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1. (CN106104745) X-ray generator
Примечание: Текст, основанный на автоматизированных процессах оптического распознавания знаков. Для юридических целей просьба использовать вариант в формате PDF
X射线发生器


技术领域
本发明基本上涉及一种X射线发生器和一种获取物体的X射线成像的方法,并且找到特别的,虽然不是唯一的,X射线发生器的使用,该X射线发生器包括多个X射线源。
背景技术
近年来,在微米级别的X射线源的发展上有很多进步,这样现在可以产生多个X射线源,X射线源之间的典型距离约为100微米到1厘米,或者更多。
一个二维X射线源的例子在名为“产生用于成像的X射线的装置”专利WO 2011/017645中公开。
专利WO 2011/017645中已知的二维X射线源同时具有其所有的射线源,即在启动X射线发射场时,表面电子将在每个场发射器中发射,并且X射线光子(轫致辐射)将被同时从多个位置发射,就像电子撞击目标材料。
对于某些X射线成像方式,能够控制在多个X射线源内的单个X射线源的激活的顺序是可取的。例如,以连续和逐行的方式激活X射线源是有利的,这被称为光栅扫描,它用于许多电子成像设备。
在电子和X射线发生器中的一个容易遇到的问题是电子流的控制以及由此产生的X射线通量。在传统的系统中,中压电网有时用于阻挡电子发射。在其他的案例中,高压开关切断势能。在其他的设置中,如在尖锥阵列,晶体管控制中压提供给每个场增强发射器,以及在下一个阶段增加电子的电压(能量)给X射线源所需的最终终点能量。
将这些方法扩展到大型阵列可以证明是不切实际的和成本高的。滤线栅可以限制发射器的密度并引入一个电弧源和击穿源。晶体管阵列可以导致复杂的开关控制,并且发射低压可以导致由于空间电荷效应引起的电流减少。因此需要发明一个新的机制以控制来自电子发射器的阵列的X射线的产生;它不依赖于高电压开关。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种选择性地控制X射线发射的方法,由此通过一种不依赖于高压开关的机制,多个X射线源可以被单独地激活。本发明的另一个目的是提供一种控制多个X射线源的激活顺序的方法,由此激活顺序的结果,例如但不限于光栅扫描,可以同步于发射器电子和多个检测元件,其中根据X射线成像应用的诊断要求,单独控制每个检测元件。
在第一方面,本发明提供了一个X射线发生器,所述X射线发生器包括多个电子场致发射体;一个目标材料,当电子射入它,所述目标材料会可以发射X射线光子;相邻于多个电子场致发射体的多个通电螺线管线圈;和一个电能和定时电路,所述电能和定时电路用来提供给至少一个独立的电磁线圈电流;其中,当通电时,至少一个单独的电磁线圈被设置产生一个磁场,在电子到达所述目标材料之前让电子路径散焦和/或偏转,所述电子从最接近于至少一个单独的通电螺线管线圈的发射器发射;并且其中所述目标材料包括一个低原子序数材料和一个高原子序数材料,所述高原子序数材料置于一个常规模式,这样在使用时,发射器发射的电子,在所述电子被单独的通电螺线管线圈偏转和/或散焦时撞击高原子序数材料,并且在它们未被最接近于发射器的单独的通电螺线管线圈偏转和/或散焦时撞击低原子序数材料。发射器发射的电子或者在它们被单独的通电螺线管线圈偏转和/或散焦时撞击低原子序数材料,并且在它们未被最接近于发射器的单独的通电螺线管线圈偏转和/或散焦时撞击高原子序数材料。
