TWI399780B - 包含場發射陰極之ｘ射線源 - Google Patents

Description

包含場發射陰極之X射線源

本發明係關於一種包含一場發射陰極之X射線源。本發明亦係關於一種使用一基於場發射之X射線源掃描一物件之方法。

用於產生X射線輻射之系統被用於(例如)醫學診斷中，以獲得放射照相影像或產生用於技術診斷應用之平面影像。在技術診斷成像之領域中，X射線尤其可有效地穿透被檢驗之固體物件之內部結構，及藉由穿透之X射線所形成之影像揭示物件之內部缺陷或結構瑕疵。因此，技術診斷X射線成像在製造期間及在產品之有效壽命內為評估該產品之結構態樣提供一有價值的品質管制檢測工具。因為該成像物件在該評估過程中無需被破壞，故該形式之診斷分析優於其他類型之評估。基於此原因，技術診斷成像亦被稱為非破壞性測試。

用於技術成像應用之X射線管通常包含一具有一經激發以發射向一陽極加速之電子束之陰極之電子槍。該陰極大體係基於熱離子發射，且該陽極可能包含一由於該等加速電子之衝擊而產生X射線之金屬標靶表面(例如鎢)。藉由將該陽極表面安置成對該電子束軸成一角度，該等X射線可在大體垂直於該電子束軸之方向傳輸。

該等X射線然後可穿過用於在該X射線管內提供一真空密閉之一鈹窗口。其後，該等X射線沿著大致成圓錐形的路徑離開該X射線管，其中該圓錐之頂點大約與由該衝擊電子束所形成之該標靶上的點一致。

然而，使用基於熱離子發射之X射線管提供有限的控制可能性，特別係因為此等X射線管呈現緩慢的反應時間、高能量消耗、並具有高空間需求。因此，此等X射線管較不適用於現代應用。

已採行一種藉由使用一場發射陰極替代該熱離子發射陰極來解決上述問題之方法。此實施方案之一實例揭示於US 2006/0039532中，其中該場發射陰極係由當在尖端與攔取電極之間形成一小電勢時發射電子之尖銳點陣列所構成。

該等尖銳尖端因一相對較小電壓在每個點產生一較大電場，容許電子自尖端穿透至該真空中而增強該場發射效應。

然而，使用此一場發射陰極由於需要大的攔取電流(其會產生高能量消耗)來達到穩定的電子發射，故其提供有限的結果。因此，因為該高能量消耗，此實施方案因其限制所得X射線系統之移動性而係不合要求的。

因此，需要至少可減輕先前技術之可靠性問題之經改良的X射線系統。

根據本發明之一態樣，上述需求係藉由一種X射線源而滿足，該X射線源包含一場發射陰極、一陽極、一用於容許在該陰極與該陽極之間施加一高電勢使得能發射一X射線束之連接器、及於其內部配置該陰極及該陽極之一真空室，其中該場發射陰極係由一具有連續蜂窩狀結構之碳化固體化合物發泡體所組成，該連續蜂窩狀結構提供多個用於當施加該高電勢時於該陽極之方向中發射電子之發射位點。

本發明之一般概念係基於以下事實：可以一更準確之方式在自陰極至陽極之方向中控制電子之發射，使得僅發射一適當量之X射線。藉由使用一場發射陰極替代先前技術之電子束源(例如「燈絲」或熱離子發射陰極)，因可在切換時間、電流、動能及該發射方向方面更高程度地控制由該場發射陰極所發射之電子，故可提高該X射線源之效率。此外，因此達到該電子發射(且因此該X射線之發射)之非常快速的反應時間，從而提供一具有穩定X射線輸出特徵之X射線源。另外，由碳化固體發泡體所得到之提供非常尖銳尖端之可能性，與該等大量發射位點之組合亦容許提高該X射線源之效率。此外，根據本發明之X射線源亦具有產生具有小能量分佈之聚焦電子束之能力，其可潛在地實現供高解析成像用之超細焦點。

該真空室較佳具有約10^-4 帕(Pa)或更低之壓力以容許該等發射電子之自由流動。然而，因為使用引入基於一連續蜂巢式結構之一場發射陰極之發明概念，故可降低高真空之需求，因此使得根據本發明之X射線源更易於製造。

