CN203644725U - 一种栅控冷阴极x射线管 - Google Patents

Abstract

一种栅控冷阴极X射线管，包括真空腔体、阳极组件、栅控电极、阴极组件，所述阳极组件包括阳极靶，阳极金属罩以及阳极连接柱，所述阳极靶、阳极金属罩和阴极组件封装在真空腔体内，阳极靶镶嵌在阳极金属罩内用于产生X射线，阳极靶平面的法线与阳极和阴极的连线具有一倾斜角度，倾斜角度为12±1°；所述阴极组件包括阴极基底和置于阴极基底的阴极材料、作为栅控电极的阴极罩包裹包括阴极引线、栅极引线的阴极安装件，阴极罩为金属，阴极罩上设有开孔位于阴极基底与阳极靶的连线上；高压通过阳极连接柱引入，作为栅控电极的阴极罩连接栅极引线，阴极基底连接阴极引线；在栅极引线和阴极引线引出的两条电极之间施加电压。

Description

一种栅控冷阴极X射线管

技术领域

本实用新型涉及一种X射线管，特别是涉及一种栅控的冷阴极X射线管及其组装方式。

技术背景

X射线管是一种允许X射线可控发射的器件。它们被应用在各种系统中，例如，应用于医疗、工业和安全领域的X射线成像技术，光谱分析(X射线荧光光谱、X射线光电子能谱分析)，X射线衍射分析等。射线管中产生X射线的原理是利用高能电子(几万电子伏特)，轰击金属靶。这些电子和靶材之间的相互作用倍增，直至发出X射线。X射线强度与靶材料上的电子流成正比。X射线的穿透性与靶材料上的施加电压成正比。X射线的发射面积由电子束轰击的范围决定，对需要小发射斑点的应用情况，例如需要X射线光学的成像应用中，可以在射线管中配置电子光学装置将电子束聚焦在靶材料上很小的区域。

传统X射线管是利用加热真空管内的金属丝到上千摄氏度高温来产生高能电子。与传统的热电子发射相比，场发射冷阴极无需加热，可以在室温下进行，只需施加一定的电场即可，因此场发射具有更高的能量利用率。此外，场发射还具有其他一些独特的性质，例如，对电场变化的快速响应，对温度波动和辐射不敏感，发射出的电子束高度可控，高开关比，电子的弹道传输，而且很小的电压调制范围就可以调控很大的电流范围。

在现有专利中，将冷阴极应用于X射线管，基本是可栅控的结构。通过专利检索，目前国内利用冷阴极做电子源的X射线管专利有8份：1、专利03127012.3，“一种新型场致发射的医用微型X射线管”，此专利涉及的X射线管，无电子束汇聚功能，难以实现小焦点；2、专利CN201378580Y、CN201378579Y、CN101521135B、CN101494149A和CN101101848B，“栅控碳纳米阴极场发射X射线管，该专利涉及的射线管装配工艺复杂，成本较高；3、专利CN101494150A，该专利设计的射线管，栅极类型为平面栅极，该结构所用场发射材料为氧化锌，发射性能差；4、专利CN1553473A，该专利阳极电压过低，射线穿透力差。

从现有技术来看，目前可栅控的X射线管都有一定的局限性，主要集中在以下几个方面：（1）装配工艺复杂；（2）无电子束汇聚；（3）栅极截获电子多等等。

实用新型内容

本实用新型的目的是，为了弥补现有技术的足之处，提供一种装配工艺简单，具有较高电子汇聚作用的栅控式冷阴极场发射X射线管，栅极控制能力强的冷阴极场发射X射线管。

本实用新型的技术方案是：栅控冷阴极X射线管，其特征是包括真空腔体、阳极组件、栅控电极、阴极组件，所述阳极组件包括阳极靶，阳极金属罩以及阳极连接柱，所述阳极靶、阳极金属罩和阴极组件封装在真空腔体内，阳极靶镶嵌在阳极金属罩内用于产生X射线，阳极靶平面的法线与阳极和阴极的连线具有一倾斜角度，倾斜角度为12±1°；所述阴极组件包括阴极基底和置于阴极基底的阴极材料、作为栅控电极的阴极罩包裹包括阴极引线、栅极引线的阴极安装件，阴极罩为金属，阴极罩上设有开孔位于阴极基底与阳极靶的连线上；高压通过阳极连接柱引入，作为栅控电极的阴极罩连接栅极引线，阴极基底连接阴极引线；在栅极引线和阴极引线引出的两条电极之间施加电压。

