CN113871278A - 具有多个栅极的x射线源 - Google Patents

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Abstract

一些实施方案包括x射线源，其包括：阳极112；场致发射器104，所述场致发射器被配置成生成电子束；第一栅极106，所述第一栅极被配置成控制来自所述场致发射器104的场致发射；以及第二栅极108，所述第二栅极设置在所述第一栅极与所述阳极之间。

Description

具有多个栅极的X射线源
技术领域
本发明涉及x射线源。
背景技术
x射线管中可能会发生电弧放电和离子回轰。例如，电弧可能在 x射线管的真空或电介质中形成。电弧可能会损坏x射线管的内部部 件，诸如阴极。此外，带电粒子可由真空封围件中的电弧电离残余原 子和/或由被电子束电离的原子形成。这些带电粒子可能会朝向阴极 加速，从而可能造成损坏。
发明内容
本发明提供了如权利要求1所定义的x射线源。可选的特征在从 属权利要求中定义。
附图说明
图1A-1C是根据一些实施方案的具有多个栅极的场致发射器x 射线源的框图。
图2是根据一些实施方案的具有多个网格状栅极的场致发射器x 射线源的框图。
图3A-3B是根据一些实施方案的具有多个网格状栅极的场致发 射器x射线源的网格状栅极的示例的俯视图。
图4是根据一些实施方案的具有多个孔栅极的场致发射器x射线 源的框图。
图5A-5B是根据一些实施方案的具有多个偏移网格状栅极的场 致发射器x射线源的框图。
图6A-6B是根据一些实施方案的具有多个偏移网格状栅极的场 致发射器x射线源的框图。
图7是根据一些实施方案的具有多个分离栅极的场致发射器x射 线源的框图。
图8是根据一些实施方案的具有网格状栅极和孔栅极的场致发 射器x射线源的框图。
图9A-9B是根据一些实施方案的具有多个场致发射器的场致发 射器x射线源的框图。
图10A是根据一些实施方案的具有多个分离栅极的场致发射器x 射线源的框图。
图10B-10C是根据一些实施方案的图10A的电压源118l的框图。
图10D是根据一些实施方案的具有多个分离栅极的场致发射器x 射线源的框图。
图11A是根据一些实施方案的具有多个分离栅极和多个场致发 射器的场致发射器x射线源的框图。
图11B是根据一些实施方案的分离栅极的框图。
图11C是根据一些实施方案的具有多个分离栅极和多个场致发 射器的场致发射器x射线源的框图。
图11D是根据一些实施方案的分离栅极的框图。
图11E是根据一些实施方案的具有多个分离栅极和多个场致发 射器的场致发射器x射线源的框图。
图11F是根据一些实施方案的分离栅极的框图。
具体实施方式
一些实施方案涉及具有多个栅极的x射线源，并且特别地涉及具 有多个网格状栅极的x射线源。
当电子束生成x射线时，场致发射器(诸如纳米管发射器)可能 会被电弧放电和离子回轰事件损坏。电弧放电是x射线管中的一种常 见现象。当真空或某些其他电介质材料不能维持高电势梯度时，可能 会出现电弧。带电粒子(电子和/或离子)的非常高能量的脉冲暂时 桥接真空或电介质间隔物。一旦高能量电弧脉冲启动，则附近的所有 残留气体物质都被电离，其中大部分被电离的物质变成带正电的离子 并被吸引至带负电的阴极，包括纳米管(NT)发射器。如果NT发射 器暴露于这些高能量离子脉冲，则这些发射器会受到严重损坏。
离子轰击是x射线管中的另一种常见现象。当电子束被点燃并穿 过真空间隙到达阳极时，该电子束可能会电离管中的残留气体物质或 从靶材溅射出的钨原子。一旦被电离——通常具有正极性，则离子朝 向阴极(包括NT发射器)加速。
本文描述的实施方案可以减少电弧放电和/或离子轰击的影响。 一个或多个附加栅极可以拦截电弧或离子并降低场致发射器被损坏 的机会。
图1A-1C是根据一些实施方案的具有多个栅极的场致发射器x 射线源的框图。参考图1A，在一些实施方案中，x射线源100a包括 衬底102、场致发射器104、第一栅极106、第二栅极108、中间电极 110和阳极112。在一些实施方案中，衬底102由诸如陶瓷、玻璃、 氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)、氧化硅或石英(SiO2)等的绝缘材 料形成。
场致发射器104设置在衬底102上。场致发射器104被配置成生 成电子束140。场致发射器104可以包括各种类型的发射器。例如， 场致发射器104可以包括纳米管发射器、纳米线发射器、Spindt阵列 等。通常，纳米管具有至少一部分具有中空中心的结构，其中纳米线 或纳米棒具有基本上实心的核。为简化术语的使用，如本文中所使用 的，纳米管也指纳米线和纳米棒。纳米管是指纵横比至少为100:1(长: 宽或直径)的纳米级(nm级)管状结构。在一些实施方案中，场致 发射器104由具有高拉伸强度和高热导率的导电材料形成，诸如纯形 式或掺杂形式的碳、金属氧化物(例如，Al2O3、氧化钛(TiO2)、氧 化锌(ZnO)或氧化锰)(MnxOy，其中x和y是整数))、金属、硫化 物、氮化物和碳化物等。
