X射线发生器的制作方法

本发明涉及一种x射线发生器。

有特指性地但无排他性地，本发明涉及一种包括多个x射线源的x射线发生器，该x射线发生器具有打开和关闭各个x射线源并可变地控制单个x射线源发射x射线的时间段的装置，本发明还涉及一种操作这种发生器的方法。尽管不是排他性的，但本发明在近间距刻度x射线发生器中有特别的用途。

近年来，近间距刻度x射线源的发展已经取得进展，使得现在可以生产出多个x射线源，这些x射线源之间的典型距离约为100μm到1cm或更大。

在wo2011017645a2中提供了这种二维x射线源的示例，其中所有射线源同时操作，即，在启动x射线发射场发射的点处，表面电子将出现在每个场发射器处，且当电子撞击靶材料时，x射线光子(轫致辐射)将从多个位置同时发射。

对于某些x射线成像形态，优选能够控制多个x射线源中的各个x射线源的激活顺序的。例如，以连续和逐行的方式激活x射线源可能是有利的，这被称为光栅扫描，这在许多电子成像设备中都有使用。

wo2015132595a1描述了一种通过不依赖于高压切换的机制来选择性地控制多个x射线源的单独操作，从而实现上述光栅扫描的方法。

但是，很明显，用于生成x射线光子的多个电子发射源中的电流波动会直接转化为最终x射线辐射信号输出中的通量变化，从而降低了x射线辐射在确定x射线成像形态中的精细细节方面的有用性。

这些电流波动可能是由多种潜在现象引起的，这些现象包括热噪音，电噪音，真空波动，固有的电子发射器物理特性以及这些因素之间的同时相互作用。在现场增强型发射源中，电压波动和微观发射器表面变化可能是首要考虑的问题。

本发明的目的是克服这些电流波动。

在第一个方面，本发明提供了一种x射线发生器，其包括用于产生电子路径的电子场发射器阵列，靶材料，该靶材料包括x射线光子产生材料，该x射线光子产生材料被配置为在产生的电子入射到其上时发射x射线光子，磁场发生器阵列，用于影响从电子场发射器阵列产生的电子的路径，以使一个或多个路径可远离x射线光子产生材料转移，从而通过所述一个或多个电子路径减少x射线光子的产生。该发生器还包括感应电路，其被布置为测量由一个或多个电子发射器发射的电荷量，以及控制器，其用于依照所测量的电荷量来控制磁场发生器阵列。

以这种方式，每个单独的x射线源激活持续动态确定的时间段，该动态确定的x射线激活时间段一直持续到感应电路确定相关的电子发射器电荷超过预定阈值为止。这允许对每个电子发射器进行单独控制(并因此从每个电子发射器发射的电子路径产生x射线光子)，从而即使向每个发射器提供的电源略有不同，也可产生或多或少的电子，和x射线，与相邻的发射器相比，每个发射器产生的电子以及x射线总量可以控制。

换句话说，如果没有该系统，如果需要x射线光子的设定值，并且使用定时器来控制其x射线光子的产生，则一些发射器可能表现不佳，而一些发射器可能在没有共同产生恒定的光子速率的情况下表现过度。为了避免必须管理对每个单独发射器的供电以确保所有发射器的一致性，这将耗资高昂且运作困难，本系统通过单独监视每个发射器并控制其操作(即，它是“开”还是“关”)来提供简单而有效的解决方案以产生x射线。

所述控制器可以被设置为控制一个或多个磁场发生器，从而在电荷量(如由所述一个或多个路径中的感应电路所测量)超出预定阈值时减少由电子的一个或多个路径所产生的x射线光子。这种减少可以是完全的，因为不会产生x射线光子。每路电子可以由一个或多个磁场发生器提供。

测得的电荷量可以是电流的积分或总和；q＝∫idt，其中积分在一个时间间隔内。可以使用电荷灵敏放大器和电路。此外，还可以测量与电流和集成成正比的供电特性。其他方法包括给电容器充电，然后通过一个或多个电阻器测量放电时间，以测量电容器中的电荷。

可能需要在特定时间段内测量电流。为此，可以在该时间段内(例如100ms)测量电流或电荷。但是，由于没有简单的直接测量电流的方法，因此可以使用感应电阻器来测量该电阻器上的电压降。如果感应电阻器的电阻远小于系统其余部分的电阻，那么与电源电压相比，感应电阻器两端的电压降很小，并且测量不会破坏设备的功能。

