模块化的X射线管以及制造这种模块化的X射线管的方法

技术领域

本发明涉及用于高剂量率(Dosisleistungen)的X射线管、用于以X射线管产生高剂量率的相应的方法以及用于制造相应的X射线装置的方法，在该方法中阳极和阴极在真空化的内腔中彼此相对地布置，其中电子借助可施加的高压被向该阳极加速。

背景技术

X射线管的使用在科学和技术应用中被广泛地推广。X射线管不仅应用在医药中，例如在诊断系统中或在治疗系统中用于照射患病组织，而且例如还用于物质如血液或食品的杀菌，或者用于生物如昆虫的杀菌(使无繁殖能力)。其它应用领域此外在传统的X射线技术中例如行李和/或集装箱透视或者例如工件如钢筋混凝土的无破坏检查等。在现有技术中说明了用于X射线管的不同的方法和装置。它们涵盖从晶体管壳体形式的小型化的管直到具有直到450千伏的加速电压的高功率管。尤其在最近时期，付出了很多工业和技术开销和辛劳，用于改善照射系统的功率和/或效率和/或寿命和/或维修可能性。这些努力特别通过在安全系统中、如例如在航空交通运输中的大宗货物集装箱透视中等，和类似装置中的新要求而引起。

传统的在工业环境中应用的X射线管类型或者由玻璃或者由金属陶瓷复合结构构成。图1示意性地示出由玻璃复合结构构成的这种传统X射线管的一个例子。图2和图3示出由金属陶瓷复合结构构成的传统X射线管。在这些X射线管中，在真空化的管中的电子穿过电场。在这种情况下，这些电子被向其终端能量加速，并在对阴极表面上将该能量转化为X射线。也就是说，X射线管包括阳极和阴极，它们在真空化的内腔中被彼此相对地布置，并且它们在金属陶瓷管中由圆筒形的金属部件(图2/3)包围，而在玻璃管中由玻璃圆筒(图1)包围。在玻璃管中，该玻璃作为绝缘体子(Isolator)起作用。而在这些金属陶瓷管中，阳极和/或阴极通常借助陶瓷绝缘体电绝缘，其中该或这些陶瓷绝缘体轴向朝向金属圆筒地设置在阳极和/或阴极的后面并在各自的末端上封闭该真空腔。这些陶瓷绝缘体典型地被圆盘形(环形)或锥形地实施。原则上，在该管类型中可能是任意的绝缘体几何形状，其中在高压时必须考虑场超高(Feldueberhoehungen)。通常，陶瓷绝缘体在中间具有开口，开口中真空密封地设置有用于阳极或阴极的高压供给。这种类型的X射线管在现有技术中也被称为两极或双极X射线管(图3)。所谓的单极装置(图2)与此不同，其中阳极，也就是对阴极，被设置到地电位上。在这些双极系统中，电子源(阴极)被置于负高压上，而对阴极(阳极)置于正高压上。然而在现有技术的所有构造形式中，用于电子加速的全部加速电压(单级地)紧靠近阳极和阴极之间。也必须注意，存在这样的解决方案，方案中位于地电位上的挡板(中间挡板)安装在阳极和阴极之间。该中间挡板一方面可用作电子光学的透镜，但也作为用于由对阴极反向散射的电子的机械挡板起作用。

