JP2015515091A - 電子放出構造を有する装置 - Google Patents
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Abstract
本開示は、電子受容構築物および構築電子放出を含む、さらなる構築電子放出および電子受容構築物との間の遮るもののない空間を提供する内側の隙間を備えた画像取り込み装置に関する。本開示はさらに、構築物発光X線及び構築電子放出を備えた発光装置、X線に関し、X線は、陽極を備える構成する発光素子、前記X線ターゲットである陽極、式中、X線放出素子構築電子放出及び構築放出X線の間の遮るもののない空間を提供する内側の隙間を含むことができる。本開示はさらに、画像取込装置及び発光装置のX線を備えるX線イメージングシステムに関する。【選択図】図11A
Description
本出願は、2012年3月16日に出願された米国仮特許出願第61/611,990号、および2012年12月31日に出願された米国仮特許出願第61/747,455号の優先権ならびに利益を主張するものであり、これらの内容および開示は、その全体が参照により組み込まれる。
本明細書で開示する実施形態は、電界放出型電子源ならびにそれを備える装置に関し、特に、撮像装置およびX線発生装置に関するものである。
映像管およびX線撮像装置で用いる熱陰極線管電子源を電界放出型電子源で置き換えることにより小型化および薄型化された、(平面型)撮像装置に対する関心が高まりつつある。電界放出型電子源を用いた撮像装置の例は、例えば特開2000−48743号公報('743公報)に提示されているような可視光撮像装置、および例えば特開2009−272289号公報('289公報)に提示されているようなX線撮像装置である。
例えば特開2007−029507('507公報)に提示されているものなど、熱陰極電子源を用いた映像管、ならびに電界放出型電子源を備えた上記の従来技術による撮像装置では、一般に、例えば小さな開口の配列を有する格子状、網目状、または篩状の構造の薄材などのグリッド電極が、陽極と陰極との間に配置されて用いられてきた。このグリッド電極は、制御グリッドまたはトリミング電極と呼ばれることもある。グリッド電極は、通常、熱陰極または電界放出型電子源からの電子を加速して、電子ビームを投射するためのものである。グリッド電極は、また、電子源から垂直に進む電子ビームのみを通過させて、角度成分を持つ電子ビームを遮断することにより、電子ビームの照準性を向上させることもできる。
ここで、図1を参照すると、これは、'743公報に提示されているような、電界放出型電子源15とグリッド電極20とを有する、一般的な従来技術による撮像装置を示している。(電界放出型電子源15を含む)電子放出構造体と(フェースプレート3を含む)電子受容構造体との間に配置されたグリッド電極20は、電界放出型電子源15からの電子ビームを、加速して、電子受容構造体上の所定のターゲット領域に誘導する。
グリッド電極を有する撮像装置は、電子源から放出される電子ビームの利用効率が低下するという欠点がある。例として、例えば'507公報で例示されているようなグリッド電極を使用すると、開口領域を通過することができない電子は、グリッドに吸収されて、信号電流を供給することなく失われる。一方、(電子ビームの利用効率を高めるために)グリッド電極開口の大きさを広げると、角度(すなわち、非垂直)成分を持つ電子が通過して、所定のターゲット位置の外の光導電体に当たるという別の問題が生じる。このようにして、電子ビームが隣接画素に当たって、ターゲット画素とは異なる画素で読み出しが生じることがあり、これにより、画像品質(例えば、分解能)が低下する。また、グリッド電極の物理的強度は、グリッド開口の開口度が大きくなるにつれて、低下する。従って、開口度の大きいグリッドの組付けおよび保守は難しい。少なくともこれらの理由から、グリッド電極に起因する電子ビームの利用効率の低下を、グリッド電極を改良することで緩和できる可能性は、制限される。
さらに、グリッド電極は、ビデオ撮像、CTスキャン、または蛍光透視などの照射の際にシステムが動く必要がある適用においては、マイクロフォニックノイズの発生源になり得る。電子ビームとグリッドとの相互作用によって、電子ビームのエネルギーの広がりが生じ得ることで、システム特性が変化する。
最後に、グリッド電極の存在によって、グリッド開口の開口度に関わりなく、組付け問題が生じる。この組付け問題は、グリッド電極を狭い隙間に正確に組付けなければならない平面パネル型撮像装置のような大型かつ薄型の撮像装置では、深刻となり、欠陥品の増加および生産コストの増加につながる。
以下の開示は、電界放出型電子源を用いる従来の撮像装置に関連した上記問題に対処するものである。
また、電界放出型電子源によるX線発生装置に対する関心が高まりつつある。ところが、そのような装置が所望の機能パラメータを持つことを可能にすることは難しい。そのような装置についての、特にそのような装置の電子放出要素についての、これまでの試みは、例えば、電子源が十分な流束密度の電子ビームを放出できない、電子ビームを所望の焦点サイズに集束させることができない、電子源(ひいては装置自体)が短寿命で安定性および均一性に劣るなど、様々な理由で不十分であった。
以下の開示は、電界放出型電子源によるX線発生装置に関連した上記問題に対処するものである。
本開示の第1の態様において、本明細書で記載する実施形態により、電子受容構造体と電子放出構造体との間に内部間隙が存在するように配置された少なくとも1つのスペーサで隔てられた電子受容構造体と電子放出構造体とを備える撮像装置を提供する。前記電子受容構造体は、フェースプレートと、陽極と、内向き光導電体と、を含むことができる。前記電子放出構造体は、(a)バックプレートと、(b)基板と、(c)陰極と、(d)アレイ状に配置された複数の電界放出型電子源であって、前記光導電体に向けて電子ビームを放出するように構成された電界放出型電子源と、(e)ゲート電極と、含むことができる。前記内部間隙によって、電子放出構造体と電子受容構造体との間に遮るもののない空間を提供することができる。
本開示の一部の実施形態では、撮像装置は、グリッド電極を備えていない。
本開示の一部の実施形態では、電子放出構造体は、さらに、アレイ状に配置された複数の第1の集束構造を含むことができ、前記第1の集束構造の各々は、第1の集束電極を有する。
本開示の一部の実施形態では、第1の集束構造は、前記電界放出型電子源のうちのサブセットを含む単位セルを取り囲むことができ、前記単位セルは画素を画定している。
本開示の一部の実施形態では、電子放出構造体は、さらに、アレイ状に配置された複数の第2の集束構造を含むことができ、前記第2の集束構造の各々は、第2の集束電極を有する。
本開示の一部の実施形態では、光導電体は、アモルファスセレンを含む。
本開示の一部の実施形態では、電界放出型電子源は、スピント型電子源である。
本開示の一部の実施形態では、撮像装置は、電界放出型電子源と陰極との間に位置する抵抗層を備える。
本開示の一部の実施形態では、電界放出型電子源は、信号線を介して駆動回路に電気的に接続されており、第1の集束電極が前記信号線を取り囲んでいる。
本開示の一部の実施形態では、基板は、シリコン系のものである。
本開示の一部の実施形態では、陰極、抵抗層、信号線、電界放出型電子源、ゲート電極、第1の集束構造、第1の集束電極、およびそれらの任意の組み合わせからなる群から選択された少なくとも1つの部材が、基板と一体である。
本開示の一部の実施形態では、画素は、100マイクロメートル×100マイクロメートル以下の画素ピッチを有する。
本開示の一部の実施形態では、電界放出型電子源のアレイと陽極との距離は、50マイクロメートルから400マイクロメートルの間である。
本開示の一部の実施形態では、電界放出型電子源のアレイと陽極との距離は、前記画素ピッチの0.5から4.0倍である。
本開示の第2の態様において、本明細書で記載する実施形態により、X線放出構造体と電子放出構造体とが互いに対向し、電子受容構造体と電子放出構造体との間に真空内部間隙が存在するように配置された少なくとも1つのスペーサで隔てられた、X線放出構造体と電子放出構造体とを備えるX線発生装置を提供し、前記X線放出構造体は、X線ターゲットである陽極を含み、また、前記電子放出構造体は、少なくとも1つのアクティブソーンを有し、各アクティブゾーンは、陰極と、アレイ状に配置された複数のエミッタティップを含むゲーテッドコーン型電子源と、ゲーテッドコーン型電子源と陰極との間に位置する抵抗層と、複数のゲートホールを含み前記ゲートホールのうち少なくとも1つの位置は前記エミッタティップのうち少なくとも1つの位置に対応しているゲート電極と、を有する少なくとも1つのアクティブエリアを含み、前記エミッタティップは、X線放出構造体に向けて電子ビームを放出するように構成されている。
本開示の一部の実施形態では、ゲートホールの直径は、200ナノメートル未満である。
本開示の一部の実施形態では、エミッタティップのベース幅は、300ナノメートル未満である。
本開示の一部の実施形態では、アクティブゾーンは、複数のアクティブエリアを含む。
本開示の一部の実施形態では、ゲート電極は、ゲート配線リードを介して電圧源に接続され、前記ゲート電極がすべての側において前記ゲート配線リードに接続されるようにゲート配線リードの間隙に配置されている。オプションとして、ゲート配線リードは、ゲート電極よりも厚い。
本開示の一部の実施形態では、ゲート配線リードは、0.5ミクロンから20ミクロンの間の厚さである。本開示の一部の実施形態では、抵抗層は、300nm超または300から5000ナノメートルの間の厚さである。
