CN102422364B - 具有多个电子发射器的x射线源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有电子射束发生器(120)的X射线源(100)，所述电子射束发生器用于生成朝向靶(110)会聚的电子射束(B、B′)。由此，可以使靶(110)上的X射线焦斑(T、T′)的空间分布比电子射束源(121)的分布更加密集，其中，后者通常受到硬件限制的支配。所述电子射束发生器(120)尤其包括具有基于CNT的电子发射器(141)的矩阵的曲面发射器装置(140)和相关联的电极装置(130)。

Description

具有多个电子发射器的X射线源
技术领域
本发明涉及一种X射线源，其包括利用电子射束进行轰击以生成X射线的靶。此外，其还包括具有这种X射线源的X射线成像装置和用于生成X射线的方法。
背景技术
用于例如在医学X射线诊断中使用的经典X射线源包括用于朝向阳极发射电子的加热阴极，其中，利用电子的轰击生成X射线射束。此外，US6912268B2描述了一种具有单个“冷阴极”的X射线源，所述冷阴极具有一个曲面，电子从所述曲面发射，从而使其会聚到相关的阳极上。
发明内容
基于这一背景，本发明的目的是提供一种能够实现多用途X射线生成，尤其是就X射线射束的空间原点(焦斑)而言能够实现这一目的的装置。
这一目的是通过根据权利要求1所述的X射线源、根据权利要求14所述的方法以及根据权利要求13所述的X射线成像装置实现的。在从属权利要求中公开了优选实施例。
根据其第一方面，本发明涉及一种用于生成X射线射束的X射线源，其例如能够用于医学或工业成像应用当中。该X射线源包括以下部件：
a)用于在以电子射束进行轰击时发射X射线的靶。对于本领域技术人员而言，用于这种靶的适当的设计和材料都是周知的，并且其例如包括钨电极。由于在操作期间靶通常被连接至正电势，因而在下文中有时还将其称为“阳极”。
b)具有用于有选择地发射朝向上述靶会聚的电子射束的至少两个电子射束源的电子射束发生器。所述电子射束源可以是能够发射定向电子射束的任意种类的装置。在下文中将更详细地描述具体实施例。
所考虑的两个电子射束源发射电子射束的区域具有由设计指定的某一第一空间距离。此外，所发射的电子射束击中靶的靶点彼此间具有第二空间距离(其中，对所述靶“点”进行适当限定，例如，将其限定为电子射束击中区域的重心)。然后，可以将电子射束的会聚重申为这样一种条件，即(电子射束源之间的)第一距离大于(靶上的靶点之间的)第二距离。
应当指出，X射线源通常包括额外的部件，其是本领域技术人员公知的，并且因此上文未明确提及。这样的部件包括例如提供必要的能量的电源，以及例如通过有选择地切换不同电子射束源的激活而控制电子射束发生器的控制器。
所描述的X射线源的一个优点在于，能够通过相应地控制各电子射束源而以非常灵活的方式控制X射线发射。从一个电子射束源到另一电子射束源的切换动作能够例如使得X射线发射的焦斑在无需(缓慢)移动机械部件的情况下发生跳跃。另一优点在于，能够使上述跳跃的距离小于相关联(被切换的)的电子射束源之间的距离，因为电子射束发生了会聚。因而，电子射束的会聚有助于克服硬件约束所带来的限制。因此，利用所述X射线源能够实现的空间分辨率高于电子射束源的可行空间分辨率。
本发明还涉及一种用于生成X射线的方法，所述方法包括以下步骤：
a)从电子射束发生器的至少两个不同电子射束源有选择地发射电子射束。
b)使所述电子射束以会聚方式聚焦到靶上。
在一般形式下，该方法包括能够用上述种类的X射线源执行的步骤。因此，关于该方法的细节、优点和改进之处，参考前面的描述。
在下文中，将描述涉及所述X射线源和上述方法两者的本发明的其他实施例。
