CN205542692U - 基于碳纳米管冷阴极的聚焦型三极结构全封装x射线球管 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开的基于碳纳米管冷阴极的聚焦型三极结构全封装X射线球管，包括：基于玻璃外壳的真空腔体；配置在真空腔体内的阳极组件，阳极组件通过连接柱引出所述真空腔体之外，与所需的电源和散热系统连接；配置在真空腔体内的电子枪组件，电子枪组件中的阴极基片和栅极分别通过阴极引线和栅极引线引出真空腔体之外；其阴极基片为金属-石墨烯-垂直碳纳米管复合式冷阴极。本实用新型中的阴极基片采用利用金属表面生长石墨烯，然后再在石墨烯上生长垂直碳纳米管阵列制备的金属-石墨烯-垂直碳纳米管复合冷阴极结构，降低碳管与金属电极之间的接触电阻，有效改善碳管与金属直接接触造成的局部电流密度过大问题，提高冷阴极在大电流密度下的寿命。
Description
技术领域
本实用新型涉及X射线影像设备技术领域，特别涉及一种基于金属-石墨烯-垂直碳纳米管复合结构、场发射电子源的聚焦型三极结构全封装X射线球管。该聚焦型三极结构全封装X射线球管可应用于各种X射线影像设备中。尤其在现代医学，生物科学，工业检测等科学研究和应用领域具有重要的应用及广阔前景。
背景技术
传统X射线球管中的电子发射弊端明显：工艺复杂，体积庞大，能耗高，并且寿命有限。而场致发射恰恰解决了热电子发射带来的问题。场致电子发射并不需要提供给阴极源体内电子以额外的能量，而是靠强的外加电场来压抑物体的表面势垒，使发射体内的大量电子由于隧道效应穿透表面势垒逸出，形成场致电子发射。此前人们尝试了尖锥阵列式场致发射冷阴极。这种阴极是用化学腐蚀或特殊工艺，将阴极材料加工成表面光滑的尖端，并排成阵列或刀口形式，将尖端曲率半径减小至nm量级，使尖端的几何放大因子达到10E+5～10E+6cm-1，因此，只需要加几十伏电压，就可以使尖端产生很强的电场，形成电子发射。但这种尖端制作工艺和技术要求严格，使得这类阴极的制造成本过高，限制了这种器件的应用领域。
碳纳米管材料是目前最理想的场致电子发射材料，因其具有渐入的发射尖端，易形成强电场，非常有利于电子的场致发射，碳纳米管薄膜材料制备工艺相对简单，相关器件整体结构易于在工业上进行大批量生产。但是现有的直接在金属表面生长的垂直碳管阵列在碳管与金属接触的地方存在缺陷，导致工作过程中存在局部电流密度过大降低，最终导致垂直碳管阵列在大电流工作状态下寿命显著降低。
作为发射源的X射线管碳纳米管封装在一个大的动态真空系统中，需要附加复杂的真空抽气系统以满足场发射源对真空度的要求。在全真空密封的 碳纳米管X射线管中，但大部分只是二极结构。二极结构X射线管的制作比较简单，但是管电流由阳极高电压决定，因此管电流的可控性比较差。同时二极结构X射线源的焦点完全依赖于碳纳米管发射体的面积，因此很难实现大电流和小焦点此外，冷阴极X射线管多为金属-陶瓷管，这种类型的管成本较高。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术所存在的问题而提供一种基于碳纳米管冷阴极的聚焦型三极结构全封装X射线球管。这种基于碳纳米管场发射电子源的全真空密封的聚焦型三极结构X射线玻璃球管。采用金属-石墨烯-垂直碳纳米管复合冷阴极结构，避免了现有的直接在金属表面生长的垂直碳管阵列在碳管与金属接触地方存在的缺陷而引起的工作过程中存在局部电流密度过大降低，有效提高了冷阴极在大电流工作状态下的寿命。采用石墨烯材料和金属栅网的复合式栅极，改善了阴极电场的分布，降低了阴极的驱动电压，并通过对栅极的结构进行优化设计，实现了栅极电极聚焦功能。故全真空密封的X射线管的场发射电子源具有响应速度快、低功耗且数字可控等优点。而且，这种新型X射线管的制作工艺与传统热阴极的X射线管完全兼容，因此具有较低的成本。