阳极靶平面的法线与阳极和阴极的连线具有一倾斜角度尤其是12°。

进一步的，所述阴极材料即发射体材料碳纳米管、石墨烯、氧化锌纳米结构或碳纳米管与氧化锌纳米复合结构。

进一步的，所述冷阴极场发射体的制备方法是电泳、丝网印刷、原位生长、气相淀积或水热法。

进一步的，阴极罩作为柱筒形包裹阴极组件，柱筒形顶端开孔。

进一步的，所述柱筒形顶端的开口形状是倒立圆台状，距阴极材料近的位置为圆台的顶部。

进一步的，柱筒形顶端厚度为1.5±0.1mm，开口的圆台的顶面的直径为2±0.1mm，底面的直径为4±0.1mm。

进一步的，柱筒形阴极罩顶端开孔处有二层板,即二层板上开孔。二层板距离阴极头为500-100微米，二层板上开孔为倒立圆柱状。

阴极安装件还包括阴极支架、绝缘陶瓷片、固定螺钉、阴极基底连接杆、阴极引线、栅极引线和玻璃芯柱接头，其中阴极引线和栅极引线部分和玻璃芯柱接头在真空腔体外，阴极组件的其他部件均被封装在真空腔体内。

所述可栅控冷阴极X射线管中，高压通过阳极连接柱引入，作为栅控电极阴极罩连接一条栅极引线即栅极电极，阴极基底与阴极连接杆相连，并连接阴极引出电极；在两条引出电极之间施加电压，即相当于在冷阴极发射体和栅极之间施加此电压，通过该栅极电压控制将电子从冷阴极场发射体中激发，由于栅极距离发射体很近，因此所需栅极电压非常低，激发出的电子束在阳极和阴极罩之间的高压的作用下形成高能电子，并轰击阳极靶面，从而产生X射线。

阳极金属罩为散热性较好的金属材料铜。所述阳极连接柱一部分嵌入阳极金属罩内，一部分在真空腔体外，用于连接高压电源和散热装置。

所述阴极基底的材料可以为钼、铝、金等导电性良好的金属。所述阴极材料即发射体材料可以为各种冷阴极材料，例如碳纳米管、石墨烯、氧化锌纳米结构或碳纳米管与氧化锌纳米复合结构，以及金属微尖等。

所述冷阴极场发射体的制备方法可以是电泳、丝网印刷、原位生长、气相淀积、水热法等方法。

所述绝缘陶瓷片置于阴极支架的凹槽中，阴极基底置于绝缘陶瓷片的凹槽中，阴极基底上表面装有冷阴极发射体，发射体底部与阴极基底连接杆连接并固定，阴极基底连接杆与玻璃芯柱连接并固定，并实现对绝缘陶瓷片和阴极基底的固定，其余部件通过螺丝的压合而固定，阴极连接杆通过玻璃芯柱与阴极引线相连，并引出到真空腔体之外，阴极罩与栅极引线相连，并引出到真空腔体之外。

冷阴极场发射体的发射电流大小可以通过改变栅极电压调制。由于阴极罩开口具有特定形状，因此阴极罩表面开口处在阳极高压的影响下，会形成一个静电透镜，对发射电子束有汇聚作用，在阳极靶面形成较小焦斑。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

