ES2569122T3 - Aparato para producir rayos X para su uso en imagenología - Google Patents

Abstract

Un aparato (10), que comprende: un cristal (14) que tiene una superficie superior, siendo dicho cristal (14) un cristal piroeléctrico o un cristal piezoeléctrico; una película conductora (18) que recubre la superficie superior del cristal (14); incluyendo dicho cristal (14) una pluralidad de emisores (16) de campo de electrones, comprendiendo los emisores (16) de campo de electrones una región de escala micrométrica, teniendo la región uno o más picos o crestas afilados; y medios (12) para controlar la temperatura del cristal (14) cuando dicho cristal (14) es un cristal piroeléctrico, o medios para controlar la tensión mecánica en el cristal cuando dicho cristal es un cristal piezoeléctrico, en el que dicho cristal (14) y dichos emisores (16) de campo de electrones se mantiene en un entorno de baja presión.

Description

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DESCRIPCION

Aparato para producir rayos X para su uso en imagenologla ANTECEDENTES DE LA INVENCION

1. Campo de la Invencion

Esta invencion se refiere en general a dispositivos y metodos para la produccion de rayos X, y mas particularmente a un generador de rayos X, basado en un cristal piezoelectrico o piroelectrico, que es ligero, compacto y no necesita una fuente de alimentacion externa grande. Emisores de campo formados como regiones expuestas de escala micrometrica en el cristal que tienen uno o mas picos o crestas afilados, emiten electrones que impactan en un blanco u objetivo de radiacion de frenado para producir rayos X. Tambien se puede usar una matriz o mosaico de cristales en lugar de un solo cristal.

2. Descripcion de la tecnica relacionada

Una amplia variedad de sistemas medicos de diagnostico por imagen y tratamiento, sistemas de ensayos industriales y sistemas de analisis de seguridad estan centrados en las diferencias en la absorcion de los rayos X por diferentes materiales. La resolucion de la imagen bidimensional de un objeto tridimensional, producida por los dispositivos de imagenologla convencionales, depende a menudo de diversos parametros que incluyen el tiempo de exposicion a los rayos X y la intensidad del haz.

El tubo de rayos X convencional, en configuraciones ya sea de anodo giratorio o del tipo de tubo de Crooke, es el caballo de batalla de muchos sistemas de imagenologla medicos. Pese a que ha habido un sinnumero de mejoras, el mecanismo basico de imagenologla de rayos X con el tubo de rayos X se ha mantenido sin cambios durante decadas. Los tubos de rayos X convencionales suelen consistir en un alojamiento de vaclo que contiene un anodo y un catodo. Los catodos son filamentos emisores electrones, hechos a menudo de tungsteno, aluminio, titanio o acero. Catodos frlos a veces incluyen un recubrimiento de tierras raras para aumentar la emision de electrones. Los anodos estan hechos a menudo de metales como el molibdeno, paladio, tungsteno, cobre y plata.

Se utiliza una fuente de alta tension para crear un arco o descarga de electrones entre el catodo negativo emisor de electrones y el anodo positivo. Dentro del arco hay electrones con energlas cineticas en o cerca del potencial aplicado, que son acelerados a traves del campo electrico entre el catodo y el anodo. Cuando estos electrones acelerados inciden sobre un objetivo (tlpicamente el anodo), se producen rayos X a traves de Bremsstrahlung ("radiacion de frenado"), as! como otros procesos de ionizacion (por ejemplo, "radiacion caracterlstica" de electrones de la capa interna).

Los tubos convencionales pueden ser relativamente ligeros (unos pocos kilogramos) y fragiles, dado que estan fabricados a partir de vidrio. Sin embargo, las fuentes de alimentacion son tlpicamente grandes, caras y pesadas (de decenas de kilogramos). La mayor parte de la potencia aplicada se transforma en calor residual, lo que requiere refrigeracion y aumenta aun mas el volumen y el peso de los aparatos de rayos X convencionales.

Se han considerado diversas tecnologlas para reducir el tamano y el peso de las fuentes de rayos x. Los microtubos de rayos X son un intento de construir dispositivos a escala milimetrica mediante la miniaturizacion del diseno del tubo convencional. Estos dispositivos todavla requieren fuentes externas de alta tension (as! como la refrigeracion por agua, en algunos casos); sin embargo, el peso de la propia unidad (excluyendo la fuente de tension y el sistema de refrigeracion) es muy bajo. Puesto que se disenan tlpicamente para la terapia del cancer, donde la precision de la dosis es crltica, los disenos no estan optimizados para el costo. Un numero tlpico de ciclos de tratamiento por tubo es de aproximadamente 10.

Varios investigadores han investigado emisores de campo de electrones en diversos contextos. En principio, se sabe que este tipo de emisores de campo o redes de estos emisores son capaces de producir rayos X mediante la irradiacion de un blanco de bremsstrahlung con electrones. La energla de los electrones, y por lo tanto de los rayos X emitidos, es directamente proporcional a la tension aplicada. Mantener una tension lo suficientemente elevada (30120 kV) a traves de un pequeno espacio, sin fallos es muy diflcil y ha sido un obstaculo para la miniaturizacion. (Las redes de emisores de campo utilizadas por ejemplo en los televisores de plasma, funcionan a solo unos pocos cientos de voltios.) Tambien se ha desarrollado una tecnologla variante, la red de emisores de catodo frlo, y se estan lanzado al mercado fuentes de rayos X de pantalla plana basados en esta tecnologla. Este enfoque parece muy prometedor, pero todavla requiere una fuente de alimentacion externa importante.

Las fuentes radiactivas tambien pueden proporcionar una buena fuente de rayos X. Las fuentes basadas en Co-60 todavla se usan en los palses en desarrollo para radiograflas medicas y dentales. Sin embargo, la preocupacion sobre la seguridad y la proliferacion de materiales nucleares hace que estos sistemas sean muy indeseables. Por otra parte, el blindaje de las fuentes implica que los dispositivos tiendan a ser muy pesados, del orden de cientos de kilogramos.

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Un ejemplo de una fuente de rayos X conocida, basada en el efecto piroelectrico, se fundamenta en un cristal grueso piroelectrico que emite electrones que a continuacion impactan sobre un blanco de cobre. Los rayos X resultantes se emiten a traves de una ventana de berilio de 15 mm de diametro. Esta fuente produce flujos esporadicos de rayos X sobre un area de emision pequena, carece de repetibilidad o control y tambien tiene un flujo de salida casi aleatorio.

En consecuencia, existe una necesidad de una fuente de pantalla plana de rayos X que sea robusta y portatil y no necesite una fuente de tension de gran tamano. Las fuentes de rayos X pueden seguir un camino de desarrollo similar al de las televisiones y pantallas de video que han pasado de las tecnologlas basadas en tubos a pantallas planas. La presente invencion satisface esta necesidad, as! como otras, proporcionando un conjunto modular direccionable de fuentes de rayos X que es autonomo y se puede utilizar en lugares distantes.

US 2004/028183 A1 describe metodos y aparatos para el control independiente de la corriente de emision de electrones y energla de rayos X en tubos de rayos X. El control independiente se puede conseguir ajustando la distancia entre un catodo y un anodo. El control independiente tambien se puede lograr mediante el ajuste de la temperatura del catodo. Tambien se puede lograr el control independiente mediante la excitacion optica del catodo. El catodo puede incluir materiales emisores de campo tales como los nanotubos de carbono. El documento WO 2009/052176 A1 describe una fuente no radiactiva para lonizacion a Presion Atmosferica. El tubo hermetico del haz de electrones utiliza cristal(es) piroelectrico(s). Un extremo del(de los) cristal(es) esta conectado a tierra mientras que el otro extremo tiene un casquillo metalico afilado para generar un haz de electrones de una energla dada por la emision de campo.

La velocidad de calentamiento y / o enfriamiento del(de los) cristal(es) se utiliza para controlar la corriente generada a partir de un tubo. Un elemento de calentamiento y/o enfriamiento, tal como un elemento Peltier, es util para controlar la velocidad de enfriamiento del(de los) cristal(es). Se necesita una ventana delgada que sea transparente a los electrones, pero impermeable a los gases, con el fin de prolongar la vida del tubo y permitir la extraccion de los electrones. Se pueden utilizar cristales multiples con calentadores independientes para proporcionar un funcionamiento continuo del dispositivo.

