CN110534388B - 一种微型微焦斑x射线管的阴极光学结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于微型微焦斑X射线管技术领域，具体涉及一种微型微焦斑X射线管的阴极光学结构，包括：热电子塑形结构(1)、加速电子聚焦结构(2)、热阴极丝(4)、隔离型热阴极丝电极柱(7)和陶瓷垫片(8)；加速电子聚焦结构(2)为中空圆柱体结构，其上部设有第一操场形结构(11)，其下部设有第二操场形结构(9)，二者正交垂直设置；热电子塑形结构(1)安装在加速电子聚焦结构(2)的顶部上，其上固定有阴极丝电极柱(13)，并开有圆孔(14)，且其外增设陶瓷垫片(8)；隔离型热阴极丝电极柱(7)依次穿过开设在陶瓷垫片(8)上的圆孔和圆孔(14)，并与热阴极丝(4)的一端固定连接，其另一端固定连接在阴极丝电极柱(13)上。

Description

一种微型微焦斑X射线管的阴极光学结构

技术领域

本发明属于微型微焦斑X射线管技术领域，特别涉及一种微型微焦斑X射线管的阴极光学结构。

背景技术

普通的微型X射线管结构主要包括电子阴极和阳极靶，另外需要在电子阴极和阳极靶之间施加高压电场。电子阴极发射电子，在高压电场的加速下轰击阳极靶，通过轫致辐射产生X射线。由于受体积约束以及技术复杂度的影响，普通的微型X射线管一般无静电聚焦结构，也没有磁聚焦结构，所以X射线焦斑尺寸一般比较大，基本都在毫米以上，不能满足高分辨率无损检测的应用需求。

一般而言，微型X射线管为了减少焦斑尺寸，都通过减小阴极电子发射尺寸来实现。具体针对热阴极的微型X射线管而言，基本上都是采用螺旋丝来替代直线丝，这样在等效电子发射效率的情况下，达到减小电子发射尺寸，从而一定程度上达到减小焦斑尺寸的目的。但螺旋丝存在加工难度大、抗振能力弱等缺陷，尤其是难以经受火箭发射或者力学条件恶劣的环境下，限制了其多场景的应用，尤其在太空中的应用。

发明内容

本发明的目的在于，为了解决现有技术存在上述缺陷，本发明提出了一种微型的、特别适用于微型X射线管、具有良好聚焦能力的阴极光学结构。在使用直线阴极丝的情况下，在20kV-50kV的宽高压范围内，都能使X射线管的焦斑尺寸小于300微米，不仅增强了微型X射线管的抗振能力，也扩展了微型X射线管在高分辨无损检测方面的应用。

为了实现上述目的，本发明提出了一种微型微焦斑X射线管的阴极光学结构，该阴极光学结构安装在X射线管的阳极结构上，并且与X射线管的阳极结构密封焊接；

所述阴极光学结构包括：热电子塑形结构、加速电子聚焦结构、热阴极丝、隔离型热阴极丝电极柱和陶瓷垫片；

加速电子聚焦结构为中空圆柱体结构，中空圆柱体结构的中空部分的剖面形状为弧形和方形共同围成的“操场”形，且加速电子聚焦结构为第一操场形结构和第二操场形结构一体成型的一体化结构；一体化的电子聚焦结构的上部设有第一操场形结构，其下部设有第二操场形结构；第一操场形结构和第二操场形结构呈正交垂直设置；

热电子塑形结构安装在加速电子聚焦结构的顶部上，热电子塑形结构上固定有阴极丝电极柱，热电子塑形结构上开有圆孔，且该圆孔外增设陶瓷垫片；隔离型热阴极丝电极柱依次穿过开设在陶瓷垫片上的圆孔和热电子塑形结构上的圆孔，并与热阴极丝的一端固定连接，热阴极丝的另一端固定连接在阴极丝电极柱上。

作为上述技术方案的改进之一，所述热电子塑形结构的中部开有电子抑制槽，电子抑制槽为哑铃形结构；其中，所述电子抑制槽的深度为0.05-10mm，哑铃中段槽宽小于10mm。

