РЕНТГЕНОВСКИЙ АНОД
X-RAY ANODE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к вращающемуся аноду для устройства на рентгеновских трубках и главному катоду, при этом главный катод выполнен с возможностью взаимодействовать с анодом. Дополнительно, настоящее изобретение относится к вспомогательному катоду, при этом вспомогательный катод выполнен с возможностью взаимодействовать с анодом, рентгенографической системой, устройством для определения электрического потенциала, устройством для регулирования нагрева вспомогательного катода, устройством для переключения электрических потенциалов и устройством для отклонения электронного луча рентгенографической системы.
Уровень техники
Использование нескольких энергий фотонов рентгеновского излучения ("цветов рентгеновских лучей") повышает диагностическую ценность рентгеновского снимка. Обычно используется регулярная рентгеновская трубка, и высокое напряжение изменяется.
Сущность изобретения
Идеально длительность импульса периодов высокой и низкой энергии должна быть в диапазоне периода интеграции детектора, например 200 мкс в случае CT-сканера. Время перехода должно составлять его небольшую часть, чтобы достигать рабочего цикла при достаточно высоком уровне мощности и достаточно большого потока фотонов. Но емкость кабеля высокого напряжения на практике делает разрядку медленным процессом. Пульсация малой длительности фактически не может достигаться при разумных усилиях. Кроме того, рентгеновский фильтр должен переключаться синхронно.
Анод согласно изобретению содержит материал насыпного анода, который имеет изоляционный корпус с радиальными прорезями, изготовленный, например, из керамики из SiC. SiC имеет высокое удельное электрическое сопротивление в T<1000 C, является легковесным и имеет высокий предел текучести. Следовательно, SiC является подходящим в качестве анодного материала. Альтернативой является, например, SiN. Фокальная дорожка каждого сегмента покрывается, например, посредством вольфрама или материала Rhenanium, чтобы формировать рентгеновские лучи при соударении электронов из первичного электронного луча, и переносит собственный потенциал высокого напряжения. Разрезы и насыпной материал размещаются для изоляции. Некоторые сегменты формируют фотоны высокой энергии и подключаются к положительному электроду генератора высокого напряжения через опору анода. Другие сегменты также соединяются друг с другом ("печатная схема"). Их потенциал плавает и находится ближе к потенциалу катода. Потенциал предоставляется посредством самозарядки в первичном электронном луче и управляемом проводнике для положительного электрода, например, с использованием термоэлектронного эмиттера, который нагревается посредством электронного луча, который временно отклоняется к нему во время сегментного перехода.
Согласно первому аспекту изобретения предусмотрен вращающийся анод для рентгеновской трубки, при этом анод содержит первый модуль, выполненный с возможностью соударения посредством первого электронного луча, по меньшей мере, второй модуль, выполненный с возможностью соударения, по меньшей мере, посредством второго электронного луча, причем первый модуль и, по меньшей мере, второй модуль электрически изолированы друг от друга.
Согласно изобретению анод электрически разделяется на различные части, которые имеют различный электрический потенциал, чтобы формировать рентгеновские излучения с различными энергиями. Вследствие изобретаемой компоновки можно предоставлять рентгеновские излучения с различными энергиями без переключения анода между различными электрическими потенциалами. Эта возможность приводит к такому эффекту, что предоставляется очень быстрое изменение различных рентгеновских излучений. Следовательно, можно формировать в течение определенного периода времени больше изображений, что повышает возможности диагностирования исследуемого пациента.
Согласно изобретению формирующие рентгеновские лучи верхние уровни анодных сегментов состоят из материалов A и B или их смесей. Материалы имеют различные атомные числа Z и формируют различные характеристические рентгеновские спектры при соударении заряженных частиц (т.е. электронов).
Согласно второму аспекту изобретения предусмотрен главный катод, при этом главный катод выполнен с возможностью взаимодействовать с анодом по одному из пп.1-6, при этом главный катод выполнен с возможностью формировать первый электронный луч и второй электронный луч, при этом главный катод содержит средство для отклонения первого электронного луча для формирования второго электронного луча.
