CN1643641A - 大区域可单独寻址的多束x射线*** - Google Patents

大区域可单独寻址的多束x射线*** Download PDF

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O·Z·周
卢健平
邱齐
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Abstract

一种用于产生x射线的结构具有多个固定的且单个地电可寻址的场致发射电子源(402)，其具有包括场致发射材料的基片，诸如碳纳米管。以预定的频率电切换场致发射电子源以可编程的序列朝着靶上的入射点发射电子。产生的x射线频率上和位置上相应于场致发射电子源。大区域靶(404)和发射器(402)的阵列或者矩阵可以从不同的位置和/或角度来成像物体(416)，而不移动物体或者结构(400)，以及可以产生三维图像。该x射线***适于各种应用，包括工业检查/质量控制、分析仪器、诸如机场安全检查***之类的安全***，以及诸如计算机断层之类的医学成像。

Description

大区域可单独寻址的多束x射线***
关于联邦政府资助的研发的声明
本发明的至少一些方面是在no.N00014-98-1-0597的合同下由政府支持进行。政府对本发明具有一定的权力。
技术领域
本发明涉及一种用于产生和控制x射线辐射的方法和装置。例如，本发明涉及一种从发射器阵列或者矩阵产生电子发射的方法和装置。发射的电子直接撞击大区域靶上的不同位置，以从不同的源产生多个x射线束，从而提供改进的成像能力，包括动态成像。
背景技术
在下面的本发明的背景技术的描述中，参考某些结构和方法，然而，这样的参考没有必要解释为承认这些结构和方法在可应用的法定规定下有资格作为现有技术。申请人保留权力来证明，任何参考的主题相对于本发明不够成现有技术。
术语“纳米结构的”或者“纳米结构”材料由那些熟悉该领域的人来用于表示包括具有小于100nm的颗粒尺寸的纳米颗粒的材料，诸如纳米管(例如，碳纳米管)。这些类型的材料表现为显示在多种应用中具有上升的兴趣的某些特性。
目前的x射线管包括具有单个(或者两个)焦点的靶(其中，电子轰击靶，且产生x射线)，单个阴极或者两个阴极。电子通常从阴极热电子发射，且聚焦为撞击靶上的小区域。为了在大区域上成像或者诊断的目的，物体或者x射线管(或者两者)必须在该区域上移动。
这样的x射线使用的一个例子包括计算机断层(CT)。图1(a-d)描绘了CT扫描器100的总的结构，其中，x射线源102(通常x射线管)围绕要被成像的物体104旋转(由箭头所示的方向)。数据可以由与x射线源102协调移动的单个检测器106(如图1a所示)、与x射线源102协调移动的多个检测器106(如图1b和1c所示)，或者多个固定的检测器106(如图1d所示)来采集。目前的CT设计的结果为，扫描器通常较大，具有复杂的机械***。扫描器可以由x射线管的旋转速度和设备的尺寸和重量来限制。这最后的限制可以反作用于诸如跳动的心脏之类的运动部分的清晰图像的捕获。
动态三维(3D)图像可以通过所谓的“第五代CT扫描器”来获得。第五代CT扫描器200的一个例子在图2中显示。电子束202由真空***206中的固定的电子枪204产生。电子束202由聚焦线圈208聚焦，且由偏转线圈210扫描，以便应用的磁场越过几个固定的金属靶环212中的任何一个来定位电子束202，x射线从这些固定的金属靶环发射。发射的x射线214朝着要被成像的目标216投射，且由固定的检测器218检测，以及由数据采集***220处理。尽管这样的***能够产生动态3D图像，但是扫描器200很大，且制造昂贵。
除了目前的CT扫描器的设计限制以外，目前的x射线源使用加热的金属丝作为电子源。由于热电子发射机理，所以要求很高的工作温度，通常在1000-1500℃的量级。该高的工作温度导致诸如金属丝的短的使用寿命、慢的响应时间(即，在发射前加热金属丝的时间)、高能耗和大装置尺寸之类的问题。
此外，由于热电子发射机理的基本物理现象，电子是在各个方向上发射的。在x射线管应用中，可以应用额外的电场来使电子在靶上聚焦，但是具有伴随的复杂性和成本。此外，这样的聚焦电子束的传统技术具有某些缺点，诸如对聚焦点的均匀性和尺寸的限制。
碳纳米管材料已经显示为是极好的电子场致发射材料。在这个方面，尤其是当与其它传统的电子发射材料相比时，碳纳米管材料已经显示为具有低的电子发射域值应用场值，以及高的发射的电子电流密度能力。
共同拥有的美国专利No._____(序列号No.09/296572，题目为“Device Comprising Carbon Nanotube Field Emitter Structureand Process for Forming Device”)整个披露了一种基于碳纳米管的电子发射器结构，该美国专利的披露物通过引证在此引入。
共同拥有的美国专利No._____(序列号No.09/351537，题目为“ Device Comprising Thin Film Carbon Nanotube Electron FieldEmitter Structure”)整个披露了一种具有高的发射的电流密度的碳纳米管场致发射器结构，该美国专利的披露物通过引证在此引入。
