恒定放电电流泄放器的制作方法

1.本发明涉及x射线管、x射线成像系统以及x射线管控制方法。


背景技术：

2.旋转阳极x射线源是用于生成例如在医学x射线仪器(例如，计算机断层摄影(ct)扫描器和c型臂成像系统)中有用的x射线束的标准设备。在旋转阳极x射线源中，阴极和阳极被布置为在真空包封腔室中以一定距离彼此面对，使得在阴极与阳极之间产生合适的电势差时，在阴极与阳极之间发生热电子发射。电子从阴极发出，通过电场加速并到达阳极。当电子与阳极高速碰撞时，能量以热和x射线辐射的形式耗散。实际上，超过99％的能量会以热量耗散，这就使得需要使用旋转阳极来减小在高功率应用中对阳极的热损伤。从阳极发射的能量中的一小部分会作为x射线辐射而射向x射线源的x射线窗口，以供临床使用。
3.发送不同光谱的x射线允许利用光谱材料分解来对感兴趣对象进行成像。例如，与软组织相比，骨骼根据能量具有较高的差分衰减，这允许具有将在不同x射线能量处获取的两幅图像分解成解剖结构的组织选择性表示(即，“仅软组织”图像和“仅骨骼”图像)的能力。事实证明，这种技术可以产生更好的诊断并节省有毒的对比染料。如果进行双能量扫描，则管电压在每圈旋转期间会在低值(例如，70kv)与高值(例如，140kv)之间迅速切换。因此，必须对发电机和电缆中的平滑电容进行快速充电和放电。然而，由于高管电压与低管电压之间具有明显的管斜升和斜降，因此可能无法使用独立的滤波和管电流调制。
4.us 2010/002829 a1与用于ct锥束扫描的装置有关，该装置包括多个辐射锥束源，这多个辐射锥束源在平行于旋转轴线的方向上间隔开。


技术实现要素：

5.需要具有改进的旋转阳极x射线源。
6.本发明的目的通过独立权利要求的主题得以解决，其中，在从属权利要求中包括了进一步的实施例。
7.为此目的，本发明的第一方面提供了一种用于生成x射线束的x射线管，所述x射线管包括：主阴极、辅助阴极、可旋转阳极以及电子电流控制设备。所述主阴极被布置和配置为发射第一电子，所述第一电子建立主电子电流的流动，所述第一电子被聚焦在所述可旋转阳极上的第一区上以用于生成所述x射线束。所述辅助阴极被布置和配置为发射第二电子，所述第二电子建立辅助电子电流的流动，所述第二电子被定向到所述可旋转阳极上的与所述第一区不同的第二区以用于生成x射线。所生成的x射线被配置为被定向到与所述x射线束的方向不同的方向，使得所述x射线不进入所述x射线束。所述电子电流控制设备被配置为响应于所述主电子电流的变化而调节所述辅助电子电流，使得所述主电子电流与所述辅助电子电流的总和保持恒定。
8.因此，除了旋转阳极x射线管的主阴极以外，在旋转阳极x射线管中还提供了辅助阴极。辅助x射线源虽然会不可避免地创建x射线，但是它只是个束流收集器。它的辐射不会
进入所使用的射束。当这两个阴极串联连接时，这两个阴极可以共享相同的加热电流，或者当这两个阴极并联连接时，这两个阴极可以共享相同的加热电压。这可以减少馈通孔(feed-throughs)的数量。来自辅助阴极的电子被聚焦到阳极上的区中，来自该区的x射线无法进入所使用的由主阴极生成的x射线束。例如，阳极可以被整形为：提供第一倾斜表面以用于将由主阴极生成的x射线定向到一个方向，并且提供第二倾斜表面以用于将由辅助阴极生成的x射线定向到另一不同方向。发射电流控制设备(例如，被布置在辅助阴极与阳极之间的发射控制网格)和/或被配置为供应主阴极和/或辅助阴极的至少一个加热供应部用于控制辅助阴极的电子发射。例如，可以对发射控制网格充电，使得来自这两个阴极的电子发射的总和在操作期间保持恒定，而不管主阴极进行了怎样的电子发射。在另一示例中，至少一个加热供应部可以被配置为向主阴极和辅助阴极供应不同的加热功率，使得在ct扫描或其他多能量x射线暴露期间主电子电流与辅助电子电流的总和保持恒定。因此，即使为了剂量调制或在主电子电流的瞬变期间主x射线输出发生了变化，针对双电能扫描的高电压的斜降的斜率和持续时间也仍会保持恒定。因此，可以使用x射线管来应用独立的滤波和管电流调制。将在下文中解释这方面，特别是关于图3和图4中的示例性实施例来解释这方面。
9.根据本发明的实施例，所述电子电流控制设备包括被布置在所述辅助阴极与所述阳极之间的发射控制网格。所述发射控制网格被配置为控制所述辅助阴极与所述阳极之间的所述辅助电子电流的所述流动。
10.发射控制网格(也被称为控制网格)是用于控制电子从阴极电极到阳极电极的流动的电极。它可以包括光栅结构，或者仅仅由隔离的电极组成，这些隔离的电极可以关于电子发射器正充电或通常负充电。经加热的发射器发射带负电荷的电子，这些带负电荷的电子被由电源供应正电压的阳极吸引和捕获。阴极与阳极之间的控制网格充当“栅极”以控制到达阳极的电子电流。网格上的较小的负电压或正电压将允许更多的电子通过，从而增大阳极电流。给定的网格电压变化引起板电流的比例变化，因此，如果将随时间变化的电压施加到网格，则板电流波形将反映所施加的网格电压。发射控制网格上的电压的相对较小的变化可以引起阳极电流的显著变化。由于可以在几微秒的时间尺度上对发射控制网格进行充电和放电，因此发射控制网格可以允许对主电子电流的变化产生快速响应。将在下文中解释这方面，特别是关于图3中的示例性实施例来解释这方面。
11.根据本发明的实施例，所述发射控制网格具有网格控制电压，所述网格控制电压被配置为充分减小所述辅助电子电流，使得生成具有最大x射线强度的所述x射线束。