BREVE SUMARIO DE LA INVENCION

Un aparato comprende un cristal que tiene una superficie superior, siendo dicho cristal un cristal piroelectrico o un cristal piezoelectrico, una pellcula conductora que recubre la superficie superior del cristal, incluyendo dicho cristal una pluralidad de emisores de campo de electrones, comprendiendo los emisores de campo de electrones una region de escala micrometrica, teniendo la region uno o mas picos o crestas afilados y medios para controlar la temperatura del cristal cuando dicho cristal es un cristal piezoelectrico, o medios para controlar el esfuerzo sobre el cristal cuando el cristal es un cristal piroelectrico, en el que dicho cristal y dichos emisores de campo de electrones se mantiene en un entorno de baja presion.

Tal aparato puede ser utilizado para la produccion de rayos X para su uso en aplicaciones de imagenologla. En un ejemplo de realizacion, el aparato incluye un conjunto de cristales piezoelectricos, teniendo cada cristal una superficie superior generalmente plana con un recubrimiento de pellcula conductora. El cristal incluye una pluralidad de emisores de campo y un calentador/enfriador adyacente al cristal. Los emisores de campo de electrones estan formados como regiones expuestas de escala micrometrica en la superficie de cristal, que tienen un uno o mas picos o crestas afilados.

En una forma de realizacion, el aparato comprende ademas un alojamiento modular, una segunda pellcula conductora recubriendo dicho cristal y dichos emisores de campo de electrones, y un blanco, dispuestos en la proximidad de dicha pluralidad de emisores de campo de electrones, en el que los electrones emitidos desde dichos emisores de campo de electrones inciden sobre dicho blanco para producir rayos X, y en el que dicho cristal y dichos emisores de campo de electrones se mantienen en dicho entorno de baja presion dentro de dicho alojamiento modular.

Se sabe que cristales piroelectricos gruesos, tales como niobato de litio, generan emisiones esporadicas espontaneas de electrones de kilovoltios cuando se calientan o se enfrian a tasas optimas. Los cristales piroelectricos se polarizan normalmente de forma espontanea y esta polarizacion es compensad por la carga de la superficie en condiciones de equilibrio. Estos materiales experimentan un cambio en la polarizacion cuando el cristal se calienta o se enfria en un entorno de baja presion. La carga no-compensada resultante en la superficie del cristal crea un campo electrico que es lo suficientemente fuerte para acelerar los electrones o iones.

En la forma de realizacion preferida, el cristal piroelectrico se calienta y enfria de forma alternativa durante un periodo de varios minutos de forma que se produce la polarizacion espontanea de carga en el cristal. En otra forma de realizacion, el efecto piezoelectrico se utiliza a traves de la estimulacion mecanica del cristal en vez de termica. En todos los casos, la polarizacion espontanea de la carga hace que aparezca un campo electrico perpendicular en las caras superior e inferior del cristal, y el campo electrico que surge de la superficie expuesta del cristal aumenta debido a los picos o crestas afilados, lo que provoca la emision de campo de electrones de superficie desde esa posicion. Los haces de electrones que se emiten desde los picos de los emisores de campo son dirigidos hacia a un

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blanco de radiacion de frenado, provocando la formacion de rayos X. Tambien se contemplan otros usos de los haces de electrones producidos por los emisores.

Una ventaja obtenida con una forma de realizacion de base piezoelectrica es que se puede excitar por medios acusticos que incluyen transductores y actuadores mecanicos. Ademas, es posible inducir la polarizacion espontanea piezoelectrica utilizando una onda de choque producida, por ejemplo, a traves de un impulso de laser. Ademas de un metodo de produccion posiblemente mas practico, el enfoque piezoelectrico podrla permitir el control escala de tiempo mas rapido.

Cristales piezoelectricos o piroelectiricos individuales se montan preferiblemente juntos en una matriz plana, siendo la activacion de los elementos de calentamiento/enfriamiento o la presion de cada uno de los cristales controlada por un controlador. El control sobre los cristales individuales permite ciclos de calentamiento y enfriamiento selectivos de cristales adyacentes a lo largo de escalas de tiempo deseadas y el control sobre la produccion total de los rayos X por la matriz. El controlador permite la activacion de los cristales individuales en la matriz en patrones tales como por ejemplo un damero, alternando el calentamiento y enfriamiento de los cristales adyacentes en la matriz.

En la forma de realizacion preferida, se utiliza como fuente de electrones el niobato de litio (LiNbO3), tantalato de litio (LiTaO3), titanato de bario (BaTiO3), sulfato de triglicina (TGS) o algun otro cristal piroelectrico. Los cristales piroelectricos se cortan preferiblemente de modo que los planos superior e inferior del cristal sean normales al eje de polarizacion. En el equilibrio, la polarizacion espontanea de una cara del cristal es negativa (Z ) y la otra cara es positiva (Z ). El calentamiento del cristal en una atmosfera de vaclo o de baja presion provocara un campo electrico y la eliminacion de electrones de la superficie del cristal.

Se ha observado por otros que, tras el calentamiento, los electrones de la superficie del cristal y de los gases residuales ionizados puede ser acelerados por el campo electrico del cristal hacia un blanco apropiado para producir rayos X. Tambien se observo que se produjeron rayos X caracterlsticos del cristal a partir de la superficie (Z " ) del cristal tras el calentamiento y rayos X caracterlsticos del blanco se observaron despues del enfriamiento del cristal. La superficie (Z) del cristal se carga positivamente tras el calentamiento y se carga negativamente en el enfriamiento. Ademas, la intensidad del campo electrico producido por el cristal es proporcional a la densidad de carga superficial, que es una funcion del cambio de la temperatura y la presion de la camara.

Tambien se ha mostrado que la emision de electrones piroelectrica en ambientes de vaclo o de muy baja presion puede estar influida por las distancias de separacion entre el emisor de la superficie del cristal y el colector de electrones. Por ejemplo, con grandes separaciones (mayor de aproximadamente 2 millmetros), las emisiones de electrones desde la superficie del cristal son debidas a la ionizacion del campo que produce un plasma continuo. Sin embargo, con separaciones pequenas (menos de aproximadamente 2 millmetros), las emisiones de electrones pueden estar influenciadas por igniciones de ionizacion intensas, con la formacion de un plasma denso que puede ocurrir adicionalmente al efecto de emision de campo.

Si bien los efectos de ionizacion de gases residuales senalados anteriormente estan siempre presentes, el dispositivo descrito aqul no utiliza este efecto como unos medios primarios para generar la emision de electrones. Mas bien, aqul se utiliza preferiblemente la emision de campo directa.

Las caracterlsticas del campo fuera de la influencia de cristal grueso influyen tanto en la emision de electrones como en la energla de los electrones emitidos. La energla de los electrones aumentara a medida que aumenta el espesor del cristal hasta un llmite y se puede optimizar. Sin embargo, los cristales piroelectricos a menudo son malos conductores del calor. La eleccion del grosor del cristal tambien deberla tener en cuenta la conduccion de calor a traves del cristal a lo largo del tiempo.

Se pueden producir por ataque qulmico o fresado cualquier cantidad de emisores de campo en las superficies planas del cristal, usando tecnicas convencionales. A pesar de que solo se requieren niveles intermedios de aumento del campo, es deseable fabricar las puntas con parametros compatibles. Por lo tanto, se prefieren las tecnicas de ataque qulmico y modelado litograficos al fresado de iones y tecnologlas relacionadas. Sin embargo, cualquier tecnica que produzca compatiblemente estructuras emisoras de campo en la superficie del cristal, es adecuada.

El emisor de campo individual comprende generalmente una region expuesta de escala micrometrica en el cristal que tiene un uno o mas picos o crestas afilados. Los picos o crestas afilados que forman el emisor de electrones tienen preferiblemente una relacion de aspecto entre altura y anchura mayor que la unidad. Como el campo superficial cerca de una punta aumenta drasticamente al disminuir el radio de la punta, es ventajoso fabricar puntas tan puntiagudas como sea posible. En una forma de realizacion, se retira una porcion cillndrica o cuadrada del cristal dejando un emisor central con una punta emisora. En otra forma de realizacion, el emisor central es una punta unica cillndricamente simetrica con un recubrimiento de metal o una aguja de metal unida.

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En otra forma de realization, los picos o crestas afilados son generalmente piramidales o en forma de cuna y tienen paredes laterales con angulos de 45 grados o mas.

En otra forma de realizacion preferida, se forma un emisor de campo individual por fresado de dos zanjas paralelas separadas unos pocos micrometros, para crear una larga cresta aguda entre las dos zanjas. Esta cresta puede ser mucho mas puntiaguda que la punta cillndrica y produce un aumento de la emision mayor y mas seguro. Tambien se pueden utilizar tres y cuatro zanjas para crear dos o mas crestas paralelas de emision de electrones dentro del cristal.