题目为“Method for Fabrication of Patterned CarbonNanotube Films”的共同拥有的美国专利No.6277318整个披露了一种将附着的构图碳纳米管薄膜制造在基片上的方法，该美国专利的披露物通过引证在此引入。
共同拥有的美国专利No._____(序列号No.09/679303，题目为“X-Ray Generating Mechanism Using Electron Field  EmissionCathode”)整个披露了一种包括包含纳米结构的材料的X射线产生装置，该美国专利的披露物通过引证在此引入。
这样，在本领域中需要解决与用于产生x射线和用于将x射线应用于诸如计算机断层之类的成像环境中的应用的方法和装置相关的上述缺点。此外，本领域中需要在静态和动态环境下的成像方法。
发明内容
用于产生x射线的具有靶和相对表面的结构具有限定多个阴极的多个固定的且单个地电可寻址的电子源。用于产生x射线的结构可以是装置中的x射线源，以记录x射线图像。电子源最好是场致发射电子源，且可以是三极管类型，其具有包括场致发射材料的基片，以及平行于基片定位且与基片绝缘的门电极。场致发射材料最好是具有用于发射的低域值场且在高发射电流下稳定的材料。例如，场致发射材料可以是碳纳米管，诸如单壁、双壁或者多壁碳纳米管、金属、金属氧化物、硅、二氧化硅、碳化物、硼化物、氮化物或者硫族化物的纳米线或者纳米棒。此外，包含由硅、锗、铝、二氧化硅、氧化锗、碳化硅、硼、氮化硼和碳化硼形成的材料的纳米结构可以是场致发射材料。阴极和靶容纳在具有多个透射x射线的窗的真空腔中。
从固定的阴极发射的电子被在靶和阴极之间施加的电压加速，且撞击在靶的不同点上。在电子撞击的多个靶之中的靶区域或者特定的靶可以通过合适设计的阴极和靶几何形状，或者通过施加额外的聚焦电场，或者其它合适的技术来控制或者选择。当由电子撞击时，x射线辐射从靶材料的撞击表面发射。x射线辐射的方向和发散可以由窗和准直器相对于腔的位置来控制。
X射线辐射的强度依赖于在靶和阴极之间施加的电压，以及发射的电子电流。从发射材料发射的电子电流由三极管结构中的门电极和场致发射材料之间的电场控制，或者在二极管的情况下由在靶和场致发射材料之间的电场控制。场致发射的电子基本上是非发散的，且朝着门电极和阳极行进。该发射可以出现在300K下，且可以通过控制施加的电场来快速地开关切换。
在一个实施例中，一种产生x射线图像的方法将物体在成像区域中定位，以预定的频率切换固定的阴极结构上的多个阴极的每一个来场致发射电子，以预定的频率从固定的靶结构的靶发射x射线，成像物体，以及检测发射的x射线。多个阴极的每一个包括场致发射电子源，其是可单独寻址的，且以可编程的序列电切换，以朝着固定的靶结构上的入射点场致发射电子。
在另一个实施例中，一种获得x射线图像的方法将物体放在x射线源中，施加电力到多个阴极的至少一个来产生持续预置或者可变设置的曝光时间的x射线辐射，将物体曝光到x射线辐射，以及通过x射线检测器或者x射线敏感膜来捕获相应于物体的x射线图像。
在一个方面，x射线检测器或者x射线敏感膜以相应于施加到阴极的预置的或者可变设置的频率的频率来移动，以捕获图像和/或检测x射线。或者，x射线检测器或者x射线敏感膜是固定的，且单个的、成组的或者单个的或者成组的x射线检测器或者x射线敏感膜的部分在相应于施加到阴极的预置的或者可变设置的频率的频率来激励(例如，使得可以检测和/或捕获)，以捕获图像和/或检测x射线。
在还有的方面，在固定的靶结构上的发射x射线的位置空间地和时间地相应于阴极结构上的发射电子的位置，且发射的x射线的圆周位置和仰角中的至少一个相对于物体充分地可区别，以产生三维图像。
在另外的方面，电力同时施加到所有的多个阴极上，或者以预置的或者可变设置的频率来顺序地施加到多个阴极的子集上。在后者的情况下，以相应于预置或者可变设置的频率的频率来移动或者激励x射线检测器或者x射线敏感膜，以捕获x射线图像。频率可以足够快，以动态成像生理功能。
X射线***可以具有大区域靶，以及发射器阵列或者矩阵。电子朝着靶上不同的入射点来直接发射，以从不同的源产生多个x射线束。结果为，可以在不移动物体或者x射线管的情况下从不同的区域和/或角度来截取大的物体的图像。该x射线***适于多种应用，包括工业检查/质量控制、分析仪器、诸如机场安全检查***之类的安全***，以及诸如计算机断层之类的医学成像。
附图说明
从下面的结合附图的优选实施例的详细描述可以明白本发明的其它目的和优点，其中，同样的标号表示同样的元件，其中：
图1(a)-(d)表示了计算机断层，其中，x射线源和/或检测器围绕要被成像的物体旋转。
图2是第五代计算机断层***的代表例子。
图3是用于产生x射线的结构的实施例。
图4是记录x射线图像的装置的实施例的截面图。
图5是阴极结构的实施例。
图6是靶结构的细节的示意图。
图7是产生的x射线成像物体的第一个示意性的表现。
图8是产生的x射线成像物体的第二个示意性的表现。
具体实施方式
用于产生x射线的结构包括限定多个阴极的多个固定的且单个地电可寻址的电子源、与阴极相对设置的至少一个靶，以及容纳多个阴极和至少一个靶的真空腔。电子源可以是场致发射电子源，且可以是三极管类型或者二极管类型的结构。
