CN1479935A - 使用电子场发射阴极的x-射线发生机构 - Google Patents

使用电子场发射阴极的x-射线发生机构 Download PDF

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Abstract

一种X－射线发生装置包括场发射阴极，该阴极至少部分地由具有至少4A/cm2的发射电子电流密度的包含纳结构(1110)的材料形成。由于在阴极(1110)和栅或阳极(1130)之间易于聚焦冷阴极发射电子和以不同的阳极材料(1130)聚焦电子束，因此可以实现高的能量转换效率和紧凑的设计(1100)，并且从单个装置中可以产生具有不同能量的脉冲发送的X－射线辐射。

Description

使用电子场发射阴极的X-射线发生机构
关于联邦政府资助的研究或开发项目的声明
本发明的至少某些方面根据合同号N00014-98-1-0597受海军研究办公室的资助而受政府的支持。政府对本发明具有某些权利。
发明背景
在下文的描述中，参考某些结构和/或方法。但是，不应该认为下文的引用承认这些结构和/或方法构成了现有技术。申请人明确地保留证实这种结构和/或方法相对于本发明不属于现有技术的权利。
X-射线居于大约10-8和10-12m之间的电磁光谱的部分。当受到高能电子轰击时，原子通过两个不同的过程发射X-射线。
在第一过程中，在高速电子穿过物质时它们减速。在穿过或接近目标原子的原子核区时，如果单个的电子突然减速但未必停止，则电子就会失去它的一些能量，根据普朗克(Plank)定律这些能量将作为X-射线光子被发射。在电子最终停止之前它可能经过几次这样的减速，发射宽范围的不同能量和波长的X-射线光子。这个过程产生了大量的X-射线辐射并导致了连续类型的光谱，这也称为轫致辐射。
在第二过程中，入射的电子与目标原子的轨道电子碰撞并排斥。如果被排斥的电子来自内层轨道，则在外层轨道的电子落入里面的空轨道，同时伴随着发射X-射线光子。在这个过程中，以X-射线的形式发射能量，该X-射线的能量或波长代表所涉及的轨道跃迁。因为轨道电子的能量是量化的，因此所发射的X-射线的光子也是量化的，并且只能够具有原子的离散波长特性。这就可以根据特征X-射线对它们进行分类。
已经使用几种方法来在阴极产生入射电子并将它们加速到靶阳极。一种传统的方法是使用X-射线管。根据用于产生电子的方法，可以将X-射线管分为两个一般组：充气管和高真空管。
附图1所示为常规的充气X-射线管。这种X-射线发生装置110基本由玻璃容器120构成，在玻璃容器120中设置有阴极125，该阴极125产生电子束140，该电子束撞击阳极130由此发射X-射线150，该X-射线150可用于包括医疗和科研等的各种目的。经过电线135由高压电源对阴极供电。此外，气压调节器115调节在这种类型的X-射线装置中的气压。
高真空管(例如在附图2中所示的)是第二种类型的X-射线管。附图2所示为具有热电子阴极的真空X-射线管装置。在这种类型的装置210中玻璃容器220起到真空壳体的作用。阴极225设置在这个真空容器中并配有电线235。电子240通过热电子发射从阴极225发射并撞击阳极靶230。这种X-射线发射的效率非常低，由此使阳极被加热。为增加这种装置的寿命，需要提供冷却机构。一种冷却机构的实施例是室260，通过室260水通过入口265和出口270循环。为提高发射的电子束的效率，通常使用聚焦场245。聚焦场245使热电子发射的电子准直并将它们导向到阳极230。但是，电子的热发射原点聚焦到小尺寸的束点比较困难。这部分地限制了现代X-射线成像的分辨率(例如参见，Radiologic Science For Technologiest，S.C.Bushong，Mosby-Year Book，1997)。从阳极230发射的X-射线250穿过窗口255并随后可用于包括医疗和科研的各种目的。这种类型的装置的其它特征是外部光阀275。已经发现需要并入这种光阀以防止与阴极的热衰变相关的X-射线的入射发射。这是因为即使终止了给阴极加电，但是残余的热量仍然能够使电子继续朝靶发射并继续产生X-射线。
这种X-射线的发生过程也不非常有效，因为一旦与阳极碰撞，则大约98％的电子流的动能转换为热能。因此，如果电流是高的或者要求连续照射，则聚焦的束点的温度就能够达到非常高。为了避免损害阳极，尽可能地快速地消散这种热量是必要的。这可以通过引入旋转阳极结构实现。
如上文所指出，在这种装置中需要光阀(例如275)，因为来自阴极的电子的热电子发射不允许结果电子束的精确的阶跃函数的开始和结束。实际上，尽管温度还在上升并随后切断电源，但是热电子阴极却可能发射电子，这些电子可能从靶产生不希望的X-射线发射。在实际中，光阀或者通过机械方式或者通过微开关保持打开。
此外，由于高温加热，阴极灯丝具有有限的寿命，在医疗应用中通常为大约几百小时，在分析应用中通常为几千小时。在正常使用下，确定X-射线管的寿命的主要系数通常是对阴极灯丝的损害。
