CN110945620A - 产生射频调制的x射线放射的器件 - Google Patents

Abstract

描述了一种用于产生受控的射频(RF)调制的X射线放射的器件和方法。该器件包括容纳于真空罩内的阳极，该阳极用来加速并将电子束转换为X射线放射。RF罩位于真空罩内，且内含一个场致发射器件，比如碳纳米管场致发射器件或类似的冷阴极场致发射器件。场致发射器件被施加偏压以经由RF罩中的引出电极从场致发射阴极向阳极发射电子束。另外，RF阻抗匹配和耦合电路与场致发射器件电连接。由此，利用RF信号直接驱动场致发射器件以产生RF调制的电子电流，从而产生RF调制的X射线放射。

Description

产生射频调制的X射线放射的器件

优先权文件

本申请要求2017年5月25日提交的发明名称为“用于产生射频调制的X射线放射的器件”的澳大利亚临时专利申请第2017901986号的优先权，其全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明一般地涉及用于产生X射线放射的器件，尤其涉及使用带有场致发射阴极源的真空管来产生射频调制的X射线放射的器件。本发明适合用于将碳纳米管用作场致发射阴极源的器件，而且结合该示例性但非限制性的应用来描述本发明会比较方便。

背景技术

现有的X射线放射源使用来自被加热阴极的热电子发射，该热电子发射要么直接从灯丝发出，要么从被灯丝加热的阴极电极发出。这些器件释放电子通量，该电子通量是阴极源温度和在阴极附近出现的施加电场的函数，该电场是从真空管中的阳极和其他电极(比如聚焦电极和栅电极)施加的。这些源的局限性在于，作为基线阴极发射机制的结果，它们具有相对较低的带宽频率响应。

对阴极-栅电压的调制产生电子束电流的相应调制，但是对于最小电流来说，无畸变的振幅幅度受限于使电子离开阴极的最小电场，而对于最大阴极电流来说，无畸变的振幅幅度受限于阴极的温度。以更高的温度操作灯丝或阴极以实现更高的最大电子通量导致灯丝寿命的急剧下降。为了增加振幅幅度的等级和最大调制频率而又不牺牲灯丝寿命，理想地，阴极基线发射必须服从需要。这在高频下对于热离子源是不可能的，因为灯丝块的热时间滞后。

在使用真空管的射频(RF)功率放大器领域，有很多技术可用于增加特定设计的最大可用放大频率。对于UHF波段，一旦电子束已经形成并使用螺旋耦合/去耦系统正在从阳极中的束孔向捕获电极飞行时，行波管依赖于对电子束进行调制。电子的聚束以及与螺旋磁场的相互作用在输出端产生电压增益和RF功率增益。来自原始电子源的大量电能作为热量浪费在捕获电极上。

在使用真空管的VHF功率放大器的情况下，管设计中的一个重要因素是减小阴极-栅电容和阴极-阳极电容。这些管放大器依靠外部电子电路将调制后的电子束电流转换为射频电压，电压的幅度主要受限于外部源以及真空管的跨导曲线。然后通过阻抗匹配电路转换RF电压，以与想要的负载(例如，天线或RF焊接头)一起使用。

在现有的热电子或“热”X射线放射源中，金属丝阴极被加热到产生电子，电子随后被朝着阳极加速以产生X射线。可以替代热电子源的是场致发射源或“冷”源。在场致发射管中，通过称为量子隧穿的过程从物体的尖端引出电子。然后，这些电子朝着阳极加速以产生X射线。场致发射电子源具有优于现有热电子源的三个主要优点，即，它们在室温下工作，它们可以被电子控制，以及它们具有瞬时响应。场致发射源的主要问题是管的寿命和最大功率。

最近，已经开发出碳纳米管(CNT)用作这些X射线源中的场致发射器。由于其纵横比、热稳定性和导电稳定性高，CNT成为理想的场致发射器。基于CNT的多束X射线管在断层成像系统中的最近应用已证明了图像质量显著提高，且系统设计的灵活性增加。

