CN1553473A - 低压场发射阴极x射线管 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及X射线管，具体地说是一种低压场发射阴极X射线管。本发明场发射阴极为绳束状纳米碳管以阵列方式装配于导电基片上，其轴线与导电基片的表面垂直；所述加压阳极平行布置于绳束状纳米碳管阵列的正上方，于支撑体上；支撑体为开口筒状结构，筒体下端安装于导电基片边缘，作为电子束聚焦窗口的上端为瓶颈式结构，导电基片及筒体分别设引出极A、B，通过导线至外加电源。它可大幅度降低X射线管的工作电压，实现X射线成像系统小型化、微型化，并提高分辨率，从而在医疗、科研及国防安全等领域发挥更大作用。
Description
技术领域
本发明涉及X射线管，具体地说是一种低压场发射阴极X射线管。
背景技术
电子发射阴极及其附属能源系统是X射线管的核心部分。传统的X射线管采用热电子发射阴极，将钨、六镧化钼等材料加热到足够高温度，使材料内部电子获得能量而形成发射。这种X射线管的工作温度对于钨阴极需要达到2000～2300℃以上，六镧化钼则为1000～1500℃，因此能耗很大，需要在大电流下工作(通常为数安培)，附属的能源系统及导电线路也需满足大电流、耐高温的使用要求。由于阴极材料在高温下的氧化和蒸发所造成的损耗和损伤，热电子发射阴极的使用寿命和连续使用时间都受到很大影响。与此同时，热发射阴极X射线管每次使用前都需要预热，系统响应速度较慢。
场致电子发射阴极电子源具有能耗低、发射寿命长、发射强度大等优点，有望在不远的将来取代热发射电子源成为下一代的主流产品。纳米碳管被发现于二十世纪九十年代初，是近年来材料科学和凝聚态物理研究的前沿和热点之一。纳米碳管具有尖端细小、长径比大、强度和韧性高、热稳定性与导电性好等特点，具备了高性能场发射材料的基本特征，是理想的阴极发射材料。文献报道薄膜状定向多壁纳米碳管阵列和无序排列单壁纳米碳管(厚度数十到数百微米)的临界发射阈值(场发射材料的重要性能指标，指发射电流密度达到10mA/cm2时所需的外加电场)分别为2.0～2.7V/μm和3.9～7.8V/μm。采用较低的工作电压、得到更低的发射阈值已成为近年来本领域的热点课题。
发明内容
为了克服上述不足，本发明提供一种采用绳束状纳米碳管装配的低压场发射阴极X射线管，其目的是大幅度降低X射线管的工作电压，实现X射线成像系统小型化、微型化，并提高分辨率，从而在医疗、科研及国防安全等领域发挥更大作用。
为了实现上述目的，本发明的技术解决方案是：靶材(阳极)可为固定式或旋转阳极式，选用铜、钼、钨等材料制成，电子源则由加压栅极与纳米碳管场发射阴极所组成，安装在管壳内；其特征在于：所述场发射阴极为绳束状纳米碳管以阵列方式装配于导电基片上，其轴线与导电基片的表面垂直；所述加压阳极平行布置于绳束状纳米碳管阵列的正上方，于支撑体上；支撑体为开口筒状结构，筒体下端安装于导电基片边缘，作为电子束聚焦窗口的上端为瓶颈式结构，导电基片及筒体分别设引出极A、B，通过导线至外加电源；
所述加压栅极可采用金属栅极或带孔金属薄片材料；所述靶材所施加的偏压可与加压栅极相同或高于加压栅极的外加电压；所述绳束状纳米碳管材料所组成的阵列按照阵列单元顺序依次将长度相同的绳束状纳米碳管装配在基片表面的相应位置上，其中单根样品直径20～300μm、长度0.5～15mm，之间间距为0.1～2mm，阵列单元之间的水平距离可在0.1～2mm之间调整；绳束状纳米碳管阵列单元的水平距离为1mm时最佳；工作真空度范围1×10-2～1×10-7Pa。
本发明原理如下：
本发明所述绳束状场发射材料中纳米碳管可为具有不同直径和结构特征的单壁纳米碳管(Single-walled carbon nanotube)、双壁纳米碳管(Double-walled carbon nanotube)、多壁纳米碳管(Multi-walled carbonnanotube)或者直径更大的纳米炭纤维(Carbon nanofiber)、纳米碳角(Carbonnanohorn)等。
