專利名稱：使用電子場(chǎng)發(fā)射陰極的x-射線發(fā)生機(jī)構(gòu)的制作方法
關(guān)于聯(lián)邦政府資助的研究或開發(fā)項(xiàng)目的聲明本發(fā)明的至少某些方面根據(jù)合同號(hào)N00014-98-1-0597受海軍研究辦公室的資助而受政府的支持。政府對(duì)本發(fā)明具有某些權(quán)利。
背景技術(shù)：
在下文的描述中，參考某些結(jié)構(gòu)和/或方法。但是，不應(yīng)該認(rèn)為下文的引用承認(rèn)這些結(jié)構(gòu)和/或方法構(gòu)成了現(xiàn)有技術(shù)。申請(qǐng)人明確地保留證實(shí)這種結(jié)構(gòu)和/或方法相對(duì)于本發(fā)明不屬于現(xiàn)有技術(shù)的權(quán)利。
X-射線居于大約10-8和10-12m之間的電磁光譜的部分。當(dāng)受到高能電子轟擊時(shí)，原子通過兩個(gè)不同的過程發(fā)射X-射線。
在第一過程中，在高速電子穿過物質(zhì)時(shí)它們減速。在穿過或接近目標(biāo)原子的原子核區(qū)時(shí)，如果單個(gè)的電子突然減速但未必停止，則電子就會(huì)失去它的一些能量，根據(jù)普朗克(Plank)定律這些能量將作為X-射線光子被發(fā)射。在電子最終停止之前它可能經(jīng)過幾次這樣的減速，發(fā)射寬范圍的不同能量和波長的X-射線光子。這個(gè)過程產(chǎn)生了大量的X-射線輻射并導(dǎo)致了連續(xù)類型的光譜，這也稱為軔致輻射。
在第二過程中，入射的電子與目標(biāo)原子的軌道電子碰撞并排斥。如果被排斥的電子來自內(nèi)層軌道，則在外層軌道的電子落入里面的空軌道，同時(shí)伴隨著發(fā)射X-射線光子。在這個(gè)過程中，以X-射線的形式發(fā)射能量，該X-射線的能量或波長代表所涉及的軌道躍遷。因?yàn)檐壍离娮拥哪芰渴橇炕?，因此所發(fā)射的X-射線的光子也是量化的，并且只能夠具有原子的離散波長特性。這就可以根據(jù)特征X-射線對(duì)它們進(jìn)行分類。
已經(jīng)使用幾種方法來在陰極產(chǎn)生入射電子并將它們加速到靶陽極。一種傳統(tǒng)的方法是使用X-射線管。根據(jù)用于產(chǎn)生電子的方法，可以將X-射線管分為兩個(gè)一般組充氣管和高真空管。
附

圖1所示為常規(guī)的充氣X-射線管。這種X-射線發(fā)生裝置110基本由玻璃容器120構(gòu)成，在玻璃容器120中設(shè)置有陰極125，該陰極125產(chǎn)生電子束140，該電子束撞擊陽極130由此發(fā)射X-射線150，該X-射線150可用于包括醫(yī)療和科研等的各種目的。經(jīng)過電線135由高壓電源對(duì)陰極供電。此外，氣壓調(diào)節(jié)器115調(diào)節(jié)在這種類型的X-射線裝置中的氣壓。
高真空管(例如在附圖2中所示的)是第二種類型的X-射線管。附圖2所示為具有熱電子陰極的真空X-射線管裝置。在這種類型的裝置210中玻璃容器220起到真空殼體的作用。陰極225設(shè)置在這個(gè)真空容器中并配有電線235。電子240通過熱電子發(fā)射從陰極225發(fā)射并撞擊陽極靶230。這種X-射線發(fā)射的效率非常低，由此使陽極被加熱。為增加這種裝置的壽命，需要提供冷卻機(jī)構(gòu)。一種冷卻機(jī)構(gòu)的實(shí)施例是室260，通過室260水通過入口265和出口270循環(huán)。為提高發(fā)射的電子束的效率，通常使用聚焦場(chǎng)245。聚焦場(chǎng)245使熱電子發(fā)射的電子準(zhǔn)直并將它們導(dǎo)向到陽極230。但是，電子的熱發(fā)射原點(diǎn)聚焦到小尺寸的束點(diǎn)比較困難。這部分地限制了現(xiàn)代X-射線成像的分辨率(例如參見，Radiologic Science For Technologiest，S.C.Bushong，Mosby-Year Book，1997)。從陽極230發(fā)射的X-射線250穿過窗口255并隨后可用于包括醫(yī)療和科研的各種目的。這種類型的裝置的其它特征是外部光閥275。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)需要并入這種光閥以防止與陰極的熱衰變相關(guān)的X-射線的入射發(fā)射。這是因?yàn)榧词菇K止了給陰極加電，但是殘余的熱量仍然能夠使電子繼續(xù)朝靶發(fā)射并繼續(xù)產(chǎn)生X-射線。
這種X-射線的發(fā)生過程也不非常有效，因?yàn)橐坏┡c陽極碰撞，則大約98％的電子流的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能。因此，如果電流是高的或者要求連續(xù)照射，則聚焦的束點(diǎn)的溫度就能夠達(dá)到非常高。為了避免損害陽極，盡可能地快速地消散這種熱量是必要的。這可以通過引入旋轉(zhuǎn)陽極結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。
如上文所指出，在這種裝置中需要光閥(例如275)，因?yàn)閬碜躁帢O的電子的熱電子發(fā)射不允許結(jié)果電子束的精確的階躍函數(shù)的開始和結(jié)束。實(shí)際上，盡管溫度還在上升并隨后切斷電源，但是熱電子陰極卻可能發(fā)射電子，這些電子可能從靶產(chǎn)生不希望的X-射線發(fā)射。在實(shí)際中，光閥或者通過機(jī)械方式或者通過微開關(guān)保持打開。
此外，由于高溫加熱，陰極燈絲具有有限的壽命，在醫(yī)療應(yīng)用中通常為大約幾百小時(shí)，在分析應(yīng)用中通常為幾千小時(shí)。在正常使用下，確定X-射線管的壽命的主要系數(shù)通常是對(duì)陰極燈絲的損害。
在陽極中產(chǎn)生的有用的X-射線量與撞擊在陽極的電子束電流成比例。在熱電子發(fā)射中，電子來電流僅是通過陰極燈絲的電流的很小一部分(通常為1/20)。在現(xiàn)代的醫(yī)療應(yīng)用比如數(shù)字X-射線照相術(shù)和計(jì)算機(jī)斷層成像(CT)中，要求很高的X-射線強(qiáng)度同時(shí)要求非常高的熱電子發(fā)射陰極電流。因此，在這些應(yīng)用中的主要限制是通過陰極產(chǎn)生的電子束的電流量。
在X-射線的發(fā)生方面的可能的改善是引入場(chǎng)發(fā)射陰極材料。場(chǎng)發(fā)射是在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下發(fā)射電子。然而，將常規(guī)的場(chǎng)發(fā)射陰極材料并入到X-射線發(fā)生裝置中存在一定的挑戰(zhàn)。例如，場(chǎng)發(fā)射陰極材料必須能夠產(chǎn)生足夠高電平的發(fā)射的電子電流密度(對(duì)于醫(yī)療應(yīng)用在靶上可能高達(dá)2000mA)，以使一旦撞擊到陽極靶材料上能夠產(chǎn)生所需的X-射線強(qiáng)度。
