMENT OF X-RAY FOCAL SPOT TEMPERATURE

В общем, изобретение относится к области формирования рентгеновских изображений, а более конкретно к измерению температуры рентгеновского фокального пятна.
Рентгеновские лучи образуются в случае, когда быстрые электроны из эмиттера электронов попадают на анод внутри рентгеновской трубки. Электроны, образуемые эмиттером, ускоряются по направлению к аноду, когда высокое напряжение приложено между эмиттером и анодом. Когда электроны попадают на анод, они вызывают значительное нагревание анода. При использовании вращающегося анода нагревание распределяется по пространству и во времени. Участок на аноде, на который попадают электроны, называют фокальным пятном, и в случае вращающегося анода участок, который освещается фокальным пятном, существует в форме кольца, называемого кольцом фокального пятна. Кроме того, по сравнению с остальной областью на вращающемся аноде кольцо фокального пятна обычно подвергается большему нагреванию. При этом в пределах фокального кольца фокальное пятно является самым горячим. В условиях предельного режима работы кольцо фокального пятна имеет среднюю температуру около 2000°С, тогда как температура фокального пятна достигает около 3000°С. Ввиду наличия вращающихся частей и стоимости рентгеновской трубки в целом, полезно постоянно контролировать температуру в фокальном пятне. Такой контроль будет облегчать защиту пациента, рентгенолога и установки для формирования изображений.
Одним примером определения температуры фокального пятна является математическое оценивание температуры на основании рабочих параметров рентгеновской трубки. Однако недостаток, связанный с математическим оцениванием, заключается в том, что оно не является очень точным, и поэтому механизм защиты для рентгеновской трубки должен быть с очень большим запасом прочности, чтобы компенсировался недостаток точности при оценивании температуры фокального пятна. Другой пример измерения температуры фокального пятна в рентгеновской трубке представлен в патенте США №3836805. В этом документе раскрыто образование окна на металлической торцевой крышке рентгеновской трубки, через которое внутреннюю поверхность чашеобразного анода можно визуализировать с помощью приемника светового излучения. В таком случае приемник светового излучения формирует электрический сигнал, пропорциональный интенсивности света, воспринимаемого им. Такая компоновка создает альтернативу ошибочному определению температуры фокального пятна. Поэтому она должна быть выгодной для точного определения температуры фокального пятна.
В соответствии с этим рентгеновская трубка, раскрытая в настоящей заявке, включает в себя эмиттер, расположенный для испускания электронов на фокальное пятно на вращающемся аноде. Рентгеновская трубка также включает в себя полую трубку, расположенную для приема электромагнитного излучения с фокального пятна на одном конце полой трубки и передачи его к другому концу. Рентгеновская трубка также включает в себя два или большее количество датчиков, расположенных для обнаружения электромагнитного излучения через полую трубку.
Кроме того, установка для формирования рентгеновских изображений, раскрытая в настоящей заявке, включает в себя рентгеновскую трубку, описанную в настоящей заявке выше. Установка для формирования рентгеновских изображений также включает в себя детектор рентгеновских лучей и конструкцию для получения изображения объекта.
Кроме того, способ определения температуры фокального пятна на вращающемся аноде включает в себя измерение интенсивностей света на двух или большем количестве длин волны и определение температуры фокального пятна на основании измеренных интенсивностей.
Эти и различные другие признаки, аспекты и преимущества будут более понятными при чтении нижеследующего описания с обращением к чертежам, на которых:
фиг.1 - иллюстрация первого осуществления компоновки рентгеновской трубки;
фиг.2 - иллюстрация поведения отношения токов, измеренных на двух различных длинах волн, в зависимости от температуры;
фиг.3 - иллюстрация второго осуществления компоновки рентгеновской трубки;
фиг.4 - иллюстрация третьего осуществления компоновки рентгеновской трубки;
фиг.5 - иллюстрация четвертого осуществления компоновки рентгеновской трубки;
фиг.6 - иллюстрация установки для формирования рентгеновских изображений, которая включает в себя рентгеновскую трубку в соответствии с компоновкой, показанной на одной из фиг.1, 3-5;
фиг.7 - блок-схема последовательности операций способа определения температуры фокального пятна.