通常，电子射束源以及其在阳极上的靶点可以在空间内任意分布。然而，通常情况下，靶点的位置中存在一定的顺序或结构，其对应于目标应用的特定需求。在优选实施例中，电子射束源在靶(阳极)上的靶点落在至少一条给定轨线上，其中，“轨线”一词应当泛指一维线或曲线。然后可以从沿所述轨线的位置有选择地发射例如计算机断层摄影(CT)扫描器中所需的X射线射束。在许多情况下，所述轨线将简单地对应于直线。
在上述实施例中，所述轨线上电子射束的两个相邻靶点之间的相互距离优选小于相邻电子射束源的距离。因而，利用电子射束的会聚以生成由密置靶点的轨线，这样能够例如以高空间分辨率生成X射线图像。
通常，所述电子射束发生器可以是能够发射至少两个定向电子射束的任意装置。根据本发明，所述电子射束发生器包括以下两个主要部件：
a)具有电子发射器阵列的“发射器装置”，即能够使电子离开材料并作为自由电子进入相邻(通常为抽真空的)空间的单元。电子发射器通常被用作阴极，从而为电子发射提供适当的电场和能量(功函数)。
b)具有用于有选择地引导发射器装置发射的电子射束的电极单元阵列的“电极装置”。借助在操作期间通常向其施加适当电势的电极单元，能够使电子发射器的发射形成明确界定并且正确定向的射束。通常，通过一对一的方式将电极单元和电子发射器分配给彼此。
优选地，电子发射器是包括例如碳纳米管(CNT)材料的“冷阴极”。已经证明碳纳米管是极好的电子发射材料，其允许快速切换时间和紧凑设计。因而，有可能例如构建具有多个阴极的X射线源和/或固定CT扫描器。可以在文献(例如，US 2002/0094064A1，US 6850595或G.Z.Yue等人，“Generation of continuous and pulsed diagnostic imaging x-ray radiation usinga carbon-nanotube-based field-emission cathode”，Appl.Phys.Lett.81(2)，355-8(2002))中找到关于碳纳米管以及能够利用其构建的X射线源的更多信息。
根据本发明的优选实施例，上述发射器装置的电子发射器设置在曲面上。由于所发射的电子倾向于垂直于发射表面运动，因而这样的曲率有助于生成会聚的电子射束。
上述电极装置中的电极单元的一项功能是对发射器装置发射的电子进行引导/准直。在最简单的情况下，电子将沿直线从对应的电子发射器通过电极单元行进至它们在阳极上的靶点。然而，在另一实施例中，可以将电极单元设计为使电子射束发生转向。于是，来自电子发射器的电子将在电极单元的影响下改变其方向。因而，能够利用电极单元使得来自电极装置的初始平行(甚至发散)的电子射束在其进一步的路径中朝向靶会聚。
特别地，可以将上述电极装置的电极单元设置在曲面中。例如，可以使用这一布置中的曲率生成电子射束的上述偏转。
已经提到了，电子射束发生器的电子射束源通常可以在空间内任意布置。这一点同样适合上述发射器装置的电子发射器。然而，在优选实施例中，电子射束源和/或电子发射器是按照二维阵列布置的。就这一点而言，“阵列”一词表示在平面或曲面内的单元的任意布置，其中，所述布置的二维性还要求并非所有的单元都位于公用线上。按照二维阵列布置电子射束源或电子发射器的优点在于，能够在某些装置(例如衬底)的表面上容易地实现这一布置，并且能够最佳地利用这一表面上的可用空间。
在前述实施例的进一步演变中，电子射束源或电子发射器的阵列具有矩阵模式(pattern)(根据定义，所述模式由基本平行的列构成，每一列包括多个“单元”，即电子射束源或电子发射器)。此外，这一矩阵模式的相邻列中的单元应当沿列的方向相对于彼此存在移位。因而，所述矩阵中的“行”变得倾斜。
在前述情况下，优选使所述矩阵模式的至少两个不同列的单元聚焦到靶上的同一(一维)轨线上。通过这种方式，将与不同列相关联的靶点的集合组合到靶上的单条轨线中，其优点在于，由于所述移位，这一轨线上的相邻靶点之间的距离小于一列中相邻单元之间的距离。
