CN101494149B - 用于多点x射线的基于场发射体的电子源 - Google Patents

用于多点x射线的基于场发射体的电子源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了用于多点x射线的基于场发射体的电子源。提供一种包括多个电子发生器(10)的多点x射线发生器(90)。每个电子发生器(10)包括：发射体元件(26)，用于发射电子束(28)；网状栅格(32)，其邻近每个发射体元件(26)以便增强在该发射体元件(26)的表面处的电场；以及聚焦元件(34)，其被定位成接收来自每一个发射体元件(26)的电子束(28)并且聚焦所述电子束(28)以在屏蔽的阳极靶(38、40)上形成焦斑(39)，所述屏蔽的阳极靶(38、40)结构在由所述多个电子发生器(10)所产生的多个电子束(28)撞击时产生x射线焦斑(39)的阵列。

Description

用于多点x射线的基于场发射体的电子源
技术领域
本发明一般而言涉及场型电子发射体，更具体而言，涉及这样一种系统，该系统用于限制场型电子发射体阵列中的电弧放电效应，聚焦由发射体产生的电子束，以及控制发射体阵列中的各个发射体。场发射体单元包括保护和聚焦方案，该方案用于最小化电子束的衰减以及允许将电子束聚焦成期望的斑点尺寸。提供一种允许以最小数量的控制通道来单独控制在阵列中的场发射体单元的控制系统。
背景技术
场型电子发射体阵列中的电子发射是根据Fowler-Nordheim理论产生的，所述Fowler-Nordheim理论使干净金属表面的场发射电流密度与在该表面处的电场相联系。大多数场型电子发射体阵列通常包括由许多场发射体器件组成的阵列。发射体阵列可以被微加工或纳米加工以便在单个芯片上包含数万个发射体器件。当被正确驱动时，每个发射体器件可以从该发射体器件的尖端部分发射电子束或电子流。场发射体阵列具有许多应用，其中之一是用在场发射体显示器中，所述显示器可以作为平板显示器来实施。另外，场发射体阵列可以具有在微波管、x射线管、以及其它微电子器件中作为电子源的应用。
电子发射场发射体器件自身可以采用多种形式，例如“Spindt”型发射体。在操作中，控制电压被施加于栅电极和衬底之间以产生强电场并从放置在衬底上的发射体元件中引出电子。典型地，栅极层为一个发射体阵列的所有发射体器件所共有，并且将相同的控制或发射电压提供给整个阵列。在一些Spindt发射体中，控制电压可以为大约100V。其它类型的发射体可以包括难熔金属、碳化物、金刚石、或者硅尖或硅锥、硅/碳纳米管、金属纳米线、或碳纳米管。
目前，还不知道场发射体阵列能否足够鲁棒地用于几种潜在的商业应用，例如用于x射线管。许多现有的发射体阵列设计容易出现由电弧放电产生的操作故障和结构磨损。电弧放电更有可能在差的真空环境中出现，这种情况在许多x射线管中都存在。最常见地，施加于发射体器件的栅极层的过电压可以导致在栅极层和发射体元件之间形成电弧，从而允许电流在短路中从栅极层通过发射体元件流到衬底。另一种类型的电弧放电被称为绝缘体击穿，其中施加于栅极层的过电压可以导致位于栅极层和衬底之间的绝缘层的击穿，这允许电流穿通并且在栅极层和衬底之间产生短路。电弧也可以越过绝缘层的表面，从而导致所谓的“闪络”。
当发射体阵列的一个发射体以任一形式经历电弧放电或“击穿”时，绝缘层将不再能够支持足以使电子在阵列的其它发射体处继续发射的电压或电偏置。另外，由短路电流所产生的高温可以导致该发射体以及相邻发射体的磨损或损坏。因此，在一个发射体处的电弧可以影响整个发射体阵列的操作。所以希望具有一种保护发射体阵列免受电弧放电效应影响的系统和方法。
当在x射线管应用中被用作电子源时，场发射体阵列产生与击穿相关联的那些挑战以外的附加挑战。例如，对于从阴极中引出电子束所需要的低电压而使用的某些机构，例如栅格结构，会增加电子束质量的降低。增加后的束发射度阻止电子束聚焦到在阳极上的小的、可用的焦斑。照这样，束质量降低的问题仍然是当前的场发射体设计中的一个难题。
场发射体阵列的当前设计的另一问题是，阵列中的每个发射体经由相关联的偏置或激励线并且以适当的时间间隔被依次寻址。由于在一个典型阵列中有大量发射体元件，因此会存在同样大量的相关联的激励线和连接。大量的激励线需要穿过x射线管的真空室以便为发射体元件供电，因此必须有大量的真空馈通。任何馈通器件都不可避免地与泄漏率相关联，这可以导致管中的气压水平会抑制发射体元件的性能以及发射体元件产生电子的能力。