En otra forma de realizacion, la punta o cresta afilada del emisor esta recubierta con una capa de nanotubos, un metal de tierra rara o un metal pesado tal como oro, platino, galio o tungsteno etc. Los materiales de revestimiento de la punta elegidos son conductores y resisten la erosion de las puntas o crestas que resulta de las emisiones de electrones a lo largo del tiempo.

Los emisores de campo que se forman en la superficie del cristal estan dispuestos preferentemente en patrones que estan equidistantemente separados en una malla cuadrada, clrculos concentricos o llneas radiantes desde el centro, etc. El numero de emisores puede variar y el numero se elige para corresponder a la salida de rayos X deseada de la matriz.

La superficie superior del cristal es recubierta preferiblemente con un revestimiento de metal antes del fresado o ataque qulmico de las estructuras emisoras en de la superficie del cristal. Sin embargo, en una forma de realizacion, las estructuras emisoras se forman en la superficie del cristal primero y despues de la formation del emisor se aplica una capa de metal de modo que hay una sola capa uniforme de metal sobre todas las superficies. En otra forma de realizacion, la superficie superior se recubre con un revestimiento de metal antes de formar las estructuras emisoras, y se aplica una segunda capa de metal conductor a la superficie del cristal despues de formar las estructuras emisoras, cubriendo de esta forma toda la cara de cristal con una capa superior uniforme de metal. En una forma de realizacion, las estructuras emisoras son parte de la capa metalica superior. Los electrones de superficie producidos en otros lugares de la cara del cristal pueden conducir a traves de la pellcula metalica hasta las estructuras emisoras, proporcionando de ese modo un suministro casi continuo de carga para la emision de campo.

Los electrones emitidos desde las puntas o crestas emisoras de campo son acelerados a traves de una camara del espacio de separation o hueco bajo vaclo hacia un blanco. El espacio de separation es preferiblemente de dimensiones que limitan las descargas espontaneas de la punta emisoras y favorece un haz uniforme de electrones durante el calentamiento o el enfriamiento del cristal. Tambien se pueden optimizar la presion y la composition de los gases residuales dentro del espacio de separacion para maximizar el potencial de aceleracion y para minimizar las apariciones de descargas espontaneas.

La presion en el espacio de separacion se mantiene preferiblemente en el intervalo del UHV mejor que 10-6 Torr (1 Torr es igual a 133 Pa).

En otra forma de realizacion, la presion del espacio de separacion se mantiene dentro del intervalo de aproximadamente 0,5 mTorr a 100 mTorr. En una forma de realizacion, se elimina el aire de la camara del espacio de separacion que rodea el cristal y entre los emisores y el blanco y es reemplazado por uno o mas gases de balasto de manera que los gases residuales dentro de la camara son de composicion esencialmente uniforme. Los gases de balasto diluidos se pueden seleccionar en base a un numero de factores tales como potencial de primera ionization, afinidad electronica o reactividad con los materiales componentes. Las presiones optimas tienden a disminuir con el aumento del espesor de cristal y del area de superficie.

La forma de realizacion preferida de la invention es una matriz plana modular que es independiente y facilmente transportable. Una forma de realizacion ilustrativa del dispositivo incluye un alojamiento, un suministro de baterlas, controlador, actuador a distancia, sensores y un panel generador de rayos X. La configuration de panel preferida es una matriz modular de modulos que se pueden colocar en un soporte rlgido o en un sustrato de soporte flexible. Los modulos tienen preferiblemente un cristal piroelectrico generalmente plano de tamano adecuado colocado sobre una capa de control de temperatura, tal como un calentador de resistencia o una union Peltier que este controlada por un controlador y pueda tener sensores de temperatura opcionales acoplados al controlador para vigilar la temperatura del cristal y la salida de rayos X.

La superficie del cristal opuesta a la capa de control de temperatura esta recubierta con una capa metalica en la que se ha eliminado las zonas sobre cada uno de los emisores de campo. La capa metalica iguala la carga de superficie sobre el cristal y proporciona una fuente de electrones libres (no unidos).

Se dispone una capa de blanco sobre la capa metalica y se hace el vaclo creando una camara cerrada sobre cada uno de los emisores de campo fresados en el panel. Las camaras se sellan preferiblemente de modo que el vaclo se mantiene en las camaras con multiples ciclos de calentamiento y enfriamiento del cristal.

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Se pueden aplicar un colimador y filtro opcionales a la parte superior de la capa de blanco para filtrar y recoger los rayos X que se producen desde el blanco.

En otra forma de realizacion, se usa un segundo cristal como un anodo que tiene el efecto de casi duplicar el campo en el espacio de separation y crear una production de rayos X de energla mas alta. En la configuration de doble cristal, la superficie negativa de un cristal proporciona un catodo y el lado positivo del segundo cristal como un anodo, dando como resultado que la energla de los campos, los electrones y los rayos X casi se duplique.

La presente invention no se limita a los ejemplos anteriores, sino que se puede mejorar mediante la variation de las dimensiones y caracterlsticas de los diversos componentes. Por ejemplo, la respuesta de un cristal se optimiza preferiblemente mediante el control del tamano, la pureza, la conductividad, el coeficiente dielectrico, la composition qulmica, el montaje, y la rugosidad del cristal. La geometrla de los componentes del panel se elige preferiblemente para maximizar el campo electrico, la energla de emision de electrones, la minimization de descargas o cualquier otro parametro deseable.

Ademas, todas las formas de cristales piezoelectricos son tambien apropiadas, creando formas de realizacion que incluyen cristales donde se pueden utilizar el estres y tension mecanica, en lugar de la temperatura, para crear campos y haces de electrones para la produccion de rayos X. Tambien se pueden utilizar cristales laminados o estratificados. Por ejemplo, el cristal comprende una estructura de capas que tiene una primera section (inferior) como un generador de campo y una segunda seccion (superior) como emisor.

Por ultimo, la election de los parametros de diseno para todo el sistema tiene en cuenta las muchas diferentes variables. Los parametros incluyen, pero no se limitan a, la intensidad y la dependencia espacial del campo electrico, la localization del campo electrico, la corriente de electrones emitidos, y la energla y la cantidad de rayos X generados por el cristal con varios montajes, puntas y estlmulos.

Formas de realizacion del aparato anterior pueden proporcionar una fuente de rayos x o de electrones que sea portatil, facil de usar y que no requiera una fuente de potencia externa grande para funcionar.

Formas de realizacion del aparato anterior pueden proporcionar una fuente de electrones o de rayos X que este centrada en un cristal piezoelectrico o piroelectrico que tenga una pluralidad de emisores de electrones formados en el cristal con puntas o crestas afiladas que produzcan haces paralelos de electrones o de rayos X.

En formas de realizacion del aparato anterior el cristal piroelectrico o piezoelectrico puede tener una o mas capas de un metal conductor que iguala la carga de superficie sobre el cristal y proporciona una fuente de electrones libres.

Formas de realizacion del aparato anterior pueden proporcionar un mecanismo para el control de la emision piroelectrica desde un cristal.

Formas de realizacion del aparato anterior pueden proporcionar una matriz modular direccionable de fuentes de rayos X sobre un soporte rlgido o flexible que se puede producir utilizando procedimientos de fundicion.

Otros aspectos de la invencion saldran a relucir en las siguientes partes de la memoria, en donde la description detallada es con el proposito de describir completamente formas de realizacion preferidas de la invencion sin poner limitaciones a la misma.

BREVE DESCRIPCION DE LAS DIVERSAS VISTAS DE LOS DIBUJOS

La invencion se entendera mejor por referencia a los siguientes dibujos, que son solo para fines ilustrativos:

La FIGURA 1 es una vista en perspectiva despiezada de una forma de realizacion de un modulo en el que se representa un unico emisor de campo formado en el centro de un cristal piroelectrico.

La FIGURA 2 es una vista lateral esquematica en seccion transversal de un modulo como el mostrado en la FIGURA 1 con una capa superior colimadora.

La FIGURA 3 es una vista lateral esquematica en seccion transversal de una forma de realizacion alternativa de un modulo como el mostrado en la FIGURA 1.

La FIGURA 4 es una vista lateral esquematica en seccion transversal de una segunda forma de realizacion alternativa de un modulo como el mostrado en la FIGURA 1 con el emisor de cuna formado en la capa de metal en la superficie del cristal.

La FIGURA 5 es una vista lateral detallada de un emisor de campo, secciones de espacio de separacion y de blanco que pueden incluirse en el modulo de la FIGURA 1.

La FIGURA 6 son vistas esquematicas en seccion transversal de configuraciones alternativas de puntas emisoras de campo que se pueden incluir en el modulo de la FIGURA 1.

