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Verwandte Anmeldung
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Der im vorliegenden Text offenbarte Gegenstand beansprucht den Nutzen der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 61/340,798, eingereicht am 22. März 2010, deren Offenbarung hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen wird.
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Technisches Gebiet
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Der in der vorliegenden Schrift offenbarte Gegenstand betrifft allgemein die Röntgenbildgabe. Genauer gesagt, betrifft der in der vorliegenden Schrift offenbarte Gegenstand Mehrstrahl-Feldemissions-Röntgensysteme sowie Steuerungssysteme und Verfahren dafür.
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Allgemeiner Stand der Technik
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Röntgenstrahlung wird weithin verwendet, um die innere Struktur von Materialien in Anwendungen wie zum Beispiel der medizinischen Diagnose, der Sicherheitsdurchleuchtung und der Materialinspektion in der Industrie zu sondieren. Röntgenstrahlen können auch für Strahlungsbehandlungsverfahren verwendet werden (zum Beispiel, um Tumoren zu zerstören oder Verpackungen zu sterilisieren). Bei einfachen Bildgabeverfahren werden Röntgenstrahlphotonen durch ein Objekt hindurch gesendet. Die gesendeten Röntgenstrahlphotonen, die über einen Zeitraum hinweg mittels eines Aufzeichnungsgerätes erfasst werden, erzeugen ein statisches Projektionsbild mit überlappenden Strukturmerkmalen. Höherentwickelte Bildgabeverfahren, wie zum Beispiel Tomosynthese oder Computertomografie (CT), verwenden mehrere Projektionsbilder aus verschiedenen Sichtwinkeln zur Bildrekonstruktion oder mehrere Rahmenbilder zur Kontrastverbesserung.
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Typische CT-Scanner erreichen mehrere Sichtwinkel durch Hochgeschwindigkeitsrotation einer Röntgenstrahlröhre um ein Objekt herum. Dies erfordert ein großes und kompliziertes Portal, wodurch derzeitige medizinische CT-Scanner auf etwa drei Umdrehungen/Sekunde beschränkt sind. Aufgrund der Portalrotation muss sich die Quelle auf einer Kreisbahn bewegen. Darüber hinaus ist die Bildaufnahme auf eine sequenzielle Aufzeichnung von Röntgenbildern beschränkt.
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Eine Mehrstrahl-Röntgenquelle kann verwendet werden, um Projektionsbilder eines Objekts aus verschiedenen Sichtwinkeln ohne mechanische Bewegung der Quelle und mit der Möglichkeit einer höheren Bildaufnahmedrehzahl zu erhalten. Obgleich eine Mehrstrahl-Röntgenquelle diese Vorteile bieten kann, löst eine Mehrstrahlquelle allein aber noch nicht das mögliche Problem, dass viele unabhängige Quellenelemente gesteuert werden müssen und dass ein möglicher Verschleiß der Elektronenerzeugungselemente, der zu Veränderungen der Ausgangsleistung der Röntgenquelle führen kann, überwacht und erforderlichenfalls korrigiert werden muss. Dementsprechend wäre es wünschenswert, dass eine Mehrstrahl-Röntgenquelle eine gleichmäßigere und besser vorhersagbare Röntgenstrahlausgabe, im Zusammenspiel mit einer guten Systemintegration und Schnittstellenanbindung, erbringt.
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In der Druckschrift
J. Zhang, et al.: Stationary scanning x-ray source based on nanotube field emitters. Appl Phys. Lett. 86, 184184 (2005) ist eine Feldemissions-Röntgenquelle beschrieben, die einen scannenden Röntgenstrahl erzeugen kann, um ein Objekt aus mehreren Projektionswinkeln ohne mechanische Bewegung abzubilden. Zum Beispiel beschreibt die
WO 2006/ 130 630 A2 Röntgenstrahl-Pixel-Arraysysteme und Verfahren zur elektronischen Formung von Strahlungsfeldern und Intensitätsmodulationsmustern für klinische und vorklinische Strahlentherapieanwendungen.
