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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft allgemein Elektronen-Feldemitter, und insbesondere ein System zum Begrenzen des Emittanzwachstums in einem Elektronenstrahl. Eine Feldemitter-Einheit enthält eine Emittanz-Kompensations-Elektrode, die fungiert, um die Verschlechterung des Elektronenstrahls zu minimieren, und um es zu ermöglichen, den Elektronenstrahl auf eine gewünschte Brennfleckgröße zu fokussierenden.
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Elektronenemission in Elektronenemittern des Feldtyps, die im Sinne der Erfindung als Feldemitter bezeichnet werden, werden entsprechend der Fowler-Nordheim-Theorie erzeugt, die die Feldemissions-Stromdichte einer Metalloberfläche mit dem elektrischen Feld an der Oberfläche in Beziehung setzt. Die meisten Elektroden-Emitter-Arrays des Feld-Typs enthalten im Allgemeinen ein Array von mehreren Feldemitter-Einrichtungen. Emitter-Arrays können mittels Mikro- oder Nanotechnologie hergestellt sein, um zehntausende von Emitter-Einrichtungen auf einem einzigen Chip zu enthalten. Die
US 2009/0121613 A1 beschreibt die Herstellung einer Elektronenquelle auf Basis von Kohlenstoffnanoröhrchen. Jede Emitter-Einrichtung kann, wenn diese ordnungsgemäß betrieben wird, einen Strahl oder Strom von Elektronen aus dem Bereich der Spitze der Emitter-Einrichtung emittieren. Feldemitter-Arrays haben viele Anwendungen, wobei eine von diesen eine Elektrodenquelle in Mikrowellenröhren, Röntgenröhren und anderen mikroelektronischen Einrichtungen ist. Die
US 2008/0043920 A1 beschreibt den Einsatz von Feldemitter-Einrichtungen als Elektronenquelle zur Erzeugung von Röntgenstrahlung. In dem beschriebenen Aufbau wird eine elektrostatische Fokussiereinheit dazu verwendet, den Elektronenstrahl im Ortsraum zu fokussieren.
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Die die Elektronen emittierenden Feldemitter-Einrichtungen selbst können eine Anzahl von Formen annehmen, wie beispielsweise einen ”Spindt”-Typ-Emitter. Im Betrieb wird eine Steuerspannung uber eine Gating-/Extraktions-Elektrode und das Substrat angelegt, um ein starkes elektrisches Feld zu erzeugen, und Elektronen aus dem Emitter-Element zu extrahieren, das auf dem Substrat angeordnet ist. Typischerweise ist die Gate-Schicht für alle Elektronen-Emitter-Einrichtungen eines Emitters gleich, und legt dieselbe Steuer- oder Emissions-Spannung an das gesamte Array an. In einigen Spindt-Emittern kann die Steuerspannung ungefähr 100 V sein. Andere Typen von Emittern können Refraktar-Metalle, Karbide, Diamant oder Siliziumsspitzen oder Kegel, Silizium/Kohlenstoff-Nanotubes, die auch als Nanorohren bezeichnet werden, metallische Nanodrähte, Kohlenstofffasern oder Kohlenstoff-Nanotubes enthalten.
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Wenn diese als eine Elektronenquelle in einer Röntgenrohre verwendet werden, ist es wünschenswert, die notwendige Spannung für die Feldemitter-Elemente so zu verringern, um einen Elektronenstrahl zu erzeugen, dass die Wahrscheinlichkeit eines Durchbruchs verringert wird, der durch Bedienungsfehler und strukturelles Versagen und Verschleiß verursacht wird, der mit einer Überspannung zusammenhängt, die über die Gate-Schicht angelegt wird. Folglich werden bestimmte Mechanismen verwendet, um die Spannung zu erniedrigen, die zur Extraktion eines Elektronenstrahls aus der Kathode benötigt wird, wobei einer der derartigen Mechanismen eine Gitterstruktur ist. Eine Gitterstruktur dient dazu, die elektrische Feldstärke an der Oberfläche des Emitter-Elementes zu verstärken oder zu erhohen, wodurch folglich die notwendige Extraktionsspannung verringert wird. Während jedoch das netzartige Gitter die Extraktionseffizienz signifikant verbessert, hat dieses ebenfalls einen negativen Einfluss auf die Elektronenstrahlqualität aufgrund der Wechselwirkung des Elektronenstrahls mit dem Gitter. Das bedeutet, dass die Wechselwirkung des Elektronenstrahls mit dem Gitter die Verschlechterung der Elektronenstrahlqualität durch ein Anwachsen der Strahlemittanz erhöhen kann, wodurch der Elektronenstrahl nicht auf einen kleinen, nutzbaren Brennfleck auf der Anode fokussiert werden kann. Der Artikel J. R. Harris et al., Gridded Electron Guns and Modulation of Intense Beams, IEEE Transactions an Electron Devices 53 (2006), 2824–2829, beschreibt den Einsatz von Gitterelektroden zur Erzeugung von modulierten Elektronenstrahlen. Hier wird die Dynamik von Raumladungswellen untersucht, die eine andere Quelle von Emittanzwachstum darstellen können. Der Artikel S. van Kranen et al., Measuring the increase in effective emittance after a grid lens, Microelectronic Engineering 57–58 (2001), 173–179, beschreibt den Einsatz eines Gitters zur gezielten Erhöhung der Emittanz eines Elektronenstrahls für die Elektronenstrahllitographie. In D. Moonen et al., Grid lens approach for high effective emittance in SCALPEL, J. Vac. Sci. Technol. B 18 (2000), 3111–314, werden unterschiedliche Konfigurationen von Mikrolinsenarrays zur gezielten Vergrößerung der Emittanz vorgestellt. In Y. Zou et al., Theoretical study of transverse emittance growth in a gridded electron gun, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 519 (2004), 432–441, wird das Wachstum der transversalen Emittanz in einer Gitterelektrode untersucht. Es wird festgestellt, dass das Emittanzwachstum minimal bei gleichen elektrischen Feldern auf beiden Seiten des Gitters sein sollte, dass jedoch ein Betrieb der beschriebenen Elektrode bei diesem Arbeitspunkt nicht stabil und daher nicht möglich ist.