在这方面,术语“相邻”可以包括其中至少一些线圈围绕发射器。另外,术语“相邻”可以意味着线圈置于相对于电子场致发射体的目标材料之后,和/或置于相对目标材料的电子场致发射体之后。换句话说,线圈不可以置于或邻近电子从发射器到目标材料的路径。线圈可以不置于发射器和目标材料之间。
电子的散焦或偏转取决于相对场致发射体的校准的电磁线圈的校准,所述场致发射体作为电子源。当电子被外加电压加速,电子撞击目标材料导致X射线发射。
如果电磁线圈与场致发射体和目标区域的轴向对准,那么通过电磁线圈施加的电流将导致电子被聚焦。如果电磁线圈在空间内设置为在电子场致发射体的直接对准和目标区域之间横向偏离,那么通过电磁线圈的被施加的一个电流会使电子散焦和偏转。
已经发现,电磁线圈相对于电子场致发射体的偏离减少了通过电磁线圈所需的电流密度,这使得一定百分比的电子在采取没有电流通过电磁线圈的过程中明显地偏离。为此,使电磁线圈从电子场致发射体偏离是理想的,虽然使电磁线圈与电子场致发射体对准使得本发明以相同的基本方式工作,但需要一个更高的电磁电流。偏离范围在1毫米到3毫米之间,其他偏离范围也可能。
可以理解,散焦意味着在电线圈的影响下增加电子分布的横剖面的面积或直径。特定的用于散焦的偏离磁光比到达最佳取决于目标的大小、到目标的距离(阴极阳极间距)和发射体的发射,以及其他因素。磁光比的范围为从1000:1到1:1。在实践中,线圈和目标参数进行调整,直到有一个高对比比例的光子在电磁“开”和“关”的状态之间发射。这个对比比例通常是1:100,其他的比例也可以。
高原子序数材料可以置于一个空间形态上。形态可以是很常规的,例如一个正方形网格,具有相等间隔的高原子序数目标;或三角形设置。一个非常规的图形也是可以的。每个高原子序数目标可以是圆形或椭圆形。它也可能是一个正方形或矩形。其他的形状(例如一个环形的目标)可使用的是一个新月形或相交的圆,可能是两个圆相交。
术语“未偏转和/或散焦”可以理解为“不受影响的”。
高原子序数材料的直径与在二维模式的相邻高原子序数材料之间的距离的比例约为1:100。
高原子序数材料相邻区域之间距离约为1厘米。
每个单独的高原子序数材料目标可以是一个圆形,其直径约为100微米。
在目标材料中的高原子序数材料可以是钨,其他高原子序数材料也是可以的,例如钼、银、金、铼。钨的厚度范围为1微米到5微米,其他的厚度也是可以的,例如5微米到10微米、1微米到10微米、大于10微米、小于1微米。
在目标材料中低原子序数材料可以是硅,其他低原子序数材料或低原子序数材料的组合也是可以的,例如碳、石墨、碳-石墨复合材料、铍合金如铍铜、铝、铝合金。非导电材料和低导电材料也是可以的,例如聚合物、纤维玻璃、玻璃和陶瓷。硅的厚度范围为50微米到500微米,其他的范围也是可以的,例如1毫米和100微米到5毫米。
低原子序数材料有效地可以作为间隙吸收区,相邻于轫致辐射目标。间隙吸收区作为一个区域可以包括一个或多个低原子序数材料,所述低原子序数材料有效地不产生高能X射线。虽然能量损失仍可能通过轫致辐射或其他碰撞能量损失引起,但是能量光泽率可能会变低,并且因此导致X射线光子的能量减少。这些较低能量的光子不穿过材料相对远的距离。这样,通过转移电子(通过偏转或散焦或两者皆有),X射线的产生可以被有效地关闭。
