RU2774675C1 - Фотоэмиттерный матричный источник рентгеновского излучения - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области биомедицинских диагностических технологий. Технический результат - повышение пространственного разрешения рентгеновских томографов пятого поколения, увеличение скорости пространственного сканирования рентгеновского пучка за счет использования матричного эмиттера и создания долговечного фотоэмиттерного матричного источника электронов для получения динамического пространственно-сканируемого рентгеновского излучения для томографии. Матрица фотокатода представляет собой плоскую поверхность из диэлектрика оксида кремния с прямоугольными элементами матрицы, на каждом из которых сформированы пленочные проводящие электроды из оксида индия-олова, соединенные с периодическими встречно-штыревыми планарными микролезвиями, на которых сформирована проводящая нанопленка алмазоподобного углерода (DLC), в которую внедрены золотые нанозвезды (GNS). В качестве лазерного источника света выбран импульсный полупроводниковый инжекционный лазер либо импульсный волоконный лазер с наносекундной длительностью и с длиной волны, соответствующей максимуму плазмонного резонанса золотых нанозвезд, а в качестве сканера лазерного пучка выбран 2D пространственный сканер. 8 ил.

Description

Изобретение относится к области биомедицинских диагностических технологий, в частности к созданию устройства матричного фотоэмиттерного источника рентгеновского излучения для систем рентгеновской компьютерной томографии с повышенной скоростью сканирования и пространственным разрешением, в основе которых лежит создание массива миниатюрных источников электронных пучков на основе наноструктурированных катодов с полевой эмиссией.

Известен матричный источник рентгеновского излучения, эмиттер которого представляет пучки углеродных нанотрубок, сформированных в пространственные пиксельные микроструктуры, являющиеся автоэмиссиоными источниками электронов для генерации рентгеновского излучения из плоского металлического анода (Li, X., Zhou, J., Wu, Q., Liu, M., Zhou, R., Chen, Z. Fast microfocus x-ray tube based on carbon nanotube array. Journal of Vacuum Science & Technology B, 2019, 37(5), 051203, doi: 10.1116/1.5099697).

Известен также матричный источник рентгеновского излучения эмиттер которого представляет синтезированный массив эмиттеров на основе нанопроволок триоксида вольфрама (WO3 NW) с искусственно сформированными дефектами, который позволил достигнуть плотности тока полевой эмиссии до величины около 14 мА/см² и апробировать матричный рентгеновский излучатель с такими эмиттерами (Ryu, J.H.; Kang, J.S.; Park, K.C. Carbon Nanotube Electron Emitter for X-ray Imaging. Materials 2012, 5, 2353-2359. https://doi.org/10.3390/ma5112353); Wang C., Zhang G., Xu Y., Chen Y., Deng S., Chen J.Fully Vacuum-Sealed Diode-Structure Addressable ZnO Nanowire Cold Cathode Flat-Panel X-ray Source: Fabrication and Imaging Application. Nanomaterials. 2021, 11, 3115. https://doi.org/10.3390/nano11113115).

Для предложенных матричных эмиттеров, используемых для получения автоэмиссионных пиксельных пучков электронов в сильном электростатическом поле и генерирующих рентгеновское излучение в местах соударения электронного пучка с плоским металлическим анодом, существует проблема обеспечения надежности и долговечности эмиттеров. Для таких катодов с полевой эмиссией, вследствие экспоненциальной зависимости плотности тока эмиссии от величины напряженности локального электростатического поля, существует фундаментальная неустойчивость тока эмиссии. Результатом такой критичности может быть спонтанное развитие при малых флуктуациях ускоряющего напряжения теплового пробоя, приводящего к необратимой деградации эмиссионных свойств и в конечном итоге к разрушению эмиттера (А.Б.Петрин. Термополевая эмиссия электронов из металла и взрывная электронная эмиссия из микроотверстий. ЖЭТФ, 2009,т.136, в.2(8),369-376).