根據本發明之一較佳實施例，該碳化固體化合物發泡體係由一包含一酚醛樹脂及金屬鹽和金屬氧化物中至少一者之液態化合物轉變而得。

較佳地，該真空室可為玻璃或金屬製。在使用金屬腔室之情形下，該腔室可具有一X射線透明窗口。該窗戶可例如為鈹，藉此自該X射線源提供X射線之受控發射。

較佳地，該X射線源進一步包含一用於冷卻該陽極(例如一金屬陽極)之冷卻機構。陽極溫度之降低進一步增強該X射線發射。

在另一實施例中，該X射線源進一步包含一用於將由該場發射陰極發射之電子聚焦之聚焦電極。此外，該X射線源可另外進一步包含一用於在自陰極至陽極之方向中攔取電子之攔取電極，從而形成一三極管結構。此外，該X射線源亦可再包含或替代地包含複數個可控制的場發射陰極。藉由使用複數個場發射陰極，可容許一基於像素之X射線發射，當操縱該X射線發射至一特定接收位點時增加彈性。有利地，該X射線源可經調適以當提供一低至1 mA之電流時為該X光束在約20 keV處產生一光譜峰值。因此，可提供一僅具有低能量消耗之合適X射線源，因而使得該X射線源更可移動。

由系統的觀點來看，可藉由包含一如上所述之X射線源及一X射線偵測器、一用於接收一要被成像之物件之物件支撐架(該物件支撐架係設置於該X射線透明窗口與該X射線偵測器之間)、及一用於控制該X射線發射及用於從該X射線偵測器收集資料之控制單元而形成一X射線系統。較佳地，該物件支撐架可藉由控制單元旋轉，從而容許自不同的視角收集該物件的資料。該系統亦可包含一用於偵測一由該X射線源產生之X射線劑量之劑量感測器，其中該控制單元係經調適以從該劑量感測器接收劑量資訊用於控制該X射線系統。藉此可提供一可進一步控制之系統。

較佳地，此X射線系統係可攜式，且因此可包含一以高壓電源操作之電池，以有利地容許該X射線系統移動供場外應用之用。

根據本發明之另一態樣，提供一種用於掃描一物件之方法，該方法包括提供一X射線源之步驟，該X射線源包括一場發射陰極、一陽極、一用於容許在該陰極與該陽極之間施加一高電壓使得能發射X射線束之連接器、及一其中配置有該陰極及該陽極之真空室，其中該場發射陰極係由一具有連續蜂巢式結構之碳化固體化合物發泡體所組成，該連續蜂巢式結構提供多個用於當施加該高電壓電位時於該陽極之方向中發射電子之發射位點，將一物件定位於一用於攔取由該陽極所發射之至少一X射線束的路徑中，藉由一控制單元啟動該X射線源使得由該陽極發射X射線束，藉由一X射線偵測器偵測X射線強度，並使用該控制單元基於偵測得之X射線強度產生影像資料。該方法亦可包括產生用於構造該物件之三維影像之資料之步驟。

本發明之此態樣提供與根據以上所述之X射線源及系統類似之優勢，包括例如增加的效率及便攜性。

本發明之該等及其他態樣將參照顯示本發明之當前較佳實施例之附圖而作更加詳盡描述。

本發明現將參考顯示本發明之當前較佳實施例之附圖更詳盡描述於下。然而，本發明可以多種不同形式具體實施而不應將其解釋為受限於在此所提及之實施例；反之，此等實施例係欲徹底完整，且為一般技藝受信者完整地傳達本發明之範圍。全文中類似的參考字元指示類似的元件。

現在參閱圖式特別係圖1，其描述一根據本發明之第一實施例之X射線源100之概念圖。該X射線源100包含一陰極及一陽極(即，二極體結構)，其中該陰極係一場發射陰極102且該陽極較佳為一金屬陽極104(例如銅)。該陰極102及該陽極104之每者具有一電連接器106，其延伸至一真空室108外，該真空室108例如為金屬或玻璃製，且當該腔室為金屬製時至少具有一對X射線為透明的窗口。該腔室108較佳具有大約10^-4 帕之壓力，但其當然可取決於應用而更高或更低。為將該陰極102及該陽極104連接至該電連接器106，該陰極102及該陽極104之各者分別設有一支撐架110及112。

該場發射陰極102較佳係由具有連續蜂巢式結構之碳化固體化合物發泡體所組成，該連續蜂巢式結構提供多個當施加高電壓時在朝向該陽極之方向中發射電子的發射位點。該碳化固體化合物發泡體可能由一包含一酚醛樹脂及金屬鹽和金屬氧化物中至少一者之液態組合物轉變而得。