在阳极中产生的有用的X-射线量与撞击在阳极的电子束电流成比例。在热电子发射中，电子来电流仅是通过阴极灯丝的电流的很小一部分(通常为1/20)。在现代的医疗应用比如数字X-射线照相术和计算机断层成像(CT)中，要求很高的X-射线强度同时要求非常高的热电子发射阴极电流。因此，在这些应用中的主要限制是通过阴极产生的电子束的电流量。
在X-射线的发生方面的可能的改善是引入场发射阴极材料。场发射是在强电场的作用下发射电子。然而，将常规的场发射阴极材料并入到X-射线发生装置中存在一定的挑战。例如，场发射阴极材料必须能够产生足够高电平的发射的电子电流密度(对于医疗应用在靶上可能高达2000mA)，以使一旦撞击到阳极靶材料上能够产生所需的X-射线强度。
在不向阴极施加相对高的电场的情况下，许多常规的场发射材料是不能够产生所希望的发射的电子电路密度的。此外，在高的施加的电场下，许多常规的电场发射材料不能够产生高的电流密度的稳定的发射。高的控制电压的使用增加了损坏阴极材料的可能性，并且要求使用高功率装置，而这种高功率装置的制造和使用成本都较高。
人们已经利用具有纳米大小的尖头的常规的场发射材料比如金属(例如钼)或者半导体材料(例如硅)。虽然已经证实了这种材料的有用的发射的特性，但是接通电场相对较高，通常在10mA/cm2的电流密度下大约50-100V/μm的量级。(例如参见W Zhu等人的 Science，Vol.282，1471，(1998))。
已经出现的以金刚石和碳纳管形式的碳材料潜在地应用到电子场发射材料方面。
在基于金刚石材料中已经观测到低场发射(对于10mA/cm2电流密度为3-5V/μm)。但是，在30mA/cm2的电流密度之上这种发射就不稳定，并且制造均匀的尖头非常困难并且成本高。此外，在实际装置的环境中这些材料的稳定性是受到关注的，部分原因在于离子轰击、与化学活性物质的反应和较高的温度。(例如参见I.Brodie和C.A.Spindt，“Advances in Electronics and Electron Physics”，P.W.Hawkes编辑，Vol.83，1(1992))。
使用金刚石材料作为场发射极也会带来这样的问题：金刚石产生比所需的电流密度更低的电流密度。虽然已经有报告指出局部发射的热束点的观测结果为大约100A/cm2量级的电流密度，但是实际的发射面积还没有测量，它们是既不可被理解也不可再现的。例如参见K.Okano等人的 Applied Physics Letters，Vol.70，2201(1997)，在此将其全部内容引入以供参考。金刚石发射极和相关的发射装置例如公开在美国专利US5,129,850、US5,138,237、US5,616,368、US5,623,180、US5,637,950、US5,648,699、Okano等人的 Applied Physics Letters，Vol.64，2742(1994)、Kumar等人的 Solid State Technologies，Vol.38，71(1995)和Geis等人的 Journal of Vacuum Science Technology，Vol.B14，2060(1996)中，在此以引用它们的全部内容以供参考。
以前出版的关于碳纳管发射材料的研究报告了相对低的电流密度，通常在大约0.1-100mA/cm2的量级。报告的更高的电子发射数据难以解释并且不可信，因为例如数据独立于在发射阴极和靶阳极材料之间的距离(美国专利US 6,057,637)。碳纳管发射极例如公开在T.Keesmann的德国专利DE4,405,768、Rinzler等人的 Science，Vol.269，1550(1995)、De Heer等人的 Science，Vol.270，1179(1995)、Saito等人的 Japan Journal of Applied Physics，Vol.37，1.346(1998)、Wang等人的 Applied Physics Letters，Vol.70，3308(1997)、Saito等人的 Japan Journal of Applied Physics，Vol.36，1.340(1997)、Wang等人的 Applied Physics Letters，Vol.72，2912(1998)和Bonard等人的 Applied Physics Letters，Vol73，P918(1998)中，在此以引用它们的全部内容以供参考。
已经报告了来自淀积在不同的衬底上的单壁碳纳管膜的高达4A/cm2的发射(W Zhu等人的 Applied Physics Letters，Vol.75，873，(1999)、申请号为09/259,307的未决的美国专利申请)。10mA/cm2的电流密度的阈值场＜5V/μm(C.Bower等人的“Amorphous andNanostructured Carbon”，由J.Sullivan、J.Robertson、O.Zhou、T.Allen和B.Coll编辑， Materials Research Society Symposium Proceeding，Vol.593，P215(2000))。