因此，需要一种保护发射体阵列中的发射体元件免于受到电弧放电效应的影响的系统。还希望具有一种用于控制发射体元件的系统，该系统减少了激励线和馈通通道的数量。
发明内容
本发明的各实施例通过提供一种场发射体单元来克服前述缺点，所述场发射体单元提供低电压引出以及改善的束聚焦。所述场发射体单元包括保护和聚焦方案，该方案用于最小化电子束的衰减以及允许将电子束聚焦成期望的斑点尺寸。还提供一种用于以最小数量的激励连接来控制阵列中的多个场发射体单元的控制方案。
根据本发明的一个方面，一种多点x射线发生器包括被布置成形成电子发生器矩阵的多个电子发生器，所述电子发生器矩阵包括电连接到所述多个电子发生器的多个激励连接，并且其中每个电子发生器被连接到一对激励连接以从其接收电位。每个电子发生器进一步包括：发射体元件，其被配置成发射电子束；网状栅格，其被布置成邻近每个发射体元件以便增强在该发射体元件的表面处的电场；以及聚焦元件，其被定位成接收来自每个发射体元件的电子束并且聚焦所述电子束以在阳极靶(target anode)上形成焦斑。所述多点x射线发生器还包括：阳极靶，其被配置成在由所述多个电子发生器所产生的多个电子束撞击时产生x射线焦斑的阵列，从而提供对象的断层摄影成像；以及阳极护罩，其围绕所述阳极靶定位以捕获从所述阳极靶输出的反向轰击离子。
根据本发明的另一方面，一种x射线管包括：外壳，用于在其中封闭真空密封室；以及靶，其通常位于所述室的第一端，并且被配置成在由多个电子束撞击时产生x射线焦斑的阵列，从而提供对象的断层摄影成像。所述多点x射线发生器还包括：靶护罩，其容纳所述靶，并且被配置成在其中俘获由所述多个电子束与所述靶的相互作用而产生的离子以及拦截反向散射电子；以及场发射体阵列，其通常位于所述室的第二端以产生所述多个电子束并朝着所述靶发射所述多个电子束，所述场发射体阵列包括在其中所连接的多个场发射体单元。所述多个场发射体单元中的每一个进一步包括：衬底；发射体元件，其被定位在所述衬底上并且被配置成产生电子束；以及引出电极，其邻近所述发射体元件而定位以从其引出电子束，所述引出电极包括通过其中的开口。每个场发射体单元还包括：金属栅格，其被布置在所述引出电极的开口中以增强在所述发射体元件的表面处的电场的强度和均匀性；以及聚焦电极，其位于所述发射体元件和所述靶之间以便当电子束穿过其中时聚焦电子束。
根据本发明的又一方面，一种用于成像系统的分布式x射线源包括：多个场发射体，其被配置成产生至少一个电子束；以及屏蔽阳极，其位于所述至少一个电子束的路径中，并且被配置成在电子束撞击在其上时发射被调节成用于CT成像过程的高频电磁能的射束。所述多个场发射体中的每一个包括碳纳米管(CNT)发射体元件和从CNT发射体元件引出电子束的栅电极，所述栅电极包括位于电子束路径中的网状栅格。所述场发射体中的每一个进一步包括用于抑制所述CNT发射体元件附近的表面闪络的装置以及用于聚焦电子束以在所述屏蔽阳极上形成焦斑的装置。
根据下面结合附图所提供的对本发明优选实施例的详细描述，将更容易理解这些以及其它的优点和特征。
附图说明
附图示出当前设想的用于实现本发明的各实施例。
在附图中：
图1是根据本发明一个实施例的场发射体单元和阳极靶的横截面图。
图2是根据本发明一个实施例的阳极靶和靶护罩的示意图。
图3是根据本发明一个实施例的场发射体单元的局部横截面图。
图4是根据本发明另一实施例的场发射体单元的局部横截面图。
图5是根据本发明另一实施例的场发射体单元和阳极靶的横截面图。
图6是根据本发明另一实施例的场发射体单元和阳极靶的横截面图。
图7是根据本发明一个实施例的聚焦电极的顶视图。
图8是根据本发明一个实施例的场发射体阵列的示图。
图9是根据本发明一个实施例的x射线源的示意图。
图10是结合了本发明一个实施例的CT成像系统的透视图。
图11是图10中所示的系统的示意框图。
具体实施方式
关于x射线源或发生器描述了本发明的各实施例的操作环境，所述x射线源或发生器包括基于场发射体的阴极和/或这样的场发射体的阵列。也就是说，本发明的保护、聚焦和激励方案将作为提供用于基于场发射体的x射线源而被描述。然而，本领域技术人员将会认识到，用于这样的保护、聚焦和激励方案的本发明的各实施例同样适用于其它阴极技术，例如储备式阴极和其它热电子阴极。本发明将关于场发射体单元和这样的场发射体的阵列进行描述，但是同样适用于其它冷阴极和/或热电子阴极结构。