第一栅极106被配置成控制来自场致发射器104的场致发射。例 如，第一栅极106可以定位成距场致发射器104约200微米(μm)。 在其他实施方案中，第一栅极106可以设置在不同的距离处，诸如从 大约2μm到大约500μm或从大约10μm到大约300μm。无论如何， 第一栅极106是这样的电极，该电极可用于在场致发射器104处产生 具有足够强度的电场以引起电子发射。尽管一些场致发射器104可能 具有其他栅极、电极等，但控制场致发射的结构将被称为第一栅极 106。在一些实施方案中，第一栅极106(或电子提取门极)可以是 对来自场致发射器104的场致发射进行控制的唯一栅极。在示例中， 第一栅极106可以是导电网格状结构或金属网格状结构。
栅极是由导电材料制成的电极，通常放置在阴极的发射器与阳极 之间。对栅极施加电压电势以在电场中产生变化，从而对电子和/或 离子产生聚焦或控制效应。第一栅极106可用于控制阴极与阳极之间 的电子流。栅极可以具有与阴极、阳极和其他栅极相同或不同的电压 电势。栅极可以与阴极和阳极绝缘。栅极可以包括至少部分地围绕电 子束的结构，该结构具有至少一个开口以允许电子束从发射器传递到 阳极。具有单个开口的栅极可以称为孔栅极。在示例中，孔栅极可能 不会阻碍电子束的主要部分的路径。具有多个开口的栅极被称为在开 口之间具有支撑结构的网格状栅极。网格是由金属、纤维或其他连接材料的连接线制成的屏障，连接线之间具有开口。连接线(或条)可 能处于电子束的路径中并阻碍电子束的一部分。阻碍的量可以取决于 开口的宽度、深度或直径以及开口之间的网格的连接线或条的宽度或 深度。在一些示例中，相对于穿过网格的开口的电子，网格的阻碍可 能是次要的。通常，孔栅极的开口大于网格状栅极的开口。栅极可以 由钼(Mo)、钨(W)、铜(Cu)、不锈钢或其他刚性导电材料形成， 包括具有高热导性(例如，>10瓦特/米*开尔文(W/m*K))和/或高 熔化温度(>1000C)的那些材料。在具有多个发射器的示例中，每 个栅极可以是与单个场致发射器104相关联的电极，并且可以针对阴 极中的每个场致发射器104单独地控制或调整栅极的电压电势。
阳极112可以包括靶材(未示出)以接收从场致发射器104发射 的电子束140。阳极112可以包括可响应于入射电子束140生成x射 线的任何结构。阳极112可以包括固定或旋转阳极。阳极112可以从 电压源118接收电压。施加至阳极112的电压可以是大约20-230千伏(kV)、大约50-100kV等(相对于阴极或接地)。
第二栅极108设置在第一栅极106与阳极112之间。在一些实施 方案中，第二栅极108可以设置在距场致发射器104大约1至2毫米 (mm)处。即，第二栅极108设置在有效地不引起电子从场致发射 器104发射的位置处。在其他实施方案中，第二栅极108可以设置得比1-2mm更远。例如，第二栅极108可以设置成距场致发射器104 数10毫米，诸如距场致发射器104为10-50mm。在一些实施方案中， 第二栅极108与第一栅极106的最小间距为大约1mm。
x射线源100a包括电压源118。电压源118可以被配置成生成多 个电压。可以将电压施加至x射线源100a的各种结构。在一些实施 方案中，电压可以是不同的、恒定的(即直流(DC))、可变的、脉 冲的、相关的、独立的等。在一些实施方案中，电压源118可以包括 可变电压源，其中电压可以被临时设置为可配置电压。在一些实施方 案中，电压源118可以包括可变电压源，该可变电压源可配置成生成 时变电压，诸如脉冲电压、任意变化的电压等。虚线114代表真空封 围件114a的壁，该真空封围件容纳场致发射器104、栅极106和108 以及阳极112。馈通件116可以允许来自电压源118的电压穿透真空 封围件114a。尽管从馈通件116的直接连接作为示例示出，然而其他 电路(诸如电阻器、分压器等)也可以设置在真空封围件114a内。 尽管绝对电压可以用作由电压源118施加的电压的示例，但是在其他 实施方案中，电压源118可以被配置成施加具有相同的相对间距的电 压，而不管任何一个电压的绝对值如何。
在一些实施方案中，电压源118被配置成为场致发射器104生成 低至-3千伏(kV)或介于0.5kV至-3kV之间的电压。第一栅极106 的电压可以为大约0伏(V)或接地。第二栅极108的电压可以为大 约100V、介于80V至120V之间、或大约1000V等。第二栅极108 的电压可以是负电压或正电压。
尽管已经以特定电压为例，但在其他实施方案中，电压可以不同。 例如，施加至第二栅极108的电压可以高于或低于施加至第一栅极 106的电压。施加至第一栅极106和第二栅极108的电压可以相同。 在一些实施方案中，如果第二栅极108的电压高于施加至第一栅极 106的电压，则离子可以被排出。在一些实施方案中，第二栅极108 可用于调整焦斑大小和/或调整焦斑位置。焦斑是指来自阴极中的场 致发射器104的电子束140撞击阳极112的区域。电压源118可以被 配置成接收与焦斑大小相关的反馈、接收基于此类反馈施加至第二栅 极108的电压的电压设定点等，使得施加至第二栅极108的电压可以 被调整以实现期望的焦斑大小。在一些实施方案中，电压源118可以 被配置成对第一栅极106或第二栅极108施加负电压和/或升高场致 发射器104的电压以关闭电子束140——诸如如果检测到电弧。尽管 已经以正电压和负电压、相对于特定电势(诸如接地)的电压等为例， 然而在其他实施方案中，各种电压可以根据特定参考电压而不同。
可以在真空封围件114a中生成电弧。电弧可能击中场致发射器 104，这可能会损坏或毁坏场致发射器104，从而引发严重故障。当 施加至第二栅极108的电压处于与阳极112相比更接近场致发射器 104的电压的电压时，第二栅极108可以为除场致发射器104之外的 电弧提供路径。结果，可以降低或消除损坏场致发射器104的可能性。
