BR112016018345B1

BR112016018345B1 - Emissor de elétrons para um tubo de raios x e tubo de raios x

Info

Publication number: BR112016018345B1
Application number: BR112016018345-2A
Authority: BR
Inventors: Qui-Hong HU
Original assignee: Luxbright Ab
Priority date: 2014-02-10
Filing date: 2015-02-10
Publication date: 2022-08-30
Also published as: BR112016018369B1; RU2016135638A3; MX360238B; NZ723276A; EP3105772A1; KR102313234B1; JP6804304B2; SA516371636B1; CA2939138C; EP3105772B1; KR102368515B1; US20160358740A1; JP2017510052A; AU2015213990B2; MX363864B; SA516371645B1; MX2016010341A; CN106463321B; EP3105773B1; US10825635B2

Abstract

EMISSOR DE ELÉTRONS PARA UM TUBO DE RAIOS X A presente invenção se refere a exemplos de modalidades apresentados aqui que são direcionadas a um emissor de elétrons (22, 22_1, 22_2, 22_3) para um tubo de raios X. O emissor de elétrons compreende um substrato eletricamente condutor (23) e um material de nanoestrutura (24). O material de nanoestrutura é compreendido em pelo menos uma porção do substrato eletricamente condutor. O material de nanoestrutura é produzido de óxidos, nitretos, silicetos, selinetos ou teluretos. O referido emissor de elétrons pode ser usado para emissão hibrida, tal como emissão de Schottky ou emissão de campo.

Description

CAMPO TÉCNICO

[001] Modalidades exemplificativas apresentadas aqui são dire cionadas a um emissor de elétrons para um tubo de raios X. O emissor de elétrons compreende um revestimento de nanoestrutura produzido de óxidos, nitretos, silicetos, selinetos ou teluretos. Exemplos de modalidades são adicionalmente orientados em direção a um tubo de raios X.

ANTECEDENTES

[002] A emissão de elétrons a partir da superfície de um condutor é causada por aquecer o condutor a elevadas temperaturas, a emissão termiônica; por formar o condutor em uma ponta afiada e aplicar uma tensão elétrica negativa, a emissão de campo, ou por aplicar um aquecimento moderado para ajudar a emissão de campo, por exemplo, emissão de Schottky (de fato, há mais mecanismos de emissão também, tal como fotoemissão e emissão de impacto de íon de gás). Um emissor de elétrons é comumente referido como um catodo. O catodo que trabalha sob os respectivos modos de emissão é chamado de catodo quente, catodo frio ou catodo de Schottky, respectivamente. Um dispositivo que proporciona feixes de elétrons é chamado de uma fonte de elétron ou pistola de elétrons. Os elétrons são talvez os estímulos mais comuns para feixes secundários.

[003] Os raios X são gerados pelo bombardeio de elétrons energéticos em uma superfície de metal. Nessa disposição, uma fonte de raios X é um dispositivo que compreende 1) um catodo e 2) um receptor de elétrons conhecido como o alvo ou anodo. O anodo é o emissor de raios X. O catodo e o anodo são dispostos em uma configuração particular, e são encerrados em um alojamento a vácuo. Ademais, um sistema de raios X pode compreender os componentes a seguir, 1) a fonte de raios X, 2) a manipulação computadorizada e dispositivo de manipulação, 3) os detectores e 4) a(s) unidade(s) de energia. Em combinação com outras tecnologias, os raios X encontram aplicação em imageamento médico, inspeção de segurança, e teste não destrutivo na indústria. A tecnologia de computador revolucionou o uso de raios X na sociedade moderna, por exemplo, leitura CT de raios X (tomografia computadorizada). O avanço em tecnologia de detector permitiu resolução de energia aprimorada, imagens digitais, e taxas e áreas de varredura cada vez maiores. Ao contrário, a tecnologia na fonte de elétron para gerar raios X permanece essencialmente a mesma desde o tubo Coolidge cerca de 100 anos atrás, quando William Coolidge revolucionou o modo pelo qual os Raios X foram gerados ao substituir os tubos preenchidos de gás com um tubo evacuado que aloja um filamento de tungstênio quente para utilizar emissão termiônica.

Sumário

[004] Talvez todos os tubos de raios X usados em imageamento de raios X utiliza catodos quentes de filamentos de tungstênio com base em emissão termiônica. Na última década ou quase, foi feita uma tentativa de se usar nanotubos de carbono (CNTs) como o catodo frio para gerar Raios X por meio de emissão de campo. A referida emissão de elétron é induzida por um alto campo elétrico sem aquecimento. CNTs são observados como um emissor ideal para os elétrons. Entretanto, para usar os mesmos em fontes de raios X, o processo de fabricação e as condições de trabalho parecem apresentar um severo desafio quanto ás suas propriedades de material. A saída atual é ainda bem abaixo do nível para aplicações práticas. Assim sendo, pelo menos um objetivo dos exemplos de modalidades apresentadas aqui é de proporcionar uma alternativa para o emissor de elétrons, que pode proporcionar meios alternativos de emissão de elétron para superar as desvantagens materiais e operacionais inerentes aos catodos quentes assim como em catodo frio com base em CNTs; e ao mesmo tempo acrescenta desempenho aprimorado da fonte de raios X.

