CN102129948B - 多x射线发生器以及多x射线摄影设备 - Google Patents

多x射线发生器以及多x射线摄影设备 Download PDF

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Abstract

一种多X射线发生器以及多X射线摄影设备，用于使用X射线源的医疗设备或工业设备领域中的非破坏性X射线摄影、诊断等。从多电子束产生单元(12)中的电子发射元件(15)发射的电子束(e)受到透镜电极(19)的透镜作用。所得到的电子束(e)由阳极(20)的部分的透过型靶部(13)加速到最终电位。由透过型靶部(13)产生的多X射线束(x)通过真空室中的X射线遮蔽板(23)和X射线引出部(24)，并且从壁部(25)的X射线引出窗口(27)被引出到大气中。紧凑的设备能够形成具有良好控制性的多X射线束。

Description

多X射线发生器以及多X射线摄影设备
本申请是申请日为2007年03月02日、申请号为200780007029.0、发明名称为“多X射线发生器以及多X射线摄影设备”的申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及用于使用X射线源的医疗设备和工业设备领域中的非破坏性X射线摄影、诊断等的多X射线发生器(multiX-ray generator)。
背景技术
传统上，X射线管使用热电子源作为电子源，并且通过经由韦内电极(Wehnelt electrode)、引出电极、加速电极以及透镜电极加速从加热到高温的细丝(filament)发射的热电子来获得高能电子束。在使电子束成形为所需的形状后，X射线管通过用电子束照射由金属制成的X射线靶部产生X射线。
近年来，冷阴极电子源已被发展为取代该热电子源的电子源，并且作为平板显示(FPD)应用而被广泛研究。作为典型的冷阴极，Spindt型电子源是已知的，其通过在几十nm的针的尖端施加高电场而引出电子。还可获得以碳纳米管(CNT)为材料的电子发射器以及通过在玻璃基板表面上形成纳米级(nanometer-order)微细结构而发射电子的表面传导型电子源。
作为这些电子源的应用，专利文献1和2提出通过用Spindt型电子源或者碳纳米管型电子源形成单个电子束而引出X射线的技术。专利文献3和非专利文献1公开了通过使用来自利用多个这些冷阴极电子源的多电子源的电子束照射X射线靶部而产生X射线的技术。
专利文献1：日本特开平9-180894号公报
专利文献2：日本特开2004-329784号公报
专利文献3：日本特开平8-264139号公报
非专利文献1：Applied Physics Letters 86，184104(2005)，J.Zhang“Stationary Scanning X-ray source basedon carbon nanotube field emitters”(“基于碳纳米管场发射器的固定扫描X射线源”)
发明内容
本发明要解决的问题
图14是示出使用多电子束的传统X射线产生方案的配置的图。在真空室1中，包括多电子发射元件的多个电子源产生电子束e，电子束e撞击靶部2以产生X射线。所产生的X射线被直接引出到大气中。然而，从靶部2产生的X射线在真空中在各个方向上发散。因为这个原因，难以通过利用从设置在大气侧的X射线遮蔽板3的X射线引出窗口4输出的X射线形成独立的X射线束x，因为从邻近的X射线源发射的X射线透过相同的X射线引出窗口4。
另外，如图15所示，当通过在真空室1的壁部5的大气侧设置一个X射线遮蔽板6来将X射线从X射线引出窗口4引出到大气侧时，发散的X射线x1的不撞击被检体P的许多泄漏X射线x2被输出。此外，因为使用包括与传统的单个X射线源不同的多电子发射元件的多个电子源，难以形成具有一致的强度的多X射线束。
本发明的目的在于提供能够解决上述问题并且形成具有极少分散X射线以及极好的一致性的多X射线束的紧凑多X射线发生器，以及提供使用该发生器的X射线摄影设备。