高原子序数材料的排列的几何形状和大小将取决于场致发射体的几何形状,并被选择为符合线圈绕组中的一个合适的电流密度,散焦和/或偏转使99%的电子偏离路径,它们可能不在一个电磁线圈的电流中,并使电子撞击到高原子序数材料。数字99%被选择,使得剩下电子数1%产生一个低于常规噪声源的背景值,并且产生类似于其他X射线成像方式的效果,例如X射线管上升效应,散射和峰-峰剂量的波动,其他的值也可以被使用。
高原子序数材料的直径与在二维模式中相邻高原子序数材料之间的距离的比例范围为1:50到1:200之间。然而其他比例是可能的,提供的几何形状是足够包含在高原子序数材料中的电子束的(当电磁线圈通电时)以及足够包含在低原子序数材料中的电子束(当电磁线圈未通电时)。
高原子序数材料相邻的区域之间的距离约为1厘米,然而其他范围也可以,例如近似等于发射器大小,近似等于目标直径,为100微米到500微米、500微米到1毫米、1毫米到10毫米以及10毫米到30毫米。
高原子序数材料的每个单个的目标可以是一个直径约为100微米的圆,如上所述的其它的形状和尺寸也是可以的。
一种制造高原子序数材料形状的方法是通过光刻与沉积相结合。由于涉及的厚度,沉积缓冲气体分压控制和/或使用双光刻模式(大圆圈和小圆圈)是有益的,这对微加工技术领域技术的人员是已知的。
目标材料可以包括一个X射线吸收材料的薄板,所述薄板吸收由电子撞击高原子序数材料产生的低能X射线光子,X射线吸收板置于包含目标材料的基板的后表面。
所述X射线吸收板可以置于目标材料的后面,用来吸收由电子撞击高原子序数材料产生的低能X射线光子。这一层可以通过吸收非常低能的X射线,允许光谱的“固化”或“硬化”,X射线不会有助于图像的形成,但会增加给病人或目标的计量。也可能增加该“固化”层到低原子序数材料区域。
X射线吸收材料的薄板可以包括厚度范围在0.1厘米到1厘米之间的铝,虽然其他材料和厚度也是可以的,例如铜、铝-铜复合材料及合金。
多个通电螺线管线圈可以包括铜线圈,铜线圈通过电铸小铜片绕组制作。
其他制作的材料和方法也可以被使用,例如绕线圈包括铝丝、被绝缘片(如聚酯薄膜(RTM))分离的导电片的卷线圈,一个厚的导体制作的单圈也可以使用,以及所谓的扁平线圈的“特斯拉螺旋”。
电磁线圈可以用高填充因子的铜的矩形板连接,板可以是5微米到10微米,其他的尺寸也是可以的。
在一个实施例中,螺线管的长度覆盖为100圈,厚度为10层,每层有10圈,其他的设置也是可以的。该层可以串联,这是更常见的螺线管优化。在一个实施例中,层被平行连接以提供更快的响应和更高的电流或更低的电压供给。
在一个实施例中,三十六个电磁线圈被布置在一个6x 6的二维排列中。这个实施例的优势在于依靠螺线管间1厘米的间距,可以在一个4英寸(100毫米)的晶体上制造所有三十六个线圈,这在电子半导体加工领域被广泛使用。其他的实施例包括设置在8x 8网格的六十四个线圈或7x 7网格的四十九个线圈。
该阵列可以被看作是一个瓦片阵列。线圈的数量取决于总的尺寸和总的发射器的数量。例如对于一个42x42厘米总放射面板源,可以有约1764个发射体。或者,一个42x42厘米的源,可以有约1600个发射体。这可能需要高达1680或更多的线圈。
电力可以通过三十六根电力控制线被提供到三十六个电磁线圈。这可以通过两个1x 32多路复用装置(MUX)设备的使用来实现,在微处理器或微控制器的控制下该装置作为一个大的切换阵列。其他的切换机构和装置在电力转换技术中是已知的,并且同样可以根据所采取的成像方式,为每个电磁线圈提供独立的电源以达到所需的扫描顺序。
应该注意有几种设计方法用于实现一个合适的阵列的磁场发生器,这样被发射的电子可以被偏转或散焦。还需要注意,静电的方法可以被使用,但在阴极和阳极(目标)区域之间引入导体的设计会使设计容易崩溃。因此,在一个磁场的实施例中,可以使用由线圈生产的和铁透镜的形状。