用于医疗应用的X-射线管通常包含具有0.3mm2和1mm2的“视在”束点大小的双焦点。应用6°和15°的靶角，这对应于0.3×3mm2和1×4mm2的电子撞击的实际区域。焦点的进一步减小要求更小的靶角和更高的电子电流。这是不可能的，因为施加到阴极灯丝的功率受到了限制。
应用常规的热电子发射极的另一困难是空间电荷效应。空间电荷对施加的X-射线电压(kV)和灯丝电流非常敏感。因此，很难实现对电子束电流(mA)和kV的独立控制，除非该管运行在所谓的饱和极限下。这通常意味着kV越高mA越大。
在数字荧光检查和X-射线照相术中，能量相减技术(从通过更高的X-射线能量获得的图像中减去通过较低的平均X-射线能量获得的图像)用于提高某些材料的对比度(比如与碘试剂进行对比)。例如参见Radiologic Science for Technologist，S.C.Bushong，Mosby-Year Book，1997。这要求在所要求的每个数据点上交替高和低kV。由于热电子源的开始和终止的固有的困难，该过程较慢并且患者暴露在不必要的更高剂量的X-射线中。
在计算机断层成像中，X-射线扇形束的均匀性是关键。在常规的X-射线管设计中实现均匀性比较困难，因为自靶表面的X-射线的发射是各向异性(即，取决于相对该表面的发射方向)。X-射线束的不同的部分来自聚焦区域的不同部分的发射角度的不同组合。因此，即使以均匀的电子束轰击焦点，所得的X-射线束仍然是非均匀的。
因此，理想的是构造并入场发射阴极材料的X-射线发生装置，这种场发射阴极材料能够可靠地产生较高的发射电子电流密度，而不依赖于热电子发射或者高的控制或外加电压。因此，理想的是提供具有带有易于控制并聚焦的发射的电子束的X-射线发生装置。
发明概述
本发明通过将场发射纳结构阴极材料并入到X-射线发生装置中避免了当前X-射线发生装置的不希望的特征。本发明的纳结构场发射材料能够以受控的可靠的方式通过施加相对小的控制电场产生高发射的电子电流密度。因此，与热电子发射的电子束电流相比可以实现基本上是更高的电子束电流。本发明的纳结构场发射阴极能够简单地通过改变施加的电压以变化的持续时间的脉冲提供电子发射的精确的阶跃函数开始和终止。避免了在热电子发射中经历的在热衰减期间的残余发射的问题。使用配有本发明的基于纳结构的场发射阴极的X-射线管，还能够构造用于野外的便携式的X-射线机。
除了有利的脉冲发射以外，通过使用可控制在X-射线发生装置内的束的取向的机械和/或电装置可以将场发射电子导向到在阳极靶上的特定的区域。取向特征允许在一个X-射线装置内使用多种阳极靶材料，因此在单个装置中产生了更大范围的特征X-射线。此外，在阳极上的轰击的时间减少可以降低对阳极冷却的要求同时减少装置外设。
纳结构阴极材料的使用能够发射稳定的并易于控制和聚焦的高的电子束电流。因此，本发明的X-射线发生装置提供了相对于当前的设计能够显著改善成像质量和速度的各种医疗应用系统。医疗应用所要求的X-射线束的主要特征是高强度、X-射线发生的精确控制和较小的“视在”焦点。
应用纳结构场发射器，电子束电流与输送给阴极的电子束束电流相同。因此，在实现比电子束电流更高的幅值的量级方面没有困难。本发明提供了具有基本上更小的角度阳极靶的新型设计，由此有更小的“视在”焦点尺寸的。这就能够导致极大地改善成像分辨率和速度。例如，可以设计2°和6°的靶角的0.1mm2和0.3mm2的双焦点。因此，本发明的装置能够在当前的机器中产生相同量的X-射线但具有好到3-4倍的分辨率，或者具有相当的分辨率但X-射线束强3-4倍。
在纳结构电子场发射极的情况下，以X-射线管所要求的电流密度，空间电荷极限并未达到。因此，使用本发明的X-射线装置的设计，对mA和kV的独立且稳定的控制是可能的。
通过本发明，场发射极的快速脉冲发射能够轻松实现，导致在荧光检查、X-射线照相术和计算机断层成像中能够显著地提高数字成像的速度，因此减少了患者暴露在不必要的辐射中。
由于来自场发射极的电子束易于控制和聚焦，所有根据本发明，可以实现具有多种靶材料的阳极。例如，通过将相同的电子束交替地聚焦在高的Z(产生更高的平均X-射线能量)和低的Z(产生更低的平均X-射线能量)材料而不改变施加在阳极和阴极之间的kV可以产生前述的X-射线能量的脉冲发射。这种技术简化了电源结构，因此减小了相关的成本。阳极靶和场发射极的这种设计能够实现不同的X-射线能量的脉冲发射而不使kV脉冲发射，因此减小了成本并增强了在数字成像(比如荧光检查、X-射线照相和计算机断层成像)上的速度。
应用根据本发明的场发射极及其相关的容易控制性，可以设计分布式电子束以使它补偿各向异性效应。因此，使用场发射极的X-射线设计可以实现产生非常均匀的X-射线束，因此增强了在数字成像上的对比度和分辨率。
根据第一方面，提供一种X-射线发生装置，其包括：室；场发射阴极，该阴极包括具有比A/cm2更大的发射电子电流密度的包含纳结构的材料；阳极靶；和通过在阴极和阳极之间施加电压建立的加速场。