Известна рентгеновская трубка с катодным узлом на базе фотоэлектронного умножителя (см. Кирпиченко Р.В., Лукьянов В.Н., Миронов Д.Е., Филиппова О.А., Мамаева Г.А., Потрахов Н.Н., Тимофеев Г.А., Баклин А.С. Рентгеновская трубка с катодным узлом на базе фотоэлектронного умножителя и перспективы ее применения// Материалы IV Всероссийской научно-практической конференции производителей рентгеновской техники. - 24 ноября 2017 г. - С. 31-34).

Экспериментально была установлена работоспособность такой рентгеновской трубки при катодных токах, соизмеримых с типичными токами в традиционных рентгеновских трубках с накальным катодом, при этом показано, что времена эксплуатации таких рентгеновских вакуумных устройств составляет несколько тысяч часов. Основным преимуществом предлагаемой рентгеновской трубки являлось быстрое оптическое импульсное управление рентгеновским пучком с миллисекундным временным разрешением и возможностью оптоэлектронной синхронизации рентгеновского излучения при измерении динамических процессов в живых системах. Однако данная рентгеновская трубка не позволяла получать пространственное сканирование рентгеновских пучков вследствие системы динодов, вследствие пространственного перемешивания электронных и соответственно рентгеновских и, как следствие, невозможность осуществлять 3 D рентгеновскую томографию.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является рентгеновская трубка с матричным плоским фотокатодом, инжектирующем фотоэлектроны при облучении фотокатода сканирующим лазерным пучком (патент US 9,520,260 от 13 декабря 2016 , МПК H01J 35/06). Непрерывное оптическое излучение инжекционного полупроводникового лазера с длиной волны (405 нм), с энергией фотона 3,06 эВ, вызывающее соответствующий линейный фотоэффект в торцевом фотокатоде площадью 1см², состоящем из нанопленки из золота толщиной 5 нм, допированной материалом с минимальной работой выхода электронов (CsBr, CsI) и нанесенной на плоскую поверхность из кварца или сапфира, при этом элементы матрицы фотокатодного источника электронов включают наноапертуры в виде круглых наноотверстий. Плоский матричный катод пространственно облучается лазерным пучком с помощью пространственного сканера, состоящего из акустооптического модулятора. Предполагается возможность облучения фотокатода оптическим излучением с длиной волны от 200 до 800 нм.

Основым недостатком данного устройства является малое время жизни таких матричных катодов с фотоэмиссией эмиссией, так как заявляемая плотность тока электронов, эмитированных из фотокатода, порядка 1 А/см², будет вызывать вследствие фото-термоэмиссии тепловое распыление наноструктурированного катода. Известно, что допустимая плотность тока для вакуумных фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) не должна превышать единиц мА/см² (В.В.Лебедева Экспериментальная оптика. М: МГУ, 1994). Учитывая, что с помощью динодов ФЭУ коэффициент умножения может составлять 10^3-5, то фототок из фотокатода не должен превышать микроамперы. Возможно, для наноструктурированного матричного фотокатода в прототипе плотность тока с каждого пиксельного эмиттера может уменьшить допустимую локальную плотность тока, не вызывающую его распыление, но эффективность линейного фотоэффекта из металла не превышает несколько процентов. Поэтому для таких заявляемых плотностей фототока порядка 1А/см², плотность мощности лазерного пучка должна достигать величины в десятки Вт/см². С учётом значительного коэффициента отражения золотой пленки в красной и ближней ИК области и высокой интенсивности лазерного излучения возникают серьезные проблемы охлаждения наноструктурированного эмиттера.

Несмотря на использование управляемого оптического фотовозбуждения матричного эмиттера для генерации свободных электронов в прототипе, отсутствие распределенного ограничивающего сопротивления в цепи эмиттера должно приводить при больших токах, используемых в рентгеновской томографии, к возникновению экспоненциальной неустойчивости полевой эмиссии в таких катодах и, соответственно, локальному тепловому разрушению эмиттеров (J. Robertson. Mechanisms of electron field emission from diamond, diamond-like carbon, and nanostructured carbon. J. Vac. Sci. Technol. B1, V. 7, p. 659-665, 1999).