12.换句话说，网格控制电压可以允许在该管必须产生所使用的x射线强度的最大值的情况下完全或至少在很大程度上使辅助电子电流为空白。由于辅助阴极不需要产生来自辅助电子束的精细焦斑，因此辅助阴极的灯丝可以又长又窄。以这种方式，可以最大程度地减小截止网格电压。
13.根据本发明的实施例，所述电子电流控制设备包括至少一个加热供应部，所述至少一个加热供应部被配置为向所述主阴极和所述辅助阴极供应不同的加热功率，使得所述主电子电流与所述辅助电子电流的所述总和保持恒定。
14.在热阴极中，可以通过用灯丝加热阴极表面来诱发阴极表面发射电子，这种灯丝是像钨这样的有电流流过的耐火材料的细丝。这种细丝的直径可以为100μm，最高为300μm，
优选为250μm。这种细丝可以替代地包括优选由钨构成的扁平金属片，其厚度在50μm至500μm之间，优选为200mm。将阴极内部的发射器加热到足够高的温度，从而引起电子从发射器表面弹出到管中的撤离空间，这一过程被称为热电子发射，当能够忽略空间电荷效应时，它基本上遵循richardson-dushman定律。当管电压很低(例如对于用于计算机断层摄影的管来说低于80kv)和/或网格电压为负(通常为几百伏)时，空间电荷会变得很重要。所述至少一个加热供应部可以包括具有可变频率和可控电压幅度的交流(ac)加热电路。另外，所述至少一个加热供应部可以包括与所述主阴极相关联的主加热供应部以及与所述辅助阴极相关联的辅助加热供应部。将在下文中解释这方面，特别是关于图4中的示例性实施例来解释这方面。
15.根据本发明的实施例，所述至少一个加热供应部包括交流加热电路，即，ac加热电路，所述ac加热电路具有可变频率和可控电压幅度。所述ac加热电路被配置为使用电感器和电容器中的至少一项向所述主阴极和所述辅助阴极供应不同的加热功率。
16.当使用配备有电感器和/或电容器并施加了可变频率的ac加热电路时，在管中发生了主阴极与辅助阴极之间的总管电流的合适分布。
17.根据本发明的实施例，所述至少一个加热供应部包括与所述主阴极相关联的主加热供应部以及与所述辅助阴极相关联的辅助加热供应部。所述辅助加热供应部被配置为响应于所述主电子电流的变化而改变所述辅助阴极的加热电流以调节所述辅助电子电流，使得在利用双x射线能量进行的x射线暴露期间所述主电子电流与所述辅助电子电流的总和保持恒定。
18.换句话说，主阴极的温度变化将改变所使用的x射线束的强度。可以操控辅助阴极的温度，使得来自这两个阴极的电子电流的总和保持恒定，即使主阴极的发射情况发生变化以及在主电子电流的瞬变期间也是如此。因此，即使管的x射线输出因为剂量调制而发生变化，针对双能量扫描的管电压的高电压斜降的斜率也会保持恒定。
19.根据本发明的实施例，所述主阴极与所述辅助阴极串联连接或并联连接。
20.根据本发明的实施例，当与所述主阴极串联连接时，所述辅助阴极被配置为在与所述主阴极所要求的加热功率相比较低的加热功率下产生足够高的辅助电子电流，以使得在所述主阴极仅承载接近于零的最小主电子电流的情况下所述主电子电流与所述辅助电子电流的所述总和保持恒定。
21.生成电子发射的是被提供给辅助阴极的功率。“较低的加热功率”意味着，为了获得给定的辅助电子发射电流而向辅助阴极供应的加热功率小于为了获得相同的电子电流而需要向主发射器供应的加热功率。这应当特别适用于在最小电子电流设置(低发射器温度)下被供应给辅助电子发射器的功率。对于这些设置，发射器(发射主电流的主阴极以及辅助阴极)的温度接近于当主阴极仅生成小(例如接近于零的)电子发射时的温度。这在实践中意味着，与主阴极的电子发射器的电子发射表面积相比，辅助阴极的电子发射器的电子发射表面积应当较大。在这种情况下，即使两个发射器具有相同加热电流(当这两个阴极串联连接并承载相同的加热电流)，辅助阴极也会比主阴极发射更多的电子。换句话说，辅助阴极的“低加热功率”足以生成“足够高”的电子电流。
22.换句话说，当与主阴极串联连接时，辅助阴极可以足够强大，使得即使在低加热电流下(例如，当利用主阴极进行剂量调制时)也可以产生高电子电流以(在主阴极仅承载接
近于零的最小电流的情况下)递送(例如在最小的绝对网格电压下的)完全的管电流。为此，辅助发射器可以相对较大。这是可能的，因为所得到的x射线焦斑也可以很大。
23.根据本发明的实施例，所述辅助阴极被配置为在所述加热电流变化时具有针对所述辅助电子电流的升高和/或降低的转换速率，所述辅助阴极的转换速率被配置为等于或高于所述主阴极的转换速率。
24.另一种选择可以是使用以下辅助电子发射器，所述辅助电子发射器与主发射器相比在加热和冷却期间具有更短的时间常数。这相当于更高的转换速率，即，电子发射的升高和降低更加陡峭。可以通过使用较低的质量来实现这一点。与主发射器相比，辅助发射器可以由相当薄的金属板制成。在这种配置中，辅助发射器的冷却速度更快，因为它具有更低的热容量，而这两个发射器在热辐射表面积和反照率方面大致相同。另一种选择是将具有较大的热传导的较厚的电线连接器用于辅助发射器。在这种配置中，冷却时间也较短。能够通过增强加热电流来控制针对加热的转换速率。冷却是发射器配置的热机械特性。在冷却时间期间的加热电流为零；冷却可以以“被动”方式发生。