作为上述技术方案的改进之一，所述热电子塑形结构采用可伐钢材料制成。

作为上述技术方案的改进之一，所述热阴极丝为采用发射电子的金属材料制成的螺旋结构，其螺旋直径一般小于1mm；或者所述热阴极丝为采用发射电子的金属材料制成的线状结构。

作为上述技术方案的改进之一，所述热阴极丝的一端通过点焊的方式固定连接到阴极丝电极柱上，其另一端通过点焊的方式固定连接到隔离型热阴极丝电极柱上。

作为上述技术方案的改进之一，所述热阴极丝的下端面应尽可能的靠近电子抑制槽的上端面，或者平齐。

作为上述技术方案的改进之一，所述隔离型热阴极丝电极柱通过陶瓷垫片与热电子塑形结构隔离，实现隔离型热阴极丝电极柱与热电子塑形结构绝缘。

本发明相比于现有技术的有益效果在于：

1、本发明的阴极光学结构，在使用直线阴极丝的情况下，在20kV-50kV的宽高压范围内，能够实现X射线焦斑尺寸在300微米以内，在满足微型X射线管资源约束的情况下，实现微焦斑。

2、采用本发明的阴极光学结构的X射线管，其焦斑尺寸对热阴极丝的形状和长短不敏感，无论是采用螺旋丝还是直线丝，都能达到微米级的效果，也简化了热阴极丝的研制难度和焊接难度，同时增强微型X射线管在恶劣力学环境下的应用。

3、本发明的阴极光学结构末端开放，相对于限束孔的阴极光学结构而言，热电子通过率更高；相同功耗的情况下，采用本发明的阴极光学结构产生的X射线的强度更大。

附图说明

图1是本发明的一种微型微焦斑X射线管的阴极光学结构的剖面图；

图2是图1的本发明提出了一种微型微焦斑X射线管的阴极光学结构的热电子塑形结构的结构示意图；

图3是图1的本发明提出了一种微型微焦斑X射线管的阴极光学结构的加速电子聚焦结构的结构示意图。

附图标记：

1、热电子塑形结构 2、加速电子聚焦结构

3、聚焦热电子束 4、热阴极丝

5、阳极靶 6、X射线

7、隔离型热阴极丝电极柱 8、陶瓷垫片

9、第二操场形结构 10、电子抑制槽

11、第一操场形结构 12、X射线管的阳极结构

13、阴极丝电极柱 14、圆孔

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明提供一种微型的、特别适用于微型X射线管阴极光学结构，在使用直线阴极丝或者螺旋阴极丝的情况下，都能够实现对电子的高度聚焦，而且在20kV-50kV的宽高压范围内，都能使X射线焦斑尺寸小于300微米。这种阴极光学结构，不仅增强了微型X射线管的抗振能力，也为研制高端的微型微焦X射线提供了一种技术途径，增强了微型X射线管在高分辨无损检测方面的应用。

如图1所示，本发明提出了一种微型微焦斑X射线管的阴极光学结构，该阴极光学结构安装在X射线管的阳极结构12上，并且与X射线管的阳极结构12密封焊接；

所述阴极光学结构包括：热电子塑形结构1、加速电子聚焦结构2、热阴极丝4、隔离型热阴极丝电极柱7和陶瓷垫片8；

如图3所示，加速电子聚焦结构2为中空圆柱体结构，中空圆柱体结构的中空部分的剖面形状为弧形和方形共同围成的“操场”形，且加速电子聚焦结构为第一操场形结构和第二操场形结构一体成型的一体化结构；一体化的电子聚焦结构的上部设有中空的第一操场形结构11，其下部设有第二操场形结构；第一操场形结构和第二操场形结构呈正交垂直设置；其中，第一操场形结构和第二操场形结构均为“操场”形。

