CN104170050B - 具有电子发射结构的装置 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种图像采集装置，该图像采集装置包括电子接收结构和电子发射结构，并且还包括提供所述电子发射结构和所述电子接收结构之间的畅通空间的内部间隙。本公开还涉及一种x射线发射装置，该x射线发射装置包括x射线发射结构和电子发射结构，所述x射线发射结构包括阳极，该阳极为x射线靶标，其中，所述x射线发射装置可以包括提供所述电子发射结构和所述x射线发射结构之间的畅通空间的内部间隙。本公开还涉及一种x射线摄像系统，该x射线摄像系统包括图像采集装置和x射线发射装置。

Description

具有电子发射结构的装置
本申请要求2012年3月16日提交的美国临时专利申请61/611,990和2012年12月31日提交的美国临时专利申请61/747,455的优先权和利益，这些专利申请的内容和公开通过引用全部被并入本文。
技术领域
本文公开的实施方式涉及场致发射型电子源和包括该场致发射型电子源的装置，具体地说，涉及一种图像采集装置和一种x射线发射装置。
背景技术
基于替代用于视频管中的热阴极射线管电子源和具有场致发射型电子源的X射线成像装置，对更小且更薄的(扁平的)成像装置存在增长的兴趣。使用场致发射型电子源的图像采集装置的例子是在例如日本公开特许公报2000-48743(‘743公报)中所示的可见光图像采集装置和在例如日本公开特许公报2009-272289(‘289公报)中所示的X射线图像采集装置。
使用热阴极电子源的视频管，诸如在例如日本公开特许公报2007-029507(‘507公报)中所示的视频管以及包括场致发射型电子源的上述现有技术的成像装置已经典型地使用栅格电极，例如具有小开口的阵列并且具有栅格状、网状或筛状结构的薄材料，被设置在阳极和阴极之间。该栅格电极还可以被称为控制栅格或修整电极。栅格电极通常用于对来自热阴极或场致发射型电子源的电子进行加速并且发射电子束。栅格电极还可以通过仅允许从电子源正交行进的电子束通过并且阻止具有角分量的电子束来达到改进电子束的目的。
现在参照图1，图1示出了一种传统的具有场致发射型电子源15和栅格电极20的现有技术的图像采集装置，如‘743公报中所示。栅格电极20被设置在电子发射结构(包括场致发射型电子源15)和电子接收结构(包括面板3)之间，对来自场致发射型电子源15的电子束进行加速并将其定向至该电子接收结构上的预定目标区域。
包括栅格电极的成像装置具有从电子源发射出的电子束的利用效率降低的缺点。例如，当使用例如如‘507公报中所示的栅格电极时，未能穿过开口区域的电子被吸收到栅格内，并且在没有提供信号电流的情况下被丢失。另一方面，如果栅格电极开口的尺寸被加宽(以增大电子束的利用效率)，则将产生另一个问题，其中，具有角度的(非正交的)分量的电子将穿过并且击中预定目标位置外面的光电导体。因此，电子束可以击中相邻的像素，导致读出与目标像素不相同的像素，从而降低图像质量(例如，分辨率)。此外，随着栅格开口的孔径变得更宽，栅格电极的物理强度将变得更低。因此，难以组装并且维护具有大孔径的栅格。出于至少这些原因，通过改变栅格电极来缓解由栅格电极所导致的电子束的利用效率降低的能力被限制。
进一步地，栅格电极在系统在诸如视频成像、CT扫描或者荧光透视的辐照期间必须被移动的应用中能够变成微音噪声源。电子束和栅格之间的相互作用能够造成电子束的能量分散，从而改变系统特性。
最后，不论栅格开口的孔径如何，栅格电极的存在都带来了组装问题。该组装问题将在诸如扁平面板式图像采集装置的大而薄的成像装置中恶化，在该成像装置中，栅格电子必须以精准的方式在狭小的间隙内被组装，从而导致不合格产品的增多和生产成本的增大。
本公开在下文中解决了与使用场致发射型电子源的传统成像装置相关联的上述问题。
进一步地，对基于场致发射型电子源的x射线发射装置存在增长的兴趣。然而，使得这样的装置能够具有期望的功能参数是具有挑战性的。出于各种原因，对这些装置，尤其是对用于这些装置的电子发射部件的早期尝试是不充分的，例如，电子源无法发射足够通量密度的电子束，这些电子束无法被聚焦到期望的斑点尺寸上，并且电子源(进而装置本身)具有较短的寿命、较差的稳定性和较差的均匀性。
本公开在下文中解决了与基于场致发射型电子源的x射线发射装置相关联的上述问题。
发明内容
在本公开的第一个方面中，本文描述的实施方式提供了一种图像采集装置，该图像采集装置包括由至少一个分隔体间隔开的电子接收结构和电子发射结构，所述至少一个分隔体被定位成使得所述电子接收结构和所述电子发射结构之间存在内部间隙。所述电子接收结构可以包括面板、阳极和面向内部的光电导体。所述电子发射结构可以包括：(a)背板；(b)基板；(c)阴极；(d)布置成阵列的多个场致发射型电子源，其中，所述场致发射型电子源被配置为朝着所述光电导体发射电子束；以及(e)栅电极。所述内部间隙可以提供所述电子发射结构和所述电子接收结构之间的畅通空间。
在本公开的特定实施方式中，所述图像采集装置不包括栅格电极。
在本公开的特定实施方式中，所述电子发射结构还可以包括布置成阵列的多个第一聚焦结构，各个所述第一聚焦结构包括第一聚焦电极。
在本公开的特定实施方式中，所述第一聚焦结构可以包围包括所述场致发射型电子源的子集的单元(unit cell)，所述单元限定像素。
在本公开的特定实施方式中，所述电子发射结构还可以包括布置成阵列的多个第二聚焦结构，各个所述第二聚焦结构包括第二聚焦电极。
在本公开的特定实施方式中，所述光电导体包括非晶硒。
在本公开的特定实施方式中，所述场致发射型电子源是斯平特型(Spindt-type)电子源。
在本公开的特定实施方式中，所述的图像采集装置包括位于所述场致发射型电子源和所述阴极之间的电阻层。
在本公开的特定实施方式中，所述场致发射型电子源经由信号线电连接至驱动电路，并且所述第一聚焦电极包围所述信号线。
在本公开的特定实施方式中，所述基板是基于硅的。
在本公开的特定实施方式中，从由所述阴极、所述电阻层、所述信号线、所述场致发射型电子源、所述栅电极、所述第一聚焦结构、所述第一聚焦电极及其任意组合构成的组中选择的至少一种构件与所述基板形成为一体。
在本公开的特定实施方式中，所述像素具有100微米×100微米或者更小的像素间距。
在本公开的特定实施方式中，场致发射型电子源的所述阵列和所述阳极之间的距离为50微米至400微米。
在本公开的特定实施方式中，场致发射型电子源的所述阵列和所述阳极之间的距离为0.5至4.0倍像素间距。
在本公开的第二个方面中，本文描述的实施方式提供了一种x射线发射装置，该x射线发射装置包括由至少一个分隔体间隔开的x射线发射结构和电子发射结构，所述至少一个分隔体被定位成使得所述x射线发射结构和所述电子发射结构相互面向并且所述电子接收结构和所述电子发射结构之间存在排空的内部间隙；所述x射线发射结构包括阳极，该阳极为x射线靶标；并且所述电子发射结构包括至少一个激活范围，各个激活范围(activezone)包括至少一个激活区(active area)，该激活区包括：阴极；选通锥体电子源，其包括布置成阵列的多个发射针尖；位于所述选通锥体电子源和所述阴极之间的电阻层；栅电极，其包括多个栅极孔，所述栅极孔中的至少一个的位置与所述发射针尖中的至少一个的位置相对应；其中，所述发射针尖被配置为朝着所述x射线发射结构发射电子束。
