CN102610474A - 用于x射线管的聚焦型阴极及其x射线源和制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于X射线管的聚焦型阴极，包括极基片、发射极、电子束选择性滤过部件、电子束聚焦部件和电子束二次聚焦部件。本发明提供的聚焦型阴极不仅可与现有的各种类型的阳极相配合制成聚焦型阴极X射线管，还能适用于以阴极阵列形式批量制备，在使用时，再进行分割而成单一组件。本发明提供的聚焦型阴极在工艺上实现了上下集成，提高适应性，还可显著降低生产和制造成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种产生电磁辐射的部件，尤其涉及一种产生X射线的射线源，其阴极采用聚焦型结构，提高了射线源的聚焦性，适用于放射性医疗和CT图像重建等方面。
背景技术
常用的X射线管结构是由封闭在一个高度真空的管室内的阴极和阳极组成。阴极由钨制灯丝和聚射罩组成，其功能是发射电子。阳极分为固定和放置两种，前者有效焦点面大，功率小(在10KW以下)，影像清晰度低，多在小功率X射线机中使用。后者实际焦点面大，而有效焦点很小，有用功率大，影像较清晰，多在大功率X射线机及CT机中使用。阳极的基体使用金属钨，其比一般金属熔点高(3370℃)，阳极靶面中心固定在散热较好的金属杆上。但纯钨制成的靶面抗热胀性能差，常因热而出现龟裂，后改为铼、钨合金靶面后，龟裂现象减轻，抗热胀性能得到提高。
目前大部分X射线管是采用热阴极制造成的。由于从热阴极发射的电子是随机分布的，所以很难获得良好的聚焦效果，即使可以通过加一个偏转电压使其聚焦，但所得到的焦点也是呈双峰分布而不是高斯分布，不容易聚焦电子束，从而限制了图像的清晰度。理论上，发射X射线的面积越小或者说焦点越小，则照相所获得的图象质量就越高。获得聚焦效果好的电子束已经被视为是获得高清晰度X射线图像的一个必要条件。
热阴极的聚焦问题以及其本身固有缺陷限制了热阴极X射线管在高标准需求中进一步的推广和应用。由于冷阴极具有电子分布比较均匀，易于聚焦，焦点尺寸缩小和提高X射线成像质量等特点，使得场发射代替热阴极制备X射线管正在成为一种技术趋势。Baturin等人研究了一种用于X射线管的场致发射电于枪，其使用碳纤维为阴极，在40kV时可获得直径为2mm的阳极电子束斑，束斑电流为0.1mA，还研究了一种总电流密度为10mA/cm2的碳纤维阵列(Nucl.Instrum.Meth.A，2006，558，253-225)。北卡罗来纳大学研究者研制出了一种用于微型CT的场致发射X射线源，这种基于碳纳米管(Carbon Nanotube，CNT)阴极的X射线源利用一个聚焦电极可获得直径为50μm的阳极束斑，并获得了清晰的小动物(老鼠)的CT照片(Phys.Med.Biol.，2009，54，2323)。
中国发明专利ZL03127012.3公开了一种新型场致发射的医用微型X射线管，包括负电极、正电极、导线、阴极、阳极、耐压壳体、金属壳体、密封窗口等部件。从耐压壳体左端穿过的负电极和正电极分别用导线与安装在耐压壳体左端内的阴极的阴极突起和阴极门连接，在耐压壳体右端与金属壳体焊接牢固，在金属壳体内安装阳极和密封窗口，使阴极的工作面与阳极的工作面平行。两者之间的距离由要求的电位差大小决定，管内的真空度大于10-7托，金属壳体接地。