藉由該連續蜂巢式結構，可提供相當大量的發射位點，該等位點之每個都具有非常尖銳的尖端，因而容許高發射效率。因此，當對各別連接器106施加一高電壓時，當電場超過一發射臨限場時自該陰極發射電子。為提供此一高電壓，可使用一電源供應器114。該電源供應器可係可攜式，包含例如一電源(諸如一電池或類似物)。此外，如可由圖1所見，該陽極104表面可對電子束軸成一角度配置，使得X射線可在大致垂直於電子束軸之方向中傳輸。關於此點之進一步描述將參照圖3而提供。

現在參閱圖2，其說明一根據本發明之第二實施例之X射線源200之概念圖。該X射線源200與圖1之該X射線源100本質上相似，其之一差異在於該X射線源200係為三極管結構，即，其亦包含一配置於距該場發射陰極102一距離處之閘極電極116，較佳係在距該陰極102之表面數十微米至數毫米之範圍內。藉由在該閘極電極116及該陰極102之間施加一偏壓場，可增加在該陽極104之方向中之電子攔取。關於此一操作，可使該閘極電極116通過該連接器106連接至一稍微經過修改的電源供應器114，藉此容許對該閘極電極116施加一偏壓。藉由該三極管結構，可獨立地至少調整該X射線源200之電流強度及動能。該陰極結構亦可提供一精細射束聚焦，其有利於X射線之發射。因此，可基於特定應用使該閘極電極116之幾何參數最優化，包括(例如)不同類型之閘極電極形狀，包括例如一格柵網孔設計，包含調整關於網線厚度及網孔開口面積之參數。

圖3中顯示一用於根據本發明之一當前較佳實施例掃描一物件302之X射線系統300之概念視圖，其包括一如圖1所揭示之基於場發射之X射線源100。該X射線源亦可為如圖2所揭示之X射線源200。在兩種情形下，為冷卻在電子激發下可能變熱之該陽極，該X射線源可包含一冷卻機構。

該X射線系統300亦包含一X射線偵測器，其例如包含一用於接收該物件302之表面304、一螢光屏306、一鉛玻璃308、及一數位相機310。此外，該X射線系統300可包含一用於控制該X射線系統300之操作之控制單元(未顯示)。另外，亦可設置一用於偵測由該X射線源100所產生之X射線劑量之劑量感測器(未顯示)。應注意，亦可在本發明範圍內利用其他類型之X射線偵測器，包含(例如)照相底片、光激發磷光體(PSP)、不同類型之蓋氏(Geiger)計數器、閃爍器、及直接半導體偵測器。亦可使用另外的偵測器。

為定位該物件，可提供一物件支撐架，其中該物件支撐架可例如由該控制單元控制，以旋轉及/或多方向移動該物件。藉由自不同角度收集該物件之成像資料，可產生該物件之一三維X射線影像。

在該X射線系統300之操作期間，將該物件302定位於一用於攔取由該X射線源之陽極104所發射之一X射線束的路徑中。其後，該控制單元啟動該X射線源100，使得自該陽極發射X射線束。該X射線偵測器亦被啟動，且提供源自該X射線束及經該物件302攔取之X射線強度之偵測。其後，該控制單元，或一獨立的計算裝置，可基於偵測得之X射線強度產生影像資料。

最後參閱圖4，其係顯示由該X射線源100發射之一X射線束之施加能量與所發射X射線之間之關係之X射線發射曲線。利用低於1mA之電流，該發射光譜402在約20 keV處顯示一峰值，其指示該X射線源100之高效率。包括例如燈絲或熱離子發射陰極元件之先前技術X射線源可能必需利用控制電流以甚高的水準施行，以達到此一輸出。

用於控制如圖所示之X射線系統之電腦程式之可執行指令可以任何供指令執行系統、裝置或設備使用或與其結合之電腦可讀取媒體具體實施，其諸如一基於電腦之系統、含有處理器之系統、或其他可從該指令執行系統、裝置或設備取得指令並執行該等指令之系統。

此處所使用之「電腦可讀取媒體」可為可含有、儲存、通訊、傳播或傳輸由該指令執行系統、裝置或設備所使用或相結合之該程式之任何構件。該電腦可讀取媒體例如可為(但不限於)一電子、磁性、光學、電磁性、紅外線、或半導體系統、裝置、設備或傳播媒介，例如一可移式儲存裝置。該電腦可讀取媒體之更明確實例(非詳盡列表)可包含下列：一具有一或多根線之電連接器、一可攜式電腦磁碟、一隨機存取記憶體(RAM)、一唯讀記憶體(ROM)、一可擦除可程式化唯讀記憶體(EPROM或快閃記憶體)、一光纖、及一可攜式光碟唯讀記憶體(CDROM)。

