用于小型低功率X射线发生器的系统和装置

摘要

提供了系统和装置，在一些实施例中通过该系统和装置，具有圆柱形状的小型X射线发生器具有电源(202)，该电源位于X射线管(102)的阴极(108)和/或阳极(110)输入端的正后方。

说明书

技术领域

本发明总的来说涉及X射线发生器，更具体地涉及用于在医疗和工业领域中实施非侵入式检查的射线照相设备中所使用的小型低功率X射线发生器。

背景技术

X射线发生器是在医疗和工业领域中被用于实施非侵入式检查的重要工具。为了产生X射线，对于操作来说需要X射线管和高压电源。X射线管是真空管，其通常为双极型器件，该双极型器件在管的一端具有阴极和灯丝，而在管的面向阴极的另一端具有涂有钨的阳极。为了产生X射线，将具有正极性和负极性的高压电源分别连接到X射线管的阳极和阴极上，以便在阳极和阴极之间产生非常高的电压差。由于电流在阴极处通过灯丝，灯丝加热并且在阴极处喷射电子。随后，电子以大的速度和加速度穿过该管被引向带正电荷的阳极。当这些加速的电子轰击阳极表面时，以热和高能光子的形式释放能量。这些高能光子通常被称为X射线束，由于其穿透物体的能力而在医疗和工业领域中已被用于实施非侵入式检查。

所有的X射线发生器都需要电压非常高的电源来为X射线管供电。通常为了尺寸的优点，使用电压倍增器和高频变压器来产生这个高电压。

X射线系统中常用的一种流行的电压倍增器结构称为Crockroft-Walton结构。在Crockroft-Walton电路中，由两个二极管和两个电容器构成的基本块被用于构成电压倍增器级。多个级被堆叠在一起以将电压逐步提高到显著水平。多级电压倍增器的输出电压标称为两倍的输入电压乘以级数。封装方案需要特别注意，因为电压倍增器中所产生的非常高的电压可能造成高压在元件和邻近的其它结构之间电弧放电。

堆叠电压倍增器的多个级的最简单方式是沿着直线堆叠倍增器级。直线式倍增器虽然构造简单，但是往往在尺寸方面不是最佳的。这样的直线式倍增器的尺寸限制了阳极和阴极电压倍增器在X射线发生器中的实际位置。在非常紧凑的x射线发生器中，优选的选择是将电压倍增器平行于X射线管放置，但这可能又产生其它的问题。当X射线管工作时，从X射线管向所有的方向发射X射线辐射。这种X射线辐射可以使电压倍增器中的不耐辐射的元件劣化。这些易受影响的元件需要X射线屏蔽以保护其不受有害辐射影响从而防止加速劣化。如果倍增管平行于X射线管放置，则这种X射线屏蔽必须被设置在X射线管和倍增管元件之间。

由于将倍增管元件平行于X射线管放置而产生的次要问题关系到，X射线管、倍增器和X射线屏蔽之间的绝缘造成电场的复杂相互作用。在没有使用屏蔽的情况下，当倍增管元件平行于X射线管放置时，由高电压倍增管产生的电场将干扰X射线管周围的电场均匀性。如果使用屏蔽，则由于发热元件的高组装密度，屏蔽还限制X射线管周围的有效热传递。X射线屏蔽的使用可以通过使用耐辐射电子元件来避免，但X射线发生器系统的成本将受到影响。潜在元件的可用性也将受到影响，因为耐辐射元件的选择受到限制。通常由铅制成的X射线屏蔽增加了设计尺寸，并且和系统的紧凑特性不一致。

由于上述原因，以及在阅读并且理解本说明书时对于本领域技术人员来说将变得显而易见的下述原因，在本领域中需要一种低成本的、小型的并且轻便的低功率X射线发生器，其中电压倍增器的尺寸被缩小并且铅的使用被最小化。还需要一种小型低功率X射线发生器，其中倍增器的智能设计便于电场的均匀分布以及X射线管周围的有效热传递。

发明内容

在这里致力于上面提到的缺点、缺陷以及问题，这应通过阅读和研究下面的说明来理解。

本发明的一个目的是提供一种具有倍增器的紧凑设计和适当布置的小型低功率X射线发生器。

在一个方面中，小型低功率X射线发生器的紧凑设计通过将阳极和阴极电压倍增器定位在阳极和阴极后方的X射线管的X射线阴影区内来实现。这消除对厚重的铅屏蔽的需要，该铅屏蔽是用于防止由X射线辐射的效应所造成的倍增器元件劣化所需的。

