CN103219212A - 石墨烯作为x射线管阴极及其x射线管 - Google Patents

Abstract

本发明公开石墨烯作为X射线管阴极，以及一种高效率石墨烯阴极场发射X射线管。石墨烯阴极场发射X射线管包括阴极组件，阳极组件和真空玻管；其中，阴极组件包括石墨烯阴极。它具有转换效率高，杂散射线少，在医疗、安检等领域应该时减少人体所承受的辐射剂量；易于实现微焦点X射线管，发射能力强，耐压高，可广泛应用于半导体检测，工业探伤等领域；可控性好，无需加热阴极，瞬时发射，通过调节栅极电压，控制电子发射数量，控制管电流。还具有稳定性好，寿命长的特点。

Description

石墨烯作为X射线管阴极及其X射线管

技术领域

本发明涉及石墨烯作为X射线管阴极，特别是一种高效率石墨烯阴极场发射X射线管。

  

背景技术

X射线管是主要用于医学上诊断和治疗，在工业技术方面用于材料的无损检测、结构分析、光谱分析和底片曝光等的装置。X射线对人体有害，使用时须采取有效防护措施。

X射线管是利用高速电子撞击金属靶面产生X射线的真空电子器件。传统X射线管一般采用热电子发射阴极，将钨，六硼化镧等材料加热到足够高温度，使一部分动能大的电子克服物体表面势垒逸出体外，在材料周围形成等离子体，当有外加电场作用时，形成电子束发射，此种X射线管能耗大，效率低，电能转换为X射线的效率不到1%，而且存在相当一部分杂散射线，绝大部分电能转换为热能，使用时需要大电流，耐高温使用。

场致发射不需要阴极加热，利用强电场使物体表面附近的电子穿过表面势垒发射电子，场致发射的性能依赖于材料的能带结构，功函数以及材料的表面结构；场致电子发射源具有发射密度大，能耗低，快速启动等优点。场致发射X射线管都采用纳米碳管作为阴极（电子发射源），纳米碳管由于生长工艺及结构限制存在碳管与基底结合不牢固，耐压能力不足，最高电压一般不超过100KV；高压工作时容易损坏碳管结构，发射失效，同时降低管内真空度，使射线管损坏，寿命短；碳管生长杂乱无章，电子发射方向性不好等一系列缺点。现有技术中，尚无采用石墨烯作阴极的X射线管。

  

发明内容

鉴于现有X射线管存在上述不足，本发明解决X射线管辐射剂量大的问题，以及现有X射线管转换效率低，稳定性不好、寿命短的问题，提供石墨烯作为X射线管的阴极即电子发射源。

本发明还提供一种高效率石墨烯阴极场发射X射线管。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：石墨烯作为X射线管的阴极即电子发射源。

本发明还提供一种高效率石墨烯阴极场发射X射线管，包括阴极组件，阳极组件，真空玻管；其特征在于，阳极组件包括阳极靶、可伐圈和阳极柄，阳极靶与阳极柄为一个整体；可伐圈的一端通过中频电源加热银铜焊料与阴极靶焊接，另一端与玻管烧结，使阳极靶密封于真空玻管内，阳极柄延伸出玻管外用于接阳极高压；

阴极组件包括阴极头，阴极罩，玻璃芯柱，阴极座，石墨烯阴极，工艺灯丝，陶瓷绝缘柱，钼支杆，可伐芯柱；阴极头上端开大小两个矩形槽用于安装石墨烯阴极及工艺灯丝，石墨烯阴极点焊在阴极座表面，钼支杆的一端支撑阴极座，另一端穿过陶瓷绝缘柱，与阴极头绝缘，任一支钼支杆的另一端与可伐芯柱通过可伐丝焊接；工艺灯丝通过钼支杆与阴极头连接，另一端通过钼支杆穿过陶瓷绝缘柱与可伐芯柱连接；陶瓷绝缘柱通过螺丝挤压的方式与阴极头固定，并将石墨烯阴极与阴极头绝缘；阴极罩与阴极头铆接为一个整体，可伐芯柱一端点焊在阴极头的下端，可伐芯柱的另一端穿过玻璃芯柱用于外部电气连接；玻璃芯柱，真空玻管，可伐圈通过玻璃烧结形成一个密封整体，将阴极组件，阳极靶密封于真空玻管内。

阴极罩上端开大小两个矩形孔，小孔对应工艺灯丝，大孔对应石墨烯阴极。

在所述高效率石墨烯阴极场发射X射线管中，高压通过于阳极柄引入，石墨烯阴极通过可伐芯柱接地，阳极与阴极之间高压使石墨烯阴极发射电子，阴极头和阴极罩铆接为一个等点位体，作为X射线管的栅极，在两者与石墨烯阴极间加-2000—+2000v电压，控制电子发射大小，高压使电子在高压电场的作用下加速轰击阳极靶从而产生X射线。

