CN117038419A - 一种碳纳米管冷阴极微焦点x射线管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种碳纳米管冷阴极微焦点X射线管，涉及真空微纳电子技术领域，包括壳体、在壳体内部由下至上依次设置的阴极电子发射部分、栅极结构、聚焦极和阳极以及在壳体上设置的射线出射窗口；其中，阴极电子发射部分、栅极结构、聚焦极、阳极和射线出射窗口的中心均在一条直线上；栅极结构采用六边形蜂窝结构，通过控制变量法改变六边形蜂窝结构中各六边形的边长、厚度及宽度，使栅极结构在正电压的作用下，与阴极电子发射部分之间形成均匀电场；聚焦极采用曲面状结构，曲面状结构与电子被聚焦时的运动轨迹相吻合。本发明结构简单且聚焦效果优良，电流大，焦斑尺寸更小。
Description
技术领域
本发明涉及真空微纳电子技术领域，特别是涉及一种碳纳米管冷阴极微焦点X射线管。
背景技术
自伦琴发现X射线以来，X射线广泛应用于工业检测、医疗、安检等领域。随着现代科技的发展，半导体等行业器件的集成度越来越高，同时食品药品领域蛋白质及细胞都在微米级别，常规X射线源也满足不了应用研究的需要，因此高分辨率的微焦点X射线管的研制迫在眉睫。
热阴极X射线管通过加热阴极灯丝产生电子，电子在阳极高压的作用下加速轰击阳极靶产生X射线。目前焦斑尺寸小于100μm的热阴极X射线管已经得到广泛的使用，然而热阴极存在启动慢、功耗高、寿命短等缺点，限制了其进一步发展。冷阴极X射线管采用场致电子发射原理，在电场的作用下电子通过隧穿从材料表面发射出来，具有室温发射、启动快、易实现小型化等优点。因此，微焦斑冷阴极X射线管(冷阴极微焦点X射线管)成为研究热点。
在目前研究的冷阴极X射线管结构中，往往是通过栅极与阴极之间的电场使电子发射出来，通过栅极孔到达阳极表面。如果大量电子被栅极所俘获，会导致电流变小，栅极发生畸变等，从而影响X射线管的发射电流。因此为获得较高的电流，需要提高栅极的电子透过率。同时，目前较常用的微焦斑X射线管结构是通过多级聚焦结构对电子束进行聚焦(如发明专利CN115767864A、实用新型专利CN204885080U)，一般结构复杂、体积大、价格昂贵，不能应用于小型化、便携式X射线检测设备中。基于此，本领域亟需一种结构简单且聚焦效果优良的大电流、微焦斑冷阴极X射线管。
发明内容
本发明的目的是提供一种碳纳米管冷阴极微焦点X射线管，结构简单且聚焦效果优良，电流大，焦斑尺寸更小。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种碳纳米管冷阴极微焦点X射线管，所述碳纳米管冷阴极微焦点X射线管包括壳体、在所述壳体内部由下至上依次设置的阴极电子发射部分、栅极结构、聚焦极和阳极以及在所述壳体上设置的射线出射窗口；其中，所述阴极电子发射部分、所述栅极结构、所述聚焦极、所述阳极和所述射线出射窗口的中心均在一条直线上；
所述栅极结构采用六边形蜂窝结构，通过控制变量法改变所述六边形蜂窝结构中各六边形的边长、厚度及宽度，使所述栅极结构在正电压的作用下，与所述阴极电子发射部分之间形成均匀电场，所述阴极电子发射部分在所述均匀电场的作用下发射电子，所述阴极电子发射部分发射的电子穿过所述栅极结构向所述聚焦极运动；
所述聚焦极采用曲面状结构，所述曲面状结构与电子被聚焦时的运动轨迹相吻合；所述聚焦极用于在第一电压的作用下，使通过所述聚焦极的电子受到均匀的电场作用被聚焦，轰击在所述阳极的表面；
施加在所述阳极的第二电压用于对所述阴极电子发射部分发射的电子从发射开始进行加速，直至轰击到所述阳极上产生X射线；
所述射线出射窗口用于出射所述X射线。
可选地，所述阴极电子发射部分包括阴极底座、固定在所述阴极底座上的阴极基底以及设置于所述阴极基底上的点阵化的碳纳米管冷阴极发射材料；
所述点阵化的碳纳米管冷阴极发射材料作为所述碳纳米管冷阴极微焦点X射线管的电子源，在所述均匀电场的作用下发射电子。
可选地，所述阴极基底为硅基底或不锈钢基底。
可选地，所述碳纳米管冷阴极微焦点X射线管还包括第一电极引线；
所述第一电极引线的一端与所述阴极基底连接，所述第一电极引线的另一端接地或者接到0电位；所述阴极基底通过所述第一电极引线引出壳体外。
