具有電子發射結構的裝置制造方法

具有電子發射結構的裝置制造方法
【專利摘要】本公開涉及一種圖像采集裝置，該圖像采集裝置包括電子接收結構和電子發射結構，并且還包括提供所述電子發射結構和所述電子接收結構之間的暢通空間的內部間隙。本公開還涉及一種x射線發射裝置，該x射線發射裝置包括x射線發射結構和電子發射結構，所述x射線發射結構包括陽極，該陽極為x射線靶標，其中，所述x射線發射裝置可以包括提供所述電子發射結構和所述x射線發射結構之間的暢通空間的內部間隙。本公開還涉及一種x射線攝像系統，該x射線攝像系統包括圖像采集裝置和x射線發射裝置。
【專利說明】具有電子發射結構的裝置
[0001]本申請要求2012年3月16日提交的美國臨時專利申請61/611，990和2012年12月31日提交的美國臨時專利申請61/747，455的優先權和利益，這些專利申請的內容和公開通過引用全部被并入本文。

【技術領域】
[0002]本文公開的實施方式涉及場致發射型電子源和包括該場致發射型電子源的裝置，具體地說，涉及一種圖像采集裝置和一種X射線發射裝置。

【背景技術】
[0003]基于替代用于視頻管中的熱陰極射線管電子源和具有場致發射型電子源的X射線成像裝置，對更小且更薄的(扁平的)成像裝置存在增長的興趣。使用場致發射型電子源的圖像采集裝置的例子是在例如日本公開特許公報2000-48743( ‘743公報)中所示的可見光圖像采集裝置和在例如日本公開特許公報2009-272289 ( ‘289公報)中所示的X射線圖像采集裝置。
[0004]使用熱陰極電子源的視頻管，諸如在例如日本公開特許公報2007-029507( ‘507公報)中所示的視頻管以及包括場致發射型電子源的上述現有技術的成像裝置已經典型地使用柵格電極，例如具有小開口的陣列并且具有柵格狀、網狀或篩狀結構的薄材料，被設置在陽極和陰極之間。該柵格電極還可以被稱為控制柵格或修整電極。柵格電極通常用于對來自熱陰極或場致發射型電子源的電子進行加速并且發射電子束。柵格電極還可以通過僅允許從電子源正交行進的電子束通過并且阻止具有角分量的電子束來達到改進電子束的目的。
[0005]現在參照圖1，圖1示出了一種傳統的具有場致發射型電子源15和柵格電極20的現有技術的圖像采集裝置，如‘743公報中所示。柵格電極20被設置在電子發射結構(包括場致發射型電子源15)和電子接收結構(包括面板3)之間，對來自場致發射型電子源15的電子束進行加速并將其定向至該電子接收結構上的預定目標區域。
[0006]包括柵格電極的成像裝置具有從電子源發射出的電子束的利用效率降低的缺點。例如，當使用例如如‘507公報中所示的柵格電極時，未能穿過開口區域的電子被吸收到柵格內，并且在沒有提供信號電流的情況下被丟失。另一方面，如果柵格電極開口的尺寸被加寬(以增大電子束的利用效率)，則將產生另一個問題，其中，具有角度的(非正交的)分量的電子將穿過并且擊中預定目標位置外面的光電導體。因此，電子束可以擊中相鄰的像素，導致讀出與目標像素不相同的像素，從而降低圖像質量(例如，分辨率)。此外，隨著柵格開口的孔徑變得更寬，柵格電極的物理強度將變得更低。因此，難以組裝并且維護具有大孔徑的柵格。出于至少這些原因，通過改變柵格電極來緩解由柵格電極所導致的電子束的利用效率降低的能力被限制。
[0007]進一步地，柵格電極在系統在諸如視頻成像、CT掃描或者熒光透視的輻照期間必須被移動的應用中能夠變成微音噪聲源。電子束和柵格之間的相互作用能夠造成電子束的能量分散，從而改變系統特性。
[0008]最后，不論柵格開口的孔徑如何，柵格電極的存在都帶來了組裝問題。該組裝問題將在諸如扁平面板式圖像采集裝置的大而薄的成像裝置中惡化，在該成像裝置中，柵格電子必須以精準的方式在狹小的間隙內被組裝，從而導致不合格產品的增多和生產成本的增大。
[0009]本公開在下文中解決了與使用場致發射型電子源的傳統成像裝置相關聯的上述問題。
[0010]進一步地，對基于場致發射型電子源的X射線發射裝置存在增長的興趣。然而，使得這樣的裝置能夠具有期望的功能參數是具有挑戰性的。出于各種原因，對這些裝置，尤其是對用于這些裝置的電子發射部件的早期嘗試是不充分的，例如，電子源無法發射足夠通量密度的電子束，這些電子束無法被聚焦到期望的斑點尺寸上，并且電子源(進而裝置本身)具有較短的壽命、較差的穩定性和較差的均勻性。
[0011]本公開在下文中解決了與基于場致發射型電子源的X射線發射裝置相關聯的上述問題。


【發明內容】

[0012]在本公開的第一個方面中，本文描述的實施方式提供了一種圖像采集裝置，該圖像采集裝置包括由至少一個分隔體間隔開的電子接收結構和電子發射結構，所述至少一個分隔體被定位成使得所述電子接收結構和所述電子發射結構之間存在內部間隙。所述電子接收結構可以包括面板、陽極和面向內部的光電導體。所述電子發射結構可以包括:(a)背板；(b)基板；(c)陰極；(d)布置成陣列的多個場致發射型電子源，其中，所述場致發射型電子源被配置為朝著所述光電導體發射電子束；以及(e)柵電極。所述內部間隙可以提供所述電子發射結構和所述電子接收結構之間的暢通空間。
[0013]在本公開的特定實施方式中，所述圖像采集裝置不包括柵格電極。
[0014]在本公開的特定實施方式中，所述電子發射結構還可以包括布置成陣列的多個第一聚焦結構，各個所述第一聚焦結構包括第一聚焦電極。
[0015]在本公開的特定實施方式中，所述第一聚焦結構可以包圍包括所述場致發射型電子源的子集的單元(unit cell)，所述單元限定像素。
[0016]在本公開的特定實施方式中，所述電子發射結構還可以包括布置成陣列的多個第二聚焦結構，各個所述第二聚焦結構包括第二聚焦電極。
[0017]在本公開的特定實施方式中，所述光電導體包括非晶硒。
[0018]在本公開的特定實施方式中，所述場致發射型電子源是斯平特型(Spindt-type)電子源。
[0019]在本公開的特定實施方式中，所述的圖像采集裝置包括位于所述場致發射型電子源和所述陰極之間的電阻層。
[0020]在本公開的特定實施方式中，所述場致發射型電子源經由信號線電連接至驅動電路，并且所述第一聚焦電極包圍所述信號線。
[0021]在本公開的特定實施方式中，所述基板是基于硅的。
[0022]在本公開的特定實施方式中，從由所述陰極、所述電阻層、所述信號線、所述場致發射型電子源、所述柵電極、所述第一聚焦結構、所述第一聚焦電極及其任意組合構成的組中選擇的至少一種構件與所述基板形成為一體。
[0023]在本公開的特定實施方式中，所述像素具有100微米X 100微米或者更小的像素間距。
[0024]在本公開的特定實施方式中，場致發射型電子源的所述陣列和所述陽極之間的距離為50微米至400微米。
[0025]在本公開的特定實施方式中，場致發射型電子源的所述陣列和所述陽極之間的距離為0.5至4.0倍像素間距。
[0026]在本公開的第二個方面中，本文描述的實施方式提供了一種X射線發射裝置，該X射線發射裝置包括由至少一個分隔體間隔開的X射線發射結構和電子發射結構，所述至少一個分隔體被定位成使得所述X射線發射結構和所述電子發射結構相互面向并且所述電子接收結構和所述電子發射結構之間存在排空的內部間隙；所述X射線發射結構包括陽極，該陽極為X射線靶標；并且所述電子發射結構包括至少一個激活范圍，各個激活范圍(active zone)包括至少一個激活區(active area),該激活區包括:陰極；選通錐體電子源，其包括布置成陣列的多個發射針尖；位于所述選通錐體電子源和所述陰極之間的電阻層；柵電極，其包括多個柵極孔，所述柵極孔中的至少一個的位置與所述發射針尖中的至少一個的位置相對應；其中，所述發射針尖被配置為朝著所述X射線發射結構發射電子束。
