CN110767524B - 一种自吸气式x射线发生装置及其用途 - Google Patents

一种自吸气式x射线发生装置及其用途 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自吸气式X射线发生装置及其用途，所述装置包括绝缘壳、阴极、阳极和栅极、至少一个吸附金属板和至少一个溅射金属板；阴极封装于绝缘壳内，用于释放电子；阳极封装于所述绝缘壳内，阳极包括靶体和靶面，阴极释放的电子与靶面碰撞而释放X射线；吸附金属板和溅射金属板平行设置，吸附金属板与其相邻的溅射金属板形成一组离子溅射结构，离子溅射结构的数目为至少一组，离子溅射结构位于阴极的至少一侧，吸附金属板和所述溅射金属板的平面方向与阴极释放电子的方向平行；栅极可设置在吸附金属板或溅射金属板上或单独设置。本发明通过引入离子溅射结构，实现在X射线管发射的同时实现对管内残余气体分子吸附，获得更佳的真空度。

Description

一种自吸气式X射线发生装置及其用途
技术领域
本发明用于X射线技术领域，涉及一种自吸气式X射线发生装置及其用途，可有效提升真空电子器件的真空度。
背景技术
X射线自被发现以来，已广泛应用于医学成像、工业检测、材料分析、安检等领域，在日常生活和工业生产中发挥着巨大作用。尽管获得X射线具有多种方式，但目前仍以在真空环境中加速电子束轰击阳极靶为最主要应用形式。在此过程中电子束需要在真空中飞行一定距离，从而实现电子束的发射、聚焦、加速，及其它束形处理。由于，X射线管的阳极高压一般在几十到几百千伏之间，在有限距离内实现阳极和阴极之间的电气绝缘，防止阳极和阴极之间真空放电是X射线管可以正常工作的基本前提。而X射线管内的真空度与上述要求密切相关，因此，保证X射线管生产过程中具有更高的真空度，并在后期维持可以有效维持，是射线管正常工作和长寿命的保障。
目前，X射线管的生产工艺相对成熟，具有完整的零件清洗、烧氢、排气、打靶和密封等完整工艺流程，一般射线管密封可以达到10-5Pa左右的初始真空度。但由于各种材料自身具有一定漏率和部件之间封接位置的微漏，使得密封后X射线管内部真空环境不断恶化。较差真空环境中的电子束一方面和气体分子碰撞，引起电子散射，影响成像质量；另一方面，会引起真空放电或打火，将阳极高压直接引到阴极部件，从而击毁射线管。
为实现X射线管长期稳定工作，目前在密封射线管结构中一般会添加吸气剂，维持真空；另外，也可采用开放式的X射线管结构，利用带有排气功能的真空分子泵或离子泵维持射线管内部的真空度，保证射线管的正常工作。但上述两种方法具有一定缺点：吸气剂对化学活性高的气体分子具有吸附效果，而对于氦(He)、氩(Ar)等惰性气体没有吸附能力，且存在掉粉和偶发性放气等弊端；开放式结构中的真空排气装置增加了射线管的体积和设计复杂性，且容易引进机械振动，影响射线管的成像效果，并增加了射线管的制造成本。
通过以上说明可以看出，在X射线管内部真空度维持方面，无论是采用吸气剂还是真空排气装置，均存在一定弊端。且近些年，随着冷阴极X射线管的出现，对其内部真空度提出更高的要求，使得X射线管的真空维持方面面临更多挑战。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种自吸气式X射线发生装置及其用途。本发明涉及的自吸气式X射线发生装置的结构示意图及机理示意图如图1所示。本发明主要解决密封X射线管在使用过程中的真空度保持难题，相对于现有X射线管结构，本发明通过在密封的管壳内部引入对气体分子具有普遍吸附效果的离子溅射结构，实现在X射线管发射的同时实现对管内残余气体分子吸附，获得更佳的真空度，提升X射线管内部真空环境，延长使用寿命。