解决问题的方法
为了达到上述目的，根据本发明的多X射线发生器的技术特征在于，其包括多个电子发射元件、用于加速从多个电子发射元件发射的电子束的加速部件以及用电子束照射的靶部，其中，对应于电子束设置靶部，靶部包括X射线屏蔽部件，并且从靶部产生的X射线作为多X射线束被引出到大气中。
本发明的效果
根据本发明的多X射线发生器，使用多个电子发射元件的X射线源能够形成发散角受控的、具有极少散乱和泄漏X射线的多X射线束。使用多X射线束能够实现具有极好的射线束一致性的紧凑X射线摄影设备。
从以下结合附图所作的说明中，本发明的其他特征和优点将变得明显。
附图说明
结合在说明书部分中并构成说明书一部分的附图图解了本发明的实施例，并且附图与说明一起用来解释本发明的原理。
图1是示出根据第一实施例的多X射线源主体的配置的图；
图2是元件基板的平面图；
图3是示出Spindt型元件的配置的图；
图4是示出碳纳米管型元件的配置的图；
图5是示出表面传导型元件的配置的图；
图6是示出多电子发射元件的电压-电流特性的图；
图7是示出具有X射线遮蔽板的多透过型靶部的配置的图；
图8是示出透过型靶部的配置的图；
图9是示出具有X射线遮蔽板的多透过型靶部的配置的图；
图10是示出具有X射线/反射电子束遮蔽板的透过型靶部的配置的图；
图11是示出设置有锥状X射线引出部的X射线遮蔽板的配置的图；
图12是根据第二实施例的包括反射型靶部的多X射线源主体的透视图；
图13是示出根据第三实施例的多X射线摄影设备的配置的图；
图14是示出传统的多X射线源的配置的图；
图15是示出传统的多X射线源的图。
具体实施方式
将基于图1至图13所示的实施例详细说明本发明。
[第一实施例]
图1是示出多X射线源主体10的配置的图。在真空室11中配置电子束产生单元12和阳极20。电子束产生单元12包括元件基板14和元件阵列16，该元件阵列16具有多个排列在元件基板上的电子发射元件15。驱动信号单元17控制电子发射元件15的驱动。设置固定到绝缘构件18的透镜电极19以控制从电子发射元件15发射的电子束e。高电压经由高电压导入部21和22被施加到电极19和20上。
发射出的电子束e撞击的透过型靶部13离散地形成在阳极20上以面对电子束e。透过型靶部13还设置有重金属制成的X射线遮蔽板23。该真空室中的X射线遮蔽板23具有X射线引出部24。真空室11的壁部25在X射线引出部的前方位置处设置有X射线引出窗口27，该X射线引出窗口27具有X射线透过膜26。
从电子发射元件15发射的电子束e受到透镜电极19的透镜作用，并且由阳极20的部分透过型靶部1被加速到最终电位。由透过型靶部13产生的X射线束x通过X射线引出部24并且经由X射线引出窗口27被引出到大气中。对应于来自多个电子发射元件15的多个电子束e产生多个X射线束x。从X射线引出部24引出的多个X射线束x形成多X射线束。
如图2所示，电子发射元件15被二维地排列在元件阵列16上。随着在纳米技术中的最新进步，可以通过器件工艺(deviceprocess)在预定位置形成nm尺寸的微细结构。通过这种纳米技术来制造电子发射元件15。经由驱动信号单元17通过驱动信号S1和S2(后述)单独地控制电子发射元件15的电子发射量。也就是，通过利用驱动信号S1和S2作为矩阵信号分别控制元件阵列16上的电子发射元件15的电子发射量，从而可以分别开/关控制x射线束。
图3是示出Spindt型电子发射元件15的配置的图。在由硅制成的元件基板31上设置绝缘构件32和引出电极33。通过使用器件制造工艺，在电极中央的μm尺寸的槽中形成圆锥状发射器34，每个发射器34均由金属或者半导体材料制成并且具有几十nm的尖端直径。
图4是示出碳纳米管(carbon nanotube)型电子发射元件15的配置的图。关于用于发射器35的材料，使用包括具有几十nm的微细结构的碳纳米管。发射器35形成在引出电极36的中央。
当几十到几百V的电压被施加到Spindt型元件和碳纳米管型元件的引出电极33和36上时，高电场施加到发射器34和35的尖端，从而通过场发射现象(field emission phenomenon)发射电子束e。
