电子源、x射线源、使用了该x射线源的设备的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及产生电子束流的电子源和使用该电子源产生X射线的X射线源，特别 涉及从不同位置按预定方式产生电子束流的电子源和从不同位置按预定方式产生X射线 的X射线源以及使用了该X射线源的设备。
【背景技术】
[0002] 电子源是指能够产生电子束流的设备或部件，惯用称呼包括电子枪、阴极、发射体 等，电子源在显示设备、X射线源、微波管等中具有广泛应用。X射线源是指产生X射线的设 备，核心是X射线管，由电子源、阳极、真空密封外壳构成，通常还包括电源与控制系统、冷 却及屏蔽等辅助装置。X射线源在工业无损检测、安全检查、医学诊断和治疗等领域具有广 泛的应用。
[0003] 传统的X射线源采用直热式螺旋钨丝为阴极，工作时通过电流，加热到约2000K 的工作温度，产生热发射的电子束流，电子束流被阳极和阴极之间的数十万伏高压电场加 速，飞向阳极并撞击靶面，产生X射线。
[0004] 场致发射可以让多种材料，例如金属针尖、碳纳米管等，在常温下产生电子发射， 获得电子束流，相比热发射，具有启动/关断速度快、节能、无需散热等明显优点。在纳 米技术特别是碳纳米材料发展起来后，纳米材料场致发射电子源获得了快速发展，例如 Keesmann等人在专利US5773921A中指出纳米材料可用于场致发射，进一步的，Otto Zhou 等人在专利US6850595B和谭大刚在专利CN02133184. 7中提出了碳纳米材料场致发射电子 源用于X射线源的具体结构，专利US8447013B进一步提出了通过纳米材料场致发射可以在 一个X射线源内布置多个电子发射源形成多个靶点的分布式X射线源的技术。
[0005] X射线源要求其所采用的电子源具有较大的发射电流，通常发射电流大于1mA，例 如目前医疗CT中的油冷旋转靶X射线源的电子源发射电流高达1300mA。现有的以纳米材 料场致发射电子源为阴极的X射线设备中，为了实现较大的发射电流，均采用纳米材料生 成具有一定宏观尺寸的阴极发射面，并在发射面上方通过平行关系布置网状栅极，对场致 发射进行控制。这种结构，由于机械加工精度、栅网形变量、安装精度的影响，栅网与阴极表 面具有较大的距离，因此需要给栅极施加很高的电压，通常超过1000V，来控制场致发射。例 如专利CN102870189B中揭示的"施加到萃取门（栅极）上的电压是大约1到3kV"。这么高 的控制电压，对于具有多个电子发射源的分布式X光源，通常需要上百路千伏级的控制电 压，在控制系统、真空过渡连接器件等方面具有较高的技术难度和很高的生产成本。
[0006] 纳米材料场致发射电子源在显示设备方面的应用越来越广泛，被认为是下一代 产品的主要技术方向，称为FED (Field Emission Display),在场致发射原理、发射单元 结构、光点布局及生产制备方法等方面，有众多专利进行了披露，例如范守善等人的专利 CN100583353和CN101499389等。场致发射电子源在显示设备应用方面的技术特征是，每一 个发光点结构尺寸很小，在几十到几百微米，每一个电子源的发射电流也很小，大致在几百 纳安到几微安，同时栅极控制电压很低，并且大量电子源通过均匀排布的横向和纵向导电 条被分割为可每个点单独控制的二维平面阵列，例如CN1285067C所披露的结构。由于应用 领域、技术需求的不同，现有显示设备用电子源与X射线源用电子源具有明显差异。
[0007] 2007 年发表于 APPLIED PHYSICS LETTERS 的文献"Transmission-type microfocus χ-ray tube using carbon nanotube field emitters，'披露了半径为 5 μ m 的 涂覆碳纳米管材料的尖端，场致发射电流达到了稳定的26 μ A，作为本发明中纳米材料场致 发射能力的技术基础。