在本公开的特定实施方式中，所述栅极孔的直径小于200纳米。
在本公开的特定实施方式中，所述发射针尖的底部的宽度小于300纳米。
在本公开的特定实施方式中，所述激活范围包括一个以上激活区。
在本公开的特定实施方式中，所述栅电极通过栅极互连引线连接到电压源，所述栅电极位于所述栅极互连引线的间隙内，使得所述栅电极在各侧连接到所述栅极互连引线。可选地，所述栅极互连引线比所述栅电极厚。
在本公开的特定实施方式中，所述栅极互连引线的厚度为0.5微米至20微米。在本公开的特定实施方式中，所述电阻层的厚度大于300纳米或者为300至5000纳米。
在本公开的特定实施方式中，所述电阻层包括SiCN。可选地，所述电阻层还包括位于与所述阴极的界面处的第一阻挡子层(barrier sublayer)、位于与所述选通锥体电子源的界面处的第二阻挡子层、或者第一阻挡子层和第二阻挡子层这二者。可选地，所述阻挡子层包括具有小于40％的硅原子百分比的SiCN或SiC，或者包括非晶碳。
在本公开的特定实施方式中，所述选通锥体电子源能够传送具有1mA/mm2至10mA/mm2的通量密度的电流。
在本公开的特定实施方式中，所述激活区的面积为100平方微米至4平方毫米。
在本公开的特定实施方式中，所述激活区在每平方微米具有1至10个发射针尖。
在本公开的特定实施方式中，所述阴极的厚度为0.5微米至20微米。
在本公开的特定实施方式中，所述发射针尖、所述对应的栅极孔、所述阴极和所述电阻层中的每一个的位置沿着所述电子发射结构的平面交叠。
在本公开的特定实施方式中，所述内部间隙提供所述电子发射结构和所述电子接收结构之间的畅通空间。
在本公开的特定实施方式中，所述阳极包括由钼、铑和钨构成的组中的一种或更多种。
在本公开的特定实施方式中，所述基板是基于硅的。
可选地，从由所述栅电极、所述阴极、所述电阻层和所述选通锥体电子源构成的组中选择的至少一种构件与所述基板形成为一体。
在本公开的特定实施方式中，所述激活范围被至少一个聚焦结构包围。
在本公开的特定实施方式中，所述激活范围包括多个激活区，并且所述多个激活区被配置为被一同激活。
在本公开的特定实施方式中，所述激活范围包括多个激活区，并且所述多个激活区的一个或更多个子集能够被独立地激活。可选地，所述激活范围的总发射电流能够通过一个或更多个所述激活范围的受控激活来调整。可选地，所述多个激活区的所述子集被组织成同心区域，使得所述电子束的初始宽度能够通过一个或更多个所述同心区域的受控激活来调整。
在本公开的第三个方面中，本文所述的实施方式提供了一种x射线摄像系统，该x射线摄像系统包括如在本公开的第一个方面中提供的图像采集装置以及如在本公开的第二个方面中提供的x射线发射装置。
附图说明
为了更好地理解这些实施方式并且示出其如何能够被实现，现在将纯粹通过示例来参照附图。
现在详细地具体参照附图，需要强调的是，所示出的细节仅是举例的并且出于对选择的实施方式进行说明性的讨论的目的，并且是为了提供被认为是原理和概念方面的最有用并且最容易理解的描述而被呈现出来。就这一点而言，没有尝试显示比对基本理解所需的更详细的结构细节；结合附图的描述使得对本领域技术人员而言多个选择的实施方式如何能够实现是显而易见。附图中：
图1是示出包括栅格电极的现有技术的图像采集装置的示图。
图2是示出根据本公开的图像采集装置的示图。
图3是示出进一步指示装置厚度a、像素间距b和像素尺寸c的图像采集装置的示图。
图4是示出包括第二聚焦结构的阵列的图像采集装置的示图。
图5是示出电子发射结构的俯视图的示图。
图6是示出包含电子发射结构的x射线发射装置的侧视图的示图。
图7是示出包含电子发射结构的另选的x射线发射装置的侧视图的示图。
图8是示出电子发射结构的俯视图的示图。
图9A至图9D是激活范围内的激活区以各种模式被激活的各种实施方式的示图。
图10是示出电子发射结构的激活区的(沿着例如图9A的线A的)侧视图的示图。
图11A至图11D是根据本公开的x射线摄像系统的示图。
图12示出了显示电子发射结构和电子接收结构之间的距离的宽度(间隙)对光电导体上的被来自发射极区域的电子源的电子束撞击的区域的宽度(电子束着靶宽度)的影响的仿真结果。
图13示出了显示单聚焦结构对电子束轨迹的影响的仿真结果。
图14示出了显示双聚焦结构对电子束轨迹的影响的仿真结果。
图15是显示初始电子速率聚焦偏压对焦斑大小的影响的仿真结果。
具体实施方式
图像采集装置
现在参照图2至图5，其示出了本公开的图像采集装置100。图像采集装置100包括由分隔体4间隔开的电子发射结构110和电子接收结构120。分隔体4可以被定位成使得电子接收结构120和电子发射结构110之间存在内部间隙30。内部间隙30可以被密封并且保持在真空下，并且可以提供电子发射结构110和电子接收结构120之间的畅通空间。
将要理解的是，针对正如在下文中参照图2至图5描述的电子发射结构110及其部件所描述的各种选项是针对并入到x射线发射装置100中的电子发射结构110以及包含本文所述的电子发射结构的任何其它装置(包括x射线发射装置)的选项。
电子发射结构110可以包括背板5、基板6、阴极电极7、场致发射型电子源9的阵列以及栅电极10。电子接收结构120可以包括面板1、阳极2和面向内部的光电导体3。
电子发射结构110还可以包括布置成阵列的多个第一聚焦结构11，各个所述第一聚焦结构11包括第一聚焦电极12。在特定实施方式中，电子发射结构110还可以包括多个第二聚焦结构13，各个第二聚焦结构13包括第二聚焦电极14(参见图5)。
图像采集装置100还可以包括位于阴极7和场致发射型电子源9之间的电阻层8(未示出)，以便调节进入场致发射型电子源9中的电流。
场致发射型电子源9可以被激活以发射被定向至光电导体3的电子束20。场致发射型电子源9位于阳极2和阴极7之间，使得由场致发射型电子源9发射出的电子束朝着阳极加速。光电导体3可以位于场致发射型电子源9和阳极2之间，使得发射出的电子撞击光电导体3。
要特别注意的是，通常位于电子发射结构110和电子接收结构120之间的现有技术的图像采集装置内的栅格电极通常不存在于本公开的图像采集装置100中。栅格电极可以是具有栅格状、网状或筛状结构的小开口的阵列的薄材料，并且设置在阳极和阴极之间。该栅格电极可以被称为网状电极、控制栅格或修整电极。在图1所示的现有技术的系统中，栅格电极20位于电子发射结构(包括场致发射型电子源15)和电子接收结构(包括面板3)之间。与之相比，参照图2，本公开的图像采集装置100的内部间隙30提供了电子发射结构120和电子接收结构110之间的畅通空间，使得从场致发射型电子源9发射出的电子束直接行进至光电导体3，而不穿过位于电子发射结构110和电子接收结构120之间的任何中间结构。
电子接收结构
参照图2至图5，电子接收结构120的面板1和阳极电极2可以用材料构成和/或被配置成传输从面板1的正面发出的入射电磁辐射，使得该入射电磁辐射到达光电导体3。光电导体3所使用的材料是本领域中公知的，例如非晶硒(a-Se)、HgI2、PHI2、CdZnTe或者PbO。在优选实施方式中，光电导体3包括非晶硒。
