CN104362062A

CN104362062A - 一种冷阴极聚焦型x射线管

Info

Publication number: CN104362062A
Application number: CN201410606138.6A
Authority: CN
Inventors: 桂建保; 郑海荣; 陈垚; 洪序达
Original assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Current assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Priority date: 2014-10-30
Filing date: 2014-10-30
Publication date: 2015-02-18

Abstract

本申请公开了一种冷阴极聚焦型X射线管，包括壳体、阴极单元、栅极单元、聚焦单元和阳极单元，所述壳体具有内腔，所述栅极单元和所述聚焦单元由下到上设置在所述壳体内，并将所述内腔由下到上分为第一腔室、第二腔室和第三腔室，所述阴极单元设置在第一腔室内，所述阳极单元设置在第三单元内，所述第三腔室的壳体上设有X射线窗，所述聚焦单元包括第一聚焦极，所述第一聚焦极设有非旋转对称的第一聚焦孔。在本申请的具体实施方式中，由于第一聚焦极设有非旋转对称的第一聚焦孔，不仅可通过调整聚焦电极电压，也可通过调整聚焦孔的尺寸灵活改变聚焦倍数，实现多向等倍率电子束聚焦同时，保持高的聚焦倍数。

Description

一种冷阴极聚焦型X射线管

技术领域

本申请涉及场发射技术，尤其涉及一种冷阴极聚焦型X射线管。

背景技术

利用纳米材料的尖端隧道效应可实现场发射，可将其用做X射线管的电子发射源，也称为冷阴极X射线管。对于反射式X射线管，为了使X射线从与管轴线垂直的侧面方向发射，阳极靶存在一个小的倾斜角度，使得入射电子束在X射线出射方向投射时发生压缩，一般在3-7倍，而在与投射面垂直的方向电子束尺寸不变。因此，为了得到一个各向同性的圆形或方形X射线焦斑，场发射阴极为一狭长的椭圆或长方形。另一方面，为了使X射线管具有高的亮度或更小的焦斑尺寸，需要对发射电子束聚焦，理想的聚焦情况是对发射电子束在长轴与短轴两个方向具有相同的聚焦倍数，且聚焦倍数尽可能大。

然而，我们采用专用的电子光学模拟软件，经大量聚焦模拟发现，对于通常的旋转对称聚焦孔（圆孔或圆锥孔）电极，在长轴与短轴两个方向实现相同的聚焦倍数很困难，调整聚焦电极电压可以使得两个方向的聚焦倍数差异变小，但以牺牲聚焦能力为代价。

而现有的X射线管静电聚焦电极都采用旋转对称的圆孔或圆锥孔，针对长条状阴极，该方法有如下一些缺陷：（1）调整聚焦电压，聚焦倍数较大，但长轴与短轴方向聚焦倍数差异也大，导致X射线焦斑各向同性差，使得X射线图像空间分辨具有方向性；（2）调整聚焦电压，长轴与短轴两个方向的聚焦倍数差异较小，但聚焦倍数也较小，牺牲了X射线源的亮度，且焦斑尺寸增大，影响X射线图像空间分辨率。

发明内容

本申请要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种冷阴极聚焦型X射线管。

本申请要解决的技术问题通过以下技术方案加以解决：一种冷阴极聚焦型X射线管，包括壳体、阴极单元、栅极单元、聚焦单元和阳极单元，所述壳体具有内腔，所述栅极单元和所述聚焦单元由下到上设置在所述壳体内，并将所述内腔由下到上分为第一腔室、第二腔室和第三腔室，所述阴极单元设置在第一腔室内，所述阳极单元设置在第三单元内，所述第三腔室的壳体上设有X射线窗，所述聚焦单元包括第一聚焦极，所述第一聚焦极设有非旋转对称的第一聚焦孔。

所述第一聚焦孔包括椭圆孔或长方形孔。

所述阴极单元包括阴极座和设置在所述阴极座上的阴极。

所述阴极包括狭长椭圆形或长方形碳纳米管区域。

所述碳纳米管区域长轴为短轴长度的3～7倍。

所述阴极座包括基板，所述基板上设置有凹槽，所述碳纳米管阴极区域设置在所述凹槽内。

所述聚焦单元还包括第二聚焦极平行设置在所述第一聚焦极上方，所述第二聚焦极设有非旋转对称的第二焦孔。

所述第二聚焦孔包括椭圆孔或长方形孔。

所述阳极单元包括阳极座和设置在所述阳极座上的阳极靶。

所述栅极单元包括栅极和栅网，所述栅极设置有栅极孔，所述栅网设置在所述栅极孔上。

由于采用了以上技术方案，使本申请具备的有益效果在于：

⑴ 在本申请的具体实施方式中，由于第一聚焦极设有非旋转对称的第一聚焦孔，不仅可通过调整聚焦电极电压，也可通过调整聚焦孔的尺寸灵活改变聚焦倍数，实现多向等倍率电子束聚焦同时，保持高的聚焦倍数。