Главный катод изобретаемой рентгеновской трубки имеет средство для отклонения электронного луча, исходящего из главного катода. Это предоставляет возможность направлять луч к различным частям анода. Следовательно, разделенные различные части анода могут ударяться, чтобы испускать различные рентгеновские излучения.
Согласно третьему аспекту изобретения предусмотрен вспомогательный катод, при этом вспомогательный катод выполнен с возможностью взаимодействовать с анодом по одному из пп.1-6, при этом вспомогательный катод выполнен с возможностью влиять на второй электрический потенциал, при этом вспомогательный катод выполнен с возможностью нагрева посредством второго электронного луча, при этом вспомогательный катод выполнен с возможностью взаимодействовать с главным катодом по п.7, причем второй электронный луч формируется посредством главного катода посредством отклонения первого электронного луча.
Идея изобретения содержит вспомогательный катод, который наносится на теплопроводящее кольцо, нагреваемое посредством частично отклоненного первичного луча, который испускается посредством главного катода (Величина отклонения управляет температурой и излучением вспомогательного катода).
Согласно четвертому аспекту изобретения предусмотрена рентгенографическая система, при этом система содержит анод по одному из пп.1-6, главный катод для формирования электронного луча, при этом главный катод выполнен с возможностью формировать первый электрический потенциал, вспомогательный катод для влияния на второй электрический потенциал, при этом главный катод выполнен с возможностью отклонять электронный луч, чтобы нагревать вспомогательный катод.
Согласно пятому аспекту изобретения предусмотрено устройство для определения электрического потенциала посредством обнаружения точки соударения электронного луча на аноде по одному из пп.1-6 и/или посредством обнаружения рентгеновского спектра излучения, исходящего из анода по одному из пп.1-6, причем электронный луч формируется посредством катода, при этом электронный луч ударяет первый модуль анода в точке соударения, при этом электронный луч может отклоняться, причем отклоненный электронный луч ударяет второй модуль анода в точке соударения, при этом первый модуль и/или второй модуль испускают излучение.
При переходе от одного сегмента к следующему фокальное пятно временно отклоняется азимутально (электрическое поле между сегментами). Величина отклонения является мерой электрического поля и, следовательно, потенциала сегментов малой энергии. Эта информация может использоваться для управления излучением вспомогательного катода и посредством этого для того, чтобы управлять его электрическим потенциалом. Другой возможностью для измерения является спектр первичных рентгеновских лучей, которые испускаются из сегментов малой энергии (соотношение интенсивности рентгеновского излучения при большей фильтрации и меньшей фильтрации).
Требуемый ток является разностью между первичным электронным током, током утечки через изолятор анода и автоэмиссией из горячей дорожки фокального пятна. Излучение должно регулироваться согласно обратной связи с замкнутым контуром сигнала напряжения. Сигнал напряжения может извлекаться из отклонения фокального пятна во время прохождения от сегментов высокой энергии к сегментам малой энергии или из рентгеновского спектра при малой энергии.
Согласно шестому аспекту изобретения, предусмотрено устройство для регулирования нагрева вспомогательного катода по п.8, при этом устройство выполнено с возможностью управлять нагревом вспомогательного катода.
Согласно седьмому аспекту изобретения предусмотрено устройство для переключения электрических потенциалов, при этом устройство выполнено с возможностью соединять или изолировать первый электрический потенциал и второй электрический потенциал рентгенографической системы по одному из пп.9-11. Для работы в режиме с одним энергетическим уровнем (многоцелевая трубка) плавающие сегменты могут замыкаться накоротко на положительный электрод посредством управляемого переключателя (например, с использованием нагретого биметалла или магнитного управления).
Согласно восьмому аспекту изобретения предусмотрено устройство для отклонения электронного луча рентгенографической системы по одному из пп.9-11, при этом устройство выполнено с возможностью направлять электронный луч на первый модуль анода по одному из пп.1-6.
Дополнительные варианты осуществления включены в зависимые пункты формулы изобретения.
Согласно примерному варианту осуществления предусмотрен анод, в котором первый модуль является первой частью кругового кольца анода, в котором, по меньшей мере, второй модуль является, по меньшей мере, второй частью кругового кольца анода.
