带屏蔽部件的X射线发生器

摘要

本公开涉及了一种X射线发生器，包括：用于产生并发送电子至X射线发生器的真空区域的阴极和用于接收电子并产生X射线的阳极，包括：位于阴极端的绝缘体；以及屏蔽部件，设置于阳极与绝缘体之间的真空区域，屏蔽由绝缘体、真空区域以及与绝缘体接近或接触的阴极高电压区所形成的结合区域，屏蔽部件进一步设置于由绝缘体向真空区域出射的自由电子的路径上，以吸收或遮挡自由电子。屏蔽部件遮挡或吸收了位于绝缘体、真空区域与阴极高压区之间形成的结合区域的，在电场作用下由绝缘体出射的自由电子，从而避免自由电子在真空区域内自由轰击而造成真空度的破坏，增强了X射线发生器的使用寿命和图像的稳定度。

说明书

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，特别是涉及一种X射线发生器。

背景技术

X射线发生器是一种将电源输入转换为X射线的真空管。可利用的X射线的可控源造就了放射新成像技术的诞生，即一种对部分不透明的物体通过穿透的射线进行成像。与其它离子辐射源不同，X射线只有当X射线发生器通电后产生。X射线发生器被广泛使用于计算机断层扫描(CT)设备，X射线衍射设备，X射线医学影像成像设备以及工业探伤领域。由于高性能的CT扫描设备和血管造影系统的持续增长的需求，驱动着高性能的医用X射线发生器的发展。

X射线发生器中使用的真空管包括一用于将电子发射到真空的阴极灯丝，以及一用于接收被发射电子并产生X射线的阳极，从而在X射线发生器中形成被称为线束的电子流。提供被称为管电压的高电压电源连接于阳极与阴极灯丝之间，以将电子加速。管电压或X射线发生器的阴极与阳极之间施加的电压通常在30至200千伏之间。

X射线发生器的阴极结构通常采用玻璃-金属组件或陶瓷-金属组件配合，在阴极灯丝通电后由阴极与阳极间的高压下灯丝激发电子并在强电场作用下高速轰击阳极靶区域，阳极靶区域的金属原子外层的价电子在高能电子轰击下脱离原子核而产生二次电子，随即部分二次电子反弹回阴极区域并杂散分布于真空区域。

发明内容

有鉴于此，本公开一方面提出了一种X射线发生器，包括：用于产生并发送电子至所述X射线发生器的真空区域的阴极和用于接收所述电子并产生X射线的阳极，通过遮挡阴极端的阴极绝缘体、真空区域以及在阴极端的高电压条件下由形成的局部发射场区域产生的二次电子在真空区域内扩散，从而产生二次电子发射雪崩现象。该X射线发生器包括：位于阴极端的绝缘体；以及屏蔽部件，设置于所述阳极与所述绝缘体之间的真空区域，屏蔽由所述绝缘体、所述真空区域以及与所述绝缘体接近或接触的阴极高电压区之间交界所形成的结合区域，所述屏蔽部件进一步设置于由所述绝缘体向所述真空区域出射的自由电子的路径上，以至少吸收或遮挡所述自由电子。

可选地，该X射线发生器的所述阴极端包括阴极金属部以作为所述阴极高电压区。

可选地，该X射线发生器的所述屏蔽部件包括第一屏蔽部件，所述第一屏蔽部件被构造为对所述绝缘体向所述真空区域出射的自由电子的最短路径进行遮挡的曲面。

可选地，该X射线发生器的所述绝缘体在位于所述真空区域的表面形成凸的倾斜面，所述第一屏蔽部被构造为在相对靠近所述结合区域的近端呈扩张状，且向相对远离所述结合区域的远端呈渐进收敛状以形成敞口部。

可选地，该X射线发生器的所述第一屏蔽部分别与所述绝缘体和/或所述结合区域保持不被电势差击穿的空间距离。

可选地，该X射线发生器的所述第一屏蔽部还被构造成双曲面状。

可选地，该X射线发生器的所述屏蔽部件还包括一面向并平行于阳极或阳极靶面设置的第二屏蔽部，以遮挡或吸收自所述阳极反射的自由电子，所述第二屏蔽部与所述第一屏蔽部之间连接。

可选地，该X射线发生器的所述第二屏蔽部相对设置于所述结合区域远端的位置，使所述第二屏蔽部与所述第一屏蔽部的远离所述结合区域的一端连接。

可选地，该X射线发生器的所述屏蔽部件还包括一作为所述第一屏蔽部连接至所述第二屏蔽部的过渡部分的第三屏蔽部，使所述第三屏蔽部还构造有弯折面，且所述弯折面之间形成平缓过渡的倒角。