电磁辐射可以具有任何频率。在特定实施方式中，电磁辐射在X射线频率范围内。另选地，电磁辐射可以在可见光频率范围内。
电子发射结构的基板
参见图2至图5，基板6可以为半导体材料，例如结晶硅。进一步地，阴极电极7、电阻层8、场致发射型电子源9、栅电极10、第一聚焦结构11、第一聚焦电极12、第二聚焦结构13、第二聚焦电极14和信号线(未示出)中的任一项或者它们的任何组合可以在基板6上进行加工并且与基板6形成为一体。在特定实施方式中，电阻层8还可以在基板6上进行加工并且与基板6形成为一体。
场致发射型电子源
参照图2至图5，场致发射型电子源9可以经由信号线(未示出)电连接到驱动电路，并且进一步电连接到栅电极10。连接到场致发射型电子源9的驱动电路和栅电极10的协调的电激活导致场致发射型电子源9的激活，即电子发射。场致发射型电子源9通过在场致发射型电子源9和栅电极10之间形成的电场来进行电子发射。场致发射型电子源9可以是具有布置成阵列的锥体(“发射针尖”)的选通锥体电子源，各个发射针尖被栅电极10内的开口(“栅极孔”)、斯平特型电子源、碳纳米管(CNT)型电子源、金属-绝缘体-金属(MIM)型电子源或金属-绝缘体-半导体(MIS)型电子源包围。在优选实施方式中，电子源9可以是斯平特型电子源。
阳极和阴极
参照图2至图5，阳极2和阴极7被配置为在它们之间产生电场。该电场使从场致发射型电子源发射出的电子加速，并且将它们定向至光电导体3。阳极2和阴极7之间的电场的强度可以为0.1至2伏特每微米、0.1至1.8伏特每微米、0.1至1.5伏特每微米、0.1至1伏特每微米、0.1至0.5伏特每微米、大约0.1伏特每微米、大约0.2伏特每微米、大约0.3伏特每微米、大约0.4伏特每微米、大约0.5伏特每微米、大约0.6伏特每微米、大约0.7伏特每微米、大约0.8伏特每微米、大约0.9伏特每微米、大约1伏特每微米、大约1.2伏特每微米或者大约1.5伏特每微米。
聚焦结构
参照图2至图5，场致发射型电子源9通常发射具有一系列轨迹(称为发散角)的电子，并且并非所有这些电子都与电子发射结构110正交地发射。因此，用于在使以不期望的轨迹发射出的电子的损失最小化的同时校正电子的轨迹的机制是期望的。本公开的聚焦结构，例如，包括第一聚焦电极12的第一聚焦结构11和包括第二聚焦电极14的第二聚焦结构13起到这样的作用。
参照图2至图5，第一聚焦结构11可以被配置为包围发射极区域25，即，包括多个场致发射型电子源9的子集的单元。发射极区域25还限定了像素尺寸。第一聚焦电极12可以被配置为通过施加第一聚焦电压来抑制从对应的发射极区域25发射出的电子束的分散，从而使发射出的电子束聚焦。
在特定实施方式中，本公开的图像采集装置100可以在电子发射极结构110中还包括包含有第二聚焦电极14的第二聚焦结构13的阵列。各个第二聚焦结构13可以是相邻的并且相对于各个第一聚焦结构11(具有第一聚焦电极12)是面向内部的，使得电子发射结构110总体上包括面向电子接收结构120的双聚焦结构。第二聚焦电极14可以被配置为通过施加第二聚焦电压来进一步使从对应的发射极区域25发射出的电子加速，从而进一步使发射出的电子束聚焦。将要理解的是，电子发射结构110可以包括附加的聚焦结构，导致总体聚焦结构是三重的、四重的，等等。
具有聚焦电极的聚焦结构(例如，具有第一聚焦电极12的第一聚焦结构11和/或具有第二聚焦电极14的第二聚焦结构13)还可以用作针对错向电子的漏极。在特定实施方式中，第一聚焦电极12可以被定位成覆盖针对场致发射型电子源9的驱动电路的信号线，从而通过保护信号线免受错向电子的辐射来降低信号线内的辐射噪声。
像素间距和装置厚度
如上所述，并且参照图2至图5，第一聚焦结构11可以包围发射极区域25，即，包括所述场致发射型电子源9的子集的单元。发射极区域25内的场致发射型电子源9的子集可以限定针对图像采集装置100的像素。
像素间距是本领域公知的基于像素的图像采集装置100的规格。像素间距可以表示为例如相邻像素之间的距离。参见例如图3中的距离b。像素尺寸可以表示为例如发射极区域25的面积、宽度和长度(如果是长方形的)或者直径(如果是圆形的)。参见例如图3中的距离c。更小的像素尺寸和像素间距有助于本公开的装置采集到的图像具有更高的分辨率。
在扁平面板式图像采集装置中使用的另一个规格是装置厚度。图像采集装置100的厚度可以表示为例如场致发射型电子源9和阳极2上的正交位置之间的距离(如图3中的距离a所示)。另选地，装置的厚度可以表示为阳极2和阴极7之间的正交距离，或者表示为电子接收结构120中的任何一个部件(例如，面板1、阳极2或光电导体3)和电子发射结构110中的任何一个部件(例如，场致发射型电子源9、阴极7、基板6和背板5)之间的正交距离。
如上所述，本公开的图像采集装置100被设计为改进图像采集装置100的电子利用效率，即，增大从场致发射型电子源9发射出并且撞击到光电导体3上的预定位置的电子的部分。因此，在本公开中，当与现有技术的图像采集装置相比时，为了获得相同密度的撞击光电导体3的电子，图像采集装置100中的各个发射极区域25(即，包括由第一聚焦结构11包围的多个场致发射型电子源9的晶胞)可以要求从电子源发射出的电子的密度更低。进一步地，各个发射极区域25可以进而要求较少的场致发射型电子源，并且因此本公开的图像采集装置100的像素尺寸以及像素间距可以变得较小。本公开的图像采集装置100的像素可以是具有例如10微米至1000微米、50微米至200微米、大约50微米、大约75微米、大约100微米、大约125微米、大约150微米或者大约200微米的像素间距的方形像素。优选地，本公开的图像采集装置100的像素可以是具有大约100微米×100微米的像素间距的方形像素。
通常，更薄的图像采集装置可能是期望的。然而，更薄的装置更加难以组装，并且栅格电极的存在加剧了组装的难度。本公开的一个特别的优势在于，由于可以不使用栅格电极，因此当与包括栅格电极的现有技术的图像采集装置相比时，本公开的图像采集装置100可以做得更薄，或者可以按照更少的成本生产出相同的厚度。
扁平面板式图像采集装置100的另一个规格是像素间距与装置厚度之比。在本公开的图像采集装置100中，装置厚度，例如，阴极7和阳极2之间的距离为0.5至4.0倍像素间距。以另选的方式表示，装置厚度与像素间距之比(即，以微米为单位的装置厚度/以微米为单位的像素间距)为0.5至4.0。给定上述比值，如果像素间距为100微米，则阴极7和阳极2之间的间隙将为50至400微米。在特定实施方式中，装置厚度，例如，阴极7和阳极2之间的距离为0.5至2.0倍像素间距、0.5至1.5倍像素间距、1至3倍像素间距、1至4倍像素间距、大约0.5倍像素间距、大约0.75倍像素间距、大约1倍像素间距、大约1.5倍像素间距、大约1.75倍像素间距、大约2倍像素间距、大约2.25倍像素间距、大约2.5倍像素间距、大约2.75倍像素间距、大约3倍像素间距、大约3.25倍像素间距、大约3.5倍像素间距、大约3.75倍像素间距或者大约4倍像素间距。场致发射型电子源9的参数、聚焦结构11(和13)的尺寸、加载到聚焦电极12(和14)的电压、分隔体4的高度以及装置的其它参数可以根据需要来调节。