25.随着管电压的变化，主管的加热曲线可以与辅助阴极的加热曲线不同。在加热电流突然变化时，至少针对降低的电流，辅助阴极的发射电流的转换速率可以高于主阴极的发射电流的转换速率。这可以通过借助于较厚的发射器支撑架通过从电线到周围的阴极结构的更高的热传导来实现。即使在低发射电流下，转换速率也可以更高。这将允许能够足够快地控制辅助电子束。通常，由于热辐射占电子发射器的总热量耗散的很大一部分，因此被定义为每个时间的管电流的变化速率的相对转换速率随温度升高，并且因此随发射电流升高，如下面所讨论的。因此，当以高电流操作时，主发射器倾向于示出快的转换速率。辅助发射器可以被构建为使得其时间响应足够快，即使在中等温度和低发射辅助电流下也是如此。
26.根据本发明的实施例，所述辅助阴极被配置为具有：比从所述主阴极的电线到周围环境的热传导更高的从所述辅助阴极的电线到周围环境的热传导。额外地或替代地，所述辅助阴极被配置为具有：比从所述主阴极的电线到周围环境的热辐射更高的从所述辅助阴极的电线到周围环境的热辐射。
27.在由传导带中的电子主导的金属中，热传导是传导性热传递。耗散的功率量与热成员与冷成员之间的温度差成比例。例如，辅助阴极可以被布置在较厚的发射器支撑架上，使得辅助阴极的冷却速度比主阴极快得多。
28.即使没有直接的连接材料，热辐射或热量辐射也可以通过电磁(热)辐射而是活跃的。它的功率与辐射体的绝对温度的四次幂减去环境温度的四次幂的结果成比例。例如，辅助阴极可以具有较薄的发射丝，使得它的冷却速度比主阴极快得多。
29.根据本发明的实施例，所述x射线管包括被布置在所述主阴极与所述阳极之间的另外的发射控制网格。所述另外的发射控制网格被配置为控制所述第一电子的形状以调节所述可旋转阳极上的所述第一区上的焦斑。
30.在具有多个网格(网格供应单元的多个输出)的情况下，可以利用第二(数字或模拟)输出来切换主阴极。还可以预见到第二模拟输出，该第二模拟输出可以控制从主阴极进行的电子发射。然而，必须确保在这种模拟电流控制期间阳极上的焦斑永远不会过热。然后，必须以使这两种电流的总和保持恒定的方式来控制从辅助阴极进行的发射。
31.根据本发明的实施例，被布置在所述主阴极与所述阳极之间的所述另外的发射控制网格被配置为聚焦电极或一组聚焦电极，以在管电压变化时使所述焦斑的尺寸保持恒定。
32.换句话说，主阴极可以包括发射控制网格，所述发射控制网格可以被配置为聚焦电极或一组聚焦电极(例如，一对聚焦电极，作为当前控制网格而对其功能进行补充)，以在所述管电压变化时使所述焦斑的尺寸保持恒定。这可以用于避免x射线系统的图像伪影或差的光谱性能。将相应地调整控制焦斑的尺寸的网格控制电压。另外，辅助阴极可以配备有相似的发射控制网格。将与不断变化的主控制电压同步地调整辅助控制网格的网格控制电压，以使总管电流保持恒定，即使在主电子电流将随着不断变化的管电压、不断变化的用于聚焦的网格控制电压以及不断变化的主阴极的加热电流发生变化的情况下也是如此。也可以以与使总电流保持恒定的方式不同的方式控制主电流与辅助电流的总和。
33.在示例中，所述主阴极包括场发射阴极、光子阴极和间接加热阴极中的至少一项。
34.根据本发明的实施例，所述辅助阴极包括场发射阴极。
35.场发射阴极可以特别良好地用作辅助阴极。与热电子钨发射器相比，场发射阴极的最大允许的宏观发射电流密度通常较小。但是，由于辅助电子束的焦斑可以很大，因此这种缺损的相关性很小。发射表面可以很大。场发射结构的益处之一是它们发射的电子电流对网格电压变化的响应快速。因此，它们可以需要网格来控制发射权。主阴极和辅助阴极这两者或只有其中的一项可以是场发射阴极。
36.根据本发明的第二方面，提供了一种x射线成像系统，所述x射线成像系统包括：上文和下文描述的x射线管，以及被布置为与所述x射线管相对的x射线探测器。所述x射线管被配置为生成朝向感兴趣对象的x射线束。所述x射线探测器被配置为探测穿过所述感兴趣对象的衰减的x射线。
37.因此，针对双能量扫描的管电压的斜降保持恒定，即使在为了剂量调制而使管的x射线输出发生变化时也是如此。将在下文中解释这方面，特别是关于图5所示的示例性实施例来解释这方面。
38.根据本发明的第三方面，提供了一种x射线管控制方法，所述x射线管控制方法包括：
39.通过上文和下文描述的x射线管的主阴极发射第一电子，所述第一电子建立主电子电流的流动，所述第一电子被聚焦在所述x射线管的可旋转阳极上的第一区上以用于生成x射线束；
40.通过所述x射线管的辅助阴极发射第二电子，所述第二电子建立辅助电子电流的流动，所述第二电子被定向到所述可旋转阳极上的与所述第一区不同的第二区以用于生成x射线，其中，所生成的x射线被配置为被定向到与所述x射线束的方向不同的方向，使得所述x射线不进入所述x射线束；并且
41.通过所述x射线管的电子电流控制设备响应于所述主电子电流的变化而调节所述辅助电子电流，使得在ct扫描或其他多能量x射线暴露期间所述主电子电流与所述辅助电子电流的总和保持恒定。
42.将在下文中解释这方面，特别是关于图6所示的示例性实施例来解释这方面。
43.在示例中，所述主阴极与所述辅助阴极可以串联连接或平行连接。
44.在示例中，所述电子电流控制设备可以包括被布置在所述辅助阴极与所述阳极之间的发射控制网格。所述发射控制网格可以被配置为控制所述辅助阴极与所述阳极之间的所述辅助电子电流的所述流动。
45.在示例中，所述发射控制网格可以具有网格控制电压，所述网格控制电压被配置为(例如通过切断所述加热电流和/或将所述控制电极操控到更大的负偏置)充分减小所述辅助电子电流，使得生成具有最大x射线强度的所述x射线束。