可选地，所述碳纳米管冷阴极微焦点X射线管还包括第二电极引线；
所述第二电极引线的一端与所述栅极结构连接，所述第二电极引线的另一端施加所述正电压；所述栅极结构通过所述第二电极引线引出壳体外；所述第二电极引线用于给所述栅极结构施加所述正电压。
可选地，所述碳纳米管冷阴极微焦点X射线管还包括第三电极引线和第四电极引线；
所述聚焦极分别与所述第三电极引线的一端和所述第四电极引线的一端连接，所述第一电压通过所述第三电极引线的另一端或所述第四电极引线的另一端施加；所述聚焦极通过所述第三电极引线和所述第四电极引线引出壳体外。
可选地，所述碳纳米管冷阴极微焦点X射线管还包括第五电极引线；
所述第五电极引线的一端与所述阳极连接，所述第五电极引线的另一端施加所述第二电压；所述阳极通过所述第五电极引线引出壳体外；所述第五电极引线用于给所述阳极施加所述第二电压。
可选地，所述阳极的材料使用钨或者钼。
可选地，所述第二电压的电压值范围为60kV～160kV。
可选地，所述射线出射窗口的材料为铍。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开的碳纳米管冷阴极微焦点X射线管，栅极结构采用六边形蜂窝结构，蜂窝状栅极在物理透过率方面更具有优势，因而电流更大，通过控制变量法改变六边形蜂窝结构中各六边形的边长、厚度及宽度，选择一个合适的参数，使电子的透过率最大，从而获得大电流，在保证栅极本身的结构强度的条件下可优化栅极，使优化后的栅极在正电压的作用下，与阴极电子发射部分之间形成均匀电场，从而使得阴极表面的电场更加均匀；聚焦极采用曲面状结构使得X射线管整体结构更简单，尺寸更小，制作更方便，曲面状结构与电子束被聚焦时的运动轨迹相吻合，因此在电子束穿过聚焦极的过程中，电子与聚焦极的距离变化不大，因此电子所受的电场可视为均匀电场，聚焦效果优良，焦斑尺寸更小。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明碳纳米管冷阴极微焦点X射线管的结构示意图；
图2为本发明栅极结构示意图；
图3为本发明曲面状聚焦极结构示意图；
符号说明：
1-阴极基底、2-点阵化的碳纳米管冷阴极发射材料、3-栅极结构、4-聚焦极、5-阳极、6-射线出射窗口、7-壳体、8-第一电极引线、9-第二电极引线、101-第三电极引线、102-第四电极引线、11-第五电极引线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种碳纳米管冷阴极微焦点X射线管，结构简单且聚焦效果优良，电流大，焦斑尺寸更小。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明碳纳米管冷阴极微焦点X射线管的结构如图1所示，参见图1，本发明碳纳米管冷阴极微焦点X射线管包括壳体7、在壳体7内部由下至上依次设置的阴极电子发射部分、栅极结构3、聚焦极4和阳极5以及在壳体7上设置的射线出射窗口6；其中，阴极电子发射部分、栅极结构3、聚焦极4、阳极5和射线出射窗口6的中心均在一条直线上。
栅极结构3采用六边形蜂窝结构，通过控制变量法改变六边形蜂窝结构中各六边形的边长、厚度及宽度，使栅极结构3在正电压的作用下，与阴极电子发射部分之间形成均匀电场，阴极电子发射部分在均匀电场的作用下发射电子，阴极电子发射部分发射的电子穿过栅极结构3向聚焦极4运动。
聚焦极4采用曲面状结构，曲面状结构与电子被聚焦时的运动轨迹相吻合；聚焦极4用于在第一电压的作用下，使通过聚焦极4的电子受到均匀的电场作用被聚焦，轰击在阳极5的表面。
施加在阳极5的第二电压用于对阴极电子发射部分发射的电子从发射开始进行加速，直至轰击到阳极5上产生X射线。
射线出射窗口6用于出射X射线。
其中，阴极电子发射部分包括阴极底座(图中未示出)、固定在阴极底座上的阴极基底1以及设置于阴极基底1上的点阵化的碳纳米管冷阴极发射材料2。
点阵化的碳纳米管冷阴极发射材料2作为碳纳米管冷阴极微焦点X射线管的电子源，在均匀电场的作用下发射电子。
阴极基底1为硅基底或不锈钢基底。