中国发明专利ZL200910024950.7公开了一种冷阴极聚焦型X射线管，通过聚焦电极可以大幅度压缩轰击到阳极靶表面的电子束，可实现高分辨率X射线的发射。该射线管包括冷阴极电子源及附于其上的氧化锌发射层、聚焦电极、真空密封壳体、射线出射窗口以及高电压阳极靶。冷阴极电子源是以平面栅极结构为基础、通过丝网印刷方式制备于玻璃基底表面，上方放置金属聚焦电极，高电压阳极靶固定于电子源的正上方，电极放置于陶瓷真空壳体之中，通过电极引线与外部电源相连。陶瓷壳体采用分段封接的方式。
中国发明专利ZL200910079585.X公开了一种具有高电压和高穿透特点，并能够产生高穿透的碳纳米阴极场发射X射线管，包括上端设散热器、下端设接线管的真空容器，散热器与阳极靶组件上端连接，阳极靶组件的高压通过散热器引入，阳极靶组件通过过渡环与阳极封接件连接，阳极封接件与真空容器密封连接，阳极靶组件下端成角度地设置靶面，阳极靶组件下端外围设有阳极帽，阳极帽一侧设出射窗，真空容器下端通过阴极封接件与芯柱连接，芯柱上端设碳纳米阴极，芯柱通过固定螺钉与阴极罩固定连接，碳纳米阴极采用真空包装储存，组装前保持超净环境，碳纳米阴极在装管过程中采用特殊真空工艺进行处理，独特的阴极聚集结构实现焦斑电子束输出。本发明X射线。
然而，基于场致发射的X射线管的聚焦尺寸基本大于30μm。有研究文献报道了将碳管长在一钨丝尖端上，钨丝的直径为250μm，尖端用电化学方法刻蚀成曲率半径只有约5μm的半球形(Appl.Phys.Lett.，2007，90，183109)。该射线管的阴极结构包括阴极、栅极和聚焦极(采用磁透镜，即螺线管来聚焦)等部件，最大发射电流为26μA，寿命及稳定性则未公布，焦点大小约为5μm。采用这种做法，阴极制作不仅难度大，射线管结构也较复杂，还需要比较复杂的电源输入控制系统配合。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种用于X射线管的聚焦型阴极，缩小X射线管体积，从而适用于具有微聚焦的X射线源。
本发明的另一个目的在于提供一种X射线管，采用聚焦型阴极，适用于高清晰便捷式X射线成像系统，如：放射性医疗和CT图像重建等方面。
本发明的又一个目的在于提供一种用于X射线管的聚焦型阴极或阴极阵列的制备方法，以使X射线管阴极结构在工艺上实现了上下集成，提高适应性。
本发明背景技术中描述的内容，可能参考了现有设备所用的结构和方法。然而，这样的参考没有必要解释为承认这些结构和方法在可应用的法律规定下有资格作为现有技术。申请人保留权力来证明，任何参考的主题相对于本发明不构成现有技术。本发明特别应用于手术中实时诊断成像系统，如：计算机断层摄影(ComputedTomography，CT)，特别是涉及锥形束计算机断层摄影(Cone Beam ComputedTomography，CT)。然而，还将意识到，所描述的技术还可以应用于混合或其他医学方案或其他医学技术当中。
本发明提供的一种用于X射线管的聚焦型阴极，包括
极基片，为上端开口槽体，包括第一槽壁、第二槽壁和水平设置的基底。
发射极，设于极基片的基底。
电子束选择性滤过部件，架设于第一槽壁和第二槽壁，其上设有一个直径1mm-1000mm滤过通孔，且正对发射极。
