DE102009003863A1

DE102009003863A1 - Schema zum Steuern einer virtuellen Matrix für Mehrfachpunkt-Röntgenquellen

Info

Publication number: DE102009003863A1
Application number: DE102009003863A
Authority: DE
Inventors: Yun Zou; Mark Ernest Vermilyea; Louis Paul Inzinna; Antonio Caiafa
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-05-01
Filing date: 2009-04-30
Publication date: 2009-11-05
Also published as: US7826594B2; CN101569529A; US20090185661A1; CN101569529B

Abstract

Es werden ein System (252) und Verfahren zum Adressieren individueller Elektronenemitter (254) in einer Emitteranordnung (250) offenbart. Das System (252) enthält eine Emitteranordnung (250) mit mehreren Emitterelementen (254), die in einem nicht rechteckigen Layout angeordnet und dafür konfiguriert sind, wenigstens ein Elektronenstrahlbündel (228) zu erzeugen, und mehrere Extraktionsgitter (256), die angrenzend an die Emitteranordnung positioniert sind, wobei jedes Extraktionsgitter (256) wenigstens einem Emitterelement (254) zugeordnet ist, um das wenigstens eine Elektronenstrahlbündel (28) daraus zu extrahieren. Das Feldemitteranordnungssystem (252) enthält auch mehrere Spannungssteuerkanäle (260), die mit den mehreren Emitterelementen (254) und den mehreren Extraktionsgittern (256) so verbunden sind, dass jedes von den Emitterelementen (254) und jedes von den Extraktionsgittern (256) individuell adressierbar ist. In dem Feldemitteranordnungssystem (252) ist die Anzahl der Spannungssteuerkanäle (260) gleich der Summe eines Paares im Wert möglichst gleicher ganzer Zahlen, deren Produkt gleich der Anzahl von Emitterelementen (254) ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft im Wesentlichen Feld-Elektronenemitter, und insbesondere ein System zum Adressieren individueller Elektronenemitter in einer Emitteranordnung. Eine Feldemittereinheit umfasst ein Schutz- und Fokussierungsschema, das die Funktion hat, eine Verschlechterung des Elektronenstrahlbündels zu minimieren und eine Fokussierung des Elektronenstrahlbündels in eine gewünschte Punktgröße zu ermöglichen. Ein Steuersystem ist vorgesehen, das eine individuelle Kontrolle von Feldemittereinheiten in einer Anordnung mit einer minimalen Menge an Steuerkanälen ermöglicht.
Elektronenemissionen in Feld-Elektronenemitteranordnungen werden gemäß der Fowler-Nordheim-Theorie bezüglich der Feldemissionsstromdichte einer sauberen Metalloberfläche in Bezug auf das elektrische Feld an der Oberfläche erzeugt. Die meisten Feld-Elektronenemitteranordnungen enthalten im Wesentlichen eine Anordnung von vielen Feldemitterelementen. Emitteranordnungen können in Mikro- oder Nano-Technologie hergestellt werden, sodass sie Zehntausende von Emitterelementen auf einem einzigen Chip enthalten. Jedes Emitterelement kann, wenn es korrekt angesteuert wird, einen Strahl oder Strom von Elektronen von dem Spitzenabschnitt des Emitterelementes emittieren. Feldermitteranordnungen haben viele Anwendungen, wovon eine in Feldemitteranzeigeeinrichtungen besteht, welche als eine Flachanzeigeeinrichtung implementiert werden kann. Zusätzlich können Feldemitteranordnungen viele Anwendungen als Elektro nenquellen in Mikrowellenröhren, Röntgenröhren und anderen mikroelektronischen Elementen haben.
Die Elektronen emittierenden Feldemitterelemente können selbst eine Anzahl von Formen, wie z. B. einen ”Spindt”-Emitter, annehmen. Im Betrieb wird eine Steuerspannung über eine Austastelektrode und ein Substrat angelegt, um ein starkes elektrisches Feld zu erzeugen und Elektronen aus einem auf dem Substrat angeordneten Emitterelement zu extrahieren. Typischerweise ist die Austastschicht für alle Emitterelemente einer Emitteranordnung gemeinsam und liefert dieselbe Steuer- oder Emissionsspannung an die gesamte Anordnung. In einigen Spindt-Emittern kann die Steuerspannung etwa 100 Volt sein. Weitere Arten von Emittern können hoch schmelzendes Metall, Karbid, Diamant oder Siliziumspitzen oder Koni, Silizium/Kohlenstoff-Nanoröhrchen, metallische Nanodrähte oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen umfassen.
Wenn sie als eine Elektronenquelle in einer Röntgenröhren-Anwendung eingesetzt werden, erzeugen Feldemitteranordnungen Herausforderungen bezüglich der Adressierbarkeit und Aktivierung jedes Feldemitters. D. h., in existierenden Konstruktionen von Feldemitteranordnungen wird jeder Emitter in der Anordnung wiederum mittels einer zugeordneten Vorspannungs- oder Aktivierungsleitung und zu geeigneten Zeitintervallen adressiert. Aufgrund der großen Anzahl von Emitterelementen in einer typischen Anordnung kann eine gleichermaßen große Menge an zugeordneten Aktivierungsleitungen und Verbindungen vorliegen. Die große Anzahl von Aktivierungsleitungen muss durch die Vakuumkammer der Röntgenröhren verlaufen, um die Emitterelemente zu versorgen, und erfordert somit eine große Anzahl von Vakuumdurchführungen. Jedem Durchführungselement ist eine unvermeidbare Leckrate zugeordnet, welche zu Gasdruckpegeln in der Röh re führen kann, die das Arbeiten der Emitterelemente und deren Fähigkeit, Elektronen zu erzeugen, verhindern kann.
Zusätzlich kann es erwünscht sein, dass die Feldemitter in der Anordnung in einer von vielen variierenden Ausrichtungen angeordnet sind. D. h., abhängig von der spezifischen Anwendung müssen die Feldemitter nicht immer in einer ”Matrix”-Orientierung (z. B. einer 3 × 3 Matrix/Anordnung von Emittern) angeordnet sein, sondern können in einer geradlinigen Anordnung oder in unterschiedlichen Mustern angeordnet sein. Derartige Muster und Ausführungen können zusätzliche Herausforderungen bezüglich der Verbindung jedes Feldemitters mit einer zugeordneten Aktivierungsleitung und Verbindung bewirken.
Somit besteht ein Bedarf nach einem System zum Steuern der Emitterelemente in einer Emitteranordnung, das die Anzahl von Aktivierungsleitungen und Durchführungskanälen reduziert. Es wäre auch wünschenswert, dass ein derartiges System unabhängig von der physikalischen Topologie der Emitterelemente in der Emitteranordnung arbeitet.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ausführungsformen der Erfindung überwinden die vorgenannten Nachteile durch Bereitstellen einer virtuellen Matrixanordnung und eines Adressierungsschemas zur Aktivierung individueller Feldemittereinheiten in einer Anordnung. Die Feldemittereinheiten werden mittels eines virtuellen Matrixschemas adressiert/aktiviert, sodass eine minimale Anzahl von Spannungssteuerkanälen benötigt wird, um Feldemittereinheiten in der Anordnung individuell zu adressieren/aktivieren.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung enthält ein Feldemitteranordnungssystem eine Emitteranordnung mit mehreren Emitter elementen, die in einem nicht rechteckigen Muster angeordnet und so konfiguriert sind, dass sie wenigstens ein Elektronenstrahlbündel erzeugen, und mehrere Extraktionsgitter, die angrenzend an die Emitteranordnung angeordnet sind, wobei jedes Extraktionsgitter wenigstens einem Emitterelement zugeordnet ist, um das wenigstens eine Elektronenstrahlbündel daraus zu extrahieren. Das Feldemitteranordnungssystem enthält auch mehrere Spannungssteuerkanäle, die mit den mehreren Emitterelementen und den mehreren Extraktionsgittern zugeordnet sind, sodass jedes von den Emitterelementen und jedes von den Extraktionsgittern individuell adressierbar ist. In dem Feldemitteranordnungssystem ist, die Anzahl von Spannungssteuerkanälen gleich einer Summe eines Paares im Wert möglichst gleicher ganzer Zahlen, deren Produkt gleich der Anzahl der Emitterelemente ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält ein Mehrfachpunkt-Elektronenstrahlbündelgenerator mehrere Emittergruppen, die linear angeordnet sind, wobei jede Emittergruppe mehrere Emitterelemente enthält. Der Mehrfachpunkt-Elektronenstrahlbündelgenerator enthält auch wenigstens ein jeder Emittergruppe zugeordnetes und angrenzend dazu positioniertes und konfiguriertes Extraktionsgitter, um ein Elektronenstrahlbündel aus wenigstens einem von den dazu zugeordneten Emitterelementen zu extrahieren, und mehrere mit den mehreren Emitterelementen und den den Emittergruppen zugeordneten Extraktionsgittern verbundene Steuerkanäle. Die mehreren Steuerkanäle enthalten mehrere Emittersteuerkanäle, die dafür konfiguriert sind, eine Emitterspannung zu liefern, wobei jeder Emittersteuerkanal mit einem Emitterelement aus jeder von den mehreren Emittergruppen verbunden ist. Die mehreren Steuerkanäle enthalten auch mehrere Gittersteuerkanäle, um eine Extraktionsspannung zu liefern, wobei jeder Gittersteuerkanal einer entsprechenden Gruppe entspricht und mit dem wenigstens einen Extraktionsgitter angrenzend an jede Emittergruppe verbunden ist. Die Menge der Emittersteuerkanäle und Gittersteuerkanäle ist gleich einer Summe eines Paares vom ganzen Zahlen mit einet minimalen Differenz dazwischen und deren Produkt gleich der Anzahl der Emitterelemente ist.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält eine verteilte Röntgenquelle für ein Bildgebungssystem mehrere Elektronengeneratoren, die dafür konfiguriert sind, wenigstens ein Elektronenstrahlbündel daraus zu emittieren, wobei jeder Elektronengenerator ein Emitterelement und ein Extraktionsgitter aufweist. Die verteile Röntgenquelle enthält auch mehrere Steuerschaltungen, die elektrisch mit den mehreren Elektronengeneratoren so verbunden sind, dass jeder Elektronengenerator mit einem Steuerschaltungspaar verbunden ist, um Spannungen daraus aufzunehmen, wobei eine erste Steuerschaltung des Steuerschaltungspaares elektrisch mit dem Emitterelement verbunden ist und eine zweite Steuerschaltung des Steuerschaltungspaares elektrisch mit dem Extraktionsgitter verbunden ist. Die verteilte Röntgenquelle enthält ferner eine abgeschirmte Anode, die in einem Pfad des wenigstens einen Elektronenstrahlbündels positioniert und dafür konfiguriert ist, einen Strahl hochfrequenter elektromagnetischer Energie, die zur Verwendung in einem CT-Bildgebungsprozess konditioniert ist, zu emittieren, wenn das Elektronenstrahlbündel darauf auftrifft. Die Anzahl der Steuerschaltungen in der verteilten Röntgenquelle ist gleich einer Summe eines Paares im Wert möglichst gleicher ganzer Zahlen, deren Produkt gleich der Anzahl der Emitterelemente ist.
