TWI612943B - Ｘ射線產生設備及包括ｘ射線產生設備的放射線攝影系統 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種X射線產生設備，其中，陽極構件可能由於容器的熱變形而被變形的可能性被消除或降低，以將電子源與穿透靶材之間的位置關係維持在預定範圍內，並達成X射線的穩定輸出。X射線產生設備包括X射線產生管、以及容納X射線產生管的容器。X射線產生管包括陽極，其包括穿透靶材、以及保持穿透靶材的陽極構件。陽極構件與可變形構件一起被夾於容器與被固定到容器的保持構件之間，從而將X射線產生管連接到容器。

Description

X射線產生設備及包括X射線產生設備的放射線攝影系統

本發明關於一種放射性攝影系統，其可適用於，例如，醫療儀器及非破壞性檢驗設備，且關於被包含在此系統中的X射線產生設備。

X射線產生管包括絕緣管、附接到絕緣管的一個開口的陰極、以及附接到絕緣管的另一個開口的陽極，以形成真空容器。陰極被連接到電子源。陽極包括靶材。在X射線產生管中，管電壓(tube voltage)被施加在陰極與陽極之間，以使電子源發射電子束，且被發射的電子束與靶材碰撞，從而產生X射線。

PTL1揭露了一種X射線產生設備，其包括穿透X射線產生管，穿透X射線產生管包括穿透靶材以及容納X射線產生管的容器。在PTL1中所說明的X射線產生管中，陽極構件藉由螺釘而被固定到容器，從而經由容器使陽極接地。

[引用列表] [專利文獻] [PTL 1]

日本專利公開第2004-265602號

如PTL1中所揭露的，保持靶材的陽極構件被固定到X射線產生設備中的容器。在這種配置中，X射線束(X-ray beam)的品質可能依據X射線產生設備的驅動歷程而變化，影響到所捕捉的影像的品質。X射線束品質的變化包括焦點(focal spot)形狀的變化以及焦點大小的變化。為了提升X射線產生設備的可靠性，這種變化必須被消除或降低。

典型的X射線產生設備包括容器、X射線產生管(其功率效率(power efficiency)並非總是高的)、用於對X射線產生管施加管電壓的管電壓電路、以及用於控制電子源的驅動電路。容器容納X射線產生管及電路。容器可能由於從，例如，X射線產生管、管電壓電路以及驅動電路所產生的熱而變形。

存在有對於X射線產生設備的需求，其中，所產生的X射線束的品質幾乎不會因為容器的熱變形而變化。

本發明提供一種高度可靠的X射線產生設 備，其中，陽極構件可能由於容器的熱變形而被變形的可能性被消除或降低，且與驅動相關聯之X射線品質中的變化被消除或降低。本發明還提供一種高度可靠的放射線攝影系統，其包括X射線產生設備，且其中，影像品質中的變化被消除或降低。

本發明提供一種X射線產生設備，其包括X射線產生管、以及容納X射線產生管的容器。X射線產生管包括陽極，其包括配置來產生X射線的穿透靶材、以及保持穿透靶材的陽極構件。陽極構件與可變形構件一起被夾於容器與被固定到容器的保持構件之間，從而將X射線產生管連接到容器。

本發明還提供一種放射線攝影系統，其包括X射線產生設備；X射線檢測設備，配置來檢測從X射線產生設備所發射並穿透通過物件的X射線；以及系統控制器，配置來控制X射線產生設備及X射線檢測設備，使得這些設備以相互協同的方式運作。

從以下例示性實施例的描述參照所附圖式，本發明的進一步特徵將變得清楚明瞭。

根據本發明，在配置為使得X射線產生管的陽極構件被附接到容器的X射線產生設備中，容器的變形由與陽極構件一起被夾於容器與保持構件之間的可變形構件所吸收，從而消除或降低陽極構件的變形。這消除或降 低了由從容器的變形導致的陽極構件的變形所造成的電子源與靶材之間的距離中的變化。根據本發明，X射線產生設備實現穩定的X射線發射並展現出高的可靠性。此外，X射線焦點位置中的偏移在用於檢測從根據本發明的X射線產生設備所發射的X射線之X射線檢測器中被消除或降低。因此，根據本發明之X射線產生設備的使用消除或降低了影像品質中的變化。因此，包括根據本發明的X射線產生設備之放射線攝影系統展現出高的可靠性。

