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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft allgemein Elektronen-Feldemitter, und insbesondere
ein System zum Begrenzen des Emittanzwachstums in einem Elektronenstrahl.
Eine Feldemitter-Einheit
enthält
eine Emittanz-Kompensations-Elektrode, die fungiert, um die Verschlechterung
des Elektronenstrahls zu minimieren, und um es zu ermöglichen,
den Elektronenstrahl auf eine gewünschte Brennfleckgröße zu fokussierenden.
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Elektronenemission
in Elektronenemittern des Feldtyps, die im Sinne der Erfindung als
Feldemitter bezeichnet werden, werden entsprechend der Fowler-Nordheim-Theorie
erzeugt, die die Feldemissions-Stromdichte einer Metalloberfläche mit
dem elektrischen Feld an der Oberfläche in Beziehung setzt. Die
meisten Elektroden-Emitter-Arrays des Feld-Typs enthalten im Allgemeinen
ein Array von mehreren Feldemitter-Einrichtungen. Emitter-Arrays können mittels
Mikro- oder Nanotechnologie hergestellt sein, um zehntausende von
Emitter-Einrichtungen
auf einem einzigen Chip zu enthalten. Jede Emitter-Einrichtung kann,
wenn diese ordnungsgemäß betrieben
wird, einen Strahl oder Strom von Elektronen aus dem Bereich der
Spitze der Emitter-Einrichtung emittieren. Feldemitter-Arrays haben viele
Anwendungen, wobei eine von diesen eine Elektrodenquelle in Mikrowellenröhren, Röntgenröhren und
anderen mikroelektronischen Einrichtungen ist.
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Die
die Elektronen emittierenden Feldemitter-Einrichtungen selbst können eine
Anzahl von Formen annehmen, wie beispielsweise einen ”Spindt”-Typ-Emitter.
Im Betrieb wird eine Steuerspannung über eine Gating-/Extraktions-Elektrode und
das Substrat angelegt, um ein starkes elektrisches Feld zu erzeugen,
und Elektronen aus dem Emitter-Element zu extrahieren, das auf dem
Substrat angeordnet ist. Typischerweise ist die Gate-Schicht für alle Elektronen-Emitter-Einrichtungen
eines Emitters gleich, und legt dieselbe Steuer- oder Emissions-Spannung
an das gesamte Array an. In einigen Spindt-Emittern kann die Steuerspannung ungefähr 100 V
sein. Andere Typen von Emittern können Refraktär-Metalle,
Karbide, Diamant oder Siliziumsspitzen oder Kegel, Silizium/Kohlenstoff-Nanotubes,
die auch als Nanoröhren
bezeichnet werden, metallische Nanodrähte, Kohlenstofffasern oder Kohlenstoff-Nanotubes
enthalten.
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Wenn
diese als eine Elektronenquelle in einer Röntgenröhre verwendet werden, ist es
wünschenswert,
die notwendige Spannung für
die Feldemitter-Elemente so zu verringern, um einen Elektronenstrahl
zu erzeugen, dass die Wahrscheinlichkeit eines Durchbruchs verringert
wird, der durch Bedienungsfehler und strukturelles Versagen und
Verschleiß verursacht
wird, der mit einer Überspannung zusammenhängt, die über die
Gate-Schicht angelegt wird. Folglich werden bestimmte Mechanismen
verwendet, um die Spannung zu erniedrigen, die zur Extraktion eines
Elektronenstrahls aus der Kathode benötigt wird, wobei einer der
derartigen Mechanismen eine Gitterstruktur ist. Eine Gitterstruktur
dient dazu, die elektrische Feldstärke an der Oberfläche des Emitter-Elementes
zu verstärken
oder zu erhöhen, wodurch
folglich die notwendige Extraktionsspannung verringert wird. Während jedoch
das netzartige Gitter die Extraktionseffizienz signifikant verbes sert, hat
dieses ebenfalls einen negativen Einfluss auf die Elektronenstrahlqualität aufgrund
der Wechselwirkung des Elektronenstrahls mit dem Gitter. Das bedeutet,
dass die Wechselwirkung des Elektronenstrahls mit dem Gitter die
Verschlechterung der Elektronenstrahlqualität durch ein Anwachsen der Strahlemittanz
erhöhen
kann, wodurch der Elektronenstrahl nicht auf einen kleinen, nutzbaren
Brennfleck auf der Anode fokussiert werden kann.
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Folglich
gibt es einen Bedarf für
ein System oder eine Vorrichtung, die das Emittanzwachstum in dem
Elektronenstrahl aufgrund des Extraktionsgitters verringert, und
das oder die in der Lage ist, eine kontinuierlich gesteuerte Strahlfokussierung
zu erreichen. Es wäre
ebenfalls wünschenswert,
ein System zu haben, das geeignet ist, den Elektronenstrahlstrom
zu modulieren, während
das Emittanzwachstum im Elektronenstrahl kontrolliert wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Ausführungsformen
der Erfindung überwinden
die vorstehend erwähnten
Nachteile, indem eine Feldemitter-Einheit geschaffen wird, die eine
Extraktion mit niedriger Spannung und minimalem Emittanzwachstum
in dem Elektronenstrahl schafft. Die Feldemitter-Einheit enthält eine
Emittanz-Kompensations-Elektrode, die fungiert, um die Verschlechterung
des Elektronenstrahls zu minimieren, und die eine Fokussierung des
Elektronenstrahls auf eine gewünschte
Brennfleckgröße erlaubt.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung enthält eine
Elektronenkanone ein Emitter-Element, das eingerichtet ist, um einen
Elektronenstrahl zu erzeugen, und eine Extraktions elektrode, die
benachbart zu dem Emitter-Element angeordnet ist, um den Elektronenstrahl
aus diesem zu extrahieren, wobei die Extraktionselektrode eine Öffnung durch
dieselbe enthält.