[005] Desse modo, os exemplos de modalidades apresentados aqui são orientados em direção a um emissor de elétrons para dispositivo de raios X. O emissor de elétrons compreende um material de nanoestrutura produzido de óxidos, nitretos, silicetos, selinetos ou teluretos. O referido material de nanoestrutura torna o emissor de elétrons adequado para emissão de campo e mais importante para a emissão de Schottky. O uso de uma emissão de elétrons termicamente assistida permite a compensação nas propriedades dos catodos quentes e frios. O benefício dos exemplos de modalidades será claro, quando as comparações são produzidas entre a emissão de Schottky, a emissão termiônica, e a emissão de campo. É bem conhecido que um catodo frio pode ser envenenado pela adsorção de elementos eletronegativos tais como S, Cl que existem como espécies gasosas residuais no tubo. Se a adsorção é severa, o catodo irá cessar de emitir elétrons. Para uma emissão de campo tubo de raios X, o catodo frio pode ser regerado por remover o tubo a partir do alojamento e cozer todo o tubo em um forno, e então montar o tubo de volta para ver o efeito da cocção, um processo inconveniente. Por outro lado, para o tubo de emissão de Schottky, o aquecimento que resulta em uma moderada elevação de temperatura no catodo ajuda a emissão dos elétrons enquanto ao mesmo tempo evita a adsorção dos átomos ou moléculas de gás de envenenamento no catodo. Em caso de ocorrência de envenenamento, a regeneração pode ser realizada por aquecer o catodo diretamente sem remover o tubo a partir do alojamento do tubo. O menor consumo de energia irá resultar em uma fonte de energia mais compacta que pode ser utilizada, desse modo permitindo que o dispositivo de raios X se torne mais portátil. Adicionalmente, o uso do referido modo de emissão de elétron elimina a necessidade de um sistema de refrigeração ou longos períodos de resfriamento e de aquecimento que são comuns para sistemas com base em filamento quente.

[006] Os exemplos de modalidades são orientados em direção a um emissor de elétrons para um tubo de raios X. O emissor de elétrons compreende um substrato eletricamente condutor e um material de nanoestrutura. O material de nanoestrutura é compreendido em pelo menos uma porção do substrato eletricamente condutor. O material de nanoestrutura é produzido de óxidos, nitretos, silicetos, selinetos ou teluretos.

[007] Um exemplo de vantagem da modalidade acima é que o uso do referido um material de nanoestrutura permite uma emissão termicamente assistida, tal como a emissão de Schottky. Assim sendo, um dispositivo de raios X mais compacto pode ser obtido em comparação com a emissão termiônica.

[008] De acordo com alguns dos exemplos de modalidades, o substrato eletricamente condutor é produzido de aço inoxidável, níquel, ligas com base em níquel, ferro ou ligas com base em ferro.

[009] De acordo com alguns dos exemplos de modalidades, o substrato eletricamente condutor é no formato de um cilindro sólido com uma seção transversal circular, poligonal ou de estrela.

[0010] Um exemplo vantajoso da modalidade acima é a capacidade de controlar a direção, densidade, assim como outras características, da emissão de elétron ao se variar o formato do emissor de elétrons.

[0011] De acordo com alguns dos exemplos de modalidades, o material de nanoestrutura é dopado ou codopado com um elemento dopante compreendido na coluna IA, IIA, IB, IIIA, VIA, ou VIIA na tabela periódica dos elementos.

[0012] De acordo com alguns dos exemplos de modalidades, o material de nanoestrutura é produzido de ZnO. Deve ser observado que o material de nanoestrutura pode ser produzido de óxidos de fero, nitreto de gálio ou de quaisquer outras ligas ou compostos relacionados dos mesmos.

[0013] Um exemplo vantajoso das referidas modalidades é a capacidade de proporcionar uma alternativa para o emissor de elétrons com base em CNT. O uso da referida alternativa proporciona um exemplo de benefício de proporcionar um emissor de elétrons que é mais compatível com emissão com base em Schottky. Emissores de elétrons com base em carbono são propensos a danos em temperaturas e ambiente gasoso reativo de um típico processo de fabricação de tubo. Enquanto ZnO e os materiais relacionados são altos em temperatura de fusão e quimicamente mais estáveis com um desempenho de emissão de campo altamente atraente para os CNTs.

[0014] De acordo com alguns dos exemplos de modalidades, as porções do substrato eletricamente condutor que não compreendem o material de nanoestrutura adicionalmente compreendendo uma camada dielétrica. De acordo com alguns dos exemplos de modalidades, a camada dielétrica é de SiO2.

[0015] Um exemplo vantajoso das referidas modalidades é a capacidade de controlar a emissão de elétron. O controle pode ser na forma de controlar a direção ou a densidade de uma emissão de elétron.

[0016] De acordo com alguns dos exemplos de modalidades, o substrato eletricamente condutor é capaz de ser fixado a um elemento de aquecimento. Um exemplo vantajoso da referida modalidade é a capacidade de proporcionar diferentes modos de emissão de elétrons, por exemplo, a emissão de Schottky.