Diese und weitere Vorteile und Merkmale werden besser aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung verständlich, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen bereitgestellt werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Zeichnungen stellen Ausführungsformen dar, die derzeit für die Ausführung der Erfindung in Betracht gezogen werden.
In den Zeichnungen ist:
1 eine Querschnittsansicht einer Feldemittereinheit und einer Zielanode gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 eine schematische Ansicht einer Zielanode und einer Zielabschirmung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 eine Teilquerschnittsansicht einer Feldemittereinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 eine Teilquerschnittsansicht einer Feldemittereinheit gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 eine Querschnittsansicht einer Feldemittereinheit und einer Zielanode gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6 eine Querschnittsansicht einer Feldemittereinheit und einer Zielanode gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7 eine Draufsicht auf eine Fokussierungselektrode gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8 eine bildliche Darstellung einer Feldemitteranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
9 eine schematische Ansicht einer Röntgenquelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10 eine perspektivische Ansicht eines CT-Bildgebungssystems, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält.
11 eine schematische Blockdarstellung des in 10 dargestellten Systems.
12 eine schematische Ansicht einer Feldemitteranordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
13 eine schematische Ansicht einer Feldemitteranordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
14 eine perspektivische Ansicht einer verteilten Röntgenquelle, die in einem CT-Bildgebungssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Betriebsumgebung von Ausführungsformen der Erfindung wird unter Bezugnahme auf eine Röntgenquelle oder einen Generator beschrieben, der eine Feldemitter-basierende Kathode und/oder eine Anordnung derartiger Feldemitter enthält. D. h., die Schutz-, Fokussierungs- und Aktivierungsverfahren der Erfindung werden als für eine Feldemitter-basierende Röntgenquelle vorgesehen beschrieben. Jedoch wird der Fachmann auf diesem Gebiet erkennen, dass Ausführungsformen der Erfindung für derartige Schutz-, Fokussierungs- und Aktivierungsschemata gleichermaßen für einen Einsatz bei anderen Kathodentechnologien anwendbar sind, wie z. B. Vorratskathoden und andere thermionische Kathoden anwendbar sind. Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf eine Feldemittereinheit und Anordnungen derartiger Feldemitter beschrieben, ist jedoch in gleicher Weise auf weitere Kaltkathoden- und/oder thermionische Kathodenstrukturen anwendbar.
In 1 ist eine Querschnittsansicht eines einzelnen Elektronengenerators 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Wie es nachstehend detaillierter erläutert wird, ist in einer Ausführungsform der Elektronengenerator 10 ein Kaltkathoden-Kohlenstoffnanoröhrchen-(CNT)-Feldemitter, obwohl es sich versteht, dass die hierin beschriebenen Merkmale und Adaptationen auch auf andere Arten von Feldemittern wie z. B. Spindt-Emitter oder andere thermionische Kathoden oder Vorratskathoden-Elektronengeneratoren anwendbar sind. Gemäß Darstellung in 1 weist ein Elektronengenerator eine Feldemittereinheit 10 mit einer Basis- oder Substratschicht 12 auf, die bevorzugt aus einem leitenden oder halbleitenden Material, wie z. B. einer dotierten Substanz auf Siliziumbasis oder aus Kupfer oder rostfreiem Stahl ausgebildet ist. Daher ist die Substratschicht 12 bevorzugt starr. Ein dielektrischer Film 14 ist über dem Substrat 12 ausgebildet oder abgeschieden, um eine Isolationsschicht 16 (d. h., einen keramischen Abstandshalter) davon zu trennen. Der dielektrische Film 14 ist bevorzugt aus einer nicht-leitenden Substanz oder einer Substanz mit sehr hohem elektrischem Widerstand wie z. B. Siliziumdioxyd (SiO₂) oder Siliziumnitrid (Si₃N₄) ausgebildet oder aus irgendeinem anderen Material mit ähnlichen dielektrischen Eigenschaften. Ein Kanal oder eine Apertur 18 ist in dem die lektrischen Film 14 mittels irgendeines von verschiedenen bekannten chemischen oder Ätzherstellungsverfahren ausgebildet.
Die Substratschicht 12 ist zu der Isolationsschicht 16 ausgerichtet, welche in einer Ausführungsform ein keramisches Abstandshalterelement mit den gewünschten Isolationseigenschaften sowie Druckeigenschaften zum Absorbieren von Belastungen ist, die durch die Verschiebung der Feldemittereinheit (z. B. wenn die Feldemittereinheit ein Teil einer Röntgenquelle bildet, die um ein CT-Portal rotiert), bewirkt wird. Die Isolationsschicht 16 wird dazu genutzt, die Substratschicht 12 von einer Extraktionselektrode 20 (d. h., einer Austastelektrode oder einer Austastschicht) zu trennen, sodass ein elektrisches Potential zwischen der Extraktionselektrode 20 und dem Substrat 12 angelegt werden kann. Ein Kanal oder ein Hohlraum 22 ist in der Isolationsschicht 14 ausgebildet und eine entsprechende Öffnung 24 ist in der Extraktionselektrode 20 ausgebildet. Gemäß Darstellung überlappt eine Öffnung 24 im Wesentlichen den Hohlraum 22. In weiteren Ausführungsformen können der Hohlraum 22 und die Öffnung 24 angenähert denselben Durchmesser haben, oder der Hohlraum 22 kann kleiner als die Öffnung 24 der Austastschicht-Extraktionselektrode 20 sein.
Ein Elektronenemitterelement 26 ist im Hohlraum 22 angeordnet und auf der Substratschicht 12 befestigt. Die Wechselwirkung eines elektrischen Feldes in der Öffnung 22 (erzeugt durch die Extraktionselektrode 20) mit dem Emitterelement 24 erzeugt ein Elektronenstrahlbündel 28, das für eine Vielfalt von Funktionen genutzt werden kann, wenn eine Steuerspannung an das Emitterelement 26 über das Substrat 12 angelegt wird. In einer Ausführungsform ist das Emitterelement 24 ein Kohlenstoffnanoröhrchen-basiernder Emitter; es wird jedoch auch in Betracht gezogen, dass das hierin beschriebene System und Verfahren auch auf Emitter anwendbar sind, die aus verschiedenen anderen Materialien und Formen, die in Feldemittern verwendet werden.