感应电路可以设置在用于一个或多个电子发射器的电源与电子发射器之间。感应电路可以测量可能与供应电流成正比的电压降。感应电路可以测量感应电阻两端的电压降。替代地或附加地，感应电路可以设置在一个或多个电子发射器与靶材料之间。替代地或附加地，感应电路可以布置在一个或多个电子发射器与发射器和靶材料之间的控制栅之间。在最后两种情况下，感应电路可以测量实际电流。

电子感应电路可以被配置为借助于二极管或三极管源极电流的测量值来确定相关的电子发射器电荷。电子感应电路可以被配置为借助于二极管或三极管接收器电流的测量值来确定相关的电子发射器电荷。电子感应电路可以被配置为借助于三极管栅极(也称为“栅极”或“抑制器”)电流的测量值来确定相关的电子发射器电荷。

靶还可包括非光子产生材料，磁场发生器可将电子的一个或多个路径转移到非光子产生的材料上，以减少通过所述一个或多个电子路径产生的x射线光子。非光子产生材料可以包括间隙吸波材料或就可以是间隙吸波材料。术语“非光子产生材料”也可以理解为是指“非光子发射材料”。这些术语考虑了可能发射一些光子，但是其发射速率实质上比由光子产生材料产生/发射的速率低(大约几个数量级)。非光子产生材料可能包括材料的组合，其中低原子序数材料的第一部分产生比其他目标区域更少和更低能量的光子。然后，这些光子在具有高原子序数材料的第二部分中被吸收。实际上，具有足够厚度的单一材料也可以用作非光子产生材料。还应理解，可以为在所有方向上发射的任何材料产生光子。可能产生一些光子，这些光子向与电子路径相反的方向行进。这些“向后行进的”光子可能对成像通量没有意义，因此无需关注。

x射线发生器可以被设置为在不改变向电子场发射器的阵列的供电的情况下，使得x射线的产生是可控制的。换句话说，无需高压切换，例如，关闭提供给一个或多个电子发射器的电源。

磁场发生器可以是可供能的电磁线圈。可以考虑其他类型的磁场发生器，例如永磁体和用于使它们相对于电子/电子发射器的路径运动的机构。

磁场发生器可以使电子的路径散焦。

靶材料中的x射线光子产生材料可以以离散区域的规则版式设置。电子发射器的阵列可以以二维方式布置。同样，靶材料可以是二维的。

靶材料的离散区域的直径与规则版式中靶材料的相邻离散区域之间的距离的比率可以约为1：100。可以考虑其他范围，例如在1:50和1：200之间。

靶材料的每个离散区域可以是直径约为100μm的圆。可以考虑其他形状，例如八边形和六边形。

靶材料可以是钨，或具有相对较高原子序数的另一种材料，例如钼，金和钨合金。术语“相对较高”指高于元素铁的原子序数。

靶材料的厚度可以在3至12μm的范围内，但是可以考虑其他范围。

非光子产生材料可以是硅，尽管可以使用其他低原子序数材料或低原子序数材料的组合，例如碳，石墨，碳-石墨复合材料，铍合金例如铍铜，铝以及铝合金。术语“相对低”指低于元素铁的原子序数，和/或低于上述“相对高”的原子靶材料。

硅或其他这样的低原子材料的厚度可以在50至500μm的范围内，但是可以考虑其他范围。硅或其他这样的低原子材料可以是其中嵌入了高原子材料的衬底。

靶材料还可包括x射线吸收材料的薄片，其位于远离电子场发射器的一侧，即在靶后面。该薄片可以包括铝并且其厚度可以在0.1cm至1cm范围内，但是也可以考虑其他材料和其他厚度，例如铜，铝-铜复合材料和合金。该薄片可以吸收由于电子撞击高原子序数材料而产生的非常低能量的x射线光子。该层可以通过吸收非常低能量的x射线来使光谱“硬化”或“僵化”，所述非常低能量的x射线对成像没有意义，但是会增加患者或目标的剂量。也可以将该“硬化”层结合到低原子材料区域中。

