电子束的定位装置

摘要

本发明涉及电子束的定位装置，包括：具有较大的电势差的第一直流电压回路和具有较小的电势差的第二直流电压回路，其分别具有第一电势水平和第二电势水平；偏转模块，具有两个输入端和至少一个偏转线圈，偏转线圈连接在偏转模块的两个输入端之间，其中第一直流电压回路的第一电势水平可切换地连接到偏转模块的输入端，由此形成第一切换路径，并且第一直流电压回路的第二电势水平连接到偏转模块的另一个输入端，并且其中第二直流电压回路的第一电势水平可切换地连接到偏转模块的输入端，由此形成第二切换路径，并且第二直流电压回路的第二电势水平连接到偏转模块的另一个输入端。本发明还涉及一种用于对这种定位装置进行脉冲宽度调制控制的方法。

权利要求

1.一种用于电子管的电子束(6)的定位装置(1)，包括：具有较大的电势差(U1)的第一直流电压回路(12)和具有较小的电势差(U2)的第二直流电压回路(18)，其分别具有第一电势水平(14、20)和第二电势水平(16、22)；以及偏转模块(24)，其具有两个输入端(49)和至少一个偏转线圈(28)，其中，所述至少一个偏转线圈(28)连接在偏转模块(24)的两个输入端(49)之间，其中，第一直流电压回路(12)的第一电势水平(14)可切换地连接到偏转模块(24)的输入端，由此形成第一切换路径(34)，并且在此第一直流电压回路(12)的第二电势水平(16)连接到偏转模块(24)的另一个输入端(49)，并且其中，第二直流电压回路(18)的第一电势水平(20)可切换地连接到偏转模块(24)的输入端，由此形成能够与第一切换路径(34)分离地切换的第二切换路径(38)，并且在此第二直流电压回路(18)的第二电势水平(22)连接到偏转模块(24)的另一个输入端(49)，其中，降落在第二直流电压回路(18)上的电压与降落在第一直流电压回路(12)上的电压的比是小于或等于1：4。

2.根据权利要求1所述的定位装置(1)，

其中，所述偏转模块(24)包括具有第一输入端子和第二输入端子(48)以及第一输出端子(30)和第二输出端子(32)的全桥，其中，不仅第一输入端子，而且第二输入端子(48)分别连接到偏转模块(24)的一个输入端(49)，并且其中，所述至少一个偏转线圈(28)连接在第一输出端子(30)和第二输出端子(32)之间。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的定位装置(1)，

其中，第一切换路径(34)和第二切换路径(38)在偏转模块(24)的同一个输入端处结束。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的定位装置(1)，

其中，第一切换路径(34)具有第一开关(40)，以及

其中，第二切换路径(38)具有第二开关(44)。

5.根据权利要求4所述的定位装置(1)，

其中，与第一开关(40)反向并联连接有二极管(42)和/或与第二开关(44)并联连接有二极管(46)。

6.根据权利要求1或权利要求2所述的定位装置(1)，

其中，在第一切换路径(34)中连接有线圈(50)和与其反向并联的二极管(51)。

7.根据权利要求1或权利要求2所述的定位装置(1)，

其中，在所述偏转线圈(28)的输入和/或输出侧连接电流测量设备(33)。

8.一种用于对根据前述权利要求中任一项所述的用于电子管的电子束(6)的定位装置(1)进行脉冲宽度调制控制的方法(60)，其中，在第一周期(Z1)中，通过切换将第一直流电压回路(12)的第一电势水平(14)连接到至少一个偏转线圈(28)，直到在所述至少一个偏转线圈(28)中电流的第一阈值(S1)被超过为止，并且其中，在多个其它周期(Z2、Z3、Z4)中，通过切换将第二直流电压回路(18)的第一电势水平(20)连接到所述至少一个偏转线圈(28)，直到在所述至少一个偏转线圈(28)中电流的第二阈值(S2)被超过为止。

