[发明专利]包括场发射阴极的X射线源

说明书

发明领域

本发明涉及一种包括场发射阴极的x射线源。本发明还涉及一种使用基于场发射的x射线源扫描物体的方法。

相关技术的描述

用于产生x射线辐射的系统被在例如医疗诊断中使用以便获得射线图像或生成平面图像，用于技术诊断应用。在技术诊断成像领域中，x射线在穿透待检查的固体物体的内部结构方面是尤其有效的，且从其穿过的x射线形成的图像揭示物体的内部瑕疵或结构缺陷。技术诊断x射线成像因此提供用于在制造期间或在产品的使用期限内评估产品的结构方面的有价值的质量控制检查手段。这种形式的诊断分析比其它类型的评估具有优势，因为在评估过程中，成像物体不需要被破坏。由于这个原因，技术诊断成像还已知为无损检测。

用于技术成像应用的x射线管通常包括电子枪，电子枪具有被激励以发射被加速的电子束到阳极的阴极。阴极通常基于热离子发射，且阳极可包括金属靶表面例如钨，从金属靶表面，由于加速电子的影响，产生x射线。通过将阳极表面布置成与电子束轴成一角度，x射线可从大体上垂直于电子束轴的方向上传送。

X射线可然后穿过用于在x射线管内提供真空密封的铍窗。其后，x射线沿大体上的圆锥路径离开x射线管，在圆锥路径中，圆锥体的顶点粗略地与通过冲击电子束形成的靶上的斑点一致。

然而，基于热离子发射的x射线管的使用提供有限的控制可能性，尤其由于这样的x射线管呈现慢的反应时间、高的能量消耗且具有高的空间要求的事实。因此，这样的x射线管较不适合于现代应用。

通过用场发射阴极代替热离子发射阴极的方法已经用于解决上文提及的问题。这样的实现的实例公开在US 2006/0039532中，在US2006/0039532中，场发射阴极由尖点阵列构成，当在尖端和引出电极之间设置小的电势时所述尖点阵列发射电子。尖端增强场发射效果，因为在每个点处相对小的电压产生大的电场，允许电子从尖端隧穿至真空室。

然而，这样的场发射阴极的使用提供限制性的结果，因为需要大的引出电流来实现电子的稳定发射，大的引出电流产生高的能量消耗。因此，由于高的能量消耗，这样的实施是不期望的，因为它限制所形成的x射线系统的机动性。

因此，存在对至少减轻现有技术的可靠性问题的改进的x射线系统的需求。

发明概述

根据本发明的一个方面，通过x射线源满足上述方面，x射线源包括场发射阴极、阳极、连接件和真空室，连接件用于允许在阴极和阳极之间施加高电势以使能够发射x射线束，阳极和阴极布置在真空室内部，其中场发射阴极由具有连续的微孔结构的碳化的固态化合物泡沫组成，当施加高电势时，连续的微孔结构提供用于在阳极方向发射电子的多个发射位置。

本发明的基本概念基于以下事实：可以更精确的方式控制电子在从阴极至阳极方向的发射，使得仅发射足够量的x射线。通过用场发射阴极代替现有技术的电子束源(例如“丝极”或热离子发射阴极)，可以提高x射线源的效率，因为可以在切换时间、电流、动能和发射方向方面以非常高的程度控制由场发射阴极发射的电子。此外，从而实现针对电子发射(且因此还针对x射线发射)的非常快的反应时间，从而提供具有稳定的x射线输出特性的x射线源。另外，提供由碳化的固体泡沫形成的非常尖的尖端的可能性，结合多个发射位置，还允许x射线源的提高的效率。此外，根据本发明的x射线源还具有产生具有较小的能量扩展度的聚集的电子束的能力，聚集的电子束可潜在地使用于高分辨率成像的超精细的焦斑成为可能。

真空室优选具有约10^-4Pa或更低的压强，以允许发射的电子的自由移动。由于使用引入基于连续的微孔结构的场发射阴极的发明性概念，因而可以降低高真空的要求，因此使根据本发明的x射线源更容易制造。

根据本发明的优选实施方式，碳化的固态化合物泡沫从包括酚醛树脂和金属盐、金属氧化物这两者中的至少一种的液态化合物转化而来。

优选地，真空室可以是玻璃室或金属室。在使用金属室的情况下，室可以具有x射线透明窗。窗可以是例如铍窗，从而提供x射线从x射线源的可控制的发射。

优选地，x射线源还包括用于冷却阳极例如金属阳极的冷却机构。阳极处的温度的降低还增强x射线发射。