Gemäß Darstellung in 1 ist das die isolierende Schicht 16 ausbildende Keramikteil so geformt, dass es eine Eigenschaft zur Verhinderung eines Oberflächenüberschlags entlang des Keramikteils hat. In einer Ausführungsform ist die Isolationsschicht 16 so geformt, dass sie eine oder mehrere Stufen 30 um einen Hohlraum 22 hat. Die stufenartige Konfiguration 30 des keramischen Abstandhalters 16 um den Hohlraum 22 trägt dazu bei, den Oberflächenüberschlag zu unterdrücken und das Emitterelement 26 zu schützen. Es ist auch vorstellbar, dass das Emitterelement 26 durch eine Erhöhung einer Dicke der Isolationsschicht 16 geschützt werden könnte, um das Emitterelement 26 weiter in den Hohlraum 22 zurückzuziehen. Weitere Verfahren zum Verbessern einer Spannungsfestigkeit des keramischen Abstandshalters 16 sind ebenfalls vorstellbar und beinhalten die Beschichtung des Abstandshalters mit einer langsame Sekundärelektronen emittierenden Beschichtung oder eine Vorbehandlung der Abstandshalteroberfläche mit einem Niederdruckplasma unter Hochfrequenz in einer inerten Gasumgebung.
Gemäß 1 ist ein Maschengitter 32 zwischen dem Hohlraum 22 und der Öffnung 24 der Isolationsschicht 16 bzw. der Extraktionselektrode 20 positioniert. Dieses positioniert das Maschengitter 32 in unmittelbarer Nähe zum Emitterelement 26, um die Spannung zu reduzieren, die zum Extrahieren des Elektronenstrahlbündels 28 aus dem Emitterelement 26 erforderlich ist. D. h., für eine effiziente Extraktion wird ein Spalt zwischen dem Maschengitter 32 und dem Emitterelement 26 innerhalb eines vorbestimmten Abstandes (z. B. 0,1 mm bis 2 mm) gehalten, um das elektrische Feld um das Emitterelement 26 herum zu verbessern und um die Gesamtextraktionsspannung, die zum Ext rahieren des Elektronenstrahlbündels 28 erforderlich ist, zu minimieren.
Die Platzierung des Maschengitters 32 über dem Hohlraum 22 ermöglicht das Anlegen einer Extraktionsspannung an die Extraktionselektrode 20 in dem Bereich von angenähert 1 bis 3 kV, abhängig von dem Abstand zwischen dem Maschengitter 32 und dem Emitterelement 26. Durch Reduzieren der Gesamtextraktionsspannung auf einen derartigen Bereich wird die Hochspannungsstabilität der Feldemittereinheit 10 verbessert und inhärent ein höherer Emissionsstrom in dem Elektronenstrahlbündel 28 ermöglicht. Die Differenz im Potential zwischen dem Emitterelement 26 und der Extraktionselektrode 20 wird minimiert, um die Hochspannungsinstabilität in der Emittereinheit 10 zu reduzieren und um die Notwendigkeit einer komplizierten Treiber/Steuer-Auslegung darin zu vereinfachen.
Eine Fokussierungselektrode 34 ist auch in der Feldemittereinheit 10 enthalten und ist über der Extraktionselektrode 20 positioniert, um das Elektronenstrahlbündel 28 zu fokussieren, während er die darin ausgebildete Apertur 36 passiert. Die Abmessung der Apertur 36 und die Dicke der Fokussierungselektrode 34 sind so ausgelegt, dass eine maximale Elektronenstrahlbündelverdichtung erzielt werden kann. Gemäß Darstellung in 1 ist die Fokussierungselektrode 34 von der Extraktionselektrode 20 durch ein zweites keramisches Abstandshalterelement 37 getrennt. Eine Spannung wird an die Fokussierungselektrode 34 angelegt, um das Elektronenstrahlbündel 28 mittels einer elektrostatischen Kraft so zu fokussieren, dass das Elektronenstrahlbündel 28 zur Ausbildung eines gewünschten Brennpunktes 39 auf einer Zielanode 38 fokussiert wird. Zusätzlich ist die Fokussierungselektrode 34 so konfiguriert, dass sie das Emitterelement 26 vor einem Hochspannungsdurchschlag schützt. D. h., die Fokussierungselektrode 34 trägt dazu bei, einen elektrischen Durchschlag des Emitterelementes 26, des dielektrischen Films 14 und der Isolationsschicht 16 zu verhindern und die Ausbildung eines elektrischen Funkens oder elektrischen Überschlags (d. h., Überschlags) durch derartige Komponenten zu verhindern, der teilweise zu einer die von der Zielanode 38 erzeugten Ionen-Rückbombardierung führen kann, wie es nachstehend detaillierter erläutert wird.
Wie vorstehend ausgeführt, hat die Fokussierungselektrode 34 die Funktion, das Elektronenstrahlbündel 28 in einen gewünschten Brennpunkt 39 auf der Zielanode 38 zu fokussieren. Gemäß Darstellung in 1 ist die Zielanode 38 innerhalb einer Anodenabschirmung 40 untergebracht, die darum herum angeordnet ist. Die Anodenabschirmung 40 enthält eine Öffnung 42 darin, um dem Elektronenstrahlbündel 28 zu ermöglichen, den Anodenschirm 40 zu passieren und auf die Zielanode 38 aufzutreffen. Nach dem Auftreffen des Elektronenstrahlbündels 28 auf die Zielanode 38 werden Ionen mittels der Ionisation von desorbierten Gasen erzeugt. Da das Emitterelement 24 bevorzugt auf dem Massepotential betrieben wird und die Zielanode 38 bei dem vollen Spannungspotential betrieben wird, versuchen diese positiven Ionen zu dem Emitterelement 28 zurück zu wandern, was eine Beschädigung des Emitterelementes 26 bewirken würde. Die Anodenabschirmung 40 wirkt als Falle für die von der Zielanode 38 erzeugten Ionen, und verhindert somit eine Rückbombardierung des Emitterelementes 26. Eine Ionenrückbombardierung kann auch eine Hochspannungsüberschlagbildung zwischen dem Feldemitter und der Anode auf hohem Potential auslösen. Daher kann die Platzierung der Anodenabschirmung 40 um die Zielanode 38 herum auch die Hochspannungsstabilität der Feldemittereinheit 10 durch Verhindern eines Hochspannungsüberschlags verbessern.
Die Anodenabschirmung 40 kann auch von der Anodenoberfläche rückgestreute Elektronen abfangen. Ohne eine derartige Abschirmung verlassen die meisten dieser rückgestreuten Elektronen die Oberfläche des Ziels mit einem großen Anteil ihrer ursprünglichen kinetischen Energie und kehren zu der Anode in einem bestimmten Abstand von dem Brennpunkt zurück, und erzeugen eine Strahlung außerhalb des Brennpunktes. Daher kann die Anodenabschirmung 40 die Bildqualität verbessern, indem die außerhalb des Brennpunktes entstehende Strahlung reduziert wird.
Das Abfangen von rückgestreuten Elektronen mit der Anodenabschirmung 40 kann die Wärmesteuerung des Ziels verbessern, indem verhindert wird, dass diese noch einmal auf das Ziel auftreffen. Eine derartige Anodenabschirmung 40 kann flüssigkeitsgekühlt sein.
Die Anodenabschirmung 40 kann auch so aufgebaut sein, dass sie eine Teil-Röntgenabschirmung bereitstellt, indem die Anode mit einem Material 44 mit hohem Z (d. h., einem Material mit hoher Atomzahl, wie z. B. Wolfram) auf einer Innenoberfläche der Anodenabschirmung 40 beschichtet wird. Die Platzierung einer Anodenabschirmung 40 um die Zielanode 38 kann auch die Hochspannungsstabilität der Feldemittereinheit 10 verbessern und dazu beitragen, einen Hochspannungsüberschlag zu verhindern. Da die Zielabschirmung 40 sehr nahe an der Zielanode 38 angeordnet ist, ist es möglich, das für die Röntgenabschirmung benötigte Material zu reduzieren, und somit das Gesamtgewicht der (in den 10 und 11 dargestellten) Röntgenquelle, welche die Feldemittereinheit 10 und die Zielanode 38 enthält, zu reduzieren, und eine Unterbringung der Röntgenquelle auf einem (in den 10 und 11 dargestellten) CT-Portal ermöglichen.
Gemäß Darstellung in 2 ist in einer weiteren Ausführungsform die Zielanode 38 in Bezug auf die Anodenabschirmung 40 vorgespannt, um den Ioneneinfang zu verbessern. D. h., bei dem Aufprall des Elektronenstrahlbündels 28 auf der Zielanode 38 erzeugte Ionen werden in einem Winkel in Bezug auf das ankommende Elektronenstrahlbündel 28 und die Öffnung 42 abgelenkt, und somit verhindert, dass ein Großteil der Ionen aus der Anodenabschirmung 40 entkommt. Die Zielanode 38 kann so gekippt werden, dass das Elektronenstrahlbündel 28 auf die Zielanode 38 mit einem Einfallswinkel von angenähert 10 bis 90 Grad auftrifft. Somit kann beispielsweise die Zielanode 38 um etwa 20 Grad in Bezug auf den Pfad des Elektronenstrahlbündels 28 gekippt sein, um eine angemessene Ablenkung der erzeugten Ionen zu erzeugen. Die durch das die Zielanode treffende Elektronenstrahlbündel erzeugten Röntgenstrahlen verlassen die Anodenabschirmung 40 durch ein Sichtfenster 46.
