用于X射线管的电子发射器的制作方法

本文中所示出的示例性实施方式涉及用于x射线管的电子发射器。该电子发射器包括由氧化物、氮化物、硅化物、硒化物或碲化物制成的纳米结构涂层。示例性实施方式进一步涉及x射线管。

背景技术：

热离子发射：通过将导体加热到高温使得从导体的表面发射电子；场致发射：通过使导体形成尖端并施加负电压而发射电子，或通过应用适度加热以辅助场致发射，例如，肖特基发射(如事实上，还有像光电子和气体离子碰撞发射的更多的发射机制)。电子发射器通常被称为阴极。在各发射模式下工作的阴极分别被称为热阴极、冷阴极或肖特基阴极。提供电子束的设备被称为电子源或电子枪。对于次级光束来说，电子也许是最常见的激发因素。

x射线是通过高能电子在金属表面上的撞击生成的。在此设置中，x射线源是包含以下部分的设备：1)阴极和2)被称作目标或阳极的电子接收器。阳极是x射线发射器。阴极和阳极被布置在特定配置中，并且被装入真空壳体中。此外，x射线系统可以包括下列组件：1)x射线源；2)计算机化的操纵和处理设备；3)检测器以及4)一个或多个电源单元。通过结合其它技术，x射线提供在医学成像、安全检查以及在工业无损检测方面的应用。在现代社会中，计算机技术已经彻底改革了x射线的用途，例如，x射线CT扫描仪(计算机断层扫描)。探测器技术的进步改善了能量解析度、数字图像并不断增大扫描速率和扫描区域。对比之下，用于生成X射线的电子源的技术与自约100年前诞生柯立芝管时基本保持相同，那时威廉柯立芝通过采用热钨丝的真空管取代气体填充管以利用热离子发射彻底改变了生成x射线的方式。

技术实现要素：

也许在x射线成像中使用的所有x射线管基于热离子发射利用钨丝的热阴极。在过去的十年左右，人们试图使用碳纳米管(CNT)作为冷阴极以通过场致发射的方式生成x射线。这种电子发射是在不加热的情况下由高电场引起的。CNT被认为是理想的阴极材料。然而，为了在x射线源中使用它们，似乎在针对其材料性能的制造工艺和工作条件方面存在严峻挑战。再者CNT的电流输出仍远低于实际应用的水平。因此，在本文中所提出的示例性实施方式的至少一个目的是提供一种另类的电子发射器，同时提供相对应的电子发射方法以克服热阴极以及基于CNT的冷阴极所固有的材料和操作的缺点；并且同时提出了具有优越性能的便携式x射线源。

因此，本文提出的示例性实施方式涉及用于x射线设备的电子发射器。该电子发射器包括由氧化物、氮化物、硅化物、硒化物或碲化物制成的纳米结构材料。这种纳米结构材料使电子发射器适用于场致发射，且更重要地用于肖特基发射。使用热辅助的电子发射允许对热阴极和冷阴极的性能进行补偿。当进行肖特基发射、热电子发射以及场致发射之间的比较时，示例性实施方式的优点将是显而易见的。众所周知，电负性元素(诸如在管中作为残留气态种类存在的S、CI)在阴极表面吸附会导致冷阴极“中毒”。如果吸附是严重的，则阴极将停止发射电子。对于场致发射的x射线管，冷阴极的再生需通过将射线管从系统中拆出再将其放入烘箱中烘烤，然后将管安装回去看烘烤的效果，这一复杂过程复杂繁琐。相比之下，对于肖特基发光管，适度加热导致在阴极表面温度上升有助于电子的发射，而同时阻止电负性气体原子或分子在阴极表面吸附。即便发生中毒时，可以在不将管从系统拆出的情况下，通过直接加热阴极来完成再生过程。较低的功率消耗可以促电源的小型化，从而使x射线设备变得更加便于携带。此外，使用这种电子发射模式消除了对于冷却系统的需求，并缩短了热灯丝系统所必须的降温和升温时间。

示例性实施方式涉及用于x射线管的电子发射器。电子发射器包括导电基板以及纳米结构材料。纳米结构材料包含在导电基板的至少一部分上，其中，纳米结构材料由氧化物、氮化物、硅化物、硒化物或碲化物制成。

