CN105556637B - 使用线性累加的x射线源 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种用于高亮度x射线产生的小型源。通过用电子束轰击彼此对准的多个区域以实现x射线线性累加从而实现更高亮度。这通过对准离散x射线发射器或者通过使用新颖的x射线靶来实现，这种新颖的x射线靶包括x射线产生材料的多个微结构，这些微结构被制成与具有高热导率的基板成密切热接触。这允许从x射线产生材料更高效地抽出热并且允许以更高的电子密度和/或更高能电子轰击这种材料，得到更大x射线亮度。微结构的定向允许使用轴上收集，允许来自多个对准的微结构的x射线累加，看起来似乎具有单个原点，也被称作“零角度”x射线发射。

Description

使用线性累加的x射线源

相关申请

本专利申请要求下列专利申请的优先权和权益：在2013年9月19日提交的美国临时专利申请No.61/880,151；在2013年10月22日提交的美国临时专利申请No.61/894,073；在2014年1月24日提交的美国临时专利申请No.61/931,519；在2014年6月6日提交的美国临时专利申请62/008,856；以及在2014年9月19日提交的美国临时专利申请No.14/490,672，所有这些专利申请以全文引用的方式并入到本文中。本申请也涉及在2014年8月21日提交的美国专利申请14/465,816，该专利申请也以全文引用的方式并入到本文中并且部分地作为附录A包括于本文中。

技术领域

本文所公开的实施例涉及x射线的高亮度源。这种高亮度源可适用于采用x射线的多种应用，包括制造检验、计量学、结晶学、结构以及组成分析和医学成像和诊断系统。

背景技术

在1895年，当用电子轰击真空管中的靶进行实验时首次意外地发现了x射线[W.C.″Eine Neue Art von Strahlen(Würzburg Verlag，1895)；″On aNew Kind of Rays，″Nature，第53卷，第274-276页(1896年1月23日)]。这些高能短波光子现在常规地用于医疗应用和诊断评价，以及用于安全筛选、工业检验、品质控制和故障分析，和用于科学应用，诸如结晶学、断层摄影术、x射线荧光分析等。

在20世纪早期，实验室x射线源在后来由Coolidge做出了改进[参看，例如，William D.Coolidge，在1917年1月2日颁布的美国专利1,211,092，在1933年7月4日颁布的美国专利1,917,099以及在1934年2月6日颁布的美国专利1,946,312]，并且在20世纪后期，开发了使用同步加速器或自由电子激光器(FEL)来产生很强x射线束的系统。然而，这些同步加速器或者FEL系统实体上是很大的系统，需要较大建筑物和土地面积来实施它们。就小型化、在实验室使用的系统和仪器而言，目前大部分x射线源仍使用库里吉氏(Coolidge)管的基本机构。

在图1中示出了最简单的x射线源的示例，透射x射线源08。该源包括通常由密封真空管02或者有源抽吸提供的真空环境(通常10^″6托或更佳)，被制造成具有密封电引线21和22，电引线21和22从管外侧的高压电源10的负端子和正端子传递到真空管02内的各种元件。该源08将通常包括支架03，支架03将真空管02固定于外壳05中并且外壳05可以附加地包括屏蔽材料，诸如铅以防止x射线由源08在不希望的方向上辐射。

在真空管02内，通过引线21连接到高压电源10的发射器11用作阴极并且通常通过使电流流过细丝而产生电子束111。靶01电连接到对面的高压引线22，处于低电压，因此用作阳极。所发射的电子111朝向靶01加速并且以高能碰撞靶01，其中由加速电压的幅值来确定电子能。电子111碰撞到固体靶01内引起若干效果，包括发射x射线888，x射线888中的某些通过窗口04离开真空管02，窗口04被设计成透射x射线。在图1所示的构造中，靶01放置或直接安装到窗口04上并且窗口04形成真空腔室的壁的一部分。在其它现有技术实施例中，靶可以形成为窗口04自身的一个整体部分。

在图2中示出了常用射线源设计的另一示例，反射x射线源80。同样，该源包括真空环境(通常10^-6托或更佳)，真空环境通常由密封真空管20或有源抽吸来维持，并且被制造成具有密封电引线21和22，电引线21和22从管外的高压电源10的负端子和正端子传递到真空管20内的各种元件。该源80通常包括支架30，支架30将真空管20固定于外壳50中，并且外壳50可以附加地包括屏蔽材料，诸如铅，以防止x射线由源80在不希望的方向上辐射。

在管20内，通过引线21连接到高压电源10的发射器11用作阴极并且通常通过使电流流过细丝而产生电子束111。由靶基板110支承的靶100电连接到对面的高电压引线22和靶支承件32以处于低电压，因此用作阳极。电子111朝向靶100加速并且以高能碰撞靶100，其中电子能量由加速电压的幅值来确定。电子111碰撞到靶100内引起若干效果，包括发射x射线，x射线中的某些离开真空管20并且通过对于x射线透明的窗口40透射。

在用于反射性x射线源(在图2中未示出)的替代现有技术实施例中，靶100和基板110可以整合或者包括相同材料诸如铜(Cu)的实心块。也可以设置电子光学器件(静电或电磁透镜)(在图1和图2中未示出，但在实践中常用)以引导电子和使电子路径成形，在靶处形成更集中的聚焦束。同样，可以提供包括多个发射器的电子源以提供更大的分布式电子源。

当电子与靶100碰撞时，它们可以以若干方式相互作用。这些在图3中示出。电子束111中的电子与靶100在其表面102处碰撞，并且穿过该表面的电子将其能量在相互作用体积200内转移到靶100内，相互作用体积200通常由入射电子束占据区(面积)乘以电子渗透深度来限定。对于很小尺寸(例如，束直径＜100nm)的入射电子束，相互作用体积200通常是三维“梨形”或“泪珠形”并且绕电子传播方向对称。对于较大束，相互作用体积将由这种“泪珠”形状与横向束强度分布的卷积来表示。

常用于估计电子进入一种材料内的穿透深度方程式是Pott定律[P.J.Potts，Electron Probe Microanalysis，A Handbook of Silicate Rock Analysis，SpringerNetherlands的第10章，1987，第336页)]，其说明了以微米为单位的穿透深度x与升高到3/2功率以keV为单位的电子能量除以材料密度的值的10％有关：

对于密度较低的材料，诸如金刚石基板，穿透深度远大于具有较大密度的材料诸如用于产生x射线的大部分元素。

可以存在多种能量转移机构。在整个相互作用体积200中，电子能量可以简单地转变为热。某些吸收的能量可以激发二次电子产生，通常从位于表面附件的区域221检测到，同时某些电子也可以反向散射，由于这些电子更高的能量，能从略微更大的区域231检测到这些电子。

在整个相互作用体积200中，包括在表面附近和延伸大约3倍更深地到靶100内的区域221和231，产生x射线888并且在所有方向上向外辐射。x射线发射可以具有复杂能谱。在电子穿透材料时，它们减速并且失去能量，由此相互作用体积200的不同部分产生具有不同特性的x射线。在图4中示出了100keV电子与钨靶碰撞时发射的典型x射线辐射谱。

如图4所示，取决于电子经过时离各原子核和其它电子有多近，电子偏离于其初始轨迹，从这些电子产生宽谱x射线发射388。电子能量减少和与方向变化相关联的动量变化产生x射线辐射。因为可能发生较宽范围的偏转和减速，根据电子与靶材料原子碰撞的接近统计，能量变化是一个连续谱，因此，所产生的x射线的能量也是一个连续谱。在能谱低端出现更大发射，在更高能量处出现小得多的发射，并且达到没有x射线的、能量大于原始电子能量(在此示例中，100keV)的绝对限度。由于其起源于电子减速，这种连续谱x射线发射388通常被称作韧致辐射(bremsstrahlung)，源自德语词“bremsen”(“制动(braking)”)。

在整个相互作用体积中产生这些连续谱x射线388，在图3中示出为相互作用体积200的最大阴影部分288。在较低能量，韧致辐射x射线888通常各向同性发射，即，在发射方向具有很小强度变化[参看，例如D.Gonzales、B.Cavness和S.Williams，″Angulardistribution of thick-target bremsstrahlung produced by electrons withinitial energies ranging from 10to 20keV incident on Ag″，Phys.Rev.A，第84卷，052726(2011)]，更高能激发可能具有垂直于电子束(即，相对于靶表面成90度的入射束而言，为“0度”)的增加的发射。[参看例如，J.G.Chervenak和A.Liuzzi，″Experimentalthick-target bremsstrahlung spectra from electrons in the range 10to 30kev″，Phys.Rev.A，第12(1)卷，第26-33页(1975年7月)。]

如在图1和图2中示出，x射线源08或80将通常具有窗口04或40。这种窗口04或40可以附加地包括一个过滤器，诸如铝片或铝层，其衰减低能x射线，产生图4所示的修改的能谱488。

当电子能量大于靶内元素的内壳层(核壳)电子的结合能时，可能发生电子从壳层弹出(电离)，形成空穴。来自结合强度较小的外壳层的电子然后自由跃迁到有空穴的内壳层，填充空穴。在填充电子向下移动到较低能级时，发射呈x射线光子形式的过剩能量。这被称作“特征”辐射，因为光子能量是产生光子的化学元素的特征。

在图4所示的示例中，100keV的电子可以电离结合能为69.5keV的钨原子的K-壳层电子。如果空穴由来自结合能为10.2keV的L-壳层的电子填充，x射线光子具有等于这两个能级之间能量差的能量，或者K_a1＝59.3KeV。同样，从M-壳层到K-壳层的跃迁被表示为K_β1＝67.2keV。可能在各个能级发生分裂，导致能量微小变化，例如K_β1、Kβ₂、Kβ₃等。

因为这些离散发射线取决于靶材料的原子结构，这种发射通常被称作“特征线”，因为它们是特定材料的特征。在图4中示出的x射线发射谱的示例中的锐线988是钨的“特征线”。个别特征线可以相当明亮，并且在需要单色源的情况下可以利用适当滤波器或者晶体单色器而单色化。特征线与韧致辐射的相对x射线强度(通量)之比取决于具体元素和入射电子能量，并且可以显著不同。一般而言，当入射电子能量是内壳层电子的电离能量的3至5倍时，获得给定靶材料的最大比值。

返回图3，这些特征x射线388主要在电子穿透深度的一部分中产生，被示出为相互作用体积200的第二大阴影部分248。相对深度部分地受到电子111能量影响，电子111能量通常随着深度增加而减小。如果电子能量并不超过靶内电子的结合能，将完全不发射特征x射线。在具有所发射特征x射线光子的能量3到5倍的电子轰击下可产生最大特征线发射。由于这些特征x射线由于电子壳层之间的原子发射引起的，发射将通常是完全各向同性的。这种相互作用体积200的实际尺寸可以不同，取决于电子的能量和入射角度、表面形貌和其它特性(包括局部电荷密度)和靶材料的密度和原子组成。

对于某些应用，宽谱x射线可能是合适的。对于其它应用，对于所要求的敏感性或分辨率，可能希望或者甚至必需是单色源。一般而言，选择靶材料的组成以提供具有用于特定应用的理想特征的x射线谱，诸如在特定相关波长的强特征线或者在所需要带宽的韧致辐射。

控制一个源的x射线发射特性可以通过选择电子能量(通常通过改变加速电压来改变)、选择x射线靶材料以及由来自靶的x射线集合的几何形状来操控。

尽管x射线可以各向同性发射，如在图3中示出，将仅收集在源中在窗口440方向上小立体角内的x射线发射888，如图5所示。x射线亮度(有时也被称作“辉度”)被定义为单位x射线源面积(mm²)单位立体角(mrad²)每秒的x射线光子数(某些量度也可以在定义中包括0.1％的带宽窗口)，x射线亮度是一个源的重要品质因数，因为其与获得良好的信噪比用于下游应用有关。

能通过调整几何因素以使所收集的x射线最多来增加亮度。如图5所示，在一个反射x射线源中的靶100的表面大体上以角度θ安装(如也在图2中示出)并且由分布式电子束111轰击。对于三个靶角度(在图5A中θ＝60°；在图5B中θ＝45°，以及在图5C中θ＝30°)，五个等距间隔开的发射斑点408集合，示出了通过窗口440发射。对于高角度θ的一个源，对于窗口440居中的立体角，五个斑点更散开并且亮度减小，而对于低角θ，五个源斑点似乎更靠拢在一起，这样向相同立体角内发射更多x射线并且导致增加的亮度。

原理上，似乎以θ＝0°安装的源将使所有源看起来重叠，使发射的x射线累加，并且因此将具有最大可能的亮度。实际上，对于常规的源而言，发生平行于固体金属靶表面的0°发射，并且因为x射线在发射之前必须沿着靶材料一个长的长度传播，大部分生成的x射线将被靶材料衰减(再吸收)，减小了亮度。实际上，具有大约6°至15°出射角的源(取决于源构造、靶材料和电子能量)将常常提供最大实际亮度，集中该源的表观大小，同时减少靶材料内的再吸收，并且因此常用于商业x射线源中。

有效源面积是沿着收集x射线以供使用的方向(即，沿着x射线束的轴线)观测的投影面积。因为有限的电子穿透深度，大小与电子穿透深度相当或者更大的入射电子束的有效源面积取决于x射线束的轴线与靶表面之间的角度，被称作“出射角(take-off angle)”。当电子束大小远大于电子穿透深度时，有效源面积随着出射角减小而减小。这种效果用来增加x射线源亮度。然而，利用宽阔平坦的靶，对这种益处有所限制，这是由于当x射线传播到表面时从x射线生成点在靶内对x射线增加的吸收，这种吸收随着出射角减小而增加。通常，在大约6度的出射角，实现了由较低角度导致的改进亮度与由再吸收导致的减小亮度之间的折衷。

对于韧致辐射，增加x射线源的亮度的另一方式是使用具有更高原子序数Z的靶材料，因为韧致辐射生成x射线的效率与越来越高的原子数序材料成比例。而且，x射线发射材料将理想地具有良好的热特性，诸如高熔点和高热导率，以便允许更高的电子功率加载到源上从而增加x射线生成。由于这些原因，常常使用钨来制造靶，钨原子序数为Z＝74。表I列出了常用于x射线靶的几种材料、几种附加的可能靶材料(特别适用于相关特定特征线)和可以用作靶材料基板的某些材料。熔点、热导率和电导率是关于接近300°K(27℃)的值表示。大部分值引用自CRC化学物理手册(CRC Handbook of Chemistry and Physics)，第90版[CRC出版社，佛罗里达州博卡拉顿(Boca Raton，FL)2009]。其它值引用自网络上找到的各种来源。应当指出的是，对于某些材料诸如蓝宝石，当冷却到低于液氮温度的温度(77°K)时，热导率可能大出一个数量级[参看，例如，部分2.1.5，Thermal Properties，E.R.Dobrovinskaya等人，Sapphire：Material，Manufacturing，Applications，SpringerScience+Business Media，LLC(2009)]

表I 各种靶和基板材料和选定的特性

增加x射线源亮度的其它方式是：通过增加总电流或者使用例如电子光学器件将电子束聚焦为较小斑点来增加电子电流密度；或者通过增加加速电压而增加电子能量(其增加沉积于靶中的每单位电子能量的x射线产生并且也可能激发特征线中更多的发射)。

然而，这些改进将具有闲置，因为全都能增加在相互作用体积中产生的热量。使靶在真空中加剧了这个问题，因此不可能发生通过对流从表面进行空气冷却。如果在靶内产生太多热，靶材料可能经历相变，甚至可能经历熔化或蒸发。因为由电子束沉积在靶内的绝大部分能量变成热，热管理技术是构建更好x射线源的重要工具。

为解决这个问题而开发的一个现有技术是旋转阳极系统，在图6中示出。在图6A中，示出了旋转阳极x射线源580的截面图，旋转阳极x射线源580包括靶阳极500，靶阳极500通常以3300rpm至10000rpm之间旋转。靶阳极500由轴530连接到转子520，转子520由传导轴承524支承，传导轴承524通过其支架522连接到引线22和高压电源10的正端子。全都在真空腔室20内的转子520、轴530和阳极500的旋转通常由安装于真空外的定子绕组525感应地驱动。

在图6B中更详细地示出了靶阳极500的表面。旋转靶阳极500的边缘510有时以一定角度呈斜面，并且电子束511源处于适当位置以将电子束导向至靶阳极500的斜面边缘510上，从靶斑点501产生x射线888。随着靶斑点501产生x射线，靶斑点升温，但是随着靶阳极500旋转，热斑点从靶斑点501移走，并且电子束511现在辐照靶阳极500的更冷部分。热斑点利用一次旋转的时间来冷却，之后当其经过热斑点501时再次变热。通过持续地旋转靶阳极500，从固定单个斑点生成x射线，而电子束照射的靶的总面积显著大于电子束斑点，有效地将电子能量沉积扩展到较大面积(和体积)上。

用于减少热的另一方案是使用下面这样的靶：具有沉积到高导热基板上的靶x射线材料薄层。因为相互作用体积较薄，对于能量高达100keV的电子而言，靶材料本身厚度无需超过数微米，并且能沉积到能快速带走热量的基板上诸如金刚石、蓝宝石或石墨。然而，如在表I中所指出的那样，金刚石是很差的电导体，因此在金刚石基板上制造的任何阳极的设计仍将提供在阳极的靶材料与高电压正端子之间的电连接。[用于x射线源，安装于金刚石上的阳极例如描述于K.Upadhya等人，美国专利4,972,449；B.Spitsyn等人美国专利5,148,462；以及M.Fryda等人美国专利6,850,598中]。

基板也可以包括用于冷却剂如液体(如水或乙二醇)或者气体(如氢气或氦气)的通道，冷却剂除去基板上的热[参看，例如，Paul E.Larson，美国专利5,602,899]。水冷却阳极用于多种x射线源，包括旋转阳极x射线源。

基板继而可以安装到散热器上，散热器包括铜或者经选择其导热特性的某些其它材料。散热器还可包括用于冷却剂的通道，以将热量送走[参看，例如Edward J.Morton，美国专利8,094,784]。在某些情况下，已经采用热电冷却器或低温系统提供对安装于散热器上的x射线靶的进一步冷却，同样，所有这些目的都是实现更高x射线亮度，而不会因过度加热而熔化或损坏靶材料。

