CN1833299B - 从多个位置产生多个x射线束的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种多束x射线发生装置，包括具有多个固定、独立可控并且以预定图案置于阴极上的电子发射像素的固定场发射阴极、与阴极面对并包含与像素预定图案对应的预定图案而放置的多个焦点的阳极、以及包围阴极和阳极的真空室。另一种结构呈x射线发生装置的形式，它包括固定场发射阴极，该阴极具有平坦表面，在该平坦表面的至少一部分上置有电子发射材料、相对于阴极平坦表面呈平行相隔关系放置并具有多个大小不同的开口的栅电极、与阴极相对并与之间隔且具有与电子发射材料对齐的多个焦点的阳极、以及包围阳极和阴极的真空室，其中，可操作栅电极，使得可以对开口进行操作，以使从阴极发射的至少一个电子束与至少一个焦点对准或不对准。本发明还描述了相关方法。
Description
技术领域
本发明涉及从多个位置产生多个X射线束的装置和方法。例如，设想了采用具有多个可以单独寻址的电子发射像素的场发射阴极的方法和装置。可以将从像素发射的电子引导到阳极上不同的焦点，从而从同一装置的多个位置产生多个x射线束。
背景技术
下面将描述各种结构和技术。但是，不能把这里所描述的内容看成是对现有技术的认可。相反，申请人有权在适当的时候，根据适用的法律条款证明本文中所描述的内容不是现有技术。
传统的X射线管包含阴极、阳极和真空外壳。阴极是负电极，用来将电子投射到正阳极上。阳极通过施加在阳极和阴极之间的电场吸引和加速电子。阳极通常是由如钨、钼、钯、银和铜的金属制成。当电子轰击靶时，其大部分能量被转换成热能。少部分能量被转换成从靶辐射的x射线光子，形成x射线束。阴极和阳极被密封在真空室内，真空室包括通常由如Be的低原子数元素组成的x线透明窗口。
X射线管通常用于工业、医学成像和治疗应用。所有的x射线成像是基于这样的事实，即，不同的材料具有不同的x射线吸收系数。传统的x线成像技术产生三维对象的二维投影。在这样的过程中，会丢失沿x射线束方向的特定的分辨率。
尽管还基于不同材料对x射线的不同吸收系数，计算机断层摄影(CT)成像(也称为“CAT扫描”(计算机轴向断层摄影))提供了不同形式的成像技术(称之为截面成像)。CT成像系统产生某一对象的截面图像或“切片”。通过从不同的观测角采集同一目标的一系列投影图像，可以重构该对象的三维图像，从而以某种分辨率揭示其内部结构。当今，CT技术已广泛用于医学诊断测试、工业无损测试(如半导体印刷电路板(PCB)的检查)、爆炸物检测和机场安检。
在半导体工业中，印刷电路板上的特征越来越小，具有多层结构的电路却变得越来越普遍。目前对能够快速进行三维检测的机器的需求越来越大。当今，最普通的医学CT扫描仪采用一个x射线管，它围绕病人旋转，并且在此过程中拍摄几百张重构一幅切片图像所必需的投影图像。医学CT扫描仪中所使用的x射线管具有单个电子发射阴极和单个焦点。为了进行工业检测特别是为了进行PCB检测，仅在窄的观测角范围内拍摄少量投影图像。为此特殊目的，人们开发了几种装置，用以在阳极表面上从多个焦点产生多个x射线束。其目的是产生具有不同观测角的多个投影图像而不必机械移动x射线管。这些装置都是基于产生电子的热电子阴极。由x射线管中构建的复杂电磁装置将从同一阴极产生的电子引导到阳极的不同点上。这种类型的装置的一般情况如图1所示。该装置1000包括热电子阴极1002，热电子阴极1002发射电子束e，电子束e穿过聚焦和导向线圈1004、1006的排列，由此将电子束e引导到阳极表面1008上，该表面1008具有产生x线1010的多个x线发射焦点。
例如美国专利5,594,770中描述了另一种装置，它包括产生可操纵电子束的阴极的x射线源。控制器将电子束引导到阳极靶上的预定位置。用户可以灵活地选择合适的预定位置。探测器接收从每一预定位置透射通过测试对象的x射线，并产生与预定位置中的每一位置相应的图像。将这些图像数字化并组合，以产生感兴趣区域的图像。或者，如美国专利4,926,452和4,809,308中所描述的那样，电子束与旋转探测器同步地以圆形扫描图案偏转到射线管的阳极上，而旋转探测器将x射线阴影图转换成光学图像，该光学图像被转换并在固定的视频显示屏上显示出来。计算机系统控制自动定位系统，该系统支持受检测对象，并将连续的感兴趣区域移动到视场内。为了保持高的图像质量，计算机系统还控制电子束偏转和旋转光学系统的同步，使得能够对系统机械结构的不准确性作出调整。这样一种装置见图2所示。所示装置2000包括热电子电子束源2002，其产生穿过聚焦线圈2004、2006的布置的电子束e，该布置将电子束引导到射线管角2008，由此产生x射线图案2010。