Согласно другому примерному варианту осуществления предусмотрен анод, в котором первый модуль является первым круговым кольцом и, по меньшей мере, второй модуль является, по меньшей мере, вторым круговым кольцом, причем первое круговое кольцо и, по меньшей мере, второе круговое кольцо разделяются, по меньшей мере, посредством дополнительного кругового кольца, при этом дополнительное круговое кольцо является непроводящим.
Согласно дополнительному примерному варианту осуществления предусмотрен анод, при этом анод выполнен таким образом, что первый модуль имеет первый электрический потенциал и, по меньшей мере, второй модуль имеет, по меньшей мере, второй электрический потенциал, причем первый электрический потенциал и, по меньшей мере, второй электрический потенциал отличаются.
Согласно другому примерному варианту осуществления предусмотрен анод, в котором первый модуль имеет первую поверхность для соударения посредством первого электронного луча, по меньшей мере, второй модуль имеет, по меньшей мере, вторую поверхность для соударения посредством второго электронного луча, причем первая поверхность меньше, по меньшей мере, второй поверхности.
h
l
h
Имеется намного больший поток фотонов из сегментов S высокой энергии, чем из сегментов S малой энергии. Следовательно, изоляционные зазоры вырезаются за счет ширины S, чтобы иметь одинаковое полное количество энергии, исходящей из сегментов высокой энергии рентгеновского излучения и сегментов малой энергии рентгеновского излучения.
Согласно примерному варианту осуществления предусмотрен анод, в котором первый модуль имеет первый электрический потенциал, в котором, по меньшей мере, второй модуль имеет, по меньшей мере, второй электрический потенциал, причем абсолютное значение первого электрического потенциала превышает абсолютное значение, по меньшей мере, второго электрического потенциала.
l
Согласно дополнительному примерному варианту осуществления предусмотрена рентгенографическая система, в которой главный катод выполнен с возможностью отклонять электронный луч в течение перехода зазора электронного луча, причем зазор размещается между первым модулем и, по меньшей мере, вторым модулем анода. В течение перехода зазора первичный электронный луч отклоняется и нагревает вспомогательный катод. Величина отклонения и нагрев управляют током излучения при данном напряжении и предоставляют управление потенциалом сегментов S малой энергии.
Согласно другому примерному варианту осуществления предусмотрена рентгенографическая система, в которой первый модуль подключается к потенциалу, подаваемому посредством внешнего источника, в которой, по меньшей мере, второй модуль подключается к вспомогательному катоду. Другой вариант осуществления использует дополнительные источники напряжения извне трубки, по меньшей мере, для второго модуля и дополнительную изоляцию. Это предоставляет больше возможностей формировать рентгеновские лучи с различными спектрами излучений.
Следует отметить, что вышеуказанные признаки также могут комбинироваться. Комбинация вышеуказанных признаков также может приводить к синергетическим эффектам, даже если не описывается подробно в явном виде.
Эти и другие аспекты настоящего изобретения должны становиться очевидными и должны истолковываться со ссылкой на описанные далее варианты осуществления.
Краткое описание чертежей
Примерные варианты осуществления настоящего изобретения подробно описываются ниже со ссылками на прилагаемые чертежи.
Фиг.1 показывает рентгенографическую систему с рентгеновской трубкой.
Фиг.2 показывает рентгеновскую трубку.
Фиг.3 показывает анод.
Фиг.4 схематично иллюстрирует часть анода.
Фиг.5 схематично иллюстрирует рентгеновскую трубку.
Фиг.6 схематично иллюстрирует часть анода.
Фиг.7 показывает рентгеновскую трубку как эквивалентную принципиальную схему.
Фиг.8 показывает характеристики излучения вспомогательного катода.
Фиг.9 схематично показывает анод.
Фиг.10 показывает вариант осуществления с двумя генераторами.
Фиг.11 показывает вариант осуществления концентрических дорожек фокальных пятен.
Фиг.12 показывает вариант осуществления дорожек фокальных пятен.
Фиг.13 схематично показывает анод.
Фиг.14 схематично иллюстрирует рентгеновскую трубку.