9.根据权利要求8所述的方法(60)，

其中，为了确定用于在第一周期(Z1)中超过第一阈值(S1)以及用于在多个其它周期(Z2、Z3、Z4)中超过第二阈值(S2)的切换时间的相应的占空比(T1、…、T4)，使用所述至少一个偏转线圈(28)的电感和欧姆电阻结合相应的直流电压回路的电压。

10.根据权利要求8所述的用于对根据权利要求7所述的定位装置(1)进行脉冲宽度调制控制的方法(60)，其中，测量流过所述至少一个偏转线圈(28)的电流(IL)，以及

其中，将所测量的电流(IL)在第一周期(Z1)中与第一阈值(S1)并且在多个其它周期(Z2、Z3、Z4)中与第二阈值(S2)进行比较，并且在此用于确定切换时间的相应的占空比(T1、…、T4)。

11.一种X射线管(2)，包括用于产生电子束(6)的电子源(4)、用于使电子束(6)聚焦的根据权利要求1至7中任一项所述的定位装置(1)以及被配置为执行根据权利要求8至10中任一项所述的方法的控制装置(10)。

说明书

电子束的定位装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于电子管、特别是X射线管的电子束的定位装置，包括具有两个输入端和至少一个偏转线圈的偏转模块，其中，至少一个偏转线圈连接在偏转模块的两个输入端之间。

背景技术

[0002] 为了在成像医疗设备中、例如在计算机断层成像设备中产生X射线辐射，使用X射线管。在X射线管中，加热的阴极发出电子，电子通过20kV至200kV的高压向阳极加速。在射到阳极上时，电子进入阳极材料。在此，主要产生两种类型的X射线辐射：由于能量守恒，在电子在阳极材料中减速时，作为连续谱发出韧致辐射(Bremsstrahlung)。此外，电子束电离阳极材料中的原子，由此使得跨越固定的能级和由此发出特征X射线辐射。其具有线性谱。在医疗应用中，广泛使用韧致辐射，从而对这种辐射的有效操控起关键作用。

[0003] 因为具有传统光分量的X射线由于波长短而无法以最佳方式取向，因此优选使电子束会聚，并且对准阳极表面的特定位置。在此，阳极的性质和取向以及所使用的阳极材料对所产生的X射线的方向和射线断面有影响。特别是在此，焦点、即电子束射到阳极上的区域的位置，是重要的控制参数。

[0004] 为了使电子束偏转，但是也为了使电子束聚焦，可以使用例如由在阴极和阳极之间围绕电子束或X射线管布置的偏转线圈产生的磁场。在此，根据阳极的几何形状以及对聚焦的锐度或者焦点轮廓的要求，可以设置一个或更多个偏转线圈。

[0005] 在此，作为针对电子束的位置和断面的控制变量，改变相应的偏转线圈中的电流。仅通过焦点的针对性的周期性移动所表示的所谓的飞焦点法(“Flying Focal Spot”)优选为此在相应的偏转线圈中，需要在边沿具有高陡度并且在平顶段具有尽可能小的波动的矩形电流曲线。

[0006] 为此，通常使用由全桥或半桥构成的电路，其在其输入端子处连接到直流电压回路，其中，相应的偏转线圈例如连接在全桥的两个输出端子之间或者从半桥的输出端子连接到地。可以使用脉冲宽度调制进行电流调节。为了在偏转线圈中产生尽可能为矩形的电流脉冲，首先对偏转线圈施加直流电压源，直到获得了希望的电流为止，然后将电压切换为另一个值。

[0007] 为了获得期望的电流的边沿陡度，在直流电压回路中需要尽可能高的电压。然而，在保持电流时，所施加的脉冲形状的高电压在电流流动中产生波动，其继而导致通过偏转线圈的磁通量波动。然而，这种波动是不希望的，因为由此电子束的聚焦或定位的质量并且因此最终X射线的质量劣化。