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Kurzdarstellung der Erfindung
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Gemäß dieser Offenbarung werden Systeme und Verfahren zum Steuern eines Mehrstrahl-Feldemissions-Röntgensystem bereitgestellt. Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zum Ausführen eines Röntgen-Scanvorgangs bereitgestellt. Ein Mehrstrahl-Feldemissions-Röntgensystem kann bereitgestellt werden, und das System kann eine Vielzahl von Kathodenelementen, eine von der Vielzahl von Kathodenelementen beabstandete Anodenbaugruppe und ein zwischen der Vielzahl von Kathodenelementen und der Anodenbaugruppe angeordnetes Extraktionsgitter umfassen. Mittels dieses Systems kann eine Potentialdifferenz zwischen dem Extraktionsgitter und mindestens einem der Vielzahl von Kathodenelementen angelegt werden, um eine Emission von Elektronen von den jeweiligen Kathodenelementen zu veranlassen. Die Emissionskennlinien der Vielzahl von Kathodenelementen können gemessen werden, und die Potentialdifferenz zwischen dem Extraktionsgitter und mindestens einem der Vielzahl von Kathodenelementen kann anhand der gemessenen Emissionskennlinien justiert werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt kann ein Mehrstrahl-Feldemissions-Röntgensystem bereitgestellt werden. Das System kann eine Vielzahl von Kathodenelementen, eine von der Vielzahl von Kathodenelementen beabstandete Anodenbaugruppe, ein zwischen der Vielzahl von Kathodenelementen und der Anodenbaugruppe angeordnetes Extraktionsgitter und ein elektronisches Steuerungssystem umfassen. Das elektronische Steuerungssystem kann dafür ausgebildet sein, das Anlegen einer Potentialdifferenz zwischen dem Extraktionsgitter und mindestens einem der Vielzahl von Kathodenelementen zu steuern, um eine Emission von Elektronen von den jeweiligen Kathodenelementen zu veranlassen, Emissionskennlinien der Vielzahl von Kathodenelementen zu messen und die Potentialdifferenz zwischen dem Extraktionsgitter und mindestens einem der Vielzahl von Kathodenelementen anhand der gemessenen Emissionskennlinien zu justieren.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Merkmale und Vorteile des vorliegenden Gegenstandes werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung, die im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen zu lesen ist, besser verstanden. Diese Zeichnungen sind lediglich beispielhafter und nicht-einschränkender Art; es zeigen:
- 1 ist eine Schnittansicht eines Mehrstrahl-Feldemissions-Röntgensystems gemäß einer Ausführungsform des hier offenbarten Gegenstandes;
- 2A und 2B sind Schnittansichten einer Feldemissions-Röntgenquelle zur Verwendung in einem Mehrstrahl-Feldemissions-Röntgensystem gemäß zweier Ausführungsformen des hier offenbarten Gegenstandes;
- 2C ist eine perspektivische Schnittansicht eines Mehrstrahl-Feldemissions-Röntgensystems gemäß einer Ausführungsform des hier offenbarten Gegenstandes;
- 3 ist ein Diagramm, das das Emissionsverhalten einer Feldemissionskathode über einen Bereich angelegter Potentialdifferenzen zeigt;
- 4A und 4B sind Schaubilder einer Feldemissions-Röntgenquelle zur Verwendung in einem Mehrstrahl-Feldemissions-Röntgensystem gemäß Ausführungsformen des hier offenbarten Gegenstandes;
- 5 ist ein Schaubild eines Mehrstrahl-Feldemissions-Röntgensystems gemäß einer Ausführungsform des hier offenbarten Gegenstandes;
- 6A und 6B sind Flussdiagramme, die Schritte in zwei Verfahren zum Steuern eines Mehrstrahl-Feldemissions-Röntgensystems gemäß Ausführungsformen des hier offenbarten Gegenstandes veranschaulichen; und
- 7A bis 7C sind Seitenansichten von Feldemissionskathoden in einer Vielzahl von Konfigurationen gemäß Ausführungsformen des hier offenbarten Gegenstandes.