为了解决实现上述发明目的，本实用新型所采用的技术方案如下：
基于碳纳米管冷阴极的聚焦型三极结构全封装X射线球管，包括：
基于玻璃外壳的真空腔体；
配置在所述真空腔体内的阳极组件，所述阳极组件通过连接柱引出所述真空腔体之外，与所需的电源和散热系统连接；
配置在所述真空腔体内的电子枪组件，所述电子枪组件中的阴极基片和栅极分别通过阴极引线和栅极引线引出所述真空腔体之外；所述阴极基片为金属-石墨烯-垂直碳纳米管复合式冷阴极。
在本实用新型的一个优选实施例中，所述金属-石墨烯-垂直碳纳米管复 合式冷阴极具体结构是：在金属表面生长石墨烯层，然后再在石墨烯层上生长垂直碳纳米管阵列。
在本实用新型的一个优选实施例中，所述阳极组件包括位于所述真空腔体内的阳极金属罩和镶嵌在所述阳极金属罩内的用于产生X射线的阳极靶，所述阳极金属罩通过连接柱引出所述真空腔体之外，与所需的电源和散热系统连接。
在本实用新型的一个优选实施例中，所述阳极靶的倾斜角度为12度。
在本实用新型的一个优选实施例中，所述阳极靶的厚度为0.1mm。
在本实用新型的一个优选实施例中，所述电子枪组件还包括金属外壳、构成栅极的金属栅网、绝缘陶瓷托、绝缘陶瓷环片、阴极基底以及阴极引线和栅极引线组成；在所述金属外壳上开设有一枪口，所述阴极基片、金属栅网、绝缘陶瓷托、绝缘陶瓷环片、阴极基底位于所述金属外壳内，其中所述阴极基底设置在所述绝缘陶瓷托面向所述枪口的那一面上；所述阴极基片和所述绝缘陶瓷环片设置在所述阴极基底面向所述枪口的那一面上，其中，所述阴极基片对应于所述枪口，所述绝缘陶瓷环片位于所述阴极基片的外围；所述金属栅网设置在所述绝缘陶瓷环片面向所述枪口的那一面上并覆盖所述阴极基片。
在本实用新型的一个优选实施例中，所述阴极基片为圆片结构，直径为2mm；所述金属栅网的网孔直径为100μm。
在本实用新型的一个优选实施例中，所述金属栅网与所述阴极基片之间的距离为300μm。
在本实用新型的一个优选实施例中，所述金属栅网与所述阳极组件中的阳极之间的距离为5mm。
在本实用新型的一个优选实施例中，所述金属栅网上的栅极聚焦孔高度为1mm，直径为3mm。
在本实用新型的一个优选实施例中，在所述金属栅网上沉积有石墨烯，构成一石墨烯和金属栅网复合式栅极。
由于采用了如上的技术方案，本实用新型中的阴极基片采用利用金属表面生长石墨烯，然后再在石墨烯上生长垂直碳纳米管阵列制备的金属-石墨烯 -垂直碳纳米管复合冷阴极结构，降低碳管与金属电极之间的接触电阻，有效改善碳管与金属直接接触造成的局部电流密度过大问题，提高冷阴极在大电流密度下的寿命。
进一步本实用新型将石墨烯材料和金属栅网的复合式栅极应用于冷阴极X射线管中，克服传统金属栅网作为栅极电极时电子透过率低、电子束聚焦性能差和驱动电压高等缺点，降低栅极驱动电压而实现电子束聚焦，有较高的工作稳定性和可靠性；并且制备工艺基本不变，有较低的成本性。同时有源控制单元开启能为电路提供足够的电留，且不影响X射线管的特性。
更进一步，本实用新型采用金属-石墨烯-垂直碳纳米管复合冷阴极结构，避免了现有的直接在金属表面生长的垂直碳管阵列在碳管与金属接触地方存在的缺陷而引起的工作过程中存在局部电流密度过大降低，有效提高了冷阴极在大电流工作状态下的寿命。采用石墨烯材料和金属栅网的复合式栅极，改善了阴极电场的分布，降低了阴极的驱动电压，并通过对栅极的结构进行优化设计，实现了栅极电极聚焦功能。故全真空密封的X射线管的场发射电子源具有响应速度快、低功耗且数字可控等优点。而且，这种新型X射线管的制作工艺与传统热阴极的X射线管完全兼容，因此具有较低的成本。