CNT多束管在单个真空管内产生可单独控制的X射线焦点的空间分布阵列。通过顺序扫描每个焦点，可以在不移动光源的情况下获取被成像物体的断层扫描。在不移动X射线源的情况下生成断层扫描消除移动引起的模糊，从而提高重建图像的分辨率。与X射线源的物理旋转相比，多束管中X射线焦点的空间分布确定断层扫描的几何形状。

传统上X射线源无需是RF器件，而且具有典型的接通特性，其中看到放射强度以0.1ms到1ms(毫秒)的量级上升到峰值。在多数X射线器件中的放射发射具有脉冲性质，放射发射持续时间可能短至几毫秒量级，或者如果需要高的放射剂量，持续时间长达几秒钟。这样的工作范围足以满足当前的X射线放射的大多数应用。

然而，近来，已经开发出能够产生RF调制的X射线放射的高带宽X射线源，以实现三维X射线反向散射成像。在这些器件中，X射线信号被两个RF信号调制并传输到被成像物体中。收集反向散射信号，并将RF信号的谐波模式与已知信号进行比较，以将深度信息添加到常规的X射线反向散射信号中。这些器件使用速调管调制飞行中的电子束，或通过调制用于产生X射线的线性粒子加速器器件来调制飞行中的电子束。

已经提出了用微波频率(千兆赫兹范围的高频RF)调制的X射线源用于放射治疗。X射线源阵列被布置在靶周围以照射靶材。用与靶材的共振频率匹配的微波频率对这些源进行微波频率调制，以增加被传递到靶材的能量。所提出的X射线源包括电子枪阴极和速调管以调制(飞行中的)电子通量，该电子通量被传递到被激发的靶材，以产生微波调制的X射线放射。

已经提出了高达千兆赫兹范围的RF调制的X射线放射来制作三维X射线显微镜成像系统。在该器件中，使用线性加速器方法调制X射线放射。所提出的成像系统对透射的而不是反向散射的X射线进行成像，但是使用被提出为在被成像物体中生成深度信息的类似的双RF信号调制。

然而，为了制造可在实际应用中使用的能够产生受控的射频调制的X射线放射的器件，有很多问题需要解决。所提出的设计存在许多现实的约束，包括对调制信号的带宽和畸变以及现有设计的功率、大小和精度的不期望限制。希望提供一种用于产生RF调制的X射线放射的器件，该器件能够解决这些约束条件中的一个或多个，或者至少为现有系统提供一种有用的替代方案。

发明内容

根据第一方面，提供一种用于产生受控的射频(RF)调制的X射线放射的器件，该器件包括：真空罩；容纳于所述真空罩内的阳极，该阳极用来加速电子束并将电子束转换为X射线放射；容纳于所述真空罩内的RF罩；容纳于所述RF罩内的场致发射器件，该场致发射器件被施加偏压以经由所述RF罩中的引出电极从场致发射阴极向所述阳极发射电子束；以及与所述场致发射器件电连接的RF阻抗匹配和耦合电路。

根据第二方面，提供一种使用场致发射阴极产生射频(RF)调制的X射线放射的方法，该方法包括：

a)将场致发射器件放在RF罩内，该RF罩容纳于包含靶阳极的真空罩中；

b)将RF信号直接提供给被施加偏压的场致发射器件以产生RF调制的电子电流束；

c)将所述RF调制的电子束定向或引导到所述靶阳极，以从所述靶阳极产生RF调制的X射线放射。

在一种形式中，场致发射器件包括阴极，RF阻抗匹配和耦合电路直接连接到阴极，引出电极被配置为允许RF调制的电子电流束穿过RF罩。在另一种形式中，场致发射器件包括阴极和引出电极，RF阻抗匹配和耦合电路直接连接到引出电极，引出电极被配置为允许RF调制的电子束穿过RF罩。

在一种形式中，场致发射器件包括阴极和引出电极，偏压被施加到阴极上。在另一种形式中，场致发射器件包括阴极和引出电极，偏压被施加到引出电极上。

在一种形式中，引出电极是栅引出电极。在另一种形式中，引出电极是孔引出电极。

在一种形式中，RF信号与场致发射器件阻抗匹配。在另一种形式中，阻抗匹配被集成到场致发射器件中，使得场致发射器件具有50欧姆的输入阻抗。在另一种形式中，阻抗匹配在RF罩的外部执行。