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Detaillierte Beschreibung
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Der vorliegende Gegenstand stellt Systeme und Verfahren zum Steuern eines Mehrstrahl-Feldemissions-Röntgensystems bereit. Gemäß einem Aspekt stellt der vorliegende Gegenstand ein Mehrstrahl-Feldemissions-Röntgensystem, das allgemein mit 10 bezeichnet ist, bereit. Wie zum Beispiel in den
1,
2A und
2B zu sehen, kann das Mehrstrahl-Feldemissions-Röntgensystem 10 eine Vielzahl von Röntgenstrahl-Brennpunkten 105 umfassen, die von einzelnen Feldemissions-Röntgenquellen 100 gebildet werden. In der in
2A gezeigten beispielhaften Konfiguration kann jede Röntgenquelle 100 ein Kathodenelement 110 umfassen, die wiederum jeweils ein Substrat 112 mit einem Kohlenstoffnanoröhren (CNT)-Feldemissionsfilm 114 auf einem Isoliermaterial 116 (zum Beispiel Glas oder Keramik) umfassen. Beispiele einer solchen Feldemissionskathode, die mindestens teilweise aus einem nanostrukturhaltigen Material besteht, finden sich im
US-Patent Nr. 6,553,096 , dessen Offenbarung in vollem Umfang in die vorliegende Schrift aufgenommen wird.
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Ein Elektronenextraktionsgitter 120, das von der Oberfläche der Kathodenelemente 110 durch ein Abstandshalterelement 118 beabstandet ist, kann in einem vorgegebenen Abstand angeordnet sein. Zum Beispiel kann das Extraktionsgitter 120 eine Metallmaschenstruktur sein, die zwischen etwa 50 und 500 um von - und parallel zu - den Kathodenelementen 110 angeordnet sein kann. Das Extraktionsgitter 120 kann elektrisch von den Kathodenelementen 110, insbesondere von dem Substrat 112, isoliert sein. Ein gemeinsames Extraktionsgitter 120 kann von allen Röntgenquellen 100 gemeinsam genutzt werden, oder es können mehrere einzelne Extraktionsgitter oder ein segmentiertes Gitter verwendet werden, wie weiter unten noch ausführlich besprochen wird. Durch Anlegen einer Potentialdifferenz zwischen dem Extraktionsgitter 120 und den Kathodenelementen 110 können Elektronen durch Feldemission erzeugt werden. Genauer gesagt, kann die Emission von Elektronen durch Regelung einer Potentialdifferenz zwischen den Kathodenelementen 110 und dem Extraktionsgitter 120 so gesteuert werden, dass sie auf oder über einer bestimmten Emissionsschwelle liegt. Wenn die Potentialdifferenz unterhalb dieser Schwelle liegt, so findet keine signifikante Emission statt. Wie in 3 gezeigt, kann dieses Emissionsverhalten ungefähr durch die Fowler-Nordheim-Gleichung beschrieben werden. In einigen Annäherungen kann sich der emittierte Elektronenstrom proportional zum Exponential der angelegten Potentialdifferenz verhalten (das heißt, I-V-abhängig sein). Aufgrund der exponentiellen Abhängigkeit kann eine präzise Regelung des angelegten Potentials helfen, den gewünschten Strom zu erreichen oder einen konstanten Elektronenemissionsstrom aufrecht zu erhalten. Darüber hinaus kann die I-V-Abhängigkeit einzelner Emitter von Kathode zu Kathode variieren.