为达上述目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种自吸气式X射线发生装置，包括绝缘壳、阴极、阳极和栅极，所述自吸气式X射线发生装置还包括至少一个吸附金属板和至少一个溅射金属板；
所述阴极封装于所述绝缘壳内，用于释放电子；
所述阳极封装于所述绝缘壳内，所述阳极包括靶体和靶面；
阴极释放的电子与所述阳极碰撞而释放X射线；
所述吸附金属板和所述溅射金属板平行设置，所述吸附金属板与其相邻的溅射金属板形成一组离子溅射结构，所述离子溅射结构的数目为至少一组，所述离子溅射结构位于阴极的至少一侧，所述吸附金属板和所述溅射金属板的平面方向与阴极释放电子的方向平行；
所述栅极可设置在吸附金属板或溅射金属板上，或单独设置。
本发明的自吸气式X射线发生装置中，所述“离子溅射结构位于阴极的至少一侧”指：可以是离子溅射结构位于阴极的一侧，也可以是离子溅射结构同时位于阴极的两侧。
本发明提供的自吸气式X射线发生装置可有效提升真空电子器件的真空度，所述自吸式X射线发生装置(例如自吸气式密封X射线管)中，对内部自吸附过程如下：①当X射线发生装置正常工作时，阴极(例如灯丝)发射电流在栅极电压和阳极高压作用下，加速飞向阳极的靶面；②电子在高速飞行过程中与管内残余气体分子(例如空气分子、Ar等)发生碰撞，碰撞几率与残余气体浓度正相关；③由于射线管的阳极电压高达几十到几百千伏，高速电子与气体分子碰撞后会将气体分子电离；④带正电的气体离子在强电场作用下，向低电位的溅射金属板方向加速运动；⑤正离子与溅射金属板发生掠入射碰撞，溅射出高活性金属原子(例如Ti原子)；⑥该金属原子与气体离子在吸附金属板上发生反应生长化合物，而不易反应的气体离子会随着溅射不断进行而被逐层填埋入吸附金属板表面，从而实现X射线管内部高真空状态维持。
本发明所述自吸式X射线发生装置工作过程中，正离子与溅射金属板的平面接近平行。
本发明中，所述残余气体分子主要是残余空气分子，包括氮气、氧气、稀有气体分子及二氧化碳分子等，其主要来源包括在X射线管封装排气过程中的残余气体、封接完成后从大气环境向真空部件内部的渗漏和真空部件自身的放气等。残余气体分子在射线管内形成的真空压强一般在10-4Pa及以下。
本发明通过分析研究现有X射线发生装置(例如自吸气式密封X射线管)在使用过程中真空维持难题及现有技术弊端，提出一种新型的自吸气式X射线发生装置，通过在X射线管内部增加溅射金属板和吸附金属板的方法，合理利用X射线发生装置(例如自吸气式密封X射线管)现有电源配置，设计出在X射线发生装置(X射线管)正常工作同时，可以实现对残余气体的自动吸附的新型结构，实现对射线管内部高真空度维持。
以下作为本发明优选的技术方案，但不作为对本发明提供的技术方案的限制，通过以下优选的技术方案，可以更好的达到和实现本发明的技术目的和有益效果。
位于阴极同侧的吸附金属板和溅射金属板满足如下条件：吸附金属板和溅射金属板平行交替设置，形成至少两组离子溅射结构。以位于阴极右侧的依次平行交替设置的吸附金属板、溅射金属板、吸附金属板为例，由于溅射金属板与两侧的吸附金属板均构成一个离子溅射结构，故这3个板形成了两组离子溅射结构。
优选地，所述离子溅射结构中，吸附金属板与所述溅射金属板相互间隔排列，离子溅射结构的数目可在1-10之间，例如1、2、3、4、5、6、7、8或10等。但并不限于上述范围，本领域技术人员可以根据X射线发生装置的尺寸(例如根据X射线管的尺寸)进行选择。