如图1所示，热电子塑形结构1安装在加速电子聚焦结构2的顶部，热电子塑形结构2上固定有阴极丝电极柱13，热电子塑形结构2上开有圆孔14，且该圆孔14外增设陶瓷垫片8；如图1所示，该圆孔14位于阴极丝电极柱13的上侧；该阴极丝电极柱13垂直于热电子塑形结构1；如图1和2所示，隔离型热阴极丝电极柱7依次穿过开设在陶瓷垫片8上的圆孔和热电子塑形结构1上的该圆孔14，并与热阴极丝4的一端固定连接，热阴极丝4的另一端固定连接在阴极丝电极柱13上。

其中，如图1和2所示，阴极丝电极柱13与隔离型热阴极丝电极柱7相对于热电子塑形结构的中心对称放置；阴极丝电极柱13的较短部分位于热电子塑形结构1内，较长部分位于热电子塑形结构1外。隔离型热阴极丝电极柱7的较短部分穿过开设在陶瓷垫片8上的圆孔和该圆孔14，且位于热电子塑形结构1内，较长部分位于热电子塑形结构1外。

所述热电子塑形结构1采用可伐钢材料制成；所述热电子塑形结构1，减小热电子的空间扩散度，从而减小热电子的空间包络面；另外，热电子塑形结构1为热阴极丝4的安装提供结构支撑。

如图2所示，所述热电子塑形结构1的中部开有电子抑制槽10，所述电子抑制槽10为哑铃形结构，所述电子抑制槽10的深度为0.05-10mm，哑铃中段槽宽小于10mm。

所述热阴极丝4为采用发射电子的金属材料制成的螺旋结构，其螺旋直径一般小于1mm；或者所述热阴极丝4为采用发射电子的金属材料制成的线状结构。

一般而言，微型X射线管为了减少焦斑尺寸，都通过减小阴极电子发射尺寸来实现。具体针对热阴极的微型X射线管而言，基本上都是采用螺旋丝来替代直线丝，这样在等效电子发射效率的情况下，达到减小电子发射尺寸目的。但螺旋丝存在加工难度大、抗振能力弱等缺陷，尤其是难以经受运载发射或者力学条件恶劣的环境下，限制了其在太空中的应用。本发明的阴极光学结构在采用直线丝的情况下，同样能达到微焦斑的效果，为微型微焦斑X射线管在太空应用或者力学条件恶劣的环境下应用奠定了基础，且简化了阴极丝的研制难度和焊接难度。

如图1所示，所述热阴极丝4的一端通过点焊的方式固定连接到位于热电子塑形结构1内的阴极丝电极柱13上，热阴极丝4的另一端通过点焊的方式固定连接到隔离型热阴极丝电极柱7上。

阴极丝电极柱13与热电子塑形结构1一体化，目的是方便给热阴极丝供电。在热电子塑形结构1的厚度允许的情况下，电子抑制槽10的槽深尽可能大。

所述隔离型热阴极丝电极柱7通过陶瓷垫片8与热电子塑形结构1隔离，实现隔离型热阴极丝电极柱7与热电子塑形结构1绝缘。隔离型热阴极丝电极柱7直接与位于热电子塑形结构1上固定的阴极丝电极柱13导通。在其他具体实施例中，隔离型热阴极丝电极柱7通过绝缘材料隔离，实现隔离型热阴极丝电极柱7与热电子塑形结构1绝缘。

所述加速电子聚焦结构2，用于将热电子塑形结构1未吸收的热电子聚焦；

所述第一操场形结构11的中空部分的剖面形状为弧形和方形共同围成的“操场”形，所述第二操场形结构9的中空部分的剖面形状为弧形和方形共同围成的“操场”形，且第一操场形结构11和第二操场形结构9正交垂直设置；所述第一操场形结构11的长边与热阴极丝4的走向一致；

热电子塑形结构1和加速电子聚焦结构2处于同一电位，都与X射线管的负高压连接。通过阴极丝电极柱13和隔离型热阴极丝电极柱7提供工作电压，对热阴极丝4加热，热阴极丝4受热产生热电子并向外发射，热电子塑形结构1吸收未经电场偏转的热电子，加速电子聚焦结构2将未经热电子塑形结构吸收的热电子聚焦，形成聚焦热电子束3；该聚焦电子束3在阴极光学结构的静电聚焦作用下飞向阳极靶5，聚焦热电子束3与阳极靶5通过轫致辐射作用产生X射线。所述X射线管采用阳极靶5接地，阴极接负高压的方式工作。

