用于形成x射线的系统及其使用方法

专利名称：用于形成x射线的系统及其使用方法
相关申请的交叉参考本申请要求2004年5月28日提交的美国临时申请No.60/576,147的权益，上述申请的全文被结合于此以作参考。
背景本发明一般而言涉及一种用于形成x射线的系统，更特别地涉及一种被配置成将电子束引导到靶体上的多个离散斑点(spot)以形成x射线的系统。
x射线扫描已被用于医疗诊断、工业成像和安全相关的应用中。商业上可用的x射线源典型地利用常规热离子发射体，所述热离子发射体是由钨丝制成并在高温下工作的螺旋线圈。每个热离子发射体被配置成将电子束发射到靶体上的单个焦斑。为了用10mm2大小的电子束获得10-20mA的总电流，具有4.5eV逸出功的由金属丝形成的螺旋线圈必须被加热到大约2600K。由于其鲁棒特性，钨丝成为选择的电子发射体。
使用常规热离子灯丝发射体具有缺陷。这种灯丝发射体缺少正确射束控制和聚焦所必需的一致发射剖面(profile)。而且，较高电子束电流将导致这种灯丝发射体的寿命减少。另外，这种灯丝发射体需要高静态功耗，这导致需要更大更复杂的冷却体系结构、更大的系统包络、以及更高的成本。
概要本发明的一个典型实施例提供一种用于形成x射线的系统，该系统包括靶体和用于在靶体上产生多个斑点的至少一个电子发射子系统。所述至少一个电子发射子系统包括多个电子源，并且所述多个电子源均产生靶体上的所述多个斑点中的至少一个。所述系统也包括射束聚焦子系统，用于在电子束发射物(emission)撞击靶体之前聚焦来自所述多个电子源的电子束发射物。
本发明的另一典型实施例提供一种用于形成x射线的系统，该系统包括靶体；用于在靶体上产生多个斑点的电子发射子系统；以及瞬变射束保护子系统，用于保护所述电子发射子系统免于瞬变射束电流、来自靶体的材料发射物以及电场瞬变。所述电子发射子系统包括多个电子源。
本发明的另一典型实施例提供一种用于形成x射线的系统，该系统包括靶体和电子发射子系统，该电子发射子系统包括多个电子源。所述电子发射子系统被配置成在靶体上产生多个离散斑点，x射线从所述离散斑点发射。所述靶体被封闭在第一真空室中，以及所述电子发射子系统被封闭在第二真空室中。
本发明的另一典型实施例提供一种用于对对象进行x射线扫描的方法，该方法包括从电子源发射电子束以撞击靶体上的离散或扫掠焦斑，以用于从所述离散或扫掠焦斑产生x射线。所述方法进一步包括在电子束发射物撞击靶体之前聚焦来自所述电子源的电子束并检测从所述离散或扫掠焦斑产生的x射线。
从结合附图提供的本发明优选实施例的以下详细描述将更容易理解这些和其他的优点以及特征。
附图简述

图1是根据本发明的一个典型实施例构造的x射线系统的示意图。
图2是用于图1的x射线系统中的x射线发生子系统的一个典型实施例的示意图。
图3是用于图1的x射线系统中的电子源阵列的一个典型实施例的示意图。
图4是用于图1的x射线系统中的电子源的侧视图。
图5是图1的x射线系统内的多个可控电子发射子系统的示意图。
图6是图5的源和靶体真空的图示。
图7是图2的圆VII内的射束收集(dump)机构的展开图。
图8a是用于图1的x射线系统中的备选源的透视图。
图8b是沿线VIIIa-VIIIa获得的图8a的电子源的横截面图。
图9是根据本发明的另一典型实施例构造的靶体的透视图。
图10是图9的靶体的一部分的侧视图。
图11是根据本发明的另一典型实施例的用于获得对象的x射线的过程步骤。
优选实施例详述参考图1和2，首先将描述x射线系统10。x射线系统10包括含有靶体46(图2)的x射线发生子系统15、检测器60、以及电子计算子系统80。可以包括可控电子发射子系统20的x射线发生子系统15的一部分可以被包含在第一真空容器25中，而靶体46可以被包含在第二真空容器或靶室47内(图6)。x射线系统10可以被配置成适应物品的高吞吐量，例如在一小时的时间周期内筛检1000件以上单件行李，并具有高检测速率和可容许数量的错误肯定。相反地，x射线系统10可以被配置成适应有机对象的扫描，例如人，以用于医疗诊断目的。可选择地，x射线系统10可以被配置成执行工业非破坏性测试。电子发射子系统20和靶体46可以相对于检测器60不动，所述检测器可以不动或旋转，或者电子发射子系统20和靶体46可以相对于检测器60旋转，所述检测器可以不动或旋转。
