具体实施方式

现在将描述装置(或设备)的实施例，其中一组场致发射X射线源被配置为RF X射线发射器的分布式阵列，并且对该阵列进行波束成形信号处理。波束成形信号处理可用于产生并操纵狭窄的X射线波阵面穿过阵列前面的空间。类似的信号处理也可以用于产生和操纵聚焦的X射线点通过空间。在这两种情况下，高斯脉冲、奈奎斯特脉冲或其他合适的脉冲都可以与输入RF信号卷积，以向RF X射线信号提供附加深度信息。

X射线辐射通常是通过在真空中加速自由电子并将这些电子粉碎成重金属而产生的。自由电子被加速到由电压电位差定义的能量，对于医疗应用，其通常介于40伏和120伏之间；对于安全应用，其通常介于140伏和160伏之间；对于非破坏性测试，其通常介于75伏和600伏之间。电子到达重金属表面时的能量等同于电子管电压。由于这些高能电子与重金属中的电子相互作用，所以它们失去能量并辐射X射线。X射线以受电子被加速到的峰值能量限制的X射线波长的宽光谱辐射。X射线辐射的光谱强度与加速进入重金属的自由电子的数量相对应；随着电子通量的增加，X射线辐射强度在整个波长谱中也会增加。

基于场致发射的电子源以与常规热电子源相同的方式产生X射线，但是通过在导体表面上施加高电场而不是使用热电子发射器来产生电子。电子通量是所用的导体、导体表面的尺寸和形状以及电场强度的函数。对于同一导体，一旦超过临界场阈值，电子通量强度就与电场强度成正比。通常通过在导体表面上施加电压电位来产生该电场。通过在导体表面上快速施加电压电位，在建立电场的同时会产生相应的精确电子通量。此特性用于基于场致发射的X射线源，以产生用于高速X射线成像的精确控制的短X射线脉冲。

X射线辐射是电磁辐射的一种形式，因此表现出波特性。然而，迄今为止，X射线的波特性的使用受到了限制，并且，那些系统(例如X射线相位成像和提出的X射线背向散射RADAR系统)体积庞大、复杂且在应用中高度专业化。发明人已经认识到，通过使用场致发射源并以较低的频率(例如，射频)调制X射线，可以将较低频率的波特性与常规的X射线成像一起使用。所得信号提供了电磁频谱两个不同区域中的来自样本的信息混合。此外，直接在场致发射源处使用RF调制使得能够使用波束成形技术来有效且简单地产生用于一系列应用的所需X射线辐射图。

场致发射电子源的使用克服了热离子源的显著限制，其由于基线阴极发射而具有相对较低的带宽频率响应。将电压调制施加到阴极栅极电压会产生电子束电流的调制，但是，不失真的振幅波动受到最小电场的限制，导致电子在一端离开阴极，而最大阴极电流受到阴极温度的限制。为了增加振幅波动的水平和最大调制频率，理想地，阴极基线发射必须服从需求，这是由于灯丝质量的热时滞，对于热电子源而言是不可能的。因此，在先前的X射线RADAR系统中，电子源是恒定通量热电子源，因此需要大型且复杂的速调管布置来调制电子束，然后需要同步检测器来检测背向散射辐射。

与此相对照的是，场致发射电子源使用来自导电表面上的电压电位的电场来提取电子通量。由场致发射源产生的电子通量的变化跟随电子源与参考电极之间施加的电位的变化。因此，电子通量振幅直接跟随电压电位的变化而没有任何滞后；因此，这些源具有很高的频率带宽。因此，如下所述，通过直接用RF频率调制直接用于产生电子束的电场，可以实现波束成形应用。

在信号处理领域，波束成形用于形成、操纵和/或聚焦发射的射频信号、声纳信号或超声信号。波束成形是使用发送到或从发射或接收信号元件的分布接收的相移来对空间或时变信号进行空间滤波。相移可以在空间或时域中。空间滤波的精度和范围与发送或接收的信号元件的数量相关。信号束或焦点的信噪比(SNR)随着元件数量的增加而增加。

在图1A中，将时变正弦电压1以栅格3的形式施加到场致发射阴极2和激发电极10之间。场致发射阴极包括位于阴极结构上的多个场致发射源。输入电压1在场致发射器阴极2和栅格3之间产生时变正弦电场。变化的电场从场致发射器源2吸取与场强成正比的电子，从而得到时变正弦电子电流4。可以将变化的电压1用作高频射频(RF)信号，并且可以使用RF源和具有RF阻抗匹配耦合电路(称为RF匹配电路)的RF控制器来产生该变化的电压1，该RF阻抗匹配耦合电路将对从RF源到阴极栅极结构的RF控制信号进行耦合和匹配。该RF信号将被转换为具有相同RF频率4的电子信号。因此，场致发射源和电极结构能够将RF输入信号直接转换为RF调制电子电流。