参考图1，描绘了根据本发明一个实施例的单个电子发生器10的横截面图。正如下面将更详细地解释的那样，在一个实施例中电子发生器10是冷阴极、碳纳米管(CNT)场发射体，尽管应当理解在此所述的特征和适配也适用于其它类型的场发射体(例如Spindt型发射体)或者其它热电子阴极或储备式阴极型电子发生器。如图1中所示，电子发生器包括具有基极或衬底层12的场发射体单元10，所述基极或衬底层12优选地由诸如基于掺杂硅的物质之类的导电或半导电材料或者由铜或不锈钢形成。所以，衬底层12优选是刚性的。介质膜14被形成或沉积在衬底12上以从其分离出绝缘层16(即陶瓷隔离物)。介质膜14优选地由非导电物质、或者诸如二氧化硅(SiO2)或氮化硅(Si3N4)之类的电阻很高的物质、或者具有相似介质特性的某一其它材料形成。通道或孔18通过几种已知的化学或蚀刻制造工艺中的任何一种被形成在介质膜14中。
衬底层12被配准到绝缘层16上，所述绝缘层16在一个实施例中是陶瓷隔离元件，所述陶瓷隔离元件具有期望的绝缘特性以及用于吸收(例如当场发射体单元形成绕CT机架旋转的x射线源的一部分时)由场发射体单元的移动所引起的负荷的压缩特性。绝缘层16被用来从引出电极20(即栅电极、栅极层)分离出衬底层12，以便可以将电位施加于引出电极20和衬底12之间。通道或腔22被形成在绝缘层16中，并且相应的开口24被形成在引出电极20中。如所示，开口24基本上叠加在腔22上。在其它实施例中，腔22和开口24可以具有近似相同的直径，或者腔22可以比栅极层引出电极20的开口24更窄。
电子发射体元件26被布置在腔24中并且被固定在衬底层12上。当控制电压通过衬底12被施加于发射体元件26时，开口22中的电场(由引出电极20产生)与发射体元件26的相互作用会产生可以被用于多种功能的电子束28。在一个实施例中，发射体元件26是基于碳纳米管的发射体，然而，可以设想在此所述的系统和方法也适用于由场型发射体中的几种其它的材料和形状形成的发射体。
如图1所示，形成绝缘层16的陶瓷件被形成为具有用于沿着陶瓷件来抑制表面闪络的特征。在一个实施例中，绝缘层16被形成为具有围绕腔22的一个或多个台阶30。围绕腔22的陶瓷隔离物16的台阶状配置30有助于抑制表面闪络并且保护发射体元件26。可以预见通过增加绝缘层16的厚度来使发射体元件26进一步凹入腔22内，从而进一步保护发射体元件26。用于提高陶瓷隔离物16的耐压能力的其它方法也被预见，并且这些方法包括用低的二次电子发射涂层来涂覆隔离物或者在惰性气体环境中在高频下用低压等离子体预处理隔离物表面。
仍然参考图1，网状栅格32被定位在分别属于绝缘层16和引出电极20的腔22和开口24之间。这将网状栅格32定位在发射体元件26附近以减小从发射体元件26引出电子束28所需的电压。也就是说，为了高效引出，网状栅格32和发射体元件26之间的间隙被保持在期望距离之内(例如0.1mm-2mm)，以便增强在发射体元件26周围的电场并最小化引出电子束28所需的总引出电压。在腔22上的网状栅格32的放置允许施加于引出电极20的引出电压大约在1-3kV的范围内，这取决于网状栅格32和发射体元件26之间的距离。通过将总引出电压减小到这样的范围，提高了场发射体单元10的高压稳定性并且使电子束28中的更高发射电流自然地成为可能。发射体元件26和引出电极20之间的电位差被最小化，以减小发射体单元10中的高压不稳定性并且简化对于其中的复杂驱动/控制设计的需要。
聚焦电极34也被包括在场发射体单元10中，并且聚焦电极34被定位在引出电极20之上以便当电子束28穿过形成于其中的孔36时聚焦电子束28。孔36的大小和聚焦电极34的厚度被设计成使得可以实现最大电子束压缩。如图1所示，聚焦电极34通过第二陶瓷隔离元件37与引出电极20分离。电压被施加于聚焦电极34以通过静电力来聚焦电子束28，从而使得电子束28被聚焦以便在阳极靶38上形成期望的焦斑39。另外，聚焦电极34被配置成使得它保护发射体元件26免于高压击穿。也就是说，聚焦电极34有助于防止发射体元件26、介质膜14和绝缘层16的电击穿，并且防止通过这种部件形成电火花或电弧(即闪络)，所述电火花或电弧可能部分由从阳极靶38产生的离子反向轰击而产生，这将在下面进一步详细地解释。
如上所述，聚焦电极34用于将电子束28聚焦成阳极靶38上的期望的焦斑39。如图1中所示，阳极靶38被容纳在围绕其定位的阳极护罩40内。阳极护罩40包括在其中的开口42以允许电子束28穿过阳极护罩40并撞击阳极靶38。一旦电子束28撞击在阳极靶38上，离子就经由解吸气体的电离而产生。当发射体元件26优选地在地电位操作并且阳极靶38在满电压电位操作时，这些正离子试图向后朝着发射体元件26行进，这将导致损坏发射体元件26。阳极护罩40用于俘获从阳极靶38产生的离子，因此防止反向轰击发射体元件26。离子反向轰击也可以触发场发射体和高电位阳极之间的高压电弧放电。所以，围绕阳极靶38放置的阳极护罩40也可以通过防止高压电弧放电来改善场发射体单元10的高压稳定性。
