Устройство, имеющее анод для генерации рентгеновского излучения
Изобретение относится к области рентгенотехники. Анод для генерации рентгеновского излучения имеет держатель и удерживаемый держателем слой мишени. При этом слой мишени включает в себя средний участок и краевой участок. Анод предусмотрен для того, чтобы подвергаться воздействию пучка электронов, направленного на средний участок слоя мишени. При этом краевой участок относительно направления пучка электронов расположен в стороне рядом со средним участком. Кроме того, краевой участок в направлении пучка электронов имеет большую толщину, чем средний участок. Устройство (300) имеет коллектор (340), который предусмотрен для того, чтобы улавливать электроны пучка (320) электронов, которые проникли сквозь анод (400), причем посредством упомянутого коллектора (340) между катодом и коллектором (340) устройства замыкается электрическая цепь, так что собранные коллектором (340) электроны возвращаются обратно по электрической цепи. Технический результат - повышение энергетической эффективности устройства. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 5 ил.
Настоящее изобретение касается анода для генерации рентгеновского излучения по п. 1 формулы изобретения, а также устройства для генерации рентгеновского излучения по п. 9 формулы изобретения.
Рентгеновские трубки для генерации рентгеновского излучения известны из уровня техники. Рентгеновские трубки имеют катод для эмиссии электронов. Эмитированные электроны движутся высоким напряжением с ускорением на анод. В аноде электроны тормозятся и генерируют при этом рентгеновское тормозное излучение и характеристическое рентгеновское излучение. Рентгеновское тормозное излучение имеет широкое спектральное распределение, в то время как характеристическое рентгеновское излучение имеет дискретный линейчатый спектр. В излучаемом рентгеновской трубкой рентгеновском излучении два вида излучения наложены друг на друга.
Для определенных целей применения характеристическое рентгеновское излучение с дискретными энергиями подходит лучше, чем рентгеновское тормозное излучение. Известна фильтрация рентгеновского излучения металлическими фильтрами для снижения доли тормозного излучения. Впрочем, такие фильтры ослабляют также долю характеристического рентгеновского излучения.
Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предоставить усовершенствованный анод для генерации рентгеновского излучения. Эта задача решается с помощью анода с признаками п. 1 формулы изобретения. Другая задача изобретения заключается в том, чтобы предоставить усовершенствованное устройство для генерации рентгеновского излучения. Эта задача решается с помощью устройства с признаками п. 9 формулы изобретения. Предпочтительные усовершенствования указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
Предлагаемый изобретением анод для генерации рентгеновского излучения имеет держатель и удерживаемый держателем слой мишени. При этом слой мишени включает в себя средний участок и краевой участок. Анод предусмотрен для того, чтобы подвергаться воздействию пучка электронов, направленного на средний участок слоя мишени. При этом краевой участок относительно направления пучка электронов расположен в стороне рядом со средним участком. Кроме того, краевой участок в направлении пучка электронов имеет большую толщину, чем средний участок. Предпочтительно краевой участок слоя мишени этого анода может служить для фильтрации рентгеновского излучения, генерированного в среднем участке слоя мишени анода. Благодаря этому предпочтительно улучшается монохромность рентгеновского излучения, генерированного анодом.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления анода краевой участок приподнят над средним участком в направлении, противоположном направлению пучка электронов. Предпочтительно тогда рентгеновское излучение, генерированное в среднем участке слоя мишени, может излучаться против направления пучка электронов и при этом проходить часть краевого участка слоя мишени анода, вследствие чего происходит ослабление доли непрерывной длины волны рентгеновского излучения.
В одном из вариантов осуществления анода краевой участок кольцеобразно расположен вокруг среднего участка. Предпочтительно краевой участок может тогда осуществлять фильтрацию рентгеновского излучения, эмитированного в различных направлениях пространства.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления анода слой мишени выполнен из единого материала. Предпочтительно благодаря этому получается особенно простая конструкция слоя мишени, а также всего анода.