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Folglich gibt es einen Bedarf für ein System oder eine Vorrichtung, die das Emittanzwachstum in dem Elektronenstrahl aufgrund des Extraktionsgitters verringert, und das oder die in der Lage ist, eine kontinuierlich gesteuerte Strahlfokussierung zu erreichen. Es wäre ebenfalls wünschenswert, ein System zu haben, das geeignet ist, den Elektronenstrahlstrom zu modulieren, während das Emittanzwachstum im Elektronenstrahl kontrolliert wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Ausführungsformen der Erfindung überwinden die vorstehend erwähnten Nachteile, indem eine Feldemitter-Einheit geschaffen wird, die eine Extraktion mit niedriger Spannung und minimalem Emittanzwachstum in dem Elektronenstrahl schafft. Die Feldemitter-Einheit enthält eine Emittanz-Kompensations-Elektrode, die fungiert, um die Verschlechterung des Elektronenstrahls zu minimieren, und die eine Fokussierung des Elektronenstrahls auf eine gewünschte Brennfleckgröße erlaubt.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung enthält eine Elektronenkanone ein Emitter-Element, das eingerichtet ist, um einen Elektronenstrahl zu erzeugen, und eine Extraktions elektrode, die benachbart zu dem Emitter-Element angeordnet ist, um den Elektronenstrahl aus diesem zu extrahieren, wobei die Extraktionselektrode eine Öffnung durch dieselbe enthält. Die Elektronenkanone enthält ebenfalls ein netzartiges Gitter, das in der Öffnung der Extraktionselektrode angeordnet ist, um die Intensität und die Gleichformigkeit des elektrischen Feldes auf der Oberflache des Emitterelementes zu erhöhen, und eine Emittanz-Kompensations-Elektrode (emittance compensation electrode: ECE), die benachbart zu dem netzartigen Gitter auf der Seite des netzartigen Gitters gegenüberliegend zu dem Emittanz-Element angeordnet ist, und die eingerichtet ist, um das Emittanzwachstum des Elektronenstrahls zu kontrollieren.
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Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung enthält eine Kathodenanordnung für eine Röntgenquelle ein Substrat, ein Extraktionselement, das benachbart zu dem Substrat angeordnet ist, und weist eine Öffnung mit einem netzartigen Gitter in dieser, und eine isolierende Schicht zwischen dem Substrat und dem Extraktionselement auf, wobei die isolierende Schicht eine Kavität aufweist, die im Wesentlichen nach der Öffnung in dem Extraktionselemente ausgerichtet ist. Die Kathodenanordnung enthält ebenfalls ein Feldemitter-Element, das in der Kavität der isolierende Schicht angeordnet ist, und das eingerichtet ist, einen Strahl von Elektroden zu emittieren, wenn eine Emissionsspannung über das Extraktionselement angelegt ist, und eine Emittanz-Kompensations-Elektrode (ECE), die strahlabwärts von dem Extraktionselement angeordnet ist, und die eingerichtet ist, um den Elektronenstrahl im Orts- und Impulsphasenraum zu komprimieren.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält eine Röntgenquelle mit multiplem Brennfleck, die im Sinne der Erfindung als Multispot-Rontgenquelle bezeichnet wird, mehrere Feldemitter-Einheiten, die eingerichtet sind, um mindestens einen Elektronenstrahl zu erzeugen, und eine Target- oder Ziel-Anode, die in einem Pfad des mindestens einen Elektronenstrahls angeordnet ist, und die eingerichtet ist, einen Strahl mit hochfrequenter elektromagnetischer Energie zu erzeugen, wenn der Elektronenstrahl auf diese trifft, die zur Verwendung in einem CT-Bildgebungs-Prozess geeignet ist. Jede der mehreren Feldemitter-Einheiten enthält ein Kohlenstoff-Nanotube-(carbon nanotube: CNT)-Emitter-Element, und eine Gate-Elektrode, um den Elektronenstrahl aus dem CNT-Emitter-Element zu extrahieren, wobei die Gate-Elektrode ein netzartiges Gitter enthält, das in dem Pfad des Elektronenstrahls angeordnet ist. Jede der mehreren Feldemitter-Einheiten enthält ferner ein Fokussierungselement, das angeordnet ist, um den Elektronenstrahl aus dem Emitter-Element zu empfangen, und den Elektronenstrahl zu fokussieren, um einen Brennfleck auf der Target-Anode zu bilden, und eine Emittanz-Kompensations-Elektrode (ECE), die zwischen dem netzartigen Gitter und dem Fokussierungselement angeordnet ist, und die eingerichtet ist, um das Elektronenstrahl-Emittanzwachstum zu kontrollieren oder zu regeln.
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Diese und andere Vorteile und Merkmale werden besser aus der nachfolgenden genaueren Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verstanden, die im Zusammenhang mit der nachfolgenden Zeichnung präsentiert wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Die Zeichnung stellt Ausführungsformen dar, die gegenwärtig zur Ausführung der Erfindung bevorzugt werden.