多个磁透镜可以设置在与多个磁场发生器相邻的位置，这些磁透镜被设置成在使用中它们将磁场通量集中到发射器阵列的中心。

控制器还可以控制每个磁场发生器。可替代地，单独的控制器可以达到此目的。该控制可能与其操作状态(开/关)和/或其相对于电子发射器的位置有关。

控制器可以被配置为使得相邻的磁场发生器可以在彼此之间的1ms至5ms之内以光栅序列操作。

替代地或附加地，控制器可以被配置为同时操作多个磁场发生器。这可以减小每个磁场发生器一定会产生的磁场，这会使峰值电流处理更简单并且更容易散热。此外，这会有助于将磁场定位在发射器区域并减小相邻发射器处的寄生磁场。

控制器可以被配置成在由时钟信号同步时同时操作多个磁场发生器。

在第二个方面，本发明提供一种获得物体的x射线图像的方法，包括以下步骤：提供根据第一方面的x射线发生器；提供x射线探测器；并且操作所述发生器，从而使x射线光子穿过位于x射线源阵列和x射线探测器之间的物体。

感应电路可以测量由一个或多个电子发射器发射的电荷量，并且控制器可以依照所测量的电荷量来控制磁场发生器的阵列。

控制器可以控制磁场发生器的阵列，使得每个电子发射器发射的电荷量是预先设定的。换句话说，当已经发射的量达到预设定阈值时，控制器可以阻止电子发射器发射电荷。

电子是否散焦或转向可以通过磁场发生器相对于电子场发射器的对准来确定。如果磁场发生器与电子场发射器和靶区域轴向对准，则通过磁场发生器施加的电流可能会使电子聚焦。如果磁场发生器在空间上设置成在电子场发射器与靶区域之间的直接对准之间横向偏移，则通过它们产生的电流可能会使电子散焦和转移。

已经发现，相对于电子发射器偏移磁场发生器可以降低通过作为螺线管线圈的磁场发生器所需的电流密度，以便使给定百分比的电子在没有电流通过螺线管线圈的情况下充分偏离它们将采取的路线。出于这个原因，尽管将螺线管线圈定位成与电子场发射器对准可以使本发明以相同的基本方式操作，但是需要更高的螺线管电流，但是螺线管线圈从电子场发射器偏移可能是有益的。偏置线圈的另一个好处是，由于磁场发生器不会阻塞路径，因此这可以简化x射线的清晰退出路径。优选的偏移是磁场发生器和靶几何形状的函数，并且优选的偏移是在1-3mm的范围内，尽管其他偏移尺寸也有可能。

术语“散焦”可以表示在磁场发生器的作用下，电子分布的横向轮廓的面积或直径的增加。最佳的偏移与散焦的特定比率可取决于靶的尺寸，到靶的距离(阴极-阳极间距)和发射极间距等因素。实际上，可以调节磁场发生器和靶的参数，直到在螺线管“开”和“关”状态之间发射的光子数量具有高对比度为止。该比率通常为1：100，尽管其他比率也适用。

将理解为，电子的路径可以被磁场发生器主动地或被动地转向以撞击在产生x射线光子的材料上。换言之，电子的路径可以是指向x射线产生材料的电子的未偏离路径或偏离路径。

结合附图，通过以下的详细描述，本发明的上述和其他特征，特征和优点将变得显而易见，附图以示例的方式示出了本发明的原理。该说明仅出于示例的目的而给出，并不限制本发明的适用范围。下面引用的参考图指的是附图。

图1是x射线发生器的示意图。

图2是电子发射器和相关螺线管线圈的示意图；及

图3是一个示例电路。

将参考某些附图来描述本发明，但是本发明不限于此，而是仅由权利要求书来限定。所描述的附图仅是示意性的而非限制性的。每个附图可能未包括本发明的所有特征，因此不必认为是本发明的实施例。在附图中，出于说明目的，一些元件的尺寸可能被放大并且未按比例绘制。尺寸和相对尺寸不对应于实施本发明的实际减小值。

此外，说明书和权利要求书中的术语“第一”，“第二”，“第三”等用于区分相似的元件，而不一定用于在时间，空间，等级上或以任何其他方式描述顺序。应理解为，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且该操作能够以不同于本文描述或说明的其他顺序进行。

此外，说明书和权利要求书中的术语顶部，底部，上方，下方等用于描述性目的，而不一定用于描述相对位置。应理解为，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且该操作能够以不同于本文描述或说明的其他方向进行。