在一种形式中，该器件还包括用于控制电子束聚焦的聚焦电极。

在一种形式中，场致发射阴极由金属、半导体或绝缘体衬底上的多个碳纳米管形成。

在一种形式中，RF阻抗匹配和耦合电路可以与场致发射阴极集成在陶瓷或硅衬底上。在另一种形式中，RF阻抗匹配和耦合电路由印刷电路板上的分立元件形成，该印刷电路板被安装到所述真空罩的外部上的高压阴极馈通。

在一种形式中，真空罩是金属陶瓷真空室或玻璃管。

在一种形式中，真空罩包括X射线窗口，以向所述X射线放射提供附加的方向性。

在一种形式中，该器件还包括内部准直器，所述内部准直器容纳于所述真空罩内以提供所述X射线放射的附加方向性。

在一个或多个实施方式中，RF阻抗匹配和耦合电路还与外部RF电流源和低频高压偏置电路电连接。

在一种形式中，X射线管的极性是，阳极为正的高电势，RF罩为接地基准。在另一种形式中，X射线管的极性是，RF罩为负的高电势基准，阳极接地；或者是RF罩为负的高电势基准，阳极为正的高电势。

所述器件和方法的实施方式可以被配置为利用RF信号直接驱动场致发射器件以产生RF调制的电子电流。然后，它可以行进到阳极以产生RF调制的X射线放射。本文描述的实施方式使得能够构造用于以25kHz或更高的频率，特别是以MHz和GHz频率产生连续变化的X射线强度的小巧的器件。

附图说明

现在参考附图进一步详细描述本发明。应当理解，附图的特殊性不能取代本发明的前述说明的一般性。

图1是用于产生受控的RF调制的X射线放射的器件的第一实施方式的示意图；

图2是如下示意图，其示出在图1所示器件的一个实施方式中使用的射频阻抗匹配和耦合电路，该射频阻抗匹配和耦合电路在陶瓷/硅衬底上与CNT发射器集成在一起；

图3是用于产生受控的RF调制的X射线放射的器件的第二实施方式的示意图；

图4是如下示意图，其示出在图3所示器件的一个实施方式中使用的射频阻抗匹配和耦合电路，该射频阻抗匹配和耦合电路由安装到真空罩外部的高压阴极馈通的印刷电路板上的分立部件构成，该印刷电路板被；

图5是构成图1和图3所示器件的阴极发射器部分的集总元件模型的等效射频阻抗匹配和耦合电路的电路图；

图6的示意图示出构成图3所示器件的一部分的真空罩，以及容纳于该真空罩内的RF罩、聚焦电极、栅电极、场致发射阴极和靶阳极；

图7是测量系统的示意图，该测量系统包括用于产生RF调制的X射线放射的在此描述的基于场致发射的器件的一个实施方式、微通道板(MCP)X射线检测器以及时间积分(剂量)X射线检测器；

图8是在此描述的本发明的一个实施方式中使用的RF阻抗匹配和耦合电路的电路图，该耦合电路已被设计为覆盖从1MHz到30MHz的频率窗口；

图9A是MCP X射线检测器对3.6MHz的RF调制的X射线放射测得的测量结果，所述X射线放射来自基于场致发射的器件的一个实施方式，所述MCP X射线检测器来自图7所示的测量系统的一个实施方式；

图9B是使用时间积分剂量商用剂量测量器件对图9A所示的时间积分RF调制X射线放射测得的独立X射线剂量测量结果，所述测量器件来自图7所示的测量系统的一个实施方式；

图9C是来自图7所示的测量系统的一个实施方式的MCP X射线检测器对RF调制放射的另一测量结果，其中MCP X射线检测器被铅屏板覆盖以使X射线信号衰减，以表明图9A所示的时变信号由RF调制的X射线放射产生；

