Направляющий и принимающий электроны элемент
Изобретение относится к электронной антенне в качестве анода для микро- или нанофокусной генерации рентгеновского излучения. Устройство содержит антенное основание (0345) и антенный элемент (0335), расположенный на антенном основании так, что антенный элемент выступает из передней поверхности антенного основания. Причем антенна выполнена с возможностью направления и притягивания электронов (0325), находящихся в ее близости, к верхней части антенного элемента. Техническим результатом является предоставление аноду возможности определять размер фокального пятна при создании микро- или нанофокусных ультрафиолетовых (UV) световых лучей или лучей видимого света для разных длин волн в зависимости от материала и/или конструкции электронной антенны. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 11 ил.
ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Иллюстративные варианты осуществления, представленные здесь, ориентированы на направляющий и принимающий электроны элемент или электронную антенну, содержащую антенный элемент и антенное основание, которая выполнена с возможностью приема электронов не в качестве сигнала для связи, а в качестве стимулов для электромагнитного излучения. Иллюстративные варианты осуществления дополнительно ориентированы на рентгеновские трубки, содержащие упомянутую электронную антенну, а также на применения с другими длинами волн.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Большинство устройств или машин, используемых в современном обществе, практически являются следствием движения электронов из одного местоположения в другое. Форма движения, которое может быть поступательным, колебательным, равномерным или ускоренным/замедленным, и логическое управление движением определяют функциональность и разнообразие устройств или машин. Фундаментальными ограничениями в отношении этих движений являются законы сохранения, непрерывности и нейтральности зарядов. В твердотельных устройствах электрический потенциал, создаваемый в источнике энергии, возбуждает электроны так, что они проходят через активные компоненты устройства для выполнения функциональности устройства и возвращаются обратно в источник энергии. В вакуумных устройствах электроны испускаются из излучателя электронов или катода в вакуум, где электронами можно управлять посредством наложения статического или колебательного электромагнитного поля и собирать принимающим электроны элементом или анодом. Процесс приема характеризуется передачей энергии и импульса падающих электронов электронам и ядрам материала анода и, следовательно, генерацией электромагнитного излучения. В то время как энергия и импульс фотонов символизируют корпускулярный аспект излучения, длина волны и частота символизируют волновой аспект излучения. Кинетическая энергия падающих электронов определяет наименьшую длину волны возможного излучения, которое может быть полезным или вредным, для рентгеновского излучения диапазон длин волн находится между 10 нм и 0,01 нм или менее. Рентгеновскими источниками являются устройства, обеспечивающие такие длины волн.
Рентгеновский источник или трубка содержит излучатель электронов или катод и приемник электронов или анод. Анод является излучателем рентгеновского излучения. Катод и анод расположены в конкретной конфигурации и помещены в вакуумный корпус. Генератором рентгеновского излучения является устройство, содержащее рентгеновский источник (трубку) и его блок (блоки) питания. Рентгеновское устройство или система может содержать следующие компоненты: 1) рентгеновский источник, 2) компьютеризированное устройство манипулирования и управления, 3) один или более детекторов и 4) один или более блоков питания.
Рентгеновское излучение находит применения в медицинской визуализации, проверке обеспечения безопасности и в неразрушающем контроле в промышленности среди прочего. Компьютерная технология революционизировала использование рентгеновского излучения в современном обществе, например, появился рентгеновский сканер КТ (компьютерной томографии). Развитие технологии детекторов позволило улучшить энергетическое и пространственное разрешение, цифровые изображения и непрерывно-увеличивающиеся области сканирования. Однако технология генерации рентгеновского излучения практически не изменялась со времени изобретения трубки Кулиджа около 100 лет назад, когда Вильям Д. Кулидж революционизировал способ генерации рентгеновского излучения посредством замены газонаполненных трубок вакуумной трубкой, содержащей горячий вольфрамовый катод прямого накала для использования термоэлектронной эмиссии, US 1203495, поданный 9 мая, 1913 ʺVacuum-tubeʺ. Те же самые физические основы генерации рентгеновского излучения используются и поныне. Два ключевых компонента трубки Кулиджа: катод из вольфрамовой (W) спиральной нити накала и анод в виде W-диска, заделанного в медный (Cu) цилиндр, все еще выглядят так же и функционируют таким же образом в современных рентгеновских трубках, конкретно, как в рентгеновских трубках со стационарным анодом, раскрытым в US 1326029, поданном 4 декабря, 1917 ʺIncandescent cathode deviceʺ, и US 1162339 поданном 21 августа, 1912 ʺMethod of making composite metal bodiesʺ.
В последние два десятилетия или около того, появление новых классов наноматериалов ускорило развитие фундаментальных исследований и применений холодных катодов. Для холодных катодов, основанных на УНТ, раскрытых в рентгеновских устройствах уровня техники, общий ток электронного пучка был часто слишком малым для того, чтобы соответствовать горячему катоду для данного применения. Это можно, в принципе, исправить увеличением площади катода. Однако большая площадь катода естественно приведет к большему размеру фокального пятна и ухудшению пространственного разрешения изображения, что является нежелательным. Общеизвестно, что чем меньше размер фокального пятна, тем больше пространственное разрешение изображения. Подобным образом, для рентгеновских трубок с горячим катодом для уменьшения размера фокального пятна до так называемого микрофокусного диапазона используются сильные электромагнитные линзы для фокусировки электронного пучка, перемещающегося в пространстве между катодом и анодом. Следовательно, область анода под фокальным пятном может подвергаться воздействию слишком большой тепловой нагрузки, чтобы оставаться в твердом состоянии. Расплавление анода приведет к разрушению трубки. Были предложены различные решения для достижения компромисса между требованиями меньшего фокального пятна и, следовательно, большей энергетической нагрузки на фокальное пятно. Кроме использования электромагнитных линз в US 2002/0015473 A1 было раскрыто решение другого типа, использующее анод со струей жидкого металла. Циркуляция жидкого металла в струе переносит тепло, генерируемое электронным лучом, в тепловую ванну. Однако условие высокого вакуума для такого источника поддерживается непрерывной откачкой вакуумной системы или «открытой трубкой», в результате чего устройство в целом все же является слишком объемным и сложным, чтобы соответствовать многим промышленным и медицинским применениям, где преобладают требования компактности и мобильности.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В предыдущих заявках на патент от заявителя WO2015/118178 и WO2015/118177 был раскрыт разработанный тип не основанных на УНТ- излучателях электронов, обеспечивающих механизмы эмиссии, отличные от термоэлектронной эмиссии, для генерации рентгеновского излучения и разработанное рентгеновское устройство для введения новых и предпочтительных признаков таких источников в рентгеновскую визуализацию.