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In der Zeichnung ist:
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1 eine Querschnitts-Ansicht eines Feldemitter-Einheit und einer Target-Anode gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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2 eine Draufsicht einer Emittanz-Kompensations-Elektrode (ECE) gemaß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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3 eine Draufsicht einer Emittanz-Kompensations-Elektrode (ECE) gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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4 eine Draufsicht einer Emittanz-Kompensations-Elektrode (ECE) gemaß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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5 eine perspektivische Ansicht einer Emittanz-Kompensations-Elektrode (ECE) gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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6 ein Teil einer Querschnittsansicht einer Feldemitter-Einheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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7 eine grafische Darstellung einer Strahl-Trajektorie und Kompression in einer Feldemitter-Einheit, die keine ECE aufweist.
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8 eine grafische Darstellung einer Strahl-Trajektorie und Kompression in einer Feldemitter-Einheit, die eine ECE aufweist.
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9 eine schematische Ansicht einer Rontgenquelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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10 eine perspektivische Ansicht eines CT-Bildgebungssystems, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält.
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11 ein schematisches Blockdiagramm des Systems, das in 10 dargestellt ist.
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GENAUERE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die Bedienungsumgebung der Ausführungsformen der Erfindung wird in Bezug auf eine Elektronenkanone und eine Röntgenröhre beschrieben, die eine auf einem Feldemitter basierende Kathode enthalten. Das heißt, dass die Elektronenstrahlemission- und die Elektronenstrahlkompressions-Darstellungen der Erfindungen werden beschrieben, als ob sie von einer Elektronenkanone und auf einem Feldemitter basierenden Röntgenröhre geschaffen werden. Es ist dem Fachmann jedoch klar, dass die Ausführungsformen der Erfindung fur derartige Elektronenstrahlemissions- und Elektronenstrahlkompressions-Darstellungen ebenfalls zur Verwendung mit anderen Kathodentechnologien anwendbar sind, wie beispielsweise eine Dispenser-Kathoden oder andere thermische Kathoden. Die Erfindung wird in Bezug auf eine Feldemitter-Einheit beschrieben, aber ist ebenfalls auf andere kalte Kathoden und/oder thermische Kathodenstrukturen anwendbar.
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Bezug nehmend auf 1 ist eine Querschnittsansicht eines einzelnen Elektronenerzeugers oder Elektronengenerators 10 (beispielsweise Elektronenkanone) gemaß einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Wie dies nachfolgend genauere beschrieben wird, ist in einer Ausfuhrungsform der Elektronenerzeuger 10 eine kalte Kathode, ein Kohlenstoff-Nanotube-(CNT)-Feldemitter. Es ist jedoch klar, dass die Merkmale und Anpassungen, die hierin beschrieben werden, ebenfalls auf andere Arten der Feldemitter angewendet werden können, wie beispielsweise Spindt-Typ-Emitter oder andere thermische Kathoden oder Dispenser-Kathoden-Typ-Elektronenerzeuger. Wie dies in 1 gezeigt ist, weist der Elektronenerzeuger 10 eine Feldemitter-Einheit 11 auf, die eine Grund- oder Substrat-Schicht 12 aufweist, die bevorzugt aus einem leitenden oder halbleitenden Material gebildet wird, wie beispielsweise einem dotierten Substrat auf Siliziumbasis oder aus Kupfer oder Edelstahl. Deshalb ist die Substrat-Schicht 12 bevorzugt massiv oder biegesteif. Über dem Substrat 12 wird ein dielektrischer Film gebildet oder deponiert, um eine isolierende Schicht 16 (beispielsweise keramischer Abstandshalter) von dieser zu separieren. Der dielektrische Film 14 ist bevorzugt aus einer nicht leitenden Substanz oder einer Substanz mit sehr hohem elektrischen Widerstand gebildet, wie beispielsweise Siliziumdioxid (SiO2) oder Siliziumnitrid (Si3N4) oder einem anderen Material, das ähnliche dielektrische Eigenschaften aufweist. Ein Kanal oder eine Apertur 18 ist in dem dielektrischen Film 14 ausgebildet durch jegliches von verschiedenen bekannten chemischen Herstellungsprozessen oder Ätz-Herstellungsprozesse.
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Die Substrat-Schicht 12 ist auf eine isolierende Schicht 16 angeordnet, die in einer Ausführungsform ein keramisches Abstandselement ist, das die gewünschten isolierenden Eigenschaften aufweist, sowie die Kompressionseigenschaften zum Absorbieren von Belastungen, die durch die Bewegung der Feldemitter-Einheit verursacht wird (beispielsweise wenn die Feldemitter-Einheit einen Teil einer Rontgenröhre bildet, die sich um eine CT-Gantry dreht). Die isolierende Schicht 16 wird verwendet, um die Substrat-Schicht 12 von einer Extraktionselektrode 20 so zu isolieren (beispielsweise Gate-Elektrode, Gate-Schicht), dass ein elektrisches Potenzial zwischen der Extraktionselektrode 20 und dem Substrat 12 durch eine von einem Controller 21 bereitgestellte Spannung angelegt werden kann. Ein Kanal oder eine Kavitat 22 wird in der isolierenden Schicht 16 gebildet und eine zugehorige Öffnung 24 wird in der Extraktionselektrode 20 ausgebildet. Wie dies gezeigt ist, überlappt die Öffnung 24 im Wesentlichen mit der Kavität 22. In anderen Ausführungsformen konnen die Kavität 22 und die Öffnung 24 ungefähr denselben Durchmesser aufweisen, oder die Kavität 22 kann schmäler sein als die Öffnung 24 der Gate-Schicht der Extraktionselektrode 20.