在一个实施例中,电子发射体由一个具有上表面的热释电晶体和一个涂覆在热释电晶体上表面的导电膜形成。所述热释电晶体包括多个场致发射体,所述场致发射体被形成作为在热释电晶体中的微米级暴露区域,热释电晶体具有一个或多个尖锐的峰或脊。通过相邻于热释电晶体的加热器或冷却器,热释电晶体交替地加热和冷却几分钟,这样自发电荷极化(spontaneous charge polarisation)发生在热释电晶体中。所述自发电荷极化产生一个垂直电子场,出现在热释电晶体的顶面和底面,在这种情况下,在热释电晶体的暴露表面上电子场被尖锐的峰或脊加强,因而导致从该位置的表面电子的场致发射。当被发射的电子撞击邻近与发射面的一个目标材料,X射线被产生。
热释电晶体可以包括或由铌酸锂组成。
在另一个实施例中,电子发射体可以是一个非热释电源。
电子发射体可以是场增强发射体、冷阴极、热阴极或光电阴极。
多个磁透镜可置于邻近多个通电螺线管线圈,磁透镜设置为在使用时,所述透镜可以将该场通量集中到发射体阵列的中心。
电子电力和定时电路可以被设置用来在光栅序列中的给单个螺线管提供电流。
X射线发生器可以设置为使得相邻的电磁线圈彼此通电1毫秒到5毫秒。
在这方面,电子电力和定时电路可以设置为同时提供电流至多个电磁线圈。
X射线发生器可以进一步包括一个输入控制装置,所述输入控制装置基于一个感兴趣区域的选择同时提供电流至多个电磁线圈。
在这方面,X射线技术员可以选择感兴趣区域,或者软件可以自动选择它。然后,至少覆盖感兴趣区域的对应发射体可以被激活,而没有发射体或一小部分发射体在感兴趣区域内被关闭(不活动)。控制软件可以决定哪个发射体是感兴趣区域的一部分。
另外,操作员可以手动选择面板的一小部分来激活。例如,操作员可以选择只使用面板的左侧或右上四分之一处。面板剩余部分保持不活动。
软件可以选择仅激活每个其他的发射器,例如,可以用在一个快速,较低的分辨率的“侦察机”扫描上。
关于同时使用多个发射体,基本上,这是加快总光栅,同时还防止重叠(在一个单一的框架)。光栅可以通过将面板划分为区域而被多路复用,其中区域如果被激活,从区域对角的两个发射体的发射不会重叠。每个区域都可以并行操作。如果四个区域被计算为不重叠,那么四个线圈可以被同时激活,并且每个线圈递增。
电子电力和定时电路可以设置为在它们通过外部时钟信号同步时,同时提供电流至多个电磁线圈。
每个电子发射体可以包括一个热释电晶体,所述热释电晶体在它们被热循环时发射电子。
在第二方面,本发明提供一种获取物体的X射线成像的方法,包括根据第一方面的提供X射线发生器的步骤;提供一个X射线探测器的步骤,和操作所述发生器,由此X射线光子穿过一个置于X射线源阵列和X射线探测器之间的物体的步骤。
附图说明
本发明的上述或其他特点、特征和优点将从下面的详细描述中凸显,结合附图,通过实例说明本发明的原理。描述是为了举例说明,而不限制本发明的范围。下面所引用的附图标记参考附图。
图1是一个X射线发生器的示意图;
图2是一个电子流和X射线光子流的示意图,其中电磁线圈轴向对准场致发射体和目标区域,并且螺线管被断电,从源发射的电子聚焦在目标材料上;
图3是一个电子流和X射线光子流的示意图,其中电磁线圈是在轴向对准的场致发射体和目标区域,并且螺线管通电,从源发射的电子偏转远离目标材料;
图4是一个电子流和X射线光子流的示意图,其中电磁线圈未在轴向对准的场致发射体和目标区域,并且螺线管通电,从源发射的电子散焦射在目标材料上;以及