Die Elektronenkanone enthält
ebenfalls ein netzartiges Gitter, das in der Öffnung der Extraktionselektrode
angeordnet ist, um die Intensität
und die Gleichförmigkeit
des elektrischen Feldes auf der Oberfläche des Emitterelementes zu
erhöhen,
und eine Emittanz-Kompensations-Elektrode (emittance compensation
electrode: ECE), die benachbart zu dem netzartigen Gitter auf der
Seite des netzartigen Gitters gegenüberliegend zu dem Emittanz-Element angeordnet
ist, und die eingerichtet ist, um das Emittanzwachstum des Elektronenstrahls
zu kontrollieren.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung enthält eine Kathodenanordnung für eine Röntgenquelle
ein Substrat, ein Extraktionselement, das benachbart zu dem Substrat
angeordnet ist, und weist eine Öffnung
mit einem netzartigen Gitter in dieser, und eine isolierende Schicht
zwischen dem Substrat und dem Extraktionselement auf, wobei die
isolierende Schicht eine Kavität
aufweist, die im Wesentlichen nach der Öffnung in dem Extraktionselemente
ausgerichtet ist. Die Kathodenanordnung enthält ebenfalls ein Feldemitter-Element,
das in der Kavität
der isolierende Schicht angeordnet ist, und das eingerichtet ist,
einen Strahl von Elektroden zu emittieren, wenn eine Emissionsspannung über das
Extraktionselement angelegt ist, und eine Emittanz-Kompensations-Elektrode
(ECE), die strahlabwärts
von dem Extraktionselement angeordnet ist, und die eingerichtet ist,
um den Elektronenstrahl im Orts- und Impulsphasenraum zu komprimieren.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung enthält eine Röntgenquelle mit multiplem Brennfleck,
die im Sinne der Erfindung als Multispot-Röntgenquelle bezeichnet wird,
mehrere Feldemitter-Einheiten, die eingerichtet sind, um mindestens
einen Elektronenstrahl zu erzeugen, und eine Target- oder Ziel-Anode,
die in einem Pfad des mindestens einen Elektronenstrahls angeordnet
ist, und die eingerichtet ist, einen Strahl mit hochfrequenter elektromagnetischer
Energie zu erzeugen, wenn der Elektronenstrahl auf diese trifft,
die zur Verwendung in einem CT-Bildgebungs-Prozess geeignet ist.
Jede der mehreren Feldemitter-Einheiten enthält ein Kohlenstoff-Nanotube-(carbon
nanotube: CNT)-Emitter-Element, und eine Gate-Elektrode, um den
Elektronenstrahl aus dem CNT-Emitter-Element
zu extrahieren, wobei die Gate-Elektrode ein netzartiges Gitter
enthält,
das in dem Pfad des Elektronenstrahls angeordnet ist. Jede der mehreren
Feldemitter-Einheiten enthält
ferner ein Fokussierungselement, das angeordnet ist, um den Elektronenstrahl
aus dem Emitter-Element zu empfangen, und den Elektronenstrahl zu
fokussieren, um einen Brennfleck auf der Target-Anode zu bilden,
und eine Emittanz-Kompensations-Elektrode
(ECE), die zwischen dem netzartigen Gitter und dem Fokussierungselement
angeordnet ist, und die eingerichtet ist, um das Elektronenstrahl-Emittanzwachstum
zu kontrollieren oder zu regeln.
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Diese
und andere Vorteile und Merkmale werden besser aus der nachfolgenden
genaueren Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verstanden,
die im Zusammenhang mit der nachfolgenden Zeichnung präsentiert
wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Die
Zeichnung stellt Ausführungsformen
dar, die gegenwärtig
zur Ausführung
der Erfindung bevorzugt werden.
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In
der Zeichnung ist:
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1 eine
Querschnitts-Ansicht eines Feldemitter-Einheit und einer Target-Anode gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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2 eine
Draufsicht einer Emittanz-Kompensations-Elektrode (ECE) gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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3 eine
Draufsicht einer Emittanz-Kompensations-Elektrode (ECE) gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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4 eine
Draufsicht einer Emittanz-Kompensations-Elektrode (ECE) gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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5 eine
perspektivische Ansicht einer Emittanz-Kompensations-Elektrode (ECE)
gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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6 ein
Teil einer Querschnittsansicht einer Feldemitter-Einheit gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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7 eine
grafische Darstellung einer Strahl-Trajektorie und Kompression in einer
Feldemitter-Einheit, die keine ECE aufweist.
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8 eine
grafische Darstellung einer Strahl-Trajektorie und Kompression in einer
Feldemitter-Einheit, die eine ECE aufweist.
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9 eine
schematische Ansicht einer Röntgenquelle
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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10 eine
perspektivische Ansicht eines CT-Bildgebungssystems,
das eine Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung enthält.
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11 ein
schematisches Blockdiagramm des Systems, das in 10 dargestellt
ist.