В настоящей заявке предложена фундаментально новая идея электронной антенны для замены понятия анода в вакуумном устройстве для генерации электромагнитного излучения. Настоящая заявка предназначена для обеспечения электронной антенны в качестве замены анода для генерации рентгеновского излучения и для обеспечения микро- или нанофокусных рентгеновских трубок, содержащих упомянутую электронную антенну.
Анод, электрод, противоположный катоду, является одним из ключевых компонентов рентгеновской трубки; чья функция состоит в приеме электронов, испускаемых с катода, для испускания рентгеновских лучей и, одновременно, в наличии способности проводить тепло - побочный продукт процесса генерации рентгеновского излучения - в окружение. Область, в которой электронный пучок попадает на анод, называется фокальным пятном. В трубках со стационарным анодом анод выполнен в виде малого вольфрамового диска, заделанного в более объемный медный цилиндр, причем их передние поверхности являются компланарными; конструкция и способ его изготовления были изобретены Вильямом Д. Кулиджем в 1912 году и раскрыты в US 1162339. В таких рентгеновских трубках уровня техники форма фокального пятна является изображением катода, проецируемым на поверхность, предпочтительно, на центр диска; и размер и положение фокального пятна определяются электромагнитным полем в пространстве между катодом и анодом при наличии или отсутствии электромагнитных линз. Анод лояльно принимает множество электронов, эмитированных из катода, но совершенно ничего не может сделать для управления электронами или для их распределения. Другими словами, анод не должен ничего делать для определения размера фокального пятна.
Варианты осуществления, раскрытые здесь, изменят это. Посредством применения идеи электронной антенны для переработки конструкции рентгеновской трубки аноду предоставлена возможность определять размер фокального пятна. Идея электронной антенны может быть также использована для создания микро- или нанофокусных ультрафиолетовых (UV) световых лучей или лучей видимого света. Таким образом, эта идея работает для создания микро- или нанофокусных пучков излучения разных длин волн в зависимости от материала и/или конструкции электронной антенны. Некоторые иллюстративные варианты осуществления будут описаны ниже.
Антенна определяется как «та часть передающей или принимающей системы, которая выполнена с возможностью излучения или приема электромагнитных волн». Читатели могут обратиться к определениям IEEE-стандартов в отношении терминов для антенн по ссылке на полный документ: IEEE Standart 145-1993, IEEE, 28 pp., 1993. В общем, приемная антенна содержит антенный элемент и антенное основание. Первый сконструирован и выполнен с возможностью наиболее эффективного приема сигнала, тогда как последний действует в качестве опоры первого и передает сигнал дальше. Электронная антенна, как подсказывает ее название, предназначена для наиболее эффективного приема электронов. Точнее, именно антенный элемент сконструирован и выполнен с возможностью приема всех электронов, поступающих к нему, и ограничения их в заданной области, тогда как антенное основание сконструировано и выполнено с возможностью проводить электрический ток и тепло. Хотя это и может показаться очевидным, следует указать, что 1) физический объект, принимаемый электронной антенной, является не электромагнитным излучением, а пучком электронов; 2) принимаемые электроны используются не в качестве сигналов для связи, а в качестве стимулов для электромагнитного излучения. Следовательно, посредством двух вышеупомянутых уточнений, идея антенны получила новый контекст.
При переработке конструкции рентгеновских трубок идея электронной антенны в одном иллюстративном варианте осуществления реализуется заменой W-диска, компланарного с Cu-цилиндром, действующего в качестве анода, тонким металлическим лезвием, выступающим из Cu-цилиндра, действующим в качестве антенного элемента. Выступание и большое отношение размеров антенного элемента вызывают локальное усиление электрического поля у верхнего конца антенного элемента, и силовые линии будут концентрироваться у этого верхнего конца. Таким образом, антенный элемент способен притягивать или направлять все электроны к нему и оставлять антенное основание свободным от поступающих электронов. В результате, рентгеновское излучение может генерироваться только в пределах области верхней поверхности антенного элемента и; другими словами, геометрические признаки фокального пятна определяются антенным элементом. Как можно увидеть, фундаментальная разница между дисковым анодом уровня техники и электронной антенной в контексте генерации рентгеновского излучения состоит в том, что дисковый анод пассивно принимает множество электронов от катода, но не может определять размер фокального пятна; тогда как электронная антенна активно направляет и притягивает электроны к ней, и определяет размер фокального пятна.
Таким образом, по меньшей мере одна задача иллюстративных вариантов осуществления, представленных здесь, состоит во введении фундаментально новой идеи электронной антенны и в обеспечении фундаментально другого механизма и технологии для направления и фокусирования электронного пучка к антенному элементу и сбора электронов у него для генерации рентгеновского излучения из области верхней поверхности антенного элемента, чья мера длины может изменяться от миллиметров вниз до нанометров. Таким образом, размером фокального пятна управляют так, чтобы этот размер никогда не превышал размер верхней поверхности антенного элемента, и размер фокального пятна меньше зависит от формы и размера катода. Рентгеновские трубки, содержащие электронную антенну, обеспечат функциональную возможность свободы от дрейфа микро- или нанофокусов и будут гораздо более компактными, менее дорогими, более надежными и гибкими в применении. Это применимо также к созданию ультрафиолетового света и видимого света в вакуумных трубках с использованием той же самой технологии электронной антенны.
