CN102339713B

CN102339713B - 一种光-栅复合控制的场致发射x射线管

Info

Publication number: CN102339713B
Application number: CN 201110339599
Authority: CN
Inventors: 陈泽祥; 任俊; 胡添勇
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: Guangzhou Hao Zhi Image Technology Co Ltd
Priority date: 2011-11-01
Filing date: 2011-11-01
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2031-11-01
Also published as: CN102339713A

Abstract

本发明公开了一种光-栅复合控制的场致发射X射线管，包括真空容器、阳极、阳极靶、阴极组件、阴极支座、阴极头，阴极组件固定在阴极支座上，阴极支座固定在阴极头上，阴极头通过绝缘支座与真空容器真空封接，阴极组件包括场致发射阴极、自会聚电极、栅网、陶瓷绝缘体、高耐压晶体管、光电二极管，所述场致发射阴极安装在阴极支座上，陶瓷绝缘柱安装在阴极支座上并位于阴极外侧，栅网安装在陶瓷绝缘柱上，高耐压晶体管安装在阴极支座上，光电二极管安装在阴极支座的侧壁上。本发明的栅极不会截获电子也就不会受到电子的轰击而导致发热变形、烧毁，而且避免使用超高压脉冲电压，大大提高了本发明的可靠性和降低了系统成本。

Description

一种光-栅复合控制的场致发射X射线管

技术领域

本发明涉及一种场致发射X射线管，尤其涉及一种用光电管、晶体管和栅网进行复合控制的场致发射X射线管。

背景技术

目前，X射线已经广泛应用于医疗检测、工业无损检测和材料表征等生产、生活和科研活动中。X射线管是X射线成像、测试和CT等系统的核心部件，直接决定着成像系统的整体性能。现有的X射线管主要采用热阴极发射电子束，经过加速后轰击阳极靶以产生高能量X射线。现由于热阴极通常需要将阴极加热到约800～1600℃才能正常工作，其结果是：1）增加了器件的功率消耗，器件温度高；2）高温工作中阴极活性物质的不断蒸发，污染器件，降低器件的可靠性、稳定性和有效使用寿命；3）启动速度慢、开关速度慢、难于实现与被拍摄物体同步、寿命短等缺点。另外热阴极的电子束能量散射较大，难于获得高分辨率。

相比传统的热阴极，场致发射阴极（FEA）的发射机理使其具有无需加热、可以瞬时启动、功率损耗低、优异的开关特性等独特优点，同时电子束亮度比热阴极高的多，可以获得更高的分辨率和更清晰成像，逐渐有了替代传统热阴极X射线管的趋势。在众多场致发射阴极中，由于碳纳米管具有极大的纵横比、曲率半径小、抗离子轰击能力强、超高导热和导电性能等优点，是最理想的场致发射阴极材料之一。理论分析和测试结果表明，碳纳米管场致发射的能量散射仅为0.2-0.3eV；同时碳纳米管场致发射阴极可达到2×10⁹A/(m·rad)²的极高电子束亮度，比一般场致发射阴极高一个数量级；电子出射角也非常小，可以获得极高的电子束流品质。碳纳米管场致发射X射线管具有更高的性能。

从技术角度来看，X射线管的发展趋势是瞬时启动和高开关频率脉冲发射。实现以上功能的途径是采用栅控技术。在现有热阴极X射线管中，由于阴极温度非常高，要在阴极附近采用栅控的方式非常困难，X射线管很难实现栅控发射。采用场致发射阴极由于阴极工作温度低，实现栅控成为可能。在现有文献和专利中，将碳纳米管阴极或其他场致发射阴极用于X射线管中，都是基本采用由阴极、栅极和阳极构成的三级管结构，均是固定阳极的小功率X射线管。栅极不截获电流的旋转阳极的碳纳米管场致发射X射线管未见报道。

