CN219936990U - 一种复合型高导热光电阳极结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种复合型高导热光电阳极结构，包括用于吸引电子束的阳极靶材、与高压阳极电连接的导电基座，导电基座具有供阳极靶材附着的顶面，导电基座的顶面对应阳极靶材的位置处开设有凹槽，凹槽内填充有对阳极靶材散热的金刚石片，金刚石片的顶面与导电基座的顶面相平齐，并贴附支撑在阳极靶材的底面上，导电基座与阳极靶材相接触，以保证有足够的电压加在阳极靶材(阳极)和阴极之间，阴极产生的电子束在高压电场的作用下被阳极靶材吸引，电子轰击在阳极靶材产生X射线，利用金刚石片的高导热系数，将阳极靶材的轴、径向产生的热量快速传导，使得电子束轰击区域内的热流密度降低，提高阳极结构的散热能力，有利于提高电子束密度和能量。
Description
技术领域
本实用新型涉及光电阳极技术领域，特别是涉及一种复合型高导热光电阳极结构。
背景技术
根据目前光电器件的工作原理可知，电子在电场的作用下，向正极聚集。从而在光电器件内部形成电流。为了获得更高的器件功率、转换效率，在器件内部施加高能或高密度的电子束。由于增加了电子的个数、能量，这表示阳极单位面积内接收到的电子束的整体能量增大，而在这种电子束轰击阳极的过程中，大部分电子束转换为热能。同时，电子束轰击的区域尺寸受限，高密度电子束产生的热流密度很高，且被集中在指定区域内，导致阳极瞬间融化而破损。基于以结论，提高光电器件的转换效率，即需要提高阳极的热学性能。这对阳极本身材料的热学性能要求很高，包括材料的热容和导热系数等。
现有材料当中，能够承受高能量的电子轰击，需要极高的导热系数，同时具备熔点高的特点。但根据目前光电阳极应用的制备材料来看是无法进一步提高器件的功率和转换效率。即常用光电阳极无法承受高热流密度的电子束轰击。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种复合型高导热光电阳极结构，以解决上述现有技术存在的问题，能够承受高能电子束产生的热量，并达到快速散热的目的，进而提高光电器件的功率和转换效率。
为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：本实用新型提供一种复合型高导热光电阳极结构，包括用于吸引电子束的阳极靶材、与高压阳极电连接的导电基座，所述导电基座具有供所述阳极靶材附着的顶面，所述导电基座的顶面对应所述阳极靶材的位置处开设有凹槽，所述凹槽内填充有对所述阳极靶材散热的金刚石片，所述金刚石片的顶面与所述导电基座的顶面相平齐，并贴附支撑在所述阳极靶材的底面上。
优选的，所述阳极靶材的厚度大于电子束中5％至90％的电子集中作用深度0.1μm至0.3μm。
优选的，所述阳极靶材厚度为为2μm至5μm。
优选的，所述阳极靶材与所述凹槽同轴设置，且所述阳极靶材的外周边缘沿周向环绕在所述凹槽的外周侧。
优选的，所述导电基座的顶面呈倾斜状结构，且其倾斜角度为15°至25°。
优选的，所述导电基座为铜柱基座，所述金刚石片与所述凹槽接触的表面覆盖有经碳化处理形成的结合层。
优选的，所述结合层与所述凹槽的内表面之间连接有钎焊层。
优选的，所述金刚石片的厚度为0.5mm-0.8mm。
优选的，所述金刚石片与所述导电基座顶面均为同轴设置的圆形结构，且所述金刚石片的直径为所述导电基座顶面直径的80％。
优选的，所述铜柱基座的底部设有用于连接高压电极的高压连接孔。
本实用新型相对于现有技术取得了以下技术效果：