在另一方面中，将电压倍增器定位在其相应的X射线管输入端后方还减小在X射线管周围的电场不均匀性问题。

在又一方面中，通过利用将电压倍增器元件和级以Z字形结构布置的元件布置方案来使X射线管的电压倍增器的尺寸最小化。

在又一方面中，将电压倍增器元件封装在绝缘的密封材料中，这进一步减小电压倍增器的尺寸。通过将电压倍增器元件封装在绝缘的密封材料中，可以更近地间隔电压倍增器元件，并且消除了元件之间的高压电弧的可能性。

本小型低功率X射线发生器描述了不同范围的系统、方法、以及装置。除了这里概要描述的本小型低功率X射线发生器的各个方面和优点之外，通过参考附图以及阅读下面的详细描述，小型低功率X射线发生器的其它方面和优点将变得显而易见。

附图说明

为了举例说明本发明的目的，在附图中显示了目前优选的多种形式，然而应当理解，本发明并不限于这些精确的配置和手段。

图1是为本发明的目的的小型低功率X射线发生器的透视图；

图2是沿图1中的线A-A获得的并且显示在X射线管的正常工作期间的X射线辐射发射的截面图；

图3是小型低功率X射线发生器的透视图，进一步显示位于X射线管阳极和阴极正后方的锥形X射线阴影区；

图4是单级阳极电压倍增器的示意图；

图5是多级电压倍增器的示意图，图5中所描绘的电压倍增器描绘一个七级阳极倍增器；

图6是使用Z字形结构的具有多个级的电压倍增器的透视图；

图7是使用传统的直线式电压倍增器的、具有多个级的电压倍增器的透视图。

具体实施方式

在小型低功率X射线发生器的实施例的以下详细描述中，参考构成本文一部分的附图，在该附图中通过图解说明显示了特定的实施例，在这些实施例中小型低功率X射线发生器可以被实现。这些实施例足够详细地被描述，以使本领域技术人员能够实现这种小型低功率X射线发生器，并且应当理解，在不脱离本小型低功率X射线发生器的范围的情况下可以利用其它的实施例并且可以进行逻辑的、机械的、电学的以及其它的改变。因此，以下详细描述不应在限制性的意义上被采用。

详细描述被分为三个部分。在第一部分中，描述系统级概观。在第二部分中，描述实施例的装置。最后，在第三部分中，提供详细描述的总结。

系统级概述

图1是小型低功率X射线发生器的系统级概观。该小型低功率X射线发生器解决了本领域中对小型X射线发生器的需要，该小型X射线发生器不需要厚重的铅或者铜屏蔽来保护X射线管电源不受由X射线管产生的X射线辐射的影响。

该小型低功率X射线发生器通常包括：圆柱形双极X射线管102，该圆柱形双极X射线管包含在X射线管的相对端的阴极和阳极；以及位于管的阴极108的正后方的阴极电源112和位于阳极110的正后方的阳极电源114。

当X射线管102利用阴极中的适当的灯丝电源被加电时，电子从加热的阴极108被喷射出并且朝带正电荷的阳极110加速运动。电子被吸引横穿X射线管102，并且以大力与阳极110碰撞，从而产生X射线辐射206。

由碰撞产生的X射线辐射向所有方向被发射。在小型低功率X射线发生器中，X射线管自身的阴极108和阳极110能够在电极的正后方屏蔽低功率X射线，因为它们产生锥形阴影区。这些锥形阴影区位于阴极和阳极的正后方。

通过将阴极电压倍增器202和阳极电压倍增器204放置在由X射线管的阴极108和阳极110产生的阴影区中，小型低功率X射线发生器解决了本领域中对用于防止电压倍增器元件的X射线辐射劣化的厚重铅或铜屏蔽的需要。

虽然小型低功率X射线发生器不限于任何特定的电压倍增器定位，但为了清楚起见只描述了一种简化的电压倍增器定位。

装置实施例

在前一部分中，描述了实施例的操作的系统级概观。在这一部分中，参考一系列图对这种实施例的特定装置进行描述。

图2是根据一个实施例的小型低功率X射线发生器的截面图。该小型低功率X射线发生器通过消除对厚重铅或铜屏蔽的需求来解决本领域中对紧凑设计的需要，其中该厚重铅或铜屏蔽用于保护阴极电压倍增器202和阳极电压倍增器204免受X射线辐射206，该X射线辐射在X射线管102工作时由该X射线管102发射。