上述实施方式的示例性优点是：使用这种纳米结构材料允许热辅助发射，诸如肖特基发射。因此，与热离子发射相比可以获得更小型的x射线设备。

根据一些示例性实施方式，导电基板由不锈钢、镍、镍基合金、铁或铁基合金制成。

根据一些示例性实施方式，导电基板是具有圆形的实心圆柱体、多边形横截面或星形横截面的形状。

上述实施方式的示例性优点是通过改变电子发射器的形状来控制电子发射的方向、密度以及其它特性的能力。

根据一些示例性实施方式，纳米结构材料被掺杂或共掺杂有包含在元素周期表中的列IA、IIA、IB、IIIA、VIA或VIIA中的掺杂元素。

根据一些示例性实施方式，纳米结构材料由ZnO制成。应当理解的是，纳米结构材料可以由氧化铁、氮化镓或任何其他相关的合金或它们的化合物制成。

这种实施方式的示例性优点是提供取代基于CNT的电子发射器的能力。使用这种取代方案提供了设置与基于肖特基的发射一致的电子发射器的示例性优点。基于碳类的的电子发射器在典型的X射线管的制造过程的温度环境和反应性气态环境下易于损坏。而ZnO和相关材料的熔点很高，且在化学方面更加稳定且具有与CNT同样有吸引力的场致发射性能。

根据一些示例性实施方式，不包括纳米结构材料的导电基板的一部分进一步包括电介质层。根据一些示例性实施方式，电介质层为SiO₂。

这种实施方式的示例性优点是控制电子发射的能力。该控制可以是控制电子发射的方向或密度的形式。

根据一些示例性实施方式，导电基板可附接到加热元件。这种实施方式的示例性优点是提供不同的电子发射模式(例如，肖特基发射)的能力。

根据示例性实施方式，当加热元件处于接通状态且电子发射器负偏置时，电子发射器被配置用于肖特基发射。根据一些示例性实施方式，当加热元件处在关闭状态而电子发射器负偏置时，电子发射器被配置用于场致发射。

这种实施方式的示例性优点在于：电子发射器可以被配置用于允许场致发射和基于肖特基的发射两者的双操作模式。另外，还可以放置热丝。这种实施方式具有在需要时提供利用所有三个电子发射模式更多功能的设备的示例性优点，以满足不同的分辨率和对比度度的成像要求。

一些实施方式涉及包括上述电子发射器的x射线设备。具有这种x射线设备的示例性优点是具有可工作在肖特基发射模式下的通用设备的能力。因此，如上所述的设备可以是便携式的。

根据一些示例性实施方式，x射线设备进一步包括朝向电子接收组件发射电子的多个电子发射器。根据一些示例性实施方式，多个电子发射器被单独地、同时地或按顺序地激活。

这种实施方式具有提供更通用的设备来激活不同电子发射器的优点，可以提供所得到的电子发射中的差异。因此，可以获得在图像分辨率等方面上的差异。

上文中所公开的具有阳极的电子发射器构成的所谓的二极管x射线管。在下文中，电子源可以被配置为包括如上所公开的阴极以及栅极。并且包括这种类型的电子源和阳极的x射线源被称作三极管(triode tube)。

示例性实施方式涉及用于x射线管的电子源。电子源包括如上所公开的阴极和栅极(grid)，它们被以固定间隔距离放置并由陶瓷间隔件固定。栅极是由直径相等的导电导线制成。此外，该导线由高熔点、低蒸气压且导电的材料(如钨、钼、钽、镍、不锈钢或镍基合金)制成。导线的直径在30μm到150μm之间变化。栅极的开口率在50％到80％之间变化。此外，在栅极线的表面涂覆有具有明显的二次级电子发射特性的薄层或材料的多层膜。作为另外的选择，该涂层可为发射UV材料。因此该涂层具有增强阴极电子发射的效应。貌似明显，但仍旧最好指出的是，在阴极的前面放置栅极是在真空管甚至场致发射设备中的常用做法，但本实施方式示现与现有技术存在以下几方面的明显区别：阴极材料选用、发射机制(构)以及发射增强效果。因此，应用于三极x射线管的这种类型的电子源的整体优点是阴极电流强度独立于阳极电压以及电流输出的倍增效应。