根据另一方面，发生X-射线的方法包括：提供室；将场发射阴极置于该室中，该阴极包括具有比4A/cm2更大的发射电子电流密度的包含纳结构的材料；给阴极施加控制电压，由此产生要发射的电子流；以及在插入到发射的电子流的室中提供阳极靶，由此使X-射线从阳极靶发射。
根据本发明，通过施加的或控制电压可以精确地控制电流密度和它的分布。
附图概述
结合附图，通过下文对本发明的优选实施例的详细描述将会清楚本发明的目的和优点，在附图中相同的标号表示类似的部件，在附图中：
附图1所示为常规的充气X-射线管的截面图；
附图2所示为常规的真空X-射线管的截面图；
附图3所示为描述在将单壁碳纳管制造成场发射阴极中的主要步骤的过程图；
附图4所示为描述获得几种场发射材料的某些发射电流密度所需的阈值场的曲线图；
附图5所示为根据本发明的第一实施例的碳纳管场发射装置的截面图；
附图6所示为根据本发明的另一实施例的碳纳管场发射装置的截面图；
附图7A所示为根据本发明的再一实施例的碳纳管场发射装置的截面图；
附图7B所示为附图7A的顶视图；
附图8A所示为根据本发明的进一步实施例的碳纳管场发射装置的截面图；
附图8B所示为附图8A的顶视图；
附图9所示为具有场发射碳纳管阴极的真空X-射线管的进一步实施例的截面图；
附图10所示为附图9的装置沿A-A的视图；
附图11所示为具有场发射碳纳管阴极的真空X-射线管的进一步实施例的截面图；
附图12所示为附图11的装置沿B-B的视图；
附图13所示为根据本发明的阳极结构的示意图；
附图14所示为本发明的多靶可旋转阳极的示意图。
优选实施例的详细描述
根据本发明，至少部分地通过包含纳结构的材料形成X-射线发射装置的阴极。纳结构材料具有纳米级尺寸。这些纳结构可以具有各种形状，比如球形、杆/线形或管形。
本发明预期采用具有高的发射电流密度的多种纳结构材料。例如包含由硅(Si)、锗(ge)、铝(Al)、氧化硅、氧化锗、碳化硅、硼、氮化硼和碳化硼形成的材料的是预期的。例如在美国专利No.＿＿；(序列号No.09/594,844，代理人文档号No.032566-003)中对上述材料作了更详细的描述，在此以其全部引用以供参考。
根据本发明的进一步实施例，用于形成在X-射线发射装置中的阴极的至少一部分的材料包括碳纳管，或者是单壁碳纳管或多壁碳纳管。
阴极可以以任何适合的方式形成。例如，以各种几何结构形成场发射阴极，比如用于聚焦发射的电子束的一个或多个尖点或脊是公知的。例如参见Levine的美国专利US3,921,022、Cochran Jr.等人的美国专利US4,253,221和Keesmann等人的美国专利US5,773,921，在此以将它们的全部内容引用以供参考。
阴极可以全部由本发明的纳管材料形成，或者可以包括至少部分以纳管材料涂敷的衬底。
多种单壁纳管制造技术是被包括的。例如，可以使用激光烧蚀过程制造单壁纳管。这种技术例如一般性地描述在Thess等人的 Science；273，483-487(1996)；C.Bower等人的 Applied Physics，Vol.A67，47(1998)；X.P.Tang等人的 Science Vol.288，492(2000)中，在此引用它们的公开内容以供参考。单壁碳纳管也可以以电弧放电(例如参见C.Journet等人的Nature，Vol.388，756(1997))和化学汽相淀积(例如参见A.M.Cassell等人 J.Of Physics ChemistryB，103，6484(1999))技术制造。
形成根据本发明的单壁纳管的一种特别适合的技术包括在美国专利No.＿＿(序列号No 09/259,307，代理人文档号No.032566-001)中所描述的技术，在此公开其全部内容以供参考。
根据实例性的技术，由石墨和适合的催化剂(比如镍和钴)制造的靶放置在石英管中。该靶由与0.6原子％镍和0.6原子％钴和石墨粘合剂混合的石墨粉形成。然后在管内将靶加热到大约1150℃的温度。通过真空泵抽空该管并通过适合的源将惰性气体(如氩)气流引入到该管中。各种控制装置可以附接到用于控制和监测进入该管中的惰性气体流以及在该管内的真空度的该系统。惰性气体的压力保持在适合的水平，比如大约800托。
能量源比如脉冲Nd：YAG激光用于在上述的温度下烧蚀靶。可取的是，激光的第一和/或第二谐波束(即分别为1064纳米和532纳米)用于烧蚀靶。
在烧蚀靶时，通过惰性气体流将包含纳管的材料传输到下游，并且在管的内壁上形成淀积层。然后去除这些淀积层以恢复包含纳管的材料。这种材料(所恢复的)已经进行了分析并发现：它包含具有1.3-1.6纳米的单个管直径和10-40纳米的束直径的50-70体积％的SWNT。束随机地取向。
然后通过适合的净化过程净化所恢复的材料。在优选的实施例中，将纳管材料放置在适合的液体介质比如有机溶剂(优选醇类比如甲醇)中。使用高功率超声角保持纳管悬浮在液体介质中几个小时，同时悬浮液通过微孔隔膜。在另一实施例中，包含碳纳管的材料首先通过适合的溶剂净化，优选20％的H2O2，随后在CS2中清洗，然后在甲醇中，随后过滤，如Tang等人在Science，Vol.288，492(2000)中所描述。