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Außerdem kann, womit wir uns wieder 2A zuwenden, eine Fokussierungsstruktur 130 von den Kathodenelementen 110 und dem Extraktionsgitter 120 beabstandet sein, um den emittierten Elektronenstrahl auf eine Anode 140 zu fokussieren (zum Beispiel eine Anode, die ein Wolfram-Zielmaterial umfasst). Die Anode 140 kann ein Reflexions- oder Durchlassziel sein. Die Fokussierung kann passiv sein (das heißt, die Fokussierungsstruktur 130 wird mit dem gleichen Potential wie das Extraktionsgitter 120), oder kann aktiv sein (das heißt, mit einer oder mehreren Fokusebenen auf verschiedenen Potenzialen), wobei eine Spannung durch eine Fokussierspannungsquelle 132 zugeführt wird. Die Fokussierspannungsquelle 132 kann von der Stromquelle, die eine Potentialdifferenz zwischen dem Extraktionsgitter 120 und den Kathodenelementen 110 anlegt, unabhängig sein, oder sie kann mit einer gemeinsamen Quelle verbunden sein. Die Anode 140 kann mit einem positiven Potential relativ zu den Kathodenelementen 110 beaufschlagt werden und kann in einem vorgegebenen Abstand von den Kathodenelementen 110 angeordnet sein. Zum Beispiel kann der Abstand zwischen den Kathodenelementen 110 und der Anode 140 groß genug gewählt werden, um eine zweckmäßige elektrische Isolierung zu ermöglichen. Durch Extrahieren von Elektronen von den Kathodenelementen 110 und Beschleunigen der Elektronen zur Anode 140 werden Röntgenstrahlen erzeugt. Außerdem veranschaulicht Figur 213 eine weitere Ausführungsform des Röntgensystems 10, bei dem ein Anoden-seitiger Kollimator 142 zwischen der Anode 140 und dem Röntgenstrahlfenster 160 angeordnet sein kann, insbesondere in Ausgestaltungen, bei denen ein äußerer Kollimator nicht realisierbar ist.
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In jeder Ausgestaltung können die Kathodenelemente 110, das Extraktionsgitter 120 und die Anode 140 in einem Vakuumgehäuse 150 angeordnet sein. Wie in 2C gezeigt, kann das Vakuumgehäuse 150 als eine langgezogene, gerade Röhre ausgebildet werden, in der alle Röntgenquellen 100 untergebracht sein können. Wenden wir uns wieder den 2A und 2B zu. Das Vakuumgehäuse 150 kann elektrische Durchführungen 152 umfassen, die individuelle elektrische Verbindungen zu den darin enthaltenen Komponenten ermöglichen. Genauer gesagt, kann ein Elektronik-Steuerungssystem 200 mit einem oder mehreren der Kathodenelemente 110 oder dem Extraktionsgitter 120 verbunden sein. Wie oben besprochen, kann das elektronische Steuerungssystem 200, um Elektronen aus einer einzelnen Feldemissionsquelle zu extrahieren, eine Potentialdifferenz zwischen den Kathodenelementen 110 und dem Extraktionsgitter 120 anlegen. Zum Beispiel kann das Elektronik-Steuerungssystem 200 sowohl mit den Kathodenelementen 110 als auch dem Extraktionsgitter 120 verbunden sein, um speziell eine Potentialdifferenz zwischen den zwei Komponenten anzulegen. Alternativ kann das Extraktionsgitter 120 mit einer Erdung verbunden sein, und das elektronische Steuerungssystem 200 kann ein negatives Potential an den Kathodenelementen 110 herstellen.
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Es versteht sich, dass bei einer großen Anzahl von Kathodenelementen die elektrischen Verbindungen kompliziert werden können, weil eine große Anzahl von Kanälen im elektronischen Steuerungssystem 200 und von elektrischen Durchführungen 152 im Vakuumgehäuse 150 erforderlich sein können. Genauer gesagt, wären für N Kathodenelemente mindestens N+1 Kanäle und Verbindungen erforderlich (zum Beispiel eins für jedes der Kathodenelemente 110 und eins für das Extraktionsgitter 120, zuzüglich eventueller weiterer Durchführungsverbindungen für die Fokussierungsstruktur 130). Jede der elektrischen Durchführungen 152 kann so gestaltet sein, dass sie die an das Extraktionsgitter 120 angelegte Spannung, die in der Größenordnung von 1 bis 3 kV liegen kann, isoliert.