46.在示例中，当与所述主阴极串联连接时，所述辅助阴极被配置为在低加热功率下产生足够高的辅助电子电流，以使得在所述主阴极仅承载接近于零的最小主电子电流的情况下所述主电子电流与所述辅助电子电流的所述总和保持恒定。
47.在示例中，所述电子电流控制设备可以包括至少一个加热供应部，所述至少一个加热供应部被配置为向所述主阴极和所述辅助阴极供应不同的加热功率，使得所述主电子电流与所述辅助电子电流的所述总和保持恒定。
48.在示例中，所述至少一个加热供应部可以包括具有可变频率的交流(ac)加热电路。所述ac加热电路被配置为使用电感器和电容器中的至少一项向所述主阴极和所述辅助阴极供应不同的加热功率。
49.在示例中，所述至少一个加热供应部包括与所述主阴极相关联的主加热供应部以及与所述辅助阴极相关联的辅助加热供应部。所述辅助加热供应部被配置为响应于所述主电子电流的变化而改变所述辅助阴极的加热电流以调节所述辅助电子电流，使得所述主电子电流与所述辅助电子电流的总和保持恒定。
50.在示例中，所述辅助阴极可以在所述加热电流变化时具有针对所述辅助电子电流的升高和/或降低的转换速率，所述辅助阴极的转换速率被配置为等于或高于所述主阴极的转换速率。
51.在示例中，所述辅助阴极可以被配置为具有：比从所述主阴极的电线到周围环境的热传导更高的从所述辅助阴极的电线到周围环境的热传导。额外地或替代地，所述辅助阴极可以被配置为具有：比从所述主阴极的电线到周围环境的热辐射更高的从所述辅助阴极的电线到周围环境的热辐射。
52.在示例中，所述x射线管可以包括被布置在所述主阴极与所述阳极之间的另外的发射控制网格。所述另外的发射控制网格被配置为控制所述第一电子的形状以调节所述可旋转阳极上的所述第一区上的x射线焦斑。
53.在示例中，所述主阴极可以包括场发射阴极、光子阴极和间接加热阴极中的至少一项。
54.在示例中，所述辅助阴极可以包括场发射阴极。
55.根据本发明的另一方面，提供了一种计算机程序单元，所述计算机程序单元在由至少一个处理单元运行时适于使所述处理单元执行上文和下文描述的方法。
56.根据本发明的另外的方面，提供了一种计算机可读介质，所述计算机可读介质包括所述计算机程序单元。
57.在本文中使用的术语“x射线管”意指能够发生从旋转阳极进行的x射线发射的真空包封腔室。通常，x射线管包括旋转阳极以及被布置为朝向旋转阳极发射电子的阴极。旋转阳极被支撑在被附接到转子元件的可旋转阳极成员上，该转子元件可以是可旋转阳极成
员驱动器的部分。
58.在本文中使用的术语“阴极”也可以被称为热电子发射器或被简称为电子发射器，它是x射线管的部分并且用于将电子从电路中排出并将电子聚焦在阳极的焦斑上的射束中。它是用于生成x射线束的受控电子来源。电子是通过加热灯丝(即，由例如钨制成的电线线圈，该电线线圈被放置在杯形结构中，该杯形结构是高度抛光的镍聚焦杯，它提供射束在阳极上的静电聚焦)而产生的。为了将电子从该系统中排出，需要给予电子足够的动能。由加热供应部生成的热量用于从阴极中排出电子。该过程被称为热电子发射。利用通过灯丝的电流来加热灯丝，然后电子从阴极排出。
59.在文本中使用的术语“主阴极”(也被称为主发射器)是指被配置为发射电子的阴极，该电子被聚焦在阳极上的区上以用于生成x射线束。然后可以将x射线束准直并发送到感兴趣对象。
60.在文本中使用的术语“辅助阴极”(也被称为辅助发射器)是指被配置为发射电子的阴极，该电子被聚焦在阳极上的另一区以用于生成未被使用的(即，未被应用于感兴趣对象的)x射线。
61.在文本中使用的术语“电子电流控制设备”是指能够响应于主电子电流的变化而调节辅助电子电流的设备。在示例中，电子电流控制设备可以包括被布置在辅助阴极与阳极之间的发射控制网格，所述发射控制网格充当控制到达阳极的电流电子的“门”。在另一示例中，电子电流控制设备可以是一个或多个加热设备，这一个或多个加热设备被配置为不同地加热主阴极和辅助阴极。电子电流控制设备可以是计算机实施的设备或固件处理控制设备，该设备被配置为：在双能量扫描期间接收主电子电流的值，并且使用主电子电流作为反馈以计算例如在发射控制网格上的负电压的值和/或辅助阴极的加热电流的值，从而调节辅助电子电流，进而使得在ct剂量调制期间从这两个阴极进行的电子发射的总和始终保持恒定，而与主阴极的发射无关。
62.在文本中使用的术语“恒定”也可以被理解为“充分恒定”。换句话说，术语“恒定”是指所指示的状态在完全或几乎完全的范围或程度上恒定。确切的可允许的偏离绝对完全程度的偏离程度可以取决于控制的准确度。例如，确切的可允许的偏离恒定状态的偏离程度可以取决于控制网格电压或加热电流的准确度。
63.术语“x射线成像系统”可以指例如在医学放射摄影、机场安全扫描器、工业(例如，工业放射摄影和工业ct扫描)或研究(例如，小动物ct)中使用的x射线成像系统。
64.术语“感兴趣对象”可以包括例如人体、动物、制造成分等。
65.参考下文描述的实施例，本发明的这些方面和其他方面将变得明显并且得到阐明。
附图说明
66.参考在以下描述中通过举例的方式描述的实施例并参考附图，本发明的这些方面和其他方面将变得明显并且得到阐明，在附图中：
67.图1图示了常规的旋转阳极x射线管组件的示意性中央切割视图。
68.图2图示了在常规的x射线管从140kv降低到80kv的放电期间高管电压与低管电压之间的管斜降。