Соответственно, иллюстративные варианты осуществления, представленные здесь, ориентированы на электронную антенну, содержащую электронный антенный элемент и антенное основание, для определения положения, формы и размера фокального пятна рентгеновского излучения и для рассеяния тепла, генерируемого в качестве побочного продукта генерации рентгеновского излучения. Иллюстративные варианты осуществления дополнительно ориентированы на рентгеновские трубки, содержащие упомянутую электронную антенну. Посредством замены антенного элемента другими материалами или конструкциями в нижеследующем описании, может быть создан ультрафиолетовый свет или видимый свет.
Антенный элемент:
Вместо его обеспечения в форме диска, как в общепринятом аноде, антенный элемент в одном иллюстративном варианте осуществления имеет форму тонкого лезвия. Ниже приведены дополнительные иллюстративные варианты осуществления.
Размер поперечного сечения и угол наклона лезвия определяют размер фокального пятна рентгеновского пучка.
Антенный элемент может быть изготовлен из различных металлов и сплавов, например, W и W-Re.
Кроме того, антенный элемент может быть изготовлен в различных формах в соответствии с необходимой формой фокального пятна рентгеновского излучения.
Кроме того, антенный элемент может быть изготовлен различных размеров в соответствии с необходимым размером фокального пятна рентгеновского излучения в диапазоне от миллиметров вниз до нанометровой меры.
Кроме того, антенный элемент в одном иллюстративном варианте осуществления может быть изготовлен посредством электроискровой обработки EDM (электроискровой обработки ) тонкого листа соответствующих металлов или сплавов или посредством пробивания.
Антенное основание:
Антенное основание может быть изготовлено из различных металлов, сплавов, смесей или композитов, предпочтительно, обладающих высокой удельной электропроводностью, высокой удельной теплопроводностью, высокой температурой плавления и обрабатываемостью или формуемостью.
Сплавление антенного элемента и антенного основания:
Поверхности антенного элемента, которые находятся в контакте с основанием, могут быть покрыты тонким слоем того же самого материала, что и материал основания, или материала, промежуточного между основанием и антенным элементом, для усиления теплового и/или электрического сходства между антенным элементом и основанием.
Сплавление или соединение антенного элемента и антенного основания может быть выполнено механическим давлением, обеспечиваемым винтами и/или осевыми стержнями, или литьем в вакууме.
Конфигурация рентгеновской трубки:
Антенна выполнена в таком же пространственном отношении к катодной чашке, как в нормальной рентгеновской трубке со стационарным анодом или рентгеновской трубке с вращающимся анодом.
Рентгеновские устройства:
Иллюстративные варианты осуществления, представленные здесь, ориентированы на рентгеновское устройство, содержащее упомянутую электронную антенну.
Рентгеновское устройство, содержащее упомянутую электронную антенну, может быть выполнено в виде микро- или нанофокусной трубки с одним горячим катодом при объединении с одним горячим катодом прямого накала.
Рентгеновское устройство, содержащее упомянутую электронную антенну, может быть выполнено в виде микро- или нанофокусной трубки с одним холодным катодом при объединении с одним холодным катодом.
Рентгеновское устройство, содержащее упомянутую электронную антенну, может быть выполнено в виде микро- или нанофокусной трубки с двойным катодом при объединении с катодной чашкой, удерживающей один холодный катод и один горячий катод прямого накала.
Рентгеновское устройство, содержащее упомянутую электронную антенну, может быть также выполнено в виде микро- или нанофокусной трубки с множественными источниками возбуждения, содержащими множественные катоды (термоэлектронные катоды или холодные катоды) и электронные антенные элементы при использовании изолирующего антенного основания.
Рентгеновское устройство, содержащее упомянутую электронную антенну, может быть дополнительно выполнено в виде микро- или нанофокусной трубки с триодной автоэлектронной эмиссией при объединении с излучателем электронов, содержащим управляющий электрод.
Холодный катод может быть дополнительно выполнен с возможностью обеспечения термостимулированной эмиссии, например, эмиссии Шотки.
Рентгеновское устройство, содержащее упомянутую электронную антенну, может быть выполнено в виде одного типа микро- или нанофокусной трубки с вращающимся анодом, когда один или множественные антенные элементы циркулярно заделаны во вращающийся диск.
Рентгеновское устройство, содержащее упомянутую электронную антенну, может быть выполнено в виде другого типа микро- или нанофокусной трубки с вращающимся анодом, когда множественные антенные элементы радиально заделаны во вращающийся диск с равным угловым интервалом.
Иллюстративные преимущества вариантов осуществления:
Применение механизма или технологии упомянутой электронной антенны обеспечивает более простой и экономичный подход для обеспечения более компактных микро- или нанофокусных трубок. Применение упомянутой электронной антенны также позволяет использовать этот тип микрофокусных трубок в тех приложениях, где ранее преобладали макрофокусные трубки.
Применения:
Некоторые из иллюстративных вариантов осуществления ориентированы на применение описанного выше устройства генерации рентгеновского излучения в рентгеновском сканирующем аппарате для обеспечения безопасности.
Некоторые из иллюстративных вариантов осуществления ориентированы на применение описанного выше устройства генерации рентгеновского излучения в неразрушающем контроле.
Некоторые из иллюстративных вариантов осуществления ориентированы на применение описанного выше устройства генерации рентгеновского излучения в аппарате медицинской визуализации для сканирований всего тела или частей или органов, таком как сканер компьютерной томографии, сканирующий (мини-) аппарат с рамой С-типа, устройства маммографии, ангиографии и стоматологической визуализации.
Некоторые из иллюстративных вариантов осуществления ориентированы на применение описанного выше устройства генерации рентгеновского излучения в аппарате для геологической разведки, дифракционном аппарате и флуоресцентной спектроскопии.
Некоторые из иллюстративных вариантов осуществления ориентированы на применение описанного выше устройства генерации рентгеновского излучения в фазоконтрастной рентгеновской визуализации.
Некоторые из иллюстративных вариантов осуществления ориентированы на применение описанного выше устройства генерации рентгеновского излучения в рентгеновской цветной КТ-визуализации.
Электронная антенна может быть также анодом для создания микро- или нанофокусного ультрафиолетового светового луча, причем антенный элемент содержит одну или более квантовых ям или квантовых точек, расположенных на верхней поверхности антенного элемента. Устройство генерации ультрафиолетового света может содержать такую электронную антенну.