在不向陰極施加相對(duì)高的電場(chǎng)的情況下，許多常規(guī)的場(chǎng)發(fā)射材料是不能夠產(chǎn)生所希望的發(fā)射的電子電路密度的。此外，在高的施加的電場(chǎng)下，許多常規(guī)的電場(chǎng)發(fā)射材料不能夠產(chǎn)生高的電流密度的穩(wěn)定的發(fā)射。高的控制電壓的使用增加了損壞陰極材料的可能性，并且要求使用高功率裝置，而這種高功率裝置的制造和使用成本都較高。
人們已經(jīng)利用具有納米大小的尖頭的常規(guī)的場(chǎng)發(fā)射材料比如金屬(例如鉬)或者半導(dǎo)體材料(例如硅)。雖然已經(jīng)證實(shí)了這種材料的有用的發(fā)射的特性，但是接通電場(chǎng)相對(duì)較高，通常在10mA/cm2的電流密度下大約50-100V/μm的量級(jí)。(例如參見W Zhu等人的Science，Vol.282，1471，(1998))。
已經(jīng)出現(xiàn)的以金剛石和碳納管形式的碳材料潛在地應(yīng)用到電子場(chǎng)發(fā)射材料方面。
在基于金剛石材料中已經(jīng)觀測(cè)到低場(chǎng)發(fā)射(對(duì)于10mA/cm2電流密度為3-5V/μm)。但是，在30mA/cm2的電流密度之上這種發(fā)射就不穩(wěn)定，并且制造均勻的尖頭非常困難并且成本高。此外，在實(shí)際裝置的環(huán)境中這些材料的穩(wěn)定性是受到關(guān)注的，部分原因在于離子轟擊、與化學(xué)活性物質(zhì)的反應(yīng)和較高的溫度。(例如參見I.Brodie和C.A.Spindt，“Advances in Electronics and Electron Physics”，P.W.Hawkes編輯，Vol.83，1(1992))。
使用金剛石材料作為場(chǎng)發(fā)射極也會(huì)帶來這樣的問題金剛石產(chǎn)生比所需的電流密度更低的電流密度。雖然已經(jīng)有報(bào)告指出局部發(fā)射的熱束點(diǎn)的觀測(cè)結(jié)果為大約100A/cm2量級(jí)的電流密度，但是實(shí)際的發(fā)射面積還沒有測(cè)量，它們是既不可被理解也不可再現(xiàn)的。例如參見K.Okano等人的Applied Physics Letters，Vol.70，2201(1997)，在此將其全部內(nèi)容引入以供參考。金剛石發(fā)射極和相關(guān)的發(fā)射裝置例如公開在美國專利US5,129,850、US5,138,237、US5,616,368、US5,623,180、US5,637,950、US5,648,699、Okano等人的AppliedPhysics Letters，Vol.64，2742(1994)、Kumar等人的Solid StateTechnologies，Vol.38，71(1995)和Geis等人的Journal of VacuumScience Technology，Vol.B14，2060(1996)中，在此以引用它們的全部內(nèi)容以供參考。
以前出版的關(guān)于碳納管發(fā)射材料的研究報(bào)告了相對(duì)低的電流密度，通常在大約0.1-100mA/cm2的量級(jí)。報(bào)告的更高的電子發(fā)射數(shù)據(jù)難以解釋并且不可信，因?yàn)槔鐢?shù)據(jù)獨(dú)立于在發(fā)射陰極和靶陽極材料之間的距離(美國專利US 6,057,637)。碳納管發(fā)射極例如公開在T.Keesmann的德國專利DE4,405,768、Rinzler等人的Science，Vol.269，1550(1995)、De Heer等人的Science，Vol.270，1179(1995)、Saito等人的Japan Journal of Applied Physics，Vol.37，1.346(1998)、Wang等人的Applied Physics Letters，Vol.70，3308(1997)、Saito等人的Japan Journal of Applied Physics，Vol.36，1.340(1997)、Wang等人的Applied Physics Letters，Vol.72，2912(1998)和Bonard等人的Applied Physics Letters，Vol73，P918(1998)中，在此以引用它們的全部內(nèi)容以供參考。
已經(jīng)報(bào)告了來自淀積在不同的襯底上的單壁碳納管膜的高達(dá)4A/cm2的發(fā)射(W Zhu等人的Applied Physics Letters，Vol.75，873，(1999)、申請(qǐng)?zhí)枮?9/259,307的未決的美國專利申請(qǐng))。10mA/cm2的電流密度的閾值場(chǎng)＜5V/μm(C.Bower等人的“Amorphous andNanostructured Carbon”，由J.Sullivan、J.Robertson、O.Zhou、T.Allen和B.Coll編輯，Materials Research Society SymposiumProceeding，Vol.593，P215(2000))。
用于醫(yī)療應(yīng)用的X-射線管通常包含具有0.3mm2和1mm2的“視在”束點(diǎn)大小的雙焦點(diǎn)。應(yīng)用6°和15°的靶角，這對(duì)應(yīng)于0.3×3mm2和1×4mm2的電子撞擊的實(shí)際區(qū)域。焦點(diǎn)的進(jìn)一步減小要求更小的靶角和更高的電子電流。這是不可能的，因?yàn)槭┘拥疥帢O燈絲的功率受到了限制。
應(yīng)用常規(guī)的熱電子發(fā)射極的另一困難是空間電荷效應(yīng)?？臻g電荷對(duì)施加的X-射線電壓(kV)和燈絲電流非常敏感。因此，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)電子束電流(mA)和kV的獨(dú)立控制，除非該管運(yùn)行在所謂的飽和極限下。這通常意味著kV越高mA越大。
在數(shù)字熒光檢查和X-射線照相術(shù)中，能量相減技術(shù)(從通過更高的X-射線能量獲得的圖像中減去通過較低的平均X-射線能量獲得的圖像)用于提高某些材料的對(duì)比度(比如與碘試劑進(jìn)行對(duì)比)。例如參見Radiologic Science for Technologist，S.C.Bushong，Mosby-Year Book，1997。這要求在所要求的每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)上交替高和低kV。由于熱電子源的開始和終止的固有的困難，該過程較慢并且患者暴露在不必要的更高劑量的X-射線中。