利用所述绳束状纳米碳管材料作为场发射阴极，可以装配出高性能的低压X射线管。考虑到单根绳束状纳米碳管材料可承载的场发射电流(数十到数百微安)，本发明中将几何长度相似的绳束状纳米碳管场发射材料装配成阵列形式以实现X射线管所需的电子流强度(数毫安到数百毫安)。
采用激光烧蚀法、电弧法以及有机物催化分解法等方法可以制备出绳束状的纳米碳管产物，称为绳束状纳米碳管(亦称：绳束状纳米碳管)。这种绳束状纳米碳管的直径多在20～300μm之间，长度最大则可达10cm。电子显微镜观察结果表明，这种绳束状纳米碳管由许多根定向排列的纳米碳管所构成，其绳束状纳米碳管排列方向与碳管绳的长度方向基本相同。由于具有良好的定向性，碳管绳可以提供较大的发射电流密度；碳管绳的长径比大，使得其场发射阈值比普通碳管更低。场发射性能测试结果表明，长约2mm、直径约100μm的绳束状纳米碳管的场发射阈值(发射电流密度达到10mA/cm2时的外加电场)约为0.1V/μm。这一场发射性能指标比多壁纳米碳管阵列以及无序排列的单壁纳米碳管低20倍左右，比钨丝低近50倍。同时，绳束状纳米碳管具有发射持久性和稳定性好、发射电子能量分布集中、可操作性好等优点，因而是一种理想的X射线管用场发射电子源。
与现有技术中热电子发射阴极技术相比，本发明具有工作温度低、可以在一般高真空度条件下工作、能耗小、系统响应速度快等优点外，而且还具有如下积极效果：
本发明采用绳束状纳米碳管材料作为场发射阴极，绳束状纳米碳管中纳米碳管的排列具有良好的定向性，而且绳束状样品的长度达到厘米级。定向排列保证了在样品发射端面上可获得高密度的纳米碳管场发射尖端，有利于提高场发射电流密度；由于具有宏观长度，绳束状纳米碳管具有良好的可操作性；长径比大使得绳束状纳米碳管的发射阈值远低于普通的纳米碳管场发射材料。与此同时，绳束状纳米碳管场发射材料表现出良好的发射稳定性和持久性，具有良好的实用前景。
本发明利用绳束状纳米碳管材料的优异场发射特性，预期装配出可在低压下(＜1000V)使用的X射线管，开创性地实现了低压工作的X射线管，不仅减小了能源损耗，而且可以实现X射线管的小型化甚至微型化，从而在医疗、科研及国防安全等领域发挥更大作用。
附图说明
附图1为本发明X射线管装配结构示意图。
附图2为本发明一个实施例绳束状纳米碳管阵列式场发射阴极结构示意图。
附图3为本发明一个实施例单壁绳束状纳米碳管场发射材料扫描电镜照片(侧面)。
附图4为本发明一个实施例单壁绳束状纳米碳管材料场发射端面扫描电镜照片(发射尖端)。
具体实施方式
实施例1
参见附图1，本发明场发射X射线管结构为：靶材(阳极)可为固定式或旋转阳极式，选用铜、钼、钨等材料制成，电子源则由加压栅极与绳束状纳米碳管场发射阴极所组成，安装在管壳内。其中：采用绳束状单壁纳米碳管(Single-walled carbon nanotube)材料组成场发射阴极阵列，阵列由直径为80μm、长度2cm，间距为1mm；导电基片5及电子源导电外壳分别设引出极A7、B8，通过导线至外加电源；本实施例靶材1为固定阳极式，材质选用铜材料，安装在管体内侧顶部，靶材表面倾斜度(坡度)为19°，通过引线极C6与外加电压相连。
具有相似长度(2mm)的100根绳束状单壁纳米碳管9依照10×10阵列方式装配于导电基片5上，碳管绳轴线与基片表面垂直；金属栅极4的支撑体3其形状为开口筒状结构，筒体下端安装于导电基片5边缘，除起到支撑加压阳极及导通外加电压的作用外，其前端还设计有电子束聚焦窗口10，为瓶颈式结构。金属栅极4和支撑体3通过导线分别与X射线管引出极A7、引出极B8相连。金属栅极4与绳束状单壁纳米碳管9端头之间的距离可根据实际情况在0.1～2mm之间调整，本实施例为1mm。
固定阳极式铜质X射线管靶材1的下表面与电子运动方向不垂直，本实施例呈19°，目的是增加铍窗口11方向上的X射线强度。靶材1所施加的偏压与金属栅极4相同，为500V；外加电压通过引线极C6与靶材1相连。本实施例工作真空度为1×10-3Pa。