这些通过单级的构造而产生的问题或缺点在于，在升高的施加电压中，干扰的物理效应的可能性同时也上升。这些问题目前在单极管中将现有技术的X射线管限制在最大大约200到300kV的施加电压，并且在双极装置中限制在最大大约450kV的施加电压。如刚才提到的，除了期望的X射线的生成之外，在X射线管工作时产生其它物理效应，如例如场致发射、二次电子发射和光电效应，它们限制了管的功能能力。然而，这些效应不仅干扰X射线管的功能，而且能导致材料损害并因此导致部件过早疲劳。特别是二次电子发射以损害X射线管工作而出名。在二次电子发射中，在电子射线撞击到阳极上时，除了X射线外，还产生了并不期望的、但不可避免的二次电子，它们在X射线管内部，在相应于电力线(Fieldlinie)的轨道上前进。这些二次电子能通过各种不同的散射过程和碰撞过程(Stossprozesse)到达绝缘体表面上，并在那里降低HV绝缘性能。然而，二次电子也通过这种途径产生，即在阳极和/或阴极附近，绝缘体在工作时被不可避免的场致发射电子打中，并在那里引发二次电子。在阳极和阴极上接通高压时，也就是说，在X射线管工作时，在内腔和面向内腔的表面中产生电场。这也包括绝缘体表面。X射线管越短且陶瓷绝缘体越长，二次电子和/或场致发射电子击中陶瓷部件的可能性就越大。这导致了装置的高压稳定性和寿命以并不期望的方式下降。因此在圆盘状的绝缘体中，由现有技术，例如由DE2855905已公开，采用所谓的屏蔽电极。这些屏蔽电极例如能成对地使用，其中，它们在旋转对称的X射线管构型中大多数情况下同轴地以确定的距离布置，以最佳地阻止二次电子扩散。然而如已表明的，这些装置在很高的电压时不再能使用。此外，与只有绝缘体的X射线管相比，在这种构造中的材料开销和制造开销更大，现有技术的另一种可能性例如在DE6946926中示出。为了减小加工表面，在这些解决方案中采用了锥形的陶瓷绝缘体。该陶瓷绝缘体具有基本上恒定的壁厚并且例如覆盖有硫化橡胶层。该层应该有助于二次电子较少地产生。如所提到的，在真空腔内部的电场也遍及绝缘体表面。特别在锥形的绝缘体中，通过该场，击中绝缘体的电子或由撞击电子引发的散射电子从表面离开向阳极方向加速。原则上，绝缘锥体这样形成，使得电场的法向量将电子从绝缘体面加速离开(wegbeschleunigen)。若阳极侧的绝缘体如同阴极侧的绝缘体一样作为伸入内腔中的截顶锥体构建，则击中绝缘体的(例如从金属棒(Metallkolben)中被引发的)电子同样朝向阳极被加速。绝缘体的阳极侧的锥体例如被这样形成，使得法向量由表面指向离开。在阳极侧，电子顺着运动到绝缘体表面上，因为没有由绝缘体面指向离开的电场作用在电子上。跑过一定的距离后，这种电子具有了足够的能量，以引发其它的电子，这些其它的电子在它们那方面又引发电子，这样导致在绝缘体表面上奔向阳极的电子雪崩，该电子雪崩能够引起显著的干扰，也可能引起气体逸出甚或绝缘体的击穿。电压越高，该效应就越显著。在电压很高的情况下，这种类型的绝缘体因此就不能再被使用。此外必须注意到，几何长度随着增加的被施加电场而增加。电子根据能量和出射角也能够在阴极方向上运动，特别是在散射电子的情况下。然而在阴极侧，上面描述的效应产生得较小，因为在阴极侧到达绝缘体表面上或从绝缘体表面中引发的电子，在金属圆筒的方向上穿过真空，并且不沿着绝缘体表面运动。为了避开这个缺点，在现有技术中公开了不同的解决方案，例如在公开文献DE2506841中提出，在阴极侧这样地构建绝缘体，使得在绝缘体和管之间出现锥形的空腔。例如在专利文献EP0215034中示出了现有技术的另一种解决方案，其中，圆盘状绝缘体相对于金属圆筒被阶梯状地分层次。然而已表明，在高压情况下，即例如在150kV以上，现有技术示出的所有解决方案都具有干扰，这些干扰此外能够导致材料的过早老化并能产生气体逸出和/或绝缘体击穿。由此现有技术中已公开的X射线管对于很多现代的具有非常高的电压(＞400kV)的应用来说只能不好地被使用甚至不能使用。

发明内容

本发明的任务在于，提出一种新的X射线管和相应的用于制造这种X射线管的方法，其不具有上面所述的缺点。尤其应该提出一种X射线辐射器，其可以实现比传统的X射线辐射器高出数倍的电功率。同样这些管应该可模块化安装，并且能够被简易且成本低廉地制造。此外，该X射线管可能的有缺陷的部件应该可被更换，而不必更换整个X射线管。