本实用新型通过化学气相沉淀(CVD)的方法制备金属-石墨烯-垂直碳纳米管阴极作为X射线管发射体，具有设备、方法简单，低成本且易实现碳纳米管工业化大批量生产。另外，碳纳米管的生长还能通过生长时间、温度等参数进行控制，可制备不同形态和性能的碳纳米管薄膜和阵列。
本实用新型在X射线管测试系统中，将场发射阴极与一个高压MOSFET串联，通过控制高压MOSFET的栅极电压，可以实现对场发射电流的控制，提高真空密封X射线管的稳定性和可依赖性。
当本实用新型的聚焦型三极结构X射线球管的焦点直径为1mm时，已满足透视成像的需要。通过改变脉冲的宽度和动态电流控制单元MOSFET的栅极电压，很容易调节在直流电压情况下的X射线的剂量并获得清晰的X射线图像。
附图说明
图1为本实用新型基于碳纳米管冷阴极的聚焦型三极结构全封装X射线球管的外形图。
图2为本实用新型基于碳纳米管冷阴极的聚焦型三极结构全封装X射线球管的电子枪组件的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，说明本实用新型的具体实施方式。
参见图1，图中给出的基于碳纳米管冷阴极的聚焦型三极结构全封装X射线球管，包括基于玻璃外壳的真空腔体100、配置在真空腔体100内的阳极组件300和电子枪组件200。
阳极组件300包括位于真空腔体100内的阳极金属罩310和镶嵌在阳极金属罩310内的用于产生X射线的阳极靶320，阳极金属罩310通过铜连接柱330引出真空腔体100之外，与所需的电源和散热系统连接。
阳极金属罩310采用采用散热性好的铜制成，易于散热。阳极靶320的倾斜角度为12度，厚度为0.1mm，采用钨制备而成。
参见图2，电子枪组件200包括金属外壳210、构成栅极的金属栅网220、构成阴极的阴极基片230、绝缘陶瓷托240、绝缘陶瓷环片250、阴极基底260以及阴极引线270和栅极引线280组成；在金属外壳210上开设有一枪口211，阴极基片230、金属栅网220、绝缘陶瓷托240、绝缘陶瓷环片250、阴极基底260位于金属外壳210内，其中阴极基底260设置在绝缘陶瓷托240面向枪口211的那一面241上；阴极基片230和绝缘陶瓷环片250设置在阴极基底260面向枪口211的那一面261上，其中，阴极基片230对应于枪口211，绝缘陶瓷环片250位于阴极基片230的外围；金属栅网220设置在绝缘陶瓷环片250面向枪口211的那一面251上并覆盖阴极基片230。阴极基片230和金属栅网220分别通过阴极引线270和栅极引线280引出真空腔体100之外。
阴极基片230为金属-石墨烯-垂直碳纳米管复合式冷阴极，该金属-石墨烯-垂直碳纳米管复合式冷阴极具体结构是：在金属表面生长石墨烯层，然后再在石墨烯层上生长垂直碳纳米管阵列。在石墨烯层上生长垂直碳纳米 管阵列的具体方法是：采用微波等离子体化学气相沉淀方法，以180sccm的速率通入微波等离子体气体H2，碳源气体CH4为20sccm，在反应压强28mbar、微波输入频率2.45GHz且衬底温度630-640℃,生长1-5min，在金属-石墨烯上制备长度一致、分布均匀、垂直阵列的碳纳米管。
阴极基片230为圆片结构，直径为2mm，金属栅网220选用钼合金，有良好的耐高温性，其网孔直径为100μm。金属栅网220与阴极基片230之间的距离为300μm。金属栅网220与阳极组件300中的阳极靶320之间的距离为5mm。
