CN102097266B - 一种x射线箍缩二极管复合阴极及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种X射线箍缩二极管复合阴极及其设计方法，为了实现减小轴向焦斑的目的，本发明在阴极圆盘上贴覆可影响电子发射面的几何构型，以调控电子束箍缩状态和减小X射线侧向焦斑的电介质材料，所用的电介质材料为聚四氟乙烯，帖覆时使用鱼珠胶。其中石墨圆盘厚度为2.2mm，盘形阴极外半径为74mm，内半径为8mm，阴极石墨圆盘的后表面贴覆有1mm厚的电介质材料层。本发明的有益效果是，在相同的二极管工作电压环境下，通过采用复合阴极，阳极杆箍缩二极管产生X-射线的轴向焦斑明显减小。

Description

一种X射线箍缩二极管复合阴极及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种X射线箍缩二极管复合阴极及其设计方法，属于高功率二极管技术，特别是改善阳极杆箍缩二极管输出特性的阴极设计方法。

背景技术

阳极杆箍缩二极管可以产生高剂量率(射线源正前方1m处输出X射线剂量率可达～10⁶Gy/s)、小焦斑(正向＜1mm，轴向几个mm)、短脉冲(～50ns)的高能X射线，在脉冲X射线闪光照相中具有重要的应用价值。射线源焦斑尺寸是成像空间分辨率的主要影响因素。射线源焦斑包括正向焦斑和轴向焦斑，正对针尖且视线方向与二极管轴向一致，观察到的焦斑为射线源正向焦斑，如图2中的L₁，视线方向与二极管轴向成90°角，观察到的焦斑为射线源轴向焦斑，如图2中的L₂。减小射线源焦斑可以使射线源更接近于理想的点源，另外，如果射线源焦斑的轴向尺寸足够小，则可以利用该射线源在不同方向上对不同物体或过程同时进行闪光照相，从而提高射线源的利用效率。

目前，国际上通常采用末端针化、中空复合阳极等阳极设计方法来减小焦斑。末端针化是将阳极杆末端做成针状，其减小正向焦斑的效果明显，但对轴向焦斑的影响较小。中空复合阳极是采用小直径的中空铝杆作为阳极，铝杆末端嵌入一个直径～1mm的金球，由于铝的原子序数较低，与电子发生轫致辐射作用较弱，因此降低了阳极针尖以外部分的X射线产生效率，其减小轴向焦斑的效果明显，但中空铝杆的壁厚只有几十微米，加工难度大、造价高。