Фиг.15 показывает рентгеновскую трубку.
Подробное описание вариантов осуществления
Фиг.1 иллюстрирует рентгеновскую трубку 103, содержащую анод, который поворачивается вокруг исследуемых пациентов 101 и формирует веерный пучок рентгеновских лучей 104. Напротив него и на помосте вращается детекторная система 102, которая преобразует ослабленные рентгеновские лучи в электрические сигналы. Компьютерная система реконструирует изображение внутренней морфологии пациента.
Фиг.2 показывает рентгеновскую трубку, содержащую анод 201, который должен ударяться посредством электронного луча, формирующего рентгеновские лучи.
Фиг.3 схематично показывает анод для рентгеновской трубки, при этом анод содержит фокальные дорожки 303, 305. Эти фокальные дорожки 303, 305 электрически разделяются посредством изоляционных разрезов 302. Анод вращается вокруг своего центра 304. Дополнительно, проиллюстрировано фокальное пятно 301, показанное, например, в сегменте высокой энергии.
Фиг.4 показывает принципиальную схему части анода, при этом анод проиллюстрирован выпрямленным. Показаны части 401 анода с малой энергией и части 402 анода с высокой энергией. Эти различные части 401, 402 электрически разделяются посредством зазоров 403. Имеется намного больший поток из сегментов 402 высокой энергии, чем из сегментов 401 малой энергии. Чтобы компенсировать эту разность, сегменты 401 крупнее сегментов 402. Как правило, изоляционные зазоры 403, следовательно, вырезаются за счет ширины сегментов 402. Проиллюстрирована энергия рентгеновского излучения/поток фотонов, причем предусмотрена малая энергия рентгеновского излучения в течение длительного периода времени 404, высокая энергия рентгеновского излучения в течение небольшого периода времени 405 и отсутствие энергии рентгеновского излучения во время перехода электронного луча 407 зазора 406.
Фиг.5 показывает схематично рентгеновскую трубку согласно изобретению, содержащую вспомогательный катод 501, который испускает вспомогательное электронное излучение 505. Главный катод 503 испускает первичный электронный луч 504, причем этот первичный электронный луч может отклоняться 502. Вспомогательный катод 501 ударяется посредством отклоненного первичного электронного луча 502. Как правило, вспомогательный катод 501 покрывается теплопроводящим кольцом, например CfC, причем вспомогательный катод 501 нагревается посредством частично отклоненного первичного луча, при этом величина отклонения управляет температурой и излучением. Показаны контакты с сегментами 506 малой энергии и контакты с сегментами 507 высокой энергии, опорой 508, осью 509 опоры и каркасом 510 трубки.
Фиг.6 показывает выпрямленные анодные сегменты, причем предусмотрены большие сегменты 603, которые имеют небольшую энергию рентгеновского излучения/поток фотонов, и меньшие сегменты 605, которые имеют высокую энергию рентгеновского излучения/поток фотонов. Показаны разные уровни энергии рентгеновского излучения вдоль выпрямленных анодных сегментов, причем большие сегменты имеют меньшую энергию рентгеновского излучения 606, чем меньшие сегменты 607, чтобы выравнивать полную энергию, испускаемую посредством различных сегментов. Между этими областями 606, 607 имеется нулевой энергетический уровень 608 перехода зазора. Дополнительно, проиллюстрирована дорожка электронного луча 601 и передняя сторона 604 сегмента. Представлены также диаграммы спектров 608, 609 с пиками 602, причем спектр 609 принадлежит сегменту 603 малой энергии рентгеновского излучения, а спектр 610 принадлежит сегменту 605 высокой энергии рентгеновского излучения.
Фиг.7 показывает равную принципиальную схему рентгеновской трубки согласно изобретению. Проиллюстрирован главный катод 701, при этом его электронный луч 709 может отклоняться 710 к одной части анода 703. Главный электронный луч 709 направляется на другую часть анода 702. Дополнительно, различные части анода 702, 703 имеют различные значения электрического потенциала, при этом электрический потенциал 707 части анода 703 может подключаться к электрическому потенциалу 708 другой части анода посредством управляемого (магнитного или теплового) переключателя 704. Проиллюстрирована система вспомогательного электронного излучения как управляемый резистор 705. Дополнительно, проиллюстрирован температурно-зависимый ток утечки изолятора анода и температурно-зависимая автоэмиссия из фокального пятна с помощью символа источника 706 тока.