[0017] De acordo com dos exemplos de modalidades, o emissor de elétrons é configurado para a emissão de Schottky quando o elemento de aquecimento está em um estado ligado e o emissor de elétrons é negativamente polarizado. De acordo com alguns dos exemplos de modalidades, o emissor de elétrons é configurado para a emissão de campo quando o elemento de aquecimento está em um estado desligado e o emissor de elétrons é negativamente polarizado.

[0018] Um exemplo vantajoso das referidas modalidades é que o emissor de elétrons pode ser configurado para dois modos de operação permitindo não só a emissão de campo, mas também a emissão com base em Schottky. Adicionalmente, um filamento quente pode também ser disposto. A referida modalidade tem o exemplo vantajoso de proporcionar um dispositivo versátil utilizando todos os três modos de emissão de elétrons sempre que necessário, que pode gerar imagens de raios X em várias resoluções e níveis de contraste.

[0019] Algumas das modalidades são orientadas em direção a um dispositivo de raios X que compreende o emissor de elétrons descrito acima. Um exemplo vantajoso de ter o referido dispositivo de raios X é a capacidade de ter um dispositivo versátil que pode operar em um modo de emissão de Schottky. Assim sendo, o dispositivo pode ser portátil como descrito acima.

[0020] De acordo com alguns dos exemplos de modalidades, o dispositivo de raios X adicionalmente compreende uma pluralidade de emissores de elétrons dispostos para emitir elétrons em direção de um componente de recebimento de elétron. De acordo com alguns dos exemplos de modalidades, a pluralidade de emissores de elétrons é ativada individualmente, simultaneamente ou em sequência.

[0021] As referidas modalidades têm o exemplo vantajoso de proporcionar um dispositivo mais versátil pela ativação de diferentes emissores de elétrons podendo proporcionar uma diferença na emissão de elétron resultante. Assim sendo, as diferenças em resolução de imagem, etc. podem ser obtidas.

[0022] Os emissores de elétrons descritos acima com o anodo constituem um assim chamado diodo tubo de raios X. No a seguir, a fonte de elétron pode ser configurada para consistir do catodo como descrito acima e um eletrodo de grade. E uma fonte de raios X que consiste desse tipo de fonte de elétron e um anodo é referido como um tubo de triodo.

[0023] Os exemplos de modalidades são orientados em direção a uma fonte de elétron para o tubo de raios X. A fonte de elétron compreende um catodo como descrito acima e uma grade, que são dispostos em um intervalo fixo de distâncias e fixados por um elemento de espaçamento cerâmico. A grade é produzida de fios eletricamente condutores de igual diâmetro. Adicionalmente, os fios são produzidos de materiais de alto ponto de fusão, baixa pressão de vapor e eletricamente condutores, tais como W, Mo, Ta, Ni, aço inoxidável, ou ligas com base em níquel. O diâmetro dos fios varia entre 30 μm e 150 μm. A relação de abertura da grade varia entre 50% e 80%. Adicionalmente, a superfície dos fios na grade é revestida com uma camada delgada ou múltiplas camadas de material(s) com propriedades de emissão de elétron secundaria pronunciada. Alternativamente, o revestimento é um material de emissão de UV. Assim sendo o revestimento aumenta a intensidade de saída dos elétrons a partir da fonte. É evidente, no entanto melhor apontar que dispor uma grade na frente do catodo é uma prática comum em tubos de vácuo e mesmo os dispositivos de emissão de campo, a presente modalidade exibe uma clara distinção em relação à técnica anterior nos aspectos a seguir: o material de catodo, o mecanismo de emissão, e um efeito de aumento. Assim sendo as vantagens de um modo geral desse tipo de fonte de elétron como manifestada em um tubo de raios X de triodo são a independência do feixe de elétron no anodo, e o aumento da saída da corrente.

Breve descrição dos desenhos

[0024] O a seguir será aparente a partir da descrição mais particular a seguir dos exemplos de modalidades, como ilustrado nos desenhos em anexo nos quais caracteres de referência similares se referem ás mesmas partes através das diferentes vistas. Os desenhos não estão necessariamente em escala, e ênfase deve ser dada nas ilustrações dos exemplos das modalidades.

[0025] A figura 1 é um desenho esquemático de um dispositivo de raios X com base em emissão termiônica;

[0026] A figura 2 é um desenho esquemático de raios X, de acordo com os exemplos de modalidades descritos aqui;

[0027] A figura 3 é um exemplo ilustrativo de um emissor de elétrons com uma grade, de acordo com alguns dos exemplos de modalidades descritos aqui;

[0028] A figura 4 é um exemplo ilustrativo de diferentes formatos que um emissor de elétrons pode ter, de acordo com alguns dos exemplos de modalidades descritos aqui;

[0029] A figura 5 é um desenho esquemático de um dispositivo de raios X que compreende múltiplos emissores de elétrons, de acordo com alguns dos exemplos de modalidades descritos aqui; e

[0030] As figuras 6A e 6B são gráficos que ilustram as características I-V dos emissores de elétrons da figura 5, de acordo com alguns dos exemplos de modalidades descritos aqui.

