CN1181519C - 栅控纳米碳管冷阴极x线管 - Google Patents
栅控纳米碳管冷阴极x线管 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及对现有X线管的工作原理结构材料及其供电电路的重大改进。其特征是由纳米碳管膜片作为X线管阴极电子发射体，在该膜片中心的发射面积上设置有纳米碳管阵列；在纳米碳管膜片相对应的位置上设置有栅极片，栅极片是固定在阴极组合体外壳上并与之相互导通，纳米碳管膜片与栅极片及阴极组合体外壳被绝缘垫片所隔离。使用时，除按常规加管电压外，还在栅极与阴极之间加电压Ugk，用以调控管电流，该电压取自最后一级倍压电容，通过电阻或电容分压提供。本发明的目的在于解决常规X线管阴极加热需要专门的供电电源的问题，以及采用金属尖冷阴极时阴极工作寿命短、不能实现对发射电子束聚焦和管电流调控等方面存在的问题。
Description
1、技术领域：
本发明涉及对现有X线管的工作原理结构材料及其供电电路的重大改进。
2、背景技术：
传统的X线管采用直热式(钨)灯丝热电子发射阴极，除极少数专用X线管(如电容放电电源波尾切断或脉冲工作)均不附加栅极。热电子发射阴极需要专门的供电电源，热耗大、工作寿命有限。此外，大多数恒定电压X线管阴极处于负高压电位，其灯丝电源需要采用隔离该负高压的专用耐高压灯丝变压器，体积大、制造成本高。
利用单个金属尖端放电场效发射原理作X线管冷阴极，虽能克服上述缺点，但单个金属尖端工作寿命较短，其冷发射对电场设计不能实现对发射电子束聚焦和管电流调控。
最新材料科学研究成果纳米碳管(CNT)材料，具有稳定的场效发射电流特性，可在无灯丝电源和能耗的情况下作为电子真空元件中电子发射元件，已经被成功应用于平面显示器中，代替热丝阴极，使显示器厚度减薄，能耗减小。
3、发明内容：
本发明提供一种栅控纳米碳管冷阴极X线管，其目的在于解决X线管阴极加热需要专门的供电电源的问题，以及采用金属尖冷阴极时阴极工作寿命短、不能实现对发射电子束聚焦和管电流调控等方面存在的问题。
本发明的技术方案为：
栅控纳米碳管冷阴极X线管，其包括有X线管外壳及设置在X线管外壳内的阴极组合体和阳极组合体，其特征在于：由纳米碳管膜片作为X线管阴极电子发射体，在该膜片中心的发射面积上设置有纳米碳管阵列；纳米碳管膜片的背面有导电引出片，通过阴极导线引出X线管外壳之外；在纳米碳管膜片相对应的位置上设置有栅极片，栅极片是固定在阴极组合体外壳上并与之相互导通，栅极片和阴极组合体外壳由栅极引出导线引出X线管外壳；纳米碳管膜片与栅极片及阴极组合体外壳被绝缘垫片所隔离；阴极组合体外壳在栅极片的另一侧的形状为一级聚焦电场台阶和二级聚焦电场台阶；在栅极引出导线和阴极引出导线之间加电压Ugk。
栅极片由带有细小网孔的金属薄片制成，位于纳米碳管膜片相对位置且与之平行，栅极片中心带网孔部分的面积和形状与纳米碳管膜片上发射面积和形状相对应。
在栅极引出导线和阴极引出导线之间加电压Ugk，Ugk取自倍压整流电路负高压端最后一级的倍压电容，通过电阻或电容分压提供。
Ugk取自倍压整流电路负高压端最后一级倍压电容上的稳定分压，即将限流电阻串联一个稳压管，并联在倍压整流电路最后一级倍压电容上，Ugk为稳压管两端的电压。
优点及效果：
最新材料科学研究成果：纳米碳管(CNT)材料，具有稳定的场效发射电流特性，可在无灯丝电源和能耗的情况下作为电子真空元件中电子发射元件，已经被成功应用于平面显示器中，代替热丝阴极，使显示器厚度减薄，能耗减小。把CNT材料用来代替热丝阴极用于X线管，就摆脱了灯丝供电电源和隔离变压器，大大简化了电子线路，降低了成本和体积，其工作寿命也超过了热丝阴极。然而CNT材料冷阴极X线管面临两大主要技术难题：a、批量生产中额定管电压下管电流一致性的控制难以解决，更不能做到一种X线管在不同管电压下保持额定管电流；b、难于实现对发射电子束的聚焦；由于CNT材料膜片发射电流密度远低于热灯丝阴极，要用较大发射面积才能达到额定管电流，而用于成像的X线管要求限制焦点面积，这就要求对发射电子束进行聚焦，而X线管的传统聚焦手段(如碗形阴极聚焦)聚焦电场设计与CNT材料发射电场要求相矛盾。
