使用電子場發射陰極的x-射線發生機構的制作方法

專利名稱：使用電子場發射陰極的x-射線發生機構的制作方法
關于聯邦政府資助的研究或開發項目的聲明本發明的至少某些方面根據合同號N00014-98-1-0597受海軍研究辦公室的資助而受政府的支持。政府對本發明具有某些權利。
背景技術：
在下文的描述中，參考某些結構和/或方法。但是，不應該認為下文的引用承認這些結構和/或方法構成了現有技術。申請人明確地保留證實這種結構和/或方法相對于本發明不屬于現有技術的權利。
X-射線居于大約10-8和10-12m之間的電磁光譜的部分。當受到高能電子轟擊時，原子通過兩個不同的過程發射X-射線。
在第一過程中，在高速電子穿過物質時它們減速。在穿過或接近目標原子的原子核區時，如果單個的電子突然減速但未必停止，則電子就會失去它的一些能量，根據普朗克(Plank)定律這些能量將作為X-射線光子被發射。在電子最終停止之前它可能經過幾次這樣的減速，發射寬范圍的不同能量和波長的X-射線光子。這個過程產生了大量的X-射線輻射并導致了連續類型的光譜，這也稱為軔致輻射。
在第二過程中，入射的電子與目標原子的軌道電子碰撞并排斥。如果被排斥的電子來自內層軌道，則在外層軌道的電子落入里面的空軌道，同時伴隨著發射X-射線光子。在這個過程中，以X-射線的形式發射能量，該X-射線的能量或波長代表所涉及的軌道躍遷。因為軌道電子的能量是量化的，因此所發射的X-射線的光子也是量化的，并且只能夠具有原子的離散波長特性。這就可以根據特征X-射線對它們進行分類。
已經使用幾種方法來在陰極產生入射電子并將它們加速到靶陽極。一種傳統的方法是使用X-射線管。根據用于產生電子的方法，可以將X-射線管分為兩個一般組充氣管和高真空管。
附

圖1所示為常規的充氣X-射線管。這種X-射線發生裝置110基本由玻璃容器120構成，在玻璃容器120中設置有陰極125，該陰極125產生電子束140，該電子束撞擊陽極130由此發射X-射線150，該X-射線150可用于包括醫療和科研等的各種目的。經過電線135由高壓電源對陰極供電。此外，氣壓調節器115調節在這種類型的X-射線裝置中的氣壓。
高真空管(例如在附圖2中所示的)是第二種類型的X-射線管。附圖2所示為具有熱電子陰極的真空X-射線管裝置。在這種類型的裝置210中玻璃容器220起到真空殼體的作用。陰極225設置在這個真空容器中并配有電線235。電子240通過熱電子發射從陰極225發射并撞擊陽極靶230。這種X-射線發射的效率非常低，由此使陽極被加熱。為增加這種裝置的壽命，需要提供冷卻機構。一種冷卻機構的實施例是室260，通過室260水通過入口265和出口270循環。為提高發射的電子束的效率，通常使用聚焦場245。聚焦場245使熱電子發射的電子準直并將它們導向到陽極230。但是，電子的熱發射原點聚焦到小尺寸的束點比較困難。這部分地限制了現代X-射線成像的分辨率(例如參見，Radiologic Science For Technologiest，S.C.Bushong，Mosby-Year Book，1997)。從陽極230發射的X-射線250穿過窗口255并隨后可用于包括醫療和科研的各種目的。這種類型的裝置的其它特征是外部光閥275。已經發現需要并入這種光閥以防止與陰極的熱衰變相關的X-射線的入射發射。這是因為即使終止了給陰極加電，但是殘余的熱量仍然能夠使電子繼續朝靶發射并繼續產生X-射線。
這種X-射線的發生過程也不非常有效，因為一旦與陽極碰撞，則大約98％的電子流的動能轉換為熱能。因此，如果電流是高的或者要求連續照射，則聚焦的束點的溫度就能夠達到非常高。為了避免損害陽極，盡可能地快速地消散這種熱量是必要的。這可以通過引入旋轉陽極結構實現。
如上文所指出，在這種裝置中需要光閥(例如275)，因為來自陰極的電子的熱電子發射不允許結果電子束的精確的階躍函數的開始和結束。實際上，盡管溫度還在上升并隨后切斷電源，但是熱電子陰極卻可能發射電子，這些電子可能從靶產生不希望的X-射線發射。在實際中，光閥或者通過機械方式或者通過微開關保持打開。
此外，由于高溫加熱，陰極燈絲具有有限的壽命，在醫療應用中通常為大約幾百小時，在分析應用中通常為幾千小時。在正常使用下，確定X-射線管的壽命的主要系數通常是對陰極燈絲的損害。
在陽極中產生的有用的X-射線量與撞擊在陽極的電子束電流成比例。在熱電子發射中，電子來電流僅是通過陰極燈絲的電流的很小一部分(通常為1/20)。在現代的醫療應用比如數字X-射線照相術和計算機斷層成像(CT)中，要求很高的X-射線強度同時要求非常高的熱電子發射陰極電流。因此，在這些應用中的主要限制是通過陰極產生的電子束的電流量。
在X-射線的發生方面的可能的改善是引入場發射陰極材料。場發射是在強電場的作用下發射電子。然而，將常規的場發射陰極材料并入到X-射線發生裝置中存在一定的挑戰。例如，場發射陰極材料必須能夠產生足夠高電平的發射的電子電流密度(對于醫療應用在靶上可能高達2000mA)，以使一旦撞擊到陽極靶材料上能夠產生所需的X-射線強度。