阳极护罩40也可以拦截从阳极表面反向散射的电子。如果没有这样的护罩，这些反向散射电子中的大多数就带着它们的大部分初始动能离开靶的表面，并且将在离焦斑的一定距离处返回到阳极，从而产生离焦辐射。所以，阳极护罩40可以通过减小离焦辐射来改善图像质量。
用阳极护罩40拦截反向散射电子也可以通过防止它们反向撞击靶而改善靶的热管理。这样的阳极护罩40可以用液体冷却。
阳极护罩40也可以通过在阳极护罩40的内表面上用高Z材料44(即高原子序数材料，例如钨)来涂覆阳极而被构造，以提供部分x射线屏蔽。围绕阳极靶38放置阳极护罩40也可以改善场发射体单元10的高压稳定性并且有助于防止高压电弧放电。当靶护罩40被定位成非常靠近阳极靶38时，有可能减少x射线屏蔽所需的材料，从而减少结合了场发射体单元10和阳极靶38的x射线源(如图10和图11中所示)的总重量，并且允许x射线源定位在旋转CT机架(如图10和图11中所示)上。
如图2所示，在另一实施例中，阳极靶38相对于阳极护罩40有偏斜以便改善离子俘获。也就是说，当电子束28撞击在阳极靶38上时，产生的离子相对于入射电子束28和开口42偏转一定的角度，因此防止大多数离子从阳极护罩40逃逸。阳极靶38可以倾斜，使得电子束28以大约10到90度的入射角撞击阳极靶38。因此，例如，阳极靶38可以相对于电子束28的路径倾斜大约20度以提供已产生离子的足够偏转。由电子束撞击阳极靶产生的x射线通过观察窗46离开阳极护罩40。
现在参考图3，在另一实施例中，发射体元件26由多个大发射体48组成。如图3中所示，大发射体48由多个碳纳米管(CNT)50组成。为了减小由电子撞击网状栅格32所导致的电子束28的衰减，CNT 50被构图成多个CNT组52，所述多个CNT组与网状栅格32中的各开口54对准。通过使CNT组52与网状栅格32中的各开口54对准，电子束28中的束电流的拦截可以被减少到几乎为零，这取决于网状栅格结构。而且，如上所述，通过使CNT组52与各开口54对准，非常高比例的电子将穿过网状栅格32，因此增加了总射束发射电流并且允许电子束28的最佳聚焦以形成期望的焦斑。由栅格拦截的电子的减少也减小了栅格的热量，因此提高了栅格寿命。此外，栅格上拦截的电子的减少也减轻了在驱动电路(未示出)上的负荷。
在另一实施例中，并且如图4中所示，以弧形结构来提供场发射体单元10以便进一步增加聚焦能力。场发射体单元10在局部横截面图中被描绘以示出其弧段58。如所示，衬底层60和引出电极/网状栅格62被弯曲，使得来自多个大发射体48的电子束64倾向于会聚。优选地，弧段58可以是凹形的，并且被选择成使得电子流以期望的方式在阳极靶38上会聚或聚焦成期望的焦斑大小。如本领域中已知的，电子电流撞击在其上的阳极38的面积(即焦斑39)的变化会改变所得到的x射线束的特性。应当理解，尽管仅仅示出单个场发射体单元10，但是弧段58可以跨过场发射体阵列(未示出)中的多行发射体而延伸，并且这样的阵列可以跨过多于一个的维度来弯曲。
现在参考图5到图7，在几个实施例中示出聚焦电极34，其提供场发射体单元10中的期望的电子束聚焦。如图5所示，在一个实施例中，聚焦电极34包括形成于电极中的角形孔66以提供用于电子束28的聚焦角。孔66可以以皮尔斯(Pierce)角(即67.5度)或其它合适的角度来成角以提供期望的电子束聚焦。另外，阳极护罩40中的开口42可以被形成为具有聚焦角68以进一步改善电子束聚焦。
在另一实施例中，并且如图6所示，聚焦电极包括单透镜70。该单透镜70由三个电极72、74、76构成，其中两个外部电极72和74具有第一电位，而中间电极76具有不同的第二电位。三个电极72、74、76中的每一个电极在形状上是圆筒形的或矩形的，并且沿着对应于电子束28的路径的轴而串联布置。电极72、74、76操控电场以便当电子束28穿过其中时使电子束28偏转。电极72、74、76是对称的，因此电子束28在离开单透镜70时将重新获得其初始速度，尽管电子束中的外部粒子的速度将被改变，以使它们会聚到电子束28的行进轴/路径上，从而聚焦射束。尽管单透镜70被示出为由三个电极72、74、76组成，但是还预见了可以使用附加电极。此外，单透镜的变化也可以使用在第一和第三电极上的不对称电压。