69.图3示出了根据本公开内容的一些实施例的旋转阳极x射线管12的示意性中央切割视图。
70.图4示出了根据本公开内容的一些另外的实施例的旋转阳极x射线管12的示意性中央切割视图。
71.图5示出了根据本公开内容的一些实施例的x射线系统。
72.图6示出了根据本公开内容的一些实施例的x射线管控制方法的流程图。
73.应当注意，这些附图纯粹是示意性的且并不是按比例绘制的。在附图中，与已经描述的元件相对应的元件可以具有相同的附图标记。示例、实施例或任选特征(无论是否被指示为非限制性)都不应被理解为限制请求保护的发明。
具体实施方式
74.在ct或c型臂x射线系统中，旋转阳极x射线管旋转绕被配置为容纳感兴趣对象的感兴趣区域旋转。旋转阳极x射线管生成x射线束。与旋转阳极x射线管相对，在ct扫描器或c型臂组件的机架转子组件上支撑有将衰减的x射线转换成电信号的探测器子系统。
75.图1图示了常规的旋转阳极x射线管组件的示意性中央切割视图。壳体10为x射线源组件提供安装点，并且通常支撑绝缘油14，绝缘油14用于通过在操作中将热量从旋转阳极x射线管传导走而提供更有效的热管理。旋转阳极x射线管12被布置在壳体10内部。旋转阳极x射线管12通常由玻璃形成并且包封真空环境16。
76.定子18a将被安装到壳体并且通常完全包含x射线管12。定子在图1中被指代为部分18a和18b，但是这些部分是同一整体圆形定子的分段视图。在图1中，以横截面示出了单个圆形定子18a。阳极支撑轴杆20支撑转子主体22、轴承系统24和可旋转阳极盘26。转子主体22、轴承系统24和阳极盘26全部都被布置为能绕在旋转x射线管12内部的阳极支撑轴杆20(与中心轴线28对齐)旋转。转子主体22通常是由铜制成的。定子18a和转子主体22被布置为面向关系，使得当将驱动电流施加到定子18a时，磁场会在转子主体22中感应出电流。转子主体22中的电流循环本身与定子磁场相反，从而引起转子在轴承系统上施加旋转力，进而旋转阳极盘26。通常，阳极盘26每秒旋转50至200圈。
77.轴承系统24通常包括螺旋凹槽轴承(流体动力学轴承)，所述螺旋凹槽轴承具有推力轴承部分和径向轴承部分。这样可以确保x射线管的旋转部件的相对较低的维护和耐温支撑。轴承系统通常用液体金属润滑剂润滑，以实现在阳极盘与x射线管包封腔室的外部之间的电连接。
78.在管针对转子的相对端处提供阴极30，并且阴极30包括电极32，所述电极32被配置为当用相对于旋转阳极的电压的高负电压加电时发射横穿阴极与阳极盘26之间的间隙的电子。阴极30通常包括电线灯丝或扁平发射器，所述电线灯丝或扁平发射器在被加热时发射电子。发射器的温度由机器的管电流控件控制。随着管电流的增大，灯丝的温度升高并且灯丝会产生更多电子。可用电子数量和为电子从灯丝中释放所设置的时间段决定了从阳极产生的x射线量。在给定管电压的情况下，管电流与时间的乘积可以控制所产生的x射线光子的总数。电子在阴极30内部的电子发射器与阳极盘26上的焦斑34之间加速。当所发射的电子与阳极盘碰撞时，所发射的电子的能量基本上转化为热量，该热量必须从阳极盘26耗散，部分通过轴承系统并且部分通过热辐射而进入绝缘油14。不到1％的电子能量转换成
从x射线管外部的阳极盘26上的焦斑34发射的x射线。然后可以将从焦斑34发射的x射线准直并应用于感兴趣对象。
79.图1中描绘的旋转阳极x射线管12可以发送不同光谱的x射线，从而允许利用光谱材料分解对感兴趣对象进行成像。事实证明，该技术可以产生更好的诊断并节省有毒对比剂。在ct扫描期间，可以在低值(例如，70kv)与高值(例如，140kv)之间快速切换管电压。因此，必须对发电机和电缆中的平滑电容进行快速充电和放电。然而，由于高管电压与低管电压之间具有明显的斜升和斜降，因此管电流调制会变得很困难，因为斜降的斜率可以取决于(调制的)管电流。所应用的x射线光谱的这种不确定性会损害在图像重建期间的材料分解。作为示例，图2图示了在常规的x射线管从140kv降低到80kv的放电期间高管电压与低管电压之间的管斜降。这种放电模式将取决于管电流，因此取决于发射器温度。
80.图3示出了根据本公开内容的一些实施例的旋转阳极x射线管12的示意性中央切割视图。旋转阳极x射线管12包括主阴极30a、辅助阴极30b、可旋转阳极26以及电子电流控制设备40。换句话说，除了主阴极30a以外，还提供了辅助阴极30b。
81.主阴极30a被布置和配置为发射第一电子，所述第一电子建立主电子电流42a的流动。主阴极30a的示例可以包括但不限于场发射阴极、光子阴极和间接加热阴极。第一电子被聚焦在可旋转阳极上的第一区34a上以用于生成x射线束44。通常，不到1％的电子能量转换成从x射线管外部的可旋转阳极26上的焦斑34a发射的x射线。然后可以将从焦斑34a发射的x射线束44准直并应用于感兴趣对象。x射线束44也可以被称为使用的x射线。
82.辅助阴极30b被布置和配置为发射第二电子，所述第二电子建立辅助电子电流42b的流动。辅助阴极30b的示例可以包括但不限于场发射阴极、光子阴极和间接加热阴极。优选地，辅助阴极30b可以是场发射阴极。第二电子被定向到可旋转阳极26上的与第一区34a不同的第二区34b以用于生成x射线46。所生成的x射线也可以被称为不使用的x射线。不需要对由辅助阴极30b创建的在可旋转阳极26上的焦斑进行良好定义，因为并不使用所生成的x射线。因此，第二区34b可以被配置为足够大以承载高电流。所生成的x射线46被配置为被定向到与x射线束44的方向不同的方向，使得x射线46不进入x射线束44。例如，如图3所示，第一区34a和第二区34b都可以相对于中心轴线28倾斜，但是面部或前部指向两个不同方向(例如，两个相反方向)。
