CN106463321A - X射线装置 - Google Patents
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Abstract
本文中提出的示例性实施方式指向X射线产生装置。该装置包括具有导电基板(23)的至少一个电子发射器(22、22_1、22_2、22_3)。导电基板包括纳米结构(24)的涂层。该装置进一步包括可附接至每一个导电基板的加热元件(21)。该装置进一步包括被配置为接收至少一个电子发射器发射的电子的电子接收部件(14)。该装置还包括被配置为容纳至少一个电子发射器、加热元件以及电子接收部件的真空腔体(10)。当加热元件处于接通状态并且至少一个电子发射器被负偏压时，至少一个电子发射器被配置用于Schottky发射。
Description
技术领域
本文中提出的示例性实施方式指向被配置为在肖特基(Schottky)发射模式下操作的X射线装置。
背景技术
X射线由高能电子轰击金属表面而产生。在此设置中，X射线源包括1)被称为阴极的电子发射器，以及2)被称为靶或者阳极的电子接收器的装置。阳极是X射线发射器。阴极和阳极以特定的配置设置并且封装在真空腔体内。此外，X射线***可包括以下部件：1)X射线源，2)计算机化操作和处理装置，3)探测器，以及4)电源单元。此外，结合其他技术领域，X射线可应用于医疗成像、安全检查以及工业无损检测中。计算机技术已彻底改变了X射线在现代社会中的用途，例如X射线CT扫描仪(计算机断层扫描)。探测器技术的发展允许能量分辨率的提高、数字图像以及不断增加的扫描面积。然而，丛威廉·柯立芝(WilliamCoolidge)用装有热钨丝的真空管取代充气管以利用热电子发射彻底改变了X射线的产生方式，亦既自Coolidge管诞生之时以来的大约100年的时间里；产生X射线的技术基本上没有创新。
发明内容
也许所有在X射线成像中使用的X射线管都利用基于热电子发射的钨丝的热阴极。在过去的十年左右，人们尝试了使用碳纳米管(CNT)作为冷阴极以通过场发射产生X射线。这种电子发射由强电场引起而无需加热。CNT被认为是理想的电子发射器。然而，在X射线源中使用，制造过程和工作条件似乎对CNT的材料属性提出了严峻的挑战。当前的输出仍然远低于实际应用的水平。因此，本文中提出的示例性实施方式的至少一个目的是提供别类的电子发射器，其可提供对应的电子发射的方法以克服在热阴极和基于CNT的冷阴极中固有的材料和操作的缺点，并因此带来优越的X射线源。此外，本文中提出的示例性实施方式可提供便携的X射线装置。
因此，本文中提出的示例性实施方式指向利用混合发射(即场发射或者热辅助电子发射)的X射线装置。更重要的是，本文中提出的示例性实施方式利用了Schottky发射。使用热辅助电子发射可以补偿热阴极和冷阴极的性能上的缺失。当在对Schottky发射、热电子发射以及场发射之间进行比较时，示例性实施方式的益处将变得更加清晰。众所周知，冷阴极可以被吸附在其表面的电负性元素诸如S、Cl破坏发射电子特性，即发生所谓的阴极中毒。如果吸附严重，阴极将停止发射电子。对于场发射X射线管，一旦中毒现象发生，可将射线管从机器中拆出并在烤箱中烘烤，然后将该管安装回以查看烘烤的效果。这个繁琐的过程可以使冷阴极再生。相比之下，对于Schottky发射管，加热导致的在阴极表面适度的温升将协助电子发射并同时防止阴极吸附有毒的气体原子或分子。在发生中毒的情况下，可以通过直接加热阴极而无需将管从机器中中拆出来完成再生。较低的功耗将使所需的电源更小巧，从而使X射线装置变得更便携。此外，使用这种电子发射模式可以省掉基于热丝的***中常见的冷却***，并缩短冷却及预热周期。
根据本文中提出的示例性实施方式，指向包括至少一个电子发射器的X射线产生装置，其中，电子发射器包括导电基板。导电基板包括纳米结构的涂层。X射线装置进一步包括可附接至至少一个电子发射器中的每一个导电基板的加热元件。X射线装置进一步包括被配置为接收从至少一个电子发射器发射的电子的电子接收部件。X射线装置进一步包括被配置为容纳至少一个电子发射器、加热元件以及电子接收部件的真空腔体。当加热元件处于接通状态并且至少一个电子发射器被负偏压时，至少一个电子发射器被配置用于Schottky发射。