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GENAUERE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
Bedienungsumgebung der Ausführungsformen
der Erfindung wird in Bezug auf eine Elektronenkanone und eine Röntgenröhre beschrieben,
die eine auf einem Feldemitter basierende Kathode enthalten. Das
heißt,
dass die Elektronenstrahlemission- und die Elektronenstrahlkompressions-Darstellungen
der Erfindungen werden beschrieben, als ob sie von einer Elektronenkanone
und auf einem Feldemitter basierenden Röntgenröhre geschaffen werden. Es ist
dem Fachmann jedoch klar, dass die Ausführungsformen der Erfindung
für derartige
Elektronenstrahlemissions- und Elektronenstrahlkompressions-Darstellungen ebenfalls
zur Verwendung mit anderen Kathodentechnologien anwendbar sind,
wie beispielsweise eine Dispenser-Kathoden oder andere thermische
Kathoden. Die Erfindung wird in Bezug auf eine Feldemitter-Einheit
beschrieben, aber ist ebenfalls auf andere kalte Kathoden und/oder
thermische Kathodenstrukturen anwendbar.
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Bezug
nehmend auf 1 ist eine Querschnittsansicht
eines einzelnen Elektronenerzeugers oder Elektronenge nerators 10 (beispielsweise
Elektronenkanone) gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung dargestellt. Wie dies nachfolgend genauere beschrieben
wird, ist in einer Ausführungsform
der Elektronenerzeuger 10 eine kalte Kathode, ein Kohlenstoff-Nanotube-(CNT)-Feldemitter.
Es ist jedoch klar, dass die Merkmale und Anpassungen, die hierin beschrieben
werden, ebenfalls auf andere Arten der Feldemitter angewendet werden
können,
wie beispielsweise Spindt-Typ-Emitter oder andere thermische Kathoden
oder Dispenser-Kathoden-Typ-Elektronenerzeuger. Wie dies in 1 gezeigt
ist, weist der Elektronenerzeuger 10 eine Feldemitter-Einheit 11 auf,
die eine Grund- oder Substrat-Schicht 12 aufweist, die
bevorzugt aus einem leitenden oder halbleitenden Material gebildet
wird, wie beispielsweise einem dotierten Substrat auf Siliziumbasis
oder aus Kupfer oder Edelstahl. Deshalb ist die Substrat-Schicht 12 bevorzugt
massiv oder biegesteif. Über
dem Substrat 12 wird ein dielektrischer Film gebildet oder
deponiert, um eine isolierende Schicht 16 (beispielsweise
keramischer Abstandshalter) von dieser zu separieren. Der dielektrische
Film 14 ist bevorzugt aus einer nicht leitenden Substanz
oder einer Substanz mit sehr hohem elektrischen Widerstand gebildet,
wie beispielsweise Siliziumdioxid (SiO2) oder
Siliziumnitrid (Si3N4)
oder einem anderen Material, das ähnliche dielektrische Eigenschaften
aufweist. Ein Kanal oder eine Apertur 18 ist in dem dielektrischen
Film 14 ausgebildet durch jegliches von verschiedenen bekannten
chemischen Herstellungsprozessen oder Ätz-Herstellungsprozesse.
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Die
Substrat-Schicht 12 ist auf eine isolierende Schicht 16 angeordnet,
die in einer Ausführungsform
ein keramisches Abstandselement ist, das die gewünschten isolierenden Eigenschaften
aufweist, sowie die Kompressionseigenschaften zum Absorbieren von
Belastungen, die durch die Bewegung der Feldemitter-Einheit verursacht
wird (beispielsweise wenn die Feldemitter-Einheit einen Teil einer
Röntgenröhre bildet,
die sich um eine CT-Gantry dreht). Die isolierende Schicht 16 wird
verwendet, um die Substrat-Schicht 12 von einer Extraktionselektrode 20 so
zu isolieren (beispielsweise Gate-Elektrode, Gate-Schicht), dass
ein elektrisches Potenzial zwischen der Extraktionselektrode 20 und
dem Substrat 12 durch eine von einem Controller 21 bereitgestellte Spannung
angelegt werden kann. Ein Kanal oder eine Kavität 22 wird in der isolierenden
Schicht 16 gebildet und eine zugehörige Öffnung 24 wird in
der Extraktionselektrode 20 ausgebildet. Wie dies gezeigt ist, überlappt
die Öffnung 24 im
Wesentlichen mit der Kavität 22.
In anderen Ausführungsformen
können die
Kavität 22 und
die Öffnung 24 ungefähr denselben
Durchmesser aufweisen, oder die Kavität 22 kann schmäler sein
als die Öffnung 24 der Gate-Schicht
der Extraktionselektrode 20.
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Ein
Elektronenemitter-Element 26 ist in der Kavität 22 angeordnet
und mit dem Substrat 12 fest verbunden. Die Wechselwirkung
eines elektrischen Feldes in der Öffnung 22 (erzeugt
durch die Extraktionselektrode 20) mit dem Emitter-Element 26 erzeugt
einen Elektronenstrahl 28, der für eine Vielzahl von Funktionen
verwendet werden kann, wenn eine Steuerspannung am Emitter-Element 26 über das Substrat 12 angelegt
wird. In einer Ausführungsform jedoch
ist das Emitter-Element 26 ein
Kohlenstoff-Nanotube-Emitter; es ist jedoch selbstverständlich,
dass das System und das Verfahren, die hierin beschrieben werden
ebenfalls auf Emitter angewendet werden kann, die aus verschiedenen
anderen Materialien und Formen gebildet werden, die in Feldemittern
verwendet werden.