图3是用于产生x射线的结构300的实施例。阴极结构302和靶结构304设置在腔306中，该腔基本上采用具有外部壁308和内部壁310的空心圆柱的形式。阴极结构302和阳极结构304定位在内部壁308和外部壁310之间的腔306内。腔306通过可操作地连接到腔306的合适的真空***来可操作地维持在至少1托的真空下。如在本领域中已知的引线(没有显示)可以给腔306内的部件提供服务。
用于记录x射线的图像的装置包括具有阴极结构和靶结构的x射线源、物体定位***和检测器***。一方面，x射线源可以是用于产生x射线的结构，如这里显示和描述的。
用于记录x射线的图像的装置的实施例的一个例子在图4中以截面图显示。用于记录x射线的图像的装置400具有阴极结构402、靶结构404、物体***406和检测器408。阴极结构402可以采用单个阴极或者多个阴极的形式。在显示的实施例中，阴极结构402设置为环，以相应于腔410的整体形状。类似于阴极结构402，靶结构404可以采用单个靶或者多个靶的形式。在显示的实施例中，靶结构404设置为环，以相应于腔410的整体形状。当由从阴极结构402发射的电子414轰击时，靶结构404可以产生需要波长的x射线412。该x射线412传播到包括要被成像的物体418的成像区域416，且由检测器408检测。检测器408可以是与x射线源相对的x射线检测器或者x射线敏感膜的阵列或者矩阵，该阵列或者矩阵大致平行于x射线源，且与x射线源成相等距离(例如，处于这样的位置，即，x射线从该位置传播到物体)。一方面，检测器408可以位于邻近内部壁418且在腔410外部的成像区域416的圆周上。另一方面，x射线源和检测器可以处于相对的平行平面上。用于记录x射线的图像的装置400适于多种应用，包括工业检查/质量控制、分析仪器、诸如机场安全检查***之类的安全***，以及诸如计算机断层之类的医学成像。
阴极结构402可以是具有面朝靶结构404的表面420的任何合适的几何形状。例如，阴极结构402可以是大致环面、圆环或者盘形。一个或者多个场致发射电子源可以固定在阴极结构402上。
当阴极结构为平面或者平面形时，多个阴极和至少一个靶可以每个在相对的平面上，且该靶具有偏转表面，其可以朝着发射电子的多个阴极的表面定向。一方面，该偏转表面定向成不平行于多个阴极的表面。此外，多个阴极的每一个可以以预定的空间间隔来单个地定位在相对的平面之一上。
当阴极结构为环或者环形时，多个阴极可以定位在第一个环上，且至少一个靶可以定位在第二个环上，该第一个环和第二个环同中心，且该至少一个靶具有偏转表面，其可以朝着发射电子的多个阴极的表面定向。一方面，该偏转表面定向成不平行于多个阴极的表面。此外，多个阴极的每一个可以以预定的空间间隔来单个地定位在第一个或者第二个环之一上。
图5示出了阴极结构500的典型实施例为具有设置在宽的面向表面506上的多个离散的场致发射电子源504的大致环面502。每个场致发射电子源504限定x射线产生设备中的阴极。场致发射电子源504每个是单个地电可寻址的，且固定地固定到阴极结构500。在图5的实施例中，场致发射电子源502沿着阴极结构500间隔地设置。间隔α可以是任何合适的间隔，以获得需要的成像结果。固定的间隔和随机的间隔都是可以设想的。在至少一个典型的实施例中，连续的场致发射电子源504之间的间隔为近似10度。
在图5的实施例中，在阴极结构500中的凹进508可以容纳平面的圆形场致发射材料510。平行于场致发射材料510的平面512且与其绝缘设置的是门电极514。此外，门电极514可以跨过大致距离场致发射材料510等距离的场致发射材料510的表面来设置。场致发射材料和门电极的结构可以例如是三极管类型或者二极管类型的结构。当超过域值时，在场致发射材料510和门电极514之间的偏压(例如，电场)大致垂直于场致发射材料510的平面512来抽取和加速电子。因此，场致发射的电子是非发散的。多个场致发射的电子通过门电极，且进一步指向预定的位置，并通过施加在门电极和至少一个靶之间的电场被加速，以撞击在至少一个靶上。当撞击在入射点处时，产生至少一种具有相应于至少一个靶的材料的特征波长的x射线，以及至少一种具有连续波长的x射线。
场致发射材料510可以由具有高发射电流密度的多种纳米结构的材料中的任何一种形成。例如，场致发射材料可以是碳纳米管(例如，单个壁的碳纳米管、两个壁的碳纳米管或者多个壁的碳纳米管)。或者，场致发射材料可以是包括至少一个非碳元素的纳米管。此外，场致发射材料可以是包括金属、金属氧化物、硅、碳化硅、二氧化硅、碳氮化物、氮化硼、碳化硼、或者硫族化物中的至少一种的纳米棒/纳米线，或者可以是其它纳米线，诸如SiC或者SiC纳米线。此外，考虑包含由硅、锗、铝、二氧化硅、氧化锗、碳化硅、硼、氮化硼和碳化硼形成的材料的纳米结构。上述材料的更加具体的细节在题为“Nanostructure-Based High Energy Material and Method”的共同拥有的美国专利No.6334939中披露，其披露物通过引证在此整个引入。
场致发射材料可以通过任何合适的技术和以任何合适的几何形状来应用。合适的技术和形式的例子在题为“Method for Fabricationof Patterned Carbon Nanotube Films”的共同拥有的美国专利No.6277318中给定，其披露物通过引证在此整个引入，其中，披露了一种将附着的构图碳纳米管薄膜制造在基片上的方法。此外，形成具有各种几何形状的场致发射阴极是已知的，诸如一个或者多个尖点或者脊，其用作聚焦发射的电子的束。例如，如美国专利No.3921022；4253221；和5773921可见，其披露物通过引证在此引入。另外的合适技术包括将场致发射材料作为膜涂覆到基片上，将场致发射材料嵌入基片的矩阵中，或者将场致发射材料形成为自立的基片结构。