电子束聚焦部件，置于电子束选择性滤过部件之上，包括第一聚焦体和第二聚焦体，第一聚焦体包括一个与水平面夹角为15°-75°的第一聚焦侧面，第二聚焦体包括一个与水平面夹角为105°-165°的第二聚焦侧面。优先选择的，第一聚焦侧面和第二聚焦侧面镜像对称。
电子束二次聚焦部件，架设于第一聚焦体和第二聚焦体，其上设有一个直径0.1mm-800mm聚焦孔，且正对发射极。
本发明提供的另一种用于X射线管的聚焦型阴极，还包括绝缘层，夹设于电子束选择性滤过部件与第一槽壁之间，以及电子束选择性滤过部件和第二槽壁之间。可作为绝缘层材料的物质如：但不仅限于SiO2、Si3N4和Al2O3。
本发明一种优先选择的发射极由下至上依次为导电层、电阻层和电子发射源。其中，导电层为1.5μm-6.5μm金属层，如：Cu、Au、Cr、Ni和Ti等金属单质或者任意两种金属的合金。优先选择的，导电层由导电种子层和底电极复合而成，导电种子层位于底电极之下，是厚度为0.5μm-1.5μm金属层，如：但不仅限于Cu、Au、Cr、Ni和Ti等金属单质或者任意两种金属的合金，底电极是厚度为1μm-6μm金属层，如：但不仅限于Cu、Au、Cr、Ni和Ti等金属单质或者任意两种金属的合金。
电阻层是电阻率值为100Ω·cm-2000Ω·cm多晶硅薄膜，可通过精确控制溅射过程获得。
电子发射源是金属和一维纳米材料组成的复合薄膜层，复合薄膜表层密集分布了根植于金属基体之中并有部分裸露在外的一维纳米材料。所用金属材料如：但不仅限于Zn、Ag、Cu和Ni金属单质或任意两种制成的合金，而一维纳米材料如：但不仅限于CNT、碳纳米纤维、金属(如：但不仅限于Cu、Au、W、Ni和Zn等)、金属氧化物(如：但不仅限于ZnO、WO3、Fe2O3、和MgO)、硅、碳化硅、二氧化硅、碳氮化物、氮化硼、碳化硼或硫族化物中的一种或几种制成的纳米棒/纳米线的组。
本发明适用于极基片的基底的材料如：但不仅限于玻片或硅片，适用于第一槽壁和第二槽壁的材料如：但不仅限于Sn、Ni、Bi或Cu等电镀金属。优先选择的，基低的表面粗糙度不大于10μm。
本发明适用于电子束选择性滤过部件、电子束聚焦部件和电子束二次聚焦部件的材料如：但不仅限于Sn、Ni、Bi或Cu等电镀金属。
本发明提供的用于X射线管的聚焦型阴极，可与现有的各种类型的阳极相配合制成聚焦型阴极X射线管。
本发明提供的一种聚焦型阴极X射线管，包括真空密封壳体、聚焦透镜、聚焦型阴极、高电压阳极靶、铍窗口和连接各部件的导线。聚焦透镜设于高电压阳极靶和聚焦型阴极之间的区域，铍窗口设于真空密封壳体。
高电压阳极靶的材料为金属Cu或金属W，靶面与水平面的夹角为15°-45°。
聚焦透镜如：但不仅限于磁聚焦透镜和电磁聚焦透镜。
本发明提供的用于X射线管的聚焦型阴极，在制备过程中通常以阴极阵列形式批量制备，在使用时，再进行分割而成单一组件。这种方式不仅使X射线管阴极结构在工艺上实现了上下集成，提高适应性，还可显著降低生产和制造成本。
一种用于X射线管的聚焦型阴极的制备方法，其步骤如下：
1)在基底上溅射沉积厚度为0.5μm-1.5μm的金属层，作为导电种子层；
2)在导电种子层上旋涂厚度为2μm-6μm的光刻胶，采用光刻工艺将光刻胶图形化，形成底电极图形化阵列；
3)使用电镀工艺在图形化的底电极阵列上电镀底电极金属，形成厚度为1μm-6μm的金属层，之后去除光刻胶，形成底电极阵列结构；