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Immer
noch Bezug nehmend auf 1, ist ein netzartiges Gitter 32 zwischen
der Kavität 22 der isolierenden Schicht 16 und
der Öffnung 24 der
Extraktionselektrode 20 angeordnet. Dies positioniert das
netzartige Gitter 32 in unmittelbarer Nähe zu dem Emitter-Element 26,
um die Spannung zu verringern, die benötigt wird, um einen Elektronenstrahl 28 aus dem
Emitter-Element 26 zu extrahieren. Das bedeutet, dass zur
effizienten Extraktion ein Spalt oder ein Gap 33 zwischen
dem netzartigen Gitter 32 und dem Emitter-Element 26 innerhalb
eines gewünschten Abstandes
(beispielsweise 0,1 mm bis 2 mm) gehalten wird, um das elektrische
Feld um das Emitter-Element 26 zu verstärken, und um die totale durch
den Controller 21 bereitgestellte Extraktionsspannungen zu
verringern oder zu minimieren, die notwendig ist, um den Elektronenstrahl 28 zu
extrahieren. Die Anordnung des netzartigen Gitters 32 über der
Kavität 22 ermöglicht eine
an der Extraktionselektrode 20 angelegte Extraktionsspannung
im Bereich von ungefähr
1–3 kV,
abhängig
von dem Abstand zwischen dem netzartigen Gitter 32 und
dem Emitter-Element 26. Durch die Verringerung der totalen
Extraktionsspannung in einem derartigen Bereich, ist die Hochspannungsstabilität der Feldemitter-Einheit 10 verbessert,
und ein höherer
Emissionsstrom im Elektronenstrahl 28 ist möglich. Der
Unterschied im Potential zwischen der Emitter-Element 26 und
der Extraktionselektrode 20 ist minimiert, um eine Hochspannungsinstabilität in der
Emitter-Einheit 10 zu verringern, und um den Bedarf für ein kompliziertes
Ansteuerungs-/Steuer-Design darin zu beeinflussen.
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In
der Feldemitter-Einheit 10 ist ebenfalls eine Emittanz-Kompensations-Elektrode
(ECE) 34 enthalten, die benachbart zu dem netzartigen Gitter 32 auf
der gegenüberliegenden
Seite des Emitter-Element 26 angeordnet ist, um einen Elektronenstrahl 28 durch
die Anregung der Extraktionselektrode 20 zu empfangen.
Die ECE 34 ist benachbart zu dem netz artigen Gitter 32 angeordnet
und arbeitet, um das Strahlemittanzwachstum im Elektronenstrahl 28 zu
minimieren, dass dadurch verursacht wird, dass der Strahl das netzartige
Gitter 32 durchquert. Folglich ist der Betrag des Orts-
und Impulsphasenraumes (beispielsweise die Emittanz), der durch
den Elektronenstrahl 28 besetzt ist, durch die ECE 34 gesteuert
und minimiert.
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Die
ECE 34 enthält
eine Apertur 36, die darin gebildet ist, durch die der
Elektronenstrahl 28 hindurch tritt. Wie dies in den 2–4 gezeigt
ist, kann die Apertur 36 jede von einer Vielzahl von Gestalten
oder Formen annehmen, um den Elektronenstrahl 28 zu komprimieren
und zu formen. Beispielsweise kann die Apertur 36 in Form
einer kreisförmigen
(2), einer rechteckigen (3) oder
einer elliptischen (4) Gestalt sein. Es ist vorstellbar, dass
die Gestalt der Apertur 36 im Allgemeinen mit dem Querschnittsprofil
des Elektronenstrahls 28 zusammen hängt. Zusätzlich kann, wie dies in 5 gezeigt
ist, die ECE 34 so geformt oder ausgebildet sein, das diese
eckige oder gewinkelte Flächen 38 darauf
bildet, sodass die Apertur 36 eine eckige Öffnung aufweist.
Die eckigen Flächen 38,
die durch die Apertur 36 gebildet sind, fungierten, um
die Kompression des Elektronenstrahls 28 zu verbessern,
und um die Strahlemittanz zusätzlich
zu verringern.
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In
einer anderen Ausführungsform,
und wie dies in 6 gezeigt ist, ist ein zweites
Gitter 40 in der Apertur 36 der ECE 34 angeordnet.
Das zweite Gitter 40 erzeugt ein verstärktes elektrostatisches Feld über die
Apertur 36, das eine größere Flexibilität in der
Kompression des Elektronenstrahls 28 schafft. Um ein zweites
Gitter 40 davor zu bewahren, die Elektronenstrahlqualität negativ
zu beeinflussen, sind eine Vielzahl von Öffnungen 42 in dem
zweiten Gitter 40 genau fluchtend mit den Öffnungen 44 des netzartigen
Gitters 32 der Extraktionselektrode 20 entlang
dem Pfad des Elektronenstrahl 28 angeordnet. Eine derartige
fluchtende Anordnung oder Ausrichtung minimiert die Wechselwirkung
des Elektronenstrahls mit dem zweiten Gitter 40.
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Wie
dies in 6 gezeigt ist, weist das Emitter-Element 26 mehrere
Kohlenstoff-Nanotubes (CNT) 50 auf. Um die Abschwächung des
Elektronenstrahls 28 zu verringern, der dadurch hervorgerufen
wird, dass die Elektronen gegen das netzartige Gitter 32 und
das zweite Gitter 40 treffen, sind die CNTs 50 in
mehreren CNT-Gruppen 52 angeordnet, die nach den Öffnungen 42, 44 in
beiden Gittern ausgerichtet sind. Durch die Ausrichtung der CNT-Gruppen 52 nach
den Öffnungen 42, 44 in
dem netzartigen Gitter 32 und dem zweiten Gitter 40,
kann die Wechselwirkung des Strahlstroms im Elektronenstrahl 28 auf
nahezu Null verringert werden, abhängig von den Gitterstrukturen.