Теперь вернемся к чертежам и сначала обратимся к фиг.1, на которой показано осуществление рентгеновской трубки 100. В частности на фиг.1 показаны части рентгеновской трубки 100 с вращающимся анодом 110, с рентгеновским фокальным пятном 120, полая трубка 130, прикрепленная к стенке 140 рентгеновской трубки, и чувствительный элемент 150. Окно 160 имеется на стенке рентгеновской трубки, на границе раздела между стенкой рентгеновской трубки и полой трубкой. Окно 160 должно быть прозрачным для любого света, проходящего по полой трубке 130. Кроме того, поскольку рентгеновская трубка является высоковакуумированной, окно 160 должно быть устойчивым при таком низком давлении и сохранять вакуум внутри рентгеновской трубки 100.
В некоторых осуществлениях окно 160 может также включать в себя слой свинцового стекла. В процессе работы рентгеновской трубки часть рентгеновских лучей может уходить по полой трубке и выходить из рентгеновской трубки. Свинцовое стекло (не показанное) используют для поглощения таких паразитных рентгеновских лучей. Дополнительная функция свинцового стекла заключается в предотвращении попадания рентгеновских лучей на чувствительный элемент 150, поскольку рентгеновские лучи могут вызывать ошибочное формирование сигнала чувствительным элементом 150 вследствие непосредственного преобразования рентгеновских лучей или даже могут повредить чувствительный элемент. Кроме того, возможно, что при использовании свинцового стекла некоторое количество света также будет рассеиваться или поглощаться свинцовым стеклом. Однако при известности характеристики поглощения и рассеяния свинцового стекла такие эффекты компенсируют путем соответствующей калибровки чувствительного элемента 150.
В компоновке из фиг.1 полая трубка 130 полностью заключена внутри рентгеновской трубки 100. Один конец полой трубки 130 позиционирован по направлению к фокальному пятну 120, тогда как второй и противоположный конец полой трубки 130 прикреплен к внутренней поверхности окна 160, которая является поверхностью окна 160, которая находится внутри рентгеновской трубки 100. В рассмотрениях, которые следуют ниже, конец полой трубки, который находится близко к фокальному пятну, будет называться коллекторным концом, тогда как конец полой трубки, расположенный на расстоянии от фокального пятна, будет называться эмиттерным концом. Внутренняя поверхность полой трубки 130 покрыта черной краской. Длина и диаметр полой трубки 130 выбраны так, что на чувствительный элемент попадает свет только от фокального пятна. Весь свет, испускаемый из другой области, а не из фокального пятна, поглощается внутренней поверхностью полой трубки, покрытой черной краской. Тем самым весь свет, который проходит по полой трубке ко второму концу полой трубки, является преимущественно видимым светом, испускаемым с фокального пятна 120.
В то время как видимый свет 170 от фокального пятна 120 проходит по полой трубке, также вполне возможно, что некоторое количество рентгеновских лучей (не показанных) может проходить через эмиттерный конец полой трубки. Эмиттерный конец прикреплен к окну 160 на стенке 140 рентгеновской трубки с целью поглощения всех паразитных рентгеновских лучей, которые могут входить в полую трубку на коллекторном конце и проходить по полой трубке 130. Кроме того, окно 160 позиционировано так, что оно создает линию прямой видимости через полую трубку 130 между фокальным пятном 120 и чувствительным элементом 150.
Чувствительный элемент 150 включает в себя по меньшей мере два датчика и расположен очень близко к стенке рентгеновской трубки, непосредственно на освещаемой поверхности окна 160, так что датчики могут обнаруживать видимый свет, который проходит по полой трубке 130 и через окно 160. В одном осуществлении датчики представляют собой плоскостные p-i-n-фотодиоды. Однако недорогие кремниевые плоскостные p-n-диоды также могут быть использованы. Для обнаружения в оптическом режиме, то есть для обнаружения видимого света, кремниевый фотодиод является хорошим вариантом детектора. Преимущества от использования кремниевых фотодиодов включают в себя невысокую стоимость диодов, повышенную устойчивость диодов к неблагоприятным условиям окружающей среды и легкость объединения диодов с расположенной на плате или вне платы электроникой. Фотодиоды создают токи, пропорциональные интенсивности света, который падает на фотодиоды.