以上实施方式的实例优势在于，消除了在利用热电子发射的基于热丝的***中常见的冷却***或者长的冷却及预热时段。因此，可以获得更加便携的X射线装置。
根据一些示例性实施方式，当加热元件处于断开状态并且至少一个电子产生部件被负偏压时，至少一个电子发射器被进一步配置用于场发射。
因此，根据这种示例性实施方式，X射线装置可被配置为允许场发射和基于Schottky的发射两者的双操作模式。这种实施方式的实例优势在于提供可以在各种分辨率以及对比度级别提供X射线图像的多用途装置。
根据一些示例性实施方式，X射线装置可以进一步包括被配置为控制加热元件的运行状态的电源。
例如，电源可以控制至少一个电子发射器的电子发射。此外，根据至少一个电子发射器包括多个电子发射器的示例性实施方式，电源可以用于选择性地激活不同的电子发射器。这种实施方式的实例优势在于提供更加多用途的装置，其中该装置的分离部件可以单独控制。
根据一些示例性实施方式，电源28被进一步配置为提供在至少一个电子产生部件与电子接收部件之间的电位差，用于在三个偏压模式(-，0：阴极负，阳极接地)、(-，+：阴极负，阳极正)以及(0，+：阴极接地，阳极正)下的二极管。设置使用这种偏压模式用于引起Schottky发射或者场发射。
因此，这种实施方式的示例性优势在于，消除了在利用场发射的基于热丝的***中常见的冷却***或者长的冷却及预热时段。因此，可以获得更加便携的X射线装置。
根据一些示例性实施方式，电源被配置为在DC模式即恒定(-，0)、(-，+)、(0，+)，脉冲模式即在阳极处Vp>0或者在阴极处Vp<0的方波，或者AC模式即正弦波下操作。
提供具有不同的操作模式的电源的示例性优势在于提供更加通用的设备的能力。例如，在脉冲模式和AC模式下，可以获得波形的明确的上升时间、频率、占空比以及脉冲形状。
根据一些示例性实施方式，导电基板由不锈钢、镍、镍基合金、铁或者铁基合金制成。
根据一些示例性实施方式，纳米结构掺杂或者复合掺杂有包括在元素周期表的列IA、IIA、IB、IIIA、VIA或者VIIA中的掺杂元素。
根据一些示例性实施方式，纳米结构由ZnO制成。
这种实施方式的示例性优势在于提供取代基于CNT的电子发射器的能力。ZnO提供了如下示例性益处：提供与基于Schottky的发射更加兼容的电子发射器。基于碳的电子发射器在典型的管制造过程的温度及活泼气体环境下易于损伤。然而在具有与CNT相等的有吸引力的场发射性能，ZnO及相关材料熔点高并且化学性质更加稳定。
根据一些示例性实施方式，电子接收部件由金属、金属合金、金属化合物或者金属陶瓷复合材料制成。
一些示例性实施方式指向在安检X射线扫描设备中使用以上描述的X射线产生装置。
一些示例性实施方式指向在计算机断层扫描设备中使用以上描述的X射线产生装置。
一些示例性实施方式指向在C形臂型扫描设备中使用以上描述的X射线产生装置。
一些示例性实施方式指向在地质勘查设备中使用以上描述的X射线产生装置。
一些示例性实施方式指向在X射线荧光光谱分析中使用以上描述的X射线产生装置。
附图说明
从以下示例性实施方式的更具体描述中上述内容将变得明显，如附图所示，其中贯穿不同视图的相同参考字符表示相同的部分。附图不必按比例绘制，而是重点在于示出示例性实施方式。
图1是基于热电子发射的X射线装置的示意图；
图2是根据本文中描述的示例性实施方式的X射线的示意图；
图3是根据本文中描述的一些示例性实施方式的具有栅网的电子发射器的说明性示例；
图4是根据本文中描述的一些示例性实施方式的电子发射器可具有的不同形状的说明性示例；
图5是根据本文中描述的一些示例性实施方式的包括多个电子发射器的X射线装置的示意图；以及
图6A和图6B是示出根据本文中描述的一些示例性实施方式的图5的电子发射器的I-V特性的图形。