具体的，本发明碳纳米管冷阴极微焦点X射线管还包括第一电极引线8、第二电极引线9、第三电极引线101、第四电极引线102和第五电极引线11。
第一电极引线8的一端与阴极基底1连接，第一电极引线8的另一端接地或者接到0电位；阴极基底1通过第一电极引线8引出壳体外。
第二电极引线9的一端与栅极结构3连接，第二电极引线9的另一端施加正电压；栅极结构3通过第二电极引线9引出壳体外；第二电极引线9用于给栅极结构3施加正电压。
聚焦极4分别与第三电极引线101的一端和第四电极引线102的一端连接，第一电压通过第三电极引线101的另一端或第四电极引线102的另一端施加；聚焦极4通过第三电极引线101和第四电极引线102引出壳体外。
第五电极引线11的一端与阳极5连接，第五电极引线11的另一端施加第二电压；阳极5通过第五电极引线11引出壳体外；第五电极引线11用于给阳极5施加第二电压。第二电压的电压值范围为60kV～120kV。第二电压(阳极电压)的作用是使阴极电子发射部分发射的电子(阴极发射的电子)从刚发射出来就加速，直至轰击到阳极靶，电子在加速的过程中依次经过栅极结构3、聚焦极4。
阳极5的材料使用钨或者钼。射线出射窗口6的材料为铍。
下面以一个具体实施例说明本发明的技术方案：
本发明碳纳米管冷阴极微焦点X射线管为一种带有曲面状聚焦结构的大电流、微焦斑冷阴极X射线管，图1示出了本发明结构装置整体示意图，具体为剖面图。本发明大电流、微焦斑(微焦点)冷阴极X射线管的结构如图1所示，包括阴极电子发射部分、聚焦极4、阳极5、壳体7及射线出射窗口6。其中阴极电子发射部分包含阴极基底1，根据其特性，阴极基底1可选择为硅基底、不锈钢基底等。阴极基底1固定在阴极底座上，并通过引出第一电极引线8引出壳体外侧。点阵化的碳纳米管冷阴极发射材料2用来作为X射线管的电子源。冷阴极材料的变化不会对本发明的实施造成影响。栅极结构(栅极)3通过第二电极引线9引出壳体外，利用场致电子发射原理，通过第二电极引线9给栅极施加正电压，与阴极之间形成电场使阴极表面电子发射，即对栅极施加一定的电压Vg，在阴极表面形成电场，阵列化碳纳米管(点阵化的碳纳米管冷阴极发射材料)在电场的作用下发射电子。栅极与阴极之间的距离(间距)设置为0.2mm。通过点焊工艺，将栅极焊接安装，栅极与阴极之间通过绝缘垫片(如陶瓷垫片)进行分离(隔离)。聚焦极4通过第三电极引线101和第四电极引线102引出壳体外，通过第三电极引线101或第四电极引线102给聚焦极4施加电压，使通过聚焦极4的电子被聚焦，轰击在阳极5表面。聚焦极的材料为铜或者不锈钢。阳极5作为透射阳极，阳极材料可使用钨或者钼。通过第五电极引线11在阳极5上施加高电压(数万伏高压，如7万伏)，电压值范围为60kV到120kV。聚焦后的高能电子束在阳极5电压的作用下加速轰击在阳极5上，产生X射线。阳极材料采用钨靶或者钼靶，以用于不同应用场景中。阳极5的作用是加速电子，使电子获得更高的能量轰击在阳极5上从而产生高能量的X射线，产生的X射线穿过出射窗口(射线出射窗口)对样品进行成像检测。壳体7作为保护壳，内部为真空状态。出射窗(射线出射窗口)6为X射线出射窗口，其材料为铍，采用铍窗作为出射窗口，以减小窗口材料对X射线的阻挡作用。所有结构在组装前都已通过严格的清洗、除气，以保证X射线管的正常工作。
本发明与以往技术相比，其性能在两个方面得到了提高：
1、栅极采用蜂窝状结构(六边形蜂窝结构)，材料为金属钼，图2所示为栅极的结构示意图，在栅极施加电压，使电子从阴极发射出来。通过优化栅极结构中栅丝的厚度和栅丝的宽度，使阴极表面的电场更加均匀，从而使得发射电子数量增加，减小的栅丝宽度和厚度也使得电子的透过率增加(模拟仿真结果表明，栅丝宽度减小能够使打到栅极的电子数量减小，厚度的减小则是降低了电子穿过栅极时的捕获率，因此减小的栅丝宽度和厚度增加了电子透过率)。
从物理构造方面讲，蜂窝状栅极与方格结构的栅极相比，在同等边长、厚度及栅丝宽度下，蜂窝状栅极的孔径面积更大，因此在物理透过率方面蜂窝状栅极更具有优势，也更适合用于器件结构中。
其中，优化是指通过控制变量法改变栅极的栅丝边长、厚度及宽度，选择一个合适的参数，使电子的透过率最大。栅极的栅丝会在阴极表面形成电场，边长增加会使得栅极实体面积减小，孔面积增加，阴极表面的电场不均匀。其次栅丝的厚度和宽度也影响着栅极的物理强度，优化后的栅极不容易发生畸变，从而使得阴极表面的电场更加均匀。