4)在底电极阵列结构上溅射多晶硅，形成厚度50nm-1000nm的薄膜电阻层；
5)旋涂厚度为2μm-6μm的光刻胶，采用光刻工艺将光刻胶图形化，形成电阻层图形化阵列，采用反应离子法刻蚀多晶硅薄膜，之后去除光刻胶，形成电阻层结构；
6)旋涂厚度为2μm-4μm的光刻胶，采用光刻工艺将光刻胶图形化，在电阻层结构上形成发射极图形化阵列，采用一维纳米材料和金属的复合电镀工艺电镀厚度为1μm-10μm复合薄膜，之后去除光刻胶，形成发射极结构；
7)旋涂厚度为5μm-10μm的光刻胶，采用光刻工艺将光刻胶图形化，在基底上形成第一槽壁和第二槽壁的阵列结构，电镀金属后，保留光刻胶，磨平表面；
8)在步骤7)光刻胶表面溅射第一种子层，并旋涂厚度为1μm-3μm的光刻胶，采用光刻工艺将光刻胶图形化，形成电子束选择性滤过部件的图形化阵列，电镀金属后，保留光刻胶，磨平表面；
9)在步骤8)光刻胶表面溅射第二种子层，并旋涂厚度为10μm-50μm的光刻胶，采用光刻工艺将光刻胶图形化，采用过曝光光刻工艺，形成具有聚焦侧面的电子束聚焦部件图形化阵列，电镀金属后，保留光刻胶，磨平表面；
10)在步骤9)光刻胶表面溅射第三种子层，并旋涂厚度为2μm-4μm的光刻胶，采用光刻工艺将光刻胶图形化，形成电子束二次聚焦部件图形化阵列，电镀金属后，保留光刻胶，磨平表面；
11)去除步骤7)、步骤8)、步骤9)和步骤10)中保留的光刻胶牺牲层，得到聚焦型阴极微结构。
本发明技术方案实现的有益效果：
本发明提供的用于X射线管的聚焦型阴极，包括极基片、发射极、电子束选择性滤过部件、电子束聚焦部件和电子束二次聚焦部件。其中电子束聚焦部件和电子束二次聚焦部件可采用微电子技术集成批量制备，可以大幅削减制备成本，缩小X射线管体积，提供具有微聚焦的X射线源，适宜用高清晰便捷式X射线成像系统。
附图说明
图1为本发明提供的用于X射线管的聚焦型阴极一实施例的结构示意图；
图2为本发明提供的用于X射线管的聚焦型阴极阵列一实施例的结构示意图；
图3为本发明提供的具有聚焦型阴极的X射线管一实施例的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图详细描述本发明的技术方案。本发明实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。
以下本发明各个实施例所描述的结构涉及单一的聚焦型阴极及其所组成的阵列，描述的方法即可适用于单一的聚焦型阴极制备，也能适用于其所组成的阴极阵列的制备。图1为一种用于X射线管的聚焦型阴极，极基片1包括第一槽壁11、第二槽壁12和基底13，基底13水平设置，与置于其上的第一槽壁11和第二槽壁12共同形成一个上端开口的槽体结构。第一槽壁11和第二槽壁12上还分别设有绝缘层3，绝缘层3上设置电子束选择性滤过部件4。
发射极2用于产生X射线所需的电子束，设于基底13上，现有的X发射发射极均可适用。本实施例中，发射极2从基底13由下至上依次为导电层21、电阻层22和电子发射源23。导电层21通常为Cu、Au、Cr、Ni和Ti等金属单质或者任意两种金属的合金制成的厚度为1.5μm-6.5μm的金属层。但从实际使用考虑，可采用另一种导电层21实施方式，由导电种子层和底电极复合而成，先采用Cu、Au、Cr、Ni和Ti等金属单质或者任意两种金属合金制成厚度为0.5μm-1.5μm的导电种子层，然后在其上复合采用Cu、Au、Cr、Ni和Ti等金属单质或者任意两种金属合金制成厚度为1μm-6μm的底电极金属层。底电极在平面具有图形化结构，在其间隙部位的基底上设有第一槽壁11和第二槽壁12。