获取从不同角度发射的x射线的第三种途径是机械旋转单个的x射线管/源，如图3示意性所示。
尽管上述技术可以满足此目的，但是这些基于单个电子束的x射线检查有几个缺点，涉及有限的分辨率、有限的观测角、成本和效率。这些现有技术的装置和技术有一个共同的缺点，即，它们都依赖于单个电子源产生x射线并且从不同角度获取印刷电路板的多个图像。因此，本质上它们的速度慢，并且无法从不同的角度同时产生受检测对象的多个图像。另外，它们都要机械移动x射线源或x射线探测器，这将导致x射线焦点尺寸和成像质量不一致。另外，这些x射线系统都依赖于热电子发射器，这些热电子发射器对温度敏感，需要很长的预热时间，并且不容易开/关，因此对其进行编程不易，浪费的大量能量以及x射线系统的寿命。
人们对场发射x射线管进行了研究。在这种装置中，场发射场阴极取代了金属细丝。电子发射可以通过简单的二极管模式实现，其中在靶和阴极之间施加偏置电压。当电场超过发射阈值场时，电子从阴极中发出。还可以采用三极真空管构造，其中，栅电极置于非常靠近阴极的地方。在这样的结构中，通过在栅电极和阴极之间施加偏置场来抽取电子。场发射电子接着通过栅极和阳极之间的高电压而加速。这里，分开控制电子电流和能量。
最近，人们发现，碳纳米管具有更大的电场增强系数(β)，因此，相对于传统的发射器(如Spindt型尖端)而言，所需的阈值场更低。在大电流下，碳纳米管是稳定的。已经从单个单壁碳纳米管观察到1μA或更大的稳定发射电流，并已经报道了从含有这种材料的宏观阴极发射的大于1A/cm2的电流密度。这些性能使得碳纳米管成为对于场发射x射线装置而言具有吸引力的电子场发射器。
图4及其插图示出CNT阴极的典型的发射电流-电压特征。图中示出了对于1mA/cm2电流密度阈值场为2V/μm的情况下，典型Fowler-Nordheim特性。可以容易地实现大于1μA/cm2的发射电流密度。来自碳纳米管的场发射电子具有很窄的能量和空间分布。能量展宽约为0.5eV，而在平行于电场的方向上的空间展宽角约为2-5°度半角。将碳纳米管用作冷阴极的潜在可能已经在如场发射平板显示器(FED)、发光元件和用于过电压保护的放电管中得到证明。
标题为“Device Comprising Carbon Nanotube Field EmitterStructure and Process for Forming Device”的美国专利6,630,772中揭示了一种基于碳纳米管的电子发射器结构。此文献在此引述供参考。
美国专利6,553,096(标题为“X-Ray Generating MechanismUsing Electron Field Emission Cathode”)中揭示了一种结合了至少部分由含纳米结构材料形成的阴极的X射线发生装置。此文献在此引述供参考。
美国专利申请公开号为US-2002/0094064(标题为“Large-AreaIndividually Addressable Multi-Beam X-Ray System and Methodof Forming Same”)的文献中揭示了产生x射线的结构和技术，其包括多个固定、可独立寻址的场发射电子源。此文献在此引述供参考。
标题为“Method and Apparatus for Controlling Electron BeamCurrent”的美国专利7,085,351中揭示了一种能够通过压电、热或光学装置独立控制电子发射电流的x射线发生装置。此文献在此引述供参考。
美国专利申请公开号为US-2002/0140336、标题“CoatedElectrode with Enhanced Electron Emission and IgnitionCharacters”的文献中揭示了一种含有纳米结构材料的涂敷电极结构。此文献在此引述供参考。