В аналогах, использующих углеродные нанотрубки, максимальный фототок составлял десятки мА/см² в непрерывном режиме и 20 мА/см² в импульсном режиме при длительности 6-20 мс и скажности 20. В предлагаемом устройстве эмиттер создается на основе встречно-штырьевых лезвийных микроструктур с углеродными алмазоподобными нанопленками и для которого экспериментально достигнута плотность тока 100 мА/см² при непрерывном времени эмиссии более 7 тысяч часов (Aban’shin N.P.; Gorfinkel B.I.; Morev S.P.; Mosiyash D.S.; Yakunin A.N. Autoemission Structures of Nanosized Carbon with Ionic Protection. Studying the Prospects of Reliable Control in Forming Structures. Tech. Phys. Lett. 2014, 40, 404-407. doi:10.1134/S1063785014050022).

Кроме того, акустооптический сканер позволяет осуществлять пространственное сканирование только по одной пространственной координате. В прототипе предлагается поместить лазер и акустооптический сканер в вакуумную систему с высокой степенью откачки (порядка10^-5-7 тор), что в процессе эксплуатации должно нарушить степень вакуумированности и, соответственно, уменьшить время жизни рентгеновского томографа и ухудшить пространственное распределение электронного пучка из-за процессов рассеяния электронов на остаточных газах. Кроме того, в прототипе фотокатодный источник электронов может включать галогениды щелочных металлов (такие, как CsBr и CsI), полупроводники (такие, как GaAs, InP) и материалы, модифицированные с легированием редкоземельным элементом (например, Eu). При этом в материалах патента прототипа не обсуждается механизм фотогенерации электронов. В указанных полупроводниковых материалах (GaAs, InP) при поглощении фотонов с энергией, определяемой используемыми длинами волн, происходит лишь внутренний фотоэффект, так как энергия фотонов больше ширины запрещенной зоны. В этом случае линейно увеличивается проводимость полупроводникового материала, но не инжектируются электроны из зоны проводимости в вакуум из-за значительной величины электронного сродства для этих материалов, и соответственно, это условие должно приводить к неэффективной фотоэмиссии электронов из полупроводников в вакуум даже в сильном электростатическом поле. Поэтому для таких материалов ставит под сомнение возможность эффективной генерации рентгеновского излучения.

Техническая проблема заключается в разработке фотоэмиттерного матричного источника рентгеновского излучения, что должно повысить скорость пространственного сканирования рентгеновскими пучками и улучшить пространственное разрешение.

Технический результат заключается в превышении пространственного разрешения рентгеновских томографов пятого поколения, увеличения скорости пространственного сканирования рентгеновского пучка за счет использования матричного эмиттера и создания долговечного фотоэмиттерного матричного источника электронов для получения динамического пространственно-сканируемого рентгеновского излучения для систем томографии.

Предлагается техническое решение в виде фотоэмиттерного матричного источника рентгеновского излучения, включающего последовательно расположенные лазерный источник оптического излучения видимого или ближнего ИК диапазона, пространственный сканер оптического излучения, фотокатод в виде матрицы, нанесенной на плоскую прозрачную для оптического излучения подложку, который содержит планарные управляющие электроды, формирующие пучки электронов, эмитированных из фотокатода, и плоский металлический анод, генерирующий рентгеновские пучки с его внешней поверхности, в котором матрица фотокатода представляет собой плоскую поверхность из диэлектрика оксида кремния (SiO₂) с прямоугольными элементами матрицы, на каждом из которых сформированы пленочные проводящие электроды из оксида индия-олова (ITO), соединенные с периодическими встречно-штыревыми планарными микролезвиями шириной не менее 3 микрон и не более 15 микрон и толщиной поверхности в диапазоне 10-30 нм из ITO, на которых сформирована проводящая нанопленка алмазоподобного углерода (DLC) толщиной в диапазоне от 5 нм до 20 нм, в которую внедрены золотые нанозвезды (GNS), каждая с размером ядра в диапазоне от 10 нм до 30 нм и лучами длиной в диапазоне от 30 нм до 60 нм; со средним расстоянием между звездами не менее трех характерных размеров звезд, в качестве лазерного источника света выбран импульсный полупроводниковый инжекционный лазер либо импульсный волоконный лазер с длительностью от единиц до десятков наносекунд и скважностью не менее 10 с длиной волны излучения, соответствующей максимуму плазмонного резонанса золотых нанозвезд в диапазоне 500 нм-1000 нм, с выходной плотностью мощности не более 10 МВт/см² и с расходимостью лазерного пучка, управляемой с помощью оптического коллиматора и соответствующей поперечным размерам одного элемента в эмиттерной матрице, а в качестве сканера лазерного пучка выбран 2D пространственный сканер.

Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами, представленными на фиг. 1-8, где

на фиг. 1 - приведена блок-схема предлагаемого решения;

на фиг. 2 - представлен увеличенный элемент пиксела фотоматрицы встречно-штыревого проводящего эмиттера лезвийного типа;

на фиг. 3 - электронная микрофотография фрагмента элемента матрицы (пикселя) встречно-штыревого фотоэмиттерного матричного источника рентгеновского излучения;

на фиг. 4 - представлены спектральные зависимости коэффициента поглощения нанопленок из кремния, ITO, алмазоподобного углерода (DLC) разной толщины в (ангстремах);

на фиг. 5 - показана пространственная форма золотой нанозвезды, погруженной в нанослой алмазоподобного углерода;

на фиг. 6 - представлены результаты численного электродинамического моделирования спектральных характеристик сечения поглощения и рассеяния GNS, погруженных в DLC;

на фиг. 7 - представлены результаты численного электродинамического моделирования эффективного коэффициента поглощения GNS от пространственного расстояния между ядрами нанозвезд;

на фиг. 8 - представлены результаты численного моделирования траекторий фотоэлектронов, эмитированных из шипов GNS, погруженных в DLC в сильном электростатическом поле.

Позициями на чертежах обозначены:

1. Источник лазерного излучения (импульсный полупроводниковый инжекционный лазер или волоконный лазер с диодной накачкой);

2. Двухкоординатный пространственный сканер с оптическим регулятором расходимости лазерного пучка (коллиматором);

3. Высоковольтный источник постоянного напряжения (менее 500 В);

4. Прямоугольный элемент матрицы фотоэмиттера, состоящий из встречно-штыревых планарных микроструктур;

5. Периодическая планарная микроструктура полосковых управляющих электродов из ITO;

6. Золотые нанозвезды (GNS), внедренные в алмазоподобную нанопленку (DLC), напыленную на планарные структуры лезвийного типа из ITO;

7. Плоский молибденовый анод, нанесенный на плоскую бериллиевую керамику;

8. Высоковольтный источник постоянного напряжения (10-100 кВ);

9. Вакуумная отпаянная система;

10. Периодическая полосковая планарная микроструктура лезвийного типа из алмазоподобной нанопленки DLC с внедренными в DLC золотыми нанозвездами и напыленная на проводящую структуру из ITO (11), осажденную на оптически прозрачный диэлектрик из SiO₂ (12).

Фотоэмиттерный матричный источник рентгеновского излучения, представленный на фиг.1, состоит из импульсного полупроводникового инжекционного лазерного диода (или волоконного лазера с диодной накачкой) 1, генерирующего наносекундные оптические импульсы с длиной волны, соответствующей максимуму плазмонного резонанса золотых нанозвезд 6; двухкоординатного пространственного сканера 2 для пространственного смещения лазерного пучка по двум поперечным координатам с управляемой с помощью оптического коллиматора расходимостью лазерного пучка; высоковольтного источника постоянного напряжения 3 (менее 500 В), соединенного с управляющими элементами 5 матрицы фотоэмиттеров 4, сформированных на плоском катоде из вакуумного стекла. Каждый элемент матрицы эмиттера 4 состоит из встречно-штыревых планарных электродов 5 из ITO для формирования управления параметрами электронного пучка; эмитируемого из золотых нанозвезд (GNS) 6, внедренных в алмазоподобную нанопленку 10, напыленную на планарные проводящие структуры лезвиевного типа 11. Устройство содержит плоский металлический анод 7 из молибденовой нанопленки, напыленной на бериллиевую керамику, используемую для теплоотвода. Анод предназначен для ускорения фотоэлектронов, эмитированных из элементов матрицы фотокатода и генерации локального рентгеновского излучения при столкновении электронных пучков с внутренней поверхностью металлического анода при соединении металлической поверхности анода с высоковольтным источником напряжения (10-100 кВ). При этом вся конструкция: матричный эмиттер - плоский анод находится в отпаянной вакуумной камере 9.

