TWI723094B - X射線產生裝置、x射線產生裝置之陽極及具有x射線產生裝置之設備 - Google Patents

X射線產生裝置、x射線產生裝置之陽極及具有x射線產生裝置之設備 Download PDF

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Abstract

本發明係關於一種作為用於一微聚焦或奈米聚焦X射線產生之一陽極之電子天線，該電子天線包括一天線底座及一天線元件，該天線元件配置在該天線底座上使得該天線元件自該天線底座之一前表面突出，其中該天線經配置以將在其附近之電子導引且吸引至該天線元件之頂部。

Description

X射線產生裝置、X射線產生裝置之陽極及具有X射線產生裝置之設備
本文中呈現之實例性實施例針對於一種電子導引及接收元件或一種包括一天線元及一天線底座之電子天線，該電子天線經組態以接收電子並非作為用於通信之信號而是作為用於主張電磁輻射之激發源。實例性實施例進一步針對於包括該電子天線之x射線管以及具有其他波長之應用。
現代社會中使用之大多數裝置或機器本質上係使電子自一個位置移動至另一位置之結果。係平移、振盪、均勻或加速/減速之運動形式及對運動之邏輯控制定義該等裝置或機器之功能性及多樣化。對運動之基本約束係電荷之守恆、連續性及由中性定律。在固態裝置中，內建在電源中之電位驅動電子穿過一裝置之主動組件以實現該裝置之功能性，且回流至電源。在真空器件中，電子自一電子發射器或陰極發射至真空中，其中可藉由添加一靜態或振盪電磁場而操縱該等電子，且由一電子接收元件或陽極收集該等電子。接收集過程以入射電子之與陽極材料之電子及核以及因此電磁輻射之產生為特徵。在光子之能量及動量象徵輻射之微粒態樣，的同時波長及頻率象徵輻射之波動態樣。入射電子之動能決定輻射之可能最短波長或判或；對於X射線，波長跨度介於10nm與0.01nm或更短之間。X射線源係利用此等波長之裝置。
一X射線源或管包括一電子發射器或陰極及一電子接收器或陽極。該陽極係X射線發射器。該陰極及該陽極配置成一特定組態，且封裝在一真空腔體中。一X射線產生器係包括一X射線源(管)及其電源單元之一裝置。一X射線機器或系統可包括以下組件：1)一X射線源，2)一電腦化操縱與處置裝置，3)一或多個偵測器，及4)一或多個電源單元。
X射線應用於醫學成像、安全檢驗及工業中之非破壞性測試以及其他領域中。電腦技術已徹底改革X射線在現代社會之使用，舉例而言，X射線CT掃描機(電腦斷層)。偵測器技術之進展允許經改良能量與空間解析度、數位影像及不斷增加之掃描面積。然而，用於產生X射線之技術自大約100年前庫利基(Coolidge)管之誕生(當William D.Coolidge藉由用裝納一熱鎢絲以利用熱離子發射之一經抽空管(1913年5月9日提出申請之US 1203495，「真空管」)替換氣體填充之管而徹底改革產生X射線之方式時)以來基本上一直一樣。用於產生X射線之相同物理原理現今仍在使用中。庫利基管之兩個關鍵組件(鎢(W)螺旋形細絲之陰極及嵌入於一銅(Cu)圓柱體中之W圓盤之陽極)仍看起來相同，且在現今之X射線管中以相同方式應用，具體而言，1917年12月4日提出申請之US 1326029(「白熾陰極裝置」)及1912年8月21日提出申請之US 1162339(「製成複合金屬本體之方法」)中之奠定了固定陽極X射線管的基本架構。
在過去大約幾十年，新型奈米材料之出現推進場發射陰極之基本研究及應用之進展。對於如先前技術X射線裝置中揭示之基於CNT碳奈管之場發射陰極，電子束之總電流通常太低而不能匹配針對一給定應用之熱陰極。此原則上可藉由增加陰極之面積來補救。然而，較大陰極面積將自然導致影像之較大聚焦斑及較不良空間解析度，一不想要之結果。眾所周知 的係，聚焦斑尺寸越小，影像之空間解析度越高。同樣地對於熱陰極X射線管，為了將聚焦班尺寸減小至所謂的微焦班通常採用範圍，強電磁透鏡聚焦在陰極與陽極之間通過之電子束。因此，在焦斑下面之陽極之區可受到太高熱負載而不能維持為固態的。陽極之熔化將使得管被毀壞。已存在用以在對較小聚焦點之要求與因此該聚焦點上之較高功率負載之間進行折衷權衡之各種解決方案。除使用電磁透鏡之外，US 2002/0015473 A1中亦使用一液態金屬射流陽極揭示另一類型之解決方案。射流中之液態金屬之循環將由電子束產生之熱載運至一熱槽。然而，這種射線源的「開管」而維持條件，因此整個裝置仍太龐大且複雜而不能適配在其中盛行對小型化及移動性之需求之諸多工業及醫學應用中。