虽然并不将本发明限制到任何特定的理论中，但是应该考虑到，根据上述本发明的过程制造的纳管材料提高了材料发射电子的能力。此外，应该相信上述的合成的SWNT具有非常低的电阻。还应该相信本发明的单壁纳管材料所具有的上述特征使本发明的材料比先前研究的材料在更可靠和一致性方面更加优越。
除了上述的处理步骤之外，通过研磨比如球磨研磨或氧化能够进一步处理净化的材料。当然可选择的研磨步骤可以形成更易断裂的纳管，并且在理论上至少更加进一步增加纳管的端数，这就能够形成朝阳极靶的电子发射点。碳纳管还可以通过在强酸中氧化而被缩短。纳管的长度能够被酸的浓度和反应时间控制。在优选的实施例中，净化的单壁碳纳管在H2SO4和HNO3的3∶1体积比的溶液中进行声处理。在24小时的声处理之后平均的纳管长度减小到0.5微米(在净化的情况下10-30微米)。使用短的纳管可以获得每单位面积更多的发射尖点。
上述的纳结构材料(比如净化的单壁纳管材料)可以淀积为在阴极衬底材料上的薄膜。本发明的材料的一个重要的优点在于它们能够在衬底上或其它的形式上淀积为薄膜，而不依赖于使用粘合剂材料。粘合剂材料的使用对材料的电特性产生不利的影响，由此对它的场发射特性产生不利的影响。
附图3所示为在淀积和制备场发射阴极的实例性技术的主要步骤的示意图。提供衬底300，所使用的特定的阴极衬底材料并不是非常关键，它可以包括任何适合的常规使用的电导通材料。可取的是，在应用纳结构材料例如单壁碳纳管320之前，薄的碳溶解或碳形成的金属中间层310是沉积在衬底上。碳溶解或碳形成的金属中间层310材料的实例包括Ni、Fe、Co、Mn、Si、Mo、Ti、Ta、W、Nb、Zn、V、Cr和Hf。然后通过退火形成膜330，可选择地随后通过超声处理从该装置中消除过量的SWINT 340。在高真空(优选在10-6托下)下在某一温度下实施退火，在这种情况下可以在金属中间层和碳纳管或适合的纳结构、接口上可以形成薄的碳化物层或者可以溶解少量的碳。在这种处理之后，碳纳管或适合的纳结构就粘在衬底上。
通过各种方法可以将纳结构材料或单壁碳纳管淀积在具有金属中间层310的衬底300上，方法包括悬浮液或溶液涂布、喷射、旋涂、溅射、丝网印刷或电泳喷镀。例如，产生具有0.01至10μm(更具体地是0.1至1μm)的数量级的厚度的膜。在另一实施例中，薄且连续的“纸”350(附图6)可以直接用于衬底。在过滤的过程中纸350例如由在过滤纸上沉降碳纳管和纳管束形成并通常具有平滑的表面而且柔软。
通过其它的方法比如电弧放电和化学汽相淀积形成的包含单壁碳纳管的膜也可以通过上述的过程形成。此外，通过化学汽相淀积方法可以直接在衬底上形成碳纳管膜。
本发明的包含阴极材料的纳结构材料的特征在于在相对低的施加的电压的情况下的高发射电流密度。
对根据本发明的原理形成的各种单壁和多壁纳管材料进行场发射测量。附图4以图形方式示出的根据本发明制备的5个纳管材料。这些测量显示在2-5V/μm和100mA/cm2的施加电场下或大于在4-7V/μm的施加的电场下的10mA/cm2的电流密度。所示为纳金刚石场发射材料的结果以便比较。如附图4所示，所研究的材料展示出在相对低的施加电场电压下具有相对高的电流密度。
下表1概括了为获得几种阴极材料的10mA/cm2的电流密度所需的阈值场。与所研究的其它材料相比，本发明的碳纳管均匀地具有更低的给定电流密度的阈值场。此外，所生成的电流密度对于这种碳纳管材料要比对其它所研究的材料更加稳定。
表1：
阴极材料 10mA/cm2的电流密度的阈值场(V/μm)
钼(Mo)尖头 50-100
硅(Si)尖头 50-100
P-型金刚石 160
有缺陷的CVD金刚石 30-120
无定型金刚石 20-40
镀铯金刚石 20-30
石墨粉 10-20
纳金刚石 3-5(＞30mA/cm2时，不稳定)
分选的碳纳管 2-5(＞1A/cm2时，稳定)
因此，如上文所证实，具有包括根据本发明的纳结构材料比如单壁纳管材料的阴极的X-射线发生装置能够产生大于100mA/cm2，优选1000mA/cm2，最优选的是5000mA/cm2的发射的电流电子密度。
可以设想，包括形成的与本发明的原理一致的单壁碳纳管的电子发射阴极可以并入到适合的X-射线发生装置中。这种装置具有的优点在于不仅能够对阴极而且对阳极以及这种X-射线发生装置的其它部件进行多种设计的改进。下文描述根据本发明的原理构造的几种实例性装置。
附图5-8B描述了根据本发明的场发射阴极装置的截面图。在一种实施例500中，场发射阴极结构510包括在导电衬底300上的纳结构或碳纳管膜330，优选地具有所需的金属中间层310。在淀积之后，优选地对膜330进行真空退火。栅电极520(优选是高熔化温度金属栅格)放置在位于栅电极520和纳管膜330之间的绝缘间隔530上。电源540(优选具有可变电压的控制)连接在栅电极520和纳管阴极510之间。