在計(jì)算機(jī)斷層成像中，X-射線扇形束的均勻性是關(guān)鍵。在常規(guī)的X-射線管設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)均勻性比較困難，因?yàn)樽园斜砻娴腦-射線的發(fā)射是各向異性(即，取決于相對(duì)該表面的發(fā)射方向)。X-射線束的不同的部分來自聚焦區(qū)域的不同部分的發(fā)射角度的不同組合。因此，即使以均勻的電子束轟擊焦點(diǎn)，所得的X-射線束仍然是非均勻的。
因此，理想的是構(gòu)造并入場(chǎng)發(fā)射陰極材料的X-射線發(fā)生裝置，這種場(chǎng)發(fā)射陰極材料能夠可靠地產(chǎn)生較高的發(fā)射電子電流密度，而不依賴于熱電子發(fā)射或者高的控制或外加電壓。因此，理想的是提供具有帶有易于控制并聚焦的發(fā)射的電子束的X-射線發(fā)生裝置。
發(fā)明概述本發(fā)明通過將場(chǎng)發(fā)射納結(jié)構(gòu)陰極材料并入到X-射線發(fā)生裝置中避免了當(dāng)前X-射線發(fā)生裝置的不希望的特征。本發(fā)明的納結(jié)構(gòu)場(chǎng)發(fā)射材料能夠以受控的可靠的方式通過施加相對(duì)小的控制電場(chǎng)產(chǎn)生高發(fā)射的電子電流密度。因此，與熱電子發(fā)射的電子束電流相比可以實(shí)現(xiàn)基本上是更高的電子束電流。本發(fā)明的納結(jié)構(gòu)場(chǎng)發(fā)射陰極能夠簡單地通過改變施加的電壓以變化的持續(xù)時(shí)間的脈沖提供電子發(fā)射的精確的階躍函數(shù)開始和終止。避免了在熱電子發(fā)射中經(jīng)歷的在熱衰減期間的殘余發(fā)射的問題。使用配有本發(fā)明的基于納結(jié)構(gòu)的場(chǎng)發(fā)射陰極的X-射線管，還能夠構(gòu)造用于野外的便攜式的X-射線機(jī)。
除了有利的脈沖發(fā)射以外，通過使用可控制在X-射線發(fā)生裝置內(nèi)的束的取向的機(jī)械和/或電裝置可以將場(chǎng)發(fā)射電子導(dǎo)向到在陽極靶上的特定的區(qū)域。取向特征允許在一個(gè)X-射線裝置內(nèi)使用多種陽極靶材料，因此在單個(gè)裝置中產(chǎn)生了更大范圍的特征X-射線。此外，在陽極上的轟擊的時(shí)間減少可以降低對(duì)陽極冷卻的要求同時(shí)減少裝置外設(shè)。
納結(jié)構(gòu)陰極材料的使用能夠發(fā)射穩(wěn)定的并易于控制和聚焦的高的電子束電流。因此，本發(fā)明的X-射線發(fā)生裝置提供了相對(duì)于當(dāng)前的設(shè)計(jì)能夠顯著改善成像質(zhì)量和速度的各種醫(yī)療應(yīng)用系統(tǒng)。醫(yī)療應(yīng)用所要求的X-射線束的主要特征是高強(qiáng)度、X-射線發(fā)生的精確控制和較小的“視在”焦點(diǎn)。
應(yīng)用納結(jié)構(gòu)場(chǎng)發(fā)射器，電子束電流與輸送給陰極的電子束束電流相同。因此，在實(shí)現(xiàn)比電子束電流更高的幅值的量級(jí)方面沒有困難。本發(fā)明提供了具有基本上更小的角度陽極靶的新型設(shè)計(jì)，由此有更小的“視在”焦點(diǎn)尺寸的。這就能夠?qū)е聵O大地改善成像分辨率和速度。例如，可以設(shè)計(jì)2°和6°的靶角的0.1mm2和0.3mm2的雙焦點(diǎn)。因此，本發(fā)明的裝置能夠在當(dāng)前的機(jī)器中產(chǎn)生相同量的X-射線但具有好到3-4倍的分辨率，或者具有相當(dāng)?shù)姆直媛实玐-射線束強(qiáng)3-4倍。
在納結(jié)構(gòu)電子場(chǎng)發(fā)射極的情況下，以X-射線管所要求的電流密度，空間電荷極限并未達(dá)到。因此，使用本發(fā)明的X-射線裝置的設(shè)計(jì)，對(duì)mA和kV的獨(dú)立且穩(wěn)定的控制是可能的。
通過本發(fā)明，場(chǎng)發(fā)射極的快速脈沖發(fā)射能夠輕松實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致在熒光檢查、X-射線照相術(shù)和計(jì)算機(jī)斷層成像中能夠顯著地提高數(shù)字成像的速度，因此減少了患者暴露在不必要的輻射中。
由于來自場(chǎng)發(fā)射極的電子束易于控制和聚焦，所有根據(jù)本發(fā)明，可以實(shí)現(xiàn)具有多種靶材料的陽極。例如，通過將相同的電子束交替地聚焦在高的Z(產(chǎn)生更高的平均X-射線能量)和低的Z(產(chǎn)生更低的平均X-射線能量)材料而不改變施加在陽極和陰極之間的kV可以產(chǎn)生前述的X-射線能量的脈沖發(fā)射。這種技術(shù)簡化了電源結(jié)構(gòu)，因此減小了相關(guān)的成本。陽極靶和場(chǎng)發(fā)射極的這種設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)不同的X-射線能量的脈沖發(fā)射而不使kV脈沖發(fā)射，因此減小了成本并增強(qiáng)了在數(shù)字成像(比如熒光檢查、X-射線照相和計(jì)算機(jī)斷層成像)上的速度。
應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明的場(chǎng)發(fā)射極及其相關(guān)的容易控制性，可以設(shè)計(jì)分布式電子束以使它補(bǔ)償各向異性效應(yīng)。因此，使用場(chǎng)發(fā)射極的X-射線設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生非常均勻的X-射線束，因此增強(qiáng)了在數(shù)字成像上的對(duì)比度和分辨率。
根據(jù)第一方面，提供一種X-射線發(fā)生裝置，其包括室；場(chǎng)發(fā)射陰極，該陰極包括具有比A/cm2更大的發(fā)射電子電流密度的包含納結(jié)構(gòu)的材料；陽極靶；和通過在陰極和陽極之間施加電壓建立的加速場(chǎng)。
根據(jù)另一方面，發(fā)生X-射線的方法包括提供室；將場(chǎng)發(fā)射陰極置于該室中，該陰極包括具有比4A/cm2更大的發(fā)射電子電流密度的包含納結(jié)構(gòu)的材料；給陰極施加控制電壓，由此產(chǎn)生要發(fā)射的電子流；以及在插入到發(fā)射的電子流的室中提供陽極靶，由此使X-射線從陽極靶發(fā)射。
根據(jù)本發(fā)明，通過施加的或控制電壓可以精確地控制電流密度和它的分布。