减少微焦点源热量的另一方案是使用液态金属射流所形成的靶。电子轰击导电液态镓(Z＝31)射流并且因为热镓随着射流从电子辐照体积流走，电流密度可能更高。[参看，例如，M.Otendal等人″A 9kev electron-impact liquid-gallium-jet x-ray source″，Rev.Sci.Instrum.，卷79,016102，(2008)]。

尽管在特定情形下是有效的，这些源仍有改进的空间。液态金属射流需要精心制作的管道系统和消耗品，在可使用的材料方面(和因此Z值和其相关联的谱)受到限制并且难以扩大到较大的输出功率。在涂布到金刚石基板上的均匀固体材料薄膜靶的情况下，在发生膜损坏之前，能耐受的热量仍然有限，即使是用于旋转阳极构造的情况下也如此。仅穿过膜底部发生热传导。在横向尺寸中，存在与块体材料中相同的传导问题。

因此需要一种x射线源，其可使用更高电子电流密度来实现更高的x射线亮度，但是仍足够小型化以适合于实验室或桌面环境，或者甚至用于便携式装置中。这些更亮的源将能允许提供更佳信噪比的x射线工具，用于成像和其它科学和诊断应用中。

发明内容

本公开提出了新颖的x射线源，其具有亮度高于现有商业x射线技术几个数量级的潜力。部分是由于使用x射线靶(通过电子束轰击产生x射线)的新颖构造实现了更高的亮度。x射线靶构造可以包括由一种或多种所选x射线产生材料制成的多个微结构，这些微结构被制成与具有高热导率的基板成密切热接触(诸如嵌入于或埋入于基板中)，使得热更高效地从x射线产生材料抽出。这继而允许以更高的电子密度和/或更高能电子轰击x射线产生材料，从而导致更大的x射线亮度。

某些实施例的显著优点在于微结构的定向允许使用轴上收集角，允许来自若干微结构的x射线的累加对准以看起来起源于单个来源，并且可以用于以“零角”x射线发射对准。来自多个来源的x射线的线性累加导致更大的x射线亮度。

本发明的某些实施例附加地包括x射线光学元件，x射线光学元件收集从一个结构发射的x射线并且将x射线再聚焦成与来自第二结构的x射线重叠。这种x射线中继也能导致更大的x射线亮度。

本发明的某些实施例包括一个附加冷却系统用来排掉一个或多个阳极的热量。本发明的某些实施例附加地包括旋转一个或多个阳极以便进一步散热并且增加累加的x射线亮度，其中一个或多个阳极包括带微结构化图案的靶。

附图说明

图1示出了标准现有技术透射x射线源的示意截面图。

图2示出了标准现有技术反射x射线源的示意截面图。

图3示出了在现有技术x射线源中电子与材料表面相互作用的截面图。

图4示出了钨靶的典型发射谱。

图5A示出了现有技术靶的发射，靶处于60度倾斜角。

图5B示出了现有技术靶的发射，靶处于45度倾斜角。

图5C示出了现有技术靶的发射，靶处于30度倾斜角。

图6A示出了现有技术旋转阳极x射线源的示意截面图。

图6B示出了对于图6A的旋转阳极系统，阳极的顶视图。

图7示出了根据本发明的x射线系统实施例的示意截面图。

图8示出了可用于本发明的某些实施例的靶的透视图，靶包括在较大基板上的嵌入式矩形靶微结构网格。

图9示出了可用于本发明的某些实施例的靶的变型的透视图，靶包括在较大基板上的嵌入式矩形靶微结构网格，用于聚焦电子束。

图10示出了可用于本发明的某些实施例的靶的变型的透视图，靶包括在截断基板上的嵌入式靶微结构网格。

图11示出了可用于本发明的某些实施例的靶的变型的透视图，靶包括在具有凹陷搁架的基板上的嵌入式矩形靶微结构网格。

图12示出了电子进入可用于本发明的某些实施例的靶的截面图，靶包括在较大基板上的靶微结构。

图13示出了由图12的靶发射的x射线中的某些的截面图。

图14示出了可用于本发明的某些实施例的靶的透视图，靶包括布置于带凹陷区域的基板上的单个矩形微结构。

图15示出了可用于本发明的某些实施例的靶的透视图，靶包括在带凹陷区域的基板上排列成直线的多个矩形微结构。

图16A示出了可用于本发明的某些实施例的靶的透视图，靶包括嵌入式矩形靶微结构网格。

图16B示出了图16A的靶的顶视图。

图16C示出了图16A和图16B的靶的侧视图/截面图。

图17示出了图16的靶的截面图，示出了在电子束暴露下导热基板的传热。

图18A示出了可用于本发明的某些实施例的靶的透视图，靶包括嵌入式靶微结构的棋盘构造。

图18B示出了图18A的靶的顶视图。

图18C示出了图18A和图18B的靶的侧视图/截面图。

图19A示出了可用于本发明的某些实施例的靶的透视图，其包括在分层基板上的嵌入式矩形靶微结构网格。

图19B示出了图19A的靶的顶视图。

图19C示出了图19A和图19B的靶的侧视图/截面图。

图20示出了在电子轰击下辐射x射线的图19的靶的截面图。

图21示出了可用于本发明的某些实施例、排列成线性阵列的x射线发射器集合。

图22示出了对于具有能量范围在1keV到400keV的x射线，几种材料的1/e衰减长度。

图23A示出了可用于本发明的某些实施例、暴露给垂直入射电子束的x射线发射器的线性阵列。

图23B示出了可用于本发明的某些实施例、暴露给以角度θ入射的电子束的x射线发射器的线性阵列。

图23C示出了可用于本发明的某些实施例、暴露给聚焦电子束的x射线发射器的线性阵列。

图23D示出了可用于本发明的某些实施例、暴露给从多个方向以角度θ入射的电子束的x射线发射器的线性阵列。

图23E示出了可用于本发明的某些实施例、暴露给具有各种电子密度的电子束的x射线发射器的线性阵列。

图23F示出了可用于本发明的某些实施例、暴露给均匀电子束的x射线发射器的线性阵列。

图24示出了根据本发明的x射线系统实施例的示意截面图，该系统包括多个电子发射器。

图25示出了可用于本发明的某些实施例、暴露给具有不同电子密度的电子束的非均一x射线发射器的集合。

图26A示出了在一个x射线能量范围上，钨的衰减长度和CSDA(电子的连续慢化近似)的图。

图26B示出了在一个x射线能量范围，钨的衰减长度和CSDA的比值的图。

图27示出了在一个x射线能量范围上，几种材料的衰减长度和CSDA的比值的图。

图28A示出了可用于本发明的某些实施例、排列成线性阵列的x-射线发射器集合，该x射线发射器处于时间步长t＝0的时分多路复用电子束暴露中。

图28B示出了在下一时间步长t＝1处图28A的x射线发射器的集合。

图28C示出了x射线发射器的集合；图28A在t＝0，图28B在下一步t＝1；以及图28C在下一时间步长t＝2。

图29A示出了来自可用于本发明某些实施例、排列成线性阵列的x射线发射器集合的x射线离轴发射。

图29B示出了来自可用于本发明某些实施例、排列成较宽间隔线性阵列的x射线发射器集合的x射线离轴发射。

图30示出了根据本发明的x射线系统实施例的示意截面图，该系统包括多个电子发射器和冷却系统。

图31示出了图30的x射线系统的靶的截面图。

图32示出了根据本发明的x射线系统实施例的示意截面图，该系统包括一个双面靶。

图33示出了图32的x射线系统的靶的截面图。

图34示出了根据本发明的一实施例的x射线系统的示意截面图，该系统包括轰击旋转阳极的相对侧的多个电子发射器。

图35示出了用于根据本发明的系统中，对准以用于线性累加的多个靶的截面图。

图36示出了用于根据本发明的系统中，对准以用于线性累加的多个靶的截面图，靶包括x射线产生材料的微结构。

图37A示出了可以用于在本发明的某些实施例中、使用分布式电子束的靶的侧视图，靶包括正被轰击的x射线涂层。

图37B示出了图37A的靶和分布式电子束的透视图。

图37C示出了图37A的靶和分布式电子束的正视图。

图38A示出了可以用于在本发明的某些实施例中、使用分布式电子束的靶的侧视图，靶包括正被轰击的微结构。

图38B示出了图38A的靶和分布式电子束的透视图。

图38C示出了图38A的靶和分布式电子束的正视图。

图39示出了可用于根据本发明的系统中的多个靶的截面图，多个靶包括x射线产生材料的微结构，其中使用反射光学器件来收集并且聚焦x射线。

图40示出了可用于根据本发明的系统中的多个靶的截面图，多个靶包括各种定向的x射线产生材料的微结构，其中使用反射光学器件来收集并且聚焦x射线。图41示出了包括x射线产生材料的微结构的多个靶的截面图，其中使用额外窗口和检测器来监视在相反透射方向上的x射线。

图42示出了可用于根据本发明的系统中的多个靶的截面图，多个靶包括x射线产生材料的微结构，其中使用Wolter(沃尔特)光学器件来收集并且聚焦x射线。

图43A示出了用于x射线的Wolter光学器件的现有技术实施例。

图43B示出了具有多个柱面光学元件的Wolter光学器件的现有技术实施例。

图44示出了可用于根据本发明的系统中的多个靶的截面图，多个靶包括x射线产生材料的微结构，其中使用毛细管光学器件来收集并且聚焦x射线。

具体实施方式

1.本发明的基本实施例

图7示出了根据本发明的反射性x射线系统80-A的实施例。如在上文所描述的现有技术反射性x射线系统80中，该源包括真空环境(通常为10^-6托或更佳)，该真空环境通常由密封真空腔室20或者有源抽吸来维持，并且被制成具有密封电引线21和22，密封电引线21和22从管外的高压电源10的负端子和正端子传递到真空腔室20内的各个元件。该源80-A通常会包括支架30，支架30将真空腔室20固定在外壳50中，并且外壳50可以附加地包括屏蔽材料，诸如铅，以防止x射线由源80-A在不希望的方向上辐射。

如之前，在腔室20内，通过引线21连接到高压电源10的发射器11用作阴极并且通常使电流流过细丝而产生电子束111。用于产生电子束的许多现有技术可以用于本文所公开的本发明的实施例。用于产生电子束的另外的已知技术包括加热用于热电子发射、肖特基发射(加热和场致发射的组合)、包括诸如碳纳米管的纳米结构的发射器，或者通过使用铁电材料。[关于用于产生电子束的电子发射选择的更多信息，参看Shigehiko Yamamoto，″Fundamental physics of vacuum electron sources″，Reports on Progress inPhysics第69卷，第181-232页(2006)；Alireza Nojeh，″Carbon Nanotube ElectronSources：From Electron Beams to Energy Conversion and Optophononics″，ISRNNanomaterials第2014卷，Art.ID 879827，23页(2014)；和H.Riege，″Electron Emissionfrom Ferroelectrics-A Review″，CERN Report CERN AT/93-18，Geneva Switzerland，1993年7月。]

如之前，包括靶基板1000和x射线产生材料区域700的靶1100电连接到对面的高电压引线22和靶支承件32以处于低电压，因此用作阳极。电子111朝向靶1100加速并且以高能量与靶1100碰撞，其中由加速电压的幅值来确定电子的能量。电子111到靶1100内的碰撞引起若干效果，包括发射x射线，x射线中的某些离开真空管20并且通过对x射线透明的窗口40透射。

然而，在本发明的某些实施例中，也可以设有电子控制机构70诸如静电透镜系统或其它电子光学系统，其通过引线27受到控制器10-1控制并且与发射器11所提供的电子剂量和电压协调。因此，电子束111可被扫描、聚焦、散焦或以其它方式导向到靶1100，靶1100包括一个或多个微结构700，微结构700被制成与基板1000成密切热接触。

如图7所示，微结构700的对准可以被布置成使得通过一个或多个电子束111轰击微结构700中的若干微结构700将在正交于靶表面法线的方向上激发发射，从而将添加或累加在观测方向上的强度。该方向也可以由用于该系统的屏蔽件84中的孔口840来选择以形成定向束888，定向束888通过窗口40离开系统。在某些实施例中，孔口840可以定位于真空腔室外，或者更通常地，窗口40本身可以充当孔口。在某些实施例中，孔口可以在真空腔室内。

诸如用于根据本文所公开的发明的x射线源中的那些靶详细地描述于名称为“STRUCTURED TARGETS FOR X-RAY GENERATION”的共同待决的美国专利申请(在2014年8月21日提交的美国专利申请14/465,816)中，该专利申请以全文引用的方式并入到本文中并且作为附录包括在本文中。在上文引用的共同待决申请中所公开的靶设计和构造中的任一个可以被认为用作本文所公开的任何或所有x射线源中的部件。

图8示出了可用于本发明的某些实施例的靶。在此图中，基板1000具有区域1001，区域1001包括微结构700的阵列，微结构700包括x射线产生材料(通常为金属材料)，微结构被布置成直四棱柱的有规律排列。在真空中，电子11从上方轰击靶并且在微结构700中产生热和x射线。选择在基板1000中的材料使得与x射线产生微结构材料相比其具有相对较低的电子能量沉积率(通常通过选择低z材料用于基板)并且因此将不产生大量热和x射线。也可以选择基板1000材料以具有高热导率，通常大于100W/(m℃)，并且微结构通常嵌入于基板内，即如果微结构被成形为四棱柱，优选地，六个侧面中的至少五个侧面与基板1000成密切热接触，使得在微结构700中产生的热有效地传到基板1000内。然而，在其它实施例中使用的靶可以具有更少的直接接触表面。一般而言，当在本公开中使用术语“嵌入”时，微结构的表面积的至少一半将与基板成密切热接触。

可以插入根据本发明的靶1100来替换图1所示的用于透射x射线源08的靶01或者在图2的反射x射线源80中示出的靶100，或者适合用作在图6的旋转阳极x射线源580中使用的靶500。

在这里应当指出的是当在本文中使用词语“微结构”时，其特别地指包括x射线产生材料的微结构。其它结构，诸如用于形成x射线微结构的腔，具有相同数量级的尺寸并且也可以被认为是“微结构”。然而，如本文所用的其它词语诸如“结构”、“腔”、“孔”、“孔口”等可以用于下面这样的结构：它们形成于诸如基板的材料中，这种材料不是根据其x射线产生特性选择的材料。词语“微结构”将被保留用于下面这些结构：这些结构包括根据其x射线产生特性而选择的材料。

同样，应当指出的是，尽管使用词语“微结构”，尺寸小于1微米或者甚至小至纳米级尺寸(即，大于10nm)的x射线产生结构也可以由本文所用的词语“微结构”来描述。

图9示出了可用于本发明的某些实施例的另一靶，其中，电子束111-F由静电透镜导向以形成更集中的聚焦斑点。对于这种情形，靶1100-F将仍包括区域1001-F，区域1001-F包括微结构700-F的阵列，微结构700-F包括x射线材料，但是这个区域1001-F的大小和尺寸可以匹配其中将发生电子暴露的区域。在这些靶中，可以控制对源几何形状和x射线产生材料的“调节”使得那些设计通常限制向微结构化区域1001-F产生的热量，同时也减轻设计和制造复杂性。当与聚焦形成微斑点的电子束一起使用或者采用形成更复杂电子暴露模式的更精细系统时，这可能是特别适用的。

图10示出了可用于本发明的某些实施例的另一靶，其中靶1100-E仍具有带微结构700-E阵列的区域1001-E，微结构700E包括当向电子111暴露时发射x射线的x射线材料，但是区域1001-E定位成与基板1000-E边缘齐平或者靠近。这种构造可适用于这样的靶：其中基板包括吸收x射线的一种材料，并且因此以接近零角度的发射将在一构造中被显著衰减，如在图8中所示。

然而，与图8相比，图10的靶的缺点在于在微结构700-E一侧上的基板的大部分没有了。因此热并未对称地从微结构带走，并且局部加热可能增加，不利于热流动。

为了解决这个问题，可用于本发明的某些实施例的某些靶可以使用与图11所示的构造类似的构造。此处，靶1100-R包括具有凹陷搁架1002-R的基板1000-R。这允许区域1001-R包括微结构700-R阵列，微结构700-R阵列被定位成与基板的凹陷边缘1003-R齐平或靠近，并且以零度角或接近零度角发射x射线，而不会被基板1000-R再吸收，仍提供更对称的散热器用于向电子111暴露时所产生的热。

图12示出了在电子束111与靶之间的相对相互作用，靶包括基板1000和x射线材料的微结构700。如图所示，仅示出了三个电子路径，其中电子中的两个代表轰击两个图示的微结构700，并且一个与基板相互作用。

如在上面的方程式1中所讨论，可以根据Pott定律来估计穿透深度。使用这个公司，表II示出了对某些常用的x射线靶材料估计的穿透深度中的某一些。

表II：60keV电子到某些材料内的穿透深度估计

材料	Z	密度(g/cm<sup>3</sup>)	穿透深度
				金刚石	6	3.5	13.28
				铜	29	8.96	5.19
钼	42	10.28	4.52
				钨	74	19.25	2.41

对于图12中视图，如果使用60keV电子，并且将金刚石(Z＝6)选作基板1000的材料并且将铜(Z＝29)选作微结构700的x射线产生材料，在图12左侧标记为R的尺寸对应于10微米的参考尺寸，并且x射线产生材料的深度D(当设置为铜的电子穿透深度的2/3(66％)时)变成D≈3.5μm。

在深度D内产生大部分特征Cu K x射线。在该深度下方的电子相互作用通常产生很少特征k线x射线，但是将造成发热，因此导致沿着深度方向的低热梯度。因此在某些实施例中优选地设置靶中微结构的最大厚度以便限制在材料中的电子相互作用并且优化局部热梯度。本发明的一实施例将靶中的微结构化x射线产生材料的深度限制到在入射电子能量处电子穿透深度的三分之一与三分之二之间。在此情况下，基板较低的质量密度导致在紧邻x射线产生材料下方的基板材料中较低的能量沉积速率，而这种较低的能量沉积速率导致在下面的基板材料中的较低温度。这导致在x射线产生材料与基板之间更高的热梯度，增进了传热。热梯度进一步被基板材料的高热导率增高。

