CN102420088B - 一种背栅极式可栅控冷阴极x射线管 - Google Patents

Abstract

一种背栅极式可栅控X射线管，包括真空腔体、阳极组件、阴极组件、电源与散热系统，所述阳极组件一端处在真空腔体之外，用于连接所需电源与散热系统，另一端封装在真空腔体内；阳极组件包括阳极靶，阳极金属罩以及阳极连接柱；其中阳极靶用于产生X射线，其镶嵌在阳极金属罩内，在于所述阴极组件包括阴极基片、阴极托、阴极罩、绝缘陶瓷柱以及引出电极；阴极组件的引出电极部分在真空腔体外，阴极组件的其他部件均被封装在真空腔体内；所述阴极基片中集成了碳纳米发射体、发射体电极、绝缘层以及栅极衬底；：由于栅极距离发射体的距离很近，因此所需栅极电压极低和高电子发射效率。

Description

一种背栅极式可栅控冷阴极X射线管

技术领域

本发明涉及一种X射线管，特别是涉及一种带栅控的冷阴极X射线管。

技术背景

X射线管是一种允许X射线可控发射的器件。它们被应用在各种系统中，例如，应用于医疗、工业和安全领域的X射线成像技术，光谱分析(X射线荧光光谱、X射线光电子能谱分析)，X射线衍射分析等。射线管中产生X射线的原理是利用高能电子(几万电子伏特)，轰击金属靶。这些电子和靶材之间的相互作用倍增，直至发出X射线。X射线强度与靶材料上的电子流成正比。X射线的穿透性与靶材料上的施加电压成正比。X射线的发射面积由电子束轰击的范围决定，对需要小发射斑点的应用情况，例如需要X射线光学的成像应用中，可以在射线管中配置电子光学装置将电子束聚焦在靶材料上很小的区域。

传统X射线管是利用加热真空管内的金属丝到上千摄氏度高温来产生高能电子。与传统的热电子发射相比，场发射无需加热，可以在室温下进行，只需施加一定的电场即可，因此场发射具有更高的能量利用率。此外，场发射还具有其他一些独特的性质，例如，对电场变化的快速响应，对温度波动和辐射不敏感，发射出的电子束高度可控，高开关比，电子的弹道传输，而且很小的电压调制范围就可以调控很大的电流范围。

碳纳米材料是碳的一种同素异形体，是一维纳米材料。由于具有较高的长径比(或高宽比)、稳定的化学和机械性能，因此具有优秀的场发射性能。例如，低开启电压、高电子发射稳定性、长寿命等。因此，近些年来，将碳纳米材料应用于场发射器件已经成为研究的热点。

在现有专利中，将碳纳米材料应用于X射线管，基本是带栅控的结构。通过专利检索，目前国内利用碳纳米材料做电子源的X射线管专利有8份：1、专利03127012.3，“一种新型场致发射的医用微型X射线管”，此专利涉及的X射线管，无电子束汇聚功能，难以实现小焦点；2、专利CN201378580Y、CN201378579Y、CN101521135B、CN101494149A和CN101101848B，“栅控碳纳米阴极场发射X射线管，该专利涉及的射线管有两个不足之处，(1)栅极位于阴极上方，距离阴极0.1mm～2mm，栅极电压要达到500V以上，才能获得足够电流，栅极电压较高，(2)栅极通常采用金属网，截获电子较多，阴极发射电子利用率较低；3、专利CN101494150A，该专利设计的射线管，栅极类型为平面栅极，该结构所用场发射材料为氧化锌，发射性能比碳纳米材料差；4、专利CN1553473A，该专利阳极电压过低，射线穿透力差。

从现有技术来看，目前可栅控的X射线管都有一定的局限性，主要集中在以下几个方面：(1)栅极调制电压高；(2)栅极截获电子较多，电子利用率低；(3)无电子汇聚等等。

发明内容

本发明目的是，为了弥补现有技术的足之处，提供一种低栅极调制电压、高电子发射效率、高电子利用率并具有较高电子汇聚作用的栅控式碳纳米阴极场发射X射线管。

本发明的技术方案是：一种背栅极式可栅控X射线管，包括真空腔体、阳极组件、阴极组件、电源与散热系统，所述阳极组件一端处在真空腔体之外，用于连接所需电源与散热系统，另一端封装在真空腔体内；阳极组件包括阳极靶，阳极金属罩以及阳极连接柱；其中阳极靶用于产生X射线，其镶嵌在阳极金属罩内，阳极靶的法线与阳极和阴极的连线具有一倾斜角度；阳极金属罩一般为散热性较好的金属材料，易于散热；阳极连接柱一部分嵌入阳极金属罩，一部分在真空腔体外，用于连接高压电源和散热装置；