公开号为2004-0256975、标题为“Electrode and associatedDevices and Methods”的美国专利中揭示了一种结合了至少部分基于纳米结构材料的场发射阴极的电子电路。此文献在此引述供参考。
美国专利6,385,292(标题为“Solid State CT System andMethod”)中揭示了一种包括由多个可寻址元件形成的阴极的x射线源。此文献在此引述供参考。
美国专利申请公开号为US-2002/0085674(标题为“RadiographyDevice With Flat Panel X-Ray Source”)中揭示了一种具有固态x射线源的放射线成像系统，所述的固定x射线源包括在真空室中其上设有阴极的基板。此文献在此引述供参考。
美国专利6,385,292(标题为“X-Ra y Generator”)中揭示了一种包括冷发射场阴极的x射线发生器。可以通过各种装置控制阴极的发射电流。
因此，人们强烈地希望有一种x射线成像系统，它可以同时从不同的位置和不同的辐射角产生多个x射线束。采用含有纳米结构的场发射阴极，本发明提供了制作这样的多射束x射线成像系统的方法和装置，以及使用它们的技术。
发明内容
按照本发明，提供了更有效产生多束x射线的装置和技术，它们提供更灵活的可控制性，并且具有高度集成的多种功能。按照本发明，提供了一种以不同的角度辐射被扫描对象的x射线束的x射线源。
本发明还提供了一种进行无损x射线测量的装置。该装置包括单个或多个场发射冷阴极。从含有纳米结构的冷阴极产生的电子可以加速到阳极靶中特定的预期位置，因而从相对于被扫描对象从不同角度产生x射线束。探测器将用来收集透射穿过被扫描对象的X射线，以从不同的角度形成图像。这些图像可以用来重构揭示对象内部结构的二维或三维图像。
按照本发明，包含纳米结构材料的冷的场发射阴极在本发明中用作x射线管中产生x射线的电子源。这种新的x射线发生机制与传统的热电子x射线源相比在如下方面具有许多的优点，即，无需加热元件、在室温下工作、以高重复率产生脉冲x射线辐射、并使得多束x射线源和便携式x射线装置成为可能。
按照第一个方面，本发明提供的多束x射线发生装置包含：固定的场发射阴极，其含有以预定图案放置在该阴极上的多个固定且单独可控的电子发射像素；与阴极相对的阳极，其含有以预定图案放置的多个焦点，该预定图案对应于所述像素的预定图案；以及包围该阳极和阴极的真空室。
按照另一个方面，本发明提供了一种x射线发生装置，它包含：固定的场发射阴极，该阴极包含平坦表面，该平坦表面的至少一部分上放置有电子发射材料；相对于该阴极的平坦表面成平行相隔关系放置的栅电极，该栅电极包含具有不同大小的多个开口；与阴极相对并与之有一定间距的阳极，该阳极包含多个与电子发射材料对齐的多个焦点；以及包围该阳极和阴极的真空室；其中，可以操作栅电极，使得可以操纵开口，以使从阴极发射的至少一个电子束与至少一个焦点对准或不对准。
按照另一个方面，本发明提供了一种采用从不同的位置引导到对象的x射线对对象进行扫描的方法，该方法包含：(i)提供固定的场发射阴极，它包含多个固定且独立可控的电子发射像素，并将像素以预定的图案放置在阴极上；(ii)以与阴极相对的关系放置阳极，并以与像素的预定图案相对应的预定图案向阳极提供多个焦点；(iii)将阳极和阴极包围在真空室内；以及(iv)激励至少一个像素，从而产生入射到阳极的相应焦点上的发射电子束，由此产生x射线，并将该x射线引导向待扫描对象。
按照本发明的另一个方面，本发明提供了一种用从不同位置引导向对象的x射线对对象进行扫描的方法，该方法包含：(i)提供包含平坦表面的固定场发射阴极，并在所述平坦表面的至少一部分上提供电子发射材料；(ii)以与所述阴极的平坦表面成平行间隔的关系放置栅电极，并使该栅电极具有大小不同的开口；(iii)以与该阴极成相对的关系放置阳极，并向该阳极提供与电子发射材料对齐的多个焦点；(iv)将阳极和阴极包围在真空室内；以及(v)操纵栅电极，使得从阴极发射的至少一个电子束与至少一个焦点对准或不对准。