[0027]在本公開的特定實施方式中，所述柵極孔的直徑小于200納米。
[0028]在本公開的特定實施方式中，所述發射針尖的底部的寬度小于300納米。
[0029]在本公開的特定實施方式中,所述激活范圍包括一個以上激活區。
[0030]在本公開的特定實施方式中，所述柵電極通過柵極互連引線連接到電壓源，所述柵電極位于所述柵極互連引線的間隙內，使得所述柵電極在各側連接到所述柵極互連引線。可選地，所述柵極互連引線比所述柵電極厚。
[0031]在本公開的特定實施方式中，所述柵極互連引線的厚度為0.5微米至20微米。在本公開的特定實施方式中，所述電阻層的厚度大于300納米或者為300至5000納米。
[0032]在本公開的特定實施方式中，所述電阻層包括SiCN。可選地，所述電阻層還包括位于與所述陰極的界面處的第一阻擋子層(barrier sublayer)、位于與所述選通錐體電子源的界面處的第二阻擋子層、或者第一阻擋子層和第二阻擋子層這二者。可選地，所述阻擋子層包括具有小于40%的硅原子百分比的SiCN或SiC，或者包括非晶碳。
[0033]在本公開的特定實施方式中，所述選通錐體電子源能夠傳送具有ImA/mm2至1mA/mm2的通量密度的電流。
[0034]在本公開的特定實施方式中，所述激活區的面積為100平方微米至4平方毫米。
[0035]在本公開的特定實施方式中，所述激活區在每平方微米具有I至10個發射針尖。
[0036]在本公開的特定實施方式中，所述陰極的厚度為0.5微米至20微米。
[0037]在本公開的特定實施方式中，所述發射針尖、所述對應的柵極孔、所述陰極和所述電阻層中的每一個的位置沿著所述電子發射結構的平面交疊。
[0038]在本公開的特定實施方式中，所述內部間隙提供所述電子發射結構和所述電子接收結構之間的暢通空間。
[0039]在本公開的特定實施方式中，所述陽極包括由鑰、銠和鎢構成的組中的一種或更多種。
[0040]在本公開的特定實施方式中，所述基板是基于硅的。
[0041]可選地，從由所述柵電極、所述陰極、所述電阻層和所述選通錐體電子源構成的組中選擇的至少一種構件與所述基板形成為一體。
[0042]在本公開的特定實施方式中，所述激活范圍被至少一個聚焦結構包圍。
[0043]在本公開的特定實施方式中，所述激活范圍包括多個激活區，并且所述多個激活區被配置為被一同激活。
[0044]在本公開的特定實施方式中，所述激活范圍包括多個激活區，并且所述多個激活區的一個或更多個子集能夠被獨立地激活。可選地，所述激活范圍的總發射電流能夠通過一個或更多個所述激活范圍的受控激活來調整。可選地，所述多個激活區的所述子集被組織成同心區域，使得所述電子束的初始寬度能夠通過一個或更多個所述同心區域的受控激活來調整。
[0045]在本公開的第三個方面中，本文所述的實施方式提供了一種X射線攝像系統，該X射線攝像系統包括如在本公開的第一個方面中提供的圖像采集裝置以及如在本公開的第二個方面中提供的X射線發射裝置。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0046]為了更好地理解這些實施方式并且示出其如何能夠被實現，現在將純粹通過示例來參照附圖。
[0047]現在詳細地具體參照附圖，需要強調的是，所示出的細節僅是舉例的并且出于對選擇的實施方式進行說明性的討論的目的，并且是為了提供被認為是原理和概念方面的最有用并且最容易理解的描述而被呈現出來。就這一點而言，沒有嘗試顯示比對基本理解所需的更詳細的結構細節；結合附圖的描述使得對本領域技術人員而言多個選擇的實施方式如何能夠實現是顯而易見。附圖中:
[0048]圖1是示出包括柵格電極的現有技術的圖像采集裝置的示圖。
[0049]圖2是示出根據本公開的圖像采集裝置的示圖。
[0050]圖3是示出進一步指示裝置厚度a、像素間距b和像素尺寸c的圖像采集裝置的示圖。
[0051]圖4是示出包括第二聚焦結構的陣列的圖像采集裝置的示圖。
[0052]圖5是示出電子發射結構的俯視圖的示圖。
[0053]圖6是示出包含電子發射結構的X射線發射裝置的側視圖的示圖。
[0054]圖7是示出包含電子發射結構的另選的X射線發射裝置的側視圖的示圖。
[0055]圖8是示出電子發射結構的俯視圖的示圖。
[0056]圖9A至圖9D是激活范圍內的激活區以各種模式被激活的各種實施方式的示圖。
[0057]圖10是示出電子發射結構的激活區的(沿著例如圖9A的線A的)側視圖的示圖。
[0058]圖1lA至圖1lD是根據本公開的x射線攝像系統的示圖。
[0059]圖12示出了顯示電子發射結構和電子接收結構之間的距離的寬度(間隙)對光電導體上的被來自發射極區域的電子源的電子束撞擊的區域的寬度(電子束著靶寬度)的影響的仿真結果。
[0060]圖13示出了顯示單聚焦結構對電子束軌跡的影響的仿真結果。
[0061]圖14示出了顯示雙聚焦結構對電子束軌跡的影響的仿真結果。
[0062]圖15是顯示初始電子速率聚焦偏壓對焦斑大小的影響的仿真結果。

【具體實施方式】
[0063]圖像采集裝置
[0064]現在參照圖2至圖5，其示出了本公開的圖像采集裝置100。圖像采集裝置100包括由分隔體4間隔開的電子發射結構110和電子接收結構120。分隔體4可以被定位成使得電子接收結構120和電子發射結構110之間存在內部間隙30。內部間隙30可以被密封并且保持在真空下，并且可以提供電子發射結構110和電子接收結構120之間的暢通空間。
[0065]將要理解的是，針對正如在下文中參照圖2至圖5描述的電子發射結構110及其部件所描述的各種選項是針對并入到X射線發射裝置100中的電子發射結構110以及包含本文所述的電子發射結構的任何其它裝置(包括X射線發射裝置)的選項。
[0066]電子發射結構110可以包括背板5、基板6、陰極電極7、場致發射型電子源9的陣列以及柵電極10。電子接收結構120可以包括面板1、陽極2和面向內部的光電導體3。
[0067]電子發射結構110還可以包括布置成陣列的多個第一聚焦結構11，各個所述第一聚焦結構11包括第一聚焦電極12。在特定實施方式中，電子發射結構110還可以包括多個第二聚焦結構13，各個第二聚焦結構13包括第二聚焦電極14(參見圖5)。
[0068]圖像采集裝置100還可以包括位于陰極7和場致發射型電子源9之間的電阻層8(未示出)，以便調節進入場致發射型電子源9中的電流。
[0069]場致發射型電子源9可以被激活以發射被定向至光電導體3的電子束20。場致發射型電子源9位于陽極2和陰極7之間，使得由場致發射型電子源9發射出的電子束朝著陽極加速。光電導體3可以位于場致發射型電子源9和陽極2之間，使得發射出的電子撞擊光電導體3。