在另一实施例600中，场发射阴极结构610包括放置在导电衬底300上的薄纳结构或碳纳管纸350，该导电衬底300优选具有所需的金属中间层310比如Fe或Ti。将纸350压在具有金属中间层310的衬底300上，并且该纸350优选地进行真空退火以实现粘接。纸350进一步通过绝缘套环630固定在衬底300上。栅电极620(优选是高熔化温度金属栅格)放置在绝缘套环630上。电源640(优选具有可变电压控制)连接在栅电极620和纸350或导电衬底300之间。
可替换的是，实施例700可以包括场发射阴极结构710，该场发射阴极结构710包括在导电衬底300上的纳结构或碳纳管膜330，优选地具有所需的金属中间层310，其中膜330被构图并与在栅电极720中的开口对齐以使通过场发射电子的轰击使金属栅格的过热最小化。栅电极720(优选是高熔化温度金属栅格)放置在绝缘间隔730中。金属栅格720和构图膜330放置在偏离设置的几何结构上以避免在延长的时间周期中由轰击栅格720的场发射的电子引起的栅格720的过热的问题。
在另一实施例800中，场发射阴极结构810包括在导电衬底300上的纳结构或碳纳管膜330，优选具有所需的金属中间层310。在淀积之后，膜330优选地进行真空退火。栅电极820(优选是高熔化温度金属栅格)放置在位于栅电极820和纳管膜330之间的绝缘间隔830中。电源840(优选具有可变电压控制)连接在栅电极820和纳管阴极810之间。为改善X-射线强度的稳定性，可以并入反馈电路以改变在栅电极820和阴极810之间施加的电压，由此补偿X-射线管电流(电子电流到达靶)的波动。例如，包括电流计以监测X-射线管电流(它控制X-射线强度以及加速电压)。如果电流下降到设定值之下，则栅电压(它控制来自阴极的场发射的电流密度)增加直到达到设置的管电流。
此外，场发射阴极结构810可以进一步包括可以将发射的电子束聚焦到窄的区域的聚焦环850。聚焦环850安装到在栅电极820之上的结构810上并通过第二间隔860与栅电极绝缘。为聚焦环配有负偏压870。
可替换的是，包含纳结构或碳纳管的材料可以淀积在具有凹面的衬底上。给栅电极提供一定的曲率以使在阴极和栅电极之间保持恒定距离。这种结构也用于将场发射电子朝靶阳极聚焦。
附图9所示为具有根据本发明的场发射纳结构或碳纳管阴极的真空X-射线管。在X-射线发生装置910内，设置场发射阴极装置911用作电子发生阴极。与场发射装置相连接的是用于供应控制电压的电引线935。在碳纳管场发射阴极装置911和金属阳极靶930之间有足够的场的情况下，朝阳极940发射的电子首先穿过聚焦屏蔽945。在撞击阳极靶930之后，发射X-射线950，X-射线950穿过在真空室920-侧中的窗口955。通过使用带有入口965和出口970的冷却水室960在本实施例中提供冷却水。但是，由于本发明的场发射阴极装置910能够产生足够使X-射线从阳极发射的强度的发射的电极电流密度，而不依赖于热电子效应，因此设备的冷却要求就极大地降低。此外，通过简单地改变控制电压可以更加精确地发射X-射线脉冲。因此可以省去机械光阀等。
附图10所示为附图9的装置沿A-A的视图。在该图中，可以看出阳极930和窗口955的相对取向。
附图11所示为具有本发明的纳结构或碳纳管场发射阴极装置1110的真空X-射线管的第二实施例1100。在本实施例中，场发射阴极装置1110安装在平动台1111上。平动台位置由平动控制器1121控制。通过给阴极引线135施加电流在场发射阴极装置1110和阳极1130之间可以建立场。在形成的场下，电子1140从阴极场发射并导向阳极。发射的电子轰击产生X-射线1150，该X-射线1150从阳极靶穿过在真空室1120一侧的窗口1155。由电子轰击在阳极引起的残余热量通过使用冷却水或其它的热沉消散。附图11所示为具有入口1165和出口1170的冷却水室1160。此外，阳极金属靶1130安装在阳极安装台板1131上。这个台板具有较高的热传导性以通过热沉快速地从阳极消散热量。安装台板1131固定到在具有热沉的公共表面上真空室。
可替换的是，可以将阳极安装台板1131安装成绕垂直于台板的平面的中线轴旋转。这种旋转将单个的不同的阳极金属靶1130提供在发射的电子1140的束的通路中。通过使用这种旋转装置，可以产生对应于单个阳极的材料的组分的多重特性波长的X-射线1150。
在另一附加的实施例中，阳极安装台板1131可以是静止的，并且受控制器1120控制的平动台1111可以提供可以清楚地轰击每个阳极金属靶的发射的电子束1140。
可替换的是，平动台1111可以具有光栅化(rasterization)能力。通过使用场发射阴极装置1110的单个、组或矩阵寻址的选择区域，可以产生并导向光栅化的发射电子束以便清楚地轰击每个阳极金属靶1130。所有的前述的实施例的优点在于通过这种结构实现。
在进一步的实施例中，阳极是静止的并且并入了单个受控的场发射阴极的阵列。通过有选择性地接通和切断在阵列中的某些场发射极，场发射电子可以轰击靶阳极表面的各个部分。
在再一实施例中，阳极安装平板1131固定到可移动的底座或臂。底座或臂容易地在真空室1120内移动或将从其中取下以有利于用户装入和卸下阳极靶。
附图12所示为附图11的装置沿B-B的视图。在这个图中阳极金属靶1130在阳极安装平板1131上的位置可以更加清楚。