此外，可以通过电弧放电和/或通过阳极112上蒸发的靶向材料 的电离来生成离子。这些离子可能带正电并因此被吸引到带负电最多 的表面，诸如场致发射器104。第二栅极108可以为此类离子提供物 理屏障并通过在场致发射器104上投射阴影来保护场致发射器104。 此外，第二栅极108可以使离子充分减速，使得可以减少或消除由于 离子入射到场致发射器104上或与该场致发射器碰撞而造成的任何 损坏。
如上所述，第二栅极108可以相对靠近场致发射器104，诸如大 约1mm至30mm或更大。因为场致发射器104在比传统钨阴极更低 的温度下操作，所以场致发射器(诸如场致发射器104)的使用可以 允许第二栅极108定位在该更近的距离处。来自此类传统钨阴极的热量可以使第二栅极108翘曲和/或扭曲，从而影响x射线源100a的聚 焦或其他操作参数。
x射线源100a可以包括中间电极110。在一些实施方案中，中间 电极110可以用作聚焦电极。中间电极110还可以为场致发射器104 提供一些保护，诸如在高电压击穿事件期间。在具有多个发射器的示 例中，中间电极110可以具有阴极的场致发射器104共用的电压电势。 在示例中，中间电极110位于第二栅极108(或第一栅极106)与阳 极112之间。
参考图1B，在一些实施方案中，x射线源100b可以类似于图1A 的x射线源100a。然而，在一些实施方案中，第二栅极108的位置 可以有所不同。这里，第二栅极108设置在中间电极110的相反侧， 使得它设置在中间电极110与阳极112之间。
参考图1C，在一些实施方案中，x射线源100c可以类似于上述 x射线源100a或100b。然而，x射线源100c包括多个第二栅极108 (或附加栅极)。这里以两个第二栅极108-1和108-2为例，但在其他 实施方案中，第二栅极108的数量可以有所不同。
一个或多个附加的第二栅极108可用于获得更多保护而免受离 子轰击和电弧放电。在一些实施方案中，如果一个第二栅极108不能 提供足够的保护，则可以将一个或多个第二栅极108添加到设计中。 尽管一个或多个附加的第二栅极108可以减少到达阳极112的束电流， 然而减少的束电流可以通过更好地保护免受电弧放电或离子轰击来 抵消。此外，较多数量的第二栅极108为从电压源118施加电压提供 了额外的灵活性。附加的电压可以允许一个第二栅极108-1提供一些 保护，而另一个第二栅极108-2可以用于调谐电子束140的焦斑。例 如，在一些实施方案中，施加至第二栅极108-1和第二栅极108-2的 电压相同，而在其他实施方案中，所述电压不同。
如图所示，第二栅极108-2设置在第二栅极108-1与中间电极110 之间。然而，在其他实施方案中，第二栅极108-2可以设置在第二栅 极108-1与阳极112之间的其他位置，诸如在中间电极110的相反侧， 如图1B所示。在一些实施方案中，一些或所有的第二栅极108设置 在中间电极110的一侧或另一侧。
在一些实施方案中，第二栅极108-2可以与第二栅极108-1间隔 以减少第二栅极108-2对电子传输的影响。例如，第二栅极108-2可 以与第二栅极108-1间隔1mm或更多。在其他实施方案中，第二栅 极108-2可以与第二栅极108-1间隔以影响对焦斑大小的控制。
在如上所述的各种实施方案中，虚线用于示出各种栅极106和 108。下面描述的其他实施方案包括特定类型的栅极。这些类型的栅 极可以用作上述栅极106和108。
图2是根据一些实施方案的具有多个网格状栅极的场致发射器x 射线源的框图。图3A-3B是根据一些实施方案的具有多个网格状栅 极的场致发射器x射线源的网格状栅极的示例的俯视图。参考图2和 3A，在一些实施方案中，栅极106d和108d是网格状栅极。即，栅极106和108分别包括多个开口206和216。如图所示，开口206和 216可以设置在单排开口中。尽管以特定数量的开口206和216为例， 然而在其他实施方案中，其中之一或两者的数量可以有所不同。
在一些实施方案中，第一栅极106d的开口206的宽度W1可以 为大约125μm。在一些实施方案中，宽度W1可以小于第一栅极106d 与场致发射器104的间距。例如，宽度W1可以小于200μm。条204 的宽度W2可以为大约10μm至大约50μm、大约25μm等。第二栅 极108d的开口216的宽度W3可以为大约225μm。第二栅极108d 的条214的宽度W4可以为大约10μm至大约50μm、大约25μm等。 因此，在一些实施方案中，开口206和216可以具有不同的宽度并且 可以不对齐。在一些实施方案中，栅极106d和108d的厚度可以为大 约10μm至大约100μm、大约75μm等；然而，在其他实施方案中， 栅极106d和108d的厚度可以有所不同，包括彼此不同。此外，在一 些实施方案中，可以选择第一栅极106d和第二栅极108d的宽度 W1-W4或其他尺寸，使得第二栅极108d比第一栅极108d对电子束 140更透明。
参考图3B，在一些实施方案中，第一栅极106和第二栅极108 中的至少一者可以包括多排，其中每排包括多个开口。例如，第一栅 极106d’包括两排多个开口206’，并且第二栅极108d’包括两排多个 开口208’。尽管已经以两排为例，然而在其他实施方案中，排数可以 有所不同。尽管已经在第一栅极106d’与第二栅极108d’之间以相同的 排数为例，然而在其他实施方案中，第一栅极106d’与第二栅极108d’ 之间的排数可以有所不同。