本開示の一部の実施形態では、抵抗層は、SiCNを含む。オプションとして、抵抗層は、さらに、陰極との界面に配置された第1のバリア副層、ゲーテッドコーン型電子源との界面に配置された第2のバリア副層、または第1と第2のバリア副層の両方を含む。オプションとして、バリア副層は、40%未満のシリコン原子パーセントを有するSiCNもしくはSiCを含むか、またはアモルファスカーボンを含む。
本開示の一部の実施形態では、ゲーテッドコーン型電子源は、1から10mA/mm2の間の流束密度の電流を流すことが可能である。
本開示の一部の実施形態では、アクティブエリアは、100平方ミクロンから4平方ミリメートルの間の面積である。
本開示の一部の実施形態では、アクティブエリアは、1平方ミクロン当たり1から10個の間のエミッタティップを含む。
本開示の一部の実施形態では、陰極は、0.5ミクロンから20ミクロンの間の厚さである。
本開示の一部の実施形態では、エミッタティップの各々の位置、対応するゲートホール、陰極、および抵抗層は、電子放出構造体の平面に沿ってオーバラップしている。
本開示の一部の実施形態では、内部間隙は、前記電子放出構造体と前記電子受容構造体との間に遮るもののない空間を提供している。
本開示の一部の実施形態では、陽極は、モリブデン、ロジウム、タングステンからなる群からの1つまたは複数のものを含む。
本開示の一部の実施形態では、基板は、シリコン系のものである。オプションとして、ゲート電極、陰極、抵抗層、ゲーテッドコーン型電子源からなる群から選択された少なくとも1つの部材が、基板と一体である。
本開示の一部の実施形態では、アクティブゾーンは、少なくとも1つの集束構造で囲まれている。
本開示の一部の実施形態では、アクティブゾーンは複数のアクティブエリアを含み、前記複数のアクティブエリアは、同時駆動されるように構成されている。
本開示の一部の実施形態では、アクティブゾーンは複数のアクティブエリアを含み、前記複数のアクティブエリアのうちの1つまたは複数のサブセットを、独立に駆動することが可能である。オプションとして、前記アクティブゾーンのうちの1つまたは複数の制御された駆動により、アクティブゾーンの全放出電流を調整することが可能である。オプションとして、複数のアクティブエリアの前記サブセットは、同心状の領域として編成され、これにより、前記同心状の領域のうち1つまたは複数の制御された駆動によって電子ビームの初期幅を調整することが可能である。
本開示の第3の態様において、本明細書で記載する実施形態により、本開示の第1の態様で提供されるような撮像装置を備え、さらに本開示の第2の態様で提供されるようなX線発生装置を備えるX線撮像システムを提供する。
実施形態について、より良く理解するため、さらには、それを実施し得る方法を提示するため、以下、単なる例として、添付の図面を参照する。
以下で、詳細に図面を具体的に参照すると、強調すべきことは、示された詳細は、例として且つ選択された実施形態例示的な議論の目的のためのみのものであり、原理および概念的側面についての最も有効で分かりやすい説明であると考えられるものを提供する目的において提示されるものであるということである。この観点から、構造細部については、基本的理解のために必要である以上に詳細に示すようなことはしていないが、いくつかの選択された実施形態がどのように実施され得るのかは、本説明を図面と共に理解することで、当業者に明らかとなる。添付図面において、
[撮像装置]
ここで図2〜5を参照すると、本開示の撮像装置100を示している。撮像装置100は、スペーサ4で隔てられた電子放出構造体110と電子受容構造体120とを備える。スペーサ4は、電子受容構造体120と電子放出構造体110との間に内部間隙30が存在するように配置することができる。内部間隙30は、密閉されて真空下に維持されることができ、また、電子放出構造体110と電子受容構造体120との間に遮るもののない空間を提供することができる。
以下で図2〜5を参照して説明されるような電子放出構造体110およびその構成要素について記載される種々のオプションは、X線発生装置100だけではなく、X線発生装置を含めて、本明細書に記載の電子放出構造体が組み込まれる他のあらゆる装置に組み込まれた電子放出構造体110についてのオプションであることは、理解されるであろう。
電子放出構造体110は、バックプレート5と、基板6と、陰極電極7と、電界放出型電子源9のアレイと、ゲート電極10と、を含むことができる。電子受容構造体120は、フェースプレート1と、陽極2と、内向き光導電体3と、を含むことができる。
電子放出構造体110は、さらに、アレイ状に配置された複数の第1の集束構造11を含むことができ、前記第1の集束構造11の各々は、第1の集束電極12を有する。一部の実施形態では、電子放出構造体110は、さらに、第2の集束電極14を有する複数の第2の集束構造13を含むことができる(図5を参照)。
撮像装置100は、さらに、電界放出型電子源9への電流を調整するために、陰極7と電界放出型電子源9との間に位置する抵抗層8(図示せず)を備えることができる。
電界放出型電子源9は、光導電体3に向けて誘導される電子ビーム20を放出するように駆動されることができる。電界放出型電子源9は、陽極2と陰極7との間に配置されており、これにより、電界放出型電子源9により放出される電子ビームは、陽極に向けて加速される。光導電体3は、放出型電子源9と陽極2との間に配置することができ、これにより、放出された電子は光導電体3に衝突する。
特に注目されることは、従来技術による撮像装置では一般に電子放出構造体110と電子受容構造体120との間に配置されるグリッド電極が、本開示の撮像装置100では典型的には存在しないということである。グリッド電極は、陽極と陰極との間に配置される、小さな開口の配列を有する格子状、網目状、または篩状の構造の薄材とすることができる。グリッド電極は、メッシュ電極、制御グリッド、またはトリミング電極と呼ばれることがある。図1に示す従来技術によるシステムでは、グリッド電極20が、(電界放出型電子源15を含む)電子放出構造体と(フェースプレート3を含む)電子受容構造体との間に存在する。これに対し、図2を参照すると、本開示の撮像装置100の内部間隙30は、電子放出構造体120と電子受容構造体110との間に遮るもののない空間を提供し、これにより、電界放出型電子源9から放出される電子ビームは、電子放出構造体110と電子受容構造体120との間に位置する中間構造物を横切ることなく、光導電体3まで直接進む。
[電子受容構造体]
図2〜5を参照して、入射電磁放射線が光導電体3に到達するように、電子受容構造体120のフェースプレート1および陽極電極2は、フェースプレート1の前面から放射される入射電磁放射線を透過させる材料で構成することができ、および/またはそのような構成とすることができる。光導電体3に使用される材料としては、例えば、アモルファスセレン(a−Se)、HgI2、PHI2、CdZnTe、またはPbOが、当技術分野で知られている。好ましい一実施形態では、光導電体3は、アモルファスセレンを含む。
電磁放射線は、任意の周波数とすることができる。一部の実施形態では、電磁放射線は、X線周波数範囲内にある。あるいは、電磁放射線は、可視光周波数範囲内とすることができる。
[電子放出構造体の基板]
図2〜5を参照して、基板6は、半導体材料、例えば結晶化シリコンとすることができる。また、陰極電極7、抵抗層8、電界放出型電子源9、ゲート電極10、第1の集束構造11、第1の集束電極12、第2の集束構造13、第2の集束電極14、および信号線(図示せず)のうちいずれか1つ、またはそれらの任意の組み合わせを、基板6上に加工して、これと一体とすることができる。一部の実施形態では、抵抗層8を、基板6上にさらに加工して、これと一体とすることができる。
[電界放出型電子源]
図2〜5を参照して、電界放出型電子源9は、信号線(図示せず)を介して駆動回路に電気的に接続することができ、さらにゲート電極10に電気的に接続することができる。電界放出型電子源9に接続された駆動回路およびゲート電極10の調整された電気的駆動によって、それは駆動され、すなわち電子を放出する。電界放出型電子源9は、電界放出型電子源9とゲート電極10との間に形成される電界によって、電子放出を行う。電界放出型電子源9は、アレイ状に配置されたコーン(「エミッタティップ」)を有して各エミッタティップがゲート電極10の開口(「ゲートホール)」)で囲まれているゲーテッドコーン電子源、スピント型電子源、カーボンナノチューブ(CNT)型電子源、金属−絶縁体−金属(MIM)型電子源、または金属−絶縁体−半導体(MIS)型電子源とすることができる。好ましい一実施形態では、電子源9は、スピント型電子源とすることができる。
[陽極と陰極]
図2〜5を参照して、陽極2と陰極7は、これらの間に電界を生成するように構成される。この電界によって、電界放出型電子源から放出された電子を加速させて、光導電体3に向けて誘導する。陽極2と陰極7との間の電界の強度は、マイクロメートル当たり0.1から2ボルト、マイクロメートル当たり0.1から1.8ボルト、マイクロメートル当たり0.1から1.5ボルト、マイクロメートル当たり0.1から1ボルト、マイクロメートル当たり0.1から0.5ボルト、マイクロメートル当たり約0.1ボルト、マイクロメートル当たり約0.2ボルト、マイクロメートル当たり約0.3ボルト、マイクロメートル当たり約0.4ボルト、マイクロメートル当たり約0.5ボルト、マイクロメートル当たり約0.6ボルト、マイクロメートル当たり約0.7ボルト、マイクロメートル当たり約0.8ボルト、マイクロメートル当たり約0.9ボルト、マイクロメートル当たり約1ボルト、マイクロメートル当たり約1.2ボルト、またはマイクロメートル当たり約1.5ボルトとすることができる。