所述阴极组件包括阴极基片、阴极托、阴极罩、绝缘陶瓷柱以及引出电极；阴极组件的引出电极部分在真空腔体外，阴极组件的其他部件均被封装在真空腔体内；

所述阴极罩为金属，用于固定阴极组件；阴极罩上表面设有作为电子通道的开口，阴极罩对电子束有一定聚焦作用；阴极罩将阴极基片和绝缘陶瓷柱包裹在内部，阴极基片被压在阴极罩和绝缘陶瓷片之间；陶瓷柱侧部有卡口，将阴极罩卡入卡口内，起到固定作用；阴极罩与一条引出电极相连，并引出到绝缘腔体之外；所述阴极基片中集成了碳纳米发射体、发射体电极、绝缘层以及栅极衬底；栅极衬底位于阴极基片底部(因此称为背栅极；绝缘层是位于栅极衬底和发射体电极之间绝缘薄膜，绝缘薄膜层是采用薄膜技术制备，厚度极薄；碳纳米发射体位于发射体电极之上，发射体电极具有一定的图案(网状、条状等)，只有在发射体电极上制备有碳纳米发射体。整个阴极基片置于阴极托之上，阴极托与第二条引出电极相连，第二条引出电极穿过绝缘陶瓷柱，并引出到真空腔体之外；引出电极需具有一定的强度，用于支撑阴极组件，并与真空腔体封接到一起。

在所述背栅极X射线管中，高压通过阳极连接柱引入；阴极罩与发射体电极相连，并连接一条引出电极；阴极托与栅极衬底相连，并连接第二条引出电极；将阴极托接地，并在两条引出电极之间施加较低电压，即相当于在发射体电极和栅极之间施加此较低电压；通过该栅极电压将电子从碳纳米发射体中拉出，由于栅极距离发射体很近，因此所需栅极电压非常低；拉出电子束在阳极和阴极罩之间的高压的作用下形成高能电子，并轰击阳极靶面，从而产生X射线。

碳纳米发射体发射电流的大小可以通过改变栅极电压调制。由于阴极罩开口具有特定形状，因此阴极罩表面开口处在阳极高压的影响下，会形成一个静电透镜，对发射电子束有汇聚作用，在阳极靶面形成较小焦斑。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明所述背栅极式可栅控X射线管具有以下两个主要优势：

1)独特的栅极结构：由于栅极距离发射体的距离很近，因此所需栅极电压极低。

2)高电子发射效率：由于不需要发射体前部的栅极网片或模孔，因此发射电子可全部到达阳极，利用率非常高。

于此同时，该X射线管还具有以下共有优势：

1)阳极可以施加最高140kV的电压，X射线具有高穿透性，可广泛适用于医疗诊断、工业探伤以及安全检查等领域。

2)阴极发射性能好，焦点小，电流稳定，在高压下可以稳定工作一定时间。

附图说明

图1为本发明所述背栅极式可栅控X射线管的整体结构示意图

图2为所述阴极组件的结构示意图

具体实施方案

下面结合附图对本发明的一种实施方案做详细说明

本发明所述背栅极式可栅控碳纳米阴极X射线管是利用碳纳米材料优秀的场发射性能，并将其封装在真空容器中，作为阴极组件的一部分。通过栅极电压在碳纳米发射体表面形成的高电场，将电子束从发射体内部拉出。在所述栅极衬底和发射体电极之间施加低电压为0～50V，尤其可以在35V以下，将电子从碳纳米发射体中拉出。

电子束通过阴极罩开口的聚焦后，轰击到阳极靶面上，从而产生X射线。阳极高压可以施加到140kV。

如图1所示，本发明所述背栅极式可栅控碳纳米阴极X射线管，包括，真空腔体1、部分封装在真空腔体1内的阳极组件2和部分封装在内部的阴极组件3。

所述阳极组件2一端处在真空腔体1之外，用于连接工作时所需高压电源与散热系统，另一端封装在真空腔体1内；所述阴极组件3，其所包含引出电极部分31在真空腔体1外，其所包含的其他部分均被封装在真空腔体1内。

如图1和图2所示，所述阴极组件3包括阴极基片35、阴极托36、阴极罩32、绝缘陶瓷柱33以及引出电极31。所述阴极罩32为金属，用于固定阴极组件3。阴极罩32上表面有开口，为电子通道，并对电子束有一定聚焦作用。阴极罩32将阴极基片35和绝缘陶瓷柱33包裹在内部，阴极基片35被压在阴极罩32和绝缘陶瓷片33之间。陶瓷柱33侧部有卡口34，将阴极罩32卡入卡口34内，起到固定作用。阴极罩32与一条引出电极311相连，并引出到真空腔体1之外。整个阴极基片35置于阴极托36之上，阴极托36与一条引出电极312相连，该引出电极312穿过绝缘陶瓷柱33，并引出到真空腔体1之外。引出电极31需具有一定的强度，用于支撑阴极组件3，并与真空腔体1封接到一起。