本发明提供的阴极光学的结构，且具有良好聚焦能力，特别适用于微型X射线管。采用这种阴极光学结构的微型X射线管，焦斑尺寸对热阴极丝的形状和长短不敏感，无论是采用螺旋丝还是直线丝，都能达到微焦斑的效果，为微型X射线管在太空应用或者力学条件恶劣的环境下应用提供了基础，同时也简化了阴极丝的研制难度和焊接难度。另外，本发明的阴极光学结构末端开放，相对于限束孔的阴极光学结构而言，热电子通过率更高；相同功耗的情况下，采用本发明的阴极光学结构产生的X射线的强度更大。

最后所应说明的是，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，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都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当中。

Claims (7)

1.一种微型微焦斑X射线管的阴极光学结构，其特征在于，该阴极光学结构安装在X射线管的阳极结构(12)上，并且与X射线管的阳极结构(12)密封焊接；

所述阴极光学结构包括：热电子塑形结构(1)、加速电子聚焦结构(2)、热阴极丝(4)、隔离型热阴极丝电极柱(7)和陶瓷垫片(8)；

加速电子聚焦结构(2)为中空圆柱体结构，中空圆柱体结构的中空部分的剖面形状为弧形和方形共同围成的“操场”形，且加速电子聚焦结构(2)为第一操场形结构(11)和第二操场形结构(9)一体成型的一体化结构；一体化的电子聚焦结构的上部设有第一操场形结构(11)，其下部设有第二操场形结构(9)；第一操场形结构(11)和第二操场形结构(9)呈正交垂直设置；

热电子塑形结构(1)安装在加速电子聚焦结构(2)的顶部上，热电子塑形结构(1)上固定有阴极丝电极柱(13)，热电子塑形结构(1)上开有圆孔(14)，且该圆孔(14)外增设陶瓷垫片(8)；隔离型热阴极丝电极柱(7)依次穿过开设在陶瓷垫片(8)上的圆孔和热电子塑形结构(1)上的圆孔(14)，并与热阴极丝(4)的一端固定连接，热阴极丝(4)的另一端固定连接在阴极丝电极柱(13)上。

2.根据权利要求1所述的微型微焦斑X射线管的阴极光学结构，其特征在于，所述热电子塑形结构(1)的中部开有电子抑制槽(10)；电子抑制槽(10)为哑铃形结构；其中，所述电子抑制槽(10)的深度为0.05-10mm，哑铃中段槽宽小于10mm。

3.根据权利要求1或2所述的微型微焦斑X射线管的阴极光学结构，其特征在于，所述热电子塑形结构(1)采用可伐钢材料制成。

4.根据权利要求1所述的微型微焦斑X射线管的阴极光学结构，其特征在于，所述热阴极丝(4)为采用发射电子的金属材料制成的螺旋结构，其螺旋直径小于1mm；或者所述热阴极丝(4)为采用发射电子的金属材料制成的线状结构。

5.根据权利要求1或4所述的微型微焦斑X射线管的阴极光学结构，其特征在于，所述热阴极丝(4)的一端通过点焊的方式固定连接到阴极丝电极柱(13)上，其另一端通过点焊的方式固定连接到隔离型热阴极丝电极柱(7)上。

6.根据权利要求1所述的微型微焦斑X射线管的阴极光学结构，其特征在于，所述热阴极丝(4)的下端面应靠近电子抑制槽(10)的上端面，或者平齐。

7.根据权利要求1所述的微型微焦斑X射线管的阴极光学结构，其特征在于，所述隔离型热阴极丝电极柱(7)通过陶瓷垫片(8)与热电子塑形结构(1)隔离，实现隔离型热阴极丝电极柱(7)与热电子塑形结构(1)绝缘。

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