附圖概述結(jié)合附圖，通過下文對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述將會(huì)清楚本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)，在附圖中相同的標(biāo)號(hào)表示類似的部件，在附圖中附圖1所示為常規(guī)的充氣X-射線管的截面圖；附圖2所示為常規(guī)的真空X-射線管的截面圖；附圖3所示為描述在將單壁碳納管制造成場(chǎng)發(fā)射陰極中的主要步驟的過程圖；附圖4所示為描述獲得幾種場(chǎng)發(fā)射材料的某些發(fā)射電流密度所需的閾值場(chǎng)的曲線圖；附圖5所示為根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的碳納管場(chǎng)發(fā)射裝置的截面圖；附圖6所示為根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的碳納管場(chǎng)發(fā)射裝置的截面圖；附圖7A所示為根據(jù)本發(fā)明的再一實(shí)施例的碳納管場(chǎng)發(fā)射裝置的截面圖；附圖7B所示為附圖7A的頂視圖；附圖8A所示為根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步實(shí)施例的碳納管場(chǎng)發(fā)射裝置的截面圖；附圖8B所示為附圖8A的頂視圖；附圖9所示為具有場(chǎng)發(fā)射碳納管陰極的真空X-射線管的進(jìn)一步實(shí)施例的截面圖；附圖10所示為附圖9的裝置沿A-A的視圖；附圖11所示為具有場(chǎng)發(fā)射碳納管陰極的真空X-射線管的進(jìn)一步實(shí)施例的截面圖；附圖12所示為附圖11的裝置沿B-B的視圖；附圖13所示為根據(jù)本發(fā)明的陽極結(jié)構(gòu)的示意圖；附圖14所示為本發(fā)明的多靶可旋轉(zhuǎn)陽極的示意圖。
優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明，至少部分地通過包含納結(jié)構(gòu)的材料形成X-射線發(fā)射裝置的陰極。納結(jié)構(gòu)材料具有納米級(jí)尺寸。這些納結(jié)構(gòu)可以具有各種形狀，比如球形、桿/線形或管形。
本發(fā)明預(yù)期采用具有高的發(fā)射電流密度的多種納結(jié)構(gòu)材料。例如包含由硅(Si)、鍺(ge)、鋁(Al)、氧化硅、氧化鍺、碳化硅、硼、氮化硼和碳化硼形成的材料的是預(yù)期的。例如在美國專利No.＿＿；(序列號(hào)No.09/594,844，代理人文檔號(hào)No.032566-003)中對(duì)上述材料作了更詳細(xì)的描述，在此以其全部引用以供參考。
根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步實(shí)施例，用于形成在X-射線發(fā)射裝置中的陰極的至少一部分的材料包括碳納管，或者是單壁碳納管或多壁碳納管。
陰極可以以任何適合的方式形成。例如，以各種幾何結(jié)構(gòu)形成場(chǎng)發(fā)射陰極，比如用于聚焦發(fā)射的電子束的一個(gè)或多個(gè)尖點(diǎn)或脊是公知的。例如參見Levine的美國專利US3,921,022、Cochran Jr.等人的美國專利US4,253,221和Keesmann等人的美國專利US5,773,921，在此以將它們的全部內(nèi)容引用以供參考。
陰極可以全部由本發(fā)明的納管材料形成，或者可以包括至少部分以納管材料涂敷的襯底。
多種單壁納管制造技術(shù)是被包括的。例如，可以使用激光燒蝕過程制造單壁納管。這種技術(shù)例如一般性地描述在Thess等人的Science；273，483-487(1996)；C.Bower等人的Applied Physics，Vol.A67，47(1998)；X.P.Tang等人的ScienceVol.288，492(2000)中，在此引用它們的公開內(nèi)容以供參考。單壁碳納管也可以以電弧放電(例如參見C.Journet等人的Nature，Vol.388，756(1997))和化學(xué)汽相淀積(例如參見A.M.Cassell等人J.Of Physics ChemistryB，103，6484(1999))技術(shù)制造。
形成根據(jù)本發(fā)明的單壁納管的一種特別適合的技術(shù)包括在美國專利No.＿＿(序列號(hào)No 09/259,307，代理人文檔號(hào)No.032566-001)中所描述的技術(shù)，在此公開其全部內(nèi)容以供參考。
根據(jù)實(shí)例性的技術(shù)，由石墨和適合的催化劑(比如鎳和鈷)制造的靶放置在石英管中。該靶由與0.6原子％鎳和0.6原子％鈷和石墨粘合劑混合的石墨粉形成。然后在管內(nèi)將靶加熱到大約1150℃的溫度。通過真空泵抽空該管并通過適合的源將惰性氣體(如氬)氣流引入到該管中。各種控制裝置可以附接到用于控制和監(jiān)測(cè)進(jìn)入該管中的惰性氣體流以及在該管內(nèi)的真空度的該系統(tǒng)。惰性氣體的壓力保持在適合的水平，比如大約800托。
能量源比如脈沖NdYAG激光用于在上述的溫度下燒蝕靶?？扇〉氖?，激光的第一和/或第二諧波束(即分別為1064納米和532納米)用于燒蝕靶。
在燒蝕靶時(shí)，通過惰性氣體流將包含納管的材料傳輸?shù)较掠?，并且在管的?nèi)壁上形成淀積層。然后去除這些淀積層以恢復(fù)包含納管的材料。這種材料(所恢復(fù)的)已經(jīng)進(jìn)行了分析并發(fā)現(xiàn)它包含具有1.3-1.6納米的單個(gè)管直徑和10-40納米的束直徑的50-70體積％的SWNT。束隨機(jī)地取向。
然后通過適合的凈化過程凈化所恢復(fù)的材料。在優(yōu)選的實(shí)施例中，將納管材料放置在適合的液體介質(zhì)比如有機(jī)溶劑(優(yōu)選醇類比如甲醇)中。使用高功率超聲角保持納管懸浮在液體介質(zhì)中幾個(gè)小時(shí)，同時(shí)懸浮液通過微孔隔膜。在另一實(shí)施例中，包含碳納管的材料首先通過適合的溶劑凈化，優(yōu)選20％的H2O2，隨后在CS2中清洗，然后在甲醇中，隨后過濾，如Tang等人在Science，Vol.288，492(2000)中所描述。
雖然并不將本發(fā)明限制到任何特定的理論中，但是應(yīng)該考慮到，根據(jù)上述本發(fā)明的過程制造的納管材料提高了材料發(fā)射電子的能力。此外，應(yīng)該相信上述的合成的SWNT具有非常低的電阻。還應(yīng)該相信本發(fā)明的單壁納管材料所具有的上述特征使本發(fā)明的材料比先前研究的材料在更可靠和一致性方面更加優(yōu)越。
除了上述的處理步驟之外，通過研磨比如球磨研磨或氧化能夠進(jìn)一步處理凈化的材料。當(dāng)然可選擇的研磨步驟可以形成更易斷裂的納管，并且在理論上至少更加進(jìn)一步增加納管的端數(shù)，這就能夠形成朝陽極靶的電子發(fā)射點(diǎn)。碳納管還可以通過在強(qiáng)酸中氧化而被縮短。納管的長度能夠被酸的濃度和反應(yīng)時(shí)間控制。在優(yōu)選的實(shí)施例中，凈化的單壁碳納管在H2SO4和HNO3的3∶1體積比的溶液中進(jìn)行聲處理。在24小時(shí)的聲處理之后平均的納管長度減小到0.5微米(在凈化的情況下10-30微米)。使用短的納管可以獲得每單位面積更多的發(fā)射尖點(diǎn)。