Gemäß 3 besteht in einer weiteren Ausführungsform das Emitterelement 26 aus mehreren Makro-Emittern 48. Gemäß Darstellung in 3 bestehen die Makro-Emitter 48 aus mehreren Kohlenstoffnanoröhrchen (CNTs) 50. Um die Abschwächung des Elektronenstrahlbündels 28, die durch das Auftreffen der Elektronen auf das Maschengitter 32 bewirkt wird, sind die CNTs 50 in mehrere CNT-Gruppen 52 strukturiert, die zu Öffnungen 54 in dem Maschengitter 32 ausgerichtet sind. Durch Ausrichten von CNT-Gruppen 52 zu Öffnungen 54 in dem Maschengitter 32 kann das Abfangen des Strahlstroms im Elektronenstrahlbündel 28 nahezu auf Null abhängig von der Maschengitterstruktur reduziert werden. Ferner passiert durch Ausrichten der CNT-Gruppen 52 zu den Öffnungen 54 ein wesentlich höherer Anteil von Elektronen das Maschinengitter 32 und erhöht somit den Gesamtstrahlemissionsstrom und ermöglicht eine optimale Fokussierung des Elektronenstrahlbündels 28 zur Ausbildung eines gewünschten Brennpunktes, wie es vorstehend dargestellt wurde. Die Verringerung der Elektronenabfangung durch das Gitter reduziert auch die Erwärmung des Gitters und verbessert somit die Gitterlebensdauer. Ferner verringert die Reduzierung der Elektronenabfangung auf dem Gitter auch die Belastung der (nicht dargestellten) Treiberschaltungen.
In einer weiteren Ausführungsform und gemäß Darstellung in 4 ist die Feldemittereinheit 10 in einer gekrümmten Konfiguration vorgesehen, um die Fokussierungsfähigkeit weiter zu verbessern. Die Feldemittereinheit 10 ist in einer Teilquerschnittsansicht dargestellt, um ihre Krümmung 58 zu veranschaulichen. Gemäß Darstellung sind eine Substratschicht 60 und ein Extraktions-Elektroden/Maschengitter 62 so gekrümmt, dass Elektronenströme 64 aus mehreren Makro-Emittern 48 dazu tendieren, zu konvergieren. Bevorzugt kann die Krümmung 58 konkav und so gewählt sein, dass sie eine gewünschte Konvergenz oder Fokussierung der Elektronenströme in einer gewünschten Brennpunktgröße auf der Zielanode 38 bewirkt. Wie im Fachgebiet bekannt, verändert die Veränderung der Fläche der Anode 38, auf welche ein Elektronenstrahlbündel auftrifft (d. h., der Brennpunkt 39) die Eigenschaften des resultierenden Röntgenstrahlbündels. Es dürfte sich verstehen, dass, obwohl nur eine Feldemittereinheit 10 dargestellt ist, die Krümmung 58 sich über mehrere Reihen von Emittern in einer (nicht dargestellten) Feldemitteranordnung erstrecken kann und dass eine derartige Anordnung über mehr als nur eine Dimension gekrümmt sein kann.
In den 5–7 ist die Fokussierungselektrode 34 in verschiedenen Ausführungsformen dargestellt, welche die gewünschte Elektronenstrahlbündelfokussierung in der Feldemittereinheit 10 erzeugen. Gemäß Darstellung in 5 enthält in einer Ausführungsform die Fokussierungselektrode 34 eine in der Elektrode ausgebildete Winkelapertur 66, um einen Fokussierungswinkel für das Elektronenstrahlbündel 28 zu erzeugen. Die Apertur 66 kann in dem Pierce-Winkel (d. h., 67,5 Grad) oder anderen geeigneten Winkeln ausgeführt sein, um die gewünschte Elektronenstrahlbündelfokussierung zu erzeugen. Zusätzlich kann eine Öffnung 42 in der Anodenabschirmung 40 so ausgebildet sein, dass sie einen Fokussierungswinkel 68 besitzt, um die Elektronenstrahlbündelfokussierung weiter zu verbessern.
In einer weiteren Ausführungsform, und gemäß Darstellung in 6, weist die Fokussierungslinse eine Einzellinse 70 auf. Die Einzellinse 70 ist aus drei Elektroden 72, 74, 76 aufgebaut, wobei die äußeren zwei Elektroden 72, 74 ein erstes Potential haben und die mittlere Elektrode 76 ein zweites und unterschiedliches Potential hat. Jede von den drei Elektroden 72, 74, 76 ist in der Form zylindrisch oder rechteckig und ist in Reihe entlang einer Achse angeordnet, die dem Pfad des Elektronenstrahlbündels 28 entspricht. Die Elektroden 72, 74, 76 manipulieren das elektrische Feld, um das Elektronenstrahlbündel 28 bei seinem Durchtritt dadurch zu manipulieren. Die Elektroden 72, 74, 76 sind symmetrisch, sodass das Elektronenstrahlbündel 28 wieder seine ursprüngliche Geschwindigkeit beim Verlassen der Einzellinse 70 zurückgewinnt, obwohl die Geschwindigkeit von äußeren Partikeln in dem Elektronenstrahlbündel so geändert wird, dass sie auf die Achse/Pfad des Weges des Elektronenstrahlbündels 28 hin konvergieren, und somit den Strahl fokussieren. Obwohl die Einzellinse 70 als aus drei Elektroden 72, 74, 76 bestehend dargestellt ist, ist es auch vorstellbar, dass zusätzliche Elektroden verwendet werden können. Ferner könnte eine Variante der Einzellinse auch eine asymmetrische Spannung auf den ersten und dritten Elektroden verwenden.
Für bestimmte moderne CT-Anwendungen ist es erwünscht, über eine Elektronenstrahlbündel-Wobbelungsfähigkeit zu verfügen. Somit ist gemäß Darstellung in der Ausführungsform von 7 die Fokussierungselektrode als eine aufgeteilte Linse 78 mit vier Segmenten 80, 82, 84, 86 konfiguriert. An jedes Segment 80, 82, 84, 86 ist eine unterschiedliche Spannung angelegt (V1, V2, V3, V4), um ein kombiniertes Dipol und Quadrupolfeld auszubilden. Die Dipolkomponente des Feldes wird zur Wobbelung des Elektronenstrahlbündels 28 verwendet und die Quadrupolkomponente des Feldes wird zur Elektronenstrahlbündelformkorrektur während der Wobbelung verwendet. Der Aufteilungswinkel zwischen den Segmenten 80, 82, 84, 86 in der aufgeteilten Linse 78 und die an jedes Segment während der Fokussierung/Formung angelegte Spannung können so gewählt werden, dass sie ein Elektronenstrahlbündel 28 mit optimaler Fokussierung/Formung erzeugen.
Obwohl sie als eine Einzelfeldemittereinheit 10 in den 1–7 dargestellt ist, können mehrere Feldemittereinheiten 10 in einer Matrix angeordnet sein, um eine Feldemitteranordnung 88 (d. h., eine Elektronengeneratormatrix) auszubilden, um somit eine Elektronenquelle (und mehrere Elektronenstrahlbündel-Quellenorte) für eine Mehrfachpunkt-Röntgenquelle 90 (d. h.: eine verteilte Röntgenquelle) zu erzeugen. In 8 ist eine Feldemitteranordnung 88 als eine 9-fach-Punkt-Röntgenquelle 90 dargestellt; es ist jedoch erkennbar, dass die Anzahl der Feldemittereinheiten 10, und somit die Abmessung der Feldemitteranordnung 88 abhängig von der Anwendung variieren kann. Neun Feldemittereinheiten 10 sind in einer 3 × 3 Anordnung angeordnet. Die Feldemittereinheiten 10 können selektiv ein- und ausgeschaltet werden, um die (nicht dargestellten) Elektronenstrahlbündel auszubilden. Die Feldemittereinheiten 10 können sequentiell aktiviert werden, um eine sequentielle Erzeugung oder nicht sequentielle Aktivierung der Elektronenstrahlbündel effektiv zu ermöglichen. Die Feldemittereinheiten 10 können beliebig oder zufällig aktiviert werden, um die Bildqualität zu verbessern. Die Elektronenstrahlbündel werden von den Feldemittereinheiten 10 emittiert und auf eine (nicht dargestellte) Zielanode gerichtet.