Descrição Detalhada

[0031] Na descrição a seguir, por uma questão de explicação e não de limitação, detalhes específicos são determinados, tais como os particulares componentes, elementos, técnicas, etc. de modo a proporcionar um verdadeiro entendimento dos exemplos de modalidades. Entretanto, será aparente para aqueles versados na técnica que os exemplos de modalidades podem ser praticados em outros modos que se desviam a partir dos referidos detalhes específicos. Em outros casos, as descrições detalhadas de métodos e elementos bem conhecidos são omitidas de modo a não obscurecer a descrição dos exemplos de modalidades. A terminologia usada aqui é com o objetivo de descrever os exemplos de modalidades e não é pretendido limitar as modalidades apresentadas aqui.

[0032] Exemplos de modalidades apresentados aqui são orientados em direção a um emissor de elétrons para um dispositivo de raios X, onde o emissor de elétrons que compreende um material de nanoestrutura produzido de óxidos, nitretos, silicetos, selinetos ou teluretos. O referido emissor de elétrons é útil para permitir um dispositivo de raios X com um modo de operação de emissão de Schottky. De modo a melhor descrever os exemplos de modalidades, um problema será identificado e discutido. A figura 1 ilustra um tradicional tubo de raios X. O tubo de raios X da Figura 1 caracteriza um tubo de vidro evacuado 10 que compreende um catodo de filamento quente 12 e um anodo 14 produzido de metal refratário/liga. A superfície do anodo 14 está voltada para o catodo 12 em um ângulo predeterminado de inclinação. Uma corrente elétrica, proporcionada por uma fonte de energia 13, passa através do catodo de filamento 12 ocasionando um aumento na temperatura do filamento 12 a um nível que emite um feixe de elétrons 16 a partir do referido filamento. O feixe de elétrons 16 é então acelerado em torno do anodo 14 no campo elétrico. Isso resulta em um feixe de raios X 18 que é orientado para fora do dispositivo por meio de uma janela 20. A diferença de tensão entre o catodo e o anodo determina a energia do feixe de raios X.

[0033] Talvez todo o tubo de raios X usado em imageamento de raios X utiliza catodos quentes de filamentos de tungstênio com base em emissão termiônica. Na década passada ou quase, tentativas foram feitas para usar nanotubos de carbono (CNTs) como o catodo frio para gerar Raios X por meio de emissão de campo. A referida emissão de elétron é induzida por um alto campo elétrico sem aquecimento. Os CNTs são observados como um emissor ideal para os elétrons. Entretanto, para usar em fonte de raios X, o processo de fabricação e as condições de trabalho parecem apresentar um severo desafio com relação às suas propriedades materiais. A saída de corrente é ainda bem abaixo do nível para as aplicações práticas. Assim sendo, pelo menos um objetivo dos exemplos de modalidades apresentados aqui é de proporcionar uma alternativa de emissor de elétrons, que pode proporcionar meios alternativos de emissão de elétron para superar o material e as desvantagens operacionais inerentes no catodo quente assim como no catodo frio com base nos CNTs; e consequentemente traz a fonte portátil de raios X com aprimorado desempenho.

[0034] Desse modo, os exemplos de modalidades apresentados aqui são orientados em direção a um emissor de elétrons para um dispositivo de raios X. O emissor de elétrons compreende um material de nanoestrutura produzido de óxidos, nitretos, silicetos, selinetos ou teluretos. O referido material de nanoestrutura produz o emissor de elétrons adequado para emissão de campo e mais importante para a emissão de Schottky. O uso de uma emissão de elétrons termicamente assistida permite a compensação nas propriedades dos catodos quentes e frios. O benefício dos exemplos de modalidades será claro, quando as comparações forem produzidas entre a emissão de Schottky, a emissão termiônica, e a emissão de campo. É bem conhecido que um catodo frio pode ser envenenado por uma adsorção de elementos eletronegativos tais como S, Cl que existem como espécies gasosas residuais no tubo. Se a adsorção for severa, o catodo não mais emitirá elétrons. Para a emissão de campo tubo de raios X, o catodo frio pode ser regerado por remover o tubo a partir do alojamento e realizar a cocção de todo o tubo em um forno, e então montar o tubo de volta para ver o efeito de realizar a cocção, processo inconveniente. Por outro lado, para um tubo de emissão de Schottky, o aquecimento que resulta em uma moderada elevação de temperatura no catodo ajuda a emissão dos elétrons ao mesmo tempo em que evita a adsorção dos átomos ou moléculas do gás de envenenamento no catodo. No caso do envenenamento ocorrer, uma regeneração pode ser realizada por aquecer o catodo diretamente sem remover o tubo a partir do alojamento do tubo. Um consumo de energia mais baixo resultará em uma fonte de energia mais compacta que pode ser utilizada, desse modo permitindo que o dispositivo de raios X se torne mais portátil. Adicionalmente, o uso do referido modo de emissão de elétron elimina a necessidade de um sistema de refrigeração ou longos períodos de resfriamento e de aquecimento que são comuns para sistemas com base em filamento quente.