可选地，该X射线发生器的所述屏蔽部件由不锈钢合金制成，且所述屏蔽部件的表面经电抛光处理。

可选地，该X射线发生器所述屏蔽部件通过焊接固定于阴极组件和/或阴极的金属壳体。

可选地，该X射线发生器的所述屏蔽部件通过一导线进行接地。

本公开所提供的X射线发生器的一个优势在于，在面向阴极端的阴极绝缘体、阴极高压区或阴极端一定的电场条件区以及与真空区域的结合区域位置设置了屏蔽部件，以遮挡或吸收于阴极绝缘体与真空区域的结合区域之间在电场作用下，使阴极绝缘体的表面释放出自由电子，从而减少X射线发生器内因曝光而产生闪络现象，减少因场发射效应而激发的二次电子对X射线发生器内的真空度造成的破坏，从而增加X射线发生器的使用寿命与提高X射线图像的质量和稳定性。

另一个优势在于，通过将屏蔽部件在面向阴极绝缘体与真空区域的结合区域设置了具有敞口部的第一屏蔽部，该敞口部相对于结合区域的近端呈扩张状，并相对于结合区域的远端呈渐进收敛状，以增加一定电场条件下对产生于阴极绝缘体与真空区域的结合区域的自由电子的吸收面积。

另一个优势在于，通过对屏蔽部件提供一面向并平行于阳极或阳极靶面设置的第二屏蔽部以阻挡来自阳极或阳极靶面反射的自由电子或二次电子，且第一屏蔽部与第二屏蔽部之间的连接还具有过渡部分作为第三屏蔽部，第三屏蔽部被构造有弯折面，且在弯折面之间形成平缓过渡的倒角或平缓的圆角，进一步增大了屏蔽部件的表面积从而在电荷积聚情况下有效降低面电荷密度，弱化第三屏蔽部的弯折区的电场强度。

另一个优势在于，通过在屏蔽部件还通过一导线进行接地，避免使二次电子对X射线发生器内部部件的轰击，包括作为X射线发生器的金属壁、阳极或阳极靶面等，并附着于X射线发生器内金属件或绝缘体部件上造成后续的闪络现象。

附图说明

下面将通过参照附图详细描述本公开的实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其它特征和优点，附图中：

图1为示出根据一个示例性实施例的带有屏蔽部件的X射线发生器的结构示意图；

图2为示出根据一个示例性实施例的屏蔽部件与阴极绝缘体之间的A处的局部放大示意图；

图3为示出根据一个示例性实施例的阴极绝缘体、阴极端金属与真空区域之间形成场发射的原理示意图。

其中，附图标记如下：

100 X射线发生器

101 阳极/阳极靶面

103 阴极端/阴极组件

105 阴极头/阴极灯丝

107 绝缘体

109 金属

1091 金属壳体

1092 金属环

111 屏蔽部件

1111 第一屏蔽部

1113 第二屏蔽部

1115 第三屏蔽部

T 结合区域/阴极三联区

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式，在各图中相同的标号表示相同的部分。

在本文中，“示意性”表示“充当实例、例子或说明”，不应将在本文中被描述为“示意性”的任何图示、实施方式解释为一种更优选的或更具优点的技术方案。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。

在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。在本文中，“第一”、“第二”等仅用于彼此的区分，而非表示它们的重要程度及顺序、以及互为存在的前提等。

在X射线发生器内存在真空-固体绝缘结构，在阴极和阳极间电场作用下沿着固体绝缘表面通常会产生电子释放并且容易产生(稀薄)气体的破坏性放电，即闪络现象。

不同的绝缘体材料本身具有不同的介电常数，绝缘材料的表面特性和块体材料性质也各不相同，其源于晶格形态、化学键的断裂、离子错位、偏振变化或周期势突然在表面介质处中断。表面原子必须重新调节表面能使整体系统达到稳定状态，例如弛豫、重构或吸收杂质等，由此形成一个动态转换区域。另外，固体的表面特性也与一些特征参数存在关联，比如粗糙度、形状、均匀性，残余应力，表面能，表面电阻率，气体吸附能，二次电子溢出量等，使介质表面与闪络现象存在复杂的相关性。