图4是根据一些实施方案的具有多个孔栅极的场致发射器x射线 源的框图。在一些实施方案中，x射线源100e可以类似于本文描述 的x射线源100。然而，X射线源100e包括作为孔栅极的栅极106e 和108e。即，栅极106e和108e各自包括单个开口。如下文将进一步详细描述的，在其他实施方案中，栅极106e可以是网格状栅极，而 栅极108e是孔栅极。在一些实施方案中，孔栅极106e或108e可能 更易于处理和制造。
图5A-5B是根据一些实施方案的具有多个偏移网格状栅极的场 致发射器x射线源的框图。参考图5A和5B，x射线源100f可以类 似于本文描述的其他x射线源100。在一些实施方案中，x射线源100f 包括彼此横向偏移(相对于发射器104的表面)的第二栅极108f-1 和108f-2。可以将不同的电压施加至第二栅极108f-1和108f-2中的 每个第二栅极。结果，可以使用电压使电子束140转向。例如，在图 5A中，可以将100V施加至第二栅极108f-2，而可以将0V施加至 第二栅极108f-1。在图5B中，可以将0V施加至第二栅极108f-2， 而可以将100V施加至第二栅极108f-1。因此，电子束140的方向可 以受到影响。尽管以施加至第二栅极108f-1和108f-2的电压的特定 示例为例，然而在其他实施方案中，电压可以有所不同。
图6A-6B是根据一些实施方案的具有多个偏移网格状栅极的场 致发射器x射线源的框图。参考图6A和6B，x射线源100g可以类 似于x射线源100f。然而，x射线源100g包括如栅极108g-1和108g-2 那样的孔。孔栅极108g-1和108g-2可以与图5A和5B的网格状栅极108f-1和108f-2类似的方式使用。
图7是根据一些实施方案的具有多个分离栅极的场致发射器x射 线源的框图。x射线源100h可以类似于图4的x射线源100e。然而， x射线源100h可以包括分离栅极108h-1和108h-2。栅极108h-1和 108h-2可以设置在距场致发射器104相同的距离处。然而，电压源118可以被配置成将独立的电压施加至分离栅极108h-1和108h-2。尽 管电压可以相同，然而电压也可以有所不同。结果，取决于施加至栅 极108h-1和108h-2的电压，可以控制电子束140h的方向从而得到电 子束140h-1或140h-2。
图8是根据一些实施方案的具有网格状栅极和孔栅极的场致发 射器x射线源的框图。x射线源100i可以类似于本文描述的x射线源 100。然而，x射线源100i包括孔栅极108i-1和网格状栅极108i-1。 在一些实施方案中，网格状栅极108i-1可用于调整焦斑大小、形状、 锐化或以其他方式较好地限定电子束140的边缘等。电子束140的较 好地限定的边缘可以是这样的边缘，其中与较差地限定的边缘相比， 束电流通量在该边缘处在较短距离变化更大。网格状栅极108i-2可用 于收集离子和/或为第一栅极106i、场致发射器104等提供保护。例 如，通过对网格状栅极108i-1施加大约-100V的负偏压，可以聚焦电 子束140。
图9A-9B是根据一些实施方案的具有多个场致发射器的场致发 射器x射线源的框图。参考图9A，在一些实施方案中，x射线源100j 可以类似于本文描述的其他x射线源100。然而，x射线源100j包括 多个场致发射器104j-1至104j-n，其中n是大于1的任何整数。尽管阳极112在图9A-9B中被示出为未成角度，然而在一些实施方案中， 阳极112可以成角度，并且多个场致发射器104j-1至104j-n可以设置 在与阳极的斜面垂直的直线上。即，图9A-9B的视图可以相对于图 1A-2和图4-8的视图旋转90度。
场致发射器104j中的每个场致发射器与第一栅极106j相关联， 该第一栅极被配置成控制来自对应的场致发射器104j的场致发射。 结果，场致发射器104j中的每个场致发射器被配置成生成对应的电 子束140j。
在一些实施方案中，单个第二栅极108j跨所有场致发射器104j 设置。尽管第二栅极108j被示出为设置在第一栅极106j与中间电极110j之间，然而第二栅极108j可以设置在上述各种位置。结果，第 二栅极108j可以提供上述附加的保护、转向和/或聚焦。此外，可以跨所有场致发射器104j设置多个第二栅极108j。
参考图9B，在一些实施方案中，x射线源100k可以类似于x射 线源100j。然而，每个场致发射器104j与对应的第二栅极108k相关 联。因此，可以针对每个场致发射器104k单独地执行上述保护、转 向和/或聚焦。
在其他实施方案中，一些场致发射器104可以与类似于图9A的 第二栅极108j的单个第二栅极108相关联，而其他场致发射器104 可以与类似于图9B的第二栅极108k的单独的第二栅极108相关联。
在一些实施方案中，多个场致发射器104可以与单独的第二栅极 108相关联，其中的每个具有可单独控制的电压。然而，中间电极110 可以包括与每个场致发射器104相关联的单个中间电极110。在一些 实施方案中，中间电极110-1至110-n可以是分开的结构，但是可以 具有相同电压，所述相同电压由电压源118、另一个电压源施加，或 者借助于附接至壳体、真空封围件等或成为壳体、真空封围件等的一 部分来施加。