具体参考图2和4，接着将描述包括电子发射子系统20的x射线发生子系统15的典型实施例。应当理解，多个电子发射子系统20可以围绕靶体46布置。电子发射子系统20包括电子源26。在电子发射子系统20内生成的每个电子束是可控的。电子源26被定位在电子发射子系统20内，以使电子发射子系统20用作保护电子源26免于瞬变电压和/或电流的瞬变射束保护子系统。另外，电子发射子系统20保护电子源26免于靶室47(图6)中的溅射破坏气体。具体而言，通道33在靶体46和电子源26之间延伸以减轻瞬变射束电流和材料发射物撞击在电子源26上或附近的有害影响。如果靶体46的电压电位之间的差明显高于电子源26与其周围附近的电压电位，则瞬变射束保护子系统工作更有效率。如果阳极或靶体46的电位下降，这种瞬变射束保护子系统就用于吸收来自一个或多个电子源的电流，并且在瞬变射束发射期间为一个或多个电子源提供保护。
应当理解，不同的体系结构可以用于实现电子束发射到靶体46上多于一个的焦斑。代替利用如参考x射线发生子系统15所述的可控电子发射子系统，可以使用专用发射体设计体系结构。例如并具体参考图3，可以使用x射线发生子系统115，它包括具有发射体阵列122的电子发射子系统120。发射体阵列122包括多个电子源26，每个电子源被定位在凹室29内，并且每个电子源被配置成将电子束44发射到靶体46上的离散焦斑48。用于图3的实施例的瞬变射束保护子系统可以包括通道33和凹室29的组合。瞬变射束保护子系统也可以包括作为另一保护机构的保护电极(未示出)。此外，如果靶体46的电位下降，这种瞬变射束保护子系统用于(a)吸收来自一个或多个电子源的电流以及(b)在瞬变射束发射期间为一个或多个电子源提供保护。
也应当理解，可以利用若干类型的电子源或发射体。合适的电子发射体的例子包括钨灯丝、钨板、场发射体、热场发射体、储备式阴极、热离子阴极、光电发射体和铁电阴极，只要电子发射体被配置成在靶体上的多个离散焦斑处发射电子束。
x射线发生子系统15包括射束聚焦子系统40、射束偏转子系统42、以及用于有选择地禁止或允许来自电子源26的电子束朝着靶体46发射的箍缩(pinching)电极。一种这样的机构是夹断板或射束网格，其被配置成在启动时夹断电子束44。另一种这样的机构是导通门32(图4)，其被配置成在启动时便于生成电子束44。又一机构是射束收集器115(图2，7)。当启动时，射束收集器105将电子束44从朝着靶体46(图2，6，7)的未偏转路径27转向到进入容器的偏转路径27c。
射束聚焦子系统40用于形成电子束44，并且将其聚焦到朝着靶体46的路径27中(图5)。射束聚焦子系统40可以包括静电聚焦部件，举例来说，例如多个聚焦板，每个聚焦板以不同的电位被偏置，或者可以包括磁聚焦部件，举例来说，例如聚焦螺线管、偏转偶极和射束成形四极电磁体的合适组合。产生更高阶矩(6极、8极等等)的电磁体可以用于提高射束质量或抵消边缘聚焦的影响，边缘聚焦可能由于子系统40中元件的特定选择或设计而出现。
射束偏转子系统42用于将电子从路径27控制或偏转到朝着靶体46上的多个离散焦斑48(图10)的偏转路径27a、27b上(图5)。将电子束导向靶体46上多于一个的焦斑48的能力是重要的，原因在于相对于所需的x射线焦斑数量，它便于使用数量减少的电子发射体。电子源26可以是低电流密度电子源。光学器件，例如射束聚焦子系统40，被用于从低电流密度电子源在靶体46形成高电流密度射束44。每个离散电子束44撞击靶体46上的焦斑48，从而产生x射线束50(图3)，该x射线束将用于扫描对象，无论它是无机的还是有机的。应当理解，射束偏转子系统42对于诸如图3中所示的具有发射体阵列122的x射线发生子系统115这样的电子源布置来说可能是不必要的，尽管仍可以利用射束聚焦子系统40。由于多个电子源26可以彼此邻近设置，所以有可能不需要从每个电子源26控制电子束44以在靶体46上的多个焦斑48处产生电子束撞击。