Фиг.8 показывает систему вспомогательного электронного излучения, проиллюстрированную как управляемый резистор, причем проиллюстрирован высокий уровень 803 напряжения, требуемый уровень 802 напряжения и низкий уровень 801 напряжения для тока вдоль возрастающей температуры.
Фиг.9 показывает анод согласно идее изобретения, при этом анод делится на сегменты 901 высокой энергии и сегменты 902 малой энергии, которые размещаются вдоль внешнего кругового кольца анода. Различные сегменты 901, 902 имеют различные электрические потенциалы, и, следовательно, они должны быть электрически разделены посредством изоляционных элементов. Различные сегменты 901, 902 разделяются посредством изоляционных областей 903. Показана фокальная дорожка (горячая) электронного луча 905, который ударяется на различных сегментах 901, 902. Дополнительно, проиллюстрирован теплопоглотитель 904, который типично является опорой со спиральными пазами и линиями прохождения поля 906 нагрева.
Фиг.10 показывает рентгеновскую трубку, содержащую катод 1001 для формирования первичного электронного луча 1002. Дополнительно, проиллюстрированы контакты с фокальными дорожками сегментов 1003 малой энергии и контакты с фокальными дорожками сегментов 1004 высокой энергии. Кроме того, показана ось 1008 первой опоры, первая опора 1009, которая предоставляет токовый контакт, вторая опора 1005 и ось 1006 второй опоры. Дополнительно, проиллюстрирован стационарный изолятор 1010 для разделения двух частей оси и вращающийся изолятор 1011, который является, например, диском анода. Дополнительно, проиллюстрирован каркас 1007 трубки.
Фиг.11 показывает рентгеновскую трубку, содержащую катод 1101 и средство для радиального отклонения 1102. Это средство для радиального отклонения 1102 предоставляет возможность отклонять электронный луч 1103 таким образом, что вместо нагрева первого модуля анода 1116 нагревается второй модуль анода 1115. Также проиллюстрирован контакт с дорожкой 1105 формирования малой энергии рентгеновского излучения, контакт с дорожкой 1106 формирования высокой энергии рентгеновского излучения, ось 1114 первой опоры, первая опора 1113 для токового контакта, вторая опора 1107 и ось 1108 второй опоры. Дополнительно, проиллюстрирован стационарный изолятор 1112, разделяющий две части оси, вращающийся изолятор 1110, который является, например, диском анода, и изоляционный зазор 1111, при этом зазор является узким путем тока внизу в области охлаждения. Рентгеновская энергия луча переключается посредством быстрого радиального отклонения электронного луча. Луч ударяет либо дорожку с низким потенциалом, либо дорожку с высоким потенциалом. Дополнительно, проиллюстрирован каркас 1109 трубки.
Фиг.12 показывает анод согласно изобретению, в котором проиллюстрировано несколько круговых колец, при этом внешнее круговое кольцо 1207 должно ударяться посредством первого электронного луча вдоль первой дорожки 1206, причем первая дорожка является дорожкой формирования высокой энергии рентгеновского излучения. Электронный луч может отклоняться, например, вдоль линии 1203, чтобы ударять внутреннее круговое кольцо 1208, причем внутреннее круговое кольцо 1208 должно ударяться вдоль круга 1205, который является дорожкой формирования малой энергии рентгеновского излучения. Дополнительно, показан теплопоглотитель 1204, например опора со спиральными пазами. Внешнее круговое кольцо 1207 и внутреннее круговое кольцо 1208 разделяются посредством изоляционного кругового кольца 1201 (изоляционного зазора). Дополнительно, проиллюстрирована дорожка 1203 отклонения вперед и назад и фокальное пятно 1202.
Фиг.13 показывает анод согласно изобретению, в котором проиллюстрирован теплопоглотитель 1303, части анода 1301, а также изоляционные зазоры 1302.