上述的納結(jié)構(gòu)材料(比如凈化的單壁納管材料)可以淀積為在陰極襯底材料上的薄膜。本發(fā)明的材料的一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)在于它們能夠在襯底上或其它的形式上淀積為薄膜，而不依賴于使用粘合劑材料。粘合劑材料的使用對(duì)材料的電特性產(chǎn)生不利的影響，由此對(duì)它的場(chǎng)發(fā)射特性產(chǎn)生不利的影響。
附圖3所示為在淀積和制備場(chǎng)發(fā)射陰極的實(shí)例性技術(shù)的主要步驟的示意圖。提供襯底300，所使用的特定的陰極襯底材料并不是非常關(guān)鍵，它可以包括任何適合的常規(guī)使用的電導(dǎo)通材料?？扇〉氖?，在應(yīng)用納結(jié)構(gòu)材料例如單壁碳納管320之前，薄的碳溶解或碳形成的金屬中間層310是沉積在襯底上。碳溶解或碳形成的金屬中間層310材料的實(shí)例包括Ni、Fe、Co、Mn、Si、Mo、Ti、Ta、W、Nb、Zn、V、Cr和Hf。然后通過退火形成膜330，可選擇地隨后通過超聲處理從該裝置中消除過量的SWINT 340。在高真空(優(yōu)選在10-6托下)下在某一溫度下實(shí)施退火，在這種情況下可以在金屬中間層和碳納管或適合的納結(jié)構(gòu)、接口上可以形成薄的碳化物層或者可以溶解少量的碳。在這種處理之后，碳納管或適合的納結(jié)構(gòu)就粘在襯底上。
通過各種方法可以將納結(jié)構(gòu)材料或單壁碳納管淀積在具有金屬中間層310的襯底300上，方法包括懸浮液或溶液涂布、噴射、旋涂、濺射、絲網(wǎng)印刷或電泳噴鍍。例如，產(chǎn)生具有0.01至10μm(更具體地是0.1至1μm)的數(shù)量級(jí)的厚度的膜。在另一實(shí)施例中，薄且連續(xù)的“紙”350(附圖6)可以直接用于襯底。在過濾的過程中紙350例如由在過濾紙上沉降碳納管和納管束形成并通常具有平滑的表面而且柔軟。
通過其它的方法比如電弧放電和化學(xué)汽相淀積形成的包含單壁碳納管的膜也可以通過上述的過程形成。此外，通過化學(xué)汽相淀積方法可以直接在襯底上形成碳納管膜。
本發(fā)明的包含陰極材料的納結(jié)構(gòu)材料的特征在于在相對(duì)低的施加的電壓的情況下的高發(fā)射電流密度。
對(duì)根據(jù)本發(fā)明的原理形成的各種單壁和多壁納管材料進(jìn)行場(chǎng)發(fā)射測(cè)量。附圖4以圖形方式示出的根據(jù)本發(fā)明制備的5個(gè)納管材料。這些測(cè)量顯示在2-5V/μm和100mA/cm2的施加電場(chǎng)下或大于在4-7V/μm的施加的電場(chǎng)下的10mA/cm2的電流密度。所示為納金剛石場(chǎng)發(fā)射材料的結(jié)果以便比較。如附圖4所示，所研究的材料展示出在相對(duì)低的施加電場(chǎng)電壓下具有相對(duì)高的電流密度。
下表1概括了為獲得幾種陰極材料的10mA/cm2的電流密度所需的閾值場(chǎng)。與所研究的其它材料相比，本發(fā)明的碳納管均勻地具有更低的給定電流密度的閾值場(chǎng)。此外，所生成的電流密度對(duì)于這種碳納管材料要比對(duì)其它所研究的材料更加穩(wěn)定。
表1
因此，如上文所證實(shí)，具有包括根據(jù)本發(fā)明的納結(jié)構(gòu)材料比如單壁納管材料的陰極的X-射線發(fā)生裝置能夠產(chǎn)生大于100mA/cm2，優(yōu)選1000mA/cm2，最優(yōu)選的是5000mA/cm2的發(fā)射的電流電子密度。
可以設(shè)想，包括形成的與本發(fā)明的原理一致的單壁碳納管的電子發(fā)射陰極可以并入到適合的X-射線發(fā)生裝置中。這種裝置具有的優(yōu)點(diǎn)在于不僅能夠?qū)﹃帢O而且對(duì)陽極以及這種X-射線發(fā)生裝置的其它部件進(jìn)行多種設(shè)計(jì)的改進(jìn)。下文描述根據(jù)本發(fā)明的原理構(gòu)造的幾種實(shí)例性裝置。
附圖5-8B描述了根據(jù)本發(fā)明的場(chǎng)發(fā)射陰極裝置的截面圖。在一種實(shí)施例500中，場(chǎng)發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)510包括在導(dǎo)電襯底300上的納結(jié)構(gòu)或碳納管膜330，優(yōu)選地具有所需的金屬中間層310。在淀積之后，優(yōu)選地對(duì)膜330進(jìn)行真空退火。柵電極520(優(yōu)選是高熔化溫度金屬柵格)放置在位于柵電極520和納管膜330之間的絕緣間隔530上。電源540(優(yōu)選具有可變電壓的控制)連接在柵電極520和納管陰極510之間。
在另一實(shí)施例600中，場(chǎng)發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)610包括放置在導(dǎo)電襯底300上的薄納結(jié)構(gòu)或碳納管紙350，該導(dǎo)電襯底300優(yōu)選具有所需的金屬中間層310比如Fe或Ti。將紙350壓在具有金屬中間層310的襯底300上，并且該紙350優(yōu)選地進(jìn)行真空退火以實(shí)現(xiàn)粘接。紙350進(jìn)一步通過絕緣套環(huán)630固定在襯底300上。柵電極620(優(yōu)選是高熔化溫度金屬柵格)放置在絕緣套環(huán)630上。電源640(優(yōu)選具有可變電壓控制)連接在柵電極620和紙350或?qū)щ娨r底300之間。
可替換的是，實(shí)施例700可以包括場(chǎng)發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)710，該場(chǎng)發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)710包括在導(dǎo)電襯底300上的納結(jié)構(gòu)或碳納管膜330，優(yōu)選地具有所需的金屬中間層310，其中膜330被構(gòu)圖并與在柵電極720中的開口對(duì)齊以使通過場(chǎng)發(fā)射電子的轟擊使金屬柵格的過熱最小化。柵電極720(優(yōu)選是高熔化溫度金屬柵格)放置在絕緣間隔730中。金屬柵格720和構(gòu)圖膜330放置在偏離設(shè)置的幾何結(jié)構(gòu)上以避免在延長的時(shí)間周期中由轟擊柵格720的場(chǎng)發(fā)射的電子引起的柵格720的過熱的問題。