在來自申請人之先前專利申請案WO2015/118178及WO2015/118177中，揭示了一種非CNT之電子發射器(可利用除熱離子發射以外的發射機制產生之X射線)及一種X射線裝置，以將此等X射線源之新的且有利特徵引入至X射線成像中。
在本申請案中，申請者提出了一"電子天線"一根本上的新概念以替代用於產生電磁輻射之一真空裝置中之一陽極之概念。本申請案將提供一電子天線作為用於X射線產生之陽極之替代者，且提供包括該電子天線之微斑焦或奈米斑焦X射線管。
一陽極(陰極之相反電極)係一X射線管之關鍵組件中之一者；陽極之功能係接收自陰極發射之電子以發射X射線，且同時能夠將熱(X射線產生過程之一副產物)傳導至周圍環境。其中電子束撞擊陽極之區域稱作斑焦點。在固定陽極管中，陽極由嵌入於一更龐大銅圓柱體中之一小鎢圓盤 (其中前表面係共面的)製成；由William.D.Coolidge在1912年發明且在US 1162339中揭示了製成其之一結構及方法。在此等先前技術X射線管中，聚焦斑之形狀係投影至圓盤之表面(較佳地在中心處)的陰極之形狀；且在具有或不具有電磁透鏡之情況下聚焦斑之大小及位置由陰極與陽極之間的空間中之電磁場決定。陽極忠誠地接收自陰極發射之若干個電子，但完全不能做操控或擺佈電子之任何事情。換言之，陽極未做關於確定聚斑大小之任何事情。
本文中所揭示之實施例將改變此狀況。藉由將電子天線之概念應用於一射線管之一重新設計，將陽極放在主導地位以決定焦斑大小。電子天線之概念亦可用於產生微斑焦或奈米斑焦UV光束或可見光束。取決於電子天線之材料及/或結構該概念因此用於產生各種波長之微焦斑或奈米斑焦輻射束。下文將闡述某些實例性實施例。
一天線經定義為「設計用來輻射或接收電磁波之一在電訊傳輸或接收系統中「設計用來輻射或接收電磁波之一在電訊部件」。讀者可參考IEEE天線術語標準定霧：IEEE標準145-1993，IEEE，28 pp.，1993，以瞭解完整之文件。一般而言，一接收天線包括一天線元件及一天線底座。前者經結構化且經組態以最有效地接收信號，然而後者充當前者之支撐件且進一步傳輸信號。電子天線顧名思義意欲最有效地接收電子。確切而言，天線元件經結構化且經組態以接收來到其之所有電子且將該等電子拘限至一預定區域，然而天線底座經結構化且經組態以傳導電及熱。儘管其看似顯然，但仍應指出：1)由電子天線接收之實物並非電磁輻射而是一電子束；2)所接收之電子不用作用於通信之信號而是用作用於電磁輻射之激發。因此透過以上兩種延伸給予天線之概念新含意。
在X射線管之重新設計中，在一項實例性實施例中，藉由用充當一天線元件之自Cu圓柱體突出之一薄金屬薄片替代充當一陽極之與Cu圓柱體共面之W圓盤而實施一電子天線之概念。天線元件之突出及高縱橫比導致電場在天線元件之頂端處之一區域增強，電場將集中在頂端處。因此，天線元件能夠吸引或導引所有電子朝向其頂部且使天線底座不能直接接收線的電子。借此，使僅在天線元件之頂部表面之區域內產生X射線；換言之斑焦點是，由天線元件確定之幾何特徵而。如此可見，在X射線產生之情況下一先前技術圓盤陽極與一電子天線之間的基本差異在於：圓盤陽極被動地接收來自陰極之若干個電子，但不決定焦斑大小；然而電子天線主動地導引且吸引朝向其之電子，且決定焦斑大小。
因此，本文中呈現之實例性實施例案之至少一個目標係引入電子天線之一根本之新概念且提供用於將電子束導引且焦至天線元且在天線元處收集電子以自天線元件之頂部表面之區域內產生X射線的一根本上不同機制及技術，該天線元之長度標尺度可在自毫米向下至奈米範圍內變化。以此方式將焦斑大小控制至決不超過天線元件之頂部表面之大小的大小，且聚焦點大小不那麼依賴於陰極之形狀及大小。包括該電子天線之X射線管將提供無漂移微焦斑或奈米焦斑能力且更加小型化、成本低、耐用且多功能。於使用相同電子天線技術在真空管中亦可產生UV光及可見光。
