專利名稱：X射線管電子源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及X射線管，涉及用于X射線源的電子源，以及X射 線成像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
X射線管包括電子源，該電子源可以是熱離子發(fā)射器或者是低 溫陰極源、 一些諸如柵格的提取裝置，其可以在提取電勢和封鎖電勢 之間切換以控制從發(fā)射器提取電子；和陽極，該陽極當(dāng)被電子撞擊時 產(chǎn)生X射線。這樣的系統(tǒng)的示例被公開在US 4,274,005和US 5，259，014 中。
隨著X射線掃描器越來越多的使用，例如用于醫(yī)療和安全目的， 越來越期望生產(chǎn)相對便宜并具有較長壽命的X射線管。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明提供一種用于X射線掃描器的電子源，包括電子 發(fā)射裝置，限定多個電子源區(qū)域；提取柵格，限定多個柵格區(qū)域，每 個柵格區(qū)域與至少各自的一個源區(qū)域相關(guān)聯(lián)；和控制裝置，被安排控 制每個柵格區(qū)域和各自的源區(qū)域之間的相對電勢，以使從發(fā)射裝置提 取電子的位置可在所述源區(qū)域之間移動。
提取柵格可包括沿著發(fā)射裝置被隔開的多個柵格部件。在此情況 下，每個柵格區(qū)域可包括一個或更多的柵格部件。
發(fā)射裝置可包括延長發(fā)射器構(gòu)件，并且柵格部件可沿著該發(fā)射器構(gòu)件被隔開，從而每個源區(qū)域位于沿著發(fā)射器構(gòu)件的各自的位置上。
最好控制裝置被安排將每個柵格部件連接到相對于發(fā)射裝置為 正的提取電勢或者相對于發(fā)射裝置為負(fù)的抑制電勢。更好的是控制裝 置被安排將柵格部件連續(xù)地以相鄰對連接到提取電勢以引導(dǎo)每對柵格 部件之間的電子束。更好的是每個柵格部件可被連接到與同其相鄰的 任一柵格部件的電勢相同的電勢，從而它可以是兩個不同的所述對的 一部分。
當(dāng)所述相鄰對的每一個被連接到提取電勢時，控制裝置可被安排 將該對的任一側(cè)的柵格部件或者甚至所有不在該對中的柵格部件連接 到抑制電勢。
柵格部件最好包括平行的延長構(gòu)件，以及發(fā)射構(gòu)件，在這里該發(fā) 射構(gòu)件也是延長構(gòu)件，最好基本上垂直于柵格部件延伸。
柵格部件可包括金屬線(wire)，并且最好是平面的并在大體垂 直于發(fā)射器構(gòu)件的平面內(nèi)延伸以保護(hù)發(fā)射器構(gòu)件免受來自陽極的反向 離子轟擊。柵格部件最好與發(fā)射裝置隔開一個與相鄰柵格部件之間的 距離近似相等的距離。
電子源最好還包括多個聚焦部件，其也可被延長并最好平行于柵 格部件，該多個聚焦部件被安排在電子通過柵格部件之后聚焦電子束。 更好的是聚焦部件與柵格部件被對齊從而在任何一對柵格部件之間通 過的電子將在對應(yīng)的一對聚焦部件之間通過。
最好聚焦部件被安排連接到相對于發(fā)射器為負(fù)的電勢。最好聚焦 部件被安排連接到相對于柵格部件為正的電勢。
最好控制裝置被安排控制施加到聚焦部件的電勢，從而控制電子 束的聚焦。
聚焦部件可包括金屬線(wire)，并且可以是平面的，在基本上 垂直于發(fā)射器構(gòu)件的平面內(nèi)延伸以保護(hù)發(fā)射器構(gòu)件免受來自陽極的反 向離子轟擊。
柵格部件最好與發(fā)射器隔開，從而如果一個或更多的一組相鄰柵 格部件被切換到提取電勢，則電子將從發(fā)射器構(gòu)件的長度上被提取，該長度比所述柵格部件組的寬度更長。例如柵格部件可與發(fā)射器構(gòu)件 隔開一個至少與相鄰柵格部件之間的距離基本上相等的距離，該距離
可以為5mm的數(shù)量級。
最好柵格部件被安排至少部分地將提取的電子聚焦成束。
本發(fā)明還提供一種X射線管系統(tǒng)，包括根據(jù)本發(fā)明的電子源和至 少一個陽極。最好該至少一個陽極包括一個延長陽極，其被這樣安排 從而由不同柵格部件產(chǎn)生的電子束將碰撞陽極的不同部分。
本發(fā)明還提供一種X射線掃描器，包括根據(jù)本發(fā)明的X射線管 和X射線檢測裝置，其中，控制裝置被安排從所述至少一個陽極上的 各個X射線源點(diǎn)產(chǎn)生X射線，并且從檢測裝置收集各個數(shù)據(jù)集。最好 檢測裝置包括多個檢測器。更好的是控制裝置被安排控制源區(qū)域或柵 格區(qū)域的電勢，以從所述源區(qū)域的多種連續(xù)的分組提取電子，每種分 組產(chǎn)生具有不同波長的方波模式的照射，并且控制裝置被安排為每次 照射記錄檢測裝置的讀數(shù)。更好的是控制裝置還被安排將數(shù)學(xué)變換應(yīng) 用到記錄的讀數(shù)，以重建放置在X射線管和檢測器之間的目標(biāo)的特征。