由于类似原因，选择深度D小于电子穿透深度也通常优选地用于高效产生韧致辐射，因为在该深度下方的电子具有更低能量和因此更低x射线生成效率。

注释：也可以使用x射线产生材料尺寸的其它选择。在可用于本发明的某些实施例的靶中，x射线材料的深度可以选择为电子穿透深度的50％。在其它实施例中，x射线材料的深度可以选择为电子穿透深度的33％。在其它实施例中，微结构的深度D的选择可能与材料中电子的“连续慢化近似”(CSDA)范围有关。根据所需要的x射线谱和选定x射线材料的特性，可以规定其它深度。

注释：在可用于本发明的某些实施例的靶中，也可以规定在x射线产生材料的深度与横向尺寸(诸如宽度W和长度L)之间的特定比值。例如，如果深度被选定为特定尺寸D，那么横向尺寸W和/或L可以选择为不大于5×D，得到最大比值5。在可用于本发明的实施例中的其它靶中，横向尺寸W和/或L可以选择为不大于2×D。还应当指出的是深度D和横向尺寸W和L(对于x射线产生微结构的宽度和长度而言)可以相对于电子传播轴线限定，或者相对于x射线产生材料表面的方向限定。对于垂直入射电子，这些将为相同尺寸。对于以一定角度入射的电子，必须谨慎以确保使用适当投影。

图13示出了自图12所示的各个区域的相关x射线产生。X射线888包括从区域248发射的特征x射线，其中它们在x射线产生材料中产生，而区域1280和1080生成基板元素的特征x射线(但并非x射线产生区域248中的x射线产生材料的元素的特征x射线)，在区域1280和1080中，电子与基板相互作用。此外，从x射线产生材料的区域248发射的韧致辐射x射线通常比在区域1280和1080中更强，在区域1280和1080中，电子仅遇到低Z基板，这发射出弱连续谱x射线1088和1228。

应当指出的是尽管图13的视图示出了仅向右边发射的x射线，这是预计窗口或收集器放置到右边，当这个靶用于图5中所讨论的低角度高亮度构造时。X射线实际上通常从这些区域在所有方向上发射。

还应当指出的是材料对于其自己的特征x射线相对透明，因此图13示出了一种布置，其允许特征x射线沿着微结构线性累加并且因此能产生相对强特征x射线信号。然而，许多较低能量x射线将被靶材料衰减，靶材料将有效地充当x射线过滤器。如果需要非特征连续谱x射线，诸如在需要低能量x射线带通(例如，用于低Z材料的成像或荧光分析)的应用中，可以选择其它材料和几何参数(例如非线性方案)。

到目前为止，展示了被布置为平面构造的靶。其通常更易于实施，因为从使用平面金刚石的微机电系统(MEMS)应用的加工装置和从半导体工业的加工硅晶片熟知用于沉积、蚀刻和其它平面加工步骤的设备和过程配方。

然而，在某些实施例中，可能需要具有附加三维(3-D)特性的表面的靶。如先前所讨论的那样，当电子束大于电子穿透深度时，当平行于表面，即以零度(0°)出射角观测时，表观x射线源大小和面积最小(并且亮度最大)。因此，当以0°出射角观测时，出现表观最亮x射线发射。来自x射线产生材料内部的发射将累加，因为发射以0°穿过材料传播。

然而，利用基本上均一材料的延伸靶，在x射线穿过材料传播到表面时，在靶内其原点之间的x射线的衰减随着出射角减小而增加，这归因于在材料内行进的较长距离，并且常常在0°出射角或接近0°出射角时变得最大。因此，再吸收可能因此抵消在接近0°观测实现的任何增加的亮度。x射线束的强度减小1/e所经过的距离被称作x射线衰减长度，因此，可能需要这样的一个构造：其中所发射的x射线经过尽可能少的附加材料，所选择的距离与x射线衰减长度有关。

在图14中展示了可用于本发明的某些实施例的靶的视图。在图14中，包括单个微结构2700的x射线产生区域被构造在搁架2002上基板凹陷边缘2003处或附近，类似于图11所示的情形。X射线产生微结构2700呈x射线产生材料的矩形条的形状，嵌入于基板2000中并且当被电子111轰击时发射x射线2888。

为了最佳热性能，该条的厚度D(沿着靶的表面法线)选择为入射电子能量对该x射线产生材料的电子穿透深度的三分之一与三分之二之间。其也可以选择为在竖直方向上获得所需要的x射线源大小。条的宽度W被选择为在相对应方向上获得所需要的源大小。如图所示，W≈1.5D，但是可以显著更小或更大，这取决于所需要的源斑点大小。

如图所示的条的长度L是L≈4D，但是可以是任何尺寸，并且通常可以确定为选定x射线产生材料的x射线衰减长度的1/4至3倍之间。如图所示，在搁架的边缘与x射线产生材料之间的距离p是p≈W，但是可以被选择为任何值，从与边缘2003齐平(p＝0)到多达1mm，这取决于基板材料的x射线再吸收特性、相对热特性和当被电子轰击时预期将产生的热量。

在图15中展示了可用于本发明的某些实施例的替代靶的视图。在这种靶中，具有六个微结构2701、2702、2703、2704、2705、2706的x射线产生区域被构造成在或靠近搁架2002上基板凹陷边缘2003，类似于图11和图14所示的情形。x射线产生微结构2701、2702、2703、2704、2705、2706排列为嵌入于基板2000中x射线产生直四棱柱的线性阵列并且当被电子111轰击时发射x射线2888-D。

在这种可用于本发明的某些实施例的靶中，x射线产生材料的总体积与图14的先前视图相同。为了最佳热性能，条的厚度D(沿着靶的表面法线)选择为入射电子能量对x射线产生材料的电子穿透深度的三分之一与三分之二之间，如在图14中所示的情况中那样。条的宽度W选择为获得在相对应方向上所需要的源大小并且如图所示，W≈1.5D，如在图14中所示的情况中那样。如先前所讨论，其也可显著更小或更大，这取决于所需要的源斑点大小。

然而如图14所示的长度L的单个条2700被6个子条2701、2702、2703、2704、2705、2706替换，其中每个子条具有长度1＝L/6。尽管(当用相同电子密度轰击时)x射线产生体积会相同，每个子条现具有五个面向基板内传热，增加了从x射线产生子条2701-2706向基板内的传热。如图所示，在子条之间的分隔距离为d≈1，但也可以使用更大或更小的尺寸，取决于由基板吸收的x射线量和在x射线产生微结构2701-2706的具体材料与基板2000之间可实现的相对热梯度。

同样，如图所示，在搁架边缘与x射线产生材料的边缘之间的距离p为p≈W，但是可以选择为任何值，从与边缘2003齐平(p＝0)到多达1mm，取决于基板材料的x射线再吸收特性、相对热特性和当用电子轰击时预期将产生的热量。

对于如图15所示的构造，x射线产生子条的总长度将通常为x射线在x射线产生材料中的线性衰减长度的大约二倍，但是可以选择为该距离的一半至超过3倍。同样，为了最佳热性能，该条的厚度(沿着靶的表面法线)D选择为等于入射电子能量对x射线产生材料的电子穿透深度的三分之一至三分之二，但也可以相当大。其也可以选择为获得在该方向上近似相等的所需要的x射线源大小。

如图所示，条可以嵌入于基板(如图所示)中，但是如果在x射线产生材料中的热负荷不太大，它们也可以放置于基板顶部上。

图16示出了可用于本发明的某些实施例中的靶的区域1001，其包括排列成有规律的阵列、呈直四棱柱形式的微结构700的阵列，微结构700包括x射线产生材料。图16A展示了用于这种靶的十六个微结构700的透视图，而图16B示出了相同区域的俯视图，并且图16C表示相同区域的侧视/截面图。(对于本公开中术语“侧视/截面图”，该视图表示就像做出该物体的截面，然后从侧面朝向截面表面查看的视图。其示出了截面点的细节以及可能从侧面看到的内侧更深的材料，假定基板本身是透明的[在金刚石的情况下，对于可见光而言，这点通常是成立的]。)

在这些靶中，微结构被制成它们在六个侧面中的五个侧面与基板密切热接触。如图所示，微结构700的顶部与基板表面齐平，但可以制造微结构凹陷于其中的其它靶，也可以制造其中微结构相对于基板表面呈现形貌“凸块”的其它靶。

可用于本发明的某些实施例的替代靶可以具有简单地沉积到基板表面上的若干直四棱柱微结构。在此情况下，仅棱柱的基底将与基板成热接触。对于包括嵌入于基板中的微结构的结构，其中侧视/截面图如图16C所示，具有深度D和在基板平面中的横向尺寸W和L，则嵌入式微结构相比于沉积的微结构与基板接触的总表面积的比值如下：

在相对于W和L，D的值较小的情况下，该比值基本上为1。对于更大的厚度，该比值变得更大，并且就立方体(D＝W＝L)而言，其中5个相同侧面成热接触，该比值是5。如果使用在质量密度和热导率方面与基板有类似特性的材料的顶盖层，该比值可以增加到6。

在图17中以代表性箭头示出了传热，其中，在嵌入于基板1000中的微结构700中产生的热通过底部和侧面从微结构700传导出来(并未示出通过附图平面之外的侧面传热的箭头)。通过面积A和厚度d的材料传导的单位时间的传热量(ΔQ)由下式给出：

其中k是热导率(W/(m℃))并且ΔT是在0℃在厚度d两端的温差。因此，表面积A增加，厚度d减小和ΔT增加都将导致传热成比例增加。

图18示出了根据本发明实施例的靶的区域1013，其包括呈直四棱柱形式的微结构700和701的棋盘阵列，微结构700和701包括x射线产生材料。如图所示的阵列被排列成嵌入于基板表面中的阵列。图18A展示了二十五个嵌入式微结构700和701的透视图，而图18B示出了相同区域的俯视图，并且图18C展示了相同区域的侧视/截面图，其中以虚线示出了凹陷区域。

在图19中展示了可用于本发明的某些实施例的另一靶的视图，该图示出了根据本发明实施例的靶的区域2001，其具有微结构2790和2791的阵列，微结构2790和2791包括x射线产生材料，具有厚度D。如图所示的该阵列是直四棱柱的修改的棋盘图案，但是也可以使用微结构的其它构造和阵列。

如在其它实施例中所用的靶中，这些微结构2790和2791嵌入于基板表面中。然而，基板表面包括预定非平面形貌，并且在此特定情况下，包括沿着基板2000的平面法线的多个梯级。如图所示，每个梯级的高度为h≈D，但是梯级高度可以选择为微结构厚度的1倍与3倍之间。所有梯级的总高度可以选择为等于或小于沿着竖直(厚度)方向的所需要的x射线源大小。

微结构化区域的总宽度可以等于在相对应方向上所需要的x射线源大小。总体外观类似于x射线源楼梯。图19A展示了十八个嵌入式微结构2790和2791的透视图，而图19B示出了相同区域的俯视图，并且图19C展示了相同区域的侧视/截面图。当基板是铍、金刚石、蓝宝石、硅或碳化硅时，导电层可以涂布于楼梯结构顶部上。

图20示出了当由电子111轰击时图19C的楼梯靶的x射线发射2888-S。如用于其它实施例中的靶，当电子与x射线产生材料棱柱碰撞时，x射线产生材料棱柱升温，并且因为x射线产生材料棱柱中每一个具有与基板2000成热接触的五个侧面，从x射线材料带走的热量仍大于其中x射线材料沉积到表面上的配置。仍然，朝向一侧，发射没有被其它相邻棱柱吸收衰减以及被相邻基板材料极小衰减的X射线。

因此来自每个棱柱的x射线亮度将增加，特别是当与来自图18的靶的x射线发射相比时。图18的靶也示出了排列成棋盘图案的x射线产生材料的多个棱柱700和701。在图18的构造中，每个棱柱嵌入于基板中，因此具有与基板1000成热接触的五个表面，但以0度向该侧面的发射将既由相邻列的棱柱也由基板材料衰减。

这种包括带特定形貌的靶的实施例也可以通过以下步骤来制成：首先制备具有特定形貌的基板，并且然后嵌入x射线材料棱柱，之后是先前所描述的平面基板的制造过程。或者，初始步骤形成腔，腔将被填充x射线材料，可以改进这种初始步骤以在初始平坦的基板中形成楼梯形貌结构。在任一情况下，如果需要向嵌入的棱柱叠加特定形貌特点，可以采用额外的对准步骤，诸如在平面加工领域中技术人员熟知的那些步骤。

微结构可以嵌入成离楼梯边缘某些距离，如图19和图20所示，或者与边缘齐平(如在图10中所示)。可以依据x射线产生材料和基板材料的确切特性确定适合于具体应用的构造，这样例如，可以比较相比于(四个表面传热，通过五个表面传热得到的增加的电子电流所实现的额外亮度与相比于通过一段基板材料的再吸收，以自由空间发射实现的额外亮度。与可实现的亮度增加相比，可能需要考虑与对准和叠加步骤以及将多个棱柱图案化到多个层上可能需要的多个加工步骤相关联的附加成本。

在上文所引用的美国专利申请序列号No.14/465,816中描述了可用于本发明的实施例中的其它靶构造，这些靶构造是包括多种x射线产生材料的微结构、包括x射线产生材料合金的微结构、与抗扩散层或粘附层一起沉积的微结构、具有导热外涂层、具有导热和导电外涂层的微结构、埋入于基板内的微结构等。

在上文所引用的美国专利申请序列号No.14/465,816中描述了可用于本发明的实施例中的其它靶，这些靶是微结构阵列，微结构可包括任何数目的常规x射线靶材料(诸如铜(Cu)和钼(Mo)和钨(W))，这些材料被图案化为导热基板诸如金刚石或蓝宝石上(或嵌入于基板中)的微米级尺寸特征。在某些实施例中，微结构或者可包括非常规的x射线靶材料，诸如锡(Sn)、硫(S)、钛(Ti)、锑(Sb)等，由于这些材料较差的热特性，到目前为止，这些材料的使用较为有限。

在上文所引用的美国专利申请序列号No.14/465,816中描述了可用于本发明的实施例中的其它靶，这些靶是呈现多种几何形状的微结构阵列，这些几何形状为诸如立方体、矩形块、正棱柱、直四棱柱、梯形棱柱、球形、卵形体、桶形物体、圆柱、三棱柱、锥体、四面体或其它特别地设计的形状，包括具有表面纹理或增强表面积的结构的那些形状，以最佳地产生高亮度的x射线并且也高效地散热。

在上文所引用的美国专利申请序列号No.14/465,816中描述了可用于本发明的实施例中的其它靶构造，这些靶是包括诸如下列各种材料作为x射线产生材料的微结构阵列：铝、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、镓、锌、钇、锆、钼、铌、钌、铼、铑、钯、银、锡、铱、钽、钨、铟、铯、钡、金、铂、铅和它们的组合与合金。

到目前为止所描述的实施例包括多种x射线靶构造，x射线靶构造包括多个微结构，微结构包括可以在x射线源中用作靶的x射线材料以产生具有增加亮度的x射线。这些靶构造被描述为被电子轰击并且发射x射线，但是根据本发明的某些实施例，可以在原本常规的源中用作静态x射线靶，用微结构化靶来替换图1的透射x射线源08的靶01或者图2的反射性x射线源80的靶100以形成x射线源。

根据本发明的其它实施例，还可以这样：上文所描述的靶可以实施于移动x射线靶中，用如上文所描述的微结构化靶来替换图6的旋转阳极x射线源80的靶500以形成具有移动微结构化靶的源。

2.线性累加x射线源的一般考虑。

图21示出了排列成线性阵列的x射线发射器的集合。线性阵列的长轴线在附图中从左向右展开，而短轴线将进出附图平面展开。包括一种或多种x射线产生材料的若干x射线产生元件801、802、803、804……等由束电子1111、1112、1113、1114……等以高电压(从1到250keV的任何值)轰击并且形成发射x射线818、828、838、848……等的子源。尽管x射线倾向于各向同性发射，此处的分析针对于沿着轴线，顺着子源线性阵列中心的视角，具有孔口840的屏蔽件84定位于子源线性阵列的中心。

应当指出的是，如图21所示，孔口允许累加的零角x射线从该源出来，但实际上，允许相对于表面法线以±3°或甚至±6°发射的数度发射x射线的孔口可以被设计成用于某些应用中。通常优选地，窗口相对于线性阵列的长轴线垂直或近似垂直入射，但在某些实施例中，倾斜多达85°角的窗口也可能适用。

假定第i发射器80i沿着轴线向图21中的右边发射x射线8i8，如图所示最右边发射器的发射仅通过自由空间向右传播。然而，来自其它发射器的x射线在经过在发射器之间的任何材料时由于吸收、散射或遭遇其它损耗机制而衰减，并且也由于从传播轴线发散和经过相邻发射器遇到的损耗而衰减。

如果定义：

I_i为第i发射器80i的发射强度8i8；

T_1，0为向第1发射器801右边传播的x射线透射因数；

Ti，i-1为从第i发射器80i向第i-1发射器80(i-1)传播的x射线透射因数；以及

T_i为经过第i发射器80i传播的x射线透射因数(其中T₀＝1)；

向N个发射器阵列右边的轴上x射线的总强度可以表达为：

得出：

对于其中所有发射器发射近似相同强度x射线的源设计：

I_i≈aI₀[方程式6]

(如果该阵列的x射线发射元件大小和形状相似，并且它们被具有相似能量和密度的电子轰击，可以实现这个条件)，总发射强度变成：

而且，如果发射器排列成有规律的阵列，其中在元件之间，具有实质上相同的透射值：

T_a，a-1＝T_2.1，a＞1，[方程式8]

并且如果x射线发射元件的大小和形状充分相似使得通过任何给定元件的透射率也将相同：

T_a＝T₁，a＞0，[方程式9]