附图说明
图1是用于操纵电子束以形成多个x射线的已知结构和技术的示意图。
图2是用于操纵电子束以产生多个x射线的另一个已知技术和结构的示意图。
图3是使用相对于其从多个角度提供的x射线对对象进行扫描的又一种已知装置和技术的示意图。
图4是基于碳纳米管的阴极的电流与电压关系曲线。
图5是具有根据本发明原理所形成的多个固定电子源的x射线源的示意图。
图6是图5所示结构的仰视图。
图7是使用根据本发明另一方面所形成的多个电子源产生x射线的备选实施例的仰视图。
图8是按照本发明又一方面的多电子发射源的又一备选结构的示意仰视图。
图9也是按照本发明的原理所形成的另一备选实施例的仰视或平面图。
图10是具有按照本发明原理形成的多层栅极结构的电子发射源或像素的示意图。
图11是根据本发明原理形成的包含旋转栅极结构的备选结构和技术的示意图。
图12是按照本发明形成的栅电极结构的示意图。
图13是结合了根据本发明的x射线源的检查装置或系统的示意图。
图14是按照本发明的原理形成的基于X射线分层摄影法来提供多束x射线的另一种结构的示意图。
图15是一种x射线准直器装置的示意图，它可以与按照本发明的原理实施的各种结构和技术一起使用。
具体实施方式
下面将参照附图描述本发明的示例性装置和技术。
按照本发明的一种实施例，如图5所示，x射线源包含场发射阴极12，该阴极具有多个可以独立寻址的电子发射元件或“像素”11。阴极12具有如图6所示的平面几何结构。阳极13与之相对，并在真空室14中与阴极12分开有限的间隙距离。从阴极上像素11的电子发射可以由栅电极控制。在后面将详细描述本实施例和其它实施例中所使用的可能的栅极结构和布置。该X射线源可以包含单个栅电极，或者更是优选的是所包含的栅电极设有多个可以独立寻址的单元，每一个单元控制阴极12上的相应的像素11。当所述像素11和栅极上其相应的控制单元之间施加的电场超过阈值时，从发射像素11抽取电子。在阴极12和阳极13之间施加高电压。当单个像素11被开启时，所发射的电子束被高压电场加速，以获得足够的动能，并轰击阳极13上的相应点。阳极13可以由任何合适的材料(如铜、钨、钼)或不同金属的合金制成。在电子轰击的点处或所谓的“焦点”处从阳极产生X射线。
阳极13包含多个分离的焦点10，其中，每一焦点含有具有不同原子数的不同材料或不同的合金；其中，每一焦点10在受到发射电子的轰击时，产生具有不同能量分布的x射线。
在所描述的实施例中，阳极13上的x射线焦点10与阴极12上的电子发射像素11具有一对一的关系。因此，当像素11被开启时，从阳极13上的相应点产生x射线束。因此，通过打开不同位置处的像素11，会从阳极13上的不同焦点10产生x射线束。结果，为了进行成像，实现了来自不同观测角的x射线束，而无需物理移动x射线发生装置。可以用计算机对不同位置处的像素进行编程和控制，从而以某一序列、某一频率、占空比和驻留时间开启这些象素。
阴极12可以具有以任一预定方式排列的多个发射像素11。在一种特定的实施例中，发射像素11如图6所示沿具有有限直径的圆的圆周排列。可以将从每一像素11发射的电子引导向阳极13上相应的焦点10，其中阳极13上的焦点10沿圆的圆周定位，其中每一焦点10对应于阴极上的场发射像素11。
按照本发明的原理构造的阴极优选含有场发射材料。更为优选地，按照本发明的原理形成的阴极结合含有纳米结构的材料。本领域的技术人员使用术语“纳米结构”材料指代包含如C60富勒烯、富勒烯型同心石墨颗粒、金属、化合物半导体(诸如CdSe、InP)的纳米颗粒；诸如Si、Ge、SiOx、Ge、Ox的纳米线/纳米棒；或由诸如碳、BxNy、Cx、By、Nz、MoS2和WS2的单个或多个元素组成的纳米管的材料。纳米结构材料的一个共同特征是它们的基本构建单元。单个的纳米颗粒或碳纳米管在至少一个方向上的尺寸小于500nm。术语“含有纳米结构”意在包含全部或几乎全部由纳米结构材料组成的材料，以及由纳米结构和其它类型的材料共同组成的材料，由此形成合成结构。按照本发明的原理形成的阴极可以全部由上述含有纳米结构的材料制成。或者，阴极可以包含基板或基础材料，其随后配置有一个或多个涂覆层，所述涂层包括上述含有纳米结构的材料。可以将含有纳米结构材料的涂层直接涂敷在阴极衬底材料表面上。或者，还可以提供插入粘附促进层。按照说明性实施例，按照本发明的原理所形成的阴极至少部分是由如下高纯材料形成，该高纯材料包含单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管或其混合物。