[集束構造]
図2〜5を参照して、電界放出型電子源9は、一般的には、発散角と呼ばれる軌道の範囲を有する電子を放出し、すべての電子が電子放出構造体110から垂直に放出されるわけではない。このため、望ましくない軌道で放出される電子の損失を最小限に抑えつつ、電子の軌道を補正するための機構が望まれる。本開示の集束構造、例えば、第1の集束電極12を有する第1の集束構造11、および第2の集束電極14を有する第2の集束構造13は、そのような機能を果たすものである。
図2〜5を参照して、第1の集束構造11は、エミッタエリア25を取り囲むように、すなわち複数の電界放出型電子源9のうちのサブセットを含む単位セルを取り囲むように、構成することができる。また、エミッタエリア25は、画素サイズを規定している。第1の集束電極12は、第1の集束電圧を印加することにより、対応するエミッタエリア25から放出される電子ビームの散乱を抑えるように構成することができ、これにより、放出された電子ビームを集束させる。
一部の実施形態では、本開示の撮像装置100は、さらに、第2の集束電極14を有する第2の集束構造13のアレイを、電子放出構造体110内に備えることができる。第2の集束構造13のそれぞれは、(第1の集束電極12を有する)第1の集束構造11のそれぞれに関して、隣接するとともに内向きとすることができ、これにより、電子放出構造体110は、全体として、電子受容構造体120に向けたダブル集束構造を有する。第2の集束電極14は、第2の集束電圧を印加することにより、対応するエミッタエリア25から放出される電子をさらに加速させるように構成することができ、これにより、放出された電子ビームをさらに集束させる。電子放出構造体110は、結果として、全体でトリプル(3重)、クォッドルプル(4重)などの集束構造となるように、さらに追加の集束構造を含み得ることは、理解されるであろう。
集束電極を有する集束構造(例えば、第1の集束構造12を有する第1の集束構造11、および/または第2の集束構造14を有する第2の集束構造13)は、さらに、誤った方向に導かれた電子のドレインとして機能し得る。一部の実施形態では、第1の集束電極12は、電界放出型電子源9の駆動回路の信号線を覆うように位置決めすることができ、これにより、誤った方向に導かれた電子による放射から信号線を保護することで、信号線における放射ノイズを低減させる。
[画素ピッチおよび装置の厚さ]
上述のように、さらには図2〜5を参照して、第1の集束構造11は、エミッタエリア25を、すなわち前記電界放出型電子源9のうちのサブセットを含む単位セルを、取り囲むことができる。エミッタエリア25内の電界放出型電子源9のサブセットによって、撮像装置100の画素を画定することができる。
画素ピッチは、当技術分野で知られている画素ベースの撮像装置100の仕様である。画素ピッチは、例えば、隣接する画素間の距離として表すことができる。例えば、図3における距離bを参照する。画素サイズは、例えばエミッタエリア25の、面積として、(矩形の場合は)幅と長さとして、または(円形の場合は)直径として、表すことができる。例えば、図3における距離cを参照する。画素サイズおよび画素ピッチが小さいほど、本開示の装置で取得される像の、より微細な分解能につながる。
平面型撮像装置に用いられる他の仕様は、装置の厚さである。撮像装置100の厚さは、例えば、電界放出型電子源9と陽極2上の直交位置との間の距離(図3に距離aで示す)として表すことができる。あるいは、装置の厚さは、陽極2と陰極7との間の直交距離として、または電子受容構造体120のいずれか1つの構成要素(例えば、フェースプレート1、陽極2、または光導電体3)と電子放出構造体110のいずれか1つの構成要素(例えば、電界放出型電子源9、陰極7、基板6、およびバックプレート5)との間の直交距離として、表すことができる。
上述のように、本開示の撮像装置100は、撮像装置100の電子利用効率を向上させるように、すなわち電界放出型電子源9から放出される電子のうち光導電体3の所定の位置に衝突する割合を増加させるように、設計されている。このため、本開示では、撮像装置100の各エミッタエリア25(すなわち、第1の集束構造11で取り囲まれた複数の電界放出型電子源9を含むセル)は、従来技術による撮像装置と比較して、光導電体3に衝突する同じ電子密度を達成するために要する電子源から放出される電子密度をより低くすることができる。したがって、各エミッタエリア25は、さらに、必要な電界放出型電子源の数をより少なくすることができ、それ故に、本開示の撮像装置100の画素サイズならびに画素ピッチをより小さくすることができる。本開示の撮像装置100の画素は、例えば、10マイクロメートルから1000マイクロメートルの間、50マイクロメートルから200マイクロメートルの間、約50マイクロメートル、約75マイクロメートル、約100マイクロメートル、約125マイクロメートル、約150マイクロメートル、または約200マイクロメートルの画素ピッチを有する正方画素とすることができる。好ましくは、本開示の撮像装置100の画素は、約マイクロメートル100マイクロメートルの画素ピッチを有する正方画素とすることができる。
一般に、より薄型化された撮像装置が望まれ得る。ところが、より薄型化された装置は、組付けがより難しく、グリッド電極が存在することによって、組付けの難しさは深刻となる。本開示の特に有利な点は、グリッド電極を使用しなくてもよいため、本開示の撮像装置100は、グリッド電極を備えた従来技術による撮像装置と比較して、より薄型化することができ、または同じ薄さのものを、より低コストで生産することができることである。
平面型撮像装置100の他の仕様は、画素ピッチと装置の厚さとの比である。本開示の撮像装置100では、装置の厚さ、例えば陰極7と陽極2との間の距離は、画素ピッチの0.5から4.0倍である。別の表現方法では、装置の厚さと画素ピッチとの比(すなわち、マイクロメートルでの装置の厚さ/マイクロメートルでの画素ピッチ)は、0.5から4.0の間である。上記の比が所与であるとして、画素ピッチが100マイクロメートルである場合、陰極7と陽極2との間の間隙は50から400マイクロメートルの間となる。一部の実施形態では、装置の厚さ、例えば陰極7と陽極2との間の距離は、画素ピッチの0.5から2.0倍、画素ピッチの0.5から1.5倍、画素ピッチの1から3倍、画素ピッチの1から4倍、画素ピッチの約0.5倍、画素ピッチの約0.75倍、画素ピッチの約1倍、画素ピッチの約1.5倍、画素ピッチの約1.75倍、画素ピッチの約2倍、画素ピッチの約2.25倍、画素ピッチの約2.5倍、画素ピッチの約2.75倍、画素ピッチの約3倍、画素ピッチの約3.25倍、画素ピッチの約3.5倍、画素ピッチの約3.75倍、または画素ピッチの約4倍である。電界放出型電子源9のパラメータ、集束構造11(および13)の寸法、集束電極12(および14)に印加される電圧、スペーサ4の高さ、および装置の他のパラメータは、必要に応じて調整することができる。
[X線発生装置]
次に図6を参照すると、本開示のX線発生装置1000を示している。X線発生装置1000は、互いに対向する電子放出構造体210と、(「電子受容構造体」とも呼ばれる)X線放出構造体220と、を備え、これらは少なくとも1つのスペーサ54で隔てられている。スペーサ54は、X線放出構造体220と電子放出構造体210との間に内部間隙58が存在するように配置することができる。内部間隙58は、密閉されて真空下に維持されることができ、また、電子放出構造体210とX線放出構造体220との間に遮るもののない空間を提供することができる。
電子放出構造体210は、X線放出構造体220に向けて誘導される電子ビーム71を放出するように駆動されることができる。電子放出構造体210に組み込まれるゲーテッドコーン型電子源は、放出された電子ビーム71がX線放出構造体220の陽極52に向けて加速されるように配置される。
X線放出構造体220は、電子放出構造体210に対向するように配置されて、陽極52を有している。X線放出構造体220の陽極52と電子放出構造体210の陰極は、それらの間に電界を生成するように構成されている。この電界によって、ゲーテッドコーン型電子源から放出される電子を加速させて、それらを陽極52に向けて誘導する。また、陽極52は、電子ビーム71が当たると、X線75を放出することが可能である。このような陽極52は、当技術分野で知られており、「ターゲット」または「X線ターゲット」と呼ばれることもある。陽極52は、例えば、モリブデン、ロジウム、タングステン、またはそれらの組合せで構成することができる。
X線放出構造体220は、さらにコリメータ(図示せず)を、外向きの側に含むことができる。X線75は、一般的には、X線放出構造体220から円錐状に広がるような方向の範囲内に放出される。コリメータは、放射線流を、特定の方向に平行に進むもののみ通過させるようにフィルタリングする装置である。このようにして、放出されたX線の横方向への広がりを最小限とする、または解消することができる。