⑵ 在本申请的具体实施方式中，由于一种具有非旋转对称聚焦孔采用椭圆孔或长方形孔，通过聚焦孔长轴与短轴长度的改变，配合优化的聚焦电压，灵活调节电子束在两个方向的聚焦倍数，实现两个方向等倍率聚焦同时，保持高的聚焦倍数。

附图说明

图1为本申请的冷阴极聚焦型X射线管在一种实施方式中的结构示意图；

图2为本申请的基板在一种实施方式中的结构示意图；

图3为本申请的冷阴极聚焦型X射线管在一种实施方式中的横截面剖视图；

图4为本申请的冷阴极聚焦型X射线管在另一种实施方式中的横截面剖视图；

图5为本申请的冷阴极聚焦型X射线管计算靶角的示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本申请作进一步详细说明。

如图1至图4所示，本申请的冷阴极聚焦型X射线管，其一种实施方式，包括壳体10、阴极单元、栅极单元、聚焦单元和阳极单元。壳体10具有内腔，栅极单元和聚焦单元由下到上设置在壳体10内，并将内腔由下到上分为第一腔室11、第二腔室12和第三腔室13，阴极单元设置在第一腔室11内，阳极单元设置在第三单元13内，第三腔室的壳体上设有X射线窗14，聚焦单元包括第一聚焦极41，第一聚焦极41设有第一聚焦孔，第一聚焦孔为非旋转对称聚焦孔。在一种实施方式中，第一聚焦孔包括椭圆孔或长方形孔。

本申请的冷阴极聚焦型X射线管，阴极单元包括阴极座21和阴极22，阴极22设置在阴极座21上。阴极包括碳纳米管（Carbon Nanotube, CNT）区域，在一种实施方式中，该碳纳米管区域形状狭长，为椭圆形碳纳米管或长方形碳纳米管区域，碳纳米管区域长轴为短轴长度的3～7倍。

阴极座21包括基板211和基座（图未示），如图2所示，基板可以为各种金属片、硅片或玻璃板，在本实施方式中，该基板211为玻璃基板，基板211上设置有凹槽212，凹槽212为阴极区，碳纳米管阴极区域设置在凹槽212内。玻璃基板中央沿椭圆长轴方向制作有一下沉长方形槽，槽深为0.1～0.4 mm，其决定了阴极到栅极的距离。槽宽略大于阴极短轴长度，槽长度为玻璃基板长度，大于阴极长轴长度。CNT发射层沉积于玻璃基板的中央开槽区。玻璃基板固定于一阴极基座上。

聚焦单元还包括第二聚焦极42，第二聚焦极42平行设置在第一聚焦极41上方，并和第一聚焦极41间隔设置，第一聚焦极41和第二聚焦极42分别镶嵌设置在壳体10上。第二聚焦极42设有第二聚焦孔，第二聚焦孔为非旋转对称聚焦孔。在一种实施方式中，第二聚焦孔包括椭圆孔或长方形孔。

本申请的冷阴极聚焦型X射线管，阳极单元包括阳极座51和阳极靶52，阳极靶52设置在阳极座51上。

在一种实施方式中，本申请的栅极单元包括栅极31和栅网32，栅极31设置有栅极孔，栅网32设置在栅极孔上。栅极孔可以为圆形孔、圆锥形孔、椭圆孔或长方形孔。在一种实施方式中，栅极31具有圆形开孔，孔直径稍大于阴极长轴长度，栅极厚度1～3 mm，且在下表面贴有金属栅网，栅网开口比70～90%，栅网通过玻璃基板的凹槽侧壁与栅极之间的夹紧力固定。