现已经提出的栅控X射线管有一定的局限性。如：1）由于X射线管工作电压非常高，电子束流非常大，特别是旋转阳极的束流达到安培级。现有的栅控X射线管中栅极均会截获电子，即有一部分电子将轰击在栅极上，从而使栅极发热、变形甚至烧毁，并产生二次电子发射，从而导致发射电子失控、很短时间X射线管将报废；2）由于现提出的栅控方式都是要求在栅极上施加脉冲电压以获得脉冲发射和高的脉冲发射频率。这需要额外提供高品质的超高压脉冲电源，特别是在X射线管中，阴极端为负超高压，施加在栅极上脉冲电压必须叠加在超高电压上，因此实现栅极高速超高压脉冲电压控制实现非常困难，并且可靠性很差；3）X射线管中，根据不同的要求，需要改变发射电流。而现有的场致发射X射线管要实现电流控制，必须调节加在栅极上的超高脉冲电压来实现，栅极高压的精度和稳定度将直接影响发射电流，而超高压脉冲高压的精度和稳定度是非常难实现的。因此，目前报道的栅控X射线管的电流精确控制非常困难。以上是至今为什么没有栅控X射线管面市的根本原因。

所以，本发明栅极无截获电流的光-栅复合控制场致发射X射线管的出现将解决以前栅控X射线管所困扰的电子截获、无法实现脉冲发射、可靠性差这一难题，这使得X射线管的性能有了进一步的提升。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种避免栅控场致发射X射线管中栅极截获电子以及脉冲发射电流精度控制容易的光和栅极复合控制的场致发射X射线管。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种光-栅复合控制的场致发射X射线管，包括真空容器、阳极、阳极靶，还包括阴极组件、阴极支座、阴极头，阴极组件固定在阴极支座上，阴极支座固定在阴极头上，所述阴极头包含第一引出电极，第二引出电极、第三引出电极、绝缘支座，阴极头通过绝缘支座与真空容器真空封接，第三引出电极与阴极支座连接；

所述阴极组件包括场致发射阴极、自会聚电极、栅网、陶瓷绝缘体、高耐压晶体管、光电二极管、第一高压电阻R1和第二高压电阻R2，其中：

所述场致发射阴极由基底和设于基底上的场致发射阵列构成，基底安装在阴极支座上，陶瓷绝缘柱安装在阴极支座上并位于基底的外侧，栅网安装在陶瓷绝缘柱上，栅网与场致发射阵列顶端平面平行，自会聚电极设于基底上并将场致发射阵列围于中间，自会聚电极的孔形状与栅网的孔形状一致且中心对准，栅网通过导线连接在阴极头的第二引出电极上；

高耐压晶体管安装在阴极支座上，所述高耐压晶体管为三极管或场效应管，高耐压晶体管的集电极或源极接在阴极支座上，发射极或漏极通过导线接在第一引出电极上，基极或栅极通过第一高压电阻R1连接在栅网上，发射极或漏极与基极或栅极间并有第二高压电阻R2；

光电二极管安装在阴极支座的侧壁上，光电二极管的阴极通过导线连接高耐压晶体管的基极或栅极上，光电二极管的阳极通过导线连接在高耐压晶体管的发射极或漏极上。

进一步地，所述阳极靶为旋转阳极靶或者固定阳极靶。

进一步地，所述光电二极管为PIN光电二极管。

进一步地，所述三极管或者场效应管耐压500V以上。

进一步地，自会聚电极的高度比场致发射阴极面高出5到100μm。

进一步地，栅网与自会聚电极间的间距为20到500μm。

进一步地，所述栅网为六边型栅网、四边型栅网、或者三边型栅网。

进一步地，所述场致发射阴极的基底为半导体或者金属。

进一步地，所述场致发射阵列为大电流密度的碳纳米管阴极阵列、spindt阴极阵列或石墨烯阴极阵列。

进一步地，栅网的中心孔的距离小于自会聚电极与栅网距离的1.2倍。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

①光控三极管的场发射阵列结构的最大特点在于阴极发射电流（即场致发射电流）由加在栅极的直流电压来控制，从而容易实现电流的高精度控制并且可靠性高；而电子发射的开和关通过高速光源控制光电二极管的关和断来控制，便捷实现了脉冲发射和高速开关控制；这种结构不仅可以实现瞬时启动，电子脉冲发射，发射电流高精度控制，而且避免了使用超高压脉冲电压，大大提高了可靠性和降低了系统成本。

②采用了自会聚电极的结构，在自会聚电极的作用下，场致发射电子束从阴极表面逸出后自动向中心会聚，保证电子束能全部穿透栅极孔而不会被栅极截获，从而实现了无截获栅控制，电子可以全部被有效利用，并且栅极由于不会截获电子也就不会受到电子的轰击而导致发热变形、烧毁，也不会导致二次电子的发射，从而使器件的性能和可靠性大大提高。