在另一實(shí)施例800中，場(chǎng)發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)810包括在導(dǎo)電襯底300上的納結(jié)構(gòu)或碳納管膜330，優(yōu)選具有所需的金屬中間層310。在淀積之后，膜330優(yōu)選地進(jìn)行真空退火。柵電極820(優(yōu)選是高熔化溫度金屬柵格)放置在位于柵電極820和納管膜330之間的絕緣間隔830中。電源840(優(yōu)選具有可變電壓控制)連接在柵電極820和納管陰極810之間。為改善X-射線強(qiáng)度的穩(wěn)定性，可以并入反饋電路以改變?cè)跂烹姌O820和陰極810之間施加的電壓，由此補(bǔ)償X-射線管電流(電子電流到達(dá)靶)的波動(dòng)。例如，包括電流計(jì)以監(jiān)測(cè)X-射線管電流(它控制X-射線強(qiáng)度以及加速電壓)。如果電流下降到設(shè)定值之下，則柵電壓(它控制來自陰極的場(chǎng)發(fā)射的電流密度)增加直到達(dá)到設(shè)置的管電流。
此外，場(chǎng)發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)810可以進(jìn)一步包括可以將發(fā)射的電子束聚焦到窄的區(qū)域的聚焦環(huán)850。聚焦環(huán)850安裝到在柵電極820之上的結(jié)構(gòu)810上并通過第二間隔860與柵電極絕緣。為聚焦環(huán)配有負(fù)偏壓870。
可替換的是，包含納結(jié)構(gòu)或碳納管的材料可以淀積在具有凹面的襯底上。給柵電極提供一定的曲率以使在陰極和柵電極之間保持恒定距離。這種結(jié)構(gòu)也用于將場(chǎng)發(fā)射電子朝靶陽極聚焦。
附圖9所示為具有根據(jù)本發(fā)明的場(chǎng)發(fā)射納結(jié)構(gòu)或碳納管陰極的真空X-射線管。在X-射線發(fā)生裝置910內(nèi)，設(shè)置場(chǎng)發(fā)射陰極裝置911用作電子發(fā)生陰極。與場(chǎng)發(fā)射裝置相連接的是用于供應(yīng)控制電壓的電引線935。在碳納管場(chǎng)發(fā)射陰極裝置911和金屬陽極靶930之間有足夠的場(chǎng)的情況下，朝陽極940發(fā)射的電子首先穿過聚焦屏蔽945。在撞擊陽極靶930之后，發(fā)射X-射線950，X-射線950穿過在真空室920-側(cè)中的窗口955。通過使用帶有入口965和出口970的冷卻水室960在本實(shí)施例中提供冷卻水。但是，由于本發(fā)明的場(chǎng)發(fā)射陰極裝置910能夠產(chǎn)生足夠使X-射線從陽極發(fā)射的強(qiáng)度的發(fā)射的電極電流密度，而不依賴于熱電子效應(yīng)，因此設(shè)備的冷卻要求就極大地降低。此外，通過簡單地改變控制電壓可以更加精確地發(fā)射X-射線脈沖。因此可以省去機(jī)械光閥等。
附圖10所示為附圖9的裝置沿A-A的視圖。在該圖中，可以看出陽極930和窗口955的相對(duì)取向。
附圖11所示為具有本發(fā)明的納結(jié)構(gòu)或碳納管場(chǎng)發(fā)射陰極裝置1110的真空X-射線管的第二實(shí)施例1100。在本實(shí)施例中，場(chǎng)發(fā)射陰極裝置1110安裝在平動(dòng)臺(tái)1111上。平動(dòng)臺(tái)位置由平動(dòng)控制器1121控制。通過給陰極引線135施加電流在場(chǎng)發(fā)射陰極裝置1110和陽極1130之間可以建立場(chǎng)。在形成的場(chǎng)下，電子1140從陰極場(chǎng)發(fā)射并導(dǎo)向陽極。發(fā)射的電子轟擊產(chǎn)生X-射線1150，該X-射線1150從陽極靶穿過在真空室1120一側(cè)的窗口1155。由電子轟擊在陽極引起的殘余熱量通過使用冷卻水或其它的熱沉消散。附圖11所示為具有入口1165和出口1170的冷卻水室1160。此外，陽極金屬靶1130安裝在陽極安裝臺(tái)板1131上。這個(gè)臺(tái)板具有較高的熱傳導(dǎo)性以通過熱沉快速地從陽極消散熱量。安裝臺(tái)板1131固定到在具有熱沉的公共表面上真空室。
可替換的是，可以將陽極安裝臺(tái)板1131安裝成繞垂直于臺(tái)板的平面的中線軸旋轉(zhuǎn)。這種旋轉(zhuǎn)將單個(gè)的不同的陽極金屬靶1130提供在發(fā)射的電子1140的束的通路中。通過使用這種旋轉(zhuǎn)裝置，可以產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于單個(gè)陽極的材料的組分的多重特性波長的X-射線1150。
在另一附加的實(shí)施例中，陽極安裝臺(tái)板1131可以是靜止的，并且受控制器1120控制的平動(dòng)臺(tái)1111可以提供可以清楚地轟擊每個(gè)陽極金屬靶的發(fā)射的電子束1140。
可替換的是，平動(dòng)臺(tái)1111可以具有光柵化(rasterization)能力。通過使用場(chǎng)發(fā)射陰極裝置1110的單個(gè)、組或矩陣尋址的選擇區(qū)域，可以產(chǎn)生并導(dǎo)向光柵化的發(fā)射電子束以便清楚地轟擊每個(gè)陽極金屬靶1130。所有的前述的實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)在于通過這種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。
在進(jìn)一步的實(shí)施例中，陽極是靜止的并且并入了單個(gè)受控的場(chǎng)發(fā)射陰極的陣列。通過有選擇性地接通和切斷在陣列中的某些場(chǎng)發(fā)射極，場(chǎng)發(fā)射電子可以轟擊靶陽極表面的各個(gè)部分。
在再一實(shí)施例中，陽極安裝平板1131固定到可移動(dòng)的底座或臂。底座或臂容易地在真空室1120內(nèi)移動(dòng)或?qū)钠渲腥∠乱杂欣谟脩粞b入和卸下陽極靶。
附圖12所示為附圖11的裝置沿B-B的視圖。在這個(gè)圖中陽極金屬靶1130在陽極安裝平板1131上的位置可以更加清楚。
通過上述的結(jié)構(gòu)，使用與前文結(jié)合附圖9的實(shí)施例討論的本發(fā)明的場(chǎng)發(fā)射控制可以實(shí)現(xiàn)相同的優(yōu)點(diǎn)。此外，掃描的發(fā)射電子束可以優(yōu)選轟擊不同的靶材料，由此實(shí)現(xiàn)通過相同的裝置產(chǎn)生不同類型的特征X-射線。此外，掃描束轟擊相同的靶材料的不同區(qū)域，由此減小了靶的總體發(fā)熱。
在X-射線發(fā)生裝置的某些應(yīng)用中，比如醫(yī)療應(yīng)用，重要的且必要的特征包括對(duì)X-射線發(fā)生、高強(qiáng)度X-射線的發(fā)生和所發(fā)生的X-射線的小視在焦點(diǎn)的精確控制。
