TWI552187B - 冷陰極ｘ射線產生器的封裝結構及其抽真空的方法 - Google Patents

Description

冷陰極X射線產生器的封裝結構及其抽真空的方法

本發明係關於一種冷陰極X射線電子束產生器，特別是指一種陰極具有多重壁碳膜形成於金屬為X射線電子束產生器，而在X射線電子束產生器封裝過程中，以內置的鎢絲激發熱電子，以加速的熱電子撞擊球管玻璃與陽極靶材的污染物，以加速抽真空。

一X射線電子束產生器根據場電子發射量子理論產生場發射電子。場發射電子之基本原理係為，於不施加電場時，一導體之電子必須具有足夠之能量方能有機會穿過勢能壘(potential energy barrier)而到達真空側。當施加一電場時，能帶(energy band)發生彎曲，使得電子無需具有巨大能量便可穿過勢能壘而到達真空側。當所施加之電場增大時，電子所要穿過之勢能壘減小，且所產生電流之強度增大。根據電磁理論，一物體之一尖端相較該物體之一鈍端積聚更多之電荷。換言之，一物體之一尖端相較該物體之一鈍端具有一更強之電場。因此，一場發射陰極(即X射線電子束產生器)之電子發射部被設計成尖端 形狀，進而無需施加高電壓便可產生一較強之電場。

目前，X射線電子束產生器通常係於一微波元件、感測器、面板顯示器等等中用作一電子來源。電子發射之效率主要取決於一場發射陰極(即X射線電子束產生器)之元件結構、材質以及形狀。場發射陰極係由諸如矽、金剛石及碳奈米管(carbon nano tube)等金屬製成。這些材質當中，碳奈米管尤其重要，原因在於碳奈米管的開口極細且穩定、具有低的傳導場及高的發射電流密度、並且非常穩定。由於具有此等特性，碳奈米管非常適用於場發射陰極。因此，碳奈米管將極有可能取代其它材料而成為下一代場發射材料。

場發射陰極可用作一X射線電子束產生器(例如X射線管)之一陰極。一X射線電子束產生器係封裝一陰極、一電磁透鏡光圈(electromagnetic-lens aperture)以及一陽極靶於一玻璃容器內。習知之熱離子陰極氖管(thermionic cathode neon tube)可由碳奈米管取代。當於一X射線電子束產生器中利用一熱離子陰極氖管時，約99%之電能被轉變成熱量。因此，須以冷卻水冷卻熱離子陰極氖管。相反，碳奈米管可於較小之電場強度下發射電子束，因而將電能轉變成電子束之效率高於熱離子陰極氖管。另外，當於一X射線電子束產生器中使用碳奈米管時，無需使用冷卻過程。

利用碳奈米管做為冷電子陰極以產生X射線電子束的技術首先於Zhou等人所提交之美國專利第6,533,096號。Zhou等人利用具奈米結構之材料作為陰極場發射之一發射源。此外，據Zhou等人宣稱，可獲得4A/cm²之電流密度。不過，該專利技術 之起始電場約至3-5V/μm，在電流密度高於30mA/cm²時不穩定。

發明人因此發表一x射線產生器發明專利，是一種低起始電場約至0.3V/μm即可發出x射線的冷電子陰極。請參見美國專利號第8,559,599號。如圖1所示的陰極111結構中，是由基座110上之金屬條上以化學氣相沈積技術成長的碳膜層做為電子束發射器(冷陰極為110C。110W為側壁。只是，在封裝過程中，發現欲使玻璃球管達到所需目標區(約1.0E-8torr)真空度，得以渦輪泵(turbo pump)或(turbo pump)抽一段時間，約3小時才能達到預定之真空度1.0E-8至1.0E-9torr。然，x射線產生器於使用一段時間後(約使用100次)，以這x射線產生器所拍攝的相片，又不再那麼清晰。發明人經多次實驗研判，導致x射線相片品質變劣的主要原因是玻璃球管內部的真空度再度變差了。以下，本發明將提出一技術以克服上述的問題。以這x射線產生器所拍攝的相片，可以在使用一段使用次數後仍保有原x射線產生器所拍攝的相片品質。另外，冷電子X射線電子束產生器應用於人體X光拍攝時，高達60~70kV的高電壓，有端子放電的問題。