附图说明

图1为本发明实施例的光-栅复合控制场致发射X射线管整体剖视图；

图2为本发明实施例的光-栅复合控制场致发射X射线管工作原理图；

图3为本发明实施例的阴极组件的剖视图；

图4为本发明实施例的场致发射阴极的结构示意图；

图5为本发明实施例的场致发射阴极另一视角的结构示意图；

图6为本发明实施例的栅网结构示意图，其中：（a）为四边型栅网, (b)为六边型栅网；

图7为本发明实施例的光控场发射阴极阵列的脉冲发射示意图；

图8为本发明实施例的光控发射条件下栅极直流电压控制的碳纳米管场致发射阴阵列的发射电流特性；

图9为为实例1的通过模拟仿真得出的电子发射轨迹，其中：（a）为有自会聚电极下的电子发射轨迹，（b）为没有自会聚电极下的电子发射轨迹；

图10为为实例2的通过模拟仿真得出的电子发射轨迹，其中：（a）为有自会聚电极下的电子发射轨迹，（b）为没有自会聚电极下的电子发射轨迹。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的描述。

参见图1，本发明所述的光-栅复合控制的场致发射X射线管主要包括真空容器1、阳极2、带旋转机构的阳极靶3（也可为固定阳极靶）、阴极组件4、阴极支座5、阴极头6等组成，其中阴极头6包含第一引出电极61、第二引出电极62和第三引出电极63、绝缘支座64；

所述阳极2与真空容器1封接在一起，带旋转机构的阳极靶3通过连接件31固定在阳极2上，阴极组件4焊接在阴极支座5上，阴极支座5焊接在阴极头6上。阴极头6通过绝缘支座64与真空容器1实现真空封接。

如图2和图3所示，阴极组件6包括场致发射阴极42，自会聚电极422、栅网41，陶瓷绝缘体43，光电二极管44，耐高压晶体管45，第一高压电阻R1和第二高压电阻R2等组成；本实施例所述的光电二极管为PIN光电二极管，耐高压晶体管45为耐压500V以上的三极管或者场效应管；

耐高压晶体管45安装在阴极支座5上，耐高压晶体管45的集电极或源极接在阴极支座5上与阴极支座5保持同电位，耐高压晶体管45的发射极或漏极通过导线接在第一电极61上以连接外部电源的负超高压，耐高压晶体管45的基极或栅极通过第一高压电阻R1连接在栅网41上，以从栅极上提供一个适当的偏压给耐高压晶体管45的基极，发射极或漏极与基极或栅极间并联有第二高压电阻R2；

光电二极管44安装在阴极支座的侧边上并且感光区朝外以方便接受管外的控制光起着光控作用。光电二极管44的阴极通过导线连接耐高压晶体管45的基极或栅极上，光电二极管44的阳极通过导线连接在晶体管45的发射极或漏极上。

如图4、图5所示，所述场致发射阴极42由基底423和设于基底423上的场致发射阵列421构成，作为优选，所述基底423为半导体或者金属，当以半导体为基底的时候，在衬底的一侧可以外延制备耐高压三极管或者场效应管，场致发射阵列421为大电流密度的碳纳米管阴极阵列、spindt阴极阵列或石墨烯阴极阵列；基底423安装在阴极支座5上，场致发射阵列421通过场致发射阵列基底423与阴极支座5保持同电位，陶瓷绝缘柱43安装在阴极支座5上并位于基底423的外侧，栅网41安装在陶瓷绝缘柱43上，栅网41与场致发射阵列421的顶端平面要求严格平行，以保证阴极发射的均匀性，自会聚电极422设于基底423上并将场致发射阵列421围于中间，与阴极同电位，自会聚电极422的孔形状与栅网41的孔形状一致且中心对准，栅网41通过导线连接在阴极头6的第二引出电极62上，栅极直流电压通过电极62加在栅网上提供栅极电压以拉出需要的电子，作为优选，所述自会聚电极422的高度比场致发射阴极42面高出5到100μm，栅网41与自会聚电极422间的间距为20到500μm；