举例说明，离子溅射结构具体由吸附金属板、溅射金属板、吸附金属板和溅射金属板构成，则形成的离子溅射结构的数目为3，可以认为周期数目为3，也即3自离子溅射结构。
优选地，所述离子溅射结构中，相邻的吸附金属板距离与溅射金属板的距离为0.5-5mm之间，例如0.5mm、0.6mm、0.8mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm或5mm等。相邻的吸附金属板距离与溅射金属板的距离(也可以认为单一周期中的板间距)越大金属原子吸附气体离子的几率越大。
优选地，所述栅极位于靠近阴极一侧的吸附金属板或溅射金属板上。
优选地，所述栅极连接有引线。
本发明所述绝缘壳的材质包括玻璃、陶瓷、金属-陶瓷复合材料或三氧化二铝等高效电气绝缘材质，但不限于上述列举的材质，其他本领域常用的可达到相同效果的电气绝缘材质也可用于本发明。
本发明所述阴极既可以是热阴极，也可以是冷阴极。所述热阴极例如灯丝(比如钨丝)。
优选地，所述阴极连接有引线，例如可以是：灯丝连接双极引线，作用是通过双极引线加热顶端灯丝(钨丝)到高温状态(通常超过1000摄氏度)获得电子发射。还可以是：冷阴极连接引线，作用是通过场致电子发射过程，栅极电压作用下，实现冷阴极材料的电子向真空中隧穿发射来获得电子束。
可用于冷阴极电子发射材料主要包括：碳纳米管、石墨烯、六硼化镧、金刚石、类金刚石薄膜、氧化锌、二氧化钛、钨针尖和硅针尖等。
优选地，所述阳极的靶体既可以是反射式阳极靶，也可以是透射式阳极靶。
作为本发明所述自吸气式X射线发生装置的优选技术方案，所述自吸气式X射线发生装置还包括至少一个聚焦极，所述至少一个聚焦极位于电子传输路径上，以对经过的电子束进行聚焦、束形。
优选地，采用双静电聚焦电极结构实现微焦斑X射线输出，其中，阴极与栅极距离在0.5-1.0mm之间，例如0.5mm、0.8mm或1.0mm等，栅极与第一静电聚焦的距离在1.0-5.0mm之间，例如1.0mm、2.0mm、2.5mm、3.0mm、4.0mm或5.0mm等，第一、二静电聚焦极之间距离在1.0-10.0mm之间，例如1.0mm、2.0mm、3.0mm、5.0mm、7.0mm、8.0mm或10.0mm等。
优选地，所述绝缘壳上设置有X射线窗，用于X射线的输出。
优选地，所述溅射金属板的材质包括钛、锆、铪、钼、钨、钯、铑或铬的金属单质或至少两种的金属合金，优选高活性的钛金属及其合金。
优选地，所述吸附金属板的材质包括高熔点、低挥发性的不锈钢、钨、钼等金属，或者，石墨或碳纤维材料中的任意一种，优选不锈钢。
本发明的自吸气式X射线发生装置中，所述吸附金属板和溅射金属板的结构独立地选自平板结构、网状结构或三维立体的栅格结构。
本发明的自吸气式X射线发生装置中，吸附金属板的电位可与除阳极外的任何电极(例如阴极、栅极)的电位相同或共用引线，吸附金属板也可以单独设置引线和电位，不影响吸气过程。
本发明的自吸气式X射线发生装置中，溅射金属板的电位可与除阳极外的任何电极(例如阴极、栅极)的电位相同或共用引线，溅射金属板也可以单独设置引线和电位，不影响吸气过程。
优选地，通过将栅极、吸附金属板和溅射金属板各部分共电位，可以最大限度保证与常规X射线管工作电源相匹配。
本发明提出一种自吸气式密封X射线管结构，其在合理利用射线管已有的电极和高压电源条件下，利用电子和残余气体分子碰撞，生成阳离子；在强电场作用下，阳离子高速与低电位吸附电极碰撞，溅射出活性金属原子将气体分子阳离子进行反应和包覆，维持射线管的高真空度。该过程伴随X射线管正常工作而自动发生，在射线管内部实现残余气体分子的自吸附，简便易行，无需额外电气配置、成本低廉。
