ЭМИТТЕР ЭЛЕКТРОНОВ ДЛЯ РЕНТГЕНОВСКОЙ ТРУБКИ Российский патент 2019 года по МПК H01J35/06 

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Представленные в настоящем документе примеры вариантов осуществления направлены на эмиттер электронов для рентгеновской трубки. Эмиттер электронов содержит наноструктурное покрытие, сделанное из оксидов, нитридов, силицидов, селинидов или теллуридов. Примеры вариантов осуществления дополнительно направлены на рентгеновскую трубку.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Эмиссия электронов с поверхности проводника вызывается нагревом проводника до повышенных температур термоэлектронной эмиссии; приданием проводнику формы заостренного наконечника и приложением отрицательного напряжения автоэлектронной эмиссии или приложением умеренного нагрева для содействия автоэлектронной эмиссии, например, эмиссии Шоттки (дело в том, что существует большее количество механизмов эмиссии, например, фотоэмиссия и газовая ионная эмиссия). Эмиттер электронов обычно называется катодом. Катод, работающий в соответствующем режиме эмиссии, называется горячим катодом, холодным катодом или катодом Шоттки, соответственно. Устройство, которое обеспечивает электронные пучки, называется источником электронов или электронной пушкой. По-видимому, электроны являются наиболее общим стимулом для вторичных пучков.

Рентгеновские лучи генерируются путем бомбардировки энергетическими электронами металлической поверхности. В данной установке источником рентгеновских лучей является устройство, содержащее 1) катод и 2) приемник электронов, известный как мишень или анод. Анод является эмиттером рентгеновских лучей. Катод и анод размещены в определенной конфигурации и помещены в вакуумированный корпус. Кроме того, рентгеновская система может содержать следующие компоненты: 1) источник рентгеновских лучей, 2) компьютеризованное устройство манипулятора и держателя, 3) детекторы и 4) источник(и) питания. В комбинации с другими технологиями рентгеновские лучи находят применение в медицинской визуализации, контроле безопасности и неразрушающем контроле в промышленности. Компьютерная технология революционизировала использование рентгеновских лучей в современном обществе, например, рентгеновский КТ-сканер (компьютерная томография). Прогресс в технологии детекторов позволил получить улучшенное энергетическое разрешение, цифровые изображения и постоянно возрастающие площади сканирования. Однако технология генерирования рентгеновских лучей по существу осталась той же с момента появления трубки Кулиджа около 100 лет назад, когда Вильям Кулидж революционизировал способ генерирования рентгеновских лучей путем замены газонаполненных трубок вакуумной трубкой, вмещающей нагретую вольфрамовую нить для использования термоэлектронной эмиссии.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

По-видимому, все рентгеновские трубки, применяемые для рентгеновской визуализации, используют горячие катоды из вольфрамовой нити, основанные на термоэлектронной эмиссии. В прошедшее десятилетие или около того была предпринята попытка использовать углеродные нанотрубки (УНТ) в качестве холодного катода для генерирования рентгеновских лучей при помощи автоэлектронной эмиссии. Такая электронная эмиссия индуцируется при помощи сильного электрического поля без нагрева. УНТ считаются идеальными эмиттерами электронов. Однако для их использования в источниках рентгеновских лучей производственный процесс и рабочие условия, по-видимому, предъявляют жесткие требования к свойствам материалов. Выходной ток все еще значительно ниже уровня, необходимого для практических применений. Таким образом, по меньшей мере один объект из представленных в настоящем документе примеров вариантов осуществления служит для обеспечения альтернативного эмиттера электронов, который может обеспечить альтернативные средства эмиссии электронов для преодоления недостатков материалов и функциональных недостатков, присущих горячим катодам, а также холодным катодам на основе УНТ; и в то же самое время приводит к улучшенным эксплуатационным характеристикам источников рентгеновских лучей.

Соответственно, представленные в настоящем документе примеры вариантов осуществления направлены на эмиттер электронов для рентгеновского устройства. Эмиттер электронов содержит наноструктурный материал, сделанный из оксидов, нитридов, силицидов, селинидов или теллуридов. Такой наноструктурный материал делает эмиттер пригодным для автоэлектронной эмиссии и, что важнее, для эмиссии Шоттки. Использование термически поддерживаемой электронной эмиссии позволяет компенсировать свойства горячего и холодного катодов. Преимущества примеров вариантов осуществления будут ясны при сравнении эмиссии Шоттки, термоэлектронной эмиссии и автоэлектронной эмиссии. Хорошо известно, что холодный катод может быть загрязнен из-за адсорбции электроотрицательных элементов, таких как S, Cl, присутствующих в остаточных газовых компонентах в трубке. Если адсорбция значительна, катод прекращает эмиссию электронов. Для автоэлектронной эмиссии в рентгеновской трубке холодный катод может быть регенерирован путем удаления трубки из корпуса и прокаливания всей трубки в печи, а затем помещения трубки обратно, чтобы понимать, что выполнение прокаливания является трудоемким процессом. С другой стороны, для трубки с эмиссией Шоттки нагрев в результате умеренного роста температуры у катода способствует эмиссии электронов, в то же самое время предотвращая адсорбцию загрязняющих атомов или молекул газа на катоде. В случае возникновения загрязнений регенерация может быть выполнена путем непосредственного нагрева катода без удаления трубки из корпуса трубки. Меньшее потребление мощности приведет к использованию более компактного источника питания, таким образом, позволяя рентгеновскому устройству стать транспортабельнее. Более того, использование такого режима электронной эмиссии устраняет необходимость в системе охлаждения или в продолжительных периодах охлаждения и нагрева, обычных для систем на основе горячей нити накаливания.