本發(fā)明還提供一種X射線掃描器，包括X射線源，具有多個X 射線源點(diǎn)；X射線檢測裝置；和控制裝置，被安排控制源以從源點(diǎn)的 多種連續(xù)的分組產(chǎn)生X射線，每種分組產(chǎn)生具有不同波長的方波模式 的照射，并且控制裝置被安排為每次照射記錄檢測裝置的讀數(shù)。最好 源點(diǎn)被安排成線性陣列。最好檢測裝置包括檢測器的線性陣列，其在 基本上垂直于源點(diǎn)的線性陣列的方向上延伸。更好的是控制裝置被安 排為每次照射記錄來自每個檢測器的讀數(shù)。這可以使得控制裝置能夠 使用來自每個檢測器的讀數(shù)來重建目標(biāo)的各個層的特征。最好控制裝 置被安排使用這些讀數(shù)來建立目標(biāo)的三維重建。
本發(fā)明還包括一種X射線掃描器，包括X射線源，包括源點(diǎn)的 線性陣列；X射線檢測裝置，包括檢測器的線性陣列；和控制裝置， 其中，這些線性陣列被安排得基本上彼此垂直，并且控制裝置被安排 控制源點(diǎn)或者檢測器以多種連續(xù)的分組操作，每種分組包括不同數(shù)量 的源點(diǎn)或檢測器的組，并且控制裝置被安排使用數(shù)學(xué)變換來分析來自檢測器的讀數(shù)以產(chǎn)生目標(biāo)的三維圖像。最好控制裝置被安排操作所述 多種分組中的源點(diǎn)，并且對于每種所述分組，來自每個檢測器的讀數(shù) 同時被采集。另一方面，控制裝置可被安排操作所述多種分組中的檢 測器，并且對于每種分組，依次激活每個源點(diǎn)以產(chǎn)生各自的讀數(shù)。


現(xiàn)在將僅參照附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，附圖中
圖l顯示根據(jù)本發(fā)明的電子源；
圖2顯示包括圖1的電子源的X射線發(fā)射器單元；
圖3是穿過圖2的單元的橫向截面，顯示該單元內(nèi)的電子的路徑；
圖4是穿過圖2的單元的縱向截面，顯示該單元內(nèi)的電子的路徑；
圖5是包括根據(jù)本發(fā)明的一些發(fā)射器單元的X射線成像系統(tǒng)的示
圖6是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的X射線管的示圖7是根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的X射線管的示圖8是根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的X射線管的透視圖9是穿過圖8的X射線管的截面；
圖IO是穿過根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的X射線管的截面；
圖11顯示形成圖10的X射線管的部分的發(fā)射器部件；
圖12是穿過根據(jù)本發(fā)明第六實(shí)施例的X射線管的截面；
圖12a是穿過根據(jù)本發(fā)明第七實(shí)施例的X射線管的縱向截面；
圖12b是穿過圖12a的X射線管的橫向截面；
圖12c是圖12a的X射線管的一部分的透視圖13是根據(jù)本發(fā)明的第八實(shí)施例的X射線掃描系統(tǒng)的示意性表
示；
圖14a、 14b和14c顯示圖13的系統(tǒng)的操作；
圖15是才艮據(jù)本發(fā)明的第九實(shí)施例的X射線掃描系統(tǒng)的示意性表
示； 16a和16b顯示根據(jù)本發(fā)明的第十實(shí)施例的發(fā)射器的發(fā)射器層和發(fā)熱器層；
圖17顯示包括圖16a和16b發(fā)射器層和發(fā)熱器層的發(fā)射器部件;
和
圖18顯示示于圖17中的發(fā)射器部件的另一種安排。
具體實(shí)施例方式
參照圖1,電子源10包括導(dǎo)電金屬抑制器12，具有兩個側(cè)面 14和16;和發(fā)射器部件18，沿著抑制器側(cè)面14和16之間延伸。一 些柵格線20形式的柵格部件被支撐在抑制器12之上，并在抑制器的 兩個側(cè)面14和16之間的縫隙上垂直于發(fā)射器部件18而延伸，但是在 平行于發(fā)射器部件18的平面內(nèi)。在此示例中，這些柵格線具有0.5mm 的直徑并且被隔開5mm的距離。它們與發(fā)射器部件18也隔開大約 5mm。 一些聚焦線22形式的聚焦部件被支撐在柵格線相對于發(fā)射器 部件的相反一側(cè)的另一平面內(nèi)。聚焦線22平行于才冊格線20，并彼此 被隔開與柵格線的間隔相同的間隔5mm,每個聚焦線22與各自的一 個柵格線20對齊。聚焦線22與柵格線20隔開大約8mm。
如圖2所示，源10被裝入發(fā)射器單元25的外殼24,同時抑制器 12被支撐在外殼24的底部24a上。聚焦線22被支撐在平行于發(fā)射器 部件18延伸的兩個支撐橫桿26a和26b上，并且與抑制器12隔開， 該支撐橫桿被安裝在外殼24的底部24a上。支撐橫桿26a和26b是導(dǎo) 電的以使所有的聚焦線22被一起電連接。支撐橫桿之一 26a被連接到 連接器28，該連接器28凸出穿過外殼24的底部24a以為聚焦線22 提供電連接。每個柵格線20向下沿著抑制器12的一側(cè)16延伸并被連 接到各自的電連接器30，這些電連接器為每個柵格線20提供分離的 電連接。