特に注目されることは、従来技術による装置では、一般に、電子放出構造体210とX線放出構造体220との間にグリッド電極が配置されていたということである。グリッド電極は、格子状、網目状、または篩状構造を有する小さな開口の配列を備えた薄材とすることができる。グリッド電極は、メッシュ電極、制御グリッド、またはトリミング電極と呼ばれることがある。そのようなグリッド電極は、本開示のX線発生装置では、典型的には存在しない。図6を参照して、本開示のX線発生装置の内部間隙58は、電子放出構造体220と電子受容構造体210との間に遮るもののない空間を提供し、これにより、放出された電子ビーム71は、電子放出構造体210とX線放出構造体220との間に位置する中間構造物を横切ることなく、X線放出構造体220まで直接進む。
電子ビーム71が当たると陽極52で発生するX線75は、(図6に示すように)陽極を介して送信されることができる。あるいは、図7に示すように、X線発生装置1000'は、電子放出構造体210から放出される電子ビーム71が、電子ビーム71の方向に対して例えば45度の角度で配置されたX線放出構造体220'の陽極52'に当たるように構成されていてもよい。このような構成では、制動放射により発生するX線75'が、入射電子ビーム71に対して90度で放出されて、装置1000'から窓59'を通して横向きに出射され得る。
X線発光装置1000'は、互いに対向する電子放出構造体210'と、X線放出構造体220'と、を備え、これらは少なくとも1つのスペーサ54'で隔てられている。X線放出構造体220'は、陽極52'と窓59'とを含むことができる。スペーサ54'は、X線放出構造体220'と電子放出構造体210'との間に内部間隙58'が存在するように配置することができる。内部間隙58'は、密閉されて真空下に維持されることができ、また、電子放出構造体210とX線放出構造体220'との間に遮るもののない空間を提供することができる。
以下で図8〜10を参照して説明されるような電子放出構造体210およびその構成要素について記載される種々のオプションは、X線発生装置1000'に組み込まれた電子放出構造体210、X線発生装置1000'だけでなく、撮像装置を含む本明細書に記載の電子放出構造体が組み込まれる他のあらゆる装置についてのオプションであることは、理解されるであろう。
以下、図8を参照して、本開示は、1つまたは複数の放出ユニット90を含む電子放出構造体210を提供する。放出ユニット90は、基板55に組み込むことができる。放出ユニット90は、1つまたは複数のアクティブエリア80を有するアクティブゾーン85を含むことができ、各アクティブエリア80は、ゲーテッドコーン型電子源(図示せず)とゲート電極60とを有する。ゲーテッドコーン型電子源は、アレイ状に配置されたコーン(「エミッタティップ」)を有する電界放出型電子源とすることができ、各エミッタティップは、ゲート電極60の開口(「ゲートホール)」)で囲まれている。アクティブエリア80は、ゲート電極(複数の場合もある)60に導通接続されたゲート配線リード64を介して、さらにはゲート配線リード64とオーバラップした陰極56を介して、電圧源に接続可能である。放出ユニット90は、さらに集束構造95を含むことができる。
放出ユニット90は、アクティブゾーン85内にある1つまたは複数のアクティブエリア80に組み込まれたゲーテッドコーン型電子源(図示せず)が駆動されると、電子ビームを放出するように構成されている。アクティブエリア80は、ゲート配線リード64(ひいては、さらにゲート電極60)および陰極56を電圧源に接続することにより、駆動され得る。ゲーテッドコーン型電子源に組み込まれたエミッタティップが、結果として電圧勾配を受けることによって、前記エミッタティップは電子ビームを放出する。
[集束構造]
図8をさらに参照して、電界放出型電子源は、一般的には、発散角と呼ばれる、軌道の範囲を有する電子を放出し、すべての電子が電子放出構造体210から垂直に放出されるわけではない。このため、望ましくない軌道で放出される電子の損失を最小限に抑えつつ、電子の軌道を補正するための機構が望まれる。本開示の集束構造95は、そのような機能を果たすものである。
集束構造95は、アクティブゾーン85を取り囲むように構成することができる。集束構造95は、その中に組み込まれた集束電極に集束電圧を印加することにより、対応するアクティブゾーン85から放出される電子ビームの散乱を抑えるように構成することができ、これにより、放出された電子ビームを集束させる。
一部の実施形態では、集束構造95は、第1の集束構造と第2の集束構造とを含むことができ、その一方が他方の上に配置されて、これにより、集束構造95は、全体として、ダブル集束構造を有する。第2の集束電極は、第2の集束電圧を印加することにより、アクティブゾーン85から放出される電子をさらに加速させるように構成することができ、これにより、放出された電子ビームをさらに集束させる。集束構造95は、全体としてトリプル(3重)集束構造、クォッドルプル(4重)集束構造などを有し得ることは、理解されるであろう。
集束構造95は、さらに、誤った方向に導かれた電子のドレインとして機能し得る。一部の実施形態では、集束構造95は、ゲーテッドコーン型電子源の駆動回路の信号線を覆うように位置決めすることができ、これにより、誤った方向に導かれた電子による放射から信号線を保護することで、信号線における放射ノイズを低減する。
[ゲート電極]
上述のように、アクティブゾーン85は、ゲート配線リード64と陰極56とがオーバラップしたところに配置される。図9Aに示すように、各アクティブエリア80は、ゲート配線リード64内の完全に包囲された間隙に配置することができる。すなわち、各アクティブエリア80は、ゲート配線リード64で囲まれたアイランド状とすることができる。これにより、ゲート電極60は、一部またはすべての側部からゲート配線リード64に導通接続され得る。
図9Aに示すように、アクティブゾーン85は、16個のアクティブエリア80を含む。ただし、電子放出構造体210の使用に適切と認められる個数のアクティブエリアをアクティブゾーン85が有し得ることは、理解されるであろう。多様に、アクティブゾーン85内には、わずか1つのアクティブエリア80、百個もの(例えば、10×10のアクティブエリア80)、千個もの(例えば、100×100のアクティブエリア80)、またはさらに多くのアクティブエリア80があってもよい。
図9Aに示すアクティブエリア80の形状は正方形であるが、アクティブエリア80は、多様に、矩形、円形、湾曲帯、扇形などとすることができる。同様に、アクティブエリア80は、多様に、矩形、円形、湾曲帯、扇形などとすることができる。また、アクティブゾーン85内に複数のアクティブエリア80を、(図9Aに示すように)正方形の格子パターン、矩形のグリップパターン、放射状のパターンなどに配置することができる。
アクティブエリア80は、例えば、約2mm×2mm、約1.5mm×約1.5mm、約1.0mm×1.0mm、約750ミクロン×750ミクロン、約500ミクロン×500ミクロン、約400ミクロン×400ミクロン、約300ミクロン×300ミクロン、約200ミクロン×200ミクロン、約150ミクロン×150ミクロン、約100ミクロン×100ミクロン、約75ミクロン×75ミクロン、約50ミクロン×50ミクロン、約25ミクロン×25ミクロン、約10ミクロン×10ミクロン、または75ミクロンから125ミクロンの間の、正方形とすることができる。約2mm×2mmの寸法を有するアクティブエリア80は、約4平方ミリメートル(mm2)のサイズ(すなわち、表面積)を有し、約10ミクロン×10ミクロンの寸法を有するアクティブエリア80は、約100平方ミクロンのサイズを有する、などである。
アクティブゾーン85のサイズは、アクティブエリア80のサイズおよびアクティブゾーン85内のアクティブエリア80の個数に依存するだけではなく、各アクティブエリア間に散在してそれを取り囲むゲート配線リード64の一部分の幅にも依存する。典型的には、ゲート配線リード64の散在する部分によって、アクティブゾーン85の寸法は、同じ側に沿ったアクティブエリア80の総寸法よりも約10〜20%大きくなり得る。例えば、4×4の格子に配列された16個のアクティブエリア80を有し、各アクティブエリア80が100ミクロン×100ミクロンのサイズを有し、グリッド配線リード64の一部によって各アクティブエリア80が散在しているアクティブゾーン85において、(ゲート配線リード64の散在する部分によってアクティブゾーンの幅が20%増加する場合に)アクティブゾーン85は、約480ミクロン×480ミクロンのサイズを有し得る。
アクティブゾーン85のすべてのアクティブエリア80が同時駆動される構成となるように、その放出ユニットを構成することができる。あるいは、アクティブゾーン85内の各アクティブエリア80(またはアクティブエリア80の異なるサブセット)を独立に駆動可能とすることができ、すなわち、そのアクティブゾーン85内の残りのアクティブエリア80は非作動のまま、個々のアクティブエリア80またはアクティブエリア80のサブセットを駆動することができる。このように、アクティブエリア80は、様々な空間的・時間的パターンで駆動することができる。その場合、アクティブエリア80の複数のサブセットは、アクティブゾーン85のための複数の異なる放出電流を実現するように駆動され得る。代替的または追加的に、アクティブゾーン85の複数の異なる同心状の領域を網羅する複数のアクティブエリア80の複数のサブセットを個別に駆動することができ、これにより、アクティブゾーン85で放出される電子ビームの初期幅、例えば断面積について、ひいては放出される電子ビームの焦点サイズについて、複数の異なるサイズを実現する。すなわち、アクティブゾーン85内の複数のアクティブエリア80のうち1つ以上の制御された駆動によって、アクティブゾーン85により放出される電子ビームの放出電流を調整可能とすることができ、また、複数の同心状の領域として編成された複数のアクティブエリア80の複数のサブセットのうち1つ以上の制御された駆動によって、アクティブゾーン85により放出される電子ビームの初期幅を調整可能とすることができる。