图10A是根据一些实施方案的具有多个分离栅极的场致发射器x 射线源的框图。x射线源100l可以类似于图7的x射线源100h。在 一些实施方案中，绝缘体150-1可以设置在衬底102上。第一栅极106l 可以设置在绝缘体150-1上。第二绝缘体150-2可以设置在第一栅极 106l上。第二栅极108l(包括两个电隔离的分离栅极108l-1和108l-2) 可以设置在第二绝缘体150-2上。第三绝缘体150-3可以设置在第二 栅极108l上。中间电极110可以设置在第三绝缘体150-3上。尽管绝 缘体150的特定尺寸已用于说明，然而在其他实施方案中，绝缘体 150可以具有不同的尺寸。绝缘体150可以由诸如陶瓷、玻璃、氧化 铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)、氧化硅或石英(SiO2)等的绝缘材料形 成。绝缘体150可以由相同或不同的材料形成。
在一些实施方案中，分离栅极108l-1和108l-2彼此绝缘，使得 可以将不同的电压施加至分离栅极108l-1和108l-2。这些不同的电压 可用于移动阳极112上的焦斑的位置。例如，当将相等的电势施加在 分离栅极108l-1和108l-2两者上时，焦斑应位于阳极中心中或附近， 如电子束140l-1所示。当将推(正)电势施加在分离栅极108l-2上 并且将拉(负)电势施加在分离栅极108l-1上时，焦斑向左移位，如 电子束140l-2所示。一旦将拉(负)电势施加在分离栅极108l-2上 并且将推(正)电势施加在分离栅极108l-1上，焦斑可以向右移位， 如电子束140l-3所示。
在一些实施方案中，对施加至分离栅极108l-1和108l-2的电压 的控制提供了在阳极112表面上扫描或移动焦斑的方式。在一些实施 方案中，取代具有非常小的焦斑大小的固定焦斑，功率可以分布在具 有大得多的面积的焦斑轨道中的阳极112上，这可以显著提高x射线 管的功率极限。也就是说，通过沿着轨道扫描焦斑，功率可以分布在 较大的区域上。尽管已经以沿附图的平面中的方向移动焦斑为例，然 而在其他实施方案中，焦斑的移动可以具有不同的方向、多个方向等， 其中第二栅极108l设置在电子束140l周围的适当位置处。在一些实 施方案中，可以通过使用分离栅极108l-1和108l-2来调整焦斑宽度、 聚焦、散焦等。
图10B-10C是根据一些实施方案的图10A的电压源118l的框图。 参考图10A-10C，在一些实施方案中，电压源118l-1和118l-2可以包 括电子控制系统(ECS)210、切换控制电源(TCPS)212以及网格 状控制电源(MCPS)216。ECS 210、TCPS 212和MCPS 216可以各 自包括被配置成生成本文描述的各种电压(包括大约+/-1kV、+/-10 kV等的电压)的电路。ECS210可以被配置成生成用于场致发射器 104的电压。ECS 210可以被配置成控制TCPS 212和MCPS 216中的 一者或多者，以生成用于第一栅极106l以及分离栅极108l-1和108l-2 的电压。图10B和10C中的虚线表示各种系统之间的控制接口。
在一些实施方案中，电压源118l-1的TCPS 212可以被配置成参 考用于第一栅极106l的电压生成用于分离栅极108l-1和108l-2的电 压，如图10B所示，而在其他实施方案中，电压源118l-2的TCPS 212 可以被配置成参考接地216生成用于分离栅极108l-1和108l-2的电 压，如图10C所示。例如，当TCPS 212参考MCPS 214时，用于分 离栅极108l-1和108l-2的电压的绝对值被自动调制，以维持分离栅 极108l-1和108l-2与第一栅极106l之间相同的电势差(电场)。当 TCPS 212参考主接地216时，施加至分离栅极108l-1和108l-2的电 压的绝对值可以是固定的，并且分离栅极108l-1和108l-2与第一栅 极106l之间的电势差(电场)可以随着第一栅极106l上的电势的变 化而改变。在一些实施方案中，用于场致发射器104的电压可以由 ECS 210参考用于第一栅极106l的电压来生成。在其他实施方案中， ECS 210可以被配置成参考接地216生成用于场致发射器104的电压。
图10D是根据一些实施方案的具有多个分离栅极的场致发射器x 射线源的框图。图10D的x射线源100m可以类似于图10A的x射 线源100l。然而，在一些实施方案中，可以将门极框架152m添加到 第一栅极106m上。门极框架152m可以由金属、陶瓷或其他材料形 成，这些材料可以为第一栅极106m提供结构支撑以提高其机械稳定 性。在一些实施方案中，门极框架152m可以比第一栅极106m厚。 例如，门极框架152m的厚度可以为大约1-2mm，而第一栅极106m 的厚度可以为大约50-100μm。在一些实施方案中，门极框架152m 可以延伸到电子束140m穿过的开口中。在其他实施方案中，门极框 架152m可以仅位于开口的周边上。