某些常規(guī)的X-射線發(fā)生裝置具有帶產(chǎn)生的0.3mm2和1.00mm2的X-射線的視在焦點(diǎn)尺寸的雙焦點(diǎn)。對(duì)于6°和15°的靶角，這平移到了在0.3×3.0mm2和1.0×4.0mm2的陽極上的電子轟擊的實(shí)際區(qū)域。為了減小焦點(diǎn)，在來自陰極的更高的發(fā)射的電子束電流上的更小的靶角是需要的。由于受到能夠輸送給陰極燈絲的功率的限制，這在常規(guī)的裝置不可能實(shí)現(xiàn)。
通過本發(fā)明的裝置能夠克服這些缺陷。根據(jù)本發(fā)明的原理構(gòu)造的裝置(它包括基于納結(jié)構(gòu)的場(chǎng)發(fā)射極)，能夠產(chǎn)生大致等于供應(yīng)到陰極的電流的發(fā)射電子束電流，由此實(shí)現(xiàn)具有更小的角度的陽極靶，以及最后得到的更小的視在焦點(diǎn)尺寸。
附圖13中示出了根據(jù)本發(fā)明的原理構(gòu)造的一個(gè)這樣的陽極。具有100-5,000mA的電流的發(fā)射的電子束入射在焦點(diǎn)1302上，在附圖13中從正面和側(cè)面示出了該焦點(diǎn)1302。焦點(diǎn)1302的長度可以是10-30mm，寬度0.1-0.5mm。根據(jù)本發(fā)明，靶角度可以被減小以達(dá)到例如2°-10°的靶角度1304。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，對(duì)于雙焦點(diǎn)結(jié)構(gòu)，靶角度可以是大約2°和大約6°。上述的結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生更小的“視在”焦點(diǎn)1306，其面積為0.1-0.5mm2。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，對(duì)于雙焦點(diǎn)結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)0.1mm2和0.3mm2的視在焦點(diǎn)。
在比如計(jì)算機(jī)斷層成像的應(yīng)用中，X-射線扇形束的均勻性比較重要。在常規(guī)的管設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)均勻性比較困難，因?yàn)閬碜园斜砻娴腦-射線的發(fā)射是各向異性(即，取決于相對(duì)于表面的發(fā)射方向)。X-射線束的不同部分來自聚焦區(qū)的不同部分的發(fā)射角的不同的組合。因此，即使在以均勻的電子束轟擊焦點(diǎn)時(shí)，所得的X-射線束仍然是非均勻的。
本發(fā)明可以精確地控制電流密度和從納結(jié)構(gòu)陰極發(fā)射的電子束的分布。這就可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生具有優(yōu)良均勻性的X-射線束的新型方法。這種方法的實(shí)施例還在附圖13中示意性地示出。通過控制施加在納結(jié)構(gòu)的發(fā)射極1310和柵極1313之間的電壓，可以產(chǎn)生具有一定所需的電流密度和分布的電子束1301。在轟擊陽極1302時(shí)，特別設(shè)計(jì)的非均勻的電子束1301可以產(chǎn)生均勻的X-射線束1303。該方法的進(jìn)一步細(xì)化的方法包括在X-射線檢測(cè)器1314和陰極1310之間的反饋控制機(jī)構(gòu)1313。這種機(jī)構(gòu)可以產(chǎn)生具有一定的所需的強(qiáng)度分布的X-射線束，在某種應(yīng)用比如數(shù)字乳房X線照相術(shù)中這種X-射線束比較有利。
與常規(guī)的裝置相比，本發(fā)明的陽極結(jié)構(gòu)(具有更小的視在焦點(diǎn)尺寸)，導(dǎo)致顯著地提高了成像分辨率和速度。例如，根據(jù)本發(fā)明的原理構(gòu)造的X-射線發(fā)生裝置可適用于產(chǎn)生與當(dāng)前的機(jī)器相同量的X-射線量但卻具有好出3-4倍的分辨率，或者具有相當(dāng)?shù)姆直媛实珔s是常規(guī)裝置的強(qiáng)度的3-4倍。
在某些應(yīng)用中比如數(shù)字熒光檢查和X-射線照相術(shù)中，能量相減技術(shù)可用于提高在分析的對(duì)象中的某些材料的對(duì)比度。這種技術(shù)涉及使用具有更低平均能量的X-射線獲得第一圖像，以及從使用具有更高的平均能量的X-射線獲得的第二圖像中“減去”這個(gè)第一圖像。通過在用于產(chǎn)生更小強(qiáng)度的X-射線的低的kV值和用于產(chǎn)生更高強(qiáng)度的X-射線的更高的kV值之間交替施加給陰極的電壓，常規(guī)地實(shí)施上述的技術(shù)。由于前文描述的在熱電子發(fā)射的開始和結(jié)束的困難，因此這個(gè)過程是慢的。在醫(yī)療應(yīng)用中使用時(shí)，這就使患者暴露在不必要的更高的X-射線劑量中。
由于在控制并聚焦根據(jù)本發(fā)明產(chǎn)生的發(fā)射的電子束方面比較容易，因此可以使用包括多種靶材料的陽極靶。
附圖14中示出了一個(gè)這種裝置。多靶陽極1400配有第一靶材料1402和第二靶材料1404。圓錐或截頭圓錐面1403由第一和第二靶材料1402和1404界定。例如，第一靶材料1402可以是一般產(chǎn)生具有相對(duì)低的平均能量的X-射線的材料，而第二靶材料1404可以是一般產(chǎn)生具有相對(duì)較高強(qiáng)度的X-射線的材料。當(dāng)然，這種方案可以顛倒。電壓1406施加給根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的多個(gè)場(chǎng)發(fā)射極1408，該場(chǎng)發(fā)射極發(fā)射轟擊靶陽極1400的電子流。發(fā)射極1408可以脈沖發(fā)送或交替發(fā)送以使從其中發(fā)射的電子流交替地轟擊第一靶材料1402以產(chǎn)生具有相對(duì)低的能量的X-射線1410和第二靶材料1404以產(chǎn)生具有相對(duì)高的能量的X-射線1412。
本發(fā)明的裝置比常規(guī)的裝置更加低廉并且具有增加的操作速度，這在比如熒光檢查、X-射線照相和計(jì)算機(jī)斷層成像的應(yīng)用中特別有用。
根據(jù)本發(fā)明的方法包括提供場(chǎng)發(fā)射裝置，該場(chǎng)發(fā)射裝置包括包含納結(jié)構(gòu)的材料，將該材料引入到室中，在該室中先前已經(jīng)設(shè)置或?qū)⒁O(shè)置多個(gè)陽極中至少一個(gè)陽極。設(shè)置場(chǎng)發(fā)射裝置以作為在X-射線發(fā)生裝置中的陰極。該室隨后密封并抽空到預(yù)定的最小的壓力，或者以惰性氣體反向填充，或者上述都不在的產(chǎn)生X-射線的準(zhǔn)備過程中。
場(chǎng)發(fā)射陰極的構(gòu)造可以采用各種方法，包括前文所描述的方法，比如在襯底上凈化并淀積碳納管之前的激光燒蝕。