83.电子电流控制设备40被配置为响应于主电子电流42a的变化而调节辅助电子电流42b，使得在对对象的多能量ct扫描或其他多能量x射线暴露期间主电子电流与辅助电子电流的总和保持恒定。
84.在示例中，如图3所示，电子电流控制设备40可以包括被布置在辅助阴极30b与阳极26之间的发射控制网格40a。发射控制网格40a被配置为控制在辅助阴极30b与阳极26之间的辅助电子电流42b的流动。例如，可以通过改变主热电子发射器的温度来改变由主阴极30a发射的电子的强度。可以对发射控制网格40a进行充电，使得从这两个阴极30a、30b进行的电子发射的总和保持恒定，而不管主阴极30a生成了怎样的电子发射。通常，当主阴极30a包括热离子发射器时，可以在100ms左右的时间范围内对发射控制网格进行充电和放电。这使得能够通过改变主发射器的温度来对主电子电流的变化做出适当的快速响应。在图1中图示的示例性旋转阳极x射线管中，放置了辅助阴极30b，并且辅助阴极30b充满了主阴极30a的负电势。换句话说，主发射器30a和辅助发射器30b可以串联连接。因此，灯丝或扁平的
钨发射器共享相同的加热电流。
85.任选地，当与主阴极30a串联连接时，辅助阴极30b可以被配置为在与主阴极所要求的加热功率相比较低的加热功率下产生足够高的辅助电子电流，以使得在主阴极仅承载接近于零的最小主电子电流的情况下主电子电流与辅助电子电流的总和保持恒定。换句话说，当与主阴极30a串联连接时，可以要求辅助阴极30b足够强大。即使在低加热电流下(例如，当利用主阴极进行剂量调制时)，辅助阴极30b也会需要产生高电子电流以(在主阴极30a仅承载接近于零的最小电流的情况下)递送(例如在最小的绝对网格电压下的)完全的管电流。
86.任选地，辅助阴极30b在加热电流变化时可以具有针对辅助电子电流的升高和/或降低的转换速率，辅助阴极的转换速率被配置为等于或高于主阴极的转换速率。转换速率是指每单位时间的发射电流的变化。在加热电流突然变化时，至少针对降低的电流，辅助阴极的发射电流的转换速率可以高于主阴极的发射电流的转换速率。即使在低发射电流下，转换速率也可以较高。较高的转换速率允许将对辅助电子电流42b的调整与主电子电流42a的变化同步，使得在加热电流的变化期间主电子电流与辅助电子电流的总和保持恒定。为了实现更高的转换速率，辅助阴极可以被配置为具有：比从主阴极的电线到周围环境的热传导更高的从辅助阴极的电线到周围环境的热传导。例如，辅助阴极可以被布置在较厚的发射器支撑架上，使得辅助阴极的冷却速度比主阴极快得多。替代地或额外地，辅助阴极可以被配置为具有：比从主阴极的电线到周围环境的热辐射更高的从辅助阴极的电线到周围环境的热辐射。例如，辅助阴极可以具有较薄的发射器电线，因此它的冷却速度比主阴极快得多。
87.作为串联连接的替代方案，主阴极30a与辅助阴极30b可以并行连接(未示出)，从而共享相同的加热电压。
88.串联连接和并联连接都可以减少馈通孔的数量。
89.任选地，发射控制网格40a具有网格控制电压，该网格控制电压被配置为充分降低辅助电子电流42b，使得产生具有最大x射线强度的x射线束44。换句话说，网格控制电压可以被配置为允许在旋转阳极x射线管12必须产生所使用的x射线强度的最大值的情况下基本上或完全使辅助电子电流42b为空白。由于辅助阴极30b不需要产生精细焦斑(为了防止阳极熔化，这甚至可能是不想要的情况)，因此辅助阴极30b的灯丝可以又长又窄。以这种方式，可以最大程度地减小截止网格电压。
90.任选地，x射线管12可以包括被布置在主阴极30a与阳极26之间的另外的发射控制网格(未示出)。所述另外的发射控制网格被配置为控制第一电子的形状以调节可旋转阳极26上的第一区34a上的焦斑。利用另外的发射控制网格，可以利用第二模拟输出或第二数字输出对主阴极30a进行切换。还可以预见到第二模拟输出，所述第二模拟输出可以控制从主电极30a进行的电子发射。然而，应当注意，在这种模拟电流控制期间，阳极26上的焦斑并未过热。然后，必须以使这两种电流的总和保持恒定的方式控制从辅助阴极进行的发射。
91.任选地，另外的发射控制网格可以被配置为聚焦电极或一组聚焦电极(例如，一对聚焦电极，作为当前控制网格而对其功能进行补充)，以在所述管电压变化时使焦斑的尺寸保持恒定。“网格”通常是一对略有不同的负偏置电压(焦斑偏转不同)的电极。这对电极可以用于使焦斑(即，电子束在目标表面处的横截面面积)保持恒定，即使在管电压发生变化
时(例如在ct的双能量模式中)也是如此。通常，当偏置网格电压恒定并且管电压变化时，焦斑尺寸会发生变化。这是不希望的情况，因为除了用不同光谱采集的情况以外，高管电压和低管电压的x射线投影应当完全相同。通过在管电压变化时使焦斑尺寸保持恒定，可以避免x射线系统的图像伪像或差的光谱性能。将相应地调整控制焦斑尺寸的网格控制电压。另外，辅助阴极可以配备有相似的发射控制网格。将与不断变化的主控制电压同步地调整辅助控制网格的网格控制电压，以使总管电流保持恒定，即使在主电子电流将随着不断变化的管电压、不断变化的用于聚焦的网格控制电压以及不断变化的主阴极的加热电流发生变化的情况下也是如此。也可以以与使总电流保持恒定的方式不同的方式控制主电流与辅助电流的总和。