第一，通过在导电基座的顶面开设凹槽，并在凹槽内填充金刚石片，且金刚石片的顶面与导电基座的顶面相平齐，使得阳极靶材能够同步覆盖在导电基座和金刚石片上，一方面通过导电基座与阳极靶材相接触，以保证有足够的电压加在阳极靶材(阳极)和阴极之间，阴极产生的电子束在高压电场的作用下被阳极靶材吸引，电子轰击在阳极靶材产生X射线，另一方面，将金刚石片与阳极靶材结合，利用金刚石片的高导热系数，将阳极靶材的轴、径向产生的热量快速传导，使得电子束轰击区域内的热流密度降低，从而提高复合结构阳极的散热能力，有利于提高电子束密度和能量。进一步的，由于阳极靶材同步覆盖在导电基座和金刚石片上，也就是说利用导电基座和金刚石片共同对阳极靶材的支撑，以保持阳极靶材的形状，避免电子轰击在阳极靶材，导致阳极靶材软化产生形变，影响X射线的生成。
第二，阳极靶材的厚度大于电子束中5％至90％的电子集中作用深度0.1μm至0.3μm，避免电子束轰击产生的热量在阳极靶材的轴向传导距离过长，单位面积内热流密度随之升高，本实用新型对阳极靶材对应电子作用深度的厚度进行限制，增加热量的轴向快速传导能力。
第三，阳极靶材与凹槽同轴设置，且阳极靶材的外周边缘沿周向环绕在凹槽的外周侧，使得阳极靶材与金刚石片均匀接触，进而保证复合结构阳极的散热能力。
第四，金刚石片与凹槽接触的表面覆盖有经碳化处理形成的结合层，以确定碳化处理过程中必然出现碳化物，同时确保了金刚石片表面与导电基座结合的成功概率。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型整个阳极结构的侧视图；
图2为图1中A处的放大图；
图3为本实用新型整个阳极结构的正视图；
图4为本实用新型整个阳极结构使用时的示意图；
其中，1-阳极靶材、2-金刚石片、3-钎焊层、4-铜柱基座、5-高压连接孔、6-导电基座的顶面、7-阴极。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
本实用新型的目的是提供一种复合型高导热光电阳极结构，以解决上述现有技术存在的问题，能够承受高能电子束产生的热量，并达到快速散热的目的，进而提高光电器件的功率和转换效率。
为使本实用新型的上述目的、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实用新型作进一步详细的说明。
如图1至图4所示，本实施例提供一种复合型高导热光电阳极结构，具体为反射式阳极，其包括用于吸引电子束的阳极靶材1、与高压阳极电连接的导电基座，优选的阳极靶材1的材质为金属钨，导电基座作为高压阳极为阳极靶材1提供电压，其具有供阳极靶材1附着的顶面，导电基座的顶面6对应阳极靶材1的位置处开设有凹槽，凹槽内填充有对阳极靶材1散热的金刚石片2，金刚石片2的顶面与导电基座的顶面6相平齐，并贴附支撑在阳极靶材1的底面上，其中，通过在导电基座的顶面6开设凹槽，并在凹槽内填充金刚石片2，且金刚石片2的顶面与导电基座的顶面6相平齐，优选的凹槽和金刚石片2的径向截面均为圆形，凹槽深度与金刚石片2的厚度、直径相同，使得阳极靶材1能够同步覆盖在导电基座和金刚石片2上，如图4所示，实际应用时，在X射线管中，导电基座作为X射线管中的发射阳极，且其为反射式阳极，阴极7产生自由电子，形成发射电子束，在对导电基座施加高压后，在阴极7和导电基座之间形成电场，阴极7产生的电子束在高压电场的作用下被阳极靶材1吸引，电子轰击在阳极靶材1产生X射线和热能；金刚石片2和导电基座为阳极靶材1提供支撑，同时金刚石片2能够将阳极靶材1内部产生的热能快速导出，具体的，将金刚石片2与阳极靶材1结合，利用金刚石片2的高导热系数，将阳极靶材1的轴、径向产生的热量快速传导，使得电子束轰击区域内的热流密度降低，从而提高复合结构阳极的散热能力，有利于提高电子束密度和能量。进一步的，由于阳极靶材1同步覆盖在导电基座和金刚石片2上，也就是说利用导电基座和金刚石片2共同对阳极靶材1的支撑，以保持阳极靶材1的形状，避免电子轰击在阳极靶材1，导致阳极靶材1软化产生形变，影响X射线的生成。