那么总发射强度变成：

应当指出的是T_i和T_i，i-1表示由于损耗造成的透射率减小，并且因此总是具有在0与1之间的值。如果N较大，在右边的总和可能由几何级数近似。

得出近似强度：

此方程式表示使透射因数T₁和T_2，1的乘积尽可能接近1将增加I_to1。

应当指出的是，此方程式也可以用来估计多少发射元件能排列成一行，超过这个数字，损耗和衰减将使得添加另一x射线发射元件没有效果。例如，如果发射元件的宽度是x射线的1/e衰减长度，那么经过该元件透射率将给出：T₁＝1/e＝0.3679。假定在元件之间的透射率为T_i，i-1＝T_2，1＝0.98，这得到：

这表示宽度等于1/e长度的大量元件仅能改进强度达到原来的1.564倍，意味着更大的数量将不会比2个元件产生更多轴上效果。

对于更窄的元件，x射线衰减为例如T₁＝0.80，

意味着至多大约5个这样的元件可以排列成行以产生与具有大量x射线产生元件的源一样亮的源。

应当指出的是对于不同能量的x射线，x射线衰减可能不同，并且对于给定材料，在一定波长范围，T₁和T_2，1的乘积可以显著不同。

图22示出了对于三种x射线产生材料，钼(Mo)、铜(Cu)、钨(W)具有1keV至400keV能量范围的x射线的1/e衰减长度；和对于三种基板材料，石墨(C)、铍(Be)和水(H₂O)，具有能量范围10keV至400keV的x射线的1/e衰减长度。[此处展示的数据原始由B.L.Henke、E.M.Gullikson和J.C.Davis公开于″X-ray interactions：photoabsorption，scattering，transmission，and reflection at E＝50-30000eV，Z＝1-92″，Atomic Data and NuclearData Tables第54卷(no.2)，第181-342页，1993年7月)并且也可以访问

＜http：//henke.lbl.gov/optical_constants/atten2.html＞。其它x射线吸收表可从以下地址得到

＜http：//physics.nist.gov/PhysRefData/XrayMassCoef/chap2.html＞.]]。

对于长度L，一种材料的1/e衰减长度L_1/e通过下式与上述透射因数相关：

因此，L_1/e越大意味着T_i越大。

作为一示例，使用图22中的值，使用60keV x射线，对于钨，L_1/e≈200μm，得到20μm宽x射线产生元件的透射率

而对于铍基板而言，L_1/e≈50000μm，得到嵌入于铍中的100μm宽钨x射线产生元件的透射率为：

因此，对于嵌入于铍基板中并且以100μm间隔开的20μm宽的钨元件的周期性阵列，轴上强度的最佳情况估计为：

这表示与单个钨x射线发射元件相比，x射线强度增加一个数量级。

3.X射线源控制

存在若干变量，可以利用这些变量来“调节”或调整一个一般线性累加源以改进x射线输出。本发明的实施例可以允许控制和调整这些变量中的某些、全部或者并不控制和调整这些变量中的任何变量。

3.1.电子束变型

首先，在某些实施中，轰击x射线产生元件801、802、803……等的一个或多个电子束111或1111、1112、1113等可以使用一个或多个电子控制机构70诸如电子光学器件、静电透镜或磁聚焦元件来成形和定向。通常，静电透镜放置于x射线源的真空环境内，而磁聚焦元件可以放置于真空外。各种其它电子成像技术，诸如在美国专利6,870,172，“Masklessreflection electron beam projection lithography”中描述，在现有技术REBL(反射电子束光刻系统)中公开的反射电子束控制系统也可以用来形成电子暴露的复杂图案。

电子可以以垂直入射轰击元件，如在图21中所示和再次在图23A中所示；电子束1121、1122、1123等以角度θ轰击，如图23B所示；电子束1131、1132、1133等以多个角度(诸如聚焦电子束)轰击，如图23C所示；电子束1141、1142、1143等从相对侧并且以角度θ轰击微结构700，如图23D所示；利用电子束1151、1152、1153等以变化的强度或电子密度轰击，如图23E所示；利用均一较大面积的电子束111轰击，如图23F所示；或者可以由本领域技术人员设计出的电子束的许多布置的任何组合。

电子暴露图案的实际设计可以部分地取决于x射线产生材料的材料特性和/或填充x射线产生元件之间区域的材料。如果x射线产生材料是高度吸收的，可以使用更高的电子密度来轰击发射x射线的区域，，x射线必须穿过其它x射线产生元件行进最大距离，如图23E所示。同样，如果电子穿透深度较深，可以用电子束以一定角度来轰击x射线产生材料，如图23B所示。如果电子穿透深度大于所需要的电子穿透深度，可以使用x射线产生材料的更薄区域，形成更小竖直尺寸的源。

在许多实施例中，可以调整电子暴露面积使得一个或多个电子束主要轰击x射线产生元件1001、1002、1003等并且不轰击在这些元件之间的区域。在许多实施例中，在x射线产生元件之间的空间可以不填充真空而是填充固体材料，固体材料便于传走x射线产生元件的热量。这种包括嵌入于或埋入于导热基板诸如金刚石中的多个x射线产生元件阵列的源靶公开于上文所讨论的共同待决的美国专利申请序列号No.14/465,816中，该专利申请以全文引用的方式并入到本文中。

如果在x射线产生元件之间的区域包括固体材料并且也被电子轰击，那么该固体材料也倾向于在电子暴露下升温，而这将会减小与x射线产生元件的热梯度，并且因此减小从x射线产生元件流出的热量。因为对电子能量和密度的限制常常部分地由在发生诸如熔化等热损坏之前x射线产生材料能吸收的能量来决定，通常优选增加离开x射线产生元件的热传递，并且这种热传递增加部分地通过减少非x射线生成区域对电子暴露来实现。应当指出的是从电子暴露产生的热倾向于随着原子序数Z增加而增加，并且因此可以优选地选择包括低Z材料诸如铍(Z＝4)或金刚石(Z＝6)的基板。

具有用来独立地轰击不同x射线产生元件的多个电子束的源也可以被构造成允许将不同加速电压用于不同电子束源。这种源80-B在图24中示出。在此视图中，先前高压电源10再次通过引线21-A连接到电子发射器11-A，电子发射器11-A朝向靶1100-B发射电子111-A。然而，也可以设置用于电压10-B和10-C的两个附加“升压器”，并且这些更高的电压电位通过引线21-B和21-C连接到附加电子发射器11-B和11-C，电子发射器11-B和11-C发射不同能量的电子111-B和111-C。尽管包括x射线产生元件801、802、803……等的靶1100-B通常均一地设置为接地电位，因此可以使用不同能量的电子来轰击不同x射线产生元件801、802、803。

这可以提供x射线发射管理的优点，因为不同能量的电子可以产生不同x射线发射谱，这取决于在各个x射线产生元件中所用的材料。也可以通过使用不同电子能量来管理所产生的热负荷。用于这种多束构造、避免不同的多个束彼此干扰并且避免向错误的靶元件提供错误能量电子的电子光学器件的设计可能是复杂的。

3.2.材料变型。

尽管将x射线产生元件作为相同的单元进行处理、并且居间区域也被认为相同是更简单的，在某些实施例中使这些参数有变化可能有利。

在某些实施例中，不同的x射线产生元件可以包括不同的x射线发射材料，使得轴上视图展示了来自不同材料的特征x射线的各种谱。对于x射线相对透明的材料可以用于最靠近输出窗口840(例如在图21中右边最远的元件)的位置，而更强吸收的那些可以用于该阵列另一侧上的元件，使得它们更少地衰减其它源。

在某些实施例中，在x射线产生元件之间的距离可变，取决于不同材料预期的热负荷。例如，对于在电子轰击下预期产生更多热的元件，可以使用更大的元件之间的空间，而对于预期产生更少热的元件，可以使用更小的元件之间的间隔。

3.3.大小和形状变化

在某些实施例中，如图25所示，x射线产生元件1801、1802、1803……等可以具有不同大小和不同几何形状。这可特别地适用于使用不同材料的情形，并且对于不同材料，电子减速过程和x射线吸收不同。

在线性累加x射线源的x射线产生元件设计中可能考虑的一个有用品质因数是在材料内x射线的1/e衰减长度与电子“连续慢化近似”(CSDA)范围的二分之一之比。电子的CSDA范围通常大于穿透深度，因为电子在其减速时可能通过多次碰撞而失去能量。图26A示出了对于钨而言，这两个函数的图，并且图26B示出了该比值的图。X射线数据来自先前引用的Henke等人的源，而CSDA范围数据来自NIST的物理测量实验室

＜http：//physics.nist.gov/PhysRefData/Star/Text/ESTAR.html＞。这个比值可以被认为是当用于x射线的线性累加时材料的x射线产生的品质因数，因为当该材料的x射线透明度较大时(对于该微结构，增加了T_i)，其值较大，但是当CDSA范围较小时，其值也较大(这表示电子快速吸收，并且x射线似乎从更小深度的斑点发射)。

图27描绘了对于三种材料(Cu、Mo和W)而言，在一个较大x射线能量范围上，这个比值的曲线图。一旦选择了用于所需要的特征线的x射线材料，可以使用这个比值来建议特定能量范围(诸如对于钨而言，～55keV)，使得构造该系统进行工作使得这个品质因数相对较大。

根据经验，微结构的厚度可以设置为在电子束传播方向上测量的CSDA的1/2或更小。对于某些靶材料选择，材料的薄箔涂层可能足以提供所需的x射线发射，并且可能不需要更复杂的嵌入式或埋入式微结构。

3.4.时分复用发射.

在其它实施例中，x射线产生元件801、802、803、804……等无需持续地由电子轰击，而是电子束1211、1212、1213、1214等……可以接通和断开以随着时间分布热负荷。当在轴上观测时，这可能特别有效，因为所有x射线看起来来自相同的来源。

在图28中示出了时分复用实施例。在图28A中，在初始时间步长t＝0处，分别用于元件801和804的电子束1211和1214接通，而其它电子束断开。在图28B，在下一时间步长t＝1处，用于元件802和805的电子束1212和1215接通，而其它电子束断开。在图28C，在下一时间步长t＝2处，用于元件803和806的电子束1213和1216接通，而其它电子束断开。可以简单地通过消隐各个电子束或者用机械快门阻挡射束或者将电子束重定位来在这些结构之间切换系统。

此外，在某些实施例中，电子束可以简单地扫过包括x射线产生材料的靶。在某些实施例中，可能存在有规律的光栅扫描，而在其它实施例中，扫描可能是非均一的，“停留”在x射线产生区域或者更缓慢地扫过x射线产生区域，而从一个x射线产生区域向另一个x射线产生区域快速移动。在其它实施例中，电子束可以被设计成同时轰击所有x射线产生区域或者多个电子束几乎同时撞击x射线产生区域，但是使电子束快速接通和断开，形成“脉冲式”x射线源。对于某些具体应用而言，这能具有某些优点。

具有可变的电子暴露时序的源也可能特别地适用于使用以不同电位电子轰击的不同类型的嵌入式微结构的实施例，如上文所提到的那样，以激发不同的x射线能谱。

3.5.离轴构造。

在其它实施例中，可能优选略微离轴构造。

这种构造的示例如图29所示。

在图29A中，示出了通过离轴窗口841或者屏蔽件84或壁中的孔口进行x射线发射。由于x射线发射大体上是各向同性的，由电子轰击所有微结构的发射也将在这个方向上发出。然而，穿过孔口841的这种发射878的各个射线将不在相同方向上传播并且将发散，得到扩展的源的外观。然而，如果需要扩展的源的外观，使用这种x射线的离轴、小角度收集构造可能是合适的。

图29B示出了此时从多个微结构，在离开入射电子束1111、1112、1113等的方向上的发射。在此示例中，微结构801、802、803……的间距相对于它们的大小显著更大，因此能由检测器检测到x射线，x射线未经相邻x射线发射元件衰减的离轴角远小于图29A所示的情形。

3.6.多个独立电子束。

在图30和图31(其示出了靶的更多细节)中示出了更普遍的x射线系统80-C，这种x射线系统80-C合并了上文所讨论的元件中的某些元件。该系统包括电子系统控制器10-V，电子系统控制器10-V引导各种电压通过多个引线21-A、21-B和21-C到多个电子发射器11-A、11-B和11-C，电子发射器11-A、11-B和11-C产生电子束111-A、111-B、111-C等。这些电子束111-A、111-B、111-C中每一个可以受到来自系统控制器10-V通过引线27-A、27-B和27-C的信号控制，这些信号操控电子光学器件70-A、70-B和70-C。

如图所示，该系统附加地包括冷却系统，冷却系统包括储集器90，储集器90被填充冷却流体93，通常为水，利用诸如泵的机构1209使水移动经过冷却通道1200，包括穿过靶1100-C的基板1000的冷却通道。

应当指出的是，给出这些视图是为了辅助理解本发明，并且各种元件(微结构、表面层、冷却通道等)并未按照比例绘制。

图31示出了在这种系统的扩展版本中在电子轰击下的靶1100-C，其中添加了两个附加的电子束111-D和111-E。如图所示，这两个束111-D和111-E具有比右边的三个电子束111-A、111-B和111-C更高的电流，并且最左边的电子束111-E在所有射束中具有最高的电子密度，表明了射束无需具有相同密度。也示出了接收更高电流的最左边的x射线产生元件804和805，它们与其相邻微结构之间的间隙大于接收更低电子电流的最右边的元件801、802与803之间设置的间隙。在某些实施例中，804和805可以包括原子序数高于801、802和803的材料。

在图31中还示出了传导外涂层770，传导外涂层770既导热(以移除热)也导电，提供电子接地返回路径722。还示出了带孔口840的屏蔽件84，孔口840允许轴上的x射线辐射离开靶。

3.7.基板的材料选择。

对于具有x射线产生材料的微结构的靶的基板而言，如上文所示，优选地，基板的x射线的透射率T接近1。对于长度L并且线性吸收系数α_s的基板材料而言，

其中L_1/e是x射线强度降低1/e倍的长度。

一般而言，

L_1/e∝X³/Z⁴[方程式22]

其中X是以keV为单位的x射线能量并且Z是原子序数。因此，为了使L_1/e更大(即，使材料更透明)，需要更高的x射线能量并且特别优选更低的原子序数。因此，铍(Z＝4)和碳(Z＝6)的各种形式(例如，金刚石、石墨等)可以理想地为基板，都是因为它们对x射线高度透明，也因为它们都具有高热导率(参看表I)。

4.本发明的实施例的其它示例

4.1.双面靶

在图32中示出了使用靶的源80-D的一实施例，靶具有多个x射线产生元件，多个x射线产生元件排列成线性累加，其中在图33中更详细地示出了靶2200。

在图32所示的实施例中，控制器10-2向两个发射器11-D和11-E提供高电压，发射器11-D和11-E向靶2200的相对侧发射电子束1221和1222。分别由电子光学器件70-D和70-E通过引线27-D和27-E控制电子束1221和1222的特性，诸如位置、方向、聚焦等，电子光学器件70-D和70-E通过束电流和高电压设置来调节射束的特性，这些全都由控制器10-2操控。靶2200包括基板2200和x射线产生材料的两个薄涂层2221和2222，在基板2200的每一侧上一个涂层。

电子束1221和1222由电子光学器件70-D和70-E导向以在一些位置轰击靶2200相对侧上的薄涂层2221和2222使得从每个位置产生的x射线821和822与屏蔽件84中的孔口840对准，屏蔽件84中的孔口840允许从源80-D发射x射线束2888。

尽管电子的大面积轰击可以实现更大重叠，如果电子密度更高将出现更高x射线发射，并且因此可以使用电子光学器件70-D和70-E来将电子束1221和1222聚焦为小至25μm或甚至更小的斑点。对于如图所示构造中的这种较小斑点，通过将x射线检测器放置在超过孔口840处，并且使用电子光学器件70-D和70-E，在电子束1221和1222的位置和焦点改变时测量x射线束2888的强度，将执行两个电子束轰击斑点的对准从而生成叠加的x射线发射图案(并且因此实现两个斑点的线性累加)。当来自两个斑点的同时强度在检测器上最大时，可以认为两个点对准。

靶2200可以固定地安装到真空腔室内的结构上，或者可以安装成使得其位置可以改变。在某些实施例中，靶可以安装为旋转阳极，以进一步散热。

如上文所讨论，涂层2221和2222的厚度可以而根据预期的电子能量和材料的穿透深度或者CSDA估计来选择。如果相对于表面法线以一定角度发生轰击，如图所示，入射角也可能会影响涂层厚度的选择。尽管靶2200相对于电子束1221和1222的倾斜被图示为约45°，可以使用允许发射x射线的0°至90°的任何角度。

还应当指出的是上文所描述的双面靶也可以用于包括旋转阳极的实施例中，在阳极旋转时，分布热。在图34中示出了包括这些特征的系统580-R。在此实施例中，这些元件中的许多元件与如图6所示的常规旋转阳极系统相同，但是在如图所示的实施例中，控制器10-3通过引线21-G和21-F向两个发射器11-F和11-G提供高电压，两个发射器11-F和11-G分别发射电子束2511-F和2511-G。这些电子束轰击靶500-R的相对侧斜面部分，靶500-R的斜面部分在两侧涂布具有x射线产生材料的涂层2521&2522，以生成x射线2588。显然也可设计出具有额外控件诸如束转向电子光学器件或限定输出x射线束的孔口的实施例。

4.2.多个双面靶

如上文所描述的源80-D并不限于具有两侧的单个靶。在图35中示出了一对靶2203、2204，每个靶分别在基板2230和2240上设有x射线产生材料的两个涂层2231和2232，以及2241和2242。在此实施例中，该源将具有与图32所示的构造类似的构造，除了现在有四个电子束1231、1232、1241、1241受控制以轰击在两个靶2203、2204上的相应涂层并且分别产生x射线831和832，以及841和842。

在此实施例中，四个x射线产生斑点与屏蔽件84中的孔口840对准以看起来源自单个原点。对准程序如上文中关于双面靶的情况所讨论，除了现在四个电子束1231、1232、1241和1242被调整成使超过孔口840放置的检测器处的总x射线强度最大。