时变的RF调制电子电流4通过恒定的高压电位加速进入重金属阳极5。电子电流4也可以称为电子束。当电子撞击阳极材料时，产生与电子电流通量成比例的X射线6。X射线信号强度跟随电子电流强度，并且产生随时间变化的正弦X射线信号6。如果时变输入信号是RF信号1，则X射线信号变为RF调制的X射线信号6。

场致发射阴极和阳极被封闭在真空外壳7内；其中外壳具有用于阳极8、阴极9和激励电极栅10的适当的高压真空馈通，以及用于RF信号的适当的RF真空馈通。聚焦电极或聚焦杯11可用于将调制的电子电流4聚焦到阳极5上。调制的X射线信号6可通过窗口12穿过真空外壳。

使用RF源和位于真空外壳外部且将RF信号供应给RF阻抗匹配耦合电路(将被称为RF匹配电路)的RF控制器来产生RF信号，该RF阻抗匹配耦合电路可以在真空壳体之内或之外。RF匹配电路被设计成使得不会向RF源施加高压偏置电压，并且X射线管的RF输入阻抗与RF源阻抗匹配，以实现最大的功率传输和低相位失真。

在一个实施例中，RF匹配电路被封闭在真空外壳(或壳体)7的延伸部内，并且为高压偏置源和RF信号源提供了分开的真空馈通连接。这使得RF匹配电路和高压偏置电极能够经由陶瓷或硅基板上的一个或多个垂直互连与场致发射阴极集成在一起。以这种方式，RF匹配电路可以被集成到场致发射源2中。在另一个实施例中，RF匹配电路在真空容器7的外部并且使用RF真空馈通连接来连接到真空容器7。在本实施例中，RF外壳包围场致发射阴极电极2，但不包围RF匹配电路。在一个实施例中，RF阻抗匹配电路由印刷电路板上的分立部件或RF微带、带状线或共面波导技术(例如，四分之一波变压器)形成，该印刷电路板上以支座安装在真空容器7上。在一些实施例中，将RF匹配电路连接到场致发射阴极电极2的RF真空馈通连接被RF屏蔽屏蔽，以减少寄生信号干扰。

图1B是使用集总元件的RF阻抗匹配耦合电路105的实施例的示意电路图，该集总元件用于RF X射线管的接地栅电极版本。阴极发射器在该图中显示为分流真空电容Ccg和具有有效串联电阻Rcathode的阻断电压Vgc(th)的组合。为了最大化供应给发射器的RF功率，通过匹配元件L1和C2转换阴极发射器的负载阻抗以匹配RF源阻抗。RF源24通过高压RF电容器C1被AC耦合到匹配网络。低频或直流偏置电流和电压经由限流电阻器R1和RF阻塞电感器RFC1施加到网络，从而防止RF信号流到偏置源。

图1C示出了根据实施例的X射线管的操作的电路图。在本实施例中，经由由阴极电流源106和RF源24驱动的X射线PCB控制板104来控制X射线管103。RF匹配耦合电路105允许将RF功率与X射线管电流源106并联地添加。在本实施例中，RF匹配耦合电路105被添加在真空外壳7的外部并且由分立的部件组成。另外，还示出了RF功率源108与RF阻抗匹配耦合电路105之间的双向耦合器107，其被包括以允许针对图2A所示的曲线图(下面讨论)测量正向RF信号和反射RF信号。在本实施例中，RF耦合电路块105是RF巴伦和耦合电容器(3kV)电路，并且包括在2x环形芯上的1：4双线缠绕的RF变压器和高压470pF陶瓷圆盘电容器。将25uHRF电感器串联添加到1kOhm电阻器中。由变压器布线、陶瓷耦合电容器、阴极馈通以及从网格到RF接地端子的接地回路电感形成的环路的寄生电感估计在250nH至500nH之间。RF阻抗匹配耦合电路105覆盖从1MHz到30MHz的频率窗口。

图1D示出了与图1C类似的电路图，但是具有替代的RF匹配耦合电路105。在本实施例中，RF匹配耦合电路105是RF共面波导和耦合电容器(3kV)电路，其已经被设计用于145MHz左右的工作频率。此特征在于以6.8pF电容器和32nH电感器为代表的波导，然后是500pF耦合电容器。可以根据RF源频率来设计和实现类似的阻抗匹配耦合电路105。