Die Feldemitteranordnung 88 besitzt drei mit X, Y und Z bezeichnete Reihen und drei mit A, B und C bezeichnete Spalten. Die Feldemittereinheiten 10 werden durch sechs Aktivierungsverbindungen 92 (d. h., Spannungssteuerkanäle) aktiviert oder adressiert, welche gemeinsam zwischen den Feldemittereinheiten 10 aufgeteilt sind. Man beachte, dass jede Feldemittereinheit 10 zwei zugeordnete Aktivierungsverbindungen 92, eine aus den Reihen X, Z und eine aus den Spalten A, C besitzt. Somit sind für eine Feldemitteranordnung 88 in dieser Konfiguration mit N-Reihen und N-Spalten oder N²-Elementen 2N (d. h., N + N) Aktivierungsverbindungen 92 vorhanden. Als ein weiteres Beispiel würde eine Anordnung von 900 Emittern in dieser Konfiguration 60 Aktivierungsverbindungen nutzen. Die Aktivierungsverbindungen 92 können als 60 Vakuumdurchführungsleitungen betrachtet werden.
Jede einer Reihe X-Z der Feldemittereinheiten 10 entsprechende Aktivierungsverbindung 92 liefert eine Emitterspannung an ein Emitterelement (siehe 1) in jeder Feldemittereinheit 10 der Reihe. Jede einer Spalte A-C der Feldemittereinheiten 10 entsprechende Aktivierungsverbindung 92 liefert eine Extraktionsspannung an eine Extraktionselektrode (siehe 1) in jeder Feldemittereinheit 10 der Spalte. Die Spannung auf der Extraktionselektrode und dem Emitterelement in jeder Feldemittereinheit 10 können unabhängig als ”Hoch” und ”Niedrig” gesteuert werden. Somit wird beispielsweise, um eine spezifische Feldemittereinheit 94 zu adressieren, eine erste spezifische Emitterreihe X, welche die spezifizierte Emittereinheit 94 enthält, auf Niedrige Spannung gesetzt und die anderen Emitterreihen Y-Z auf Hohe Spannung gesetzt. Die die spezifizierte Emittereinheit 94 enthaltende Extraktionsspalte C wird auf Hohe Spannung gesetzt und der Rest der Extraktionsspalten A-C werden auf Niedrige Spannung gesetzt, was eine Adressierung der spezifischen Feldemittereinheit 94 bewirkt. Zusätzlich zur unabhängigen Steuerung Hoher und Niedriger Spannungen in jeder Reihe und Spalte, können an jede Feldemittereinheit 10 angelegten Hohen und Niedrigen Spannungen selbst individuell gesteuert werden, um den Elektronenstrahlbündelstrom zu modulieren, was ein gewünschtes Merkmal für CT-Anwendungen ist.
Zusätzlich zu Aktivierungsleitungen 92, die zum Anlegen einer Emitterspannung und Extraktionsspannung an jede Feldemittereinheit 10 konfiguriert sind, ist es auch vorstellbar, dass ein Paar (nicht dargestellter) gemeinsamer Fokussierungsleitungen mit jeder Feldemittereinheit 10 und der Fokussierungselektrode darin verbunden sein kann, um die Breite und Länge des durch jede Feldemittereinheit 10 erzeugten Brennpunktes zu steuern.
In 9 ist eine Röntgenerzeugungsröhre 40 wie z. B. für ein CT-System dar. Prinzipiell enthält eine Röntgenröhre 140 eine Kathodenanordnung 142 und eine Anodenanordnung 144, die in einem Gehäuse 148 eingeschlossen sind. Die Anodenanordnung 144 enthält einen Rotor 158, der dafür konfiguriert ist, eine rotierende Anodenscheibe 154 und eine die Anodenscheibe umgebende Anodenabschirmung 156 wie im Fachgebiet bekannt zu drehen. Wenn sie von einem Elektronenstrom 162 aus der Kathodenanordnung 142 getroffen wird, erzeugt die Anode 156 einen Röntgenstrahlbündel 160 daraus. Die Kathodenanordnung 142 enthält eine Elektronenquelle 148, die in ihrer Lage durch eine Haltestruktur 150 positioniert ist. Die Elektronenquelle 148 enthält eine Feldemitteranordnung 152, um einen primären Elektronenstrom 162 wie vorstehend im Detail beschrieben zu erzeugen. Ferner muss bei mehreren Elektronenquellen das Ziel kein rotierendes Ziel sein. Stattdessen ist es möglich, ein feststehendes Ziel zu nutzen, wobei das Elektronenstrahlbündel sequentiell von mehreren Kathoden umgeschaltet wird. Das feststehende Ziel kann direkt mit Öl, Wasser oder einer anderen geeigneten Flüssigkeit gekühlt werden.
In 10 ist ein Computertomographie-(CT)-Bildgebungssystem 210 mit einem Portal 212 dargestellt, das einen CT-Scanner der ”dritten Generation” repräsentiert. Das Portal 212 besitzt eine Röntgenquelle 214, die darum herum rotiert und die ein Bündel von Röntgenstrahlen 216 auf eine Detektoranordnung oder Kollimator 218 auf der gegenüberliegenden Seite des Portals 212 strahlt. Die Röntgenquelle 214 enthält eine Röntgenröhre mit einer Feldemitter-basierenden Kathode, die gemäß irgendeiner der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen aufgebaut ist. Gemäß 11 wird die Detektoranordnung 218 von mehreren Detektoren 220 und Datenerfassungssystemen (DAS) 232 gebildet. Die mehreren Detektoren 220 erfassen die projizierten Röntgenstrahlen, die durch einen Patienten 222 hindurchtreten und das DAS 232 wandelt die Daten in digitale Signale zur anschließenden Verarbeitung um. Jeder Detektor 220 erzeugt ein analoges elektrisches Signal, das die Intensität eines auftreffenden Röntgenstrahlbündels repräsentiert und somit das abgeschwächte Strahlbündel, wenn er den Patienten 222 passiert. Während eines Scans rotieren, um die Röntgenprojektionsdaten zu erfassen, das Portal 212 und die darauf montierten Komponenten um einen Rotationsmittelpunkt 224.
Die Rotation des Portals 212 und der Betrieb der Röntgenquelle 214 werden von einem Steuermechanismus 226 des CT-Systems 210 gesteuert. Der Steuermechanismus 226 enthält eine Röntgensteuerung 228, die Energie-, Steuer- und Zeittaktsignale an die Röntgenquelle 214 liefert, und eine Portalmotorsteuerung 230, die die Rotationsgeschwindigkeit und Position des Portals 12 steuert. Die Röntgensteuerung 228 ist bevorzugt so programmiert, dass sie die Elektronenstrahlbündel-Verstärkungseigenschaften einer Röntgenröhre der Erfindung berücksichtigt, wenn eine Spannung zum Anlegen an die Feldemitterbasierende Röntgenquelle 214 ermittelt wird, um eine gewünschte Röntgenstrahlbündelintensität und Zeitstruktur zu erzeugen. Eine Bildrekonstruktionseinrichtung 234 empfängt die abgetasteten und digitalisierten Röntgendaten aus dem DAS 232 und führt eine schnelle Rekonstruktion durch. Das rekonstruierte Bild wird als ein Eingangssignal an einen Computer 236 geliefert, welcher das Bild in einer Massenspeichereinrichtung 238 speichert.
Der Computer 236 empfängt auch Befehle und Scanparameter von einem Bediener über eine Konsole 240, die eine gewisse Form einer Bedienerschnittstelle, wie z. B. eine Tastatur, Maus, sprachaktivierte Steuerung oder irgendeine andere geeignete Eingabevorrichtung aufweist. Eine zugeordnete Anzeigeeinrichtung 242 ermöglicht dem Bediener, das rekonstruierte Bild und weitere Daten aus dem Computer 236 zu beobachten. Die vom Bediener gelieferten Befehle und Parameter werden von dem Computer 236 zum Erzeugen von Steuersignalen und Information für das DAS 232, die Röntgensteuerung 228 und die Portalmotorsteuerung 230 genutzt. Zusätzlich betreibt der Computer 236 eine Tischmotorsteuerung 224, welche einen motorisierten Tisch 246 steuert, um den Patienten 222 in dem Portal 212 zu positionieren. Insbesondere bewegt der Tisch 246 Patienten 222 insgesamt oder teilweise durch eine Portalöffnung 248 von 9.
Gemäß 12 ist in einer weiteren Ausführungsform eine Feldemitteranordnung 250 in einer Anordnung einer ”virtuellen Matrix” angeordnet, um einen Mehrfachpunkt-Elektronenstrahlbündelgenerator 252 zu erzeugen. Es versteht sich, dass die virtuelle Matrix aus einer Emitteranordnung 250 besteht, in welcher Feldemittereinheiten in einem beliebigen physikalischen Muster oder einer Anordnung angeordnet sind. Insbesondere enthält in Bezug auf die Erfindung die Anordnung der virtuellen Matrix der Emitteranordnung 250 Feldemittereinheiten, die in einem nicht-rechteckigen (d. h., ”nicht matrixförmigen”) Anordnung so angeordnet sind, dass sie keine mehreren definierten Reihen oder Spalten haben. Das virtuelle Matrix-Adressierungs/Aktivierungs-Schema umfasst somit weitere physikalische Anordnungen und Topologien neben den standardmäßigen Quadrat- und/oder Rechteckanordnungen, in welchen Feldemittereinheiten mittels ihrer Reihen- und Spalten-Positionen adressiert werden. Das virtuelle Matrixanordnungs- und Adressierungs/Aktivierungs-Schema umfasst somit lineare Emitteranordnungen, halbkreisförmige Emitteranordnungen und weitere Emitteranordnungstopologien.