在某些应用中，需要高x射线通量并且焦点的大小不重要，在这些情况下，具有可以产生更高电流的更大发射区的像素是理想的。人们可以如图7所示制备具有不同大小发射区域的像素110、111。这样，可以实现多功能x射线源。每一场发射像素110、111的发射区域根据预定图案变化，其中，在施加相同电场的情况下，从每一像素发出的总发射电流与该像素的发射区域相当，其中，通过向每一像素施加相同幅度的电场，可以获得来自每一焦点的具有可编程强度的扫描x射线束。如图7所示，场发射像素组111和场发射像素组110的发射区域是不同的。如果需要高x射线强度，在所施加的电场保持不变时，采用场发射像素组110。
按照备选结构，如图8和9所示，将阴极12上的多个场发射像素11排列成预定图案，并将它们编程为发射单元组，其中，每一发射单元包含具有不同直径b、c和d的发射像素子组31、32和33(图8)，或形成簇41、42(图9)，其中，从每一发射单元发出的电子被引导向阳极上相应的焦点。可以根据和阴极上发射单元的图案同样的图案来确定阳极上焦点的位置。
为了对从每一像素11抽取的电子束进行聚焦，可以在电子束“e”的路径中将被绝缘体层11s分离的多层电栅极或线圈11g构建在每一像素11的顶部，如图10所示。当将合适的电压施加在这些栅极上或者使电流通过线圈时，可以使电子束聚焦或定向到某一程度。
按照本发明原理形成的备选技术和装置如图11所示。
在本实施例中，阴极55具有平面几何结构，并且包含置于整个平坦表面或其一部分上的电子发射材料。栅电极52与阴极55平行放置，并与阴极55隔开有限的间隙。阳极53与阴极55相对，并与阴极55隔开有限的间隙，并且都被真空室54所包围。栅电极52包含一个或多个开口，这些开口中可以有网格51，其中网格51相对于阴极55的位置可以设置成使得可以将阴极上的一个特定区域或多个区域选择作为一个发射像素或多个像素，以产生被引导向阳极53上的一个特定位置或多个位置的场发射电子。当像素和栅电极52上其相应控制单元之间施加的电场超过阈值时，从发射像素抽取电子。在阴极和阳极之间施加高电压。当开启单个像素时，电子束被高压加速，以获取足够的动能，并轰击阳极53上的相应点。阳极53可以由任何合适的材料制成，如：铜、钨、钼，或由不同金属的合金制成。在电子轰击点(下文中称为“焦点”)从阳极产生X射线。
网格51可以由具有高熔融温度的材料制成，如钨、钼或镍等。网格中开口的大小影响从中穿过的发射电子电流的量。因此，网格开口越大，穿过并撞击阳极的发射电子就越多，反之亦然。优选采用多个网格51.每一网格可以具有相同的网格开口大小。或者，网格也可以具有不同大小的开口。
网格51可以是独立可寻址单元的形式。例如，每一网格可以独立于其它网格打开和关闭。
栅电极52可以在电机单元的控制下，以不同的速度围绕轴56旋转。当(多个)所述发射区域和栅电极52上其相应控制单元之间施加的电场超过阈值时，从(多个)发射区域抽取电子。在栅极52以某一速度旋转期间，可以从阴极的发射环中的任何一个地方产生发射电流。根据选择的网格51和阴极55之间是施加了连续电势还是脉冲电势，以连续或脉冲模式从阳极53上相应点50产生扫描x射线束。因此，为了进行成像，实现了来自不同观测角的x射线束。可以使用计算机对旋转速度和施加在电机上的电压脉冲进行编程和控制，从而以某一序列、某一频率、占空比和/或驻留时间开启。
通过选择具有不同网格开口大小、栅电极旋转速度和/或网格上施加脉冲的频率和驻留时间，可以对装置的发射电子电流进行控制。
为了控制从每一像素抽取的电子束，可以使用如图12所示的栅极结构。可以配备一个或多个栅极55g，其间由至少一个绝缘隔层55s隔开。可以将网格51结合到栅极55g中，以有选择地调节从中通过的发射电子流。