图5是一个电子流和X射线光子流的示意图,其中电磁线圈未在轴向对准的场致发射体和目标区域,并且螺线管断电,从源发射的电子聚焦射在目标材料上。
具体实施方式
本发明将根据附图被描述,但本发明不限于此,仅限于权利要求。所描述的附图只是示意图,并且没有限制。每张附图不包括本发明的所有特点,因此不应该被认为是本发明的一个实施例。一些元件的尺寸可以被放大,图片不根据尺寸来说明用途。尺寸和相对尺寸不符合对于本发明的实践的实际减少。
此外,术语的第一、第二、第三和类似的术语,在说明书中和在权利要求中用于区分相似的元素,不一定用于描述序列,无论是在时间上、空间上还是在排名上或任何其他方式。可以知道,在适当的情况下,使用的术语是可以互换的,此操作在其他序列中要不在此描述和或说明的更方便。
另外,术语顶部、底部、上方、下方类似的术语,在说明书中和在权利要求中用于描述性的目的,不一定用于描述相对位置。可以知道在适当的情况下,使用的术语是可以互换的,此操作在其他序列中要不在此描述和或说明的更方便。
需要注意术语“包括”使用在权利要求中不应该被译为仅限于其后所列的手段;它不能排除其他元件和步骤。它应该被译为详述所述特点、整数、步骤或组件,但不排除增加一个或多个其他的特点、整数、步骤或组件或组。因此“一个装置包括方法A和方法B”的表达范围不应该限制为装置仅包括组件A和组件B。这意味着对于本发明,设备的唯一相关组件是A和B。
相似地,需要注意术语“被连接的”在描述中不应该被译为仅限于直接连接。因此“一个装置A被连接于一个装置B”的表达范围不应该被限制与装置或系统,其中一个装置A输出直接被连接于一个装置B输入。这意味着在装置A输出和装置B输入之间存在一个路径,该路径包括其他装置或方法。“被连接”的意思应该为两个或两个以上的元件中的一个是直接的物理或电接触,或者两个或两个以上的元件互相非直接连接,但仍然配合或相互作用。例如无线连接性。
在说明书中引用到“一个实施例”或“一个方面”意味着与实施例或方面相关的一个特点、结构或特征被包括在本发明的至少一个实施例或一个方面。因此出现在说明书多处的“在一个实施例中”、“在一个实施例中”或“在一方面”不一定都引用同一个实施例或方面,而是可以引用不同的实施例或方面。另外,本发明的任何一个实施例或方面中的特点、结构或特征可以以任何适当的方式组合,在一个或多个实施例或方面中此发明的公开对于本领域的技术人员是明显的。
相似地,需要注意在描述中,本发明的不同特点有时组合在一起处于单个实施例、图片或描述中,旨在简化发明的公开,并有助于了解一个或多个创新方面。然而此公开的方法不应该被译成反映一个发明,含有权利要求的发明需要更多特点比起在每个权利要求中的明确叙述。另外,任何一个独立附图或方面不一定被认为是一个本发明的实施例。相反,由于以下权利要求反映,发明方面少于一个先前公开的实施例的所有特点。因此权利要求的详细描述明确地被包含在此详细描述中,每个权利要求作为本发明单独的实施例支持它自己。
另外,当一些被描述的实施例包括一些在其他实施例中的特点,不同实施例中的组合特点意味着在本发明的范围内,并且形成另外的实施例,同样被本领域的技术人员理解。例如,在下面的权利要求,任何有权利要求的实施例可以使用在任何组合中。
在描述中,许多具体的细节被详尽的解释。然而,可以知道本发明的实施例实践时不需要这些具体的细节。在其他情况下,已知的方法、结构和技术还没有被详细地显示,为了不掩盖这种描述的理解。