图9D是使用时间积分剂量商用剂量测量器件对图9C所示的时间积分RF调制X射线放射测得的独立X射线剂量测量结果，以表明在如图9C所示测量信号时，该器件正在产生X射线放射，所述测量器件来自图7所示的测量系统的一个实施方式。

具体实施方式

现在参考图1，其中示出了用于产生受控的RF调制的X射线放射的器件(或设备)10的实施方式，该器件包括：包围阳极电极12(比如绝缘的高压重金属阳极)的真空容器或罩11；被施加偏压以经由引出电极14从场致发射阴极13发射电子束的场致发射器件1。RF阻抗匹配和耦合电路21与场致发射器件1电连接。在该实施方式中，引出电极被示为栅电极14，其提供局部激发场以导致从场致发射阴极电极发射电子。然而，在其他实施方式中，引出电极14可以是其他形式的引出电极，例如孔引出电极。与栅电极相比，孔引出电极的损耗降低，但是要在孔上保持均匀的电场以引出电子会更加困难。在一个或多个实施方式中，真空容器11可以是浸没在金属油浴罩中的金属陶瓷真空室或玻璃管。

在该实施方式中，包括场致发射阴极、引出电极以及RF阻抗匹配和耦合电路21的场致发射器件被收存在RF罩15内(在真空罩内)。这确保了仅有局部的阴极-栅电场(或更笼统地说，场致发射阴极-引出电极电场)影响电子发射的密度。RF罩15使场致发射阴极和引出电极从阳极、聚焦场和电容脱离连接并屏蔽开来。

为了提供更大的聚焦能力，在需要时，将聚焦电极16a和16b放置在栅电极14和阳极电极12之间。

由于施加加速阳极源电压18而产生的电子束17聚焦在重金属阳极12的靶材表面上，并将入射电子能量的一部分直接转换为X射线放射19，在此处被准直仪25缩窄。

从阳极表面发射的X射线是半球形的，对真空容器11的壁或其周围的特性进行选择以防止X射线放射传播到容器11之外。在真空容器或金属油浴罩上使用X射线窗口20，以使得X射线放射只能沿该方向发射，从而为X射线放射和向真空容器之外传播提供方向性。

RF耦合和阻抗匹配电路21施加所需的偏压和电流以建立用于电子发射的阴极-栅电场，并添加射频调制电压，使得电子束电流被射频信号振幅调制而不发生畸变。从外部受控源22提供射频信号，从受控低频电流源23提供偏置功率。

RF耦合和匹配网络被设计成使得高压偏压不被施加到RF源，而且X射线管的RF输入阻抗与RF源阻抗匹配，以使功率传输最大化并降低相位畸变。偏置源和RF源均由外部控制器24控制，使得从X射线管输出的X射线符合所期望的基准信号的振幅、相位和持续时间。即，用RF信号直接驱动场致发射阴极13以产生RF调制的电子电流17，在该RF调制电子电流中，某一点处的电子通量以与输入RF频率对应的频率从零变化到最大值(在图1中由垂直包络图表示)。靶阳极将入射的电子直接转换为X射线放射，发射的X射线光子数与入射电子数成正比。因此，随着电子束以RF频率被调制，由阳极12产生的X射线放射19也被以RF频率调制。也就是说，某一点处的X射线放射的振幅(或强度)以与输入RF频率相对应的频率从零变化到最大值(在图1中由水平包络图表示)。

在该实施方式中，RF耦合和阻抗匹配电路21被真空容器11的延伸部以及为偏置源23和RF信号源22提供的分离的真空馈通连接包围。这使得RF阻抗匹配和耦合电路21和高压偏置电极28能够通过陶瓷或硅衬底27上的一个或多个垂直互连29与场致发射阴极13集成在一起，如图2所示。这样，RF阻抗匹配和耦合电路21可以集成到场致发射器件中1。