具体的な一実施形態として、3×3格子に配列された9つのアクティブエリアを有するアクティブゾーンを、2つの同心状の領域に分割することができ、その第1の同心状の領域は中心のアクティブエリアを含み、第2の同心状の領域は外側の8つのアクティブエリアを含む。別の実施形態として、5×5格子に配列された25個のアクティブエリアを有するアクティブゾーンを、3つの同心状の領域に分割することができ、その第1の同心状の領域は中心のアクティブエリアを含み、第2の同心状の領域は8つの中間のアクティブエリアを含み、第3の同心状の領域は、16個の外側のアクティブエリアを含む。アクティブエリアのさらに大きなアレイを有して、例えば4つ、5つ、6つ、またはさらに多くの同心状の領域を含むように、アクティブゾーンを構成してもよいことは、理解されるであろう。
次に図9B〜Dを参照すると、5×5の格子パターンに配列された25個のアクティブエリア80A'〜80Y'を有するアクティブゾーン85'を示しており、前記アクティブゾーン85'は、個別に駆動可能な3つの同心状の領域を含むことができ、第1の領域は中心のアクティブエリア80M'を含み、第2の同心状の領域は中間のアクティブエリア80G'、80H'、80I'、80L'、80N'、80Q'、80R'、80S'を含み、第3の同心状の領域は外側のアクティブエリア80A'〜80E'、80F'、80J'、80K'、80O'、80P'、80T'、80U'〜80Y'を含む。図9Bに示すように、第2と第3の同心状の領域を非作動のままとしつつ(非作動のアクティブエリア80'を黒色で表示している)、第1の同心状の領域を駆動すると(駆動されるアクティブエリア80'を白色で表示している)、小さい放出電流で狭幅の電子ビームが放出されることになる(図9B)。あるいは、第3の同心状の領域を非作動のままとしつつ、第1と第2の同心状の領域を共に駆動すると、中程度の放出電流で中幅の電子ビームが放出されることになる(図9C)。最後に、3つの同心状の領域をすべて、すなわち25個のアクティブエリアをすべて駆動すると、大きな放出電流で幅広の電子ビームが放出されることになる(図9D)。
図9A〜Dに関連した上記開示によって、複数のアクティブエリアを含むアクティブゾーンにより放出される電子ビームの放出電流および/または初期幅を調整する方法が提供されることは、理解されるであろう。また、当然のことながら、前記方法は、ゲーテッドコーン型電子源を有するアクティブエリアに限定されることなく、任意のタイプの電子源を有するアクティブエリアに適用することができる。その場合、例えば、スピント型電子源、カーボンナノチューブ(CNT)型電子源、金属−絶縁体−金属(MIM)型電子源、または金属−絶縁体−半導体(MIS)型電子源に、上記方法を適用することができる。
[電子放出構造体のさらなる特徴]
図10を参照して、電子放出構造体210のアクティブエリア80は、基板55と、陰極電極56と、抵抗層57と、ゲーテッドコーン型電子源70と、ゲート電極60と、を含むことができる。上述のように、アクティブエリア80は、ゲーテッドコーン型電子源70および/または対応するゲート電極60が占める領域と定義することができる。また、アクティブエリア80は、ゲート配線リード64で囲まれた領域と定義することもできる。
ゲーテッドコーン型電子源70は、アレイ状に配置された複数のエミッタティップ72を含むことができる。ゲーテッドコーン型電子源70は、さらに、複数のILD窓を有する層間誘電体(ILD)層74を含むことができ、各ILD窓にエミッタティップ72が配置される。ILD74は、さらに、その上に配置されたゲート電極60の支持体として機能し得る。
エミッタティップ72は、例えば、クロム、モリブデンなどで構成することができる。各エミッタティップ72は、約500ナノメートル(nm)、約400nm、約300nm、約200nm、約100nm、500nm未満、400nm未満、300nm未満、200nm未満、100nm未満、100から300nmの間、または200から400nmの間の高さとすることができる。各エミッタティップは、約500nm、約400nm、約300nm、約200nm、約100nm、500nm未満、400nm未満、300nm未満、200nm未満、100nm未満、100から300nmの間、または200から400nmの間のベース幅とすることができる。具体的な一実施形態では、エミッタティップ72は、300nm未満の高さ、かつ300nm未満のベース幅とすることができる。
ゲート電極60は、複数のゲートホール62を含むことができる。ゲート電極60は、クロム、ニオブなどの導電性材料で構成することができる。典型的には、ゲートホール62の位置は、ILD窓およびエミッタティップ72の位置に対応しており、これにより、各エミッタティップは、ゲートホール62から外へ電子ビームを放出するように構成されている。ゲートホール62は、50から500ナノメートルの間、100から400ナノメートルの間、150から250ナノメートルの間、約100ナノメートル、約150ナノメートル、約175ナノメートル、約200ナノメートル、約225ナノメートル、約250ナノメートル、約300ナノメートル、約350ナノメートル、300ナノメートル未満、250ナノメートル未満、200ナノメートル未満、150ナノメートル未満、および100ナノメートル未満の直径を有し得る。
ゲート電極60は、ゲート配線リード64を介して電圧源に導通接続することができる。ゲート電極60は、約50ナノメートル(nm)、約60nm、約70nm、約80nm、約90nm、約100nm、約125、50nmから125nmの間、または80nmから100nmの間の厚さを有し得る。ゲート配線リード64は、0.5ミクロンから20ミクロンの間の厚さを有し得る。このように、ゲート電極60は、ゲート配線リード64よりも薄い。この薄さと、さらにゲートホール62があることによって、ゲート電極60の抵抗は、ゲート配線リード線64の抵抗よりもかなり高い。
抵抗層57は、陰極57とゲーテッドコーン型電子源70との間に配置されており、数ある機能の中でも特に、陰極57とエミッタティップ72との間にそれらの駆動時に流れる電流を調整するように機能する。抵抗層57は、シリコンカーボンナイトライド(SiCN)、シリコンカーバイト、またはアモルファスシリコンを含み得る。抵抗層57は、さらに、その外面の1つ以上にバリア副層を含むことができる。すなわち、抵抗層57は、陰極との界面に配置されたバリア副層、ゲーテッドコーン型電子源との界面に配置されたバリア副層、または陰極との界面とゲーテッドコーン型電子源との界面の両方に配置されたバリア副層を含むことができる。バリア副層は、炭素リッチなSiCN層または窒素リッチなSiCN層を含み得る。
SiCNは、広範な組成を包含する。SiCNは、Si(x)C(y)N(z)で表すことができ、x、y、zは、各元素の原子パーセントを示す。例えば、x=75%、y=15%、z=10%で構成されるSi(x)C(y)N(z)は、原子の75%がシリコン、原子の15%が炭素、原子の10%が窒素であるシリコンカーボンナイトライド組成を意味する。このSiCNの表記法は、原子パーセントが0である場合を含む。例えば、z=0%の組成のSi(x)C(y)N(z)は、シリコンカーバイト(SiC)である。同様に、x=0%かつz=0%の場合はy=100%であり、これは、純カーボン、例えばアモルファスカーボンである。
典型的な抵抗層57では、例えば、x=47%、y=47%、z=6%で構成されるSi(x)C(y)N(z)を利用することができる。窒化物リッチまたは炭素リッチなバリア層は、抵抗層57で利用されるSi(x)C(y)N(z)と比較して、y値(炭素原子パーセント)が高いか、またはz値(窒素原子パーセント)が高いSiCNとすることができる。例えば、窒化物リッチまたは炭素リッチなバリア層は、40%未満のシリコン原子パーセントを有するSiCNまたはSiCとすることができる。さらなる一例として、x=47%、y=47%、z=6%で構成される上記のSi(x)C(y)N(z)が抵抗層57で利用される場合、窒素リッチなバリア層では、x=30%、y=30%、z=40%で構成されるSi(x)C(y)N(z)を利用することができ、また、炭素リッチなバリア層では、x=30%、y=65%、z=5%で構成されるSi(x)C(y)N(z)を利用することができる。あるいは、炭素リッチなバリア層は、アモルファスカーボンとすることができる。Si(x)C(y)N(z)組成のx、y、z値は、例えば、化学気相成長(CVD)のスパッタリングを用いる成膜条件など、当技術分野で知られている種々の方法で制御することが可能である。
陰極56は、銅(Cu)またはアルミニウム(Al)を含むことができ、0.5ミクロンから20ミクロンの間の厚さとすることができる。