发明内容

[0008] 本发明要解决的技术问题是，能够尽可能稳定地定位电子管中、特别是X射线管中的电子束的焦点，并且在此仍然实现定位的高动态。

[0009] 根据本发明，上述技术问题通过一种用于电子管中的、特别是X射线管中的电子束的定位装置来解决，所述定位装置包括：具有较大的电势差的第一直流电压回路和具有较小的电势差的第二直流电压回路，其分别具有第一电势水平和第二电势水平；以及偏转模块，其具有两个输入端和至少一个偏转线圈，其中，至少一个偏转线圈连接在偏转模块的两个输入端之间，其中，第一直流电压回路的第一电势水平可切换地连接到偏转模块的输入端，由此形成第一切换路径，并且在此第一直流电压回路的第二电势水平连接到偏转模块的另一个输入端，并且其中，第二直流电压回路的第一电势水平可切换地连接到偏转模块的输入端，由此形成可与第一切换路径分离地切换的第二切换路径，并且在此第二直流电压回路的第二电势水平连接到偏转模块的另一个输入端。

[0010] 在此，偏转线圈应当被理解为磁线圈，其被构造并配置用于偏转电子束。可切换的连接应当被理解为这样的连接，其能够针对性地可切换地产生或者抑制沿着直流电压的方向的电流或电子流。在此，与相应的直流电压回路的直流电压相反的反向电子流在适当的情况下可以是持久的。在此，术语连接旨在表示在上述意义上可以是持久或可切换的连接。特别是，在偏转模块中，可以相应地存在两个输入端经由至少一个偏转线圈的直接连接，或者通过切换可以在对输入端施加的直流电压的方向上产生通过至少一个偏转线圈的电流。
在此，优选偏转模块被构造为，可通过切换来自由选择对输入端施加的直流电压在该偏转模块的至少一个偏转线圈中所产生的电流的方向。

[0011] 根据本发明，上述技术问题还通过一种用于对前面描述的电子管中的、特别是X射线管中的电子束的定位装置进行脉冲宽度调制控制的方法来解决，其中，在第一周期中，通过切换将第一直流电压回路的第一电势水平连接到至少一个偏转线圈，直到在至少一个偏转线圈中电流的第一阈值被超过为止，并且其中，在多个其它周期中，通过切换将第二直流电压回路的第一电势水平连接到至少一个偏转线圈，直到在至少一个偏转线圈中电流的第二阈值被超过为止。特别是，当相应的阈值被超过时，将偏转线圈从相应的直流电压回路断开。特别是，第一阈值和第二阈值也可以相同。但是也明确提供了使用两个不同的阈值的方法的执行。

[0012] 在此，本发明基于如下考虑：

[0013] 为了在所述或每个偏转线圈中产生尽可能为矩形的电流曲线以借助脉冲宽度调制(PWM，Pulsweitenmodulation)进行将电子管中的电子束的稳定化的飞聚焦，一方面直流电压回路中的尽可能高的电压是有利的。对于偏转线圈的足够大的电感和相对小的欧姆电阻，所施加的电压脉冲期间的偏转线圈中的电流曲线可以借助线圈的接通过程的线性化方程来描述：iL＝U·t/L，其中，iL表示偏转线圈中的电流，L表示偏转线圈的电感，U表示施加的电压，并且t表示自施加电压起的时间。由此可以看到，在具有给定电感的偏转线圈中，由相应的大电压脉冲U产生的电流快速地达到希望的值。因此，可以在相应的脉冲中选择小的占空比，线圈中的电流于是具有大的边沿陡度。