[0070]要特別注意的是，通常位于電子發射結構110和電子接收結構120之間的現有技術的圖像采集裝置內的柵格電極通常不存在于本公開的圖像采集裝置100中。柵格電極可以是具有柵格狀、網狀或篩狀結構的小開口的陣列的薄材料，并且設置在陽極和陰極之間。該柵格電極可以被稱為網狀電極、控制柵格或修整電極。在圖1所示的現有技術的系統中，柵格電極20位于電子發射結構(包括場致發射型電子源15)和電子接收結構(包括面板3)之間。與之相比，參照圖2，本公開的圖像采集裝置100的內部間隙30提供了電子發射結構120和電子接收結構110之間的暢通空間，使得從場致發射型電子源9發射出的電子束直接行進至光電導體3，而不穿過位于電子發射結構110和電子接收結構120之間的任何中間結構。
[0071]電子接收結構
[0072]參照圖2至圖5，電子接收結構120的面板I和陽極電極2可以用材料構成和/或被配置成傳輸從面板I的正面發出的入射電磁福射，使得該入射電磁福射到達光電導體3。光電導體3所使用的材料是本領域中公知的，例如非晶硒(a-Se)、HgI2, PHI2, CdZnTe或者PbO0在優選實施方式中，光電導體3包括非晶硒。
[0073]電磁輻射可以具有任何頻率。在特定實施方式中，電磁輻射在X射線頻率范圍內。另選地，電磁輻射可以在可見光頻率范圍內。
[0074]電子發射結構的基板
[0075]參見圖2至圖5，基板6可以為半導體材料，例如結晶硅。進一步地，陰極電極7、電阻層8、場致發射型電子源9、柵電極10、第一聚焦結構U、第一聚焦電極12、第二聚焦結構13、第二聚焦電極14和信號線(未示出)中的任一項或者它們的任何組合可以在基板6上進行加工并且與基板6形成為一體。在特定實施方式中，電阻層8還可以在基板6上進行加工并且與基板6形成為一體。
[0076]場致發射型電子源
[0077]參照圖2至圖5，場致發射型電子源9可以經由信號線(未示出)電連接到驅動電路，并且進一步電連接到柵電極10。連接到場致發射型電子源9的驅動電路和柵電極10的協調的電激活導致場致發射型電子源9的激活，即電子發射。場致發射型電子源9通過在場致發射型電子源9和柵電極10之間形成的電場來進行電子發射。場致發射型電子源9可以是具有布置成陣列的錐體(“發射針尖”)的選通錐體電子源，各個發射針尖被柵電極10內的開口( “柵極孔”)、斯平特型電子源、碳納米管(CNT)型電子源、金屬-絕緣體-金屬(MIM)型電子源或金屬-絕緣體-半導體(MIS)型電子源包圍。在優選實施方式中，電子源9可以是斯平特型電子源。
[0078]陽極和陰極
[0079]參照圖2至圖5，陽極2和陰極7被配置為在它們之間產生電場。該電場使從場致發射型電子源發射出的電子加速，并且將它們定向至光電導體3。陽極2和陰極7之間的電場的強度可以為0.1至2伏特每微米、0.1至1.8伏特每微米、0.1至1.5伏特每微米、0.1至I伏特每微米、0.1至0.5伏特每微米、大約0.1伏特每微米、大約0.2伏特每微米、大約
0.3伏特每微米、大約0.4伏特每微米、大約0.5伏特每微米、大約0.6伏特每微米、大約0.7伏特每微米、大約0.8伏特每微米、大約0.9伏特每微米、大約I伏特每微米、大約1.2伏特每微米或者大約1.5伏特每微米。
[0080]聚焦結構
[0081]參照圖2至圖5，場致發射型電子源9通常發射具有一系列軌跡(稱為發散角)的電子，并且并非所有這些電子都與電子發射結構110正交地發射。因此，用于在使以不期望的軌跡發射出的電子的損失最小化的同時校正電子的軌跡的機制是期望的。本公開的聚焦結構，例如，包括第一聚焦電極12的第一聚焦結構11和包括第二聚焦電極14的第二聚焦結構13起到這樣的作用。
[0082]參照圖2至圖5，第一聚焦結構11可以被配置為包圍發射極區域25，即，包括多個場致發射型電子源9的子集的單元。發射極區域25還限定了像素尺寸。第一聚焦電極12可以被配置為通過施加第一聚焦電壓來抑制從對應的發射極區域25發射出的電子束的分散，從而使發射出的電子束聚焦。
[0083]在特定實施方式中，本公開的圖像采集裝置100可以在電子發射極結構110中還包括包含有第二聚焦電極14的第二聚焦結構13的陣列。各個第二聚焦結構13可以是相鄰的并且相對于各個第一聚焦結構11 (具有第一聚焦電極12)是面向內部的，使得電子發射結構110總體上包括面向電子接收結構120的雙聚焦結構。第二聚焦電極14可以被配置為通過施加第二聚焦電壓來進一步使從對應的發射極區域25發射出的電子加速，從而進一步使發射出的電子束聚焦。將要理解的是，電子發射結構110可以包括附加的聚焦結構，導致總體聚焦結構是三重的、四重的，等等。
[0084]具有聚焦電極的聚焦結構(例如，具有第一聚焦電極12的第一聚焦結構11和/或具有第二聚焦電極14的第二聚焦結構13)還可以用作針對錯向電子的漏極。在特定實施方式中，第一聚焦電極12可以被定位成覆蓋針對場致發射型電子源9的驅動電路的信號線，從而通過保護信號線免受錯向電子的輻射來降低信號線內的輻射噪聲。
[0085]像素間距和裝置厚度
[0086]如上所述，并且參照圖2至圖5，第一聚焦結構11可以包圍發射極區域25，即，包括所述場致發射型電子源9的子集的單元。發射極區域25內的場致發射型電子源9的子集可以限定針對圖像采集裝置100的像素。
[0087]像素間距是本領域公知的基于像素的圖像采集裝置100的規格。像素間距可以表示為例如相鄰像素之間的距離。參見例如圖3中的距離b。像素尺寸可以表示為例如發射極區域25的面積、寬度和長度(如果是長方形的)或者直徑(如果是圓形的)。參見例如圖3中的距離C。更小的像素尺寸和像素間距有助于本公開的裝置采集到的圖像具有更高的分辨率。
[0088]在扁平面板式圖像采集裝置中使用的另一個規格是裝置厚度。圖像采集裝置100的厚度可以表示為例如場致發射型電子源9和陽極2上的正交位置之間的距離(如圖3中的距離a所示)。另選地，裝置的厚度可以表示為陽極2和陰極7之間的正交距離，或者表示為電子接收結構120中的任何一個部件(例如，面板1、陽極2或光電導體3)和電子發射結構110中的任何一個部件(例如，場致發射型電子源9、陰極7、基板6和背板5)之間的正交距離。
[0089]如上所述，本公開的圖像采集裝置100被設計為改進圖像采集裝置100的電子利用效率，g卩，增大從場致發射型電子源9發射出并且撞擊到光電導體3上的預定位置的電子的部分。因此，在本公開中，當與現有技術的圖像采集裝置相比時，為了獲得相同密度的撞擊光電導體3的電子，圖像采集裝置100中的各個發射極區域25 ( S卩，包括由第一聚焦結構11包圍的多個場致發射型電子源9的晶胞)可以要求從電子源發射出的電子的密度更低。進一步地，各個發射極區域25可以進而要求較少的場致發射型電子源，并且因此本公開的圖像采集裝置100的像素尺寸以及像素間距可以變得較小。本公開的圖像采集裝置100的像素可以是具有例如10微米至1000微米、50微米至200微米、大約50微米、大約75微米、大約100微米、大約125微米、大約150微米或者大約200微米的像素間距的方形像素。優選地，本公開的圖像采集裝置100的像素可以是具有大約100微米X 100微米的像素間距的方形像素。
[0090]通常，更薄的圖像采集裝置可能是期望的。然而，更薄的裝置更加難以組裝，并且柵格電極的存在加劇了組裝的難度。本公開的一個特別的優勢在于，由于可以不使用柵格電極，因此當與包括柵格電極的現有技術的圖像采集裝置相比時，本公開的圖像采集裝置100可以做得更薄，或者可以按照更少的成本生產出相同的厚度。