Каждый из датчиков в чувствительном элементе 150 также включает в себя узкополосный полосовой фильтр (не показанный) для обеспечения возможности обнаружения датчиком видимого света только конкретной длины волны. Узкополосный полосовой фильтр обеспечивает пропускание иной длины волны света по сравнению с узкополосным полосовым фильтром в другом датчике. Примером узкополосного полосового фильтра является эталон Фабри-Перо. Эти эталоны работают как очень точно настроенные фильтры. Они могут быть изготовлены, например, путем осаждения уложенных в стопку тонких диэлектрических слоев на верхнюю часть сенсорного диода. Однако может быть использован любой другой подходящий узкополосный фильтр.
Два датчика измеряют интенсивность света на двух различных длинах волн и поэтому образуют два различных тока. Знание интенсивности света на двух различных длинах волн (или частотах) позволяет определять измеряемую температуру без знания коэффициента излучения. Этого достигают беря отношение двух токов, которые измерены двумя датчиками. Неизвестный коэффициент излучения, который является одним и тем же для обоих измерений, взаимно исключается.
Т
Поведение отношения измеренных токов двух датчиков на двух длинах волн в зависимости от температуры показано на фиг.2. Как видно из чертежа, при низких температурах отношение является очень небольшим и трудно определять температуру на основании этого отношения. Однако, когда отношение становится больше, определять температуру легче. Зависящее от длины волны излучение черного тела при температуре  дается законом Планка в виде:
,
h
c
k
B
где ,  и  обозначают постоянную Планка, скорость света и постоянную Больцмана, соответственно.
λ
Т
I
λ
T
λ
I
λ
T
I
I
Т
1
1
2
2
photo1
photo2
Поэтому в случае диода с фильтром, имеющим узкую полосу пропускания, центрированную относительно , сигнал фототока, который будет формироваться фотодиодом, когда он облучается светом с анода при температуре , будет пропорционален (,). Сигнал второго фотодиода, узкополосный полосовой фильтр которого центрирован относительно другой длины  волны, будет, в свою очередь, пропорционален (,). Поэтому отношение фототоков  и  обоих фотодиодов при температуре  будет иметь вид:
.
k
λ
T
Таким образом, отношение фототоков является неоднозначной функцией температуры светоизлучающего фокального пятна на аноде. Поскольку анод не ведет себя в точности подобно излучателю в виде идеального черного тела, отклонение его спектра излучения от закона Планка учитывается коэффициентом (,) излучения:
.
Как правило, если две длины волны близки друг к другу, коэффициент эмиссии может считаться не зависящим от длины волны. В другом осуществлении чувствительный элемент 150 может включать в себя три датчика. Преимущество наличия трех датчиков заключается в том, что оценка будет улучшаться, поскольку при такой компоновке будет учитываться линейная зависимость коэффициента излучения как функции длины волны вместо принятия его постоянным. Точно так же в других осуществлениях чувствительный элемент 150 может иметь четыре или большее количество датчиков. Такая компоновка позволяет учитывать квадратичную закономерность между коэффициентом излучения и длиной волны и т.п.
Когда между эмиттером электронов и анодом прикладывают высокое напряжение, ускоренные электроны проходят к вращающемуся аноду. Однако даже без приложения высокого напряжения эмиттер может пребывать в рабочем состоянии, когда он нагрет до нормальной рабочей температуры. В течение этого периода времени, когда эмиттер находится в рабочем состоянии, обычно имеется некоторое количество света с эмиттера, который отражается на протяжении фокального пятна и входит в полую трубку. Этот отраженный свет, входящий в полую трубку, может быть причиной неправильного определения температуры фокального пятна. Поэтому влияние отраженного света на фактическое показание датчиков необходимо нейтрализовать.
В описании, приведенном выше, датчики в чувствительном элементе 150 приспособлены для измерения света в видимом диапазоне спектра электромагнитных волн. Как известно специалисту в данной области техники, в других осуществлениях также можно иметь датчики, которые приспособлены для измерения инфракрасного излучения с фокального пятна. Такие модификации относительно описанной компоновки должны толковаться как часть настоящего изобретения. Для облегчения пояснения в разделах, приведенных ниже, описываются различные осуществления с использованием видимого света для целей обнаружения и измерения. Это не должно считать ограничением.