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Dementsprechend kann eine Möglichkeit zur Reduzierung der Anzahl der verwendeten elektrischen Durchführungen 152 darin bestehen, das Extraktionsgitter 120 in eine Vielzahl von Gittersegmenten zu segmentieren. Wie zum Beispiel in 4A gezeigt, kann das Mehrstrahl-Feldemissions-Röntgensystem 10 anstelle eines einzelnen Extraktionsgitters 120, das von allen Röntgenquellen 100 gemeinsam genutzt wird, ein erstes Gittersegment 122 und ein zweites Gittersegment 124 umfassen, aber gewünschtenfalls können auch noch weitere Segmente bereitgestellt werden. Sowohl das erste Gittersegment 122 als auch das zweite Gittersegment 124 können mit dem elektronischen Steuerungssystem 200 verbunden sein, und die Kathodendurchführungen können gemeinsam genutzt werden, da die Extraktionsspannung nur an eines der zwei Gittersegmente angelegt wird.
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Gemäß einem weiteren Beispiel kann, wie in 4B gezeigt, das erste Gittersegment 122 durch das elektronische Steuerungssystem 200 gesteuert werden, und das zweite Gittersegment 124 kann durch ein zweites elektronisches Steuerungssystem 202 gesteuert werden, das von dem elektronischen Steuerungssystem 200 separat und unabhängig sein kann und identisch oder ähnlich strukturiert und bedienbar sein kann. Dies kann verwendet werden, um zwei oder mehr Kathoden gleichzeitig anzusteuern. Es versteht sich selbst, dass jede aus einer Vielzahl unterschiedlicher Steuerungskonfigurationen verwendet werden kann.
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Ungeachtet der konkreten Ausgestaltung kann dieses Segmentieren des Extraktionsgitters ein Gruppieren der Kathodenverbindungen und eine Reduzierung der Gesamtzahl der erforderlichen elektrischen Verbindungen gestatten. Zum Beispiel sind für eine Gesamtzahl von N Kathodenelementen 110 mit S Gittersegmenten (zum Beispiel ersten und zweiten Gittersegmenten 122 und 124) nur NIS+S Verbindungen erforderlich. Außerdem können S Kathodenelemente 110 eine gemeinsame elektrische Durchführung 152 gemeinsam nutzen. In dieser Konfiguration kann das elektronische Steuerungssystem 200 NIS Kanäle für das Substratpotential und S Kanäle für die Gittersegmente umfassen. Mittels Kombinationen von Gitterkanälen und Kathodenkanälen können die Kathodenelemente 110 nach wie vor einzeln adressiert werden, aber mit weniger elektrischen Durchführungen 152.
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Es ist anzumerken, dass bei Ausgestaltungen, in denen das Extraktionsgitter 120 geerdet ist, eine Gittersegmentierung nicht so einfach zu erreichen ist. Das Extraktionsgitter 120 kann jedoch segmentiert werden und von dem Vakuumgehäuse 150 isoliert sein, und nur aktivierte Gittersegmente brauchen durch das elektronische Steuerungssystem 200 geerdet zu sein. Inaktive Gittersegmente können auf ein negatives Potential geschaltet werden, das nahe dem Potential liegt, das an entsprechende Kathodenelemente 110 angelegt wird. Ungeachtet der konkreten Ausgestaltung kann es vorteilhaft sein, dass alle Verbindungen einen großen Querschnitt mit einem geringen Widerstand haben.
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Für eine Bildgabeanwendung können eine oder mehrere der Röntgenquellen 100 in einer beliebigen aus einer Vielzahl vorgegebener Sequenzen ein- und ausgeschaltet werden, um eine Reihe von Röntgenbildern oder Signalen aus einer Röntgenbestrahlung aufzunehmen bzw. zu erfassen. Zum Beispiel kann das elektronische Steuerungssystem 200 das Ein- und Ausschalten von Röntgenquellen 100 für eine bestimmte Zeit, entweder einzeln oder in Kombination miteinander, ausführen. In einem konkreten Beispiel können Röntgenquellen 100 in einem gepulsten Betriebsmodus geschaltet werden, wobei die Impulsdauer im Bereich von etwa 10 us bis mehreren Sekunden oder länger liegen kann. Gemäß einem weiteren konkreten Beispiel kann das elektronische Steuerungssystem 200 das Umschalten aller Röntgenquellen 100 gleichzeitig vornehmen.