作为优选的，阳极靶材1通过镀附的形式附着于金刚石片2和导电基座的顶面6上，以保证有效达到阳极靶材1所需厚度。阳极靶材1的材质为金属钨，采用磁控溅射的方法镀附在金刚石片2和导电基座的顶面6，形成一个厚度在2μm至5μm的薄膜。
进一步的，基于反射式阳极的X射线发射特点，当电子束作用于阳极靶材1发生散射效应，主要作用深度与电子能量相关，即阳极靶材1最小厚度由电子的能量确定。但如果阳极靶材1的厚度大于阈值，则电子束轰击产生的热量在阳极靶材1的轴向传导距离增加，单位面积内热流密度随之升高。进而本实用新型中，阳极靶材1的厚度大于电子束中5％至90％的电子集中作用深度0.1μm至0.3μm，阳极靶材1的厚度大于电子束中5％至90％的电子集中作用深度0.1μm至0.3μm，避免电子束轰击产生的热量在阳极靶材1的轴向传导距离过长，单位面积内热流密度随之升高，本实用新型对阳极靶材1对应电子作用深度的厚度进行限制，增加热量的轴向快速传导能力。作为本实用新型优选的实施方式，先基于蒙特卡罗方法对电子束在阳极靶材1中的能量分布进行仿真，在20～50keV电子能量的范围内，电子束中5％～90％的电子集中作用在0.3～1.8微米的区域。那么本实用新型将阳极靶材1厚度设计为2μm，以增加热量的轴向快速传导能力。优选的，为匹配不同电子束的作用深度，阳极靶材1厚度为为2μm至5μm。
而且，阳极靶材1与凹槽同轴设置，且阳极靶材1的外周边缘沿周向环绕在凹槽的外周侧，具体的阳极靶材1的外周边缘伸出凹槽的各部分均等宽，那么电子束能够集中轰击在阳极靶材1的轴心位置处，即，焦斑位于阳极靶材1的轴心位置处，以能够直接利用金刚石片2与此处的接触进行散热，且使得阳极靶材1与金刚石片2均匀接触，进而保证复合结构阳极的散热能力。
作为优选的，导电基座的顶面6呈倾斜状结构，且其倾斜角度为15°至25°，以增加阳极靶材1的散热面积，且增加阳极靶材1与金刚石片2的接触面积，提高换热效果。
作为本实用新型优选的实施方式，导电基座为铜柱基座4，根据金刚石片2的物理学特性，需要对接触面表面进行金属化处理，即金刚石片2与凹槽接触的表面进行碳化处理。金刚石片2与凹槽接触的表面覆盖形成经碳化处理形成的结合层，确定碳化处理过程中必然出现碳化物，进而确保了金刚石片2表面与导电基座结合的成功概率。
由于金刚石片2和铜柱基座4之间的润湿性和反应性差，传统的焊接或电镀难以将它们焊接在一起。所以，金刚石片2与铜柱基座4的结合方式属于通过中间的介质层间接结合在一起。采用的焊接方式为真空钎焊，即，结合层与凹槽的内表面之间连接有钎焊层3，钎焊材料以银、铜、钛为主，以一定比例混合。真空钎焊工艺的优点在于能够得到膜层间较好的浸润性，膜层间接触良好，而且热应力影响很小。通过优化铜柱基座4、阳极靶材1、金刚石片2之间的接合工艺，提高复合结构的高导热特性X射线阳极的可靠性、热学特性、连续工作时间。
进一步的，金刚石片2的厚度为0.5mm-0.8mm。优选金刚石片2为直流等离子体喷射法制备得到，采用直流电弧等离子体喷射方法制备的金刚石片2，在Mo模上沉积形成高厚度的金刚石片2。当金刚石片2厚度大于0.5mm时，钎焊层3、铜柱基座4、阳极其他边界位置的温度变化并不明显，这里可以认为近似不变，且均小于材料熔点。当进入稳态导热后，这些位置的也温度一直维持在50～60℃之间，确保了导热系数始终保持不变。所以金刚石片2的厚度取值在0.5mm-1.5mm之间均可保证阳极工作状态的稳定性。金刚石片2厚度越高则最高温度值越低。考虑到金刚石膜制作过程中厚度的持续增加会对成膜质量和成本造成一定影响，所以，本实用新型所采用的金刚石片2层厚度一般在0.5mm-0.8mm之间。