应当注意，权利要求中使用的术语“包括”不应解释为限于其后列出的装置；它不排除其他元素或步骤。因此，应将其解释为指定所提及的所述特征，整数，步骤或组件的存在，但并不排除一个或多个其他特征，整数，步骤或组件或其组的存在或增加。因此，表述“包括装置a和b的设备”的范围不应限于仅由组件a和b组成的设备。这意味着相对于本发明，设备的唯一相关组件是a和b。

类似地，要注意的是，说明书中使用的术语“连接”不应解释为仅限于直接连接。因此，表述“连接到设备b的设备a”的范围不应限于设备a的输出直接连接到设备b的输入的设备或系统。这是指在设备a的输出与设备b的输入之间存在路径，该路径可能包括其他设备或装置。“连接”可以表示两个或多个元件直接物理或电气接触，或者两个或多个元件不彼此直接接触，但仍相互协作或相互作用。例如，设想的无线连接。

在整个说明书中，所引用的“一个实施例”或“一个方面”指结合该实施例或一个方面描述的具体特征，结构或特性包括在本发明的至少一个实施例或一个方面中。因此，本说明书中各处出现的短语“在一个实施例中”或“在一个方面”不一定全部指代相同的实施例或方面，而是可能指代不同的实施例或方面。此外，在一个或多个实施例或方面中，本发明的任何实施例或方面的具体特征、结构或特征可以任何合适的方式组合，如本公开的本领域普通技术人员所知道的那样。

类似地，应当理解，在说明书中，为了简化公开并帮助理解各种发明方面中的一个或多个方面，有时将本发明的各种特征分组在单个实施例、附图或对其的描述中。然而，该公开方法不应被解释为反映所要求保护的发明需要比在每个权利要求中明确叙述的特征更多的特征的意图。此外，任何单一的附图或方面的描述不一定是本发明的实施例。相反，如以下权利要求所反映的，创造性方面在于少于单个前述公开实施例的所有特征。因此，在此将详细描述之后的权利要求明确地合并到该详细描述中，每个权利要求作为本发明的单独实施例独立存在。

此外，尽管本文描述的一些实施例包括在其他实施例中的一些特征，但是不同实施例的特征的组合意在本发明的范围内，并且如本领域技术人员将理解的那样形成另外的实施例。例如，在下面的权利要求中，任何要求保护的实施例可以以任何组合使用。

在此说明书中，阐述了许多具体细节。然而，应当理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明的实施例。在其他情况下，为了不混淆对本说明书的理解，未详细示出公知的方法、结构和技术。

在本发明的讨论中，除非有相反的说明，参数允许范围的上限或下限的备选值的公开，加上所述值中的一个比另一个更优选的指示，将被解释为所述参数的每个中间值(位于所述备选中的较优选和较不优选之间)本身优选于所述较不优选的值，并且也优选于位于所述较不优选的值和所述中间值之间的每个值。

在某些情况下，使用的术语“至少一个”可能仅指一个。在某些情况下，使用的术语“任何”可能表示“所有”和/或“每个”。

现在将通过至少一个与本发明的示例性特征有关的附图的详细描述来描述本发明的原理。显然，在不脱离本发明的基本概念或技术教导的情况下，可以根据本领域技术人员的知识来配置其他布置，本发明仅由所附权利要求的条款来限制。

在图1中，以示意性形式示出了发生器10，其包括电子发射器20的阵列和电源200。在使用中，单个电子发射器可以产生电子60、80的路径。如果电子路径60击中位于靶30上的x射线光子产生材料32的区域，则会产生x射线光子70。但是，如果电子路径80击中位于靶30上的吸收材料34的区域，则不产生x射线光子。

电子的路径可以由相对于电子发射器20布置在靶30之后的磁场发生器40来控制。相反或也可以将磁场发生器40相对于靶30布置在电子发射器20之后磁场发生器40可能紧挨着发射器。

控制栅极50可以位于电子发射器20和靶材料30之间。这可用于控制发射场。

发生器10包括通过控制线120、130连接到电子发射器20和磁场发生器40的控制器90。控制器90可以单独地控制每个电子发射器20和每个磁场发生器40。

此外，发生器10包括电子感应电路110(以虚线示出)，该电子感应电路110用于测量由一个或多个电子发射器20发射的电荷量。该电荷可以通过测量感应电阻器上的任何一个或多个压降和所提供的电流来确定。该电路可以连接在电源200和发射器20之间。可替代地，或者附加地，该电路可以连接在二极管布置的情况下的靶30或三极管布置的情况下的控制栅极50与发射器20之间。