相應地，本文中呈現之實例性實施例針對於一種包括一電子天線及一天線底座之電子天線，該天線底座用以界定X射線聚焦斑之位置、形狀及尺寸且將所產生之熱作為X射線產生之一副產物耗散。實例性實施例進一步針對於包括該電子天線之x射線管。藉由用下文說明中之不同材料或結構替換天線元，該電子天線可用于產生UV光或可見光。
天線元：
不用于在習用陽極中之圓盤狀，在一項實例性實施例中將天線元制塑形成一薄葉片。下文為更多實例性實施例。
葉片之剖面尺寸及傾斜角定義X射線束之聚焦斑之尺寸。
天線元可由各種金屬及合金(例如W及W-Re)製成。
此外，天線元可製成為各種形狀以滿足對X射線聚焦斑之形狀之需要。
此外，天線元可製成為各種大小以滿足對在自毫米向下至奈米尺度之一範圍中之X射線聚焦斑之大小之需要。
此外，在一項實例性實施例中，可藉由各別金屬或合金之薄片之EDM(放電機械加工)或藉由沖壓製造天線元。
天線底座：
天線底座可由較佳地擁有高電導率、高熱導率、高熔點及可加工性或成形性之各種金屬、合金、化合物或複合物製成。
天線元與天線底座之融合：
與底座接觸的天線元之表面可塗佈有與底座相同之材料之一薄層或在底座與天線元特性相似的一材料以增強天線元件與底座之間的熱及/或電親和性。
可藉由自螺絲及/或鉚釘提供之機械壓力或藉由真空鑄造進行天線元與天線底座之融合或結合。
X射線管中之組態：
天線和與陰極杯之空間部局其在一常規固定陽極X射線管或旋轉陽極X射線管中之布局相同。。
X射線裝置：
本文中呈現之實例性實施例針對於一種包括該電子天線之X射線裝置。
當與一個熱絲陰極組合時，包括該電子天線之一X射線裝置可經組態為一單熱陰極微焦斑或奈米焦斑管。
當與一個場發射陰極組合時，包括該電子天線之一X射線裝置可經組態為一單場發射陰極微焦斑或奈米焦斑管。
當與含有一個場發射陰極及一個熱絲陰極之一陰極杯組合時，包括該電子天線之一X射線裝置亦可經組態為一雙陰極微焦斑或奈米焦斑管。
當使用一絕緣天線底座時，包括該電子天線之一X射線裝置亦可經組態為具有包括多個(熱離子或場發射)陰極及電子天線元件之多個激發源的一微焦斑或奈米焦斑管。
當與包括一柵極電極之一電子發射器組合時，包括該電子天線之一X射線裝置可進一步組態為一個三極體場發射微焦斑或奈米焦斑管。
該場發射陰極可進一步經組態以允許熱助發射，諸如肖特基(Schottky)發射。
當單個或多個天線元圓形地嵌入於旋轉圓盤中時，包括該電子天線之一X射線裝置可經組態為一種類型之旋轉陽極微焦或奈米焦斑管。
當多個天線元以相等角度空間放射狀地嵌入於旋轉圓盤中時，包括該電子天線之一X射線裝置可經組態為另一類型之旋轉陽極微焦斑或奈米聚焦管。
實施例之實例性優點：
該電子天線機制或技術之應用會提供實現微焦斑或奈米焦斑管允許 一更簡單且更經濟方法。該電子天線之使用亦能在距大聚焦斑管居先之應用中使用此類型之微焦斑管。
應用：
實例性實施例中之某些實例性實施例針對於上文所闡述之X射線產生裝置在一安檢X射線掃描設備中之使用。
實例性實施例中之某些實例性實施例針對於上文所闡述之X射線產生裝置在無損探傷中之使用。
實例性實施例中之某些實例性實施例針對於上文所闡述之X射線產生裝置在用於全身體或部分或器官掃描之醫學成像設備(諸如電腦斷層掃描機、(小型)C臂類型掃描設備、乳房攝影術、血管攝影術及牙科成像裝置)中之使用。
實例性實施例中之某些實例性實施例針對於上文所闡述之X射線產生裝置在一地質勘測設備、繞射設備及螢光光譜學中之使用。
實例性實施例中之某些實例性實施例針對於上文所闡述之X射線產生裝置在X射線相位成像中之使用。
實例性實施例中之某些實例性實施例針對於上文所闡述之X射線產生裝置在X射線彩色CT成像中之使用。
該電子天線亦可係用於產生一微焦或奈米焦斑UV光束之發射源，其中天線元包括配置在該天線元之頂部表面處之個或多個量子井或量子點者。一UV光產生裝置可包括此一電子天線。
UV光產生裝置可係一旋轉陽極微焦或奈米焦焦斑管，其中一個或多個天線元圓形地嵌入於一旋轉天線底座圓盤中。
該電子天線可係用於產生一微焦斑或奈米焦斑可見光束之發射源， 其中天線元件包括配置在該天線元件之頂部表面處之一發磷光材料或一螢光材料。一可見光產生裝置可包括此一電子天線。
該可見光產生裝置可係一旋轉陽極微焦或奈米焦斑管，其中一個或多個天線元圓形地嵌入於一旋轉天線底座圓盤中。
0100:經抽空玻璃管/管
0110:熱絲陰極/陰極/細絲陰極/細絲/熱陰極
0120:鎢圓盤陽極/陽極/透射陽極