通过上述的结构，使用与前文结合附图9的实施例讨论的本发明的场发射控制可以实现相同的优点。此外，扫描的发射电子束可以优选轰击不同的靶材料，由此实现通过相同的装置产生不同类型的特征X-射线。此外，扫描束轰击相同的靶材料的不同区域，由此减小了靶的总体发热。
在X-射线发生装置的某些应用中，比如医疗应用，重要的且必要的特征包括对X-射线发生、高强度X-射线的发生和所发生的X-射线的小视在焦点的精确控制。
某些常规的X-射线发生装置具有带产生的0.3mm2和1.00mm2的X-射线的视在焦点尺寸的双焦点。对于6°和15°的靶角，这平移到了在0.3×3.0mm2和1.0×4.0mm2的阳极上的电子轰击的实际区域。为了减小焦点，在来自阴极的更高的发射的电子束电流上的更小的靶角是需要的。由于受到能够输送给阴极灯丝的功率的限制，这在常规的装置不可能实现。
通过本发明的装置能够克服这些缺陷。根据本发明的原理构造的装置(它包括基于纳结构的场发射极)，能够产生大致等于供应到阴极的电流的发射电子束电流，由此实现具有更小的角度的阳极靶，以及最后得到的更小的视在焦点尺寸。
附图13中示出了根据本发明的原理构造的一个这样的阳极。具有100-5,000mA的电流的发射的电子束入射在焦点1302上，在附图13中从正面和侧面示出了该焦点1302。焦点1302的长度可以是10-30mm，宽度0.1-0.5mm。根据本发明，靶角度可以被减小以达到例如2°-10°的靶角度1304。在一个优选的实施例中，对于双焦点结构，靶角度可以是大约2°和大约6°。上述的结构能够产生更小的“视在”焦点1306，其面积为0.1-0.5mm2。在一个优选的实施例中，对于双焦点结构，可以实现0.1mm2和0.3mm2的视在焦点。
在比如计算机断层成像的应用中，X-射线扇形束的均匀性比较重要。在常规的管设计中实现均匀性比较困难，因为来自靶表面的X-射线的发射是各向异性(即，取决于相对于表面的发射方向)。X-射线束的不同部分来自聚焦区的不同部分的发射角的不同的组合。因此，即使在以均匀的电子束轰击焦点时，所得的X-射线束仍然是非均匀的。
本发明可以精确地控制电流密度和从纳结构阴极发射的电子束的分布。这就可以实现产生具有优良均匀性的X-射线束的新型方法。这种方法的实施例还在附图13中示意性地示出。通过控制施加在纳结构的发射极1310和栅极1313之间的电压，可以产生具有一定所需的电流密度和分布的电子束1301。在轰击阳极1302时，特别设计的非均匀的电子束1301可以产生均匀的X-射线束1303。该方法的进一步细化的方法包括在X-射线检测器1314和阴极1310之间的反馈控制机构1313。这种机构可以产生具有一定的所需的强度分布的X-射线束，在某种应用比如数字乳房X线照相术中这种X-射线束比较有利。
与常规的装置相比，本发明的阳极结构(具有更小的视在焦点尺寸)，导致显著地提高了成像分辨率和速度。例如，根据本发明的原理构造的X-射线发生装置可适用于产生与当前的机器相同量的X-射线量但却具有好出3-4倍的分辨率，或者具有相当的分辨率但却是常规装置的强度的3-4倍。
在某些应用中比如数字荧光检查和X-射线照相术中，能量相减技术可用于提高在分析的对象中的某些材料的对比度。这种技术涉及使用具有更低平均能量的X-射线获得第一图像，以及从使用具有更高的平均能量的X-射线获得的第二图像中“减去”这个第一图像。通过在用于产生更小强度的X-射线的低的kV值和用于产生更高强度的X-射线的更高的kV值之间交替施加给阴极的电压，常规地实施上述的技术。由于前文描述的在热电子发射的开始和结束的困难，因此这个过程是慢的。在医疗应用中使用时，这就使患者暴露在不必要的更高的X-射线剂量中。
由于在控制并聚焦根据本发明产生的发射的电子束方面比较容易，因此可以使用包括多种靶材料的阳极靶。
附图14中示出了一个这种装置。多靶阳极1400配有第一靶材料1402和第二靶材料1404。圆锥或截头圆锥面1403由第一和第二靶材料1402和1404界定。例如，第一靶材料1402可以是一般产生具有相对低的平均能量的X-射线的材料，而第二靶材料1404可以是一般产生具有相对较高强度的X-射线的材料。当然，这种方案可以颠倒。电压1406施加给根据本发明构造的多个场发射极1408，该场发射极发射轰击靶阳极1400的电子流。发射极1408可以脉冲发送或交替发送以使从其中发射的电子流交替地轰击第一靶材料1402以产生具有相对低的能量的X-射线1410和第二靶材料1404以产生具有相对高的能量的X-射线1412。
本发明的装置比常规的装置更加低廉并且具有增加的操作速度，这在比如荧光检查、X-射线照相和计算机断层成像的应用中特别有用。
根据本发明的方法包括提供场发射装置，该场发射装置包括包含纳结构的材料，将该材料引入到室中，在该室中先前已经设置或将要设置多个阳极中至少一个阳极。设置场发射装置以作为在X-射线发生装置中的阴极。该室随后密封并抽空到预定的最小的压力，或者以惰性气体反向填充，或者上述都不在的产生X-射线的准备过程中。
