[发明专利]产生射频调制的X射线放射的器件

说明书

描述了一种用于产生受控的射频(RF)调制的X射线放射的器件和方法。该器件包括容纳于真空罩内的阳极，该阳极用来加速并将电子束转换为X射线放射。RF罩位于真空罩内，且内含一个场致发射器件，比如碳纳米管场致发射器件或类似的冷阴极场致发射器件。场致发射器件被施加偏压以经由RF罩中的引出电极从场致发射阴极向阳极发射电子束。另外，RF阻抗匹配和耦合电路与场致发射器件电连接。由此，利用RF信号直接驱动场致发射器件以产生RF调制的电子电流，从而产生RF调制的X射线放射。

优先权文件

本申请要求2017年5月25日提交的发明名称为“用于产生射频调制的X射线放射的器件”的澳大利亚临时专利申请第2017901986号的优先权，其全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明一般地涉及用于产生X射线放射的器件，尤其涉及使用带有场致发射阴极源的真空管来产生射频调制的X射线放射的器件。本发明适合用于将碳纳米管用作场致发射阴极源的器件，而且结合该示例性但非限制性的应用来描述本发明会比较方便。

背景技术

现有的X射线放射源使用来自被加热阴极的热电子发射，该热电子发射要么直接从灯丝发出，要么从被灯丝加热的阴极电极发出。这些器件释放电子通量，该电子通量是阴极源温度和在阴极附近出现的施加电场的函数，该电场是从真空管中的阳极和其他电极(比如聚焦电极和栅电极)施加的。这些源的局限性在于，作为基线阴极发射机制的结果，它们具有相对较低的带宽频率响应。

对阴极-栅电压的调制产生电子束电流的相应调制，但是对于最小电流来说，无畸变的振幅幅度受限于使电子离开阴极的最小电场，而对于最大阴极电流来说，无畸变的振幅幅度受限于阴极的温度。以更高的温度操作灯丝或阴极以实现更高的最大电子通量导致灯丝寿命的急剧下降。为了增加振幅幅度的等级和最大调制频率而又不牺牲灯丝寿命，理想地，阴极基线发射必须服从需要。这在高频下对于热离子源是不可能的，因为灯丝块的热时间滞后。

在使用真空管的射频(RF)功率放大器领域，有很多技术可用于增加特定设计的最大可用放大频率。对于UHF波段，一旦电子束已经形成并使用螺旋耦合/去耦系统正在从阳极中的束孔向捕获电极飞行时，行波管依赖于对电子束进行调制。电子的聚束以及与螺旋磁场的相互作用在输出端产生电压增益和RF功率增益。来自原始电子源的大量电能作为热量浪费在捕获电极上。

在使用真空管的VHF功率放大器的情况下，管设计中的一个重要因素是减小阴极-栅电容和阴极-阳极电容。这些管放大器依靠外部电子电路将调制后的电子束电流转换为射频电压，电压的幅度主要受限于外部源以及真空管的跨导曲线。然后通过阻抗匹配电路转换RF电压，以与想要的负载(例如，天线或RF焊接头)一起使用。

在现有的热电子或“热”X射线放射源中，金属丝阴极被加热到产生电子，电子随后被朝着阳极加速以产生X射线。可以替代热电子源的是场致发射源或“冷”源。在场致发射管中，通过称为量子隧穿的过程从物体的尖端引出电子。然后，这些电子朝着阳极加速以产生X射线。场致发射电子源具有优于现有热电子源的三个主要优点，即，它们在室温下工作，它们可以被电子控制，以及它们具有瞬时响应。场致发射源的主要问题是管的寿命和最大功率。

最近，已经开发出碳纳米管(CNT)用作这些X射线源中的场致发射器。由于其纵横比、热稳定性和导电稳定性高，CNT成为理想的场致发射器。基于CNT的多束X射线管在断层成像系统中的最近应用已证明了图像质量显著提高，且系统设计的灵活性增加。

CNT多束管在单个真空管内产生可单独控制的X射线焦点的空间分布阵列。通过顺序扫描每个焦点，可以在不移动光源的情况下获取被成像物体的断层扫描。在不移动X射线源的情况下生成断层扫描消除移动引起的模糊，从而提高重建图像的分辨率。与X射线源的物理旋转相比，多束管中X射线焦点的空间分布确定断层扫描的几何形状。