（1）栅极无截获电子，电流利用率高；

（2）装配工艺简单，成本低；

（3）栅网和发射体之间的距离可精确控制，大批量生产时，可实现栅控电压的高度一致性；

（4）用于固定阴极组件的螺丝隐藏在阴极罩的内部，阴极组件的外表面平整光滑，可以防止极间打火现象的产生；

（5）阳极可以施加最高180kV的电压，X射线具有高穿透性，可广泛适用于医疗诊断、工业探伤以及安全检查等领域；

（6）阴极发射性能好，焦点小，电流稳定，在高压下可以稳定工作一定时间。

附图说明

图1为本实用新型所述可栅控冷阴极X射线管的整体结构示意图

图2为所述阴极组件的结构示意图

具体实施方案

下面结合附图对本实用新型的作进一步的描述。

本实用新型所述可栅控冷阴极X射线管是利用冷阴极优秀的电子发射性能，并将其封装在真空容器中，作为阴极组件的一部分。通过栅极电压在冷阴极场发射体表面形成的高电场，将电子束从发射体内部激发出来。在所述栅极衬底和发射体电极之间施加电压为0～3000V，将电子从冷阴极发射体中激发出来。

所述可栅控冷阴极X射线管中，高压通过阳极连接柱引入，阴极罩可作为栅控电极，并连接一条栅极引出电极，阴极基底与阴极连接杆相连，并连接阴极引出电极；在两条引出电极之间施加额定电压，即相当于在冷阴极发射体和栅极之间施加此电压，通过该栅极电压将电子从冷阴极场发射体中激发出来，由于栅极距离发射体很近，因此所需栅极电压非常低，激发出的电子束在阳极和阴极罩之间的高压的作用下形成高能电子，并轰击阳极靶面，从而产生X射线。

电子束通过阴极罩开口的聚焦后，轰击到阳极靶面上，从而产生X射线。阳极高压可以施加到180kV。

如图1所示，可栅控冷阴极X射线管主要由真空腔体1、阳极组件2和阴极组件3构成。

所述阳极组件2包括阳极靶211，阳极金属罩21以及阳极连接柱22，阳极靶211和阳极金属罩21封装在真空腔体1内，阳极靶211镶嵌在阳极金属罩21内,用于产生X射线，阳极靶211平面的法线与阳极和阴极的连线具有一倾斜角度为12°。阳极金属罩21为散热性较好的金属材料，本设计中使用铜；所述阳极连接柱22一部分嵌入阳极金属罩21内，一部分在真空腔体外，用于连接高压电源和散热装置。

所述阴极组件3包括阴极基底33、冷阴极场发射体34、阴极罩31、阴极支架32、绝缘陶瓷片35、固定螺钉38、阴极基底连接杆36、阴极引线310、栅极引线311和玻璃芯柱接头39。其中阴极引线和栅极引线部分和玻璃芯柱接头在真空腔体外，阴极组件的其他部件均被封装在真空腔体内。所述阴极罩31为金属，用于固定阴极组件3，并且阴极罩31设有作为电子通道的开口37，阴极罩31作为栅控电极以调制电子发射，并对电子束有一定聚焦作用，所述阴极罩为铜或其合金或其它金属，构成阴极组件，阴极罩设有电子通道开口。

阴极罩作为柱筒形包裹，柱筒形顶端的开口具有特定形状为倒立圆台状，台顶的直径为2mm，台底的直径为4mm。

本实用新型设计中阴极的发射电压即栅极电压为2000-4000v。

柱筒形顶端的厚度有为1.5mm。

绝缘陶瓷片35置于阴极支架32的凹槽中，阴极基底33置于绝缘陶瓷片35的凹槽中，阴极基底33底部与阴极基底连接杆36连接并固定，冷阴极场发射体34位于阴极基底33上表面，阴极基底连接杆36与玻璃芯柱39连接并固定，并实现对绝缘陶瓷片35和阴极基底33的固定，其余部件通过螺丝38的压合而固定。阴极连接杆36通过玻璃芯柱39与阴极引线310相连，并引出到真空腔体1之外。阴极罩31与栅极引线311相连，并引出到真空腔体1之外。

