CN102427015B - 一种聚焦型冷阴极x射线管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种聚焦型冷阴极X射线管，包括场发射冷阴极、由闭合的灯丝构成的灯丝栅极、阳极、X射线管管壳和射线出射窗口；场发射冷阴极和阳极分别设置在X射线管管壳内部的两端，并分别通过阴极引出电极和阳极引出电极引出到X射线管管壳的外部；灯丝栅极设置在场发射冷阴极和阳极之间，其两侧面分别通过两个引出电极引出到X射线管管壳的外部；阳极具有一个用于电子轰击产生X射线的斜坡面，射线出射窗口设置在X射线管管壳的侧面上正对着斜坡面处。与普通的场发射冷阴极X射线管相比，本发明可以有效对阳极进行电子轰击除气，提高X射线管内真空度，同时可对电子束进行聚焦，提升X射线管的性能和寿命。

Description

一种聚焦型冷阴极X射线管

技术领域

本发明涉及一种冷阴极X射线管，具体涉及一种聚焦型冷阴极X射线管。

背景技术

传统的X射线管，采用钨丝等灯丝材料作为阴极，当灯丝通电加热后发射电子，在阳极高压作用下，电子轰击阳极产生X射线。但传统的X射线管因为要灯丝加热，同时灯丝发射电流小，在高端的成像设备中的应用受到限制。近年来场致发射冷阴极因其无需加热、响应迅速、发射电流密度大等特性，在X射线管等真空器件中中已经开始初步应用。采用硅微尖和金刚石薄膜场致发射阵列的X射线管在实验室得以实现。采用纳米碳管、纳米氧化锌等纳米材料作为场发射冷阴极的X射线管也已经开始应用，并将为未来CT等高端成像设备的X射线源。

X射线管作为一个大电流发射的真空器件，对器件内的真空度有较高的要求，真空度的高低直接影响了X射线管的聚焦成像质量和阴极的寿命，因此在制作的排气过程中除采用烘烤或高频除气外，还需要对灯丝加电使其发射电子，在阳极上施加一定的电压(远低于工作时的电压)，使电子轰击阳极，对阳极对材料进行电子轰击除气。同时由于这时施加在阳极上的电压远低于工作电压，电子束会散焦，使电子的作用在阳极上的面积增大，可以使阳极除气更加充分。在管子封离后，保证X射线管在高电压工作时阳极放气量比较少，不影响X射线管的寿命和性能。

而采用场发射冷阴极的X射线管，阴极电子发射需要在阳极接近工作时的高电压下才可能有电子发射，在这种电压下，阳极已经产生X射线，会对操作人员带来辐射影响，同时电子散焦也不够，电子作用在阳极的面积小，阳极除气也不是很充分，管内气氛不良直接会影响X射线管的性能和寿命。

因此如何在场发射冷阴极的X射线管等器件对阳极进行除气，需要进行特殊考虑。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种具有电子轰击阳极除气功能的聚焦型冷阴极X射线管。

技术方案：本发明所述的聚焦型冷阴极X射线管，包括场发射冷阴极、由闭合的灯丝构成的灯丝栅极、阳极、X射线管管壳和射线出射窗口；所述场发射冷阴极和所述阳极分别设置在所述X射线管管壳内部的两端，并分别通过阴极引出电极和阳极引出电极引出到所述X射线管管壳的外部；所述灯丝栅极设置在所述场发射冷阴极和所述阳极之间，其两侧面分别通过两个引出电极引出到所述X射线管管壳的外部，使得闭合的灯丝构成的灯丝栅极成为两根并联的灯丝；所述阳极具有一个用于电子轰击产生X射线的斜坡面，所述射线出射窗口设置在所述X射线管管壳的侧面上正对着所述斜坡面处。

本发明X射线管中灯丝栅极的作用有二：一是在排气过程中，在灯丝栅极的两引出电极上施加加热灯丝栅极的电压Vf使其对灯丝加热发射电子，同时在在阳极上施加一电压Vah用以加速电子轰击阳极除气，电子轰击一方面可以使阳极发热放出气体，另一方面可以形成电子诱导脱附放出气体；调节阳极电压Vah的高低，可以调整电子束在作用在阳极上的面积和加热功率；二是在X射线管工作时，灯丝栅极的两引出电极上施加等电位电压Vg，阳极加正常工作时的高压Va，调节施加在灯丝栅极上的电压，可以实现对场致发射冷阴极发射的电子束的聚焦，起到聚焦电极的作用。