根据本发明，该目的特别通过独立权利要求所述的元件实现。此外，其它的有利的实施形式由附属权利要求和说明得出。

这些目的由本发明特别通过如下方式实现，即在X射线管中，阳极和阴极在真空化的内腔中彼此相对地布置，其中在阴极中产生电子e-，借助于可施加的高压被向阳极加速，X射线γ在阳极中借助于电子e-被生成，其中该X射线管包括若干互相补充的加速模块，这些加速模块分别包括至少一个承载电位(potentialtragend)的电极，其中，第一加速模块包括具有原始电子生成(e-)的阴极，其中最后的加速模块包括具有X射线生成(γ)的阳极，并且其中该X射线管包括至少另外一个带有承载电位的电极的加速模块。该阳极可以包括具有出射窗口的用于产生X射线的对阴极或作为传输阳极(Transmissionsanode)构建，其中在传输阳极中X射线管的真空化的内腔向外封闭。这些电极中的至少一个可以包括球形或锥形地构造的末端，以将每一个电极上的场超高降低或减到最小。这些电极例如能够借助电位接头例如可接在高压级联上。此外，本发明的优点在于，可以产生非常高功率的X射线，其中相比于现有技术的管，该X射线管的几何结构尺寸小，并且同时本发明能够实现一种X射线管，它可在很宽的电平范围上稳定地工作，而功率特性不改变。此外，本发明的另一个优点是通过电场的小得多的绝缘体负载。这特别是与传统的圆盘绝缘体相比适用。根据本发明的X射线管例如能在一次性方法(One-Shot-Verfahren)中被制造，其中在单级真空焊接过程中实现全部管的焊接。这特别具有如下优点，即X射线管的紧接着的借助高真空泵的抽真空能够被取消。另外一个优点是，根据本发明的X射线管通过其简单的、模块化的结构特别适合于一次性方法，因为该管内部的场比在传统的管中小得多，并且根据本发明的管由此较不容易受污染和/或未密封的部位的损坏。

在一种实施变形方案中，相邻加速模块的每两个承载电位的电极之间的电位差对于所有的加速模块都选为恒定，其中被加速的电子(e-)的终端能量是加速模块能量的整数多倍。此外该实施变形方案具有如下优点，即绝缘体的负载在该段距离上恒定且没有能对管的运行能力产生不利影响的场超高出现。

在另外一种实施变形方案中，加速模块中的至少一个具有可重复关断的真空阀。这些加速模块在此可以单面地或双面地设置有真空密封物(Vakuumdichtung)，以允许在单个加速模块之间的气密的闭合。该实施变形方案此外具有如下优点，即可以借助真空阀来代替X射线管的单个部件，而无需如在传统的X射线管中那样必须同时替换整个管。因为该管被模块化地构造，所以通过代替其它的加速模块或去除现有模块，管可以事后地毫无问题地与被改变的工作前提相匹配。这在现有技术的管中不会如此可行。

在另外的一种实施变形方案中，这些加速模块包括圆筒状的绝缘陶瓷。该实施变形此外具有如下优点，即在通过该电场的适当的负载的情况下机械结构上的开销是小的，其中可获得特别高的功率特性。

在又另外一种实施变形方案中，该绝缘陶瓷具有高阻的内涂层。该实施变形方案此外具有如下优点，即避免了通过被散射的电子的干扰的充电，这些电子一方面通过绝缘体材料中根据场的条件下的过程引起，另一方面通过由阳极对阴极反向散射的二次电子以及通过场致发射电子而引起。由此X射线管的寿命和/或在单个加速电极之间的电位差被附加地提高。

在一种实施变形方案中，该绝缘陶瓷53包括肋状外部结构。通过绝缘陶瓷53的该形状，在绝缘体外侧(大气侧)上的绝缘距离可以被延长。该实施变形方案此外具有如下优点，即其具有相应于高压形成的外部结构。该外部结构附加地允许了X射线管改善的更有效率的冷却。

在一种另外的实施变形方案中，这些加速模块的电极包括屏蔽，以抑制到绝缘陶瓷上的散射电子流。屏蔽中的至少一个可以包括球形或锥形地构造的末端，以将在每一个屏蔽上的场超高降低或减到最小。此外该实施变形方案具有如下优点，即这些屏蔽形成对绝缘陶瓷的附加保护。由此X射线管的寿命和/或在单个加速电极之间的电位差可以附加地被提高。