此外，一般技藝受信者當瞭解，本發明絕不受限於上述較佳實施例。相反地，可在隨附申請專利範圍之範疇內做出很多修改和變動。例如，圖1及圖2中所示之兩X射線源可經配置成包含複數個可控場發射陰極，藉此除了最常見之單一陰極對單一陽極外，提供以多陰極對單一陽極或單一陰極對多陽極、及甚至對多面形多陽極之組態發射基於像素之X射線束的可能性。

100．．．X射線源

102．．．場發射陰極

104．．．金屬陽極

106．．．電連接器

108．．．真空室

110．．．支撐架

112．．．支撐架

114．．．電源供應器

116．．．閘極電極

200．．．X射線源

300．．．X射線系統

302．．．物件

304．．．表面

306．．．螢光屏

308．．．鉛玻璃

310．．．數位相機

402．．．發射光譜

圖1係根據本發明之第一實施例之一X射線源之概念視圖；

圖2係根據本發明之第二實施例之一X射線源之概念視圖；

圖3係根據本發明之一當前較佳實施例之一X射線系統之概念視圖；及

圖4係一顯示施加能量與所發射X射線間的關係之X射線發射光譜。

100．．．X射線源

102．．．場發射陰極

104．．．金屬陽極

106．．．電連接器

108．．．真空室

110．．．支撐架

112．．．支撐架

114．．．電源供應器

Claims (15)

1. 一種X射線源，其包括：一場發射陰極；一陽極；一連接器，其用於容許在該陰極與該陽極之間施加一高電壓電位使得能發射一X射線束；及一真空室，該陽極及該陰極係配置於該真空室內；其特徵為該場發射陰極係由一具有連續蜂巢式結構之碳化固體化合物發泡體所組成，該連續蜂巢式結構提供多個當施加該高壓時發射電子至該陽極上之發射位點。
2. 如請求項1之X射線源，其中該真空室具有10^-4 帕(Pa)或更低之壓力。
3. 如請求項1及2中任一項之X射線源，其中該碳化固體化合物發泡體係由包括一酚醛樹脂及一金屬鹽和一金屬氧化物中至少一者的一液體組合物轉變而得。
4. 如請求項1或2之X射線源，其中該真空室係具有一X射線透明窗口之玻璃或金屬。
5. 如請求項1或2之X射線源，其進一步包括一用於冷卻該陽極之冷卻機構。
6. 如請求項1或2之X射線源，其進一步包括一用於聚焦由該場發射陰極所發射電子之聚焦電極。
7. 如請求項6之X射線源，其進一步包含一用於在自陰極至陽極之方向中攔取電子之攔取電極，從而該陽極、該陰極及該攔取電極共同形成一三極管結構。
8. 如請求項1或2之X射線源，其包括複數個可控場發射陰極。
9. 如請求項1或2之X射線源，當提供一低於1mA之電流時，其在約20 keV處產生該X光束之一光譜峰值。
10. 一種X射線系統，其包括：一根據上述請求項中任一項之X射線源；一X射線偵測器；一用於接收一待掃描物件之物件支撐架，該物件支撐架係配置於該X射線透明窗口與該X射線偵測器之間；及一用於控制該X射線發射及用於自該X射線偵測器收集資料之控制單元。
11. 如請求項10之X射線系統，其中該物件支撐架之位置係可藉由該控制單元旋轉，從而容許從不同視角收集該物件之資料。
12. 如請求項10或11中任一項之X射線系統，其進一步包括一用於偵測一由該X射線源產生之X射線劑量之劑量感測器，且其中該控制單元係經調適以自該劑量感測器接收劑量資訊用以控制該X射線系統。
13. 如請求項10或11之X射線系統，其中該X射線系統包括一電池電源且係可攜式。
14. 一種用於掃描一物件之方法，該方法包括以下步驟：提供一X射線源，其包括一場發射陰極、一陽極、用於容許在該陰極與該陽極之間施加一高電壓使得能發射一X射線束之連接器、及其中配置有該陽極及該陰極之 一真空室，其中該場發射陰極係由一具有連續蜂巢式結構之碳化固體化合物發泡體所組成，該連續蜂巢式結構提供多個當施加該高電壓時於該陽極之方向中發射電子之發射位點；將一物件定位於一用於攔截由該陽極所發射之至少一X射線束之路徑中；藉由一控制單元啟動該X射線源，使得該由該陽極傳輸X射線束；藉由一X射線偵測器偵測X射線強度；及使用該控制單元基於偵測得之X射線強度產生影像資料。
15. 如請求項14之方法，其進一步包括產生用於構建該物件之三維影像之資料的步驟。