Wie in 12 dargestellt, ist gemäß einer Ausführungsform des virtuellen Matrixanordnungs- und Adressierungs/Aktivierungs-Schemas die Emitteranordnung 250 als eine lineare Emitteranordnung ausgebildet/angeordnet, in welcher Emitterelemente 254 linear zu einer 1 × 9 Anordnung angeordnet sind. Mehrere Maschengitter 256 sind angrenzend an die Emitterelemente 254 zum Extrahieren eines (nicht dargestellten) Elektronenstrahlbündels daraus positioniert, wobei die Maschengitter 256 und Emitterelemente 254 somit mehrere Feldemittereinheiten 258 ausbilden. Mehrere Spannungssteuerkanäle 260 sind mit den Feldemittereinheiten 258 zum Anlegen von Spannungen daran und zum Aktivieren und Adressieren individueller Feldemittereinheiten 258 verbunden. Die Feldemittereinheiten 258 können selektiv ein- und ausgeschaltet werden, um Elektronenstrahlen auf der Basis der daran durch die Spannungssteuerkanäle 260 angelegten Spannungen auszubilden. Die Feldemittereinheiten 258 können sequentiell aktiviert werden, um einen sequentielle Erzeugung der Elektronenstrahlbündeln zu ermöglichen, oder sie können nicht-sequentiell aktiviert werden. Die Feldemittereinheiten 258 können beliebig oder zufällig aktiviert werden, um eine Bildqualität zu verbessern. Die Elektronenstrahlbündel werden aus den Feldemittereinheiten 258 emittiert und auf eine (nicht dargestellte) Zielanode gerichtet.
Um die Aktivierung und Adressierung der einzelnen Feldemittereinheiten 258 zu ermöglichen, sind mehrere Emittersteuerkanäle 262 und mehrere Gittersteuerkanäle 264 (die zusammen die Spannungssteuerkanäle 260 bilden) in dem Mehrfachpunkt-Elektronenstrahlbündelgenerator 252 enthalten, um veränderliche Spannungen an die Emitterelemente 254 bzw. die Maschengitter 256 anzulegen. D. h., die an die Emitterelemente 254 und Maschengitter 256 durch die Emittersteuerkanäle 262 und Gittersteuerkanäle 264 angelegten Spannungen können unabhängig auf ”Hoch” und ”Niedrig” gesteuert werden, um eine Aktivierung spezifizierter Feldemittereinheiten 258 zu ermöglichen. Somit wird beispielsweise, um eine spezifische Feldemittereinheit 266 zu adressieren, ein Emittersteuerkanal 268 mit einem Emitterelement 270 in der spezifizierten Emittereinheit 266 auf Niedrige Spannung gesetzt. Ein mit der spezifizierten Emittereinheit 266 verbundener Gittersteuerkanal 272 wird dann auf Hohe Spannung gesetzt, um so eine Extraktionsspannung an ein Maschengitter 274 anzulegen, das in einer spezifizierten Emittereinheit 266 enthalten ist. Unter der Annahme, dass die durch den Gittersteuerkanal 272 angelegte Extraktionsspannung ausreichend höher als die durch den Emittersteuerkanal 268 angelegte Emissionsspannung (z. B. 1 kV) ist, wird die spezifizierte Emittereinheit 266 zur Emission eines Elektronenstrahlbündels daraus aktiviert. Umgekehrt werden, wenn die sowohl an das Emitterelement 270 als auch das Maschengitter 274 angeleg ten Spannungen Niedrig sind, oder wenn die an das Emitterelement 270 angelegte Spannung Hoch ist und die an das Maschengitter 274 angelegte Spannung Niedrig ist, dann die spezifizierte Feldemittereinheit 266 nicht zur Emission eines Elektronenstrahlbündels aktiviert. Es versteht sich, dass vorteilhaft zusätzlich zur unabhängigen Steuerung Hoher und Niedriger Spannungen an eine spezifizierte Feldemittereinheit die an jede Feldemittereinheit 258 angelegten Hohen und Niedrigen Spannungen selbst individuell gesteuert werden können, um den Elektronenstrahlbündelstrom zu modulieren, was ein erwünschtes Merkmal für CT-Anwendungen ist.
Gemäß dem Adressierungs/Aktivierungs-Schema der virtuellen Matrixanordnung und gemäß Darstellung in 12 ist die lineare Anordnung 250 von Emitterelementen 254 in eine Anzahl von Emittergruppen 276 unterteilt, wobei die Anzahl der Emittergruppen 276 gleich der Anzahl der Emittersteuerkanäle 262 ist, die in einem Mehrfachpunkt-Elektronenstrahlbündelgenerator 252 enthalten sind. Jeder Emittersteuerkanal 262 ist mit einem einzelnen Emitterelement 254 von jeder Emittergruppe 276 verbunden. Somit ist, wie es in 12 dargestellt ist, jeder Emittersteuerkanal 262 mit drei Emitterelementen 254 verbunden. Wie es ferner in 12 dargestellt ist, entspricht ein einzelnes Maschengitter 256 jeder Emittergruppe 276. Ein Gittersteuerkanal 274 ist mit jedem Maschengitter 256 so verbunden, dass eine Extraktionsspannung über jeder Emittergruppe 276 angelegt werden kann. Somit kann gemäß der vorstehenden Anordnung der Emitterelemente 254 und der Maschengitter 256, und der Verbindung des Emittersteuerkanals 262 und des Gittersteuerkanals 264 damit jede Feldemittereinheit 258 individuell adressiert und aktiviert werden.
Für die Adressierung/Aktivierung der Emitterelemente 254 in der virtuellen Matrixanordnung wird ein Design implemen tiert, in welcher die Anzahl von Spannungssteuerkanälen 260 gleich der Summe eines Paares im Wert möglichst gleicher ganzer Zahlen ist (d. h., die einen minimale Differenz dazwischen aufweisen), deren Produkt gleich der Anzahl der Emitterelemente 254 ist. Somit ist beispielsweise für die in 12 dargestellte 1 × 9 Emitteranordnung 250 die Anzahl der Spannungssteuerkanäle 260 gleich der Summe von 3 + 3 (d. h., 6 Verbindungen). Als zusätzliche Beispiele wäre für eine 1 × 30 Emitteranordnung die Anzahl der Spannungssteuerkanäle gleich der Summe von 6 + 5 (d. h., 11 Verbindungen) und für eine 1 × 500-Emitteranordnung die Anzahl der Spannungssteuerkanäle wäre gleich der Summe von 20 + 25 (d. h., 55 Verbindungen). Für die 1 × 9 Linearanordnung 250 in der Ausführungsform von 12 sind es somit drei Emittersteuerkanäle 262 und drei Gittersteuerkanäle 264, welche zur Zuführung von Emissions- und Extraktionsspannungen zu den Emitterelementen 254 bzw. Maschengittern 256 verwendet werden. Das vorstehend beschriebene Adressierungs/Aktivierungs-Schema der virtuellen Matrixanordnung stellt somit eine minimale Anzahl von Gesamtsteuerkanälen 260 bereit, die für eine individuelle Steuerung jeder Feldemittereinheit 258 erforderlich sind.