Устройство генерации ультрафиолетового света может быть микро- или нанофокусной трубкой с вращающимся анодом, где один или множество антенных элементов циркулярно заделаны во вращающийся диск антенного основания.
Электронная антенна может быть анодом для создания микро- или нанофокусного луча видимого света, причем антенный элемент содержит слой фосфоресцентного материала или флуоресцентного материала, расположенный на верхней поверхности антенного элемента. Устройство генерации видимого света может содержать такую электронную антенну.
Устройство генерации видимого света может быть микро- или нанофокусной трубкой с вращающимся анодом, причем один или множество антенных элементов циркулярно заделаны во вращающийся диск антенного основания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Приведенное выше описание станет понятным из нижеследующего более конкретного описания иллюстративных вариантов осуществления, показанных в сопутствующих чертежах, в которых подобные ссылочные позиции относятся к одним и тем же частям на разных видах. Чертежи не обязательно приведены в масштабе, вместо этого акцент делается на демонстрации иллюстративных вариантов осуществления.
Фиг. 01A-01C схематично показывают рентгеновские трубки уровня техники: 1А является схемой рентгеновской трубки, содержащей общепринятый анод и не имеющей микро-фокуса; 1B является схемой микрофокусной рентгеновской трубки, содержащей общепринятый анод и электромагнитные линзы, 1С показывает генерацию микрофокусного рентгеновского излучения с использованием анода со струей жидкого металла.
Фиг. 02 является иллюстративным примером электронного антенного элемента, согласно некоторым из иллюстративных вариантов осуществления, описанных здесь;
Фиг. 03А является схемой электронной антенны, содержащей антенный элемент и антенное основание, согласно некоторым из иллюстративных вариантов осуществления, описанных здесь.
Фиг. 03В является иллюстрацией электронной антенны и ее физического принципа для направления и приема электронов.
Фиг. 04 является иллюстративным примером разных форм, которые электронный антенный элемент может иметь, согласно некоторым из иллюстративных вариантов осуществления, описанных здесь;
Фиг. 05 является иллюстрацией электропроводного антенного основания, например, Cu, для одного антенного элемента в одном иллюстративном варианте осуществления;
Фиг. 06 является схемой электронной антенны, содержащей множественные антенные элементы, причем антенное основание изготовлено из изолирующего материала, например, BN или Al2O3, согласно некоторым из иллюстративных вариантов осуществления, описанных здесь;
Фиг. 07 является схемой рентгеновской трубки, содержащей один горячий катод и электронную антенну.
Фиг. 08 является схемой рентгеновской трубки, содержащей один холодный катод и электронную антенну.
Фиг. 09 является схемой рентгеновской трубки, содержащей двойной анод, т.е. один холодный катод и один горячий катод прямого накала; и электронную антенну.
Фиг. 10 является схемой рентгеновской трубки, содержащей холодный катод, управляющий электрод и электронную антенну.
Фиг. 11A и фиг. 11B являются графическими изображениями, иллюстрирующими два типа решений трубки с вращающимся анодом, использующих электронную антенну, согласно некоторым из иллюстративных вариантов осуществления, описанных здесь.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
В нижеследующем описании в целях объяснения, а не ограничения, описаны конкретные детали, такие как конкретные компоненты, элементы, технологии и т.д. для обеспечения полного понимания иллюстративных вариантов осуществления. Однако специалистам в данной области техники следует понимать, что иллюстративные варианты осуществления могут быть применены на практике другими способами, которые могут отклоняться от этих конкретных деталей, но по существу связаны с ними. В других примерах, подробные описания общеизвестных способов и элементов опущены, чтобы не затруднять понимание описания иллюстративных вариантов осуществления. Терминология, используемая здесь, приведена в целях описания иллюстративных вариантов осуществления и не предназначена для ограничения вариантов осуществления, представленных здесь.
ПРОБЛЕМЫ:
Для лучшего описания иллюстративных вариантов осуществления сначала будет идентифицирована и обсуждена проблема. Фиг. 01А иллюстрирует традиционную рентгеновскую трубку. Рентгеновская трубка фиг. 01А характеризуется вакуумной стеклянной трубкой 0100, содержащей горячий катод 0110 прямого накала и W-дисковый анод 0120, заделанный в Cu-цилиндр 0130. Поверхность анода 0120 обращена к катоду 0110 под заданным углом наклона или углом анода. Электрический ток, обеспечиваемый источником 0140 энергии, проходит через катод 0110 прямого накала и вызывает увеличение температуры катода 0110 прямого накала до уровня, при котором из него испускается пучок 0150 электронов. Электроны в пучке 0150 ускоряются затем к аноду 0120 разностью потенциалов, выдаваемом источником 0160 энергии. Результирующий пучок 0170 рентгеновского излучения направляется из устройства через окно 0180. Разность потенциалов между катодом и анодом определяет энергию рентгеновского пучка, но не микрофокус. Типичное фокальное пятно в форме «двойного банана» обозначено позицией 0190.
Фиг. 1B является схемой микрофокусного рентгеновского устройства уровня техники, содержащего передаточный анод 0120 и электромагнитные линзы 0145. Линзы добавляют дополнительный размер и вес, а также стоимость, трубке 0100; и нуждаются в дополнительном источнике 0165 энергии для возбуждения линз и обеспечения синхронизации с выходным напряжением трубки. Таким образом, этот тип микрофокусных трубок имеет проблемы, связанные с размером и весом, а также стоимостью, и боковым дрейфом рентгеновского пучка. Для получения дополнительной информации, см. например, www.phoenix-xray.com.
Фиг. 01С является схемой генерации микрофокусного рентгеновского излучения уровня техники с использованием анода 0175 со струей жидкого металла. Электронный пучок 0150 ударяется в струю 0175 жидкого металла, в результате чего обеспечивается рентгеновский пучок 0170. Аноды со струей жидкого металла требуют так называемой открытой трубки, что означает, что условие высокого вакуума поддерживается непрерывной откачкой трубки. Такое решение является объемным и дорогостоящим. Дополнительно, материалы анодов ограничены металлами с низкой температурой плавления. Для получения дополнительной информации, см. например, www.excillum.com.