[0014] 现在，在达到希望的电流之后，可以断开对偏转线圈施加的电压，使得电流呈指数松弛。在上述条件下，松弛可以通过线圈的断开过程的线性化方程来描述：iL＝I0·(1–RL·t/L)，其中，RL表示偏转线圈的欧姆电阻，t表示自断开电压起的时间，并且I0表示在断开时在线圈中流动的电流(由先前施加的电压产生)。替选地，还可以沿相反的方向对偏转线圈施加电压，以使通过偏转线圈的电流减小，其中，这里电流的减小更快地进行。所描述的效果也可以由准确的指数方程导出。

[0015] 由此可以看到，为了保持线圈中的电流具有在I0周围的尽可能恒定的值，由于松弛，总是需要再次暂时接入电压U。然而，施加的直流电压U越高，要通过电压在线圈中保持的电流的上升沿越陡。因为为了使焦点位置的移动尽可能小，需要尽可能保持相应的偏转线圈中的电流恒定，所以在施加的电压大的情况下，相应地需要短的接入阶段，因此需要高的切换频率。然而，大量的切换过程导致不希望的开关损耗。

[0016] 相对于此，本发明提出了，设置具有大的电势差的第一直流电压回路和具有较小的电势差的第二直流电压回路，其以可分别彼此分开地切换的方式连接到偏转模块的输入端，至少一个偏转线圈连接在其输入端之间。这开启了如下可能性：在经由PWM方法对至少一个偏转线圈的控制中，通过将第一直流电压回路连接到偏转模块，并且由此可以在偏转模块中对偏转线圈施加大的电压脉冲，而实现电流曲线中的边沿陡度。然而，此外，给出了如下可能性：在达到希望的电流时，通过将第二直流电压回路连接到偏转模块，并且由此可以在偏转模块中对偏转线圈施加较低的电压脉冲，因此能够使流过偏转线圈的电流的波动相对减小，来保持电流。

[0017] 优选偏转模块包括具有第一输入端子和第二输入端子以及第一输出端子和第二输出端子的全桥，其中，不仅第一输入端子，而且第二输入端子分别连接到偏转模块的一个输入端，并且其中，至少一个偏转线圈连接在第一输出端子和第二输出端子之间。这具有如下优点：通过对输入端子施加的直流电压以及在全桥中进行的相应的切换产生的、流过至少一个偏转线圈的电流的方向，可以通过在全桥内可以进行的切换过程自由选择。因此，当要改变偏转线圈中的电流的方向时，可以省去切换路径之外的复杂的线路。

[0018] 有利的是，第一切换路径和第二切换路径在偏转模块的同一个输入端处结束。特别是这意味着，第一和第二直流电压回路的第一电势水平分别可切换地连接到偏转模块的同一个输入端。这开启了将另一个输入端直接连接到两个直流电压回路各自的第二电势水平的可能性。由此，使两个直流电压回路的两个第二电势水平处于同一电势，由此在运行时，更难发生电势的漂移，因此运行更稳定。

[0019] 已经证明有利的是，第一切换路径具有第一开关、特别是半导体开关，以及其中，第二切换路径具有第二开关、特别是半导体开关。通过所述开关，特别是通过半导体开关，能够以特别快并且可控的方式切换出现的电压。

[0020] 适宜的是，与第一开关反向并联连接有二极管和/或与第二开关并联连接有二极管。在此以及下面，术语反向并联或并联应当被理解为相对于在相应的切换路径中由直流电压回路的电压给出的优选方向。这样的二极管可以将来自偏转线圈流向直流电压回路的回流泄放，因此可以在半导体开关有被损坏的危险之前，减小半导体开关上的可能的过电压。

[0021] 优选在第一切换路径中连接有线圈和与其反向并联的二极管。这种措施改善了电磁兼容性。

[0022] 此外，已经证明有利的是，降落在第二直流电压回路上的电压与降落在第一直流电压回路上的电压的比是直至1：4，特别是直至1：8。这样低的比使得能够在PWM方法中，通过足够高的第一直流电压回路中的电压在偏转线圈中产生具有高的边沿陡度的电流曲线，并且在此仍然能够将通过第二直流电压回路的较低的电压的脉冲而产生的平顶段的波动保持为足够小。