In 13 besteht gemäß einer weiteren Ausführungsform der virtuellen Matrixkonfiguration und des Adressierungs/Aktivierungs-Schemas eine Anordnung 280 von Feldemittereinheiten 282 aus mehreren Emitterelementen 284 und mehreren Maschengittern 286. Jedes Maschengitter 286 entspricht einem individuellen Emitterelement 284, sodass mehrere individuelle Feldemittereinheiten 282 in der Anordnung 282 ausgebildet werden. Die Ausbildung der individuellen Feldemittereinheiten 282 mit einem jedem Emitterelement 284 entsprechenden individualisierten Gitter 286 ermöglicht, dass die Anordnung 280 in einer Vielzahl von beliebigen Topologien ausgeführt werden kann. Obwohl die Anordnung 280 in einer linearen Anordnung dargestellt ist, dürfte es sich verstehen, dass die einzelnen Feldemittereinheiten 282 auch in einer halbkreisförmigen Emitteranordnung oder einer nicht-strukturierten Emitteranordnungstopologie angeordnet sein könnten. Ähnlich zu der in 12 dargestellten Ausführungsform sind die Emitterelemente 284 und Maschengitter 286 der in 13 dargestellten virtuellen Matrixkonfiguration in mehrere Gruppen 288 unterteilt. Wie vorstehend beschrieben, ist jeder Emittersteuerkanal mit einem einzelnen Emitterelement von jeder der Emittergruppen verbunden. Somit ist, wie es in der Ausführungsform von 13 dargestellt ist, jeder Emittersteuerkanal 290 mit drei Emitterelementen 284 verbunden. Wie es ferner in 13 dargestellt ist, entspricht ein Maschengitter 286 jedem Emitterelement 284 in jeder Emittergruppe 280 und bildet somit eine Gittergruppe 292. Ein Gittersteuerkanal 294 ist mit jeder Gittergruppe 292 so verbunden, dass eine Extraktionsspannung über jeder Emittergruppe 288 angelegt werden kann. Somit kann gemäß der vorstehenden Ausführungsform von Emitterelementen 284 und Maschengittern 286 (und deren Anordnung in die Gruppen 288, 292) und der Verbindung der Emittersteuerkanäle 290 und Gitterkanäle 294 damit, jede Feldemittereinheit 282 individuell adressiert und aktiviert werden. Die Anzahl der Spannungssteuerkanäle 290, 294, die zum Adressieren/Aktivieren der individualisierten Feldemittereinheiten 282 erforderlich ist, ist gleich der Summe eines Paares im Wert möglichst gleicher ganzer Zahlen, deren Produkt gleich der Anzahl von Emitterelementen 284 ist. Dieses Aktivierungs/Adressierungs-Verfahren ermöglicht die Verwendung einer minimalen Anzahl von Spannungssteuerkanälen 290, 294, die für eine individuelle Steuerung jeder Feldemittereinheit 282 erforderlich sind.
Wie es in 14 dargestellt ist, ist es vorstellbar, dass eine lineare Anordnung 300 von Feldemittereinheiten 302 zur Verwendung als eine verteilte Röntgenquelle 304 in einem CT-System 306 implementiert werden kann. Eine einzige lineare Anordnung 300 kann die verteilte Röntgenquelle 304 ausbilden, oder, wie es in 14 dargestellt ist, mehrere lineare Anordnungen 300 (z. B. drei lineare Anordnungen) können in der verteilten Röntgenquelle 304 enthalten sein, um einen Überdeckungsbereich zu verbreitern und/oder die Vielseitigkeit des CT-Systems 306 zum Scannen zu verbessern. Die Implementation einer verteilten Röntgenquelle 304 im CT-System 306 ermöglicht dass das CT-System aus einem CT-System mit inverser Geometrie (IGCT) oder einem CT-System mit stationärer Röntgenquelle besteht.
Obwohl sie unter Bezugnahme auf ein Computertomographie-(CT)-System mit 64 Scheiben der ”dritten Generation” beschrieben wurde, dürfte es sich für den Fachmann auf diesem Gebiet verstehen, dass die Ausführungsformen der Erfindung gleichermaßen zur Verwendung mit anderen Bildgebungsmodalitäten, wie z. B. Elektronenkanonen-basierenden Systemen, Röntgenprojektionsbildgebung, Paketinspektionssystemen sowie weiteren Mehrfachscheiben-CT-Konfigurationen oder Systemen oder CT-Systemen mit umgekehrter Geometrie (IGCT) anwendbar sind. Ferner wurde die Erfindung unter Bezugnahme auf die Erzeugung, Detektion und/oder Umwandlung von Röntgenstrahlen beschrieben. Ein Fachmann auf diesem Gebiet wird ferner erkennen, dass die Erfindung auch für die Erzeugung, Detektion und/oder Umwandlung von anderer hochfrequenter elektromagnetischer Energie anwendbar ist.
Daher enthält gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eine Feldemitteranordnung eine Emitteranordnung mit mehreren Emitterelementen, die in einem nicht rechteckigen Layout angeordnet und dafür konfiguriert sind, wenigstens ein Elektronenstrahlbündel zu erzeugen und mehrere Extraktionsgitter, die angrenzend an die Emitteranordnung angeordnet sind, wobei je des Extraktionsgitter wenigstens einem Emitterelement zugeordnet ist, um das wenigstens eine Elektronenstrahlbündel daraus zu entziehen. Das Feldemitteranordnungssystem enthält auch mehrere Spannungssteuerkanäle, die mit den mehreren Emitterelementen verbunden sind und mehrere Extraktionsgitter dergestalt, dass jedes von den Emitterelementen und jedes von den Extraktionsgittern individuell adressierbar ist. In dem Feldemitteranordnungssystem ist die Anzahl der Spannungssteuerkanäle gleich einer Summe eines Paares im Wert möglichst gleicher ganzer Zahlen, deren Produkt gleich der Anzahl der Emitterelemente ist
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung enthält ein Mehrfachpunkt-Elektronenstrahlbündelgenerator mehrere Emittergruppen, die linear angeordnet sind, wobei jede Emittergruppe mehrere Emitterelemente enthält. Der Mehrfachpunkt-Elektronenstrahlbündelgenerator enthält auch wenigstens ein jeder Emittergruppe zugeordnetes und angrenzend dazu positioniertes und konfiguriertes Extraktionsgitter, um ein Elektronenstrahlbündel aus wenigstens einem von den dazu zugeordneten Emitterelementen zu extrahieren, und mehrere mit den mehreren Emitterelementen und den den Emittergruppen zugeordneten Extraktionsgittern verbundene Steuerkanäle. Die mehreren Steuerkanäle enthalten mehrere Emittersteuerkanäle, die dafür konfiguriert sind, eine Emitterspannung zu liefern, wobei jeder Emittersteuerkanal mit einem Emitterelement aus jeder von den mehreren Emittergruppen verbunden ist. Die mehreren Steuerkanäle enthalten auch mehrere Gittersteuerkanäle, um eine Extraktionsspannung zu liefern, wobei jeder Gittersteuerkanal einer entsprechenden Gruppe entspricht und mit dem wenigstens einen Extraktionsgitter angrenzend an jede Emittergruppe verbunden ist. Die Menge der Emittersteuerkanäle und Gittersteuerkanäle ist gleich einer Summe eines Paares vom ganzen Zahlen mit einet minimalen Differenz dazwischen und deren Produkt gleich der Anzahl der Emitterelemente ist.
Gemäß noch einem weiteren Ausführungsform der Erfindung enthält eine verteilte Röntgenquelle für ein Bildgebungssystem mehrere Elektronengeneratoren, die dafür konfiguriert sind, wenigstens ein Elektronenstrahlbündel daraus zu emittieren, wobei jeder Elektronengenerator ein Emitterelement und ein Extraktionsgitter aufweist. Die verteile Röntgenquelle enthält auch mehrere Steuerschaltungen, die elektrisch mit den mehreren Elektronengeneratoren so verbunden sind, dass jeder Elektronengenerator mit einem Steuerschaltungspaar verbunden ist, um Spannungen daraus aufzunehmen, wobei eine erste Steuerschaltung des Steuerschaltungspaares elektrisch mit dem Emitterelement verbunden ist und eine zweite Steuerschaltung des Steuerschaltungspaares elektrisch mit dem Extraktionsgitter verbunden ist. Die verteilte Röntgenquelle enthält ferner eine abgeschirmte Anode, die in einem Pfad des wenigstens einen Elektronenstrahlbündels positioniert und dafür konfiguriert ist, einen Strahl hochfrequenter elektromagnetischer Energie, die zur Verwendung in einem CT-Bildgebungsprozess konditioniert ist, zu emittieren, wenn das Elektronenstrahlbündel darauf auftrifft. Die Anzahl der Steuerschaltungen in der verteilten Röntgenquelle ist gleich einer Summe eines Paares im Wert möglichst gleicher ganzer Zahlen, deren Produkt gleich der Anzahl der Emitterelemente ist.
Obwohl die Erfindung im Detail in Verbindung mit nur einer eingeschränkten Anzahl von Ausführungsformen beschrieben worden ist, dürfte es sich ohne weiteres verstehen, dass die Erfindung nicht auf derartige offenbarte Ausführungsformen beschränkt ist. Stattdessen kann die Erfindung modifiziert werden, dass sie eine beliebige Anzahl von Varianten, Änderungen, Ersetzungen oder äquivalenten bisher nicht beschriebener An ordnungen enthält, die aber dem Erfindungsgedanken und Schutzumfang der Erfindung entsprechen. Zusätzlich dürfte es sich verstehen, dass, obwohl verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden sind, diese Aspekte der Erfindung nur einige von den beschriebenen Ausführungsformen beinhalten können. Demzufolge ist die Erfindung nicht als auf die vorstehende Beschreibung beschränkt zu betrachten, sondern wird nur durch den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche beschränkt.