优化栅极的栅丝厚度和宽度，改变阵列化碳纳米管表面的电场均匀性，可以提高电子发射率及栅极的电子通过率。该实施例中栅极的栅丝厚度与宽度分别为30μm和20μm。
栅极的性能主要是通过电子透过率来评价，目前的栅极电子透过率较低，而本发明的栅极是在保证栅极本身的结构强度的条件下进行优化。
2、采用曲面状聚焦极结构(即聚焦极采用曲面状结构)，图3所示为本发明聚焦极的结构示意图，通过在聚焦极施加电压，使通过聚焦极的电子在聚焦的过程中受到均匀电场的作用，与传统单聚焦极结构相比电子束缩小比例进一步提高。同时，相比于现有多级聚焦结构，本发明曲面状聚焦极结构使得X射线管整体结构更简单，尺寸更小，制作更方便。
本发明的曲面状聚焦极所采用的曲面结构与电子束被聚焦时的运动轨迹相吻合，因此在电子束穿过聚焦结构的过程中，电子与聚焦结构的距离变化不大，因此电子所受的电场可视为均匀电场。而在传统的单聚焦极结构中，随着电子的聚焦，电子与聚焦极侧壁的距离越来越大，电场越来越小。由于电子束聚焦过程中受均匀电场的作用，电子在电场力的作用下会进一步聚焦，而传统单聚焦极在电子聚焦时电子受到的电场力会越来越小，因此本发明与传统单聚焦极结构相比，电子束缩小比例进一步提高。
目前现有聚焦极有多级聚焦极和单聚焦极，多级聚焦极采用多个聚焦极结构，单聚焦极采用一个聚焦结构，本发明也是采用一个聚焦结构(单聚焦极结构)，但是聚焦极本身结构不同，图3所示结构是图1中聚焦极的放大图，图1中聚焦极是图3的一个缩略图，本发明大电流、微焦斑冷阴极X射线管中聚焦极只有一个，电极引线有两个只是为了表示接入相同的电压，将聚焦极两个电极引线连接到一起后施加电压Vf，或者将其中一个电极悬空，另外一个施加电压Vf，对通过聚焦极的电子束聚焦，通过调节聚焦极电压Vf的大小使电子束聚焦成一个小的束斑，本发明采用曲面状聚焦结构，传统的单聚焦结构大多采用环状。本发明聚焦极采用曲面状结构，使通过聚焦极的电子束受到均匀的电场作用，使得电子束焦斑更小。
针对目前现有X射线管存在的问题，本发明提出一种结构简单的大电流、微焦斑冷阴极X射线管，X射线管结构包括阴极(阴极基底1，阵列化碳纳米管2)，栅极，聚焦极，阳极，出射窗及壳体；其中阴极、栅极、聚焦极、阳极均固定装配于密封的壳体内部，壳体内部为真空环境；X射线管工作前需进行烘烤除气，以保证X射线管正常工作；利用该结构栅极电子通过率可达到75％以上，本发明采用曲面状聚焦结构作为聚焦极，结构简单，聚焦效果优良，焦斑尺寸缩小为阴极发射面积的7倍左右。
本发明大电流、微焦斑冷阴极X射线管阴极采用微纳加工工艺与传统生长方法(如化学气相沉积)相结合的方法，在基底(阴极基底)上制备阵列化碳纳米管，通过调节催化剂颗粒尺寸、碳纳米管的生长速率等因素，控制碳纳米管的生长形貌。同时优化点阵间距及单个像素的尺寸，获得发射性能优良的碳纳米管阴极。在装配前，对阴极(阴极基底1，阵列化碳纳米管2)在动态真空腔中进行老化处理，使其具有更稳定的发射特性，然后进行装配。装配后通过第一电极引线8接地或者接到0电位。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种碳纳米管冷阴极微焦点X射线管，其特征在于，所述碳纳米管冷阴极微焦点X射线管包括壳体、在所述壳体内部由下至上依次设置的阴极电子发射部分、栅极结构、聚焦极和阳极以及在所述壳体上设置的射线出射窗口；其中，所述阴极电子发射部分、所述栅极结构、所述聚焦极、所述阳极和所述射线出射窗口的中心均在一条直线上；
所述栅极结构采用六边形蜂窝结构，通过控制变量法改变所述六边形蜂窝结构中各六边形的边长、厚度及宽度，使所述栅极结构在正电压的作用下，与所述阴极电子发射部分之间形成均匀电场，所述阴极电子发射部分在所述均匀电场的作用下发射电子，所述阴极电子发射部分发射的电子穿过所述栅极结构向所述聚焦极运动；
所述聚焦极采用曲面状结构，所述曲面状结构与电子被聚焦时的运动轨迹相吻合；所述聚焦极用于在第一电压的作用下，使通过所述聚焦极的电子受到均匀的电场作用被聚焦，轰击在所述阳极的表面；