第二方面，本发明提供如第一方面所述的自吸气式X射线发生装置的用途，所述自吸气式X射线发生装置可用于真空电子器件或装置，包括但不限于X射线管、脉冲X射线管、离子源、电子加速器或电子显微镜中等。
所述离子源可以是氩离子源、氧离子源等。
与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)相对于传统采用气体吸附剂的方法，本发明可以有效实现对惰性气体吸附，且可以避免吸气剂掉粉和偶发性放气等问题。
(2)相对于采用真空泵维持的开放式X射线管结构，本发明可以消除真空泵的机械振动，提高成像质量，并简化射线管的整体结构设计，降低成本。
(3)本发明的自吸气式X射线发生装置可以实现合理利用X射线发生装置(例如自吸气式密封X射线管)的现有电极结构，采用吸附金属板与X射线发生装置(例如自吸气式密封X射线管)固有电极共用的办法，无需增添额外电极设置，结构简便。
(4)本发明涉及的自吸气式X射线发生装置，除可用于X射线管外，也可广泛用于其它类似真空电子结构和装置，包括离子源、电子加速器或各种电子显微镜等，用途广泛。
附图说明
图1本发明涉及的自吸气式密封X射线管结构示意图及机理示意图；
图2实施例1用于热阴极的自吸气式密封X射线管结构示意图；
图3实施例2用于冷阴极的自吸气式密封X射线管结构示意图；
图4实施例3用于自吸附式的冷阴极透射靶微焦点X射线管结构示意图；
其中，1-阳极，2-靶面，3-X射线窗，4-绝缘壳，5-吸附金属板，6-溅射金属板，7-栅极与吸附金属板共用的引线，8-阴极，9-栅极，10-聚焦极。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
本实施例提供一种用于热阴极的自吸气式密封X射线管结构，其结构示意图如图2所示，主要包括：阳极1，靶面2，X射线窗3，绝缘壳4，吸附金属板5，溅射金属板6，栅极与吸附金属板共用的引线7，阴极8，栅极9。
其中，所述阴极8为灯丝，封装于所述绝缘壳4内，用于释放电子；
所述阳极1封装于所述绝缘壳4内，所述阳极1包括靶体和靶面2，所述阳极1通过与从所述阴极8释放的电子碰撞而释放X射线；
所述吸附金属板5的个数为四个，所述溅射金属板6的个数为两个，所述阴极8的两侧分别有两组离子溅射结构，具体地，两组离子溅射结构是通过依次平行设置的吸附金属板5、溅射金属板6和溅射金属板6构成的，所述吸附金属板5和溅射金属板6的平面与阴极8释放电子的方向平行；
所述栅极9的个数为两个，相对设置在靠近阴极8的溅射金属板6上；
所述灯丝上设置有双极引线，灯丝及双极引线是为获得真空电子发射而设置的；
本实施例所述阳极1为反射式阳极靶；
所述吸附金属板和栅极共用引线7；
所述灯丝为钨丝，所述绝缘壳4的材质为陶瓷，所述溅射金属板6的材质为钛金属，所述吸附金属板5的材质为不锈钢。
实施例2
本实施例提供一种用于冷阴极的自吸气式密封X射线管结构，其结构示意图如图3所示，主要包括：阳极1，靶面2，X射线窗3，绝缘壳4，吸附金属板5，溅射金属板6，栅极与吸附金属板共用的引线7，阴极8，栅极9。
其中，所述阴极8为冷阴极，封装于所述绝缘壳4内，用于释放电子；
所述阳极1封装于所述绝缘壳4内，所述阳极1包括靶体和靶面2，所述阳极1通过与从所述阴极8释放的电子碰撞而释放X射线；
所述吸附金属板5的个数为四个，所述溅射金属板6的个数为两个，所述阴极8的两侧分别有两组离子溅射结构，具体地，两组离子溅射结构是通过依次平行设置的吸附金属板5、溅射金属板6和吸附金属板5构成的，所述吸附金属板5和溅射金属板6的平面方向与阴极8释放电子的方向平行；