在另外的实施例中，阴极结构可以是合适的涂覆有场致发射材料的结构基片材料，且形成为场致发射电子源。在该实施例中，阴极结构可以形成为场致发射材料的连续阵列或者矩阵，且可以是单个地电可寻址。例如，结构材料可以具有导体的互相交叉的阵列(IDA)，使得离散的表面区域暴露在上部环的表面上。相互交叉的阵列可以通过光刻技术和使用发射工艺来为具体的应用制造。此外，IDA是例如从Richmond VA的ABTECH Scientific Inc.可买到的标准形式。一层诸如单壁、双壁纳米管或者多壁纳米管之类的场致发射材料可以设置在结构材料上，且可以覆盖相应于IDA的暴露的电导线的离散区域。通过单个地或者以编程的序列来电寻址离散的区域，场致发射材料可以有利地发脉冲，以产生可以指向靶上的特定区域的场致发射电子。绝缘层和门电极可以通过物理气相沉积技术或者其它合适的技术来涂覆在场致发射材料上。或者，门电极可以是诸如栅网之类的独立的结构，其可以邻接绝缘层或者具有分离距离地邻近绝缘层定位。
场致发射电子源或者阴极可以以任何合适的方式形成。例如，碳纳米管膜可以通过将碳纳米管沉积到基片上来形成。碳纳米管可以通过任何合适的装置来沉积到基片上。沉积技术的一个例子包括使用附着促进层。附着促进层的一个例子在共同拥有的美国专利No._____(序列号No.09/817164)中披露，其披露物通过引证在此整个引入。
设想了多种单壁纳米管制造技术。例如，可以使用激光切除工艺来制造单壁纳米管。该技术例如在A.Thess等，Science；273，483-487(1996)；C.Bower等，Applied Physics，Vol.A67，47(1998)；X.P.Tang等，Science Vol.288，492(2000)中总的描述，其披露物通过引证在此引入。单壁碳纳米管也可以通过电弧放电(例如，如C.Journet等，Nature，Vol.388,756(1977)可见)，以及化学气相沉积技术(例如，如A.M.Cassell等，J.ofPhysical Chemistry B，103，6484(1999)可见)来制造。
形成根据本发明的单壁纳米管的一种特别合适的技术包括如在题为“Nanotube-Based High Energy Material and Method”的共同拥有的美国专利No.6280697中描述的技术，其披露物通过引证在此整体引入。
根据该技术，由石墨和诸如镍和/或钴之类的合适的晶体制成的靶放置在石英管中。该靶由0.6原子百分数的镍和0.6原子百分数的钴的石墨粉末，以及石墨水泥混合形成。然后，该靶在管子中加热到近似1150℃的温度。该管子通过真空泵来抽真空，且诸如氩气之类的惰性气体流通过合适的源引入管子。各种控制装置可以接附到用于控制和监测进入管子的惰性气体的流，以及管子内的真空的***。惰性气体的压力维持在合适的水平，诸如近似800托。
诸如脉冲的Nd:YAG激光之类的能量源用于在上述的温度下切除靶。优选的，激光的第一和/或第二谐波束，即，1064nm和532nm分别用于切除靶。
当靶被切除时，包含纳米管的材料通过惰性气体流输送到下游，且形成管子的内壁上的沉积物。然后去除这些沉积物，以恢复包含纳米管的材料。当恢复时，分析该材料，且发现包含50-70体积％的SWNT，使得单个管子直径为1.3-1.6nm，且束直径为10-40nm。这些束随机定向。
然后，通过合适的净化过程来净化当恢复时的材料。在优选实施例中，纳米管材料设置在合适的液体介质中，诸如有机溶剂，最好是酒精，诸如甲醇。纳米管使用高能超声辐射体来在液体介质内保持悬浮持续几个小时，同时该悬浮液通过微型多孔膜。在另一个实施例中，包含碳纳米管的材料首先通过在合适的溶剂，最好是20％的H2O2中分镏来净化，随后在CS2中，然后在甲醇中冲洗，接下来过滤，如在Tang等，Science，Vol.288492(2000)中描述的。
除了上述的处理步骤以外，净化的材料可以由研磨，诸如球磨研磨或者氧化来进一步处理。可选的研磨步骤当然起作用，以产生甚至更加破损的纳米管，理论上至少甚至进一步增加能够形成用于朝着阳极靶发射电子的位置的纳米管端部的数量。碳纳米管也可以通过在强酸中氧化来缩短。纳米管的长度可以通过酸浓度和反应时间来控制。在优选实施例中，净化的单壁碳纳米管在H2SO4和HNO3的3∶1体积比例的溶液中超声处理。在24小时超声处理以后，平均纳米管长度(从在净化的情况下的10-30微米)减小到0.5微米。使用短的纳米管可以获得每单位面积更多的发射尖端。
在使用场致发射阴极来形成x射线产生机构中的处理方法和考虑包含在共同拥有的美国专利No._____(美国专利申请No.09/679303，Attorney Docket No.032566-005)，其披露物通过引证在此引入。
靶结构可以具有一个或者多个靶，每个相应于场致发射电子源。图6示出了采用图4的靶结构截面形式的典型的靶结构600。在显示的典型实施例中，靶结构600大致成三角形，其具有从入射点604产生x射线的偏转表面602。偏转表面602定向为大致不垂直于入射到偏转表面602的加速的电子束的传播方向。因此，来自场致发射电子源的不发散且加速发射的电子以角度β在入射点604处撞击偏转表面602，使得发射的x射线以相对于偏转表面602成相应的角度γ朝着成像区域传播。