[0091]扁平面板式圖像采集裝置100的另一個規格是像素間距與裝置厚度之比。在本公開的圖像采集裝置100中，裝置厚度，例如，陰極7和陽極2之間的距離為0.5至4.0倍像素間距。以另選的方式表示，裝置厚度與像素間距之比(即，以微米為單位的裝置厚度/以微米為單位的像素間距)為0.5至4.0。給定上述比值，如果像素間距為100微米，則陰極7和陽極2之間的間隙將為50至400微米。在特定實施方式中，裝置厚度，例如，陰極7和陽極2之間的距離為0.5至2.0倍像素間距、0.5至1.5倍像素間距、I至3倍像素間距、I至4倍像素間距、大約0.5倍像素間距、大約0.75倍像素間距、大約I倍像素間距、大約1.5倍像素間距、大約1.75倍像素間距、大約2倍像素間距、大約2.25倍像素間距、大約2.5倍像素間距、大約2.75倍像素間距、大約3倍像素間距、大約3.25倍像素間距、大約3.5倍像素間距、大約3.75倍像素間距或者大約4倍像素間距。場致發射型電子源9的參數、聚焦結構11(和13)的尺寸、加載到聚焦電極12(和14)的電壓、分隔體4的高度以及裝置的其它參數可以根據需要來調節。
[0092]X射線發射裝置
[0093]現在參照圖6，圖6示出了本公開的X射線發射裝置1000。x射線發射裝置1000包括由至少一個分隔體54間隔開的、相互面向的電子發射結構210和X射線發射結構220(也稱為“電子接收結構”)。分隔體54可以被定位成使得X射線發射結構220和電子發射結構210之間存在內部間隙58。內部間隙58可以被密封并且保持在真空下，并且可以提供電子發射結構210和X射線發射結構220之間的暢通空間。
[0094]電子發射結構210可以被激活以發射被定向至X射線發射結構220的電子束71。并入到電子發射結構210的選通錐體電子源被定位成使得發射出的電子束71朝著X射線發射結構220的陽極52被加速。
[0095]X射線發射結構220被定位成面向電子發射結構210，并且包括陽極52。x射線發射結構220的陽極52和電子發射結構210的陰極被配置為在它們之間產生電場。該電場使從選通錐體電子源發射出的電子加速，并且引導它們朝向陽極52。進一步地，陽極52在被電子束71撞擊時能夠發射出X射線75。這種陽極52是本領域中公知的，并且還可以被稱為“靶標”或“X射線靶標”。陽極52可以例如由鑰、銠、鎢或其組合構成。
[0096]X射線發射結構220還可以在面向外面的側部上包括準直器(未示出)。通常，X射線75在一系列方向上被發射出，使得它們以錐狀從X射線發射結構220輻射出去。準直器是過濾射線流使得僅平行于指定的方向行進的射線流被允許通過的裝置。因此，發射出的X射線的橫向擴散可以被最小化或者被消除。
[0097]要特別注意的是，在現有技術的裝置中，柵格電極通常已經位于電子發射結構210和X射線發射結構220之間。柵格電極可以為具有柵格狀、網狀或篩狀結構的小開口的陣列的薄材料。柵格電極可以被稱為網狀電極、控制柵格或修整電極。這種柵格電極通常不存在于本公開的X射線發射裝置中。參照圖6，本公開的X射線發射裝置中的內部間隙58提供電子發射結構220和電子接收結構210之間的暢通空間，使得發射出的電子束71直接行進至X射線發射結構220，而不穿過位于電子發射結構210和X射線發射結構220之間的任何中間結構。
[0098]由陽極52在被電子束71撞擊之后所產生的X射線75可以穿過陽極(如圖6所示)進行傳輸。另選地，如圖7所示，X射線發射裝置1000’可以被配置為使得從電子發射結構210發射出的電子束71撞擊到X射線發射結構220’的陽極52’，陽極52’與電子束71的方向成角度(例如，成45度)放置。在這種配置中，由韌致輻射產生的X射線75’可以與入射電子束71成90度發射，并且穿過窗口 59’從一旁離開裝置1000’。
[0099]X射線發射裝置1000’包括由至少一個分隔體54’間隔開的、相互面向的電子發射結構210’和X射線發射結構220’。X射線發射結構220’可以包括陽極52’和窗口 59’。分隔體54’可以被定位成使得在X射線發射結構220’和電子發射結構210’之間存在內部間隙58’。內部間隙58’可以被密封并且保持在真空下，并且可以提供電子發射結構210和X射線發射結構220’之間的暢通空間。
[0100]將要理解的是，針對如在下文中參照圖8至圖10描述的電子發射結構210及其部件所描述的各種選項是針對并入到X射線發射裝置1000’中的電子發射結構210、x射線發射裝置1000’以及包含本文所述的電子發射結構的任何其它裝置(包括圖像采集裝置)的選項。
[0101]現在參照圖8，本公開提供了一種電子發射結構210，該電子發射結構210包括一個或更多個發射單元90。發射單元90可以與基板55形成為一體。發射單元90可以包含激活范圍85,該激活范圍85包括一個或更多個激活區80,各個激活區80具有選通錐體電子源(未示出)和柵電極60。該選通錐體電子源可以是包括布置成陣列的錐體(“發射針尖，，)的場致發射型電子源，各個發射針尖被柵電極60內的開口( “柵極孔”)包圍。激活區80可以通過柵極互連引線64以及通過陰極56連接到電壓源，所述柵極互連引線64電導性連接到柵電極60，所述陰極56與所述柵極互連引線64交疊。發射單元90還可以包含聚焦結構95。
[0102]發射單元90被配置為當并入到存在于激活范圍85中的一個或更多個激活區80內的選通錐體電子源(未示出)被激活時，發射電子束。激活區80可以通過將柵極互連引線64(進而柵電極60)和陰極56連接到電壓源來進行激活。使被并入到選通錐體電子源內的發射針尖暴露于電壓梯度中的結果是導致所述發射針尖發射電子束。
[0103]聚焦結構
[0104]仍然參照圖8，場致發射型電子源通常發射具有一系列軌跡(被稱為發散角)的電子，并且并非所有這些電子都正交于電子發射結構210被發射。因此，用于在使以不期望的軌跡發射出的電子的損失最小化的同時校正電子軌跡的機制是期望的。本公開的聚焦結構95起到這樣的作用。
[0105]聚焦結構95可以被配置為包圍激活范圍85。聚焦結構95可以被配置為通過在并入到其內的聚焦電極上施加聚焦電壓來抑制從對應的激活范圍85發射出的電子束的分散，從而使發射出的電子束聚焦。
[0106]在特定實施方式中，聚焦結構95可以包括第一聚焦結構和第二聚焦結構，一者位于另一者之上，使得聚焦結構95總體上包括雙聚焦結構。第二聚焦電極可以被配置為通過施加第二聚焦電壓來進一步使從激活范圍85發射出的電子加速，從而進一步使發射出的電子束聚焦。將要理解的是，聚焦結構95可以總體上包括三重聚焦結構、四重聚焦結構，等坐寸ο
[0107]聚焦結構95還可以用作針對錯向電子的漏極。在特定實施方式中，聚焦結構95可以被定位成覆蓋針對選通錐體電子源的驅動電路的信號線，從而通過保護信號線免受錯向電子的輻射來降低信號線內的輻射噪聲。
[0108]柵電極
[0109]如上所述，激活范圍85位于柵極互連引線64和陰極56之間的交疊部分處。如圖9A所示，各個激活區80可以位于柵極互連引線64內的完全封閉的間隙中。S卩，各個激活區80可以是被柵極互連引線64包圍的島狀物。因此，柵電極60可以從任何側面或者所有側面電導性連接到柵極互連引線64。