本发明的实施中,除非描述相反,对于上限或下限的允许范围内的一个参数代替值的公开,加上一个指示,所述值的一个比其它值更优选。这将被解释为一个隐含的语句,即所述参数的每个中间值,置于更优选的所述代替值和更不优选的所述替代值之间,它自己优选于所述更不优选的值并且也优选于处于更不优选的值和所述中间值之间的每个值。
术语“至少一个”的使用可以意味着在某些情况下只有一个。
本发明的原理现在将被描述通过至少一个本发明的示例性特征有关的附图的一个详细描述。很明显,根据本领域技术人员的知识不脱离本发明的基本概念或技术教学,其他安排可以被设置,本发明仅限于权利要求的条例。
图1的示意图展示了X射线发生器使用在一个实施例中的组件。
电子从电子发射体源10中被发射。电子发射体可以由一个带有上表面的铌酸锂的热释电晶体80和一个涂覆热释电晶体上表面的导电膜组成。热释电晶体包括多个场致发射体被形成为在热释电晶体中的微米级暴露区域,热释电晶体具有一个或多个尖锐的峰或脊。通过相邻于热释电晶体的加热器或冷却器90热释电晶体交替地加热和冷却几分钟,这样在热释电晶体中会产生自发电荷极化。所述自发电荷极化引起一个垂直电子场出现在热释电晶体的顶面和底面,在这种情况下,在热释电晶体的暴露表面上电子场被尖锐的峰或脊加强,导致从该位置的表面电子的场致发射。当被发射的电子撞击与发射面邻近的一个目标材料时,X射线被产生。
电子通向一个目标材料,目标材料包括多个包含在一个硅基板30的钨目标20。邻近于钨目标20的是多个带有每个单独的电磁线圈40的电磁线圈50,其从一个电源60被供电。电源60被设置成在使用时邻近的电磁线圈被互相通电1毫秒到5毫秒。
图2中的一个示意图展示了电子100流和X射线光子110流,其中电磁线圈40是在轴向对准的发射体10,并且电磁线圈40断电,来自发射源10的电子撞击钨目标20。
在这个实施例中铝过滤材料70置于目标20和螺线管40之间,而操作原理与如图1所示的铝过滤材料40置于螺线管40之后时相同。
当电子100撞击目标材料20,产生的X射线光子110通过铝过滤材料70,该材料吸收低能(或软)X射线光子,这样通过螺线管40的X射线光子是高能(或硬)X射线光子120。
图3中的一个示意图展示了电子100流和X射线光子110流,其中电磁线圈40是在轴向对准的发射体10,并且电磁线圈40通电,来自发射源10的电子100偏转远离高原子序数目标材料20,射在低原子序数目标材料30上。
这操作在本质上是和图2相同的方式,除了在这种情况电源被供应给电磁线圈40。在“通电”状态下电磁线圈使电子100偏转远离目标材料20。因此产生的X射线光子110是相对少的和低能(或软)X射线光子,其主要被吸收在过滤材料70,这导致相对少的(相对“断开”状态少于1%的X射线光子)通过螺线管40,并且可用于后续的X射线成像过程120。
图4中的一个示意图展示了电子100流和X射线光子110流,其中电磁线圈40未轴向对准发射体10,并且电磁线圈40通电,来自发射源10的电子100散焦远离包含在基板30内的目标材料20。
这里螺线管40使电子束100散焦远离目标材料20,并且与大量的软(低能)X射线光子130相比,导致相对少的硬X射线光子110。该大量的软(低能)X射线光子被铝过滤材料70吸收。X射线光子110从X射线过滤材料70出现通过螺线管40,可用于后续的X射线成像过程120。
图5中的一个示意图展示了电子100流和X射线光子110流,其中电磁线圈40未轴向对准发射体10,并且电磁线圈40断开,来自发射源10的电子100聚焦于目标材料20。
这里电磁线圈40使电子束100聚焦在目标材料20,这产生了大量的硬X射线光子110,该光子通过铝过滤材料70并出现在螺线管40的另一侧120。