可以在2018年5月25日提交的标题为“Device for producing Radio FrequencyModulated X-Ray Radiation(用于产生射频调制X射线辐射的装置)”的PCT申请第PCT/AU2018/000078号中找到用于产生RF调制X射线辐射的装置的完整描述，该PCT申请的全部内容通过引用合并于此。

在说明书的上下文中，将考虑将场致发射源产生单个电子束(或电流)。每一个场致发射源包括在基板材料上的多个单独的场致发射器，该基板材料通常也将是阴极。场致发射器包括碳纳米管场致发射器(CNT，包括单壁和多壁CNT)、纳米结构的金刚石、纳米线和其他纳米结构的电子产生材料(陶瓷，半导体，金属和非金属硫化物等)。场致发射源均具有关联的电极结构，该电极结构包括阴极2、栅格10和聚焦电极11(如果存在)，该聚焦电极由单独控制的输入信号驱动，以产生从场致发射器朝向阳极的电子束(或电子流)。

图2A和图2B示出了来自单管的RF调制X射线辐射的演示。X射线辐射由两个装置同时测量，这两个装置分别是微通道板(MCP)检测器和Raysafe剂量检测器。MCP直接测量X射线辐射并将辐射转换为电子电流，其增益约为10000。电子电流通过50欧姆匹配电路，并通过示波器测量与X射线辐射强度成比例的电压信号。图2A示出了示波器的屏幕截图。顶图像示出了四通道示波器测量的MCP输出电压14、输入到X射线管15的RF功率以及从X射线管16反射的RF功率的屏幕截图13。RF信号15存在于偏置电压被接通(脉冲开始触发信号17)之前，一旦偏置电压被接通(在时间点19)，RF信号添加到偏置电压上并产生RF调制X射线辐射。放大部分20清楚地示出了来自MCP检测器的3.6MHz的调制信号14。

在图2A中，由MCP 14测量的X射线强度信号显然与输入RF信号15的频率相同，这两个信号之间的相移很小。相移是由于RF输入与MCP板检测器的位置之间的距离引起的。当通过在输入RF信号上加上偏置电压19来接通发射器时，反射功率17减小。反射功率17大约是输入功率的三分之一，这表明大多数RF信号正直接转换为电子电流，并且输入功率和反射功率之间的相移验证RF信号正在变成电流。

图2B示出了使用Raysafe剂量检测器对X射线辐射进行独立测量的值。Raysafe检测器的最大速度为1ms，因此RF信号被混叠。然而，图2B清楚地示出了在MCP检测器测量RF调制X射线信号的同时的管电压信号21和剂量率信号22，这独立地确认X射线管正在产生X射线。图2所示的装置向RF输入信号15添加了偏置电流，使得X射线管连续产生X射线，但是X射线的强度由RF输入信号15调制。可以对偏置电压进行调整，使得在场致发射装置由RF脉冲接通和断开并根据RF频率接通和断开X射线信号的情况下仅针对RF信号的某些部分产生X射线。

在X射线管前面的任何位置的X射线信号将取决于X射线产生的强度、与X射线管相距的距离以及测量时间。在传统的X射线管中，时间因子是二进制的；X射线脉冲接通或断开，并且X射线信号取决于管的脉冲而存在或不存在。在RF调制的X射线信号中，时间因子基于RF频率和与X射线源相距的距离。与常规的恒定X射线源相反，该距离将导致正常的一个超过距离平方损失以及相对于信号强度的相移。调制的X射线信号的相位基于RF输入的频率以及从输入到采样位置的距离。与输入信号17相比，该相移在图2A的MCP测量14中示出。

如果使用相同的RF输入信号同时激活多个基于场致发射的X射线焦点，则RF调制的X射线信号将相互干扰。在任何给定的时间和位置点，X射线信号将是该时间和空间点上各个X射线信号的总和。各个X射线信号的总和取决于各个X射线信号中的每一个的相位、频率和振幅。可以在式(1)中定义任意给定的空间和时间点中的X射线信号强度：

在式(1)中，X射线强度是针对x、y和z坐标的位置l和时间t定义的。强度是全部由频率f调制的N个单独的RF调制X射线源的总和。从每一个单独的X射线源到位置l的距离由变量d给出。位置d处的每一个X射线信号的峰值强度由变量I给出；其中，I包括一个超距离平方损失，又包括从X射线源到位置l的路径中的任何X射线衰减。当信号到达X射线管时，相移是基于RF信号的相位。