阴极结构和靶结构可以通过合适的装置来安装在腔内。在一个实施例中，阴极结构和靶结构直接安装到腔的内表面，且设置有合适的电绝缘。在另一个实施例中，陶瓷螺钉将上部环连接到下部环。另外的陶瓷螺钉可以用于将下部环固定到腔的内表面。一种特别合适的陶瓷螺钉为近似5cm的长度，且具有绝缘特性。
检测器可以是任何合适的x射线检测装置。例如，检测器可以是可旋转的检测器，且可以圆周地定位到要被成像的物体，且与电子束在靶结构上的入射点相对。在另一个例子中，检测器可以是与x射线源相对的且与要被检测的图像成直线的固定定位的x射线检测器或者x射线敏感膜的阵列或者矩阵。该阵列或者矩阵大致平行于x射线源，且与x射线源成相等距离。在还有一个例子中，检测器可以是固定地定位靶结构的平面上的检测器矩阵。在该实施例中，靶的偏转表面合适地倾斜，以产生相对于靶结构为非平面，且在与检测器矩阵交叉的方向上传播的x射线束。此外，x射线检测器或者x射线敏感膜的阵列或者矩阵可以检测x射线，且通过x射线与单个的、成组的x射线检测器或者x射线敏感膜或者单个的或者成组的x射线检测器或者x射线敏感膜的部分交叉来产生x射线图像。
在检测器固定安装的实施例中，检测器可以检测或者捕获来自发射的x射线的x射线图像或者信号，且将该图像或者信号转移到计算机存储装置。接下来，检测器被更新，从而准备检测/捕获下一个图像。在一个例子中，用于检测步骤中的合适的检测器是电荷耦合装置(CCD)。
参考图4，多个x射线透射窗422可以设置在腔410的内壁418中。窗422可以由合适的材料制成，如在本领域中已知的。此外，窗422可以可操作地相应于x射线412的通路来相对于成像区域416定位，以允许由多个电子从多个阴极的相应的一个产生的至少一个x射线束通过。此外，窗422可以为设备提供一个准直部件。该准直部件由窗422相对于产生的x射线的传播通道的定位产生。
场致发射电子源通过施加偏压到场致发射材料来场致发射电子，且可以单个地寻址来时间地和空间地改变来发射电子。场致发射电子源或者其部分可以通过单个地控制电压，或者以预定的序列或者分组来寻址，以提供发射的电子束的控制，以便引导束撞击阳极靶上的任何一个位置。通过该方法，靶上的多个入射点可以在相同的装置中被撞击。如果靶由几种不同的材料制成，可以产生更宽光谱的发射的x射线，而不需要从腔增加和去除不同材料的靶。此外，场致发射源的阵列的使用可以用于减小靶的任何一个区域被轰击的次数，这样有助于阳极的减小的发热。
例如，在阴极结构为圆形的实施例中，场致发射材料可以以步进的方式来发脉冲，其中，在围绕阴极结构的每次旋转中，由连续的脉冲寻址的场致发射材料之间的角距离以预定的方式或者随机地改变。
在另一个例子中，当场致发射材料以需要的间隔定位在阴极结构上时，场致发射材料可以以连续的或者非连续的方式发脉冲，以产生场致发射电子，其相应于从场致发射材料发射的电子的角位置和脉冲频率来从靶产生x射线。此外，场致发射材料可以单个地或者成组地，顺序地或者随机地，顺时针旋转或者逆时针旋转地发脉冲，或者可以以预定的角距发脉冲。需要的间隔可以包括从近似10度到120度的角距，且可以包括10度、15度、30度、45度、60度、90度或者120度或者其变体。
此外，阴极可以具有光栅能力。通过使用阴极的选择的区域的单个的、成组的或者矩阵寻址，可以产生光栅发射的电子束，且被引导明显地撞击靶上的入射点。通过该结构，可以以预定的频率来电切换固定的阴极，以产生发射的电子，且朝着固定的靶上的相应入射点来加速它们。
因此，由固定的靶发射的x射线在位置和频率上相应于电切换的阴极，且产生发射的x射线，其可以围绕要被成像的物体充分地区别，以便产生三维图像。发射的x射线在围绕要被成像的物体的角位置中和/或通过相对于要被成像的物体的仰角来区分。此外，预定的频率足够快，以动态成像要被成像的物体的生理功能。在一个例子中，电力同时施加到所有的多个阴极上。在另一个例子中，电力以一定频率来顺序地施加到阴极的子集上(例如，小于全部)，从而电开关切换x射线的产生。该频率可以是预置的或者可变设置的(例如，响应于反馈机构来自动地或者手动地改变)。一方面，频率可以足够快，以在CT应用中成像人的心脏的跳动。在典型的实施例中，预定的频率在0.1Hz到100kHz的范围内。
图7示出了用于产生x射线的设备700的顶视图，描绘了以大致圆形的靶结构702。检测器704可以定位在设备700的空心706内，且可以适于允许物体708在成像区域中定位。检测器704可以可操作地定位，以在从靶结构702发射的x射线710通过成像区域以后接收它们。在图7的实施例中，两个离散的位置显示为产生x射线。尽管显示了两个位置，本领域中的普通技术人员可以理解，可以利用任何数量的空间设置的x射线产生位置。此外，当阴极被电切换时，可以以相应于切换电力的频率的频率来移动或者合适地激励检测器***，以便定位或者激励检测器来捕捉x射线图像。
此外，通过该设备可以产生任何形式的x射线。例如，靶的区域阵列每个可以产生铅笔形的x射线束，其可以相应于检测器中的一个或者多个象素，优选的，不超过10个象素。或者，靶材料的线性阵列每个可以产生扇形x射线束，其相应于检测器中的一排或者多排象素，优选的，不超过10排象素。最后，靶的区域阵列每个可以扇形x射线束，其相应于不超过128×128平方象素的区域，优选的，不超过64×64平方象素的区域。图8描绘了设备800的实施例，其中，当由电子806轰击时，靶材料802产生扇形x射线束804。在图8中，扇形x射线束804以透射模式成像物体808，且撞击大区域阵列检测器810。因此，检测器810可单个地寻址(例如，象素化)。
