CN101101848A - 场致发射阴极x射线管 - Google Patents
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Abstract
场致发射阴极X射线管涉及X射线管电子源(阴极)的结构设计，该X射线管的电子源为无需加热装置的场致发射阴极。本发明包含场致发射阴极片(6)、调制栅极片(7)、聚焦电极片(8)、高电压阳极靶极片(9)，连接各极片的电极，其特征在于还包括附在场致发射阴极片(6)上的碳纳米管电子发射层(11)；本发明中，X射线源的开启切换由栅极上的调制电压控制，强度由阳极电压和栅极电压控制，聚焦极电压控制发射电子束型。在本发明中公开的场致发射阴极X射线管尺寸较小，射线束直径较小，制造工艺技术简单，费用低廉。本发明提出了一种小型化，强度可调和高分辨率的X射线管。
Description
技术领域
本发明涉及X射线源，尤其涉及X射线管电子源(阴极)的结构设计，及采用场致发射阴极后的器件结构设计的技术领域。
背景技术
X射线探测成像在医疗、安检和工业探伤等方面应用广泛，但是随着三维CT图像重建、时间分辨率X射线成像技术的发展，采用传统热阴极的X射线管的局限性日益显现出来，如热阴极发射电子空间分布较大，难以聚焦，严重影响探测的分辨率，另外，尺寸较大也是传统热阴极X射线管的致命缺陷，难以应用于多源探测或可寻址探测，限制了其在高分辨率三维X射线成像方面的应用。采用场致发射阴极的X射线管与热阴极X射线管相比，具有天生的优势，这其中包括无需加热、响应时间短、可小型化，另外，场致阴极发射电子的发散角相对较小，也比较容易聚焦，因此可大幅度提高探测的分辨率。
目前，3D CT(三维计算机断层扫描成像)技术正迅速发展，许多国际著名的大型医疗设备制造商正积极开发相关的产品和技术，但其核心部件X射线源已成为该项技术大范围推广的瓶颈之一。在现有的3D CT方案中，一般是采用单X射线源照射物体，被探测物体和X射线源在机械旋转结构的驱动下产生相对运动，经过一个完整的扫描周期，实现对个体的完整断层采样。然而，采用这种方式在有些应用方面，如仿真人研究等，效率就会非常低下，因为需要探测和采集的图像数据是海量的，采用单X射线源系统，探测与成像的速率比较低。如在3D CT系统中采用多个分立式热阴极X射线源，在一定程度上可以解决探测成像效率过低的问题，但随之而来的功耗增加，使系统的散热问题尤为突出，而且过大的装置尺寸也使这种应用方案困难重重，难以推广。
发明内容
技术问题：本发明公开了一种电子源为无需加热装置场致发射阴极X射线管的结构方式，提供了多电极的器件结构式样。从而使本发明中场致发射阴极X射线管除免去了传统热阴极X射线管的加热装置，比现有传统的热阴极X射线管尺寸小，射线束径小，制造工艺技术简单，并兼容传统真空电子器件工艺，费用低廉。
技术方案：在本发明公开的场致发射阴极X射线管，电子源为无需加热装置的场致发射阴极。本发明中的场致发射阴极X射线管为多电极结构，栅极、聚焦极和阳极靶也均为无氧铜板材，通过在栅极、聚焦极和阳极上分别施加调制电压、聚焦电压和加速高压，碳纳米管场致发射阴极在栅极、聚焦极和阳极电压的作用下产生场致发射电子，电子在穿越栅极孔和聚焦电极孔之后不断加速并轰击阳极靶，高能场致发射电子在阳极靶上激发产生X射线束。