基于式(1)，公开了波束成形设备(或装置)的多个实施例，以对在单个X射线源阵列的前面(或周围)的X射线强度的破坏进行整形。为了简单起见，所有这些描述将强度I表示为均匀的。强度I将取决于在X射线源与本文所述位置之间的区域中距X射线源阵列和X射线衰减材料的距离。

波束成形设备可以是多个单束X射线管、单个多束X射线管或多个多束管。在单束X射线管中，单个场致发射源(包括基板上的多个场致发射器)、电极结构和阳极容纳在单个真空壳体中，并充当X射线的单个源。在多束管中有多个场致发射源。在一个实施例中，多束管包括位于同一物理基板上的多个场致发射源，每一个场致发射源与相邻源电绝缘，并且每一个场致发射源接收独立可控的输入信号。目标阳极可以包括多个目标阳极(场致发射源到目标阳极的1对1映射，即每束一个场致发射源)，或者单个目标阳极，其中每一个电子束都聚焦在不同的点上以从单个目标阳极产生多个X射线源。单个(或公共)电极结构可以用于从多个场致发射源产生电子，或者可以使用多个电极结构。电极结构可以是四极结构。在某些情况下，电极结构的某些部件可以在不同的场致发射源之间共享(例如，可以使用公共栅格和/或公共聚焦电极)。基板、(一个或多个)电极结构和(一个或多个)阳极被容纳在单个真空外壳(即单个管)内。在另一个实施例中，多束管是单个真空壳体，其包括具有分开的电极结构(其可以共享一些部件)的多个分开的场致发射源(即，分开的基板/阴极)。此外，可以使用多个目标阳极(即1对1映射)或单个阳极目标(具有多个焦点)。

现在将讨论用于实现一系列波束成形图案的几个实施例。这些实施例包括多个单束源和多束源。在一些实施例中，至少三个场致发射电子源以小于RF源的四分之一波长的间隔隔开。

在图3和图4中，布置了一组基于场致发射的X射线源，以产生RF调制X射线辐射源23的阵列。在本实施例中，每一个基于场致发射的X射线源均位于公共真空壳体内，每一个基于场致发射的X射线源包括场致发射源(包括多个场致发射器)、用于产生电子电流/束的关联的电极结构和用于(由波束)产生X射线的阳极。RF源24产生单个RF电压信号25，该RF电压信号25经由受控的相位延迟块26施加到所有阵列输入。该独立受控的相位延迟输入到每一个X射线源的每一个输入电压信号，导致X射线源阵列中的每一个元件之间的相对相位角差27。来自多个源的RF X射线辐射信号的相位差将导致RF X射线辐射在远离源的特定位置以特定方式重叠。重叠辐射的位置和形状由式(1)定义。

在图3中，经由RF匹配电路105将在一个方向上加权(或偏置)的相位延迟27施加到不同的RF调制X射线源23。通过沿阵列施加沿一个方向缓慢增加的相位延迟，形成窄波阵面28，其中RF X射线信号在远离源的地方重叠。该波阵面将通过空间行进。期望至少三个RF调制的X射线发射器来形成该波阵面。随着添加更多的发射器，波阵面变得更窄且定义更清晰。通过改变每一个X射线源之间的相位延迟的特定分布，可以改变波阵面的方向。该波阵面相对于背景辐射的大小与发射器的数量成比例。随着X射线源数量的增加，该波阵面变得与背景辐射更加可区分。

在图4中，加权到中心元件29的相位延迟经由RF匹配电路105应用于不同的RF调制X射线源23。通过施加居中的相位延迟，产生了RF X射线信号在远离光源的地方重叠的X射线焦点30。这不是产生X射线的目标材料表面上的典型X射线焦点。这是空间中的X射线焦点，可以位于成像对象的中间。当RF X射线信号通过空间行进时，此点将通过空间移动。需要至少三个RF调制X射线源来形成该点。通过增加发射器的数量，该点相对于背景辐射16的强度增加。通过改变不同X射线源之间的相位差，X射线焦点的位置可以通过空间移动。

图3和4中描述的两个装置类似于用于电磁辐射的波束成形的那些装置。波束成形是一种已建立的信号处理方法，其中多个发射元件发射彼此之间具有相位差的相同的信号，以形成形状不同的波束。波束成形信号处理被广泛用于雷达、超声、激光和通信中。这些装置与典型的波束成形装置之间的区别是RF调制X射线源的应用。X射线辐射只会按照式(1)相长干涉。这意味着信号将不会在任何点抵消自身，而只会相加以在特定位置增加信号。基于这些装置与电磁波束成形装置的相似性，术语“波束成形”从此开始将用于描述基于式(1)的空间和时间中X射线强度的成形。