图5是示出表面传导型电子发射元件15的配置的图。包括纳米粒子的微细结构形成为位于薄膜电极37中的间隙中的发射器38，该薄膜电极37形成在玻璃元件基板31上。当在这种表面传导型元件的电极之间施加十几V的电压时，高电场施加到由电极之间的微粒子形成的微间隙。这产生传导电子。同时，在真空中发射电子束e，并且可以用相对低的电压控制电子发射。
图6示出Spindt型元件、碳纳米管型元件和表面传导型元件的电压-电流特性。为了获得恒定的发射电流，将通过用修正电压ΔV修正平均驱动电压Vo而获得的电压作为驱动电压施加到电子发射元件15上。这能够修正电子发射元件15的发射电流的差异(variation)。
作为用于产生多X射线束的电子源，除了上面的电子发射元件外，还可以使用MIM(金属绝缘体金属)型元件和MIS(金属绝缘体半导体)型元件。另外，可以使用诸如半导体PN结型电子源和肖特基结型电子源等冷阴极型电子源。
使用这种冷阴极型电子发射元件作为电子源的X射线发生器通过在室温将低电压施加到电子发射元件来发射电子而不需加热阴极。因此，这种发生器不需要用于X射线产生的等待时间。另外，由于不需要用于加热阴极的电力，即使使用多X射线源也能制造低电力消耗的X射线源。由于通过使用驱动电压的高速驱动操作能够开/关控制这些电子发射元件的电流，因此可以制造多阵列(multiarray)型X射线源，该X射线源选择待驱动的电子发射元件并且执行高速响应操作。
图7至图11是用于说明形成X射线束x的方法的图。图7示出多透过型靶部13的实例。与电子发射元件15对应的透过型靶部13并排布置在真空室11中。为了形成多X射线束x，有必要从真空室11中分别地引出通过利用一个电子束e照射透过型靶部13产生的X射线和通过邻近的电子束e产生的X射线束x，而不混合它们。
因为这个原因，真空室中的X射线遮蔽板23和多透过型靶部13被结合成一体结构。设置在X射线遮蔽板23中的X射线引出部24被布置在与电子束e对应的位置，以从透过型靶部13引出X射线束x，其中，每个X射线束x具有必要的发散角(divergenceangle)。
由于由金属薄膜形成的透过型靶部13通常具有低散热性，因此难以施加大电力。然而，本实施例中的透过型靶部13除了用电子束e照射时引出X射线束x的区域以外的区域，由厚X射线遮蔽板23覆盖，并且透过型靶部13和X射线遮蔽板23彼此机械和热接触。因为这个原因，X射线遮蔽板23具有通过热传导散发由透过型靶部13产生的热量的功能。
这使得能够形成多个透过型靶部13的阵列，该透过型靶部13可被施加比施加到传统的透过型靶部的电力大的多的电力。另外，使用厚X射线遮蔽板23能够提高表面精度因此能够制造具有一致的X射线发射特性的多X射线源。
如图8所示，透过型靶部13包括X射线产生层131和X射线产生支持层132，并且透过型靶部13具有高X射线产生效率的卓越功能。X射线遮蔽板23设置在X射线产生支持层132上。
X射线产生层131由膜厚度大约为几十nm到几um的重金属制成，以在X射线束x透过透过型靶部13时降低对X射线的吸收。X射线产生支持层132使用由轻元素制成的基板来支持X射线产生层131的薄膜层，并且通过提高由电子束e的施加加热的X射线产生层131的冷却效率来降低由对X射线束x的吸收引起的强度衰减。
通常认为，对于传统的X射线产生支持层132，金属铍作为基板材料是有效的。然而，在本实施例中，使用厚度为大约0.1mm至几mm的Al、AlN或SiC膜或者它们的组合。这是因为这种材料具有高的热传导性和卓越的X射线透过特性，有效地吸收X射线束x中的在低能量区域并且对X射线透过图像的品质的贡献为50％以下的X射线束，并且这种材料具有改变X射线束x的线质的过滤功能。