本发明中，灯丝栅极的作用只是在制管工艺过程中作为灯丝加热发射电子，在正常工作状态，作为场发射冷阴极的聚焦电极，和阳极共同作用，调节阴极发射电子束束斑大小，从而控制出射X射线的空间分辨率。

比较优选地，所述灯丝栅极的形状为与所述场发射冷阴极的形状相同的圆形或方形；所述灯丝栅极是由具有热电子发射功能的钨丝、铼钨丝、钍钨丝或涂覆有氧化钇、氧化钪的氧化物阴极灯丝或氧化钙、氧化锶和氧化钡的碱土金属氧化物灯丝制成。

所述阳极是由钨、钼、无氧铜或重金属材料制成。

所述场发射冷阴极是由钨、钼等金属微尖阵列、或碳纳米管、氧化锌、氮化铝等具有场发射性能的纳米材料、或金刚石薄膜等制成。

利用本发明所述聚焦型冷阴极X射线管对阳极进行除气的方法，包括如下步骤：

(1)在灯丝栅极的两个引出电极上施加不同电位，利用电压差Vf对灯丝进行加热，调节Vf的大小以调节灯丝加热温度至产生热电子发射；

(2)同时在阳极上施加电压Vah(通常为10V～10KV)，用以加速灯丝栅极发射的电子轰击阳极达到对阳极除气的目的，调节阳极电压Vah以调节电子束作用在阳极上的面积和加热功率。

利用本发明所述的聚焦型冷阴极X射线管对场发射冷阴极发射的电子束进行聚焦的方法为：在X射线管正常工作过程中，在阳极施加电压Va；在灯丝栅极的两个引出电极上施加相同的电位Vg，这时施加在灯丝栅极上的电压差Vf＝0，灯丝不被加热；调节Vg的大小以改变场发射冷阴极和阳极之间的电场分布，实现对场发射冷阴极发射的电子束的聚焦。

本发明给出的是冷阴极X射线管的基本结构和工艺方案，对具体阳极、阴极结构的改进，以及在管内增加其他电极，并不影响本方案的实施。

有益效果：1、本发明通过在冷阴极与阳极之间增加带双引出电极的灯丝栅极，在排气过程中，在灯丝栅极的两电极上施加不同电压使其对灯丝加热发射电子，在阳极上施加一电压用以加速电子轰击阳极除气；在X射线管工作时，灯丝栅极的两引出电极上施加等电位电压，调节该电压，可以实现对场致发射冷阴极发射的电子束的聚焦，起到聚焦电极的作用。2、与传统热阴极X射线管相比，本发明具有响应速度快、可小型化等冷阴极X射线管所具有的优点；与普通的场发射冷阴极X射线管相比，本发明可以有效对阳极进行电子轰击除气，提高X射线管内真空度，同时可对电子束进行聚焦，提升X射线管的性能和寿命。3、本发明应用广泛，还可以应用于其他冷阴极高阳极电压真空电子器件中。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为圆环形灯丝栅极的示意图。

图3为方形灯丝栅极的示意图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例：本发明所述聚焦型冷阴极X射线管，如图1所示，包括场发射冷阴极1、由闭合的灯丝构成的灯丝栅极2、阳极4、X射线管管壳5和射线出射窗口6；所述场发射冷阴极1和所述阳极4分别设置在所述X射线管管壳5内部的两端，并分别通过阴极引出电极7和阳极引出电极8引出到所述X射线管管壳5的外部；所述灯丝栅极2设置在所述场发射冷阴极1和所述阳极4之间，其两侧面分别通过两个引出电极3-1，3-2引出到所述X射线管管壳5的外部；所述灯丝栅极2的形状为与所述场发射冷阴极1的形状相同的圆形或方形，如图2和3所示；所述阳极4具有一个用于电子轰击产生X射线的斜坡面，所述射线出射窗口6设置在所述X射线管管壳5的侧面上正对着所述斜坡面处。

