CN102870189B - 带有智能电子控制系统的多波束x-射线源和相关方法 - Google Patents

Abstract

多波束场致发射X‑射线系统和相关方法，该系统包括阴极元件、与所述多个阴极元件相隔开的阳极组件，以及位于多个阴极元件和阳极组件之间的萃取门。该方法包括：在萃取门和至少其中一个阴极元件之间应用电位差，可使得各个阴极元件来发射电子；测量阴极元件的发射特性，并根据所测发射特性，调节萃取门和至少其中一个阴极元件之间的电位差。

Description

带有智能电子控制系统的多波束X-射线源和相关方法

相关申请

本发明主题申请要求2010年3月22日提交的美国专利序号61/340,798的优先权，其内容在此通过引用被全部纳入本文。

技术领域

本发明主题在此总体上涉及X-射线成像。具体而言，本发明主题涉及多波束场致发射X-射线系统和相关的控制系统和方法。

背景技术

X-射线照射广泛用来检查材料的内部结构，应用领域包括诸如医疗诊断、安全检查、工业检查。X-射线也可用于照射治疗(例如，破坏肿瘤或医疗器械消毒)。在简单成像方法中，X-射线光子被发射并透过物体。记录装置在一定时间内收集的所发射的X-射线光子构成了静态投影影像，影像带有结构特征重叠。比较先进的成像方法，诸如层析或计算机断层X线摄影(CT)，使用来自不同观察角度用于影像重构的多投影成像，或增强对比度的多帧影像。

典型的CT扫描仪可通过X-射线管围绕物体高速转动来达到多个观察角度。这种设备要求使用大型的复杂构架，结果使得目前的医疗CT扫描仪限定到每秒旋转大约三次。由于构架转动的原因，X-射线源就必须在圆轨道上移动。此外，影像采集也限定在X-射线影像的序列记录上。

多波束X-射线源可从不同观察角度获得物体投影影像，无需所述X-射线源的机械移动，影像采集速度还可更快。然而，虽然多波束X-射线源具有这些优点，但多波束源不能独自解决潜在的问题，即需要对许多独立源元件进行控制，以及产生电子的元件性能的可能下降导致X射线源输出改变，这些需要监测，而且必要时需要修正。为此，人们期望一种多波束X-射线源，这种X-射线源可提供更一致、更能预测的X-射线输出，其具有良好系统集成和接口能力。

发明内容

本发明提供了可控制多波束场致发射X射线系统的系统和方法。一方面，提供了实施X-射线扫描的方法。可提供一种多波束场致发射X-射线系统，该系统包括多个阴极元件、与所述多个阴极元件相隔开的阳极组件、以及布置在多个阴极元件和阳极组件之间的萃取门。采用这种系统时，在萃取门和至少其中一个阴极元件之间应用电位差，以便各个阴极元件发射电子。测量多个阴极元件的发射特性，并根据所测发射特性，调整萃取门和至少其中一个阴极元件之间的电位差。

另一方面，提供一种多波束场致发射X-射线系统。该系统包括多个阴极元件、与所述多个阴极元件相隔开的阳极组件、位于多个阴极元件和阳极组件之间的萃取门、以及电子控制系统。电子控制系统可设置成控制在萃取门和至少一个阴极元件之间应用电位差，以便各个阴极元件发射电子，测量多个阴极元件的发射特性，并根据所测发射特性，调整萃取门和至少其中一个阴极元件之间的电位差。