对于某些高级的CT应用，期望具有电子束摆动能力。因此，如图7的实施例所示，聚焦电极被配置为一个包括四个段80、82、84、86的对切透镜78。每个段80、82、84、86具有施加于其上的不同电压(V1、V2、V3、V4)以形成组合偶极子和四极场。场的偶极子分量被用于电子束28的摆动，并且场的四极分量被用于在摆动期间的电子束形状校正。可以选择对切透镜78中的段80、82、84、86之间的对切角以及在射束聚焦/成形期间施加于每个段的电压，以便提供电子束28的最佳聚焦/成形。
尽管在图1到图7中被示出为单个场发射体单元10，但是多个场发射体单元10可以被布置在矩阵中以形成场发射体阵列88(即电子发生器矩阵)，因此提供用于多点x射线源90(即分布式x射线源)的一个电子源(和多个电子束源位置)。现在参考图8，场发射体阵列88被描绘为具有九个点的多点x射线源90，然而应当认识到，场发射体单元10的数量以及由此的场发射体阵列88的尺寸，可以根据应用来变化。九个场发射体单元10被布置成3×3阵列。场发射体单元10可以被选择性地开启和关断以形成电子束(未示出)。场发射体单元10可以被顺序地激励以有效地允许顺序地产生电子束，或者可以被非顺序地激励。场发射体单元10可以被任意地或随机地激励以提高图像质量。场发射体单元10发射电子束，并且该电子束被导向阳极靶(未示出)。
场发射体阵列88具有由X、Y和Z表示的三行，以及由A、B和C表示的三列。场发射体单元10由在场发射体单元10中被共用的六个激励连接92来激励或寻址。注意，每个场发射体单元10具有两个相关联的激励连接92，一个来自行X-Z，一个来自列A-C。因此，对于在该配置中具有N行和N列或N2个元件的场发射体阵列88，则有2N(即N+N)个激励连接92。作为另一例子，在该配置中900个发射体的阵列将利用60个激励连接。激励连接92可以被视为60个真空馈通线。
对应于场发射体单元10的行X-Z的每个激励连接92将发射体电压传送到该行的每个场发射体单元10的发射体元件(参见图1)。对应于场发射体单元10的列A-C的每个激励连接92将引出电压传送到该列的每个场发射体单元10中的引出电极(参见图1)。每个场发射体单元10中的引出电极和发射体元件上的电压可以被独立地控制为“高”和“低”。因此，例如，为了寻址特定场发射体单元94，包含特定发射体单元94的第一特定发射体行X被设置为“低”电压，并且其它发射体行Y-Z被设置为“高”电压。然后包含特定发射体单元94的引出列C被设置为“高”电压，并且剩余的引出列A-B被设置为“低”电压，从而导致特定场发射体单元94被寻址。除了独立地控制每行和每列中的“高”电压和“低”电压之外，施加于每个场发射体单元10自身的“高”电压和“低”电压可以被单独地控制以调制电子束电流，这是CT应用所期望的特征。
除了将激励线92配置成将发射体电压和引出电压施加于每个场发射体单元10之外，还预见了一对公共聚焦线(未示出)可以与每个场发射体单元10和其中的聚焦电极耦合以控制由每个场发射体单元10产生的焦斑的宽度和长度。
现在参考图9，示出例如用于CT系统的x射线发生管140。原则上，x射线管140包括在外壳146中封闭的阴极组件142和阳极组件144。如本领域所已知的，阳极组件144包括转子158，该转子被配置成转动一个旋转阳极圆盘154和围绕该阳极圆盘的阳极护罩156。当来自阴极组件142的电子电流162撞击阳极154时，该阳极154从其中发射x射线束160。阴极组件142结合了由支撑结构150定位于适当位置的电子源148。如上面所详细描述的那样，电子源148包括场发射体阵列152以产生初级电子电流162。此外，对于多个电子源，靶不必是旋转靶。更确切地说，有可能使用固定靶，其中电子束从多个阴极被顺序地发出。固定靶可以用油、水或另一合适的液体直接冷却。
参考图10，计算机断层摄影(CT)成像系统210被示出为包括代表“第三代”CT扫描仪的机架212。机架212具有x射线源214，该x射线源214在其中旋转并且向在机架212的相对侧的探测器组件218或准直器投射x射线束216。x射线源214包括具有如上述任何一个实施例中所构造的基于场发射体的阴极的x射线管。现在参考图11，探测器组件218由多个探测器220和数据采集系统(DAS)232构成。多个探测器220检测穿过医疗患者222的已投射的x射线，并且DAS 232将数据转换成数字信号以供后续处理。每个探测器220产生模拟电信号，该模拟电信号代表撞击x射线束的强度，并且因此代表衰减束穿过患者222时的强度。在采集x射线投射数据的扫描期间，机架212和安装在其上的部件围绕旋转中心224旋转。