1‧‧‧X射線產生管

2‧‧‧陰極

3‧‧‧絕緣管

4‧‧‧陽極

5‧‧‧電子源

6‧‧‧電子透鏡

7‧‧‧陰極構件

8‧‧‧靶材

9‧‧‧陽極構件

10‧‧‧電子束

11‧‧‧容器

11a‧‧‧開口

12‧‧‧保持構件

13‧‧‧螺釘

14‧‧‧可變形構件

14b‧‧‧後可變形構件

14f‧‧‧前可變形構件

14i‧‧‧內可變形構件

14o‧‧‧外可變形構件

15‧‧‧X射線

16‧‧‧驅動電路

17‧‧‧絕緣流體

20‧‧‧X射線產生設備

50‧‧‧放射線攝影系統

51‧‧‧系統控制器

52‧‧‧顯示器

53‧‧‧X射線檢測設備

54‧‧‧X射線檢測器

55‧‧‧信號處理器

56‧‧‧物件

d‧‧‧距離

d’‧‧‧距離

[圖1]圖1示意性地顯示根據本發明的實施例之X射線產生設備的例示性配置，且為顯示X射線產生管之絕緣管的軸向剖面圖。

[圖2A]圖2A示意性地顯示圖1的X射線產生設備之X射線產生管及其環境，且為顯示當從設備的外部觀看時之X射線產生管的陽極的平面圖。

[圖2B]圖2B示意性地顯示圖1的X射線產生設備之X射線產生管及其環境，且為顯示X射線產生管之絕緣管的軸向剖面圖。

[圖3A]圖3A為不具有本發明的特徵之配置的示意剖面圖，且解釋了X射線產生設備中的容器的變形對於陽極構件的影響。

[圖3B]圖3B為實施例中的配置的示意剖面圖，且 解釋了X射線產生設備中的容器的變形對於陽極構件的影響。

[圖4A]圖4A為根據實施例的X射線產生設備的修改的剖面圖，且顯示陽極構件與容器之間的連接。

[圖4B]圖4B為根據實施例的X射線產生設備的另一個修改的剖面圖，且顯示陽極構件與容器之間的連接。

[圖4C]圖4C為根據實施例的X射線產生設備的又另一個修改的剖面圖，且顯示陽極構件與容器之間的連接。

[圖4D]圖4D為根據實施例的X射線產生設備的仍又另一個修改的剖面圖，且顯示陽極構件與容器之間的連接。

[圖4E]圖4E為根據實施例的X射線產生設備的又另一個修改的剖面圖，且顯示陽極構件與容器之間的連接。

[圖5]圖5為根據本發明的實施例之放射線攝影系統的例示性配置之示意圖。

下面將參照圖式說明本發明的實施例，但本發明不限於這些實施例。應注意，本領域中已知或為人所周知的技術係應用於在此說明書中未特別顯示或說明的部分。

[X射線產生設備]

圖1示意性地顯示根據本發明的實施例之X射線產生設備的例示性配置。圖1為顯示X射線產生管1的軸向剖面圖。

根據本發明的實施例之X射線產生設備20包括具有開口11a的容器11、以及被容納在容器11中的X射線產生管1。容器11的內部空間被絕緣流體17所填充。在此實施例中，容器11還容納驅動電路16，驅動電路16藉由構件(未示出)被固定到容器11。驅動電路16藉由線路(未示出)而被連接到X射線產生管1。驅動電路16可能被設置在容器11的外部。容器11可由金屬(例如，鋁、黃銅、或304不銹鋼(在下文中稱作“SUS 304”))所形成。絕緣流體17的範例包括絕緣液體(例如，礦物油(mineral oil)及矽油(silicone oil))、以及絕緣氣體(例如，六氟化硫(SF₆))。在此設備中，X射線產生管1被插入到容器11的開口11a中，且被連接到容器11，以氣密性地密封容器11。

圖2A及圖2B為顯示圖1中的X射線產生管1及其環境的放大圖。圖2A為顯示當從X射線產生設備20的外部觀看時之X射線產生管1的陽極4的平面圖。圖2B為顯示絕緣管3之沿著圖2A中的線IIB-IIB所取的軸向剖面圖。