参照图7，X射线束x的发散角由布置在真空室11中的X射线引出部24的开口条件确定。在某些情况下，需要根据摄影条件调节X射线束x的发散角。参照图9，为了满足这种要求，这种设备包括两个遮蔽部件。也就是，除了真空室中的X射线遮蔽板23外，还在真空室11外部设置X射线遮蔽板41。由于可以容易地更换(replace)设置在大气中的X射线遮蔽板41，因此可以根据用于被检体的照射条件任意地选择用于X射线束x的发散角。
为了通过在真空室11中设置X射线遮蔽板23和在真空室11外部设置X射线遮蔽板41来防止来自邻近X射线源的X射线束泄漏到外部，需要下列条件。也就是，需要将X射线遮蔽板23和41以及X射线引出部24设置成保持d＞2D·tan α的关系，其中d是X射线束x之间的距离，D是透过型靶部13和X射线遮蔽板41之间的距离，而α是从X射线遮蔽板23射出的X射线束x的辐射角。
当高能电子束e撞击透过型靶部13时，不仅反射电子而且X射线在反射方向上分散。这些X射线和电子束被认为是从X射线源泄漏X射线和高电压的微小放电的原因。
图10示出解决这种问题的对策。具有电子束入射孔42的X射线/反射电子束遮蔽板43设置在透过型靶部13的电子发射元件15侧。从电子发射元件15发射的电子束e通过X射线/反射电子束遮蔽板43的电子束入射孔42并且撞击透过型靶部13。利用这种结构，X射线/反射电子束遮蔽板43能够阻挡从透过型靶部13的表面在电子源侧产生的X射线、反射电子以及二次电子。
当将通过用高能电子束e照射透过型靶部13形成X射线束x时，X射线束x的密度不受电子发射元件15的组装密度(packingdensity)的限制。X射线束x的密度由X射线遮蔽板23和41确定，该X射线遮蔽板23和41用于从由透过型靶部13产生的多X射线源引出分开的X射线束x。
表1示出了重金属(Ta、W和Pb)对能量为50kev、62kev和82kev的X射线束的遮蔽效果，假定当用100kev电子束e照射透过型靶部13时产生X射线束x的能量。
表1遮蔽材料厚度
(单位：cm，衰减率：1/100)
  遮蔽材料   82kev   62kev   50kev
  Ta   0.86   1.79   0.99
  W   0.72   1.48   0.83
  Pb   1.98   1.00   0.051
作为从透过型靶部13产生的X射线束x之间的遮蔽标准，1/100的衰减率是不影响X射线图像的适当值。显然，对于要获得这种衰减率的遮蔽板，需要厚度大约为5mm至10mm的重金属板。
当将这种方案应用到使用大约100kev的电子束e的多X射线源主体上时，设置图11所示的X射线/反射电子束遮蔽板43和X射线遮蔽板23的厚度D1和D2为5mm至10mm是合适的。另外，使真空中的X射线遮蔽板23的X射线引出部24形成为锥形窗口可以提高遮蔽效率。
[第二实施例]
图12是示出第二实施例的配置的图，其是包括反射型靶部13′的多X射线源主体11′的结构。该结构包括在真空室10’中的电子束产生单元12′和阳极20′，该阳极20′包括反射型靶部13’和X射线/反射电子束遮蔽板43’，该X射线/反射电子束遮蔽板43’包括电子束入射孔42’和X射线引出部24’。
在电子束产生单元12’中，从电子发射元件15发射的电子束e通过透镜电极并且被加速到高能量。被加速的电子束e通过X射线/反射电子束遮蔽板43’的电子束入射孔42’，并且被施加到反射型靶部13’上。由反射型靶部13’产生的X射线被从X射线/反射电子束遮蔽板43’的X射线引出部24’作为X射线x引出。多个X射线束x形成多X射线束。X射线/反射电子束遮蔽板43’能够大幅地抑制引起高电压放电的反射电子的散乱。
在图9所示的配置中，利用真空室11中的X射线遮蔽板23和真空室11外部的X射线遮蔽板41调节X射线束x的辐射角，在图12所示的配置中，可以利用真空室11外部的X射线遮蔽板41调节X射线束x的辐射角。
第二实施例已经示例了将本发明应用到具有平面结构的反射型靶部13’的应用。然而，本发明还可以应用到电子束产生单元12’、阳极20’和反射型靶部13’被设置成圆弧状的多X射线源主体中。例如，将反射型靶部13’设置成以被检体为中心的圆弧状，并且设置X射线遮蔽板23和41，能够极大地降低图15中所示的现有技术中的泄漏X射线x2的区域。应当注意，这种配置还能以相同的方式应用到透过型靶部13上。