在此，由二次电子引起的负面影响还表现为以玻璃或陶瓷作为主要材料结构的阴极组件在长期经受二次电子轰击还会加速X射线发生器的零部件的自然损耗，加快各零部件表面的氧化反应从而降低X射线发生器整体的电气绝缘性能，另外还会加速零部件释放浅表层气体导致X射线发生器的真空度会劣化，甚至进一步导致X射线发生器内的焊接密封部位由于积聚应力而开裂。

本公开提供了一种X射线发生器，为解决阴极端的绝缘体、阴极高电压区或具有一定电场条件的阴极区和真空区域之间邻近或结合的区域，即阴极三联区在阴极与阳极之间施加一定电场条件下，因局部发射电场增强激发自阴极高电压区的自由电子发射至邻近的绝缘体表面，进一步触发自由电子在电场作用下自绝缘体表面出射在真空区域中传播的自由电子的问题以提供一屏蔽部件，以遮挡或吸收自由电子或二次电子，改善X射线发生器在长期使用后真空度劣化的问题，增加X射线发生器的使用寿命和X射线的图像稳定性。

图1为示出根据一个示例性实施例的带有屏蔽部件的X射线发生器的结构示意图。

如图1所示，根据一些实施例的X射线发生器100包括：用于产生并发送电子至X射线发生器100的真空区域的阴极和用于接收电子并产生X射线的阳极101，该X射线发生器100进一步包括：位于阴极端103的绝缘体107，以及屏蔽部件111，设置于阳极101与绝缘体107之间的真空区域，屏蔽由绝缘体107、真空区域以及与绝缘体107接近或接触的阴极高电压区之间交界所形成的结合区域T，屏蔽部件111进一步设置于由绝缘体107向真空区域出射的自由电子的路径上，以至少吸收或遮挡自由电子，在阴极与阳极101间施加的电压，例如在阴极与阳极101之间施加20千伏-300千伏或以上的高电压，在由此产生的电场的作用下，阴极高电压区周围区域局部发射电场增强，首先使位于结合区域T的阴极高电压激发的自由电子克服逸出势发射至绝缘体107表面，并进一步沿着绝缘体107表面向真空区域出射自由电子。在此，由位于结合区域T的绝缘体107出射的自由电子的路径，可依据在绝缘体107与阴极高电压区位置关系大致确定，因此可以将屏蔽部件111设置于出射的自由电子的路径上，且更进一步可以根据自由电子的路径来设计屏蔽部件111的形状。屏蔽部件111可依照阴极端103的阴极、阴极金属壳1091所围成的形状被构造为中间中空的圆环型，对此，屏蔽部件111的具体形状可依据阴极端/阴极组件103的形状或绝缘体107表面的构造进行适应性构造以保证设置在自绝缘体107出射的自由电子的路径上以充分覆盖或遮蔽，本实施例在于提出了针对上述结合区域T(即阴极三联区)将一屏蔽部件111设置于绝缘体107在一定电场条件下向真空区域出射自由电子的路径上，通过吸收或遮挡上述自由电子以阻挡自由电子在真空区域内传播，防止例如闪络现象的发生，因此，在本实施例中对绝缘体107或结合区域T的相对位置不作具体限制。

根据一些实施例的X射线发生器100，屏蔽部件111可根据阴极端103(阴极组件)的阴极的形状构造、阴极端103的阴极金属壳1091的形状构造进一步适应性地构造呈圆环形的屏蔽环，本实施例对此亦不作具体限制。

根据一些实施例的X射线发生器100，阴极端103包括阴极金属部作为阴极高电压区，在阴极与阳极101之间施加了一定的高电压，可产生相应的高电场，例如大于10kV/cm的电场。可以理解的是，由于X射线发生器100的阴极结构通常采用玻璃-金属组件或陶瓷-金属组件配合，使结合区域T包括绝缘体107，阴极金属部件和真空区域组成的交联区或连接区，即为阴极三联区。其中，阴极金属部例如阴极端的部分金属组件、金属壳体1091，包括壳体底座的壳体部分可以由金属制成，通常壳体底座部分可以与绝缘体107装配，绝缘体107可例如陶瓷、玻璃或铝制陶瓷等。另外，阴极金属部件还例如包括金属环1092，设置在靠近阴极端103的底部并可将绝缘体107与阴极端103隔开的位置。在此，如图1和图2所示，所述结合区域/阴极三联区T可以包括，绝缘体107、真空区域和与绝缘体107接触或接近的金属壳体1091之间形成的阴极三联区，以及绝缘体107、真空区域和与绝缘体107另一侧接触或接近的金属环1092之间形成另一阴极三联区。需要说明的是，形成结合区域/阴极三联区T并不限于上述构造，对此本实施例不作限制。