[0008] 此外，采用场致发射原理的电子发射单元具有大体相似的结构，例如，如图3 (A)、 图3 (B)、图3 (C)所示。图3 (A)是专利US5773921披露的技术方案，纳米材料（图中的附 图标记31)附着在基极层（图中的附图标记10)的一定结构（图中的附图标记13)上。图3 (B)是专利US5973444披露的技术方案，纳米材料（图中的附图标记20)直接生长在基极层 (图中的附图标记12、14)的平坦表面上。图3 (C)是专利CN100459019披露的技术方案， 用于X射线源设备的电子源，具有宏观尺寸(毫米至厘米)的纳米材料平面（图中的附图标记 330)，其栅极层为宏观尺寸的栅网，栅网平面与纳米材料平面平行。在现有技术中，以图3 (A)和（B)为代表的电子发射单元，通常为面阵列排列，通过纵和横(也可称为经和纬）布置 的条带基极层和栅极层(或复杂的多层次栅极层)，对每一个发射单元进行单独控制，每个 发射单元的发射电流很小，且应用中没有考虑各组成部分的结构比例，发射电流的品质差。 如图3 (B)所示的结构，栅极上的开口尺寸远大于纳米材料到栅极的距离，导致边缘部分的 纳米材料感受电场大，边缘部分的纳米材料先进行电流发射，但是发射的电流向边缘大角 度发散，前向性差，且容易被栅极阻挡吸收，而位于中间的纳米材料本来可以产生前向性较 好的发射电流，但是由于感受的电场小，发射电流很小或者基本不发射。以图3 (C)为代表 的明确用于X射线源的电子发射单元，其栅网平面与纳米材料平面之间是一种大跨度小间 距的平行平面结构，由于机械加工精度、安装精度的限制，间距很难做到200 μ m以下，否则 很容易出现两平面不平行导致电场不均匀，或者栅网本身的形变或者受电场力的影响产生 的形变会严重影响电场的均匀性，甚至会产生栅网与纳米材料之间的短路。这种电子发射 单元由于栅网平面与纳米材料平面之间的距离大，使得场致发射控制电压高，从而增加了 控制难度和生产成本。
[0009] 此外，专利US20130230146A1披露了一种线状电子发射源与线状栅极隔尚相互间 隔排列、且栅极具有阵列开孔的电子发射装置。其在栅极隔离的表面设置防充电膜的技术 特征使得电子发射装置能有效地防止打火，但是其线状长条形的电子发射源仅在栅极具有 开口的地方产生电子发射，在栅极桥遮挡的位置不能产生电子发射，电子发射源形成浪费， 同时其结构尺寸的不够优化，例如开孔的尺寸大于电子发射源到栅极的距离，影响发射效 率，使得该电子发射装置的发射电流强度仍然不够大。
【发明内容】
[0010] 本发明是为了解决上述课题而提出的，本发明提供一种具有新型结构的场致发射 电子源，实现结构简单、成本低、控制电压低、发射电流强度大的目的，同时提供使用了该电 子源的X射线源，输出X射线强度大，成本低，或者具有多个不同位置的X射线靶点，靶点流 强大、间距小。
[0011] 本发明主要是提供一种低控制电压且大发射电流的场致发射电子源和使用了该 电子源的X射线源。本发明的电子源具有多个电子发射区域，每个发射区域包含大量微型 电子发射单元，本发明中的微型电子发射单元的结构使得场致发射的控制电压很低，大量 微型电子发射单元协调工作使电子发射区域具有大的发射电流。使用了该电子源的X射线 源，通过阳极的设计可以为双能X射线源；通过电子源的设计，可以获得具有多个不同位置 的靶点的分布式X射线源；通过多种工作模式，可以增加每个靶点的X射线输出强度、减小 靶点的间距、避免黑点，扩展了场致发射分布式X射线源的功能和应用，同时，通过降低控 制电压，从而降低控制难度和生产成本，减少故障，增加了分布式X射线源的寿命。
[0012] 此外，本发明还提供了具有上述特征的分布式X射线源在透视成像和背散射成像 方面的应用，多种技术方案展现了使用该X射线源带来的低成本、高检查速度、高图像质量 的一个或多个优势。
[0013] 此外，本发明还提供了一种图像实时引导放射治疗系统，对于治疗具有生理运动 的部位，例如肺、心脏等，"实时"的图像引导放射治疗可以降低照射剂量、减少对正常器官 的照射，具有重要意义。而且，本发明的分布式X射线源具有多个靶点，其获得的引导图像 不同于普通平面图像，是具有深度信息的"立体"诊断图像，可以进一步提高图像引导治疗 中，对治疗射线束的位置引导精确性。
[0014] 要达到本发明的目的，采用了如下的技术方案。