如上所述，第二实施例能够从通过利用电子束e照射反射型靶部13’产生的X射线中以非常少的X射线散乱或者X射线泄漏引出具有高S/N比的独立的X射线束x。因此，使用这种X射线束x能够以高对比度和高图像品质进行X射线摄影。
[第三实施例]
图13是示出多X射线摄影设备的配置的图。这种摄影设备具有包括透过型X射线检测器51的多X射线强度测量单元52，该检测器51被安置在图1所示的多X射线源主体10的前方。这种设备还具有经由被检体(未示出)安置的X射线检测器53。多X射线强度测量单元52和X射线检测器53分别经由X射线检测信号处理单元54和55连接到控制单元56。另外，控制单元56的输出经由电子发射元件驱动电路57连接到驱动信号单元17上。控制单元56的输出经由高电压控制单元58和59分别连接到透镜电极19和阳极20的高电压导入部21和22。
与第一实施例中相同，多X射线源主体10通过利用从电子束产生单元12引出的多个电子束e照射透过型靶部13来产生多个X射线束x。多个所产生的X射线束x经由设置在壁部25中的X射线引出窗口27被作为多X射线束为朝向大气中的多X射线强度测量单元52引出。多X射线束(多个X射线束x)在透过多X射线强度测量单元52的透过型X射线检测器51之后撞击在被检体上。X射线检测器53检测透过被检体的多X射线束，从而获得被检体的X射线透过图像。
在排列在元件阵列16上的电子发射元件15中，电子发射元件15之间发生电流-电压特征的微小变化。发射电流的变化引起多X射线束强度分布的变化，导致在X射线摄影时对比度的不一致性。因此，有必要使电子发射元件15中的发射电流一致。
多X射线强度测量单元52的透过型X射线检测器51是使用半导体的检测器。透过型X射线检测器51吸收部分多X射线束并将它们转换成电信号。然后转换控制电路54将获得的电信号转换成数字数据。控制单元56将数字数据存储为多个X射线束x的强度数据。
控制单元56存储用于电子发射元件15的修正数据，该修正数据对应于图6中的电子发射元件15的电压-电流特性，并且控制单元56通过比较修正数据与多X射线束的检测强度数据来确定用于电子发射元件15的修正电压的设定值。用于驱动信号S1和S2的驱动电压通过使用这些修正电压修正，该驱动信号S1和S2通过由电子发射元件驱动电路57控制的驱动信号单元17获得。这样可以一致化电子发射元件15中的发射电流和一致化多X射线束中的X射线束x的强度。
使用透过型X射线检测器51的X射线强度修正方法可以与被检体无关地检测X射线强度，因此能够在X射线摄影期间实时修正X射线束x的强度。
不同于上述修正方法，还可以通过利用用于摄影的X射线检测器53来修正多X射线束的强度。X射线检测器53使用例如CCD固体摄影器件或者使用非晶硅法摄影器件等二维型X射线检测器，并且能够测量各X射线束的强度分布。
为了利用X射线检测器53修正X射线束x的强度，通过驱动单个电子发射元件15来引出电子束e同时利用X射线检测器53检测产生的X射线束x的强度就够了。在这种情况下，在使用于多X射线束的各X射线束的产生信号与来自用于摄影的X射线检测器53的检测信号同步时，通过执行测量可以有效地测量多X射线束的强度分布。这种检测信号由X射线检测信号处理单元55转换成数字信号。然后该数字信号被存储在控制单元56中。
对于所有电子发射元件15都执行这种操作。然后，得到的数据作为所有多X射线束的强度分布被存储在控制单元56中。同时，利用多X射线束强度分布的部分或者积分值确定用于电子发射元件15的驱动电压的修正值。
在对被检体X射线摄影时，多电子发射元件驱动电路57根据用于驱动电压的修正值驱动电子发射元件15。作为定期设备校正执行这一系列操作能够一致化X射线束x的强度。
以上说明已经举例说明了单独驱动电子发射元件15以测量X射线强度的情况。然而，可以通过使用X射线束x同时照射X射线检测器53上的多个部分来加速测量，其中，所施加的X射线束x在X射线检测器53上的上述多个部分不重叠。