Элемент пиксела фотоматрицы встречно-штыревого проводящего катода лезвийного типа, состоящий из нанопленки из алмазо-подобного углерода (DLC) 10, напыленного на проводящую наноповерхность из ITO (11), сформированную на диэлектрике из SiO₂ 12 и созданную на планарном вакуумном стекле 9 на котором и сформирована катодная матрица, прозрачная в видимой и ближней ИК области спектра и обеспечивающая вакуумную герметичность для матричного рентгеновского излучателя.

Оптимальные геометрические параметры планарной встречно-штыревой лезвиевной микроструктуры эмиттерной матрицы для получения максимального тока обсуждались авторами в работе Якунин А.Н., Аветисян Ю.А., Акчурин Г.Г., Акчурин Г.Г., мл., Абаньшин Н.П., Логинов А.П., Мосияш Д.С., Морев С.П. Перспективы повышения плотности тока ФЭ узла на основе планарной структуры. Проблемы СВЧ электроники. 2017. Т. 1. № 3. С. 44-45.

На фиг. 4 представлены спектральные зависимости коэффициента поглощения нанопленок из кремния, ITO, алмазоподобного углерода (DLC) разной толщины (в ангстремах). Эти экспериментальные результаты, а также данные исследования эмиссионных вольтамперных характеристик являются обоснованием диапазона параметров толщины нанопленок, чтобы достичь минимального поглощения оптического излучения в нанопленках из ITO и особенно алмазоподобного углерода, но при этом добиться максимальной стабильности и времени жизни таких автоэмиссионных (полевых) эмиттеров.

Пространственная форма золотой нанозвезды (фиг. 5), погруженной в нанослой алмазоподобного углерода, использовалась для компьютерного электродинамического расчета спектральных характеристик поглощения и рассеяния оптического излучения в видимой и ближней ИК области спектра.

На фиг. 6 представлен расчет сечения поглощения (а) и сечения рассеяния (б) такой наноструктурой и изолированной золотой нанозвездой при облучении плоской оптической волной в зависимости от ее длины волны. В отличие от плазмонно-резонансного поглощения оптического излучения изолированной в вакууме золотой нанозвездой со спектральным максимумом в области 580-600 нм, в композитной наноструктуре наблюдается два эффективных плазмонных резонанса, на которых и следует облучать заявляемый эмиттер и, соответственно, выбирать длину волны лазеров для получения эффективной фотоэмиссии электронов из металла в сильном электростатическом поле.

Расчеты численного электродинамического моделирования эффективного коэффициента поглощения GNS от пространственного расстояния между ядрами нанозвезд (фиг. 7) проводились следующих параметрах: h=22, rb=5, rcur=1.5, D=28 (где: h -высота шипов, rb -радиус основания, rcur -радиус скругления наконечника, D -диаметр ядра); толщина покрытия ITO - 150 нм, длина волны (в вакууме) - 810 нм. Результаты расчета, представленные на фиг.7, показывают, что при расстояниях между нанозвездами менее 500 нм начинают проявляться взаимные ближнеполевые дифракционные и линзовые эффекты, приводящие к уменьшению суммарного коэффициента поглощения, что накладывает ограничение на поверхностную плотность осаждаемых нанозвезд, используемых при резонансном поглощении света для эффективной полевой эмиссии электронов и соответственно мощности рентгеновского излучения. Таким образом, характерный максимальный двумерный период нанозвезд, осажденных на эмиттер, ограничен расстоянием, соответствующим трем эффективным пространственным размерам нанозвезд.