机架212的旋转和x射线源214的操作由CT系统210的控制机构226来支配。控制机构226包括：x射线控制器228，其将电力、控制和定时信号提供给x射线源214；以及机架电动机控制器230，其控制机架212的转速和位置。优选地，x射线控制器228被编程，从而当确定施加于基于场发射体的x射线源214的电压以产生期望的x射线束强度和定时时，说明本发明的x射线管的电子束放大特性。图像重建器234接收来自DAS 232的采样且数字化的x射线数据，并且执行高速重建。重建的图像作为输入被提供给计算机236，该计算机236将图像存储在大容量存储设备238中。
计算机236还通过控制台240接收来自操作者的命令和扫描参数，所述控制台具有某种形式的操作者接口，例如键盘、鼠标、语音激活的控制器、或任何其它合适的输入装置。相关联的显示器242允许操作者观察重建图像和来自计算机236的其它数据。操作者提供的命令和参数由计算机236使用，以将控制信号和信息提供给DAS 232、x射线控制器228和机架电动机控制器230。另外，计算机236操作工作台电动机控制器244，该控制器244控制机动工作台246以定位患者222和机架212。特别地，工作台246整体地或部分地移动患者222以使其通过图10的机架开口248。
尽管关于六十四切片“第三代”计算机断层摄影(CT)系统进行了描述，但是本领域技术人员将会认识到，本发明的实施例同样适用于其它成像形式，例如基于电子枪的系统、x射线投射成像、包裹检查系统、以及其它多切片CT配置或系统或反向几何CT(IGCT)系统。而且，本发明关于x射线的产生、探测和/或转换进行了描述。然而，本领域技术人员将进一步认识到，本发明也适用于其它高频电磁能的产生、探测和/或转换。
所以，根据本发明的一个实施例，一种多点x射线发生器包括被布置成形成电子发生器矩阵的多个电子发生器，所述电子发生器矩阵包括电连接到所述多个电子发生器的激励连接，并且其中每个电子发生器被连接到一对激励连接以从其接收电位。每个电子发生器还包括：发射体元件，其被配置成发射电子束；网状栅格，其被布置成邻近每个发射体元件以便增强在该发射体元件的表面处的电场；以及聚焦元件，其被定位成接收来自每个发射体元件的电子束并且聚焦所述电子束以在阳极靶上形成焦斑。所述多点x射线发生器还包括：阳极靶，其被配置成在由所述多个电子发生器所产生的多个电子束撞击时产生x射线焦斑的阵列，从而提供对象的断层摄影成像；以及阳极护罩，其围绕所述阳极靶定位以捕获从所述阳极靶输出的反向轰击离子。
根据本发明的另一实施例，一种x射线管包括：外壳，用于在其中封闭真空密封室；以及靶，其通常位于所述室的第一端，并且被配置成在由多个电子束撞击时产生x射线焦斑的阵列，从而提供对象的断层摄影成像。所述多点x射线发生器还包括：靶护罩，其容纳所述靶，并且被配置成在其中俘获由所述多个电子束与所述靶的相互作用而产生的离子并且拦截反向散射电子；以及场发射体阵列，其通常位于所述室的第二端以产生所述多个电子束并且朝着所述靶发射所述多个电子束，所述场发射体阵列包括在其中所连接的多个场发射体单元。所述多个场发射体单元中的每一个还包括：衬底；发射体元件，其定位在所述衬底上并且被配置成产生电子束；以及引出电极，其邻近所述发射体元件而定位以从其引出电子束，所述引出电极包括通过其中的开口。每个场发射体单元还包括：金属栅格，其被布置成在所述引出电极的开口中以增强在所述发射体元件的表面处的电场的强度和均匀性；以及聚焦电极，其位于所述发射体元件和所述靶之间以便当电子束穿过其中时聚焦电子束。
根据本发明的又一实施例，一种用于成像系统的分布式x射线源包括：多个场发射体，其被配置成产生至少一个电子束；以及屏蔽阳极，其被定位在所述至少一个电子束的路径中，并且被配置成在电子束撞击在其上时发射被调节成用于CT成像过程的高频电磁能的射束。所述多个场发射体中的每一个包括碳纳米管(CNT)发射体元件和从所述CNT发射体元件引出电子束的栅电极，所述栅电极包括位于电子束路径中的网状栅格。所述场发射体中的每一个还包括用于抑制所述CNT发射体元件附近的表面闪络的装置以及用于聚焦电子束以在所述屏蔽阳极上形成焦斑的装置。