本開示の電子放出構造体210において、ゲーテッドコーン型電子源70、抵抗層57、および陰極56が垂直方向に整列されていることは、理解されるであろう。すなわち、ゲート電極60、ゲーテッドコーン型電子源70、抵抗層57、および陰極56は、すべて、アクティブエリア80および電子放出構造体210の平面に沿って相互にオーバラップしている。また、エミッタティップ72のそれぞれの位置、対応するゲートホール62、陰極56、および抵抗層57は、電子放出構造体の平面に沿ってオーバラップさせることができる。このような構成では、上記構成要素の各々の間で横方向のずれは、ほとんどまたは全く見られず、その結果、(数ある効果の中でも特に)ゲート電極60と陰極56との間の電圧勾配の均一性が維持され、また、個々のエミッタティップ72に供給される電流の経路および電流によって発生した抵抗の均一性が維持される。
基板55は、半導体材料、例えば結晶化シリコンを含み得る。また、陰極56、抵抗層57、エミッタティップ72およびILD74を含むゲーテッドコーン型電子源70、ゲート電極60、リード配線リード64のうちいずれか1つ、またはそれらの任意の組み合わせを、基板55上に加工して、これと一体とすることができる。
[X線撮像システム]
本開示は、本明細書で記載するような少なくとも1つのX線発生装置と、本明細書で記載するような少なくとも1つの撮像装置とを備え、光導電体を含み得る撮像装置の電子受容構造体に向けてX線発生装置がX線ビームを放出するように配置された、X線撮像システムをさらに提供する。
図11Aは、撮像装置100とX線発生装置1000'とを備えるX線撮像システム2000を示している。
撮像装置100は、スペーサ4で隔てられた電子放出構造体110と電子受容構造体120とを有する。スペーサ4は、電子受容構造体120と電子放出構造体110との間に内部間隙30が存在するように配置することができる。内部間隙30は、密閉されて真空下に維持されることができ、また、電子放出構造体110と電子受容構造体120との間に遮るもののない空間を提供することができる。電子受容構造体110は、光導電体を含むことができ、X線発生装置1000'により放出されるX線を受けるように構成することができる。撮像装置100ならびにその構成要素については、本明細書の他の箇所でさらに詳細に記載している。
X線発光装置1000'は、電子放出構造体210から放出される電子ビーム71が、電子ビーム71の方向に対して例えば45度の角度で配置されたX線放出構造体220'の陽極52'に当たるように構成することができる。このような構成では、制動放射により発生するX線75'が、入射電子ビーム71に対して90度で放出されて、装置1000'から窓59'を通して横向きに出射され得る。X線発光装置1000'ならびにその構成要素については、本明細書の他の箇所でさらに詳細に記載している。
X線撮像システム2000は、X線発生装置1000'と撮像装置100との間に物体300を配置することができるように構成されており、これにより、X線75'(またはその一部)が、撮像装置100(またはその一部)に当たる前に物体300(またはその一部)を横切ることで、物体300のX線透過像を生成する。
X線撮像システム2000においてX線発生装置1000'により放出されるX線の出力および/または幅は、調整可能とすることができる。ここで、図11B〜Dを参照すると、X線撮像システム2000を、その電子放出構造体210に組み込まれ、5×5の格子パターンに配列された25個のアクティブエリア80A'〜80Y'を有するアクティブゾーン85'の拡大図と共に示している。アクティブゾーン85'は、例えば、個別に駆動可能な3つの同心状の領域を含むことができ、第1の領域は中心のアクティブエリア80M'を含み、第2の同心状の領域は中間のアクティブエリア80G'、80H'、80I'、80L'、80N'、80Q'、80R'、80S'を含み、第3の同心状の領域は外側のアクティブエリア80A'〜80E'、80F'、80J'、80K'、80O'、80P'、80T'、80U'〜80Y'を含む。
図11Bに示すように、第2と第3の同心状の領域を非作動のままとしつつ(非作動のアクティブエリア80'を黒色で表示している)、第1の同心状の領域を駆動すると(駆動されるアクティブエリア80'を白色で表示している)、小さい放出電流で狭幅の電子ビームが放出され、これにより、X線発生装置1000'は狭幅のX線ビームを放出することになる(図11B)。あるいは、第3の同心状の領域を非作動のままとしつつ、第1と第2の同心状の領域を共に駆動すると、中程度の放出電流で中幅の電子ビームが放出され、これにより、X線発生装置1000'は中幅のX線ビームを放出することになる(図11C)。最後に、3つの同心状の領域をすべて、すなわち25個のアクティブエリアをすべて駆動すると、大きな放出電流で幅広の電子ビームが放出され、これにより、X線発生装置1000'は幅広のX線ビームを放出することになる(図11D)。
本開示で提示されるX線撮像システムは、例えば、図6〜10に示すとともにこれらを参照して説明したような、本明細書に記載のいずれのX線発生装置を備えてもよく、また、例えば、図2〜5に示すとともにこれらを参照して説明したような、本明細書に記載のいずれの撮像装置を備えてもよいことは、理解されるであろう。さらに、本開示で提示されるX線撮像システムは、複数のX線発生装置および/または複数の撮像装置を備えてもよいことは、理解されるであろう。
[電子放出構造体の機能的特徴]
(図8、9A〜D、10に関して)上述したように、アクティブエリア80および対応するゲート電極60は、ゲート配線リード64の複数の部分によって取り囲むことができる。すなわち、アクティブエリア80のゲート電極60は、ゲート配線リード64内の完全に包囲された間隙に配置することができる。1つの大きなアクティブエリア80を有するアクティブゾーン85と比較して、複数のアクティブエリア80を有する上記構成には様々な利点があり、例えば、高抵抗のゲート電極60を通る電流の経路長が短縮されて、これにより、ゲーテッドコーン型電子源70の平面に沿ったゲート電極60と陰極56との間の電圧勾配の均一性を向上させることができる。さらに、ゲート配線リード64はゲート電極60よりも優れた熱伝導体であり得るため、この構成には、アクティブゾーン85の温度分布が均一になるという追加的な効果がある。
エミッタティップ72およびゲートホール62が微小(サブミクロン)サイズであることから、ゲーテッドコーン型電子源70は、ナノゲーテッドコーン型電子源であるとみなすことができる。特に注目されることは、ゲーテッドコーン型電子源70、例えばエミッタティップ72の個々の要素が微小サイズであることと、ゲートホール62が小径であることの組み合わせによって、各アクティブエリア80内に、ひいては各アクティブゾーン85内に、多数のエミッタティップ72を配置することが可能になるということである。例えば、アクティブエリア80は、1平方ミクロン当たり約1個のエミッタティップ72を含むことができる。すなわち、10,000平方ミクロン(100ミクロン×100ミクロン)のアクティブエリア80では、微小サイズのエミッタティップ72およびゲートホール62によって、約10,000個のエミッタティップ72の配置を可能とすることができる。エミッタティップ72のベース幅およびゲーテッドコーン型電子源70の他の特徴、さらにはゲート電極60の特徴に基づくと、ゲーテッドコーン型電子源70は、1平方ミクロン当たり1個のエミッタティップ72よりも高いエミッタティップ密度、例えば、1平方ミクロン当たり1から10個の間のエミッタティップ72、1平方ミクロン当たり2から4個の間のエミッタティップなどのエミッタティップ密度を有し得る。このように、微小サイズのエミッタティップ72およびゲートホール62によって、高密度のエミッタティップ72を可能とすることで、各エミッタティップ72に流れる電流を低くすることを可能としながら、ゲーテッドコーン型電子源70によって高流束密度を発生させ、さらにこれにより、ゲーテッドコーン型電子源の寿命ならびにその機能の安定性および均一性を向上させる結果となる。
ゲーテッドコーン型電子源70は、1から10mA/mm2(ミリアンペア/平方ミリメートル)の間の流束密度の電流を流すことが(すなわち、1から10mA/mm2の間の放出電流密度を有することが)可能であり得る。
ゲーテッドコーン型電子源70は、約5eV、約10eV、約15eV、約20eV、または5から15eVの間の初速度で、電子ビームを放出するように構成することができる。
ゲーテッドコーン型電子源70が(上述のように)流すことができる特定の放出電流密度が所与であれば、アクティブエリア80の放出電流は、そのサイズ(例えば、表面積)に依存することは、理解されるであろう。同様に、アクティブゾーン85の放出電流は、それが含むアクティブエリア80の個数に依存する。例えば、10mA/mm2の放出電流密度を有する100ミクロン×100ミクロンのサイズのアクティブエリア80は、0.1mAの放出電流を有する。この場合、そのようなアクティブエリア80を100個含む1.1mm2のサイズのアクティブゾーンは、10mAの放出電流を有する。同様に、そのようなアクティブエリア80を1000個含む11mm2のサイズのアクティブゾーンは、100mAの放出電流を有する。また、同様に、そのようなアクティブエリア80を5000個含む55mm2のサイズのアクティブゾーンは、500mAの放出電流を有する。このように、アクティブゾーン85の放出電流は、10mAほどの低いもの、または500mAほどの高いもの、またはさらに高いものであり得る。