射束偏转子系统42可以基于静电、基于磁或二者的组合。例如，射束偏转子系统42可以包括静电控制机构，该静电控制机构具有可以定位在通道33内的一个或多个独立式导电板。当电子束电流44从电子源26发射时，所述板可以相对于地被充电到相当高的负电位。所述板可以由导电材料形成，或者由绝缘材料形成并且涂覆有导电涂层。射束偏转子系统42可以包括磁控机构，该磁控机构带有磁芯以用于校正具有其他更高矩场的磁场，举例来说，例如六极，以使在大范围偏转角上保持焦斑48(图3，10)形状。可选择地，磁控机构可以不具有磁芯。合适的磁控机构的例子包括一个或多个线圈、线圈状电磁体、以及快速切换磁场产生磁体，它们每个都能够产生基本具有四极矩以及二极矩的磁场。
如上所述，每个电子发射子系统20可以被包含在第一真空容器25中，而靶体46可以被包含在第二真空容器47中(图5，6)。每个第一真空容器25通过通道33与第二真空容器47分离。可通过窄直径管使用差分泵吸保持真空容器25、47中每个的压力差。作为典型实施例，两个门阀70、72通过通道33连接每个第一真空容器25和第二真空容器47。通过该布置，如果需要更换任何单个电子源26，可以将门阀70保持在关闭状态，同时打开门阀72以允许从真空容器25除去电子源26。可选择地，单个门阀可以用于分隔两个真空容器25、47。
现在参考图4，接着将描述图2和3的电子源26的典型实施例。图4中示出的电子源26包括基部或衬底28以及碳纳米管36。碳纳米管36被定位在催化垫34上，该催化垫自身位于衬底28的表面上。衬底28可以由硅或另一类似材料形成。介电垫片30被定位在衬底28上。孔35被蚀刻在介电垫片30中，并且催化垫34位于其中。定位在垫片30上的导通门32用于在碳纳米管36尖端附近生成高电场，这促进了电子源26内的电子发射。通过使用化学汽相淀积，碳纳米管36可以有选择地在催化垫34上生长。固有的高长宽比使它们特别良好地适合于场发射。
可选择地，并且具体参考图8a、8b，储备式阴极126可以用作电子源。储备式阴极126可以包括带有多孔钨塞129的容器128。优选由钨形成的线圈130被定位在容器128内，并且由基于氧化物的溶液包围，举例来说，例如氧化钡、氧化钙或氧化锡。网格机构140(图8b)可以被放置在储备式阴极126和靶体46之间(图2，5，6)，以允许或禁止来自储备式阴极126的电子发射物撞击靶体46。氧化物材料涂覆钨塞129，由此降低储备式阴极126的逸出功。使用储备式阴极126的一个优点在于，降低的逸出功要求钨线圈130仅仅需要被加热一直到1300℃，而不是未涂覆的钨热离子发射体所需的2500℃。另一优点在于，现成的储备式阴极126成本低。当氧化物材料被蒸发掉时，储备式阴极126可以被丢弃并用另一个更换。
接着将描述如图5中所示的x射线系统10。多个电子发射子系统20围绕靶体46排列。电子发射子系统20均在第一真空容器25内，而靶体46在第二真空容器47内。真空容器25、47中的每个被泵吸以便在第一真空容器25和第二真空容器47中的每个之间获得压力差。第一真空容器25均可通过通道33与第二真空容器47连接。第一真空容器25和第二真空容器47之间的压力差通过使用差分泵吸保持。尽管示出了六个离散电子发射子系统20并且每个在独立的第一真空容器25内，但是应当理解，可以使用任何数量的电子发射子系统20。射束偏转子系统42将电子射束44(图2，3)从路径27导向到偏转路径27a、27b，以在备选的离散焦斑48(图3)处撞击靶体46。
具体参考图9、10，接着将描述靶体46的典型实施例。如图9和10中所示，靶体46包括靶平面49、49a和49b。靶平面49a和49b与靶平面49成一个角。未偏转电子束44打算遵循路径27以在沿着靶平面49的焦斑48处撞击靶体46。可选择地，偏转电子束44打算遵循偏转路径27a或27b以在沿着靶平面49a或49b的焦斑48处撞击靶体46。靶平面49、49a和49b可以是弯曲表面，或者它们可以是相对于彼此成一个角度的平表面。选择靶平面49a和49b的入射角，以使偏转电子束44以与未偏转电子束44撞击沿着靶平面49的焦斑48相同的角度撞击沿着靶平面49a、49b的焦斑48。以这种方式，射束偏转子系统42(图2，5)可以偏转电子束44以撞击沿着靶体46的多个焦斑48，以使从沿着所有靶平面49、49a、49b的撞击中显示类似的x射线能量谱，并且使得每个撞击产生类似的x射线束50(图2，3)的发射角。