将场发射冷阴极1、灯丝栅极2、阳极4以及X射线管管壳5等装配完毕后，将X射线管连接到真空排气台上对其进行排气。排气过程中用烘箱对管体进行烘烤，以帮助X射线管中各种部件材料吸附气体的排出，烘烤排气结束后，还可用高频线圈对阳极进行加热除气。但是用烘烤除气和高频除气的方法，仍然不能将阳极材料中吸附和溶解的气体充分排除。这时，在栅极引出电极3-1和3-2上施加一灯丝电压Vf，如5V，在灯丝电压作用下，灯丝栅极作为并联的两根灯丝，在温度足够高时，如700℃-1500℃，灯丝将发射热电子。在阳极上施加电压Vah，如1000V，这时灯丝发射的电子将轰击阳极，电子轰击一方面可以使阳极发热放出气体，另一方面可以形成电子诱导脱附放出气体，使阳极吸附和溶解的气体充分排除。排气完成后将管子封离排气台，完成X射线管制作。在本发明所述聚焦型冷阴极X射线管正常使用工作时，阴极电极接地，阳极接数万伏的高压，如3万伏，这时阴极将有电子发射到阳极，电子轰击阳极产生X射线。将灯丝栅极的两个引出电极连接到一起后加聚焦电压Vg，或一个电极悬空，一个电极加聚焦电压Vg，Vg的大小将影响阴极发射电子束的聚焦情况，通过调节Vg，使电子束聚焦成小的束斑，如0.5毫米直径，提高X射线管出光质量。

灯丝栅极的形状尺寸和位置根据X射线管的具体结构可以优化，一般放置在靠近阴极的位置。阴极的制作可以通过真空蒸发的方法在阴极基底上制作钨、钼等金属微尖的方法制作，也可以采用化学气相沉积的方法在阴极基底上生长纳米材料、金刚石薄膜等冷阴极材料，也可以采用丝网印刷的方法将纳米冷阴极材料印刷到阴极基底材料上制成。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (7)

1.一种聚焦型冷阴极X射线管，其特征在于：包括场发射冷阴极(1)、由闭合的灯丝构成的灯丝栅极(2)、阳极(4)、X射线管管壳(5)和射线出射窗口(6)；所述场发射冷阴极(1)和所述阳极(4)分别设置在所述X射线管管壳(5)内部的两端，并分别通过阴极引出电极(7)和阳极引出电极(8)引出到所述X射线管管壳(5)的外部；所述灯丝栅极(2)设置在所述场发射冷阴极(1)和所述阳极(4)之间，其两侧面分别通过两个引出电极(3-1，3-2)引出到所述X射线管管壳(5)的外部；所述阳极(4)具有一个用于电子轰击产生X射线的斜坡面，所述射线出射窗口(6)设置在所述X射线管管壳(5)的侧面上正对着所述斜坡面处。

2.根据权利要求1所述聚焦型冷阴极X射线管，其特征在于：所述灯丝栅极(2)的形状为与所述场发射冷阴极(1)的形状相同的圆形或方形。

3.根据权利要求1所述聚焦型冷阴极X射线管，其特征在于：所述灯丝栅极(2)是由具有热电子发射功能的钨丝、铼钨丝、钍钨丝或涂覆有氧化钇、氧化钪的氧化物阴极灯丝或氧化钙、氧化锶和氧化钡的碱土金属氧化物灯丝制成。

4.根据权利要求1所述聚焦型冷阴极X射线管，其特征在于：所述阳极(4)是由钨、钼、无氧铜或重金属材料制成。

5.根据权利要求1所述聚焦型冷阴极X射线管，其特征在于：所述场发射冷阴极(1)是由具有场发射性能的金属微尖发射阵列、纳米材料或金刚石薄膜制成。

6.利用权利要求1所述聚焦型冷阴极X射线管对阳极进行除气的方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)在灯丝栅极的两个引出电极(3-1，3-2)上施加不同电位，利用电压差Vf对灯丝进行加热，调节Vf的大小以调节灯丝加热温度至产生热电子发射；

(2)同时在阳极(4)上施加电压Vah，用以加速电子轰击阳极达到对阳极除气的目的，调节阳极电压Vah以调节电子束作用在阳极上的面积和加热功率。

7.利用权利要求1所述的聚焦型冷阴极X射线管对场发射冷阴极(1)发射的电子束进行聚焦的方法，其特征在于：在X射线管正常工作过程中，在阳极施加电压Va；在灯丝栅极的两个引出电极(3-1，3-2)上施加相同的电位Vg，调节Vg的大小以改变场发射冷阴极和阳极之间的电场分布，实现对场发射冷阴极发射的电子束的聚焦。

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