La FIGURA 7 es una imagen de microscopio electronico de exploration de una forma de realizacion de un emisor con una camara circular y punta conica con un revestimiento de oro sobre el cristal.

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La FIGURA 8 es una imagen de microscopio electronico de exploracion de una segunda forma de realizacion de un emisor con canales paralelos que forman un emisor en forma de cuna y un revestimiento de oro sobre la superficie del cristal.

La FIGURA 9 es una vista frontal de una forma de realizacion de una matriz de modulos.

La FIGURA 10 es una vista en perspectiva de la forma de realizacion de la matriz de la FIGURA 9 con un formador de imagenes y un actuador a distancia.

DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION

Haciendo referencia mas especlficamente a los dibujos, con fines ilustrativos, la presente invencion esta incorporada en el aparato que se muestra de forma general en las FIGURA 1 a FIGURA 10 y los metodos asociados que se utilizan para crear y optimizar el aparato. Se apreciara que los dispositivos y sistemas pueden variar en cuanto a configuracion y en cuanto a los detalles de las partes, y que el metodo puede variar en cuanto a las etapas especlficas y secuencia, sin apartarse de los conceptos basicos tal como se definen en las reivindicaciones.

Las formas de realizacion segun la presente invencion pueden proporcionar un aparato autonomo, facilmente transportable, para la produccion de electrones o de rayos X para su uso en una variedad de aplicaciones medicas o industriales. Los rayos X o electrones se producen preferiblemente mediante uno o mas modulos compactos "de panel plano". Cada modulo emisor de campo produce un flujo continuo de electrones cuando se realiza un ciclo con su temperatura. Los electrones emitidos irradian un punto de tamano micrometrico sobre un blanco de radiacion de frenado adyacente, produciendo de esta manera un flujo de rayos X. Se pueden montar uno o mas modulos en una matriz y activarse de forma individual mediante un controlador. La matriz resultante de fuentes de rayos X se puede configurar en diversas disposiciones posibles, incluyendo un unico punto de fuente, una llnea que podrla ser barrida a traves de la region de la que se forma imagen, o una matriz de 2D.

Aunque el modulo incluye una pluralidad de emisores de campo dispuestos en un patron en la superficie de un cristal, por simplicidad se representa un aparato con un unico emisor para ilustrar esta forma de realizacion.

Volviendo ahora a las Figura 1 y Figura 2, se muestra esquematicamente un modulo 10 con un cristal piroelectrico y un unico emisor de electrones de campo mejorado. En esta forma de realizacion, un cristal piroelectrico 14 esta colocado sobre un dispositivo de control de temperatura 12 que es preferiblemente capaz de calentar o enfriar el cristal con el tiempo a velocidades seleccionadas. Por ejemplo, la temperatura puede ser controlada por una union Peltier, calentador de pellcula resistiva, refrigerador o aparato similar de control de temperatura colocado en la cara posterior (montado en sustrato) del cristal 14, con contactos de control de temperatura que forman el unico control externo necesario para el dispositivo. En una forma de realizacion, el dispositivo de control de la temperatura 12 incluye un sensor de temperatura que vigila la temperatura del cristal o el dispositivo de control de temperatura y esas temperaturas son controladas por un controlador.

Como se ve en la FIGURA 2, la superficie inferior 26 del dispositivo de control de temperatura 12 puede estar montada sobre un sustrato de soporte plano. Se pueden montar uno o mas modulos en el soporte para proporcionar un panel de modulos independientemente controlables de cualquier tamano deseado. En una forma de realizacion adicional, tambien se podrla incrustar una matriz de modulos emisores 10 en una membrana flexible (tal como un pollmero) en lugar de colocarla sobre un soporte rlgido. Dicha matriz flexible podrla doblarse o enrollarse para su transporte o almacenamiento, y luego desdoblarse y ser colocada sobre el paciente para su uso.

El cristal 14 que se utiliza en esta forma de realizacion puede ser cualquier cristal piroelectrico que produzca un campo electrico con un cambio en la temperatura. Ejemplos tlpicos de cristales piroelectricos 14 que pueden utilizarse con el modulo emisor 10 son el niobato de litio (LiNbOa), tantalato de litio (LiTaOa), titanato de bario (BaTiOa) o sulfato de triglicina (TGS). Todos estos emiten electrones desde la cara Z positiva durante el calentamiento.

Por ejemplo, se puede cortar un cristal tlpico y montarlo sobre un substrato de tal forma que la cara correcta este expuesta. Pero tambien es posible utilizar un cristal grueso cortado a lo largo del plano Z, sin un sustrato. En otro posible metodo de construccion, se puede utilizar un compuesto que comprenda dos capas, cada capa de un diferente material piroelectrico. En este caso, el material inferior proporcionarla el campo electrico de aceleracion, mientras que el superior sirve como un deposito de carga y contiene emisores de campo.

Cristales piroelectricos tales como de niobato de litio son muy buenos aislantes electricos y, por lo mismo, malos conductores del calor. En la configuracion descrita en las FIGURA 1 a FIGURA 5, se utiliza un calentador o un controlador de la temperatura en la cara (sustrato) posterior 26 del cristal 14 para subir o bajar la temperatura en la cara superior (emisora) del cristal 14. Para un rendimiento optimo, se debe mantener el espesor del cristal pequeno, con el fin de permitir la conduccion de calor en un tiempo razonable. El valor mas pequeno compatible con un gradiente de campo razonable (que aumenta con el espesor del cristal hasta un cierto llmite) es del orden de aproximadamente un millmetro.

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Aunque se ilustra un cristal piroelectrico 14, se comprendera que se puede adaptar un cristal piezoelectrico y medios para activar el cristal para utilizarlo en lugar de un cristal piroelectrico para generar los electrones y los campos necesarios. Tambien se pueden usar cristales piroelectricos laminados.

Una posible ventaja para usar de un dispositivo de base piezoelectrica es que se puede excitar por medios acusticos, incluidos los transductores, as! como actuadores mecanicos. Ademas, puede ser posible inducir la polarizacion espontanea piezoelectrica utilizando una onda de choque producida a traves de un impulso de laser. Ademas de un metodo de produccion posiblemente mas practico, el enfoque piezoelectrico podrla permitir el control de escala de tiempo mas rapido. Sin embargo, una potencial desventaja frente a la piroelectricidad es la tension repetida inducida sobre el cristal, que eventualmente puede conducir a grietas o fractura del material de cristal.

La superficie de la cara de emision del cristal 14 esta cubierta con una pellcula conductora 18, tlpicamente una capa metalica delgada de oro o platino. El espesor de esta pellcula es suficiente para proporcionar una capa de conduccion robusta y esta preferiblemente entre 50 nm y 300 nm. La pellcula se puede depositar a traves de evaporacion o pulverization catodica, seguida de pulido; se puede utilizar una capa de "humectacion" (por ejemplo, 5 nm de cromo o de titanio) para dar una buena adherencia entre el cristal 14 y la pellcula o capa de metal 18. En otra forma de realization, los emisores estan en la capa metalica como se ve en la FIGURA 4.

A medida que la carga superficial piroelectrica no compensada en la region cercana a la punta emisora del emisor 16 se agota a traves de la emision de electrones, la carga adicional producida en las regiones mas distantes de la superficie de emision sera conducida a traves de la capa metalica 18 y contribuira a la emision. La capa metalica 18, por tanto, actua como un medio para conducir la carga superficial.

En todos los casos, el mecanismo de funcionamiento sigue siendo el mismo. Cuando se realiza un ciclo lento en la temperatura del cristal (se calienta y enfrla de forma alternativa en una escala de tiempo de varios minutos o se aplica tension mecanica durante un tiempo), se produce la polarizacion de carga espontanea en el cristal 14, haciendo que aparezca un campo electrico perpendicular en sus caras superior e inferior. En la superficie expuesta del cristal, el campo se puede aumentar mediante los picos o crestas afilados de emisores de campo 16 producidos por micromecanizado, que conduce a la emision de campo de electrones desde ese lugar. Los electrones de superficie producidos en otros lugares de la cara del cristal se pueden conducir a traves de la pellcula metalica hasta la region emisora, proporcionando con ello un suministro casi continuo de carga para la emision de campo.