陽極32被支撐在外殼24的側(cè)壁24b和24c之間。該陽極32形 成為典型地由鍍鵠或鍍銀的銅桿，并且平行于發(fā)射器部件18延伸。柵 格線20和聚焦線22因此在發(fā)射器部件18和陽極32之間延伸。陽極 32的電連接器34延伸通過外殼24的側(cè)壁24b。發(fā)射器部件18被支撐在抑制器12的末端12a和12b并且通過經(jīng) 由外殼24的另外的連接器36和38供應(yīng)給其的電流而被加熱。在本實(shí) 施例中，發(fā)射器18由以下構(gòu)成擔(dān)當(dāng)發(fā)射器的鎢線芯、芯上的鎳覆蓋 層、以及具有對于鎳的低功函(workfimction)的稀土氧化物層。然而， 其它發(fā)射器類型也可被使用，諸如簡單鎢線。
參照圖3，為了產(chǎn)生電子束40，發(fā)射器部件18被電接地并被加 熱以使其發(fā)射電子。抑制器持有典型地為3-5V的不變的電壓以防止外 來電場對電子在不期望的方向上加速。 一對相鄰的柵格線20a和20b 被連接到在1V和4kV之間比發(fā)射器更加為正的電勢。其它的柵格線 被連接到-100V的電勢。所有的聚焦線22保持在1和4kV之間比柵格 線更加為正的電勢。
所有的柵格線20遠(yuǎn)離提取對抑制中的20a和20b，并且甚至相 當(dāng)大地阻止了在發(fā)射器部件18的大部分長度上電子向著陽極的發(fā)射。 這是因?yàn)樗鼈兲幱谙鄬τ诎l(fā)射器18為負(fù)的電勢，并且因此柵格線20 和發(fā)射器18之間的電場的方向趨向于強(qiáng)迫發(fā)射的電子向后回到發(fā)射 器18。然而，處于相對于發(fā)射器18為正電勢的提取對20a和20b吸 引發(fā)射的電子離開發(fā)射器18，從而產(chǎn)生電子束40,其在提取線20a 和20b之間通過并繼續(xù)向著陽極32前進(jìn)。因?yàn)闁鸥窬€20與發(fā)射器部 件18的間隔，從發(fā)射器部件18的長度x發(fā)射的電子被拖到一起成為 通過線對20a和20b之間的束，該長度x比兩個柵格線20a和20b之 間的間隔大得多。柵格線20因而不僅用來提取電子而且用來將電子聚 集在一起成為束40。發(fā)射器18的電子將在其上被提取的長度取決于 柵格線20的間隔、以及提取對20a、 20b與其余柵格線20之間的電勢 差。
在從兩個提取柵格線20a和20b之間通過之后，束40被吸引向 聚焦線的對應(yīng)對22a和22b并從它們之間通過。該束向著在聚焦線22 和陽極32之間的焦點(diǎn)線fl會聚，并隨后在此向著陽極32發(fā)散。聚焦 線22的正電勢可被改變以改變焦點(diǎn)線fl的位置從而改變當(dāng)束碰撞陽 極32時束的寬度。參照圖4，在發(fā)射器18和陽極32的縱向方向觀看，電子束40 再次向著聚焦線22和陽極之間的焦點(diǎn)線f2會聚，焦點(diǎn)線f2的位置主 要取決于發(fā)射器18和陽極32之間產(chǎn)生的電場力。
向后參照圖2，為了產(chǎn)生一個移動的電子束，連續(xù)的相鄰柵格線 20的對可被快速連續(xù)地連接到提取電勢，從而改變陽極32上X射線 將被產(chǎn)生的位置。
電子被從其提取的、發(fā)射器18的長度x比柵格線20之間的間隔 大得多這一事實(shí)有許多優(yōu)點(diǎn)。對于給定的最小束間隔，即電子束的兩 個相鄰位置之間的距離，電子可被從其為每個束提取的、發(fā)射器18 的長度比該最小束間隔大得多。這是因?yàn)榘l(fā)射器18的每一部分可發(fā)射 電子，這些電子可在多個不同的位置被拖進(jìn)電子束。這允許了發(fā)射器 18與傳統(tǒng)源相比在相對較低的溫度下運(yùn)行來提供相等的束流。另一方 面，如果相同的溫度被用在傳統(tǒng)源中，則大得多的，乘以最多至7的 因子的束流可被產(chǎn)生。此外，源的亮度在發(fā)射器18的長度上的變化被 抹掉，從而作為結(jié)果，從發(fā)射器18的不同部分提取的束的強(qiáng)度變化被 大大地減少。
參照圖5，X射線掃描器50以傳統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)被設(shè)立并包括發(fā)射器 單元25的陣列，該陣列被安排在圍繞中心掃描器Z軸的弧上，并被 定向以便向掃描器Z軸發(fā)射X射線。環(huán)狀傳感器52被放置在發(fā)射器 內(nèi)，向內(nèi)指向掃描器Z軸。傳感器52和發(fā)射器單元25沿著Z軸彼此 偏置，以使從發(fā)射器單元發(fā)射的X射線經(jīng)過離它們最近的傳感器，穿 過Z軸，并被離它們最遠(yuǎn)的傳感器檢測到。掃描器由控制系統(tǒng)控制， 該控制系統(tǒng)運(yùn)行由圖5中的功能塊所表示的一些功能。系統(tǒng)控制塊54 控制，并從圖像顯示單元56、 X射線管控制塊58和圖像重建塊60接 收數(shù)據(jù)。X射線管控制塊58控制聚焦控制塊62、柵格控制塊64和高 電壓供應(yīng)68，該聚焦控制塊62控制在每個發(fā)射器單元25中的聚焦線 22的電勢，該柵格控制塊64控制在每個發(fā)射器單元25中的單獨(dú)的柵 格線20的電勢，該高電壓供應(yīng)68為每個發(fā)射器塊的陽極32供電以及 為發(fā)射器部件18供電。圖像重建塊60控制傳感器控制塊70并從其接收數(shù)據(jù)，該傳感器控制塊70依次控制傳感器52并從其接收數(shù)據(jù)。