物体***在成像区域中调节要被成像的物体的位置。例如，物体***可以将物体放置在x射线源和检测器阵列或者矩阵之间。在一个阵列中，要被成像的物体固定地安装在物体***上，使得要被成像的物体的质心居中定位在成像区域内。在CT应用中，物体可以是在成像区域内合适定向的病人。此外，质心可以相应于要被监测的生理功能，诸如心脏。
检测器可操作地定位，以检测通过成像区域以后的x射线。在一个实施例中，检测器可以相对于由靶结构限定的平面成一定仰角。角度β和相应的角度γ可以选择为引起发射的x射线以相对于靶结构的平面成一定角度传播离开该平面，使得传播的x射线可以由检测器来检测，该检测器定位成使得不阻碍靶的视场，例如，位于靶结构之上，且从要被检测的x射线的源跨过成像区域。通过这样的结构，固定定位的检测器阵列或者矩阵不阻碍来自靶结构的x射线(例如，由检测器的背侧阻碍靶)，且允许同时从各个方向成像物体(例如，360度成像)。
符合本发明进行的用于获得x射线图像的典型的方法将要被成像的物体固定地定位在物体***上，且将要被成像的物体定位在成像区域内，以预定的频率电切换多个固定的且可单个地寻址场致发射电子源，每个场致发射电子源以可编程的序列电切换，以朝着固定的靶上的入射点场致发射电子。撞击靶的场致发射的电子的束通过物理学中熟知的方式产生x射线。然后，该产生的x射线通过准直窗离开腔，且在成像区域内成像要被成像的物体。然后，发射的x射线由合适的检测器检测。该发射的x射线在位置上和频率上相应于电寻址的场致发射电子源。此外，发射的x射线的圆周位置和/或仰角相对于要被成像的物体充分地区别，以产生三维图像。
在另外的符合本发明进行的用于获得x射线图像的方法中，物体放置在装置中，以记录x射线图像，诸如如这里大致描述的用于记录x射线图像的装置，电力应用到x射线源的多个阴极中的至少一个，以产生x射线辐射持续预置的曝光时间，物体曝光到x射线辐射，且相应于物体的x射线图像由装置的x射线检测器或者x射线敏感膜捕获，以记录x射线图像。
在该方法的一个方面，电力同时施加到所有的多个阴极上，或者以一定频率来顺序地施加到多个阴极的子集上。当以一定的频率顺序地施加电力时，x射线检测器或者x射线敏感膜可以以相应于电力施加的频率的频率来移动和/或激励，使得捕获产生的x射线。该频率可以在0.1Hz到100kHz的范围内。此外，该频率可以充分地快，以动态成像生理功能，诸如跳动的心脏。
在还有一个方面，该方法提供成像环境，其中，发射的x射线相对于要被成像的物体充分地区分，以产生三维图像。这可以是入射点相对于要被成像的物体的圆周位置和/或仰角的结果。
考虑到本发明的上述装置，上述方法的变体，以及另外的方法是明显的。
虽然参考上述的实施例来描述了本发明，但是对于本领域中的普通技术人员来说，某些修改和变化是明显的。因此，本发明只由后附的权利要求书的范围和精神限制。

Claims (59)

1.一种用于产生x射线的结构包括：
具有限定多个阴极的多个固定的且单个地电可寻址的发射电子源的固定阴极结构，每个阴极设置在阴极结构的第一侧上；
具有不垂直于阴极结构的第一侧定向的偏转表面的固定靶结构，该偏转表面限定靶；
设置在成像区域内的物体***；以及
可操作地定位在结构内来接收和检测来自该靶的x射线的检测器，
其中，每个阴极包括基片和平行于该基片且与该基片绝缘地定位的门电极，该基片包括场致发射材料。
2.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该场致发射材料选自包括单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管、包括至少一种非碳元素的碳纳米管或者包括金属、金属氧化物、硅、碳化硅、二氧化硅、碳氮化物、氮化硼、碳化硼、或者硫族化物中的至少一种的纳米棒/纳米线的组。
3.如权利要求1所述的结构，其特征在于，多个阴极的每一个是在阴极结构中的凹陷的井，且基片设置其中，以及门电极跨过大致与基片等距离的基片表面设置。
4.如权利要求1所述的结构，其特征在于，多个阴极的每一个以预定的间隔单个地设置在阴极结构的第一表面上。
5.如权利要求4所述的结构，其特征在于，该预定的间隔为近似10度到120度。
6.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该靶是靶材料的区域阵列或者多个单个的靶材料。
7.如权利要求1所述的结构，其特征在于，还包括：
真空腔，其大致采用具有内部壁和外部壁的空心圆柱的形式，且适于将要由该结构成像的物体定位在成像区域内。
8.如权利要求7所述的结构，其特征在于，还包括：
设置在内部壁中的多个准直窗。
9.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该靶是单个靶材料的区域阵列，或者是靶材料的线性阵列。
10.如权利要求1所述的结构，其特征在于，检测器是固定地定位的电荷耦合装置。
11.一种产生x射线图像的方法，其包括的步骤为：