[0110]如圖9A所示,激活范圍85包括16個激活區80。然而,將要理解的是,激活范圍85可以具有與被認為適于電子發射結構210的使用一樣多的激活區。不同的是，在激活范圍85中可以存在少至一個激活區80、多達100個激活區80 (例如，10X10個激活區80)、多達1000個激活區80 (例如，100X100個激活區80)或者更多個激活區80。
[0111]雖然圖9A所示的激活區80是正方形的，但是激活區80可以是矩形、圓形、彎帶狀、餅狀等各種形狀。類似地，激活區80可以是矩形、圓形、彎帶狀、餅狀等各種形狀。此外，多個激活區80可以在激活范圍85內被布置成方形柵格圖案(如圖9A所示)、矩形柵格圖案、輻射狀圖案等。
[0112]激活區80可以是方形的，例如，大約2mmX 2mm、大約1.5mmX 1.5mm、大約
1.0mmX 1.0mm、大約750微米X 750微米、大約500微米X 500微米、大約400微米X 400微米、大約300微米X 300微米、大約200微米X 200微米、大約150微米X 150微米、大約100微米X 100微米、大約75微米X 75微米、大約50微米X 50微米、大約25微米X 25微米、大約10微米X 10微米、或者75微米至125微米。具有大約2mmX 2mm尺寸的激活區80具有大約4平方毫米(mm2)的大小(即，表面面積)，具有大約10微米X 10微米尺寸的激活區80具有大約100平方微米的大小，等等。
[0113]激活范圍85的大小取決于該激活范圍85內的激活區80的大小和激活區80的數量，以及穿插在激活區之間并且包圍各個激活區的柵極互連引線64部分的寬度。通常，由于穿插的柵極互連引線64部分，激活范圍85的尺寸可以比沿著相同側的激活區80的合計尺寸多出大約10-20%。例如，在具有布置成4X4柵格的16個激活區80的激活范圍85中，各個激活區80具有100微米X 100微米的大小，各個激活區80被穿插有一部分柵極互連引線64，激活范圍85可以具有大約480微米X 480微米的大小(在這種情況下，穿插的柵極互連引線64部分增加了 20%的激活范圍寬度)。
[0114]發射單元可以被配置成使得激活范圍85中的所有激活區80被配置為被一同激活。另選地，激活范圍85中的各個激活區80(或者激活區80的不同子集)能夠被獨立地激活，也就是說，單個激活區80或者激活區80的子集可以被激活，同時該激活范圍85內的其余激活區80保持未激活。因此，激活區80可以按照各種空間和時間模式被激活。因此，激活區80的子集可以被激活以實現針對激活范圍85的不同發射電流。另選地或另外地，激活范圍85中包含不同同心區域的激活區80的子集可以被獨立地激活以實現初始寬度的不同大小，例如由激活范圍85發射出的電子束的橫截面積,進而所發射出的電子束的焦斑大小。換言之，由激活范圍85發射出的電子束的發射電流能夠通過該激活范圍85內的一個或更多個激活區80的受控激活來進行調整，并且由激活范圍85發射出的電子束的初始寬度能夠通過被組織成同心區域的激活區80的一個或更多個子集的受控激活來進行調整。
[0115]作為具體的實施方式，具有布置成3X3柵格的9個激活區的激活范圍可以被劃分成兩個同心區域，第一個同心區域包含中心的激活區，第二同心區域包含外層的8個激活區。作為另選的實施方式，具有布置成5X5柵格的25個激活區的激活范圍可以被劃分成三個同心區域，第一個同心區域包含中心激活區，第二同心區域包含8個中間激活區，第三同心區域包含16個外層激活區。將要理解的是，激活范圍可以被配置為具有還更大的激活區陣列，例如具有4個、5個、6個或更多個同心區域。
[0116]現在參照圖9B至圖9D，示出了具有布置成5X5柵格圖案的25個激活區80A’ -80Y’的激活范圍85’，所述激活范圍85’可以具有可獨立地激活的三個同心區域:包含中心激活區80M，的第一區域;包含中間激活區80G’、80H’、80I’、80L’、80N’、80Q’、80R’和80S，的第二同心區域；以及包含外層激活區80A，-80E’、80F’、80J’、80K’、800’、80P’、80T’和80U’-80Y’的第三同心區域。如圖9B所示，在保持第二同心區域和第三同心區域未激活(未激活的激活區80’顯示為黑色)的同時激活第一同心區域(被激活的激活區80’顯示為白色)將導致具有小發射電流的窄電子束的發射(圖9B)。另選地，在保持第三同心區域未激活的同時將第一同心區域和第二同心區域一同激活將導致具有中等發射電流的中等寬度的電子束的發射(圖9C)。最后，激活所有三個同心區域(即，所有的25個激活區)將導致具有大發射電流的寬電子束的發射(圖9D)。
[0117]將要理解的是，涉及圖9A至圖9D的上述公開提供了用于調整由包含多個激活區的激活范圍發射出的電子束的發射電流和/或初始寬度的方法。將要進一步理解的是，所述方法可以被應用于具有任意類型的電子源的激活區，并且不限于具有選通錐體電子源的激活區。因此，上述方法可以被應用于例如斯平特型電子源、碳納米管(CNT)型電子源、金屬-絕緣體-金屬(MIM)型電子源或金屬-絕緣體-半導體(MIS)型電子源。
[0118]電子發射結構的進一步的特性
[0119]參照圖10，電子發射結構210中的激活區80可以包括基板55、陰極電極56、電阻層57、選通錐體電子源70和柵電極60。如上所述，激活區80可以被限定為被選通錐體電子源70和/或對應的柵電極60占據的區域。激活區80還可以被限定為被柵極互連引線64包圍的區域。
[0120]選通錐體電子源70可以包括布置成陣列的多個發射針尖72。選通錐體電子源70還可以包括具有多個層間電介質(ILD)窗口的ILD層74，發射針尖72位于各個ILD窗口處。ILD74還可以當作用于位于其上的柵電極60的支撐體。
[0121]發射針尖72可以例如由鉻、鑰等構成。各個發射針尖72可以具有大約500納米(nm)、大約 400nm、大約 300nm、大約 200nm、大約 lOOnm、小于 500nm、小于 400nm、小于 300nm、小于200nm、小于lOOnm、100至300nm或者200至400nm的高度。各個發射針尖可以具有大約500nm、大約400nm、大約300nm、大約200nm、大約lOOnm、小于500nm、小于400nm、小于300nm、小于200nm、小于lOOnm、100至300nm或者200至400nm的底部寬度。在具體的實施方式中，發射針尖72可以具有小于300nm的高度和小于300nm的底部寬度。
[0122]柵電極60可以包括多個柵極孔62。柵電極60可以由諸如鉻、鈮等導電材料制成。通常，柵極孔62的位置與ILD窗口和發射針尖72的位置相對應，使得各個發射針尖被配置為向柵極孔62外發射電子束。柵極孔62可以具有大約50至500納米、大約100至400納米、大約150至250納米、大約100納米、大約150納米、大約175納米、大約200納米、大約225納米、大約250納米、大約300納米、大約350納米、小于300納米、小于250納米、小于200納米、小于150納米以及小于100納米的直徑。
[0123]柵電極60可以經由柵極互連弓I線64電導性連接到電壓源。柵電極60可以具有大約50納米(nm)、大約60nm、大約70nm、大約80nm、大約90nm、大約lOOnm、大約125nm、50nm至125nm或者80nm至10nm的厚度。柵極互連引線64可以具有0.5微米至20微米的厚度。因此，柵電極60比柵極互連引線64更細。由于細以及柵極孔62的存在，柵電極60的電阻比柵極互連引線64的電阻大很多。