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Das elektronische Steuerungssystem 200 kann des Weiteren einen eingebauten Schaltkreis aufweisen, der eine genaue Stromsteuerung über die gewünschte Impulslänge für jede der Röntgenquellen 101 ermöglicht. Außerdem kann das elektronische Steuerungssystem 200, wie in 5 gezeigt, die Ausgangsleistung einer Stromversorgung 210, die mit einem oder mehreren der Kathodenelemente 110, dem Extraktionsgitter 120 oder der Anode 140 verbunden ist, steuern. Zum Beispiel kann - in einer Ausgestaltung - das Extraktionsgitter 120 mit der Stromversorgung 210 verbunden sein, und das elektronische Steuerungssystem 200 kann die Stromversorgung 210 veranlassen, eine statische Spannung an das Extraktionsgitter 120 anzulegen. Alternativ kann das Extraktionsgitter 120 - gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung - mit einem Erdungspotential verbunden sein, und das elektronische Steuerungssystem 200 kann die Stromversorgung 210 veranlassen, ein negatives Potential an die Kathodenelemente 110 anzulegen. Wie oben angesprochen, kann die Stromversorgung 210 von der oben besprochenen Fokussierspannungsquelle 132 unabhängig sein, oder sie können miteinander integriert sein. Gleichermaßen kann das elektronische Steuerungssystem 200 dafür verwendet werden, die Fokussierspannungsquelle 132 zusätzlich zu der Stromversorgung 210 zu steuern, oder es kann ein unabhängiges Steuerungssystem verwendet werden.
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Das elektronische Steuerungssystem 200 kann auch mit elektrischen Schnittstellen 220 ausgestattet sein, die eine Kommunikation mit einem Bildgabe- oder Behandlungsgerät 170 ermöglichen, das so angeordnet ist, dass es die Röntgenstrahlen, die ein Objekt O durchdringen, und/oder die vom Objekt O zurückgestreuten Photonen empfangen und messen kann. Zum Beispiel kann eine solche elektrische Schnittstelle 220 Echtzeitsignale für eine Synchronisation von Röntgenquellen 100 mit einem Systemmaster 300, der das Bildgabe- oder Behandlungsgerät 170 steuert, umfassen. In einem konkreten Beispiel, in dem das Bildgabe- oder Behandlungsgerät 170 ein Röntgendetektor ist, können die aufgenommenen Bilder einzeln verwendet werden, oder sie können kombiniert werden, um ein 3D-Bild des Objekts O zu rekonstruieren (das heißt, Tomografie oder Tomosynthese). Alternativ oder zusätzlich können die elektrischen Schnittstellen 220 einen Datenkanal zur Übertragung von Informationen zwischen dem Elektronik-Steuerungssystem 200 und dem Systemmaster 300 umfassen. Diese Informationen können Scanparameter (das heißt, Impulsdauer, Arbeitszyklus, Stromamplitude oder Dosis für jeden Kathodenkanal), Status und/oder Fehlerinformationen enthalten.
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Mit dem Mehrstrahl-Feldemissions-Röntgensystem 100 mit einer der oben beschriebenen Konfigurationen kann ein Röntgen-Scanvorgang ausgeführt werden, indem eine anfängliche Potentialdifferenz zwischen einem oder mehreren der Kathodenelemente 110 und dem Extraktionsgitter 120 ermittelt wird (siehe Schritt 501 in den 6A und 6B), wobei die anfängliche Potentialdifferenz auf gespeicherten I-V-Daten für den gewünschten Ausgangsstrom basiert, die durch den Systemmaster 300 vor jedem Scanvorgang eingestellt werden können. Aus diesem Anfangszustand heraus kann ein beliebiger Betriebszustand aus einer Vielzahl unterschiedlicher Betriebszustände implementiert werden. Zum Beispiel kann das elektronische Steuerungssystem 200 in einem in 6A gezeigten Konstantstrommodus veranlasst werden, das angelegte Potential zwischen den Kathodenelementen 110 und dem Extraktionsgitter 120 über die Länge jedes Impulses aktiv zu justieren, um einen konstanten Ausgangsstrom bei einer gewünschten Amplitude aufrecht zu erhalten. Gemäß einem Aspekt kann der Ausgangsstrom auf einem Ausgangsstrom gehalten werden, der maximal etwa 1 bis 5 Prozent von einem gewünschten Ausgangsstrom abweicht.