Durch die Ausrichtung der TNT-Gruppen 52 nach den Öffnungen 42,44 wird ebenfalls
ein wesentlich höherer
Anteil der Elektronen durch die Gitter 32, 40 treten,
was folglich ein Anwachsen des gesamten Strahl-Emissionsstroms zur Folge
hat, und eine optimale Fokussierung des Elektronenstrahls 28 zur
Bildung eines gewünschten Brennflecks
ermöglicht.
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Nochmals
Bezug nehmend auf 1 wird ein elektrostatisches
Feld über
die Apertur 36 durch das Anlegen einer Spannung (beispielsweise
eine Kompressionsspannung) an die ECE 34 mittels eines Controllers 54 erzeugt,
der eine separate Einrichtung des Controllers 21 ist. Das
elektrostatische Feld tritt mit dem Elektronenstrahl 28 so
in Wechselwirkung, dass Elektronen im Elektronenstrahl 28 auf
einen kleinen Abstand zu der transversen oder Quer-Richtung eingeschlossen werden,
und nahezu denselben Impuls (beispielsweise „Kompression” des Elektronenstrahls 28)
aufweisen. Eine derartiger räumlicher Einschluss
und eine Gleichheit im Impuls der Elektronen verringert, das Emittanzwachstum
im Elektronenstrahl 28. Die Spannung, die an die ECE 34 mittels
des Controllers 21 angelegt wird, liegt typischerweise
in dem Bereich von ungefähr
4 kV bis 20 kV, obwohl selbstverständlich auch kleinere oder größere Spannungen
angewendet werden können.
Darüber
hinaus kann die Spannung, die an die ECE 34 angelegt wird,
entweder eine konstante Spannung sein oder variiert werden, wie
dies nachfolgend genauer erklärt
wird. Das bedeutet, dass in einer Ausführungsform eine Spannung, die
an die ECE 34 angelegt wird, einer Extraktionsspannung
entspricht, die an die Extraktionselektrode 20 und das
netzartige Gitter 32 (und an das Substrat 12)
zur Extraktion des Elektronenstrahls 28 aus dem Emitter-Element 26 angelegt
wird. Folglich kann in einer Ausführungsform die Spannung, die
an das ECE 34 angelegt wird, solch einen Betrag aufweisen,
dass die elektrischen Felder, die auf beiden Seiten des netzartigen
Gitters 32 auftreten, gleich sind, was eine optimierte
Steuerung des Emittanzwachstum im Elektronenstrahl 28 ermöglicht.
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Die
ECE 34 fungiert ebenfalls, um bei einem ansteigenden Strahlstrom
eine Modulation des Elektronenstrahls 28 in der Feldemitter-Einheit 10 zu
ermöglichen.
Das bedeutet, dass die ECE 34 es ermöglicht, dass eine Stromdichte
in dem Elektronenstrahl 28 auf ein höheres Niveau anzuwachsen, ohne eine
zugehörige
Verschlechterung in der Strahlqualität zu erleiden. Wenn eine Extraktionsspannung,
die an das netzartige Gitter 32 durch den Controller 21 angelegt
wird, geändert
wird, um den Elektronenstrahlstrom zu modulieren, kann die Kompressionsspannung,
die an die ECE 34 angelegt wird, ebenfalls verändert werden,
um das Emittanzwachstum in dem Elekt ronenstrahl 28 zu minimieren.
Das bedeutet, wenn die Stromdichte in dem Elektronenstrahl 28 aufgrund
der angestiegenen Extraktionsspannung angestiegen ist, die an die
Extraktionselektrode 20 und das Gitter 32 durch
den Controller 21 angelegt ist, wird die Kompressionsspannung,
die an die ECE 34 angelegt ist, ebenfalls so ansteigen,
um eine größere Kompression
des Elektronenstrahls 28 und eine Minimierung des Emittanzwachstums
darin zu erreichen. Dadurch, dass die zugeordnete Spannung, die an
die Extraktionselektrode 20 und das netzartige Gitter 32 angelegt
ist, mit der Spannung, die an die ECE 34 angelegt ist,
zuzuordnen, kann die Strahlqualität auch bei verschiedenen Stromstrahlstromdichten
beibehalten werden. Es ist jedoch ebenfalls vorstellbar, dass im
Gegensatz zur Variation einer Spannung, die an die ECE 34 angelegt
wird, die Spannung, die an die ECE 34 angelegt wird, relativ zu
der veränderten
Spannung fest ist, die an die Extraktionselektrode 20 und
das netzartige Gitter 32 angelegt wird. Das Anlegen einer
derartigen festen Spannung an die ECE 34, ermöglicht es,
bei einer geringfügigen Änderung
der Elektronenstrahl-Emittanz, dass der Betrag hiervon durch einen
Bediener auf einen gewünschten
Wert geregelt wird.
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Wie
dies ebenfalls in 1 gezeigt ist, ist eine Fokussierungselektrode 56 in
der Feldemitter-Einheit 10 enthalten, und diese ist strahlabwärts von
der ECE 34 positioniert, um eine Querschnittsfläche des
Elektronenstrahl weiter zu komprimieren. Die Fokussierungselektrode 56 wird
durch einen vom Controller (beispielsweise Controller 21, 54),
der die ECE und die Extraktionselektrode versorgen, getrennten Spannungs-Controller
(nicht gezeigt) versorgt. Die Fokussierungselektrode 56 fungiert,
um den Elektronenstrahl 28 zu fokussieren, wenn dieser durch
eine Apertur 58, die darin gebildet ist, ihn hindurch tritt.