X射线发射装置
现在参照图6，图6示出了本公开的x射线发射装置1000。x射线发射装置1000包括由至少一个分隔体54间隔开的、相互面向的电子发射结构210和x射线发射结构220(也称为“电子接收结构”)。分隔体54可以被定位成使得x射线发射结构220和电子发射结构210之间存在内部间隙58。内部间隙58可以被密封并且保持在真空下，并且可以提供电子发射结构210和x射线发射结构220之间的畅通空间。
电子发射结构210可以被激活以发射被定向至x射线发射结构220的电子束71。并入到电子发射结构210的选通锥体电子源被定位成使得发射出的电子束71朝着x射线发射结构220的阳极52被加速。
x射线发射结构220被定位成面向电子发射结构210，并且包括阳极52。x射线发射结构220的阳极52和电子发射结构210的阴极被配置为在它们之间产生电场。该电场使从选通锥体电子源发射出的电子加速，并且引导它们朝向阳极52。进一步地，阳极52在被电子束71撞击时能够发射出x射线75。这种阳极52是本领域中公知的，并且还可以被称为“靶标”或“x射线靶标”。阳极52可以例如由钼、铑、钨或其组合构成。
X射线发射结构220还可以在面向外面的侧部上包括准直器(未示出)。通常，x射线75在一系列方向上被发射出，使得它们以锥状从x射线发射结构220辐射出去。准直器是过滤射线流使得仅平行于指定的方向行进的射线流被允许通过的装置。因此，发射出的x射线的横向扩散可以被最小化或者被消除。
要特别注意的是，在现有技术的装置中，栅格电极通常已经位于电子发射结构210和x射线发射结构220之间。栅格电极可以为具有栅格状、网状或筛状结构的小开口的阵列的薄材料。栅格电极可以被称为网状电极、控制栅格或修整电极。这种栅格电极通常不存在于本公开的x射线发射装置中。参照图6，本公开的x射线发射装置中的内部间隙58提供电子发射结构220和电子接收结构210之间的畅通空间，使得发射出的电子束71直接行进至x射线发射结构220，而不穿过位于电子发射结构210和x射线发射结构220之间的任何中间结构。
由阳极52在被电子束71撞击之后所产生的x射线75可以穿过阳极(如图6所示)进行传输。另选地，如图7所示，x射线发射装置1000’可以被配置为使得从电子发射结构210发射出的电子束71撞击到x射线发射结构220’的阳极52’，阳极52’与电子束71的方向成角度(例如，成45度)放置。在这种配置中，由韧致辐射产生的x射线75’可以与入射电子束71成90度发射，并且穿过窗口59’从一旁离开装置1000’。
x射线发射装置1000’包括由至少一个分隔体54’间隔开的、相互面向的电子发射结构210’和x射线发射结构220’。x射线发射结构220’可以包括阳极52’和窗口59’。分隔体54’可以被定位成使得在x射线发射结构220’和电子发射结构210’之间存在内部间隙58’。内部间隙58’可以被密封并且保持在真空下，并且可以提供电子发射结构210和x射线发射结构220’之间的畅通空间。
将要理解的是，针对如在下文中参照图8至图10描述的电子发射结构210及其部件所描述的各种选项是针对并入到x射线发射装置1000’中的电子发射结构210、x射线发射装置1000’以及包含本文所述的电子发射结构的任何其它装置(包括图像采集装置)的选项。
现在参照图8，本公开提供了一种电子发射结构210，该电子发射结构210包括一个或更多个发射单元90。发射单元90可以与基板55形成为一体。发射单元90可以包含激活范围85，该激活范围85包括一个或更多个激活区80，各个激活区80具有选通锥体电子源(未示出)和栅电极60。该选通锥体电子源可以是包括布置成阵列的锥体(“发射针尖”)的场致发射型电子源，各个发射针尖被栅电极60内的开口(“栅极孔”)包围。激活区80可以通过栅极互连引线64以及通过阴极56连接到电压源，所述栅极互连引线64电导性连接到栅电极60，所述阴极56与所述栅极互连引线64交叠。发射单元90还可以包含聚焦结构95。
发射单元90被配置为当并入到存在于激活范围85中的一个或更多个激活区80内的选通锥体电子源(未示出)被激活时，发射电子束。激活区80可以通过将栅极互连引线64(进而栅电极60)和阴极56连接到电压源来进行激活。使被并入到选通锥体电子源内的发射针尖暴露于电压梯度中的结果是导致所述发射针尖发射电子束。
聚焦结构
仍然参照图8，场致发射型电子源通常发射具有一系列轨迹(被称为发散角)的电子，并且并非所有这些电子都正交于电子发射结构210被发射。因此，用于在使以不期望的轨迹发射出的电子的损失最小化的同时校正电子轨迹的机制是期望的。本公开的聚焦结构95起到这样的作用。
聚焦结构95可以被配置为包围激活范围85。聚焦结构95可以被配置为通过在并入到其内的聚焦电极上施加聚焦电压来抑制从对应的激活范围85发射出的电子束的分散，从而使发射出的电子束聚焦。
在特定实施方式中，聚焦结构95可以包括第一聚焦结构和第二聚焦结构，一者位于另一者之上，使得聚焦结构95总体上包括双聚焦结构。第二聚焦电极可以被配置为通过施加第二聚焦电压来进一步使从激活范围85发射出的电子加速，从而进一步使发射出的电子束聚焦。将要理解的是，聚焦结构95可以总体上包括三重聚焦结构、四重聚焦结构，等等。
聚焦结构95还可以用作针对错向电子的漏极。在特定实施方式中，聚焦结构95可以被定位成覆盖针对选通锥体电子源的驱动电路的信号线，从而通过保护信号线免受错向电子的辐射来降低信号线内的辐射噪声。
栅电极
如上所述，激活范围85位于栅极互连引线64和阴极56之间的交叠部分处。如图9A所示，各个激活区80可以位于栅极互连引线64内的完全封闭的间隙中。即，各个激活区80可以是被栅极互连引线64包围的岛状物。因此，栅电极60可以从任何侧面或者所有侧面电导性连接到栅极互连引线64。
如图9A所示，激活范围85包括16个激活区80。然而，将要理解的是，激活范围85可以具有与被认为适于电子发射结构210的使用一样多的激活区。不同的是，在激活范围85中可以存在少至一个激活区80、多达100个激活区80(例如，10×10个激活区80)、多达1000个激活区80(例如，100×100个激活区80)或者更多个激活区80。
虽然图9A所示的激活区80是正方形的，但是激活区80可以是矩形、圆形、弯带状、饼状等各种形状。类似地，激活区80可以是矩形、圆形、弯带状、饼状等各种形状。此外，多个激活区80可以在激活范围85内被布置成方形栅格图案(如图9A所示)、矩形栅格图案、辐射状图案等。
激活区80可以是方形的，例如，大约2mm×2mm、大约1.5mm×1.5mm、大约1.0mm×1.0mm、大约750微米×750微米、大约500微米×500微米、大约400微米×400微米、大约300微米×300微米、大约200微米×200微米、大约150微米×150微米、大约100微米×100微米、大约75微米×75微米、大约50微米×50微米、大约25微米×25微米、大约10微米×10微米、或者75微米至125微米。具有大约2mm×2mm尺寸的激活区80具有大约4平方毫米(mm2)的大小(即，表面面积)，具有大约10微米×10微米尺寸的激活区80具有大约100平方微米的大小，等等。