图13中示出了x射线检查装置或系统的示例性实施例。该装置包括按照任一前述实施例所构造的x射线源151。x射线源151所产生的x射线被引导到受检查对象152上(它可以位于可移动平台153上)。使用时，平台153优选可以沿x、y和z方向平移。
所配备的x射线探测器74可以包括位于不同位置的独立探测器731、732所形成的阵列。穿过对象152的X射线由探测器74接收。优选提供控制器，用来控制可移动平台153，由此控制对象152的位置，以及控制探测器74、731、732的运作和/或位置。还可以配备图像分析装置，以接收、操作和/或输出来自探测器74的数据。
在本发明的另一个实施例中，采用场发射多束x射线源，来构造超快全固定x射线成像和检查技术和系统。这种系统的一种形式如图14所示。待检查对象72(例如电路板70)被置于x射线源14和x射线探测器74之间。x射线源14优选是这里所公开的场发射多束x射线源。x射线探测器74可以是置于同一平面上不同位置的探测器731、732的阵列，或者具有像素阵列的面探测器。为了进行数据采集，开启x射线源。在同一时间开启阴极上所有的电子发射像素。每一像素产生轰击x射线源的阳极13上相应焦点101、102的电子束。从阳极13上每一焦点产生的x射线从不同角度产生该对象的图像，由相应探测器记录该图像。例如，从焦点101产生的x射线束产生该对象的一幅图像，该图像被探测器732记录。从焦点102产生的x射线束产生该对象的一幅图像，该图像被探测器731记录。在使用大的面探测器的情况下，731和732是面探测器的特定区域。
由于不同的焦点位于阳极的不同点，从不同焦点发出的x射线束产生的对象图像具有相对于被成像对象的不同的投影角度。从一个投影角度看来模糊的结构可以被来自不同焦点因而来自不同观测角的x射线束揭示。通过开启阴极上所有的电子发射像素，在同一时间内，从所有不同焦点产生x射线束，因此，可以在同一时间采集同一对象的不同投影图像。可选地，将所有的投影图显示在显示器上。此外，成像和检查系统可以包含计算机和软件，用以采用所收集的不同投影图重建揭示受检查对象的内部结构的图像。由于所有的投影图像是在同一时间收集的，系统可以进行瞬时重构并显示揭示对象内部结构的图像。这与一次只能收集一幅投影图像来收集不同投影图像的其它检查系统相比，具有明显的优点。本发明的能力可以显著增大对对象成像的速率。
按照一备选实施例，来自每一像素101、102的x射线束会在相应的x射线探测器上产生对象72中平面70的x射线图像。该图像平面70是x射线源14的每一像素101、102发出的x射线束的交叉。工作期间，像素101、102中的每一像素将被开启，以相对于被扫描的对象从不同方向提供x射线束。因此，来自不同角度的对象的x射线图像将被相应的x射线探测器记录。该信息会被进一步用来重构二维或三维图像。所采集图像数据的重构期间，扫描平面70以外的对象72中的结构会在探测器731、732上产生模糊图像，而扫描平面70上的结构则形成清晰图像。通过改变x射线束在对象72内相交的位置，可以选择检查不同平面。这可以通过相对于x射线源14移动对象72，或者通过移动像素101、102而改变x射线入射到对象72上的角度来完成。
在本系统的一种特定操作模式下，所有的像素可以同时打开。可以以这样的方式来设置和编程探测器阵列，即，探测器阵列731、732的不同区域仅收集来自x射线源14的一个相应像素的x射线信号。例如，探测器阵列的区域732会仅收集来自特定象素101的x射线，而区域731则仅从像素102收集x射线。当通过编程一次开启所有的像素时，探测器将同时收集扫描平面的所有x射线图像，从而可以及时获取x射线图像。该成像几何结构如图14所示。
按照本发明的另一个实施例，打开x射线源14以收集数据。以可编程序列，打开阴极上所有的电子发射像素，因而一次打开一个或多个像素，而不是所有的像素。每一像素产生轰击x射线源14的阳极13上相应的焦点101、102的电子束。从阳极上每一焦点产生的x射线从不同角度产生对象的一幅图像，所述图像由相应的探测器记录。可以如上所述地构造和操作x射线探测器74。例如，当从焦点101产生x射线束时，对象的图像由探测器732记录，当从焦点102产生x射线束时，对象的图像由探测器731记录。探测器731和732可以是不同的探测器、探测器阵列的不同区域，也可以是置于不同位置的同一探测器。由于不同焦点位于阳极13的不同点，从不同焦点发出的x射线束产生的对象图像具有不同的投影角度。从一个投影角度看来模糊的结构可以由来自不同焦点并因而具有不同观测角的x射线束揭示。通过开启阴极上不同的电子发射像素，从所有的不同焦点产生x射线束，因此可以采集同一对象的不同投影图像。