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Ein Elektronenemitter-Element 26 ist in der Kavitat 22 angeordnet und mit dem Substrat 12 fest verbunden. Die Wechselwirkung eines elektrischen Feldes in der Öffnung 22 (erzeugt durch die Extraktionselektrode 20) mit dem Emitter-Element 26 erzeugt einen Elektronenstrahl 28, der für eine Vielzahl von Funktionen verwendet werden kann, wenn eine Steuerspannung am Emitter-Element 26 über das Substrat 12 angelegt wird. In einer Ausführungsform jedoch ist das Emitter-Element 26 ein Kohlenstoff-Nanotube-Emitter; es ist jedoch selbstverstandlich, dass das System und das Verfahren, die hierin beschrieben werden ebenfalls auf Emitter angewendet werden kann, die aus verschiedenen anderen Materialien und Formen gebildet werden, die in Feldemittern verwendet werden.
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Immer noch Bezug nehmend auf 1, ist ein netzartiges Gitter 32 zwischen der Kavität 22 der isolierenden Schicht 16 und der Öffnung 24 der Extraktionselektrode 20 angeordnet. Dies positioniert das netzartige Gitter 32 in unmittelbarer Nähe zu dem Emitter-Element 26, um die Spannung zu verringern, die benötigt wird, um einen Elektronenstrahl 28 aus dem Emitter-Element 26 zu extrahieren. Das bedeutet, dass zur effizienten Extraktion ein Spalt oder ein Gap 33 zwischen dem netzartigen Gitter 32 und dem Emitter-Element 26 innerhalb eines gewünschten Abstandes (beispielsweise 0,1 mm bis 2 mm) gehalten wird, um das elektrische Feld um das Emitter-Element 26 zu verstärken, und um die totale durch den Controller 21 bereitgestellte Extraktionsspannungen zu verringern oder zu minimieren, die notwendig ist, um den Elektronenstrahl 28 zu extrahieren. Die Anordnung des netzartigen Gitters 32 über der Kavitat 22 ermoglicht eine an der Extraktionselektrode 20 angelegte Extraktionsspannung im Bereich von ungefähr 1–3 kV, abhängig von dem Abstand zwischen dem netzartigen Gitter 32 und dem Emitter-Element 26. Durch die Verringerung der totalen Extraktionsspannung in einem derartigen Bereich, ist die Hochspannungsstabilität der Feldemitter-Einheit 10 verbessert, und ein höherer Emissionsstrom im Elektronenstrahl 28 ist möglich. Der Unterschied im Potential zwischen der Emitter-Element 26 und der Extraktionselektrode 20 ist minimiert, um eine Hochspannungsinstabilität in der Emitter-Einheit 10 zu verringern, und um den Bedarf für ein kompliziertes Ansteuerungs-/Steuer-Design darin zu beeinflussen.
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In der Feldemitter-Einheit 10 ist ebenfalls eine Emittanz-Kompensations-Elektrode (ECE) 34 enthalten, die benachbart zu dem netzartigen Gitter 32 auf der gegenüberliegenden Seite des Emitter-Element 26 angeordnet ist, um einen Elektronenstrahl 28 durch die Anregung der Extraktionselektrode 20 zu empfangen. Die ECE 34 ist benachbart zu dem netzartigen Gitter 32 angeordnet und arbeitet, um das Strahlemittanzwachstum im Elektronenstrahl 28 zu minimieren, dass dadurch verursacht wird, dass der Strahl das netzartige Gitter 32 durchquert. Folglich ist der Betrag des Orts- und Impulsphasenraumes (beispielsweise die Emittanz), der durch den Elektronenstrahl 28 besetzt ist, durch die ECE 34 gesteuert und minimiert.
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Die ECE 34 enthält eine Apertur 36, die darin gebildet ist, durch die der Elektronenstrahl 28 hindurch tritt. Wie dies in den 2–4 gezeigt ist, kann die Apertur 36 jede von einer Vielzahl von Gestalten oder Formen annehmen, um den Elektronenstrahl 28 zu komprimieren und zu formen. Beispielsweise kann die Apertur 36 in Form einer kreisförmigen (2), einer rechteckigen (3) oder einer elliptischen (4) Gestalt sein. Es ist vorstellbar, dass die Gestalt der Apertur 36 im Allgemeinen mit dem Querschnittsprofil des Elektronenstrahls 28 zusammen hängt. Zusätzlich kann, wie dies in 5 gezeigt ist, die ECE 34 so geformt oder ausgebildet sein, das diese eckige oder gewinkelte Flächen 38 darauf bildet, sodass die Apertur 36 eine eckige Öffnung aufweist. Die eckigen Flächen 38, die durch die Apertur 36 gebildet sind, fungierten, um die Kompression des Elektronenstrahls 28 zu verbessern, und um die Strahlemittanz zusätzlich zu verringern.
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In einer anderen Ausführungsform, und wie dies in 6 gezeigt ist, ist ein zweites Gitter 40 in der Apertur 36 der ECE 34 angeordnet. Das zweite Gitter 40 erzeugt ein verstärktes elektrostatisches Feld über die Apertur 36, das eine größere Flexibilität in der Kompression des Elektronenstrahls 28 schafft. Um ein zweites Gitter 40 davor zu bewahren, die Elektronenstrahlqualitat negativ zu beeinflussen, sind eine Vielzahl von Öffnungen 42 in dem zweiten Gitter 40 genau fluchtend mit den Öffnungen 44 des netzartigen Gitters 32 der Extraktionselektrode 20 entlang dem Pfad des Elektronenstrahl 28 angeordnet. Eine derartige fluchtende Anordnung oder Ausrichtung minimiert die Wechselwirkung des Elektronenstrahls mit dem zweiten Gitter 40.