Los emisores 16 de electrones de campo se forman preferiblemente en la superficie del cristal 14 despues de la aplicacion de la capa de metal conductor 18 a la superficie del cristal 14. Hay una serie de posibles metodos para agregar a la estructura rasgos de punta afilada que serviran como un emisor de campo. En una forma de realizacion, se retira una portion de escala micrometrica de la superficie metalica 18 de la cara de cristal 14 utilizando tecnicas de micromecanizado, tales como fresado por haz de iones enfocado. A pesar de que solo se requieren niveles intermedios de aumento de campo, es deseable fabricar las puntas con parametros compatibles. Por lo tanto, se prefieren las tecnicas de modelado litografico y ataque qulmico al fresado con iones y tecnologlas relacionadas para producir una punta cillndrica conica en algunas formas de realizacion. En otra forma de realizacion, como se muestra en la FIGURA 4, las puntas emisoras estan formadas dentro de la capa metalica 18 por encima del cristal 14.

Como el campo de superficie cerca de una punta aumenta fuertemente al disminuir el radio de la punta, es ventajoso fabricar puntas que sean puntiagudas. Se prefiere que la fabrication de una punta unica puntiaguda y cillndricamente simetrica mediante fresado de una canaleta dentro del material de cristal, producira radios de punta del orden de aproximadamente 1 pm o menos.

Alternativamente, fresar dos o mas zanjas paralelas separadas unas pocas micras puede crear una larga cresta afilada entre las dos zanjas que es mucho mas puntiaguda que la punta cillndrica y conduce a una emision mejorada mayor y mas fiable. La longitud de las zanjas generalmente paralelas es de entre unas 5 pm y 35 pm. Aunque se prefiere este intervalo, se pueden utilizar otras longitudes.

A modo de ejemplo adicional, en la FIGURA 6 algunos se muestran perfiles de superficie en section transversal tlpicos de formas de realizacion ilustrativas de puntas emisoras piramidal o en cuna. Los perfiles tienen generalmente una relation de aspecto de altura a anchura mayor que 1; son generalmente de forma piramidal o en forma de cuna; y tienen paredes laterales con angulos de 45 grados o mas. En la FIGURA 7 y la FlGURA 8. se muestran imagenes de microscopio electronico de exploration (SEM) de dos configuraciones de emisores individuales.

Existen otros metodos para retirar el metal y crear un emisor que se pueden utilizar ademas del fresado con iones. En un metodo, se traza un patron en el metal usando un material fotorresistivo, que luego es tratado con luz (litografla) y atacado qulmicamente para crear una region emisora de bordes afilados. Tambien se puede adjuntar puntos o puntas emisoras (por ejemplo, una region que contiene muchos nanotubos de carbono) a una region de

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tamano micrometrico de la superficie cubierta de metal. Tambien existen tecnologlas de fabricacion adicionales que puede aplicar un experto en la materia para fabricar los patrones de emisor.

En la FIGURA 3 se muestra una forma de realization alternativa 30 de la parte emisora del panel. Despues de formar la estructura emisora mediante la exposition y la excavation del cristal 14 a traves de la capa de metal 18, se aplica una segunda capa de metal 32. La segunda capa de metal 32 esta preferiblemente aplicada de manera uniforme sobre la primera capa de metal 18 y la estructura emisora excavada expuesta. En otra forma de realizacion, se excluye la capa de metal 18 y se aplica solo una unica capa de metal sobre el cristal desnudo y las estructuras emisoras excavadas.

La segunda capa de metal 32 puede estar compuesta del mismo metal que la primera capa de metal 18 o puede estar compuesta de un material diferente. El espesor de la segunda capa 32 oscila preferiblemente desde aproximadamente 50 nm a aproximadamente 300 nm.

En la forma de realizacion 40 mostrada en la FIGURA 4, el cristal 14 esta recubierto con la capa de metal conductor 18, pero el emisor no es directamente parte del cristal; mas bien, el emisor esta formado en la superficie de la capa de metal 18. Las estructuras emisoras 42 tienen preferiblemente picos o crestas afilados que son generalmente piramidales o en forma de cuna y tienen una relation de aspecto de altura a anchura mayor que uno y tienen paredes laterales con angulos de 45 grados o mas. En esta forma de realizacion, el espacio de separation 28 esta determinado por la distancia desde la punta del emisor 42 al blanco 20 y se pueden utilizar espaciadores para mantener la position y sellar el espacio de separacion 28.

Los paneles que se muestran en las FIGURA 2 a FIGURA 4 se puede colocar sobre un soporte rlgido o flexible 44 para formar una matriz. La matriz se puede colocar en un alojamiento, como se muestra, por ejemplo, en las FIGURA 9 y FIGURA 10.

Aunque en las FIGURA 1 a FIGURA 4 se muestra un unico emisor por simplicidad, se comprendera que muchos emisores de campo estan formados tlpicamente dentro de la superficie del cristal en redes o agrupaciones u otros patrones. El numero de emisores formados en el cristal o en la capa de metal se puede optimizar para una aplicacion o sistema particular.

En referencia tambien a la FIGURA 5, los electrones emitidos desde la punta 46 del emisor 16 en la superficie de cristal 14 son acelerados en el campo 48 hacia un blanco 20 que convierte el impulso de electrones en rayos X a traves de la radiation de frenado. El blanco 20 es preferiblemente una oblea o lamina de metal generalmente delgada hecha de materiales tales como tungsteno, cobre y molibdeno. Tambien se pueden utilizar combinaciones de estos materiales para particularizar el espectro de emision. El material especlfico del blanco 20 no altera la funcionalidad general del dispositivo.

La geometrla del blanco 20 tambien se puede alterar. En la forma de realizacion preferida, el haz de electrones emitido es perpendicular (normal) a la superficie del blanco y la conversion se produce a traves de la transmision (es decir, los rayos X se recogen en el lado opuesto del blanco desde la ubicacion del haz de electrones). En otra forma de realizacion, el blanco 20 puede estar orientado en angulo con la trayectoria de los electrones, tlpicamente de aproximadamente 45 grados, y los rayos X se recogen en reflexion (es decir, los rayos X se recogen en el mismo lado del blanco que el punto de impacto del haz de electrones).

El espesor del blanco 20 se selecciona preferiblemente para producir la mas alta eficiencia de conversion basada en la energla nominal de los electrones. Puesto que la energla los de electrones dependera en parte de las caracterlsticas del material de cristal seleccionado, sus espesor y geometrla, se deben elegir el espesor y el material del blanco para coincidir con las caracterlsticas de mision del cristal 14. En principio hay disponibles formulas anallticas y simulaciones en el campo para calcular el espesor optimo de un blanco. En la practica, a menudo se seleccionan las caracterlsticas del blanco en funcion de la experiencia pasada y mediciones de laboratorio. Por ejemplo, a menudo se emplea un blanco de tungsteno de 10 micras de espesor en energlas de interes aqul (20-100 KV).

Otra consideration es la distancia 50 entre el emisor y el blanco. La distancia 50 que se requiere dentro del espacio de separacion 28 se selecciona preferiblemente de modo que no se produzca ruptura entre el campo generado en el cristal y el plano de tierra del blanco. En la practica, esta distancia de separacion 50 dependera de los campos de superficie, el entorno en la separacion 28, y la lisura de la superficie del blanco 20. Para un espacio de separacion en condiciones de vaclo y campos superficiales de hasta 50 KV, se puede requerir una distancia de separacion de hasta 1 mm o mas. Las dimensiones de la separacion 28 y la distancia de la separacion 50 entre la punta del emisor 46 y el blanco 20 se pueden ajustar con paredes laterales (no mostradas) o selladores adhesivos para encerrar el espacio de separacion 28 y formar una distancia de separacion 50 apropiada entre el emisor 46 y el blanco 20.

En el caso de un cristal delgado 14 separado una distancia apreciable del blanco 20 de anodo, el campo generado es proporcional al producto del espesor 52 del cristal y al gradiente de temperatura. Puesto que estos materiales son

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tlpicamente malos conductores termicos, el espesor del cristal 14 juega un papel importante en el gradiente de temperatura alcanzable a lo largo de una escala de tiempo relevante.

Los modelos simples de generacion de campo que utilizan parametros medidos conocidos en el estado de la tecnica son capaces de adaptarse a las condiciones observadas. Como ejemplo, se sabe que en una geometrla plana ideal, el campo generado en un cristal de espesor dcr y separado de un anodo por una distancia de separacion dg, se puede expresar como

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donde 5T es el gradiente de temperatura desde la parte inferior a la parte superior del cristal, y £cr (£0) es la constante dielectrica del cristal (espacio libre). El coeficiente piroelectrico y se puede obtener emplricamente.