具体实施方式
在以下描述中，出于解释的目的并且不作为限制，阐述具体细节诸如具体部件、元件、技术等以提供对示例性实施方式的详尽理解。然而，对于本领域内普通技术人员明显的是，可以偏离这些具体细节以其他方式实施示例性实施方式。在其他实例中，省略了众所周知的的方法和元件的具体描述以不混淆示例性实施方式的描述。本文中使用的术语用于描述示例性实施方式的目的并不旨在限制本文中提出的实施方式。
本文中提出的示例性实施方式指向利用基于Schottky的电子发射的X射线装置。为了更好地描述示例性实施方式，首先将确定和讨论问题。图1示出传统的X射线管。图1的X射线管特征在于包括热丝阴极12和由耐熔金属/合金制成的阳极14的真空玻璃管10。阳极14的表面以预定的倾斜角度面向阴极12。由电源13提供的电流穿过灯丝12，促使灯丝12的温度升高至从该灯丝发射电子16的温度。然后电子束16的电子被电场加速而撞击阳极14。这产生了经由窗口20发射到装置之外的X射线束18。阴极与阳极之间的电压差值决定了X射线束的能量。
也许所有在X射线成像中使用的X射线管都利用基于热电子发射的钨丝的热阴极。在过去的十年左右，人们尝试了使用碳纳米管(CNT)作为冷阴极以通过场发射产生X射线。这种电子发射由强电场引起而无需加热。CNT被认为是理想的电子发射器。然而，在作为阴极材料X射线源中使用，球管制造过程和工作条件似乎对CNT的材料属性提出了严峻的挑战。当前基于CNT的冷阴极管的输出电流仍然远低于实际应用的水平。因此，本文中提出的示例性实施方式的至少一个目的是提供别类的电子发射器，其可提供对应的电子发射的方法以克服在热阴极和基于CNT的冷阴极中固有的材料和操作的缺点，并因此带来优越的X射线源。此外，本文中提出的示例性实施方式可提供便携的X射线装置。
因此，本文中提出的示例性实施方式指向利用混合发射、场发射或者热辅助发射——Schottky发射的X射线装置。具体地，本文中提出的示例性实施方式利用基于Schottky的电子发射。混合发射导致的较低功耗将允许使用更小巧的电源，从而使X射线装置变得更易携带。此外，使用这种电子发射模式省掉了基于热丝的***中常见的冷却***，并能缩短冷却及预热时间。
图2示出根据示例性实施方式的X射线装置。图2的X射线装置包括包含电子发射器(或者阴极)22和电子接收部件14的真空玻璃管10。电子接收部件14的表面以预定的倾斜角度面向电子发射器22。由电源28提供的电流通过加热元件21，促使电子发射器22的温度升高至从电子发射器22发射电子束25的温度。这种发射被称为Schottky发射。与图1的通过使用静电场引起的电子发射相对比，图2的发射是通过加热引起的。
然后电子束25的电子被电场加速至电子接收部件14。这导致经由窗口20定向到装置以外的X射线束26。电子发射器与电子接收部件之间的电压差值决定了X射线束的能量。
电子发射器22包括包含纳米结构24的涂层的导电基板23。加热元件21通过管的阴极端的两个电馈通附接至导电基板23。纳米结构24的涂层可以形成在导电基板23上。纳米结构涂层可以是纳米颗粒、纳米线、纳米棒、四针状纳米或者纳米管的形式。基板的材料可以是不锈钢、镍、镍基合金、铁或铁基合金。根据一些示例性实施方式，基板预成形为各种形状。
根据一些示例性实施方式，栅网30放置在电子发射器的表面23(包括纳米结构24)与电子接收部件14(用作引出电极)之间，如图3所示。根据一些示例性实施方式，间隔件31放置在电子发射器与栅网30之间。栅网可以放置在距经由间隔件固定的电子发射器100um至1000um之间的间隔距离处。圆形盖放置在栅网的上面，用作向栅网30提供电压的栅极。根据一些示例性实施方式，间隔件可以是陶瓷间隔件。
栅网由等直径的导电线制成。此外，导线由高熔点、低蒸汽压并导电的材料诸如W、Mo、Ta、Ni、不锈钢或者镍基合金制成。导线的直径在30um与150um.之间变化。栅网的开口比在50％至80％之间变化。此外，栅网中的导线的表面涂覆有具有显著的次级电子发射属性的薄层或者多层材料，诸如MgO和相关材料。作为另外的选择，涂层为UV发射材料、GaN以及相关材料。