在不向陰極施加相對高的電場的情況下，許多常規的場發射材料是不能夠產生所希望的發射的電子電路密度的。此外，在高的施加的電場下，許多常規的電場發射材料不能夠產生高的電流密度的穩定的發射。高的控制電壓的使用增加了損壞陰極材料的可能性，并且要求使用高功率裝置，而這種高功率裝置的制造和使用成本都較高。
人們已經利用具有納米大小的尖頭的常規的場發射材料比如金屬(例如鉬)或者半導體材料(例如硅)。雖然已經證實了這種材料的有用的發射的特性，但是接通電場相對較高，通常在10mA/cm2的電流密度下大約50-100V/μm的量級。(例如參見W Zhu等人的Science，Vol.282，1471，(1998))。
已經出現的以金剛石和碳納管形式的碳材料潛在地應用到電子場發射材料方面。
在基于金剛石材料中已經觀測到低場發射(對于10mA/cm2電流密度為3-5V/μm)。但是，在30mA/cm2的電流密度之上這種發射就不穩定，并且制造均勻的尖頭非常困難并且成本高。此外，在實際裝置的環境中這些材料的穩定性是受到關注的，部分原因在于離子轟擊、與化學活性物質的反應和較高的溫度。(例如參見I.Brodie和C.A.Spindt，“Advances in Electronics and Electron Physics”，P.W.Hawkes編輯，Vol.83，1(1992))。
使用金剛石材料作為場發射極也會帶來這樣的問題金剛石產生比所需的電流密度更低的電流密度。雖然已經有報告指出局部發射的熱束點的觀測結果為大約100A/cm2量級的電流密度，但是實際的發射面積還沒有測量，它們是既不可被理解也不可再現的。例如參見K.Okano等人的Applied Physics Letters，Vol.70，2201(1997)，在此將其全部內容引入以供參考。金剛石發射極和相關的發射裝置例如公開在美國專利US5,129,850、US5,138,237、US5,616,368、US5,623,180、US5,637,950、US5,648,699、Okano等人的AppliedPhysics Letters，Vol.64，2742(1994)、Kumar等人的Solid StateTechnologies，Vol.38，71(1995)和Geis等人的Journal of VacuumScience Technology，Vol.B14，2060(1996)中，在此以引用它們的全部內容以供參考。
以前出版的關于碳納管發射材料的研究報告了相對低的電流密度，通常在大約0.1-100mA/cm2的量級。報告的更高的電子發射數據難以解釋并且不可信，因為例如數據獨立于在發射陰極和靶陽極材料之間的距離(美國專利US 6,057,637)。碳納管發射極例如公開在T.Keesmann的德國專利DE4,405,768、Rinzler等人的Science，Vol.269，1550(1995)、De Heer等人的Science，Vol.270，1179(1995)、Saito等人的Japan Journal of Applied Physics，Vol.37，1.346(1998)、Wang等人的Applied Physics Letters，Vol.70，3308(1997)、Saito等人的Japan Journal of Applied Physics，Vol.36，1.340(1997)、Wang等人的Applied Physics Letters，Vol.72，2912(1998)和Bonard等人的Applied Physics Letters，Vol73，P918(1998)中，在此以引用它們的全部內容以供參考。
已經報告了來自淀積在不同的襯底上的單壁碳納管膜的高達4A/cm2的發射(W Zhu等人的Applied Physics Letters，Vol.75，873，(1999)、申請號為09/259,307的未決的美國專利申請)。10mA/cm2的電流密度的閾值場＜5V/μm(C.Bower等人的“Amorphous andNanostructured Carbon”，由J.Sullivan、J.Robertson、O.Zhou、T.Allen和B.Coll編輯，Materials Research Society SymposiumProceeding，Vol.593，P215(2000))。
用于醫療應用的X-射線管通常包含具有0.3mm2和1mm2的“視在”束點大小的雙焦點。應用6°和15°的靶角，這對應于0.3×3mm2和1×4mm2的電子撞擊的實際區域。焦點的進一步減小要求更小的靶角和更高的電子電流。這是不可能的，因為施加到陰極燈絲的功率受到了限制。
應用常規的熱電子發射極的另一困難是空間電荷效應。空間電荷對施加的X-射線電壓(kV)和燈絲電流非常敏感。因此，很難實現對電子束電流(mA)和kV的獨立控制，除非該管運行在所謂的飽和極限下。這通常意味著kV越高mA越大。