将物体定位在成像区域中；
以预定的频率切换固定的阴极结构上的多个阴极的每一个来场致发射电子，多个阴极的每一个以可编程的序列可单个寻址且电可切换，以朝着固定的靶结构上的入射点场致发射电子，该阴极包括场致发射电子源；
以预定的频率从固定的靶结构的靶发射x射线；
成像物体；以及
检测发射的x射线，
其中，在固定的靶结构上的发射x射线的位置空间地和时间地相应于阴极结构上的发射电子的位置，以及
其中发射的x射线的圆周位置和仰角中的至少一个相对于物体充分地可区别，以产生三维图像。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，该场致发射材料选自包括单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管、包括至少一种非碳元素的碳纳米管，以及包括金属、金属氧化物、硅、碳化硅、二氧化硅、碳氮化物、氮化硼、碳化硼、或者硫族化物中的至少一种的纳米棒/纳米线的组。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，该预定的频率在0.1Hz到100kHz的范围内。
14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，该预定的频率足够快，以动态成像生理功能。
15.如权利要求11所述的方法，其特征在于，电子是非发散的，且从场致发射材料朝着门电极加速，并在入射点处撞击靶。
16.如权利要求11所述的方法，其特征在于，发射x射线的步骤形成了铅笔形的x射线束，该x射线束相应于用于检测的步骤中的检测装置的一个或者多个象素。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，该x射线束相应于不超过10个象素。
18.如权利要求11所述的方法，其特征在于，发射x射线的步骤形成了扇形的x射线束，该x射线束相应于用于检测的步骤中的检测装置的一排或者多排象素。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，该x射线束相应于不超过10排象素的一排象素。
20.如权利要求11所述的方法，其特征在于，发射x射线的步骤形成了圆锥形的x射线束，该x射线束相应于用于检测的步骤中的检测装置的不超过128×128平方象素的区域。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，该x射线束相应于不超过64×64平方象素的区域。
22.如权利要求11所述的方法，其特征在于，用于检测步骤中的检测装置是电荷耦合装置，该电荷耦合装置固定地定位，以检测发射的x射线。
23.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括将由检测步骤产生的检测的图像传送到计算机存储装置，以及更新检测装置用于下一个图像的步骤。
24.一种用于产生x射线的结构，其包括：
限定多个阴极的多个固定的且单个电可寻址的电子源；
相对于这些阴极设置的至少一个靶；以及
容纳多个阴极和至少一个靶的真空腔。
25.如权利要求24所述的结构，其特征在于，该电子源是场致发射电子源。
26.如权利要求25所述的结构，其特征在于，每个电子场致发射源是三极管类型的，其包括场致发射材料和平行于基片且与基片绝缘定位的门电极，以及
其中，多个电子是当门电极和场致发射材料之间的电场超过域值时从阴极场致发射的，以及
其中，多个场致发射的电子通过门电极，且通过在门电极和至少一个靶之间施加的电场来进一步加速，以撞击在至少一个靶上，以及
其中，当在入射点撞击时，产生具有相应于至少一个靶的材料的特征波长的至少一种x射线，以及具有连续波长的至少一种x射线。
27.如权利要求25所述的结构，其特征在于，该场致发射材料选自包括单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管、包括至少一种非碳元素的碳纳米管，以及包括金属、金属氧化物、硅、碳化硅、二氧化硅、碳氮化物、氮化硼、碳化硼、或者硫族化物中的至少一种的纳米棒/纳米线的组。
28.如权利要求25所述的结构，其特征在于，该场致发射材料作为膜涂覆在基片上，将场致发射材料嵌入基片的矩阵中，或者场致发射材料为自立的基片结构，门电极跨过大致与基片等距离的基片的表面设置。
29.如权利要求24所述的结构，其特征在于，还包括：
具有多个x射线透射窗的真空腔，每个窗定位成允许通过由来自多个阴极的相应的一个的多个电子产生的至少一个x射线束，
其中，多个阴极和至少一个靶设置在真空腔中，且真空腔可操作地维持在低于10-3托的压力下。
30.如权利要求24所述的结构，其特征在于，多个阴极和至少一个靶每个在相对的平面上，且靶具有偏转表面，其朝着发射电子的多个阴极的表面定向。
31.如权利要求30所述的结构，其特征在于，偏转表面不平行于多个阴极的表面定向。
32.如权利要求30所述的结构，其特征在于，多个阴极的每一个以预定的间隔单个地定位在相对平面之一上。
33.如权利要求24所述的结构，其特征在于，多个阴极设置在第一个环上，且至少一个靶设置在第二个环上，该第一个环和第二个环同中心，且该至少一个靶具有偏转表面，其朝着发射电子的多个阴极的表面定向。
34.如权利要求33所述的结构，其特征在于，该偏转表面定向成不平行于多个阴极的表面。