Данные примеры вариантов осуществления направлены на эмиттер электронов для рентгеновской трубки. Эмиттер электронов содержит электропроводящую подложку и наноструктурный материал. Наноструктурный материал содержится на по меньшей мере участке электропроводящей подложки. Наноструктурный материал сделан из оксидов, нитридов, силицидов, селинидов или теллуридов.

Пример преимущества вышеупомянутого варианта осуществления состоит в том, что использование такого наноструктурного материала делает возможной термически поддерживаемую эмиссию, например, эмиссию Шоттки. Таким образом, может быть получено более компактное рентгеновское устройство по сравнению с термоэлектронной эмиссией.

В соответствии с некоторыми примерами вариантов осуществления электропроводящая подложка сделана из нержавеющей стали, никеля, сплавов основе никеля, железа или сплавов основе железа.

В соответствии с некоторыми примерами вариантов осуществления электропроводящая подложка имеет форму сплошного цилиндра с поперечным сечением в виде круга, многоугольника или звезды.

Примерами преимущества упомянутых выше вариантов осуществления являются способность контролировать направление, плотность, а также другие характеристики электронной эмиссии посредством варьирования формы эмиттера электронов.

В соответствии с некоторыми примерами вариантов осуществления наноструктурный материал легирован или совместно легирован примесным элементом, содержащимся в столбцах IA, IIA, IB, IIIA, VIA или VIIA Периодической таблицы элементов.

В соответствии с некоторыми примерами вариантов осуществления наноструктурный материал сделан из ZnO. Следует отметить, что наноструктурный материал может быть сделан из оксидов железа, нитрида галлия или других родственных им сплавов или их соединений.

Примером преимущества таких вариантов осуществления является способность обеспечения альтернативы эмиттерам электронов, основанных на УНТ. Использование такой альтернативы обеспечивает пример преимущества предоставления эмиттера электронов, более совместимого с эмиссией на основе эффекта Шоттки. Эмиттеры электронов на основе углерода подвержены повреждению при температурах и в реактивной газовой среде, типичных для процесса изготовления трубок. Тогда как ZnO и родственные материалы имеют высокую температуру плавления и химически более стабильны при столь же привлекательной эффективности автоэлектронной эмиссии, как и у углеродных нанотрубок.

В соответствии с некоторыми примерами вариантов осуществления участки электропроводящей подложки, которые не содержат наноструктурный материал, дополнительно содержат диэлектрический слой. В соответствии с некоторыми примерами вариантов осуществления диэлектрический слой представляет собой SiO₂.

Примером преимущества таких вариантов осуществления является возможность контролировать эмиссию электронов. Этот контроль может производиться в форме контроля направления или плотности эмиссии электронов.

В соответствии с некоторыми примерами вариантов осуществления электропроводящая подложка может быть присоединяемой к нагревательному элементу. Примером преимущества такого варианта осуществления является способность обеспечения различных режимов эмиссии электронов, например, эмиссии Шоттки.

В соответствии с примерами вариантов осуществления эмиттер электронов выполнен с возможностью эмиссии Шоттки, когда нагревательный элемент находится во включенном состоянии, а эмиттер электронов смещен отрицательно. В соответствии с некоторыми примерами вариантов осуществления эмиттер электронов выполнен с возможностью автоэлектронной эмиссии, когда нагревательный элемент находится в выключенном состоянии, а эмиттер электронов смещен отрицательно.

Таким образом, в соответствии с такими примерами вариантов осуществления рентгеновское устройство может быть выполнено с возможностью двух режимов работы, позволяющих осуществлять как автоэлектронную эмиссию, так и эмиссию на основе эффекта Шоттки. Дополнительно также может быть размещена горячая нить накаливания. Такой пример варианта осуществления имеет преимущество в обеспечении универсального устройства, использующего при необходимости три режима эмиссии электронов, которое может генерировать рентгеновские изображения с различными разрешениями и уровнями контрастности.

Некоторые варианты осуществления направлены на рентгеновское устройство, содержащее описанный выше эмиттер электронов. Пример преимущества такого рентгеновского устройства состоит в возможности иметь универсальное устройство, которое может работать в режиме эмиссии Шоттки. Таким образом, такое устройство может быть портативным, как описано выше.