尽管仅仅结合有限数量的实施例详细描述了本发明，但是应当容易理解，本发明不限于这样公开的实施例。更确切地说，本发明可以被修改以结合在此之前未描述的、但是与本发明的精神和范围相称的任何数量的变化、改变、替换或等效设置。另外，尽管描述了本发明的各种实施例，但是应当理解，本发明的各方面可以仅仅包括所描述的实施例中的一些。因此，本发明不应当被视为由前面的描述所限定，而是仅仅由所附权利要求书的范围来限定。

Claims (24)

1.一种多点x射线发生器(90)，包括：
多个电子发生器(10)，其被布置成形成电子发生器矩阵(88)，所述电子发生器矩阵(88)包括电连接到所述多个电子发生器(10)的多个激励连接(92)，并且其中每个电子发生器(10)被连接到一对所述激励连接(92)以从其接收电位；
阳极靶(38)，其被配置成在由所述多个电子发生器(10)所产生的多个电子束(28)撞击时产生x射线焦斑(39)的阵列，从而提供对象的断层摄影成像，其中所述阳极靶被定位成使得，所述多个电子束以10到90度之间的入射角撞击所述阳极靶；
阳极护罩(40)，其围绕所述阳极靶(38)定位以捕获从所述阳极靶(38)输出的反向轰击离子；以及
其中每个电子发生器(10)还包括：
发射体元件(26)，其被配置成发射电子束(28)；
网状栅格(32)，其被布置成邻近每个发射体元件(26)以便增强在该发射体元件(26)的表面处的电场；以及
聚焦元件(34)，其被定位成接收来自所述发射体元件(26)的所述电子束(28)并且聚焦所述电子束(28)以在所述阳极靶(38)上形成焦斑(39)。
2.根据权利要求1所述的多点x射线发生器(90)，其中每个电子发生器(10)还包括：
衬底层(12)，其具有布置在其上的所述发射体元件(26)；以及
绝缘层(16)，其邻近所述衬底层(12)，所述绝缘层(16)具有在其中的腔(22)以容纳所述发射体元件(26)，并且被配置成抑制围绕所述发射体元件(26)的闪络。
3.根据权利要求2所述的多点x射线发生器(90)，其中所述衬底层(12)还包括顶面，所述顶面具有在其上的二氧化硅(SiO2)膜(14)，所述二氧化硅膜(14)具有在其中的间隙(18)以允许所述发射体元件(26)定位在所述衬底层(12)的所述顶面上。
4.根据权利要求2所述的多点x射线发生器(90)，其中所述绝缘层(16)包括具有台阶状(30)配置的陶瓷隔离物(16)。
5.根据权利要求2所述的多点x射线发生器(90)，其中所述发射体元件(26)包括碳纳米管CNT场发射体，所述CNT场发射体包括多个CNT组(52)，所述多个CNT组(52)被构图成与所述网状栅格(32)中的各开口(54)对准。
6.根据权利要求5所述的多点x射线发生器(90)，其中所述衬底层(12)是弯曲的(58)，以增强由所述多个CNT组(52)产生的电子束(64)的会聚。
7.根据权利要求1所述的多点x射线发生器(90)，其中所述阳极护罩还包括涂覆钨的内表面。
8.根据权利要求1所述的多点x射线发生器(90)，还包括耦合到所述阳极靶的电压源，其中所述阳极靶(38)在相对于所述电子发生器(10)的偏置电压下进行操作。
9.根据权利要求1所述的多点x射线发生器(90)，其中所述聚焦元件(34)还包括角形聚焦透镜(66)和单透镜(70)之一。
10.根据权利要求1所述的多点x射线发生器(90)，其中所述聚焦元件(34)由具有第一电压的第一构件(80)、具有第二电压的第二构件(82)、具有第三电压的第三构件(84)以及具有第四电压的第四构件(86)组成，并且其中所述第一构件(80)、第二构件(82)、第三构件(84)和第四构件(86)形成偶极子部件，所述偶极子部件被配置成提供电子束摆动，以及其中所述第一构件(80)、第二构件(82)、第三构件(84)以及第四构件(86)形成四极部件，所述四极部件被配置成在所述电子束摆动期间提供射束形状校正。
11.根据权利要求1所述的多点x射线发生器(90)，其中所述发射体元件包括储备式阴极。
12.根据权利要求1所述的多点x射线发生器(90)，其中所述多个激励连接(92)被电连接到所述多个电子发生器(10)以形成多个行和列交叉(A、B、C、X、Y、Z)，所述多个行和列交叉为所述电子发生器矩阵(88)中的每个电子发生器(10)限定各自的地址位置；以及
用于激励所述多个电子发生器的控制器，
其中电连接到所述多个电子发生器(10)的所述多个激励连接(92)被配置成对每个地址位置进行寻址，以独立地激励一个电子发生器(10)或者顺序地激励多个电子发生器(10)，以便从其发射电子束(28)。
13.一种多点x射线发生器(90)，包括：