但是，在图3所示的实施方式中，用于产生受控的RF调制X射线放射的器件30包括RF耦合和阻抗匹配电路31，该RF耦合和阻抗匹配电路31位于真空容器32外部，并使用RF真空馈通连接33连接到真空容器32。在该实施方式中，RF罩34包围着场致发射阴极电极35，但不包围RF耦合和阻抗匹配电路31。图3所示的其余元件与图1相同，因此共用相同的附图标记。在该实施方式中，RF阻抗匹配和耦合电路31由分立部件或RF微带或带状线技术形成在印刷电路板38上，该印刷电路板38通过支座36a和36b挂装到真空容器上，如图4所示。

在图4所示的实施方式中，将阻抗匹配和耦合电路连接到场致发射阴极电极的RF真空馈通连接33被射频屏蔽物37a和37b屏蔽，以减少寄生信号干扰。图4所示的其余元件与图2和图3相同，因此共用相同的附图标记。

场致发射器件、引出电极以及阳极的极性和电压的各种配置都可以用于产生场致发射。在一个实施方式中，场致发射器件13包括阴极，RF阻抗匹配和耦合电路21与阴极(例如图3所示)直接连接，引出电极被配置成允许RF调制的电子电流束穿过RF罩15。在另一个实施方式中，场致发射器件1包括阴极13和引出电极14，RF阻抗匹配和耦合电路21与引出电极14直接连接，引出电极14被配置成允许RF调制的电子电流束穿过RF罩15。

通常，用于驱动场致发射器件1的RF信号与场致发射器件进行阻抗匹配，以改善系统的功率传输和效率。在一些实施方式中，阻抗匹配被集成到场致发射器件中，使得场致发射器件具有50欧姆的输入阻抗。在一些实施方式中，阻抗匹配在RF罩的外部执行。但是，如果输入的RF信号具有足够高的功率以致于可以将一些功率传输到场致发射器件，则可以使用严格地说不匹配的RF信号来驱动场致发射器件。

在主要考虑便携性、小巧或复杂性低的实施方式中，X射线管极性将被配置成，阳极12为正的高电势，RF罩15为接地基准。然而，系统也可被配置成X射线管的极性为，RF罩为负的高电势基准，阳极接地；或者，RF罩为负的高电势基准，阳极为正的高电势。后两个系统可用于专业的放射治疗。然而，后两种设计使用负高电势的RF罩，因为射频源22和频率电流源23必须位于高电势的RF罩内，这显著增加了系统的复杂性和物理尺寸。

在图5中，在示意图500中描绘了RF耦合和匹配网络21(和31)的一种实现方式，其中RF X射线管的接地的栅电极版本使用集总元件。阴极发射极在该图中显示为分流真空电容Ccg和阻断电压Vgc(th)与有效串联电阻R_阴极的组合。

为了将提供给发射器的RF功率最大化，阴极发射器的负载阻抗被转换以通过匹配元件L1和C2来匹配RF源阻抗。射频源经由高压射频电容器C1交流耦合到匹配网络。低频或直流偏置电流和电压经由限流电阻器R1和RF阻断电感器RFC1被施加到网络，从而防止RF信号流到偏置源。

应当理解，存在许多实现RF耦合和匹配网络的元件的方法，对于300MHz以上的频率，微带或带状线电路板技术(例如四分之一波长变换器)是优选的。

X射线的调制频率取决于输入的RF频率(在多数情况下为1:1映射)。在多数实施方式中，RF输入信号会在兆赫兹(MHz)到数十亿赫兹(GHz)的范围内或更高，因为这简化了RF信号的产生(或传输)。虽然可以产生低至25千赫兹(kHz)的频率，但在25kHz至1MHz(尤其是低于100kHz)的系统中运行时，需要仔细设计系统，以避免杂散电容和阻抗对RF驱动器信号向场致发射器件的传递造成不利影响(即，根据RF电路的复杂性有效设置频率下限)。

在图6中，将偏置耦合RF信号41施加到RF X射线管43的阴极发射器42。在一个或多个实施方式中，场致发射阴极42由金属、半导体或绝缘体衬底上的多个碳纳米管形成。从场致发射阴极44到栅的电子发射电流密度符合偏置耦合RF信号的大小。这导致空间45中的调制电子密度由于高压阳极电场而随时间流向高压阳极46。这被图示为垂直包络图案，其示出了电子密度为距离(或时间)的函数，水平线对应于最大电子密度区域。