在實施例中的X射線產生管1包括絕緣管3、連接到絕緣管3的一個開口的陰極2、以及連接到絕 緣管3的另一個開口的陽極4。陽極4包括靶材8、以及保持靶材8的陽極構件9。陰極2包括陰極構件7以及電子源5。

絕緣管3由絕緣材料(例如，陶瓷)所形成。絕緣管3的兩端被氣密性地連接到陽極構件9以及陰極構件7。由於陽極構件9以及陰極構件7被連接到絕緣管3，陽極構件9以及陰極構件7可由具有接近於絕緣管3的熱膨脹係數(coefficient of thermal expansion)之熱膨脹係數的金屬所形成，例如，科伐合金(Kovar)或鎢。

電子源5為，例如，浸漬型(impregnation type)、燈絲型、肖特基型(Schottky type)或場發射型(field emission type)之電子源。電子源5被連接到陰極構件7。電子源5與陰極構件7構成陰極2。電子源5的末端設置有電子透鏡6，用於會聚由電場所加速的電子束10。電子束10在靶材8上被會聚為預期的電子束大小。

靶材8(其為穿透靶材)包括回應於電子的照射而產生X射線的靶材層(未示出)，且進一步包括支撐基板(未示出)，該支撐基板支撐靶材層且由允許X射線穿透的材料所形成。靶材8被設置成使得靶材層面對電子源5。支撐基板的外端由陽極構件9所保持。靶材8的支撐基板可由，例如，鑽石或鈹所形成。靶材層作用為回應於電子束的照射而產生X射線的構件。靶材層含有具有高原子序(atomic number)、高熔點以及高比重的金屬元素 作為靶材金屬。靶材金屬係選自具有大於或等於42的原子序之金屬元素。在與支撐基板的相容性方面，靶材金屬可選自由鉭、鉬和鎢所構成的群組，其造成碳化物之負的標準生成自由能(standard free energy on formation)。靶材層可由上述靶材金屬之單一元素或合金所形成，或可由像是靶材金屬的碳化物、氮化物、或氮氧化物之化合物所形成。

如上所述，X射線產生管1係配置為使得絕緣管3、陽極構件9、陰極構件7及靶材8被氣密地連接，以維持X射線產生管1內部的真空(密封性(hermeticity))。合適的電壓被施加到X射線產生管1的陰極構件7與陽極構件9之間，以將預期的電壓施加到電子源5及電子透鏡6，使得電子束10從電子源5被發射。電子束10撞擊靶材8的靶材層，從而產生X射線15。X射線15穿透靶材8的支撐基板並接著被發射到外面。

在本發明中，陽極構件9與可變形構件14一起夾於容器11與保持構件12之間，從而在容器11的開口11a處將X射線產生管1連接到容器11。可變形構件14可與陽極構件9接觸。此外，在絕緣管3的徑向方向上，陽極構件9、可變形構件14、保持構件12、及容器11中的至少任三者具有重疊部分。

在實施例中，可變形構件14為環形形狀，且被設置為使得可變形構件14在絕緣管3的周圍方向上連 續地延伸。雖然這種形式可被使用來維持容器11的密封性，本發明不侷限於此形式。例如，在配置為使得容器11的內部與其外部連通的氣冷式X射線產生設備中，或是不需要維持容器11的密封性，可變形構件14可包括複數個分離的片段，且這些片段可能沿著絕緣管3的周圍方向被佈置。

在實施例中，容器11以及保持構件12被牢固地相互固定，且陽極構件9僅與相鄰的構件(圖1及圖2B中的保持構件12及可變形構件14)接觸。此外，可變形構件14僅與相鄰的構件、或圖1及圖2B中的容器11接觸。在實施例中，陽極構件9包括環形形狀的凸緣，其延伸到靶材8被裝配於其中的開口。保持構件12為環形形狀，且被設置為使得保持構件12在容器11的開口11a的周圍方向上連續地延伸。如上所述，可變形構件14在絕緣管3的周圍方向上連續地延伸。因此，保持構件12與陽極構件9之間的接觸、陽極構件9與可變形構件14之間的接觸、以及可變形構件14與容器11之間的接觸各具有環形形狀，從而維持容器11的密封性。本發明不侷限於此佈置。在維持容器11的密封性的方面，保持構件12與陽極構件9之間的接觸、陽極構件9與可變形構件14之間的接觸、以及可變形構件14與容器11之間的接觸中的至少一者可能具有環形形狀。