所述栅极9的个数为两个，相对设置在靠近阴极8的溅射金属板6上；
本实施例所述阳极1为透射式阳极靶；
所述冷阴极上设置有引线，作用是通过场致电子发射过程，栅极电压作用下，实现冷阴极材料的电子向真空中隧穿发射来获得电子束；
所述吸附金属板5和栅极9共用引线7；
所述绝缘壳4的材质为玻璃，所述溅射金属板6的材质为钼金属，所述吸附金属板5的材质为石墨。
实施例3
本实施例提供一种用于自吸附式的冷阴极透射靶微焦点X射线管，其结构示意图如图4所示，主要包括：阳极1，靶面2，X射线窗3，绝缘壳4，吸附金属板5，溅射金属板6，栅极与吸附金属板共用的引线7，冷阴极及引线8，栅极9，聚焦极10。
本实施例所述阳极为透射式阳极靶。
本实施例与实施例2在结构上的区别在于：本实施例的X射线管还包括两个聚焦极10，且这两个聚焦极10位于电子传输路径上，作用是对电子束进行汇聚。
通过调节不同汇聚极结构和参数，可在靶面上现实微焦斑电子束(小于100微米)，电子束轰击透射式阳极靶面获得X射线的宽角度输出，角度可达160℃。
实施例4
除了在阴极8的两侧分别设置四组离子溅射结构，具体地，四组离子溅射结构是依次平行设置的吸附金属板5、溅射金属板6、吸附金属板5、溅射金属板6和吸附金属板5构成的外，其他结构与实施例1相同。
实施例5
除了一侧为两组离子溅射结构(与实施例1的离子溅射结构相同)，另一侧为四组离子溅射结构(与实施例4中的离子溅射结构相同)外，其他结构与实施例1相同。
实施例6
本实施例提供如实施例1所述的X射线管的使用方法，所述方法包括：
通过双极引线加热顶端钨丝获得电子发射，并通过栅极9和阳极1将电子束引向阳极靶面2获得X射线输出，从X射线窗3输出，电子在高速飞行过程中与管内残余气体分子发生碰撞，将气体分子电离，带正电的气体离子在强电场作用下，向低电位的溅射金属板6方向加速运动，正离子与溅射金属板6发生掠入射碰撞，溅射出高活性的钛原子；钛原子与气体离子在吸附金属板上发生反应生长化合物，而不易反应的气体离子会随着溅射不断进行而被逐层填埋入吸附金属板表面，从而实现X射线管内部高真空状态维持。
所述自吸式X射线发生装置工作过程中，正离子与溅射金属板的平面接近平行，形成掠入射。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (25)

1.一种自吸气式X射线发生装置，包括绝缘壳、阴极、阳极和栅极，其特征在于，所述自吸气式X射线发生装置还包括至少一个吸附金属板和至少一个溅射金属板；
所述阴极封装于所述绝缘壳内，用于释放电子；
所述阳极封装于所述绝缘壳内，所述阳极包括靶体和靶面；
阴极释放的电子与所述阳极靶面碰撞而释放X射线；
所述吸附金属板和所述溅射金属板平行设置，所述吸附金属板与其相邻的溅射金属板形成一组离子溅射结构，所述离子溅射结构的数目为至少一组，所述离子溅射结构位于阴极的至少一侧，所述吸附金属板和所述溅射金属板的平面方向与阴极释放电子的方向平行；
所述栅极设置在吸附金属板或溅射金属板上，或单独设置。
2.根据权利要求1所述的自吸气式X射线发生装置，其特征在于，位于阴极同侧的吸附金属板和溅射金属板满足如下条件：吸附金属板和溅射金属板平行交替设置，形成至少两组离子溅射结构。
3.根据权利要求1所述的自吸气式X射线发生装置，其特征在于，所述离子溅射结构中，吸附金属板与所述溅射金属板相互间隔排列，离子溅射结构的数目在1-10之间。