0130:銅圓柱體
0140:電源供應器/電源單元
0145:電磁透鏡
0150:電子束/束
0160:電源
0165:電源
0170:X射線束
0175:液態金屬射流陽極/液態金屬射流
0180:窗口
0190:典型「雙香蕉」形狀之焦斑點
0200:電子天線元件
0210:頂部表面/頂部邊緣
0220:面
0230:孔
0300:葉片形狀天線元件/天線元件
0305:陰極杯
0310:半圓柱體塊/半圓柱體銅塊
0315:熱絲
0320:天線底座
0325:電子束
0330:圓柱體
0335:電子天線元件/天線元件
0345:天線底座
0410:十字形
0420:圓形圓盤
0430:橢圓形圓盤
0440:正方形
0450:矩形
0460:線性節段
0470:線性節段
0480:線性節段
0490:線性節段
0510:天線底座
0520:天線底座
0610:天線元
0620:天線元
0630:絕緣天線底座
0720:天線元
0730:天線底座
0810:場發射陰極
0820:電源單元
0910:陰極杯
1010:閘極電極
1105:天線元
1110:旋轉圓盤/天線底座
1115:旋轉圓盤/天線底座
1120:圓形天線元
1125:角度空間
1130:圓形天線元
h:高度
L:頂部表面之長度
r:半長軸
t:葉片之厚度
θ:傾斜角/陽極角
α:等分角
前文根據如附圖中所圖解說明之實例性實施例之下列較特定說明將顯而易見，其中貫穿不同視圖相似元件符號指代相同部件。該等圖式未必按比例，而重點在於圖解說明該等實例性實施例。
圖01A至圖01C示意性地展示先前技術x射線管：1A係包括一習用陽極(無微聚焦)之一X射線管之一示意圖；1B係包括一習用陽極及電磁透鏡之一微焦斑X射線管之一示意圖，1C繪示使用一液態金屬射流陽極之微焦斑X射線產生。
圖02係根據本文中所闡述之實例性實施例中之某些實例性實施例之一電子天線元件之一說明性實例；圖03A係根據本文中所闡述之實例性實施例中之某些實例性實施例之包括一天線元及一天線底座之一電子天線之一示意圖。
圖03B係電子天線及其用於導引及接收電子之物理原理之一圖解說明。
圖04係根據本文中所闡述之實例性實施例中之某些實例性實施例之一電子天線元可具有之不同形狀之一說明性實例；圖05係在一項實例性實施例中之單個天線元之一導電天線底座(例如Cu)之一圖解說明；圖06係根據本文中所闡述之實例性實施例中之某些實例性實施例之 在天線底座由例如BN或Al2O3之一絕緣材料製成時包括多個天線元件之一電子天線之一示意圖。
圖07係包括一個熱陰極及一電子天線之一X射線管之一示意圖。
圖08係包括一個場發射陰極及一電子天線之一X射線管之一示意圖。
圖09係包括一雙陰極(亦即一個場發射陰極及一個熱絲陰極)及一電子天線之一X射線管之一示意圖。
圖10係包括一場發射陰極、一柵極電極及一電子天線之一X射線管之一示意圖。
圖11A及圖11B係圖解說明根據本文中所闡述之實例性實施例中之某些實例性實施例之使用電子天線之兩種類型之旋轉陽極管解決方案之圖表。
在下列說明中，出於闡釋而非限制之目的，陳述若干具體細節(諸如特定組件、元件、技術等)以便提供實例性實施例之一透徹理解。然而，熟習此項技術者將明瞭，可以其他方式實踐表面上不同于此等具體細節但內在地與此等具體細節有聯繫之實例性實施例。在其他例項中，省略眾所周知之方法及元件之詳細說明以免模糊該等實例性實施例之說明。本文中使用之術語係出於闡述實例性實施例之目的且不意欲限制本文中呈現之實施例。
問題：
為了更好地闡述實例性實施例，將首先識別且論述一問題。圖01A圖解說明一傳統X射線管。圖01A之X射線管以包括一熱絲陰極0110及嵌入於一Cu圓柱體0130中之一W圓盤陽極0120的一經抽空玻璃管0100為特 徵。陽極0120之表面以一預定傾斜角或陽極角面對陰極0110。由一電源供應器0140提供之一電流通過燈絲陰極0110，從而導致燈絲0110之溫度增加至使其自此燈絲發射一定強度的電子束0150之準。然後藉由一電源0160所提供之一電位差使束0150中之電子朝向陽極0120加速。經由一窗口0180將所得X射線束0170自裝置引導出。陰極與陽極之間的電壓差決定X射線束斑之能量(非微焦斑狀況)。一典型「雙香蕉」形狀之聚焦斑由0190指示。