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Wie dies in 6 gezeigt ist, weist das Emitter-Element 26 mehrere Kohlenstoff-Nanotubes (CNT) 50 auf. Um die Abschwächung des Elektronenstrahls 28 zu verringern, der dadurch hervorgerufen wird, dass die Elektronen gegen das netzartige Gitter 32 und das zweite Gitter 40 treffen, sind die CNTs 50 in mehreren CNT-Gruppen 52 angeordnet, die nach den Öffnungen 42, 44 in beiden Gittern ausgerichtet sind. Durch die Ausrichtung der CNT-Gruppen 52 nach den Öffnungen 42, 44 in dem netzartigen Gitter 32 und dem zweiten Gitter 40, kann die Wechselwirkung des Strahlstroms im Elektronenstrahl 28 auf nahezu Null verringert werden, abhängig von den Gitterstrukturen. Durch die Ausrichtung der TNT-Gruppen 52 nach den Öffnungen 42, 44 wird ebenfalls ein wesentlich höherer Anteil der Elektronen durch die Gitter 32, 40 treten, was folglich ein Anwachsen des gesamten Strahl-Emissionsstroms zur Folge hat, und eine optimale Fokussierung des Elektronenstrahls 28 zur Bildung eines gewünschten Brennflecks ermöglicht.
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Nochmals Bezug nehmend auf 1 wird ein elektrostatisches Feld über die Apertur 36 durch das Anlegen einer Spannung (beispielsweise eine Kompressionsspannung) an die ECE 34 mittels eines Controllers 54 erzeugt, der eine separate Einrichtung des Controllers 21 ist. Das elektrostatische Feld tritt mit dem Elektronenstrahl 28 so in Wechselwirkung, dass Elektronen im Elektronenstrahl 28 auf einen kleinen Abstand zu der transversen oder Quer-Richtung eingeschlossen werden, und nahezu denselben Impuls (beispielsweise „Kompression” des Elektronenstrahls 28) aufweisen. Eine derartiger räumlicher Einschluss und eine Gleichheit im Impuls der Elektronen verringert, das Emittanzwachstum im Elektronenstrahl 28. Die Spannung, die an die ECE 34 mittels des Controllers 21 angelegt wird, liegt typischerweise in dem Bereich von ungefähr 4 kV bis 20 kV, obwohl selbstverständlich auch kleinere oder größere Spannungen angewendet werden können. Darüber hinaus kann die Spannung, die an die ECE 34 angelegt wird, entweder eine konstante Spannung sein oder variiert werden, wie dies nachfolgend genauer erklärt wird. Das bedeutet, dass in einer Ausführungsform eine Spannung, die an die ECE 34 angelegt wird, einer Extraktionsspannung entspricht, die an die Extraktionselektrode 20 und das netzartige Gitter 32 (und an das Substrat 12) zur Extraktion des Elektronenstrahls 28 aus dem Emitter-Element 26 angelegt wird. Folglich kann in einer Ausführungsform die Spannung, die an das ECE 34 angelegt wird, solch einen Betrag aufweisen, dass die elektrischen Felder, die auf beiden Seiten des netzartigen Gitters 32 auftreten, gleich sind, was eine optimierte Steuerung des Emittanzwachstum im Elektronenstrahl 28 ermöglicht.
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Die ECE 34 fungiert ebenfalls, um bei einem ansteigenden Strahlstrom eine Modulation des Elektronenstrahls 28 in der Feldemitter-Einheit 10 zu ermöglichen. Das bedeutet, dass die ECE 34 es ermöglicht, dass eine Stromdichte in dem Elektronenstrahl 28 auf ein höheres Niveau anzuwachsen, ohne eine zugehörige Verschlechterung in der Strahlqualitat zu erleiden. Wenn eine Extraktionsspannung, die an das netzartige Gitter 32 durch den Controller 21 angelegt wird, geändert wird, um den Elektronenstrahlstrom zu modulieren, kann die Kompressionsspannung, die an die ECE 34 angelegt wird, ebenfalls verändert werden, um das Emittanzwachstum in dem Elektronenstrahl 28 zu minimieren. Das bedeutet, wenn die Stromdichte in dem Elektronenstrahl 28 aufgrund der angestiegenen Extraktionsspannung angestiegen ist, die an die Extraktionselektrode 20 und das Gitter 32 durch den Controller 21 angelegt ist, wird die Kompressionsspannung, die an die ECE 34 angelegt ist, ebenfalls so ansteigen, um eine größere Kompression des Elektronenstrahls 28 und eine Minimierung des Emittanzwachstums darin zu erreichen. Dadurch, dass die zugeordnete Spannung, die an die Extraktionselektrode 20 und das netzartige Gitter 32 angelegt ist, mit der Spannung, die an die ECE 34 angelegt ist, zuzuordnen, kann die Strahlqualität auch bei verschiedenen Stromstrahlstromdichten beibehalten werden. Es ist jedoch ebenfalls vorstellbar, dass im Gegensatz zur Variation einer Spannung, die an die ECE 34 angelegt wird, die Spannung, die an die ECE 34 angelegt wird, relativ zu der veränderten Spannung fest ist, die an die Extraktionselektrode 20 und das netzartige Gitter 32 angelegt wird. Das Anlegen einer derartigen festen Spannung an die ECE 34, ermoglicht es, bei einer geringfugigen Änderung der Elektronenstrahl-Emittanz, dass der Betrag hiervon durch einen Bediener auf einen gewünschten Wert geregelt wird.