按照备选实施例，该系统可以进一步包含准直器82或一组准直器，如图15所示，以定义来自焦点80的具有某一展开角的x射线扇形束81的展开角。将(多个)准直器82设计成使得来自阳极上每一焦点的x射线束仅照射待成像区域，并且从焦点发出的x射线光子仅到达相应的探测器。
尽管已经参照实施例描述了本发明，但对于本领域中的普通技术人员来说，还可以有某些改进和变化。因此，本发明仅由所附权利要求的精神和范围限定。
Claims (49)
1.一种多束x射线发生装置，包含：
固定场发射阴极，它包含在该阴极上以预定图案放置的多个固定的且可独立控制的电子发射像素；
与所述阴极相对的阳极，它包含以与像素的预定图案对应的预定图案放置的多个焦点，其中所述装置被配置成以不同的辐射角由所述多个焦点同时生成多个x射线束用于在图像平面处同时会聚从而使对象成像；以及
包围所述阳极和阴极的真空室。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述阴极包含含有纳米结构的材料。
3.如权利要求2所述的装置，其中所述含有纳米结构的材料包含单壁碳纳米管。
4.如权利要求1所述的装置，其中所述阴极具有平面几何结构。
5.如权利要求4所述的装置，其中所述阳极具有平面几何结构。
6.如权利要求1所述的装置，还包含至少一个用以控制场发射阴极的栅电极。
7.如权利要求6所述的装置，其中所述至少一个栅电极包含多个可单独寻址的栅电极控制单元，每一单元用来控制相应的电子发射像素。
8.如权利要求1所述的装置，其中所述焦点包含的材料在被从所述像素发射的电子轰击时产生具有不同能量分布的x射线。
9.如权利要求1所述的装置，包含与多个像素的每一个相对应的一个焦点。
10.如权利要求1所述的装置，进一步包括被编程为控制所述多个像素的计算机。
11.如权利要求10所述的装置，其中对所述计算机进行编程，以便以预定的频率顺序开启所述像素预定的占空比和/或预定的驻留时间。
12.如权利要求1所述的装置，其中所述像素和相应的焦点沿圆的圆周排列。
13.如权利要求1所述的装置，其中所述多个像素包含至少一个具有第一发射区域的像素和至少一个具有第二发射区域的像素，其中，所述第一发射区域大于所述第二发射区域。
14.如权利要求1所述的装置，其中所述像素和相应的焦点沿多个同心圆的圆周排列。
15.如权利要求1所述的装置，其中所述像素排列成至少一个簇，所述至少一个簇包含多个紧密相邻的像素。
16.如权利要求1所述的装置，其中每一像素包含多层电栅极或线圈，构造成聚焦从每一像素发射的电子束。
17.如权利要求1所述的装置，还包含准直器，其构造成对由焦点产生的x射线束进行聚焦。
18.如权利要求1所述的装置，进一步包含x射线探测器。
19.如权利要求18所述的装置，其中所述探测器包含多个分离的探测器元件。
20.如权利要求1所述的装置，其中所述多个像素被布置成圆圈形状。
21.如权利要求1所述的装置，还包括被配置成控制场发射阴极的至少一个栅电极，其中所述栅电极是可旋转的。
22.如权利要求1所述的装置，还包括被配置成控制场发射阴极的至少一个栅电极，其中所述栅电极是固定的。
23.如权利要求1所述的装置，其中所述像素包括从下列项组成的组中选择的材料：纳米管、纳米线和纳米棒。
24.如权利要求1所述的装置，其中所述阴极具有介于4A/cm2和10A/cm2之间的发射电流密度。
25.如权利要求9所述的装置，其中在所述阴极和阳极之间施加的、介于2V/μm和7V/μm之间的电场产生100mA/cm2的稳定电流密度。
26.如权利要求12所述的装置，其中所述多个像素被布置成圆圈形状。
27.如权利要求12所述的装置，还包括被配置成控制场发射阴极的至少一个栅电极，其中所述栅电极是可旋转的。