В одном из целесообразных вариантов осуществления анода слой мишени содержит материал с порядковым номером элемента от 42 до 74. Предпочтительно эти материалы особенно хорошо подходят для генерации рентгеновского излучения.
В одном из особенно предпочтительных вариантов осуществления анода слой мишени содержит вольфрам. Предпочтительно вольфрам хорошо подходит для генерации и для фильтрации рентгеновского излучения.
В одном из вариантов осуществления анода средний слой имеет толщину от 50 нм до 10 мкм. Предпочтительно этот диапазон толщин оказался особенно подходящим.
В одном из также предпочтительных вариантов осуществления анода средний слой перпендикулярно к направлению пучка электронов имеет диаметр от 1 мм до 20 мм. Предпочтительно эти значения оказались особенно подходящими.
Предлагаемое изобретением устройство для генерации рентгеновского излучения имеет катод для испускания пучка электронов и анод вышеназванного рода. При этом анод расположен так, что испускаемый катодом пучок электронов попадает на средний участок слоя мишени. Предпочтительно у этого устройства рентгеновское излучение, генерированное в среднем участке слоя мишени анода, может фильтроваться краевым участком слоя мишени анода, благодаря чему улучшается монохроматичность генерированного рентгеновского излучения.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления устройства анод расположен так, что испускаемый катодом пучок электронов попадает на средний участок слоя мишени перпендикулярно. Предпочтительно благодаря этому получается симметричная и компактная конструкция устройства.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления устройства оно имеет окно для вывода рентгеновского излучения, генерированного в слое мишени. Причем это окно расположено так, что рентгеновское излучение, генерированное в среднем участке слоя мишени и выведенное через окно, сначала проникает сквозь краевой участок слоя мишени. Предпочтительно тогда рентгеновское излучение, генерированное в среднем участке слоя мишени, при проникновении сквозь краевой участка слоя мишени фильтруется, благодаря чему повышается монохроматичность этого рентгеновского излучения.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления устройства окно расположено так, что выведенное рентгеновское излучение проникает сквозь краевой участок слоя мишени в середине на длине от 10 мкм до 100 мкм. Оказалось, что такая длина проникновения ведет к предпочтительному повышению монохроматичности рентгеновского излучения без сильного ослабления интенсивности рентгеновского излучения в целом.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления устройства окно расположено так, что рентгеновское излучение, направленное обратно направлению пучка электронов, может выводиться через окно. Предпочтительно рентгеновское излучение, направленное обратно, по сравнению с рентгеновским излучением, направленным вперед, имеет более высокую долю характеристического рентгеновского излучения, так что выведенное из устройства рентгеновское излучение после фильтрации краевым участком слоя мишени анода имеет особенно высокую монохроматичность.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления устройства оно имеет коллектор, который предусмотрен для того, чтобы улавливать электроны пучка электронов, которые проникли сквозь анод. Предпочтительно посредством коллектора может замыкаться электрическая цепь между катодом и коллектором устройства, благодаря чему улучшается энергетическая эффективность устройства.
Описанные выше свойства, признаки и преимущества этого изобретения, а также способ их достижения становятся яснее и отчетливее понятны в контексте последующего описания примеров осуществления, которые поясняются подробнее в связи с чертежами. При этом показано:
фиг.1: рентгеновский спектр, эмитируемый рентгеновской трубкой, имеющей анод, снабженный вольфрамовым слоем мишени;
фиг.2: линейный коэффициент поглощения вольфрама;
фиг.3: схематичное изображение устройства для генерации рентгеновского излучения;
фиг.4: схематичное изображение в перспективе слоя мишени анода по первому варианту осуществления; и
фиг.5: схематичное изображение в перспективе слоя мишени анода по второму варианту осуществления.
На фиг.1 на графике показан рентгеновский спектр 100. По горизонтальной оси нанесена энергия 101 в кэВ. По вертикальной оси нанесен поток 102 фотонов в 1/(кэВ⋅мА⋅мм⋅с).