电子束撞击阳极46的靶材面时，聚焦电极47a和47b上电压的存在控制电子束的横向尺寸。由于阳极46上的电子束靶击点的尺寸比调制RF信号的波长小，来自阳极46的X射线发射表现为光子的扩大的半球，其强度与光子产生时的入射电子电流成比例。这会导致穿过X射线窗口传播的X射线发射，其具有与调制的RF输入信号41同相的调制强度48，因此该器件充当了RF到X射线的小波放大器和发射器。这被图示为水平包络图案，其示出了X射线光子密度(或强度)为距离(或时间)的函数，垂直线对应于最大X射线强度区。

场致发射器件可以是任何合适的场致发射器件，例如碳纳米管(CNT)场致发射器件、金刚石场致发射器件和其他纳米结构场致发射器件。它们可以包括碳纳米线、钨纳米线、硅柱、硅金字塔、纳米结构金刚石、陶瓷(例如，金属或非金属氧化物比如氧化铝、二氧化硅、氧化铁和氧化铜；金属或非金属氮化物比如氮化硅、氮化钛；金属或非金属碳化物比如碳化硅；金属或非金属硼化物比如硼化钛)；金属或非金属硫化物比如硫化镉和硫化锌；金属硅化物比如硅化镁、硅化钙和硅化铁；以及半导体材料(例如，金刚石、锗、硒、砷、硅、碲、砷化镓、锑化镓、磷化镓、锑化铝、锑化铟、氧化铟锡、锑化锌、磷化铟、砷化铝镓、碲化锌及其组合)，钨纳米线、金纳米线和其他金属纳米线。

构造了系统的一个实施方式，使用对强度的实时变化敏感的X射线检测器和积分X射线检测器来测量产生的X射线信号，以确认X射线剂量的产生。在该实施方式中，使用RF阻抗匹配和耦合电路改造了来自Carestream DRX Revolution Nano的基于CNT的X射线管107和相应发生器。图7是包括CNT X射线管103、X射线PCB板104、RF阻抗匹配和耦合电路105、阴极电流源106和RF电源108的测量系统的示意图。四通道示波器109配置为，通过RF电源108和RF阻抗匹配与耦合电路105之间的双向耦合器107测量前向RF信号112和反射的RF信号。示波器109还测量了来自微通道板(MCP)X射线检测器101的输出(测量的X射线)信号111，微通道板(MCP)X射线检测器101检测(接收)来自X射线管的RF调制的X射线信号。另外，时间积分(剂量)X射线检测器(Raysafe检测器)102还测量了来自X射线管103的X射线信号。向RF电源108、示波器109和阴极电流源106提供了脉冲开始触发信号15。图8中详细示出RF阻抗匹配和耦合电路。在真空罩的外部添加由分立部件组成的耦合电路。耦合电路允许从纳米车(Nano cart)与X射线管电流源并联添加RF功率用作偏压，在图8中标记为电流源。

RF耦合电路块由两个环形磁芯上的1:4双线缠绕RF变压器和一个高压470pF陶瓷圆片电容器组成。在纳米X射线电路板上与1kΩ电阻器串联地添加25uH的RF电感器。由变压器接线、陶瓷耦合电容器、阴极馈通以及从栅网到RF接地端子的接地返回电感形成的环路的寄生电感估计在250nH至500nH之间。RF耦合电路覆盖1MHz至30MHz的频率范围。

使用一个多通道板检测器(MCP)101测量X射线信号。MCP101直接测量X射线放射，并将放射转换为增益约为10⁴的电子电流。电子电流通过50欧姆的电阻器，用示波器109测量与X射线放射强度成正比的电压信号。

图9A至9D示出使用图7所示的系统进行测试的结果。图9A示出了由所描述的实施方式产生的RF调制的X射线信号的结果。上面的图像示出来自四通道示波器109的屏幕截图110，是MCP输出电压111、RF输入功率112和RF反射功率113的测量结果。RF信号111在偏压接通(脉冲开始触发信号15)之前存在，一旦偏压接通(在时间点118)，RF信号就会加到偏压上并产生RF调制的X射线放射。放大部分120清楚地显示了来自MCP检测器的3.6MHz的调制信号111，其与输入RF信号112同相。