附图说明

结合附图阅读如下详细说明，可更容易地了解本发明主题的特性和优点，所示附图仅通过解释性和非限定性示例给出，附图包括：

图1为根据本发明主题的实施例的多波束场致发射X-射线系统剖面图；

图2A和2B为根据本发明主题的两个实施例的多波束场致发射X-射线系统中使用的场致发射X-射线源剖面图；

图2C为根据本发明主题的一个实施例的多波束场致发射X-射线系统的剖面透视图；

图3为曲线图，示出了场致发射阴极在应用电势差范围内的发射特性；

图4A和4B为根据本发明主题的实施例的多波束场致发射X-射线系统中使用的场致发射X-射线源示意图；

图5为根据本发明主题的实施例的多波束场致发射X-射线系统的示意图；

图6A和6B为流程图，示出了控制本发明主题实施例多波束场致发射X-射线系统的两种方法的步骤；以及

图7A到7C为根据本发明主题的实施例各种布局中的场致发射阴极侧视图。

具体实施方式

本发明主题提供了控制多波束场致发射X-射线系统的系统和方法。一方面，本发明主题提供了多波束场致发射X-射线系统，图中标号为10。例如，参照图1，2A和2B，多波束场致发射X-射线系统10可包括多个X-射线束焦点105，这些焦点由各个场致发射X-射线源100生成。在图2A所示示例性布局中，每个X-射线源100包括阴极元件110，每个阴极元件又包括一个衬底112，其带有置于绝缘材料116(例如玻璃或陶瓷)上的碳纳米管(CNT)场致发射薄膜114。美国专利6,553,096介绍了这种场致发射阴极的示例，这种阴极至少部分地是由含纳米结构的材料构成，该专利内容被全部纳入本文作为引用。

电子萃取门120可通过间隔元件118与阴极元件110的表面隔开，按预定距离进行布置。例如，萃取门120可是一种金属网结构，布置在距离阴极元件110大约50到500μm之间，并与所述阴极元件110平行。萃取门120与阴极元件110(特别是衬底112)之间采用绝缘。所有的X-射线源100可共享一个通用萃取门120，或者采用多个单独萃取门或分段门，下面将详细介绍。萃取门120和阴极元件110之间应用电位差，通过场致发射产生电子。具体来讲，将调节阴极元件110和萃取门120之间电位差调节到某个发射阈或高于该发射阈，从而控制电子的发射。如果电位差低于该发射阈，则不会产生有效发射。如图3所示，这种发射特性可通过Fowler-Nordheim(F-N)方程进行近似描述。在某些近似法中，所发射的电子电流同所应用的电位差的指数成比例(即，I-V-相关)。因为指数相关，对所应用电位的精确调节有助于获得预期电流或保持稳定电子发射电流。此外，各个发射体的I-V-相关性在阴极之间是不同的。

此外，再次参照图2A，聚焦结构130可以与阴极元件110和萃取门120隔开，以便将所发射的电子束聚焦到阳极140上(例如，由钨靶材组成的阳极)。阳极140可以是一种反射靶或透射靶。聚焦可以是被动的(即，提供给聚焦结构130的电位与萃取门120相同)或是主动的(即，在不同电位上使用一个或多个聚焦平面)，电压则由聚焦电压源132提供。聚焦电压源132可以独立于在萃取门120和阴极元件110之间应用电位差的电源，或者，也可连接到一个公共源上。阳极140可由相对于阴极元件110的正电位供电，并位于与阴极元件110的预定距离上。例如，阴极元件110和阳极140之间的距离可选择足够大到可提供所期望的电绝缘。通过从阴极元件110中提取电子并将所述电子加速到阳极140上，从而产生X-射线。此外，图2B示出了X-射线系统10的另一个实施例，在这个实施例中，阳极侧准直仪142可位于阳极140和X-射线窗160之间，特别是在外部准直仪无法使用的布局中。

在任一种配置中，阴极元件110、萃取门120和阳极140都可布置在真空室150内。如图2C所示，真空室150可以是一种狭长形线性管，所有的X-射线源100可装入其内。再次参照图2A和2B，真空室150可以包括电气穿导器件152，可使真空室内的各个部件实现电气连接。具体来说，电子控制系统200可以连接到一个或多个阴极元件110或萃取门120上。如上所述，为了从各个场致发射源萃取电子，电子控制系统200可以在阴极元件110和萃取门120之间施加电位差。例如，电子控制系统200可以连接到阴极元件110和萃取门120上，特别用来在两个部件之间施加电位差。另一种方式是，萃取门120可连接地，而电子控制系统200则在阴极元件110上建立负电位。

对于大量的阴极元件来讲，一般会认为，因为真空室150内电子控制系统200和电穿导器件152需要使用许多通道，所以电气连接变得很复杂。具体来讲，对于N个阴极元件来讲，会要求使用最低数量的N+1通道和连接装件(例如，每个阴极元件110一个，每个萃取门120一个，加上聚焦结构130的任何附加的穿导连接件)。每个穿导器件152都可绝缘施加到萃取门120上的电压，该电压可以是大约1到3kV。

为此，一种降低穿导器件152使用数量的方法是将萃取门120分成多个门段。例如，如图4A所示，并不是那种所有X-射线源100共享一个萃取门120，多波束场致发射X-射线系统10可包括第一门段122和第二门段124，而且，如果需要，还可进一步增加门段。第一门段122和第二门段124都可连接到电子控制系统200上，共享阴极穿导器件，因为萃取电压只加到两个门段中的其中一个上。