因此该涂层具有增强阴极电子发射的效应。如图5所示，应用于三极x射线管的这种类型的电子源的整体优点是阴极电流强度独立于阳极电压以及电流输出的倍增效应。此外，阴极和栅极之间的电场决定发射电流强度；而电子发射器和电子接收组件24之间的电压差决定了x射线的能量。
图4示出了电子发射器可以成形的示例性形状。电子发射器22a是包括导电基板23a和纳米结构24a的涂层的圆形金字塔形状。电子发射器22b的另一个实例设置为同样包括导电基板23b和纳米结构24b的涂层的实心柱体。图4提供了电子发射器的又一个实例，该电子发射器是包括导电基板23c和纳米结构24c的涂层的中空柱体22c的形式。电子发射器的另外的实例设置为包括导电基板23d和纳米结构24d的涂层的中空的星形22d的形式。应当理解，由于形状会影响发射的电子的方向，所以这些形状可以适配于X射线的不同用途。应当进一步理解，根据示例性实施方式还可以将其他形状应用在X射线装置中。
根据一些示例性实施方式，纳米结构涂层可以通过固-液-气相方法、化学蒸汽沉积(CVD)处理、或者化学溶剂方法生成。根据一些示例性实施方式，纳米结构涂层被配置为相对于形态改变，以在生成过程中或之后进一步通过化学、电化学或者光学方法促进电子发射。
根据一些示例性实施方式，纳米结构涂层可以由氧化物、氮化物、硅化物、硒化物或者碲化物制成。根据一些示例性实施方式，纳米结构涂层可以由氧化物半导体例如ZnO制成。ZnO是n型宽带隙半导体。电导率与生成过程中产生的氧空位相关联。
通过掺杂元素周期表的列IA、IIA、IB、IIIA、VIA、VIIA中的元素实现电导率的提高。应用生长后热处理以使掺杂物均匀至表面或者使它们部分地偏析至表面。纳米结构的形态可以通过化学或者电化学方法改变以获得局域场增强。还可以应用UV处理以改善表面性能。表面涂层可以应用至纳米结构以通过减小发射器表面的功函数进一步增强电子发射能力。根据一些示例性实施方式，可以将介电层，例如SiO2，添加到导电基板上不存在纳米结构涂层的区域中。这种介电涂层对引导电子发射是有用的。
当通过加热元件21适度加热时，同时电子发射器被负偏压，电子通过Schottky发射来发射。当关闭加热时，同时阴极被负偏压，电子通过场发射来发射。所添加的加热功能(在现有技术的场发射X射线源中不存在)还可以应用于在阴极中毒的情况下，通过从发射器表面去除不想要的吸附的化学物质而使电子发射器再生。
根据一些示例性实施方式，在X射线装置中可以使用多个电子发射器。图5示出具有多个电子发射器的X射线管。在这个实施方式中，三个电子发射器22_1、22_2以及22_3组装在封闭管10中，且发射器面向电子接收部件14。电子发射器的数量和间距可以变化。
应当理解，根据示例性实施方式，在X射线装置中可以应用任意数量的电子发射器。应当进一步理解，图5的电子发射器可以是具有图2到图4中任一个的特征的电子发射器，或者是任何其他形状的发射器。还应当理解，电子发射器相对于彼此不需要相同并且可以包括不同的形状和/或特性。
电子发射器的设置的图案可以是但不限于线形、矩形、方形、圆形或者六边形。相对于与电子接收部件14的关系，电子发射器22_1、22_2以及22_3可以设置为使得它们全部发射指向电子接收部件14上的一个焦点的电子25a-25c，或者使得它们将放大的或者缩小的发射图案的图像投射到电子接收部件14上。
所有这些变化旨在满足X射线束26的尺寸和形状的要求。电子发射器22_1、22_2以及22_3可以集体激活或者单独激活、同时激活或者顺序激活。这种灵活的激活方案通过设定电源的输出频率而允许X射线产生高频率、脉冲模式，并通过选择激活的电子发射器22_1、22_2以及22_3的数量而在较宽范内选择辐射剂量。电子发射器22_1、22_2以及22_3的激活可以通过电源28控制。