[0035] A figura 2 ilustra um dispositivo de raios X de acordo com os exemplos de modalidades. O dispositivo de raios X da Figura 2 compreende um tubo de vidro evacuado 10 que compreende um emissor de elétrons, ou catodo, 22 e um componente de recebimento de elétron 14. A superfície do componente de recebimento de elétron 14 está voltada para o emissor de elétrons 22 em um predeterminado ângulo de inclinação. O plano dos emissores pode também ser disposto paralelo ao componente de recebimento de elétron. Uma corrente elétrica proporcionada pela fonte de energia 28, passa através de um elemento de aquecimento 21 causando um aumento na temperatura do emissor de elétrons 22 a um nível que ajuda a emissão do feixe de elétrons 25 a partir do emissor de elétrons 22, quando o catodo ao mesmo tempo é negativamente polarizado. A referida emissão é conhecida como a emissão de Schottky. De modo diferente da emissão de elétron da figura 1, que é induzida unicamente pelas altas temperaturas em virtude do aquecimento, a emissão da figura 2 é induzida por campo elétrico sob a ajuda de um aquecimento moderado.

[0036] Os elétrons do feixe de elétrons 25 são então acelerados em torno do componente de recebimento de elétron 14 com um campo elétrico. Isso resulta em um feixe de raios X 26 que é orientado para fora do dispositivo por meio de a janela 20. A diferença de tensão entre o emissor de elétrons e o componente de recebimento de elétron determina a energia do feixe de raios X.

[0037] De acordo com alguns dos exemplos de modalidades, uma grade 30 é disposta entre a superfície 23 que compreende as nanoestruturas 24 de emissor de elétrons e o componente de recebimento de elétron 14 que age como um eletrodo de extração, como ilustrado na figura 3. De acordo com alguns dos exemplos de modalidades, um elemento de espaçamento 31 é disposto entre o emissor de elétrons e a grade 30. A grade pode ser disposta em um intervalo de distância entre 100 μm e 1000 μm que é fixada por meio do elemento de espaçamento. Uma porção de cobertura circular é disposta em cima da grade que age como o eletrodo de grade proporcionar a tensão para a grade, 32. De acordo com alguns dos exemplos de modalidades, o elemento de espaçamento pode ser um elemento de espaçamento cerâmico.

[0038] A grade é produzida de fios eletricamente condutores de igual diâmetro. Adicionalmente, os fios são produzidos de materiais de alto ponto de fusão, baixa pressão de vapor e eletricamente condutores, tais como W, Mo, Ta, Ni, aço inoxidável, ou ligas com base em níquel. O diâmetro dos fios varia entre 30 μm e 150 μm. A proporção de abertura linear da grade varia entre 50% e 80%. Adicionalmente, a superfície dos fios na grade é revestida com uma camada delgada ou múltiplas camadas de material(s) com propriedades de emissão de elétron secundária pronunciada, tais como MgO e materiais relacionados. Alternativamente, o revestimento é a material de emissão de UV, tal como GaN e materiais relacionados.

[0039] Assim sendo, o revestimento aumenta a intensidade de saída dos elétrons a partir do emissor de elétrons. Assim sendo, as vantagens de um modo geral desse tipo de emissor de elétrons como manifestada em um tubo de raios X de triodo, como ilustrado na figura 5, são a independência do feixe de elétrons no anodo, e a maior saída de corrente. Adicionalmente, o campo estabelecido entre o emissor de elétrons e a grade determina a intensidade do feixe de elétrons. Mais uma vez, a diferença de tensão entre o emissor de elétrons e o componente de recebimento de elétron 14 determina a energia do feixe de raios X. Deve ser observado que a grade e o elemento de espaçamento da figura 3 podem ser aplicados a um emissor de elétrons de acordo com qualquer um dos exemplos de modalidades proporcionados aqui.

[0040] O emissor de elétrons 22 compreende um substrato eletricamente condutor 23 que compreende um revestimento de nanoestruturas 24. O elemento de aquecimento 21 é capaz de ser fixado ao substrato eletricamente condutor 23 por meio de dois porções de alimentação elétricas na extremidade de catodo do tubo. O revestimento de nanoestrutura 24 pode ser desenvolvido no substrato eletricamente condutor 23. O revestimento de nanoestrutura pode ser na forma de nanopartículas, nanofios, nanobastões, nano tetrapods ou nanotubos. Os materiais do substrato podem ser aço inoxidável, níquel, ligas comc base em níquel, ferro ou ligas com base em ferro. De acordo com alguns dos exemplos de modalidades, o substrato é pré-formado em vários formatos.

[0041] A Figura 4 ilustra exemplos de formatos nos quais o emissor de elétrons pode ser configurado. O emissor de elétrons 22a é no formato de uma pirâmide arredondada que compreende um substrato eletricamente condutor 23a e um revestimento de nanoestruturas 24a. Um exemplo adicional de um emissor de elétrons 22b é proporcionado na forma de um cilindro sólido que também compreende um substrato eletricamente condutor 23b e um revestimento de nanoestruturas 24b. A Figura 4 proporciona um exemplo adicional de um emissor de elétrons na forma de um cilindro oco 22c que caracteriza um substrato eletricamente condutor 23c e um revestimento de nanoestruturas 24c. Um exemplo adicional de um emissor de elétrons é proporcionado na forma de uma estrela oca 22d que compreende um substrato eletricamente condutor 23d e um revestimento de nanoestruturas 24d. Deve ser observado que os referidos formatos podem ser adaptados para diferentes usos do raios X na medida em que os formatos podem afetar a direção dos elétrons emitidos. Deve ser adicionalmente observado que outros formatos podem também ser empregados no dispositivo de raios X de acordo com os exemplos de modalidades.