陰極56は、約10mA、約50mA、約100mA、約200mA、約300mA、約400mA、約500mA、約600mA、約700mA、約800mA、約900mA、約1A、800mA超、500から700mAの間、300mAから800mAの間、100mAから800mAの間、10mAから1Aの間、少なくとも500mA、少なくとも600mA、少なくとも700mA、または少なくとも800mAの電流(「陰極電流」)を流すように構成され得る。陰極電流は、(上述のような)対応するアクティブゾーン85の放出電流と、対応するゲート電極60(および対応するゲート配線リード64)を通したゲートリーク電流と、を含み得る。一般的には、ゲートリーク電流は、放出電流に比べて小さく、従って、陰極電流は、アクティブゾーン85の放出電流と同程度であるか、またはそれよりわずかに高い。
[X線発生装置の応用]
本出願で提供されるX線発生装置は、CTスキャナ、コーンビームCT、電子ビームCT、乳房トモシンセシス断層撮影を含む他の断層撮影モダリティ、(様々な位置から高速でX線を放出可能な拡張X線源を患者の近くに配置し、X線検出器を患者から遠くに配置する)逆配置X線構成、および患者の周りの様々な位置に配置された固定X線源間の高速スイッチングを要する他の構成を含む、幅広いX線システム構成を満たすように、様々なジオメトリで配置することができる。
[実施例]
[実施例1‐集束構造の効果のシミュレーション]
図12は、電子放出構造体と電子受容構造体との間の間隙が大きくなるにつれて、電子ビームがこれに対向する電子受容構造体(例えば、本開示の撮像装置の場合の光導電体、または本開示のX線発生装置の場合のX線ターゲット)の対向面に当たる点における電子ビームの幅が増加する様子を示す、撮像装置のシミュレーション結果を示している。図12(ならびに図13〜15)を参照して、ビームランディング幅、または焦点サイズは、電子ビームがこれに対向する電子受容構造体に当たる点における電子ビームの幅を意味し、また、間隙は、(電子受容構造体の)陽極と(電子放出構造体の)陰極との間の距離を意味する。
多くの場合、ビームランディング幅は、狭いままであることが望ましい。例えば、撮像装置の場合には、ある1つのエミッタエリアから放出される電子ビームが、隣接するエミッタエリアから放出される電子ビームとオーバラップしないように、焦点サイズは画素ピッチ以下であることが望ましい。間隙距離に伴うビームランディング幅の広がりを考慮すると、ある特定の間隙距離内で実現可能な画素ピッチは制限される。集束構造/電極は、間隙距離に伴うビームランディング幅の広がりを制限するように機能し、例えばこれによって、(例えば、陽極と陰極との間の)より大きな間隙で、より小さな画素ピッチを可能とする。
図13を参照して、第1の集束構造が存在することと、第1の集束電極を介して第1の集束電圧を印加することによって、ビームランディング幅を制限することができる。例えば、(陽極から陰極まで)100マイクロメートルの間隙で、シングル集束構造を有する電子放出構造体を備えた撮像装置のシミュレーションでは、第1の集束電極に約30ボルトを印加して(陰極基準)、ビームランディング幅は、100マイクロメートルのターゲット画素ピッチに一致するように約100マイクロメートルに制限された。150マイクロメートルの間隙では、第1の集束電極に約22.5ボルト(20から25ボルトの間)を印加して、ビームランディング幅は約100マイクロメートルに制限された。最適な第1の集束電圧は、間隙のサイズ(例えば、陽極から陰極までの距離)だけでなく、電界放出型電子源の仕様、集束構造の寸法、必要に応じて調整され得る装置の他のパラメータを含む他のパラメータにも依存する。シングル集束のシミュレーション結果を以下の表1に示す。
同様に構成された選択放出構造体を備えるX線発生装置のシミュレーションにおいて、上記のビームランディング幅に対する集束構造の効果が同じようになり得ることは、理解されるであろう。
図14を参照して、第1の集束構造と組み合わせてさらに第2の集束構造が存在すること(すなわち、ダブル集束)によって、ビームランディング幅をさらに制限することができる。例えば、(陽極から陰極まで)300マイクロメートルの間隙で、ダブル集束構造を有する撮像装置のシミュレーションでは、第1の集束電極への30ボルトの印加(陰極基準)と組み合わせて第2の集束電極に約600ボルトを印加(陰極基準)することによって、ビームランディング幅は、100マイクロメートルのターゲット画素ピッチに一致するように約100マイクロメートルに制限された。400マイクロメートルの間隙では、第1の集束電極への30ボルトの印加と組み合わせて第2の集束電極に約1000ボルトを印加することによって、ビームランディング幅は約100マイクロメートルに制限された。最適な第2の集束電圧は、間隙のサイズ(例えば、陽極から陰極までの距離)だけではなく、電界放出型電子源の仕様、集束構造の寸法、必要に応じて調整され得る装置の他のパラメータを含む他のパラメータにも依存する。ダブル集束のシミュレーション結果を以下の表2に示す。
同様に構成された電子放出構造体を備えるX線発生装置のシミュレーションにおいて、上記のビームランディング幅に対する集束構造の効果が同じようになり得ることは、理解されるであろう。
[実施例2‐焦点サイズに対する初期電子速度の効果]
図15は、ゲーテッドコーン型電子源から放出される電子ビームの初期電子速度が0eVから50eVまで増加するにつれて、電子ビームがこれに対向する陽極に当たる点における電子ビームの幅(すなわち、焦点サイズ)が増加する様子を示す、電子放出構造体と電子受容構造体とを備える装置(例えば、撮像装置またはX線発生装置)のシミュレーション結果を示している。シミュレーションに適用される条件が所与であるとして(5mmの陰極領域、陽極と陰極との間の距離は4mm、フォーカスウィンドウ(集束構造の内幅)は14mm)、10eVの初期電子速度および−4000Vのフォーカスバイアス(集束構造に印加される電圧)によって、1000ミクロン未満の焦点サイズが達成された。
開示された実施形態の範囲は、添付の請求項によって規定することができ、上述の種々の特徴の組み合わせおよび部分的組み合わせが共に含まれるだけではなく、上記説明を読むことで当業者が考え付くであろう、それらの変形および変更が含まれる。
本明細書で使用される技術用語および科学用語は、本開示の関連の技術分野の当業者が一般的に捉えるのと同じ意味を持つべきものである。ただし、本出願から特許権の存続期間が満了するまでの間に、数多くの関連するシステムならびに方法が開発されると予想される。
本明細書で使用される「約」という用語は、少なくとも±10%を意味する。
「comprises(備える)」、「comprising(備えている)」、「includes(含む)」、「including(含んでいる)」、「having(有している)」という表現ならびにそれらの変化形は、「含むが、それらに限定されない」ことを意味して、列挙された構成要素が含まれることを示すものであり、通常、他の構成要素を除外するものではない。そのような表現は、「consisting of(〜で構成される)」、「consisting essentially of(〜で基本的に構成される)」という表現を包含する。
「consisting essentially of(〜で基本的に構成される)」という表現は、組成物または方法が追加の成分および/またはステップを含み得ることを意味するが、ただし、それらの追加の成分および/またはステップが、請求項に係る組成物または方法の基本的かつ新規の特徴を実質的に変えないものである場合に限られる。
本明細書で使用される、単数形"a"、"an"、および"the"は、特に文脈で明確に示していない限り、複数を指す場合を含み得る。例えば、「化合物」または「少なくとも1つの化合物」と言う表現は、その混合物を含めて、複数の化合物を含み得る。
「例示的」という表現は、本明細書では「例、事例、または実例としての役目を果たす」という意味で用いられる。「例示的」として記載される実施形態はいずれも、他の実施形態に比して好適もしくは効果的であると、または他の実施形態からの特徴の組み入れを除外するものと、必ずしも解釈されるべきものではない。
「オプションとして」という表現は、本明細書では「いくつかの実施形態では提供されるが、他の実施形態で提供されない」という意味で用いられる。本開示の具体的な実施形態はいずれも、複数の「オプションの」特徴を、それらの特徴が互いに矛盾しない限りにおいて含み得る。
本明細書で数値範囲が提示される場合には、必ず、任意の引用数値(小数または整数)を、その提示された範囲内に含むものとする。第1の提示数値と第2の提示数値との「間の範囲にある/範囲となる」という表現と、第1の提示数値「から」第2の提示数値「までの範囲にある/範囲となる」という表現は、本明細書においては区別なく用いられ、第1と第2の提示数値ならびにそれらの間のすべての小数および整数を含むものとされる。よって、理解されるべきことは、範囲形式での記載は、単に便宜上および簡潔にするためのものにすぎず、本開示の範囲を堅く制限するものと解釈されるべきではないということである。従って、範囲の記載は、その範囲内の全ての可能性のある部分範囲ならびに個々の数値を具体的に開示したものとみなされるべきである。例えば、1から6までというような範囲の記載は、1から3まで、1から4まで、1から5まで、2から4まで、2から6まで、3から6まで、などのような部分範囲、ならびにその範囲内の個々の数値である例えば1、2、3、4、5、6および非整数の中間値を、具体的に開示したものとみなされるべきである。これは、範囲の大きさに関わりなく、言えることである。