Интенсивность рентгеновского излучения зависит от величины эмиссионного тока, который для фотоэмиттера с туннельным током определяется интенсивностью лазерного облучения и напряженностью электростатического поля, создаваемого в пространстве анод-эмиттер (Akchurin, G.G.; Yakunin, A.N.; Aban’shin, N.P.; Gorfinkel, B.I.; Akchurin, G.G., Jr. Controlling the Red Boundary of the Tunneling Photoeffect in Nanodimensional Carbon Structures in a Broad (UV-IR) Wavelength Range. Tech. Phys. Lett. 2013, 39, 544-547, doi:10.1134/S1063785013060151). Максимально допустимая интенсивность импульсного лазерного излучения с длиной волны, соответствующей плазмонному резонансу, связанному с GNS, ограничена сверху температурой оплавления лучей нанозвезд и составляет для наносекундных лазерных импульсов величину не более 10 МВт/см² (Zarkov, S.; Avetisyan, Y.; Akchurin, G.; Akchurin, G., Jr.; Bibikova, O.; Tuchin, V.; Yakunin, A. Numerical modeling of plasmonic properties of gold nanostars to prove the threshold nature of their modification under laser pulse. Opt. Eng. 2020, 59, 061628, doi:10.1117/1.OE.59.6.061628).

Результаты моделирования траекторий фотоэлектронов от вершин шипов золотых нанозвезд (GNS) показаны на фиг. 8. В условиях равноускоренного движения в однородном электростатическом поле этот пучок эмитированных электронов будет формировать пятно диаметром не более 60 мкм на аноде, расположенном на расстоянии 20 мм от излучателя и может быть существенно уменьшен в несколько раз при приближении анода к эмиттеру (катоду). Однако существуют ограничения на эти минимальные расстояния анод-катод, связанные, с одной стороны, необходимой энергией электронов при соударении с анодом для генерации рентгеновского излучения (напряжение 10^4-5В) и, с другой стороны, напряженностью локального электростатического поля на наночастицах порядка В/нм с учетом локального форм-фактора, увеличивающего напряженность поля на остриях звезд как минимум на два порядка, и вызывающих экспоненциальный рост полевой эмиссии.

Устройство работает следующим способом: излучение импульсного лазера с длиной волны, соответствующей максимуму плазмонного резонанса золотых нанозвезд GNS, погруженных в алмазоподобную углеродную нанопленку DLC, работающего в режиме наносекундных импульсов и генерирующего оптическое излучение в виде гауссовского пучка (1), поступает на двумерный пространственный сканер (2), на выходе которого после прохождения коллиматора сфокусированный лазерный пучок, пространственный размер которого определяется площадью одного матричного элемента фотокатода 4, пройдя прозрачную вакуумную поверхность стекла 9 и диэлектрика из оксида кремния SiO₂ 12 и прозрачную проводящую нанопленку фотокатода 11, частично поглощается нанопленкой алмазоподобного углерода 10, плазмонно-резонансно поглощается электронами в скин-слое золотых нанозвезд 6, из острийных поверхностей лучей которых происходит эффективная полевая эмиссия электронов в вакуум с помощью сильного электростатического поля, создаваемого с помощью анодного напряжения 8 и управляющего электростатического поля встречно-штыревых электродов 5, формирующих электронные пучки шириной десятки микрон на плоском аноде, которые за счет напряжения в десятки киловольт между катодом и плоским анодом преобразуют энергию электронов, составляющую соответственно десятки кило-электронвольт, в локальное рентгеновское излучение при столкновении с атомами кристаллической решетки молибденового анода с плоской поверхностью. Вследствие кулоновского торможения электронов в приповерхностном слое металла образуется электромагнитное рентгеновское тормозное или резонансное характеристическое излучение со спектральными рентгеновскими линиями излучения, длина волны которых определяется законом Мозли для материала анода (молибден), а интенсивность - локальной плотностью электронов и их энергией (Handbook of X-ray Spectrometry, 2nd ed., Eds: Van Grieken, R.; Markowicz, A. Marcel Dekker, Inc: New York and Basel, 2002, 984 pp., ISBN 0-8247-0600-5).