ИЛЛЮСТРАТИВНЫЕ ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ:
Иллюстративные варианты осуществления, представленные здесь, ориентированы на направляющий и принимающий электроны элемент или электронную антенну, содержащую антенный элемент и антенное основание, которая выполнена с возможностью приема электронов не в качестве сигнала для связи, а в качестве стимулов для электромагнитного излучения. Иллюстративные варианты осуществления дополнительно ориентированы на рентгеновские трубки, содержащие упомянутую электронную антенну.
Электронная антенна содержит антенный элемент и антенное основание. Антенный элемент сконструирован и выполнен с возможностью приема всех электронов, поступающих к нему, и ограничения их в заданной области, тогда как антенное основание сконструировано и выполнено с возможностью проводить тепло и/или электрический ток.
Антенный элемент:
Фиг. 02 является иллюстративным примером электронного антенного элемента 0200, имеющего форму тонкого лезвия, согласно некоторым из иллюстративных вариантов осуществления, описанных здесь; причем верхняя поверхность или верхний край 0210 элемента предназначен для приема электронов. Позиция 0220 указывает на две поверхности антенного элемента, ϴ обозначает угол наклона или угол анода, t обозначает толщину лезвия, и L обозначает длину верхней поверхности. Максимальная длина верхней поверхности составляет 10 мм и может изменяться от 10 мм вниз до нанометров. Угол ϴ анода может изменяться от нескольких градусов, например, от 5 градусов до 45 градусов. Размер поперечного сечения и угол ϴ наклона лезвия определяют размер фокального пятна рентгеновского пучка, так что ширина лезвия ограничивает ширину фокального пятна, и длина фокального пятна ограничена l=Lsinϴ. Отверстия 0230 предназначены для позиционирования и закрепления элемента относительно антенного основания. L и t антенного элемента могут быть сделаны различных размеров в соответствии с необходимым размером фокального пятна рентгеновского излучения. Предпочтительный диапазон составляет от (L =10, t =0,1) мм вниз до диска радиусом 10 нм. В применениях с большой мощностью, однако, площадь фокального пятна может быть вплоть до размера 8*8 мм2.
Фиг. 03А является схемой электронной антенны согласно одному иллюстративному варианту осуществления, описанному здесь, позиция 0300 обозначает антенный элемент в форме лезвия, расположенный между двумя полуцилиндрическими блоками 0310, образующими антенное основание 0320, причем две поверхности 0220 антенного элемента 0300 находятся в контакте с антенным основанием 0320. В одном иллюстративном варианте осуществления, два полуцилиндрических медных (Cu) блока 0310 действуют в качестве антенного основания 0320. Верхняя часть лезвия выполнена с возможностью выступать из наклоненной передней поверхности цилиндра 0330 и быть параллельной ей. Высота h выступа находится в диапазоне 0,001-5 мм и определяется соразмерно размеру фокального пятна. Отношение размеров, определяемое отношением высоты к ширине, h/t, находится в диапазоне 10-100.
Фиг. 03В показывает схематичный вид сбоку узла горячего катода прямого накала и электронной антенны и иллюстрирует принцип направления и фокусирования антенны. Узел содержит катодную чашку 0305, горячий катод 0315 прямого накала, электронный пучок 0325, электронный антенный элемент 0335, и антенное основание 0345. Как можно увидеть, весь электронный пучок фокусируется на антенном элементе 0335.
Антенный элемент может быть изготовлен из различных металлов, в том числе, но не только, W, Rh, Mo, Cu, Co, Fe, Cr и Sc и т.д.; или сплавов, в том числе, но не только, W-Re, W-Mo, Mo-Fe, Cr-Co, Fe-Ag и Co-Cu-Fe и т.д., в соответствии с требованиями конкретных применений.
Фиг. 4 является иллюстрацией разных форм, которые может иметь электронный антенный элемент согласно некоторым из иллюстративных вариантов осуществления, описанных здесь. Верхняя поверхность антенного элемента может быть изготовлена в различных формах в соответствии с необходимой формой фокального пятна рентгеновского излучения, в том числе, но не только, в форме креста 0410, круглого диска 0420, эллиптического диска 0430, квадрата 0440, прямоугольника 0450 и нескольких видов линейных сегментов 0460-80. Позицией 0490 обозначен вид сверху элемента 0480, а значит, возможно, всего антенного элемента. Края верхних поверхностей могут быть сглажены в соответствии с некоторыми требованиями для конкретного распределения локального электрического поля. Следует отметить, что форма верхней поверхности прямо или непрямо отражает форму поперечного сечения антенного элемента.
Диаметр круглого диска, большая полуось эллиптического диска, сторона квадрата, и длинная сторона прямоугольника могут находиться в диапазоне 10 нм - 10 мм.
Антенное основание:
Антенное основание изготавливают из различных металлов, сплавов, смесей или композитов, предпочтительно, обладающих высокой удельной электропроводностью, высокой удельной теплопроводностью, высокой температурой плавления и обрабатываемостью или формуемостью. В предпочтительном варианте осуществления, материалы включают в себя, но не ограничены этим, Cu, Mo, BN, и Al2O3.
Фиг. 5 является иллюстрацией электропроводного антенного основания, например, Cu, для одного антенного элемента в одном иллюстративном варианте осуществления, позицией 0510 обозначен вид сбоку антенного основания, и позицией 0520 обозначен вид сверху антенного основания. Предпочтительным признаком электропроводного основания является то, что оно может быть использовано в качестве электрического передаточного соединения.
Фиг. 06 является схемой антенного основания, изготовленного из электроизолирующего материала, например, BN или Al2O3, согласно некоторым из иллюстративных вариантов осуществления, описанных здесь; позицией 0610 обозначен вид сбоку антенного элемента, и позицией 0620 обозначен один из множественных антенных элементов, расположенных параллельно между блоками BN или Al2O3, действующими в качестве изолирующего антенного основания 0630. В этом случае, множественные антенные элементы могут быть установлены таким образом, чтобы они образовывали трубку с множественными фокальными пятнами. Следует отметить, что эти антенные элементы 0620 не обязательно должны быть изготовлены из одного и того же материала.