圖01B係包括一透射陽極0120及若干電磁透鏡0145之一先前技術微焦斑X射線裝置之一示意圖。該等透鏡將額外尺寸體積及重量及成本添加至球管0100；且需要一額外電源0165來驅動該等透鏡及與管之輸出電壓(例如UH、UG、UACC)同步。因此，此類型之微焦斑管具有關於體積重量、成本以及X射線束之橫向漂移之問題。為獲得進一步資訊，參見(例如)www.phoenix-xray.com。
圖01C係使用一液態金屬射流陽極0175之先前技術微焦斑X射線產生之一示意圖。電子束0150撞擊液態金屬射流0175，從而產生一X射線束0170。液態金屬射流陽極需要一所謂的開放系統，此意味藉由泵真空抽以維持系統高真空條件。此解決方案係龐大且昂貴的。另外，陽極材料限於具有低熔化溫度之金屬。為獲得進一步資訊，參見(例如)www.excillum.com。
實例性實施例：
本文中呈現之實例性實施例針對於一種電子導引及接收元件或一種包括一天線元及一天線底座之電子天線，該電子天線經組態以接收電子並非作為用於通信之一信號而是作為用於電磁輻射之激發源。實例性實施例 進一步針對於包括該電子天線之x射線管。
該電子天線包括一天線元及一天線底座。該天線元經結構化且經組態以接收來到其附近之所有電子且將該等電子拘限至一限定義區域中，同時該天線底座經結構化且經組態以傳導熱及/或電。
天線元：
圖02係根據本文中所闡述之實例性實施例中之某些實例性實施例之經塑形為一薄葉片之一電子天線元0200之一說明性實例；其中元天線之頂部表面或頂部邊緣0210意欲接收電子。0220指示天線元之兩個面，θ表示傾斜角或陽極角，t表示葉片之厚度，且L表示頂部表面之長度。頂部表面之最大長度係10mm，且可自10mm向下至奈米範圍變化。陽極角θ可在幾度(例如5度至45度)之間變化。葉片之剖面之尺度及傾斜角θ決定X射線束之聚焦斑之尺度即得葉片之寬度限制聚焦斑之寬度，焦斑之長度受l=L sinθ限制。孔0230係用於相對於天線底座定位及固定該天線元。天線元件L及t可製成為各種大小以滿足對X射線聚焦斑之大小之需要。一較佳範圍係自(L=10，t=0.1)mm向下至半徑為10nm之一圓盤。在大功率應用中，然而，聚焦點面積可以是8×8mm2這樣大。
圖3A係根據本文中所闡述之一項實例性實施例之一電子天線之一示意圖，0300係夾置在形成天線底座0320之兩個半圓柱體塊0310之間的葉片形狀之天線元，其中天線元0300之兩個面0220與天線底座0320接觸。在一項實例性實施例中，兩個半圓柱體Cu塊0310充當天線底座0320。葉片之上部部分經組態以自圓柱體0330之一傾斜前表面突出且與該傾斜前表面平行。突出之高度h在0.001mm至5mm之一範圍內且聚焦斑而定大小。高寬比h/t設在10至100之範圍內。
圖3B展示一熱絲陰極與電子天構成之一示意性側視圖，且圖解說明天線之導引及焦斑原理。該組件包括一陰極杯0305、一熱絲0315、電子(e-)束0325、電子天線元件0335及天線底座0345。如可見，整個電子束焦斑於天線元0335上。
該天線元可由各種金屬(包含但不限於W、Rh、Mo、Cu、Co、Fe、Cr及Sc等)或合金(包含但不限於W-Re、W-Mo、Mo-Fe、Cr-Co、Fe-Ag及Co-Cu-Fe等)製成以滿足對特定應用之要求。
圖4係根據本文中所闡述之實例性實施例中之某些實例性實施例之一電子天線元可具有之不同形狀之一圖解說明。該天線元之頂部表面可製成為各種形狀以滿足對X射線焦斑之形狀之需要，包含但不限於十字形0410、圓形圓盤0420(具有一半徑R)、橢圓形圓盤0430、正方形0440、矩形0450及數個種類之線段0460至0480。0490係0480之俯視圖，且因此可係整個天線元之俯視圖。頂部表面之邊緣可係平滑的以滿足對區域電場之特定分佈之特定需要。注意，頂部表面之形狀直接或間接反映天線元件剖面之形狀。
圓形圓盤之直徑、橢圓形圓盤之半長軸、正方形之邊及矩形之長邊可在10nm與10mm之間取捨。
天線底座：
天線底座擇優選擇具有高電導率、高熱導率、高熔點及可機械加工性或成形性之各種金屬、合金、化合物或複合物製成。在較佳實施例中，該等材料包含但不限於Cu、Mo、BN及Al2O3。