多个电子发生器(10)，其被布置成形成电子发生器矩阵(88)，所述电子发生器矩阵包括电连接到所述多个电子发生器的多个激励连接，并且其中每个电子发生器被连接到一对所述激励连接以从其接收电位；
阳极靶(38)，其被配置成在由所述多个电子发生器所产生的多个电子束撞击时产生x射线焦斑的阵列，从而提供对象的断层摄影成像；
阳极护罩(40)，其围绕所述阳极靶定位以捕获从所述阳极靶输出的反向轰击离子；以及
其中每个电子发生器还包括：
发射体元件(26)，其被配置成发射电子束；
网状栅格(32)，其被布置成邻近每个发射体元件以便增强在该发射体元件的表面处的电场；
聚焦元件(34)，其被定位成接收来自所述发射体元件的所述电子束并且聚焦所述电子束以在所述阳极靶上形成焦斑；
衬底层(12)，其具有布置在其上的所述发射体元件；以及
陶瓷隔离物(16)，其邻近所述衬底层，所述陶瓷隔离物具有台阶状配置以及具有在其中的腔以容纳所述发射体元件。
14.一种x射线管(140)，包括：
外壳，用于在其中封闭真空密封室；
靶，其位于所述室的第一端，并且被配置成在由多个电子束撞击时产生x射线焦斑的阵列，从而提供对象的断层摄影成像；
靶护罩(40)，其容纳所述靶，并且被配置成在其中俘获由所述多个电子束与所述靶的相互作用而产生的离子以及拦截反向散射电子；
场发射体阵列(152)，其位于所述室的第二端以产生所述多个电子束并朝着所述靶发射所述多个电子束，所述场发射体阵列包括在其中所连接的多个场发射体单元；以及
其中所述多个场发射体单元中的每一个进一步包括：
衬底；
发射体元件，其被定位在所述衬底上并且被配置成产生电子束；
引出电极，其邻近所述发射体元件而定位以从其引出电子束，所述引出电极包括通过其中的开口；
网状栅格，其被布置在所述引出电极的开口中以增强在所述发射体元件的表面处的电场的强度和均匀性；以及
聚焦电极，其位于所述发射体元件和所述靶之间以便当电子束穿过其中时聚焦电子束。
15.根据权利要求14所述的x射线管(140)，还包括电连接到所述多个场发射体单元的多个激励连接，并且其中一对所述激励连接被连接到每个场发射体单元以向其传送电位。
16.根据权利要求15所述的x射线管(140)，其中所述场发射体阵列中的所述多个场发射体单元被布置成多个行和多个列，所述多个行和列中的每一个对应于所述多个激励连接中的相应激励连接。
17.根据权利要求16所述的x射线管(140)，其中对应于所述多个行中的每一行的激励连接向所述场发射体单元中的发射体元件传送电位，并且其中对应于所述多个列中的每一列的激励连接向所述场发射体单元中的引出电极传送电位。
18.根据权利要求14所述的x射线管(140)，其中所述发射体元件进一步包括多个碳纳米管组，所述多个碳纳米管组与网状栅格中的各开口对准。
19.根据权利要求14所述的x射线管(140)，其中所述多个发射体元件中的每一个被弯曲以增强电子束的聚焦。
20.根据权利要求14所述的x射线管(140)，其中所述外壳被配置成能够安装到CT机架并且在所述CT机架上旋转。
21.根据权利要求14所述的x射线管(140)，其中所述多个场发射体单元中的每一个进一步包括位于所述衬底和所述引出电极之间的陶瓷隔离物，所述陶瓷隔离物被配置成抑制闪络。
22.一种用于成像系统的分布式x射线源，包括：
多个场发射体，其被配置成产生至少一个电子束；
屏蔽阳极，其位于所述至少一个电子束的路径中，并且被配置成在电子束撞击在其上时发射被调节成用于CT成像过程的高频电磁能的射束；以及
其中所述多个场发射体中的每一个进一步包括：
碳纳米管CNT发射体元件；
用于从CNT发射体元件引出电子束的栅电极，所述栅电极包括位于电子束路径中的网状栅格；
用于抑制所述CNT发射体元件附近的表面闪络的装置；以及
用于聚焦电子束以在所述屏蔽阳极上形成焦斑的装置。
23.根据权利要求22所述的分布式x射线源，其中所述多个场发射体被布置成能够寻址的二维矩阵，所述二维矩阵具有多个行和列交叉，所述多个行和列交叉为所述二维矩阵中的每个场发射体限定各自的地址位置；以及
进一步包括耦合到所述多个场发射体的多个控制通道，所述多个控制通道被配置成对每个地址位置进行寻址，以将发射体电压和引出电压传送到所述多个场发射体中的每一个。
24.根据权利要求22所述的分布式x射线源，其中所述CNT发射体元件包括多个CNT组，所述CNT组中的每一个与网状栅格中的开口对准。
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