[0124]電阻層57位于陰極57和選通錐體電子源70之間，并且除了其它功能外，還起到調節在陰極57和發射針尖72的激活期間在它們之間流動的電流。電阻層57可以包括碳氮化硅(SiCN)、碳化硅或非晶硅。電阻層57可以在其一個或更多個外表面處進一步包括阻擋子層。即，電阻層57可以包括位于與陰極的界面處的阻擋子層、位于與選通錐體電子源的界面處的阻擋子層、或者位于陰極的界面以及選通錐體電子源的界面處的阻擋子層。阻擋子層可以包括富含碳的SiCN層或者富含氮的SiCN層。
[0125]SiCN包含大量的組分。SiCN可以被表示為Si(x)C(y)N(z)，其中x、y、z示出了各種元素的原子百分比。例如，由X = 75%> y = 15%和Z = 10%組成的Si (x)C(y)N(z)是指娃碳氮合成物，其中，75%的原子是娃，15%的原子是碳，10%的原子是氮。SiCN的該種記號法包含了原子百分比為O的情況。例如，具有z = 0%的組分的Si(x)C(y)N(z)是碳化硅(SiC)。類似地,如果X = 0%并且z = 0%,那么y = 100%,其為純碳,例如非晶碳。
[0126]典型的電阻層57可以使用例如由X = 47%,y = 47%,z = 6%組成的Si (x)C(y)N(z)0與在電阻層57中使用的Si(x)C(y)N(z)相比，富含氮的或者富含碳的阻擋層可以是具有更高I值(碳原子百分比)或者更高z值(氮原子百分比)的SiCN。例如，富含氮的或者富含碳的阻擋層可以是具有小于40%的硅原子百分比的SiCN或SiC。作為進一步的例子，如果在電阻層57中使用由x = 47%、y = 47%、z = 6%組成的上述Si (x)C(y)N(z)，那么富含氮的阻擋層可以使用由X = 30%、y = 30%、Z = 40%組成的Si (x)C(y)N(z),并且富含碳的阻擋層可以使用由X = 30%、y = 65%、N = 5%組成的Si (x)C(y)N(Z)。另選地，富含碳的阻擋層可以是非晶碳。針對Si (X)C(y)N(z)組合物的x、y和z的值能夠通過本領域中公知的各種方法來進行控制，例如，使用化學蒸汽沉積(CVD)的濺鍍的沉積條件。
[0127]陰極56可以包含銅(Cu)或鋁(Al)，并且可以具有0.5微米至20微米的厚度。
[0128]將要理解的是，在本公開的電子發射結構210中，選通錐體電子源70、電阻層57和陰極56是垂直對齊的。即，沿著激活區80和電子發射結構210的平面方向，柵電極60、選通錐體電子源70、電阻層57和陰極56彼此全部交疊。進一步地，沿著電子發射結構的平面方向，各個發射針尖72、對應的柵極孔62、陰極56和電阻層57可以交疊。這種布置表現出各個上述部件之間很小的橫向位移或者無橫向位移，并且導致(除了其它效果外):保持柵電極60和陰極56之間的電壓梯度的均勻性；以及保持提供給各個單獨的發射針尖72的電流的路徑和該電流所流過的電阻的均勻性。
[0129]基板55可以包含半導體材料,例如結晶娃。進一步地，陰極56、電阻層57、包含發射針尖72和ILD74的選通錐體電子源70、柵電極60、導線互連導線64或者其任意組合中的任何一者都可以在基板55上進行加工并且與基板55形成為一體。
[0130]X射線攝像系統
[0131]本公開還提供了一種X射線攝像系統，該X射線攝像系統包括如本文所述的至少一種X射線發射裝置和如本文所述的至少一種圖像采集裝置，圖像采集裝置被定位成使得X射線發射裝置朝著圖像采集裝置的電子接收結構發射X射線束，該電子接收結構可以包含光電導體。
[0132]圖1lA示出了一種X射線攝像系統2000，其包括圖像采集裝置100和x射線發射裝置1000，。
[0133]圖像采集裝置100包括由分隔體4間隔開的電子發射結構110和電子接收結構120。分隔體4可以被定位成使得電子接收結構120和電子發射結構110之間存在內部間隙30。內部間隙30可以被密封并且保持在真空下，并且可以提供電子發射結構110和電子接收結構120之間的暢通空間。電子接收結構110可以包括光電導體，并且可以被配置為接收由X射線發射裝置1000’發射出的X射線。圖像采集裝置100及其部件在本文中別處進行了更為詳細的描述。
[0134]X射線發射裝置1000’可以被配置為使得從電子發射結構210發射出的電子束71撞擊X射線發射結構220’的陽極52’，陽極52’被與電子束71的方向成角度(例如，成45度)放置。在這種配置中，由韌致輻射產生的X射線75’可以與入射電子束71成90度被發射出去，并且穿過窗口 59’從一側離開裝置1000’。X射線發射裝置1000’及其部件在本文中別處進行了更為詳細的描述。
[0135]X射線攝像系統2000被配置為允許物體300放置在x射線發射裝置1000’和圖像采集裝置100之間，使得X射線75’(或者其一部分)在撞擊圖像采集裝置100 (或者其一部分)之前穿過物體300 (或者其一部分)，從而產生物體300的X射線透射圖像。
[0136]由X射線攝像系統2000中的X射線發射裝置1000’發射出的x射線的能量和/或寬度是可調的。現在參照圖1lB至圖11D，示出了具有并入到電子發射結構210中的激活范圍85’的擴展視圖的X射線攝像系統2000，該激活范圍85’具有布置成5X5柵格圖案的25個激活區80A’ -80Y’。所述激活范圍85’可以具有例如可獨立地激活的三個同心區域:包含中心激活區80M，的第一區域;包含中間激活區80G’、80H’、80I’、80L’、80N’、80Q’、80R’和80S，的第二同心區域；以及包含外層激活區80A，-80E’、80F’、80J’、80K’、800’、80P’、80T，和80U，-80Y，的第三同心區域。
[0137]如圖1lB所示，在保持第二同心區域和第三同心區域未激活(未激活的激活區80’顯示為黑色)的同時激活第一同心區域(被激活的激活區80’顯示為白色)將導致具有小發射電流的窄電子束的發射，使得X射線發射裝置1000’發射窄的X射線束(圖11B)。另選地，在保持第三同心區域未激活的同時將第一同心區域和第二同心區域一同激活將導致具有中等發射電流的中等寬度的電子束的發射，使得X射線發射裝置1000’發射中等寬度的X射線束(圖11C)。最后，激活所有三個同心區域(即，所有的25個激活區)將導致具有大發射電流的寬電子束的發射，使得X射線發射裝置1000’發射寬的X射線束(圖11D)。
[0138]將要理解的是，如在本公開中所提供的，X射線攝像系統可以包括如本文所述的任何X射線發射裝置(例如在圖6至圖10中示出并且參照圖6至圖10所描述的)，并且可以包括如本文所述的任何圖像采集裝置(例如在圖2至圖5中示出并且參照圖2至圖5所描述的)。將要進一步理解的是，如本公開所提供的，X射線攝像系統可以包括多個X射線發射裝置和/或多個圖像采集裝置。
[0139]電子發射結構的功能特性
[0140]如上所述(涉及圖8、圖9A至圖9D和圖10)，激活區80和對應的柵電極60可以被一部分柵極互連引線64包圍。S卩，激活區80的柵電極60可以位于柵極互連引線64內的完全封閉的間隙中。與具有一個大的激活區80的激活范圍85相比，具有多個激活區80的上述布置具有各種優勢，例如減小穿過可以改進柵電極60和陰極56之間沿著選通錐體電子源70的平面方向的電壓梯度的均勻性的高電阻柵電極60的電流的路徑長度。此外，該布置具有使激活范圍85的溫度分布均等的額外效果，因為柵極互連引線64可以是比柵電極60更好的熱導體。