其中绳束状单壁纳米碳管的制备：采用氢电弧法制备具有宏观长度(厘米级)绳束状单壁纳米碳管：作为阳极的石墨圆盘表面加工有5个圆孔，各填充反应物2.0g，所述反应物含有均匀混合的2.6at％ Ni、0.7at％ Fe、0.7at％Co、0.75at％ FeS，其余为石墨粉。φ10mm石墨棒作为阴极。反应器内充入200乇氢气，起弧电流为150A直流，两电极间保持2mm的距离，每个孔反应时间3分钟，之后更换反应室内气体，旋转阳极圆盘，蒸发下一个孔内的反应物。总反应时间30分钟。为获得均一、平整的发射端面并保证所需的样品长度，需对绳束状纳米碳管进行切削、表面处理等预处理。
X射线管所有组件均采用绝缘垫片与外壳2相隔离，以防止高电压和X射线辐射对操作人员的伤害。
实施例2
与实施例1不同之处在于：阵列由直径为200μm，长度为15cm，间距为1mm的绳束状多壁纳米碳管(Multi-walled carbon nanotube)所组成，阵列单元之间的水平距离为0.8mm；靶材1所施加的偏压为600V，略高于金属栅极(500V)；靶材1采用高速旋转阳极形式，转速2800转/分钟，采用磁性感应方法驱动，靶材表面倾斜角为25°；靶材1采用铜质材料，亦可选用钼或钨材料制成。工作真空度范围1×10-7Pa。
其中绳束状多壁纳米碳管的制备：
采用有机物流动催化分解法制备出具有宏观长度(厘米级)绳束状多壁纳米碳管：该法以苯为碳源，氢气为载气，C6H6+H2流量22ml/(cm2·min)；以二茂铁为催化剂前驱体，用量0.003g；含硫有机化合物噻吩为生长促进剂，配成0.08％(wt)苯溶液。反应区先以快速升温至800℃，再以20℃/分钟升至900℃，10℃/分钟升至950℃，5℃/分钟升至最后反应温度1180℃保持1小时。
另外，本发明所述绳束状纳米碳管亦可采用绳束状双壁纳米碳管(Double-walled carbon nanotube)、以及直径更大的纳米炭纤维(Carbonnanofiber)、纳米碳角(Carbon nanohorn)等。
Claims (7)
1.一种低压场发射阴极X射线管，靶材可为固定式或旋转阳极式，选用铜、钼、钨等材料制成，电子源则由加压栅极与纳米碳管场发射阴极所组成，安装在管壳内；其特征在于：所述场发射阴极为绳束状纳米碳管以阵列方式装配于导电基片(5)上，其轴线与导电基片(5)的表面垂直；所述加压阳极平行布置于绳束状纳米碳管阵列的正上方，于支撑体(3)上；支撑体(3)为开口筒状结构，筒体下端安装于导电基片(5)边缘，作为电子束聚焦窗口(10)的上端为瓶颈式结构，导电基片(5)及筒体分别设引出极A、B(7、8)，通过导线至外加电源。
2.按照权利要求1所述低压场发射阴极X射线管，其特征在于：所述绳束状阴极材料中纳米碳管可为单壁纳米碳管、双壁纳米碳管、多壁纳米碳管或者直径更大的纳米炭纤维、纳米碳角。
3.按照权利要求1所述低压场发射阴极X射线管，其特征在于：所述加压栅极可采用金属栅极或带孔金属薄片材料。
4.按照权利要求1所述低压场发射阴极X射线管，其特征在于：所述靶材所施加的偏压可与加压栅极相同或高于加压栅极的外加电压。
5.按照权利要求1所述低压场发射阴极X射线管，其特征在于：所述绳束状纳米碳管材料所组成的阵列按照阵列单元顺序依次将长度相同的绳束状纳米碳管装配在基片表面的相应位置上，其中单根样品直径20～300μm、长度0.5～15mm，之间间距为0.1～2mm，阵列单元之间的水平距离可在0.1～2mm之间调整。
6.按照权利要求1所述低压场发射阴极X射线管，其特征在于：绳束状纳米碳管阵列单元的水平距离为1mm时最佳。
7.按照权利要求1所述低压场发射阴极X射线管，其特征在于：工作真空度范围1×10-2～1×10-7Pa。
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