Una configuration tlpica de^_ emisor piroelectrico utilizando niobato de litio, por ejemplo, tiene un coeficiente piroelectrico y de -8.3 x 10 C/°C/m , un espesor de cristal dcr de aproximadamente 1 mm; una distancia de separacion dg de cristal a anodo de aproximadamente 1 mm; un gradiente de temperatura desde la parte inferior a la parte superior del cristal 5T de 10° C y la constante dielectrica relativa £cr /£o de alrededor de 31. El campo generado (utilizando la ecuacion anterior) es aproximadamente 30 kV. Una distancia de separacion 50 mayor o un gradiente de temperatura mayor producirlan un campo superior.

El ciclo de temperatura del cristal 14 con el dispositivo de control de la temperatura 12 tambien se puede optimizar con la configuracion del modulo seleccionado. La velocidad de aumento de la temperatura y el enfriamiento se pueden monitorizar y controlar para proporcionar un haz uniforme continuo de electrones emitidos desde el cabezal emisor con energla maximizada. En una forma de realization, por ejemplo, se utilizan ciclos de temperatura entre 5° C y 30° C por encima de la temperatura ambiente con un gradiente de 4° C aproximadamente a 6° C por minuto. Las emisiones de electrones pueden tener lugar durante el calentamiento o el enfriamiento del cristal 14, dependiendo de la orientation del plano del cristal. Las velocidades de cambio de temperatura en el cristal 14 se pueden correlacionar con el numero y el diseno de los emisores 16 y las caracterlsticas de los rayos X resultantes.

El espacio de separacion 50 esta preferiblemente bajo vaclo y sellado de modo que se mantiene una atmosfera de baja presion o de vaclo dentro del panel. La presion dentro del espacio de separacion 28 se mantiene preferiblemente dentro de la gama de UHV mejor que 10-6 Torr. Aunque se prefiere este intervalo de presiones, se puede utilizar cualquier presion que no enmascare sustancialmente los efectos piroelectricos o piezoelectricos.

En algunas configuraciones se pueden emplear gases tales como hexafluoruro de azufre (SF6), un medio de extincion de arco para limitar las descargas disruptivas, o simplemente nitrogeno seco en lugar del vaclo o pueden utilizarse como un gas de balasto que reemplaza el aire residual, en una forma de realizacion. Los gases de balasto se diluyen preferiblemente para mantener una atmosfera de baja presion, con poco oxlgeno, dentro del espacio de separacion 28 y el panel.

Haciendo referencia de nuevo a las FIGURA 2 a FIGURA 4, se pueden usar opcionalmente filtros espaciales y espectrales con la capa 20 del blanco de la fuente de rayos X. En la forma de realizacion mostrada, el filtro espectral 22 esta aplicado directamente a la capa de blanco 20 y puede estar compuesto de una pluralidad de capas delgadas de metales. Esta pila de capas que forman el filtro 22 ayuda a conformar el espectro de rayos X para reducir la presencia de los rayos X de baja energla, por ejemplo. Aluminio, cobre y berilio son materiales de filtro comunes. Tambien se pueden utilizar capas secundarias de metales de numero atomico alto, tales como el tantalo o el hierro. En la practica, los filtros espectrales 22 se seleccionan en base al uso final.

Tambien se puede utilizar un filtro espacial 22 para aplanar el perfil de flujo de toda la matriz. El filtro espacial 22 puede compensar tanto la variation a traves de un emisor como a traves de una matriz de modulos emisores. La variation espacial a traves de cada emisor se debe a la distribucion inherente de electrones emitidos por una geometrla especlfica de punta emisora envuelta con la emision del blanco. Las desviaciones o imperfecciones de fabrication pueden causar variaciones en los diferentes emisores. En la practica, el filtro espacial 22 serla un material con diseno micrometrico con una atenuacion suficiente en los rayos X. Diversos materiales de alto numero atomico serlan adecuados. En todos los casos, los filtros 22 mejoran la funcionalidad del dispositivo, pero no alteran fundamentalmente el funcionamiento.

La colimacion de fuentes de rayos X permite que un mayor porcentaje de fotones (el flujo) sea dirigido hacia la zona prevista. En fuentes convencionales de rayos X de fuente puntual (tales como tubos), la colimacion puede servir para aumentar el flujo utilizable, y tambien sirve a menudo como un filtro espacial. En una fuente de panel plano de

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acuerdo con la invencion, o cualquier gran matriz de emisores, la colimacion sirve adicionalmente para asegurar la emision paralela de los rayos X utilizables. Para una fuente de punto, es deseable un haz de forma de "cono". Sin embargo, en una fuente de matriz extendida, los rayos X deben ser colimados en "rayos" paralelos.

Hay una variedad de enfoques que se pueden utilizar para la colimacion de los rayos X producidos. En general, se pueden considerar dos tipos de colimadores 24 opcionales. El primer tipo de colimador 24 es el uso de la optica sin imagenologla que dirige los rayos X a traves de una serie de reflexiones a lo largo de una estructura en forma de tubo. En una forma de realization, un tubo metalico puede servir como un colimador 24 sin imagenologla. Tambien se pueden utilizar formas mas eficientes, tales como el cono de Winston, para mejorar la eficiencia de colimacion.

La segunda categorla de colimador 24 es la optica de refraction o de formation de imagen, tales como lentes. Se pueden crear lentes de rayos X configuradas en matrices de lentes, a menudo llamadas lentillas, con diversos metales bajo numero atomico, tales como litio, berilio y aluminio. Para cada categorla de colimador 24, se consigue la maxima eficiencia cuando cada elemento de colimacion esta alineado con cada emisor en la matriz.

La mejora de campo de los modulos del dispositivo esta influenciada, en parte, por el diseno del emisor de campo 16 y la configuration de la pluralidad de las puntas emisoras 46. En la FIGURA 6 se muestran diversas configuraciones posibles de emisor 16 en section transversal. En la FIGURA 7 se muestra una micrografla SEM de una forma de realizacion de una punta emisora 46 cillndrica que se estrecha conicamente y en la FIGURA8 se muestra una micrografla de una forma de realizacion de una configuracion de punta emisora en forma de cuna.

Las dimensiones de la punta emisora se pueden optimizar para producir un haz de electrones preferiblemente continuo hacia el blanco 20. Por ejemplo, el nivel de mejora de campo para un emisor 46 largo y estrecho es inversamente proporcional al radio de la punta, y proporcional a la longitud del elemento emisor. El campo creado por un emisor en forma de aguja puede ser determinado por la siguiente ecuacion:

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donde Eo es el campo aplicado, a es la longitud del emisor, b es el diametro en la base del emisor, y

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es un parametro geometrico conveniente. El radio de la punta estarla dado por la expresion: ^ * .

El nivel de mejora de campo requerido es una funcion del material de la punta y del campo aplicado. Para los casos de interes aqul, con campos en el intervalo de 10 a 100 kV sobre espacios de separation de mm-cm, las mejoras de campo estan en el intervalo de 100 a 1.000, suponiendo puntas metalicas. Cabe senalar que estos niveles requeridos de mejora de campo son bastante modestos, especialmente en comparacion con los niveles de TV de plasma y de nanotubos de carbono.

Las puntas 46 del cuerpo emisor cillndrico o piramidal o el borde delantero de la cuna formada por zanjas paralelas, se pueden recubrir con un material que limite la erosion del borde delgado o punta durante el uso, y que no interfiera con la emision de electrones durante su uso. En una forma de realizacion mostrada en la FIGURA 6, la punta 46 tiene una o mas proyecciones de metal, que sirven como punto de emision, para aumentar el campo. En otra forma de realizacion, la punta 46 del emisor esta por encima del nivel de la superficie plana del cristal y la capa de metal 18. Los disenos de emisores de la FIGURA 6 se pueden asociar con tipos de cristal, gradientes de temperatura, dimensiones de los componentes, energlas de electrones producidos y similares, para optimizar un modulo o una matriz de modulos para fines especlficos.

Se vera que los modulos mostrados en las FIGURA 1 a FIGURA 4 se pueden construir sobre "placas" desechables de baja tension que sean independientes y se puedan organizar en una matriz direccionable. Los modulos pueden generar rayos X de diagnostico sin la necesidad de tubos de vaclo fragiles y voluminosos, electronica de potencia cara y materiales radiactivos.

Los rayos X paralelos se pueden generar de manera uniforme a traves un panel plano con una pequena huella, que sea ligero y portatil y alimentado por baterla. Los sistemas basados en una emision paralela plana (no disponible a partir de los actuales sistemas de rayos X comerciales) se pueden desplegar en lugares distantes y aplicarse en

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circunstancias en que las imageries de rayos X no estan disponibles para su uso. Ademas, el uso de una matriz direccionable crea la oportunidad de ser selectivo en las zonas en que las que se aplican los rayos X a un paciente.