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Wie dies ebenfalls in 1 gezeigt ist, ist eine Fokussierungselektrode 56 in der Feldemitter-Einheit 10 enthalten, und diese ist strahlabwarts von der ECE 34 positioniert, um eine Querschnittsfläche des Elektronenstrahl weiter zu komprimieren. Die Fokussierungselektrode 56 wird durch einen vom Controller (beispielsweise Controller 21, 54), der die ECE und die Extraktionselektrode versorgen, getrennten Spannungs-Controller (nicht gezeigt) versorgt. Die Fokussierungselektrode 56 fungiert, um den Elektronenstrahl 28 zu fokussieren, wenn dieser durch eine Apertur 58, die darin gebildet ist, ihn hindurch tritt. Die Große der Apertur 58 und die Dicke der Fokussierungselektrode 56 sind so ausgewahlt, dass eine maximale Elektronenstrahlfokussierung erreicht werden kann. Zusatzlich kann die Gestalt der Apertur 58 kreisförmig, rechteckig oder anders geformt sein, um eine Form eines gewünschten Brennflecks 60 auf eine Target-Anode 62 zu regeln und zu kontrollieren. Eine Spannung wird an die Fokussierungselektrode 56 angelegt, um den Elektronenstrahl 28 durch elektrostatische Kräfte so zu fokussieren, dass der Elektronenstrahl 28 fokussiert ist, um den gewünschten Brennfleck 60 auf der Target-Anode 62 zu bilden. Die dies in 1 gezeigt ist, ist die Fokussierungselektrode 56 von der ECE 34 über einen Abstand getrennt (beispielsweise 5–15 cm), der es erlaubt, eine optimierte Fokussierung des Elektronenstrahls 28 in einem verwendbaren Brennfleck 60 zu erreichen. Um eine Trennung zwischen der Fokussierungselektrode 56 und der ECE 34 zu erreichen, kann ein Abstandselement 64, das eine gewunschte Dicke aufweist, zwischen diesen angeordnet werden.
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Die Target-Anode 62 kann eine stationäre Target-Anode 62 oder ein rotierendes Target für Hochleistungsanwendungen sein. Die Target-Anode 62 kann eine einzelne Platte oder alternativ ein verdecktes Target aufweisen, das von einer Target-Abschirmung 66 umgeben ist. Die Target-Abschirmung 66 wurde eine bessere Abschirmung der Sekundärelektronenstrahlen und Ionen schaffen, die von der Target-Anode 62 erzeugt werden, wenn der primäre Elektronenstrahl auf diese einschlägt, sowie eine verbesserte Hochspannungsstabilität bereitstellen.
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Nachfolgend Bezug nehmend auf 7 und 8 ist eine grafische Darstellung der verbesserten Strahlfokussierung gezeigt, die durch die vorstehend beschriebene ECE erreicht wird. 7 stellt ein Beispiel einer Elektronenstrahl-Trajektorie in einer Feldemitter-Einheit ohne eine Einbeziehung der ECE dar. In dem gezeigten Beispiel beträgt die Strahlflächen-Kompression ungefähr „Eins” (1×) bei der Emittergröße von 0,5 mm (Emittergröße = 0.5 mm) im Durchmesser und der Brennfleckgroße von 0,46 mm (Brennfleckgroße = 0.46 mm) im Durchmesser. Die Strahlemittanz wächst auf 6,25 mm-mrad an einer Target-Anode. 8 stellt ein Beispiel einer Elektronenstrahl-Trajektorie in einer Feldemitter-Einheit dar, die eine ECE einschließt, wie beispielsweise die ECE, die vorstehend im Detail beschrieben wurde. In dem gezeigten Beispiel ist der Elektronenstrahl auf eine schmale Brennfleckgroße mit einer Strahlflächenkompression von ungefähr 70 mal (70×) fokussiert, wobei die Gittergröße gleich 1 mm (Gittergröße = 1 mm) und die Brennfleckgroße gleich 0.12 mm (Brennfleckgröße = 0.12 mm) im Durchmesser betragen. Das Strahlemittanzwachstum an der Target-Anode betragt nur 1,2 mm-mrad mit der ECE. Die Darstellung des Kompressionsverhältnisses und des Emittanzwachstums eines Elektronenstrahls, die in den 4A und 4B gezeigt sind, sind lediglich Beispiele und sind geschaffen, um die verbesserte Strahlqualität darzustellen, die durch eine ECE 34 (gezeigt in 1) geschaffen ist. Es ist vorstellbar, dass ein großeres maximales Kompressionsverhältnis und ein kleineres Emittanzwachstum für den Elektronenstrahl mittels der ECE möglich sind.
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Nachfolgend Bezug nehmend auf 9 ist eine Röntgenrohre 140 gezeigt, wie beispielsweise eine für ein CT-System. Prinzipiell enthalt eine Röntgenröhre 140 eine Kathoden-Anordnung 142 und eine Anoden-Anordnung 144, die in einem Gehäuse 146 aufgenommen sind. Die Anoden-Anordnung 144 enthält einen Rotor 158, der eingerichtet ist, um eine rotierende Anodenscheibe 154 und eine Anodenabschirmung 156, die die Anodenscheibe umgibt, zu drehen, wie dies im Stand der Technik bekannt ist. Wenn diese durch einen Elektronenstrahl 160 aus der Kathoden-Anordnung 142 getroffen wird, emittiert die Anode 156 einen Röntgenstrahl 160 von dieser. Die Kathoden-Anordnung 142 enthalt eine Elektronenquelle 148, die durch eine Halterungsstruktur 150 an Ort und Stelle gehalten wird. Die Die Elektronenquelle 148 enthalt ein Array von Feldemitter-Einheiten 152, um einen primären Elektronenstrom 162 zu erzeugen, wie beispielsweise die Feldemitter-Einheit, die im Detail vorstehend beschrieben ist. Ferner muss bei Verwendung der Vielfach-Elektronenquelle das Target kein sich drehendes Target sein. Im Gegenteil, es ist möglich ein stationäres Target zu verwenden, wenn der Elektronenstrahl, sequenziell aus vielfachen Kathoden eingeschaltet wird. Das stationäre Target kann direkt gekühlt sein, mit Öl, Wasser oder einer anderen Flüssigkeit.