圖5係在一項實例性實施例中之單個天線元之一導電天線底座(例如Cu)之一圖解說明，0510係天線底座之側視圖，且0520係天線底座之俯視 圖。一導電底座之一有益特徵係其自身可用作電饋通。
圖6係根據本文中所闡述之實例性實施例中之某些實例性實施例之由一電絕緣材料(例如BN或Al2O3)製成之一天線底座之一示意圖；0610係一天線元之側視圖，且0620係平行夾置在充當絕緣天線底座0630之BN或Al2O3塊之間的多個天線元中之一者。在此情形中，多個天線元可經組裝以構成一多聚焦斑球管。應注意，此等多個天線元0620可由未必相同材料製成。
天線元與天線底座之融合：
與底座接觸的天線元之表面可塗佈有與底座相同之材料之一薄層或在底座與天線元8特性相近之一材料以增強天線元件與底座之間的熱及/或電親和性。該層可具有在10μm與50nm之間的一厚度。
可藉由自螺絲及/或鉚釘提供應之機械壓力或藉由真空鑄造進行該天線元件與該天線底座之融合或結合。
X射線管中之組態：
天線與陰極杯之空間關係經組態在一種常規固定陽極X射線管或旋轉陽極X射線管中的管子相同。
X射線裝置：
本文中呈現之實例性實施例針對於一種包括該電子天線之X射線裝置。相對於較早圖中之彼等圖而未變更的稍後圖中之X射線裝置之特徵具有相同編號。
當與一個熱陰極組合時，包括該電子天線之一X射線裝置可經組態為一單熱陰極微焦或奈米聚焦焦斑球管。
圖07係包括一單熱陰極0110及一電子天線之此一X射線管之一示意 圖；其中0720及0730分別表示天線元及天線底座。
當與一個場發射陰極組合時，包括該斑球電子天線之一X射線裝置可經組態為一單場發射陰極微焦斑或奈米焦斑管。
圖8係包括一個場發射陰極0810及電子天線之此一X射線管之一示意圖，該電子天線包括一個天線元件0720及天線底座0730。
當與包括一個場發射陰極及一個熱陰極之一陰極杯組合時，包括該電子天線之一X射線裝置亦可經組態為一雙陰極微焦或奈米聚焦斑球管。
圖9係包括雙陰極(亦即一個場發射陰極及一個熱絲陰極)及一電子天線(包括一天線元件0720及一天線底座0730)之此一X射線管之一示意圖；其中0910表示包含雙陰極之一陰極杯，且0140表示用於熱陰極之電源單元。
當使用一絕緣天線底座時，包括該電子天線之一X射線裝置亦可經組態為具有包括多個(熱離子或場發射)陰極及電子天線元之多個激發源的微焦或奈米焦斑球管；參見圖6，針對此一多元件天線之一示意圖，0620及0630分別用於天線元件及天線底座。
當與包括一柵極電極之一場電子發射器組合時，包括該電子天線之一X射線裝置可進一步經組態為三極體場發射微焦或奈米焦斑球管。
圖10係包括一場發射陰極0810及其電源單元0820、一柵極電極1010以及一個電子天線(包括一天線元0720及天線底座0730)之此一X射線管之一示意圖。
該場發射陰極可進一步經組態以允許熱助發射，諸如肖特基發射。
當單個或多個天線元圓形地夾置在旋轉圓盤中時，包括該電子天線之一X射線裝置可經組態為一種類型之旋轉陽極微焦斑或奈米焦斑球管。
圖11A圖解說明根據本文中所闡述之實例性實施例中之某些實例性實施例之此類型之旋轉陽極解決方案；其中1110表示充當天線底座之旋轉圓盤，1120及1130係夾置在天線底座中之兩個圓形天線元。天線底座1110係俯視。在其他實施例中，可存在兩個以上天線元絲。且天線元件之材料可製成為不同的。
當多個天線元以分等角度放射狀地夾置在旋轉圓盤中時，包括該電子天線之一X射線裝置可經組態為另一類型之旋轉陽極微焦或奈米斑球管。
圖11B圖解說明根據本文中所闡述之實例性實施例中之某些實例性實施例之此類型之旋轉陽極解決方案；其中1105表示天線元中之一者，1115表示充當天線底座之旋轉圓盤，且1125指示天線元件之間的角度空間，其中α表示其值。藉由電子發射之脈衝頻率及旋轉速度決定天線元件之數目。天線底座1115係俯視。
實施例之實例性優點：
電子天線之概念及其在X射線管重新設計中之應用針對小型化微聚焦或奈米焦斑X射線管而言，提供了比液態射流陽極方法及使用陰極與陽極之間的電磁透鏡之習用方法更簡單且更經濟的方法。在電磁透鏡方法中，即使焦斑大小可焦至奈米範圍，焦斑之漂移亦可係顯著的，在諸多因素中，漂移主要來源加至透鏡、陰極及陽極之電壓之不穩定性(通訊01/2015，X-RAY WorX GmbH)。該電子天線之使用能夠提供尺寸在毫米向下至奈米尺度之一範圍中之一無偏移焦斑。藉由如下事實保證無漂移焦斑點：由機械地固定在固體天線底座且因此無任何運動之電子天線元決定的。另外，天線元之形狀及其與天線底座之大接觸面積提供一優越熱管 理解決方案。該電子天線之使用亦允許在其中焦斑球管居先之應用中使用所得微焦斑球管。