本实施例，电阻层22是电阻率值为100Ω·cm-2000Ω·cm多晶硅薄膜，可通过精确控制溅射过程获得。电子发射源23是金属和一维纳米材料组成的复合薄膜层，复合薄膜表层密集分布了根植于金属基体之中并有部分裸露在外的一维纳米材料。金属和一维纳米材料的复合薄膜沉积在电阻层上作为发射源。
本实施例中，电子束选择性滤过部件4为一栅极，具有一个直径1mm-1000mm栅极孔41，该部件架设于第一槽壁11和第二槽壁12上，且孔41正对发射极2。由发射极2发出的电子束经栅极孔41滤过后，于设于栅极上的电子束聚焦部件5实现聚焦。电子束聚焦部件5包括第一聚焦体51和第二聚焦体52。第一聚焦体包括一个与水平面夹角为15°-75°的第一聚焦侧面511，夹角优先选择20°-75°，如：但不仅限于21°、23°、25°、27°、30°、33°、35°、37°、40°、43°、45°、47°、50°、53°、55°、57°、60°、63°、65°、67°和70°，本实例为45°。第二聚焦体52包括一个与水平面夹角为105°-165°的第二聚焦侧面521。夹角优先选择105°-160°，如：但不仅限于110°、113°、115°、117°、120°、123°、125°、127°、130°、133°、135°、137°、140°、143°、145°、147°、150°、153°、155°、157°和159°，本实例为135°。当第一聚焦侧面511和第二聚焦侧面521以镜像对称方式设置时，能对通过电子束实现最佳效果。结合图3，经聚焦的电子束，通过架设于第一聚焦体51和第二聚焦体52上的电子束二次聚焦部件6的聚焦孔61后，再经聚焦透镜7最终被射向X射线管的高电压阳极靶8的靶面81。靶面是一个与水平面夹角为15°-45°的平面，受射来的电子束激发产生的X射线通过设于真空密封壳体9的铍窗口91射出。各种部件的连接导线也作为X射线的一部分，如：导电层、电子束选择性滤过部件和高电压阳极靶各自通过导线与电源连接。
X射线管在较低的栅极电压下，发射极(如：一维纳米材料)尖端的电子被拔出形成高密度的电子束，电子束经过集成制备的电子束聚焦部件初级聚焦，向前穿过聚焦电子进一步被聚焦，接着，经两次聚焦的电子束聚焦透镜下被聚焦成微聚焦电子束，微聚焦电子束在阳极高压下，加速轰击阳极靶材，产生的X射线穿过密封壳体顶部的铍窗口发射形成X射线源。为了保护人体安全，对电子进行加速的高压电源低压端与正电极相连，高压端接地。
本实施例提供的单一的聚焦型阴极，可单独制备，或集成阵列后结合光刻图形化工艺批量制备，使用过程中再行分割，可有效降低成本。所制得的聚焦型阴极阵列结构可参见图2。
用于X射线管的聚焦型阴极的制备方法，其步骤如下：
1)在基底上溅射沉积厚度为0.5μm-1.5μm的金属层，作为导电种子层；
2)在导电种子层上旋涂厚度为2μm-6μm的光刻胶，采用光刻工艺将光刻胶图形化，形成底电极图形化阵列；
3)使用电镀工艺在图形化的底电极阵列上电镀底电极金属，形成厚度为1μm-6μm的金属层，之后去除光刻胶，形成底电极阵列结构；
4)在底电极阵列结构上溅射多晶硅，形成厚度50nm-1000nm的薄膜电阻层；
5)旋涂厚度为2μm-6μm的光刻胶，采用光刻工艺将光刻胶图形化，形成电阻层图形化阵列，采用反应离子法刻蚀多晶硅薄膜，之后去除光刻胶，形成电阻层结构；
6)旋涂厚度为2μm-4μm的光刻胶，采用光刻工艺将光刻胶图形化，在电阻层结构上形成发射极图形化阵列，采用一维纳米材料和金属的复合电镀工艺电镀厚度为1μm-10μm复合薄膜，之后去除光刻胶，形成发射极结构；
7)旋涂厚度为5μm-10μm的光刻胶，采用光刻工艺将光刻胶图形化，在基底上形成第一槽壁和第二槽壁的阵列结构，电镀金属后，保留光刻胶，磨平表面；
8)在步骤7)光刻胶表面溅射第一种子层(种子层起导电作用，一般为采用金属，如：铜和钛等)，并旋涂厚度为1μm-3μm的光刻胶，采用光刻工艺将光刻胶图形化，形成电子束选择性滤过部件的图形化阵列，电镀金属后，保留光刻胶，磨平表面；
9)在步骤8)光刻胶表面溅射第二种子层，并旋涂厚度为10μm-50μm的光刻胶，采用光刻工艺将光刻胶图形化，采用过曝光光刻工艺，形成具有聚焦侧面的电子束聚焦部件图形化阵列，电镀金属后，保留光刻胶，磨平表面；
10)在步骤9)光刻胶表面溅射第三种子层，并旋涂厚度为2μm-4μm的光刻胶，采用光刻工艺将光刻胶图形化，形成电子束二次聚焦部件图形化阵列，电镀金属后，保留光刻胶，磨平表面；
11)去除步骤7)、步骤8)、步骤9)和步骤10)中保留的光刻胶牺牲层，得到聚焦型阴极微结构。
结合上述方法，本实施例试举例几种聚焦型阴极的制备，并将其应用于X射线管。
实例1
首先在玻片上面溅射一层0.5μm金属Cu导电种子层，接着在导电种子层上溅射一层300nm单晶硅电阻层，接着将金属Ni和CNT的复合薄膜沉积在电阻层上作为发射源，底电极在平面具有图形化结构，接着在其间隙部位电镀一层5μm金属Ni第一槽壁和第二槽壁结构，接着在第一槽壁和第二槽壁结构上溅射一层50nmSiO2绝缘层，再接着将一层1.5μm金属Ni栅极结构通过光刻和电镀工艺悬空制作在绝缘层上，接着电镀一层30μm电子束聚焦部件沉积在栅极上，最后在电子束聚焦部件上电镀一层4μm电子束二次聚焦部件，制得用于X射线管的聚焦型阴极，其中槽壁结构、绝缘层、栅极、电子束聚焦部件和电子束二次聚焦部件具有图形化结构。
然后将聚焦型阴极焊接在陶瓷真空密封腔体底部，在聚焦孔上方的密封腔体内侧设置磁聚焦透镜，聚焦磁透镜将初级聚焦的电子束聚焦成微焦点电子束，Cu高压阳极靶设置在密封腔体顶部，阳极靶靶面和水平面的角度为15°。密封腔体的右上侧设置让X射线透过的铍窗口。Cu阳极靶的高压加速被聚焦的电子束轰击靶材产生X射线。X射线穿过设置在密封真空腔体右上侧的铍窗口提供X射线源。
实例2
首先在硅片上面溅射一层1.0μm金属Cr导电种子层，接着在导电种子层上溅射一层200nm单晶硅电阻层，接着将金属Zn和碳纳米纤维的复合薄膜沉积在电阻层上作为发射源，底电极在平面具有图形化结构，接着在其间隙部位电镀一层8μm金属Zn第一槽壁和第二槽壁结构，接着在第一槽壁和第二槽壁结构上分别溅射一层80nmAl2O3绝缘层，再接着将一层1.5μm金属Zn栅极结构通过光刻和电镀工艺悬空制作在绝缘层上，接着电镀一层20μm金属Zn电子束聚焦部件沉积在栅极上，最后在电子束聚焦部件上电镀一层2μm金属Zn聚焦孔，制得用于X射线管的聚焦型阴极，其中槽壁结构、绝缘层、栅极、电子束聚焦部件和电子束二次聚焦部件具有图形化结构。