Пространственный размер пиксела, соответствующего области локального рентгеновского излучения, выходящего из внешней поверхности плоского молибденового анода и прошедшего бериллиевую керамику, определяется поперечным размером элемента матрицы эмиттера. При лазерном сканировании матричной поверхности эмиттера рентгеновская генерация реализуется в виде пространственно-сканируемых пиксельных рентгеновских пучков. При этом возможна пространственная и временная синхронизация лазерных импульсов и рентгеновских пиксельных пучков с наносекундным временным разрешением. Минимальное пространственное разрешение определяется минимальным размером элемента эмиссионной матрицы и расходимостью электронного пучка на промежутке эмиттер-анод, равного 2 см достигает 60 микрон, что на порядок лучше рентгеновских томографов последнего поколения.

Таким образом, на плоском аноде от ансамбля из золотых нанозвезд, являющихся локальными эмиттерами электронов, формируется характерное пространственное суммарное электронное пятно и, соответственно, пучок рентгеновского излучения, размеры которого определятся геометрическими размерами элемента эмиттерной матрицы и числом встречно-штыревых микрополосок, а также их характерным пространственным периодом. Такие матричные технологии обеспечат управляемое формирование пространственного размера рентгеновского пикселя. В современных рентгеновских трубках, используемых для компьютерной рентгеновской томографии, минимальный размер пиксела составляет 500 микрон. Предлагаемая матричная технология позволяет формировать пространственные рентгеновские пучки в сечении с характерным размером менее 100 микрон, что более чем в 5 раз превышает пространственное разрешение рентгеновских томографов пятого поколения (V. Bogdan Neculaes, P. M. Edic, M. Fronter, A. Caiafa, Ge WANG, and B. De man. Multisource X-Ray and CT: Lessons Learned and Future Outlook. Special section on emerging computed tomography technologies. IEEE Access, V.2., P.1568-1585. 2015. DOI10.1109/ACCESS.2014.2363949).

Кроме того, матричный фотоэмиттерный катод при лазерном наносекундном облучении элементов катодной матрицы должен позволить синхронизовать динамические процессы в живых системах, связанных с дыханием или сердечным ритмом, с процессами пространственного рентгеновского сканирования.

Claims (1)

1. Фотоэмиттерный матричный источник рентгеновского излучения, включающий последовательно расположенные лазерный источник оптического излучения видимого или ближнего ИК диапазона, пространственный сканер оптического излучения, фотокатод в виде матрицы, нанесенной на плоскую прозрачную для оптического излучения подложку, управляющие электроды, формирующие пучки электронов, эмитированных из фотокатода, и плоский металлический анод, генерирующий рентгеновские пучки с его внешней поверхности, отличающийся тем, что матрица фотокатода представляет собой плоскую поверхность из оптически прозрачного диоксида кремния (SiO₂) с прямоугольными элементами, на каждом из которых сформированы пленочные электроды из оксида индия-олова (ITO), соединенные с периодическими встречно-штыревыми планарными микролезвиями шириной не менее 3 мкм и не более 15 мкм и толщиной поверхности в диапазоне 10-30 нм из ITO, на которых сформирована нанопленка алмазоподобного углерода (DLC) толщиной в диапазоне от 5 нм до 20 нм, в которую внедрены золотые нанозвезды, каждая с размером ядра в диапазоне от 10 нм до 30 нм и лучами длиной в диапазоне от 30 нм до 60 нм; со средним расстоянием между звездами не менее трех характерных размеров звезд, в качестве лазерного источника света выбран импульсный полупроводниковый инжекционный лазер либо импульсный волоконный лазер с длительностью импульсов от единиц до десятков наносекунд и скважностью не менее 10 и длиной волны излучения, соответствующей максимуму плазмонного резонанса золотых нанозвезд в диапазоне 500-1000 нм, с выходной плотностью мощности не более 10 МВт/см² и с расходимостью лазерного пучка, соответствующей поперечным размерам одного элемента в катодной матрице, а в качестве сканера лазерного пучка выбран 2D пространственный сканер.

Images