類似於容器11，本發明中的保持構件12可由金屬所形成。金屬的範例包括SUS 304、以及銅與鎢的合 金。

在根據本實施例的X射線產生設備20中，可變形構件14消除或降低了陽極構件9可能因為容器11的變形而被變形的可能性。現在將參照圖3A及圖3B說明可變形構件14的作用。

圖3A為顯示在不具有本發明的特徵之配置中的容器11(亦即，陽極構件9藉由螺釘13直接地固定的容器11)的變形狀態的剖面圖。圖3B為顯示實施例中的容器11的變形狀態的剖面圖。

在X射線產生設備20被驅動之後，驅動電路16、X射線產生管1以及靶材8產生熱，且熱經由，例如，絕緣流體17傳遞，進而使X射線產生設備20的溫度增加，從而使容器11變形。如圖3A所示，在陽極構件9被直接地固定到容器11的配置中，容器11的變形造成陽極構件9被變形，使得電子透鏡6與靶材8之間的距離d改變為距離d’。因此，由電子束10所形成之X射線15的焦點的形狀被改變，造成影像品質中的變化。

根據本發明，若容器11被變形成如圖3B所示，插置於陽極構件9與容器11之間的可變形構件14被變形以吸收容器11的變形。雖然容器11的變形被傳遞到固定於容器11的保持構件12，但保持構件12僅與陽極構件9接觸，且即使是經由保持構件12，容器11的變形亦難以被傳遞到陽極構件9。這消除或降低了由容器11的變形所導致的陽極構件9的變形，從而使電子透鏡6與 靶材8之間的距離d中的變化最小化。對於可能影響陽極構件9的容器11之變形，附接有陽極構件9的容器11的壁部可能最顯著地被變形。根據本發明，可變形構件14可吸收這樣的變形，從而消除或降低變形對於陽極構件9的影響。

因此，在本發明中，陽極構件9不需要為厚的。就設計電子束而言，陽極構件9可具有大於或等於2mm且小於或等於3mm的厚度。

在本發明中，與陽極構件9一起被夾於容器11與保持構件12之間的可變形構件14為變形來吸收來自容器11或保持構件12的應力的構件。雖然變形可能為塑性變形(plastic deformation)或彈性變形，就維持容器11的密封性而言可使用彈性變形。具體而言，若容器11變形並接著回復為其原本的形態，可變形構件14可能為能夠變形以回應容器11的變形並接著回復為其原本的形態。

為了吸收容器11的變形以防止陽極構件9的變形，相較於容器11、陽極構件9以及保持構件12，可變形構件14可由具有較低的楊氏模數(Young’s modulus)的材料所形成。此外，允許可變形構件14具有相較於容器11、保持構件12以及陽極構件9為較低的楊氏模數使得可變形構件14能夠處於與陽極構件9、保持構件12以及容器11緊密接觸的狀態。這實現了容器11的高度密封性。若絕緣流體17為處於高壓狀態，則容器 11可維持其形態而不會洩漏絕緣流體17。

在本發明中，若容器11被變形，則該變形將不會影響到陽極構件9以及包含陽極構件9的X射線產生管1。因此，被容納在容器11中之X射線產生管1與除了X射線產生管1以外的各個內部零件之間的距離將保持不變。因此，幾乎不會因為內部零件與X射線產生管1之間的距離中的變化而發生像是任何內部零件或X射線產生管1的介質破壞(dielectric breakdown)的問題。

為了滿足楊氏模數之間的上述關係式，可變形構件14的楊氏模數較佳地為大於或等於0.001GPa且小於或等於130GPa，更佳地為大於或等於0.001GPa且小於或等於0.1GPa。具有大於或等於0.001GPa且小於或等於130GPa的楊氏模數的材料之範例包括金屬(例如，銅和鋁)、以及具有橡膠彈性(rubber elasticity)的彈性體(elastomer)。具有小於或等於0.1GPa的楊氏模數的材料之範例包括腈橡膠(nitrile rubber)、矽氧橡膠(silicone rubber)、壓克力橡膠(acrylic rubber)、氟碳橡膠(fluorocarbon rubber)、以及胺酯橡膠(urethane rubber)。在本發明中，可使用對於油脂具有高度耐久性的腈橡膠。