[0042] Os substratos descritos na figura 4 podem ser formados como feixes em paralelo a um determinado espaço. A superfície formada pelas extremidades dos substratos pode ser de formato plano, côncavo ou convexo para configurar o ponto focal do feixe dos elétrons.

[0043] De acordo com alguns dos exemplos de modalidades, o revestimento de nanoestrutura pode ser desenvolvido por um método de fase de sólido-líquido-gás, um processo de deposição de vapor químico (CVD), ou um método de solução química. De acordo com alguns dos exemplos de modalidades, o revestimento de nanoestrutura é configurado para ser alterado, com relação a morfologia, para adicionalmente facilitar a emissão de elétron por meios químicos, eletroquímicos ou óticos em ou após o processo de crescimento.

[0044] De acordo com alguns dos exemplos de modalidades, o revestimento de nanoestrutura pode ser produzido de óxidos, nitretos, silicetos, selinetos ou teluretos. De acordo com alguns dos exemplos de modalidades, o revestimento de nanoestrutura pode ser produzido de óxido semicondutores, por exemplo, ZnO. ZnO é um semicondutor de n-tipo, e de espaço de banda larga. A condutividade é associada com a vacância de oxigênio gerada no processo de crescimento.

[0045] O aprimoramento na condutividade é alcançado pela dopagem de elementos químicos nas colunas IA, IIA, IB, IIIA, VIA, VIIA na tabela periódica dos elementos. O tratamento de aquecimento após o crescimento é aplicado para homogeneizar os dopantes ou para parcialmente segregar os mesmos para a superfície. A morfologia da nanoestrutura pode ser alterada por meios químicos ou eletroquímicos para alcançar a intensificação do campo local. O tratamento com UV pode também ser aplicado para aprimorar as propriedades da superfície. Um revestimento de superfície pode ser aplicado às nanoestruturas para adicionalmente aumentar o processo de emissão de elétron através da redução da função de trabalho na superfície do emissor.

[0046] De acordo com alguns dos exemplos de modalidades, a camada dielétrica, por exemplo, SiO2, pode ser adicionada no substrato eletricamente condutor em áreas nas quais o revestimento das nanoestruturas não está presente. O referido revestimento dielétrico pode ser útil no direcionamento da emissão de elétron.

[0047] Quando um aquecimento moderado é aplicado, por meio do elemento de aquecimento 21, embora o emissor de elétrons seja negativamente polarizado, os elétrons são emitidos por emissão de Schottky. Quando o aquecimento é desligado, embora o catodo seja negativamente polarizado, os elétrons são emitidos por emissão de campo. A função adicionada de aquecimento, que está ausente na emissão de campo fonte de raios X da técnica anterior, pode também ser aplicada para regenerar o emissor de elétrons por remover as espécies químicas adsorvidas indesejadas a partir da superfície dos emissores no caso de envenenamento de catodo.

[0048] De acordo com alguns dos exemplos de modalidades, múltiplos emissores de elétrons podem ser usados no dispositivo de raios X. A Figura 5 ilustra um tubo de raios X com múltiplos emissores de elétrons. Na referida modalidade, três emissores de elétrons 22_1, 22_2 e 22_3 são montados no tubo encerrado 10 com os emissores voltados para o componente de recebimento de elétron 14. O número e o espaçamento dos emissores de elétrons pode variar.

[0049] Deve ser observado que qualquer número de emissores de elétrons pode ser empregado no dispositivo de raios X de acordo com os exemplos de modalidades. Deve ser adicionalmente observado que os emissores de elétrons da figura 5 podem ser os emissores de elétrons caracterizados em qualquer uma das figuras 2 a 4, ou um emissor de qualquer outro formato. Deve também ser observado que os emissores de elétrons não precisam ser idênticos e podem compreender diferentes formatos e/ou características um com relação ao outro.

[0050] O padrão da disposição dos emissores de elétrons pode ser, mas não é limitado a linear, circular, retangular, quadrado, ou outro formato poligonal. Com relação ao componente de recebimento de elétron 14, os emissores de elétrons 22_1, 22_2 e 22_3 podem ser dispostos de modo que todos emitem elétrons 25a-25c orientados a um ponto focal no componente de recebimento de elétron 14, ou de modo que os mesmos projetam uma imagem ampliada ou reduzida de um padrão de emissão sobre o componente de recebimento de elétron 14.