在本发明中，作为阴极、栅极、聚焦极和阳极靶的无氧铜片采用点焊技术依次焊接固定在绝缘陶瓷杆上，阴极片与调制栅极片对向平行放置，两者间距为125～250微米；聚焦极和高电压阳极靶点焊于调制栅极片的另外一侧，两者相距距离大于1厘米，形成30～40度夹角；陶瓷杆靠近阴极的一端点焊固定在玻璃芯柱上；利用玻壳实现对芯柱和其余零件的封接；通过芯柱，将器件接入带有机械泵和真空油泵的真空排气系统，打开机械泵和真空油泵，在350～400摄氏度下烘烤除气，并采用高频涡流加热技术激活预先在玻壳内放置的消气剂，待玻壳内的气压低于1×10-5Pa后，从排气台上将器件封接出来。
本发明中，X射线源的开启切换由栅极上的调制电压控制，强度由阳极电压和栅极电压控制确定。本发明中的场致发射阴极X射线管，其工作方式如下：通过电极引线，在无氧铜栅极片上施加300～500V以上的电压，阴极片上的场致发射阴极在作用在其表面的电场作用下发射电子；在阳极上一般会施加6kV以上的高压，电子在栅极电场和阳极电场的共同作用下，电子穿越栅极孔后，在聚焦极电压的作用下束型压缩，并在阳极电压作用下高速轰击阳极靶片，电极金属体内电子受激发生能级跃迁，并产生X射线；不同栅极调制电压和阳极电压下，产生X射线的强度也有不同。
有益效果：本发明提供了场致发射阴极X射线管及其制造方法。在X射线管中采用场致发射阴极，除免去了传统热阴极X射线管的加热装置，减小了器件的尺寸，改善了散热，有利于多X射线源的使用以外，也有利于提高X射线源的探测分辨率和响应速度。在无氧铜基片上制备场致发射阴极，有益于降低器件制造的成本和工艺难度。采用多电极器件结构，提高了X射线源的可操控性，除此之外，也有利于提高X摄线源的强度。在本发明中公开的场致发射阴极X射线管比现有传统的热阴极X射线管尺寸小，射线束径小，制造工艺技术简单，并兼容传统真空电子器件工艺，费用低廉。
附图说明
图1是本发明场致发射阴极X射线管组成各部件的示意图。其中有：基座1、第一电极2、第二电极3、第三电极4、第四电极5、场致发射阴极片6、调制栅极片7、聚焦电极片8、高电压阳极靶极片9、真空密封容器10、碳纳米管电子发射层11、栅极孔12、聚焦电极孔13。
图2是本发明场致发射阴极X射线管的芯柱俯视图。其中有：真空密封容器1、第一电极2、第二电极3、第三电极4、第四电极5。
具体实施方式
本发明公开了场致发射阴极X射线管及其制造方法。本发明中使用的无氧铜阴极基片、无氧铜栅极片、无氧铜聚焦电极片和无氧铜阳极靶片都预先采用高速旋转抛光方法进行了镜面抛光处理，抛光所用磨料采用纳米级人造金刚石油膏。该X射线管的电子源为无需加热装置的场致发射阴极，在本发明中，场致发射阴极材料选用碳纳米管，通过热催化化学气相沉积法制备在无氧铜基片上。碳纳米管电子发射层的热催化气相沉积制备方法，首先在经过抛光后的无氧铜片上覆盖用铝膜制备的掩模版，再采用磁控溅射方法在指定区域制备Ni或铁催化剂膜，并在通入保护气氮气或氢气的管式炉内完成催化剂膜的退火工艺，在保护气中将无氧铜基片加温至700～800摄氏度，通入反应气体乙炔，可在无氧铜基片上制备出电子发射层材料的碳纳米管。制备在经高速抛光后的无氧铜基片上。该X射线管为多电极结构，栅极、聚焦极和阳极靶也均为无氧铜材料，且分别施加调制电压、聚焦电压和高压，场致发射阴极在栅极、聚焦极和阳极电压的作用下产生场致发射电子，并加速轰击阳极靶，靶上同时受激产生X射线。本发明中，X射线源的开启切换由栅极上的调制电压控制，强度由阳极电压和栅极电压共同控制，聚焦极电压控制电子束型。