在图3和图4中，RF控制器31被配置为通过控制RF源和相位延迟元件阵列的操作来实现预定义的波束成形辐射图。(将针对图8更详细地说明控制器31。)

在图5中，利用来自脉冲发生器34的单个高斯脉冲33调制来自RF源24的输入RF电压信号32，以形成振幅调制的RF电压信号32。然后，可以对该振幅调制的RF电压信号进行相位延迟26并将其输入到RF调制X射线源23的阵列中，以经由RF匹配电路105进行波束成形。振幅调制的RF电压信号将导致从阵列中的每一个X射线源发射的振幅调制的RF X射线信号。在图5中，为清楚起见，仅示出了来自单个阵列元件35的单个振幅调制的RF X射线信号。

振幅调制的RF X射线信号看起来像是以RF频率通过空间行进的常规的X射线广谱信号，但是在由高斯脉冲的参数定义的时间段内仅具有全强度。当它通过空间行进时峰值强度的位置可用于提供关于RF X射线信号的深度或X射线信号通过空间行进的飞行时间的附加信息。当与波束成形方法结合使用时，高斯脉冲可用于产生通过空间行进的单个峰值波阵面或单个峰值焦点。这利用式(2)中定义的高斯脉冲来修改(1)中定义的X射线的强度；其中σ是高斯脉冲的标准偏差，t₀是高斯脉冲的参考时间。

因为在其他波束成形应用中通常使用高斯脉冲，所以在图5中示出并在(2)中描述高斯脉冲。然而，脉冲形状可以是任何可定义的形状，其包括(但不限于)矩形或较低频率的其他正弦波。式2进一步扩展描述了在式3中添加到输入信号的任何基于时间的调制；其中，P(t)是基于时间的脉冲信号。

到目前为止讨论的波束成形方法需要RF调制X射线源阵列。该阵列可以使用如图6所示的单独场致发射RF调制X射线源(即，单束源)的阵列来构建。在图6中，单个RF电压信号36具有相位或时间延迟37，并被输入到三个基于场致发射的RF调制X射线源38。图6所示的三个源可以扩展为用户定义的X射线源阵列。X射线源的分布仅受每一个X射线源39的尺寸的限制。源40之间的间隔可以随着设计者想要产生的波束成形波形和设计所设想的RF频率而变化。在一些实施例中，源以小于RF源的四分之一波长的间隔隔开。

产生RF调制X射线源阵列的更简单方法是使用场致发射多束X射线管。基于场致发射的多束X射线管利用场致发射电子发射器的冷阴极特性，将多个场致发射源(或多个独立的场致发射器区域)封装在单个真空外壳内。在这些源中，目标可以是保持在高压电位下的单个长条重金属，也可以是每一个都保持在同一高压电位下的分布式目标阵列。通过将X射线源阵列封装在信号真空管外壳内，可以将各个场致发射源之间的距离最小化。

在图7中，基于场致发射的X射线多束管41被用作RF调制X射线源的阵列。单个RF电压信号42具有相位或时间延迟33，并作为电压信号输入，以经由RF匹配电路105驱动每一个X射线源的电子发射器43。单个长的重金属目标阳极44保持在使电子45加速以产生X射线的电位处。可以调整相位时间延迟46以形成波阵面或RF调制的X射线焦点。为了简化说明，图7中所示的示例多束管仅具有三个场致发射源(场致发射器)。基于场致发射的X射线多束管已设计成在单个真空管外壳中封装了数百个单独的发射器。可以使用多束X射线管产生具有用户定义的数量的RF调制X射线源元件的阵列。

基于场致发射的X射线多束管也已经设计成具有多种形状；一些示例包括发射器(或不同源)的线性阵列、弧和二维分布。在波束成形信号处理中，取决于应用，使用了各种各样的天线阵列。这些阵列包括一维和二维阵列，线性和弯曲阵列，具有线性间隔的发射元件的阵列以及其中间隔以某种方式非线性偏置以有助于波束成形的阵列。基于场致发射的X射线多束管的灵活性可用于使用先前列出的任何现有RF天线阵列概念来设计RF调制X射线源阵列。在某些情况下，可以使用各个场致发射X射线源而不是多束管来构建这些RF调制X射线阵列。多束场致发射X射线管的主要优点是能够在RF调制X射线源之间实现更小的间隔。