[0015] 本发明提供一种电子源，具有至少一个电子发射区域，所述电子发射区域包含多 个微型电子发射单元，每个所述微型电子发射单元在阵列排布方向上占用的空间尺寸大小 为微米级，所述微型电子发射单元包括基极层、位于所述基极层上的绝缘层、位于所述绝缘 层上的栅极层、位于所述栅极层上的开口、以及固定于所述基极层上与所述开口位置对应 的电子发射体，其中，所述电子发射区域内的各所述微型电子发射单元同时发射电子或者 同时不发射电子。
[0016] 此外，在本发明中，所述基极层用于提供结构支撑以及电连接。
[0017] 此外，在本发明中，所述栅极层由导电材料构成。
[0018] 此外，在本发明中，所述开口贯穿所述栅极层和所述绝缘层并且到达所述基极层。
[0019] 此外，在本发明中，所述绝缘层的厚度小于200 μ m。
[0020] 此外，在本发明中，所述开口的尺寸小于所述绝缘层的厚度。
[0021] 此外，在本发明中，所述开口的尺寸小于所述电子发射体到所述栅极层的距离。
[0022] 此外，在本发明中，所述电子发射体的高度小于所述绝缘层的厚度的二分之一。
[0023] 此外，在本发明中，所述栅极层与所述基极层平行。
[0024] 此外，在本发明中，所述微型电子发射单元在阵列排列方向上所占用的空间尺 寸为微米级，优选所述微型电子发射单元在阵列排列方向上所占用的空间尺寸范围为 1 μ m ~200 μ m〇
[0025] 此外，在本发明中，所述电子发射区域的长度与宽度的比例大于2。
[0026] 此外，在本发明中，所述基极层由基底层和位于所述基底层上的导电层构成，所述 电子发射体固定在所述导电层上。
[0027] 此外，在本发明中，所述电子发射区域的发射电流不小于0.8mA。
[0028] 此外，本发明提供一种电子源，具有至少两个电子发射区域，每个所述电子发射区 域包含多个微型电子发射单元，所述微型电子发射单元包括用于提供结构支撑以及电连接 的基极层、位于所述基极层上的绝缘层、位于所述绝缘层上且由导电材料构成的栅极层、贯 穿所述栅极层和所述绝缘层并且到达所述基极层的开口、以及位于所述开口内并且固定于 所述基极层的电子发射体，其中，同一个所述电子发射区域内的各所述微型电子发射单元 之间具有电连接，同时发射电子或者同时不发射电子，不同的所述电子发射区域之间具有 电隔离。
[0029] 此外，在本发明中，所述绝缘层的厚度小于200 μ m。
[0030] 此外，在本发明中，所述栅极层与所述基极层平行。
[0031] 此外，在本发明中，不同的所述电子发射区域之间具有电隔离是指：各所述电子发 射区域的所述基极层是各自分开独立的、或者各所述电子发射区域的所述栅极层是各自分 开独立的、或者各所述电子发射区域的所述基极层和所述栅极层都是各自分开独立的。
[0032] 此外，在本发明中，不同的所述电子发射区域可以通过控制以预定的顺序进行电 子发射，包括顺次、间隔、交替、部分同时和分组组合等方式。
[0033] 此外，在本发明中，同一所述电子发射区域的各所述微型电子发射单元的所述基 极层为同一物理层，各所述微型电子发射单元的所述栅极层为同一物理层，各所述微型电 子发射单元的所述绝缘层也可以为同一物理层。
[0034] 此外，在本发明中，所述微型电子发射单元在所述电子发射区域内的阵列排布方 向上,尺寸大小为微米级。
[0035] 此外，在本发明中，所述微型电子发射单元在阵列排布方向上占用的空间尺寸范 围为1 μ m至200 μ m。
[0036] 此外，在本发明中，所述开口的尺寸小于所述绝缘层的厚度。
[0037] 此外，在本发明中，所述开口的尺寸小于所述电子发射体到所述栅极层的距离。
[0038] 此外，在本发明中，所述电子发射体的高度小于所述绝缘层的厚度的二分之一。
[0039] 此外，在本发明中，所述电子发射体的线性长度垂直于所述基极层的表面。
[0040] 此外，在本发明中，所述电子发射体含有纳米材料而构成。
[0041] 此外，在本发明中，所述纳米材料是单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管、 或者它们的组合。
[0042] 此外，在本发