Первый спектр 110 дает спектральное распределение рентгеновского излучения, которое было эмитировано вольфрамовым слоем мишени анода рентгеновской трубки и отфильтровано фильтром из алюминия толщиной 2 мм. Первый спектр 110 имеет непрерывную долю тормозного излучения 111. Кроме того, первый спектр 110 имеет максимум при дискретных значениях энергии, которые образуются характеристическим рентгеновским излучением 112.
На фиг.2 показано с помощью графика 200 ослабление рентгеновского излучения фильтром из вольфрама. По горизонтальной оси, в свою очередь, нанесена энергия 101 в кэВ. По вертикальной оси нанесен коэффициент 202 поглощения в см-1.
На фиг.2 показана кривая 210 изменения линейного коэффициента поглощения вольфрама. Можно видеть, что линейный коэффициент поглощения вольфрама с возрастанием энергии уменьшается. Впрочем, кривая 210 изменения коэффициента поглощения вольфрама имеет К-край (K-edge) 213, на котором спадающая кривая 210 изменения коэффициента поглощения вольфрама скачкообразно повышается. К-край 213 наступает при энергии 101, которая соответствует энергии связи электронов, расположенных в К-оболочке атомов вольфрама.
Кроме того, на графике 200 фиг.2 отмечены значения энергии двух важных линий характеристического рентгеновского излучения вольфрама. Это Кα1-линия 211 и Кα2-линия 212.
Когда рентгеновское излучение, имеющее изображенный на фиг.1 первый рентгеновский спектр 110, фильтруется дополнительным фильтром из вольфрама, то происходит дополнительное ослабление этого рентгеновского излучения. При этом из-за К-края 213 на кривой 210 изменения коэффициента поглощения вольфрама высокоэнергетичные доли первого спектра 110 ослабляются сильнее, чем область Кα1-линии и Кα2-линии характеристического рентгеновского излучения 112 первого спектра 110. Благодаря этому повышается относительная интенсивность вышеназванных линий в спектре фильтрованного рентгеновского излучения.
На фиг.1 с помощью второго спектра 120 показано спектральное распределение рентгеновского излучения первого спектра 110 после дополнительной фильтрации 110 вольфрамовым фильтром толщиной 50 мкм. Можно видеть, что доля 121 тормозного излучения 121 второго спектра 120 по сравнению с долей 111 тормозного излучения 111 первого спектра 110 сильно снижена. Доля характеристического рентгеновского излучения 122 второго спектра 120 менее сильно ослаблена по сравнению с долей характеристического рентгеновского излучения 112 первого спектра 110. Благодаря этому второй спектр 120 обладает более высокой монохроматичностью, чем первый спектр 110.
На фиг.3 в сильно схематизированном изображении показано сечение устройства 300 для генерации рентгеновского излучения. Изображенные на фиг.3 компоненты устройства 300 для генерации рентгеновского излучения могут быть, например, расположены в вакуумной трубке. В этом случае устройство 300 для генерации рентгеновского излучения может также называться рентгеновской трубкой.
Устройство 300 для генерации рентгеновского излучения имеет катод 310. Катод 310 предусмотрен для того, чтобы эмитировать электроны для создания пучка 320 электронов. Катод 310 может, например, эмитировать электроны посредством тепловой эмиссии или посредством полевой эмиссии. Пучок 320 электронов, образованный эмитируемыми катодом 310 электронами, ускоряется не изображенным высоким напряжением в направлении 325 пучка.
Устройство 300 для генерации рентгеновского излучения включает в себя также анод 400. Анод 400 имеет держатель 410 и удерживаемый держателем 410 слой 420 мишени. Слой 420 мишени, в свою очередь, включает в себя средний участок 430 и краевой участок 440. Краевой участок 440 относительно направления 325 пучка расположен со смещением в сторону относительно среднего участка 430.