Die Größe der Apertur 58 und die
Dicke der Fokussierungselektrode 56 sind so ausgewählt, dass
eine maximale Elektronenstrahlfokussierung erreicht werden kann.
Zusätzlich
kann die Gestalt der Apertur 58 kreisförmig, rechteckig oder anders
geformt sein, um eine Form eines gewünschten Brennflecks 60 auf
eine Target-Anode 62 zu regeln und zu kontrollieren. Eine
Spannung wird an die Fokussierungselektrode 56 angelegt,
um den Elektronenstrahl 28 durch elektrostatische Kräfte so zu
fokussieren, dass der Elektronenstrahl 28 fokussiert ist,
um den gewünschten
Brennfleck 60 auf der Target-Anode 62 zu bilden.
Die dies in 1 gezeigt ist, ist die Fokussierungselektrode 56 von
der ECE 34 über
einen Abstand getrennt (beispielsweise 5–15 cm), der es erlaubt, eine
optimierte Fokussierung des Elektronenstrahls 28 in einem
verwendbaren Brennfleck 60 zu erreichen. Um eine Trennung
zwischen der Fokussierungselektrode 56 und der ECE 34 zu
erreichen, kann ein Abstandselement 64, das eine gewünschte Dicke
aufweist, zwischen diesen angeordnet werden.
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Die
Target-Anode 62 kann eine stationäre Target-Anode 62 oder ein rotierendes
Target für Hochleistungsanwendungen
sein. Die Target-Anode 62 kann eine einzelne Platte oder
alternativ ein verdecktes Target aufweisen, das von einer Target-Abschirmung 66 umgeben
ist. Die Target-Abschirmung 66 würde eine bessere Abschirmung
der Sekundärelektronenstrahlen
und Ionen schaffen, die von der Target-Anode 62 erzeugt
werden, wenn der primäre Elektronenstrahl
auf diese einschlägt,
sowie eine verbesserte Hochspannungsstabilität bereitstellen.
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Nachfolgend
Bezug nehmend auf 7 und 8 ist eine
grafische Darstellung der verbesserten Strahlfokussierung gezeigt,
die durch die vorstehend beschriebene ECE er reicht wird. 7 stellt
ein Beispiel einer Elektronenstrahl-Trajektorie in einer Feldemitter-Einheit
ohne eine Einbeziehung der ECE dar. In dem gezeigten Beispiel beträgt die Strahlflächen-Kompression
ungefähr „Eins” (1x) bei
der Emittergröße von 0,5
mm (Emittergröße = 0.5
mm) im Durchmesser und der Brennfleckgröße von 0,46 mm (Brennfleckgröße = 0.46
mm) im Durchmesser. Die Strahlemittanz wächst auf 6,25 mm-mrad an einer Target-Anode. 8 stellt
ein Beispiel einer Elektronenstrahl-Trajektorie in einer Feldemitter-Einheit
dar, die eine ECE einschließt,
wie beispielsweise die ECE, die vorstehend im Detail beschrieben
wurde. In dem gezeigten Beispiel ist der Elektronenstrahl auf eine
schmale Brennfleckgröße mit einer
Strahlflächenkompression
von ungefähr
70 mal (70 ×)
fokussiert, wobei die Gittergröße gleich
1 mm (Gittergröße = 1 mm)
und die Brennfleckgröße gleich
0.12 mm (Brennfleckgröße = 0.12
mm) im Durchmesser betragen. Das Strahlemittanzwachstum an der Target-Anode
beträgt
nur 1,2 mm-mrad mit der ECE. Die Darstellung des Kompressionsverhältnisses
und des Emittanzwachstums eines Elektronenstrahls, die in den 4A und 4B gezeigt sind, sind lediglich Beispiele
und sind geschaffen, um die verbesserte Strahlqualität darzustellen,
die durch eine ECE 34 (gezeigt in 1) geschaffen
ist. Es ist vorstellbar, dass ein größeres maximales Kompressionsverhältnis und
ein kleineres Emittanzwachstum für
den Elektronenstrahl mittels der ECE möglich sind.
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Nachfolgend
Bezug nehmend auf 9 ist eine Röntgenröhre 140 gezeigt, wie
beispielsweise eine für
ein CT-System. Prinzipiell
enthält
eine Röntgenröhre 140 eine
Kathoden-Anordnung 142 und eine Anoden-Anordnung 144,
die in einem Gehäuse 146 aufgenommen
sind. Die Anoden-Anordnung 144 enthält einen Rotor 158,
der eingerichtet ist, um eine rotierende Anodenscheibe 154 und
eine Anodenabschirmung 156, die die Anodenscheibe umgibt,
zu drehen, wie dies im Stand der Technik bekannt ist. Wenn diese
durch einen Elektronenstrahl 160 aus der Kathoden-Anordnung 142 getroffen
wird, emittiert die Anode 156 einen Röntgenstrahl 160 von
dieser. Die Kathoden-Anordnung 142 enthält eine
Elektronenquelle 148, die durch eine Halterungsstruktur 150 an
Ort und Stelle gehalten wird. Die Die Elektronenquelle 148 enthält ein Array
von Feldemitter-Einheiten 152, um einen primären Elektronenstrom 162 zu
erzeugen, wie beispielsweise die Feldemitter-Einheit, die im Detail
vorstehend beschrieben ist. Ferner muss bei Verwendung der Vielfach-Elektronenquelle das
Target kein sich drehendes Target sein. Im Gegenteil, es ist möglich ein
stationäres
Target zu verwenden, wenn der Elektronenstrahl, sequenziell aus vielfachen
Kathoden eingeschaltet wird. Das stationäre Target kann direkt gekühlt sein,
mit Öl,
Wasser oder einer anderen Flüssigkeit.