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Solche Justierungen können erforderlich sein, um einen konstanten Stromausgang aufrecht zu erhalten, da CNT-Feldemissionskathoden bekanntlich im Laufe der Zeit an Leistung verlieren. Das bedeutet, dass über die Lebensdauer der Kathodenelemente 110 eine zunehmend höhere Potentialdifferenz zwischen den Kathodenelementen 110 und dem Extraktionsgitter 120 erforderlich sein kann, um den gleichen Ausgangsstrom zu erreichen. Um diesen Leistungsverlust auszugleichen, kann das elektronische Steuerungssystem 200 die durch die gespeicherten I-V-Daten definierte anfängliche Potentialdifferenz anhand der Informationen über die angelegte Potentialdifferenz und des während des Impulses gemessenen Stroms aktualisieren, und es kann den Impuls von jedem der Kathodenelemente 110 justieren, um eine gleichbleibende Leistung über die Lebensdauer der Kathodenelemente 110 hinweg aufrecht zu erhalten. Genauer gesagt, kann zum Beispiel das elektronische Steuerungssystem 200 Emissionskennlinien (zum Beispiel den Ausgangsstrom) der Kathodenelemente 110 messen (Schritt 502). Diese Messungen können an einem von mehreren der Kathodenelemente 110 einzeln vorgenommen werden, oder es kann eine Gesamtmessung für alle Kathodenelemente 110 erhalten werden. Wenn die Emissionskennlinien aller Kathodenelemente zusammen gemessen werden, so können verstellbare Reihenwiderstände eingebaut werden, um Leistungsunterschiede der einzelnen Kathodenelemente auszugleichen.
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Ungeachtet der Art und Weise der Messung der Emissionskennlinien kann die Potentialdifferenz zwischen dem Extraktionsgitter 120 und mindestens einem der Kathodenelemente 110 von dem anfänglichen Sollwert aus anhand dieser Informationen justiert werden (Schritt 503). In diesem Betriebsmodus kann es bevorzugt sein, dass das elektronische Steuerungssystem 200 die Emissionskennlinien der Kathodenelemente 110 auf innerhalb von etwa 1 bis 5 Prozent der gewünschten Werte regeln kann.
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Alternativ kann die durch das elektronische Steuerungssystem 200 festgestellte anfängliche Potentialdifferenz in einem in 6B gezeigten Dosissteuerungsmodus einen Impuls mit einer zuvor festgelegten Stromamplitude definieren. Während des Impulses kann das Integral des Emissionsstromes im zeitlichen Verlauf (zum Beispiel das Produkt aus dem Strom und der Zeit für einfache Impulse) kontinuierlich gemessen werden (Schritt 504 in 6B), und sobald das Integral dem gewünschten Wert entspricht (das heißt, ein Dosisbetrag erreicht ist), kann der Impuls beendet werden (Schritt 505). In diesem Modus kann die voreingestellte Impulslänge die maximal zulässige Impulslänge bestimmen. Anhand der gegebenen Werte kann das elektronische Steuerungssystem 200 die Stromamplitude auswählen, um das gewünschte Integral innerhalb des gegebenen Impulslängenfensters zu erreichen. Auf diese Weise ist keine aktive Regelung des angelegten Potentials erforderlich.