接着参考图1，将描述检测器60和电子计算子系统80。检测器60可以包括被定位成邻近x射线发生子系统15的检测器环。检测器环可以偏离x射线发生子系统15。然而应当理解，“邻近”在本上下文中应当被解释成表示检测器环偏离、邻接、同心、连接、毗邻或以另外方式接近x射线发生子系统15。检测器环可以包括多个离散检测器模块，它们可以是线性、多层或面积检测器布置。而且，可以使用能量集成、光子计数或能量分辨检测器，包括闪烁或直接转换器件。检测器模块的典型实施例包括例如具有2毫米×2毫米间距的检测器单元，其在每个空间尺寸中提供大约1毫米的各向同性分辨率。检测器模块的另一典型实施例包括具有1毫米×1毫米间距的检测器单元。
电子计算子系统80被连接到检测器60。电子计算子系统80用于重建从检测器60接收的数据，对所述数据进行分段，并且执行自动检测和/或分类。电子计算子系统80的一个实施例在2003年12月22日提交的、顺序号为10/743,195的美国专利申请中被描述，所述申请全文被结合于此以作参考。
x射线系统10中部件的前述布置具有若干优点。通过利用可控电子源，例如x射线发生子系统15中的电子源，以及靶平面49、49a、49b，来自每个电子源26的电子束44(图2)的范围以分辨率的最小损失进行扩大。范围扩大的电子束44可以转化成一些冗余，其中来自一个电子源26的一些电子束44可以与来自相邻电子源26的其他电子束44重叠。而且，范围扩大的电子束44可以转化成在维护之间x射线系统10的更长使用寿命，因为增加的冗余可以允许x射线系统10与大量的不可操作电子发射子系统20一起使用。
x射线系统10的另一优点在于，瞬变射束保护子系统的布置禁止瞬变真空电弧、真空放电或来自靶体46的发射物撞击在电子源26上或附近。通道33提供窄路径，发射物将不太可能自始至终穿过该窄路径返回到电子源26。而且，凹室29可以使对电子源26的溅射损坏最小化。另外，如果x射线发生子系统15内的电场由于放电而瓦解，那么瞬变射束保护子系统可以吸收来自电子源26的电流。
此外，使用x射线系统10的体系结构减小了有关电子源26的功率耗散的影响，因为使用的功率量明显小于利用热离子电子发射体的可比x射线系统。在常规x射线系统中，焦斑位置被定位成彼此邻近，从而提供小空间来放置聚焦机构。在x射线发生子系统15的专用发射体设计中(图3)，每个x射线斑点48需要一个电子源。发射体被定位成彼此如此靠近，以至于将难以实现结合射束光学器件来偏转射束。因此，例如为了生成1000个x射线斑点48，将需要1000个电子发射体。由于热离子发射体典型地需要大约10瓦的功率来发射电子，所以总功率要求难以满足。射束聚焦子系统40的使用允许使用低密度电子源，以及射束偏转子系统42的使用允许从单个电子源产生多个x射线斑点，以及备选电子发射体(例如储备式阴极、场发射器件)的使用减小了静态功耗，所有这些减小了总功耗。
具体参考图11，接着将描述用于对对象进行x射线扫描的方法。在步骤S200，提供邻近靶体的多个电子发射子系统。在步骤S205，将瞬变射束保护子系统定位在围绕靶体布置的每个电子发射子系统附近。例如，每个电子发射子系统20、120可以通过使用瞬变射束保护子系统与靶体46分离，所述瞬变射束保护子系统包括通道33、凹室29、或保护电极(未示出)中的一个或多个。瞬变射束保护子系统被设计成为电子源26提供保护以免于瞬变射束电流/电压、来自靶体46的材料发射物、以及电场的瓦解。
在步骤S210，第一电子束电流从电子发射子系统被发射到靶体46上的第一焦斑48。在步骤S215，第二电子束电流从电子发射系统被发射到靶体上的第二焦斑48。对于电子发射子系统20，单个电子源26发射两个电子束电流，并且所述电子束电流中的一个受到偏转。对于均结合了电子源26的阵列的电子发射子系统120，电子束电流的偏转是不必要的，因为每个电子源彼此偏离。应当理解，电流可以多次发射到靶体46上的焦斑48，并且可以有执行N次的循环，这取决于期望的焦斑48的数量。
最后，在步骤S220，提供检测器，例如检测器60，以测量从靶体上的焦斑发射的x射线。