栅网41结构如图6所示，采用微细加工成四边形、六角型或者其他形状，中心孔的最大跨度主要由自会聚电极422与栅网41距离决定，本发明要求最大跨度小于自会聚电极422与栅网41距离的2倍。

光控晶体管的场发射阵列结构的最大特点是在于阴极发射电流（即场致发射电流）由加在栅极的直流电压来控制，从而容易实现电流的高精度控制并且可靠性高；而电子发射的开和关通过高速光源控制光电二极管的关和断来控制，便捷实现了脉冲发射和高速开关控制。其中，光控发射脉冲发射示意图如图7所示，在光控发射条件下栅极直流电压控制的场致发射阴阵列421的发射电流特性如图8所示。

实施实例1：

在11mm×11mm的硅衬底上制备催化剂阵列，采用微波等离子体化学气相沉积法工艺制备微束直径分别为2μm的碳纳米管阵列，其有效生长面积为5mm 5mm。制备好的样品用于后面的阴极组件的装配中。

采用六边型结构栅极，如附图6b所示，其中将栅网41与自会聚电极422的间距为180μm，自会聚电极422的高度设置为20μm。通过电磁粒子仿真软件进行仿真电子的发射轨迹，在发射状态下得出电子发射轨迹如图9a所示，从模拟数据结果得出，电子在栅极没有截获，电子束会聚性能良好。同样地，如果没有自会聚电极422，仿真结果显示有大量电子打在栅网41上被栅网41截获，并且呈发散状，如图9b所示。

实施例2：

本实施例与实施例1的不同在于采用四边型结构栅极，如附图6a所示，其中，自会聚电极422高度设置为20μm，栅网边长为100μm，阴栅间距为100μm。通过电磁粒子仿真软件进行仿真电子的发射轨迹，在发射状态下得出电子发射轨迹如图10a所示，从数据结果的出，电子在栅极也没有截获。同样地，如果没有自会聚电极，仿真结果显示有大量电子打在栅网41上被栅网41截获，并且呈发散状，如图10b所示。

Claims

1.一种光-栅复合控制的场致发射X射线管，包括真空容器、阳极、阳极靶，其特征在于：还包括阴极组件、阴极支座、阴极头，阴极组件固定在阴极支座上，阴极支座固定在阴极头上，所述阴极头包含第一引出电极，第二引出电极、第三引出电极、绝缘支座，阴极头通过绝缘支座与真空容器真空封接，第三引出电极与阴极支座连接；

高耐压晶体管安装在阴极支座上，所述高耐压晶体管为三极管或场效应管，高耐压晶体管的集电极或源极接在阴极支座上，发射极或漏极通过导线接在第一引出电极上，基极或栅极通过第一高压电阻R1连接在栅网上，发射极或漏极与基极或栅极间并联有第二高压电阻R2；

2.根据权利要求1所述的一种光-栅复合控制的场致发射X射线管，其特征在于：所述阳极靶为旋转阳极靶或者固定靶。

3.根据权利要求1或2所述的一种光-栅复合控制的场致发射X射线管，其特征在于：所述光电二极管为PIN光电二极管。

4.根据权利要求1或2所述的一种光-栅复合控制的场致发射X射线管，其特征在于：所述三极管或者场效应管耐压500V以上。

5.根据权利要求1或2所述的一种光-栅复合控制的场致发射X射线管，其特征在于：自会聚电极的高度比场致发射阴极面高出5到100μm。

6.根据权利要求1或2所述的一种光-栅复合控制的场致发射X射线管，其特征在于：栅网与自会聚电极间的间距为20到500μm。

7.根据权利要求1或2所述的一种光-栅复合控制的场致发射X射线管，其特征在于：所述栅网是六边型栅网、四边型栅网或者三边形栅网。

8.根据权利要求1或2所述的一种光-栅复合控制的场致发射X射线管，其特征在于：所述场致发射阴极的基底为半导体或者金属。

9.根据权利要求1或2所述的一种光-栅复合控制的场致发射X射线管，其特征在于：所述场致发射阵列为大电流密度的碳纳米管阴极阵列、spindt阴极阵列或石墨烯阴极阵列。

10.根据权利要求1或2所述的一种光-栅复合控制的场致发射X射线管，其特征在于：栅网的中心孔之间的距离小于自会聚电极与栅网距离的1.2倍。