На фиг.3 отображено другое осуществление рентгеновской трубки 300 с показом частей рентгеновской трубки 100 с вращающимся анодом 110, полой трубки 130 и чувствительного элемента 150. В реализованной компоновке полая трубка 130 проходит сквозь стенку 140 рентгеновской трубки, так что коллекторный конец полой трубки 130 находится внутри рентгеновской трубки, тогда как эмиттерный конец полой трубки находится с наружной стороны рентгеновской трубки и расположен близко к чувствительному элементу. С помощью полой трубки 130 чувствительный элемент 150 находится на линии прямой видимости фокального пятна 120. Поскольку полая трубка 130 проходит сквозь стенку 140 рентгеновской трубки, то в реализованной в настоящее время компоновке нет окна в стенке рентгеновской трубки. Вместо этого с целью предотвращения прохождения всякого рентгеновского излучения наружу окно 160 прикреплено к эмиттерному концу. Чувствительный элемент 150 аналогичен чувствительному элементу, изображенному на фиг.1. На фиг.3 чувствительный элемент 150 показан как прикрепленный к окну 160. Однако это не является обязательным. Чувствительный элемент 150 может быть расположен на расстоянии от окна 160, но должен оставаться на расстоянии, при котором обеспечивается возможность удовлетворительного обнаружения чувствительным элементом 150 видимого света, исходящего из полой трубки.
На фиг.4 отображено еще одно осуществление рентгеновской трубки 400 с показом частей рентгеновской трубки 100. В реализованной компоновке эмиттерный конец, который находится с наружной стороны рентгеновской трубки, связан с волоконно-оптическим элементом 180 для передачи света 170 от фокального пятна к чувствительному элементу 150. В реализованной в настоящее время компоновке чувствительный элемент 150 все еще может рассматриваться как находящийся на линии прямой видимости с помощью волоконно-оптического элемента 180 и полой трубки 130, поскольку, чтобы попасть на чувствительный элемент 150, свет 170 от фокального пятна 120 проходит по полой трубке 130 и волоконно-оптическому элементу 180. Преимущество этой компоновки заключается в том, что нет необходимости располагать чувствительный элемент 150 непосредственно перед эмиттерным концом полой трубки. Кроме того, использование волоконно-оптического элемента 180 не будет приводить ни к каким потерям интенсивности сигнала по причине свойства полного внутреннего отражения. Однако необходимо, чтобы связь волоконно-оптического элемента 180 с эмиттерным концом полой трубки 130 была выполнена тщательно и аккуратно.
В еще одном осуществлении, показанном на фиг.5, компоновка рентгеновской трубки 500 включает в себя призму 510, расположенную, как показано на этой фигуре, между окном 160 и чувствительным элементом 150. Призма 510 может быть выполнена из стекла или любого другого подходящего материала. Призма 510 размещена так, что свет, выходящий из эмиттерного конца полой трубки 130 и проходящий через окно 160, расщепляется призмой на пучки с двумя или большим количеством длин волн, проходящие по различным путям, то есть призма 510 расщепляет свет пространственно. Каждая из длин волн может быть соответствующим образом обнаружена двумя или большим количеством датчиков, расположенных в чувствительном элементе 150. Преимущество от использования призмы 510 заключается в том, что она обеспечивает возможность формирования датчиками в чувствительном элементе 150 (которые обычно расположены один возле другого) изображения одного и того же участка фокального пятна, тогда как без использования призмы 510 датчики могут формировать изображение различных участков фокального пятна, которые несколько смещены относительно друг друга.
На фиг.6 показана установка 600 для формирования рентгеновских изображений, которая включает в себя рентгеновскую трубку 610, содержащую одну из трех реализованных компоновок, показанных на фиг.1, 3 и 4, с добавлением детектора 620 рентгеновского излучения и конструкции 630 для получения изображения объекта. При медицинских применениях конструкцией 630 для получения изображения объекта может быть стол пациента или гентри. При промышленных применениях конструкцией 630 для получения изображения объекта может быть любая конструкция, рассчитанная на удержание визуализируемого объекта в желаемой ориентации. Кроме того, должно быть понятно, что в некотором другом осуществлении один или несколько признаков из фиг.1, 3 и 4 могут сочетаться совместно для достижения усиленного преимущества в результате такого сочетания. Эти модификации должны считаться находящимися в объеме изобретения.