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Nachfolgend Bezug nehmend auf 10 ist ein Computertomographie-(CT)-Bildgebungssystem 210 gezeigt, dass eine Gantry 212 enthält, und somit einen CT-Scanner der ”dritten Generation” darstellt. Die Gantry 212 weist eine Röntgenquelle 214 auf, die sich um diese dreht, und die einen Strahl von Röntgenstrahlen 216 in Richtung einer Detektoranordnung oder eines Kollimators 218 auf der gegenüberliegenden Seite der Gantry 212 projiziert. Die Rontgenquelle 214 enthalt eine Röntgenröhre, die einen Feldemitter auf der Basis einer Katode aufweist, die wie in jeder der vorstehend beschriebenen Ausfuhrungsformen konstruiert ist. Nachfolgend Bezug nehmend auf 11 ist die Detektoranordnung 218 durch mehrere Detektoren 220 und ein Datenaufnahmesysteme (data acquisition system: DAS) 232 gebildet. Die mehreren Detektoren 220 messen den projizierten Röntgenstrahl, der einen medizinischen Patienten 222 durchquert, und das DAS 232 wandelt die Daten in digitale Signale für die nachfolgende Verarbeitung um. Jeder der Detektoren 220 erzeugt ein analoges elektrisches Signal, das die Intensität des einfallenden Rontgenstrahls repräsentiert, und folglich den abgeschwächten Strahl, wenn dieser den Patienten 222 durchquert hat. Wahrend eines Scans, um Röntgenstrahlen-Projektionsdatensätzen zu akquirieren, drehen sich die Gantry 212 und die darauf montierten Komponenten um einen Drehpunkt 224.
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Die Drehung der gantry 212 und die Bedienung der Röntgenquelle 214 werden von einer Kontroll- oder Steuer-Einrichtung 226 des CT-Systems 210 durchgeführt. Die Kontroll-Einrichtung 226 enthalt ein Röntgenstrahlen-Controller 228, der die Leistung, die Steuerung und die Timing-Signale an die Rontgenquelle 214 bereitstellt, und einen Gantrymotor-Controller 230, der die Drehung, die Geschwindigkeit und die Position der Gantry 212 steuert. Der Röntgenstrahlen-Controller 228 ist bevorzugt programmiert, um für die Verstärkungseigenschaften des Elektronenstrahl einer Rontgenröhre der Erfindung zu arbeiten, wenn eine Spannung bestimmt wird, um diese an die Feldemitter basierte Röntgenquelle 214 anzulegen, um eine gewünschte Intensität und ein Timing des Röntgenstrahls zu erzeugen. Eine Bildrekonstruktions-Einheit 234 empfängt aufgenommene und digitalisierte Röntgenstrahlen-Daten von dem DAS 232 und führt eine Hochgeschwindigkeits-Rekonstruktion durch. Das rekonstruierte Bild wird als eine Eingabe an einen Computer 236 weitergeleitet, der das Bild in einem Massenspeicher 238 speichert.
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Der Computer 236 kann sie Scan-Parameter von einem Bediener über eine Konsole 240 empfangen, die eine Art Benutzerschnittstelle bildet, wie beispielsweise ein Keyboard, eine Maus, ein Sprachgesteuerter Controller oder jede andere Einrichtung. Eine zugeordnete Darstellungseinheit oder Display 242 ermöglicht es dem Bediener, das rekonstruierte Bild und andere Daten von dem Computer 236 zu beobachten. Die vom Bediener gelieferten Anweisungen und Parameter werden durch den Computer 230 verwendet, um Kontroll- oder Steuersignale und Informationen an das DAS 232, den Röntgenstrahlen-Controller 228 und den Gantrymotor-Controller 230 bereitzustellen. Zusätzlich bedient der Computer 236 einen Tischmotor-Controller 244, der einen motorisierten Tisch 246 steuert, um den Patient 222 und die Gantry 212 zu positionieren. Insbesondere bewegt der Tisch 246 den Patienten 222 durch eine Gantry-Öffnung 248 von 9 im Ganzen oder zum Teil.
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Während das Vorstehende bezogen auf ein Vierundsechzig-Schichten Computertomographie-(CT)-System der „dritten Generation” beschrieben wurde, ist es für den Fachmann deutlich geworden, dass Ausführungsformen der Erfindung ebenfalls zur Verwendung in anderen Bildgebungs-Modalitäten, die auf Elektronenkanonen basierende Systeme, Röntgenstrahlenprojektions-Bildgebung, Verpackungsinspektions-Systeme oder ebenfalls anderen Vielschicht-CT-Konfigurationen oder -Systeme oder Systeme mit inverser Geometrie (inverse geometry CT: IGCT) angewendet werden können. Darüber hinaus wurde die Erfindung in Bezug auf die Erzeugung, Detektion und/oder Konversion von Röntgenstrahlen beschrieben. Es ist für den Fachmann jedoch deutlich geworden, dass die Erfindung ebenfalls für die Erzeugung, Detektion/oder Konversion von anderen hochfrequenten elektromagnetischen Strahlen anwendbar ist.