在另一个示例中，如图4B所示，第一门段122可通过电子控制系统200来控制，而第二门段124可通过第二电子控制系统202来控制，后者是单独的，独立于电子控制系统200，并可在结构上和操作上与之相同或相似。该系统可用来同时驱动两个或多个阴极。当然，应该承认，也可使用任何其它不同的控制方式。

不论采用哪种具体布置形式，萃取门的这种分段方式可将阴极连接件组合，降低所需电气连接装置的总数。例如，对于总数为N个带有S个门段的阴极元件110来讲(例如，第一和第二门段122和124)，只需要使用N/S+S个连接装置。此外，S个阴极元件110可共享一个通用电气穿导器件152。在这个布局中，电子控制系统200可包括衬底电位的N/S个通道和门段的S个通道。采用门通道和阴极通道的结合形式，阴极元件110依然可以逐个寻址，然而，所使用的穿导器件152会更少。

在萃取门120接地的布局中，应该注意的是，门的分段不是很容易实现。然而，萃取门120可以分段并可与真空室150隔开，而且只有工作的门段会通过电子控制系统200接地。非激活的门段可转到负电位上，该负电位靠近加到相应阴极元件110的电位。不论采用哪种具体的布局形式，有利的是，所有连接装置的横截面都较大，阻力较小。

对于成像应用来讲，按各种预定顺序中的任何一种来启动和关闭一个或多个X-射线源100，目的是获得与X-射线照射相关的一系列X-射线成像或信号。例如，电子控制系统200可在一定时间内逐个或一起接通和断开X-射线源100。在一个具体示例中，X-射线源100可以按脉冲工作方式来开关，脉冲持续时间可在大约10μs到几秒或更长的范围内。在另一个具体示例中，电子控制系统200可同时接通所有X-射线源100。

电子控制系统200还可带有内置式电路，该电路可对每个X-射线源100的所需脉冲长度进行精确的电流控制。此外，如图5所示，电子控制系统200可以控制与阴极元件110、萃取门120或阳极140其中一个或多个相连的电源210的输出。例如，在一个布局中，萃取门120可以连接到电源210，而电子控制系统200可控制电源210向萃取门120施加静态电压。或者，在另一个示例性布局中，萃取门120可连接到地电位，电子控制系统200可控制电源210来向阴极元件110施加负电位。如上所述，电源210可独立于上述的聚焦电压源132，或者它们可集成到一起。同样，除了控制电源210外，电子控制系统200还可用来控制聚焦电压源132，或者使用独立的控制系统。

电子控制系统200还可装备电气接口220，以便与成像或治疗设备170实现连通，后者用来接收和测量经由物体O发射的X-射线或来自物体O的反向散射光子，两者之一或两者兼有。例如，这种电气接口220可以包括X-射线源100与系统主机300同步工作的实时信号，所述系统主机可控制成像或治疗设备170。在一个具体实施例中，成像或治疗设备170为一种X-射线检测仪，所获得的图像可以单独使用，或者可以结合到一起重新构成物体O的3D图像(即，层析成像或断层图像)。另一种方式，或此外，电气接口220可包括电子控制系统200和系统主机300之间传输信息的数据通道。该信息包括扫描参数(例如，脉冲持续周期、工作周期、电流幅度、或每个阴极通道的计量)、状态、和/或误差信息。

采用上述布置形式的多波束场致发射X-射线系统100，可通过在一个或多个阴极元件110和萃取门120之间建立初始电位差来进行X-射线扫描(见图6A和6B中的步骤501)，初始电位差依据所存储的预期输出电流的I-V-数据，该电位差可在每次扫描前通过系统主机300来设定。从该初始状态，可以实施各种工作方式中的任何一种。例如，在图6A所示的恒定电流方式中，电子控制系统200可用来主动调节每个脉冲长度上阴极元件110和萃取门120之间的应用电位，目的是稳定输出电流保持在预期幅度上。一方面，输出电流的偏差量保持在大约不超过预期输出电流的1到5％。