图11A是根据一些实施方案的具有多个分离栅极和多个场致发 射器的场致发射器x射线源的框图。x射线源100n可以类似于本文 描述的系统100，诸如图9A和9B的系统100j和100k。在一些实施 方案中，x射线源100n包括间隔物156n。间隔物可以与绝缘体150类似、使用与绝缘体150类似的材料、使用不同的材料、具有不同的 厚度等。分离栅极108n-1和108n-2可以形成在间隔物156n上。间隔 物156n对于场致发射器104n-1至104n-n中的每个场致发射器可以是 共用的。
图11B是根据一些实施方案的分离栅极的框图。参考图11A和 11B，在一些实施方案中，分离栅极108n-1和108n-2可以形成在间 隔物156n上。例如，分离栅极108n-1和108n-2可以通过丝网印刷、 热蒸发、溅射沉积或其他薄膜沉积工艺来形成。分离栅极108n-1和108n-2的电极可以设置在间隔物156n的多个开口158的相对侧上。 分离栅极108n-1可以彼此电连接。类似地，分离栅极108n-2可以彼 此电连接。然而，分离栅极108n-1和108n-2之间可以不存在电连接， 以允许分离栅极108n独立运行并生成不同的电势。一旦将不同的电势施加在分离栅极108n-1和108n-2上，则可以在间隔物156n上的开 口158上生成电场。如上所述，这可以使穿过开口158的电子偏转。
图11C是根据一些实施方案的具有多个分离栅极和多个场致发 射器的场致发射器x射线源的框图。图11D是根据一些实施方案的分 离栅极的框图。参考图11C和11D，x射线源100o可以类似于图11A 的x射线源100n。然而，分离栅极108o-1和108o-2相对于间隔物156n 设置在间隔物156o的开口158的正交侧上。结果，可以沿正交方向 调整电子束140o-1至140o-n。为便于说明，分离栅极108o-2未在图 11C中示出(因为它在图11C中的分离栅极108o-1的后面)。
图11E是根据一些实施方案的具有多个分离栅极和多个场致发 射器的场致发射器x射线源的框图。参考图11B、11D和11E，x射 线源100p可以类似于上述系统100n和100o。特别地，x射线源100p 包括与分离栅极108o-1和108o-2类似的分离栅极108p-1和108p-2以及与分离栅极108n-1和108n-2类似的分离栅极108p-3和108p-4。 因此，x射线源100p可以被配置成沿多个方向同时地、独立地调整 如上所述的焦斑等。尽管已经以分离栅极108p-1和108p-2的顺序或 堆叠为例，然而在其他实施方案中，该顺序或堆叠可以有所不同。
图11F是根据一些实施方案的分离栅极的框图。在一些实施方案 中，图11B和11D的分离栅极108o和108n可以组合在相同的间隔 物156n上。例如，分离栅极108o可以设置在间隔物156n的与分离 栅极108n相反的一侧上。用于分离栅极108o的电极用虚线示出，以示出在间隔物156n的背面上的分离栅极108o。在一些实施方案中， 用于分离栅极108o的电极可以位于与分离栅极108n相同的一侧，具 有穿过间隔物156n的通孔、金属化孔或其他电连接。
一些实施方案包括x射线源，其包括：阳极112；场致发射器104， 该场致发射器被配置成生成电子束140；第一栅极106，该第一栅极 被配置成控制来自场致发射器104的场致发射；以及第二栅极108， 该第二栅极设置在第一栅极106与阳极112之间，其中第二栅极108 为网格状栅极。
在一些实施方案中，场致发射器104是设置在真空封围件114中 的多个分开的场致发射器104中的一个场致发射器。
在一些实施方案中，场致发射器104包括纳米管场致发射器104。
在一些实施方案中，x射线源还包括间隔物，该间隔物设置在第 一栅极106与阳极112之间；其中第二栅极108包括网格状栅极，该 网格状栅极设置在间隔物152m上。
在一些实施方案中，x射线源还包括电压源118，该电压源被配 置成对第一栅极106施加第一电压并且对第二栅极108施加第二电压。
在一些实施方案中，第一电压和第二电压相同。
在一些实施方案中，第一电压和第二电压接地。
在一些实施方案中，第一电压和第二电压不同。
在一些实施方案中，电压源118是可变电压源；并且该可变电压 源被配置成改变第一电压和第二电压中的至少一者。
在一些实施方案中，x射线源还包括第三栅极108-2，该第三栅 极设置在第一栅极106与阳极112之间，并且设置在距场致发射器 104的与第二栅极108-1相同的距离处；其中电压源被配置成对第三 栅极108-2施加第三电压，并且第三电压不同于第二电压。
在一些实施方案中，x射线源还包括第三栅极108-2，该第三栅 极设置在第一栅极106与阳极112之间，并且设置在距场致发射器 104的与第二栅极108-1相同的距离处；其中电压源被配置成对第三 栅极108-2施加第三电压，并且电压源被配置成独立地施加第三电压 和第二电压。
在一些实施方案中，x射线源还包括：间隔物，该间隔物设置在 第一栅极106与阳极112之间；第三栅极，该第三栅极设置在第一栅 极106与阳极112之间；其中第二栅极108-1和第三栅极108-2设置 在间隔物156上。
在一些实施方案中，间隔物156包括开口；第二栅极108-1沿开 口的第一边缘设置，并且第三栅极108-2沿开口的与第一边缘相对的 第二边缘设置。
在一些实施方案中，间隔物156包括多个开口；场致发射器104 是多个场致发射器104中的一个场致发射器，每个场致发射器104与 所述开口中的一个对应的开口对齐；并且对于每个开口，第二栅极 108-1沿开口的第一边缘设置，并且第三栅极108-2沿开口的与第一 边缘相对的第二边缘设置。