Сплавление антенного элемента и антенного основания:
Поверхности антенного элемента, которые находятся в контакте с основанием, могут быть покрыты тонким слоем того же самого материала, что и материал основания, или материала, промежуточного между основанием и антенным элементом, для усиления теплового и/или электрического сходства между антенным элементом и основанием. Этот слой может иметь толщину между 10 мкм и 50 нм.
Сплавление или соединение антенного элемента и антенного основания может быть выполнено механическим давлением, обеспечиваемым винтами и/или осевыми стержнями, или литьем в вакууме.
Конфигурация в рентгеновской трубке:
Антенна выполнена в таком же пространственном отношении к катодной чашке, как в нормальной рентгеновской трубке со стационарным анодом или рентгеновской трубке с вращающимся анодом.
Рентгеновские устройства:
Иллюстративные варианты осуществления, представленные здесь, ориентированы на рентгеновское устройство, содержащее упомянутую электронную антенну. Признаки рентгеновского устройства в последующих фигурах, которые не были изменены относительно признаков в предыдущих фигурах, имеют те же самые обозначения.
Рентгеновское устройство, содержащее упомянутую электронную антенну, может быть выполнено в виде микро- или нанофокусной трубки с одним горячим катодом при объединении с одним горячим катодом прямого накала.
Фиг. 07 является схемой такой рентгеновской трубки, содержащей один горячий катод 0110 и электронную антенну; причем позиции 0720 и 0730 обозначают антенный элемент и антенное основание, соответственно.
Рентгеновское устройство, содержащее упомянутую электронную антенну, может быть выполнено в виде микро- или нанофокусной трубки с одним холодным катодом при объединении с одним холодным катодом.
Фиг. 08 является схемой такой рентгеновской трубки, содержащей один холодный катод 0810 и электронную антенну, содержащую один антенный элемент 0720 и антенное основание 0730.
Рентгеновское устройство, содержащее упомянутую электронную антенну, может быть также выполнено в виде микро- или нанофокусной трубки с двойным катодом при объединении с катодной чашкой, удерживающей один холодный катод и один горячий катод прямого накала.
Фиг. 09 является схемой такой рентгеновской трубки, содержащей двойной анод, т.е. один холодный катод и один горячий катод прямого накала; и электронную антенну, содержащую антенный элемент 0720 и антенное основание 0730; причем позиция 0910 обозначает катодную чашку, удерживающую двойной катод, и позиция 0140 обозначает блок питания для горячего катода прямого накала.
Рентгеновское устройство, содержащее упомянутую электронную антенну, может быть также выполнено в виде микро- или нанофокусной трубки с множественными источниками возбуждения, содержащими множественные катоды (термоэлектронные катоды или холодные катоды) и электронные антенные элементы, при использовании изолирующего антенного основания; см. фиг. 6 в отношении схемы такой антенны с множественными элементами, где позиции 0620 и 0630 обозначают антенные элементы и антенное основание, соответственно.
Рентгеновское устройство, содержащее упомянутую электронную антенну, может быть дополнительно выполнено в виде микро- или нанофокусной трубки с триодной автоэлектронной эмиссией при объединении с полевым излучателем электронов, содержащим управляющий электрод.
Фиг. 10 является схемой такой рентгеновской трубки, содержащей холодный катод 0810 и его блок 0820 питания, управляющий электрод 1010 и одну электронную антенну, содержащую антенный элемент 0720 и антенное основание 0730.
Холодный катод может быть дополнительно выполнен с возможностью обеспечения термостимулированной эмиссии, например, эмиссии Шотки.
Рентгеновское устройство, содержащее упомянутую электронную антенну, может быть выполнено в виде одного типа микро- или нанофокусной трубки с вращающимся анодом, когда один или множественные антенные элементы циркулярно заделаны во вращающийся диск.
Фиг. 11A иллюстрирует этот тип решения с вращающимся анодом согласно некоторым из иллюстративных вариантов осуществления, описанных здесь; причем позиция 1110 обозначает вращающийся диск, действующий в качестве антенного основания, позиции 1120 и 1130 обозначают два круговых антенных элемента, вставленных в антенное основание. Антенное основание 1110 показано сверху. В других вариантах осуществления может быть более двух антенных нитей, и материалы антенных элементов могут быть разными.
Рентгеновское устройство, содержащее упомянутую электронную антенну, может быть выполнено в виде другого типа микро- или нанофокусной трубки с вращающимся анодом, когда множественные антенные элементы радиально вставлены во вращающийся диск с равным угловым интервалом.
Фиг. 11В иллюстрирует этот тип решения с вращающимся анодом согласно некоторым из иллюстративных вариантов осуществления, описанных здесь; причем позиция 1105 обозначает один из антенных элементов, позиция 1115 обозначает вращающийся диск, действующий в качестве антенного основания, и позиция 1125 обозначает угловой интервал между антенными элементами, причем α обозначает его значение. Число антенных элементов определяется частотой импульсов электронной эмиссии и скоростью вращения. Антенное основание 1115 показано сверху.
Иллюстративные преимущества вариантов осуществления:
Идея электронной антенны и ее использование в переработке конструкции рентгеновской трубки обеспечивают более простой и более экономичный подход для обеспечения более компактных рентгеновских микро- или нанофокусный трубок, чем подход с анодом со струей жидкого металла и общепринятый подход с использованием электромагнитных линз между катодом и анодом. В последнем, даже несмотря на то, что размер фокального пятна может быть сфокусирован до нанометрового размера, дрейф фокального пятна может быть значительным, что вызвано, среди прочих факторов, нестабильностью напряжений, подаваемых на линзы и катод и анод (Newsletter 01/2015, X-RAY WorX GmbH). Применение упомянутой электронной антенны способно обеспечить свободное от дрейфа фокальное пятно, чей размер находится в диапазоне от миллиметров вниз до нанометровых размеров. Свободное от дрейфа фокальное пятно обеспечивается тем фактом, что размер фокального пятна определяется электронным антенным элементом, который механически прикреплен к твердому антенному основанию, и, таким образом, является свободным от любого движения. Дополнительно, форма антенного элемента и его большая площадь контакта с антенным основанием обеспечивают наилучшее решение для управления теплом. Применение упомянутой электронной антенны также позволяет использовать результирующие микрофокусные трубки в применениях, где ранее преобладали макрофокусные трубки с.