[0023] 有利的是，在所述或每一个偏转线圈的输入和/或输出侧连接电流测量设备。这使得能够有效地控制通过偏转线圈的电流，这在PWM方法中特别有利。

[0024] 在所述方法的一个有利构造中，为了确定用于在第一周期中超过第一阈值以及用于在多个其它周期中超过第二阈值的切换时间的相应的占空比，使用至少一个偏转线圈的多个特征参数。特别是，在此第一周期中和多个其它周期中的切换时间的占空比可以由偏转线圈的电感和欧姆电阻结合相应的直流电压回路的电压来确定。这样的过程具有如下优点：可以在不对电流进行外部调节的情况下进行，这降低了系统开销。

[0025] 在所述方法的作为其替换的另一个有利的构造中，测量流过至少一个偏转线圈的电流，将所测量的电流在第一周期中与第一阈值并且在多个其它周期中与第二阈值进行比较，并且在此用于确定切换时间的相应的占空比。通过由在偏转线圈中测量的电流确定针对分别待施加的电压的相应的占空比，确保关于偏转线圈中的电流和由此还关于磁通量的高可控性。

[0026] 本发明还提供一种X射线管，其包括用于产生电子束的电子源、前面描述的用于定位电子束的定位装置以及被配置为执行前面描述的方法的控制装置。在此，针对所述定位装置和其扩展方案以及针对所述方法和其扩展方案给出的优点可以相应地转移到所述X射线管。

附图说明

[0027] 下面，根据附图详细说明本发明的实施例。在此，分别示意性地：

[0028] 图1示出了X射线管的电子束的定位装置，以及

[0029] 图2示出了通过用于对根据图1的定位装置进行脉冲宽度调制控制的方法产生的电流曲线。

[0030] 在所有附图中，对彼此对应的部分和变量分别提供相同的附图标记。

具体实施方式

[0031] 在图1中示意性地示出了定位装置1。X射线管2具有产生电子束6的电子源4。电子束6被加速到阳极8，其中，焦点位置经由定位装置1借助还要详细示出的、由控制装置10控制的方法来调节。

[0032] 定位装置1包括具有第一电势水平14和第二电势水平16的第一直流电压回路12以及具有第一电势水平20和第二电势水平22的第二直流电压回路18。此外，定位装置1具有主要由全桥26和偏转线圈28形成的偏转模块24。在此，偏转线圈28与串联的电流测量设备33连接在全桥26的第一输出端子30和第二输出端子32之间。第一切换路径34从第一直流电压回路12的第一电势水平14导向全桥26的第一输入端子。第二切换路径38从第二直流电压回路18的第一电势水平20导向由全桥26的第一输入端子形成的偏转模块的输入端。

[0033] 在此，第一切换路径34具有第一开关40和与其反向并联的二极管42。第二切换路径38具有第二开关44和与其并联的二极管46。第一直流电压回路12的第二电势水平16和第二直流电压回路18的第二电势水平22共同连接到由全桥26的第二输入端子48形成的偏转模块24的输入端49。此外，第一切换路径34包括线圈50和与其反向并联的二极管51，电阻52与二极管51串联连接。

[0034] 现在，为了借助PWM在偏转模块24的偏转线圈28中产生具有尽可能陡峭的边沿的电流，首先可以使第一切换路径34中的第一开关40闭合，并且使第二切换路径38中的第二开关44断开。由此，整个偏转模块24处于第一直流电压回路12中，并且针对占空比的精细调节例如可以通过相应地切换全桥26来进行。为了借助PWM使偏转线圈28中的电流尽可能没有波动地保持稳定，相应地可以使第二开关44闭合并且使第一开关40断开。由此，偏转模块24仅处于第二直流电压回路18中，并且从第一直流电压回路12断开。对相应的占空比的精细调节同样可以通过在全桥26中进行切换来进行。