[0141]由于發射針尖72和柵極孔62的小(亞微米級)尺寸，選通錐體電子源70可以被認為是納米選通錐體電子源。要特別注意的是，結合柵極孔62的小直徑，選通錐體電子源70中的單個元件(例如，發射針尖72)的小尺寸允許在各個激活區80內布置大量的發射針尖72，并且因此允許在各個激活范圍85內布置大量的發射針尖72。例如，激活區80每平方微米可以包括大約I個發射針尖72。S卩，在10000平方微米(100微米X 100微米)的激活區80內，發射針尖72和柵極孔62的小尺寸可以允許布置大約10000個發射針尖72。基于發射針尖72的底部寬度和選通錐體電子源70的其它特性以及柵電極60的特性，選通錐體電子源70可以具有高于每平方微米I個發射針尖72的發射針尖密度，例如，每平方微米I至10個發射針尖72、每平方微米2至4個發射針尖72，等等。因此，發射針尖72和柵極孔62的小尺寸能夠使高密度的發射針尖72通過選通錐體電子源70產生高的通量密度，同時允許流過各個發射針尖72的電流小，從而還導致選通錐體電子源的壽命、穩定性和功能上的均勻性得到改進。
[0142]選通錐體電子源70能夠傳送具有I至lOmA/mm2 (毫安每平方毫米)的通量密度(即，能夠具有發射電流密度)的電流。
[0143]選通錐體電子源70可以被配置為發射具有大約5eV、大約10eV、大約15eV、大約20eV或者大約5至15eV的初始速度的電子束。
[0144]將要理解的是，給定選通錐體電子源70能夠傳送特定發射電流密度(如上所述)，激活區80的發射電流將取決于其大小(例如,表面面積)。類似地,激活范圍85的發射電流將取決于它所包含的激活區80的數量。例如，具有lOmA/mm2的發射電流密度的、大小為100微米X 100微米的激活區80具有0.1mA的發射電流。因此，具有100個這樣的激活區80的、大小為1.1mm2的激活范圍具有1mA的發射電流。類似地，具有1000個這樣的激活區80的、大小為Ilmm2的激活范圍具有10mA的發射電流。同樣類似地，具有5000個這樣的激活區80的、大小為55mm2的激活范圍具有500mA的發射電流。因此，激活范圍85的發射電流可以低到10mA、或者高達500mA、或者更高。
[0145]陰極56可以被配置為傳送大約10mA、大約50mA、大約100mA、大約200mA、大約300mA、大約 400mA、大約 500mA、大約 600mA、大約 700mA、大約 800mA、大約 900mA、大約 1A、大于 800mA、500 至 700mA、300mA 至 800mA、10mA 至 800mA、1mA 至 1A、至少 500mA、至少600mA、至少700mA或至少800mA的電流(“陰極電流”)。陰極電流可以包括對應的激活范圍85 (如上所述)的發射電流和通過對應的柵電極60 (和對應的柵極互連引線64)的柵極漏電流。通常，柵極漏電流比發射電流小，并且因此，陰極電流與激活范圍85的發射電流大小相近，或者比激活范圍85的發射電流稍微更大。
[0146]X射線發射裝置的應用
[0147]本申請中提供的X射線發射裝置可以被布置成各種幾何形狀以滿足一系列X射線系統配置，包括CT掃描儀、錐形束CT、電子束CT、包含乳腺斷層攝影的其它層析成像模式、逆幾何X射線配置(其中，能夠從各個位置快速發射X射線的擴展的X射線源靠近病人被放置，并且X射線探測器遠離病人被放置)以及要求在放置于病人周圍的各個位置處的固定X射線源之間快速切換的其它配置。
[0148]示例
[0149]示例1-聚焦結構的影響的仿真
[0150]圖12示出了來自仿真的圖像采集裝置的結果，描繪了電子束在其撞擊到面向它的電子接收結構(例如，在本公開的圖像采集裝置的情況下的光電導體或者在本公開的X射線發射裝置的情況下的X射線靶標)的相對表面上的點處的寬度如何隨著電子發射結構和電子接收結構之間的間隙的增大而增大。參照圖12(以及圖13至圖15)，電子束著靶寬度或焦斑大小是指電子束在其撞擊到面向它的電子接收結構上的點處的寬度，并且間隙是指陽極(在電子接收結構上)和陰極(在電子發射結構上)之間的距離。
[0151]在許多情況下，希望電子束著靶寬度保持狹窄。例如，在圖像采集裝置的情況下，希望焦斑大小不超過像素間距，使得從一個發射極區域發射出的電子束與從相鄰的發射極區域發射出的電子束不交疊。考慮到電子束著靶寬度隨著間隙距離展寬，在一定間隙距離內能夠實現的像素間距受到限制。聚焦結構/電極起到限制電子束著靶寬度隨著間隙距離展寬的作用，從而例如能夠針對(例如，陽極和陰極之間的)較大的間隙獲得較小的像素間距。
[0152]參照圖13，第一聚焦結構的存在以及第一聚焦電極兩端的第一聚焦電壓的施加可以限制電子束著靶寬度。例如，在包括具有100微米間隙(陽極至陰極)的單聚焦結構的電子發射結構的仿真的圖像采集裝置中，通過將大約30伏特施加到第一聚焦電極(陰極底部)，電子束著靶寬度被限制在大約100微米，以便匹配100微米的目標像素間距。針對150微米的間隙，通過將大約22.5伏特(在20至25伏特之間)施加到第一聚焦電極，電子束著靶寬度被限制在大約100微米。最佳的第一聚焦電壓取決于間隙的大小(例如，陽極至陰極的距離)以及包括場致發射型電子源的規格、聚焦結構的尺寸和裝置的其它參數的其它參數，這些參數可以根據需要來進行調節。單聚焦仿真的結果顯示在下表I中。
[0153]表1:使用單聚焦的電子束著靶寬度(以微米為單位)
[0154]
_第一聚焦電壓—
—間隙(微米)— 20伏特40伏特60伏特
— 5053— 62.881.8
"8058.795.1103.4
" 10059.8115.1123.2
" 15077.3159.3170.8
[0155]將要理解的是，聚焦結構對上述的電子束著靶寬度的影響在具有相似配置的電子發射結構的仿真的X射線發射裝置中將是相同的。
[0156]參照圖14，與第一聚焦結構相結合的第二聚焦結構(即，雙重聚焦)的進一步存在還可以限制電子束著靶寬度。例如，在包括具有300微米的間隙(陽極至陰極)的雙聚焦結構的仿真的圖像采集裝置中，通過將大約600伏特施加到第二聚焦電極(陰極底部)與通過將大約30伏特施加到第一聚焦電極(陰極底部)相結合，電子束著靶寬度被限制在大約100微米，以便匹配100微米的目標像素間距。針對400微米的間隙，通過將大約1000伏特施加到第二聚焦電極與通過將大約30伏特施加到第一聚焦電極相結合，電子束著靶寬度被限制在大約100微米。最佳的第二聚焦電壓取決于間隙的大小(例如，陽極至陰極的距離)以及包括場致發射型電子源的規格、聚焦結構的尺寸和裝置的其它參數的其它參數，這些參數可以根據需要來進行調節。雙重聚焦仿真的結果顯示在下表2中。
[0157]表2:使用雙重聚焦的電子束著靶寬度(以微米為單位)
[0158]

【權利要求】