應用：
應瞭解，可在若干領域中使用本文中闡述之X射線裝置。舉例而言，可在一安檢掃描設備中使用本文敘述的X射線裝置，在一機場安檢郵件中心。
本文中論述之X射線裝置之一進一步實例性使用係在可包含一小型C臂設備之醫學掃描裝置(諸如一電腦斷層(CT)掃描設備或一C臂類型掃描設備)中。X射線裝置之幾個實例性應用可係乳線攝影術、獸醫成像及牙科成像。
本文中闡述之X射線裝置之一進一步實例性使用係在一地質勘測設備、X射線繞射設備及X射線螢光光譜術等中。
應瞭解，可在任一無損檢測試設備中使用本文中闡述之X射線裝置。
應瞭解，可在相位對比成像及彩色CT掃描機中使用本文中闡述之X射線裝置。
如先前所提及，電子天線亦用作為用於產生具有除X射線以外之波長之輻射。藉由用包括UV光發射材料(諸如量子井或量子點)之一天線元替代在以上說明中用於產生一X射線束之金屬電子天線元，UV光之產生係可能的。此經改良聚焦一UV光束具有與此法X射線束類似之優點。藉由如下事實保證無漂移聚焦點：焦點大小是由機械固定在固體天線底座且因此無任何運動之電子天線元決定。另外，天線元之形狀及其與天線底座之大接觸面積提供一優越熱管理解決方案。該電子天線之使用亦允許在其中大焦斑管居先之應用中使用所得微焦斑管。
類似地，藉由用包括可見光發射材料(諸如一發磷光或螢光材料)之一天線元替代在以上說明中用於產生一X射線束之金屬電子天線元件，可見光之產生係可能的。經改良聚焦的一可見光束之一具有與此法X射線束類似之優點。藉由如下事實保證無漂移聚焦點：聚焦點大小是由機械固定至固體天線底座且因此無任何運動之電子天線決定的。另外，天線元之形狀及其與天線底座之大接觸面積提供一優越熱管理解決方案。該電子天線之使用亦允許在其中大聚焦斑管居先之應用中使用此法所得微焦斑管。
已出於圖解說明之目的來呈現本文中所提供之實例性實施例之說明。該說明並非意欲為窮盡性或將實例性實施例限於所揭示之精確形式，且修改及變化形式依據上述教示可係可能的或根據所提供實施例之各種替代方案之實踐而獲得。本文中所論述之實例經選擇及闡述以便闡釋各種實例性實施例及其實際應用之原理及本質以使得熟習此項技術者能夠以各種方式且藉助適合於所預期之特定使用之各種修改來利用該等實例性實施例。可在方法、設備、模組、系統及電腦程式產品之所有可能組合中組合本文中所闡述之實施例之特徵。應瞭解，本文中所呈現之實例性實施例可以彼此之間的任一組合來實踐。
應注意，措辭「包括」未必排除除所列舉之彼等元件或步驟以外的其他元件或步驟之存在，且一元件之前的措辭「一(a)」或「一(an)」並不排除複數個此等元件之存在。應進一步注意，任何元件符號皆不限制申請專利範圍之範疇，其中該等實例性實施例可至少部分地藉由硬體及軟體兩者來實施，且數個「構件」、「單元」或「裝置」可由同一硬體項目來表示。
在圖式及說明書中，已揭示例示性實施例。然而，可對此等實施例 做出各種變化及修改。相應地，儘管已採用具體術語，但其僅係以一般且描述性意義來使用且並非出於限制目的，該等實施例之範疇係由下列申請專利範圍定義。
0305:陰極杯
0315:熱絲
0325:電子束
0335:電子天線元件/天線元件
0345:天線底座

Claims (20)

  1. 一種陽極，用於X射線管，其特徵在於：該陽極包括一電子天線，該電子天線包括一天線元件X射線發射器；其中該天線元件配置在一天線底座上；該電子天線經組態以與一陰極杯之空間關係和在一固定陽極X射線管或旋轉陽極X射線管中相同，其中該天線元件的一上部部分自該天線底座之一前表面向外突出並平行該天線底座之該前表面，其中該天線元件之突出以及該天線元件之一縱橫比導致一電場在該天線元件之頂端處之一區域增強，其中該天線元件自該天線底座之突出高度介於1um至5mm之間，且該天線元件之一頂部表面相對於該天線底座之軸線具有5°至45°之一陽極角θ。
  2. 如請求項1之陽極，其中該電子天線包括呈一葉片之形狀之一天線元件，其中該葉片的頂表面的形狀為十字形、正方形、矩形、線段形、橢圓形圓盤或一圓形圓盤。