在操作中，將被掃描的目標(biāo)沿Z軸通過，X射線束沿著每個發(fā)射 器單元依次掃過以使其繞著目標(biāo)旋轉(zhuǎn)，并且來自每個單元中每個X射 線源位置的穿過目標(biāo)的X射線被傳感器檢測到。來自傳感器52的用 于掃描中的每個X射線源點(diǎn)的數(shù)據(jù)被記錄為各個數(shù)據(jù)集?？煞治鰜碜?X射線源位置的每次旋轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)集以產(chǎn)生穿過目標(biāo)的平面的圖像。當(dāng) 目標(biāo)沿著Z軸通過時，束被重復(fù)地旋轉(zhuǎn)以建立整個目標(biāo)的三維斷層圖 像。
參照圖6，在本發(fā)明的第二實(shí)施例中，柵格部件120和聚焦部件 122被形成為平帶。部件120和122如在第一實(shí)施例中一樣被放置， 但是所述帶的平面垂直于發(fā)射器部件118和陽極132，并且平行于發(fā) 射器部件118被安排發(fā)射電子的方向。這種安排的優(yōu)點(diǎn)是通過電子 束140碰撞陽極132而產(chǎn)生并被往回向著發(fā)射器發(fā)射的離子170在它 們到達(dá)發(fā)射器前很大程度上被部件120和122阻擋。少量的直接沿著 電子束140的路徑往回行進(jìn)的離子172將到達(dá)發(fā)射器，但是由于反向 離子轟擊而引起的對于發(fā)射器的全部傷害被充分地減少。在一些情況 下，可能僅僅柵格部件120或者僅僅聚焦部件122成為平的就足夠了。
在圖6的實(shí)施例中，帶120和122的寬度基本上等于它們隔開的 距離，即大約5mm。然而，應(yīng)該理解的是，它們實(shí)質(zhì)上可以更寬。
參照圖7，在本發(fā)明的第三實(shí)施例中，柵格部件220和聚焦部件 222比在第一實(shí)施例中隔開得更接近。這使得超過兩個的柵格部件 220a、 220b和220c的組(在顯示的示例中是三個)，可被切換到提 取電壓以形成提取柵格中的提取窗口。在此情況下，提取的窗口的寬 度近似等于三個部件的組220的寬度。柵格部件220與發(fā)射器218的 間隔近似等于提取窗口的寬度。通過單獨(dú)的切換，聚焦部件也被連接 到正電勢，從而每個聚焦部件可被連接到正電勢或者負(fù)電勢。最適合 于聚焦電子束的兩個聚焦部件222a和222b被連接到正聚焦電勢。其 余的聚焦部件222被連接到負(fù)電勢。在此情況下，在需要用來聚焦的 兩個聚焦部件之間存在一個聚焦部件222c，該聚焦部件也被連接到正聚焦電勢。
參照圖8和圖9，根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例的電子源包括多個發(fā) 射器部件318，僅有一個發(fā)射器部件被顯示，每個發(fā)射器部件由鴒金 屬帶形成，其通過將電流通過它而被加熱。在所述帶中心的區(qū)域318a 鍍釷以減少來自其表面的電子的熱發(fā)射的功函。抑制器312包括具有 溝313的金屬塊，溝313沿著金屬塊的下側(cè)(發(fā)射器部件318位于其 中)延伸。 一行孔315沿著抑制器312設(shè)置，每個孔315與各個發(fā)射 器部件318的鍍釷區(qū)域318a對齊。(僅有一個被顯示的) 一系列柵格 部件320在抑制器312中的孔315之上延伸，即相對于發(fā)射器部件318， 在孔315的相反一側(cè)。每個柵格部件320也具有穿過其的孔321，其 與各個抑制器孔315對齊以使離開發(fā)射器部件318的電子可作為束行 進(jìn)穿過孔315和321。發(fā)射器部件318被連接到電連接器319，柵格部 件320被連接到電連接器330，凸出穿過底部構(gòu)件324(未在圖8中示 出)的連接器319和330允許電流通過發(fā)射器部件318，并且允許柵 格部件320的電勢4皮控制。
在操作中，由于發(fā)射器部件318和圍繞的抑制器電極312之間的 電勢差，其典型小于IOV，所以電子從發(fā)射器部件318的鍍釷區(qū)域318a 被提取。取決于可被單獨(dú)控制的、位于抑制器312之上的各個柵格部 件320的電勢，這些電子將或者向著柵格部件320被提取，或者它們 將留在與發(fā)射點(diǎn)相鄰的地方。
如果柵格部件320持有相對于發(fā)射器部件318的正電勢(例如+ 300V)，提取的電子將向著柵格部件320加速并且大多數(shù)將穿過在抑 制器12中的孔315之上的柵格320中設(shè)置的孔321。這形成了進(jìn)入柵 格320之上的外部場的電子束。
當(dāng)柵格部件320持有相對于發(fā)射器部件318的負(fù)電勢(例如-300V)時，提取的電子將被從柵格排斥并將留在與發(fā)射點(diǎn)相鄰的地方。 這使得任何來自源的外部電子發(fā)射削減到0。
可設(shè)立該電子源以形成類似于圖5所示的掃描系統(tǒng)的一部分，同 時每個柵格部件330的電勢被單獨(dú)控制。這提供了一種包括柵格控制的電子源的掃描器，其中，源的有效源位置在電子控制下可以按與參
照圖5如上所述的方式相同的方式在空間中改變。