根据一些实施例的X射线发生器100，绝缘体107由陶瓷、玻璃、陶瓷与玻璃或金属的组合所构成。在此，结合区域T包括陶瓷，金属和真空区域之间的交联区域，即阴极三联区T。部分实验数据显示多数有机材料，例如玻璃的介电常数在2.0<ε

如图3所示，在一示出的典型的高电压-真空-绝缘体系统中，放电可首先沿绝缘体表面发生，并最终可发展为闪络。在上述情况下引发闪络的电场强度可远低于绝缘体材料的临界击穿的电场强度，例如真空的临界击穿电场为350kV/cm，而高纯度的铝制陶瓷体通常为300kV/cm到400kV/cm，但是当闪络发生在真空-绝缘体界面中时通常只需几十千伏。因此，X射线发生器100的整体性能很大程度上取决于真空-绝缘体的表面绝缘能力。但是，影响真空-绝缘体界面的因素很多，主要可以是高强度电场和复杂的真空区域内部环境的相互作用，例如真空中带电粒子的环境，X射线的高能轰击会影响空间电荷的分布，从而改变表面绝缘性能，使X射线曝光时极易产生闪络现象，导致在探测器端的X射线图像由于输出剂量不稳定导致图像质量欠佳。

在X射线发生器100的阴极端103的结构还存在阴极三联区(Cathode TripleJunction)，即其构造的含义为阴极高压区、绝缘体区以及真空区域之间结合区域T。因之，在结合区域T(阴极三联区)存在发射场区域，结合区域T的交界面之间还往往存在微小空间或间隙，且交界面的表面存在表面尖锐的部分，使在阴极与阳极之间通高压后在结合区域T比较尖锐处形成较大的体电荷密度，使相应的周边区域局部发射电场增强，从而激发自由电子克服逸出势发射至绝缘体107表面，触发的自由电子随后在阴极和阳极101之间高压电场的作用下沿着绝缘体107表面向例如阳极101端、真空区域出射，并在移动过程中撞击真空中残余气体分子产生更多的二次电子，进一步触发二次电子发射的雪崩现象，从而撞击绝缘体表面引起表面吸附气体的解吸，引起真空度变差。另外，在X射线发生器100使用过程中经历多次高压曝光，被多次场发射效应激发的二次电子，X射线发生器100内的真空度逐渐破坏，使X射线发生器100失效。

在此，在阴极三联区T由于局部放电产生的荧光现象可以归因于Fowler-Nordheim场发射方程描述的电子激发气体原子或分子由高能态向低能态跃迁产生的辐射。

根据一些实施例的X射线发生器100，电场作用下子绝缘体107向真空区域出射的自由电子的路径会依赖于绝缘体107在位于真空区域的表面形状，例如在绝缘体107装配时，金属壳体1091与绝缘体107接近或接触，绝缘体107在位于真空区域的表面与金属部件表面之间的倾斜角度以描述该位置关系等，例如绝缘体107在位于真空区域的表面形状可以表现为凸的、凹的或其它规则或不规则的形状，为了适用于绝缘体107不同的表面形状对出射的自由电子进行及时遮挡，屏蔽部件111包括第一屏蔽部1111，例如图2所示，第一屏蔽部1111可优选地被构造为对绝缘体107向真空区域出射的自由电子的最短路径进行遮挡的曲面，例如使出射的自由电子撞击到第一屏蔽部1111的入射角度可正交于第一屏蔽部1111上，或近似于正交地入射角度以撞击在第一屏蔽部1111上，即第一屏蔽部1111在最短的路径上遮挡二次电子/自由电子，以及时的将二次电子/自由电子遮挡并吸收。

如图1和图2所示，根据一些实施例的X射线发生器100，绝缘体107在位于真空区域的表面形成凸的倾斜面，绝缘体107与邻近或接触的金属壳体1091具有一定的夹角，即绝缘体107与水平方向呈一定的倾角，在阴极和阳极101之间通高电压之后使从绝缘体107出射的二次电子或自由电子自靠近金属壳体1091的一面以一定的倾角向金属壳体1091表面的方向出射。在此，为及时将自绝缘体107出射的二次电子或自由电子遮挡或吸收，防止上述二次电子或自由电子在真空区域的传播过程中与残存气体发生撞击进一步产生更多的二次电子，第一屏蔽部1111被构造为在相对靠近结合区域T的近端呈扩张状，而向远离结合区域T的远端呈渐进收敛状以形成敞口部，使自绝缘体107出射的二次电子或自由电子在第一屏蔽部1111被及时吸收。在此，在第一屏蔽部1111的敞口部可呈漏斗形、喇叭形或钟形曲面，本实施例对绝缘体107与阴极金属部件之间的装配的具体位置关系不作限制。