本发明采用电场分隔原理，即把发射电子电场与对电子束聚焦电场用栅极分隔，从而实现发射电流可以单独由发射电场控制，既可解决批量产品管工作电流一致性的微调，也可解决一个X线管在不同管电压下保持额定管电流的问题；仍可采用传统的聚焦手段设计聚焦电场，实现对CNT材料发射电子束的聚焦。
4、附图说明：
附图1为本发明的结构示意图；
附图2、3、4为本发明的管电压3种电路的提供方式。
5、具体实施方式：
见附图1，该图只画出阴极的结构部分，由纳米碳管膜片3制成X线管阴极发射体，该膜片3中心在特定的发射面积上定向生长有纳米碳管阵列。该发射片无需加热，在相应的发射电场下即可发射电子。
纳米碳管膜片3的背面有导电引出片4，通过阴极引出导线5引出X线管外壳8之外。该膜片3与栅极片4及阴极组合体外壳1之间被绝缘垫片7所隔离，互不导电。
栅极片2由带有细小网孔的金属薄片制成，位于纳米碳管膜片3一侧且与之平行。栅极片2中心带网孔部分的面积和形状与纳米碳管膜片3上特定发射面积和形状相对应。
栅极片2与阴极组合体外壳1相互导通，阴极组合体外壳1紧贴栅极片2，由栅极引出导线6引出X线管外壳8。在栅极片2的另一侧，由阴极组合体外壳1围成合适的几何形状，包括一级聚焦电场台阶9和二级聚焦电场台阶10，两级台阶几何形状构成对透过栅极发出电子束所需的聚焦电场，从而保证电子束在达到阳极11靶面时，其断面具有设计焦点所需要的面积和形状。
根据设计要求，X线管外壳8可采用各种实用X线管壳材料和封装，如玻璃、陶瓷或金属封接。
根据设计要求，X线管阳极11可采用普通反射式阳极结构及工艺，也可采用本发明者发明的透射阳极结构与工艺(欧洲专利EP0584871A1，中国发明专利申请98114400.4)。
使用时，除按常规加管电压外，通过栅极与阴极引出线之间加电压Ugk控制X线管的管电流。
见图2、3，对于阴极不接地而接负高压的情况，本发明X线管的Ugk取自倍压整流电路负高压端最后一级的电容，可通过电阻或电容分压提供。
见图4，当需要在可变管电压下保证一定的管电流时，Ugk可通过在负高压最后一级的倍压电容上取分压并用限流电阻与稳压管组合，提供一个稳定的Ugk，当高压变化时，Ugk不变。
Claims (4)
1、栅控纳米碳管冷阴极X线管，其包括有X线管外壳(8)及设置在X线管外壳(8)内的阴极组合体(1)和阳极组合体(11)，其特征在于：由纳米碳管膜片(3)作为X线管阴极电子发射体，在该膜片(3)中心的发射面积上设置有纳米碳管阵列；纳米碳管膜片(3)的背面有导电引出片(4)，通过阴极导线(5)引出X线管外壳(8)之外；在纳米碳管膜片(3)相对应的位置上设置有栅极片(2)，栅极片(2)是固定在阴极组合体外壳(1)上并与之相互导通，栅极片(2)和阴极组合体外壳(1)由栅极引出导线(6)引出X线管外壳(8)；纳米碳管膜片(3)与栅极片(2)及阴极组合体外壳(1)被绝缘垫片(7)所隔离；阴极组合体外壳(1)在栅极片(2)的另一侧的形状为一级聚焦电场台阶(9)和二级聚焦电场台阶(10)；在栅极引出导线(6)和阴极引出导线(5)之间加电压Ugk。
2、根据权利要求1所述的栅控纳米碳管冷阴极X线管，其特征在于：栅极片(2)由带有细小网孔的金属薄片制成，位于纳米碳管膜片(3)相对位置且与之平行，栅极片(2)中心带网孔部分的面积和形状与纳米碳管膜片(3)上发射面积和形状相对应。
3、根据权利要求1所述的栅控纳米碳管冷阴极X线管，其特征在于：Ugk取自倍压整流电路负高压端最后一级的倍压电容，通过电阻或电容分压提供。
4、根据权利要求1所述的栅控纳米碳管冷阴极X线管，其特征在于：Ugk取自倍压整流电路负高压端最后一级倍压电容上的稳定分压，即将限流电阻串联一个稳压管，并联在倍压整流电路最后一级倍压电容上，Ugk为稳压管两端的电压。
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