如在上文中所讨论，靶2203和2204可以固定地安装到真空腔室内的结构上，或者可以安装成其位置可变。在某些实施例中，靶2203和2204可以安装为旋转阳极，以进一步散热。靶2203和2204的旋转可以同步或受到独立控制。

如上文所讨论，可以根据预期的电子能量和材料的穿透深度或者CSDA估计来选择涂层2231、2232和2241、2242的厚度。如果相对于表面法线以一定角度轰击，如图所示，入射角可能会影响涂层厚度的选择。尽管靶2203和2204相对于电子束1231、1232和1222的倾斜被图示为约45°，可以使用允许x射线发射的0°至90°的任何角度。

尽管在图35中示出了具有四个x射线产生表面的仅两个靶，可以以相同的方式使用具有任何数量靶的实施例，这些靶包括涂布了x射线产生材料的表面，利用独立控制的电子束在一侧或两侧轰击每个靶。而且，各个靶的涂层可以选择为不同的x射线材料。例如，上游涂层2241和2242也可以选择为诸如银(Ag)或钯(Pd)的材料，而下游涂层2231和2232可以选择为铑(Rh)，铑(Rh)对于上游靶所产生的特征x射线具有更高的透射率。这可以提供混合的x射线谱，包括来自多种元素的多种特征线。而且，通过调整各种电子束电流和密度，可以实现可调的x射线混合。

同样，涂层本身无需是均一材料，而是可以是各种x射线产生物质的合金，被设计成产生特征x射线的混合物。

4.3.具有嵌入式结构的双面靶

图36示出了另一实施例，其中靶包括嵌入于基板内的x射线产生材料的微结构而不是薄涂层。

示出了两个靶2301和2302(尽管诸如图32和33所示的单个靶也可以以此方式构造)，每个具有x射线产生材料的四个微结构2311、2312、2313、2314和2321、2322、2323、2324，分别嵌入于基板2310、2320的每一侧上。电子束1281、1282、1283和1284被导向至靶2301、2302上并且生成x射线，当与屏蔽件84-B中的孔口840-B对准时，x射线形成看起来源自相同源的束882。

如上文所讨论，此实施例的嵌入式微结构可以包括不同的x射线产生材料或者x射线产生材料的合金或混合物以实现所需要的谱输出。

4.4.在倾斜表面上的多个位置

在图37中示出了另一实施例，其中靶2400与分布式电子束2411对准。在此实施例中，电子束2411聚焦到形成于基板2410上的x射线产生材料涂层2408上的若干斑点。电子束2411可以调整成使得多个斑点形成为对准的行，并且其沿着这行(以零度)的x射线发射2488将看起来源自单个原点。

在图38中示出了此实施例的变型。对于此实施例的靶2401而言，作为涂层的替代，x射线产生材料的微结构2481、2482、2483嵌入于基板2410中。分布式电子束2411轰击这些微结构，同样产生看起来源自单个原点的x射线2488。

5.使用附加x射线光学器件的x射线集中。

到目前为止所描述的实施例中，来自若干原点的多个x射线发射简单地对准使得它们看起来重叠，并且因此当从特定角度观测时，看起来简单地为单个更亮的x射线源。

然而，x射线发射大体上是各向同性的，并且因此如果使用仅具有小视角的孔口，大部分x射线能量将丢失。

这可以通过使用x射线光学器件以其它角度收集从多个原点发射的附加x射线来解决。可以使用X射线的常规光学元件，诸如掠射角镜、具有多层涂层的镜或者更复杂的Wolter光学器件或毛细管光学器件。

一般而言，将在制造时确定在靶与光学器件之间的关系。光学器件也可以固定就位，利用特定支架或者被设计成用于真空的环氧化物，使用对准程序，诸如光学器件制造领域技术人员熟知的那些。可以如先前所描述那样，通过将x射线检测器放置于输出孔口并且调整各个电子束的焦点和位置以实现最大x射线强度来完成最终对准。也可以使用x射线进行最终调整来对准光学元件。应当指出的是，检测器也可以用来向电子束控制器提供反馈，提供例如谱输出测量，而谱输出测量继而可以用来导向电子束生成特定特征线来增加或减小其功率。

还应当指出的是并非所有靶需要由电子以相同入射角照射。对于具有多种x射线发射材料的构造，某些材料可能具有不同的穿透深度，并且因此对于那种特定靶而言，使电子以不同入射角轰击也可以更有效地生成x射线。而且，如在先前的实施例中所描述，不同的电子密度、能量、角度、聚焦条件等可以用于不同靶。

还应当指出的是发射从所有靶各向同性地发生，并且对在两个方向上传播的x射线进行收集和聚焦x射线光学透镜操作。因此，放置于靶链相对端上的一个检测器也可以充当用于校准、x射线系统总功率、二次射束等的监视器。

5.1.一般反射光学器件

图39示出了使用三个对准靶2801、2802、2803的实施例，每个靶包括嵌入于基板2811、2812、2813中的x射线产生材料的微结构2881、2882、2883。靶中的每一个分别被电子束1181、1182、1183轰击以分别产生x射线2818、2828、2838。

x射线成像镜光学器件2821、2822、2831、2832定位于x射线发射靶之间，以收集以较宽角度发射的x射线并且将x射线重导向以聚焦在对应于另一x射线靶的x射线产生斑点的位置。如图所示，焦点被设置为相邻靶中的x射线产生斑点，但在某些实施例中，所有x射线镜将被设计成将x射线聚焦在相同点，例如在最终(最右)x射线靶中的最终x射线产生斑点。

这些成像镜光学器件2821、2822、2831、2832可以是任何常规x射线成像光学元件，诸如具有通常由玻璃制成的反射表面的椭球面镜，或者涂布了高质量密度材料的表面或者带多层涂层的x射线反射器(通常使用钼(Mo)和硅(Si)层制成)或晶体光学器件或其组合。x射线光学器件和其涂层的材料和结构的选择可以不同，取决于待收集和再聚焦的x射线谱。尽管被图示为截面，整个x射线光学器件或其一部分可以具有圆柱对称性。

在图40中示出了此实施例的变型。在此实施例中，第一(上游)x射线靶2830现包括基板2833，x射线产生材料的微结构2883嵌入于基板2833中，正如在其它地方所描述的。由于从这些若干微结构2883发射的x射线的线性累加，从这个靶2830发射的x射线2838-A的强度将增加，并且在此实施例中，形成更亮的总x射线源，就像它们在先前描述的实施例中那样。然而，对于此实施例，可以调整电子束1183-A以具有不同于图39的实施例的入射角(如图所示)、大小、形状和焦点以便更有效地轰击微结构2883。

在图41中示出了此实施例的另一变型。在此视图中，还示出了向左边传播的第二x射线束2988-L。这个第二x射线束穿过板84-L中的第二孔口840-L传播，并且可以用作第二x射线暴露源，或者可以结合检测器444用来以充当x射线束特性诸如亮度、灰度、总强度、通量、能谱、束分布和发散度或会聚度的监视器。

5.2.Wolter光学器件

在图42中示出了本发明的另一实施例。在此实施例中，收集从一个靶发射的x射线并且将x射线向下游聚焦的光学元件2921和2931现为被称作Wolter光学器件的光学器件。Wolter光学器件是一种熟知的内嵌反射镜系统，用以收集并且聚焦x射线，通常具有抛物线和/或双曲线反射表面，其中每个元件通常以掠射角(grazing angle)使用。通常，反射表面是玻璃。玻璃表面可以涂布高质量密度材料或者x射线多层(通常使用钼(Mo)和硅(Si)层制造)。

图43A和图43B示出了用于x射线的Wolter光学器件的现有技术实施例，其包括多种水平定向和竖直定向的柱面透镜。如上文所描述，用于这些光学元件的材料选择和涂层可以选择为匹配预期从各个x射线原点发射的x射线谱。

5.3.毛细管光学器件

在图44中示出了本发明的另一实施例。在此实施例中，收集从一个靶发射的x射线和使x射线向下游聚焦的光学元件2941和2591现在是被称作多毛细管光学器件的光学元件。多毛细管光学器件类似于光纤，因为引导x射线通过一个较薄纤维以在另一端所需要的位置出来。然而，不同于包括实心玻璃纤维(其通过全内反射来反射)的光纤，多毛细管光学器件包括多个中空管，并且x射线由于材料的外反射以掠射角顺着管被引导。

多毛细管光学器件是收集和重导向x射线的熟知器件，并且多种常规毛细管光学元件中的任一个可以用于本文所公开的发明的实施例中。然而，一般认为使用包括多个毛细管纤维的多毛细管光学器件使得以许多角度发射的x射线能收集并且导向到所需要的聚焦点。

5.4.变型

尽管在示出反射、Wolter或毛细管光学器件的视图中展示了具体选择，这绝无限制意义。在图39至图42和图44中示出的光学构造可以是可互换的，例如，Wolter光学器件2931替换图41中的反射镜2821、2822。还应当指出的是，尽管包括微结构的靶用于这些视图中，诸如图33和图35中示出的包括薄膜的靶也可以结合这些聚焦x射线光学器件使用。

6.局限性和扩展。

本申请公开了本发明的若干实施例，包括发明者设想到的最佳实施方式。应当认识到虽然可能给出了具体实施例，对于某些实施例详细地讨论的元件也可以适用于其它实施例。

虽然叙述了具体材料、设计、构造和制造步骤来描述本发明和优选实施例，不认为这些描述是限制性的。修改和变化对于本领域技术人员来说是显然的，并且认为本发明仅受到所附权利要求的范围限制。

优选地包括本文描述的所有元件、零件和步骤。应了解这些元件、部件和步骤中的任一个可以被其它的元件、零件和步骤替换或者一并删除，正如对于本领域技术人员所显而易见的。

概括地，本书面描述公开了至少以下内容：

一种用于高亮度x射线产生的紧凑源。通过对彼此对准的多个区域进行电子束轰击以实现x射线的线性累加从而实现了更高的亮度。通过对准离散x射线发射器，或者通过使用新颖的x射线靶而实现了这个目的，这种新颖的x射线靶包括x射线产生材料的多个微结构，这些微结构被制成与具有高热导率的基板密切热接触。这允许从x射线产生材料更高效地抽出热，并且允许以更高的电子密度和/或更高能电子轰击材料，导致更大的x射线亮度。

微结构的定向允许使用轴上收集角，允许来自若干微结构的x射线累加对准，看起来具有单个原点，也被称作“零度”x射线发射。

该描述也给出了以下构思：

1.一种x射线源，包括：

真空腔室；

对于x射线透明的窗口，其附连到所述真空腔室的壁上；以及，在所述真空腔室内，

至少一个电子束发射器；以及

至少一个靶，该靶包括：

基板，其包括第一选定材料；以及

多个离散结构，包括根据其x射线产生特性而选择的第二材料；

其中所述多个离散结构中每一个与所述基板成热接触；以及

其中所述离散结构中至少一个具有小于10微米的厚度；以及

所述离散结构中所述至少一个的每个横向尺寸小于50微米。

2.根据构思1所述的x射线源，其中，

所述多个离散结构嵌入于所述基板表面内。

3.根据构思1或2所述的x射线源，其中，

所述多个离散结构埋入于所述基板表面内小于100微米的深度内。

4.根据构思1或2或3所述的x射线源，还包括：

用于将从发射器发射的电子束导向至靶上的器件。

5.根据构思4所述的x射线源，其中，

用于导向电子束的器件包括电子光学器件。

6.根据构思4或5所述的x射线源，其中，

用于导向电子束的器件包括静电透镜。

7.根据构思4、5或6所述的x射线源，其中，

用于导向电子束的器件包括磁透镜。

8.根据构思4、5、6或7所述的x射线源，其中，

用于导向电子束的器件允许通过选自下列的操作来控制所述电子束：

聚焦、发散、散焦、扫描、光栅-扫描、停留、消隐、扫动、改变射束方向、改变射束强度分布、形成多个电子束、改变射束电流密度和改变电子束中的电子加速度。

9.根据构思4、5、6或8所述的x射线源，其中，

用于导向电子束的器件允许将电子束聚焦为在至少一个尺寸上小于30微米的斑点大小。

10.根据构思1至9中任一项所述的x射线源，其中，

用于导向电子束的器件允许以一定图案来导向电子束，该图案对应于多个离散结构中至少某些的位置。

11.根据构思10所述的x射线源，其中，

用于导向电子束的器件允许以一定图案来导向电子束，该图案对应于所述多个离散结构中至少某些的位置，其中，所述图案在时间上被调适以响应于来自监视所发射的x射线的预定特性的检测器的信号。

12.根据构思11所述的x射线源，其中，

所述发射的x射线的预定特性选自下列：

亮度、辉度、总强度、通量、能谱、射束分布和射束发散。

13.根据前述构思中任一项所述的x射线源，其中，

所述多个离散结构被排列成线性阵列。

14.根据前述构思中任一项所述的x射线源，其中，

多个离散结构被制成具有类似形状。

15.根据构思14所述的x射线源，其中，

所述类似形状选自下列：

正棱柱、直四棱柱、立方体、三棱柱、梯形棱柱、锥体、四面体、圆柱、球形、卵形体和桶形。

16.根据前述构思中任一项所述的x射线源，其中，

所述第一选定材料选自下列：

铍、金刚石、石墨、硅、氮化硼、碳化硅、蓝宝石和类金刚石。

17.根据前述构思中任一项所述的x射线源，其中，

所述第二材料选自下列：

铝、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、镓、锌、钇、锆、钼、铌、钌、铑、钯、银、锡、铱、钽、钨、铟、铯、钡、金、铂、铅和其组合和合金。

18.根据前述构思中任一项所述的x射线源，其中，所述多个离散结构的子集包括根据其x射线产生特性而选择的第三材料。

19.根据构思18所述的x射线源，其中，

所述第三选定材料选自下列：

铝、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、镓、锌、钇、锆、钼、铌、钌、铑、钯、银、锡、铱、钽、钨、铟、铯、钡、金、铂、铅和其组合及合金。

20.根据前述构思中任一项所述的x射线源，其中，

离散结构中的至少一个定位于离基板边缘500微米内。

21.根据构思13至20中任一项所述的x射线源，其中，

线性阵列被限定为具有长轴线和短轴线；以及

线性阵列的长轴线与窗口对准；以及

在长轴线与窗口之间的交点，长轴线与窗口的表面法线之间的角度小于85度。

22.根据构思21所述的x射线源，其中，

离散结构中的至少一个定位于离最靠近窗口的基板边缘500微米内。

23.根据构思4至22中任一项所述的x射线源，其中，

对准靶的微结构使得当向被导向的电子束暴露时由多个离散结构中的预定离散结构发射的x射线透射穿过多个离散结构中的另一离散结构。

24.根据构思21至23中任一项所述的x射线源，其中，

对准所述靶使得当向被导向的电子束暴露时由多个离散结构中预定数量的离散结构发射的x射线透射穿过从多个离散结构选择的一个预定离散结构。

25.根据前述构思中任一项所述的x射线源，还包括，

冷却系统，其包括：

储集器，其用于储存冷却流体；

在基板内用于传导冷却流体的通道；

附加通道，其用于将流体从储集器传导至基板中的通道；

附加通道，其用于将流体从基板中的通道传导至储集器；以及

泵送机构，其泵送流体通过该系统。

26.根据前述构思中任一项所述的x射线源，还包括，用于使所述靶旋转的机构。

27.一种x射线源，包括：

真空腔室；

对于x射线透明的第一窗口，其附连到真空腔室的壁上；以及，在真空腔室内，

一个或多个电子发射器；以及

多个x射线靶；

其中每个靶包括根据其x射线产生特性而选择的材料，并且其中所述材料中的至少一个尺寸小于20微米；并且其中

对准所述一个或多个电子发射器和所述多个x射线靶使得对所述靶的电子轰击产生x射线子源，以便所述子源沿着穿过所述第一窗口的轴线对准。

28.根据构思27所述的x射线源，其中，

根据x射线产生特性选择的材料是选自下列：

铝、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、镓、锌、钇、锆、钼、铌、钌、铑、钯、银、锡、铱、钽、钨、铟、铯、钡、金、铂、铅和其组合及合金。

29.根据构思27或28所述的x射线源，其中，

用于预定x射线能谱的x射线靶中至少一个的x射线透射率大于50％。

30.根据构思27，28或29所述的x射线源，其中，

所述预定x射线能谱对应于至少一个x射线子源的发射谱。

31.根据构思27至30中任一项所述的x射线源，其中，

所述靶中的至少一个还包括基板。

32.根据构思27至31中任一项所述的x射线源，其中，

所述基板包括选自下列的材料：

铍、金刚石、石墨、硅、氮化硼、碳化硅、蓝宝石和类金刚石。

33.根据构思31或32所述的x射线源，其中，

所述x射线产生材料呈在基板上的薄膜的形式。

34.根据构思27至30中任一项所述的x射线源，其中，

所述靶包括嵌入于基板中的多个离散结构，基板包括热导率大于0.1W m^-1℃^-1的材料；

并且其中所述离散结构包括根据其x射线产生特性而被选择的材料。

35.根据构思34所述的x射线源，还包括：

用于从电子发射器中至少一个向靶上的一个或多个位置导向电子束以形成x射线子源的器件。

36.根据构思35所述的x射线源，其中，

用于导向电子束的器件包括电子光学器件。

37.根据构思34或35或36所述的x射线源，还包括：

用于对准电子束中每一个使得由电子束轰击靶所产生的所有x射线子源的中心沿着穿过第一窗口的轴线对准的器件。

38.根据构思27至37中任一项所述的x射线源，其中，

至少两个相邻的x射线子源共用共同基板。

39.根据构思27至28中任一项所述的x射线源，还包括：

x射线光学元件，

所述光学元件被定位成使得子源所发射的x射线由所述光学元件导向至相邻的x射线子源。

40.根据构思39所述x射线源，其中，

x射线光学元件包括掠入射x射线反射器。

41.根据构思40所述的x射线源，其中，

所述x射线光学元件包括x射线反射器，所述x射线反射器包括多层涂层。

42.根据构思40所述的x射线源，其中，

x射线光学元件包括x射线发射器，x射线发射器具有厚度大于20nm的涂层并且该涂层包括具有高质量密度的材料。

43.根据构思39所述的x射线源，其中，

所述x射线光学元件包括Wolter光学器件。

44.根据构思39所述的x射线源，其中，

所述x射线光学元件包括多毛细管光学器件。

45.根据构思39所述的x射线源，其中，

所述x射线光学元件包括椭圆形毛细管光学器件，椭圆形毛细管光学器件被定位成使得焦点对应于两个相邻子源的中心。

46.根据构思39所述的x射线源，还包括：

X射线光学元件；

所述光学元件被定位成使得由子源所发射的x射线进入所述光学元件并且导向至真空腔室内的预定位置。

47.根据构思27至46中任一项所述的x射线源，还包括：

对于x射线透明的第二窗口，其附连到真空腔室的壁上；使得多个子源沿着穿过第一窗口和第二窗口的线对准。

48.根据构思47所述的x射线源，还包括：

X射线检测器，并且其中

对准检测器使得由子源中至少一个发射的x射线落到检测器上。

49.一种x射线源，包括：

真空腔室；

对于x射线透明的第一窗口，其附连到真空腔室的壁上；以及，在真空腔室内，

第一电子束发射器；

第二电子束发射器；以及

靶，该靶包括：

基板；

第一结构，其包括根据其x射线产生特性被选择的材料；以及

第二结构，其包括根据其x射线产生特性被选择的材料。

50.根据构思49所述的x射线源，还包括：

多对电子束发射器；以及

多个靶，包括：

基板；

第一结构，其包括根据其x射线产生特性而被选择的材料；以及

第二结构，其包括根据其x射线产生特性而被选择的材料。

51.根据构思49或50所述的x射线源，其中，

第一结构的材料和第二结构的材料选自下列：

铝、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、镓、锌、钇、锆、钼、铌、钌、铑、钯、银、锡、铱、钽、钨、铟、铯、钡、金、铂、铅和其组合及合金。