发明内容：

为了实现减小轴向焦斑的目的，本发明提供一种石墨阴极贴覆聚四氟乙烯的阳极杆箍缩二极管复合阴极及设计方法。

一种X射线箍缩二极管复合阴极贴覆方法，在阴极圆盘上贴覆可影响电子发射面的电介质材料几何构型，以调控电子束箍缩状态和减小X射线轴向焦斑。

上述的复合阴极贴覆方法中所用的电介质材料为聚四氟乙烯，贴覆时使用环氧树脂。

上述的复合阴极贴覆方法中所用的电介质材料贴覆位置为阴极圆盘的后表面和阴极内孔同轴柱面。

上述复合阴极，基底为石墨圆盘，厚度2.2mm，外半径为74mm，内半径为8mm，其特征在于在石墨圆盘的后表面和中间表面(同轴柱面)贴覆有1mm厚的电介质材料层。

上述的复合阴极，其中的电介质材料为聚四氟乙烯。

附图说明

图1是阳极杆箍缩二极管结构剖面图。

图中，1.金属钨材料阳极杆，2.圆盘阴极，3.二极管前级真空传输线外筒，4.二极管前级真空传输线内筒，5.阳极杆尖端。

图2是轴向和径向焦斑尺寸的定义示意图。

图中，阴影区域表示焦斑形状，在观测点1位置观察焦斑，L₁称为正向焦斑尺寸；在观测点2位置观察焦斑，L₂称为轴向焦斑尺寸。

图3是本发明对二极管石墨阴极进行贴覆处理的示意图。

图4是阴极各表面均为电子发射面情况下二极管不同工作阶段电子束空间分布图。

图5是阴极前表面为电子发射面时二极管不同工作阶段电子束空间分布图。

图6(a)和图6(b)分别是阴极各表面均为电子发射面和单一表面为电子发射面时阳极表面沉积电荷密度轴向分布曲线，分别对应于纯石墨阴极和复合阴极的情况。

图7是采用本发明中的复合阴极进行阳极杆箍缩二极管实验，所得到的射线源轴向焦斑图像，并对比纯石墨阴极的实验结果。

具体实施方式

本发明要解决的技术问题：(1)阴极表面贴覆位置的选择；(2)贴覆层的材料选择；(3)贴覆层的厚度设计；(4)复合阴极的贴覆工艺。

本发明所采用的技术方案是：(1)通过粒子模拟方法，分析抑制阴极不同区域电子发射对轴向焦斑尺寸的影响，确定贴覆层位置；(2)采用电介质覆层的方法降低石墨阴极表面电场强度，根据二极管工作时阴极表面状态(电场强度、温度、电子发射等)，选择贴覆层材料；(3)根据电子在该覆层材料中射程的计算结果，确定贴覆层厚度；(4)为抑制或避免介质层与石墨表面之间产生气泡，从而避免其对降低覆盖表面的电场强度的不利影响，结合覆层和基底材料性质、厚度及技术方案中的其他各方面因素，确定贴覆工艺。

本发明的提出基于数值模拟结果，针对不同的阴极结构，对阳极杆箍缩二极管中电子束的运动状态和箍缩过程进行数值模拟，获得二极管不同工作阶段电子束空间分布状态和阳极表面电荷密度轴向分布曲线。图4和图5分别为阴极各表面均为电子发射面(对应于纯石墨阴极)和阴极前表面为电子发射面(对应于复合阴极)情况下二极管不同工作阶段的电子束空间分布状态，图6显示了上述两种情况对应的阳极表面沉积电荷密度轴向分布曲线。模拟结果表明：采用复合阴极结构，在前表面发射电子的情况下，电子束在阳极钨针上的箍缩位置分布相对集中，有利于减小轴向焦斑尺寸。

本发明采取贴覆工艺，阴极石墨盘厚度为2.2mm，外半径74mm，内半径8mm，使用环氧树脂石墨盘后表面和中间表面贴覆1mm厚的聚四氟乙烯，所构成的复合阴极内半径为7mm，阳极钨针半径0.6mm，伸出阴极前表面18mm，末端10mm区域均匀磨尖。不同于普通的阳极杆箍缩二极管中采用的3.2mm厚的纯石墨阴极，本发明所采用的石墨阴极厚度为2.2mm，在石墨阴极背离针尖的后表面和正对阳极杆的同轴柱面贴覆厚度为1mm的聚四氟乙烯材料。

理论计算表明，贴覆层厚度大于0.2mm即可使得电子在介质层内沉积，有效抑制贴覆区域的电子发射，这是因为贴电介质层可以降低覆盖区域的阴极表面电场强度，而且可以阻挡和吸收阴极出射电子，电子在介质层内累积，形成负电荷鞘层，从而进一步抑制阴极表面的电子发射。本结构有效地抑制了阴极后表面和中间表面的电子发射，到达阳极的电子来自于阴极前表面。箍缩电子束轰击阳极杆尖端发生轫致辐射作用，产生小焦斑的高能脉冲X射线。图6可以看出，与其他情况相比，前表面为电子发射面时，电子束更有效地集中于阳极杆尖端附近，而且阳极杆尖端电荷密度峰值较高，有利于减小射线源轴向焦斑尺寸。

实验结果表明，与纯石墨阴极的情况相比，采用本发明中的复合阴极，抑制阴极后表面和中间表面的电子发射，使得电子在阳极钨针上的分布更加集中于阳极杆尖端，从而显著减小了射线源轴向焦斑尺寸，如图7所示。

本发明的有益效果是，在相同的二极管工作电压条件下，通过采用复合阴极，使得阳极杆箍缩二极管产生的X射线焦斑的轴向尺寸显著降低。

Claims (3)

1.一种X射线箍缩二极管复合阴极贴覆方法，其特征在于在阴极圆盘上贴覆可影响电子发射面的具有几何构型的电解质材料，以调控电子束箍缩状态和减小X射线侧向焦斑的电介质材料，贴覆的位置为阴极背离针尖的后表面和正对阳极杆的同轴柱面的中间表面，电介质材料为聚四氟乙烯。

2.如权利要求1所述的X射线箍缩二极管复合阴极贴覆方法，其特征在于上述的电介质材料贴覆时使用鱼珠胶。

3.一种X射线箍缩二极管复合阴极，包括阴极石墨圆盘，其厚度为2.2mm，盘形阴极外半径为74mm，内半径为8mm，其特征在于在阴极背离针尖的后表面和正对阳极杆的同轴柱面的中间表面贴覆有1mm厚的电介质材料层，电介质材料为聚四氟乙烯。

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