[0035] 在图2中示出了通过用于对根据图1的定位装置进行脉冲宽度调制控制的方法60产生的电流曲线IL。方法60设置为，在第一周期Z1中，以未详细示出的方式向第一直流电压回路12施加偏转线圈28。这例如可以通过将第一切换路径中的第一开关闭合，由此偏转模块的两个输入端首先施加到第一直流电压回路12来进行。随后，还可以通过在全桥内进行相应的切换，对偏转线圈施加对偏转模块的输入端施加的电压。

[0036] 现在，在第一周期Z1中，对偏转线圈28施加第一直流电压回路12的电压U1，由此在偏转线圈28中电流增大，直到电流达到第一阈值S1为止。现在将电压U1再次从偏转线圈28断开，并且偏转线圈28经由全桥的两个开关短路。占空比T1，即为此施加电压U1多久，在此例如可以由偏转线圈28的电感和欧姆电阻计算，或者为此可以明确地测量电流IL。在断开电压U1并且将偏转线圈28短路之后，偏转线圈28中的电流IL下降。在下一个周期Z2开始时，对第二直流电压回路18施加偏转线圈28，从而降落在那里的电压U2可以使偏转线圈28中的电流IL重新增大，直到在占空比T2之后达到第二阈值S2为止。随后，将偏转线圈28从电压U2断开，直到周期Z2结束，并且将偏转线圈28短路，从而电流IL重新减小，并且在第三周期Z3开始时，再次施加U2，直到电流IL重新达到第二阈值S2为止。示意性地，该过程可以在其它周期Z4，…中以类似的方式继续。

[0037] 虽然电流IL在第一周期Z1中由于所施加大的电压U1具有相对陡的边沿F而上升，但是在其它周期Z2、Z3、Z4中电流IL的波形显示具有相对小的波动的平顶段P。平顶段P中的稳定波形可以归因于在相应的周期Z2、Z3、Z4中在相对长的占空比T2、T3、T4内施加的小的电压U2。如果现在要将偏转线圈28中的电流IL调节为完全不同的值，则这可以通过以相应的占空比重新对第一直流电压回路12施加偏转线圈28来重新进行。然后，随后的电流IL在新的值的情况下的稳定也以前面描述的方式借助第二直流电压回路18的电压U2来进行。

[0038] 虽然通过优选实施例进一步详细示出并描述了本发明，但是本发明不受该实施例限制。本领域技术人员可以得出其它变形，而不脱离本发明的保护范围。

[0039] 附图标记列表

[0040] 1      定位装置

[0041] 2      X射线管

[0042] 4      电子源

[0043] 6      电子束

[0044] 8      阳极

[0045] 10     控制装置

[0046] 12     第一直流电压回路

[0047] 14     第一直流电压回路的第一电势水平

[0048] 16     第一直流电压回路的第二电势水平

[0049] 18     第二直流电压回路

[0050] 20     第二直流电压回路的第一电势水平

[0051] 22     第二直流电压回路的第二电势水平

[0052] 24     偏转模块

[0053] 26     全桥

[0054] 28     偏转线圈

[0055] 30     第一输出端子

[0056] 32     第二输出端子

[0057] 33     电流测量设备

[0058] 34     第一切换路径

[0059] 38     第二切换路径

[0060] 40     第一开关

[0061] 42     二极管

[0062] 44     第二开关

[0063] 46     二极管

[0064] 48     第二输入端子

[0065] 49     输入端

[0066] 50     线圈

[0067] 51     二极管

[0068] 52     电阻

[0069] 60     方法

[0070] IL     电流

[0071] F      边沿

[0072] P      平顶段

[0073] S1、S2   阈值

[0074] T1-T4   占空比

[0075] U      电压

[0076] U1     第一直流电压回路的电压

[0077] U2     第二直流电压回路的电压

[0078] Z1-Z4   周期