本文中提出的示例性实施方式允许单独激活电子发射器22_1、22_2以及22_3，从而提供用于稳定发射电流的机制，这在当前的X射线***中是没有的。应当理解，在大面积阴极或者多阴极中，发射中的不均匀性是一个严重的问题。这个问题起源于发射器的几何和物理的不均匀性。
换言之，以上描述的发射器的问题起源于材料和工艺问题。因此，一些示例性实施方式指向改进发射器材料在基板上的生长。根据一些示例性实施方式，发射器当中存在的不均匀性也在组件层次得到解决。通过将三阴极配置作为图5中的示例来描述这种示例性实施方式。
图6A和图6B示出图5的电子发射器配置的电流和电压特性。在每一个图形中，由三角形、正方形以及圆形图标表示的绘图点分别表示图5的电子发射器22_1、22_2以及22_3。
图6A示出了在保持电子发射器与电子接收部件之间的距离相同时加电压V。每一个电子发射器22_1、22_2以及22_3将分别发射电流i1、i2以及i3。如在图6A的图形中所示，通过每一个电子发射器的电子发射提供的电流的量不同。尽管不均匀性可以通过形式上限定讨论中的所有发射器的测量的电流值的均方差或者均方根偏差来量化描述，但是，图6A中示出的图形差值足以示出这点。
如从图6B中可以看出，如果所有三个电子发射器要发射相同的电流，那么需要将不同的电压v1、v2以及v3分别施加至电子发射器22_1、22_2以及22_3。当这些电子发射器指向不同的焦点以生成X射线束的具体形状时，表现出了它的优势。该机制通过在所有的焦点处提供恒定电流而提供了X射线束的空间均匀性。另一个优势是当这些电子发射器指向一个焦点并且依次偏压时，这些发射器提供具有时间均匀性的电子发射，其在时间上具有恒定电流。此外，为了确保X射线发射的稳定性和均匀性，反馈监测电路可以用于控制电子发射过程。
根据一些示例性实施方式，电源28进一步配置为在至少一个电子产生部件与电子接收部件之间提供电位差，用于在三个偏压模式(-，0：阴极负，阳极接地)、(-，+：阴极负，阳极正)以及(0，+：阴极接地，阳极正)下的二极管。设置使用这种偏压模式是为了引起Schottky发射。因此，这种实施方式的示例性优势在于消除了在利用场发射的基于热丝的***中常见的冷却***或者长的冷却及预热时段。因此，可以获得更加便携的X射线装置。
根据一些示例性实施方式，电源***作为在DC模式即恒定(-，0)、(-，+)、(0，+)，脉冲模式即阳极接地或者阴极接地的方波，或者AC模式即正弦波。提供具有不同操作模式的电源的示例性优势在于提供更加通用的装置的能力。例如，在脉冲模式和AC模式下，可以获得波形的明确的上升时间、频率、占空比以及脉冲形状。
应当理解，本文中描述的X射线装置可以在多个领域中使用。例如，X射线装置可以在安检扫描设备中使用，例如，将在机场安检中的X射线装置。由于使用加热元件和Schottky发射而使得更加便携的装置成为可能，所以可以在这种安检***中更容易地实施X射线装置。
使用本文中讨论的X射线装置的又一个实例是在医疗扫描装置中，诸如计算机断层(CT)扫描设备或者C形臂型扫描设备，其可以包括型小C形臂设备。使用本文中描述的X射线装置的又一个实例是在地质勘查设备中。
应当理解，本文中描述的X射线装置可以在任意的无损检测设备中使用。X射线装置的几个示例性应用可以是钼靶检查、兽医成像以及X射线荧光光谱仪等。
本文中提供的示例性实施方式的描述是用于说明的目的。该描述不旨在详尽无遗的、或者将示例性实施方式限制于已公开的严格的形式，并且根据以上教导可以进行修改和变型，或者通过对所提供的实施方式实施各种替代可以获得修改和变型。选择并且描述本文中讨论的实例，以便解释各种示例性实施方式的原理和性质及其实际应用，从而使本领域内的普通技术人员能够以各种方式并且通过适合于预期的具体用途的各种修改来利用示例性实施方式。本文中描述的实施方式的特征可以在方法、设备、模块、***以及计算机程序产品的所有可能的组合中组合。应当理解，本文中提出的示例性实施方式可以在彼此的任意组合中实施。