有鑒於前述，本發明將提供一技術以克服前述的問題。

本發明之一目的提供一冷陰極X射線產生器的封裝結構，能夠在使用一段時間(次數)仍保有如初的真空潔淨度，而利於維持由X射機所拍攝之照片品質。

本發明之另一目的提供一冷陰極X射線產生器的封 裝結構中玻璃球管之抽真空的方法。

本發明之另一目的提供一冷陰極X射線產生器的封裝結構中以鎢絲加熱協助玻璃球管之抽真空的方法。

本發明之再一目的提供一冷陰極X射線產生器的封裝結構中以高壓絕緣膠防止放電。

本發明揭露一種冷陰極X射線產生器的封裝結構，包含一冷陰極、一聚焦元件、一陽極靶材、一玻璃球管，其中該冷陰極、該聚焦元件、該陽極靶材順序安裝於該玻璃球管內，且該冷陰極的電子發射端面向該陽極靶材，該陽極靶材具有一斜面，以使所產生之X射線由一位於該陽極靶材與該聚焦元件的一X射線窗口射出，該冷陰極一連接第一引脚，該陽極靶材連接第三引脚，其中，冷陰極的周圍設有一鎢絲，鎢絲連接第二引脚，該鎢絲及該第二引脚，該玻璃球管與一倍壓元件模組再被一高壓絕緣膠及一鉛殼封住，除該X射線窗口及上述之引脚例外。

上述的鎢絲及第二引脚，在封裝過程中有利於加速玻璃球管真空度的到達。特別是封裝固定後，保有真空度的潔淨度比沒有鎢絲的冷陰極X射線產生器，可以使用更久後仍保有拍攝清晰的品質。

本發明也提供抽真空的方法，該方法係於對玻璃球管抽真空時對鎢絲本身施以小電壓大電流，陽極靶的引脚，再施以高電壓，以使鎢絲的電子束可以被加速打在靶材、玻璃球管的管壁，而達到將容易游離之污染物，在抽真空過程中，被真空泵所抽離。

100‧‧‧玻璃球管

110W‧‧‧陰極側壁

110C‧‧‧冷陰極

112‧‧‧絕緣材料

101‧‧‧第一鉛筒薄殼

102‧‧‧第二鉛薄殼

1101‧‧‧第一引脚

110‧‧‧基座

110C2‧‧‧碳膜

111‧‧‧陰極

110C1‧‧‧金屬條

125‧‧‧聚焦元件

105‧‧‧高壓絕緣膠

115‧‧‧鎢絲

130X‧‧‧射線窗口

140‧‧‧陽極靶

1404‧‧‧陽極引脚(第四引脚)

200‧‧‧手攜式X光機

210‧‧‧倍壓元件模組

230‧‧‧控制模組

240‧‧‧外殼

1102‧‧‧第二引脚

1153‧‧‧第三引脚

205‧‧‧電池

220‧‧‧高頻振盪模組

235‧‧‧扣板機

圖1示習知X射線產生器之冷陰極的示意圖。

圖2A示依據本發明實施例，三極管陰極架構的X射線產生器陰極基座周圍有鎢絲的示意圖。

圖2B示依據本發明實施例，二極管陰極架構的X射線產生器陰極基座周圍有鎢絲的示意圖。

圖2C示依據本發明實施例，三極管陰極架構的X射線產生器陰極基座周圍有鎢絲，且鎢絲在聚焦元件的內部的示意圖。

圖2D示依據本發明實施例平面的基座上有冷陰極，側邊有鎢絲的橫截面示意圖。

圖2E示依據本發明實施例，另一種陰極座碳膜層是形成於一上凸曲面基座上，基座旁有鎢絲的示意圖。

圖2F示依據本發明實施例，另一種陰極座碳膜層是形成於一下凹曲面基座上，基座旁有鎢絲的示意圖。

圖2G示依據本發明實施例，沿X射線產生器之X射線窗口切面的橫截面示意圖。

圖3示依據本發明實施例，手攜式X射線機之各功能模組示意圖。

本發明之X射線產生器之玻璃球管100內置基座110、冷陰極110C、一聚焦元件125、一陽極靶材140包含一斜面，以使電子打在陽極靶材140之斜面時得以和聚焦元件125之間的一X線將窗口出X光，此窗口稱為X射線窗口130，及一鎢絲115。其中，X射線產生器的陰極可以是三極管陰極，如圖2A及圖2C或二極管陰極X射線產生器如圖2B。X射線產生器的陽極則連接於陽極引脚1404。