Применения:
Следует понимать, что рентгеновское устройство, описанное здесь, может быть использовано в ряде областей применения. Например, рентгеновское устройство может быть использовано в сканирующем аппарате для обеспечения безопасности, который можно найти на контрольно-пропускных пунктах в аэропортах и в почтовых терминалах.
Дополнительным примером применения рентгеновского устройства, обсуждаемого здесь, является применение в медицинских устройствах сканирования, таких как сканирующий аппарат компьютерной томографии (КТ) или сканирующий аппарат с рамой С-типа, который может включать в себя мини-устройство с С-рамой. Некоторыми примерами областей применения рентгеновского устройства могут быть маммография, ветеринарная визуализация и стоматологическая визуализация.
Дополнительным примером применения рентгеновского устройства, описанного здесь, является применение в аппарате для геологической разведки, рентгеновском дифракционном аппарате и рентгеновской флуоресцентной спектроскопии, и т.д.
Следует понимать, что рентгеновское устройство, описанное здесь, может быть использовано в любом аппарате для неразрушающего контроля.
Следует понимать, что рентгеновское устройство, описанное здесь, может быть использовано в фазоконтрастной визуализации и в цветном КТ-сканере.
Как упомянуто выше, электронная антенна работает также для создания излучения с длинами волн, отличными от длин волн рентгеновского излучения. Посредством замены металлического электронного антенного элемента в приведенном выше описании для создания рентгеновского пучка антенным элементом, содержащим излучающий-ультрафиолетовый-свет материал, например, с квантовыми ямами или квантовыми точками, возможно создание ультрафиолетового света. Улучшенный фокус ультрафиолетового светового луча имеет преимущества, подобные преимуществам рентгеновского пучка. Свободное от дрейфа фокальное пятно обеспечивается тем фактом, что размер фокального пятна определяется электронным антенным элементом, который механически прикреплен к твердому антенному основанию и, таким образом, свободен от любого движения. Дополнительно, форма антенного элемента и его большая площадь контакта с антенным основанием обеспечивают наилучшее решение для управления теплом. Применение упомянутой электронной антенны также позволяет использовать результирующие микрофокусные трубки в применениях, где ранее преобладали макрофокусные трубки.
Подобным образом, посредством замены металлического электронного антенного элемента в приведенном выше описании для создания рентгеновского пучка антенным элементом, содержащим излучающий видимый свет материал, например, фосфоресцентный или флуоресцентный материал, возможно создание видимого света. Улучшенный фокус видимого светового луча имеет преимущества, подобные преимуществам рентгеновского пучка. Свободное от дрейфа фокальное пятно обеспечивается тем фактом, что размер фокального пятна определяется электронным антенным элементом, который механически прикреплен к твердому антенному основанию и, таким образом, свободен от любого движения. Дополнительно, форма антенного элемента и его большая площадь контакта с антенным основанием обеспечивают наилучшее решение для управления теплом. Применение упомянутой электронной антенны также позволяет использовать результирующие микрофокусные трубки в применениях, где ранее преобладали макрофокусные трубки.
Описание иллюстративных вариантов осуществления, обеспеченных здесь, было представлено в целях иллюстрации. Не следует полагать, что это описание является исчерпывающим или ограничивает иллюстративные варианты осуществления раскрытыми точными формами, и модификации и изменения возможны в свете вышеупомянутых идей изобретения или могут быть получены при применении на практике различных альтернатив обеспеченным вариантам осуществления. Примеры, обсуждаемые здесь, были выбраны и описаны для разъяснения принципов и природы различных иллюстративных вариантов осуществления и их практического применения для обеспечения специалистам в данной области техники возможности использовать иллюстративные варианты осуществления различными способами и с различными модификациями, которые соответствуют предполагаемому конкретному применению. Признаки вариантов осуществления, описанных здесь, могут быть объединены во всевозможных комбинациях способов, устройств, узлов, систем, и компьютерных программных продуктов. Следует понимать, что иллюстративные варианты осуществления, представленные здесь, могут быть применены на практике в любой комбинации друг с другом.
Следует отметить, что слово «содержащий» не обязательно исключает наличие элементов или этапов, отличных от перечисленных элементов или этапов, и что элемент в единственном числе не исключает наличия множества таких элементов. Следует дополнительно отметить, что никакие ссылочные позиции не ограничивают объем формулы изобретения, что иллюстративные варианты осуществления могут быть реализованы по меньшей мере частично посредством как аппаратного средства, так и программного средства, и что несколько «средств», «блоков» или «устройств» могут быть представлены одним и тем же аппаратным элементом.
В чертежах и описании изобретения раскрыты иллюстративные варианты осуществления. Однако многие изменения и модификации могут быть реализованы для этих вариантов осуществления. Соответственно, хотя используются конкретные термины, они используются только в обобщенном и описательном смысле, а не в целях ограничения объема вариантов осуществления, определяемого нижеследующей формулой изобретения.