激活范围85的大小取决于该激活范围85内的激活区80的大小和激活区80的数量，以及穿插在激活区之间并且包围各个激活区的栅极互连引线64部分的宽度。通常，由于穿插的栅极互连引线64部分，激活范围85的尺寸可以比沿着相同侧的激活区80的合计尺寸多出大约10-20％。例如，在具有布置成4×4栅格的16个激活区80的激活范围85中，各个激活区80具有100微米×100微米的大小，各个激活区80被穿插有一部分栅极互连引线64，激活范围85可以具有大约480微米×480微米的大小(在这种情况下，穿插的栅极互连引线64部分增加了20％的激活范围宽度)。
发射单元可以被配置成使得激活范围85中的所有激活区80被配置为被一同激活。另选地，激活范围85中的各个激活区80(或者激活区80的不同子集)能够被独立地激活，也就是说，单个激活区80或者激活区80的子集可以被激活，同时该激活范围85内的其余激活区80保持未激活。因此，激活区80可以按照各种空间和时间模式被激活。因此，激活区80的子集可以被激活以实现针对激活范围85的不同发射电流。另选地或另外地，激活范围85中包含不同同心区域的激活区80的子集可以被独立地激活以实现初始宽度的不同大小，例如由激活范围85发射出的电子束的横截面积，进而所发射出的电子束的焦斑大小。换言之，由激活范围85发射出的电子束的发射电流能够通过该激活范围85内的一个或更多个激活区80的受控激活来进行调整，并且由激活范围85发射出的电子束的初始宽度能够通过被组织成同心区域的激活区80的一个或更多个子集的受控激活来进行调整。
作为具体的实施方式，具有布置成3×3栅格的9个激活区的激活范围可以被划分成两个同心区域，第一个同心区域包含中心的激活区，第二同心区域包含外层的8个激活区。作为另选的实施方式，具有布置成5×5栅格的25个激活区的激活范围可以被划分成三个同心区域，第一个同心区域包含中心激活区，第二同心区域包含8个中间激活区，第三同心区域包含16个外层激活区。将要理解的是，激活范围可以被配置为具有还更大的激活区阵列，例如具有4个、5个、6个或更多个同心区域。
现在参照图9B至图9D，示出了具有布置成5×5栅格图案的25个激活区80A’-80Y’的激活范围85’，所述激活范围85’可以具有可独立地激活的三个同心区域：包含中心激活区80M’的第一区域；包含中间激活区80G’、80H’、80I’、80L’、80N’、80Q’、80R’和80S’的第二同心区域；以及包含外层激活区80A’-80E’、80F’、80J’、80K’、80O’、80P’、80T’和80U’-80Y’的第三同心区域。如图9B所示，在保持第二同心区域和第三同心区域未激活(未激活的激活区80’显示为黑色)的同时激活第一同心区域(被激活的激活区80’显示为白色)将导致具有小发射电流的窄电子束的发射(图9B)。另选地，在保持第三同心区域未激活的同时将第一同心区域和第二同心区域一同激活将导致具有中等发射电流的中等宽度的电子束的发射(图9C)。最后，激活所有三个同心区域(即，所有的25个激活区)将导致具有大发射电流的宽电子束的发射(图9D)。
将要理解的是，涉及图9A至图9D的上述公开提供了用于调整由包含多个激活区的激活范围发射出的电子束的发射电流和/或初始宽度的方法。将要进一步理解的是，所述方法可以被应用于具有任意类型的电子源的激活区，并且不限于具有选通锥体电子源的激活区。因此，上述方法可以被应用于例如斯平特型电子源、碳纳米管(CNT)型电子源、金属-绝缘体-金属(MIM)型电子源或金属-绝缘体-半导体(MIS)型电子源。
电子发射结构的进一步的特性
参照图10，电子发射结构210中的激活区80可以包括基板55、阴极电极56、电阻层57、选通锥体电子源70和栅电极60。如上所述，激活区80可以被限定为被选通锥体电子源70和/或对应的栅电极60占据的区域。激活区80还可以被限定为被栅极互连引线64包围的区域。
选通锥体电子源70可以包括布置成阵列的多个发射针尖72。选通锥体电子源70还可以包括具有多个层间电介质(ILD)窗口的ILD层74，发射针尖72位于各个ILD窗口处。ILD74还可以当作用于位于其上的栅电极60的支撑体。
发射针尖72可以例如由铬、钼等构成。各个发射针尖72可以具有大约500纳米(nm)、大约400nm、大约300nm、大约200nm、大约100nm、小于500nm、小于400nm、小于300nm、小于200nm、小于100nm、100至300nm或者200至400nm的高度。各个发射针尖可以具有大约500nm、大约400nm、大约300nm、大约200nm、大约100nm、小于500nm、小于400nm、小于300nm、小于200nm、小于100nm、100至300nm或者200至400nm的底部宽度。在具体的实施方式中，发射针尖72可以具有小于300nm的高度和小于300nm的底部宽度。
栅电极60可以包括多个栅极孔62。栅电极60可以由诸如铬、铌等导电材料制成。通常，栅极孔62的位置与ILD窗口和发射针尖72的位置相对应，使得各个发射针尖被配置为向栅极孔62外发射电子束。栅极孔62可以具有大约50至500纳米、大约100至400纳米、大约150至250纳米、大约100纳米、大约150纳米、大约175纳米、大约200纳米、大约225纳米、大约250纳米、大约300纳米、大约350纳米、小于300纳米、小于250纳米、小于200纳米、小于150纳米以及小于100纳米的直径。
栅电极60可以经由栅极互连引线64电导性连接到电压源。栅电极60可以具有大约50纳米(nm)、大约60nm、大约70nm、大约80nm、大约90nm、大约100nm、大约125nm、50nm至125nm或者80nm至100nm的厚度。栅极互连引线64可以具有0.5微米至20微米的厚度。因此，栅电极60比栅极互连引线64更细。由于细以及栅极孔62的存在，栅电极60的电阻比栅极互连引线64的电阻大很多。
电阻层57位于阴极57和选通锥体电子源70之间，并且除了其它功能外，还起到调节在阴极57和发射针尖72的激活期间在它们之间流动的电流。电阻层57可以包括碳氮化硅(SiCN)、碳化硅或非晶硅。电阻层57可以在其一个或更多个外表面处进一步包括阻挡子层。即，电阻层57可以包括位于与阴极的界面处的阻挡子层、位于与选通锥体电子源的界面处的阻挡子层、或者位于阴极的界面以及选通锥体电子源的界面处的阻挡子层。阻挡子层可以包括富含碳的SiCN层或者富含氮的SiCN层。
SiCN包含大量的组分。SiCN可以被表示为Si(x)C(y)N(z)，其中x、y、z示出了各种元素的原子百分比。例如，由x＝75％、y＝15％和z＝10％组成的Si(x)C(y)N(z)是指硅碳氮合成物，其中，75％的原子是硅，15％的原子是碳，10％的原子是氮。SiCN的该种记号法包含了原子百分比为0的情况。例如，具有z＝0％的组分的Si(x)C(y)N(z)是碳化硅(SiC)。类似地，如果x＝0％并且z＝0％，那么y＝100％，其为纯碳，例如非晶碳。