应当注意，词语“包括(comprising)”不必排除列出的那些以外的其他元件或者步骤的存在，并且在元件前的词语“一(a)”或者“一个(an)”不排除多个这种元件的存在。还应当注意，任何参考标号不限制权利要求的范围，示例性实施方式可以至少部分地通过硬件和软件两者实现，并且几个“方法”、“单元”或者“装置”可以由相同的硬件项表示。
在附图和说明书中，已公开了示例性实施方式。然而，可以对这些实施方式作出许多变化和修改。因此，尽管采用了具体的术语，但是，它们仅在通用和描述性的意义下使用并不出于限制的目的，实施方式的范围由以下权利要求限定。
Claims (15)
1.一种X射线产生装置，包括：
包括导电基板(23)的至少一个电子发射器(22、22_1、22_2、22_3)，其中，所述导电基板包括纳米结构(24)的涂层；
加热元件(21)，可附接至所述至少一个电子发射器的每一个所述导电基板；
电子接收部件(14)，被配置为接收从所述至少一个电子发射器发射的电子；以及
真空腔体(10)，被配置为容纳所述至少一个电子发射器、所述加热元件以及所述电子接收部件；
其中，当所述加热元件处于接通状态并且所述至少一个电子发射器被负偏压时，所述至少一个电子发射器被配置用于Schottky发射。
2.根据权利要求1所述的X射线产生装置，其中，当所述加热元件(21)处于断开状态并且所述至少一个电子发射器被负偏压时，所述至少一个电子发射器(22、22_1、22_2、22_3)被进一步配置用于场发射。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的X射线产生装置，进一步包括被配置为控制所述加热元件(21)的运行状态的电源(28)。
4.根据权利要求3所述的X射线产生装置，其中，所述电源(28)进一步被配置为在三个偏压模式(-，0)、(-，+)以及(0，+)下，提供在所述至少一个电子产生部件(22、22_1、22_2、22_3)与所述电子接收部件(14)之间的电位差。
5.根据权利要求3-4中任一项所述的X射线产生装置，其中，所述电源(28)被配置为在DC模式、脉冲模式或者AC模式下操作。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的X射线产生装置，其中，所述导电基板(23)由不锈钢、镍、镍基合金、铁或者铁基合金制成。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的X射线产生装置，其中，所述纳米结构(24)掺杂或者复合掺杂有包括在元素周期表的列IA、IIA、IB、IIIA、VIA或者VIIA中的掺杂元素。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的X射线产生装置，其中，所述纳米结构(24)由ZnO制成。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的X射线产生装置，其中，所述电子接收部件(14)由金属、金属合金、金属化合物或者金属陶瓷复合材料制成。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的X射线产生装置，其中，所述至少一个电子发射器(22、22_1、22_2、22_3)进一步包括位于通过间隔件(31)隔开的100um至1000um之间的固定距离处的栅网(30)。
11.在安检X射线扫描设备中，使用根据权利要求1-10中任一项所述的X射线产生装置。
12.在计算机断层扫描设备中，使用根据权利要求1-10中任一项所述的X射线产生装置。
13.在C臂型扫描设备中，使用根据权利要求1-10中任一项所述的X射线产生装置。
14.在地质勘查设备中，使用根据权利要求1-10中任一项所述的X射线产生装置。
15.在X射线荧光光谱仪中，使用根据权利要求1-10中任一项所述的X射线产生装置。
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