RF源和RF控制器设备被配置为产生多个单独控制的相位延迟的RF信号，每一个信号都(经由RF匹配电路)驱动至少三个场致发射电子源中的一个，以便实现所需的预定义的波束成形图案。在大多数实施例中，RF源和RF控制器在(一个或多个)真空壳体的外部。在一个实施例中，RF源被配置为向相位延迟元件阵列供应RF控制信号，并且控制器通过控制RF源和相位延迟元件阵列的操作来实现预定义的波束成形辐射图。RF控制器可以是通用处理器系统，其与RF源接口连接并控制一个或多个电路部件以控制各个相位延迟的RF信号的产生。

图8中示出了RF控制器31的实施例的详细图。控制器31包括一个或多个处理器，例如处理器47。处理器47连接到通信基础设施48。控制器31可以包括显示接口49，其转发来自通信基础设施48的图形、文本和其他数据，以供应给显示单元50。控制器31还可以包括主存储器51，优选地为随机存取存储器，并且还可以包括辅助存储器52。控制器31还可以包括通信接口53，以允许软件和数据在控制器31和外部装置之间传输。特别地，通信接口53使控制器31能够控制X射线辐射源、射频源振幅和阵列元件相位延迟。

通信接口53的示例可以包括调制解调器、网络接口、通信端口、PCMIA插槽和卡等。经由通信接口53传输的软件和数据是信号54的形式，其可以是电磁信号、电子信号、光信号或能够通过通信接口53发送和接收的其他信号。这些信号经由诸如电线或缆线、光纤、电话线、蜂窝电话链路、射频或其他通信通道的通信路径55提供给通信接口53。

在该示例中，控制器31是基于软件的系统，其中，存储器以指令的形式存储用于实现一个或多个波束成形图案的软件指令，所述指令使一个或多个硬件部件从RF源产生多个相位延迟信号，以实现所需的波束成形图案。存储器可以包括用于控制RF源和高压源的附加软件。在其他实施例中，RF控制器是微控制器或通用微处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列信号(FPGA)或其他可编程逻辑装置(PLD)、硬件状态机、离散门或晶体管逻辑、离散硬件部件或其任意组合。RF控制器可以是软件定义的无线电布置，其被配置为从RF源产生多个相位延迟信号，以便实现期望的(即，预定义的)波束成形图案。可替代地，RF控制器可以被配置为具有适当的电路元件的硬件电路，该电路元件被配置为从RF源产生多个相位延迟信号，以便实现期望的波束成形图案。在其他实施例中，可以使用硬件和软件的组合来实现本发明。

在一个实施例中，RF源具有至少1MHz的频率，并且优选地是具有至少100MHz的源的频率(3m波长)的VHF源，甚至更优选地至少是1GHz或更高频率(例如3GHz＝10cm)的源(30cm)。超过约100GHz(3mm)时，波长会变小，并且需要仔细设计RF控制器和RF匹配电路(从而增加了制造成本)。

如何可以延迟输入RF信号25以引起相移26的示例包括在图6所示的各个管30之间或图7所示的多束管中的各个场致发射点55之间施加恒定的间隔。在该配置中，信号36被直接馈送到每一个场致发射位点，并且相位延迟是由信号行进到每个子序列X射线源的距离30,55花费时间所产生的。在这种情况下，式(1)、(2)和(3)中的是所有n个X射线源的单个固定值。所得的波阵面28将具有固定的角度方向，该角度取决于距离30,55和RF信号32的波长。

将相位延迟26施加到输入RF信号25的方法的第二示例是具有到每一个X射线源的固定路径长度。路径的长度引起输入RF信号32的相位延迟29。在图3中，底部元件56将具有最短的路径长度；路径长度将随着用于顶部元件57的最长路径而增加。在图4中，中间元件58将具有最长的路径长度；路径长度在中心的任一侧将相等地延伸，其中末端上的两个元件具有最短的路径59。相关领域的技术人员将认识到，路径长度延迟应基于波长和预定义的相位延迟，以对发射的RF调制X射线信号进行整形。

将相位延迟施加到输入RF信号的方法的最终示例，使用具有相位增益网络的归一化增益相位延迟电路和运算放大器，以将固定的相位延迟施加到通过电路的信号。对于GHz范围内的RF频率，存在与之等效的RF。相关领域的技术人员将认识到，这些电路是相位延迟电路的简单示例，并且对于一系列波束成形应用，存在其他更复杂的相位延迟电路。这些中的每一个都可以应用于本发明。