На фиг.7 показана блок-схема 700 последовательности операций, которая представляет возможный способ определения температуры фокального пятна путем использования по меньшей мере одного из осуществлений рентгеновской трубки, показанных на фиг.1, 3 и 4. Он включает в себя измерение интенсивностей света на двух или большем количестве длин волн, который передается от коллекторного конца к эмиттерному концу полой трубки. Как описывалось ранее, чувствительный элемент обнаруживает свет, исходящий из полой трубки. Чувствительный элемент включает в себя два или большее количество датчиков, при этом каждый датчик имеет узкополосный фильтр, расположенный для обеспечения возможности обнаружения этим конкретным датчиком конкретного диапазона длин волн. Способ включает в себя измерение 710 интенсивностей света на двух или большем количестве длин волн, когда эмиттер электронного пучка находится в рабочем состоянии. Способ также включает в себя определение 720 температуры фокального пятна на основании измеренных интенсивностей света. Следует отметить, что токи, создаваемые датчиками, пропорциональны интенсивностям света, обнаруживаемого датчиками. В одном осуществлении отношение двух токов может быть использовано для определения температуры на фокальном пятне. Значение отношения, полученное для соответствующих отсчетов при меньшей длине волны по сравнению с большей длиной волны, более сильно возрастает с повышением температуры.
В некоторых осуществлениях способ также включает в себя этап 730 калибровки для удаления эффектов обнаружения света, излученного из эмиттера электронов и отраженного на фокальном пятне. На этапе калибровки удаляют отраженную составляющую из обнаруженного света путем обнаружения света от эмиттерного конца полой трубки, когда к эмиттеру электронов и вращающемуся аноду высокое напряжение не прикладывают. Это означает, что не будет электронов, попадающих на вращающийся анод, и при этом гарантируется, что любой свет, входящий в коллекторный конец полой трубки, является исключительно светом, отраженным от фокального пятна, но излученным на эмиттере электронов. В таком случае ток, определенный на основании измеренной интенсивности света, может быть вычтен из измеряемого тока, когда рентгеновская трубка находится полностью в рабочем состоянии.
Кроме того, следует отметить, что, хотя в настоящем изобретении описано измерение температуры фокального пятна путем использования электромагнитного излучения в диапазоне видимого света, способ также можно применять в случае измерения в инфракрасном диапазоне. В соответствии с этим необходимо изменить выбор датчиков в чувствительном элементе 150. Преимущество реализации этого способа в видимом диапазоне спектра заключается в том, что стоимость датчиков является небольшой, а датчики легко интегрируются. Измерение в инфракрасном диапазоне требует более высоких затрат на датчики по сравнению с измерением в видимом диапазоне спектра. Однако с усовершенствованием технологии полупроводниковых приборов стоимость датчиков будет только продолжать снижаться и они могут оказаться точно таким же образом эффективными.
Следует отметить, что упомянутые выше осуществления иллюстрируют, а не ограничивают изобретение, и что специалисты в данной области техники могут разработать многочисленные альтернативные модификации без отступления от объема прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения любые позиции, помещенные в круглых скобках, не должны толковаться как ограничивающие притязания. Слово «содержащий» не должно исключать наличия других элементов или этапов, помимо перечисленных в формуле изобретения. Неопределенный артикль, предшествующий элементу, не должен исключать наличия множества таких элементов. Изобретение может быть реализовано посредством аппаратного обеспечения, содержащего несколько разных элементов, и с помощью соответствующим образом запрограммированного компьютера. В притязаниях на устройство с перечислением нескольких средств несколько этих средств могут быть реализованы с помощью одного и того же раздела машиночитаемого программного обеспечения или аппаратного обеспечения. Сам факт, что некоторые признаки перечислены в различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что сочетание этих признаков не может быть использовано с выгодой.