Tambien se pueden idear sistemas que proporcionen plataformas de imagenologla que sean mas pequenas, mas ligeras y menos caras de operar que las usadas convencionalmente en el estado de la tecnica. Por ejemplo, el dispositivo podrla utilizarse en una Unidad de Cuidados Intensivos (UCI) o en una Sala de Emergencias (ER) ahorrando al paciente un viaje innecesario a la sala de radiologla, y quizas tambien en el punto de la lesion para confirmar la intubacion o si el pulmon del paciente ha colapsado.

Con referencia ahora a las FIGURA 9 y FIGURA 10, se muestra una forma de realizacion general de un sistema de imagenologla 60. En esta ilustracion, los modulos estan organizados en una matriz de panel plano rlgido 62 en un alojamiento duradero apantallado 64 que contiene una unidad de control 66 con sensores de temperatura y de rayos X, y un sistema de posicionamiento 72.

El panel 62 de modulos integrados proporciona una matriz direccionable de fuentes que producen rayos X paralelos desde la cara del dispositivo y controlados por un controlador preferiblemente programable 66.

Durante su uso, la matriz 60 se puede colocar debajo o encima de una zona de un paciente de la que se necesita formar una imagen. Un generador de imagenes 74 se coloca enfrente de la matriz 60. El generador de imagenes 74 puede ser un generador de imagenes digital o puede contener una pellcula de rayos X convencional. El sujeto se situa dentro del espacio 76 entre la matriz 60 y el generador de imagenes 74. En la forma de realizacion mostrada, un sistema de posicionamiento 72 indica la alineacion apropiada de la matriz 60 y el generador de imagenes 74.

Un actuador a distancia 68 con disparador 70 envla una senal 78 al controlador 66 para iniciar las emisiones de rayos X para obtener imagenes. En la forma de realizacion mostrada en la FIGURA 9 y la Figura 10, el actuador a distancia 68 tambien se une de manera reversible al alojamiento 64 y sirve como asa para el transporte de la matriz 60.

El tamano compacto (menos de 1 pie cubico o 0.0283 m cubicos) y el peso (menos de 10 kg) del sistema de imagenologla lleva a aplicaciones que requieren facilidad de transporte, flexibilidad, velocidad y/o bajo costo. El tamano funcional total y el peso del sistema de imagenologla 60 puede ser un orden de magnitud mas pequeno que cualquier dispositivo de rayos X de alta energla comparable. Si esta montado en un alojamiento reforzado 64, el generador de imagenes 60 puede transportarse facilmente como parte de un paquete medico. No se necesita tension alta externa, lo que hace posible la operacion de campo con alimentacion por baterla.

El dispositivo de matriz 60 se puede adaptar para su uso con una variedad de aplicaciones comerciales. Estas aplicaciones incluyen, pero no se limitan a, unidades de campo para operaciones militares y atencion medica basica en regiones distantes o subdesarrolladas, y emergencias. Existen muchas configuraciones posibles, incluyendo un dispositivo desechable de generation de imagenes de rayos X utilizando pellcula de tipo Polaroid, o un dispositivo del tamano de un palmo de mano usando una camara digital. Un dispositivo medico basado en una de las variantes del dispositivo podrla permitir a los servicios de emergencias producir radiograflas de rayos X, incluyendo dispositivos digitales habilitados para la telemedicina.

El metodo de uso tambien dependerla de la configuration de la fuente (punto, llnea, o panel plano). Una fuente puntual es la mas compacta, y tiene la densidad de energla mas alta. Una fuente barra o llnea podrla "rodar" sobre el area a explorar, mientras que una matriz (panel plano) permitirla una iluminacion igual del area de la lesion, dando proyecciones plano-paralelas verdaderas para facilitar la localization de lesiones o metralla. Las matrices de panel plano tambien pueden ser direccionables (con plxeles activados selectivamente), y una unidad de control podrla realizar una forma de reconstruction tomografica en 2D escaneando a traves de cada pixel y obteniendo una imagen completa de cada punto de fuente.

La invention se puede entender mejor con referencia a los ejemplos adjuntos, que se proporcionan con fines de ilustracion solamente y no deben ser interpretados en el sentido de limitar el alcance de la presente invencion como tal como se define en las reivindicaciones adjuntas a la presente memoria.

Ejemplo 1

Con el fin de demostrar la funcionalidad del aparato, se produjeron y evaluaron cristales piroelectricos con una variedad de configuraciones de punta emisora de campo de acuerdo con la invencion. Los resultados experimentales anteriores en la emision piroelectrica de electrones desde cristales de niobato de litio (LiNbC3) han demostrado que tanto las caracteristicas cualitativas como cuantitativas de la emision dependen en gran medida de la geometria detallada del experimento, incluyendo la camara de vacio, la configuracion de anodo, y forma y tamano del cristal. Dependiendo de la presion del gas ambiente, la velocidad de cambio de temperatura, y la distancia del anodo, se pueden producir corrientes a traves de emision de campo, formation de plasma superficial, o ionization del gas; se ha informado de corrientes de picoamperios a nanoamperios, en escalas de tiempo de unos pocos

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minutos a unas pocas horas. Por lo tanto, los cristales de niobato de litio (LiNbO3) son un buen ejemplo de un aparato para la produccion de rayos X de acuerdo con la invencion.

Se realizo una primera serie de pruebas experimentales utilizando una oblea de 1 cm x 1 cm de LiNbO3, de 500 pm de espesor. La oblea fue se corto de forma transversal, con las caras Z a lo largo de los bordes estrechos. Uno de los bordes estrechos se revistio con una capa de oro, que despues se elimino mediante fresado (usando una maquina de haz de iones enfocado) a lo largo una de tira estrecha (10 pm x 100 pm) en el centro, exponiendo el cristal y, opcionalmente, creando de una o mas puntas afiladas. Las caracterlsticas de agudeza de la superficie no se pudieron medir directamente, pero se cree que estaban muy por debajo de un radio de curvatura de 1 pm. A continuacion, se coloco la oblea en un banco de pruebas en el que los electrones emitidos formaron imagen en una pantalla de centelleo mientras que se controlaba la temperatura de la oblea desde el lado usando un elemento Peltier adyacente al cristal, mientras se media la temperatura en el lado opuesto del cristal. Se mantuvo una presion

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de vaclo de aproximadamente 1,0 x 10 Torr durante cada uno de los ciclos de ensayo.

Se utilizaron varios metodos diferentes para la deposicion del oro sobre la superficie superior de los cristales, incluyendo pulverizacion catodica y evaporation, con espesores que varlan desde 20 - 30 nm a 175 nm.

Se ensayaron una variedad de configuraciones de punta (tal como las geometrlas de section transversal "plana" y "puntiaguda" de la FIGURA 6), con velocidades mas o menos apropiadas de cambio de temperatura, seguido por un procesamiento posterior fotograma a fotograma de las imagenes de video resultantes. Se hizo la conjetura de que la emision de corriente se limitaria a la region fresada pero aumentada por la presencia de la capa de oro, lo que podria permitir migrar a los electrones de la superficie.

Se observo con exito una emision de electrones desde tres cristales delgados durante el calentamiento o enfriamiento, con resultados que dependian claramente de la geometria de las punta emisoras. En estos ensayos, se vario la temperatura entre 5 ° C y 35 ° C por encima de la temperatura ambiente, y se cambio a una velocidad de 4-6 °C/min. La emision desde las configuraciones de punta produjo una corriente constante lentamente decreciente combinada con varios "flashes" (eventos de descarga fuera de control) durante el enfriamiento. Dos secciones transversales de punta diferentes produjeron emisiones. Una punta estaba formada como una pared delgada en forma de cuna entre dos canales fresados en la superficie del cristal. En una segunda punta, que tiene una pared en forma de cuna similar entre los dos canales, se formo un borde de metal sobre la superficie biselada superior de la pared. En ambos casos, existian crestas afiladas en una gran parte del emisor.

A modo de comparacion, se fabrico un emisor que tenia una region central fresada con un fondo plano (sin puntas ni crestas). Esta geometria no produjo ninguna corriente detectable. El aumento del campo debido a los cantos afilados o puntas por lo tanto hace una contribution necesaria para la emision piroelectrica de electrones.

La variation en la intensidad de las emisiones de electrones mostrada entre ciclos defuncionamiento sugirio que el mecanismo de emision primaria observada fue de ionization de gas en el vacio relativamente pobre, con el plasma de baja densidad resultante soportando una corriente constante entre el cristal y el anodo durante periodos de al menos 2 a 5 minutos. Aunque las puntas contribuyeron claramente a la formation de un campo electrico ionizante, la emision desde la superficie puede no haber hecho una contribucion significativa a la corriente constante (aunque eventos aislados de ruptura de superficie llevaron a descargas disruptivas individuales de la corriente en el detector). En consecuencia, los campos fuertes pueden llevar a corriente en el anodo por emision de campo desde la superficie o descargas disruptivas de plasma superficial o corriente de plasma despues de la ionizacion del gas residual cercano.