在一种实施变形方案中，根据本发明的X射线管在一次性方法中被制造。另外这具有如下优点，即X射线管10的接下来的借助于高真空泵的抽真空能够被取消。此外，一次性方法—即在真空中通过管的整体焊接的单级制造方法(一次性方法)—的另外一个优点是，人们有独特的制造过程，且不像传统的三步：1.组件焊接/2.将组件连接在一起(例如钎焊或熔焊)/3.借助真空泵将管抽真空。因此单级制造方法更有经济效益、更省时间并且更便宜。同时在该方法中，在合适的过程导向(Prozessfuehrung)中，对管的污染可以被减到最小。然而当这些管已经尽可能地免受污染时是有利的，该污染在通常情况下将绝缘陶瓷的耐压强度减到最小。在大多数情况下，对管10的真空密封性的要求在一次性方法中与在多级制造方法中相同。

在这里要理解，除了根据本发明的方法外，本发明也涉及用于实施该方法的装置以及用于制造这种装置的方法。特别地还涉及照射系统，这些系统包括至少一个根据本发明的X射线管，其具有一个或多个高压级联用于至少一个X射线管的电压供应。

附图说明

接下来借助例子说明本发明的实施变形方案。实施例通过以下附图说明。

图1示出了一个结构图，它示意性地示出由现有技术的玻璃复合结构构成的X射线管10结构图。其中电子e-由阴极30发射且X射线γ由阳极20通过窗口201被放射。50是圆筒形的玻璃管，其中玻璃用作绝缘体。

图2示出了一个结构图，它示意性地示出由现有技术的金属陶瓷复合结构构成的单极X射线管10结构图。51是陶瓷绝缘体，52是设置在地面上的金属圆筒。其中电子e-由阴极30发射且X射线γ由阳极20通过窗口201放射。

图3示出了一个结构图，它示意性地示出同样由现有技术的金属陶瓷复合结构构成的双极X射线管10结构图。51是陶瓷绝缘体，52是设置在地面上的金属圆筒。其中电子e-由阴极30发射且X射线γ由阳极20通过窗口201放射。

图4示出了一个结构图，其示意性地示出根据本发明的X射线管10的外视图的一个例子。

图5示出了一个结构图，它示意性地示出根据本发明的X射线管10的一个实施变形方案结构图。其中电子e-由阴极30发射且X射线γ由阳极20放射。该X射线管10包括若干互相补充的加速模块41，...，45且每一个加速模块41，...，45包括至少一个承载电位的电极20/30/423/433/443。

图6示出了一个结构图，它示意性地示出根据本发明的X射线管10的另外的一个实施变形方案的结构结构图。该X射线管10与图3相同包括若干互相补充的具有承载电位电极20/30/423/433/443的加速模块41，...，45。这些加速模块附加地包括电极屏蔽422/432/442，以抑制到绝缘陶瓷上的散射电子流。

图7同样示出了一个结构图，它示意性地示出根据本发明的X射线管10的另外一种实施变形方案结构图。该X射线管10与图3相同包括若干互相补充的具有载电位电极20/30/423/433/443的加速模块41，...，45。这些加速模块41，...，45中的至少一个附加地包括可重复关断的真空阀531。

图8示出根据本发明的X射线管10的剖面图，其示意性地示出根据图3的一个实施变形方案的结构。

图9示出根据本发明的X射线管10的另一个剖面图。加速模块41，...，45附加地包括屏蔽423，...，443的可能的实施形式，以抑制到绝缘陶瓷上的散射电子流。此外该实施变形方案具有如下优点，即这些屏蔽形成对绝缘陶瓷的附加保护。由此X射线管的寿命和/或在单个加速电极之间的电位差可以被附加地提高。图9的可能的实施形式示出电极423/433/443和/或屏蔽412，...，415的球形或锥形地构造的末端，以将在每一个电极423/433/443和/或屏蔽412，...，415上的场超高降低或减到最小。电极423/433/443例如能够通过电位接头连接至高压级联上。

图10示出模块化的金属陶瓷管的加速级的原理构造，该金属陶瓷管具有带有两个加速模块42/43的模块化的两级加速级，两个加速模块42/43具有绝缘陶瓷50、加速电极423/433和电位接头421/431。

图11示意性地示出具有800kV管的实施例的、在根据本发明的模块化的X射线管10中的电位分布。

图12示意性地示出具有根据本发明的X射线管10的照射系统60。该照射系统60包括用于X射线管10的电压供应的高压级联62、高压变压器63以及用于从屏蔽壳体65出去的X射线γ的出射窗口61。

图13示出三个加速模块42/43/44的另外一个实施变形方案，三个加速模块42/43/44具有绝缘陶瓷50、电子屏蔽422/432/442和加速电极423/433/443。