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Deshalb enthält gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eine Elektrodenkanone ein Emitter-Element, das eingerichtet ist, um einen Elektronenstrahl zu erzeugen, und eine Extraktionselektrode, die benachbart zu dem Emitter-Element angeordnet ist, um den Elektronenstrahl aus diesem zu extrahieren, wobei die Extraktionselektrode eine Öffnung durch diese aufweist. Die Elektronenkanone enthält ebenfalls ein netzartiges Gitter, das in der Öffnung der Extraktionselektrode angeordnet ist, um die Intensität und Gleichförmigkeit eines elektrischen Feldes auf dieser Oberfläche des Emitterelementes, und um eine Emittanz-Kompensations-Elektrode (ECE) zu verstärken, die benachbart zu dem netzartigen Gitter auf der Seite des netzartigen Gitters gegenüberliegend der des Emitter-Elementes angeordnet ist, und die eingerichtet ist, um das Emittanzwachstum des Elektronenstrahls zu steuern.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung enthält eine Kathoden-Anordnung für eine Röntgenquelle ein Substrat, ein Extraktionselement, das benachbart zu dem Substrat angeordnet ist, und das eine Öffnung mit einem in dieser angeordneten netzartigen Gitter aufweist, und eine isolierende Schicht zwischen dem Substrat und dem Extraktionselement, wobei die isolierende Schicht eine Kavität aufweist, die im Wesentlichen nach der Öffnung in dem Extraktionselement ausgerichtet ist. Die Kathodenanordnung enthält ebenfalls ein Feldemitter-Element, das in der Kavität der isolierenden Schicht angeordnet ist, und das eingerichtet ist, einen Strahl von Elektroden zu emittieren, wenn eine Emissionsspannung über das Extraktionselement angelegt wird, und eine Emittanz-Kompensations-Elektrode (ECE), die strahlabwärts von dem Extraktionselement angeordnet ist, und die eingerichtet ist, um den Elektronenstrahl im Ort und Impulsphasenraum zu komprimieren.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung enthält eine Vielfach-Brennfleck-Röntgenröhre mehrere Emitter-Einheiten, die eingerichtet sind, um mindestens einen Elektronenstrahl zu erzeugen, und die eine Target-Anode, die in einem Pfad des mindestens einen Elektronenstrahl angeordnet ist, und die eingerichtet ist einen Strahl von hochfrequenter elektromagnetischer Energie zu emittieren, die zur Verwendung in einem CT-Bildgebungsprozess geeignet sind, wenn der Elektronenstrahl auf diese trifft. Jede der mehreren Feldemitter-Einheiten enthält eine Kohlenstoff-Nanotube (CNT) Emitter-Element, eine Gate-Elektrode, um den Elektronenstrahl von dem CNT-Emitter-Element zu extrahieren, wobei die Gate-Elektrode ein netzartiges Gitter aufweist, das in dem Elektronenstrahlpfad angeordnet ist. Jede der mehreren Feldemitter-Einheiten enthält ferner ein Fokussierungselement, das angeordnet ist, um den Elektronenstrahl aus dem Emitter-Element zu empfangen, und den Elektronenstrahl zu fokussieren, um einen Brennfleck auf der Taget-Anode zu bilden, und eine Emittanz-Kompressions-Elektrode (ECE), die zwischen dem netzartigen Gitter und dem Fokussierungselement angeordnet ist, und die eingerichtet ist, um ein Elektronenstrahl-Emittanzwachstum zu kontrollieren.
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Obwohl die Erfindung im Detail in Verbindung mit nur einer beschränkten Anzahl von Ausführungsformen beschrieben ist, sollte es so verstanden werden, dass die Erfindung nicht auf diese offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist. Im Gegenteil, die Erfindung kann modifiziert werden, um jede Anzahl von Variationen, Änderungen, Ersetzungen oder aquivalenten Anordnungen, die hierin nicht beschrieben sind, aufzunehmen, aber die mit dem Umfang und dem Geist der Erfindung übereinstimmen. Zusätzlich sollte es so verstanden werden, dass obwohl verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurden, Aspekte der Erfindungen nur einige der beschriebenen Ausführungsform enthalten konnen. Demzufolge ist die Erfindung durch die vorangehende Beschreibung nicht als beschrankend zu verstehen, sondern ist lediglich auf den Schutzumfang der nachfolgenden Anspruche beschrankt.
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Es wird ein Verfahren und ein System zum beschränkten Emittanzwachstum in einem Elektronenstrahl 28 offenbart. Das System 10 enthalt ein Emitterelement 26, das eingerichtet ist, um einen Elektronenstrahl 28 zu erzeugen, und eine Extraktionselektrode 28, die benachbart zu dem Emitterelement 26 angeordnet ist, um den Elektronenstrahl 28 aus diesem zu extrahieren. Das System 10 enthalt ebenfalls ein netzartiges Gitter 32, das in der Öffnung 24 der Extraktionselektrode 20 angeordnet ist, um eine Intensität und Gleichförmigkeit eines elektrischen Feldes an einer Oberfläche des Emitterelementes 26 zu verstärken, und eine Emittanz-Kompensations-Elektrode (ECE) 34, die benachbart zu dem netzartigen Gitter 32 auf der Seite des netzartigen Gitters 33 gegenüberliegende zu dem Emitterelement 26 positioniert ist, und die eingerichtet ist, ein Emittanzwachstum des Elektronenstrahls 28 zu steuern.