為了滿足楊氏模數之間的上述關係式，相較於保持構件12以及陽極構件9，容器11可能具有較低的楊氏模數。滿足楊氏模數之間的關係式之材料的組合的範例包括表1中的組合1至組合4。注意，在各個材料的名 字下方的數字代表表1中的材料的楊氏模數。

如圖3B所示，容器11的變形使得保持構件12相對於陽極構件9被偏移。只要可變形構件14為彈性構件，則可變形構件14的回復力允許陽極構件9被壓向保持構件12，從而維持容器11的密封性。

在本發明中，可變形構件14被設置之容器11與陽極構件9之間的距離(或者在修改中的陽極構件9與保持構件12之間的距離，這將在稍後說明)較佳地為大於或等於1mm且小於或等於5mm。可變形構件14可能具有使得容器11的密封性能夠被維持且被包含在上述的距離範圍中的任何厚度。

在此所使用的用語“將保持構件12固定到容器11”指得是藉由使用，例如，如圖1至圖3B中所顯示的螺釘13，來連接保持構件12與容器11。替代螺釘13，保持構件12可藉由，例如，接合、熔接、或黏合， 而被連接到容器11。此外，如圖4E所示，容器11和保持構件12可能為帶有螺紋的且保持構件12可被螺合到容器11上。

另一方面，陽極構件9僅與相鄰的構件接觸。不像被固定到容器11的保持構件12，陽極構件9未被固定到相鄰的構件。在本發明中，陽極構件9與可變形構件14一起被夾於保持構件12與容器11之間，使得插置於保持構件12和容器11之間的陽極構件9與保持構件12和容器11被整合為一體。

圖4A至圖4E顯示根據本發明的實施例之修改的陽極構件9與容器11的連接狀態。在上述的實施例中，陽極構件9係與保持構件12接觸，且可變形構件14被設置在陽極構件9與容器11之間。參照圖4A，陽極構件9係與容器11接觸，且可變形構件14被設置在陽極構件9與保持構件12之間。在此修改中，假設可變形構件14是由具有低的導熱性之橡膠所製成，從靶材8所產生的熱可經由陽極構件9而輕易地被傳遞到絕緣流體17和容器11，其相較於可變形構件14更有效地將熱發散出去。此佈置在散熱性上為優秀的。

參照圖4B，外可變形構件14o被設置在外部餘隙中，外部餘隙相較於陽極構件9位於更外側且形成在保持構件12與容器11之間。內可變形構件14i被設置在陽極構件9與保持構件12之間的內部餘隙中。此佈置消除或降低了容器11的密封性可能會在容器11的變形時被 降低的可能性。

圖4C顯示後可變形構件14b被設置在陽極構件9與容器11之間、以及前可變形構件14f被設置在陽極構件9與保持構件12之間的佈置。一對的可變形構件14b及14f夾住陽極構件9。

圖4D顯示保持構件12被設置在容器11的內部的佈置。在圖4D中，除了開口11a以外，容器11具有用於安裝X射線產生管1的開口。在X射線產生管1經由開口被安裝之後，開口被使用來將保持構件12固定到容器11。在此佈置中，螺釘13未被暴露在容器11的外部上。此佈置提升了X射線產生設備20的外觀，且消除了螺釘13可能被意外地移除的可能性。

參照圖4E，保持構件12及容器11各具有螺紋，且它們相互嚙合。這種佈置允許在絕緣管3的周圍方向上的均勻壓力施加，從而強化了容器11的密封性。此佈置可減少絕緣流體17的洩漏之風險。

[放射線攝影系統]