图9B示出使用Raysafe剂量检测器对X射线放射的独立测量结果。Raysafe检测器的最大响应时间为1毫秒，因此RF信号会被混叠并过滤掉，但是图9B清楚地显示了在MCP检测器测量RF调制的X-射线信号的同时的管电压信号116和剂量率信号117，独立地确认了X射线管正在产生X射线。

然后，将铅屏板114放置在MCP检测器上方以阻挡(衰减)X射线信号，来重复该实验。图9C示出了与图9A类似的曲线图，但是在这种情况下，来自MCP检测器的信号111本质上是没有电压调制的噪声信号(即，没有RF调制的X射线信号)。Raysafe剂量测量没有被铅屏板阻挡，图9D显示了如图9B所示的与先前测量的相同的X射线剂量。图9A和9C之间的差异清楚地表明，RF调制的电压信号是由所描述的本发明的实施方式产生的RF调制X射线放射的测量结果。

从前述内容可以理解，本发明的实施方式涉及一种用于基于与真空罩内的场致发射阴极连接的射频匹配和耦合网络，产生射频调制的电子通量的器件。撞击重金属阳极的电子通量会随着RF调制而变化，从而导致生成的X射线强度发生相应的变化。X射线将在较宽的波长范围产生，其与靶阳极材料和施加到靶的能量有关；X射线的波长比RF调制频率小几个数量级。通过精心设计真空管和RF网络的元件，可以构建工作带宽正好在GHz的工作范围内的RF X射线放大器。

由于在所公开的本发明中由驱动电场直接控制阴极处的电子发射，因此不需要像现有的技术方案那样使用额外的硬件进行电子聚束。而且，与使用将速调管用作RF电源的磁耦合技术的方案相比，驱动阴极所需的RF功率大小低了几个数量级。这大大降低了器件和支持系统硬件对尺寸、重量和功耗的要求。

所公开的本发明的另一个优点是，当试图生产实用的射频调制的X射线器件时，可以缓解遇到的上述问题或为上述问题提供替代方案，这是因为精心设计的纳米技术场致发射器所提供的阴极电流控制的线性度高。这使得可以制造带宽更高、畸变更低的器件。

在整个说明书和所附权利要求中，除非上下文另有要求，词语“包括”、“包含”及其变化形式将被理解为暗示包括所明示的整数或一组整数，但并不排除任何其他整数或一组整数。

在本说明书中对任何现有技术的引用并非也不应被视为是，承认或以任何方式暗示这种现有技术构成了公知常识的一部分。

本领域技术人员会理解，本公开的用途不限于所描述的一个或多个特定应用。关于本文描述或描绘的特定元件和/或特征，本公开也不局限于其优选实施方式。应当理解的是，本公开不限于所公开的一个或多个实施方式，而是能够在不背离由所附权利要求阐述和限定的范围的情况下进行各种重新排列、修改和替换。

Claims (30)

1.一种用于产生受控的射频(RF)调制的X射线放射的器件，该器件包括：

真空罩；

容纳于所述真空罩内的阳极，所述靶阳极用来加速电子束并将电子束转换为X射线放射；

容纳于所述真空罩内的RF罩；

容纳于所述RF罩内的场致发射器件，所述场致发射器件被施加偏压以经由所述RF罩中的引出电极从场致发射阴极向所述阳极发射电子束；以及

与所述场致发射器件电连接的RF阻抗匹配和耦合电路。

2.根据权利要求1所述的器件，其中，所述场致发射器件包括阴极，所述RF阻抗匹配和耦合电路直接连接到所述阴极，所述引出电极被配置为允许所述RF调制的电子电流束穿过所述RF罩。

3.根据权利要求1所述的器件，其中，所述场致发射器件包括阴极和引出电极，所述RF阻抗匹配和耦合电路直接连接到所述引出电极，所述引出电极被配置为允许所述RF调制的电子电流束穿过所述RF罩。