因为人们知道CNT场致发射阴极的性能会随着时间的推移而降低，为了保持恒定的电流输出，需要进行这种调整。这就是说，在阴极元件110的使用寿命期间，阴极元件110和萃取门120之间的电位差需要不断增大，目的是获得相同的输出电流。为了解决这种性能下降的情况，电子控制系统200可以根据应用电位差和脉冲期间所测电流信息对由存储的I-V-数据所规定的初始电位差进行更新，而且，该控制系统可以调整每个阴极元件110的脉冲，以便在阴极元件110的使用寿命内保持性能不变。例如，更确切地说，电子控制系统200可测量阴极元件110的发射特性(例如，输出电流)(步骤502)。这些测量可以在一个或多个阴极元件110处单独进行，或者对所有阴极元件110进行整体测量。如果所有阴极元件的发射特性一起测量，使用可调整的串联电阻来补偿各个阴极元件之间的性能差。

不论如何测量发射特性，萃取门120和至少其中一个阴极元件110之间的电位差可以从基于该信息的初始设定点进行调整(步骤503)。采用该工作方式时，优选地，电子控制系统200可将阴极元件110的发射特性调整到预期值的大约1到5％。

或者，按图6B所示剂量控制方式，电子控制系统200所建立的初始电位差可确定带有预定电流幅度的脉冲。在该脉冲期间，随着时间的过去，可以连续测量发射电流的积分(例如，电流乘以简单脉冲时间的积)(图6B的步骤504)，而且当该积分等于预期值(即，达到剂量数量)时，便可立即终止脉冲(步骤505)。在这种方式下，预先设定的脉冲长度可测定所允许的最大脉冲长度。基于给定值，电子控制系统200可选择电流幅度，目的是获得给定脉冲长度范围内的预期积分。这样，无需对所施加的电位进行主动调整。

对于许多用途来讲，特别是医疗成像X-射线，精确的剂量信息是很重要的。当测量阴极元件110的输出电流为沿该脉冲的时间函数时，常常可以看到在所述脉冲初期的较大电容尖峰信号。然而，该电容尖峰信号并不等于传递给阳极140的电流，所以，对剂量计算要进行调整，以便消除这种尖峰信号。例如，当测量阴极元件110处的输出电流时，为了确定剂量，初始电流尖峰信号可以忽略不计。该调整方法对于长脉冲特别管用，但是，需要了解穿越萃取门的透射率。例如，对于较短脉冲来讲，如果尖峰信号的形状已知，可从所测信号中除去初始电流尖峰信号。

除了解决阴极元件110的性能下降之外，还可避免其它对阴极元件110工作带来不利影响的因素。例如，当阴极元件110发射的高能量电子撞击阳极140时，会释放出离子和二次电子。通过这种释放，正离子会返回到阴极元件110并损坏场致发射膜114。这种离子释放还会引起更为严重的电弧击穿事件，该电弧击穿事件导致较大离子电流流向阴极元件110和/或阴极元件110和萃取门120之间电位随之发生变化。例如，当升高萃取门120的应用电位时，则会短时间从阴极元件110萃取高电流，这会导致阴极损坏。

为了有助于防护阴极元件110不受这些和其它电压方式的损坏，可以采用各种防护机制中的任何一种。例如，首先，图7A示出了一种布置形式，其中，在萃取门120和阴极元件110之间设置气体放电管180，以限制阴极元件之间出现最大电位差。或者，如图7B所示，萃取门120可以与真空室一起良好接地，阴极元件110可置于相对于萃取门120的负电位上。在图7C所示的另一个不同方式中，可在萃取门120和阳极140之间置放一个第二电极126。还是在另一个示例中，可向萃取门120提供负电压。这些示例性防护机制可以单独使用，也可一起使用。

本发明主题也可采用其他形式实施，但都没有脱离本发明的精神和主要特性。因此，所述实施例在所有方面都应视为说明性的，并不是限定性的。尽管本发明主题已经在某些最佳实施例方面进行了介绍，但显然对于所属领域的技术人员来讲，还有其他实施方式，但也都在本发明主题的范围内。

Claims (21)

1.一种进行X-射线扫描的方法，包括：

提供多波束场致发射X-射线系统，该系统包括多个场致发射阴极元件、由所述多个场致发射阴极元件隔开的阳极组件、以及位于所述多个场致发射阴极元件和所述阳极组件之间的萃取门；

在萃取门和多个场致发射阴极元件其中至少一个之间应用电位差，以便各个场致发射阴极元件发射电子，在所述萃取门和所述多个场致发射阴极元件其中至少一个之间应用电位差包括将萃取门连接到接地电位和在所述多个场致发射阴极元件其中至少一个上应用负电位；