金属栅网220上的栅极聚焦孔高度为1mm，直径为3mm。
采用PMMA湿法转移将石墨烯转移到既能使阴极表面的电场尽量均匀，又能使电子在栅网处的截获最小的金属栅网的表面，得到具有双层石墨烯的复合式栅极。
本实用新型应用石墨烯和金属栅网复合式栅极，降低了栅极驱动电压，并通过对栅极结构优化设计，实现了电子束聚焦。通过采用动态电流控制单元，实现了对场发射电流的控制，获得了稳定的发射电流。这种冷阴极X射线管的焦点直径约为1mm，获得的阳极电流约在1mA以上。用这种X射线管对一些物体进行透视拍照，在阳极电压50kV，阳极电流1mA，曝光时间1s的情况下，获得了清晰的透视照片。而且，这种X射线管的制备工艺简单，具有较低的成本；为推进数字化冷阴极X射线源有重要意义。
Claims (10)
1.基于碳纳米管冷阴极的聚焦型三极结构全封装X射线球管，包括：
基于玻璃外壳的真空腔体；
配置在所述真空腔体内的阳极组件，所述阳极组件通过连接柱引出所述真空腔体之外，与所需的电源和散热系统连接；
配置在所述真空腔体内的电子枪组件，所述电子枪组件中的阴极基片和栅极分别通过阴极引线和栅极引线引出所述真空腔体之外；其特征在于，所述阴极基片为金属-石墨烯-垂直碳纳米管复合式冷阴极。
2.如权利要求1所述的基于碳纳米管冷阴极的聚焦型三极结构全封装X射线球管，其特征在于，所述金属-石墨烯-垂直碳纳米管复合式冷阴极具体结构是：在金属表面生长石墨烯层，然后再在石墨烯层上生长垂直碳纳米管阵列。
3.如权利要求1所述的基于碳纳米管冷阴极的聚焦型三极结构全封装X射线球管，其特征在于，所述阳极组件包括位于所述真空腔体内的阳极金属罩和镶嵌在所述阳极金属罩内的用于产生X射线的阳极靶，所述阳极金属罩通过连接柱引出所述真空腔体之外，与所需的电源和散热系统连接。
4.如权利要求3所述的基于碳纳米管冷阴极的聚焦型三极结构全封装X射线球管，其特征在于，所述阳极靶的倾斜角度为12度。
5.如权利要求3所述的基于碳纳米管冷阴极的聚焦型三极结构全封装X射线球管，其特征在于，所述阳极靶的厚度为0.1mm。
6.如权利要求1所述的基于碳纳米管冷阴极的聚焦型三极结构全封装X射线球管，其特征在于，所述电子枪组件还包括金属外壳、构成栅极的金属栅网、绝缘陶瓷托、绝缘陶瓷环片、阴极基底以及阴极引线和栅极引线组成；在所述金属外壳上开设有一枪口，所述阴极基片、金属栅网、绝缘陶瓷托、绝缘陶瓷环片、阴极基底位于所述金属外壳内，其中所述阴极基底设置在所述绝缘陶瓷托面向所述枪口的那一面上；所述阴极基片和所述绝缘陶瓷环片设置在所述阴极基底面向所述枪口的那一面上，其中，所述阴极基片对应于所述枪口，所述绝缘陶瓷环片位于所述阴极基片的外围；所述金属栅网设置在所述绝缘陶瓷环片面向所述枪口的那一面上并覆盖所述阴极基片。
7.如权利要求6所述的基于碳纳米管冷阴极的聚焦型三极结构全封装X射线球管，其特征在于，所述阴极基片为圆片结构，直径为2mm；所述金属栅网的网孔直径为100μm。
8.如权利要求6所述的基于碳纳米管冷阴极的聚焦型三极结构全封装X射线球管，其特征在于，所述金属栅网与所述阴极基片之间的距离为300μm；所述金属栅网与所述阳极组件中的阳极之间的距离为5mm。
9.如权利要求6所述的基于碳纳米管冷阴极的聚焦型三极结构全封装X射线球管，其特征在于，所述金属栅网上的栅极聚焦孔高度为1mm，直径为3mm。
10.如权利要求6所述的基于碳纳米管冷阴极的聚焦型三极结构全封装X射线球管，其特征在于，在所述金属栅网上沉积有石墨烯，构成一石墨烯和金属栅网复合式栅极。
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