然后将聚焦型阴极焊接在陶瓷真空密封腔体底部，在聚焦孔上方密封腔体内侧设置电磁磁聚焦透镜，聚焦电磁透镜将初级聚焦的电子束聚焦成微焦点电子束，W高压阳极靶设置在密封腔体顶部，阳极靶靶面和水平面的角度为25°。W阳极靶的高压加速被聚焦的电子束轰击靶材产生X射线。X射线穿过设置在密封真空腔体右上侧的铍窗口提供X射线源。
实例3
首先在玻片上面溅射一层1.5μm金属Ti导电种子层，接着在导电种子层上溅射一层100nm单晶硅电阻层，接着将金属Sn和纳米ZnO的复合薄膜沉积在电阻层上作为发射源，底电极在平面具有图形化结构，接着在其间隙部位电镀10μm金属Sn第一槽壁和第二槽壁结构结构，接着在第一槽壁和第二槽壁结构上分别溅射一层100nmSi3N4绝缘层，再接着将一层1.5μm金属Sn栅极结构通过光刻和电镀工艺悬空制作在绝缘层上，接着电镀一层10μm金属Sn电子束聚焦部件沉积在栅极上，最后在电子束聚焦部件上电镀一层3μm金属Sn聚焦孔，制得用于X射线管的聚焦型阴极，其中槽壁结构、绝缘层、栅极、电子束聚焦部件和电子束二次聚焦部件也具有图形化结构。
然后将聚焦型阴极焊接在陶瓷真空密封腔体底部，在聚焦孔上方密封腔体内侧设置磁聚焦透镜，聚焦磁透镜将初级聚焦的电子束聚焦成微焦点电子束，Cu高压阳极靶设置在密封腔体顶部，阳极靶和水平面的角度为45°。Cu阳极靶的高压加速被聚焦的电子束轰击靶材产生X射线。X射线穿过设置在密封真空腔体右上侧的铍窗口提供X射线源。
Claims (16)
1.一种用于X射线管的聚焦型阴极，其特征在于包括
极基片，为上端开口槽体，包括第一槽壁、第二槽壁和水平设置的基底；
发射极，设于所述基底；
电子束选择性滤过部件，架设于所述第一槽壁和所述第二槽壁，其上滤过通孔正对所述发射极，所述通孔直径为1mm-1000mm；
电子束聚焦部件，置于所述电子束选择性滤过部件之上，包括第一聚焦体和第二聚焦体，所述第一聚焦体包括一个与水平面夹角为15°-75°的第一聚焦侧面，所述第二聚焦体包括一个与水平面夹角为105°-165°的第二聚焦侧面；
电子束二次聚焦部件，架设于所述第一聚焦体和所述第二聚焦体，其上聚焦孔正对所述发射极。
2.根据权利要求1所述的用于X射线管的聚焦型阴极，其特征在于在所述发射极由下至上依次为导电层、电阻层和电子发射源。
3.根据权利要求2所述的用于X射线管的聚焦型阴极，其特征在于所述导电层为1.5μm-6.5μm金属层。
4.根据权利要求2所述的用于X射线管的聚焦型阴极，其特征在于所述导电层由导电种子层和底电极复合而成，所述导电种子层位于所述底电极之下，是厚度为0.5μm-1.5μm金属层；所述底电极是厚度为1μm-6μm金属层。
5.根据权利要求3或4所述的用于X射线管的聚焦型阴极，其特征在于所述金属选自于Cu、Au、Cr、Ni和Ti至一种或者任意两种的合金。
6.根据权利要求2所述的用于X射线管的聚焦型阴极，其特征在于所述电阻层是电阻率值为100Ω·cm-2000Ω·cm多晶硅薄膜。
7.根据权利要求2所述的用于X射线管的聚焦型阴极，其特征在于电子发射源是金属和一维纳米材料组成的复合薄膜层，复合薄膜表层密集分布了根植于金属基体之中并有部分裸露在外的一维纳米材料。