测量多个场致发射阴极元件的发射特性；其中，测量发射特性包括测量多个场致发射阴极元件的输出电流，以及

调整萃取门和至少其中一个场致发射阴极元件的电位差以保持恒定输出电流。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，调整萃取门和至少其中一个场致发射阴极元件之间的电位差包括调整电位差以便使所述输出电流保持为偏差不大于预期输出电流的1到5％的输出电流。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，测量所述多个场致发射阴极元件的发射特性包括测量由多波束场致发射X-射线系统提供的时间的发射电流的积分；以及

其中，调整电位差包括当积分等于对时间的发射电流积分的预期值时停止电子的发射。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，调整电位差包括当时间的发射电流的积分在预期值的1到5％时，停止电子的发射。

5.根据权利要求1所述的方法，包括聚焦所述多个场致发射阴极元件向阳极组件发射的电子。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在萃取门和至少其中一个场致发射阴极元件之间施加电位差与启动成像或治疗装置同步。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

萃取门包括多个门段，每个门段对应于多个场致发射阴极元件的一个子集；以及

在萃取门和至少其中一个场致发射阴极元件之间应用电位差，包括在至少其中一个场致发射阴极元件和对应的门段之间应用电位差。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在萃取门和至少其中一个场致发射阴极元件之间应用电位差，包括单独调节萃取门和每个场致发射阴极元件之间的电位差。

9.一种多波束场致发射X-射线系统，包括：

多个场致发射阴极元件；

与所述多个场致发射阴极元件相隔开的阳极组件；

位于多个场致发射阴极元件和阳极组件之间的萃取门，所述萃取门连接到地电位；以及

电子控制系统，配置成通过将负电位施加到所述场致发射阴极元件至少其中一个来控制萃取门和至少其中一个场致发射阴极元件之间电位差的应用以便使各个场致发射阴极元件发射电子，测量多个场致发射阴极元件的发射特性，其中，测量发射特性包括测量多个场致发射阴极元件的输出电流，并调整萃取门和至少其中一个阴极元件之间电位差以保持恒定输出电流。

10.根据权利要求9所述的多波束场致发射X-射线系统，其特征在于，每个场致发射阴极元件包括带有纳米结构膜的导电衬底，所述纳米结构膜沉积在该衬底上，所述衬底附着在电绝缘材料上。

11.根据权利要求10所述的多波束场致发射X-射线系统，其特征在于，纳米结构膜包括基于碳纳米管薄膜。

12.根据权利要求9所述的多波束场致发射X-射线系统，其特征在于，所述阳极组件包括阳极侧准直仪。

13.根据权利要求9所述的多波束场致发射X-射线系统，其特征在于，

所述萃取门包括多个门段，每个门段对应于所述多个场致发射阴极元件的一个子集；以及

电子控制系统分别连接到其中一个门段，可独立控制每个门段和多个场致发射阴极元件的对应子集之间的电位差。

14.根据权利要求13所述的多波束场致发射X-射线系统，其特征在于，各个电子控制系统连接到每个门段上。

15.根据权利要求9所述的多波束场致发射X-射线系统，其特征在于，所述多个场致发射阴极元件、萃取门和阳极组件置放在真空室内，所述真空室包括电气穿导器件，用来使一个或多个场致发射阴极元件、萃取门和阳极组件实现电气连接。

16.根据权利要求15所述的多波束场致发射X-射线系统，其特征在于，所述阳极组件包括置放在真空室内的阳极侧准直仪。

17.根据权利要求9所述的多波束场致发射X-射线系统，其特征在于，所述电子控制系统单独连接到每个场致发射阴极元件上，用于独立控制所述多个场致发射阴极元件的每个部件。

18.根据权利要求9所述的多波束场致发射X-射线系统，包括聚焦结构，所述聚焦结构与每个场致发射阴极元件相关并位于多个场致发射阴极元件和阳极组件之间。

19.根据权利要求9所述的多波束场致发射X-射线系统，包括成像或治疗设备和控制成像或治疗设备的系统主机，所述系统主机经由电气接口与电子控制系统相连通。

20.根据权利要求19所述的多波束场致发射X-射线系统，其特征在于，所述电气接口配置为传递电子控制系统与系统主机同步工作的实时信号。

21.根据权利要求19所述的多波束场致发射X-射线系统，其特征在于，所述电气接口包括数据通道，可在电子控制系统和系统主机之间传输信息。