附图说明

通过下文对如在附图中所示的对示例实施方式的更具体的描述，前述内容将是显而易见的，贯穿不同的视图，在附图中相同的参考符号指代相同的部分。附图无需按比例绘制而是旨在强调被放置在示例性实施方式上的部件。

图1是基于热离子发射的x射线设备的示意图；

图2是根据本文中所描述的示例性实施方式的x射线的示意图；

图3是根据本文中所描述的一些示例性实施方式的具有栅极的电子发射器的说明性示例；

图4是根据本文中所描述的一些示例性实施方式的电子发射器可能具有的不同形状的说明性示例；

图5是根据本文中所描述的一些示例性实施方式的包括多个电子发射器的x射线设备的示意图；以及

图6A和图6B是示出根据本文中所描述的一些示例性实施方式的图5的电子发射器的I-V特性的曲线图。

具体实施方式

在以下的说明中，出于说明而非限制的目的阐述了具体的细节，诸如特定组件、元件、技术等以便提供对示例实施方式的透彻的理解。然而，对于业内专家显而易见的是，可以使用不同于这些具体细节的其它方式来实施示例性实施方式。在其它情况下，省略公知的方法和元件的详细说明，以免混淆示例性实施方式的描述。本文中所使用的术语是出于描述示例性实施方式的目的，并非旨在限制本文中所呈现的实施方式。

本文中所示的示例性实施方式涉及用于x射线设备的电子发射器，其中，该电子发射器包括由氧化物、氮化物、硅化物、硒化物或碲化物制成的纳米结构材料。这种电子发射器是用于利用肖特基发射操作模式来启动x射线设备。为了更好地描述示例性实施方式，将首先确定并讨论问题。图1示出了传统的x射线管。图1中的x射线管设有真空玻璃管10，该真空玻璃管包括由难熔金属/合金制成的阳极14和热的灯丝阴极12。阳极14的表面以预定的倾斜角度面对阴极12。由电源13提供的电流经过灯丝阴极12，使得灯丝12的温度升高直到到灯丝发射电子束16的温度值。然后，电子束16在电场中向阳极14加速。这过程获得经由窗口20引导出该设备的x射线束18。阴极和阳极之间的电压决定了x射线束的能量。

也许在x射线成像中使用的所有x射线管基于热离子发射利用钨丝的热阴极。在过去的十年左右，人们试图使用碳纳米管(CNT)作为冷阴极以通过场致发射的方式生成x射线。这种电子发射是在不加热的情况下由高电场引起的。CNT被认为是理想的阴极材料。然而，为了在x射线源中使用它们，似乎在针对其材料性能的制造工艺和工作条件方面存在严峻挑战。再者CNT的电流输出仍远低于实际应用的水平。因此，在本文中所提出的示例性实施方式的至少一个目的是提供一种另类的电子发射器，同时提供相对应的电子发射方法以克服热阴极以及基于CNT的冷阴极所固有的材料和操作的缺点；并且同时提出了具有优越性能的便携式x射线源。

因此，本文提出的示例性实施方式涉及用于x射线设备的电子发射器。该电子发射器包括由氧化物、氮化物、硅化物、硒化物或碲化物制成的纳米结构材料。这种纳米结构材料使电子发射器适用于场致发射，且更重要地用于肖特基发射。使用热辅助的电子发射允许对热阴极和冷阴极的性能进行补偿。当进行肖特基发射、热电子发射以及场致发射之间的比较时，示例性实施方式的优点将是显而易见的。众所周知，电负性元素(诸如在管中作为残留气态种类存在的S、CI)在阴极表面吸附会导致冷阴极“中毒”。如果吸附是严重的，则阴极将停止发射电子。对于场致发射的x射线管，冷阴极的再生需通过将射线管从系统中拆出再将其放入烘箱中烘烤，然后将管安装回去看烘烤的效果，这一复杂过程复杂繁琐。相比之下，对于肖特基发光管，适度加热导致在阴极表面温度上升有助于电子的发射，而同时阻止电负性气体原子或分子在阴极表面吸附。即便发生中毒时，可以在不将管从系统拆出的情况下，通过直接加热阴极来完成再生过程。较低的功率消耗可以促电源的小型化，从而使x射线设备变得更加便于携带。此外，使用这种电子发射模式消除了对于冷却系统的需求，并缩短了热灯丝系统所必须的降温和升温时间。