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Nachfolgend
Bezug nehmend auf 10 ist ein Computertomographie-(CT)-Bildgebungssystem 210 gezeigt,
dass eine Gantry 212 enthält, und somit einen CT-Scanner
der „dritten
Generation” darstellt. Die
Gantry 212 weist eine Röntgenquelle 214 auf,
die sich um diese dreht, und die einen Strahl von Röntgenstrahlen 216 in
Richtung einer Detektoranordnung oder eines Kollimators 218 auf
der gegenüberliegenden
Seite der Gantry 212 projiziert. Die Röntgenquelle 214 enthält eine
Röntgenröhre, die
einen Feldemitter auf der Basis einer Katode aufweist, die wie in
jeder der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen konstruiert ist.
Nachfolgend Bezug nehmend auf 11 ist
die Detektoranordnung 218 durch mehrere Detektoren 220 und
ein Datenaufnahmesysteme (data acquisition system: DAS) 232 gebildet.
Die mehreren Detektoren 220 messen den projizierten Röntgenstrahl,
der einen medizinischen Patienten 222 durchquert, und das
DAS 232 wandelt die Daten in digitale Signale für die nachfolgende Verarbeitung
um. Jeder der Detektoren 220 erzeugt ein analoges elektrisches
Signal, das die Intensität des
einfallenden Röntgenstrahls
repräsentiert,
und folglich den abgeschwächten
Strahl, wenn dieser den Patienten 222 durchquert hat. Während eines
Scans, um Röntgenstrahlen-Projektionsdatensätzen zu
akquirieren, drehen sich die Gantry 212 und die darauf montierten
Komponenten um einen Drehpunkt 224.
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Die
Drehung der gantry 212 und die Bedienung der Röntgenquelle 214 werden
von einer Kontroll- oder Steuer-Einrichtung 226 des
CT-Systems 210 durchgeführt.
Die Kontroll-Einrichtung 226 enthält ein Röntgenstrahlen-Controller 228,
der die Leistung, die Steuerung und die Timing-Signale an die Röntgenquelle 214 bereitstellt,
und einen Gantrymotor-Controller 230,
der die Drehung, die Geschwindigkeit und die Position der Gantry 212 steuert.
Der Röntgenstrahlen-Controller 228 ist
bevorzugt programmiert, um für
die Verstärkungseigenschaften des
Elektronenstrahl einer Röntgenröhre der
Erfindung zu arbeiten, wenn eine Spannung bestimmt wird, um diese
an die Feldemitter basierte Röntgenquelle 214 anzulegen,
um eine gewünschte
Intensität und
ein Timing des Röntgenstrahls
zu erzeugen. Eine Bildrekonstruktions-Einheit 234 empfängt aufgenommene
und digitalisierte Röntgenstrahlen-Daten von dem DAS 232 und
führt eine
Hochgeschwindigkeits-Rekonstruktion
durch. Das rekonstruierte Bild wird als eine Eingabe an einen Computer 236 weitergeleitet,
der das Bild in einem Massenspeicher 238 speichert.
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Der
Computer 236 kann sie Scan-Parameter von einem Bediener über eine
Konsole 240 empfangen, die eine Art Benutzerschnittstelle
bildet, wie beispielsweise ein Keyboard, eine Maus, ein Sprachgesteuerter
Controller oder jede andere Einrichtung. Eine zugeordnete Darstellungseinheit
oder Display 242 ermöglicht
es dem Bediener, das rekonstruierte Bild und andere Daten von dem
Computer 236 zu beobachten. Die vom Bediener gelieferten
Anweisungen und Parameter werden durch den Computer 230 verwendet,
um Kontroll- oder Steuersignale und Informationen an das DAS 232,
den Röntgenstrahlen-Controller 228 und
den Gantrymotor-Controller 230 bereitzustellen. Zusätzlich bedient
der Computer 236 einen Tischmotor-Controller 244, der einen motorisierten
Tisch 246 steuert, um den Patient 222 und die
Gantry 212 zu positionieren. Insbesondere bewegt der Tisch 246 den
Patienten 222 durch eine Gantry-Öffnung 248 von 9 im
Ganzen oder zum Teil.
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Während das
Vorstehende bezogen auf ein Vierundsechzig-Schichten Computertomographie-(CT)-System
der „dritten
Generation” beschrieben
wurde, ist es für
den Fachmann deutlich geworden, dass Ausführungsformen der Erfindung
ebenfalls zur Verwendung in anderen Bildgebungs-Modalitäten, die
auf Elektronenkanonen basierende Systeme, Röntgenstrahlenprojektions-Bildgebung,
Verpackungsinspektions-Systeme oder ebenfalls anderen Vielschicht-CT-Konfigurationen
oder -Systeme oder Systeme mit inverser Geometrie (inverse geometry CT:
IGCT) angewendet werden können.
Darüber
hinaus wurde die Erfindung in Bezug auf die Erzeugung, Detektion
und/oder Konversion von Röntgenstrahlen beschrieben.
Es ist für
den Fachmann jedoch deutlich geworden, dass die Erfindung ebenfalls
für die Erzeugung,
Detektion/oder Konversion von anderen hochfrequenten elektromagnetischen
Strahlen anwendbar ist.