本发明高效率石墨烯阴极场发射X射线管采用石墨烯作为X射线管的阴极（电子发射源），石墨烯特殊能带结构和准SP3态的形成，从而产生了负电子亲和势；另一方面，石墨烯薄膜大曲率导致了高密度电子局域分布的形成，使局域场得到增强，从而使电子更容易逸出表面，使得该材料具有优良的电子场发射能力，石墨烯电子源的电子从材料顶部边沿（如图5所示）发射，具有良好方向性，一致性，易于聚焦，方向性、一致性的电子流轰击阳极时产生的X射线与热量的比例增加（热阴极的比例不到1%），较少二次电子及杂散射线，提高x射线管效率；石墨烯采用高温化学气相工艺制备，合理的催化介质选择，温度参数控制，严格的混合气体比例，及射频和等离子体控制，在1400的高温中生长在镍基底上，同时经过严格的激光烧蚀，电子轰击，等离子体轰击后期处理，使石墨烯阴极具有高耐压（大于150KV），稳定性，寿命长。

相比现有技术，本发明具有如下优点：

1、转换效率高，杂散射线少，在医疗，安检等领域应该时减少人体所承受的辐射剂量；

2、易于实现微焦点X射线管，发射能力强，耐压高，可广泛应用于半导体检测，工业探伤等领域；

3、高效率，高穿透性，易于聚焦，可在高压下长时间持续稳定工作，可实现一定大小的焦斑及可控的电子流大小；稳定性好，寿命长，寿命大于2000小时；

4、可控性好，无需加热阴极，瞬时发射，通过调节栅极电压，控制电子发射数量，控制管电流。

  

附图说明

图1为本发明所述高效率石墨烯阴极场发射X射线管整体结构示意图；

图2为本发明之阴极组件结构示意图；

图3为本发明之阴极的A-A剖视图；

图4是本发明之真空玻管的B-B剖视图；

图5是石墨烯电子源的电子从材料顶部边沿发射照片。

 

具体实施方式

下面结合附图以及具体组装过程和工作原理对本发明所述高效率石墨烯阴极场发射X射线管进一步详细说明

本发明所述高效率石墨烯阴极场发射X射线管，应用石墨烯阴极良好的场发射性能的特点，将石墨烯阴极作为电子发射源固定在阴极组件中并与阳极组件一起封接真空玻管1内，通过阳极与阴极之间高压使石墨烯发射电子，电子在阴极罩聚焦以及阳极高压作用下，沿一定得方向高速轰击阳极靶产生X射线。所述石墨烯阴极的发射阈值小于0.40 V/μm，最高可承受电压大于150KV； 

如图1所示，一种高效率石墨烯阴极场发射X射线管，包括阴极组件3，阳极组件2，真空玻管1；其中，阳极组件2包括阳极靶7、可伐圈8和阳极柄9，阳极靶7与阳极柄9为一个整体；可伐圈8的一端通过中频电源加热银铜焊料与阴极靶7焊接，另一端与玻管1烧结，使阳极靶密封于真空玻管1内，阳极柄9延伸出玻管1外用于接阳极高压。

结合图2、图3和图4，阴极组件3包括阴极头4，阴极罩6，玻璃芯柱5，阴极座10，石墨烯阴极11，工艺灯丝12，陶瓷绝缘柱13、14、15，钼支杆16、17、20、28，可伐芯柱18、19、21、22；阴极头4上端开大小两个矩形槽用于安装石墨烯阴极11及工艺灯丝12，石墨烯阴极11点焊在阴极座10表面，钼支杆16、17的一端支撑阴极座10，另一端穿过陶瓷绝缘柱14、15，与阴极头4绝缘，钼支杆16、17任一支的另一端与可伐芯柱18通过可伐丝24焊接，另一支悬空；工艺灯丝12通过钼支杆28与阴极头4连接，另一端通过钼支杆20穿过陶瓷绝缘柱13与可伐芯柱22连接；陶瓷绝缘柱13、14、15通过螺丝25、26、27挤压的方式与阴极头4固定，并将石墨烯阴极11与阴极头4绝缘；阴极罩6与阴极头4铆接为一个整体，可伐芯柱19、21一端点焊在阴极头4的下端，可伐芯柱18、19、21、22的另一端穿过玻璃芯柱5用于外部电气连接；玻璃芯柱5，真空玻管1，可伐圈8通过玻璃烧结形成一个密封整体，将阴极组件3，阳极靶7密封于真空玻管1内。

此外，所述石墨烯阴极11可为沉积于单独镍丝上的石墨烯阴极丝组，也可为单独沉积于一块镍片表面的石墨烯阴极。

所述石墨烯阴极丝组为单层石墨烯薄膜，或为多层石墨烯阵列，或立式石墨烯阵列。

参见图3和图4，阴极罩6上端开大小两个方孔，小孔长L2宽K2与对应工艺灯丝12，大孔对应石墨烯阴极11，大孔长L1宽K1与石墨烯阴极11距离阴极罩顶部高度D1共同决定X射线管焦点大小以及固定阳极高压下的电流中间值，大孔长L1：10mm—20mm，宽K1：4mm—12mm，用于石墨烯阴极发射电子聚焦。所述石墨烯阴极距阴极罩顶面之间距离D1：0.5—2.5mm；阳极靶与阴极之间距离为D2：10mm-15mm，最高电压大于150KV。