根据本发明的另一实施例，至少两个电子射束源的靶点在靶上重合。在这种情况下，能够组合两个电子射束源的能量以从靶的单个位置(焦斑)生成X射线发射。
在许多情况下，电子射束轰击的靶的表面就是简单的平面。然而，在本发明的任选实施例中，受到电子射束轰击的靶的表面可以是曲面。这一曲率可以有助于实现所得到的X射线的预期方向。
本发明还涉及一种X射线成像装置，其包括上述种类的X射线源，即具有用于在电子射束的轰击下发射X射线的靶以及具有用于有选择地发射朝向靶会聚的电子射束的至少两个电子射束源的电子射束发生器的X射线源。所述成像装置尤其可以是CT(计算机断层摄影)、μCT、材料分析(例如，工业或科学用途)、行李检查或断层摄影X射线照相组合装置。此外，所述成像装置通常将包括用于检测与对象发生相互作用之后的X射线的探测器以及用于对测量进行评估和重建图像的数据处理硬件。
附图说明
参考下文描述的(一个或多个)实施例，本发明的这些方面和其他方面将显而易见并得以阐述。将借助附图通过举例的方式描述这些实施例，在附图中：
图1示意性示出了根据本发明的第一X射线源的透视图；
图2单独示出了图1的X射线源的发射器装置；
图3示意性地示出了图1的X射线源的顶视图；
图4示出了具有平面电极装置的根据本发明的另一种X射线源的顶视图。
在附图中，采用类似的附图标记或者相差100的整数倍的附图标记表示等同或类似的部件。
具体实施方式
基于碳纳米管(CNT)的场发射器的使用实现了针对医学成像领域中的应用对分布式X射线源的设计。基于CNT的X射线源可以包括具有发射器结构的衬底以及位于发射器顶部的由一个、两个或更多聚焦电极构成的聚焦单元。为了获得这些基于CNT的发射器的线阵列，可以完成对发射器和聚焦元件(例如，衬底的发射中心顶部的电极内的孔)的放置，使之在一个或两个维度中具有某一间距。因此，建立了向固定(或者甚至有可能旋转的)阳极上有选择地发射电子射束的电子射束源的一维阵列或二维阵列。
为了实现所生成图像的高空间分辨率，可以将不同列的CNT发射器放置得具有偏移(例如，1/4像素偏移)，从而实现从阳极得到的X射线射束的更高分辨率的焦斑点间距(point pitch)。
在所描述的方法中，发射器的二维布置使得焦斑(电子射束的靶区)在阳极上的位置处在不同的位置处。这导致所得到的X射线射束具有不同的焦斑位置和尺寸；此外，从焦斑到对象的距离也根据所使用CNT发射器而变化。然而，对于对象的高分辨率采样而言，希望使所有的X射线焦斑都在线上，或者处于一条或两条线上的明确界定的位置上。利用平行电子射束是不可能实现这一目的的。
为了解决这一问题，提出了设计一种X射线源，其中由电子射束发生器生成的电子射束朝向靶会聚。通过这种方式，能够满足硬件限制所规定的电子源之间的最小距离，同时能够在阳极上实现X射线射束焦斑的更加密集的布置。
图1通过透视图示意性图示了根据前述原理设计的第一X射线源100。X射线源100包括以下部件：
1.靶110，其可以通过由诸如钨合金的适当金属构成的板或衬底实现。当电子射束B在靶点T击中靶时，将发射出X射线射束X。在操作期间，靶110通常处于控制器150提供的正电势上。因此，在下文中根据相同的意思将其称为“阳极”。
2.电子射束发生器120，其具有用于生成朝向阳极110会聚的电子射束B、B′的电子射束源121。在所示的实施例中，所述电子射束发生器包括两个子部件，亦即：
2.1电极装置130，其由(平面或曲面)导电衬底实现，所述导电衬底包括孔131的阵列，电子射束B、B′能够通过所述孔。在操作期间，控制器150为电极装置130提供电势，所述电势是经适当选择的，以实现电子(射束)的预期准直和/或偏转。所述电极装置还可以包括两个或更多电极。