所述阴极基片35集成了碳纳米发射体351、发射体电极352、绝缘层353以及栅极衬底354。栅极衬底354位于阴极基片35底部(因此称为背栅极)；绝缘层353位于栅极衬底354和发射体电极352之间；碳纳米发射体351位于发射体电极352之上，两者具有相同的图案。

所述发射体电极352可以为网状、条状以及其他一些形状的薄膜。发射体电极352的厚度可以为10nm～1μm，材料可以为钼、铝、金等导电性良好的金属，制备方法可以为丝网印刷、电子束蒸发以及磁控溅射等。所述碳纳米发射体351仅制备与发射体电极352之上，制备方法可以是电泳、丝网印刷、原位生长等方法。栅极与碳纳米发射体集成在同一阴极基片上，绝缘层厚度100nm～1μm，栅极与碳纳米发射体的距离为200nm～1μm。所述绝缘层353可以为氧化硅、氧化铝、氮化硅等薄膜材料及复合材料；所述栅极衬底可以为金属、重掺杂硅等导体或半导体，厚度大于200μm。

所述背栅极式可栅控碳纳米X射线管是通过一系列成熟的真空工艺制成的。高压通过阳极连接柱22引入。将阴极托36接零电位，并在两条引出电极31之间施加较低电压，即相当于在发射体电极352和栅极衬底354之间施加此较低电压。通过该栅极电压将电子从碳纳米发射体351中拉出，由于栅极衬底354距离发射体351很近，因此所需栅极电压非常低。拉出电子束在阳极组件2和阴极罩32之间的高压的作用下形成高能电子，并轰击阳极靶面，从而产生X射线。由于阴极罩32开口具有特殊形状，因此对电子束有聚焦作用，可以实现实用化的较小焦斑。在阳极高压下，可以通过改变栅极电压，已达到控制发射管电流的目的。

Claims (7)

1. 一种背栅极式可栅控X射线管，包括真空腔体、阳极组件、阴极组件、电源与散热系统，所述阳极组件一端处在真空腔体之外，用于连接所需电源与散热系统，另一端封装在真空腔体内； 阳极组件包括阳极靶，阳极金属罩以及阳极连接柱；其中阳极靶用于产生X射线，其镶嵌在阳极金属罩内，阳极靶的法线与阳极和阴极的连线具有一倾斜角度；阳极金属罩为散热的金属材料；阳极连接柱一部分嵌入阳极金属罩，一部分在真空腔体外，用于连接电源和散热系统；

其特征是在于所述阴极组件包括阴极基片、阴极托、阴极罩、绝缘陶瓷柱以及引出电极；阴极组件的引出电极部分在真空腔体外，阴极组件的其他部件均被封装在真空腔体内；

所述阴极罩为金属，用于固定阴极组件；阴极罩上表面设有作为电子通道的开口，阴极罩对电子束有一定聚焦作用；阴极罩将阴极基片和绝缘陶瓷柱包裹在内部，阴极基片被压在阴极罩和绝缘陶瓷片之间；陶瓷柱侧部有卡口，将阴极罩卡入卡口内，起到固定作用；阴极罩与一条引出电极相连，并引出到真空腔体之外；所述阴极基片中集成了碳纳米发射体、发射体电极、绝缘层以及栅极衬底；因栅极衬底位于阴极基片底部被称为背栅极；绝缘层是位于栅极衬底和发射体电极之间的绝缘薄膜；碳纳米发射体位于发射体电极之上，发射体电极具有网状或条状图案；整个阴极基片置于阴极托之上，阴极托与第二条引出电极相连，第二条引出电极穿过绝缘陶瓷柱，并引出到真空腔体之外；引出电极用于支撑阴极组件，并与真空腔体封接到一起。

2.根据权利要求1所述背栅极式可栅控冷阴极X射线管，其特征在于，栅极衬底与碳纳米发射体集成在同一阴极基片上，绝缘层厚度100nm~1μm，栅极衬底与碳纳米发射体的距离为200nm~1μm。

3.根据权利要求1所述背栅极式可栅控冷阴极X射线管，其特征在于，发射体电极形状为网状或条状的薄膜。

4.根据权利要求1所述背栅极式可栅控冷阴极X射线管，其特征在于，在所述栅极衬底和发射体电极之间施加低电压为0~50V，将电子从碳纳米发射体中拉出。

5.根据权利要求4所述背栅极式可栅控冷阴极X射线管，其特征在于，在所述栅极衬底和发射体电极之间施加低电压为35V以内。

6.根据权利要求1或3所述背栅极式可栅控冷阴极X射线管，其特征在于，碳纳米发射体位于发射体电极之上，两者具有相同的图案。

7.根据权利要求1所述背栅极式可栅控冷阴极X射线管，其特征在于，所述栅极衬底为金属或重掺杂硅，厚度大于200μm。