Средний участок 430 и краевой участок 440 предпочтительно выполнены из единого материала. При этом средний участок 430 и краевой участок 440 слоя 420 мишени предпочтительно состоят из материала с порядковым номером элемента от 42 до 74. Особенно предпочтительно средний участок 430 и краевой участок 440 слоя 420 мишени состоят из вольфрама. Держатель 410 может, например, состоять из алмаза.
Анод 400 имеет переднюю сторону 421 и заднюю сторону 422. Передняя сторона 421 анода 400 обращена к катоду 310. Анод 400 расположен так, что исходящий от катода 310 пучок 320 электронов примерно перпендикулярно попадает на среднюю область среднего участка 430 слоя 420 мишени.
Попадающий на средний участок 430 слоя 420 мишени анода 400 пучок 320 электронов тормозится в среднем участке 430 слоя 420 мишени, при этом возникает рентгеновское излучение 330. Это рентгеновское излучение 330 излучается в нескольких или всех направлениях пространства, в частности в направлении 335 излучения. Направление 335 излучения предпочтительно ориентировано обратно направлению 325 пучка 320 электронов. Это означает, что направление 335 излучения направлено от среднего участка 430 слоя 420 мишени анода 400 в ту половину пространства, в которой расположен катод 310.
Устройство 300 для генерации рентгеновского излучения имеет окно 350, которое служит для того, чтобы выводить эмитированное в направлении 335 излучения рентгеновское излучение 330 из устройства 300. Окно 350 может, например, состоять из алюминия или из бериллия.
Средний участок 430 слоя 420 мишени перпендикулярно направлению 325 пучка имеет диаметр 432. Диаметр 432 может, например, составлять от 1 мм до 20 мм. В направлении 325 пучка средний участок 430 слоя 420 мишени имеет толщину 431. Толщина 431 может, например, составлять от 50 нм до 10 мкм. В изображенном примере расположенный снаружи вокруг среднего участка 430 краевой участок 440 слоя 420 мишени имеет диаметр 442, который больше, чем диаметр 432 среднего участка 430. Кроме того, краевой участок 440 слоя 420 мишени в направлении 325 пучка имеет толщину 441, которая больше, чем толщина 431 среднего участка 430. При этом краевой участок 440 на передней стороне 421 (то есть против направления 325 пучка) приподнят над средним участком 430 слоя 420 мишени.
Толщина 441 и диаметр 442 краевого участка 440 слоя 420 мишени, диаметр 432 среднего участка 430 слоя 420 мишени и положение окна 350 согласованы друг с другом таким образом, что рентгеновское излучение 330, излученное в направлении 335 излучения от среднего участка 430 слоя 420 мишени анода 400, на своем пути к окну 350 проникает сквозь служащую областью 450 фильтра часть краевого участка 440 слоя 420 мишени. При этом рентгеновское излучение 330 проникает сквозь область 450 фильтра краевого участка 440 в середине на длине 455 проникновения, которая может составлять, например, от 10 мкм до 100 мкм. Во время проникновения сквозь область 450 фильтра рентгеновское излучение 330 фильтруется, так что его монохроматичность повышается, как это пояснялось с помощью фигур 1 и 2.
Устройство 300 для генерации рентгеновского излучения включает в себя также коллектор 340, который расположен в направлении 325 пучка позади анода 400. Коллектор 340 служит для того, чтобы собирать электроны пучка 320 электронов, которые проникли сквозь анод 400. Собранные коллектором 340 электроны могут возвращаться обратно по электрической цепи, благодаря чему энергетическая эффективность устройства 300 для генерации рентгеновского излучения улучшается.