В соответствии с некоторыми примерами вариантов осуществления рентгеновское устройство дополнительно содержит множество эмиттеров электронов, расположенных для испускания электронов к принимающему электроны компоненту. В соответствии с некоторыми примерами вариантов осуществления множество эмиттеров электронов активируются индивидуально, одновременно или последовательно.

Такие варианты осуществления имеют пример преимущества в обеспечении более универсального устройства, поскольку активация различных эмиттеров электронов может обеспечить различие в результирующей эмиссии электронов. Таким образом, могут быть получены различия в разрешении изображений и т.д.

Раскрытые выше эмиттеры электронов вместе с анодом составляют так называемую диодную рентгеновскую трубку. В дальнейшем источник электронов может быть выполнен с возможностью содержать катод, как раскрыто выше, и сеточный электрод. Рентгеновский источник, содержащий этот тип источника электронов и анод, называется триодной трубкой.

Примеры вариантов осуществления направлены на источник электронов для рентгеновской трубки. Источник электродов содержит катод, как раскрыто выше, и сетку, которая размещена на фиксированном расстоянии и зафиксирована при помощи керамического разделителя. Сетка сделана из электропроводящих проводов одинакового диаметра. Более того, эти провода сделаны из тугоплавких слабоиспаряющихся электропроводящих материалов, таких как W, Mo, Ta, Ni, нержавеющая сталь или сплавы основе никеля. Диаметр этих проводов варьирует между 30 мкм и 150 мкм. Коэффициент живого сечения сетки изменяется между 50% и 80%. Более того, поверхность проводов в сетке покрыта тонким слоем или многими слоями материала(ов) со свойствами выраженной вторичной эмиссии, такими как MgO или родственными материалами. В качестве альтернативы, покрытие является УФ-излучающим материалом. Таким образом, покрытие увеличивает выходную интенсивность электронов из источника. Очевидно, тем не менее лучше указать, что хотя размещение сетки перед катодом является обычной практикой в вакуумных трубках и даже в устройствах автоэлектронной эмиссии, настоящий вариант осуществления демонстрирует отчетливое отличие от уровня техники в следующих аспектах: материал катода, механизм эмиссии и эффект усиления. Таким образом, суммарным преимуществом этого типа источника электронов, как раскрыто в триодной рентгеновской трубке, является независимость электронного пучка анода и увеличенный выходной ток.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Вышесказанное будет ясным из последующего более подробного описания примеров вариантов осуществления, как показано в сопроводительных чертежах, на которых в качестве ссылки символы относятся к одним и тем же компонентам на различных видах. Чертежи необязательно предназначены для масштабирования, вместо этого акцент сделан на иллюстрировании примеров вариантов осуществления.

Фиг. 1 является схемой рентгеновского устройства на основе термоэлектронной эмиссии;

Фиг. 2 является схемой рентгеновского устройства в соответствии с описанным в настоящем документе примером варианта осуществления;

Фиг. 3 является иллюстративным примером эмиттера электронов с сеткой, в соответствии с некоторыми описанными в настоящем документе примерами вариантов осуществления;

Фиг. 4 является иллюстративным примером различных форм, которые может иметь эмиттер электронов, в соответствии с некоторыми описанными в настоящем документе примерами вариантов осуществления;

Фиг. 5 является схемой рентгеновского устройства, содержащего множество эмиттеров электронов, в соответствии с некоторыми описанными в настоящем документе примерами вариантов осуществления, и

Фиг. 6А и 6В являются графиками, иллюстрирующими вольтамперные характеристики эмиттеров электронов с Фиг. 5, в соответствии с некоторыми описанными настоящем документе примерами вариантов осуществления.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

В последующем описании для целей разъяснения, но не ограничения, изложены специфичные детали, такие как конкретные компоненты, элементы, технологии и т.д. для обеспечения полного понимания примеров вариантов осуществления. Однако специалисту в данной области должно быть понятно, что примеры вариантов осуществления могут быть использованы другими способами, которые отходят от приведенных настоящем документе конкретных деталей. В других случаях детальные описания хорошо известных методов и элементов опущены, чтобы не мешать описанию примеров вариантов осуществления. Используемая в настоящем документе терминология предназначена для цели описания примеров вариантов осуществления и не предназначена для ограничения представленных настоящем документе вариантов осуществления.

Представленные в настоящем документе примеры вариантов осуществления направлены на эмиттер электронов для рентгеновского устройства, где эмиттер электронов содержит наноструктурный материал, сделанный из оксидов, нитридов, силицидов, селинидов или теллуридов. Такой эмиттер электронов полезен для предоставления рентгеновского устройства с режимом работы эмиссии Шоттки. Для лучшего описания примеров вариантов осуществления сначала будет определена и обсуждена проблема.

Фиг. 1 показывает традиционную рентгеновскую трубку. Рентгеновская трубка с Фиг. 1 характеризуется вакуумированной стеклянной трубкой 10, содержащей горячую нить накаливания катода 12 и анод 14, сделанный из тугоплавкого металла/сплава. Поверхность анода 14 обращена к катоду 12 под заданным углом наклона. Электрический ток, обеспечиваемый источником 13 питания, течет через нить накаливания катода 12, вызывая повышение температуры нити 12 накаливания до уровня, при котором происходит испускание электронного пучка 16 с этой нити накаливания. Электронный пучок 16 затем ускоряется к аноду 14 в электрическом поле. Это приводит к рентгеновскому пучку 18, который направлен из устройства через окно 20. Разность напряжений между катодом и анодом определяет энергию рентгеновского пучка.

Пожалуй, все рентгеновские трубки, применяемые для рентгеновской визуализации, используют горячие катоды из вольфрамовой нити на основе термоэлектронной эмиссии. В прошедшее десятилетие или около того была предпринята попытка использовать углеродные нанотрубки (УНТ) в качестве холодного катода для генерирования рентгеновских лучей при помощи автоэлектронной эмиссии. Такая электронная эмиссия индуцируется при помощи сильного электрического поля без нагрева. УНТ считаются идеальными эмиттерами электронов. Однако для их использования в источниках рентгеновских лучей производственный процесс и рабочие условия, по-видимому, предъявляют жесткие требования к свойствам материалов. Выходной ток все еще значительно ниже уровня, необходимого для практических применений. Таким образом, по меньшей мере один объект из примеров представленных настоящем документе вариантов осуществления служит для обеспечения альтернативного эмиттера электронов, который может обеспечить альтернативные средства эмиссии электронов для преодоления недостатков материала и функциональных недостатков, присущих горячему катоду, а также холодному катоду на основе УНТ; и следовательно приводит к портативному рентгеновскому устройству с улучшенными эксплуатационными характеристиками.

Таким образом, приведенные в настоящем документе примеры вариантов осуществления направлены на эмиттер электронов для рентгеновского устройства. Эмиттер электронов содержит наноструктурный материал, сделанный из оксидов, нитридов, силицидов, селинидов или теллуридов. Такой наноструктурный материал делает эмиттер электронов пригодным для автоэлектронной эмиссии и, что важнее, для эмиссии Шоттки. Использование термически поддерживаемой электронной эмиссии позволяет компенсировать свойства горячего и холодного катодов. Преимущества примеров вариантов осуществления будут ясны при сравнении эмиссии Шоттки, термоэлектронной эмиссии и автоэлектронной эмиссии. Хорошо известно, что холодный катод может быть загрязнен из-за адсорбции электроотрицательных элементов, таких как S, Cl, присутствующих в остаточных газовых компонентах в трубке. Если адсорбция значительна, катод прекращает эмиссию электронов. Для автоэлектронной эмиссии в рентгеновской трубке холодный катод может быть регенерирован путем удаления трубки из корпуса и прокаливания всей трубки в печи, а затем помещения трубки обратно, чтобы понимать, что выполнение прокаливания является трудоемким процессом. С другой стороны, для трубки с эмиссией Шоттки нагрев в результате умеренного роста температуры у катода способствует эмиссии электронов, в то же самое время, предотвращая адсорбцию загрязняющих атомов или молекул газа на катоде. В случае возникновения загрязнений регенерация может быть выполнена путем непосредственного нагрева катода без удаления трубки из корпуса трубки. Меньшее потребление мощности приведет к использованию более компактного источника питания, таким образом, позволяя рентгеновскому устройству стать транспортабельнее. Более того, использование такого режима электронной эмиссии устраняет необходимость в системе охлаждения или в продолжительных периодах охлаждения и нагрева, обычных для систем на основе горячей нити накаливания.

Фиг. 2 показывает рентгеновское устройство в соответствии с примерами вариантов осуществления. Рентгеновское устройство с Фиг. 2 содержит вакуумированную стеклянную трубку 10, содержащую эмиттер электронов или катод 22 и принимающий электроны компонент 14. Поверхность принимающего электроны компонента 14 обращена к эмиттеру 22 электронов под заданным углом наклона. Поверхность эмиттеров может быть также расположена параллельно принимающему электроны компоненту. Электрический ток, обеспечиваемый источником 28 питания, течет через нагревательный элемент 21, вызывая возрастание температуры эмиттера 22 электронов до уровня, который способствует эмиссии электронного пучка 25 с эмиттера 22 электронов, когда в это же самое время катод смещен отрицательно. Такая эмиссия известна как эмиссия Шоттки. В противоположность эмиссии электронов на Фиг. 1, которая индуцируется исключительно высокими температурами из-за нагрева, эмиссия на Фиг. 2 индуцируется электрическим полем при содействии умеренного нагрева.

Электроны электронного пучка 25 затем ускоряются к принимающему электроны компоненту 14 с помощью электрического поля. Это приводит к появлению рентгеновского пучка 26, который направлен из устройства через окно 20. Разность напряжений между катодом и анодом определяет энергию рентгеновского пучка.

В соответствии с некоторыми примерами вариантов осуществления сетка 30 расположена между поверхностью 23, содержащей наноструктуры 24 эмиттера электронов, и принимающим электроны компонентом 14, который действует как вытягивающий электрод, как показано на Фиг. 3. В соответствии с некоторыми примерами вариантов осуществления разделитель 31 расположен между эмиттером электронов и сеткой 30. Сетка может быть расположена на расстоянии в интервале от 100 мкм до 1000 мкм до эмиттера электронов, который зафиксирован посредством этого разделителя. Круглая крышка 32 расположена поверх сетки, действуя как сеточный электрод, обеспечивая напряжение на сетке. В соответствии с некоторыми примерами вариантов осуществления, разделитель может быть керамической прокладкой.

Сетка сделана из электропроводящих проводов одинакового диаметра. Более того, эти провода сделаны из тугоплавких слабоиспаряющихся электропроводящих материалов, таких как W, Mo, Ta, Ni, нержавеющая сталь или сплавы на основе никеля. Диаметр этих проводов варьирует между 30 мкм и 150 мкм. Линейный коэффициент живого сечения сетки варьирует между 50% и 80%. Более того, поверхность проводов в сетке покрыта тонким слоем или многими слоями материала(ов) со свойствами выраженной вторичной эмиссии, такими как MgO или родственными материалами. В качестве альтернативы, покрытие является УФ-излучающим материалом, например, GaN или родственными материалами.

Таким образом, покрытие увеличивает выходную интенсивность электронов из эмиттера электронов. Таким образом, общими преимуществами этого вида эмиттера электронов, как продемонстрировано в триодной рентгеновской трубке, показанной на Фиг. 5, являются независимость электронного пучка на аноде и увеличенный выходной ток. Более того, поле, созданное между эмиттером электронов и сеткой, определяет интенсивность электронного пучка. К тому же разность напряжений между эмиттером электронов и принимающим электроны компонентом 14 определяет энергию рентгеновского пучка. Следует отметить, что сетка и разделитель с Фиг. 3 могут быть применены для эмиттера электронов в соответствии с любым приведенным в настоящем документе примером варианта осуществления.

Эмиттер 22 электронов содержит электропроводящую подложку 23, содержащую покрытие из наноструктур 24. Нагревательный элемент 21 является присоединяемым к электропроводящей подложке 23 через два электрических сквозных соединения на конце катода трубки. Покрытие 24 из наноструктур может быть выращено на электропроводящей подложке 23. Покрытие из наноструктур может быть в форме наночастиц, нанопроводов, наностержней, нанотетраподов или нанотрубок. Материалом подложки может быть нержавеющая сталь, никель, сплавы основе никеля, железо или сплавы основе железа. В соответствии с некоторыми примерами вариантов осуществления, подложка предварительно сформирована в различных формах.

Фиг. 4 иллюстрирует примеры форм, которые может иметь эмиттер электронов. Эмиттер 22а электронов сделан в форме закругленной пирамиды, содержащей электропроводящую подложку 23а и покрытие из наноструктур 24а. Дополнительный пример эмиттера 22b электронов приведен в форме сплошного цилиндра, содержащего также электропроводящую подложку 23b и покрытие из наноструктур 24b. Фиг. 4 представляет дополнительный пример эмиттера электронов в форме пустотелого цилиндра 22с, характеризующегося электропроводящей подложкой 23с и покрытием из наноструктур 24с. Дополнительный пример эмиттера электронов представлен в форме пустотелой звезды 22d, содержащей электропроводящую подложку 23d и покрытие из наноструктур 24d. Следует отметить, что такие формы могут быть адаптированы для различных применений рентгеновских лучей, поскольку формы могут влиять на направление испускаемых электронов. Дополнительно следует отметить, что другие формы также могут применяться в рентгеновском устройстве в соответствии с примерами вариантов осуществления.

Подложки, описанные на Фиг. 4, могут быть связаны параллельно в заданном пространстве. Поверхность, сформированная верхними концами подложек, может быть плоской, вогнутой или выпуклой по форме для придания формы фокальному пятну пучка электронов.

В соответствии с некоторыми примерами вариантов осуществления покрытие из наноструктур может быть выращено методом твердой-жидкой-газообразной фазы, химического осаждения из газовой фазы (CVD) или методом химического раствора. В соответствии с некоторыми примерами вариантов осуществления, покрытие из наноструктур выполнено с возможностью его изменения с учетом морфологии для дальнейшего облегчения эмиссии электронов химическими, электрохимическими и оптическими средствами в течение или после процесса выращивания.

В соответствии с некоторыми примерами вариантов осуществления покрытие из наноструктур может быть сделано из оксидов, нитридов, силицидов, селенидов или теллуридов. В соответствии с некоторыми примерами вариантов осуществления покрытие из наноструктур может быть сделано из оксидов полупроводников, например, ZnO. ZnO является полупроводником n-типа с большой шириной запрещенной зоны. Электропроводность связана с вакансиями кислорода, образующимися в процессе роста.

Улучшение проводимости достигается путем легирования химическими элементами из столбцов IA, IIA, IB, IIIA, VIA, VIIA Периодической таблицы элементов. Термическая обработка после выращивания применяется для гомогенизации примесей или для частичного их выделения у поверхности. Морфология наноструктуры может быть изменена химическими или электрохимическими способами для достижения локального усиления поля. УФ-обработка может также применяться для улучшения свойств поверхности. Поверхностное покрытие может быть нанесено на наноструктуры для дальнейшего усиления процесса эмиссии электронов за счет уменьшения работы выхода с поверхности эмиттера.

В соответствии с некоторыми примерами вариантов осуществления диэлектрический слой, например, SiO₂, может быть добавлен на электропроводящую подложку в областях, на которых отсутствует покрытие из наноструктур. Такое диэлектрическое покрытие может быть полезным для направления эмиссии электронов.

Когда приложен умеренный нагрев через нагревательный элемент 21, и в то время как эмиттер электронов смещен отрицательно, электроны испускаются благодаря эмиссии Шоттки. Когда нагрев выключен, а эмиттер электронов смещен отрицательно, электроны испускаются благодаря автоэлектронной эмиссии. Добавленная функция нагрева, которая отсутствует в предшествующих рентгеновских источниках на токе автоэлектронной эмиссии, также может применяться для регенерации поверхности эмиттера электронов путем удаления нежелательных адсорбированных химических соединений с поверхности эмиттеров в случае загрязнения катода.

В соответствии с некоторыми примерами вариантов осуществления в рентгеновском устройстве могут быть использованы несколько эмиттеров электронов. Фиг. 5 показывает рентгеновскую трубку с несколькими эмиттерами электронов. В этом варианте осуществления три эмиттера 22_1, 22_2 и 22_3 электронов установлены в закрытой трубке 10 с эмиттерами, обращенными к принимающему электроны компоненту 14. Количество эмиттеров электронов и расстояние между ними может варьироваться.

Следует отметить, что в соответствии примерами вариантов осуществления в рентгеновском устройстве может использоваться любое количество эмиттеров электронов. Дополнительно следует отметить, что эмиттеры электронов с Фиг. 5 могут быть эмиттером электронов, охарактеризованным на любом из чертежей Фиг. 2 - Фиг. 4, или эмиттером любой другой формы. Также следует отметить, что эмиттеры электронов не обязательно должны быть идентичными и могут содержать различные формы и(или) характеристики по отношению один к другому.

Схемой расположения эмиттеров электронов может быть, но не ограничиваясь этим, линейная, круглая, прямоугольная, квадратная, круглая или другой многоугольной формы. Применительно по отношению к принимающему электроны компоненту 14, эмиттеры 22_1, 22_2 и 22_3 электронов могут быть расположены так, чтобы все они излучают электроны 25a-25c, направленные в одно фокальное пятно принимающего электроны компонента 14, либо так, что они проецируют увеличенное или уменьшенное изображение эмиссионной структуры на принимающий электроны компонент 14.

Предполагается, что все эти вариации удовлетворяют требованиям к размеру и форме рентгеновского пучка 26. Эмиттеры 22_1, 22_2 и 22_3 электронов могут быть активированы коллективно или индивидуально, одновременно или последовательно. Такой гибкий режим активации делает возможным высокочастотный, импульсный режим генерации рентгеновских пучков путем задания выходной частоты источника питания, и широкий диапазон выбора доз путем выбора числа активируемых эмиттеров 22_1, 22_2 и 22_3 электронов. Активация эмиттеров 22_1, 22_2 и 22_3 электронов может контролироваться источником 28 питания.

Представленные в настоящем документе примеры вариантов осуществления позволяют производить индивидуальную активацию эмиттеров 22_1, 22_2 и 22_3 электронов, таким образом, обеспечивая механизм стабилизации тока эмиссии, что невозможно в существующих рентгеновских системах. Следует отметить, что неоднородность эмиссии является серьезной проблемой для катодов большой площади или мультикатодов. Эта проблема происходит из-за геометрической и физической неоднородности эмиттеров.

Другими словами, проблема эмиттеров, описанная выше, происходит из-за аспектов материалов и обработки. Поэтому некоторые из примеров вариантов осуществления направлены на улучшение роста материала эмиттера на подложке.

В соответствии с некоторыми примерами вариантов осуществления существование неоднородности между эмиттерами решается на уровне компонентов. Такой пример варианта осуществления описан путем рассмотрения трехкатодной конфигурации в качестве примера на Фиг. 5.