[0051] Todas as referidas variações pretendem ir de encontro às exigências para a dimensão e o formato do feixe de raios X 26. Os emissores de elétrons 22_1, 22_2 e 22_3 podem ser ativados coletivamente ou individualmente, simultaneamente ou em sequência. O referido regime de ativação flexível permite um modo de alta frequência, e de pulso para a geração de raios X ao se ajustar a frequência de saída da fonte de força e uma ampla gama de seleção de dose por escolher o número de emissores de elétrons ativados 22_1, 22_2 e 22_3. A ativação dos emissores de elétrons 22_1, 22_2 e 22_3 pode ser controlada pela fonte de energia 28.

[0052] Os exemplos de modalidades apresentados aqui permitem a ativação individual dos emissores de elétrons 22_1, 22_2 e 22_3, desse modo proporcionando um mecanismo para estabilizar a corrente de emissão, que não está disponível no sistema de raios X atual. Deve ser observado que a não homogeneidade na emissão é um sério problema em catodos de grande área ou em múltiplos catodos. O referido problema se origina a partir da não homogeneidade geométrica e física dos emissores.

[0053] Em outras palavras, o problema dos emissores descritos acima se origina a partir de material e de itens de processamento. Portanto, alguns dos exemplos de modalidades são orientados em direção a um aprimoramento no crescimento do material do emissor no substrato.

[0054] De acordo com alguns dos exemplos de modalidades, a existência de não homogeneidade entre os emissores é também resolvida a nível de componente. Um exemplo de modalidade é descrito ao se adotar uma configuração de três catodos como o exemplo da figura 5.

[0055] As Figuras 6A e 6B ilustram as características de corrente e de tensão do emissor de elétrons da configuração da figura 4. Em cada gráfico, os pontos traçados reapresentados pelos símbolos triangular, quadrado e circular representam as tensões e as correntes a partir dos emissores de elétrons 22_1, 22_2 e 22_3, respectivamente, da figura 5.

[0056] A Figura 6A ilustra uma aplicação de tensão V, embora mantendo a mesma distância entre os mesmos emissores de elétrons e componente de recebimento de elétron. Cada emissor de elétrons 22_1, 22_2 e 22_3, irá emitir uma corrente i1, i2 e i3, respectivamente. Como mostrado no gráfico da figura 6A, a quantidade de corrente fornecida para a emissão de elétron de cada emissor de elétrons difere. Embora a não homogeneidade possa ser quantitativamente descrita por formalmente definir o erro de quadrado médio ou o desvio de quadrados médios da raiz dos valores medidos de corrente de todos os emissores em questão, a diferença gráfica mostrada na figura 6A é suficiente para ilustrar o ponto.

[0057] Se todos os três emissores de elétrons emitirem a mesma corrente, então diferentes tensões v1, v2, e v3 precisam ser aplicadas aos emissores de elétrons 22_1, 22_2 e 22_3, respectivamente, como visto na figura 6B. As consequências vantajosas se manifestam quando os emissores de elétrons são orientados a diferentes pontos focais para criar um formato particular do feixe de raios X. O mecanismo proporciona uma homogeneidade espacial do feixe de raios X por proporcionar uma corrente constante em todos os pontos focais. Uma vantagem adicional é que quando os emissores de elétrons são orientados em direção a um ponto focal, e polarizados em sequência, os emissores proporcionam uma emissão de elétron com homogeneidade temporal com uma corrente constante com o tempo. Ademais, para se garantir a estabilidade e a homogeneidade da emissão de raios X, um circuito de monitoramento de feedback pode ser usado para controlar o processo de emissão de elétron.

[0058] De acordo com alguns dos exemplos de modalidades, a fonte de energia elétrica 28 é adicionalmente configurada para fornecer uma diferença potencial entre o pelo menos um componente de geração de elétron e o componente de recebimento de elétron para um tubo de diodo em três modos de polarização, (-,0: catodo negativo, anodo aterrado), (-,+: catodo negativo, anodo positivo) e (0,+: catodo aterrado, anodo positivo). O uso dos referidos modos de polarização é proporcionado ao se induzir a emissão de Schottky ou a emissão de campo. Assim sendo, um exemplo vantajoso da referida modalidade com necessidade mais baixa de energia de aquecimento é a eliminação de um sistema de refrigeração ou longos períodos de resfriamento e de aquecimento que são comuns para sistemas com base em filamento quente. Assim sendo, um dispositivo mais portátil de raios X pode ser obtido.

[0059] De acordo com alguns dos exemplos de modalidades, a fonte de energia elétrica é configurada para operar em modo de DC, isto é, constante (-, 0), (-, +), (0, +); modo de pulso, isto é, ondas quadradas com o anodo aterrado ou com o catodo aterrado; ou em modo de AC, isto é, uma onda sinusoide. Um exemplo vantajoso de proporcionar uma fonte de energia elétrica com diferentes modos de operações é a capacidade de proporcionar um dispositivo mais versátil. Por exemplo, em modos de pulso e de AC, um tempo de elevação definido, frequência, ciclo de trabalho e formato de pulso da forma de onda pode ser obtido.

[0060] Deve ser observado que o dispositivo de raios X descrito aqui pode ser usado em uma série de campos. Por exemplo, o dispositivo de raios X pode ser usado em um aparelho de leitura de segurança, por exemplo, como aqueles que pode se encontrar em checagem de segurança em aeroportos. Na medida em que o uso de elemento de aquecimento e a emissão de Schottky permite um dispositivo mais portátil, o dispositivo de raios X pode ser facilmente implementado no referido sistema de segurança.