參照圖10，在本發(fā)明的第五實(shí)施例中，電子源類似于圖8和圖9 的電子源，同時對應(yīng)的部分由相同的標(biāo)號增加100來指示。在本實(shí)施 例中，發(fā)射器部件318被放置在抑制器盒內(nèi)的單個加熱的線絲418代 替。 一 系列柵格部件420被用來確定用于外部電子束440的有效源點(diǎn) 的位置。由于電勢差會因?yàn)殡娏魍ㄟ^線318而沿著線318的長度出現(xiàn)， 所以電子提取的效率將隨著位置而變化。
為了減少這些變化，可使用如圖11所示的二次氧化物發(fā)射器 500。該發(fā)射器500包括低功函發(fā)射器材料502，諸如覆蓋在導(dǎo)電管504 上的鍶鋇氧化物，該導(dǎo)電管504最好是鎳的。鴒線506被用玻璃或陶 資粒子508覆蓋并隨后穿過管504。當(dāng)被使用在圖10的源中時，鎳管 504持有相對于抑制器412的適合的電勢并且電流通過鎢線506。當(dāng)線 506發(fā)熱時，輻射的熱能加熱鎳管504。這依次加熱了發(fā)射器材料502， 其開始發(fā)射電子。在此情況下，發(fā)射器電勢相對于抑制器電極412被 固定，因而確保沿著發(fā)射器500長度的均勻的提取效率。此外，由于 鎳的良好的熱傳導(dǎo)性，例如由制造期間的厚度變化或者由老化過程引 起的鵠線506的任何溫度改變被平衡，導(dǎo)致發(fā)射器500的所有區(qū)域的 更均勻的電子提取。
參照圖12,在本發(fā)明的第六實(shí)施例中， 一種柵格控制的電子發(fā)射 器，包括典型地為10x3 x3mm的小鎳塊600，其一面601(例如10 x3mm)被諸如鍶鋇氧化物的低功函氧化物材料602涂覆。通過安裝 上電饋通(feedthrough ) 606，鎳塊600持有相對于圍繞的抑制器電 極604為例如+ 60V和+ 300V之間的電勢。 一個或更多的鎢線608穿 過鎳塊600中的絕緣洞610。典型地，這是通過在將鎢線穿過鎳塊600 中的洞610之前將其用玻璃或陶瓷粒子612涂覆而被實(shí)現(xiàn)的。線網(wǎng)614 -故電連接到抑制器604并在鎳塊600的涂覆表面601之上延伸，從而 線網(wǎng)建立了與表面601之上的抑制器604相同的電勢。
當(dāng)電流通過鵠線608時，線發(fā)熱并將熱能輻射到圍繞 鎳塊600。鎳塊600發(fā)熱因而使氧化物覆蓋層602變熱。在大約卯O攝氏度，氧 化物覆蓋層602成為有效的電子發(fā)射器。
如果，使用絕緣饋通606，鎳塊600持有相對于抑制器電極604 為負(fù)(例如-60V)的電勢，則來自氧化物602的電子將通過線網(wǎng)614 被提取，該線網(wǎng)614與抑制器604被整合在外部真空中。如果鎳塊600 持有相對于抑制器電極604為正(例如+ 60V)的電勢，則通過網(wǎng)614 的電子發(fā)射將被切斷。由于鎳塊600和鎢線608的電勢通過絕緣粒子 612而彼此絕緣，所以鴒線608通常可被固定在與抑制器電極604的 電勢接近的電勢。
使用具有一個或更多的用于加熱這批塊600的鎢線608的多個氧 化物覆蓋的發(fā)射器塊600，可創(chuàng)建多發(fā)射器電子源，其中每個發(fā)射器 可被單獨(dú)地開啟或關(guān)閉。這使得電子源能夠被用在例如類似于圖5的 掃描器系統(tǒng)中。
參照圖12a、 12b和12c，在本發(fā)明的第七實(shí)施例中， 一種多發(fā)射 器源，包括絕緣氧化鋁塊600a、 600b和600c的組件，其支撐多個鎳 發(fā)射器片603a，鎳發(fā)射器片603a每個覆蓋有氧化物602a。這些塊包 括長矩形的上部塊600a、對應(yīng)地成型的下部塊600c、和被夾在上部塊 和下部塊之間并在它們之間具有縫隙的兩個中間塊600b ，兩個中間塊 之間的縫隙形成沿著所述組件延伸的溝605a。鎢發(fā)熱器線圏608a在 塊600a、 600b和600c的整個長度上沿著溝605a延伸。鎳片603a是 矩形的，并跨過上部塊600a的上表面601a沿其長度相隔一定距離延 伸。鎳片603a被隔開，從而彼此電絕緣。
抑制器604a沿著塊600a、 600b和600c的側(cè)面延伸并支撐鎳發(fā) 射器片603a之上的線網(wǎng)614a。抑制器還支撐一些聚焦線616a，這些 聚焦線616a就位于網(wǎng)614a之上并跨過平行于鎳片603a的源而延伸， 每個線位于兩個相鄰的鎳片603a之間。聚焦線616a和網(wǎng)614a被電連 接到抑制器604a并因而處于相同的電勢。
對于圖12的實(shí)施例，發(fā)射器線圏608a加熱發(fā)射器片603a，從而 氧化物層可發(fā)射電子。片603a持有相對于抑制器的正電勢，例如+60V，但是被個別地連接到相對于抑制器604a的負(fù)電勢，例如-60V， 以使它們發(fā)射。如圖12a中可被最好地看到的，當(dāng)任何一個片603a 發(fā)射電子時，通過在片603a的任一側(cè)的兩個聚焦線616a，這些電子 被聚焦成束607a。這是因?yàn)榘l(fā)射器片603a和陽極之間的電場線在它 們在聚焦線616a之間通過的地方稍^:向內(nèi)收縮。
參照圖13，在本發(fā)明的第八實(shí)施例中，X射線源700被安排從一 系列X射線源點(diǎn)702中的每個產(chǎn)生X射線。這些可由一個或更多的陽 極以及根據(jù)上述任何實(shí)施例的一些電子源組成。X射線源點(diǎn)702可被 單獨(dú)開啟或關(guān)閉。單個X射線檢測器704被提供，并且將被成像的目 標(biāo)706被放置在X射線源和檢測器之間。目標(biāo)706的圖像隨后使用下 述Hadamard變換纟皮建立。
參照圖14a至圖14c,源點(diǎn)702被分成相等數(shù)量的相鄰點(diǎn)702的 組。例如，在圖14a顯示的分組中，每組包括單個源點(diǎn)702。在交替 的組中的源點(diǎn)702隨后被同時激活，從而在圖14a的分組中，交替的 源點(diǎn)702a被激活，而在激活的源點(diǎn)702a之間的每個源點(diǎn)702b未被激 活。這產(chǎn)生了具有與兩個源點(diǎn)702a和702b的寬度相等的波長的方波 照射模式。對于該照射模式，由檢測器704測量的X射線照射的量被 記錄。隨后如圖14b中顯示的另一照射模式被使用，其中，每組源點(diǎn) 702包括兩個相鄰源點(diǎn)，并且交替的組702c被再次激活，同時介于其 間的組702d未被激活。這產(chǎn)生了如圖14b所示的具有與四個源點(diǎn)702 的寬度相等的波長的方波照射模式。在檢測器704， X射線照射的量 -故再次記錄。該過程隨后如圖14c所示使用四個源點(diǎn)的組702以及還 用大量的其它組尺寸被重復(fù)。當(dāng)所有的組尺寸已被使用并且各個與不 同的方波照射波長相關(guān)聯(lián)的測量被采集時，這些結(jié)果可被用于使用 Hadamard變換，來重建位于源點(diǎn)702的行與檢測器704之間目標(biāo)706 的2D層的完整圖像剖面。此配置的優(yōu)點(diǎn)是取代于源點(diǎn)被單獨(dú)激活， 在任何時間，源點(diǎn)702的一半被激活， 一半未被激活。因此，本方法 的信噪比要比在其中源點(diǎn)702被單獨(dú)激活來沿著源點(diǎn)陣列掃描的方法 的信噪比大得多。還可使用在目標(biāo)的 一 側(cè)的單個源點(diǎn)和在目標(biāo)的另 一 側(cè)的檢測器
的線性陣列來進(jìn)行Hadamard變換分析。在此情況下，取代于激活不 同尺寸的組中的源，單個源被不斷地激活，并且來自檢測器的讀數(shù)被 按不同尺寸的組采集，該不同尺寸的組對應(yīng)于上述源點(diǎn)702的組。目 標(biāo)的圖像的分析和重建類似于用于圖13的安排的分析和重建。
參照圖15,在此配置的變體中，圖13的單個檢測器由在垂直于 源點(diǎn)802的線性陣列的方向上延伸的檢測器804的線性陣列代替。源 點(diǎn)802和檢測器804的陣列限定三維體積805，三維體積805由將在 源點(diǎn)陣列的末端的源點(diǎn)802a和802b連接到在檢測器陣列的末端的檢 測器804a和804b的線807所限制。該系統(tǒng)確切地如圖13中的系統(tǒng)#皮 操作，除了對于示出的源點(diǎn)的方波分組，每個檢測器804的X射線照 射被記錄。對于每個檢測器，體積805內(nèi)的目標(biāo)806的一層二維圖像 能夠被重建，所述的各個層隨后被組合以形成目標(biāo)806的完整三維圖 像。
參照圖16a、圖16b、圖17和圖18,在又一個實(shí)施例中，發(fā)射 器部件916包括AIN發(fā)射器層917，有低功函發(fā)射器918被形成在 其上，和發(fā)熱器層919，其由鋁氮化物(AIN)底層920和鉑(Pt)發(fā) 熱器部件922組成，經(jīng)由互連片924連接。導(dǎo)電彈簧926隨后將AIN 底層920連接到電路板928。鋁氮化物(AIN)是高導(dǎo)熱性、堅(jiān)固的 陶瓷材料，并且AIN的熱擴(kuò)散系數(shù)與鉑(Pt)熱擴(kuò)散系數(shù)緊密匹配。 這些性質(zhì)導(dǎo)致了用于X射線管應(yīng)用中、如圖16a和圖16b所示的集成 發(fā)熱器電子發(fā)射器916的設(shè)計(jì)。
典型地，Pt金屬被形成具有IO-IOO微米的厚度、l-3mm寬的 軌，以在室溫下給出5至50ohms范圍內(nèi)的軌電阻。通過將電流通過 軌，軌將開始加熱并且此熱能被直接散發(fā)到AIN底層中。由于AIN 的出色的導(dǎo)熱性，AIN的加熱在底層上非常均勻，典型地達(dá)到10至 20度之內(nèi)。取決于電流和周圍環(huán)境，超過1100攝氏度的穩(wěn)定的底層 溫度可被實(shí)現(xiàn)。由于AIN和Pt都抵抗氧的攻擊，所以這樣的溫度可 在底層處于空氣中的情況下被實(shí)現(xiàn)。然而，對于X射線管應(yīng)用，底層典型地被在真空中加熱。
參照圖17，熱反射器930位于靠近AIN底層920的被加熱的一 側(cè)以改進(jìn)熱效率，減少通過輻射的熱傳輸?shù)臒釗p失。在本實(shí)施例中， 熱屏障930由覆蓋著一薄層金的云母片形成。在金的下面添加鈦層提 高對于云母的附著力。
為了產(chǎn)生電子， 一 系列Pt帶932被沉積在AIN底層920上相對 于發(fā)熱器922的AIN底層的對面，同時它們的末端繞著底層的側(cè)面延 伸并在底層的下側(cè)結(jié)束，在那里它們形成片924。典型地，這些帶932 將使用Pt墨和隨后的熱烘烤被沉積。Pt帶932隨后在其中心區(qū)域用 一薄層Sr:Ba:Ca碳酸鹽混合物918覆蓋。當(dāng)碳酸鹽材料被加熱到典型 地超過700攝氏度的溫度時，它將分解成Sr:Ba:Ca氧化物-低功函材 料，這些材料是在典型的700-900攝氏度下非常有效的電子源。
為了產(chǎn)生電子束，Pt帶932被連接到電源以將從Sr:Ba:Ca氧化 物提取的束電流提供到真空中。在本實(shí)施例中，這是通過使用諸如圖 17所述的組件而#:實(shí)現(xiàn)的。這里， 一套彈簧926提供到片924的電連 接以及到AIN底層的機(jī)械連接。盡管可使用鉬或其它材料，但是最好 這些彈簧由鎢制成。這些彈簧926根據(jù)電子發(fā)射器組件916的熱擴(kuò)散 而彎曲，提供可靠的互連方法。
彈簧的底部最好位于具有較差的熱傳導(dǎo)性但是具有較好的電傳 導(dǎo)性的薄壁管934內(nèi)，該薄壁管934提供到下面的陶瓷電路板928的 電連接。典型地，該下面的電路板928將為以逐個發(fā)射器為基礎(chǔ)而單 獨(dú)控制的控制/電源信號提供真空饋通。電路板最好由具有低除氣性質(zhì) 的材料制成，諸如氧化鋁陶瓷。
如圖18所示，另一種配置顛倒薄壁管934和彈簧組件926,從而 管934在高溫運(yùn)行并且彈簧926在低溫運(yùn)行。由于在較低溫度下彈簧 的蠕動減少，這可以給予彈簧材料更大的選擇。
此設(shè)計(jì)優(yōu)選地使用如圖16a和16b所示的在上發(fā)射表面和底部互 連點(diǎn)924之間的AIN底層920上包裹的或穿洞的Pt互連924。另一方 面，可使用彈夾(clip)安排將電源連接到AIN底部的上表面。清楚的是其它選擇的裝配方法可被使用，包括焊接裝配、高溫焊接裝配和諸如卡榫和圈狀彈簧的機(jī)械連接。
AIN是一種寬帶隙半導(dǎo)體材料，半導(dǎo)體注入接點(diǎn)在Pt和AIN之間形成。為了減少可在高運(yùn)行溫度下出現(xiàn)的注入電流，將注入接點(diǎn)轉(zhuǎn)換為阻隔接點(diǎn)是有利的。這可通過例如在鍍Pt的處理之前、生長AIN底層920的表面上的鋁氧化物層而被實(shí)現(xiàn)。
另一方面， 一些其它材料可被使用來代替Pt，諸如鴒或鎳。典型地，這樣的金屬在其火處理期間可被燒結(jié)進(jìn)陶瓷，以給出結(jié)實(shí)的混合物裝置。
在一些情況下，將AIN底層上的金屬用諸如M的第二金屬進(jìn)行覆蓋是有利的。例如，這可以幫助延長氧化物發(fā)射器的壽命或者控制發(fā)熱器的阻抗。
在又一實(shí)施例中，發(fā)熱器部件922被形成在發(fā)射器塊917的背部，從而圖16a的發(fā)射器塊917的下側(cè)即如圖16b所示。圖16a和圖16b中顯示的導(dǎo)電片924那么就是相同的組件，并且提供到連接器部件926的電接點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種用于X射線掃描器的電子源，包括電子發(fā)射裝置，限定了多個電子源區(qū)域；保持在恒定電勢的抑制器，其中所述發(fā)射裝置和所述抑制器之間的電勢差使得從所述源區(qū)域中提取出電子；提取柵格，限定了多個柵格區(qū)域，每個柵格區(qū)域都與一個各自的源區(qū)域相關(guān)聯(lián)；和控制裝置，被安排控制每個柵格區(qū)域和各個源區(qū)域之間的相對電勢，以使電子從其向所述柵格加速的位置能在所述源區(qū)域之間移動。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的電子源，其中所述抑制器圍繞所述發(fā)射裝置。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2的電子源，其中所述抑制器包括多個孔，每 個孔與一個各自的源區(qū)域?qū)R。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3的電子源，其中所述提取柵格位于所述抑制 器上方，并且包括沿所述發(fā)射裝置被隔開的多個柵格。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4的電子源，其中所述柵格部件的每一個都包 括一個孔，所述孔與各自的抑制器孔對齊。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4的電子源，其中所述控制裝置被安排為把所 述柵格部件的每一個連接到相對于所述發(fā)射裝置為正的提取電勢，或 者相對于所述發(fā)射裝置為負(fù)的抑制電勢。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6的電子源，其中柵格部件被連接到提取電勢 并且被安排為朝所述柵格部件加速電子。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6或7的電子源，其中柵格部件被連接到抑制 電勢，并且被安排保持臨近于發(fā)射點(diǎn)的電子。
9. 根據(jù)前述任一權(quán)利要求的電子源，其中所述發(fā)射裝置包括多 個發(fā)射器部件。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l-8任一項(xiàng)的電子源，其中所述發(fā)射裝置包括 單個線絲。
11. 根據(jù)前述任一權(quán)利要求的電子源，其中所述控制裝置被安排 為依次激活所述源區(qū)域的每一個。
12. 根據(jù)前述任一權(quán)利要求的電子源，其中所迷控制裝置被安排 為控制所述源區(qū)域或所述柵格區(qū)域的電勢，使得從所述源區(qū)域的多種 連續(xù)分組中提取電子，每種分組產(chǎn)生具有不同波長的方波模式的照射。
13. —種X射線管，包括根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求的電子源和至 少一個陽才及。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13的X射線管，其中所述至少一個陽極包括 延長的陽極，該延長的陽極被安排為使得由不同柵格部件產(chǎn)生的電子 束將撞擊所述陽極的不同部分。
15. —種X射線掃描器，包括根據(jù)權(quán)利要求13或權(quán)利要求14 的X射線管和X射線檢測裝置，其中所述控制裝置被安排為從所述至 少一個陽極上的各個X射線源點(diǎn)產(chǎn)生X射線，并且從所述檢測裝置收 集各個數(shù)據(jù)集。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15的X射線掃描器，其中所述檢測裝置包括 多個檢測器。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15或16的X射線掃描器，其中所述控制裝置 被安排為控制所述源區(qū)域或所述柵格區(qū)域的電勢，使得從所述源區(qū)域 的多種連續(xù)分組中提取電子，每種分組產(chǎn)生具有不同波長的方波模式 的照射，并且對每個所述照射記錄所述檢測裝置的讀數(shù)。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17的X射線掃描器，其中所述控制裝置進(jìn)一 步被安排為對所記錄的讀數(shù)應(yīng)用數(shù)學(xué)變換，以重建放置在所述X射線 管和所述檢測器之間的目標(biāo)的特征。
19. 根據(jù)權(quán)利要求15-18任一項(xiàng)所述的X射線掃描器，其中所述 源點(diǎn)被安排成線性陣列。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19的X射線掃描器，其中所迷檢測裝置包括 沿基本垂直于所述源點(diǎn)的線性陣列的方向延伸的檢測器的線性陣列。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20的X射線掃描器，所述控制裝置被安排為 對每次照射記錄來自每個檢測器的讀數(shù)。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21的X射線掃描器，其中，所述控制裝置被 安排使用來自每個檢測器的讀數(shù)來重建目標(biāo)的各個層的特征。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22的X射線掃描器，其中，所述控制裝置被安排使用這些讀數(shù)來建立目標(biāo)的三維重建。
24. 根據(jù)權(quán)利要求20-23任一項(xiàng)的X射線掃描器，其中，控制裝置被安排操作所述多種分組中的源點(diǎn)，以及對每種所述分組同時采集 來自每個檢測器的讀數(shù)。
25. 根據(jù)權(quán)利要求20-23任一項(xiàng)的X射線掃描器，其中，所述控 制裝置被安排操作所述多種分組中的檢測器，以及對于每種分組依次 激活每個源點(diǎn)以產(chǎn)生各自的讀數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種X射線管電子源。該X射線管包括包圍在抑制器(14、16)中的發(fā)射器線(18)。提取柵格包括垂直于發(fā)射器線延伸的一些平行線(20)，聚焦柵格包括平行于柵格線(20)并以與柵格線(20)相等的間隔被隔開的一些線(22)。柵格線通過開關(guān)被連接到正提取電勢或者負(fù)抑制電勢，并且開關(guān)被控制從而在任何時間一對相鄰的柵格線(22)被一起連接以形成產(chǎn)生電子束的提取對。通過將不同的柵格線對切換到提取電勢，束的位置被移動。
文檔編號H01J35/04GK101635246SQ20091014704
公開日2010年1月27日 申請日期2004年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月25日
發(fā)明者安東尼斯 保羅·德, 拉塞爾·D.·盧加, 愛德華·J.·摩頓 申請人:Cxr有限公司