現在將參照圖5說明根據本發明的實施例的放射線攝影系統，圖5示意性地顯示系統的例示性配置。

根據本發明的本實施例之放射線攝影系統50包括根據本發明的X射線產生設備20、X射線檢測設備53、以及系統控制器51。系統控制器51控制X射線產生設備20(其包括X射線產生管1以及驅動電路16)、以 及X射線檢測設備53，使得這些設備以相互協同的方式運作。驅動電路16在系統控制器51的控制下輸出各種控制信號到X射線產生管1。從X射線產生設備20所發射之X射線的放射狀態回應於控制信號而被控制。從X射線產生設備20所發射的X射線穿過物件56，且接著由被包含在X射線檢測設備53中的X射線檢測器54檢測出來。X射線檢測設備53將被檢測到的X射線轉換成影像信號並輸出該信號到信號處理器55。在系統控制器51的控制之下，信號處理器55使影像信號經歷預定的信號處理。信號處理器55將處理過的影像信號輸出到系統控制器51。根據處理過的影像信號，系統控制器51產生用於在顯示器52上顯示影像的顯示信號，且將顯示信號輸出到顯示器52。顯示器52根據顯示信號在螢幕上顯示影像作為物件56之被捕捉到的影像。

根據本發明，X射線產生設備20的容器11的變形不會影響到陽極構件9。這消除了要被X射線檢測器54所檢測之X射線的焦點位置可能因為與X射線產生設備20的驅動相關聯之容器11的變形而偏移的可能性。因此，根據本發明的實施例之放射線攝影系統50實現了高準確性的成像，而不會在成像期間有任何的X射線的焦點位置的偏移。

根據本發明的放射線攝影系統可被使用於工業產品的非破壞性檢驗以及人類和動物中的疾病診斷。

雖然已經參照例示性實施例對本發明進行了 說明，應當理解的是，本發明並不限於所揭露的例示性實施例。以下申請專利範圍的範疇應被賦予最寬廣的解釋，以使其涵蓋所有這樣的修改以及相等的結構和功能。

1‧‧‧X射線產生管

2‧‧‧陰極

3‧‧‧絕緣管

4‧‧‧陽極

5‧‧‧電子源

6‧‧‧電子透鏡

7‧‧‧陰極構件

8‧‧‧靶材

9‧‧‧陽極構件

10‧‧‧電子束

11‧‧‧容器

11a‧‧‧開口

12‧‧‧保持構件

13‧‧‧螺釘

14‧‧‧可變形構件

15‧‧‧X射線

16‧‧‧驅動電路

17‧‧‧絕緣流體

20‧‧‧X射線產生設備

Claims (10)

1. 一種X射線產生設備，包括：X射線產生管；以及容器，其容納該X射線產生管，該X射線產生管包括陽極，該陽極包括配置來產生X射線的穿透靶材、以及保持該穿透靶材的陽極構件，該陽極構件與可變形構件一起被夾於該容器和被固定到該容器的保持構件之間，從而將該X射線產生管連接到該容器，其中，相較於該容器、該保持構件以及該陽極構件，該可變形構件具有較低的楊氏模數，並且其中，相較於該保持構件及該陽極構件，該容器具有較低的楊氏模數。
2. 如申請專利範圍第1項的X射線產生設備，其中，在該X射線產生管的徑向方向上，該陽極構件、該可變形構件、該保持構件及該容器中的至少任三者具有重疊部分。
3. 如申請專利範圍第1項的X射線產生設備，其中，該可變形構件與該陽極構件接觸。
4. 如申請專利範圍第1項的X射線產生設備，其中，該可變形構件在該X射線產生管的周圍方向上連續地延伸。
5. 如申請專利範圍第1項的X射線產生設備，其中，該可變形構件彈性地或塑性地變形。
6. 如申請專利範圍第1項的X射線產生設備，其中，該可變形構件的該楊氏模數為大於或等於0.001GPa且小於或等於130GPa。
7. 如申請專利範圍第6項的X射線產生設備，其中，該可變形構件的該楊氏模數為大於或等於0.001GPa且小於或等於0.1GPa。
8. 如申請專利範圍第7項的X射線產生設備，其中，該可變形構件包括腈橡膠。
9. 如申請專利範圍第1項的X射線產生設備，其中，該容器的內部空間被絕緣流體所填充。
10. 一種放射線攝影系統，包括：如申請專利範圍第1至9項任一項的X射線產生設備；X射線檢測設備，配置來檢測從該X射線產生設備所發射並穿透通過物件的X射線；以及系統控制器，配置來控制該X射線產生設備及該X射線檢測設備，使得該X射線產生設備及該X射線檢測設備以相互協同的方式運作。