图2示出根据示例性实施方式的x射线设备。图2的x射线设备包括包含电子发射器的抽真空的玻璃管10或者阴极22以及电子接收组件14。电子接收组件14的表面以预定的倾斜角度面向电子发射器22。该发射器的平面还可以被布置成平行于电子接收组件。当阴极同时被负偏置时，由电源28提供的电流经过加热元件21使电子发射器22的温度升高到有助于从电子发射器22发射电子25的温度值。这种发射被称为肖特基发射。对比图1的仅通过由于加热的高温而引起的电子发射，图2的发射是在适当加热的协助下由电场引起的。

然后，电子束25的电子利用电场朝向电子接收组件14加速。这过程获得经由窗口20而被引导出该设备的x射线束26。电子发射器和电子接收组件之间的电压差决定了x射线束的能量。

如图3中所示，根据一些示例性实施方式，在表面23和电子接收组件14之间放置栅极30，该表面包括电子发射器的纳米结构24，该电子接收组件作为引出电极。根据一些示例性实施方式，在电子发射器和栅极30之间放置间隔件31。可以以100μm到1000μm之间的间隔距离放置(通过间隔件固定)栅极。圆形盖被放置在作为栅电极的栅极顶部，该栅电极将电压提供给栅极32。根据一些示例性实施方式，间隔件可以是陶瓷间隔件。

栅极由相同直径的导电配线制成。此外，该配线由高熔点、低蒸气压且导电的材料(如钨、钼、钽、镍、不锈钢或镍合金)制成。配线的直径在30μm到150μm之间变化。栅极的线性开口率在50％和80％之间变化。此外，在栅极中的配线的表面被涂覆有具有明显的二次电子发射特性的薄层的材料或多层的材料(如MgO以及相关材料)。作为另外的选择，该涂层是发射UV的材料，诸如GaN和相关材料。

因此该涂层具有增强阴极电子发射的效应。如图5所示，应用于三极x射线管的这种类型的电子源的整体优点是阴极电流强度独立于阳极电压以及电流输出的倍增效应。此外，阴极和栅极之间的电场决定发射电流强度；而电子发射器和电子接收组件14之间的电压差决定了x射线的能量。但是应当理解的是，图3的栅极和间隔件可以被应用到根据本文中提供的任何示例性实施方式的电子发射器。

电子发射器22包括含有纳米结构24的涂层的导电基板23。加热元件21在管的阴极端经由两条真空封接导丝(feed-through)连接至导电基板23。纳米结构涂层24可以在导电基板23上生长。纳米结构涂层可以是纳米颗粒、纳米线、纳米棒、纳米四管脚或纳米管的形式。基板的材料可以是不锈钢、镍、镍基合金、铁或铁基合金。根据一些示例性实施方式，基板被预制成形为各种形状。

图4示出可以形成电子发射器的示例性形状。电子发射器22a是包括导电基板23a和纳米结构涂层24a的圆锥体的形状。电子发射器22b的另一个示例是以实心圆柱体的形式设置的，其还包括导电基板23b和纳米结构涂层24b。图4提供了设置有导电基板23c和纳米结构涂层24c的中空圆筒形式的电子发射器22c的另一个示例。电子发射器22d的另一个示例是以包括导电基板23d和纳米结构涂层24d的空心星形形式提供的。应当理解的是，这些形状可以适用于x射线的不同用途，因为这些形状可能影响所发射的电子的方向。还应该理解的是，在根据示例性实施方式的x射线设备中，还可以采用其它形状。

在图4中描述的丝状基板可以以给定的间隔被平行排布成丛。由基板的顶端形成的表面可以是平面、凹面或凸面的形状以形成电子束的焦点。

根据一些示例性实施方式，可以通过固-液-气相法、化学气相沉积(CVD)工艺或化学溶液法使纳米结构涂层生长。根据一些示例性实施方式，纳米结构涂层被配置成相对于形态而变化，以通过化学、电化学或光学装置在生长过程中或者生长过程之后进一步促进电子发射。