通过在阴极罩6与阴极头4铆接形成等电位体作为栅极，与石墨烯阴极之间加-2000—+2000电压，精确控制及调节石墨烯阴极11与阳极靶之间电流大小。

在所述高效率石墨烯阴极场发射X射线管中，高压通过于阳极柄9引入，石墨烯阴极11通过可伐芯柱18接地，阳极与阴极之间高压使石墨烯阴极11发射电子，阴极头4和阴极罩6铆接为一个等点位体，可作为X射线管的栅极，在两者与石墨烯阴极间加-2000—+2000v电压，控制电子发射大小，阴极罩6顶面顶面开大方孔，石墨烯阴极11位于极罩6顶面下方一定距离，通过此几何结构形成的电场分布，进一步约束电子飞向阳极的方向，控制电子轰击阳极靶的固定区域及X射线管焦点，高压使电子在高压电场的作用下加速轰击阳极靶7从而产生X射线。

在所述高效率石墨烯阴极场发射X射线管中工艺灯丝12，在X射线管生产过程辅助X射线管排气，保护石墨烯阴极：工艺灯丝12通过钼支杆28与阴极头连接，另一端通过钼支杆20穿过陶瓷绝缘柱13与可伐芯柱22连接，排气时通过可伐芯柱22与可伐芯柱19之间加4-5v电压，加热工艺灯丝，同时阳极与阴极头之间加高压，工艺灯丝加热后产生的电子轰击阳极靶，加热阳极保证阳极靶排气干净；同时电子在运行到阳极靶的过程中电离真空管内残余气体，进一步提高真空度。

最后说明的是，以上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实发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本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宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.石墨烯作为X射线管的阴极即电子发射源。

2.一种高效率石墨烯阴极场发射X射线管，包括阴极组件，阳极组件，真空玻管；其特征在于，阳极组件包括阳极靶、可伐圈和阳极柄，阳极靶与阳极柄为一个整体；可伐圈的一端通过中频电源加热银铜焊料与阴极靶焊接，另一端与玻管烧结，使阳极靶密封于真空玻管内，阳极柄延伸出玻管外用于接阳极高压；

阴极组件包括阴极头，阴极罩，玻璃芯柱，阴极座，石墨烯阴极，工艺灯丝，陶瓷绝缘柱，钼支杆，可伐芯柱；阴极头上端开大小两个矩形槽用于安装石墨烯阴极及工艺灯丝，石墨烯阴极点焊在阴极座表面，钼支杆的一端支撑阴极座，另一端穿过陶瓷绝缘柱，与阴极头绝缘，任一支钼支杆的另一端与可伐芯柱通过可伐丝焊接；工艺灯丝通过钼支杆与阴极头连接，另一端通过钼支杆穿过陶瓷绝缘柱与可伐芯柱连接；陶瓷绝缘柱通过螺丝挤压的方式与阴极头固定，并将石墨烯阴极与阴极头绝缘；阴极罩与阴极头铆接为一个整体，可伐芯柱一端点焊在阴极头的下端，可伐芯柱的另一端穿过玻璃芯柱用于外部电气连接；玻璃芯柱，真空玻管，可伐圈通过玻璃烧结形成一个密封整体，将阴极组件，阳极靶密封于真空玻管内；

阴极罩上端开大小两个矩形孔，小孔对应工艺灯丝，大孔对应石墨烯阴极；

在所述高效率石墨烯阴极场发射X射线管中，高压通过于阳极柄引入，石墨烯阴极通过可伐芯柱接地，阳极与阴极之间高压使石墨烯阴极发射电子，阴极头和阴极罩铆接为一个等点位体，作为X射线管的栅极，在两者与石墨烯阴极间加-2000—+2000v电压，控制电子发射大小，高压使电子在高压电场的作用下加速轰击阳极靶从而产生X射线。

3.根据权利要求2所述高效率石墨烯阴极场发射X射线管，其特征在于，所述石墨烯阴极沉积于单独镍丝上的石墨烯阴极丝组，或单独沉积于一块镍片表面的石墨烯阴极。

4.根据权利要求2所述高效率石墨烯阴极场发射X射线管，其特征在于，所述石墨烯阴极丝组为单层石墨烯薄膜，或为多层石墨烯阵列，或立式石墨烯阵列。

5.根据权利要求2所述高效率石墨烯阴极场发射X射线管，其特征在于，所述石墨烯阴极距阴极罩顶面之间距离D1：0.5—2.5mm；阳极靶与阴极之间距离为D2：10mm-15mm，最高电压大于150KV。

6.根据权利要求2所述高效率石墨烯阴极场发射X射线管，其特征在于，所述石墨烯阴极的发射阈值小于0.40 V/μm，最高可承受电压大于150KV。

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