在一些实施方案中，x射线源还包括：第四栅极108-3，该第四 栅极设置在第一栅极106与阳极112之间；第五栅极108-4，该第五 栅极设置在第一栅极106与阳极112之间；其中对于每个开口，第四 栅极108-3沿开口的与第一边缘正交的第三边缘设置，并且第五栅极 108-4沿开口的与第三边缘相对的第四边缘设置。
在一些实施方案中，x射线源还包括中间电极110，该中间电极 设置在第一栅极106与阳极112之间。
在一些实施方案中，第二栅极108设置在中间电极110与阳极112 之间。
在一些实施方案中，第二栅极108设置在聚焦电极与第一栅极 106之间。
在一些实施方案中，场致发射器104与第一栅极106之间的距离 小于300微米(μm)，并且第一栅极106与第二栅极108之间的距离 大于1毫米(mm)。
在一些实施方案中，x射线源还包括第三栅极108-2，该第三栅 极设置在第二栅极108-1与阳极112之间。
在一些实施方案中，第一栅极106和第二栅极108中的每一者包 括单排开口。
在一些实施方案中，第一栅极106和第二栅极108中的至少一者 包括多排，每排包括多个开口。
在一些实施方案中，第二栅极108是孔。
在一些实施方案中，第一栅极106的开口与第二栅极108的开口 横向偏移。
在一些实施方案中，第一栅极106的开口具有与第二栅极108的 开口不同的宽度。
一些实施方案包括x射线源，其包括：真空封围件114；阳极112， 该阳极设置在真空封围件114中；多个场致发射器104，所述多个场 致发射器设置在真空封围件114中，每个场致发射器104被配置成生 成电子束140；多个第一栅极106，每个第一栅极106与场致发射器 104中的一个对应的场致发射器相关联，并且被配置成控制来自所述 对应的场致发射器104的场致发射；以及第二栅极108，该第二栅极 设置在第一栅极106与阳极112之间。
在一些实施方案中，第二栅极108包括多个第二栅极108，每个 第二栅极108与第一栅极106中的一个对应的第一栅极相关联，并且 设置在对应的第一栅极106与阳极112之间。
在一些实施方案中，x射线源还包括电压源，该电压源被配置成 对第一栅极106和第二栅极108施加电压。在一些实施方案中，x射 线源还包括与第二栅极108分开的聚焦电极，该聚焦电极设置在场致 发射器104与阳极112之间。
一些实施方案包括x射线源，其包括：用于从场发射电子的装置； 用于对来自所述用于从所述场发射电子的装置的电子发射进行控制 的装置；用于响应于入射电子而生成x射线的装置；以及用于在所述 用于对来自所述用于从所述场发射电子的装置的所述电子发射进行 控制的装置与所述用于响应于入射电子而生成x射线的装置之间的 多个位置处改变电场的装置。
所述用于从场发射电子的装置的示例包括场致发射器104。所述 用于对来自所述用于从所述场发射电子的装置的电子发射进行控制 的装置的示例包括第一栅极106。所述用于响应于入射电子而生成x 射线的装置的示例包括阳极112。所述用于在所述用于对来自所述用 于从所述场发射电子的装置的所述电子发射进行控制的装置与所述 用于响应于入射电子而生成x射线的装置之间的多个位置处改变电 场的装置的示例包括网格状栅极作为第二栅极108。
在一些实施方案中，所述用于从所述场发射电子的装置是多个用 于从对应场发射电子的装置中的一个装置；并且所述用于改变电场的 装置包括用于在所述多个用于从对应的场发射电子的装置中的每个 装置上改变电场的装置。
在一些实施方案中，所述用于改变电场的装置包括用于跨用于发 射电子的装置在多个位置处改变电场的装置。所述用于改变电场的装 置的示例包括用于跨用于发射电子的装置在多个位置处改变电场的 装置包括网格状栅极作为第二栅极108。
在一些实施方案中，所述x射线源还包括用于在所述用于对来自 所述用于从场发射电子的装置的电子发射进行控制的装置与所述用 于响应于入射电子而生成x射线的装置之间改变电场的装置。所述用 于在所述用于对来自所述用于从场发射电子的装置的电子发射进行 控制的装置与所述用于响应于入射电子而生成x射线的装置之间改 变电场的装置的示例包括第二栅极108。
尽管已经根据特定实施方案描述了结构、装置、方法和系统，但 是本领域的普通技术人员将容易认识到，对特定实施方案的许多变化 是可能的，并且因此任何变化都应被认为在本文公开的精神和范围内。 因此，在不脱离所附权利要求的精神和范围的情况下，本领域普通技 术人员可以进行许多修改。
本书面公开之后的权利要求由此被明确地并入到本书面公开中， 其中每个权利要求独立地作为单独的实施方案。本公开包括独立权利 要求及其从属权利要求的所有排列。而且，能够从随后的独立权利要 求和从属权利要求衍生的另外的实施方案也明确地并入到本书面描 述中。这些另外的实施方案是通过用短语“以权利要求[x]开始并且以 紧接在所述权利要求之前的权利要求结束的权利要求中的任一个”来 替换给定从属权利要求的从属关系来确定的，其中括号内的术语“[x]” 被用最近引用的独立权利要求的编号来替换。例如，对于以独立权利 要求1开始的第一权利要求集，权利要求4可以从属于权利要求1和 权利要求3中的任一者，其中这些单独的从属关系产生两个不同的实 施方案；权利要求5可以从属于权利要求1、权利要求3或权利要求 4中的任一者，其中这些单独的从属关系产生三个不同的实施方案； 权利要求6可以从属于权利要求1、权利要求3、权利要求4或权利要求5中的任一者，其中这些单独的从属关系产生四个不同的实施方 案；以此类推。