2.2发射器装置140，这里其由曲面衬底实现，所述衬底具有使电子发射器141在其上按照矩阵模式布置的表面。在操作期间，控制器150能够有选择地(即单独地)向电子发射器141提供(负)电势，从而使其发射电子。通常，每次仅激活一个电子发射器141。电子发射器141尤其可以以碳纳米管(CNT)为基础。
由于发射器装置140的承载电子发射器141的表面的凹曲度的原因，从所述矩阵模式的不同列C、C′发射的电子射束会聚到靶110的单条一维轨线L上。在这一方面，图2通过发射器装置140的分离视图示出了电子发射器141的列C、C′。所述电子发射器141彼此具有一定距离Δ，由于硬件限制，这一距离不能进一步降低了。如果所有的电子发射器141都将发射平行电子射束，那么阳极上的相关联的靶点将具有相同的相互距离Δ，这将对能够利用这样的X射线源实现的空间分辨率构成限制。为了克服这一限制，使相邻列C、C′中的电子发射器141沿列方向(y方向)相对于彼此发生偏移。在图2中，所述偏移对应于四分之一的距离Δ。由于从列C、C′发射的电子射束B、B′全部会聚到阳极110上的同一条轨线L上，因而所得到的所述轨线L上的靶点T、T′之间的距离d也为Δ/4。因而，与利用平行电子射束可能达到的效果相比，电子射束的会聚能够在靶阳极上实现紧密得多的焦斑间隔。
可以借助用于发射器阵列的曲面衬底140以及用于聚焦电极130的曲面几何结构实现电子射束的会聚。如图3所示，来自发射器141的所有五个(或更多)列C、C′的焦斑点均以沿y方向的最小间距落在阳极110上的一条焦斑线L上。这样由于阳极线上所得到的焦斑位置的1/4间距，能够实现高空间分辨率。
图3还表明，必须将若干电子射束B相对于彼此的会聚(上述考虑的主题)与单个电子射束B的“内在”会聚区分开。由于“内在会聚”的原因，每个电子射束B具有一定的“放大率”，该放大率是由分别处于电子发射器141处和靶斑处的射束截面的比率限定的。例如，(例如CNT)发射器141的典型尺寸可以是2mm×1mm。那么，由于电子射束B的聚焦而产生的“放大率”将导致200μm×100μm的焦斑尺寸。当相邻焦斑之间不允许(即不希望)出现重叠时，这一焦斑尺寸将限制能够实现的最小焦斑间距。在这种情况下，当设计所述装置时，还必须考虑单电子射束的“放大率”。
还可以通过处于电子的不同列位置处的经修改的聚焦电极实现向阳极110上的一条线L的聚焦。图4针对一个实施例对这一点做出了图示，在所述实施例中，将具有电子发射器241的平直衬底240与不同聚焦的电极孔231组合使用。
此外，可以设想平直、弯曲、双曲(或多曲)衬底、聚焦电极和阳极的不同组合，以实现所得到的焦斑在轨线(曲线)上的预期定位。
而且，将来自若干不同发射器的电子射束恰好聚焦到一个焦斑位置上也是可能的。如果在阳极材料(熔化温度)上不存在强度限制，但是对来自发射器的最大电流存在强度限制，那么这一点是有利的。
总之，本发明涉及(例如CNT)场发射器在面向医学成像领域的应用的分布式X射线源的设计中的使用。基于CNT的X射线源的设计包括具有发射器结构的衬底和位于所述发射器顶部的聚焦单元，所述聚焦单元由一个、两个或更多聚焦电极构成。为了实现高空间分辨率，采用不同列内的CNT发射器的偏移放置(例如，1/4像素偏移)，其能够实现从阳极得到的X射线射束的更高分辨率的焦斑点间距。利用会聚的电子射束(例如，所述电子射束是采用用于发射器阵列的曲面衬底以及用于聚焦电极的曲面几何构造生成的，或者是采用平直衬底但是采用特殊聚焦结构生成的)，可以将来自不同列的电子射束聚焦到一条轨线上。
本发明对于所有具有以(例如)CNT发射器技术为基础的分布式X射线源的高分辨率系统都有用，例如，其可以是断层摄影X射线照相组合、μCT、CT、材料分析或行李检查系统。