[0061] Um exemplo adicional de uso do dispositivo de raios X discutido aqui é em dispositivos de leitura médica tais como um aparelho de leitura de tomografia computadorizada (CT) ou um aparelho de leitura do tipo de braço-C, que pode incluir um miniaparelho de braço- C. Um exemplo de uso adicional do dispositivo de raios X descrito aqui é em um aparelho de pesquisa geológica.

[0062] Deve ser observado que o dispositivo de raios X descrito aqui pode ser usado em qualquer aparelho de teste não destrutivo. Alguns poucos exemplos de aplicação do dispositivo de raios X podem ser em mamografia, imageamento veterinário, e espectrometria de fluorescência de Raios X, etc.

[0063] A descrição dos exemplos de modalidades proporcionadas aqui foi apresentada com o objetivo de ilustração. A descrição não pretende ser exaustiva ou limitar os exemplos de modalidades à forma precisa ilustrada, e modificações e variações são possíveis na luz dos ensinamentos acima ou podem ser adquiridas a partir da prática das várias alternativas das modalidades proporcionadas. Os exemplos discutidos aqui foram escolhidos e descritos de modo a explicar os princípios e a natureza dos vários exemplos de modalidades e a sua aplicação prática para permitir que aqueles versados na técnica utilizem os exemplos de modalidades em vários modos e com várias modificações como forem adequadas para o uso particular contemplado. As características das modalidades descritas aqui podem ser combinadas em todas as combinações possíveis de métodos, aparelhos, módulos, sistemas, e produtos de programa de computador. Deve ser observado que os exemplos de modalidades apresentados aqui podem ser praticados em qualquer combinação um com o outro.

[0064] Deve ainda ser observado que o termo "que compreende" não necessariamente exclui a presença de outros elementos ou etapas do que os listados e os termos "a" ou "um" precedendo um elemento não exclui a presença de uma pluralidade dos referidos elementos. Deve ainda ser adicionalmente observado que qualquer sinal de referência não limita o âmbito das reivindicações, que os exemplos de modalidades podem ser implementados pelo menos em parte por meio de ambos os hardware e software, e que diversos "meios", "unidades" ou "dispositivos" podem ser reapresentados pelo mesmo item de hardware.

[0065] Nos desenhos e na especificação, foram descritas modalidades exemplificativas. Entretanto, muitas variações e modificações podem ser produzidas nas referidas modalidades. Desse modo, embora termos específicos tenham sido empregados, os mesmos são usados em um sentido genérico e descritivo apenas e não com o objetivo de limitação, o âmbito das modalidades sendo definido pelas reivindicações a seguir.

Claims

1. Emissor de elétrons (22, 22_1, 22_2, 22_3) para um tubo de raios X, o emissor de elétrons que compreende: um substrato eletricamente condutor (23); e um material de nanoestrutura (24) é compreendido em pelo menos uma porção do substrato eletricamente condutor, em que o material de nanoestrutura é produzido de ZnO, caracterizado por um elemento de aquecimento (21) que permite causar um aumento na temperatura do emissor de elétrons a um nível que ajuda a emissão de elétrons a partir do emissor quando o catodo é negativamente polarizado.

2. Emissor de elétrons (22, 22_1, 22_2, 22_3), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que ainda compreende uma grade (30) situada a uma distância fixa a partir do substrato eletricamente condutor (23) por meio de um elemento de espaçamento (31), a referida distância sendo entre 100 μm e 1000 μm.

3. Emissor de elétrons (22, 22_1, 22_2, 22_3), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o substrato eletricamente condutor (23) é no formato de um cilindro sólido com a seção transversal circular, poligonal ou em estrela.

4. Emissor de elétrons (22, 22_1, 22_2, 22_3), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que as porções do substrato eletricamente condutor (23) que não compreendem o material de nanoestrutura (24) ainda compreendem a camada dielétrica.

5. Emissor de elétrons (22, 22_1, 22_2, 22_3), de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a camada dielétrica é SiO2.

6. Emissor de elétrons (22, 22_1, 22_2, 22_3), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o emissor de elétrons é configurado para a emissão de Schottky quando o elemento de aquecimento (21) é em um estado ligado e o emissor de elétrons é negativamente polarizado.

7. Emissor de elétrons (22, 22_1, 22_2, 22_3), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 6, caracterizado pelo fato de que o emissor de elétrons é configurado para a emissão de campo quando o elemento de aquecimento (21) está em um estado desligado e o emissor de elétrons é negativamente polarizado.

8. Tubo de raios X caracterizado pelo fato de que compreende o emissor de elétrons (22, 22_1, 22_2, 22_3), como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 7.

9. Tubo de raios X, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que ainda compreende uma pluralidade de emissores de elétrons (22, 22_1, 22_2, 22_3) dispostos de modo a emitir elétrons em torno de um componente de recebimento de elétron (14).

10. Tubo de raios X, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de emissores de elétrons (22, 22_1, 22_2, 22_3) é ativada individualmente, simultaneamente ou em sequência.