典型的电阻层57可以使用例如由x＝47％、y＝47％、z＝6％组成的Si(x)C(y)N(z)。与在电阻层57中使用的Si(x)C(y)N(z)相比，富含氮的或者富含碳的阻挡层可以是具有更高y值(碳原子百分比)或者更高z值(氮原子百分比)的SiCN。例如，富含氮的或者富含碳的阻挡层可以是具有小于40％的硅原子百分比的SiCN或SiC。作为进一步的例子，如果在电阻层57中使用由x＝47％、y＝47％、z＝6％组成的上述Si(x)C(y)N(z)，那么富含氮的阻挡层可以使用由x＝30％、y＝30％、z＝40％组成的Si(x)C(y)N(z)，并且富含碳的阻挡层可以使用由x＝30％、y＝65％、N＝5％组成的Si(x)C(y)N(z)。另选地，富含碳的阻挡层可以是非晶碳。针对Si(x)C(y)N(z)组合物的x、y和z的值能够通过本领域中公知的各种方法来进行控制，例如，使用化学蒸汽沉积(CVD)的溅镀的沉积条件。
阴极56可以包含铜(Cu)或铝(Al)，并且可以具有0.5微米至20微米的厚度。
将要理解的是，在本公开的电子发射结构210中，选通锥体电子源70、电阻层57和阴极56是垂直对齐的。即，沿着激活区80和电子发射结构210的平面方向，栅电极60、选通锥体电子源70、电阻层57和阴极56彼此全部交叠。进一步地，沿着电子发射结构的平面方向，各个发射针尖72、对应的栅极孔62、阴极56和电阻层57可以交叠。这种布置表现出各个上述部件之间很小的横向位移或者无横向位移，并且导致(除了其它效果外)：保持栅电极60和阴极56之间的电压梯度的均匀性；以及保持提供给各个单独的发射针尖72的电流的路径和该电流所流过的电阻的均匀性。
基板55可以包含半导体材料，例如结晶硅。进一步地，阴极56、电阻层57、包含发射针尖72和ILD74的选通锥体电子源70、栅电极60、导线互连导线64或者其任意组合中的任何一者都可以在基板55上进行加工并且与基板55形成为一体。
X射线摄像系统
本公开还提供了一种X射线摄像系统，该X射线摄像系统包括如本文所述的至少一种x射线发射装置和如本文所述的至少一种图像采集装置，图像采集装置被定位成使得x射线发射装置朝着图像采集装置的电子接收结构发射x射线束，该电子接收结构可以包含光电导体。
图11A示出了一种x射线摄像系统2000，其包括图像采集装置100和x射线发射装置1000’。
图像采集装置100包括由分隔体4间隔开的电子发射结构110和电子接收结构120。分隔体4可以被定位成使得电子接收结构120和电子发射结构110之间存在内部间隙30。内部间隙30可以被密封并且保持在真空下，并且可以提供电子发射结构110和电子接收结构120之间的畅通空间。电子接收结构110可以包括光电导体，并且可以被配置为接收由x射线发射装置1000’发射出的x射线。图像采集装置100及其部件在本文中别处进行了更为详细的描述。
x射线发射装置1000’可以被配置为使得从电子发射结构210发射出的电子束71撞击x射线发射结构220’的阳极52’，阳极52’被与电子束71的方向成角度(例如，成45度)放置。在这种配置中，由韧致辐射产生的x射线75’可以与入射电子束71成90度被发射出去，并且穿过窗口59’从一侧离开装置1000’。x射线发射装置1000’及其部件在本文中别处进行了更为详细的描述。
x射线摄像系统2000被配置为允许物体300放置在x射线发射装置1000’和图像采集装置100之间，使得x射线75’(或者其一部分)在撞击图像采集装置100(或者其一部分)之前穿过物体300(或者其一部分)，从而产生物体300的x射线透射图像。
由x射线摄像系统2000中的x射线发射装置1000’发射出的x射线的能量和/或宽度是可调的。现在参照图11B至图11D，示出了具有并入到电子发射结构210中的激活范围85’的扩展视图的x射线摄像系统2000，该激活范围85’具有布置成5×5栅格图案的25个激活区80A’-80Y’。所述激活范围85’可以具有例如可独立地激活的三个同心区域：包含中心激活区80M’的第一区域；包含中间激活区80G’、80H’、80I’、80L’、80N’、80Q’、80R’和80S’的第二同心区域；以及包含外层激活区80A’-80E’、80F’、80J’、80K’、80O’、80P’、80T’和80U’-80Y’的第三同心区域。
如图11B所示，在保持第二同心区域和第三同心区域未激活(未激活的激活区80’显示为黑色)的同时激活第一同心区域(被激活的激活区80’显示为白色)将导致具有小发射电流的窄电子束的发射，使得x射线发射装置1000’发射窄的x射线束(图11B)。另选地，在保持第三同心区域未激活的同时将第一同心区域和第二同心区域一同激活将导致具有中等发射电流的中等宽度的电子束的发射，使得x射线发射装置1000’发射中等宽度的x射线束(图11C)。最后，激活所有三个同心区域(即，所有的25个激活区)将导致具有大发射电流的宽电子束的发射，使得x射线发射装置1000’发射宽的x射线束(图11D)。
将要理解的是，如在本公开中所提供的，x射线摄像系统可以包括如本文所述的任何x射线发射装置(例如在图6至图10中示出并且参照图6至图10所描述的)，并且可以包括如本文所述的任何图像采集装置(例如在图2至图5中示出并且参照图2至图5所描述的)。将要进一步理解的是，如本公开所提供的，x射线摄像系统可以包括多个x射线发射装置和/或多个图像采集装置。
电子发射结构的功能特性
如上所述(涉及图8、图9A至图9D和图10)，激活区80和对应的栅电极60可以被一部分栅极互连引线64包围。即，激活区80的栅电极60可以位于栅极互连引线64内的完全封闭的间隙中。与具有一个大的激活区80的激活范围85相比，具有多个激活区80的上述布置具有各种优势，例如减小穿过可以改进栅电极60和阴极56之间沿着选通锥体电子源70的平面方向的电压梯度的均匀性的高电阻栅电极60的电流的路径长度。此外，该布置具有使激活范围85的温度分布均等的额外效果，因为栅极互连引线64可以是比栅电极60更好的热导体。
由于发射针尖72和栅极孔62的小(亚微米级)尺寸，选通锥体电子源70可以被认为是纳米选通锥体电子源。要特别注意的是，结合栅极孔62的小直径，选通锥体电子源70中的单个元件(例如，发射针尖72)的小尺寸允许在各个激活区80内布置大量的发射针尖72，并且因此允许在各个激活范围85内布置大量的发射针尖72。例如，激活区80每平方微米可以包括大约1个发射针尖72。即，在10000平方微米(100微米×100微米)的激活区80内，发射针尖72和栅极孔62的小尺寸可以允许布置大约10000个发射针尖72。基于发射针尖72的底部宽度和选通锥体电子源70的其它特性以及栅电极60的特性，选通锥体电子源70可以具有高于每平方微米1个发射针尖72的发射针尖密度，例如，每平方微米1至10个发射针尖72、每平方微米2至4个发射针尖72，等等。因此，发射针尖72和栅极孔62的小尺寸能够使高密度的发射针尖72通过选通锥体电子源70产生高的通量密度，同时允许流过各个发射针尖72的电流小，从而还导致选通锥体电子源的寿命、稳定性和功能上的均匀性得到改进。