35.如权利要求33所述的结构，其特征在于，多个阴极的每一个以预定的间隔来单个地定位在第一个或者第二个环之一上。
36.一种用于记录x射线图像的装置，其包括：
包括限定多个阴极的多个固定的且单个地电可寻址的电子源的x射线源，设置在第一平面的面上的多个阴极，设置在第二平面上至少一个靶，与第一平面的面相对的第二平面的偏转表面，以及容纳多个阴极和至少一个靶的真空腔；
与x射线源相对的x射线检测器或者x射线敏感膜的阵列或者矩阵，该阵列或者矩阵大致平行于x射线源，且与x射线源等距离；以及
设置在x射线源和阵列或者矩阵之间的物体***。
37.如权利要求36所述的装置，其特征在于，该偏转表面定向成大致平行于发射电子的多个阴极的表面。
38.如权利要求36所述的装置，其特征在于，多个电子源的每一个在多个阴极的表面上以预定的间隔单个地定位。
39.如权利要求36所述的装置，其特征在于，该x射线源还包括设置在真空腔的壁中的多个x射线透射窗，以及多个平行准直器，至少一个平行准直器在多个x射线透射窗的每一个上。
40.如权利要求36所述的装置，其特征在于，该物体***相对于x射线源可移动。
41.如权利要求36所述的装置，其特征在于，该检测器是固定定位的电荷耦合装置。
42.一种用于获得x射线图像的方法，该方法包括：
将物体放在x射线源中，该x射线源包括限定多个阴极的多个固定的且单个地电可寻址的电子源，设置在第一平面的面上的多个阴极，设置在第二平面上至少一个靶，与第一平面的面相对的第二平面的偏转表面，以及容纳多个阴极和至少一个靶的真空腔，与x射线源相对的x射线检测器或者x射线敏感膜的阵列或者矩阵，该阵列或者矩阵大致平行于x射线源，且与x射线源等距离，以及设置在x射线源和阵列或者矩阵之间的物体***；
施加电力到多个阴极的至少一个来产生持续预置的曝光时间的x射线辐射；
将物体曝光到x射线辐射；以及
通过x射线检测器或者x射线敏感膜来捕获相应于物体的x射线图像。
43.如权利要求42所述的方法，其特征在于，该电力同时施加到所有多个阴极上。
44.如权利要求42所述的方法，其特征在于，该电力以预置的或者可变设置的频率来顺序地施加到多个阴极的子集上。
45.如权利要求44所述的方法，其特征在于，还包括：
以相应于预置或者可变设置的频率的频率来移动或者激励x射线检测器或者x射线敏感膜，以捕获x射线图像。
46.如权利要求42所述的方法，其特征在于，用于检测步骤中的检测装置是电荷耦合装置，该电荷耦合装置固定地定位来检测发射的x射线。
47.如权利要求42所述的方法，其特征在于，还包括将由检测步骤产生的检测的图像传送到计算机存储装置，以及更新检测装置用于下一个图像的步骤。
48.一种用于记录x射线图像的装置，其包括：
限定多个阴极的多个固定的且单个地电可寻址的电子源的x射线源，设置在第一个环的面上的多个阴极，设置在第二个环上至少一个靶，与第一个环的表面相对的第二个环的偏转表面，以及容纳多个阴极和至少一个靶的真空腔；
与x射线源相对的x射线检测器或者x射线敏感膜的阵列或者矩阵，该阵列或者矩阵相对于x射线源大致同中心，且与x射线源等距离；以及
设置在x射线源和阵列或者矩阵之间的物体***。
49.如权利要求48所述的装置，其特征在于，该第一和第二环是同中心的。
50.如权利要求48所述的装置，其特征在于，多个电子源的每一个以预定的间隔单个地定位在环的表面上。
51.如权利要求48所述的装置，其特征在于，该x射线源还包括设置在真空腔的壁中的多个x射线透射窗，多个平行准直器，至少一个平行准直器在多个x射线透射窗的每一个上。
52.如权利要求48所述的装置，其特征在于，该物体***相对于x射线源可移动。
53.如权利要求48所述的装置，其特征在于，该检测器是固定地定位的电荷耦合装置。
54.一种用于获得x射线图像的方法，该方法包括：
将物体放在x射线源中，该x射线源包括限定多个阴极的多个固定的且单个地电可寻址的电子源，设置在第一环的表面上的多个阴极，设置在第二环上至少一个靶，与第一环的表面相对的第二环的偏转表面，以及容纳多个阴极和至少一个靶的真空腔，与x射线源相对的表面上的x射线检测器或者x射线敏感膜的阵列或者矩阵，该阵列或者矩阵大致与x射线源同中心，且与x射线源等距离，以及设置在x射线源和阵列或者矩阵之间的物体***；
施加电力到所有多个阴极来产生持续预置的曝光时间的x射线辐射；
将物体曝光到x射线辐射；以及
通过x射线检测器或者x射线敏感膜来捕获相应于物体的x射线图像。
55.如权利要求54所述的方法，其特征在于，该电力同时施加到所有多个阴极上。
56.如权利要求54所述的方法，其特征在于，该电力以预置的或者可变设置的频率来顺序地施加到多个阴极的子集上。
57.如权利要求56所述的方法，其特征在于，还包括：
以相应于预置或者可变设置的频率的频率来移动或者激励x射线检测器或者x射线敏感膜，以捕获x射线图像。
58.如权利要求54所述的方法，其特征在于，用于捕获x射线图像步骤中的检测装置是电荷耦合装置，该电荷耦合装置固定地定位来检测发射的x射线。
59.如权利要求54所述的方法，其特征在于，还包括将由捕获x射线图像的步骤产生的检测的图像传送到计算机存储装置，以及更新检测装置用于下一个x射线图像的步骤。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication