ИСТОЧНИК РЕНТГЕНОВСКИХ ЛУЧЕЙ СО МНОЖЕСТВОМ ЭМИТТЕРОВ ЭЛЕКТРОНОВ
X-RAY SOURCE WITH VARIETY OF ELECTRON EMITTERS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к источнику рентгеновских лучей, содержащему мишень, бомбардируемую электронными пучками для генерации рентгеновских лучей. Кроме того, оно содержит устройство воспроизведения изображения с таким источником рентгеновских лучей и способ генерации рентгеновских лучей.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Классические источники рентгеновских лучей, которые используются, например, в области медицинской рентгеновской диагностики, содержат нагретый катод для испускания электронов в направлении анода, где бомбардировка электронами генерирует пучки рентгеновских лучей. Кроме того, патент США 6912268 В2 описывает источник рентгеновских лучей с одним "холодным" катодом, который имеет искривленную поверхность, из которой испускаются электроны таким образом, что сходятся на соответствующем аноде.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Исходя из такого положения вещей задачей настоящего изобретения было создание средства, которое позволило бы обеспечить "универсальную" генерацию рентгеновских лучей, в частности, относительно пространственной точки эмиссии (фокальное пятно) пучков рентгеновских лучей.
Эта задача решена посредством источника рентгеновских лучей в соответствии с п.1 формулы изобретения, способа генерации в соответствии с п.14 формулы и рентгеновского устройства воспроизведения изображения в соответствии с п.13 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.
В соответствии с первым объектом настоящее изобретение относится к источнику рентгеновских лучей для генерации пучков рентгеновских лучей, которые, например, могут быть использованы в медицинских или промышленных задачах воспроизведения изображения. Источник рентгеновских лучей содержит следующие компоненты:
а) мишень для испускания рентгеновских лучей при бомбардировке ее пучком электронов. Подходящие конструкции и материалы для такой мишени хорошо известны специалистам в данной области техники и включают в себя, например, вольфрамовые электроды. Поскольку во время работы мишень обычно подсоединена с положительным потенциалом, далее по тексту она иногда будет называться "анодом",
b) генератор пучка электронов с, по меньшей мере, двумя источниками пучков электронов, предназначенный для селективного испускания пучков электронов, которые сходятся в направлении вышеупомянутой мишени. Источники пучка электронов могут представлять собой устройство любого типа, которое способно испускать направленный пучок электронов. Конкретные варианты исполнения будут описаны ниже более подробно.
Области, из которых рассматриваемые два источника пучков электронов испускают пучки электронов, имеют некоторое первое пространственное расстояние, которое определяется конструкцией. А точки мишени, в которых испущенные пучки электронов попадают в мишень, имеют между собой второе пространственное расстояние (где под термином "точки" мишени определенно понимается, например, центр тяжести области, в которую попадает пучок электронов). Сходимость пучков электронов в этом случае может быть переопределена как условие, при котором первое расстояние (между источниками пучков электронов) больше, чем второе расстояние (между точками на мишени).
Следует заметить, что источник рентгеновских лучей обычно содержит дополнительные компоненты, такие, которые хорошо известны специалистам в данной области техники, и поэтому здесь специально не упоминаются. Такие компоненты включают в себя, например, источник питания, подающий необходимую энергию, и контроллер для управления генератором пучка электронов, например, посредством селективного включения активизации разных источников пучков электронов.
Одним из преимуществ описанного источника рентгеновских лучей является то, что испускание рентгеновских лучей может управляться очень гибким образом посредством соответствующего управления отдельными источниками пучков электронов. Переключение с одного источника пучка электронов на другой позволяет, например, фокальным точкам испускания рентгеновских лучей перепрыгивать без необходимости (медленного) перемещения механических компонентов. Другим преимуществом является то, что вследствие сходимости пучков электронов расстояние вышеупомянутых "прыжков" может быть сделано меньшим, чем расстояние между соответствующими (переключаемыми) источниками пучков электронов. Сходимость пучков электронов способствует преодолению ограничений, накладываемых аппаратными условиями. Как следствие, пространственное разрешение, которое может быть достигнуто источниками рентгеновских лучей, больше, чем пространственное разрешение, достижимое между источниками пучков электронов.
Изобретение, кроме того, относится к способу генерации рентгеновских лучей, при этом упомянутый способ содержит следующие этапы:
а) селективное испускание пучков электронов из, по меньшей мере, двух различных источников пучков электронов генератора пучка электронов;
b) фокусировку упомянутых пучков электронов, сходящихся таким образом на мишени.
Способ содержит в общей форме этапы, которые могут быть выполнены посредством источника рентгеновских лучей вышеописанного типа. Поэтому в том, что касается дополнительной информации относительно деталей, преимуществ и усовершенствований этого способа, делается ссылка на предыдущее описание.
Ниже будут описаны дальнейшие варианты осуществления изобретения, которые относятся как к источнику рентгеновских лучей, так и к вышеописанному способу.
Вообще говоря, источники пучков электронов, а также соответствующие им целевые точки на аноде могут быть распределены в пространстве случайным образом. Тем не менее, в расположении целевых точек, реально, будет определенный порядок или структура, которая соответствует конкретным потребностям предполагаемой задачи. В предпочтительном варианте осуществления целевые точки источников пучка электронов на мишени ("аноде") лежат на, по меньшей мере, одной данной траектории, при этом термин "траектория" в общем случае будет означать одномерную линию или кривую. Рентгеновские лучи, таким образом, могут быть селективно испускаемыми из мест вдоль упомянутой траектории, что необходимо, например, в сканере компьютерного томографа. Во многих случаях эта траектория будет просто соответствовать прямой линии.
В вышеупомянутом варианте осуществления взаимное расстояние между двумя соседними целевыми точками электронных лучей на траектории, предпочтительно, меньше, чем расстояние между соседними источниками электронных лучей. Сходимость электронных лучей, таким образом, используется для создания траектории "плотно упакованных" целевых точек, позволяя, например, создавать рентгеновские изображения с высоким пространственным разрешением.
Генератор пучка электронов, вообще говоря, может быть устройством любого типа, которое способно испускать, по меньшей мере, два направленных пучка электронов. В соответствии с настоящим изобретением генератор пучка электронов содержит два следующих основных компонента:
а) "эмиттерное устройство" с совокупностью эмиттеров электронов, то есть элементов, в которых электроны могут покидать материал и выходить в окружающее пространство (обычно, вакуумированное) в виде свободных электронов. Эмиттер электронов обычно работает как катод, чтобы создавать соответствующие электрические поля и энергию (рабочая функция) для эмиссии электронов;
b) "электродное устройство" с совокупностью электродных элементов, предназначенных для селективного направления пучков электронов, испущенных эмиттерным устройством. С помощью электродных устройств, к которым во время работы приложен соответствующий электрический потенциал, эмиссия эмиттеров электронов может быть сформирована в хорошо определенные и должным образом направленные пучки. Обычно электродные элементы и эмиттеры электронов предназначены один для другого взаимно-однозначным образом.
Предпочтительно, эмиттеры электронов представляют собой "холодные катоды", которые содержат, например, материалы на основе углеродных нанотрубок (УНТ). Было показано, что углеродные нанотрубки являются превосходными испускающими электроны материалами, которые допускают малое время переключения и компактную конструкцию. Таким образом, например, можно создать источники рентгеновских лучей с многочисленными катодами и/или стационарные сканеры для компьютерной томографии.
Дополнительную информацию по углеродным нанотрубкам и источникам рентгеновских лучей, которые могут быть построены на их основе, можно найти в литературе (например, в заявке US 2002/0094064 A1, в патенте США 6850595 или в статье G.Z. Yue и др. "Generation of continuous and pulsed diagnostic imaging x-ray radiation using a carbon-nanotube-based field-emission cathode" ("Генерация непрерывного и импульсного рентгеновского излучения в системах воспроизведения изображения с использованием автоэлектронной эмиссии посредством катода на основе углеродных нанотрубок"), Appl. Phys. Lett. 81(2), 355-8 (2002)).
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения эмиттеры электронов вышеупомянутого эмиттерного устройства расположены на искривленной поверхности. Поскольку испущенные электроны стремятся перемещаться перпендикулярно поверхности испускания, такая кривизна способствует созданию сходящихся пучков электронов.
Одной из функций вышеупомянутых электродных элементов в электродном устройстве является направление или коллимация электронов, испущенных эмиттерным устройством. В самом простом случае электроны от соответствующего эмиттера электронов через электродный элемент перемещаются к своей целевой точке на аноде по прямой линии. В другом же варианте осуществления электродный элемент может быть выполнен с возможностью отклонения электронных пучков. Электроны, исходящие из эмиттера электронов, будут изменять свое направление вследствие такого влияния электродных элементов. Таким образом, электродные элементы могут быть использованы для превращения изначально параллельных (или даже расходящихся) электронных пучков, выходящих из электродного устройства, в сходящиеся по всему дальнейшему их пути к мишени.
Электродные элементы вышеупомянутого электродного устройства, в частности, могут быть расположены на искривленной поверхности. Такая кривизна в их расположении может быть, например, использована для генерирования вышеупомянутого отклонения электронных пучков.
Уже говорилось, что источники пучков электронов генератора пучка электронов могут быть распределены в пространстве случайным образом. То же самое относится и к эмиттерам электронов вышеупомянутого эмиттерного устройства. В предпочтительном варианте осуществления источники пучков электронов и/или эмиттеры электронов, тем не менее, расположены в двухмерном наборе. В этом контексте термин "набор" означает случайную расстановку элементов по плоской или искривленной поверхности, в то время как двухмерность расстановки дополнительно требует, чтобы не все элементы лежали на общей линии. Размещение источников пучков электронов или эмиттеров электронов в двухмерном наборе имеет то преимущество, что такое упорядочение может быть легко реализовано по поверхности некоторого устройства (например, подложки) и что при этом оптимально используется имеющееся на этой поверхности пространство.
В дальнейшем развитии вышеупомянутого варианта исполнения набор источников пучков электронов или эмиттеров электронов имеет матричную сетку (которая по определению состоит из по существу параллельных столбцов, каждый из которых содержит множество "элементов", то есть источников пучков электронов или эмиттеров электронов). Кроме того, элементы в соседних столбцах этой матричной сетки смещены в направлении столбца относительно друг друга. Следовательно, ряды матрицы становятся наклонными.
В вышеупомянутом случае предпочтительно, чтобы элементы, по меньшей мере, двух разных столбцов матричной сетки фокусировались на мишени на одну и ту же (одномерную) траекторию. Таким образом, наборы целевых точек, которые связаны с разными столбцами, объединяются на мишени в одну единую траекторию, что имеет то преимущество, что вследствие смещения расстояние между соседними целевыми точками на этой траектории меньше, чем расстояние между соседними элементами в одном столбце.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения целевые точки, по меньшей мере, двух источников пучков электронов совпадают на мишени. В этом случае мощность двух источников пучков электронов может быть объединена для генерации эмиссии рентгеновских лучей из одной точки (фокального пятна) на мишени.
Во многих случаях поверхность мишени, о которую ударяются пучки электронов, будет просто плоской. В возможном варианте осуществления изобретения поверхность мишени, поражаемой пучками электронов, может быть и искривленной. Эта кривизна может способствовать достижению нужного направления результирующих рентгеновских лучей.
Изобретение, кроме того, относится к устройству воспроизведения изображения на основе рентгеновских лучей, содержащему источник рентгеновских лучей вышеописанного типа, то есть источник рентгеновских лучей с мишенью для испускания рентгеновских лучей при бомбардировке ее пучком электронов, и генератор пучка электронов с, по меньшей мере, двумя источниками пучков электронов, предназначенный для селективного испускания пучков электронов, которые сходятся в направлении мишени. Это устройство воспроизведения изображения может быть, в частности, компьютерным томографом, μСT анализатором материалов (промышленным или научным), устройством для инспекции багажа или устройством для томосинтеза. Кроме того, устройство воспроизведения изображения обычно содержит детектор для детекции рентгеновских лучей после их взаимодействия с объектом и аппаратуру обработки данных для оценки результатов измерений и восстановления изображений.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и другие аспекты изобретения будут очевидны или более понятны при рассмотрении описанных далее вариантов осуществления. Эти варианты осуществления описаны посредством примеров и с помощью сопроводительных чертежей, на которых:
фиг.1 схематично показывает вид в перспективе первого источника рентгеновских лучей в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.2 отдельно показывает устройство эмиттера источника рентгеновских лучей по фиг.1;
фиг.3 схематично показывает вид сверху на источник рентгеновских лучей по фиг.1;
фиг.4 схематично показывает вид сверху второго источника рентгеновских лучей в соответствии с изобретением с плоским электродным устройством.
На фигурах одни и те же ссылочные позиции или позиции, отличающиеся одна от другой на целые сотни, относятся к одним и тем же или подобным компонентам.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Использование полевых эмиттеров на основе углеродных нанотрубок (УНТ) обусловило создание распределенных источников рентгеновских лучей для решения задач в области воспроизведения медицинских изображений. Источник рентгеновских лучей на основе углеродной нанотрубки (УНТ) может включать в себя подложку с конструкцией эмиттера и расположенный сверху эмиттера фокусирующий элемент, который состоит из одного, двух или более фокусирующих электродов. Для получения линейной структуры эмиттеров на основе углеродных нанотрубок (УНТ) размещение эмиттера и фокусирующего элемента (то есть отверстия в электроде сверху над излучающим центром подложки) может быть выполнено с некоторым шагом в одном или в двух измерениях. В результате получается одномерный набор или двухмерный набор источников электронных пучков, который селективно испускает пучок электронов на зафиксированный (или, может быть, даже вращающийся) анод.
Для достижения высокого пространственного разрешения генерируемых изображений УНТ-эмиттеры разных столбцов могут быть размещены со смещением (например, смещение в ј пикселя), позволяя, таким образом, достичь более высокого разрешения шага точки фокального пятна результирующего пучка рентгеновских лучей от анода.
В описанном подходе двухмерное расположение эмиттеров обуславливает различные положения фокальных пятен (целевых областей электронных пучков) на аноде. Это приводит к различным положениям фокальных пятен и размеров полученных пучков рентгеновских лучей; кроме того, в зависимости от используемого УНТ-эмиттера при этом изменяется расстояние от фокального пятна до объекта. Для дискретизации объекта с высоким разрешением необходимо, однако, выстроить все рентгеновские фокальные пятна в линию или в четко определенные положения в одной или в двух линиях. При использовании параллельных электронных пучков достичь этого невозможно.
Для решения этой проблемы предложено построить источник рентгеновских лучей, в котором электронные пучки электронов, генерируемые генератором электронного пучка, сходятся в направлении мишени. Таким образом, могут быть достигнуты минимальные расстояния между источниками электронов, обусловленные аппаратными ограничениями, при одновременной возможности более плотного упорядочения фокальных пятен рентгеновских лучей на аноде.
Фиг.1 схематично иллюстрирует вид в перспективе первого источника 100 рентгеновских лучей, построенного в соответствии с вышеупомянутым принципом. Источник 100 рентгеновских лучей содержит следующие компоненты:
1. Мишень 110, которая может быть выполнена в виде пластины или подложки из подходящего материала, такого как сплав вольфрама. Когда на мишень в точку Т попадает пучок В электронов, испускается пучок Х рентгеновских лучей. Во время работы мишень 110 обычно находится под положительным электрическим потенциалом, обеспечиваемым контроллером 150. Поэтому далее по тексту она синонимично называется "анодом".
2. Генератор 120 пучка электронов с источниками 121 пучков электронов для генерации пучков электронов В, В', которые сходятся в направлении к аноду. В показанном варианте осуществления генератор пучка электронов содержит два субкомпонента, а именно:
2.1 Электродное устройство 130, выполненное из электропроводящего материала, прямолинейного или искривленного, содержащего набор отверстий 131, сквозь которые могут проходить пучки электронов В, В'. Во время работы электродное устройство 130 посредством контроллера 150 поддерживается под электрическим потенциалом, который выбран таким образом, чтобы достичь требуемой коллимации и/или отклонения электронов. Электродное устройство может состоять также из двух или более электродов.
2.2 Эмиттерное устройство 140, в данном случае выполненное в виде искривленной подложки с поверхностью, на которой в матричной сетке расположены эмиттеры 141 электронов. Во время работы на эмиттеры 141 электронов посредством контроллера 150 могут быть селективно (то есть индивидуально) поданы (отрицательные) потенциалы, вынуждающие их испускать электроны. Обычно в данный момент времени активизирован только один эмиттер 141 электронов. Эмиттеры 141 электронов, в частности, могут быть построены на основе углеродных нанотрубок (УНТ).
Вследствие вогнутой кривизны поверхности эмиттерного устройства 140, которое содержит в себе эмиттеры 141 электронов, пучки электронов, испущенные из различных столбцов С, С' матричной сетки, сходятся в одну одномерную "траекторию" L на мишени 110. Фиг.2 показывает, в этом отношении, на отдельном виде эмиттерного устройства 140 столбцы С, С' эмиттеров 141 электронов. Упомянутые эмиттеры 141 электронов имеют расстояние Δ друг от друга, которое дальше сокращено быть не может из-за аппаратных ограничений. Если все эмиттеры 141 электронов испускали бы параллельные пучки электронов, то соответствующие точки мишени на аноде имели бы те же самые взаимные расстояния Δ, которые ограничивали бы пространственное разрешение, которое могло бы быть достигнуто таким источником рентгеновских лучей. Чтобы преодолеть это ограничение, эмиттеры 141 электронов в соседних столбцах С, С' смещены в направлении столбцов (в направлении оси Y) относительно друг друга. На фиг.2 это смещение соответствует четверти расстояния Δ. Поскольку все пучки электронов В, В', испускаемых из столбцов С, С', сходятся в одну и ту же "траекторию" L на аноде 110, результирующее расстояние между точками Т и Т' на упомянутой "траектории" L также составляет Δ/4. Следовательно, сходимость пучков электронов позволяет получить значительно более тесное расположение фокальных пятен на мишени-аноде, чем это было возможно при параллельных пучках электронов.