На фиг.4 показано схематичное изображение в перспективе слоя 420 мишени анода 400 устройства 300 для генерации рентгеновского излучения с фиг.3. Можно видеть, что краевой участок 440 кольцеобразно расположен вокруг среднего участка 430 слоя 420 мишени. Это исполнение слоя 420 мишени обладает тем преимуществом, что анод 400 в устройстве 300 для генерации рентгеновского излучения может вращаться вокруг оси вращения, параллельной пучку 320 электронов. Во время эксплуатации устройства 300 для генерации рентгеновского излучения это приводит к более равномерному нагреву и износу слоя 420 мишени анода 400. Впрочем, можно также обойтись без вращения анода 400.
На фиг.5 показано схематичное изображение в перспективе слоя 1420 мишени по второму варианту осуществления. Слой 1420 мишени с фиг.5 может заменять слой 420 мишени анода 400 устройства 300 для генерации рентгеновского излучения с фиг.3. Слой 1420 мишени включает в себя, в свою очередь, средний участок 1430 и краевой участок 1440. Слой 1420 мишени имеет переднюю сторону 1421 и заднюю сторону 1422. Слой 1420 мишени предусмотрен для того, чтобы удерживаться держателем 410 анода 400 таким образом, чтобы создаваемый катодом 310 пучок 320 электронов попадал на переднюю сторону 1421 среднего участка 1430.
В отличие от краевого участка 440 слоя 420 мишени краевой участок 1440 слоя 1420 мишени с фиг.5 расположен не кольцеобразно вокруг всего среднего участка 1430 слоя 1420 мишени. В отличие от этого краевой участок 1440 имеет форму сектора кругового кольца, который расположен только в одной ограниченной угловой области в стороне рядом со средним участком 1430 слоя 1420 мишени. При этом краевой участок 1440 расположен рядом со средним участком 1430 слоя 1420 мишени таким образом, что генерированное в среднем участке 1430 слоя 1420 мишени рентгеновское излучение 330 в направлении 335 излучения проникает сквозь краевой участок 1440 слоя 1420 мишени. При использовании слоя 1420 мишени в аноде 400 устройства 300 для генерации рентгеновского излучения анод 400 не вращается.
Хотя изобретение было подробно проиллюстрировано и описано в деталях на предпочтительно примерах осуществления, изобретение не ограничено раскрытыми примерами. Специалистом могут быть выведены отсюда другие варианты без выхода из объема охраны изобретения.
1. Устройство (300) для генерации рентгеновского излучения (330), имеющее катод (310) для испускания пучка (320) электронов и анод (400) для генерации рентгеновского излучения (330), причем анод (400) имеет держатель (410) и удерживаемый держателем (410) слой (420, 1420) мишени,
при этом слой (420, 1420) мишени включает в себя средний участок (430, 1430) и краевой участок (440, 1440),
при этом анод (400) предусмотрен для того, чтобы подвергаться воздействию пучка (320) электронов, направленного на средний участок (430, 1430) слоя (420, 1420) мишени,
при этом краевой участок (440, 1440) относительно направления (325) пучка (320) электронов расположен в стороне рядом со средним участком (430, 1430),
при этом краевой участок (440, 1440) в направлении (325) пучка (320) электронов имеет большую толщину, чем средний участок (430, 1430),
причем
средний участок (430, 1430) и краевой участок (440, 1440) слоя (420, 1420) мишени анода (400) выполнены из единого материала,
краевой участок (440, 1440) приподнят над средним участком (430, 1430) в направлении, противоположном направлению (325) пучка (320) электронов так, что рентгеновское излучение (330), генерированное в среднем участке (430, 1430) слоя (420, 1420) мишени, излучается против направления (325) излучения пучка (320) электронов, и при этом проходит часть краевого участка (440, 1440) слоя (420, 1420) мишени анода (400),
при этом
рентгеновское излучение (330), генерированное в среднем участке (430, 1430) слоя (420, 1420) мишени анода (400), таким образом фильтруется краевым участком (440, 1440) слоя (420, 1420) мишени анода (400), что повышается монохромность рентгеновского излучения (300),
при этом анод (400) расположен так, что испускаемый катодом (310) пучок (320) электронов попадает на средний участок (430, 14 30) слоя (420, 1420) мишени,
при этом устройство (300) имеет коллектор (340), который предусмотрен для того, чтобы улавливать электроны пучка (320) электронов, которые проникли сквозь анод (400), причем посредством упомянутого коллектора (340) между катодом и коллектором (340) устройства замыкается электрическая цепь, так что собранные коллектором (340) электроны возвращаются обратно по электрической цепи.