在本发明中的场致发射阴极X射线管中，阴极基片、栅极片、聚焦极片和阳极靶均为无氧铜板材，厚度为2mm，无氧铜片的表面需要严格的高速抛光处理，制作和处理方法如下：采用线切割方法在整张无氧铜板上切下圆/椭圆工件，并在需要穿过陶瓷支撑杆的部位钻孔，钻孔直径与陶瓷杆直径一致，选作栅极和聚焦极的基片，需在基片圆心钻孔；选用纳米人造金刚石磨料油膏涂沫在工件表面，采用绒布包裹的高速钻头对无氧铜工件进行镜面抛光；抛光后的工件采用无水乙醇/丙酮去污清洁，并在真空环境中烘烤除气。作为发射阴极材料的碳纳米管采用热催化气相沉积法制备，采用溅射方法将催化剂Fe/Ni/Co薄膜制备在预定的区域，为防止催化剂与衬底发生扩散作用，造成催化剂的活性下降，需要在衬底和催化剂薄膜之间蒸发阻挡层，材料为TiN。在本发明中，通过在阳极上施加固定高压，通常为几千伏到几万伏，用于提高电子的能量，以保证高能电子可在铜靶(阳极)上激发出足够能量的X射线束；当栅极电压在场致阴极附近产生的电场大于其开启场强，阴极发射电子，反之，场致发射阴极的电子发射被截止。
实施例1
利用点焊技术将引线和陶瓷杆的镍丝连通，并将其点焊在阳极/靶片上；利用点焊技术将引线和陶瓷杆的镍丝分别连通，陶瓷杆依次穿过圆形无氧铜场致发射阴极片、圆形无氧铜调制栅极片和圆形无氧铜聚焦电极片上过孔；在过孔处，采用点焊将陶瓷杆内的镍丝分别与圆形无氧铜场致发射阴极片、圆形无氧铜调制栅极片、圆形无氧铜聚焦电极片连通；三个电极片对向平行放置，阴极与栅极两者间距为250微米；椭圆无氧铜高电压阳极靶点焊于圆形无氧铜调制栅极片和圆形无氧铜聚焦电极片的另外一侧，两者相距距离1厘米，形成40度夹角；利用焊枪(天然气/氧气)将玻壳与芯柱的玻璃底座烧接，并接入超高真空烘烤除气系统，完成对各部分零件的高真空烘烤除气与气密封接，待系统真空度达到10-5Pa量级以上，即可由真空除气系统中割离出来。具体工作方式如下：在无氧铜栅极片上施加500V以上的电压，阴极片上的场致发射阴极在作用在其表面的电场作用下发射电子；聚焦电极电压1500伏；在阳极上施加6000kV以上的高电压，场致发射电子在栅极电压、聚焦极电压和阳极电压的共同作用下，穿越栅极和聚焦极孔后，高速轰击阳极靶片，金属内电子受激发生能级跃迁，从而产生X射线；由聚焦电压控制电子束型；在不同栅极调制电压和阳极电压下，产生X射线的强度也有不同。
实施例2
利用点焊技术将引线和陶瓷杆的镍丝连通，并将其点焊在阳极/靶片上；利用点焊技术将引线和陶瓷杆的镍丝分别连通，陶瓷杆依次穿过圆形无氧铜场致发射阴极片、圆形无氧铜调制栅极片和圆形无氧铜聚焦电极片上过孔；在过孔处，采用点焊将陶瓷杆内的镍丝分别与圆形无氧铜场致发射阴极片、圆形无氧铜调制栅极片、圆形无氧铜聚焦电极片连通；三个电极片对向平行放置，阴极与栅极两者间距为125微米；椭圆无氧铜高电压阳极靶点焊于圆形无氧铜调制栅极片和圆形无氧铜聚焦电极片的另外一侧，两者相距距离大于1.5厘米，形成30度夹角；利用焊枪(天然气/氧气)将玻壳与芯柱的玻璃底座烧接，并接入超高真空烘烤除气系统，完成对各部分零件的高真空烘烤除气与气密封接，待系统真空度达到10-5Pa量级以上，即可由真空除气系统中割离出来。具体工作方式如下：在无氧铜栅极片上施加300V以上的电压，阴极片上的场致发射阴极在作用在其表面的电场作用下发射电子；聚焦电极电压1500v；在阳极上施加6000V以上的高电压，场致发射电子在栅极电压、聚焦极电压和阳极电压的共同作用下，穿越栅极和聚焦极孔后，高速轰击阳极靶片，金属内电子受激发生能级跃迁，从而产生X射线。