1. Анод для рентгеновской трубки, характеризующийся тем, что анод содержит электронную антенну, содержащую рентгеновский антенный элемент-излучатель (0200, 0300, 0335, 0620, 0720, 1105, 1120, 1130) и антенное основание (0320, 0345, 0630, 0730, 1110, 1115); причем антенный элемент (0200, 0300, 0335, 0620, 0720, 1105, 1120, 1130) расположен на антенном основании (0320, 0345, 0630, 0730, 1110, 1115); электронная антенна (0200, 0300, 0335, 0620, 0720, 1105, 1120, 1130) выполнена в таком же пространственном отношении к катодной чашке, как в нормальной рентгеновской трубке со стационарным анодом или рентгеновской трубке с вращающимся анодом, причем верхняя часть антенного элемента (0200, 0300, 0335, 0620, 0720, 1105, 1120, 1130) выступает из передней поверхности антенного основания (0320, 0345, 0630, 0730, 1110, 1115) и параллельна ей, причем выступание антенного элемента (0200, 0300, 0335, 0620, 0720, 1105, 1120, 1130) и отношение размеров антенного элемента (0200, 0300, 0335, 0620, 0720, 1105, 1120, 1130) вызывают локальное усиление электрического поля у верхнего конца (0210) антенного элемента (0200, 0300, 0335, 0620, 0720, 1105, 1120, 1130),
причем антенный элемент является металлическим и представляет собой вольфрамовое лезвие, а антенное основание (0320, 0345) содержит две полуцилиндрические медные части (0310), причем вольфрамовое лезвие расположено между упомянутыми двумя полуцилиндрическими медными частями (0310) таким образом, что первый край вольфрамового лезвия выступает из передней поверхности медного цилиндра (0330).
2. Анод по п. 1, причем высота h выступания антенного элемента (0200, 0300, 0335, 0620, 0720, 1105, 1120, 1130) из антенного основания (0320, 0345, 0630, 0730, 1110, 1115) находится в диапазоне 1 мкм - 5 мм, а верхняя поверхность (0210) антенного элемента (0200, 0300, 0335, 0620, 0720, 1105, 1120, 1130) имеет угол θ анода, равный 5-45°.
3. Анод по п. 1 или 2, причем формой верхней поверхности лезвия является крест (0410), квадрат (0440), прямоугольник (0450), линейные сегменты (0460, 0470, 0480), эллиптический диск (0430) или круглый диск (0420).
4. Анод по любому из пп. 1-3, причем отношение размеров лезвия, определяемое отношением высоты h к ширине t, находится в диапазоне 10-100.
5. Анод по п. 3 или 4, причем ширина t лезвия или продольных секций креста (0410), длинная сторона прямоугольника (0450), сторона квадрата (0440) или форма линейных сегментов (0460, 0470, 0480) находится в диапазоне 10 нм - 200 мкм.
6. Анод по п. 3 или 4, причем круглый диск (0420) имеет радиус R≤200 мкм, или причем эллиптический диск (0403) имеет большую полуось r≤200 мкм.
7. Анод по любому из пп. 1-6, причем электронная антенна работает в качестве замены анода в вакуумных трубках для генерации одного или множественных микро- или нанофокусных рентгеновских пучков; причем металлический антенный элемент (0200, 0300, 0335, 0620, 0720, 1105, 1120, 1130) содержит один или более из металлов: W, Rh, Mo, Cu, Co, Fe, Cr и Sc; или один или более из сплавов: W-Re, W-Mo, Mo-Fe, Cr-Co, Fe-Ag и Co-Cu-Fe.
8. Анод по любому из пп. 1-7, причем антенное основание (0320, 0345, 0630, 0730, 1110, 1115) содержит электропроводный материал, который является одним или более из: Cu и Mo.
9. Анод по любому из пп. 1-8, причем антенное основание (0320, 0345, 0630, 0730, 1110, 1115) содержит электроизолирующий материал, и причем на антенном основании (0320, 0345, 0630, 0730, 1110, 1115) расположено множество антенных элементов.
10. Анод по п. 9, причем электроизолирующий материал является одним или более из: BN, Al2O3.
11. Устройство генерации рентгеновского излучения, содержащее анод по любому из пп. 1-10.
12. Устройство генерации рентгеновского излучения по п. 11, причем упомянутое устройство генерации рентгеновского излучения является микро- или нанофокусной трубкой с одним горячим катодом при использовании горячего катода (0110) прямого накала.
13. Устройство генерации рентгеновского излучения по п. 12, причем упомянутый анод выполнен в микро- или нанофокусной трубке с одним холодным катодом при использовании холодного катода (0810).
14. Устройство генерации рентгеновского излучения по любому из пп. 11-13, причем упомянутое устройство генерации рентгеновского излучения является микро- или нанофокусной трубкой с двойным катодом при использовании катодного узла (0910), удерживающего холодный катод (0810) и горячий катод (0110) прямого накала.
15. Устройство генерации рентгеновского излучения по п. 14, причем упомянутое устройство генерации рентгеновского излучения дополнительно содержит излучатель электронов, содержащий управляющий электрод (1010), в результате чего устройство генерации рентгеновского излучения выполнено в виде микро- или нанофокусной трубки с триодной автоэлектронной эмиссией.
16. Устройство генерации рентгеновского излучения по любому из пп. 13-15, причем холодный катод (0810) дополнительно выполнен с возможностью термостимулированной эмиссии, например эмиссии Шотки.
17. Устройство генерации рентгеновского излучения по любому из пп. 11-16, причем упомянутое устройство генерации рентгеновского излучения является микро- или нанофокусной трубкой с множественными источниками возбуждения, содержащими множественные катоды и аноды, когда используется изолирующее антенное основание.
18. Устройство генерации рентгеновского излучения по п. 11, причем упомянутое устройство генерации рентгеновского излучения является микро- или нанофокусной трубкой с вращающимся анодом, причем один или множество антенных элементов (1105, 1120, 1130) концентрически заделаны во вращающийся диск (1110, 1115) антенного основания.
19. Устройство генерации рентгеновского излучения по п. 12, причем упомянутое устройство генерации рентгеновского излучения является микро- или нанофокусной трубкой с вращающимся анодом, причем множество антенных элементов (1105, 1120, 1130) радиально заделаны во вращающийся диск (1110, 1115) антенного основания.
20. Применение устройства генерации рентгеновского излучения по любому из пп. 11-19 в рентгеновском сканирующем аппарате для обеспечения безопасности, в сканирующем аппарате для компьютерной томографии (КТ), в сканирующем аппарате с рамой С-типа, в сканирующем мини-аппарате с рамой С-типа, в аппарате для геологической разведки, в рентгеновском дифракционном аппарате, в рентгеновской флуоресцентной спектроскопии, в рентгеновском аппарате для неразрушающего контроля, в фазоконтрастной визуализации или в цветном КТ-сканере.