进一步的，金刚石片2与导电基座顶面均为同轴设置的圆形结构，且金刚石片2的直径为导电基座顶面直径的80％，不仅能够尽可能的增加金刚石片2与阳极靶材1的接触面积，提高对阳极靶材1的换热能力，而且能够确保阳极靶材1与铜柱基座4的接触面积，保证阳极靶材1与阴极7之间形成稳定有效的电场，且优选金刚石片2的上限直径为20mm。
而且，铜柱基座4的底部设有用于连接高压电极的高压连接孔5，以方便铜柱基座4与高压电极的快速连接，优选高压连接孔5为螺纹孔，以提高铜柱基座4与高压电极连接的稳定性。
本实用新型利用金刚石片2作为衬底，将阳极靶材1、铜柱基座4和金刚石片2形成复合阳极。这种复合阳极能够有效提高阳极对热量的负载能力。比较于传统阳极，复合阳极的最高温度值较低，可以提高光电器件的额定功率、转换效率。
根据实际需求而进行的适应性改变均在本实用新型的保护范围内。
需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
本实用新型中应用了具体个例对本实用新型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实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，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实用新型的限制。
Claims (10)
1.一种复合型高导热光电阳极结构，其特征在于，包括用于吸引电子束的阳极靶材、与高压阳极电连接的导电基座，所述导电基座具有供所述阳极靶材附着的顶面，所述导电基座的顶面对应所述阳极靶材的位置处开设有凹槽，所述凹槽内填充有对所述阳极靶材散热的金刚石片，所述金刚石片的顶面与所述导电基座的顶面相平齐，并贴附支撑在所述阳极靶材的底面上。
2.根据权利要求1所述的复合型高导热光电阳极结构，其特征在于，所述阳极靶材的厚度大于电子束中5％至90％的电子集中作用深度0.1μm至0.3μm。
3.根据权利要求2所述的复合型高导热光电阳极结构，其特征在于，所述阳极靶材厚度为2μm至5μm。
4.根据权利要求3所述的复合型高导热光电阳极结构，其特征在于，所述阳极靶材与所述凹槽同轴设置，且所述阳极靶材的外周边缘沿周向环绕在所述凹槽的外周侧。
5.根据权利要求2至4任一项所述的复合型高导热光电阳极结构，其特征在于，所述导电基座的顶面呈倾斜状结构，且其倾斜角度为15°至25°。
6.根据权利要求5所述的复合型高导热光电阳极结构，其特征在于，所述导电基座为铜柱基座，所述金刚石片与所述凹槽接触的表面覆盖有经碳化处理形成的结合层。
7.根据权利要求6所述的复合型高导热光电阳极结构，其特征在于，所述结合层与所述凹槽的内表面之间连接有钎焊层。
8.根据权利要求7所述的复合型高导热光电阳极结构，其特征在于，所述金刚石片的厚度为0.5mm-0.8mm。
9.根据权利要求8所述的复合型高导热光电阳极结构，其特征在于，所述金刚石片与所述导电基座顶面均为同轴设置的圆形结构，且所述金刚石片的直径为所述导电基座顶面直径的80％。
10.根据权利要求9所述的复合型高导热光电阳极结构，其特征在于，所述铜柱基座的底部设有用于连接高压电极的高压连接孔。
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