在所施加的控制電壓之下，本發(fā)明的場(chǎng)發(fā)射陰極發(fā)射電子流?？刂齐妷旱氖┘哟_定了發(fā)射的開始和終止，所述發(fā)射由此在持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度受到控制。脈沖發(fā)射電子束具有減小陽極發(fā)熱的優(yōu)點(diǎn)及其伴隨的好處，以及對(duì)發(fā)射的X射線的持續(xù)時(shí)間的更精確的控制。可替換的是，通過控制所施加的控制電壓可以脈沖發(fā)出發(fā)射束。
作為另一候選，通過單個(gè)地控制電壓或以預(yù)定的序列或分組尋址納結(jié)構(gòu)材料的陣列以控制發(fā)射的電子束，從而導(dǎo)向所述束以碰撞多個(gè)陽極靶中的至少任一個(gè)靶。通過這種方法，由不同的材料制成的多個(gè)靶可以裝在相同的裝置中，這種裝置產(chǎn)生更寬的X-射線光譜而不必增加并從室中取下不同的材料的靶。此外，這種候選可以用于減小對(duì)陽極的任一區(qū)轟擊的時(shí)間，由此有助于減少陽極的加熱。
碰撞陽極靶的場(chǎng)發(fā)射電子束通過在物理上十分公知的裝置產(chǎn)生X-射線。然后所產(chǎn)生的X-射線通過X-射線透明窗口從室中射出并可用于包括醫(yī)療和科研的各種應(yīng)用中。
根據(jù)上文對(duì)本發(fā)明的裝置的描述，作出上述的實(shí)例性的方法的變型以及其它的方法是顯然的。
雖然結(jié)合本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該理解的是，在不脫離附加的權(quán)利要求所定義的本發(fā)明的精神和范圍的前提下可以作出在此沒有具體描述的增加、刪除、修改和替換。
權(quán)利要求
1.一種X-射線發(fā)生裝置，其包括室；場(chǎng)發(fā)射陰極，該陰極包括具有大于4A/cm2的發(fā)射電子電流密度的包含納結(jié)構(gòu)的材料；陽極靶；和通過在陰極和陽極之間施加電壓建立的加速場(chǎng)。
2.權(quán)利要求1所述的裝置，其中發(fā)射的電流密度大于10，000mA/cm2。
3.權(quán)利要求1所述的裝置，其中施加的2-7V/μm的電場(chǎng)產(chǎn)生大約100mA/cm2的穩(wěn)定的電流密度。
4.權(quán)利要求1所述的裝置，其中包含納結(jié)構(gòu)的材料包括碳納管。
5.權(quán)利要求1所述的裝置，其中包含納結(jié)構(gòu)的材料包括單壁碳納管。
6.權(quán)利要求1所述的裝置，其中陰極包括至少部分地被包含納結(jié)構(gòu)的材料所覆蓋的襯底材料。
7.權(quán)利要求6所述的裝置，其中包含納結(jié)構(gòu)的材料沒有粘合劑材料。
8.權(quán)利要求6所述的裝置，進(jìn)一步包括在襯底和包含納結(jié)構(gòu)的材料之間的金屬中間層。
9.權(quán)利要求6所述的裝置，進(jìn)一步包括柵電極。
10.權(quán)利要求6所述的裝置，其中包含納結(jié)構(gòu)的材料包括附著到襯底的薄紙。
11.權(quán)利要求9所述的裝置，其中包含納結(jié)構(gòu)的材料包括由與設(shè)置在柵電極中的開口對(duì)齊的電子發(fā)射材料界定的構(gòu)圖膜。
12.權(quán)利要求9所述的裝置，進(jìn)一步包括反饋電路，該反饋電路被構(gòu)造成改變?cè)跂烹姌O和陰極之間施加的電壓由此改善所產(chǎn)生的X-射線的穩(wěn)定性。
13.權(quán)利要求9所述的裝置，進(jìn)一步包括位于柵電極之上的聚焦環(huán)。
14.權(quán)利要求1所述的裝置，其中在陰極和柵電極之間施加的電壓是以接通和切斷的脈沖輸送的，并在接通的脈沖期間產(chǎn)生場(chǎng)發(fā)射的電子束，而在切斷的脈沖期間不產(chǎn)生場(chǎng)發(fā)射的電子束。
15.權(quán)利要求1所述的裝置，其中陽極進(jìn)一步包括多種靶材料。
16.權(quán)利要求15所述的裝置，其中該裝置能夠有選擇性地產(chǎn)生不同能量的X-射線。
17.權(quán)利要求16所述的裝置，其中一部分陽極靶包括第一靶材料，而另一部分的陽極靶包括第二靶材料。
18.權(quán)利要求17所述的裝置，其中陽極靶包括圓錐面。
19.權(quán)利要求1所述的裝置，其中陽極靶包括長10-30mm和寬0.1-0.5mm的焦點(diǎn)。
20.權(quán)利要求1所述的裝置，其中陽極靶包括2°-10°的靶角。
21.權(quán)利要求1所述的裝置，其中該裝置產(chǎn)生具有0.1-0.5mm2的面積的視在焦點(diǎn)。
22.權(quán)利要求1所述的裝置，其中陽極靶包括長10-30mm和寬0.1-0.5mm的焦點(diǎn)和2°-10°的靶角，并且該裝置產(chǎn)生具有0.1-0.5mm2的面積的視在焦點(diǎn)。
23.一種產(chǎn)生X-射線的方法，包括提供室；將場(chǎng)發(fā)射陰極置于該室中，該陰極包括具有大于4A/cm2的發(fā)射電子電流密度的包含納結(jié)構(gòu)的材料；給陰極施加控制電壓，由此產(chǎn)生要發(fā)射的電子流；以及在插入到發(fā)射的電子流的室中提供陽極靶，由此使X-射線從陽極靶發(fā)射。
24.權(quán)利要求23所述的方法，進(jìn)一步包括脈沖發(fā)送入射的電子束。
25.權(quán)利要求24所述的方法，其中入射束的脈沖發(fā)送是通過在場(chǎng)發(fā)射陰極上施加和取消電場(chǎng)而引發(fā)的。
26.權(quán)利要求23所述的方法，其中包含納結(jié)構(gòu)的材料包括單壁碳納管。
27.權(quán)利要求23所述的方法，其中陰極包括至少部分地被包含納結(jié)構(gòu)的材料所覆蓋的襯底。
28.權(quán)利要求23所述的方法，進(jìn)一步包括提供一部分包括第一靶材料而另一部分包含第二靶材料的陽極靶，以及使第一電子流轟擊第一靶材料和使第二電子流轟擊第二靶材料，由此通過施加相同的控制電壓使該裝置產(chǎn)生不同能量的X-射線。
29.權(quán)利要求23所述的方法，進(jìn)一步包括以長10-30mm和寬0.1-0.5mm的焦點(diǎn)和2°-10°的靶角處理陽極靶，由此產(chǎn)生具有0.1-0.5mm2的面積的視在焦點(diǎn)。
30.權(quán)利要求23所述的方法，其中利用施加的電壓量產(chǎn)生預(yù)定密度和分布的X-射線束。
全文摘要
一種X－射線發(fā)生裝置包括場(chǎng)發(fā)射陰極，該陰極至少部分地由具有至少4A/cm
文檔編號(hào)A61B6/00GK1479935SQ01820211
公開日2004年3月3日 申請(qǐng)日期2001年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2000年10月6日
發(fā)明者周子剛, 盧健平 申請(qǐng)人:北卡羅來納-查佩爾山大學(xué)