Фиг. 6А и 6B иллюстрируют характеристики по току и напряжению для конструкции эмиттера электронов с Фиг. 4. На каждом графике напечатанные точки, представленные треугольными, квадратными и круглыми символами, соответствуют напряжениям и токам эмиттеров 22_1, 22_2 и 22_3 электронов, соответственно, с Фиг. 5.

Фиг. 6А иллюстрирует приложение напряжения V при сохранении одинакового расстояния между тем же электроном и принимающим электроны компонентом. Каждый эмиттер 22_1, 22_2 и 22_3 электронов будет испускать ток i1, i2 и i3 соответственно. Как показано на графике Фиг. 6А, величина тока, поставляемого электронной эмиссией каждого эмиттера электронов, различается. Хотя эта неоднородность может быть количественно описана путем формального определения среднеквадратической ошибки или среднеквадратического отклонения значений измеренного тока всех рассматриваемых эмиттеров, показанное на Фиг. 6А графическое различие достаточно для иллюстрации этого вопроса.

Если все три эмиттера электронов должны испускать одинаковый ток, тогда к эмиттерам электронов необходимо приложить разные напряжения v1, v2, и v3, соответственно, как показано на Фиг. 6B. Выгодное следствие проявляет себя, когда эмиттеры электронов направлены на различные фокальные пятна для создания определенной формы рентгеновского пучка. Этот механизм обеспечивает пространственную однородность рентгеновского пучка путем обеспечения постоянного тока во всех фокальных пятнах. Дополнительное преимущество заключается в том, что когда эмиттеры электронов направлены на одно фокальное пятно и на них последовательно подается смещение, эти эмиттеры обеспечивают эмиссию электронов, однородную во времени с постоянным током от времени. Дополнительно, чтобы гарантировать стабильность и однородность рентгеновской эмиссии, цепь контроля обратной связи может быть использована для контроля процесса эмиссии электронов.

В соответствии с некоторыми примерами вариантов осуществления источник 28 электропитания дополнительно выполнен с возможностью подачи разности потенциалов между по меньшей мере одним генерирующим электроны компонентом(ами) и принимающим электроны компонентом для диодной трубки в трех режимах смещения: (-,0: катод отрицательный, анод заземлен), (-,+: катод отрицательный, анод положительный), (0,+: катод заземлен, анод положительный). Использование таких режимов смещения предусмотрено для возбуждения эмиссии Шоттки или автоэлектронной эмиссии. Таким образом, пример преимущества такого варианта осуществления с пониженными требованием к тепловой мощности состоит в устранении охлаждающей системы или продолжительных периодов охлаждения и нагрева, обычных для систем на основе горячей нити накаливания. Таким образом, могут быть получены более транспортабельные рентгеновские устройства.

В соответствии с некоторыми примерами вариантов осуществления источник электропитания выполнен с возможностью работы в режиме постоянного тока, т.е. постоянных (-,0), (-,+), (0,+); в импульсном режиме, т.е. прямоугольных импульсов с заземленным анодом или заземленным катодом; или в режиме переменного тока, т.е. синусоидальной волны. Пример преимущества в обеспечении источника электропитания с тремя режимами работы состоит в способности обеспечить более универсальное устройство. Например, в импульсном режиме и в режиме переменного тока могут быть получены заданные время нарастания, частота, скважность и форма импульсов сигнала.

Следует отметить, что описанное в настоящем документе рентгеновское устройство может быть использовано во множестве областей. Например, рентгеновское устройство может применяться в сканирующем рентгеновском устройстве для служб безопасности, например, как можно найти в службе безопасности аэропорта. Поскольку использование нагревательного элемента и эмиссии Шоттки позволяет делать более транспортабельные устройства, это рентгеновское устройство может быть легко применено в такой системе безопасности.

Дополнительным примером применения обсуждаемого в настоящем документе рентгеновского устройства являются медицинские сканирующие устройства, такие как сканирующий аппарат компьютерной томографии (КТ) или сканирующий аппарат с рамой С-типа, который может включать в себя мини аппарат с рамой С-типа. Дополнительным примером применения обсуждаемого в настоящем документе рентгеновского устройства является аппарат для геологической съемки.

Следует отметить, что описанное в настоящем документе рентгеновское устройство может быть использовано в любом аппарате неразрушающего контроля. Несколькими примерами применения этого рентгеновского устройства могут быть маммография, визуализация в ветеринарии, рентгеновская флуоресцентная спектрометрия и т.д.