选通锥体电子源70能够传送具有1至10mA/mm2(毫安每平方毫米)的通量密度(即，能够具有发射电流密度)的电流。
选通锥体电子源70可以被配置为发射具有大约5eV、大约10eV、大约15eV、大约20eV或者大约5至15eV的初始速度的电子束。
将要理解的是，给定选通锥体电子源70能够传送特定发射电流密度(如上所述)，激活区80的发射电流将取决于其大小(例如，表面面积)。类似地，激活范围85的发射电流将取决于它所包含的激活区80的数量。例如，具有10mA/mm2的发射电流密度的、大小为100微米×100微米的激活区80具有0.1mA的发射电流。因此，具有100个这样的激活区80的、大小为1.1mm2的激活范围具有10mA的发射电流。类似地，具有1000个这样的激活区80的、大小为11mm2的激活范围具有100mA的发射电流。同样类似地，具有5000个这样的激活区80的、大小为55mm2的激活范围具有500mA的发射电流。因此，激活范围85的发射电流可以低到10mA、或者高达500mA、或者更高。
阴极56可以被配置为传送大约10mA、大约50mA、大约100mA、大约200mA、大约300mA、大约400mA、大约500mA、大约600mA、大约700mA、大约800mA、大约900mA、大约1A、大于800mA、500至700mA、300mA至800mA、100mA至800mA、10mA至1A、至少500mA、至少600mA、至少700mA或至少800mA的电流(“阴极电流”)。阴极电流可以包括对应的激活范围85(如上所述)的发射电流和通过对应的栅电极60(和对应的栅极互连引线64)的栅极漏电流。通常，栅极漏电流比发射电流小，并且因此，阴极电流与激活范围85的发射电流大小相近，或者比激活范围85的发射电流稍微更大。
x射线发射装置的应用
本申请中提供的x射线发射装置可以被布置成各种几何形状以满足一系列x射线系统配置，包括CT扫描仪、锥形束CT、电子束CT、包含乳腺断层摄影的其它层析成像模式、逆几何x射线配置(其中，能够从各个位置快速发射x射线的扩展的x射线源靠近病人被放置，并且x射线探测器远离病人被放置)以及要求在放置于病人周围的各个位置处的固定x射线源之间快速切换的其它配置。
示例
示例1–聚焦结构的影响的仿真
图12示出了来自仿真的图像采集装置的结果，描绘了电子束在其撞击到面向它的电子接收结构(例如，在本公开的图像采集装置的情况下的光电导体或者在本公开的x射线发射装置的情况下的x射线靶标)的相对表面上的点处的宽度如何随着电子发射结构和电子接收结构之间的间隙的增大而增大。参照图12(以及图13至图15)，电子束着靶宽度或焦斑大小是指电子束在其撞击到面向它的电子接收结构上的点处的宽度，并且间隙是指阳极(在电子接收结构上)和阴极(在电子发射结构上)之间的距离。
在许多情况下，希望电子束着靶宽度保持狭窄。例如，在图像采集装置的情况下，希望焦斑大小不超过像素间距，使得从一个发射极区域发射出的电子束与从相邻的发射极区域发射出的电子束不交叠。考虑到电子束着靶宽度随着间隙距离展宽，在一定间隙距离内能够实现的像素间距受到限制。聚焦结构/电极起到限制电子束着靶宽度随着间隙距离展宽的作用，从而例如能够针对(例如，阳极和阴极之间的)较大的间隙获得较小的像素间距。
参照图13，第一聚焦结构的存在以及第一聚焦电极两端的第一聚焦电压的施加可以限制电子束着靶宽度。例如，在包括具有100微米间隙(阳极至阴极)的单聚焦结构的电子发射结构的仿真的图像采集装置中，通过将大约30伏特施加到第一聚焦电极(阴极底部)，电子束着靶宽度被限制在大约100微米，以便匹配100微米的目标像素间距。针对150微米的间隙，通过将大约22.5伏特(在20至25伏特之间)施加到第一聚焦电极，电子束着靶宽度被限制在大约100微米。最佳的第一聚焦电压取决于间隙的大小(例如，阳极至阴极的距离)以及包括场致发射型电子源的规格、聚焦结构的尺寸和装置的其它参数的其它参数，这些参数可以根据需要来进行调节。单聚焦仿真的结果显示在下表1中。
表1：使用单聚焦的电子束着靶宽度(以微米为单位)
将要理解的是，聚焦结构对上述的电子束着靶宽度的影响在具有相似配置的电子发射结构的仿真的x射线发射装置中将是相同的。
参照图14，与第一聚焦结构相结合的第二聚焦结构(即，双重聚焦)的进一步存在还可以限制电子束着靶宽度。例如，在包括具有300微米的间隙(阳极至阴极)的双聚焦结构的仿真的图像采集装置中，通过将大约600伏特施加到第二聚焦电极(阴极底部)与通过将大约30伏特施加到第一聚焦电极(阴极底部)相结合，电子束着靶宽度被限制在大约100微米，以便匹配100微米的目标像素间距。针对400微米的间隙，通过将大约1000伏特施加到第二聚焦电极与通过将大约30伏特施加到第一聚焦电极相结合，电子束着靶宽度被限制在大约100微米。最佳的第二聚焦电压取决于间隙的大小(例如，阳极至阴极的距离)以及包括场致发射型电子源的规格、聚焦结构的尺寸和装置的其它参数的其它参数，这些参数可以根据需要来进行调节。双重聚焦仿真的结果显示在下表2中。
表2：使用双重聚焦的电子束着靶宽度(以微米为单位)
(第一聚焦电压＝30伏特)
将要理解的是，聚焦结构对上述的电子束着靶宽度的影响在具有相似配置的电子发射结构的仿真的x射线发射装置中将是相同的。
示例2–电子初始速度对焦斑大小的影响
图15示出了具有电子发射结构和电子接收结构(例如，图像采集装置或x射线发射装置)的仿真装置的结果，描绘了电子束在其撞击到面向它的阳极上的点处的宽度(即，焦斑大小)如何随着从选通锥体电子源发射出的电子束的初始电子速度从0eV增大到50eV而增大。给定应用于仿真的条件(5毫米的阴极区域，阴极和阳极之间的距离为4mm，以及聚焦窗口(聚焦结构的内部宽度)为14mm)，使用10eV的初始电子速度和-4000V的聚焦偏压(施加到聚焦结构的电压)获得小于1000微米的焦斑大小。
所公开的实施方式的范围可以由所附的权利要求书限定，并且包括上文中描述的各个特征的组合和子组合以及其变型和修改，这将在阅读以上描述之后被本领域普通技术人员想到。
本文中所使用的技术术语和科技术语应当具有与本申请所属的技术领域中的普通技术人员通常理解相同的含义。虽然如此，可以预料到的是，在专利从本申请走向成熟的过程中，许多相关的系统和方法将被研发出。
正如本文中所使用的，术语“大约”是指至少±10％。
术语“包含”、“包含”、“包括”、“包括”、“具有”以及它们的同源词意味着“包括但不局限于”，并且表明列出的部件被包含，但通常不排除其它部件。这样的术语包含术语“由……构成”和“基本上由……构成”。
短语“基本上由……构成”意味着组合物或方法可以包含附加的成分和/或步骤，但前提是这些附加的成分和/或步骤不会实质上改变所声称的组合物或方法的基本和新颖的特性。
正如在本文中所使用的，单数形式“一种”、“一个”和“该”可以包含复数的引用，除非上下文清楚地规定以外。例如，术语“一种化合物”或者“至少一种化合物”可以包含多个化合物，包含其混合物。
单词“例示性的”在本文中被使用意味着“用作一个示例、实例或说明”。描述成“例示性的”任何实施方式不一定被解释成相对于其它实施方式是优选的或有利的，或者将特征的合并排除在其它实施方式之外。