52.根据构思49，50或51所述的x射线源，其中，

基板包括选自下列的材料：

铍、金刚石、石墨、硅、氮化硼、碳化硅、蓝宝石和类金刚石。

53.根据构思49至52中任一项所述的x射线源，其中，

结构中至少一个结构是在基板表面上的薄膜涂层。

54.根据构思49至53中任一项所述的x射线源，其中，

第一结构和第二结构都是在基板的相对表面上的薄膜涂层。

55.根据构思49至54中任一项所述的x射线源，其中，

结构中至少一个结构包括一个或多个微结构。

56.根据构思55所述的x射线源，其中，

一个或多个微结构嵌入于基板中。

57.根据构思所述的x射线源56，其中，

一个或多个微结构嵌入在与其它微结构中至少一个相对的所述基板的侧部上。

58.根据构思所述的x射线源49，其中，

第一电子发射器和第二电子发射器对准以利用电子束来轰击靶的相对表面。

59.一种产生x射线的方法，包括：

使至少一个靶暴露于电子束，靶包括：

基板，其包括第一选定材料；以及

多个离散结构，其包括根据其x射线产生特性而选择的第二材料；

其中多个离散结构中每一个与基板成热接触；以及

其中离散结构中至少一个具有小于10微米的厚度；以及

离散结构中所述至少一个结构的每个横向尺寸小于50微米；

所述电子束成形为向多个离散结构暴露。

60.一种产生x射线的方法，包括：

使用包含于单个真空腔室内的多个电子束使含x射线产生材料的多个靶暴露，

其中电子束的位置经调整以增加从多个靶发射并且也经过预定孔口的x射线的强度。

附录A

用于x射线产生的结构化靶。

图13示出了根据本发明的某些实施例的靶的区域1001，其包括排列成有规律的阵列、呈直四棱柱形式的微结构700的阵列，微结构700包括x射线产生材料。图13A展示了在此实施例中的十六个微结构700的透视图，而图13B示出了相同区域的俯视图，并且图13C展示了相同区域的侧视/截面图。(对于本公开中术语“侧视/截面图”，该视图表示就像做出该物体的截面，并且然后从侧面朝向截面表面观看的视图，其示出了截面点的细节以及可能从侧部看到的内侧更深的材料，假定基板本身是透明的[在金刚石的情况下，就可见光而言，这大体上是成立的]。)

在此实施例中，微结构被制成它们在六个侧面中的五个侧面与基板密切热接触。如图所示，微结构700的顶部与基板的表面齐平，但可以制造微结构凹陷于其中的其它其它实施例，也可以制造其中微结构相对于基板表面呈现形貌“凸块”的其它实施例。

替代实施例可以具有简单地沉积到基板表面上的若干直四棱柱微结构。在此情况下，仅棱柱的基底将与基板成热接触。对于包括嵌入于基板中的微结构的结构，其中侧视/截面图如图13C所示，具有深度D和在基板平面中的横向尺寸W和L，则嵌入式微结构与基板接触的总表面积与沉积的微结构的比值如下：

在相对于W和L，D值较小的情况下，该比值基本上为1。对于更大的厚度，该比值变得更大，并且就立方体(D＝W＝L)而言，其中5个相同的侧面成热接触，该比值是5。如果使用在质量密度和热导率方面与基板特性类似材料的顶盖层，该比值可以增加到6。

在图14A中以代表性箭头示出了传热，其中，在嵌入于基板1000中的微结构700中产生的热通过底部和侧面从微结构700传导出来(并未示出通过附图平面之外的侧面传热的箭头)。通过面积为A和厚度为d的材料传导的单位时间的传热量(ΔQ)由下式给出：

其中k是热导率(W/(m℃))并且ΔT是在0℃在厚度d两端的温差。因此，表面积A增加，厚度d减小和ΔT增加都将导致传热的成比例增加。

在图14B中示出了替代实施例，其中基板附加地包括冷却通道1200。这种冷却通道可以是现有技术冷却通道，如上文所讨论，使用水或某些其它冷却流体来从基板传走热，或者可以根据适于最佳地从嵌入式微结构700附近的区域除热的设计来制造。

本领域技术人员也可以理解或设计出其它实施例，其中，基板可以例如结合到诸如铜块等散热器上，以改进传热。而铜块中可以具有冷却通道以辅助从铜块传走热量。或者，基板可以附连到热电冷却器上，其中，电压施加到特殊构建的半导体装置。在这些装置中，电流流动造成一侧冷却，而另一侧升温。市售装置，诸如珀尔贴冷却器能在装置两端产生高达70℃的温差，但是可能在其从热源去除大量热的总能力方面有限。

或者，基板可以附连到低温冷却器诸如含有液氮流动通道的块体，或者可以与液氮或某些其它低温物质储集器成热接触，以提供极端冷却。当基板包括诸如金刚石、蓝宝石、硅或碳化硅等材料时，热导率通常随着温度从室温降低而升高。在这种情况下，设计出能耐受冷却到这些更低温度的靶可能是优选的。

图15示出了替代实施例，其中，基板1000中形成的腔首先被涂布粘附层715(优选地具有最小厚度)，之后嵌入x射线产生材料，x射线产生材料形成微结构700。在x射线材料与基板材料之间的结合较弱的情况下，这种粘附层可能是合适的。当两种材料的热膨胀系数之间的差异较大时，粘附层也可以充当缓冲层。对于某些材料选择，可以用扩散屏障层来替换或扩展(通过添加另一层)粘附层从而防止材料从微结构扩散到基板材料(或者从基板材料扩散到微结构)。对于其中使用粘附层和/或扩散屏障层的实施例，材料和厚度的选择也应考虑层的热特性，使得从微结构700到基板100的热流动并未因粘附层715的存在而受到显著阻碍或者因粘附层715的存在而绝缘。

图16示出了一替代实施例，其中导电层725添加到靶表面上。当由电子轰击时，过量电荷需要返回到靶的接地的路径，以有效地充当阳极。如果如图13所示的靶仅包括在电绝缘基板材料(诸如未经掺杂的金刚石)内的离散、未连接的微结构700，在持续电子轰击下，大量电荷将累加在该表面上。来自阴极的电子将不以相同的能量与靶碰撞或者可能甚至被排斥，减少x射线的产生。

这可以通过沉积优选地相对较低原子序数的传导材料诸如铝(A1)、铍(Be)、碳(C)、铬(Cr)或钛(Ti)的薄层来解决，这些材料薄层允许从离散微结构700向电路径722导电，电路经722连接到高压电源相关的正端子。实际上，这个端子通常是该系统的电接地，而阴极电子源被供应负高电压。

图17示出了本发明的另一实施例，其中，微结构702更深地嵌入或埋入到基板1000内。这种嵌入式微结构还可以进一步通过沉积附加层1010而覆盖，附加层1010可以是例如金刚石，提供与基板相同的传热特性。这允许从埋入式微结构702的所有侧面传走热。然而，对于这种情形，提供使入射于该结构上的电子接地的路径722是明智的，这个路径722可以呈嵌入式传导层726的形式，嵌入式传导层726在沉积附加层1010之前铺设。在某些实施例中，这个传导层726将具有“通路”727或者竖直连接部，常常呈柱子或圆柱形式，其提供导电结构以将嵌入式传导层726联结到靶表面上的附加传导层728，附加传导层728继而连接到接地路径722。

图18示出了本发明的另一实施例，其中微结构内依次包括附加结构。作为均一微结构的替代，该微结构被示出具有底层731、中间层732和顶层733。这些层可以选择为包括不同的x射线产生材料使得该体积发射多种特征线。或者，作为不同层的替代，包括并排排列的多种材料的微结构也可以用来实现所需要的x射线发射谱。或者，作为不同层的替代，包括两种或更多种材料的均一或非均一混合物或合金的微结构也可以用来实现所需要的x射线发射谱。包括中间层732的另一实施例包括与基板材料相同的材料，以向顶层733和底层提供高散热。此外，可以添加沿着侧壁(未图示)的传导层以提供通向传导路径的电路经，如在图16和图17中所示。

图19示出了本发明的另一实施例，其中，微结构702同样埋入于基板内。然而，在此实施例中，作为首先提供导电层然后再沉积一个附加顶盖层的代替，在此实施例中，仅沉积单个层770，根据导电特性与导热特性的组合选择该单个层。层770可以是例如碳纳米管(Z＝6)的沉积，碳纳米管相对于该表面竖直定向，使得它们将热和电子从埋入式微结构702带走。而这单个层770继而可以连接到接地路径722以允许靶用作x射线产生系统中的阳极。或者，层770的材料可经选择包括铝(A1)、铍(Be)、铬(Cr)或铜(Cu)。

对于本领域技术人员显而易见的是，尽管在图13至图19中单独地展示了若干实施例，并且将在下面给出这些实施例的各种过程，这些实施例的元件可以彼此组合，或者与本领域中已知的其它常规已知靶制造方法组合。例如，图19的埋入式微结构702也可以包括多种材料，如图18所示的那样。同样，如图15所示的粘附层715也可以适用于制造如图16所示的嵌入式微结构700。这些替代方案分开只是出于说明目的，并不意味着限制任何特定过程。

尽管图13至图19所示的微结构被示出为有规律间隔开的图案，具有均一大小和形状，均一微结构的无规律或随机图案，或者具有非均一大小和形状的微结构的有规律图案，或者具有非均一大小和形状的微结构的无规律图案也可以用于本发明的实施例中。

同样，尽管描述了具有例如呈直四棱柱形状的微结构的某些实施例，制造过程可能创建出具有成非90°角度的壁的结构，或者并不具有完全直角的拐角，而是可以是倒圆的或有斜面的或者是底切，取决于所用的具体过程的人为因素(artifact)。本领域技术人员理解公开了具有与本文所描述的形状基本上类似的微结构的实施例，即使过程的人为因素导致与附图所示或者所描述的形状有些偏差。

同样，尽管本文所公开的各种示例可能被图示为具有微结构的有序周期性阵列，但是离散微结构的相对位置、大小和形状无需为有规律的、周期性的或均一的。具有一定大小分布的微结构、且微结构之间的间距能够具有一定距离范围的布置也可能是有用的。

3.各种微结构几何形状。

在前面的部分中描述了本发明的某些实施例。然而，除了层和结构变型之外，各种实施例将也将包括各种大小和形状的微结构。

图20示出了根据本发明的实施例的靶的区域1011，其包括呈直四棱柱形式的微结构700和701的两个有规律的阵列，微结构700和701包括x射线产生材料，通常为金属。阵列横向交错并且处于不同深度，使得当在电子辐照下时，每一个微结构被“较冷”的基板材料包围。微结构的物理分隔提供在大量较冷材料之中的小热斑点，因此生成许多局部热梯度，这些局部热梯度从微结构快速散热。图20A展示了十六个嵌入式微结构700和9个埋入式微结构702的透视图，而图20B示出了相同区域的俯视图，并且图20C展示了相同区域的侧视/截面图。

如图21A所示，埋入式微结构702-A可以被制成略微大于嵌入式微结构700，使得在不同层上的结构之间形成电接触。如果埋入式微结构702-A具有充分的电导率，提供接地路径725的单个导电层725因此可以足以防止对两层充电。

另一方面，对于某些电子能量和材料组成设置而言，图21A所示的构造提供的面积太小而不能提供有效传热和导电。

为了解决这个问题，如图21B所示，埋入式微结构702-B可以被制成更深地埋入到基板1000内，并且使埋入式微结构702-B自己的传导层726通过通路724连接以提供埋入式微结构702-B通向接地路径722一个附加电连接。这种构造提供了在热源与x射线之间更远的距离，并且对于某些应用而言，可能是优选的。

对于某些制造过程，可以调节蚀刻过程以提供底切[关于例如金刚石的各向同性和各向异性蚀刻的示例，参看例如，D.S.Hwang、T.Saito和N.Fujimori，″New etchingprocess for device fabrication using diamond″，Diamond&Related Materials第13卷，第2207-2210页(2004)]。如果选择具有底切的过程在基板中蚀刻出腔，腔用来形成微结构，并且使用各向同性过程诸如电镀形成微结构，微结构能填充腔的所有部分，可以形成“固定”就位的微结构，如在图22中所示。

图22示出了根据本发明的一实施例的靶的区域1012，其包括通过填充基板1000中具有底切的腔而形成的微结构704的阵列。以此方式形成的微结构704呈梯形棱柱的形式，包括x射线产生材料。如图所示的阵列被布置成嵌入于基板表面中的阵列，并且绕顶部的“唇缘”或其余基板材料用来更好地保持微结构704就位，防止微结构701在应力或热过载下脱离。图22A展示了在此实施例中的十六个嵌入式梯形微结构704的透视图，而图22B示出了相同区域的俯视图，并且图22C展示了相同区域的侧视/截面图。

图23示出了根据本发明的实施例的靶的区域1013，其包括呈直四棱柱形式的微结构700和701的棋盘阵列，微结构700和701包括x射线产生材料。如图所示的阵列被排列成嵌入于基板表面中的阵列。图23A展示了在此实施例中二十五个嵌入式微结构700和701的透视图，而图23B示出了相同区域的俯视图，并且图23C展示了相同区域的侧视/截面图，其中以虚线示出了凹陷区域。

图24示出了根据本发明的一实施例的靶的区域1014，其包括呈正圆柱形式的微结构706的阵列，微结构706包括x射线产生材料。如图所示的阵列被排列成嵌入于基板中的阵列。图24A展示了此实施例中的十六个嵌入式微结构706的透视图，而图24B示出了相同区域的俯视图，并且图24C展示了穿过一行微结构706中心的相同区域的侧视/截面图。

图25也示出了根据本发明的一实施例的靶的区域1015，其包括呈正圆柱形式的微结构708和709的密排阵列，微结构708和709包括x射线产生材料。如图所示的密排阵列被排列成嵌入于基板表面中的阵列。然而，在此实施例中，该布置使得当从侧部或端部观测时，看起来在x射线源中并无“间隙”而图24B的布置中将看到间隙。图25A展示了此实施例中的十八个嵌入式微结构708和709的透视图，而图25B示出了相同区域的俯视图，并且图25C展示了具有深度知觉的相同区域的侧视/截面图。

图26也示出了根据本发明的一实施例的靶的区域1016，其包括呈直三棱柱形式的微结构711和712的密排阵列，微结构711和712包括x射线产生材料。如图所示的密排阵列被排列成嵌入于基板表面中的阵列。图26A展示了此示例中的十八个嵌入式微结构711和712的透视图，而图26B示出了相同区域的俯视图，并且图26C展示了具有深度知觉的相同区域的侧视/截面图。

图27也示出了根据本发明的一实施例的靶的区域1017，其包括呈四面棱柱形式的微结构713和714的密排阵列，微结构713和714包括x射线产生材料，其中，单个面与基板1000的表面近似齐平。如图所示的密排阵列被排列成嵌入于基板表面中的阵列。图27A展示了此实施例中的十八个嵌入式微结构713和714的透视图，而图27B示出了相同区域的俯视图，并且图27C展示了具有深度知觉的相同区域的侧视/截面图。

图28示出了根据本发明的一实施例的靶的区域1018，其包括呈直四棱柱形式的先前描述微结构700、701和702的组合，微结构700、701和702包括x射线产生材料。在此实施例中，靠近表面嵌入的微结构700和701的层形成棋盘图案，如图23所示，同时该结构还包括埋入式微结构702层，埋入式微结构702层放置于上部棋盘图案中的“间隙”下方。如在先前所描述的情况下，在埋入层中的微结构可以足够大以与上部嵌入层中的微结构700和701成电接触，而在其它实施例中，可以制造用来从埋入式微结构702载送走电荷的一个不同导电层以提供接地路径。图28A展示了此实施例中的四十八个嵌入式微结构700、701和702的透视图，而图28B示出了相同区域的俯视图，并且图28C展示了具有深度知觉的相同区域的侧视/截面图。

图29示出了根据本发明的一实施例的靶的区域1019，其包括呈长直四棱柱形式的嵌入式微结构716和埋入式微结构717，微结构716和717包括x射线产生材料。在如图所示的实施例中，对于交替的层而言，长棱柱被布置成在彼此正交的方向上延伸，呈常常被称作“木材堆叠”构造的构造。如在先前所描述的情况，在埋入层中的微结构717可以与上嵌入层中的微结构716电接触，而在其它实施例中，可以制造用来从埋入式微结构717载送走电荷的一个不同导电层以提供接地路径。图29A展示了此实施例中的微结构716和717的透视图，而图29B示出了相同区域的俯视图，并且图29C展示了具有深度知觉的相同区域的侧视/截面图。