4.根据权利要求1、2或3所述的器件，其中，所述场致发射器件包括阴极和引出电极，所述偏压被施加到所述阴极。

5.根据权利要求1、2或3所述的器件，其中，所述场致发射器件包括阴极和引出电极，所述偏压被施加到所述引出电极。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的器件，其中，所述引出电极是栅引出电极。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的器件，其中，所述引出电极是孔引出电极。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的器件，其中，RF信号与所述场致发射器件阻抗匹配。

9.根据权利要求8所述的器件，其中，所述阻抗匹配被集成到所述场致发射器件中，使得所述场致发射器件具有50欧姆的输入阻抗。

10.根据权利要求9所述的器件，其中，所述阻抗匹配在所述RF罩的外部执行。

11.根据前述权利要求中任一项所述的器件，还包括用于控制电子束的聚焦的聚焦电极。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的器件，其中，所述场致发射阴极由金属、半导体或绝缘体衬底上的多个碳纳米管形成。

13.根据前述权利要求中任一项所述的器件，其中，所述RF阻抗匹配和耦合电路与所述场致发射器件集成在陶瓷或硅衬底上。

14.根据权利要求1至12中任一项所述的器件，其中，所述RF阻抗匹配和耦合电路由印刷电路板上的分立部件形成，所述印刷电路板被安装到所述真空罩的外部上的高压阴极馈通。

15.根据前述权利要求中任一项所述的器件，其中，所述真空罩是金属陶瓷真空室或玻璃管。

16.根据前述权利要求中任一项所述的器件，其中，所述真空罩包括X射线窗，以向所述X射线放射提供附加的方向性。

17.根据前述权利要求中任一项所述的器件，还包括内部准直器，所述内部准直器容纳于所述真空罩内以提供所述X射线放射的附加方向性。

18.根据前述权利要求中任一项所述的器件，其中，所述RF阻抗匹配和耦合电路进一步与外部RF电流源和低频高压偏置电路电连接。

19.根据前述权利要求中任一项所述的器件，其中，所述X射线管的极性是，阳极为正的高电势，RF罩为接地基准。

20.根据权利要求1至18中任一项所述的器件，其中，所述X射线管的极性是，RF罩为负的高电势基准，阳极接地；或者是RF罩为负的高电势基准，阳极为正的高电势。

21.一种使用场致发射阴极产生射频(RF)调制的X射线放射的方法，该方法包括：

a)将场致发射器件放在RF罩内，所述RF罩容纳于包含靶阳极的真空罩中；

b)将RF信号直接提供给被施加偏压的场致发射器件以产生RF调制的电子电流束；

c)将所述RF调制的电子电流束定向或引导到所述靶阳极，以从所述靶阳极产生RF调制的X射线放射。

22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述场致发射器件包括阴极和引出电极，所述RF信号被直接提供给所述阴极，所述引出电极被配置为允许所述RF调制的电子电流束穿过所述RF罩。

23.根据权利要求21所述的方法，其中，所述场致发射器件包括阴极和引出电极，所述RF信号被直接提供给引出电极，所述引出电极被配置为允许所述RF调制的电子电流束穿过所述RF罩。

24.根据权利要求21、22或23所述的方法，其中，所述场致发射器件包括阴极和引出电极，所述偏压被施加到所述阴极。

25.根据权利要求21、22或23所述的方法，其中，所述场致发射器件包括阴极和引出电极，所述偏压被施加到所述引出电极。

26.根据权利要求21至25中任一项所述的方法，其中，所述引出电极是栅引出电极。

27.根据权利要求21至25中任一项所述的方法，其中，所述引出电极是孔引出电极。

28.根据权利要求21至27中任一项所述的方法，其中，所述RF信号与所述场致发射器件阻抗匹配。

29.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述阻抗匹配被集成到所述场致发射器件中，使得所述场致发射器件具有50欧姆的输入阻抗。

30.根据前述权利要求所述的方法，其中，所述阻抗匹配在所述RF罩的外部执行。

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