权利要求中关于特征或要素的术语“第一”的叙述不一定意味着 第二或另外的此类特征或要素的存在。以装置加功能格式具体引用的 要素(如有)旨在根据35U.S.C.§112(f)解释为覆盖本文描述的对应 的结构、材料或行为及其等同物。要求排他性属性或特性的本发明的 实施方案限定如下。

Claims (20)

1.一种x射线源，其包括：
阳极；
场致发射器，所述场致发射器被配置成生成电子束；
第一栅极，所述第一栅极被配置成控制来自所述场致发射器的场致发射；
第二栅极，所述第二栅极设置在所述第一栅极与所述阳极之间；和
中间电极，所述中间电极设置在所述第一栅极与所述阳极之间，其中所述第二栅极设置在所述第一栅极与所述中间电极之间或所述中间电极与所述阳极之间。
2.如权利要求1所述的x射线源，其还包括：
电压源，所述电压源被配置成对所述第一栅极施加第一电压并且对所述第二栅极施加第二电压。
3.如权利要求2所述的x射线源，其中：
所述第一电压和所述第二电压相同；
所述第一电压和所述第二电压中的至少一者接地；
所述第一电压和所述第二电压不同；或者
所述电压源是可变电压源，并且所述可变电压源被配置成改变所述第一电压和所述第二电压中的至少一者。
4.如权利要求2至3中任一项所述的x射线源，其还包括：
第三栅极，所述第三栅极设置在所述第一栅极与所述阳极之间，并且设置在距所述场致发射器的与所述第二栅极相同的距离处；
其中所述电压源被配置成对所述第三栅极施加第三电压，并且所述电压源被配置成独立地施加所述第三电压和所述第二电压。
5.如权利要求1至3中任一项所述的x射线源，其还包括：
间隔物，所述间隔物设置在所述第一栅极与所述阳极之间；
第三栅极，所述第三栅极设置在所述第一栅极与所述阳极之间；
其中所述第二栅极和所述第三栅极设置在所述间隔物上。
6.如权利要求5所述的x射线源，其中：
所述间隔物包括多个开口；
所述场致发射器是多个场致发射器中的一个场致发射器，每个场致发射器与所述开口中的一个对应的开口对齐；并且
对于所述开口中的每个开口，所述第二栅极沿所述开口的第一边缘设置，并且所述第三栅极沿所述开口的与所述第一边缘相对的第二边缘设置。
7.如权利要求6所述的x射线源，其还包括：
第四栅极，所述第四栅极设置在所述第一栅极与所述阳极之间；
第五栅极，所述第五栅极设置在所述第一栅极与所述阳极之间；
其中对于所述开口中的每个开口，所述第四栅极沿所述开口的与所述第一边缘正交的第三边缘设置，并且所述第五栅极沿所述开口的与所述第三边缘相对的第四边缘设置。
8.如权利要求1至3中任一项所述的x射线源，其中所述第二栅极为网格状栅极。
9.如权利要求1至3中任一项所述的x射线源，其中所述场致发射器与所述第一栅极之间的距离小于300微米(μm)，并且所述第一栅极与所述第二栅极之间的距离大于1毫米(mm)。
10.如权利要求1至3中任一项所述的x射线源，其还包括第三栅极，所述第三栅极设置在所述第二栅极与所述阳极之间。
11.如权利要求1至3中任一项所述的x射线源，其中所述第一栅极和所述第二栅极中的每一者包括单排开口。
12.如权利要求1至3中任一项所述的x射线源，其中所述第一栅极的开口与所述第二栅极的开口横向偏移。
13.如权利要求1至3中任一项所述的x射线源，其中所述第一栅极的开口具有与所述第二栅极的开口不同的宽度。
14.如权利要求1至3中任一项所述的x射线源，其中所述场致发射器是设置在真空封围件中的多个分开的场致发射器中的一个场致发射器。
15.如权利要求1至3中任一项所述的x射线源，其还包括：
间隔物，所述间隔物设置在所述第一栅极与所述阳极之间；
其中所述第二栅极设置在所述间隔物上。
16.一种x射线源，其包括：
真空封围件；
阳极，所述阳极设置在所述真空封围件中；
多个场致发射器，所述多个场致发射器设置在所述真空封围件中，每个场致发射器被配置成生成电子束；
多个第一栅极，每个第一栅极与所述场致发射器中的一个对应的场致发射器相关联，并且被配置成控制来自所述对应的场致发射器的场致发射；和
第二栅极，所述第二栅极设置在所述第一栅极与所述阳极之间。
17.如权利要求16所述的x射线源，其中：
所述第二栅极包括多个第二栅极，每个第二栅极与所述第一栅极中的一个对应的第一栅极相关联，并且设置在所述对应的第一栅极与所述阳极之间。
18.一种x射线源，其包括：
用于从场发射电子的装置；
用于对来自所述用于从所述场发射电子的装置的电子发射进行控制的装置；
用于响应于入射电子而生成x射线的装置；和
用于在所述用于对来自所述用于从所述场发射电子的装置的所述电子发射进行控制的装置与所述用于响应于所述入射电子而生成x射线的装置之间的多个位置处改变电场的装置。
19.如权利要求18所述的x射线源，其中：
所述用于从所述场发射电子的装置是多个用于从对应的场发射电子的装置中的一个装置；并且
所述用于改变所述电场的装置包括用于在所述多个用于从对应的场发射电子的装置中的每个装置上改变所述电场的装置。
20.如权利要求18至19中任一项所述的x射线源，其还包括用于在所述用于对来自所述用于从所述场发射电子的装置的所述电子发射进行控制的装置与所述用于响应于所述入射电子而生成x射线的装置之间改变电场的装置。
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