单词“可选地”在本文中被使用意味着“被提供在特定实施方式中并且不被提供在另外的实施方式中”。本公开的任何具体的实施方式可以包含多个“可选的”特征，除非这些特征冲突。
无论何时数字范围在本文中被指出，都意味着包含在所指出的范围内的任何被引用的数字(小数或整数)。短语“范围/范围在第一指示数和第二指示数之间”和“范围/范围从第一指示数至第二指示数”是可以在本文中被交换使用的，并且意味着包含第一指示数和第二指示数以及它们之间的所有的小数和整数。因此，应当理解的是，范围形式的描述仅是为了方便和简洁，并且不应当被解释成对本申请范围的僵化限制。相应地，一个范围的描述应当被认为已经明确地公开了所有可能的子范围以及在该范围内的单个数值。例如，诸如从1到6的范围的描述应当被认为已经明确地公开了诸如从1到3、从1到4、从1到5、从2到4、从2到6、从3到6，等等的子范围，以及在该范围内的单个数字(例如，1、2、3、4、5和6)以及非整数的中间值。无论范围的幅度如何，这都适用。
要理解的是，为了清楚起见在不同的实施方式的环境下被描述的本申请中的特定特征，也可以组合的形式被提供在单个实施方式中。相反地，为了清楚起见在单个实施方式的环境下被描述的本申请中的各种不同特征，也可以被单独提供或者以任何适当的子组合或适当的方式被提供在本公开的任何其它描述的实施方式中。在各种不同的实施方式的环境下被描述的特定特征不被认为是这些实施方式的必要特征，除非该实施方式在没有这些元素的情况下是不起作用的。
尽管本公开已经结合其特定的实施方式被描述，但是很明显许多替代方案、修改和变型对本领域普通技术人员是显而易见的。相应地，旨在包含属于所附权利要求书的精神和宽范围的这样的替代方案、修改和变型。
本说明书中所提到的所有公报、专利和专利申请于此通过引用被完整地并入到本说明书中，达到好像各个单个公报、专利或专利申请被明确并且单独地提到通过引用并入到本文中的程度。此外，本申请中的任何参考文献的引用或鉴定不应被理解成这样的参考文献如同现有技术一样可用于到本申请中的承认。就节标题被使用而言，它们不应当被理解为必然限制性的。

Claims (29)

1.一种x射线发射装置，该x射线发射装置包括由至少一个分隔体间隔开的x射线发射结构和电子发射结构，所述至少一个分隔体被定位成使得所述x射线发射结构和所述电子发射结构相互面向并且所述x射线发射结构和所述电子发射结构之间存在排空的内部间隙；
所述x射线发射结构包括阳极，该阳极为x射线靶标；并且
所述电子发射结构包括至少一个激活范围，各个激活范围包括多个激活区，各个激活区包括：
(a)阴极；
(b)选通锥体电子源，其包括布置成阵列的多个发射针尖；
(c)位于所述选通锥体电子源和所述阴极之间的电阻层；
(d)栅电极，其包括多个栅极孔，至少一个所述栅极孔的位置与至少一个所述发射针尖的位置相对应；
其中，所述发射针尖被配置为朝着所述x射线发射结构发射电子束，
其中，所述激活范围被至少一个聚焦结构包围，
其中，所述多个激活区在所述激活范围内被布置成方形栅格图案，并且
其中，栅极互连引线包围各个激活区并且穿插在激活区之间。
2.根据权利要求1所述的x射线发射装置，其中，所述栅极孔的直径小于200纳米。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的x射线发射装置，其中，所述发射针尖的底部的宽度小于300纳米。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的x射线发射装置，其中，所述栅电极通过所述栅极互连引线连接到电压源，所述栅电极位于所述栅极互连引线的间隙内，使得所述栅电极在各侧连接到所述栅极互连引线。
5.根据权利要求4所述的x射线发射装置，其中，所述栅极互连引线比所述栅电极厚。
6.根据权利要求5所述的x射线发射装置，其中，所述栅极互连引线的厚度为0.5微米至20微米。
7.根据权利要求1或权利要求2所述的x射线发射装置，其中，所述电阻层的厚度大于300纳米。
8.根据权利要求1或权利要求2所述的x射线发射装置，其中，所述电阻层包括SiCN。
9.根据权利要求8所述的x射线发射装置，其中，所述电阻层包括位于与所述阴极的界面处的第一阻挡子层。
10.根据权利要求9所述的x射线发射装置，其中，所述电阻层包括位于与所述选通锥体电子源的界面处的第二阻挡子层。
11.根据权利要求10所述的x射线发射装置，其中，所述第一阻挡子层和所述第二阻挡子层包括具有小于40％的硅原子百分比的SiCN或SiC。
12.根据权利要求10所述的x射线发射装置，其中，所述第一阻挡子层和所述第二阻挡子层包括非晶碳。
13.根据权利要求1或权利要求2所述的x射线发射装置，其中，所述选通锥体电子源能够传送具有1mA/mm2至10mA/mm2的通量密度的电流。
14.根据权利要求1或权利要求2所述的x射线发射装置，其中，所述激活区的面积为100平方微米至4平方毫米。
15.根据权利要求1或权利要求2所述的x射线发射装置，其中，所述激活区在每平方微米具有1至10个发射针尖。
16.根据权利要求1或权利要求2所述的x射线发射装置，其中，所述阴极的厚度为0.5微米至20微米。
17.根据权利要求1或权利要求2所述的x射线发射装置，其中，所述发射针尖、对应的栅极孔、所述阴极和所述电阻层中的每一个的位置沿着所述电子发射结构的平面交叠。
18.根据权利要求1或权利要求2所述的x射线发射装置，其中，所述内部间隙提供所述电子发射结构和所述x射线发射结构之间的畅通空间。
19.根据权利要求1或权利要求2所述的x射线发射装置，其中，所述阳极包括由钼、铑和钨构成的组中的一种或更多种。
20.根据权利要求1或权利要求2所述的x射线发射装置，其中，所述激活区还包括基板，所述基板是基于硅的。
21.根据权利要求20所述的x射线发射装置，其中，从由所述栅电极、所述阴极、所述电阻层和所述选通锥体电子源构成的组中选择的至少一种构件与所述基板形成为一体。
22.根据权利要求1或权利要求2所述的x射线发射装置，其中，所述多个激活区被配置为被一同激活。
23.根据权利要求1或权利要求2所述的x射线发射装置，其中，所述多个激活区的一个或更多个子集能够被独立地激活。
24.根据权利要求23所述的x射线发射装置，其中，所述激活范围的总发射电流能够通过一个或更多个所述激活范围的受控激活来调整。
25.根据权利要求23所述的x射线发射装置，其中，所述多个激活区的所述子集被组织成同心区域，使得所述电子束的初始宽度能够通过一个或更多个所述同心区域的受控激活来调整。
26.根据权利要求1或权利要求2所述的x射线发射装置，其中，所述电阻层的厚度为300纳米至5000纳米。
27.根据权利要求9所述的x射线发射装置，其中，所述第一阻挡子层包括具有小于40％的硅原子百分比的SiCN或SiC。
28.根据权利要求9所述的x射线发射装置，其中，所述第一阻挡子层包括非晶碳。
29.一种X射线摄像系统，该X射线摄像系统包括根据权利要求1至28中的任一项所述的x射线发射装置。
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