根据一些实施例的X射线发生器100，第一屏蔽部1111至少与绝缘体107保持不被电势差击穿的空间距离，即绝缘距离，使第一屏蔽部1111在与绝缘体107在保持绝缘距离的条件下，以设置于由绝缘体107出射的自由电子的路径上。为此，第一屏蔽部1111被进一步构造成双曲面状，使屏蔽部件111于结合区域T近端的第一屏蔽部1111在分别保持与金属壳体1091和绝缘体107绝缘距离的基础上同时又可以及时吸收来自结合区域/阴极三联区T出射的二次电子/自由电子，防止二次电子/自由电子在真空区域内自由传播。根据一些实施例的X射线发生器100，由于阴极的发射端，例如阴极灯丝或阴极头105在阴极与阳极间施加一定的高电压下，激发出电子在强电场的作用下高速运动轰击阳极或阳极靶面101，使阳极靶面101的金属原子外层价电子在高能电子轰击下脱离原子核出射二次电子或自由电子，随即部分二次电子或自由电子反弹回阴极端103区域并分布与真空区域。为此，对于自阳极/阳极靶面101因上述背散射效应过程中反弹回阴极端/阴极组件103屏蔽部件111还包括一面向并平行于阳极或阳极靶面101设置的第二屏蔽部1113，以遮挡或吸收自阳极或阳极靶面101反射的自由电子，第二屏蔽部1113与第一屏蔽部1111之间连接，以形成完整的屏蔽部件111。在此，第二屏蔽部1113可以依据阴极端103的金属壳体1091和中间阴极所围的真空区域，被进一步构造成圆环型。另外，第二屏蔽部1113与第一屏蔽部1111之间可一体成型。另外，绝缘距离意为避免被电势差击穿所保持的空间距离，这是由于电势差达到一定程度会导致发射击穿真空区域，且真空中的绝缘强度以单位kV/cm度量，即通过保持一定距离以保证电势差不被击穿。

根据一些实施例的X射线发生器100，为使第二屏蔽部1113遮挡或吸收自阳极/阳极靶面101在背散射效应下反弹回阴极端/阴极组件103所在区域的二次电子/自由电子，第二屏蔽部1113可以设置于相对于结合区域T远端的位置，使第二屏蔽部1113与第一屏蔽部1111的远离结合区域T的一端连接以形成屏蔽部件111，第二屏蔽部1113能够面对阳极或阳极靶面101的位置遮蔽绝缘体107、第一屏蔽部1111或阴极端103的金属部分等，以面对自阳极/阳极靶面101反射回阴极端103的二次电子/自由电子进行遮挡。

根据一些实施例的X射线发生器，为使第一屏蔽部1111与第二屏蔽部1113之间的连接过渡部分增大其表面积，使在电荷积聚的情况下有效减低面电荷密度，屏蔽部件111还包括一作为第一屏蔽部1111连接至第二屏蔽部1113的过渡部分的第三屏蔽部1115，使第三屏蔽部还构造有弯折面，且弯折面之间形成平缓过渡的倒角。

根据一些实施例的X射线发生器100，为避免出射的二次电子对X射线发生器100内的各个部件的轰击并附着于金属件或绝缘体部件，例如玻璃件、陶瓷件等，造成后续的闪络现象，屏蔽部件111通过一导线进行接地，使屏蔽部件111吸收的二次电子所产生的电路通过导线接地释放电荷。

根据一些实施例的X射线发生器100，为使屏蔽部件111更易模具成型，屏蔽部件111由不锈钢合金制成，且所述屏蔽部件111的表面经电抛光处理。在此，屏蔽部件111经过电抛光处理后，保证了其机械强度和耐磨损性能，表面光滑洁净，防止屏蔽部件111因表面的尖锐或尖端位置产生电荷密度的聚集并由此产生电场畸变。此外，屏蔽部件111可以不仅限于不锈钢合金，还可以是例如无氧铜等金属或合金金属。

根据一些实施例的X射线发生器100，屏蔽部件111通过焊接固定于一阴极组件/阴极端103和/或阴极的金属外壳1191。例如，屏蔽部件111与阴极组件/阴极端103的阴极头/阴极灯丝105至绝缘体107的部分通过焊接进行固定，或者屏蔽部件111与金属壳体1091的部分通过焊接进行固定。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。