Es werden ein System 252 und Verfahren zum Adressieren individueller Elektronenemitter 254 in einer Emitteranordnung 250 offenbart. Das System 252 enthält eine Emitteranordnung 250 mit mehreren Emitterelementen 254, die in einem nicht-rechteckigen Layout angeordnet und dafür konfiguriert sind, wenigstens ein Elektronenstrahlbündel 228 zu erzeugen, und mehrere Extraktionsgitter 256, die angrenzend an die Emitteranordnung positioniert sind, wobei jedes Extraktionsgitter 256 wenigstens einem Emitterelement 254 zugeordnet ist, um das wenigstens eine Elektronenstrahlbündel 28 daraus zu extrahieren. Das Feldemitteranordnungssystem 252 enthält auch mehrere Spannungssteuerkanäle 260, die mit den mehreren Emitterelementen 254 und den mehreren Extraktionsgittern 256 so verbunden sind, dass jedes von den Emitterelementen 254 und jedes von den Extraktionsgittern 256 individuell adressierbar ist. In dem Feldemitteranordnungssystem 252 ist die Anzahl der Spannungssteuerkanäle 260 gleich der Summe eines Paares im Wert möglichst gleicher ganzer Zahlen, deren Produkt gleich der Anzahl von Emitterelementen 254 ist.

10: Elektronengenerator
12: Substratschicht
14: Dielektrischer Film
16: Isolationsschicht
18: Kanal oder Apertur
20: Extraktionselektrode
22: Kanal/Hohlraum
24: Öffnung
26: Elektronenemitterelement
28: Elektronenstrahlbündel
30: Schritte
32: Maschengitter
34: Fokussierungselektrode
36: Apertur
37: Zweites keramisches Abstandshalterelement
38: Zielanode
39: Brennpunkt
40: Anodenabschirmung
42: Öffnung
44: Material mit hohem Z
46: Sichtfenster
48: Makro-Emitter
50: Kohlenstoffnanoröhrchen (CNTs)
52: CNT-Gruppe
54: Öffnungen
58: Krümmung
60: Substratschicht
62: Extraktionselektrode/Maschengitter
64: Elektronenströme
66: Winkelapertur
68: Fokussierungswinkel
70: Einzellinse
72: äußere Elektrode
74: äußere Elektrode
76: mittlere Elektrode
78: geteilte Linse
80: Linsensegment
82: Linsensegment
84: Linsensegment
86: Linsensegment
88: Feldemitteranordnung
90: Mehrfachpunkt-Röntgenquelle
92: Aktivierungsverbindungen
94: spezifische Feldemittereinheit
140: Röntgenerzeugungsröhre
142: Kathodenanordnung
144: Anodenanordnung
146: Gehäuse
158: Rotor
154: Rotierende Anodenscheibe
156: Anodenabschirmung
162: Elektronenstrom
160: Röntgenstrahlbündel
148: Elektronenquelle
150: Haltestruktur
152: Feldemitteranordnung
210: Computertomographie-(CT)-Bildgebungssystem
212: Portal
214: Röntgenquelle
216: Röntgenstrahlbündel
218: Detektoranordnung oder Kollimator
220: Mehrere Detektoren
232: Datenerfassungssysteme (DAS)
222: Patient
224: Rotationsmittelpunkt
226: Steuermechanismus
228: Röntgensteuerung
230: Portalmotorsteuerung
234: Bildrekonstruktionseinrichtung
236: Computer
238: Massenspeichervorrichtung
240: Konsole
242: Anzeigeeinrichtung
244: Tischmotorsteuerung
246: Motorisierter Tisch
248: Portalöffnung
250: Feldemitteranordnung
252: Mehrfachpunkt-Elektronenstrahlbündelgenerator
254: Emitterelemente
256: Maschengitter
258: Feldemittereinheiten
260: Spannungssteuerkanäle
262: Emittersteuerkanäle
264: Gittersteuerkanäle
266: spezifische Feldemittereinheit
268: spezifischer Emittersteuerkanal
270: spezifisches Emitterelement
272: spezifischer Gittersteuerkanal
274: Spezifisches Maschengitter
276: Emittergruppen
280: Anordnung von Feldemittereinheiten
282: Feldemittereinheit
284: Emitterelemente
286: Maschengitter
288: Gruppen
290: Emittersteuerkanal
292: Gittergruppe
294: Gittersteuerkanal
300: Lineare Anordnung von Feldemittereinheiten
302: Feldemittereinheiten
304: Verteilte Röntgenquelle
306: CT-System

Claims

Feldemitteranordnungssystem (252), aufweisend: eine Emitteranordnung (250) mit mehreren Emitterelementen (254), die in einem nicht rechteckigen Layout angeordnet sind und dafür konfiguriert sind, wenigstens ein Elektronenstrahlbündel (28) zu erzeugen; mehrere Extraktionsgitter (256), die angrenzend an die Emitteranordnung (250) positioniert sind, wobei jedes Extraktionsgitter (256) wenigstens einem Emitterelement (254) zugeordnet ist, um das wenigstens eine Elektronenstrahlbündel (28) daraus zu extrahieren; und mehrere Spannungssteuerkanäle (260), die mit den mehreren Emitterelementen (254) und den mehreren Extraktionsgittern (256) so verbunden sind, dass jedes von den Emitterelementen (254) und jedes von den Extraktionsgittern (256) individuell adressierbar ist; wobei die Anzahl der Spannungssteuerkanäle (260) gleich der Summe eines Paares im Wert möglichst gleicher ganzer Zahlen ist, deren Produkt gleich der Anzahl der Emitterelemente (254) ist.
Feldemitteranordnungssystem (252) nach Anspruch 1, wobei die Emitteranordnung (250) eine lineare Emitteranordnung (300) aufweist.
Feldemitteranordnungssystem (252) nach Anspruch 1, wobei die mehreren Emitterelemente (254) in mehrere Emittergruppen (276) unterteilt sind, wobei jede Emittergruppe (276) einen entsprechenden Anteil von den mehreren Emitterelementen (254) darin aufweist; und wobei die mehreren Spannungssteuerkanäle (260) mehrere Emittersteuerkanäle (262) und mehrere Gittersteuerkanäle (264) aufweisen.
Feldemitteranordnungssystem (252) nach Anspruch 3, wobei jede von den mehreren Emittergruppen (276) wenigstens ein erstes Emitterelement (254) und ein zweites Emitterelement (254) aufweist und wobei ein erster Emittersteuerkanal (262) mit dem ersten Emitterelement (254) in jeder von den mehreren Emittergruppen (276) verbunden ist und ein zweiter Emittersteuerkanal (262) mit dem zweiten Emitterelement (254) in jeder von den mehreren Emittergruppen (276) verbunden ist.
Feldemitteranordnungssystem (252) nach Anspruch 4, wobei jedes von den mehreren Extraktionsgittern (256) einem einzelnen Emitterelement (254) zugeordnet ist, und wobei die jedem Emitterelement (254) in einer Emittergruppe (276) zugeordneten Extraktionsgitter (256) über nur einem Gittersteuerkanal (264) gesteuert werden.
Feldemitteranordnungssystem (252) nach Anspruch 5, wobei jedes von den mehreren Extraktionsgittern (256) und jedes einzelne diesem entsprechende Emitterelement (254) einen individualisierten Feldemitter (258) bilden.
Feldemitteranordnungssystem (252) nach Anspruch 3, wobei jedes von den mehreren Extraktionsgittern (256) einer Emittergruppe (276) von den mehreren Emittergruppen (276) zugeordnet ist und über nur einen Gittersteuerkanal (264) gesteuert wird.
Feldemitteranordnungssystem (252) nach Anspruch 3, wobei jeder von den mehreren Emittersteuerkanälen (262) dafür konfiguriert ist, eine veränderliche Emitterspannung an jedes damit verbundene Emitterelement (254) zu liefern und wobei jeder von den mehreren Gittersteuerkanälen (264) dafür konfiguriert ist, eine veränderliche Gitterspannung an jedes damit verbundene Extraktionsgitter (256) zu liefern.
Feldemitteranordnungssystem (252) nach Anspruch 8, wobei ein Emitterelement (254) dazu veranlasst wird, das Elektronenstrahlbündel (228) davon zu emittieren, wenn die an das dem Emitterelement (254) zugeordnete Extraktionsgitter (256) gelieferte Gitterspannung größer als die an das Emitterelement (254) durch den Emittersteuerkanal (262) gelieferte Emitterspannung ist.
Feldemitteranordnungssystem (252) nach Anspruch 10, das in eine verteilte Röntgenquelle (304) eingebaut ist, wobei die verteilte Röntgenquelle (304) eine abgeschirmte Anode (39) enthält, die in einem Pfad von dem wenigstens einen Elektronenstrahlbündel (28) positioniert und dafür konfiguriert ist, einen Strahl für die Verwendung in einem CT-Bildgebungsprozess konditionierter hochfrequenter elektromagnetischer Energie zu emittieren, wenn das Elektronenstrahlbündel (28) darauf auftrifft.