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Deshalb
enthält
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung eine Elektrodenkanone ein Emitter-Element, das eingerichtet
ist, um einen Elektronenstrahl zu erzeugen, und eine Extraktionselektrode,
die benachbart zu dem Emitter-Element angeordnet ist, um den Elektronenstrahl
aus diesem zu extrahieren, wobei die Extraktionselektrode eine Öffnung durch
diese aufweist. Die Elektronenkanone enthält ebenfalls ein netzartiges
Gitter, das in der Öffnung der
Extraktionselektrode angeordnet ist, um die Intensität und Gleichförmigkeit
eines elektrischen Feldes auf dieser Oberfläche des Emitterelementes, und um
eine Emittanz-Kompensations-Elektrode (ECE) zu verstärken, die
benachbart zu dem netzartigen Gitter auf der Seite des netzartigen
Gitters gegenüberliegend
der des Emitter-Elementes angeordnet ist, und die eingerichtet ist,
um das Emittanzwachstum des Elektronenstrahls zu steuern.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung enthält
eine Kathoden-Anordnung für
eine Röntgenquelle
ein Substrat, ein Extraktionselement, das benachbart zu dem Substrat
angeordnet ist, und das eine Öffnung
mit einem in dieser angeordneten netzartigen Gitter aufweist, und
eine isolierende Schicht zwischen dem Substrat und dem Extraktionselement,
wobei die isolierende Schicht eine Kavität aufweist, die im Wesentlichen
nach der Öffnung
in dem Extraktionselement ausgerichtet ist. Die Kathodenanordnung
enthält
ebenfalls ein Feldemitter-Element, das in der Kavität der isolierenden
Schicht angeordnet ist, und das eingerichtet ist, einen Strahl von
Elektroden zu emittieren, wenn eine Emissionsspannung über das
Extraktionselement angelegt wird, und eine Emittanz-Kompensations-Elektrode (ECE),
die strahlabwärts
von dem Extraktionselement angeordnet ist, und die eingerichtet
ist, um den Elektronenstrahl im Ort und Impulsphasenraum zu komprimieren.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung enthält
eine Vielfach-Brennfleck-Röntgenröhre mehrere
Emitter-Einheiten, die eingerichtet sind, um mindestens einen E lektronenstrahl
zu erzeugen, und die eine Target-Anode, die in einem Pfad des mindestens
einen Elektronenstrahl angeordnet ist, und die eingerichtet ist
einen Strahl von hochfrequenter elektromagnetischer Energie zu emittieren,
die zur Verwendung in einem CT-Bildgebungsprozess geeignet sind,
wenn der Elektronenstrahl auf diese trifft. Jede der mehreren Feldemitter-Einheiten
enthält
eine Kohlenstoff-Nanotube (CNT) Emitter-Element, eine Gate-Elektrode,
um den Elektronenstrahl von dem CNT-Emitter-Element zu extrahieren,
wobei die Gate-Elektrode
ein netzartiges Gitter aufweist, das in dem Elektronenstrahlpfad
angeordnet ist. Jede der mehreren Feldemitter-Einheiten enthält ferner
ein Fokussierungselement, das angeordnet ist, um den Elektronenstrahl
aus dem Emitter-Element
zu empfangen, und den Elektronenstrahl zu fokussieren, um einen
Brennfleck auf der Taget-Anode zu bilden, und eine Emittanz-Kompressions-Elektrode
(ECE), die zwischen dem netzartigen Gitter und dem Fokussierungselement
angeordnet ist, und die eingerichtet ist, um ein Elektronenstrahl-Emittanzwachstum
zu kontrollieren.
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Obwohl
die Erfindung im Detail in Verbindung mit nur einer beschränkten Anzahl
von Ausführungsformen
beschrieben ist, sollte es so verstanden werden, dass die Erfindung
nicht auf diese offenbarten Ausführungsformen
beschränkt
ist. Im Gegenteil, die Erfindung kann modifiziert werden, um jede
Anzahl von Variationen, Änderungen,
Ersetzungen oder äquivalenten
Anordnungen, die hierin nicht beschrieben sind, aufzunehmen, aber
die mit dem Umfang und dem Geist der Erfindung übereinstimmen. Zusätzlich sollte
es so verstanden werden, dass obwohl verschiedene Ausführungsformen
der Erfindung beschrieben wurden, Aspekte der Erfindungen nur einige
der beschriebenen Ausführungsform
enthalten können.
Demzufolge ist die Erfindung durch die vorangehende Beschreibung
nicht als beschränkend
zu verstehen, sondern ist lediglich auf den Schutzumfang der nachfolgenden
Ansprüche
beschränkt.
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Es
wird ein Verfahren und ein System zum beschränkten Emittanzwachstum in einem
Elektronenstrahl 28 offenbart. Das System 10 enthält ein Emitterelement 26,
das eingerichtet ist, um einen Elektronenstrahl 28 zu erzeugen,
und eine Extraktionselektrode 28, die benachbart zu dem
Emitterelement 26 angeordnet ist, um den Elektronenstrahl 28 aus
diesem zu extrahieren. Das System 10 enthält ebenfalls
ein netzartiges Gitter 32, das in der Öffnung 24 der Extraktionselektrode 20 angeordnet
ist, um eine Intensität
und Gleichförmigkeit
eines elektrischen Feldes an einer Oberfläche des Emitterelementes 26 zu
verstärken,
und eine Emittanz-Kompensations-Elektrode (ECE) 34, die
benachbart zu dem netzartigen Gitter 32 auf der Seite des
netzartigen Gitters 33 gegenüberliegende zu dem Emitterelement 26 positioniert
ist, und die eingerichtet ist, ein Emittanzwachstum des Elektronenstrahls 28 zu
steuern.