在數字熒光檢查和X-射線照相術中，能量相減技術(從通過更高的X-射線能量獲得的圖像中減去通過較低的平均X-射線能量獲得的圖像)用于提高某些材料的對比度(比如與碘試劑進行對比)。例如參見Radiologic Science for Technologist，S.C.Bushong，Mosby-Year Book，1997。這要求在所要求的每個數據點上交替高和低kV。由于熱電子源的開始和終止的固有的困難，該過程較慢并且患者暴露在不必要的更高劑量的X-射線中。
在計算機斷層成像中，X-射線扇形束的均勻性是關鍵。在常規的X-射線管設計中實現均勻性比較困難，因為自靶表面的X-射線的發射是各向異性(即，取決于相對該表面的發射方向)。X-射線束的不同的部分來自聚焦區域的不同部分的發射角度的不同組合。因此，即使以均勻的電子束轟擊焦點，所得的X-射線束仍然是非均勻的。
因此，理想的是構造并入場發射陰極材料的X-射線發生裝置，這種場發射陰極材料能夠可靠地產生較高的發射電子電流密度，而不依賴于熱電子發射或者高的控制或外加電壓。因此，理想的是提供具有帶有易于控制并聚焦的發射的電子束的X-射線發生裝置。
發明概述本發明通過將場發射納結構陰極材料并入到X-射線發生裝置中避免了當前X-射線發生裝置的不希望的特征。本發明的納結構場發射材料能夠以受控的可靠的方式通過施加相對小的控制電場產生高發射的電子電流密度。因此，與熱電子發射的電子束電流相比可以實現基本上是更高的電子束電流。本發明的納結構場發射陰極能夠簡單地通過改變施加的電壓以變化的持續時間的脈沖提供電子發射的精確的階躍函數開始和終止。避免了在熱電子發射中經歷的在熱衰減期間的殘余發射的問題。使用配有本發明的基于納結構的場發射陰極的X-射線管，還能夠構造用于野外的便攜式的X-射線機。
除了有利的脈沖發射以外，通過使用可控制在X-射線發生裝置內的束的取向的機械和/或電裝置可以將場發射電子導向到在陽極靶上的特定的區域。取向特征允許在一個X-射線裝置內使用多種陽極靶材料，因此在單個裝置中產生了更大范圍的特征X-射線。此外，在陽極上的轟擊的時間減少可以降低對陽極冷卻的要求同時減少裝置外設。
納結構陰極材料的使用能夠發射穩定的并易于控制和聚焦的高的電子束電流。因此，本發明的X-射線發生裝置提供了相對于當前的設計能夠顯著改善成像質量和速度的各種醫療應用系統。醫療應用所要求的X-射線束的主要特征是高強度、X-射線發生的精確控制和較小的“視在”焦點。
應用納結構場發射器，電子束電流與輸送給陰極的電子束束電流相同。因此，在實現比電子束電流更高的幅值的量級方面沒有困難。本發明提供了具有基本上更小的角度陽極靶的新型設計，由此有更小的“視在”焦點尺寸的。這就能夠導致極大地改善成像分辨率和速度。例如，可以設計2°和6°的靶角的0.1mm2和0.3mm2的雙焦點。因此，本發明的裝置能夠在當前的機器中產生相同量的X-射線但具有好到3-4倍的分辨率，或者具有相當的分辨率但X-射線束強3-4倍。
在納結構電子場發射極的情況下，以X-射線管所要求的電流密度，空間電荷極限并未達到。因此，使用本發明的X-射線裝置的設計，對mA和kV的獨立且穩定的控制是可能的。
通過本發明，場發射極的快速脈沖發射能夠輕松實現，導致在熒光檢查、X-射線照相術和計算機斷層成像中能夠顯著地提高數字成像的速度，因此減少了患者暴露在不必要的輻射中。
由于來自場發射極的電子束易于控制和聚焦，所有根據本發明，可以實現具有多種靶材料的陽極。例如，通過將相同的電子束交替地聚焦在高的Z(產生更高的平均X-射線能量)和低的Z(產生更低的平均X-射線能量)材料而不改變施加在陽極和陰極之間的kV可以產生前述的X-射線能量的脈沖發射。這種技術簡化了電源結構，因此減小了相關的成本。陽極靶和場發射極的這種設計能夠實現不同的X-射線能量的脈沖發射而不使kV脈沖發射，因此減小了成本并增強了在數字成像(比如熒光檢查、X-射線照相和計算機斷層成像)上的速度。
應用根據本發明的場發射極及其相關的容易控制性，可以設計分布式電子束以使它補償各向異性效應。因此，使用場發射極的X-射線設計可以實現產生非常均勻的X-射線束，因此增強了在數字成像上的對比度和分辨率。
根據第一方面，提供一種X-射線發生裝置，其包括室；場發射陰極，該陰極包括具有比A/cm2更大的發射電子電流密度的包含納結構的材料；陽極靶；和通過在陰極和陽極之間施加電壓建立的加速場。
根據另一方面，發生X-射線的方法包括提供室；將場發射陰極置于該室中，該陰極包括具有比4A/cm2更大的發射電子電流密度的包含納結構的材料；給陰極施加控制電壓，由此產生要發射的電子流；以及在插入到發射的電子流的室中提供陽極靶，由此使X-射線從陽極靶發射。
根據本發明，通過施加的或控制電壓可以精確地控制電流密度和它的分布。
附圖概述結合附圖，通過下文對本發明的優選實施例的詳細描述將會清楚本發明的目的和優點，在附圖中相同的標號表示類似的部件，在附圖中附圖1所示為常規的充氣X-射線管的截面圖；附圖2所示為常規的真空X-射線管的截面圖；附圖3所示為描述在將單壁碳納管制造成場發射陰極中的主要步驟的過程圖；附圖4所示為描述獲得幾種場發射材料的某些發射電流密度所需的閾值場的曲線圖；附圖5所示為根據本發明的第一實施例的碳納管場發射裝置的截面圖；附圖6所示為根據本發明的另一實施例的碳納管場發射裝置的截面圖；附圖7A所示為根據本發明的再一實施例的碳納管場發射裝置的截面圖；附圖7B所示為附圖7A的頂視圖；附圖8A所示為根據本發明的進一步實施例的碳納管場發射裝置的截面圖；附圖8B所示為附圖8A的頂視圖；附圖9所示為具有場發射碳納管陰極的真空X-射線管的進一步實施例的截面圖；附圖10所示為附圖9的裝置沿A-A的視圖；附圖11所示為具有場發射碳納管陰極的真空X-射線管的進一步實施例的截面圖；附圖12所示為附圖11的裝置沿B-B的視圖；附圖13所示為根據本發明的陽極結構的示意圖；附圖14所示為本發明的多靶可旋轉陽極的示意圖。
優選實施例的詳細描述根據本發明，至少部分地通過包含納結構的材料形成X-射線發射裝置的陰極。納結構材料具有納米級尺寸。這些納結構可以具有各種形狀，比如球形、桿/線形或管形。
本發明預期采用具有高的發射電流密度的多種納結構材料。例如包含由硅(Si)、鍺(ge)、鋁(Al)、氧化硅、氧化鍺、碳化硅、硼、氮化硼和碳化硼形成的材料的是預期的。例如在美國專利No.＿＿；(序列號No.09/594,844，代理人文檔號No.032566-003)中對上述材料作了更詳細的描述，在此以其全部引用以供參考。
根據本發明的進一步實施例，用于形成在X-射線發射裝置中的陰極的至少一部分的材料包括碳納管，或者是單壁碳納管或多壁碳納管。
陰極可以以任何適合的方式形成。例如，以各種幾何結構形成場發射陰極，比如用于聚焦發射的電子束的一個或多個尖點或脊是公知的。例如參見Levine的美國專利US3,921,022、Cochran Jr.等人的美國專利US4,253,221和Keesmann等人的美國專利US5,773,921，在此以將它們的全部內容引用以供參考。
陰極可以全部由本發明的納管材料形成，或者可以包括至少部分以納管材料涂敷的襯底。
多種單壁納管制造技術是被包括的。例如，可以使用激光燒蝕過程制造單壁納管。這種技術例如一般性地描述在Thess等人的Science；273，483-487(1996)；C.Bower等人的Applied Physics，Vol.A67，47(1998)；X.P.Tang等人的ScienceVol.288，492(2000)中，在此引用它們的公開內容以供參考。單壁碳納管也可以以電弧放電(例如參見C.Journet等人的Nature，Vol.388，756(1997))和化學汽相淀積(例如參見A.M.Cassell等人J.Of Physics ChemistryB，103，6484(1999))技術制造。
形成根據本發明的單壁納管的一種特別適合的技術包括在美國專利No.＿＿(序列號No 09/259,307，代理人文檔號No.032566-001)中所描述的技術，在此公開其全部內容以供參考。
根據實例性的技術，由石墨和適合的催化劑(比如鎳和鈷)制造的靶放置在石英管中。該靶由與0.6原子％鎳和0.6原子％鈷和石墨粘合劑混合的石墨粉形成。然后在管內將靶加熱到大約1150℃的溫度。通過真空泵抽空該管并通過適合的源將惰性氣體(如氬)氣流引入到該管中。各種控制裝置可以附接到用于控制和監測進入該管中的惰性氣體流以及在該管內的真空度的該系統。惰性氣體的壓力保持在適合的水平，比如大約800托。
能量源比如脈沖NdYAG激光用于在上述的溫度下燒蝕靶。可取的是，激光的第一和/或第二諧波束(即分別為1064納米和532納米)用于燒蝕靶。
在燒蝕靶時，通過惰性氣體流將包含納管的材料傳輸到下游，并且在管的內壁上形成淀積層。然后去除這些淀積層以恢復包含納管的材料。這種材料(所恢復的)已經進行了分析并發現它包含具有1.3-1.6納米的單個管直徑和10-40納米的束直徑的50-70體積％的SWNT。束隨機地取向。
然后通過適合的凈化過程凈化所恢復的材料。在優選的實施例中，將納管材料放置在適合的液體介質比如有機溶劑(優選醇類比如甲醇)中。使用高功率超聲角保持納管懸浮在液體介質中幾個小時，同時懸浮液通過微孔隔膜。在另一實施例中，包含碳納管的材料首先通過適合的溶劑凈化，優選20％的H2O2，隨后在CS2中清洗，然后在甲醇中，隨后過濾，如Tang等人在Science，Vol.288，492(2000)中所描述。
雖然并不將本發明限制到任何特定的理論中，但是應該考慮到，根據上述本發明的過程制造的納管材料提高了材料發射電子的能力。此外，應該相信上述的合成的SWNT具有非常低的電阻。還應該相信本發明的單壁納管材料所具有的上述特征使本發明的材料比先前研究的材料在更可靠和一致性方面更加優越。
除了上述的處理步驟之外，通過研磨比如球磨研磨或氧化能夠進一步處理凈化的材料。當然可選擇的研磨步驟可以形成更易斷裂的納管，并且在理論上至少更加進一步增加納管的端數，這就能夠形成朝陽極靶的電子發射點。碳納管還可以通過在強酸中氧化而被縮短。納管的長度能夠被酸的濃度和反應時間控制。在優選的實施例中，凈化的單壁碳納管在H2SO4和HNO3的3∶1體積比的溶液中進行聲處理。在24小時的聲處理之后平均的納管長度減小到0.5微米(在凈化的情況下10-30微米)。使用短的納管可以獲得每單位面積更多的發射尖點。
上述的納結構材料(比如凈化的單壁納管材料)可以淀積為在陰極襯底材料上的薄膜。本發明的材料的一個重要的優點在于它們能夠在襯底上或其它的形式上淀積為薄膜，而不依賴于使用粘合劑材料。粘合劑材料的使用對材料的電特性產生不利的影響，由此對它的場發射特性產生不利的影響。
附圖3所示為在淀積和制備場發射陰極的實例性技術的主要步驟的示意圖。提供襯底300，所使用的特定的陰極襯底材料并不是非常關鍵，它可以包括任何適合的常規使用的電導通材料。可取的是，在應用納結構材料例如單壁碳納管320之前，薄的碳溶解或碳形成的金屬中間層310是沉積在襯底上。碳溶解或碳形成的金屬中間層310材料的實例包括Ni、Fe、Co、Mn、Si、Mo、Ti、Ta、W、Nb、Zn、V、Cr和Hf。然后通過退火形成膜330，可選擇地隨后通過超聲處理從該裝置中消除過量的SWINT 340。在高真空(優選在10-6托下)下在某一溫度下實施退火，在這種情況下可以在金屬中間層和碳納管或適合的納結構、接口上可以形成薄的碳化物層或者可以溶解少量的碳。在這種處理之后，碳納管或適合的納結構就粘在襯底上。
通過各種方法可以將納結構材料或單壁碳納管淀積在具有金屬中間層310的襯底300上，方法包括懸浮液或溶液涂布、噴射、旋涂、濺射、絲網印刷或電泳噴鍍。例如，產生具有0.01至10μm(更具體地是0.1至1μm)的數量級的厚度的膜。在另一實施例中，薄且連續的“紙”350(附圖6)可以直接用于襯底。在過濾的過程中紙350例如由在過濾紙上沉降碳納管和納管束形成并通常具有平滑的表面而且柔軟。
通過其它的方法比如電弧放電和化學汽相淀積形成的包含單壁碳納管的膜也可以通過上述的過程形成。此外，通過化學汽相淀積方法可以直接在襯底上形成碳納管膜。
本發明的包含陰極材料的納結構材料的特征在于在相對低的施加的電壓的情況下的高發射電流密度。
對根據本發明的原理形成的各種單壁和多壁納管材料進行場發射測量。附圖4以圖形方式示出的根據本發明制備的5個納管材料。這些測量顯示在2-5V/μm和100mA/cm2的施加電場下或大于在4-7V/μm的施加的電場下的10mA/cm2的電流密度。所示為納金剛石場發射材料的結果以便比較。如附圖4所示，所研究的材料展示出在相對低的施加電場電壓下具有相對高的電流密度。
下表1概括了為獲得幾種陰極材料的10mA/cm2的電流密度所需的閾值場。與所研究的其它材料相比，本發明的碳納管均勻地具有更低的給定電流密度的閾值場。此外，所生成的電流密度對于這種碳納管材料要比對其它所研究的材料更加穩定。
表1
因此，如上文所證實，具有包括根據本發明的納結構材料比如單壁納管材料的陰極的X-射線發生裝置能夠產生大于100mA/cm2，優選1000mA/cm2，最優選的是5000mA/cm2的發射的電流電子密度。
可以設想，包括形成的與本發明的原理一致的單壁碳納管的電子發射陰極可以并入到適合的X-射線發生裝置中。這種裝置具有的優點在于不僅能夠對陰極而且對陽極以及這種X-射線發生裝置的其它部件進行多種設計的改進。下文描述根據本發明的原理構造的幾種實例性裝置。
附圖5-8B描述了根據本發明的場發射陰極裝置的截面圖。在一種實施例500中，場發射陰極結構510包括在導電襯底300上的納結構或碳納管膜330，優選地具有所需的金屬中間層310。在淀積之后，優選地對膜330進行真空退火。柵電極520(優選是高熔化溫度金屬柵格)放置在位于柵電極520和納管膜330之間的絕緣間隔530上。電源540(優選具有可變電壓的控制)連接在柵電極520和納管陰極510之間。
在另一實施例600中，場發射陰極結構610包括放置在導電襯底300上的薄納結構或碳納管紙350，該導電襯底300優選具有所需的金屬中間層310比如Fe或Ti。將紙350壓在具有金屬中間層310的襯底300上，并且該紙350優選地進行真空退火以實現粘接。紙350進一步通過絕緣套環630固定在襯底300上。柵電極620(優選是高熔化溫度金屬柵格)放置在絕緣套環630上。電源640(優選具有可變電壓控制)連接在柵電極620和紙350或導電襯底300之間。
可替換的是，實施例700可以包括場發射陰極結構710，該場發射陰極結構710包括在導電襯底300上的納結構或碳納管膜330，優選地具有所需的金屬中間層310，其中膜330被構圖并與在柵電極720中的開口對齊以使通過場發射電子的轟擊使金屬柵格的過熱最小化。柵電極720(優選是高熔化溫度金屬柵格)放置在絕緣間隔730中。金屬柵格720和構圖膜330放置在偏離設置的幾何結構上以避免在延長的時間周期中由轟擊柵格720的場發射的電子引起的柵格720的過熱的問題。
在另一實施例800中，場發射陰極結構810包括在導電襯底300上的納結構或碳納管膜330，優選具有所需的金屬中間層310。在淀積之后，膜330優選地進行真空退火。柵電極820(優選是高熔化溫度金屬柵格)放置在位于柵電極820和納管膜330之間的絕緣間隔830中。電源840(優選具有可變電壓控制)連接在柵電極820和納管陰極810之間。為改善X-射線強度的穩定性，可以并入反饋電路以改變在柵電極820和陰極810之間施加的電壓，由此補償X-射線管電流(電子電流到達靶)的波動。例如，包括電流計以監測X-射線管電流(它控制X-射線強度以及加速電壓)。如果電流下降到設定值之下，則柵電壓(它控制來自陰極的場發射的電流密度)增加直到達到設置的管電流。
此外，場發射陰極結構810可以進一步包括可以將發射的電子束聚焦到窄的區域的聚焦環850。聚焦環850安裝到在柵電極820之上的結構810上并通過第二間隔860與柵電極絕緣。為聚焦環配有負偏壓870。
可替換的是，包含納結構或碳納管的材料可以淀積在具有凹面的襯底上。給柵電極提供一定的曲率以使在陰極和柵電極之間保持恒定距離。這種結構也用于將場發射電子朝靶陽極聚焦。
附圖9所示為具有根據本發明的場發射納結構或碳納管陰極的真空X-射線管。在X-射線發生裝置910內，設置場發射陰極裝置911用作電子發生陰極。與場發射裝置相連接的是用于供應控制電壓的電引線935。在碳納管場發射陰極裝置911和金屬陽極靶930之間有足夠的場的情況下，朝陽極940發射的電子首先穿過聚焦屏蔽945。在撞擊陽極靶930之后，發射X-射線950，X-射線950穿過在真空室920-側中的窗口955。通過使用帶有入口965和出口970的冷卻水室960在本實施例中提供冷卻水。但是，由于本發明的場發射陰極裝置910能夠產生足夠使X-射線從陽極發射的強度的發射的電極電流密度，而不依賴于熱電子效應，因此設備的冷卻要求就極大地降低。此外，通過簡單地改變控制電壓可以更加精確地發射X-射線脈沖。因此可以省去機械光閥等。
附圖10所示為附圖9的裝置沿A-A的視圖。在該圖中，可以看出陽極930和窗口955的相對取向。
附圖11所示為具有本發明的納結構或碳納管場發射陰極裝置1110的真空X-射線管的第二實施例1100。在本實施例中，場發射陰極裝置1110安裝在平動臺1111上。平動臺位置由平動控制器1121控制。通過給陰極引線135施加電流在場發射陰極裝置1110和陽極1130之間可以建立場。在形成的場下，電子1140從陰極場發射并導向陽極。發射的電子轟擊產生X-射線1150，該X-射線1150從陽極靶穿過在真空室1120一側的窗口1155。由電子轟擊在陽極引起的殘余熱量通過使用冷卻水或其它的熱沉消散。附圖11所示為具有入口1165和出口1170的冷卻水室1160。此外，陽極金屬靶1130安裝在陽極安裝臺板1131上。這個臺板具有較高的熱傳導性以通過熱沉快速地從陽極消散熱量。安裝臺板1131固定到在具有熱沉的公共表面上真空室。
可替換的是，可以將陽極安裝臺板1131安裝成繞垂直于臺板的平面的中線軸旋轉。這種旋轉將單個的不同的陽極金屬靶1130提供在發射的電子1140的束的通路中。通過使用這種旋轉裝置，可以產生對應于單個陽極的材料的組分的多重特性波長的X-射線1150。
在另一附加的實施例中，陽極安裝臺板1131可以是靜止的，并且受控制器1120控制的平動臺1111可以提供可以清楚地轟擊每個陽極金屬靶的發射的電子束1140。
可替換的是，平動臺1111可以具有光柵化(rasterization)能力。通過使用場發射陰極裝置1110的單個、組或矩陣尋址的選擇區域，可以產生并導向光柵化的發射電子束以便清楚地轟擊每個陽極金屬靶1130。所有的前述的實施例的優點在于通過這種結構實現。
在進一步的實施例中，陽極是靜止的并且并入了單個受控的場發射陰極的陣列。通過有選擇性地接通和切斷在陣列中的某些場發射極，場發射電子可以轟擊靶陽極表面的各個部分。
在再一實施例中，陽極安裝平板1131固定到可移動的底座或臂。底座或臂容易地在真空室1120內移動或將從其中取下以有利于用戶裝入和卸下陽極靶。
附圖12所示為附圖11的裝置沿B-B的視圖。在這個圖中陽極金屬靶1130在陽極安裝平板1131上的位置可以更加清楚。
通過上述的結構，使用與前文結合附圖9的實施例討論的本發明的場發射控制可以實現相同的優點。此外，掃描的發射電子束可以優選轟擊不同的靶材料，由此實現通過相同的裝置產生不同類型的特征X-射線。此外，掃描束轟擊相同的靶材料的不同區域，由此減小了靶的總體發熱。
在X-射線發生裝置的某些應用中，比如醫療應用，重要的且必要的特征包括對X-射線發生、高強度X-射線的發生和所發生的X-射線的小視在焦點的精確控制。
某些常規的X-射線發生裝置具有帶產生的0.3mm2和1.00mm2的X-射線的視在焦點尺寸的雙焦點。對于6°和15°的靶角，這平移到了在0.3×3.0mm2和1.0×4.0mm2的陽極上的電子轟擊的實際區域。為了減小焦點，在來自陰極的更高的發射的電子束電流上的更小的靶角是需要的。由于受到能夠輸送給陰極燈絲的功率的限制，這在常規的裝置不可能實現。
通過本發明的裝置能夠克服這些缺陷。根據本發明的原理構造的裝置(它包括基于納結構的場發射極)，能夠產生大致等于供應到陰極的電流的發射電子束電流，由此實現具有更小的角度的陽極靶，以及最后得到的更小的視在焦點尺寸。
附圖13中示出了根據本發明的原理構造的一個這樣的陽極。具有100-5,000mA的電流的發射的電子束入射在焦點1302上，在附圖13中從正面和側面示出了該焦點1302。焦點1302的長度可以是10-30mm，寬度0.1-0.5mm。根據本發明，靶角度可以被減小以達到例如2°-10°的靶角度1304。在一個優選的實施例中，對于雙焦點結構，靶角度可以是大約2°和大約6°。上述的結構能夠產生更小的“視在”焦點1306，其面積為0.1-0.5mm2。在一個優選的實施例中，對于雙焦點結構，可以實現0.1mm2和0.3mm2的視在焦點。
在比如計算機斷層成像的應用中，X-射線扇形束的均勻性比較重要。在常規的管設計中實現均勻性比較困難，因為來自靶表面的X-射線的發射是各向異性(即，取決于相對于表面的發射方向)。X-射線束的不同部分來自聚焦區的不同部分的發射角的不同的組合。因此，即使在以均勻的電子束轟擊焦點時，所得的X-射線束仍然是非均勻的。
本發明可以精確地控制電流密度和從納結構陰極發射的電子束的分布。這就可以實現產生具有優良均勻性的X-射線束的新型方法。這種方法的實施例還在附圖13中示意性地示出。通過控制施加在納結構的發射極1310和柵極1313之間的電壓，可以產生具有一定所需的電流密度和分布的電子束1301。在轟擊陽極1302時，特別設計的非均勻的電子束1301可以產生均勻的X-射線束1303。該方法的進一步細化的方法包括在X-射線檢測器1314和陰極1310之間的反饋控制機構1313。這種機構可以產生具有一定的所需的強度分布的X-射線束，在某種應用比如數字乳房X線照相術中這種X-射線束比較有利。
與常規的裝置相比，本發明的陽極結構(具有更小的視在焦點尺寸)，導致顯著地提高了成像分辨率和速度。例如，根據本發明的原理構造的X-射線發生裝置可適用于產生與當前的機器相同量的X-射線量但卻具有好出3-4倍的分辨率，或者具有相當的分辨率但卻是常規裝置的強度的3-4倍。
在某些應用中比如數字熒光檢查和X-射線照相術中，能量相減技術可用于提高在分析的對象中的某些材料的對比度。這種技術涉及使用具有更低平均能量的X-射線獲得第一圖像，以及從使用具有更高的平均能量的X-射線獲得的第二圖像中“減去”這個第一圖像。通過在用于產生更小強度的X-射線的低的kV值和用于產生更高強度的X-射線的更高的kV值之間交替施加給陰極的電壓，常規地實施上述的技術。由于前文描述的在熱電子發射的開始和結束的困難，因此這個過程是慢的。在醫療應用中使用時，這就使患者暴露在不必要的更高的X-射線劑量中。
由于在控制并聚焦根據本發明產生的發射的電子束方面比較容易，因此可以使用包括多種靶材料的陽極靶。
附圖14中示出了一個這種裝置。多靶陽極1400配有第一靶材料1402和第二靶材料1404。圓錐或截頭圓錐面1403由第一和第二靶材料1402和1404界定。例如，第一靶材料1402可以是一般產生具有相對低的平均能量的X-射線的材料，而第二靶材料1404可以是一般產生具有相對較高強度的X-射線的材料。當然，這種方案可以顛倒。電壓1406施加給根據本發明構造的多個場發射極1408，該場發射極發射轟擊靶陽極1400的電子流。發射極1408可以脈沖發送或交替發送以使從其中發射的電子流交替地轟擊第一靶材料1402以產生具有相對低的能量的X-射線1410和第二靶材料1404以產生具有相對高的能量的X-射線1412。
本發明的裝置比常規的裝置更加低廉并且具有增加的操作速度，這在比如熒光檢查、X-射線照相和計算機斷層成像的應用中特別有用。
根據本發明的方法包括提供場發射裝置，該場發射裝置包括包含納結構的材料，將該材料引入到室中，在該室中先前已經設置或將要設置多個陽極中至少一個陽極。設置場發射裝置以作為在X-射線發生裝置中的陰極。該室隨后密封并抽空到預定的最小的壓力，或者以惰性氣體反向填充，或者上述都不在的產生X-射線的準備過程中。
場發射陰極的構造可以采用各種方法，包括前文所描述的方法，比如在襯底上凈化并淀積碳納管之前的激光燒蝕。
在所施加的控制電壓之下，本發明的場發射陰極發射電子流。控制電壓的施加確定了發射的開始和終止，所述發射由此在持續時間和強度受到控制。脈沖發射電子束具有減小陽極發熱的優點及其伴隨的好處，以及對發射的X射線的持續時間的更精確的控制。可替換的是，通過控制所施加的控制電壓可以脈沖發出發射束。
作為另一候選，通過單個地控制電壓或以預定的序列或分組尋址納結構材料的陣列以控制發射的電子束，從而導向所述束以碰撞多個陽極靶中的至少任一個靶。通過這種方法，由不同的材料制成的多個靶可以裝在相同的裝置中，這種裝置產生更寬的X-射線光譜而不必增加并從室中取下不同的材料的靶。此外，這種候選可以用于減小對陽極的任一區轟擊的時間，由此有助于減少陽極的加熱。
碰撞陽極靶的場發射電子束通過在物理上十分公知的裝置產生X-射線。然后所產生的X-射線通過X-射線透明窗口從室中射出并可用于包括醫療和科研的各種應用中。
根據上文對本發明的裝置的描述，作出上述的實例性的方法的變型以及其它的方法是顯然的。
雖然結合本發明的優選實施例已經描述了本發明，但是本領域的普通技術人員應該理解的是，在不脫離附加的權利要求所定義的本發明的精神和范圍的前提下可以作出在此沒有具體描述的增加、刪除、修改和替換。
權利要求
1.一種X-射線發生裝置，其包括室；場發射陰極，該陰極包括具有大于4A/cm2的發射電子電流密度的包含納結構的材料；陽極靶；和通過在陰極和陽極之間施加電壓建立的加速場。
2.權利要求1所述的裝置，其中發射的電流密度大于10，000mA/cm2。
3.權利要求1所述的裝置，其中施加的2-7V/μm的電場產生大約100mA/cm2的穩定的電流密度。
4.權利要求1所述的裝置，其中包含納結構的材料包括碳納管。
5.權利要求1所述的裝置，其中包含納結構的材料包括單壁碳納管。
6.權利要求1所述的裝置，其中陰極包括至少部分地被包含納結構的材料所覆蓋的襯底材料。
7.權利要求6所述的裝置，其中包含納結構的材料沒有粘合劑材料。
8.權利要求6所述的裝置，進一步包括在襯底和包含納結構的材料之間的金屬中間層。
9.權利要求6所述的裝置，進一步包括柵電極。
10.權利要求6所述的裝置，其中包含納結構的材料包括附著到襯底的薄紙。
11.權利要求9所述的裝置，其中包含納結構的材料包括由與設置在柵電極中的開口對齊的電子發射材料界定的構圖膜。
12.權利要求9所述的裝置，進一步包括反饋電路，該反饋電路被構造成改變在柵電極和陰極之間施加的電壓由此改善所產生的X-射線的穩定性。
13.權利要求9所述的裝置，進一步包括位于柵電極之上的聚焦環。
14.權利要求1所述的裝置，其中在陰極和柵電極之間施加的電壓是以接通和切斷的脈沖輸送的，并在接通的脈沖期間產生場發射的電子束，而在切斷的脈沖期間不產生場發射的電子束。
15.權利要求1所述的裝置，其中陽極進一步包括多種靶材料。
16.權利要求15所述的裝置，其中該裝置能夠有選擇性地產生不同能量的X-射線。
17.權利要求16所述的裝置，其中一部分陽極靶包括第一靶材料，而另一部分的陽極靶包括第二靶材料。
18.權利要求17所述的裝置，其中陽極靶包括圓錐面。
19.權利要求1所述的裝置，其中陽極靶包括長10-30mm和寬0.1-0.5mm的焦點。
20.權利要求1所述的裝置，其中陽極靶包括2°-10°的靶角。
21.權利要求1所述的裝置，其中該裝置產生具有0.1-0.5mm2的面積的視在焦點。
22.權利要求1所述的裝置，其中陽極靶包括長10-30mm和寬0.1-0.5mm的焦點和2°-10°的靶角，并且該裝置產生具有0.1-0.5mm2的面積的視在焦點。
23.一種產生X-射線的方法，包括提供室；將場發射陰極置于該室中，該陰極包括具有大于4A/cm2的發射電子電流密度的包含納結構的材料；給陰極施加控制電壓，由此產生要發射的電子流；以及在插入到發射的電子流的室中提供陽極靶，由此使X-射線從陽極靶發射。
24.權利要求23所述的方法，進一步包括脈沖發送入射的電子束。
25.權利要求24所述的方法，其中入射束的脈沖發送是通過在場發射陰極上施加和取消電場而引發的。
26.權利要求23所述的方法，其中包含納結構的材料包括單壁碳納管。
27.權利要求23所述的方法，其中陰極包括至少部分地被包含納結構的材料所覆蓋的襯底。
28.權利要求23所述的方法，進一步包括提供一部分包括第一靶材料而另一部分包含第二靶材料的陽極靶，以及使第一電子流轟擊第一靶材料和使第二電子流轟擊第二靶材料，由此通過施加相同的控制電壓使該裝置產生不同能量的X-射線。
29.權利要求23所述的方法，進一步包括以長10-30mm和寬0.1-0.5mm的焦點和2°-10°的靶角處理陽極靶，由此產生具有0.1-0.5mm2的面積的視在焦點。
30.權利要求23所述的方法，其中利用施加的電壓量產生預定密度和分布的X-射線束。
全文摘要
一種X－射線發生裝置包括場發射陰極，該陰極至少部分地由具有至少4A/cm
文檔編號A61B6/00GK1479935SQ01820211
公開日2004年3月3日 申請日期2001年9月27日 優先權日2000年10月6日
發明者周子剛, 盧健平 申請人:北卡羅來納-查佩爾山大學