8.根据权利要求7所述的用于X射线管的聚焦型阴极，其特征在于所述金属选自于Zn、Ag、Cu和Ni之一种或任意两种的合金。
9.根据权利要求7所述的用于X射线管的聚焦型阴极，其特征在于所述一维纳米材料选自于CNT、碳纳米纤维、金属、金属氧化物、硅、碳化硅、二氧化硅、碳氮化物、氮化硼、碳化硼或硫族化物中的一种或几种制成的纳米棒或纳米线的组。
10.根据权利要求1所述的用于X射线管的聚焦型阴极，其特征在于所述基低的表面粗糙度不大于10μm。
11.根据权利要求1所述的用于X射线管的聚焦型阴极，其特征在于所述第一聚焦侧面和所述第二聚焦侧面镜像对称。
12.根据权利要求1所述的用于X射线管的聚焦型阴极，其特征在于所述聚焦孔 的直径为0.1mm-800mm。
13.一种用于X射线管的聚焦型阴极阵列，包括权利要求1-12之一所述的用于X射线管的聚焦型阴极。
14.一种聚焦型阴极X射线管，包括真空密封壳体、聚焦透镜、聚焦型阴极、高电压阳极靶、铍窗口和连接各部件的导线，所述聚焦透镜设于所述高电压阳极靶和所述聚焦型阴极之间的区域，所述铍窗口设于所述真空密封壳体，其特征在于所述聚焦型阴极为权利要求1-12之一所述。
15.根据权利要求14所述的聚焦型阴极X射线管，其特征在于所述高电压阳极靶靶面与水平面的夹角为15°-45°。
16.一种制备权利要求1-13之一所述的用于X射线管的聚焦型阴极的方法，其步骤如下：
1)在所述基底上溅射沉积厚度为0.5μm-1.5μm的金属层，作为导电种子层；
2)在所述导电种子层上旋涂厚度为2μm-6μm的光刻胶，采用光刻工艺将光刻胶图形化，形成底电极图形化阵列；
3)使用电镀工艺在图形化的所述底电极阵列上电镀底电极金属，形成厚度为1μm-6μm的金属层，之后去除光刻胶，形成底电极阵列结构；
4)在所述底电极阵列结构上溅射多晶硅，形成厚度50nm-1000nm的薄膜电阻层；
5)旋涂厚度为2μm-6μm的光刻胶，采用光刻工艺将光刻胶图形化，形成电阻层图形化阵列，采用反应离子法刻蚀多晶硅薄膜，之后去除光刻胶，形成电阻层结构；
6)旋涂厚度为2μm-4μm的光刻胶，采用光刻工艺将光刻胶图形化，在所述电阻层结构上形成发射极图形化阵列，采用一维纳米材料和金属的复合电镀工艺电镀厚度为1μm-10μm复合薄膜，之后去除光刻胶，形成发射极结构；
7)旋涂厚度为5μm-10μm的光刻胶，采用光刻工艺将光刻胶图形化，在所述基底上形成所述第一槽壁和所述第二槽壁的阵列结构，电镀金属后，保留光刻胶，磨平表面；
8)在步骤7)光刻胶表面溅射第一种子层，并旋涂厚度为1μm-3μm的光刻胶，采用光刻工艺将光刻胶图形化，形成电子束选择性滤过部件的图形化阵列，电镀金属后，保留光刻胶，磨平表面；
9)在步骤8)光刻胶表面溅射第二种子层，并旋涂厚度为10μm-50μm的光刻胶，采用光刻工艺将光刻胶图形化，采用过曝光光刻工艺，形成具有聚焦侧面的电子束聚焦部件图形化阵列，电镀金属后，保留光刻胶，磨平表面；
10)在步骤9)光刻胶表面溅射第三种子层，并旋涂厚度为2μm-4μm的光刻胶，采用光刻工艺将光刻胶图形化，形成电子束二次聚焦部件图形化阵列，电镀金属后，保留光刻胶，磨平表面；
11)去除步骤7)、步骤8)、步骤9)和步骤10)中保留的光刻胶牺牲层，得到 聚焦型阴极微结构。
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