其中，三極管陰極的圖2A及圖2C之區別在於鎢絲115在聚焦元件125外部，請參照圖2A。或在聚焦元件125內部，請參照圖2C。又，三極管陰極X射線產生器之基座110與聚焦元件125相連接，且連接於第二引脚1102。冷陰極110C則連接於第一引脚1101。基座110及冷陰極110C之間以一絕緣材料112隔離，例如陶瓷材料。而鎢絲115的第二接脚，連接於第二引脚1102。即，基座110、第二引脚1102、聚焦元件125及鎢絲的第二接脚是等電位的。鎢絲115的第一接脚連接於三極管陰極X射線產生器之第三引脚1153。三極管陰極X射線之第三引脚1153為鎢絲專用接脚，只有在X射線產生器之玻璃球管100抽真空時有效。一旦，玻璃球管100的真空完成後，再進行封裝後就與X射線產生器之使用及操作無關，請參照後述。

二極管陰極的架構，請參照圖2B。圖2B示鎢絲115在聚焦元件125外部。當然，鎢絲115也可位在聚焦元件125內部(未圖示)。二極管陰極X射線產生器之基座110與聚焦元件125相連接也與冷陰極為110C相連接且連接於第二引脚1102及第一引脚1101。第二引脚1102及第一引脚1101既然相連接，其中之一引脚 可以省略，也可保留。第二引脚1102、第一引脚1101及連接鎢絲的第三引脚1153可以成一平面。鎢絲的另一接脚則和第一引脚1101相連接。即，基座110、聚焦元件125、冷陰極為110C及鎢絲115的一接脚，四者是等電位的。同樣地，對於二極管陰極X射線之第三引脚1153為鎢絲專用接脚，只有在X射線產生器之玻璃球管100抽真空時有效。一旦，玻璃球管100的真空完成後，再進行封裝後就與X射線產生器之使用及操作無關。

如前所述，鎢絲115可以設在聚焦元件125的內部，也可以在外部，不管二極管陰極或三極管陰極。鎢絲115的位置總是在陰極為110的外圍。鎢絲115的高度不限，可以略低於、相同或略高於基座110。但都不要緊。因為，鎢絲115的作用，只有在封裝抽真空過程用的上。封裝抽真空過程中，連接鎢絲一接脚的第三引脚1153(鎢絲專用接脚)被施以一加熱的電壓。這電壓約為低電壓2V~10V。連接鎢絲之一接脚的第一引脚1101則接地。一實施例中，所施加的電壓約為5V電流約1-5A以加熱鎢絲。紅熱的鎢絲115加熱而使玻璃球管受熱，進而促使玻璃球管100內的任何殘餘有機物、水氣，因此揮發出氣(out gas)。此外，陽極端140的第四引脚1404，則施以高電壓數仟至數十仟伏(更佳的是約70kV)的高壓，以使該鎢絲產生熱電子，熱電子被高壓引導加速而因此撞擊玻璃球管100，而將玻璃球管100、陽極靶材140上的附著之可逸出的污染物一一撞擊出來。熱電子質量雖輕，但高壓加速後將帶有足夠的能量可以撞擊上述污染物，但不會對玻璃球管造成損傷。熱電子本身也不會使真空變差。

依據本發明的一實施例，抽真空過程中，鎢絲115 加熱是間斷的以避免玻璃球管100過熱。亦即，鎢絲每加熱一段時間後，就休息幾分鐘，待冷却下來了(氣冷)，再加熱鎢絲115以及續抽真空。如此，反覆數次後，玻璃球管100管壁(內壁)，以及陽極靶材140上日後任何可能游離的污染物可以在這次的抽真空過程中被清除。以直徑約30-45mm的玻璃球管100(或可以用體積40-60mm³的玻璃球管)為例，約需近1小時(包括休息時間在內)。最後，再由外加熱將玻璃球管100末端封閉，例如燒熔。