根据一些示例性实施方式，纳米结构涂层可以由氧化物、氮化物、硅化物、硒化物或碲化物制成。根据一些示例性实施方式，纳米结构涂层可以由氧化物半导体(例如ZnO)制成。ZnO是n型、宽带隙的半导体。电导率与在生长过程中生成的氧空位相关联。

通过掺杂元素周期的列IA、IIA、IB、IIIA、VIA、VIIA中的化学元素可以来增加ZnO的导电率。应用生长后的热处理可使掺杂物均匀化或者使它合理分布与表面偏析。纳米结构的形态可通过化学或电化学手段进行改变以实现局部场增强。UV处理也可以用于改善表面性质。可将表面涂层施加到纳米结构，以通过在发射极的表面降低功函数进一步增强电子发射能力。

根据一些示例性实施方式，电介质层(例如SiO₂)还可以被添加到导电基板上的不存在纳米结构涂层的区域。这种介电涂层在引导电子发射时会是有用的。

当通过加热元件21进行适当的加热，同时电子发射器负偏置时，通过肖特基发射来发射电子。当停止加热，同时阴极是负偏压时，通过场致发射来发射电子。在阴极中毒的情况下，通过从发射器的表面上去除不需要的所吸附的化学物质，加热的附加功能(其不存在于现有技术场致发射的x射线源中)还可以被应用于再生该电子发射器。

根据一些示例性实施方式，可以在x射线设备中使用多个电子发射器。图5示出了其中有多个电子发射器的x射线管。在本实施方式中，三个电子发射器22_1、22_2和22_3被组装在封闭的管10中，这些发射器面向电子接收组件14。电子发射器的数量和间隔可以改变。

应当理解的是，在根据示例性实施方式的x射线设备中可以使用任何数量的电子发射器。还应该理解的是，图5的电子发射器可以是在图2至图4中任何特定的电子发射器或者是任何其它形状的发射器。还应该理解的是，电子发射器不必是相同的，并且可以包括相对于另一个不同的形状和/或特征。

电子发射器的布置模式可以是但不限于：线形的、圆形的、矩形的、正方形的或其它多边形的形状。相对于与电子接收组件14的关系，可布置电子发射器22_1、22_2和22_3，使它们所有朝向电子接收组件14上的一个焦点发射电子25a至25c，或使得它们将发射图案的放大或缩小的图像投射至电子接收组件14上。

所有这些变化皆旨在满足尺寸的要求，以及x射线束26的形状要求。电子发射器22_1、22_2和22_3可以共同或单独、同时或按顺序被激活。这种灵活激活的机制允许高频率的脉冲调制模式，其通过设定电源的输出频率生成x射线以及通过选择激活的电子发射器22_1、22_2和22_3的数目选择射线剂量(dose)的宽度范围。可以由电源28控制电子发射器22_1、22_2和22_3的激活。

本文中提出的示例性实施方式允许单独激活电子发射器22_1、22_2和22_3，从而提供了一种用于稳定发射电流的机制(其在电流x射线系统中不可用)。但是应当理解的是，在大面积的阴极或多阴极中发射时的不均匀性是一个严重问题。此问题是由发射器的几何和物理的不均匀性造成的。

换言之，上述的发射器的问题，源自材料和处理问题。因此，一些示例性实施方式旨在改善在基板上的发射器材料的生长。

根据一些示例性实施方式，在组件级别也解决了发射器中存在的不均匀性。通过结合作为图5的示例的三阴极结构对这种示例性实施方式进行描述。

图6A和图6B示出了图4的电子发射器的配置的电流和电压特性。在每个曲线图中，由三角形表示标绘点，方形和圆形符号分别表示来自图5的电子发射器22_1、22_2和22_3的电压和电流。