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Für viele Anwendungen, insbesondere in der medizinischen Röntgenbildgabe, sind genaue Dosisinformationen wichtig. Oft lässt sich eine große kapazitive Spitze am Anfang des Impulses beobachten, wenn der Ausgangsstrom der Kathodenelemente 110 als eine Funktion der Zeit über den Impuls hinweg gemessen wird. Diese kapazitive Spitze ist jedoch nicht gleich dem Strom, der zu der Anode 140 fließt, so dass eine Korrektur der Dosisberechnung vorgenommen werden kann, um diese Spitze auszugleichen. Wenn man zum Beispiel den Ausgangsstrom an den Kathodenelementen 110 misst, so kann die anfängliche Stromspitze für den Zweck der Dosisbestimmung ignoriert werden. Dieses Korrekturverfahren kann sich besonders gut bei langen Impulsen eignen, aber die Übertragungsrate durch das Gitter muss bekannt sein. Zum Beispiel kann bei kurzen Impulsen die anfängliche Stromspitze von dem gemessenen Signal abgezogen werden, wenn die Form der Spitze bekannt ist.
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Neben der Kompensation der Funktionsverschlechterung der Kathodenelemente 110 kann es des Weiteren zweckmäßig sein, einen Schutz vor anderen Faktoren vorzusehen, welche die Funktion der Kathodenelemente 110 beeinträchtigen können. Wenn zum Beispiel energiereiche Elektronen, die von den Kathodenelementen 110 ausgesendet werden, auf die Anode 140 treffen, so können Ionen und sekundäre Elektronen freigesetzt werden. Aus dieser Freisetzung können positiv geladene Ionen zurück zu den Kathodenelementen 110 wandern und den Feldemissionsfilm 114 beschädigen. Eine solche Ionenfreisetzung kann auch mehrere schwerwiegende Lichtbogenereignisse auslösen, die einen hohen Ionenstrom in Richtung der Kathodenelemente 110 und/oder eine anschließende Änderung des Potentials zwischen den Kathodenelementen 110 und dem Extraktionsgitter 120 zur Folge haben. Wenn zum Beispiel das an das Extraktionsgitter 120 angelegte Potential angehoben wird, so kann für kurze Zeit ein hoher Strom aus den Kathodenelementen 110 abgezogen werden, was zur Beschädigung der Kathoden führen kann.
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Um die Kathodenelemente 110 vor dieser und anderen möglichen Formen der Beschädigung zu schützen, kann ein beliebiger aus einer Vielzahl verschiedener Schutzmechanismen implementiert werden. Als Erstes veranschaulicht zum Beispiel 7A eine Ausgestaltung, bei der eine Gasentladungsröhre 180 zwischen dem Extraktionsgitter 120 und den Kathodenelementen 110 angeordnet sein kann, um die maximale Potentialdifferenz zwischen den Elementen zu begrenzen. Alternativ kann das Extraktionsgitter 120, wie in 7B veranschaulicht, fest an dem Vakuumgehäuse geerdet sein, und die Kathodenelemente 110 können relativ zu dem Extraktionsgitter 120 auf ein negatives Potential gesetzt werden. In einer in 7C gezeigten weiteren Alternative kann eine zweite Elektrode 126 zwischen dem Extraktionsgitter 120 und der Anode 140 angeordnet sein. In einem weiteren Beispiel kann das Extraktionsgitter 120 mit einer negativen Spannung beaufschlagt werden. Diese beispielhaften Schutzmechanismen können einzeln oder in Kombination angewendet werden.
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Der vorliegende Gegenstand kann in anderen Formen verkörpert sein, ohne von seinem Geist und seinen wesentlichen Eigenschaften abzuweichen. Die dafür beschriebenen Ausführungsformen sind in jeder Hinsicht als veranschaulichend und nicht-einschränkend anzusehen. Obgleich der vorliegende Gegenstand anhand bestimmter bevorzugter Ausführungsformen beschrieben wurde, fallen andere Ausführungsformen, die für den Fachmann offensichtlich sind, ebenfalls in den Geltungsbereich des vorliegenden Gegenstandes.