实施例3
利用点焊技术将引线和陶瓷杆的镍丝连通，并将其点焊在阳极/靶片上；利用点焊技术将引线和陶瓷杆的镍丝分别连通，陶瓷杆依次穿过圆形无氧铜场致发射阴极片、圆形无氧铜调制栅极片和圆形无氧铜聚焦电极片上过孔；在过孔处，采用点焊将陶瓷杆内的镍丝分别与圆形无氧铜场致发射阴极片、圆形无氧铜调制栅极片、圆形无氧铜聚焦电极片连通；三个电极片对向平行放置，阴极与栅极两者间距为200微米；椭圆无氧铜高电压阳极靶点焊于圆形无氧铜调制栅极片和圆形无氧铜聚焦电极片的另外一侧，两者相距距离1厘米，形成30度夹角；利用焊枪(天然气/氧气)将玻壳与芯柱的玻璃底座烧接，并接入超高真空烘烤除气系统，完成对各部分零件的高真空烘烤除气与气密封接，待系统真空度达到10-5Pa量级以上，即可由真空除气系统中割离出来。具体工作方式如下：在无氧铜栅极片上施加400V以上的电压，阴极片上的场致发射阴极在作用在其表面的电场作用下发射电子；聚焦电极电压1500v；在阳极上施加6000V以上的高电压，场致发射电子在栅极电压、聚焦极电压和阳极电压的共同作用下，穿越栅极和聚焦极孔后，高速轰击阳极靶片产生X射线。
Claims (3)
1、一种场致发射阴极X射线管，包含场致发射阴极片(6)、调制栅极片(7)、聚焦电极片(8)、高电压阳极靶极片(9)，连接各极片的电极，其特征在于还包括附在场致发射阴极片(6)上的碳纳米管电子发射层(11)；在真空密封容器(10)内设有基座(1)、高电压阳极靶极片(9)，自基座(1)到高电压阳极靶极片(9)之间顺序平行放置场致发射阴极片(6)、调制栅极片(7)、聚焦电极片(8)，上述场致发射阴极片(6)、调制栅极片(7)、聚焦电极片(8)垂直基座(1)的中心到高电压阳极靶极片(9)中心的连线，高电压阳极靶极片(9)与聚焦电极片(8)成角度放置，调制栅极片(7)上设有栅极孔(12)，聚焦电极片(8)上设有聚焦电极孔(13)，栅极孔(12)、聚焦电极孔(13)、碳纳米管电子发射层(11)中心在同一直线上，各电极垂直贯穿固定场致发射阴极片(6)、调制栅极片(7)、聚焦电极片(8)，各电极一端固定于高电压阳极靶极片(9)，另一端贯穿固定于基座(1)，第一电极(2)、第二电极(3)、第三电极(4)、第四电极(5)依次连接场致发射阴极片(6)、调制栅极片(7)、聚焦电极片(8)、高电压阳极靶极片(9)。
2、如权利要求1所述的场致发射阴极X射线管，其特征在于高电压阳极靶极片(9)与聚焦电极片(8)成30～40度夹角，场致发射阴极片(6)与调制栅极片(7)平行间距为125～250微米，调制栅极片(7)与高电压阳极靶极片(9)形心的连线距离不小于1厘米，电极数不少于极片数，碳纳米管电子发射层(11)面积为1~3平方毫米。
3、如权利要求1所述的场致发射阴极X射线管，其特征在于真空密封容器(10)由玻璃构成，各极片由无氧铜构成，各电极由绝缘陶瓷杆包裹镍丝构成，碳纳米管电子发射层(11)是采用热催化气相沉积方法制备的碳纳米管点状阴极。
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