在一种实施方式中，本申请阴极22为狭长椭圆形碳纳米管区域,长轴为短轴长度的3～7倍。CNT薄膜通过电泳与光刻技术沉积在预先镀有电极的玻璃基板中央位置，小径多壁CNT初始原料通过化学气象沉积方法（CVD）合成获得。玻璃基板上设有凹槽212，做为阴极区，凸台部分使阴极22与栅极31之间绝缘并提供一个小的间距。玻璃基板固定于其下的阴极座上。阴极22上方为栅极31，栅极31厚度1～3 mm，栅极31开有中央圆孔，圆孔直径稍大于阴极长轴以保证所有发射电子通过，紧贴栅极下表面装有金属栅网，栅网32面积大于圆孔面积，其作用是提供一个近乎垂直于阴极表面的电场，以尽可能使电子从CNT阴极沿管轴线平行发射，且使发射电子尽可能多地通过网孔，也就是要求栅网具有高的开口率。电子通过率越高，轰击到阳极靶的电子也就越多，产生X射线强度也就越高。栅极上面接着是第一聚焦极41，中央开聚焦孔，对发射电子束进行初级聚焦。第一聚焦极41比栅极31厚，为6～20mm，聚焦孔径越大，厚度越大。常规聚焦孔为旋转对称的圆孔或圆孔后接着一个喇叭型锥孔，使其有利于减小聚焦球差。本申请第一聚焦孔为非旋转对称的椭圆孔或长方形孔，如图3、4所示，其中图3中A为椭圆形聚焦孔，图4中B为长方形聚焦孔。聚焦孔长轴稍大于阴极长轴，聚焦孔短轴大于阴极短轴而小于阴极长轴，具体数值通过电子光学模拟获得优化值。栅极31与第一聚焦极41通过陶瓷封装绝缘与固定。第一聚焦极41上面是第二聚焦极42，厚度1～3 mm，中央亦有聚焦孔，对电子束进行二次聚焦。开孔形状与第一聚焦极41相同，与第一聚焦极41也通过陶瓷封装绝缘与固定。第二聚焦极42上面是阳极靶52，阳极靶52采用钨或钼材料，阳极靶镶嵌在一个阳极座51上，阳极座51采用无氧铜材料。阳极靶52具有一个小的倾斜角（靶角），用于使高速电子轰击产生的X射线从侧面的X射线窗14输出，靶角可以为9～16°。靶角的存在使得入射电子束在X射线投射方向尺寸被压缩，而在与之垂直的另一方向尺寸不变。所以，为了得到等方向性的圆形X射线焦斑，入射至阳极靶的电子束为一椭圆，长轴在入射电子束轴线与出射X射线轴线构成的平内，短轴在与之垂直的方向。靶角取值根据轰击在阳极靶上电子束的长轴短轴长度比确定。如图5所示，假设阳极靶面聚焦电子束长轴长度为D，短轴长度为d，则靶角为θ=arcsin(D/d)，使获得X射线焦斑形状近似为圆形，具有好的各向同性分辨。X射线窗为铍窗或铝窗，对低能应用采用0.25 mm的铍窗，对较高能量的应用采用1 mm的铝窗。所有电极封装于陶瓷真空腔体中，有电极线引出至真空腔体外。

在一种实施方式中，阴极接地V_C=0；栅极电压V_g为0～5000 V，取决于CNT阴极稳定工作的电场与阴极到栅极的距离，改变V_g可改变发射电流密度，也可控制电子束发射的开启与关闭，当V_g小于CNT阴极产生发射的开启电压时，可使CNT阴极停止发射；第一聚焦极41电压V_f1为1000～5000 V，一般低于V_g，决定了电子束聚焦状况，根据电子光学模拟的优化值确定；第二聚焦极42电压取为V_f2=V_g,也可在其附近有小的调整；阳极电压取决于成像物体密度与厚度，对于生物医学成像应用为20～140KV。

在一种实施方式中，阴极21到栅极31距离D_cg在不产生打火的情况下尽可能小，为100～300 μm；栅极31到第一聚焦极41距离D_gf1为1 mm；第一聚焦极41到第二聚焦42极距离D_f1f2为5～10 mm；第二聚焦极42到阳极52距离D_f2a为8～15 mm。所有电极通过陶瓷封装于真空腔体中，有电极线引出至真空腔体外。

模拟结果表明，非旋转对称椭圆或长方形聚焦孔方案优于传统的旋转对称圆孔或圆锥孔聚焦方案。

以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims

1.一种冷阴极聚焦型X射线管，包括壳体、阴极单元、栅极单元、聚焦单元和阳极单元，所述壳体具有内腔，所述栅极单元和所述聚焦单元由下到上设置在所述壳体内，并将所述内腔由下到上分为第一腔室、第二腔室和第三腔室，所述阴极单元设置在第一腔室内，所述阳极单元设置在第三单元内，所述第三腔室的壳体上设有X射线窗，所述聚焦单元包括第一聚焦极，其特征在于，所述第一聚焦极设有非旋转对称的第一聚焦孔。

2.如权利要求1所述的冷阴极聚焦型X射线管，其特征在于，所述第一聚焦孔包括椭圆孔或长方形孔。

3.如权利要求2所述的冷阴极聚焦型X射线管，其特征在于，所述阴极单元包括阴极座和设置在所述阴极座上的阴极。

4.如权利要求3所述的冷阴极聚焦型X射线管，其特征在于，所述阴极包括狭长椭圆形或长方形碳纳米管区域。

5.如权利要求4所述的冷阴极聚焦型X射线管，其特征在于，所述碳纳米管区域长轴为短轴长度的3～7倍。

6.如权利要求3所述的冷阴极聚焦型X射线管，其特征在于，所述阴极座包括基板，所述基板上设置有凹槽，所述碳纳米管阴极区域设置在所述凹槽内。

7.如权利要求1至6中任一项所述的冷阴极聚焦型X射线管，其特征在于，所述聚焦单元还包括第二聚焦极平行设置在所述第一聚焦极上方，所述第二聚焦极设有非旋转对称的第二焦孔。

8.如权利要求7所述的冷阴极聚焦型X射线管，其特征在于，所述第二聚焦孔包括椭圆孔或长方形孔。

9.如权利要求1至6中任一项所述的冷阴极聚焦型X射线管，其特征在于，所述阳极单元包括阳极座和设置在所述阳极座上的阳极靶。

10.如权利要求1至6中任一项所述的冷阴极聚焦型X射线管，其特征在于，所述栅极单元包括栅极和栅网，所述栅极设置有栅极孔，所述栅网设置在所述栅极孔上。