尽管仅仅结合有限数量的实施例详细描述了本发明，但是应当容易理解，本发明并不限于这样公开的实施例。而是，本发明可以进行修改以结合此前未描述的许多变型、改变、替换或等效布置，但是其与本发明的精神和范围相当。例如，尽管已经概括描述了场发射体和储备式阴极，但是应当理解，本发明的各种实施例可以结合阳极接地、阴极接地或多极的场发射体和/或储备式阴极。另外，尽管已经描述了本发明的各种实施例，但是将会理解，本发明的方面可以仅仅包括所述实施例中的一些。因此，本发明不应当被视为由前面的描述限定，而是仅仅由所附权利要求书的范围来限定。
权利要求
1.一种用于形成x射线的系统(10)，包括靶体(46)；以及包括单个电子源(26)的至少一个电子发射子系统(20)，所述至少一个电子发射子系统被配置成在所述靶体上产生多个离散或扫掠焦斑(48)，x射线(50)从所述焦斑发射。
2.权利要求1所述的系统，其中所述至少一个电子发射子系统包括用于有选择地允许和禁止在所述靶体上产生所述多个斑点的机构(32，105)。
3.权利要求1所述的系统，其中所述至少一个电子发射子系统包括射束聚焦子系统(40)，所述射束聚焦子系统用于在所述电子束发射物撞击所述靶体之前聚焦来自所述电子源的电子束发射物。
4.权利要求1所述的系统，其中所述至少一个电子发射子系统包括射束偏转子系统(42)，所述射束偏转子系统用于将电子束偏转到所述靶体上的所述多个斑点。
5.权利要求1所述的系统，其中所述靶体被容纳在第一真空容器(47)内，以及所述至少一个电子发射子系统均被容纳在第二真空容器(25)内。
6.权利要求1所述的系统，其中所述靶体包括多个表面(49，49a，49b)，所述表面被配置成允许偏转的电子束在多个点撞击靶体，以产生具有类似x射线强度和分布特性的多个x射线斑点。
7.一种用于形成x射线的系统(10)，包括靶体(46)；用于在所述靶体上产生多个斑点(48)的至少一个电子发射子系统(120)，其中所述至少一个电子发射子系统包括多个电子源(26)，以及其中所述多个电子源均产生所述靶体上的所述多个斑点中的至少一个；以及射束聚焦子系统(40)，用于在所述电子束发射物撞击所述靶体之前聚焦来自所述多个电子源的电子束发射物。
8.权利要求7所述的系统，其中所述多个电子源均包括由下述组成的组中的一个场发射体，热场发射体，钨丝，涂覆的钨丝，钨板，光电发射表面，储备式阴极，热离子阴极，光电发射体，以及铁电阴极。
9.一种用于形成x射线的系统(10)，包括靶体(46)；用于在所述靶体上产生多个斑点(48)的电子发射子系统(120)，其中所述电子发射子系统包括多个电子源(26)；以及瞬变射束保护子系统，用于保护所述电子发射子系统免于瞬变射束电流、来自所述靶体的材料发射物、以及电场瞬变。
10.权利要求9所述的系统，其中所述多个电子源均产生所述靶体上的所述多个斑点中的至少一个。
11.权利要求9所述的系统，其中所述瞬变射束保护子系统包括被配置成执行下述中至少一个的结构如果靶体的电位下降，就吸收来自所述多个电子源中每个的电流；以及在瞬变射束发射期间为所述多个电子源中的每个提供保护。
12.权利要求9所述的系统，其中所述瞬变射束保护子系统包括将所述多个电子源中的每个定位在凹室(29)内。
13.权利要求9所述的系统，其中所述瞬变射束保护子系统包括在所述多个电子源中的每个与所述靶体之间延伸的通道(33)。
全文摘要
一种用于形成x射线的系统和方法。一个典型系统包括靶体和带有多个电子源的电子发射子系统。所述多个电子源均被配置成在靶体上产生多个离散斑点，x射线从所述斑点发射。另一典型系统包括靶体；带有多个电子源的电子发射子系统，每个电子源产生靶体上的多个斑点中的至少一个；以及瞬变射束保护子系统，用于保护所述电子发射子系统免于瞬变射束电流、来自靶体的材料发射物、以及电场瞬变。
文档编号H01J35/00GK1961399SQ200580017307
公开日2007年5月9日 申请日期2005年4月14日 优先权日2004年5月28日
发明者W·H·哈伯, C·R·威尔逊, J·S·普赖斯, P·M·埃迪克, M·E·费尔米利耶, F·F·霍普金斯 申请人:通用电气公司