图30示出了根据本发明的一实施例的靶的区域1020，其包括呈球形式的微结构718的阵列，微结构718包括x射线产生材料。如图所示的阵列被排列成嵌入于基板表面中的阵列。图30A展示了此实施例中的十六个嵌入式微结构704的透视图，而图30B示出了相同区域的俯视图，并且图30C展示了相同区域的侧视/截面图。

制造如图30所示的嵌入式球的区域在某些实施例中可能具有有利的机械刚性或者较低的制造成本，但是材料可能沉积到基板中的球形腔中，在基板中形成球形腔可能会面临着过程挑战。因此，在某些实施例中，可能在基板中形成半球形腔，然后向基板中的半球形腔填充x射线产生材料或者预制的球可以沉积在表面上并且被沉积的外涂层材料包住。

如先前所讨论，尽管本文所公开的各种示例可能被图示为具有微结构的有序周期性或规律性阵列，但是离散微结构的相对位置、大小和形状无需为有规律的、周期性的或均一的。具有一定大小分布的微结构、且微结构之间的间距能够具有一定距离范围的布置也可能是有用的。

对于某些实施例，可以使用各种度量来确定包括x射线产生材料的微结构的大小和分布。微结构可以被指定为靶内的预定厚度D，其中，如之前所讨论，D可以被选择为在给定x射线产生材料中给定能量电子的电子穿透深度的特定分数(诸如30％或50％)或者可以是容许的深度范围。微结构可以规定为其横向尺寸L和W并不超过D多于特定倍数(例如，2倍或3倍)，并且任何个别微结构距相邻微结构不小于预定距离d。或者，微结构可以规定为其横向尺寸L和W并不超过x射线衰减长度(特定能量的x射线束强度降低1/e倍的长度)，对于不同的应用而言，x射线衰减长度不同。

在最一般的情况下，可以通过限定待暴露于电子的整个面积到包括x射线产生材料的厚度D的体积分数而规定包括微结构的区域。例如，如果将钨(W)的微结构用于60keV电子，从表II得到的穿透深度为2.41微米，并且D＝1微米的值将表示穿透深度41％的厚度。可以通过使用图23的棋盘阵列或者不同大小和形状的微结构的更随机分布(只要在包括微结构但不包括周围靶基板的靶区域中，x射线产生材料相对于基板材料的体积分数为约50％)来实现限定厚度D＝1μm的初始层50％的体积分数。这种构造可以例如提供在用于传热的附加表面积方面的优点。

x射线产生区域的体积分数也可以设置为不同的值，取决于电子能量、x射线产生材料特性和基板再吸收特性。对于需要特定特征线的某些应用，可能优选具有更低体积分数的构造。对于发射谱的其它变化，诸如波长范围的变化，可能优选更高的体积分数，更高的体积分数增加了韧致辐射。一般而言，对于各种应用，第一层厚度D中的体积分数可以设置为15％与85％之间。

或者，在某些实施例中，可以预先制备x射线产生材料的球形微结构，并且然后将球形微结构分散到基板表面上。可以使用将微结构固定就位的过程，特别是在需要微结构定位于有规律的阵列中的情况下(如图30所示)。这之后是沉积过程，沉积过程将这些球形微结构包入到导热材料中。在某些实施例中，这可以是仅根据其导热特性进行选择的材料，而在其它情况下，沉积材料可以选择为热导率和电导率都有益的所选材料的混合物，并且包入材料也用作导电层，导电层提供接地路径。

在另一实施例中，包括x射线产生材料的微结构的分布无需限制为均一的球，而是可以是各种粒度和形状的多种粒子。这在图31中示出，其中，根据本发明的靶的区域1021包括非均一的微结构。同样，在类似实施例中，根据本发明的靶的区域1022可以包括不仅不同大小和形状的微结构，而且还包括不同材料组成的微结构，如图32所示。

到目前为止，展示了布置为平面构造的实施例。它们通常更易于实施，因为从使用平面金刚石的微机电系统(MEMS)应用的加工装置和从半导体工业的加工硅晶片已知沉积的装备和过程配方、蚀刻和其它平面加工步骤。

然而，在某些实施例中，可能需要具有附加三维(3D)特性的表面。如先前所讨论，当电子束大于电子穿透深度时，当平行于表面观测时，即以0度(0°)出射角，表观x射线源大小和面积最小(并且亮度最大)。因此，当以0°出射角观测时，出现x射线发射的表观最大亮度。在发射以0°穿过材料传播时，来自x射线产生材料内的发射将累加。

然而，利用基本上均一材料的延伸靶，随着x射线穿过材料传播到表面，在靶内在x射线原点之间的x射线的衰减随着出射角减小而增加，这归因于在材料内行进的较长距离，并且在0°出射角或者接近0°出射角，常常变得最大。再吸收因此可以抵消在接近0°观测到的任何增加的亮度。x射线束强度减小1/e所经过的距离被称作x射线衰减长度，因此，可能需要所发射的x射线经过尽可能少的附加材料的构造，且距离的选择与x射线衰减长度有关。

在图33中展示了靶的一实施例的视图。在图33中，包括单个微结构2700的x射线产生区域被构造为搁架2002上基板的凹陷边缘2003处或附近，类似于图10所示的情形。x射线产生微结构2700呈x射线产生材料的矩形条的形状，嵌入于基板2000中并且当被电子111轰击时发射x射线2888。

为了最佳热性能，该条的厚度D(沿着靶的表面法线)被选择为入射电子能量对该x射线产生材料的电子穿透深度的三分之一与三分之二之间。其也可以选择为在竖直方向上获得所需要的x射线源大小。条的宽度W被选择为在相对应方向上获得所需要的源大小。如图所示，W≈1.5D，但是可以显著更小或更大，取决于所需要的源斑点大小。

如图所示的条的长度L是L≈4D，但是可以是任何尺寸，并且通常可以确定为对于选定x射线产生材料，在x射线衰减长度的1/4至3倍之间。如图所示，在搁架的边缘与x射线产生材料边缘之间的距离p是p≈W，但是可以被选择为任何值，从与边缘2003齐平(p＝0)到多达1mm，取决于基板材料的x射线再吸收特性、相对热特性和当被电子轰击时预期将产生的热量。

在图34中展示了本发明的某些实施例的替代靶的图示。在此所示实施例中，包括有六个微结构2701、2702、2703、2704、2705、2706的x射线产生区域的本发明的靶被构造成在或靠近搁架2002上基板的凹陷边缘2003，类似于图10和图33所示的情形。x射线产生微结构2701、2702、2703、2704、2705、2706排列为嵌入于基板2000中x射线产生直四棱柱的线性阵列并且当被电子111轰击时发射x射线2888-D。

在此实施例中，x射线产生材料的总体积与图33的先前视图相同。为了最佳热性能，条的厚度D(沿着靶的表面法线)被选择为入射电子能量对x射线产生材料的电子穿透深度的三分之一与三分之二之间，如在图33中所示的情况中那样。条的宽度W选择为获得在相对应方向上所需要的源大小并且如图所示，W≈1.5D，如在图33中所示的情况中那样。如先前所讨论，其也可显著更小或更大，取决于所需要的源斑点大小。

然而如图33所示的长度为L的单个条2700被6个子条2701、2702、2703、2704、2705、2706替换，其中每个子条具有长度1＝L/6。尽管(当用相同电子密度轰击时)x射线产生的体积相同，每个子条现具有五个面向基板内传热，增加了从x射线产生子条2701-2706向基板内的传热。如图所示，在子条之间的分隔距离为d≈1，但也可以使用更大或更小的尺寸，取决于由基板吸收的x射线量和在x射线产生微结构2701-2706的具体材料与基板2000之间可实现的相对热梯度。

同样，如图所示，在搁架边缘与x射线产生材料的边缘之间的距离p为p≈W，但是可以选择为任何值，从与边缘2003齐平(p＝0)到多达1mm，取决于基板材料的x射线再吸收特性、相对热特性和当用电子轰击时预期将产生的热量。

对于如图34所示的构造，x射线产生子条的总长度将通常为x射线在x射线产生材料中的线性衰减长度的约二倍，但是可以选择为该距离的一半至超过3倍。同样，为了最佳热性能，该条的厚度(沿着靶的表面法线)D选择为等于入射电子能量对x射线产生材料的电子穿透深度的三分之一至三分之二，但其也可以显著更大。其也可以选择为获得在该方向上近似相等的所需要的x射线源大小。

如图所示，条可以嵌入于基板(如图所示)中，但是如果在x射线产生材料中的热负荷不太大，它们也可以放置于基板顶部上。

在图35中展示了本发明的另一实施例，该图示出了根据本发明的一实施例的靶的区域2001，其具有微结构2790和2791的阵列，微结构2790和2791包括x射线产生材料，具有厚度D。如图所示的该阵列是直四棱柱的修改的棋盘图案，但是也可以使用微结构的其它构造和阵列。

如在其它实施例中，这些微结构2790和2791嵌入于基板表面中。然而，基板表面包括预定非平面形貌，并且在此特定情况下，包括沿着基板2000的平面法线的多个梯级。如图所示，每个梯级的高度为h≈D，但是梯级高度可以选择为微结构厚度的1倍与3倍之间。所有梯级的总高度可以选择为等于或小于沿着竖直(厚度)方向的所需要的x射线源大小。

微结构化区域的总宽度可以等于在相对应方向上所需要的x射线源大小。总体外观类似于x射线源楼梯。图35A展示了在此实施例中十八个嵌入式微结构2790和2791的透视图，而图35B示出了相同区域的俯视图，并且图35C展示了相同区域的侧视/截面图。当基板是铍、金刚石、蓝宝石、硅或碳化硅时，导电层可以涂布于楼梯结构顶部上。

图36示出了当由电子111轰击时图35C的楼梯实施例的x射线发射2888-S。如在其它实施例中那样，当电子与x射线产生材料棱柱碰撞时，x射线产生材料棱柱升温，并且x射线产生材料棱柱中每一个具有与基板2000成热接触的五个侧面，从x射线材料传走的热量仍大于x射线材料沉积到表面上的构造。仍然，朝向一侧，发射没有被其它相邻棱柱吸收衰减以及被相邻基板材料极小衰减的x射线。

因此来自每个棱柱的x射线的亮度将增加，特别是当与例如来自图23的实施例的x射线发射相比时，图23也示出了排列成棋盘图案的x射线产生材料的多个棱柱700和701。在图23的构造中，每个棱柱嵌入于基板中，因此具有与基板1000成热接触的五个表面，但以0度向个这侧面发射将既由相邻列的棱柱也由基板材料衰减。

这种包括带特定形貌的靶的实施例也可以通过以下步骤来制成：首先制备具有特定形貌的基板，并且然后嵌入x射线材料棱柱，之后是先前所描述的平面基板的制造过程。或者，初始步骤形成腔，腔将被填充x射线材料，可以加强这种初始步骤以在初始平坦的基板中形成楼梯形貌结构。在任一情况下，如果需要向嵌入的棱柱叠加特定形貌特点，可以采用附加的对准步骤，诸如在平面加工领域中技术人员熟知的那些步骤。

可以离楼梯边缘某些距离来嵌入微结构，如图35和图36所示，或者与边缘齐平(如在图9中所示)。可以根据x射线产生材料和基板的确切特性确定适合于具体应用的构造，这样例如，可以比较相比于四个表面传热，通过五个表面传热得到的增加的电子电流所实现的额外亮度与相比于通过一段基板材料的再吸收，以自由空间发射实现的额外亮度。与可实现的亮度增加相比，可能需要考虑与对准和叠加步骤以及将多个棱柱图案化到多个层上可能需要的多个加工步骤相关联的附加成本

到目前为止所描述的实施例描述了多种x射线靶构造，x射线靶构造包括多个微结构，微结构包括可以在x射线源中用作靶的x射线材料以产生具有增加亮度的x射线。这些靶构造被描述为被电子轰击并且发射x射线，但是可以在原来的常规源中用作静态x射线靶，用本发明的靶来替换图1的透射x射线源08的靶01或者替换图2的反射x射线源80的靶100以形成反射性x射线源。

所描述的实施例也可以同样适用于移动x射线靶，例如用根据本发明的靶来替换图6的旋转阳极x射线源80的靶500。

图37示出了被构造为旋转阳极2500的本发明的实施例。在旋转阳极2500的外环带上，形成了多个x射线产生材料，并且可以通过先前所描述的过程形成。在图37所示的实施例中，示出两种不同材料，每种具有呈环圈2508和2509或者方形结构2518和2519的形式的各种微结构。

如在常规旋转阳极中，电子轰击靶阳极2500的边缘，边缘可能是斜面，就像常规旋转阳极那样具有斜面，并且电子束源将电子束导向到靶阳极2500的斜面边缘2510上，从靶斑点2501产生x射线。在靶斑点2501产生x射线时，其升温，但是当靶阳极2500旋转时，热斑点从靶斑点2501移走，并且电子束现辐照靶阳极2500较冷的部分。热斑点具有一个旋转的时间来冷却，之后在电子束经过热斑点2501时变得被再次加热。通过持续地旋转靶阳极2500，单个斑点从未变得太热，但可以提供连续x射线源。

如在先前所描述的旋转阳极系统中，附加冷却通道可以设置于旋转阳极中以进一步冷却阳极，允许更高电压或更高电流密度的电子轰击以得到更亮的x射线源。然而，如果在旋转阳极中的靶材料使用根据本文所公开的发明的多个微结构，改进的热特性可以允许更高的电子功率加载。这允许更高亮度的x射线源，因为一旦能适应附加热负荷，电子能量和电流可以增加。或者，可以使用热效益来允许相同亮度的旋转阳极源，但是利用更容易设计的部件，诸如更低电压、更低电流或更缓慢的阳极旋转速度。

4.制造过程。

制造根据本发明的靶的方法涉及多个步骤，这些步骤在图38的流程图和图39至图40的截面图中示出。

4.1.选择基板。

在初始步骤，选择合适材料的基板3000。在图39A中，这由标记为“1)”的步骤表示。如上文所讨论，这将通常是根据各种物理和热特性和特别地低质量密度、低Z和高热导率选择材料。在表I中列出了基板材料的若干候选材料，具有高热导率的若干材料(即，热导率大于100W/(m℃)的材料)。在这些材料中，金刚石是出色的可能基板。在室温，热导率是～2200W/(m℃)，是已知任何材料的最高值之一。在大约-120℃的较低温度，这个值可以增加到大约三倍更高。

可以从德国弗莱堡(Freiburg)的Diamond Materials GmbH购买到下面这种晶片：CVD生长的金刚石直径高达120mm并且具有高达2mm厚的金刚石涂层。也可以从例如，伊利诺州罗密欧维尔(Romeoville，IL)的Advanced Diamond Technologies，Inc.或者加利福尼亚圣克拉拉(Santa Clara，CA)的sp3Diamond Technologies购买到涂布了金刚石或者在绝缘体上金刚石(DOI)的硅基板。诸如由宾夕法尼亚东彼得斯堡(East Petersburg，PA)的Richter Precision制造的那些类金刚石(DLC)膜也可以用作基板材料。

铍也可以是基板材料的候选者。具有低原子序数(Z＝4)，铍重量很轻并且特别地对x射线透明，并且因此不太可能会成为干涉来自嵌入于基板内的多个微结构的x射线的连续谱x射线源。铍晶片可以在市场上购自例如加利福尼亚洛杉矶的American Elements，Inc.和纽约法明代尔的Atomergic Chemetals Corporation。

可适合用作基板的其它材料是石墨、硅、氮化硼、氮化镓、碳化硅和蓝宝石。其它合适材料也可以是本领域技术人员已知的。

4.2.图案化基板。

一旦选择了基板，如图38所示的下一步骤3100是图案化基板3001，如图39A所示。有若干已知方案来图案化金刚石用于MEMS应用、纳米压印光刻和其它方法过程。[参看，例如，H.Masuda等人，″Fabrication of Through-Hole Diamond Membranes by PlasmaEtching Using Anodic Porous Alumina Mask″，Electrochemical and Solid-StateLetters，第4(11)卷，第G101-G103页(2001)；Y.Ando等人，″Smooth and high-ratereactive ion etching of diamond″，Diamond and Related Materials第11卷(2002)，第824-827页(2002)；X.D.Wang等人，″Precise patterning of diamond films for MEMSapplication″，J.Material Processing Technology第127卷，第230-233页(2002)；以及J.Taniguchi等人，″Diamond Nanoimprint Lithography″，Nanotechnology第13卷，第592-596页(2002)；以及，D.S.Hwang、T.Saito和N.Fujimori，″New etching process fordevice fabrication using diamond″，Diamond&Related Materials第13卷，第2207-2210页(2004).]