Una segunda serie de pruebas se llevo a cabo con un grupo de cristales mas gruesos. La segunda configuration era un cilindro de LiNbO3 con una altura 1 cm y diametro de 7,6 cm, cortado de tal manera que las superficies planas eran las caras Z del cristal. Al igual que con el cristal delgado, se fresaron varias puntas emisoras (en este caso con una relation de aspecto de 1:1) en la superficie de la cara del cristal. Las puntas se re-metalizaron despues del fresado de las zanjas. El radio de curvatura de la punta se midio, siendo aproximadamente 1 pm. El cristal se coloco encima de una placa delgada de cobre y se calento desde abajo, monitorizando la temperatura a traves de termistores. Se formo imagen en una pantalla de escintilacion con una camara CCD. Los ensayos con cristales grandes se llevaron a cabo bajo una presion de vacio de 1,0 -5,0 x10 Torr.

Se mostro que las caracteristicas superficiales puntiagudas pueden mejorar la emision piroelectrica desde cristales de niobato de litio, dando lugar a una corriente persistente y estable durante varios minutos. El aumento del campo mediante puntas afiladas se ha demostrado que contribuyen directamente a la emision de electrones desde el cristal. Los cristales piroelectricos mejorados de esta manera tienen el potencial de servir como fuentes de miniaturas de haces de electrones adecuadas para los dispositivos de aceleracion a escala micrometrica o los cristales fuente de radiation industrial o medica mejorados de esta manera tienen el potencial de servir como fuentes de miniaturas de haces de electrones adecuadas para dispositivos de aceleracion de escala micrometrica o fuentes de radiacion industrial o medica.

Aunque la descripcion anterior contiene muchos detalles, estos no deben interpretarse como limitantes del alcance de la invencion, sino como que meramente proporcionan ilustraciones de algunas de las formas de realization actualmente preferidas de esta invencion. Por lo tanto, se apreciara que el alcance de la presente invencion esta por 5 consiguiente limitado por nada mas que las reivindicaciones adjuntas, en las que la referencia a un elemento en singular no pretende significar "uno y solo uno", a menos que as! se establezca de forma expllcita, sino mas bien "uno o mas". Ademas, no es necesario que un dispositivo o metodo se refiera a todos y cada uno de los problemas que se pretenden resolver mediante la presente invencion, para que pueda estar incluido en las presentes reivindicaciones. Por otra parte, ningun elemento, componente o etapa de procedimiento en la presente descripcion 10 pretende estar dedicado al publico con independientemente de si el elemento, componente o etapa de procedimiento esta expllcitamente citado en las reivindicaciones

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   REIVINDICACIONES

   1. Un aparato (10), que comprende:

   un cristal (14) que tiene una superficie superior, siendo dicho cristal (14) un cristal piroelectrico o un cristal piezoelectrico;

   una pelicula conductora (18) que recubre la superficie superior del cristal (14);

   incluyendo dicho cristal (14) una pluralidad de emisores (16) de campo de electrones, comprendiendo los emisores (16) de campo de electrones una region de escala micrometrica, teniendo la region uno o mas picos o crestas afilados; y

   medios (12) para controlar la temperatura del cristal (14) cuando dicho cristal (14) es un cristal piroelectrico, o medios para controlar la tension mecanica en el cristal cuando dicho cristal es un cristal piezoelectrico, en el que dicho cristal (14) y dichos emisores (16) de campo de electrones se mantiene en un entorno de baja presion.
2. 2. Un aparato (10) segun la reivindicacion 1, en el que cada emisor (16) de campo de electrones comprende un patron grabado por ataque quimico en el cristal (14).
3. 3. Un aparato (10) segun la reivindicacion 1 o 2, en el que cada emisor de campo de electrones comprende, ademas, una capa de nanotubos en dicha region de dicho emisor de campo de electrones.
4. 4. Un aparato (10) segun la reivindicacion 1, 2 o 3, en el que cada emisor (16) de campo de electrones comprende ademas:

   una segunda pelicula conductora (32) que recubre la pelicula conductora (18) y las regiones de escala micrometrica del cristal (14).
5. 5. Un aparato (10) segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, que comprende ademas:

   un blanco (20), estando dicho blanco (20) dispuesto en la proximidad de dicha pluralidad de emisores (16) de campo de electrones;

   en el que los electrones emitidos desde dichos emisores (16) inciden sobre dicho blanco (20) para producir rayos X.
6. 6. Un aparato (10) segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores:

   en el que los picos o crestas afilados tienen una relacion de aspecto de altura a anchura mayor que uno;

   en el que los picos o crestas afilados son generalmente de forma piramidal o de cuna; y

   en el que los picos o crestas afilados tienen paredes laterales con angulos de 45 grados o mas.
7. 7. Un aparato segun la reivindicacion 1, que ademas comprende:

   un alojamiento modular;

   una segunda pelicula conductora (32) que recubre dicho cristal (14) y dichos emisores (16) de campo de electrones; y

   un blanco (20), dispuesto en la proximidad de dicha pluralidad de emisores (16) de campo de electrones; en el que los electrones emitidos desde dichos emisores (16) de campo de electrones inciden sobre dicho blanco (20) para producir rayos X.

   en el que dicho cristal (14) y dichos emisores (16) de campo de electrones se mantienen en dicho entorno de baja presion dentro de dicho alojamiento modular.
8. 8. Un aparato (10) segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 o 7, en el que el cristal (14) es un cristal de niobato de litio, un cristal de tantalato de litio, un cristal de titanato de bario o un cristal de sulfato de triglicina.
9. 9. Un aparato (10) segun la reivindicacion 7, en el que dicho blanco comprende:

   una lamina de metal capaz de convertir un impulso de electrones en rayos X a traves de radiacion de frenado (bremsstrahlung);

   un segundo cristal piroelectrico o un segundo cristal piezoelectrico, siendo dicho segundo cristal de polaridad opuesta al primer cristal, estando dicho segundo cristal acoplado a dicha lamina metalica; y medios para controlar la temperatura del segundo cristal cuando dicho segundo cristal es un cristal piroelectrico, o medios para controlar la tension mecanica en el segundo cristal cuando dicho segundo cristal es un cristal piezoelectrico;

   en el que es producido un segundo campo electrico por dicho segundo cristal.

   5

   10

   15

   20

   25

   30
10. 10. Un aparato (10) segun las reivindicaciones 5, 7 o 9, que comprende ademas:

    un filtro (22) de rayos X, estando dicho filtro (22) configurado para filtrar los rayos X que emanan de dicho blanco (2o).
11. 11. Un aparato (10) segun las reivindicaciones 5, 7, 9 o 10, que comprende ademas un colimador (24) de rayos x.
12. 12. Un aparato segun la reivindicaciones 7 o 9, en el que dicho cristal (14) es un cristal piroelectrico que ademas comprende:

    una matriz o conjunto ordenado direccionable de modulos (40); un sustrato de soporte flexible (44) acoplado a dichos modulos (40); y

    un controlador programable, estando dicho controlador configurado para controlar selectivamente dichos medios para controlar la temperatura para calentar y enfriar los cristales (14) de cada modulo (40) en un perlodo de tiempo tal que se produzca la polarizacion espontanea de carga en los cristales (14), provocando de ese modo que surja un campo electrico perpendicular en las caras superior e inferior del cristal (14); en el que el campo electrico se aumenta mediante dichos picos o crestas afilados, lo que provoca la emision de campo de electrones de superficie desde esa posicion hacia dicho blanco (20) y convierte de este modo impulsos de electrones de los emisores (42) de campo en rayos X.
13. 13. Un aparato (30) segun las reivindicaciones 7, 9 o 12, en el que cada emisor de campo de electrones comprende un patron de zanjas lineales paralelas excavadas en el cristal (14), que forman uno o mas elementos en forma de cuna con picos afilados que tienen una relacion de aspecto de altura a anchura mayor que uno.
14. 14. Un aparato segun las reivindicaciones 7, 9, 12 o 13, en el que cada emisor de campo de electrones comprende un patron de cavidades que tienen cada una, una columna central (46) que se estrecha progresivamente.
15. 15. Un aparato segun cualquiera de las anteriores reivindicaciones, donde dicho cristal es un cristal piroelectrico y dichos medios para controlar la temperatura comprende una union de Peltier.