28.如权利要求12所述的装置，还包括被配置成控制场发射阴极的至少一个栅电极，其中所述栅电极是固定的。
29.一种使用从不同位置对准对象的x射线对对象进行扫描的方法，所述方法包含：
(i)提供固定场发射阴极，所述阴极包含多个固定并且独立可控的电子发射像素，并且所述像素以预定的图案放置在所述阴极上；
(ii)以与所述阴极相对的关系放置阳极，并使所述阳极具有以预定图案放置的多个焦点，该预定图案对应于所述像素的预定图案，其中以不同的辐射角由所述多个焦点同时生成多个x射线束用于在图像平面处同时会聚从而使对象成像，其中所述多个焦点被布置成圆圈形状；
(iii)用真空室包围所述阳极和阴极；并且
(iv)同时激励多个像素，从而产生多个发射电子束，所述多个发射电子束各自入射到所述阳极的多个焦点中的相应一个上，从而产生从多个位置入射到待扫描的对象上的多个x射线。
30.如权利要求29所述的方法，还包含下述步骤：
(v)确定x射线探测器的位置，使得透过被扫描对象的x射线入射在所述探测器上。
31.如权利要求30所述的方法，其中所述探测器包含多个分离的探测器。
32.如权利要求30所述的方法，其中所述探测器包含探测器像素的阵列。
33.如权利要求30所述的方法，进一步包含下述步骤：
(vi)采集来自所述探测器的输入，并根据所述输入构建图像。
34.如权利要求33所述的方法，还包含下述步骤：
(vii)显示所构建的图像。
35.如权利要求29所述的方法，其中所述阴极包含含有纳米结构的材料。
36.如权利要求35所述的方法，其中所述含有纳米结构的材料包含单壁碳纳米管。
37.如权利要求29所述的方法，其中步骤(i)和(ii)包含沿圆的圆周排列所述像素和相应的焦点。
38.如权利要求29所述的方法，其中步骤(i)包含提供至少一个具有第一发射区域的像素和至少一个具有第二发射区域的像素，其中，所述第一发射区域大于所述第二发射区域。
39.如权利要求29所述的方法，其中步骤(i)和(ii)包含沿多个同心圆的圆周排列所述像素。
40.如权利要求29所述的方法，其中步骤(i)包含将所述像素排列成至少一个簇，所述至少一个簇包含多个紧密相邻的像素。
41.一种使用从不同的位置对准对象的x射线对对象进行扫描的方法，所述方法包含：
(i)提供固定的场发射阴极，所述阴极包含多个固定并且独立可控的电子发射像素，并且在所述阴极上以预定图案放置所述像素；
(ii)以与所述阴极相对的关系放置阳极，并向所述阳极提供以与圆圈形状相对应的预定图案放置的多个焦点；
(iii)用真空室包围所述阳极和阴极；并且
(iv)同时激励多个像素，从而产生多个发射电子束，所述多个发射电子束各自入射到所述阳极的多个焦点中的相应一个上，从而产生多个x射线，并将所述多个x射线引导向待扫描的对象，其中以不同的辐射角由所述多个焦点同时生成多个x射线束用于在图像平面处同时会聚从而使对象成像。
42.一种用于对受检查对象进行扫描的x射线发生装置，它包含：
至少一个可寻址场发射阴极，所述阴极包含衬底和含纳米结构材料，所述含纳米结构材料包括多个独立可控的、被配置成发射电子的含纳米结构元件；以及
至少一个阳极靶，包含与多个含纳米结构元件相对应的多个焦点，其中所述装置被配置成以不同的辐射角由所述多个焦点同时生成多个x射线束用于在图像平面处同时会聚从而使对象成像；
其中至少一个可寻址场发射阴极和至少一个阳极靶包含在真空室中。
43.如权利要求42所述的装置，其中所述含有纳米结构的材料包含单壁碳纳米管、多壁纳米管或其混合物。
44.如权利要求42所述的装置，包含至少部分覆盖所述阴极的含纳米结构材料涂层。
45.如权利要求44所述的装置，进一步包含：介于所述衬底和所述含纳米结构材料涂层之间的粘附促进中间层。
46.如权利要求42所述的装置，进一步包含被布置成控制场发射阴极的栅电极，其中所述栅电极是可旋转的。
47.如权利要求42所述的装置，其中所述装置是便携式的。
48.如权利要求42所述的装置，进一步包括可移动平台。
49.如权利要求42所述的装置，其中所述至少一个可寻址场发射阴极发射电子，而无需借助于加热器。
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