另外，这个修正方法具有每个X射线束x的强度分布的数据，因此可以被用来修正X射线束x中的不一致性。
本实施例的使用多X射线源主体10的X射线摄影设备通过以上述方式配置X射线束x能够实施具有被检体尺寸的平面X射线源，因此，通过将多X射线源主体10靠近X射线检测器53安置能够减小设备尺寸。另外，如上所述，对于X射线束x，通过设计用于电子发射元件驱动电路57的驱动条件和待驱动的元件区域可以任意地选择X射线照射强度和照射区域。
另外，多X射线摄影设备能够通过改变图9所示的设置在真空室11外部的X射线遮蔽板41来选择X射线束x的辐射角。因此，根据例如多X射线源主体10和被检体之间的距离以及分辨率等摄影条件可以获得最佳X射线束x。
本发明不限于上述实施例，并且在本发明的精神和范围内可以进行各种变化和修改。因此，为告知公众本发明的范围撰写了所附的权利要求。
本申请要求2006年3月3日递交的申请号为2006-057846的日本专利申请以及2007年3月1日递交的申请号为2007-050942的日本专利申请的优先权，该两份申请的全部内容引用于此。

Claims (10)

1.一种X射线发生器，其特征在于，其包括：
电子发射元件；
加速部件，其用于加速从所述电子发射元件发射的电子束；以及
透过型靶部，其具有至少两个表面，其中，所述两个表面中的第一表面面朝所述电子发射元件并且被所述电子束照射，并且所述两个表面中的第二表面与所述第一表面相反，从所述第二表面引出X射线，
其中，所述透过型靶部包括：所述第二表面上的第一X射线遮蔽部件，其具有用于限定引出X射线的部分的开口；和所述第一表面上的第二遮蔽部件，其具有电子束入射孔，所述电子束入射孔用于供朝所述部分前进的电子束穿过，并且抑制散乱X射线和所述电子发射元件所在的一侧所产生的反射电子束，以及
从所述透过型靶部产生的X射线作为X射线束被引出到大气中，
所述透过型靶部包括X射线产生层和X射线产生支持层，所述X射线产生层包括重金属并且所述X射线产生支持层包括具有良好X射线透过特性的轻元素。
2.根据权利要求1所述的X射线发生器，其特征在于，基于X射线束的照射条件对包括冷阴极电子源的所述电子发射元件进行电压控制，以允许对形成多个X射线束的各X射线束进行开/关控制。
3.根据权利要求1所述的X射线发生器，其特征在于，所述X射线发生器还包括用于限定X射线束的发散角的第三X射线遮蔽部件，该第三X射线遮蔽部件被构造成在大气中可更换。
4.根据权利要求3所述的X射线发生器，其特征在于，第一X射线遮蔽部件具有散失所述透过型靶部中产生的热量的功能。
5.根据权利要求1所述的X射线发生器，其特征在于，所述X射线产生支持层使用包括Al、AlN和SiC之一或者它们的组合的基板。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的X射线发生器，其特征在于，配置多个所述电子发射元件、多个入射孔和多个开口以产生多个X射线束，所述多个X射线束之间的距离d具有d>2D·tanα的关系，其中，D是从所述透过型靶部到用于将所述多个X射线束引出到大气中的引出部的距离，α是X射线束从所述第一X射线遮蔽部件的辐射角。
7.根据权利要求6所述的X射线发生器，其特征在于，基于修正数据由用于多个所述电子发射元件的驱动电压来控制所述多个X射线束的强度。
8.根据权利要求7所述的X射线发生器，其特征在于，通过利用与所述多个X射线束对应的透过型多X射线强度测量单元的测量来获得所述修正数据。
9.根据权利要求7所述的X射线发生器，其特征在于，通过用于所述多个X射线束中的每个的产生信号和来自用于摄影的X射线检测器的检测信号同步时的测量来获得所述修正数据。
10.一种X射线摄影设备，其特征在于，其包括权利要求1至9中任一项所限定的X射线发生器，通过用由所述X射线发生器产生的X射线束照射被检体而获得X射线束的X射线透过图像。
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