到目前为止讨论的相位延迟的示例是固定相位延迟方法，其导致来自耦合到相位延迟的X射线源的单一形状波束成形。通过将延迟信号的RF路径切换到信号源，可以在不改变阵列物理布置的情况下获得替代的波束成形图案。通过将固定相位延迟块替换为可变相位延迟块，可以将用于固定波束成形方法的基本概念扩展为覆盖连续可变图案。

图9是根据实施例的RF相位延迟电路200的示意性电路图。RF源24被输入到功率分配器201，该功率分配器201将输入的RF信号分成各具有固定相位延迟元件202的七个路径。在本实施例中，相位延迟元件202具有1/8波长(λ)的增量(相移)，产生1/8λ、1/4λ、3/8λ、1/2λ、5/8λ、3/4λ和7/8λ路径。在一个实施例中，固定相位延迟元件均包括固定长度的同轴延迟线(或缆线)，其允许产生七个分立的相位延迟信号，每一个信号在控制器31的控制下经由信道切换矩阵203映射到七个场致发射管23中的一个，以实现期望的波束成形图案。

将会理解，本发明的一个或多个实施例提供了一种使用波束成形信号处理的装置和方法，其使用场致发射X射线源阵列形成、操纵和聚焦RF调制X射线辐射。

在一个或多个实施例中，一小组的三个或更多个基于RF调制场致发射的X射线源用相同的RF信号进行调制，信号之间具有某些相移。带相移的信号导致从这些不同源发出的已发射的RF X射线信号之间存在频率相关时间延迟。当X射线信号通过空间和成像对象传播时，将保留此相移。

在一个或多个实施例中，在一组RF调制X射线源上施加相控的时间延迟，使得所得的RF X射线信号重叠以产生空间相干的波阵面。可以通过改变应用于该组发射器的相控的时间延迟来操纵该波阵面通过成像空间。通过改变有助于形成波阵面的RF调制频率和RF X射线源的数量，可以修改波阵面的长度和宽度。

在一个或多个实施例中，横跨一组RF X射线源施加相控的时间延迟，使得所得的RF X射线信号重叠以产生空间相干焦点。可以通过改变应用于该组X射线源的相控的时间延迟来操纵该焦点通过成像空间。通过改变对焦点有贡献的RF调制频率和RF调制X射线源的数量，可以调整焦点的大小和相对强度。

在一个或多个实施例中，具有高斯、奈奎斯特或其他合适形式的脉冲与RF调制信号重叠并被传送到RF调制X射线源，然后其被相位延迟以形成波阵面或焦点。随着振幅调制，脉冲与RF X射线信号一起行进，以向RF调制X射线信号提供深度信息。

在这样的实施例中，该组RF X射线源被布置成阵列。该源阵列可以按一维或二维布置。该阵列内的间隔甚至可以是线性间隔，或者可以被偏置为与调制RF信号的波长相关。为了产生该RF调制X射线源阵列，可以将单个场致发射多束管用作阵列，或者可以将一组场致发射X射线管布置成阵列，或者可以将一组多束管布置成阵列序列。

公开的发明描述了一种用于在X射线管之外的空间中对X射线强度的时间分布进行整形的装置和方法。X射线通过空间和时间行进，集中在图3的狭窄的波阵面或图4的合并点。这种装置具有多种应用，其包括测量X射线散射和辐射束处理。

当X射线光子从它们在X射线管和检测器之间的线性路径偏转时，就会发生X射线散射。X射线光子可以在所有方向上散射，但是散射光子的方向和能量与X射线光子从其所散射开的化学元素相关。在大多数医学、安全和非破坏性测试中，X射线散射被视为噪声，并且在测量的X射线信号中被抑制。某些系统直接测量X射线散射，以更好地区分X射线扫描中的对象；然而，这样的系统需要严格定义X射线信号路径，以识别X射线散射信号的来源。

X射线背向散射成像是严格定义X射线路径的一个示例；在背向散射成像中，将窄X射线笔形束光栅化到关注的对象上方，并收集沿笔形束产生的X射线散射。所收集的X射线信号被分配给与窄笔形束的位置相对应的图像像素。X射线背向散射可以被配置为通过向检测器添加准直来瞄准对象中的设定深度，以使准直路径和笔形束路径在对象内部交叉。在该方法中，分辨率受到X射线管和检测器准直的限制。准直是控制X射线的非常有损的方法，因为大多数X射线功率会丢失给准直仪。