施加在所述阳极的第二电压用于对所述阴极电子发射部分发射的电子从发射开始进行加速，直至轰击到所述阳极上产生X射线；
所述射线出射窗口用于出射所述X射线。
2.根据权利要求1所述的碳纳米管冷阴极微焦点X射线管，其特征在于，所述阴极电子发射部分包括阴极底座、固定在所述阴极底座上的阴极基底以及设置于所述阴极基底上的点阵化的碳纳米管冷阴极发射材料；
所述点阵化的碳纳米管冷阴极发射材料作为所述碳纳米管冷阴极微焦点X射线管的电子源，在所述均匀电场的作用下发射电子。
3.根据权利要求2所述的碳纳米管冷阴极微焦点X射线管，其特征在于，所述阴极基底为硅基底或不锈钢基底。
4.根据权利要求2所述的碳纳米管冷阴极微焦点X射线管，其特征在于，所述碳纳米管冷阴极微焦点X射线管还包括第一电极引线；
所述第一电极引线的一端与所述阴极基底连接，所述第一电极引线的另一端接地或者接到0电位；所述阴极基底通过所述第一电极引线引出壳体外。
5.根据权利要求1所述的碳纳米管冷阴极微焦点X射线管，其特征在于，所述碳纳米管冷阴极微焦点X射线管还包括第二电极引线；
所述第二电极引线的一端与所述栅极结构连接，所述第二电极引线的另一端施加所述正电压；所述栅极结构通过所述第二电极引线引出壳体外；所述第二电极引线用于给所述栅极结构施加所述正电压。
6.根据权利要求1所述的碳纳米管冷阴极微焦点X射线管，其特征在于，所述碳纳米管冷阴极微焦点X射线管还包括第三电极引线和第四电极引线；
所述聚焦极分别与所述第三电极引线的一端和所述第四电极引线的一端连接，所述第一电压通过所述第三电极引线的另一端或所述第四电极引线的另一端施加；所述聚焦极通过所述第三电极引线和所述第四电极引线引出壳体外。
7.根据权利要求1所述的碳纳米管冷阴极微焦点X射线管，其特征在于，所述碳纳米管冷阴极微焦点X射线管还包括第五电极引线；
所述第五电极引线的一端与所述阳极连接，所述第五电极引线的另一端施加所述第二电压；所述阳极通过所述第五电极引线引出壳体外；所述第五电极引线用于给所述阳极施加所述第二电压。
8.根据权利要求1所述的碳纳米管冷阴极微焦点X射线管，其特征在于，所述阳极的材料使用钨或者钼。
9.根据权利要求1所述的碳纳米管冷阴极微焦点X射线管，其特征在于，所述第二电压的电压值范围为60kV～160kV。
10.根据权利要求1所述的碳纳米管冷阴极微焦点X射线管，其特征在于，所述射线出射窗口的材料为铍。
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| CN202310991349.5A CN117038419A (zh) | 2023-08-08 | 2023-08-08 | 一种碳纳米管冷阴极微焦点x射线管 |
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| CN202310991349.5A CN117038419A (zh) | 2023-08-08 | 2023-08-08 | 一种碳纳米管冷阴极微焦点x射线管 |
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| CN117038419A true CN117038419A (zh) | 2023-11-10 |
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ID=88644159
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117637417A (zh) * | 2024-01-24 | 2024-03-01 | 电子科技大学 | 一种使用光阑结构进行辅助聚焦的微焦点电子枪 |
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2023
- 2023-08-08 CN CN202310991349.5A patent/CN117038419A/zh active Pending
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