4.根据权利要求1所述的自吸气式X射线发生装置，其特征在于，所述离子溅射结构中，相邻的吸附金属板距离与溅射金属板的距离为0.5-5mm之间。
5.根据权利要求1所述的自吸气式X射线发生装置，其特征在于，所述栅极位于靠近阴极一侧的吸附金属板或溅射金属板上。
6.根据权利要求1所述的自吸气式X射线发生装置，其特征在于，所述栅极连接有引线。
7.根据权利要求1所述的自吸气式X射线发生装置，其特征在于，所述绝缘壳的材质包括玻璃、陶瓷、金属-陶瓷复合材料或三氧化二铝中的任意一种。
8.根据权利要求1所述的自吸气式X射线发生装置，其特征在于，所述阴极包括热阴极或冷阴极。
9.根据权利要求8所述的自吸气式X射线发生装置，其特征在于，所述热阴极包括灯丝。
10.根据权利要求1所述的自吸气式X射线发生装置，其特征在于，所述阴极连接有引线。
11.根据权利要求1所述的自吸气式X射线发生装置，其特征在于，所述阳极的靶体包括反射式阳极靶或透射式阳极靶。
12.根据权利要求1所述的自吸气式X射线发生装置，其特征在于，所述自吸气式X射线发生装置还包括至少一个聚焦极，所述至少一个聚焦极位于电子传输路径上，以对经过的电子束进行聚焦、束形。
13.根据权利要求1所述的自吸气式X射线发生装置，其特征在于，所述自吸气式X射线发生装置还包括双静电聚焦电极结构，所述双静电聚焦电极结构位于电子传输路径上，用于实现微焦斑X射线输出，所述双静电聚焦电极结构包括第一静电聚焦极和第二静电聚焦极，其中，阴极与栅极距离在0.5-1.0mm之间，所述栅极与所述第一静电聚焦极的距离在1.0-5.0mm之间，所述第一静电聚焦极和所述第二静电聚焦极之间距离在1.0-10.0mm之间。
14.根据权利要求1所述的自吸气式X射线发生装置，其特征在于，所述绝缘壳上设置有X射线窗，用于X射线的输出。
15.根据权利要求1所述的自吸气式X射线发生装置，其特征在于，所述溅射金属板的材质包括钛、锆、铪、钼、钨、钯、铑或铬的金属单质或上述至少两种的金属合金。
16.根据权利要求1所述的自吸气式X射线发生装置，其特征在于，所述溅射金属板的材质为钛金属及钛合金。
17.根据权利要求1所述的自吸气式X射线发生装置，其特征在于，所述吸附金属板的材质包括不锈钢、钨、钼、石墨或碳纤维材料中的任意一种。
18.根据权利要求1所述的自吸气式X射线发生装置，其特征在于，所述吸附金属板的材质为不锈钢。
19.根据权利要求1所述的自吸气式X射线发生装置，其特征在于，所述吸附金属板和溅射金属板的结构独立地选自平板结构、网状结构或三维立体的栅格结构。
20.根据权利要求1所述的自吸气式X射线发生装置，其特征在于，所述吸附金属板的电位与除阳极外的任何电极的电位相同或不同。
21.根据权利要求1所述的自吸气式X射线发生装置，其特征在于，所述吸附金属板单独设置引线，或与除阳极外的任何电极共用引线。
22.根据权利要求1所述的自吸气式X射线发生装置，其特征在于，所述溅射金属板的电位与除阳极外的任何电极的电位相同或不同。
23.根据权利要求1所述的自吸气式X射线发生装置，其特征在于，所述溅射金属板单独设置引线，或与除阳极外的任何电极共用引线。
24.如权利要求1-23任一项所述的自吸气式X射线发生装置的用途，其特征在于，所述自吸气式X射线发生装置用于X射线管、离子源、电子加速器或电子显微镜中的任意一种。
25.根据权利要求24所述的自吸气式X射线发生装置的用途，其特征在于，所述X射线管包括热阴极X射线管或冷阴极X射线管。
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