1.一種圖像采集裝置，該圖像采集裝置包括由至少一個分隔體間隔開的電子接收結構和電子發射結構，所述至少一個分隔體被定位成使得所述電子接收結構和所述電子發射結構之間存在內部間隙； 所述電子接收結構包括面板、陽極和面向內部的光電導體；并且 所述電子發射結構包括: (a)背板； (b)基板； (C)陰極； (d)布置成陣列的多個場致發射型電子源，其中，所述場致發射型電子源被配置為朝著所述光電導體發射電子束；以及 (e)柵電極； 其中，所述內部間隙提供所述電子發射結構和所述電子接收結構之間的暢通空間。
2.根據權利要求1所述的圖像采集裝置，其中，所述圖像采集裝置不包括柵格電極。
3.根據權利要求1或權利要求2所述的圖像采集裝置，其中，所述電子發射結構還包括布置成陣列的多個第一聚焦結構，各個所述第一聚焦結構包括第一聚焦電極。
4.根據權利要求3所述的圖像采集裝置，其中，所述第一聚焦結構包圍包括所述場致發射型電子源的子集的單元，所述單元限定像素。
5.根據權利要求1至4中的任一項所述的圖像采集裝置，其中，所述電子發射結構包括第二聚焦結構的陣列，所述第二聚焦結構包括第二聚焦電極。
6.根據權利要求1至5中的任一項所述的圖像采集裝置，其中，所述光電導體包括非晶硒。
7.根據權利要求1至6中的任一項所述的圖像采集裝置，其中，所述場致發射型電子源是斯平特型電子源。
8.根據權利要求1至7中的任一項所述的圖像采集裝置，該圖像采集裝置包括位于所述場致發射型電子源和所述陰極之間的電阻層。
9.根據權利要求1至8中的任一項所述的圖像采集裝置，其中，所述場致發射型電子源經由信號線電連接至驅動電路，并且其中，所述第一聚焦電極包圍所述信號線。
10.根據權利要求1至9中的任一項所述的圖像采集裝置，其中，所述基板是基于硅的。
11.根據權利要求10所述的圖像采集裝置，其中，從由所述陰極、所述電阻層、所述信號線、所述場致發射型電子源、所述第一聚焦結構、所述第一聚焦電極、所述第二聚焦結構、所述第二聚焦電極及其任意組合構成的組中選擇的至少一種構件與所述基板形成為一體。
12.根據權利要求4至11中的任一項所述的圖像采集裝置，其中，所述像素具有100微米X 100微米的像素間距。
13.根據權利要求1至12中的任一項所述的圖像采集裝置，其中，所述場致發射型電子源的陣列和所述陽極之間的距離為50微米至400微米。
14.根據權利要求1至13中的任一項所述的圖像采集裝置，其中，所述場致發射型電子源的陣列和所述陽極之間的距離為0.5至4.0倍像素間距。
15.一種X射線發射裝置，該X射線發射裝置包括由至少一個分隔體間隔開的X射線發射結構和電子發射結構，所述至少一個分隔體被定位成使得所述X射線發射結構和所述電子發射結構相互面向并且所述電子接收結構和所述電子發射結構之間存在排空的內部間隙； 所述X射線發射結構包括陽極，該陽極為X射線靶標；并且 所述電子發射結構包括至少一個激活范圍，各個激活范圍包括至少一個激活區，該激活區包括: (a)陰極； (b)選通錐體電子源，其包括布置成陣列的多個發射針尖； (C)位于所述選通錐體電子源和所述陰極之間的電阻層； (d)柵電極，其包括多個柵極孔，至少一個所述柵極孔的位置與至少一個所述發射針尖的位置相對應； 其中，所述發射針尖被配置為朝著所述X射線發射結構發射電子束。
16.根據權利要求15所述的X射線發射裝置，其中，所述柵極孔的直徑小于200納米。
17.根據權利要求15或權利要求16所述的X射線發射裝置，其中，所述發射針尖的底部的寬度小于300納米。
18.根據權利要求15至17中的任一項所述的X射線發射裝置，其中，所述激活范圍包括一個以上激活區。
19.根據權利要求15至18中的任一項所述的X射線發射裝置，其中，所述柵電極通過柵極互連引線連接到電壓源，所述柵電極位于所述柵極互連引線的間隙內，使得所述柵電極在各側連接到所述柵極互連弓I線。
20.根據權利要求19所述的X射線發射裝置，其中，所述柵極互連引線比所述柵電極厚。
21.根據權利要求20所述的X射線發射裝置，其中，所述柵極互連引線的厚度為0.5微米至20微米。
22.根據權利要求15至21中的任一項所述的X射線發射裝置，其中，所述電阻層的厚度大于300納米或者為300納米至5000納米。
23.根據權利要求15至22中的任一項所述的X射線發射裝置，其中，所述電阻層包括SiCN。
24.根據權利要求23所述的X射線發射裝置，其中，所述電阻層包括位于與所述陰極的界面處的第一阻擋子層。
25.根據權利要求23或權利要求24所述的X射線發射裝置，其中，所述電阻層包括位于與所述選通錐體電子源的界面處的第二阻擋子層。
26.根據權利要求24或權利要求25所述的X射線發射裝置，其中，所述阻擋子層包括具有小于40%的硅原子百分比的SiCN或SiC。
27.根據權利要求24或權利要求25所述的X射線發射裝置，其中，所述阻擋子層包括非晶碳。
28.根據權利要求15至27中的任一項所述的X射線發射裝置，其中，所述選通錐體電子源能夠傳送具有ImA/mm2至lOmA/mm2的通量密度的電流。
29.根據權利要求15至28中的任一項所述的X射線發射裝置，其中，所述激活區的面積為100平方微米至4平方毫米。
30.根據權利要求15至29中的任一項所述的X射線發射裝置，其中，所述激活區在每平方微米具有I至10個發射針尖。
31.根據權利要求15至30中的任一項所述的X射線發射裝置，其中，所述陰極的厚度為0.5微米至20微米。
32.根據權利要求15至31中的任一項所述的X射線發射裝置，其中，所述發射針尖、所述對應的柵極孔、所述陰極和所述電阻層中的每一個的位置沿著所述電子發射結構的平面交疊。
33.根據權利要求15至32中的任一項所述的X射線發射裝置，其中，所述內部間隙提供所述電子發射結構和所述電子接收結構之間的暢通空間。
34.根據權利要求15至33中的任一項所述的X射線發射裝置，其中，所述陽極包括由鑰、銠和鎢構成的組中的一種或更多種。
35.根據權利要求15至34中的任一項所述的X射線發射裝置，其中，所述基板是基于硅的。
36.根據權利要求35所述的X射線發射裝置，其中，從由所述柵電極、所述陰極、所述電阻層和所述選通錐體電子源構成的組中選擇的至少一種構件與所述基板形成為一體。
37.根據權利要求15至36中的任一項所述的X射線發射裝置，其中，所述激活范圍被至少一個聚焦結構包圍。
38.根據權利要求15至37中的任一項所述的X射線發射裝置，其中，所述激活范圍包括多個激活區，其中，所述多個激活區被配置為被一同激活。
39.根據權利要求15至37中的任一項所述的X射線發射裝置，其中，所述激活范圍包括多個激活區，其中，所述多個激活區的一個或更多個子集能夠被獨立地激活。
40.根據權利要求39所述的X射線發射裝置，其中，所述激活范圍的總發射電流能夠通過一個或更多個所述激活范圍的受控激活來調整。
41.根據權利要求39所述的X射線發射裝置，其中，所述多個激活區的所述子集被組織成同心區域，使得所述電子束的初始寬度能夠通過一個或更多個所述同心區域的受控激活來調整。
42.一種X射線攝像系統，該X射線攝像系統包括根據權利要求1至15中的任一項所述的圖像采集裝置和根據權利要求16至41中的任一項所述的X射線發射裝置。
【文檔編號】H01J1/304GK104170050SQ201380014666
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2013年3月14日 優先權日:2012年3月16日
【發明者】飯田耕一, 監物秀憲, 山崎純, 舛谷均 申請人:納歐克斯影像有限公司