所述阴极基底33集成了冷阴极场发射体34、阴极基底33的材料可以为钼、铝、金等导电性良好的金属，冷阴极场发射体34的制备方法可以是电泳、丝网印刷、原位生长等方法。

栅控冷阴极X射线管是通过一系列成熟的真空工艺制成的。高压通过阳极连接柱22引入。将阴极基底引线311接零电位，并在两条引出电极310和311之间施加较低电压（即栅极电压，范围：0～3000V），即相当于在阴极基底33和阴极罩31之间施加此电压。通过该电压将电子从冷阴极发射体34中激发出来。激发的电子束在阳极组件2和阴极罩31之间的高压的作用下形成高能电子，并轰击阳极靶面，从而产生X射线。由于阴极罩31开口具有特殊形状，因此对电子束有聚焦作用，可以实现实用化的较小焦斑。在阳极高压下，可以通过改变栅极电压，以达到控制发射管电流的目的。

另外，本领域技术人员还可在本实用新型精神内做其他变化，当然根据这些本实用新型精神所做的变化，都应包含在本实用新型所要求的保护范围内。

Claims (8)

1.栅控冷阴极X射线管，其特征是包括真空腔体、阳极组件、栅控电极、阴极组件，所述阳极组件包括阳极靶，阳极金属罩以及阳极连接柱，所述阳极靶、阳极金属罩和阴极组件封装在真空腔体内，阳极靶镶嵌在阳极金属罩内用于产生X射线，阳极靶平面的法线与阳极和阴极的连线具有一倾斜角度，倾斜角度为12±1°；所述阴极组件包括阴极基底和置于阴极基底的阴极材料、作为栅控电极的阴极罩包裹包括阴极引线、栅极引线的阴极安装件，阴极罩为金属，阴极罩上设有开孔位于阴极基底与阳极靶的连线上；高压通过阳极连接柱引入，作为栅控电极的阴极罩连接栅极引线，阴极基底连接阴极引线；在栅极引线和阴极引线引出的两条电极之间施加电压。 

2.根据权利要求1所述栅控冷阴极X射线管，其特征在于，所述阳极靶平面的法线与阳极和阴极的连线的倾斜角度为12°。 

3.根据权利要求1所述可栅控冷阴极X射线管，其特征在于，所述冷阴极场发射体的阴极材料制备在阴极基底上采用制备方法是电泳、丝网印刷、原位生长、气相淀积或水热法。 

4.根据权利要求1或2所述栅控冷阴极X射线管，其特征在于，阴极罩为柱筒形，包裹阴极组件，柱筒形顶端开孔。 

5.根据权利要求4所述栅控冷阴极X射线管，其特征在于，所述柱筒形顶端的开口形状是倒立的圆台状，即圆台顶面朝下，底面朝上。 

6.根据权利要求4所述可栅控冷阴极X射线管，其特征在于，柱筒形顶端厚度为1.5±0.1mm，开口的圆台的顶面的直径为2±0.1mm，底面的直径为4±0.1mm。 

7.根据权利要求4所述栅控冷阴极X射线管，其特征在于，柱筒形阴极罩顶端开孔处有二层板,二层板距离阴极头为500-100微米，二层板上开孔为倒立圆柱状。 

8.根据权利要求1所述栅控冷阴极X射线管，其特征在于，所述阴极安装件包括阴极支架、阴极连接杆、绝缘陶瓷片、固定螺钉、阴极基底连接杆、阴极引线、栅极引线和玻璃芯柱接头；绝缘陶瓷片置于阴极支架的凹槽中，阴极基底置于绝缘陶瓷片的凹槽中，阴极基底底部与阴极基底连接杆连接并固定，冷阴极场发射体位于阴极基底上表面，阴极基底连接杆与玻璃芯柱接头连接并固定，实现对绝缘陶瓷片和阴极基底的固定；阴极连接杆通过玻璃芯柱接头与阴极引线相连，并引出到真空腔体之外；阴极罩与栅极引线相连，并引出到真空腔体之外。 

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