Сходимость пучков электронов может быть достигнута с искривленной подложкой 140 для набора эмиттеров, а также "искривленной" геометрией фокусирующего электрода 130. Как показано на фиг.3, точки фокального пятна от всех пяти (или большего количества) столбцов С, С' эмиттеров 141 находятся на одной линии L фокального пятна на аноде 110 с минимальным шагом в направлении оси y. Это позволяет производить пространственную дискретизацию с высоким разрешением благодаря положениям фокального пятна на линии анода в ј шага.
Фиг.3 также показывает, что необходимо различать сходимость нескольких пучков В электронов относительно друг друга (что было предметом вышеприведенных рассуждений) и "внутреннюю" сходимость одного электронного пучка В. Вследствие "внутренней сходимости" каждый электронный пучок В имеет некоторое "увеличение", которое определено отношением, соответственно, поперечных сечений пучка на эмиттере 141 электронов и в пятне на мишени. Типичный размер эмиттера 141 электронов (например, УНТ-эмиттера) может быть 2 мм Ч 1 мм. Тогда "увеличение", равное 10 из-за фокусировки электронного пучка В, приведет к размеру фокального пятна в 200 мкм Ч 100 мкм. При недопустимости (желательной) какого-либо перекрытия между соседними фокальными пятнами этот размер фокального пятна ограничивает минимальный шаг фокальных пятен, который может быть достигнут. В таком случае при конструировании устройства это "увеличение" отдельных электронных пучков также должно быть принято во внимание.
Фокусирование на одной линии L анода 110 может быть также произведено посредством изменения фокусирующих электродов, расположенных в различных местах столбца. Фиг.4 показывает это для варианта исполнения, в котором плоская подложка 240 с эмиттерами 241 электронов используется в комбинации с разными отверстиями 231 фокусирующего электрода.
Кроме того, для достижения требуемого позиционирования результирующих фокальных пятен по траектории (кривой) возможны различные комбинации плоских, искривленных, искривленных с двойной (и более) кривизной подложек, фокусирующих электродов и анодов.
При этом возможно также сведение фокусировки пучков электронов от нескольких различных эмиттеров в положение всего одного фокального пятна. Это было бы благоприятно в том случае, когда ограничение по интенсивности обуславливается не материалом анода (температура плавления), а величиной максимального тока с эмиттера.
Таким образом, настоящее изобретение относится к использованию полевых эмиттеров (например, УНТ-эмиттеров) при конструкции распределенных источников рентгеновских лучей для решения задач в области воспроизведения медицинских изображений. Конструкция источника рентгеновских лучей на основе углеродных нанотрубок включает в себя подложку с эмиттерной структурой и фокусирующую часть, которая состоит из одного, двух или большего количества фокусирующих электродов. Для достижения высокого пространственного разрешения шага точки фокального пятна результирующего пучка рентгеновских лучей от анода используется смещение УНТ-эмиттеров в разных столбцах (например, смещение на ј пикселя). Посредством использования схождения пучков электронов (например, полученных с криволинейной подложкой для решетки эмиттеров, а также с криволинейной геометрией фокусирующих электродов, или с плоской подложкой, но со специальными фокусирующими конструкциями) пучки электронов от разных столбцов могут быть сфокусированы на одну траекторию.
Изобретение полезно для всех систем с высоким разрешением с распределенными источниками рентгеновских лучей, построенными на основе технологии использования УНТ-эмиттеров, например систем томосинтеза, микрокомпьютерной томографии (μCT), компьютерной томографии (CT), анализа материалов или систем досмотра багажа.
В конце следует заметить, что в рамках настоящего приложения термин "содержащий" не исключает использования других компонентов или этапов, признаки единственного числа не исключают множественности, а один процессор или иной элемент может выполнять функции нескольких средств. Настоящее изобретение присутствует в любом и в каждом отличающемся новизной характерном признаке и в любой и в каждой комбинации характерных признаков. Кроме того, ссылочные позиции в пунктах формулы изобретения не следует истолковывать как расширяющие их объем.