Фиг.14 показывает рентгеновскую трубку согласно идее изобретения, в которой проиллюстрирован анод 1401.
Фиг.15 показывает рентгеновскую трубку согласно идее изобретения, в которой проиллюстрированы вращающийся изолятор, заземленный конец 1502 и стационарный изолятор 1503 (положительный конец).
Преимуществом идеи изобретения является тот факт, что нет необходимости во внешнем переключении высокого напряжения. Следовательно, идея изобретения предоставляет возможность относительно коротких импульсов и переходных периодов. Дополнительно, имеются четко определенные уровни энергии рентгеновского излучения и несколько возможных энергетических уровней.
Согласно изобретению возможна, например, скорость анодной дорожки 100 м/с (180 Гц, 200 мм), длина дорожки (длительность импульса) при малой энергии: 20 мм (200 мкс). Как правило, предусмотрены части сегмента с электрическими потенциалами в 60 кВ, 40 кВ. Изоляционный зазор может быть в диапазоне от 4 мм до 6 мм, длина дорожки/длительность импульса может быть в диапазоне от 8 мм до 12 мм (80 мкс/120 мкс). Время перехода может быть в диапазоне от 40 мкс до 60 мкс.
Следует отметить, что термин "содержащий" не исключает других элементов или этапов, а "a" или "an" не исключает множества. Кроме того, элементы, описанные в связи с различными вариантами осуществления, могут быть комбинированы.
Следует отметить, что номера ссылок в формуле изобретения не должны рассматриваться как ограничивающие объем формулы изобретения.
Список ссылок с номерами
101 - пациент,
102 - детекторная система,
103 - трубка,
104 - веерный пучок рентгеновских лучей,
201 - анод,
301 - фокальное пятно,
302 - изоляционный разрез,
303 - фокальная дорожка,
304 - центр,
305 - фокальная дорожка,
401 - часть анода,
402 - часть,
403 - зазор,
404 - период времени,
405 - период времени,
406 - зазор,
407 - электронный луч,
501 - вспомогательный катод,
502 - электронный луч,
503 - главный катод,
504 - электронный луч,
505 - вспомогательное электронное излучение,
506 - сегмент,
507 - сегмент,
508 - опора,
509 - ось опоры,
510 - каркас трубки,
601 - дорожка электронного луча,
602 - пики спектра,
603 - сегмент,
604 - часть сегмента,
605 - сегмент,
606 - энергетический уровень,
607 - энергетический уровень,
608 - энергетический уровень,
609 - спектр,
610 - спектр,
701 - главный катод,
702 - анод,
703 - часть анода,
704 - переключатель,
705 - управляемый резистор,
706 - источник тока
707 - электрический потенциал,
708 - электрический потенциал,
709 - электронный луч,
710 - электронный луч,
801 - низкий уровень напряжения,
802 - требуемый уровень напряжения,
803 - высокий уровень напряжения,
901 - сегмент,
902 - сегмент,
903 - изоляционная область,
904 - теплопоглотитель,
905 - электронный луч,
906 - линии прохождения поля,
1001 - катод,
1002 - электронный луч,
1003 - сегмент,
1004 - сегмент,
1005 - опора,
1006 - ось опоры,
1007 - каркас трубки,
1008 - ось опоры,
1009 - опора,
1010 - изолятор,
1011 - изолятор,
1101 - катод,
1102 - средство для отклонения,
1103 - электронный луч,
1104 - электронный луч,
1105 - контакт,
1106 - контакт,
1107 - опора,
1108 - ось опоры,
1109 - каркас трубки,
1110 - изолятор,
1111 - зазор,
1112 - изолятор,
1113 - опора,
1114 - ось опоры,
1115 - анод,
1201 - круговое кольцо,
1202 - фокальное пятно,
1203 - дорожка фокального пятна,
1204 - теплопоглотитель,
1205 - круг,
1206 - дорожка,
1207 - круговое кольцо,
1208 - круговое кольцо,
1301 - анод,
1302 - зазор,
1303 - теплопоглотитель,
1401 - анод,
1501 - изолятор,
1502 - заземленный конец,
1503 - изолятор.