92.在另一示例中，作为任选地具有另外的发射控制网格的发射控制网格40a的替代方案或补充方案，电子电流控制设备40可以包括至少一个加热供应部48，所述至少一个加热供应部48被配置为向主阴极30a和辅助阴极30b供应不同的加热功率，使得主电子电流与辅助电子电流的总和保持恒定。
93.图4示出了根据本公开内容的一些另外的实施例的旋转阳极x射线管12的示意性中央切割视图。在图4中图示的示例性旋转阳极x射线管中，提供了至少一个加热供应部48。所述至少一个加热供应部48包括与主阴极30a相关联的主加热供应部48a。主阴极30a包括电线灯丝或扁平板材，所述电线灯丝或扁平板材在被加热时发射电子。主阴极30a的电线灯丝或扁平发射器的温度可以由主加热供应部48a来控制。随着主加热供应部48a的加热电流的增大，主阴极30a的电线灯丝的温度也增大了，并且电线灯丝产生了更多的电子。因此，主加热供应部48a控制由主阴极30a产生的x射线的总数。至少一个加热供应部48还包括与辅助阴极30b相关联的辅助加热供应部。辅助加热供应部48b被配置为响应于主电子电流42a的变化而改变辅助阴极30b的加热电流以调节辅助电子电流42b，使得主电子电流与辅助电子电流的总和保持恒定。换句话说，辅助加热供应部48b操控辅助阴极的温度。处理单元可以控制主加热供应部48a和辅助加热供应部48b，该处理单元基于由主阴极30a生成的主电子电流42a来改变辅助加热供应部48b的加热电流。因此，即使管的x射线输出(例如为了调制剂量)发生变化，针对双能量扫描的管电压的斜降也会保持恒定。
94.在图4所示的示例性旋转阳极x射线管中，放置了辅助阴极30b，并且辅助阴极30b充满了主阴极30a的负电势。换句话说，主阴极30a与辅助阴极30b可以串联连接，由此共享相同的加热电流。当两个阴极30a、30b串联连接时，辅助阴极也可以足够强大，使得即使在低加热电流下(例如，当利用主阴极进行剂量调制时)也可以产生高电子电流以(在主阴极仅承载接近于零的最小电流的情况下)递送(例如在最小的绝对网格电压下的)完全的管电流。任选地，与对主阴极的加热功率相比，辅助阴极30b可以被配置为在较低的加热功率下生成足够高的辅助电子电流主阴极仅承载接近零的主电子电流。任选地，辅助阴极30b可以被配置为在与主阴极所要求的加热功率相比较低的加热功率下产生足够高的辅助电子电流，以使得在主阴极仅承载接近于零的最小主电子电流的情况下主电子电流与辅助电子电流的总和保持恒定。任选地，辅助阴极30b在加热电流变化时可以具有针对辅助电子电流的升高和/或降低的转换速率，辅助阴极的转换速率被配置为等于或高于主阴极的转换速率。为了实现更高的转换速率，辅助阴极可以被配置为具有：比从主阴极的电线到周围环境的热传导更高的从辅助阴极的电线到周围环境的热传导。替代地或额外地，辅助阴极可以被
配置为具有：比从主阴极的电线到周围环境的热辐射更高的从辅助阴极的电线到周围环境的热辐射。
95.替代地，主阴极30a与辅助阴极30b可以并联连接(未示出)，由此共享相同的加热电压。
96.在另外的示例(未示出)中，代替使用两个加热供应部(即，主加热供应部和辅助加热供应部)，可以提供一个具有可变频率的ac加热电路。所述ac加热电路被配置为使用电感器和电容器中的至少一项向主阴极和辅助阴极供应不同的加热功率。然后，在具有电感器和/或电容器的管中发生电流的分布。由于可以将频率设置得几乎任意高，因此在主阴极的线圈中的一些策略性分布的额外匝数可能就足够了。这种可变频率加热电路可能不会比常规的加热电路贵很多。
97.图5示出了在c型臂x射线成像套件中的根据本公开内容的一些实施例的x射线成像系统100。x射线成像系统的其他示例可以包括但不限于ct成像系统或荧光检查系统。
98.c型臂成像系统100具有支撑布置物102，所述支撑布置物102可以平移通过绕感兴趣对象104的方位角轴线和仰角轴线。例如，可以从x射线设施的天花板上支撑c型臂x射线成像系统100。支撑布置物保持如上文和下文所述的旋转阳极x射线源12以及x射线探测器106。
99.c型臂成像系统(或ct成像系统)任选地被提供有运动传感器(例如，c型臂轴线或ct机架轴线中的旋转编码器)。这使得能够将运动信息反馈到x射线成像系统状态检测器。
100.替代地或者与其组合，将x射线成像系统状态检测器被配置为接收表示预先规划的成像协议的运动命令列表。
101.c型臂x射线成像系统例如受到控制台108的控制，控制台108包括例如显示屏110、任选地用作定子控制系统的计算机装置112，控制台108能够经由键盘114和鼠标116来控制。
102.c型臂118被配置为绕感兴趣对象104平移，这种平移不仅仅是在平面旋转的意义上(在ct扫描器的意义上)，而且还包括通过倾斜的平移。
103.在运行中，感兴趣对象104被放置在c型臂成像系统100的探测器106与x射线源12之间。c型臂可以绕患者旋转以采集图像数据集，所述图像数据集然后用于3d图像重建。使用控制台114来启动x射线成像系统扫描协议。
104.图6示出了根据本公开内容的一些实施例的x射线管控制方法的流程图。在步骤210(即，步骤a))中，首先通过主阴极发射第一电子，所述第一电子建立主电子电流的流动。第一电子被聚焦在x射线管的可旋转阳极上的第一区上以用于生成x射线束。主阴极可以包括场发射阴极、光子阴极和间接加热阴极中的至少一项。