场发射阴极的构造可以采用各种方法，包括前文所描述的方法，比如在衬底上净化并淀积碳纳管之前的激光烧蚀。
在所施加的控制电压之下，本发明的场发射阴极发射电子流。控制电压的施加确定了发射的开始和终止，所述发射由此在持续时间和强度受到控制。脉冲发射电子束具有减小阳极发热的优点及其伴随的好处，以及对发射的X射线的持续时间的更精确的控制。可替换的是，通过控制所施加的控制电压可以脉冲发出发射束。
作为另一候选，通过单个地控制电压或以预定的序列或分组寻址纳结构材料的阵列以控制发射的电子束，从而导向所述束以碰撞多个阳极靶中的至少任一个靶。通过这种方法，由不同的材料制成的多个靶可以装在相同的装置中，这种装置产生更宽的X-射线光谱而不必增加并从室中取下不同的材料的靶。此外，这种候选可以用于减小对阳极的任一区轰击的时间，由此有助于减少阳极的加热。
碰撞阳极靶的场发射电子束通过在物理上十分公知的装置产生X-射线。然后所产生的X-射线通过X-射线透明窗口从室中射出并可用于包括医疗和科研的各种应用中。
根据上文对本发明的装置的描述，作出上述的实例性的方法的变型以及其它的方法是显然的。
虽然结合本发明的优选实施例已经描述了本发明，但是本领域的普通技术人员应该理解的是，在不脱离附加的权利要求所定义的本发明的精神和范围的前提下可以作出在此没有具体描述的增加、删除、修改和替换。

Claims (30)

1.一种X-射线发生装置，其包括：
室；
场发射阴极，该阴极包括具有大于4A/cm2的发射电子电流密度的包含纳结构的材料；
阳极靶；和
通过在阴极和阳极之间施加电压建立的加速场。
2.权利要求1所述的装置，其中发射的电流密度大于10，000mA/cm2。
3.权利要求1所述的装置，其中施加的2-7V/μm的电场产生大约100mA/cm2的稳定的电流密度。
4.权利要求1所述的装置，其中包含纳结构的材料包括碳纳管。
5.权利要求1所述的装置，其中包含纳结构的材料包括单壁碳纳管。
6.权利要求1所述的装置，其中阴极包括至少部分地被包含纳结构的材料所覆盖的衬底材料。
7.权利要求6所述的装置，其中包含纳结构的材料没有粘合剂材料。
8.权利要求6所述的装置，进一步包括在衬底和包含纳结构的材料之间的金属中间层。
9.权利要求6所述的装置，进一步包括栅电极。
10.权利要求6所述的装置，其中包含纳结构的材料包括附着到衬底的薄纸。
11.权利要求9所述的装置，其中包含纳结构的材料包括由与设置在栅电极中的开口对齐的电子发射材料界定的构图膜。
12.权利要求9所述的装置，进一步包括反馈电路，该反馈电路被构造成改变在栅电极和阴极之间施加的电压由此改善所产生的X-射线的稳定性。
13.权利要求9所述的装置，进一步包括位于栅电极之上的聚焦环。
14.权利要求1所述的装置，其中在阴极和栅电极之间施加的电压是以接通和切断的脉冲输送的，并在接通的脉冲期间产生场发射的电子束，而在切断的脉冲期间不产生场发射的电子束。
15.权利要求1所述的装置，其中阳极进一步包括多种靶材料。
16.权利要求15所述的装置，其中该装置能够有选择性地产生不同能量的X-射线。
17.权利要求16所述的装置，其中一部分阳极靶包括第一靶材料，而另一部分的阳极靶包括第二靶材料。
18.权利要求17所述的装置，其中阳极靶包括圆锥面。
19.权利要求1所述的装置，其中阳极靶包括长10-30mm和宽0.1-0.5mm的焦点。
20.权利要求1所述的装置，其中阳极靶包括2°-10°的靶角。
21.权利要求1所述的装置，其中该装置产生具有0.1-0.5mm2的面积的视在焦点。
22.权利要求1所述的装置，其中阳极靶包括长10-30mm和宽0.1-0.5mm的焦点和2°-10°的靶角，并且该装置产生具有0.1-0.5mm2的面积的视在焦点。
23.一种产生X-射线的方法，包括：
提供室；
将场发射阴极置于该室中，该阴极包括具有大于4A/cm2的发射电子电流密度的包含纳结构的材料；
给阴极施加控制电压，由此产生要发射的电子流；以及
在插入到发射的电子流的室中提供阳极靶，由此使X-射线从阳极靶发射。
24.权利要求23所述的方法，进一步包括脉冲发送入射的电子束。
25.权利要求24所述的方法，其中入射束的脉冲发送是通过在场发射阴极上施加和取消电场而引发的。
26.权利要求23所述的方法，其中包含纳结构的材料包括单壁碳纳管。
27.权利要求23所述的方法，其中阴极包括至少部分地被包含纳结构的材料所覆盖的衬底。
28.权利要求23所述的方法，进一步包括提供一部分包括第一靶材料而另一部分包含第二靶材料的阳极靶，以及使第一电子流轰击第一靶材料和使第二电子流轰击第二靶材料，由此通过施加相同的控制电压使该装置产生不同能量的X-射线。
29.权利要求23所述的方法，进一步包括以长10-30mm和宽0.1-0.5mm的焦点和2°-10°的靶角处理阳极靶，由此产生具有0.1-0.5mm2的面积的视在焦点。
30.权利要求23所述的方法，其中利用施加的电压量产生预定密度和分布的X-射线束。
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