Описание примеров вариантов осуществления, приведенное в настоящем документе, представлено для целей иллюстрации. Это описание не предназначено быть исчерпывающим или ограничивающим примеры вариантов осуществления точными формами, которые были раскрыты, и модификации и вариации возможны в свете вышеизложенного или могут потребоваться из практики применения представленных различных вариантов осуществления. Обсуждаемые в настоящем документе примеры были выбраны и описаны для пояснения принципов и природы различных примеров вариантов осуществления и их практического применения, чтобы позволить специалистам в данной области использовать эти примеры вариантов осуществления разными способами и в разных модификациях, подходящих для конкретного предполагаемого применения. Детали описанных в настоящем документе вариантов осуществления могут быть скомбинированы во всех возможных комбинациях методов, аппаратов, модулей, систем и компьютерных программных продуктов. Следует отметить, что представленные в настоящем документе примеры вариантов осуществления могут на практике использоваться в любой комбинации между собой.

Следует отметить, что слово «содержащий» не обязательно исключает присутствие других элементов или этапов, кроме перечисленных, а единственное число не исключает присутствия множества таких элементов. Следует отметить, что любые ссылочные позиции не ограничивают область формулы изобретения, что примеры вариантов осуществления могут быть реализованы по меньшей мере частично при помощи и аппаратного, и программного обеспечения, и что несколько способов, блоков или устройств могут быть представлены одним и тем же элементом аппаратуры.

На рисунках и в описании изобретения были раскрыты примерные варианты осуществления. Однако по отношению к этим вариантам осуществления могут быть сделаны многие вариации и модификации. Соответственно, хотя использовались специальные термины, они использованы только в общем и описательном смысле, а не с целью ограничения, при этом объем охраны вариантов осуществления задается следующей формулой изобретения.

Изобретение относится к эмиттеру электронов для рентгеновской трубки. Эмиттер электронов содержит электропроводящую подложку (23) и наноструктурный материал (24). Наноструктурный материал содержится на по меньшей мере участке электропроводящей подложки. Наноструктурный материал сделан из оксидов, нитридов, силицидов, селинидов или теллуридов. Такой эмиттер электронов может быть использован для гибридной эмиссии, например, эмиссии Шоттки или автоэлектронной эмиссии. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей эмиттера электронов за счет возможности обеспечения гибридной эмиссии, например, эмиссии Шоттки или автоэлектронной эмиссии. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Эмиттер (22, 22_1, 22_2, 22_3) электронов для рентгеновской трубки, содержащий:

электропроводящую подложку (23) и

наноструктурный материал (24), содержащийся на по меньшей мере участке электропроводящей подложки, причем наноструктурный материал сделан из ZnO, причем электропроводящая подложка (23) является присоединяемой к нагревательному элементу (21), и

причем эмиттер электронов выполнен с возможностью эмиссии Шоттки, когда нагревательный элемент (21) находится во включенном состоянии, а эмиттер электронов смещен отрицательно.

2. Эмиттер (22, 22_1, 22_2, 22_3) электронов по п. 1, дополнительно содержащий сетку (30), расположенную на фиксированном расстоянии от электропроводящей подложки (23) через разделитель (31), причем упомянутое расстояние составляет от 100 мкм до 1000 мкм.

3. Эмиттер (22, 22_1, 22_2, 22_3) электронов по любому из пп. 1, 2, причем электропроводящая подложка (23) сделана из нержавеющей стали, никеля, сплавов на основе никеля, железа или сплавов на основе железа.

4. Эмиттер (22, 22_1, 22_2, 22_3) электронов по п. 3, причем электропроводящая подложка (23) имеет форму сплошного цилиндра с поперечным сечением в виде круга, многоугольника или звезды.

5. Эмиттер (22, 22_1, 22_2, 22_3) электронов по любому из пп. 1-4, причем наноструктурный материал (24) легирован или совместно легирован примесным элементом, содержащимся в столбцах IA, IIA, IB, IIIA, VIA или VIIA Периодической таблицы элементов.

6. Эмиттер (22, 22_1, 22_2, 22_3) электронов по любому из пп. 1-5, причем участки электропроводящей подложки (23), которые не содержат наноструктурный материал (24), дополнительно содержат диэлектрический слой.

7. Эмиттер (22, 22_1, 22_2, 22_3) электронов по п. 6, причем диэлектрический слой представляет собой SiO₂.

8. Эмиттер (22, 22_1, 22_2, 22_3) электронов по п. 1, причем эмиттер электронов выполнен с возможностью автоэлектронной эмиссии, когда нагревательный элемент (21) находится в выключенном состоянии, а эмиттер электронов смещен отрицательно.

9. Рентгеновское устройство, содержащее эмиттер (22, 22_1, 22_2, 22_3) электронов по любому из пп. 1-8.

10. Рентгеновское устройство по п. 9, дополнительно содержащее множество эмиттеров (22, 22_1, 22_2, 22_3) электронов, расположенных для испускания электронов к принимающему электроны компоненту (14).

11. Рентгеновское устройство по п. 10, причем упомянутое множество эмиттеров (22, 22_1, 22_2, 22_3) электронов активируется индивидуально, одновременно или последовательно.