在上文所引用的Masuda等人的方法过程中，使用多孔氧化铝掩模来图案化大约3mm厚的抛光多晶金刚石膜。使用碳化硅模具预先制备掩模以纹理化铝表面，随后通过阳极化过程来氧化铝表面。以此方式形成的氧化铝膜具有孔隙，孔隙的位置由SiC模具上的纹理决定。然后从铝基板移除膜并且转移到金刚石表面。然后使金刚石经受氧反应离子蚀刻过程，其中，多孔氧化铝膜充当掩模。这个过程步骤3100的代表性步骤由图39A中以“a)”、“b)”、“2)”、“3)”和“4)”表示的相对应步骤示出。

在图39A步骤“a)”中，形成掩模3060并且在基板3050上图案化。掩模可以是例如在铝基板上图案化的氧化铝。在步骤“b)”中，移除掩模。在步骤“2)”中，掩模3060附连到基板3000上。在步骤“3)”中，掩模和基板经历图案转移步骤，诸如氧反应性离子蚀刻(RIE)，从初始基板3000形成图案化基板3001。在步骤“4)”中，移除掩模3060，并且留下图案化基板3001。

或者，可以使用常规光刻过程来图案化基板。其可以包括向基板涂布光刻胶诸如HSQ并且使用电子束或紫外线光子以表示希望在晶片上形成的所需要结构的图案使抗蚀剂曝光。然后使抗蚀剂显影以移除暴露的区域，使基板裸露。然后利用合适蚀刻过程(诸如利用氧气的反应性离子蚀刻(RIE))对基板与图案化抗蚀剂组合进行加工，合适蚀刻过程将抗蚀剂中的图案转印到基板上。一旦完成了这个步骤，移除过量抗蚀剂，留下与图39A和图39B中的步骤“4)”中标记的图案化基板3001基本上相同的图案化基板。

在上文所描述的光刻图案化过程的变型中，基板可以被涂布特殊选择的材料，特殊选择的材料用作硬掩模以图案化基板。在此情况下的步骤为：将硬掩模涂布到基板上，将抗蚀剂涂布到硬掩模上，利用电子或光学曝光来图案化抗蚀剂，使抗蚀剂显影，将图案从抗蚀剂转印到硬掩模内，并且将图案从硬掩模转印到基板内，留下与图39A和图39B中的步骤“4)”表示的图案化基板3001基本上相同的图案化基板。这种光刻过程和其变型是本领域技术人员熟知的。

在上文所讨论的光刻图案化过程的其它替代方案中，也可以使用聚焦离子束等机器直接离子铣削基板。也可以使用其它技术，诸如激光蚀刻来图案化基板。

4.3.嵌入x射线材料

一旦基板被图案化，下一步骤是向图案化腔3300内沉积材料，材料能生成所需要特征的x射线。这可以通过许多熟知的沉积技术来进行(取决于材料)，包括化学气相沉积(CVD)、溅镀、电镀、机械冲压或本领域技术人员已知的其它技术。各种材料可以选择用作x射线产生材料，包括铝、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、镓、锌、钇、锆、钼、铌、钌、铼、铑、钯、银、锡、铱、钽、钨、铟、铯、钡、金、铂、铅和其组合与合金。

以图39B中“5)”表示的相对应步骤示出了此过程步骤3300的代表性步骤。

一旦沉积了x射线材料，在基板上通常存在过量材料。下一步骤利用机械/研磨型抛光过程或者化学机械抛光(CMP)过程来抛光3500，移除过量材料，在图案化基板3001中留下腔，腔现被填充x射线的离散微结构3401，如在图39B中以“6)”表示的相对应步骤示出。

4.4.替代粘合剂

当结合某些基板使用时，某些材料可以形成界面层，界面层提供二者之间良好的结合。例如，对于选定的x射线材料诸如钨，钨材料3400到图案化金刚石基板3001上的CVD沉积可能足以填充金刚石中的腔，其中钨形成在钨与碳之间边界中的强碳化物键。然而，对于其它材料，诸如铜，使用粘合剂层，诸如在铜与金刚石基板之间沉积10nm厚钛(Ti)或铬(Cr)层可能优选地用于改进阳极的机械完整性，通过增加在两种材料之间的粘附和在某些情况下，通过防止材料从一个区域扩散到另一个区域来实现。

在图40中以“5)”、“5a)”、“6a)”和“7a)”表示的相对应步骤示出了这个过程步骤的代表性步骤。

在图40中，始于图案化基板3001，步骤“5a)”示出了合适粘附层3350沉积到图案化基板3001上。典型粘附层3350可以是铬(Cr)或钛(Ti)层，当使用铬(Cr)或钛(Ti)层时，例如铜(Cu)用作x射线材料。其它材料可以包括靶材料的碳化物合金，诸如用于铜的碳化铜(CuC)或者用于铝的碳化铝(AlC)。此外，可以使用本领域技术人员已知的对于两种材料具有良好粘附性的其它材料。作为示例，钼常常用作铜的屏蔽层。而且，多层材料，诸如碳化钛(TiC)双层或碳化铬(CrC)双层可以用作粘附层。粘附层的厚度可以随着x射线材料和基板材料的选择而不同，但是通常大约为10mm厚。在沉积之后，沉积步骤之后是碳化步骤，以与基板形成碳化物化合物。在其它实施例中，碳化物材料可以直接沉积以提供粘附层。

4.5.外涂层。

一旦基板被图案化，并且填充腔以形成x射线材料的微结构，下一步骤是沉积传导层，使得撞击于x射线材料上的电子将具有接地路径。

在图39B中以“7)”表示的相对应结果示出了用于这个过程步骤3700的代表性视图。

所沉积的材料3750可以是多种导电材料中的任何材料，诸如铍(Be)、铝(Al)、铬(Cr)、钛(Ti)、银(Ag)、金(Au)、铜(Cu)或碳材料诸如石墨或碳纳米管。材料可以薄到5nm或者厚达100nm，并且在某些情形下，诸如在带有填充腔的基板中存在较大形貌变化，材料可以厚达500nm。

沉积技术可以是多种沉积技术中的任何技术，包括(但不限于)化学气相沉积(CVD)、溅镀、电镀、机械冲压或本领域技术人员已知的其它技术。

在沉积了导电层之后，也可以沉积最终保护性外涂层或顶盖层。

在图39B中以“8)”表示的相对应结果示出了这个过程步骤3900的代表性视图。

所沉积的材料3950可以是多种材料中的任何材料，但是通常可以选择为与基板所用材料相同的材料诸如金刚石(C)、类金刚石(DLC)或铍(Be)或另一材料诸如碳化硅(SiC)、铬(Cr)、钼(Mo)、铑(Rh)和钯(Pd)。材料可以薄至100nm或者可以厚达50μm。

沉积技术可以是多种沉积技术中的任何技术，包括(但不限于)化学气相沉积(CVD)、溅镀、电镀、机械冲压或本领域技术人员已知的其它技术。

为了与下面的层具有良好的粘附，沉积顶盖层之前可以沉积粘附层，诸如碳化钛(TiC)以形成用于金刚石生长的种晶层。沉积可以很薄，可能在1nm与5nm之间，以提供这种种晶层。

4.6.过程组合。

一旦完成了这些步骤，在图39B中以“8)”表示的最终物体包括基板，基板包括多个x射线产生材料的微结构，这些微结构适合于用作x射线源中的靶。

尽管以特定顺序描述了某些过程步骤，应了解某些步骤可以以不用次序执行或者可以彼此组合以实现类似结果。

例如，描述了在沉积顶盖层之前形成导电层，但是可以使用组合这些功能的一个层(即，导电顶盖层)诸如图19所示的层。同样，可以重复某些过程步骤以沉积多层靶材料，如图18所示。

而且，可以通过重复过程步骤(或其部分)来形成如图21所示的多层微结构，如在这部分中所描述。

Claims (52)

1.一种x射线源，包括：

真空腔室；

对于x射线透明的窗口，其附连到所述真空腔室的壁上；

在所述真空腔室内的至少一个电子束发射器；

在所述真空腔室内的至少两个靶，所述至少两个靶中的每个靶包括：

基板，其包括第一选定材料；以及

多个离散结构，其包括根据其x射线产生特性选择的第二材料，

其中，所述多个离散结构中每一个与所述基板成热接触；

所述离散结构中至少一个具有小于10微米的厚度；以及

所述离散结构中所述至少一个的每个横向尺寸小于50微米；以及

至少一个x射线光学元件，所述至少一个x射线光学元件被定位成使得从所述至少两个靶中的一个靶发射的x射线由所述至少一个x射线光学元件导向至所述至少两个靶中的另一个靶上。

2.根据权利要求1所述的x射线源，其中，

所述多个离散结构嵌入于所述基板表面内。

3.根据权利要求1所述的x射线源，其中，

所述多个离散结构埋入于所述基板表面内小于100微米的深度内。

4.根据权利要求1所述的x射线源，还包括：

用于将从所述至少一个电子束发射器发射的电子束导向至所述至少两个靶上的器件。

5.根据权利要求4所述的x射线源，其中，

用于导向电子束的器件包括电子光学器件。

6.根据权利要求4所述的x射线源，其中，

用于导向电子束的器件包括静电透镜。

7.根据权利要求4所述的x射线源，其中，

用于导向电子束的器件包括磁透镜。

8.根据权利要求4所述的x射线源，其中，

所述用于导向电子束的器件允许通过选自下列的操作来控制所述电子束：

聚焦、发散、散焦、扫描、光栅-扫描、停留、消隐、扫动、改变射束方向、改变射束强度分布、形成多个电子束、改变束电流密度和改变电子束中的电子加速度。

9.根据权利要求4所述的x射线源，其中，

所述用于导向电子束的器件允许将所述电子束聚焦为在至少一个尺寸上小于30微米的斑点大小。

10.根据权利要求4所述的x射线源，其中，

所述用于导向电子束的器件允许以一定图案来导向所述电子束，所述图案对应于所述多个离散结构中至少某些的位置。

11.根据权利要求10所述的x射线源，其中，

所述用于导向电子束的器件允许以一定图案来导向所述电子束，所述图案对应于所述多个离散结构中至少某些的位置，其中，所述图案在时间上响应于来自监视所述发射的x射线的预定特性的检测器的信号而被调适。

12.根据权利要求11所述的x射线源，其中，

所述发射的x射线的预定特性选自下列：

亮度、辉度、总强度、通量、能谱、射束分布和射束发散。

13.根据权利要求1所述的x射线源，其中，

所述多个离散结构被排列成线性阵列。

14.根据权利要求1所述的x射线源，其中，

所述多个离散结构的形状选自下列：

正棱柱、直四棱柱、立方体、三棱柱、梯形棱柱、锥体、四面体、圆柱、球形、和卵形体。

15.根据权利要求1所述的x射线源，其中，

所述第一选定材料选自下列：

铍、金刚石、石墨、硅、氮化硼、碳化硅、蓝宝石和类金刚石。

16.根据权利要求1所述的x射线源，其中，

所述第二材料选自下列：

铝、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、镓、锌、钇、锆、钼、铌、钌、铑、钯、银、锡、铱、钽、钨、铟、铯、钡、金、铂、铅和其组合及合金。

17.根据权利要求1所述的x射线源，其中，

所述多个离散结构的子集包括根据其x射线产生特性而选择的第三材料。

18.根据权利要求17所述的x射线源，其中，

所述第三材料选自下列：

铝、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、镓、锌、钇、锆、钼、铌、钌、铑、钯、银、锡、铱、钽、钨、铟、铯、钡、金、铂、铅和其组合及合金。

19.根据权利要求1所述的x射线源，其中，

所述离散结构中的至少一个定位于离所述基板边缘500微米内。

20.根据权利要求13所述的x射线源，其中，

所述线性阵列被限定为具有长轴线和短轴线；以及

所述线性阵列的所述长轴线与所述窗口对准；以及

在所述长轴线与所述窗口之间的交点，所述长轴线与所述窗口的表面法线之间的角度小于85度。

21.根据权利要求20所述的x射线源，其中，

所述离散结构中的至少一个定位于离最靠近所述窗口的所述基板边缘500微米内。

22.根据权利要求4所述的x射线源，其中，

所述至少两个靶中的至少一个靶的离散结构对准使得当向所述电子束暴露时由所述多个离散结构中的预定离散结构发射的x射线透射通过所述多个离散结构中的另一离散结构。

23.根据权利要求20所述的x射线源，其中，

所述至少两个靶被对准使得当向电子束暴露时由多个离散结构中预定数量的离散结构发射的x射线透射通过所述多个离散结构中的一个预定离散结构。

24.根据权利要求1所述的x射线源，还包括：

冷却系统，其包括：

储集器，其用于储存冷却流体；

在所述基板内用于传导所述冷却流体的通道；

附加通道，其用于将所述冷却流体从所述储集器传导至所述基板中的通道；

附加通道，其用于将所述冷却流体从所述基板中的所述通道传导至所述储集器；以及

泵送机构，其泵送所述冷却流体通过所述冷却系统。

25.根据权利要求1所述的x射线源，还包括：

用于使所述至少两个靶旋转的机构。

26.一种x射线源，包括：

真空腔室；

对于x射线透明的第一窗口，其附连到所述真空腔室的壁上；

在所述真空腔室内的一个或多个电子发射器；

在所述真空腔室内的多个x射线靶，其中每个x射线靶包括根据x射线产生特性而选择的第一材料，并且其中所述第一材料中的至少一个尺寸小于20微米，并且所述一个或多个电子发射器和所述多个x射线靶被对准，使得电子对所述x射线靶轰击生成x射线子源，从而所述x射线子源沿着穿过所述第一窗口的轴线被对准；以及

x射线光学元件，所述x射线光学元件被定位成使得由x射线子源发射的x射线由所述x射线光学元件导向至相邻的x射线子源。

27.根据权利要求26所述的x射线源，其中，

所述第一材料是选自下列：

铝、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、镓、锌、钇、锆、钼、铌、钌、铑、钯、银、锡、铱、钽、钨、铟、铯、钡、金、铂、铅和其组合及合金。

28.根据权利要求26所述的x射线源，其中，

预定x射线能谱的x射线靶中至少一个的x射线透射率大于50%。

29.根据权利要求28所述的x射线源，其中，

所述预定x射线能谱对应于至少一个x射线子源的发射谱。

30.根据权利要求26所述的x射线源，其中，

所述x射线靶中的至少一个还包括基板。

31.根据权利要求30所述的x射线源，其中，

所述基板包括选自下列的材料：

铍、金刚石、石墨、硅、氮化硼、碳化硅、蓝宝石和类金刚石。

32.根据权利要求30所述的x射线源，其中，

所述第一材料呈在所述基板上的薄膜的形式。

33.根据权利要求26所述的x射线源，其中，

所述多个x射线靶中的至少一个x射线靶包括嵌入于基板中的多个离散结构，所述基板包括热导率大于0.1 W m^-1℃^-1的材料；

并且其中所述离散结构包括根据其x射线产生特性而选择的材料。

34.根据权利要求33所述的x射线源，还包括：

用于从所述电子发射器中至少一个向所述至少一个x射线靶上的一个或多个位置导向电子束以形成x射线子源的器件。

35.根据权利要求34所述的x射线源，其中，

用于导向电子束的器件包括电子光学器件。

36.根据权利要求33所述的x射线源，还包括：

用于对准所述电子束中的每一个使得由所述电子束轰击所述x射线靶所产生的所有x射线子源的中心沿着穿过所述第一窗口的轴线对准的器件。

37.根据权利要求26所述的x射线源，其中，

至少两个相邻的x射线子源共用共同基板。

38.根据权利要求26所述的x射线源，其中，

所述x射线光学元件包括掠入射x射线反射器。

39.根据权利要求38所述的x射线源，其中，

所述x射线光学元件包括x射线反射器，所述x射线反射器包括多层涂层。

40.根据权利要求38所述的x射线源，其中，

所述x射线光学元件包括x射线发射器，所述x射线发射器具有厚度大于20nm的涂层并且包括具有高质量密度的材料。

41.根据权利要求38所述的x射线源，其中，

所述x射线光学元件包括Wolter光学器件。

42.根据权利要求38所述的x射线源，其中，

所述x射线光学元件包括多毛细管光学器件。

43.根据权利要求38所述的x射线源，其中，

所述x射线光学元件包括椭圆形毛细管光学器件，所述椭圆形毛细管光学器件被定位成使得所述x射线的焦点对应于两个相邻的x射线子源的中心。

44.根据权利要求38所述的x射线源，还包括：

第二x射线光学元件;

所述第二x射线光学元件被定位成使得由x射线子源发射的x射线进入所述第二x射线光学元件并且导向至所述真空腔室内的预定位置。

45.根据权利要求26所述的x射线源，还包括：

对于x射线透明的第二窗口，其附连到所述真空腔室的壁上，使得所述x射线子源沿着穿过所述第一窗口和第二窗口的线对准。

46.根据权利要求45所述的x射线源，还包括：

x射线检测器，所述x射线检测器被对准使得由所述x射线子源中至少一个发射的x射线落于所述x射线检测器上。

47.一种x射线源，包括：

真空腔室；

对于x射线透明的第一窗口，其附连到所述真空腔室的壁上；

在所述真空腔室内的第一电子束发射器；

在所述真空腔室内的第二电子束发射器；

在所述真空腔室内的靶，所述靶包括：

基板；

第一结构，包括根据其x射线产生特性而选择的第一材料；以及

第二结构，包括根据其x射线产生特性而选择的第二材料，其中:

所述第一结构和所述第二结构中的至少一个包括被嵌入于所述基板中的一个或多个微结构，其中所述一个或多个微结构中的至少一个具有小于10微米的厚度和小于50微米的横向尺寸；以及

x射线光学元件，所述x射线光学元件被定位成使得由所述第一结构发射的x射线由所述x射线光学元件导向至所述第二结构。

48.根据权利要求47所述的x射线源，还包括：

多对电子束发射器，所述多对电子束发射器包括所述第一电子束发射器和所述第二电子束发射器；以及

包括所述靶的多个靶。

49.根据权利要求47所述的x射线源，其中，

所述第一结构的第一材料和所述第二结构的第二材料选自下列：

铝、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、镓、锌、钇、锆、钼、铌、钌、铑、钯、银、锡、铱、钽、钨、铟、铯、钡、金、铂、铅和其组合及合金。

50.根据权利要求47所述的x射线源，其中，

所述基板包括选自下列的材料：

铍、金刚石、石墨、硅、氮化硼、碳化硅、蓝宝石和类金刚石。

51.根据权利要求47所述的x射线源，其中，

所述第一结构和所述第二结构中至少一个是在所述基板表面上的薄膜涂层。

52.一种产生x射线的方法，包括：

提供至少一个靶，所述至少一个靶包括：

基板，其包括第一选定材料；以及

多个离散结构，其包括根据其x射线产生特性而选择的第二材料，

其中，所述多个离散结构中每一个离散结构与所述基板成热接触；

所述离散结构中的至少一个离散结构具有小于10微米的厚度；以及

所述离散结构中的所述至少一个离散结构的每个横向尺寸小于50微米;

向电子束暴露所述至少一个靶，所述电子束被成形以暴露所述多个离散结构；并且

将所述离散结构中的一个离散结构所生成的x射线聚焦到所述离散结构中的另一个离散结构上。