磁场发生器可以包括以二维8×8阵列布置的六十四个螺线管线圈。在这种布置中，螺线管之间的间距为1cm，可以将它们放置在x射线发射器的“后部”(相对于电子发射器20)。可以设想在线圈布置为i×j时m×n个x射线发射器的总体布置。在一个示例中，线圈布置是m+1×n+1(即，i＝m+1并且j＝n+1)。阵列通常位于距x射线发射器特定距离的位置，以确保线圈产生的磁场足以根据需要使电子束转移或聚焦/散焦。也可以考虑其他实施例，例如7×7栅格。阵列可以更大，例如40×40栅格的x射线发射器以及41×41的线圈阵列。x射线发射器和电磁发生器的其他配置是可预设定的。x射线可能会在线圈之间远离靶传播。

存在多种用于产生和控制所需磁场的方法。在线圈和电流电源的情况下，可以通过示例考虑多种控制机制。螺线管线圈可以通过单独的线圈驱动ic供电，这些ic电源可以控制通过的功率以及每个线圈产生的磁力。控制器90将驱动这些ic电源的性质和功能。螺线管线圈可以单独操作或以四个为一组来操作以形成四极。线圈的其他配置或组合可以用于产生所需的磁场。

一种替代方案是通过使用多路复用器设备(充当大型开关阵列)使用一条单独的电源线。其他机制和设备可能具有相同的目的，即能够根据所采用的成像方式，独立地向每个螺线管供电，以实现所需的扫描顺序。

在图2所示的一种配置中(未按比例)，四个螺线管线圈40a，40b，40c，40d围绕每个电子发射器20布置，其中两个在40a，40b上方，两个在40c，40d下方。还包括另外四个电磁线圈40e，40f，40g，40h，使得在发射器上方有四个，在发射器下方有四个。这种布置可以在预期的发射极区域之外提供进一步的场抑制。

线圈可以以各种(+/-)排列极化，以将电子束引导到各种不同的方向上。例如，线圈40f，40a，40c和40d可以以+2.8a极化，而线圈40e，40b，40d和40g可以以-2.8a极化。

电子发射器可以由具有上表面的热释电晶体和覆盖在该热释电晶体的上表面的导电膜形成。热释电晶体可包括形成为在热释电晶体中的微米级暴露区域的多个场致发射体，其具有一个或多个尖锐的峰或脊。热释电晶体可以用邻近热释电晶体的加热器/冷却器交替加热和冷却几分钟，从而可以在热释电晶体中发生自发电荷偏振。自发电荷极化可导致在热释电晶体的顶面和底面上产生垂直电场，在这种情况下，在热释电晶体的暴露表面，电场可由尖锐的峰或脊增强，从而引起从该位置的表面电子的场发射。热释电晶体可以是铌酸锂。

电子的加速度/速度可以通过控制装置中阴极与阳极之间的电势差来影响，或者如果包括栅极的话，则通过控制阴极，栅极与阳极之间的电势差。

在图3中示意性地示出了示例感应电路110。线圈40可由控制器90经由控制线130控制。控制器90经由线100从比较器电路170接收信息，该比较器电路170又从积分电路接收输入。比较器电路还将从积分电路150接收的总测量电荷与由存储器存储装置或固态组件140提供的阈值进行比较。比较器电路可以包括运算放大器、晶体管以及电阻器和电容器的组合。

积分电路150从连接在高压电源200和电子发射器20之间的电流测量电阻器160接收信息。该电流测量(感测)电阻器两端的电压由积分电路150积分。积分电路可以包括运算放大器、晶体管和电阻器/电容器的组合。发射极(阴极)20发射被吸附到靶(阳极)的电子。可以在发射极20和线圈40之间布置可选的栅极180。线圈40由控制器90控制，并且可以依照控制器已经由比较器电路170通知所需的电荷量(阈值)已经被电子发射器散焦而将电子转向远离或朝向特定的靶材料。在达到该阈值之前，电子的路径可能遵循不同的路径，以撞击不同的靶材料，这是由线圈依照控制器的指令所产生或未产生的通量所控制的。换句话说，由磁场发生器产生的磁场/通量可能从靶后面“穿过”并影响一个或多个电子路径的方向。