图6A示出了施加电压V同时保持相同的电子发射器与电子接收组件之间的距离相同。每个电子发射器22_1、22_2和22_3将分别发射电流i1、i2与i3。如在图6A中的曲线图中所示，由每个电子发射器发射的电子所提供的电流量不同。虽然可通过正式定义在问题中的所有发射器的所测量的电流值的均方误差或均方根差来对非均匀性进行定量描述，但是在图6A所示的图形的差异足以说明这一点。

如在图6B中所示，如果所有的三个电子发射器将要发射相同的电流，那么需要将不同的电压V1、V2和V3分别施加到电子发射器22_1、22_2和22_3。当电子发射器被定向到不同的焦点位置时以创建x射线束的特定形状时，它自身有利的结果是明显的。该机构通过在所有焦点位置处提供恒定电流而提供x射线束的空间均匀性。另外的优点是当电子发射器被定向到一个焦点位置并按顺序偏置时，发射器提供具有与随时间变化的恒定电流的时间均匀性的电子发射。此外，为确保x射线发射的稳定性和均匀性，反馈监测电路可以被用于控制电子发射过程。

根据一些示例性实施方式，电源28进一步被配置为在以下三种偏置模式：(-，0：阴极负，阳极接地)、(-，+：阴极负，阳极正)以及(0，+：阴极接地，负极正)下提供二极管的至少一个电子发生组件与电子接收组件之间的电位差。这些偏置模式便于产生肖特基发射或场致发射。因此，这种具有较低的热功率需求的实施方式的示例性优点是消除冷却系统同时缩短降温和升温周期，长升降温周期热灯丝的系统的常见弊端。因此，本实施方式的示例可以得到更便携的x射线设备。

根据一些示例性实施方式，电源被配置为：在DC模式下运行，即恒定的(-，0)、(-，+)、(0，+)；在脉冲模式下运行，即具有接地阳极或接地阴极的方波；或在AC模式下运行，即正弦波。提供具有不同操作模式的电源的示例性优点是提供一种更加多用途的设备的能力。例如，在脉冲和AC模式下可以得到一个限定的上升时间、频率、占空比波形的周期和脉冲形状。

应当理解的是，可在许多领域中使用本文中所描述的x射线设备。例如，可以在一个安检扫描装置中使用x射线设备，例如，正如在机场安检处常见的x射线设备。由于热元件和肖特基发射的使用允许更便携的设备，因此可以容易地在这种安全系统中采用本文中所描述的x射线设备。

在本文中所讨论的x射线设备的用途的另外的示例是医学扫描设备，诸如计算机断层扫描(CT)扫描装置或者C形臂式扫描装置，其可包括小型C形臂装置。使用本文中所描述的x射线设备的另外的示例是地质勘测装置。

应当理解的是，本文中所描述的x射线设备可以被用在任何无损检测装置中。x射线设备的几个示例性应用程序可以是乳腺X光检查、兽医成像以及x射线荧光光谱法等。

已经出于说明的目的对本文中所提供的示例性实施方式进行了描述。该描述并不旨在是穷尽式的或将示例性实施方式限制成所公开的精确形式，并且根据上述教导的修改和变化是可能的，或者可以从所提供的实施方式的各种替代方案的实践而得到。选择并描述本文中所讨论的示例，以便说明各种示例性实施方式的原理和性质及其实际应用，以使本领域的技术人员以各种方式利用示例性实施方式，并且可以对适用于所考虑的特定用途进行各种修改。本文中所描述的实施方式的特征可以被结合在方法、装置、模块、系统和计算机程序产品的所有可能的组合中。应当理解的是，可以用与彼此的任何组合来实施本文中所呈现的示例性实施方式。

应当指出的是，词语“包括”并不一定排除那些所列出的元件和步骤之外而存在的其他元件或步骤，并且在元件前的词语“一”或“一个”不排除存在多个这种元件。还应当指出的是，任何附图标记并不限制权利要求的范围，本示例性实施方式可以至少部分地通过硬件和软件两者来实现，并且可以由相同的硬件项来表示几个“器件”、“单元”或“装置”。

在附图和说明书中，已经公开了示例性实施方式。然而，可以对这些实施方式进行各种变形和修改。因此，尽管采用了专有术语，但它们只被用于通用的和描述的意义，而不是为了限制的目的，由所附权利要求限定实施方式的范围。