小型低功率X射线发生器包含双极X射线管102，其包含阴极108和阳极110、阴极电压倍增器202和阳极电压倍增器204。

在X射线管工作期间，从X射线管102向所有的方向发射X射线辐射206。该辐射将穿透物体并且可以使某些半导体元件劣化，除非该元件被屏蔽而免受辐射。

图3显示位于X射线管的阴极108后方的没有由X射线管102产生的X射线辐射的锥形阴影区302。X射线管的阴极108起到在X射线管的阴极108正后方在轴线方向上阻挡X射线辐射的屏蔽的作用。通过将阴极电压倍增器202定位在这个锥形阴影区302中，不需要厚重的铅或铜屏蔽来保护电源元件免于由X射线辐射造成的劣化。

图3还显示位于X射线管的阳极110后方的、同样没有X射线辐射的锥形阴影区304。X射线管的阳极110作为屏蔽，并且在X射线管的阳极110后方产生锥形阴影区304，阳极电压倍增器204可以被定位在该锥形阴影区304中。

图4显示单级阳极电压电源的实施例，该单级阳极电压电源可以被用于产生操作X射线管所需的高电压。该单级是通常使用的Cockroft-Walton电压倍增器。Cockroft-Walton电压倍增器的每一级由两个电容器402和两个二极管404构成。

图5显示可以被用于将相对低的电压提高到操作X射线管所需的高电压的七级倍增器。多个级是被串联在一起以将输入电压提高到X射线管所需的工作电压的一系列单级电压倍增器。多级电压倍增器仅包含电容器402和二极管404以提高电压。具有负极性的相似样式的电压倍增器可以被用于为X射线管的阴极供电。使用带负电荷的阴极和带正电荷的阳极，电源产生所需的大电压差以使从阴极被喷射的电子加速，以便当电子与X射线管的阳极碰撞时产生X射线。

图6显示以Z字形结构608布置的多级电压倍增器的一个实施例。输入电压602被施加到输入级电容器402和二极管404对上，并且每个随后的电容器和二极管以Z字形方式连接到输入级上，以保持元件之间的距离尽可能大，从而防止高压电弧放电。使用多级电压倍增器显著提高输出电压604。该电压倍增器的每一级在电压倍增器PWB606上以Z字形布局来布置，以使电压倍增器的尺寸最小化。Z字形结构允许显著减小电压倍增器的尺寸，该尺寸允许电压倍增器装配在由X射线管的阴极和阳极所产生的阴影区内。

倍增器元件和级的Z字形布置有助于在X射线管周围形成均匀的电场，其中电压在输入602处被建立并且逐步升高到管的高度。对于用于安装X射线管的绝缘支架来说这是特别重要的。

作为对比，图7显示以传统直线式结构布置的多级电压倍增器。直线式电压倍增器布局也为每个倍增器级使用成对的电容器402和二极管404，但电压倍增器PWB 702的长度必须被延伸以容纳多个级。这种直线式电压倍增器不满足小型低功率X射线发生器的需要，因为如果将电压倍增器直接安装到X射线管的阴极或阳极输入连接端子上，则其长度PWB 702将延伸到X射线阴影区的边界之外。为了保护将易受有害的X射线辐射影响的半导体元件，将需要厚重的铅或铜屏蔽，这增加系统的尺寸并且与紧凑设计的紧凑特性不一致。

结论

描述了一种小型低功率X射线发生器。虽然这里例示和描述了特定实施例，但本领域的普通技术人员应当理解，为了实现相同目的而考虑的任何方案可以替换所示的特定实施例。本申请意图覆盖任何修改或变化。例如，虽然将电源描述为电压倍增器，但本领域的普通技术人员应当理解，可以通过使用电力变换器或任何其它类型的提供所需功能的升压器(voltage increaser)来进行实现。

尤其是，本领域技术人员将容易理解，方法和装置的名称并不意图限制实施例。此外，在不脱离实施例的范围的情况下，另外的方法和装置可以被添加到元件中，功能可以在元件、新元件之间被重新布置以对应于将来的改进，并且可以引入在实施例中所使用的物理器件。

部件列表

100  小型低功率X射线发生器

102  圆柱形双极X射线管

104  阴极连接端子

106  阳极连接端子

108  阴极

110  阳极

112  阴极电源

114  阳极电源

202  阴极电压倍增器

204  阳极电压倍增器

206  X射线辐射

302  阴极后方的锥形阴影区

304  阳极后方的锥形阴影区

402  电容器

404  二极管

602  输入电压

604  输出电压

606  电压倍增器PWB

608  Z字形结构

702  传统直线式结构的电压倍增器PWB