最后要指出的是，在本申请中，“包括”一词不排除其他元件或步骤的存在，“一”或“一个”并不排除多个，并且单个处理器或其他单元可以实现若干装置的功能。本发明体现在每个新颖的特征要素和特征要素的每种组合中。此外，权利要求中的附图标记不应被视为限制它们的范围。

Claims (15)

1.一种X射线源(100、200)，包括
a)用于在以电子射束(B、B')进行轰击时发射X射线(X)的靶(110、210)；以及
b)具有用于有选择地发射朝向所述靶会聚的电子射束(B、B')的至少两个电子射束源(121)的电子射束发生器(120、220)，所述电子射束发生器(120、220)包括
b1)具有电子发射器(141、241)的阵列的发射器装置(140、240)；以及
b2)具有用于有选择地引导由所述发射器装置发射的电子射束(B、B')的电极单元(131、231)的阵列的电极装置(130、230)，电极单元和对应的电子发射器表示电子射束源。
2.根据权利要求1所述的X射线源(100、200)，
其特征在于，由所述电子射束源(121)发射的所述电子射束(B、B')在落在至少一条给定轨线(L)上的靶点(T、T')上击中所述靶(110、210)。
3.根据权利要求2所述的所述X射线源(100、200)，
其特征在于，所述轨线(L)上的相邻靶点(T、T')的相互距离(d)小于相邻电子射束源(121)的距离(Δ)。
4.根据权利要求1所述的X射线源(100、200)，
其特征在于，所述电子发射器(141、241)包括碳纳米管。
5.根据权利要求1所述的X射线源(100)，
其特征在于，所述电子发射器(141)被设置在曲面上。
6.根据权利要求1所述的X射线源(200)，
其特征在于，所述电极单元(231)被设计为使电子射束(B)发生偏转。
7.根据权利要求1所述的X射线源(200)，
其特征在于，所述电极单元(231)被设置在曲面上。
8.根据权利要求1所述的X射线源(100、200)，
其特征在于，按照二维阵列布置根据权利要求5所述的电子射束源(120、220)和/或电子发射器(141、241)。
9.根据权利要求8所述的X射线源(100、200)，
其特征在于，所述阵列具有矩阵模式，所述矩阵模式的相邻列(C、C')的元件沿列的方向相对于彼此偏移。
10.根据权利要求9所述的X射线源(100、200)，
其特征在于，从至少两个不同列(C、C')发射的电子射束会聚在所述靶(110、210)的同一条轨线(L)上。
11.根据权利要求1所述的X射线源(100、200)，
其特征在于，至少两个不同电子射束源的所述电子射束击中所述靶上的同一区域。
12.根据权利要求1所述的X射线源(100、200)，
其特征在于，所述电子射束发生器(120、220)的电子射束(B、B')轰击的所述靶(110、210)的表面是弯曲的。
13.一种包括根据权利要求1所述的X射线源(100、200)的X射线成像装置。
14.根据权利要求13所述的X射线成像装置是CT、μCT、材料分析、行李检查或断层摄影X射线照相组合装置。
15.一种用于生成X射线(X)的方法，包括
a)从电子射束发生器(120、220)的至少两个不同的电子射束源(121)有选择地发射电子射束(B、B')；
b)使所述电子射束以会聚方式聚焦到靶(110、210)上，所述电子射束发生器(120、220)包括
b1)具有电子发射器(141、241)的阵列的发射器装置(140、240)；以及
b2)具有用于有选择地引导由所述发射器装置发射的电子射束(B、B')的电极单元(131、231)的阵列的电极装置(130、230)，电极单元和对应的电子发射器表示电子射束源。
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