105.在步骤220(即，步骤b))中，通过辅助阴极发射第二电子，所述第二电子建立辅助电子电流的流动。第二电子被定向到可旋转阳极上的与第一区不同的第二区以用于生成x射线。所生成的x射线被配置为与x射线束的方向不同的方向，使得x射线不进入x射线束。在示例中，主阴极与辅助阴极以串联连接或并联连接。当与主阴极串联连接时，辅助阴极可以被配置为在与主阴极所要求的加热功率相比较低的加热功率下产生足够高的辅助电子电流，以使得在主阴极仅承载接近于零的最小主电子电流的情况下主电子电流与辅助电子电流的总和保持恒定。辅助阴极被配置为在加热电流变化时具有针对辅助电子电流的升高
和/或降低的转换速率，辅助阴极的转换速率被配置为等于或高于主阴极的转换速率。为了实现更高的转换速率，辅助阴极可以被配置为具有：比从主阴极的电线到周围环境的热传导更高的从辅助阴极的电线到周围环境的热传导。替代地或额外地，辅助阴极可以被配置为具有：比从主阴极的电线到周围环境的热辐射更高的从辅助阴极的电线到周围环境的热辐射。辅助阴极可以包括场发射阴极。
106.在步骤230(即，步骤c))中，电子电流控制设备响应于主电子电流的变化而调节辅助电子电流，使得主电子电流与辅助电子电流的总和保持恒定。
107.在示例中，电子电流控制设备可以包括被布置在辅助阴极与阳极之间的发射控制网格。发射控制网格可以被配置为控制在辅助阴极与阳极之间的辅助电子电流的流动。任选地，发射控制网格可以具有网格控制电压，所述网格控制电压被配置为充分降低辅助电子电流，使得生成具有最大x射线强度的x射线束。任选地，x射线管可以包括被布置在主阴极与阳极之间的另外的发射控制网格。所述另外的发射控制网格被配置为控制第一电子的形状以调节可旋转阳极上的第一区上的焦斑。
108.在另一示例中，电子电流控制设备可以包括至少一个加热供应部，所述至少一个加热供应部被配置为向主阴极和辅助阴极供应不同的加热功率，使得主电子电流与辅助电子电流的总和保持恒定。任选地，所述至少一个加热供应部可以包括具有可变频率的交流(ac)加热电路。所述ac加热电路被配置为使用电感器和电容器中的至少一项向主阴极和辅助阴极供应不同的加热功率。替代地，所述至少一个加热供应部包括与主阴极相关联的主加热供应部以及与辅助阴极相关联的辅助加热供应部。所述辅助加热供应部可以被配置为响应于主电子电流的变化而改变辅助阴极的加热电流以调节辅助电子电流，使得主电子电流与辅助电子电流的总和保持恒定。
109.在本发明的另一示例性实施例中，提供了计算机程序或计算机程序单元，其特征在于，其适于在适当的系统上运行根据前述实施例中的任一实施例的方法的方法步骤。
110.因此，计算机程序单元可以被存储在计算机单元中，该计算机程序单元也可以是本发明的实施例的部分。该计算单元可以适于执行或引起对上述方法的步骤的执行。此外，该计算单元可以适于操作上述装置的部件。该计算单元能够适于自动操作和/或运行用户的命令。计算机程序可以被加载到数据处理器的工作存储器中。因此，可以配备数据处理器来执行本发明的方法。
111.本发明的该示例性实施例覆盖从一开始就使用本发明的计算机程序，以及借助于将现有程序更新转换为使用本发明的程序的计算机程序这两者。
112.另外，计算机程序单元可以能够提供所有必要步骤以完成如上所述的方法的示例性实施例的流程。
113.根据本发明的另外的示例性实施例，提出了一种计算机可读介质，例如，cd-rom，其中，该计算机可读介质具有被存储于所述计算机可读介质上的计算机程序单元，所述计算机程序单元由前面的章节所描述。
114.计算机程序可以被存储和/或分布在合适的介质上，例如，与其他硬件一起或作为其他硬件的部分供应的光学存储介质或固态介质，但是也可以以其他形式分布，例如，经由互联网或其他有线或无线的电信系统进行分布。
115.然而，计算机程序也可以存在于网络(如万维网)上，并且能够从这样的网络被下
载到数据处理器的工作存储器中。根据本发明的另外的示例性实施例，提供了用于使计算机程序单元可用于下载的介质，所述计算机程序单元被布置为执行根据本发明的前述实施例之一的方法。
116.必须指出，本发明的实施例是参考不同主题来描述的。特别地，一些实施例是参考方法型权利要求来描述的，而其他实施例是参考装置型权利要求来描述的。然而，除非另有说明，本领域技术人员将从以上和以下的描述中推断出，除了属于一种类型的主题的特征的任意组合以外，涉及不同主题的特征之间的任意组合也被认为在本技术中得到公开。然而，所有的特征都能够被组合来提供多于特征的简单加合的协同效应。
117.虽然已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被认为是图示性或示例性的，而非限制性的。本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求，在实践请求保护的发明时能够理解并实现对所公开的实施例的其他变型。
118.在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可以实现在权利要求中记载的若干项的功能。虽然某些措施被记载在互不相同的从属权利要求中，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。