  3. 如請求項2之陽極，其中該葉片或該十字形之縱向剖面之一寬度、該矩形之長邊、該正方形或線段形狀之邊介於10nm至200μm之間。
  4. 如請求項2之陽極，其中該圓形圓盤包括一半徑R
    Figure 105140036-A0305-02-0024-1
    200μm或其中該橢圓形圓盤具有一半長軸r
    Figure 105140036-A0305-02-0024-2
    200μm。
  5. 如請求項1之陽極，其中該電子天線用於產生單一或多個微焦或奈米焦斑X射線束之真空管中之一陽極之替代物；其中該天線元件係金屬的且包括如下金屬中之一或多者：W、Rh、Mo、Cu、Co、Fe、Cr及Sc；或如下合金中之一或多者：W-Re、W-Mo、Mo-Fe、Cr-Co、Fe-Ag及Co-Cu-Fe。
  6. 如請求項1之陽極，其中該天線底座包括係如下各項中之一或多者之導電材料：Cu、Mo及複合材料。
  7. 如請求項1之陽極，其中該天線底座包括一電絕緣材料，且其中多數個天線元件配置在該天線底座上。
  8. 如請求項7之陽極，其中該電絕緣材料係以下各項中之一或多者：BN、Al2O3。
  9. 一種陽極，用於X射線管，其特徵在於：該陽極包括一電子天線，該電子天線包括一天線元件X射線發射器；其中該天線元件配置在一天線底座上；該電子天線經組態以與一陰極杯之空間關係和在一固定陽極X射線管或旋轉陽極X射線管中相同，其中該天線元件的一上部部分自該天線底座之一前表面向外突出並平行該天線底座之該前表面，其中該天線元件之突出以及該天線元件的一縱橫比導致一電場在該天線元件之頂端處之一區域增強，其中一葉片的該縱橫比，由一高度h除以一寬度t所定義，介於10至 100之範圍內。
  10. 一種陽極，用於X射線管，其特徵在於：該陽極包括一電子天線，該電子天線包括一天線元件X射線發射器；其中該天線元件配置在一天線底座上；該電子天線經組態以與一陰極杯之空間關係和在一固定陽極X射線管或旋轉陽極X射線管中相同，其中該天線元件的一上部部分自該天線底座之一前表面向外突出並平行該天線底座之該前表面，其中該天線元件之突出以及該天線元件的一縱橫比導致一電場在該天線元件之頂端處之一區域增強，其中一金屬天線元件係一鎢葉片且該天線底座包括兩個半圓柱體銅部件，其中該鎢葉片以使得該鎢葉片第一邊緣自該銅圓柱體之一前表面突出的方式夾置在該兩個半圓柱體銅件之間。
  11. 一種X射線產生裝置，其包括如請求項1之陽極。
  12. 如請求項11之X射線產生裝置，其中該X射線產生裝置藉由使用一熱陰極而係一單熱陰極微焦斑或奈米焦斑球管。
  13. 如請求項12之X射線產生裝置，其中該X射線產生裝置可藉由使用一場發射陰極而經組態為一單場發射陰極微焦或奈米焦斑球管。
  14. 如請求項11之X射線產生裝置，其中該X射線產生裝置藉由使用含有一場發射陰極及一熱絲陰極之一陰極組件而係一雙陰極微焦或奈米焦斑球 管。
  15. 如請求項14之X射線產生裝置，其中該X射線產生裝置進一步包括一電子發射器，該電子發射器包括一柵極電極，藉此使該X射線產生裝置成為一三極體場發射微焦或奈米焦斑球管。
  16. 如請求項13之X射線產生裝置，其中該場發射陰極可進一步經組態以允許熱助發射，諸如肖特基發射。
  17. 如請求項11之X射線產生裝置，其中該X射線產生裝置係具有包括多個陰極及陽極之多個激發源之一微焦或奈米焦斑球管。
  18. 如請求項11之X射線產生裝置，其中該X射線產生裝置係一旋轉陽極微焦或奈米焦斑球管，其中一個或多個天線元件同心地嵌入於一旋轉天線底座圓盤中。
  19. 如請求項12之X射線產生裝置，其中該X射線產生裝置係一旋轉陽極微焦或奈米焦斑球管，其中多個個天線元件放射狀地嵌入於一旋轉天線底座圓盤中。
  20. 一種具有X射線產生裝置之設備，包括：如請求項11之該X射線產生裝置，其中該設備為一電腦斷層(CT)掃描設備、一C臂類型掃描設備、一迷你型C臂類型掃描設備、一地質勘測 設備中、一X射線繞射設備、X射線螢光光譜學、一X射線無損探傷設備、相位成像或一彩色CT掃描機。
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