应用于X射线背向散射，所公开的发明提供了一种用于移动X射线窄束28通过成像对象而无需准直的方法。在这样的应用中，X射线散射在窄束28的位置处最高。窄束基于RF信号的波长移动通过对象；因此，背向散射信号的时间将对应于对象中的散射的位置。由于缺少准直仪，该应用可显著提高背向散射成像系统的效率。

X射线衍射成像是严格定义X射线路径的另一示例；在衍射成像中，窄的X射线笔形束被光栅化在关注的对象上，并且准直的X射线能量敏感检测器收集正向散射的X射线。X射线散射光子的位置通过X射线束的位置和准直路径来识别。X射线光子的能量和散射的位置使得能够对扫描的对象进行唯一的元素识别。

应用于X射线衍射，所公开的发明提供了一种在单个时间和空间点对X射线信号进行集中的方法。不是使用重叠的准直仪来产生一系列点，而是所公开的发明使得能够通过调整X射线信号的相位延迟和频率来产生点。该应用可以显著提高效率并减小X射线衍射的大小。

X射线相干散射成像是严格定义X射线路径的另一个示例；在相干散射成像中，将编码孔径放置在X射线源和对象之间以及对象和检测器之间。在相干散射成像中，散射的空间分布是根据编码孔径重建的；散射的空间分布用于唯一识别导致X射线散射的材料。编码孔径基本上是非常精密的准直器。

应用于X射线相干散射成像，所公开的发明提供了一种在单个时间和空间点对X射线信号进行空间集中的方法。在特定时间点测量的X射线散射的空间分布对应于单个点的位置。该应用可以显著提高效率并减小X射线相干散射成像的大小。

在所有描述的X射线散射测量中，X射线检测器必须具有非常高的采样率才能捕获RF调制的X射线信号。目前，尚不存在这样的X射线检测器。然而，对RF调制电子信号进行检测、滤波和放大是一项成熟的技术。需要一种将X射线光子转换为电子信号的装置。存在这样的直接转换装置；然而，这些装置通常会雪崩电子信号以放大它。电子雪崩需要重置装置，这会减慢检测器的响应时间。对于所有描述的应用，都需要不雪崩并且提供恒定电子信号的直接转换装置。

在所有描述的X射线散射测量中，RF调制X射线信号的处理非常复杂。X射线散射信号被嵌入到所接收的RF X射线信号的时间、相位和振幅中，如式(1)所示。另外，X射线集中在窄点，但是X射线以较低的强度正行进通过所有空间。需要从测量信号中滤掉较低强度的信号，以提取X射线散射信号。较低强度的信号还具有关于图像对象的一般形状和密度分布的有价值的信息，因此应单独处理该信息。为了准确地使用完整的RF调制X射线信号，将需要针对所有关注点重建式(1)、(2)或(3)；其中这些点既在三维空间中又在时间上。该重建是时变计算机断层扫描重建。当前不存在这种算法；然而，该算法的构造块存在于计算机断层扫描成像领域和X射线散射建模研究中。

所公开的装置的另一应用是放射治疗。在放射治疗中，癌性物质暴露于高剂量的电离辐射中以杀死癌组织；然而，周围的组织却受到同样高的剂量。应用于放射治疗，所公开的发明可以减少周围组织接收的剂量并将剂量集中在癌组织的中心处。在该应用中，大多数组织所接受的平均剂量较低，而不会减少输送至癌组织的总剂量。这可以减少健康组织死亡的可能性。

已经描述了被配置为调制X射线辐射源以产生波束成形的X射线的系统和方法。这些可以在较低的频率下运行，并且比现有的背向散射或X射线RADAR系统更简单、更紧凑。波束成形的使用实现了更严格的X射线方向控制和聚焦，从而实现了诸如高分辨率成像和放射治疗等应用。

在整个说明书和随后的权利要求书中，除非上下文另有要求，否则词语“包括”和“包含”及其变体将被理解为暗示包含所述特征或特征组，但不排除任何其他特征或特征组。

本说明书中对任何现有技术的参考不是也不应视为承认任何形式的建议，即此类现有技术形成公共常识的一部分。

本领域技术人员将理解，本公开在其用于所描述的一个或多个特定应用时不受限制。本公开在其优选实施例中对于本文描述或描绘的特定元件和/或特征也没有限制。应该理解的是，本公开不限于所公开的一个或多个实施例，而是能够进行许多重新布置、修改和替换而不脱离如下述权利要求所阐述和限定的范围。