認識されるべきことは、明確にするために別々の実施形態の文脈で記載された本開示のいくつかの特徴を、ある1つの実施形態で組み合わせて提供することもできるということである。逆に、簡潔にするために1つの実施形態の文脈で記載された本開示のいくつかの特徴を、別々に、またはいずれかの適切な部分的組み合わせで、または適切であれば本開示の他のいずれかの実施形態で、提供することもできる。種々の実施形態の文脈で記載された一部の特徴は、それらの要素を備えていなくても実施形態が実施不可能とならないのであれば、それらの実施形態の本質的特徴とみなされるべきではない。
本開示について、その具体的な実施形態と関連させて説明したが、数多くの代替案、変更、および変形が当業者に明らかであろうことは言うまでもない。よって、添付の請求項の趣旨および広義の範囲から逸脱しない、かかる代替案、変更、および変形は、すべて包含するものとする。
本明細書に記載されたすべての刊行物、特許、および特許出願は、個々の刊行物、特許、または特許出願が具体的かつ個別に提示されて参照により本明細書に組み込まれるのと同じように、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。また、本出願における如何なる参照文献の引用もしくは明示も、かかる参照文献を本開示の先行技術とされることを認めるものと解釈されてはならない。セクションの見出しが使用される範囲内において、それらは必ずしも限定するものと解釈されるべきではない。
Claims (42)
- 電子受容構造体と電子放出構造体との間に内部間隙が存在するように配置された少なくとも1つのスペーサで隔てられた電子受容構造体と電子放出構造体とを備える撮像装置であって、
前記電子受容構造体は、フェースプレートと、陽極と、内向き光導電体と、を含み、
前記電子放出構造体は、
(a)バックプレートと、
(b)基板と、
(c)陰極と、
(d)アレイ状に配置された複数の電界放出型電子源であって、前記光導電体に向けて電子ビームを放出するように構成された電界放出型電子源と、
(e)ゲート電極と、を含み、
前記内部間隙は、前記電子放出構造体と前記電子受容構造体との間に遮るもののない空間を提供する、撮像装置。 - 前記撮像装置は、グリッド電極を備えていない、請求項1に記載の撮像装置。
- 前記電子放出構造体は、アレイ状に配置された複数の第1の集束構造をさらに含み、前記第1の集束構造の各々は、第1の集束電極を有する、請求項1または請求項2に記載の撮像装置。
- 前記第1の集束構造は、前記電界放出型電子源のうちのサブセットを含む単位セルを取り囲んでおり、前記単位セルは画素を画定している、請求項3に記載の撮像装置。
- 前記電子放出構造体は、第2の集束電極を有する第2の集束構造のアレイを含む、請求項1〜4のいずれか1つに記載の撮像装置。
- 前記光導電体は、アモルファスセレンを含む、請求項1〜5のいずれか1つに記載の撮像装置。
- 前記電界放出型電子源は、スピント型電子源である、請求項1〜6のいずれか1つに記載の撮像装置。
- 前記電界放出型電子源と前記陰極との間に位置する抵抗層を備える、請求項1〜7のいずれか1つに記載の撮像装置。
- 前記電界放出型電子源は、信号線を介して駆動回路に電気的に接続されており、前記第1の集束電極は前記信号線を取り囲んでいる、請求項1〜8のいずれか1つに記載の撮像装置。
- 前記基板は、シリコン系のものである、請求項1〜9のいずれか1つに記載の撮像装置。
- 前記陰極、前記抵抗層、前記信号線、前記電界放出型電子源、前記第1の集束構造、前記第1の集束電極、前記第2の集束構造、前記第2の集束電極、およびそれらの任意の組み合わせからなる群から選択された少なくとも1つの部材が、前記基板と一体である、請求項10に記載の撮像装置。
- 前記画素は、100マイクロメートル×100マイクロメートルの画素ピッチを有する、請求項4〜11のいずれか1つに記載の撮像装置。
- 前記電界放出型電子源のアレイと前記陽極との距離は、50マイクロメートルから400マイクロメートルの間である、請求項1〜12のいずれか1つに記載の撮像装置。
- 前記電界放出型電子源のアレイと前記陽極との距離は、前記画素ピッチの0.5から4.0倍である、請求項1〜13のいずれか1つに記載の撮像装置。
- X線放出構造体と電子放出構造体とが互いに対向し、電子受容構造体と電子放出構造体との間に真空内部間隙が存在するように配置された少なくとも1つのスペーサで隔てられた、X線放出構造体と電子放出構造体とを備えるX線発生装置であって、
前記X線放出構造体は、X線ターゲットである陽極を含み、
前記電子放出構造体は、少なくとも1つのアクティブソーンを有し、各アクティブゾーンは、
(a)陰極と、
(b)アレイ状に配置された複数のエミッタティップを含む、ゲーテッドコーン型電子源と、
(c)前記ゲーテッドコーン型電子源と前記陰極との間に位置する抵抗層と、
(d)複数のゲートホールを含み前記ゲートホールのうち少なくとも1つの位置は、前記エミッタティップのうち少なくとも1つの位置に対応しているゲート電極と、を有する少なくとも1つのアクティブエリアと、を含み、
前記エミッタティップは、前記X線放出構造体に向けて電子ビームを放出するように構成されている、X線発生装置。 - 前記ゲートホールの直径は、200ナノメートル未満である、請求項15に記載のX線発生装置。
- 前記エミッタティップのベース幅は、300ナノメートル未満である、請求項15または請求項16に記載のX線発生装置。
- 前記アクティブゾーンは、複数のアクティブエリアを含む、請求項15〜17のいずれか1つに記載のX線発生装置。
- 前記ゲート電極は、ゲート配線リードを介して電圧源に接続され、前記ゲート電極がすべての側において前記ゲート配線リードに接続されるように前記ゲート配線リードの間隙に配置されている、請求項15〜18のいずれか1つに記載のX線発生装置。
- 前記ゲート配線リードは、前記ゲート電極よりも厚い、請求項19に記載のX線発生装置。
- 前記ゲート配線リードは、0.5ミクロンから20ミクロンの間の厚さである、請求項20に記載のX線発生装置。
- 前記抵抗層は、300nm超または300から5000ナノメートルの間の厚さである、請求項15〜21のいずれか1つに記載のX線発生装置。
- 前記抵抗層は、SiCNを含む、請求項15〜22のいずれか1つに記載のX線発生装置。
- 前記抵抗層は、前記陰極との界面に配置された第1のバリア副層を含む、請求項23に記載のX線発生装置。
- 前記抵抗層は、前記ゲーテッドコーン型電子源との界面に配置された第2のバリア副層を含む、請求項23または請求項24に記載のX線発生装置。
- 前記バリア副層は、40%未満のシリコン原子パーセントを有するSiCNまたはSiCを含む、請求項24または請求項25に記載のX線発生装置。
- 前記バリア副層は、アモルファスカーボンを含む、請求項24または請求項25に記載のX線発生装置。
- 前記ゲーテッドコーン型電子源は、1から10mA/mm2の間の流束密度の電流を流すことが可能である、請求項15〜27のいずれか1つに記載のX線発生装置。
- 前記アクティブエリアは、100平方ミクロンから4平方ミリメートルの間の面積である、請求項15〜28のいずれか1つに記載のX線発生装置。
- 前記アクティブエリアは、1平方ミクロン当たり1から10個の間のエミッタティップを含む、請求項15〜29のいずれか1つに記載のX線発生装置。
- 前記陰極は、0.5ミクロンから20ミクロンの間の厚さである、請求項15〜30のいずれか1つに記載のX線発生装置。
- 前記エミッタティップの各々の位置、対応するゲートホール、前記陰極、および前記抵抗層は、前記電子放出構造体の平面に沿ってオーバラップしている、請求項15〜31のいずれか1つに記載のX線発生装置。
- 前記内部間隙は、前記電子放出構造体と前記電子受容構造体との間に遮るもののない空間を提供する、請求項15〜32のいずれか1つに記載のX線発生装置。
- 前記陽極は、モリブデン、ロジウム、タングステンからなる群からの1つまたは複数のものを含む、請求項15〜33のいずれか1つに記載のX線発生装置。
- 基板は、シリコン系のものである、請求項15〜34のいずれか1つに記載のX線発生装置。
- 前記ゲート電極、前記陰極、前記抵抗層、前記ゲーテッドコーン型電子源からなる群から選択された少なくとも1つの部材が、前記基板と一体である、請求項35に記載のX線発生装置。
- 前記アクティブゾーンは、少なくとも1つの集束構造で囲まれている、請求項15〜36のいずれか1つに記載のX線発生装置。
- 前記アクティブゾーンは複数のアクティブエリアを含み、前記複数のアクティブエリアは、同時駆動されるように構成されている、請求項15〜37のいずれか1つに記載のX線発生装置。
- 前記アクティブゾーンは複数のアクティブエリアを含み、前記複数のアクティブエリアのうちの1つまたは複数のサブセットを、独立に駆動することが可能である、請求項15〜37のいずれか1つに記載のX線発生装置。
- 前記アクティブゾーンのうちの1つまたは複数の制御された駆動により、前記アクティブゾーンの全放出電流を調整することが可能である、請求項39に記載のX線発生装置。
- 前記複数のアクティブエリアの前記サブセットは、同心状の領域として編成され、これにより、前記同心状の領域のうち1つまたは複数の制御された駆動によって前記電子ビームの初期幅を調整することが可能である、請求項39に記載のX線発生装置。
- 請求項1〜15のいずれか1つに記載の撮像装置と、請求項16〜41のいずれか1つに記載のX線発生装置と、を備えるX線撮像システム。
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