2. Устройство (300) по п. 1,
в котором анод (400) расположен так, что испускаемый катодом (310) пучок (320) электронов попадает на средний участок (430, 1430) слоя (420, 1420) мишени перпендикулярно.
3. Устройство (300) по одному из пп. 1 или 2,
в котором устройство (300) имеет окно (350) для вывода генерированного в слое (420, 1420) мишени рентгеновского излучения (330),
причем это окно (350) расположено так, что генерированное в среднем участке (430, 1430) слоя (420, 1420) мишени и выведенное через окно (350) рентгеновское излучение (330) сначала проникает сквозь краевой участок (440, 1440) слоя (420, 1420) мишени.
4. Устройство (300) по п. 3,
в котором окно (350) расположено так, что выведенное рентгеновское излучение (330) проникает сквозь краевой участок (440, 1440) слоя (420, 1420) мишени в середине на длине (445) от 10 мкм до 100 мкм.
5. Устройство (300) по п. 3,
в котором окно (350) расположено так, что направленное обратно направлению (325) пучка (320) электронов рентгеновское излучение (330) может выводиться через окно (350).
6. Устройство (300) по п. 4,
в котором окно (350) расположено так, что направленное обратно направлению (325) пучка (320) электронов рентгеновское излучение (330) может выводиться через окно (350).
7. Анод (400) для генерации рентгеновского излучения (330), используемый в устройстве (300) для генерации рентгеновского излучения (330) по одному из пп. 1-6.
8. Анод (400) по п. 7,
в котором краевой участок (440) кольцеобразно расположен вокруг среднего участка (430).
9. Анод (400) по одному из пп. 7 или 8,
в котором слой (420, 1420) мишени выполнен из единого материала.
10. Анод (400) по одному из пп. 7 или 8,
в котором слой (420, 1420) мишени содержит материал с порядковым номером элемента от 42 до 74.
11. Анод (400) по п. 9,
в котором слой (420, 1420) мишени содержит материал с порядковым номером элемента от 42 до 74.
12. Анод (400) по п. 10,
в котором слой (420, 1420) мишени содержит вольфрам.
13. Анод (400) по п. 11,
при этом слой (420, 1420) мишени содержит вольфрам.
14. Анод (400) по одному из пп. 7-8, 11, 12 или 13,
в котором средний слой (430, 1430) имеет толщину (431) от 50 нм до 10 мкм.
15. Анод (400) по п. 9,
в котором средний слой (430, 1430) имеет толщину (431) от 50 нм до 10 мкм.
16. Анод (400) по п. 10,
в котором средний слой (430, 1430) имеет толщину (431) от 50 нм до 10 мкм.
17. Анод (400) по одному из пп. 7-8, 11-13, 15 или 16,
в котором средний слой (430, 1430) перпендикулярно к направлению (325) пучка (320) электронов имеет диаметр (432) от 1 мм до 20 мм.
18. Анод (400) по п. 9,
в котором средний слой (430, 1430) перпендикулярно к направлению (325) пучка (320) электронов имеет диаметр (432) от 1 мм до 20 мм.
19. Анод (400) по п. 10,
в котором средний слой (430, 1430) перпендикулярно к направлению (325) пучка (320) электронов имеет диаметр (432) от 1 мм до 20 мм.
20. Анод (400) по п. 14,
в котором средний слой (430, 1430) перпендикулярно к направлению (325) пучка (320) электронов имеет диаметр (432) от 1 мм до 20 мм.
