[发明专利]X射线发射装置及X射线产生方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及一种X射线发射装置，特别是涉及一种用于医用/工业CT系统及显微CT的X射线发射装置及X射线产生方法。

【背景技术】

X射线成像技术，即利用X射线能够穿透物质并根据穿透物质量的大小进行衰减的性质，通过探测X射线的衰减程度来实现对物体内部结构的无损成像，其包括X射线摄影技术（Radiography）与X射线计算机断层成像技术（Computed Tomography，CT）。其中，CT技术是通过对物体进行不同视角的射线投影测量而获取物体横截面信息的成像技术。CT系统包含X射线发射装置、X射线探测器、机架等主要部件，其中X射线发射装置作X射线的产生装置，是CT系统的关键核心部件之一。

医用/工业CT及显微CT等成像系统所需要的X射线能量范围通常从几十千电子伏特到几百千电子伏特，其装备的X射线发射装置通常采用高速电子束轰击阳极靶产生X射线的原理。即在真空容器中，由电子源发射的一定流强的电子束流，并在高压电场的作用下得到加速，轰击阳极靶。阳极靶通常由原子序数高的金属构成，电子轰击阳极靶后减速，通过韧致辐射过程产生X射线。

不断发展的CT系统对作为核心部件的X射线源提出了更高的要求。例如，近来来发展起来的新型静态扫描CT系统，要求X射线源具有空间、时间可编程发射的特点。传统CT系统通常采用单一X射线源，依靠机械旋转，即通过X射线源/探测器对的旋转或者被扫描物体的旋转，实现不同角度的X射线扫描。而新型静态扫描CT系统使用覆盖一定视角范围的、静止的X射线发射装置，通过X射线的位置及时间的可编程发射，实现不同视角的X射线透射图像的获取。静态扫描CT系统由于无需机械转动，降低了CT系统的成本及复杂性。同时，X射线源开关时间可以忽略，所以扫描时间就等于曝光时间，因而最大程度地缩短了扫描时间。该新型CT系统要求X射线发射装置具有紧致的结构，即要求多个独立控制的X射线束能够有效的集成于单个X射线发射装置内。

同时，CT系统尤其是用于动态成像（如心肺成像）的CT系统，为了减少产生由于被扫描物体或病人由于运动产生的伪影，对X射线源的时间分辨有很高的要求。CT系统出于缩短扫描时间和提高辐射剂量利用率的考虑，也期望X射线源有更高的时间分辨。

传统的X射线发射装置的设计方案主要有两种：

（1）传统的X射线发射装置，采用热阴极作为电子发射源，通过热电子发射发射电子，电子受到加速轰击阳极靶产生X射线。其阴极通常是由钨制成的灯丝，在通电流时产生热量，电子受热获得能量逸出。电子在电场的加速下，轰击阳极靶，通过韧致辐射过程产生X射线。

（2）近年来了发展的一种新型的场发射X射线发射装置，采用冷阴极作为电子发射源，即阴极（例如碳纳米管薄膜）在高压电场的作用下，通过场致发射机制产生电子，电子受到加速轰击阳极靶产生X射线（如专利CN200710025641.2，场致发射阴极X射线管）。该种X射线发射装置通常采用二极式和三极式结构。二极式场发射X射线管采用阴极加阳极的结构，阴极在阳极电压提供的高压电场的作用下发射电子，并得到加速轰击阳极靶从而产生X射线。三极式场发射X射线管在阴极和阳极之间加入独立的电极，称为栅极，用于施加场发射所需要的电场。通过打开或关闭栅极电场，可瞬间激活或中断电子束的发射，可实现X射线的可编程、脉冲式发射。该类射线源通常采用一定的聚焦电极用于约束电子束，从而获得更小的焦斑。由于栅极的存在，此类X射线管的常限于采用阳极接正高压，阴极接地的高压接入设计。

对于采用热电子发射原理的传统X射线发射装置，由于热阴极具有工作温度高、功耗大等自身特点，很难将多个阴极集成于单个X射线发射装置中。同时，由于热阴极无法骤然升温或冷却，电子束流不能随时通断，因而时间分辨率有限，无法进行可编程、脉冲式的X射线发射。由于无法进行X射线的精确曝光，也就无法得到辐射剂量的百分百利用率。

场发射X射线发射装置中的场发射阴极由于工作温度低，功耗小，容易将多个阴极集成于单个X射线发射装置中。X射线发射装置的真空容器中的每个阴极配有独立控制电极用于实现依次的、可编程的X射线发射。通过关闭某阴极对应的栅极电场或使某阴极电极悬空的方法，瞬间中断该阴极的电子束的发射，从而实现多个阴极独立的、依次的、可编程、脉冲式X射线发射。同时，这样的X射线控制方式，大大限制了X射线源的高压接入方式，即局限于采用阳极接正高压，阴极接地的设计，这样使得高压接入更加复杂。同时，由于阳极靶接入高压，大大增加了阳极靶散热的难度。