本發明具有鎢絲115輔助抽真空的方法與傳統沒有鎢絲輔助抽真空的方法相比較的實驗顯示，本發明不但縮短了抽真空的總時間，更能確保玻璃球管100內真空度長時間使用的真空潔淨度，X射線產生器的壽命可以明顯增加，拍攝出來的品質(清晰度)即使使用了1萬的次數，仍可以保持良好品質，一如以往。相對地，不具鎢絲115輔助抽真空的X射線產生器，即便抽真空的間間需要較長，最後，也能達成了相同的真空度，但是，使用一段時間後，就有相片清晰度變差的問題。特別是本發明的X射線產生器中之玻璃球管一但封口後，即不可再回復。特別是最後的封裝品，還包括高壓絕緣膠、鉛薄殼的包覆。

隨後，玻璃球管100的管線被燒熔，而使玻璃球管密封，只露出四支引脚1101，1102、1153，1404。其中，引脚1153，抽完真空後便是dummy的。X射線產生器使用時，對於，陰極二極管X射線產生器而言，只需要第一引脚1101(或第二引脚)、及第四引脚1404，對於，陰極三極管X射線產生器而言，第一引脚1101、第二引脚1102及第四引脚1404有效。

上述的基座110是一平的基座。而冷陰極110C則由 金屬條110C1及其表面的碳膜層110C2所組成。然後，再以銀膠或錫膏(未圖示)113固定於基座110上，以二極管而言。其中，金屬條以直徑0.1-3mm的鎳金屬條為最佳，鉑金屬條為次佳。請參見圖2D的橫截面示意圖，金屬條110C。

在三極管中，金屬條並沒有直接固接於基座110上，而是冷陰極110C以絕緣材料112固定，絕緣材料112是陶瓷材料。金屬條另連接於第一引脚1101。

再另一態樣，基座110是一曲面，其上的碳膜110C2也一致性的形成一曲面的示意圖，參見圖2E及圖2F。其中，圖2E為向上凸的曲面，圖2F為向下凹的曲面。

由於，X射線產生器利用於人體照射時，玻璃球管100的陰極引脚1101(或/及1102)與陽極引脚1404的施加的電壓達50kV~75kV以上，這様大的電壓差，將使玻璃球管100外圍之空氣，很容易在正負電壓引脚1101、1404附近因絕緣性破壞而爆破，進而產生火花。

故，請參照圖2G的橫截面示意圖，它是沿圖2B示沿玻璃球管100的X射線窗口130的橫截面示意圖。本發明先對球管100先選擇性包覆一層但裸露X射線發射窗口的鉛筒薄殼101。這層第一鉛筒薄殼101是一厚度約為1mm，例如一含一X射線窗口130之鉛筒薄殼。然後，上述的被鉛筒薄殼包覆的玻璃球管100包含一組倍壓元件210，倍壓元件210的輸出端與X射線產生器100的陽極引脚1404及連接冷陰極110C的第一引脚1101連接。倍壓元件210及其輸出端與玻璃球管100再被高壓絕緣膠105所包覆。鉛筒薄殼101之X射線窗口同樣沒有高壓絕緣膠105。最後，再一第二鉛薄殼 102。再次包覆高壓絕緣膠105、玻璃球管100。以降低輻射量。第二鉛薄殼102當然同樣留有X射線窗口130。

上述的實施例中，並不限於有第二鉛薄殼102內一定要有第一鉛筒薄殼101，例如，只有第二鉛薄殼102即可。不過，第一鉛筒薄殼101和第二鉛薄殼102之厚度總合可以比只有單一層鉛皮厚度來得低，因此，可以減少手提式X光機的總重量。重量大約少了10%。

本發明也提出一手提式X光機200之結構，請參考圖3，包含內置x射線產生器的玻璃球管100、倍壓元件模組210、控制模組230、高頻振盪模組220再以一外殼240封裝成一手槍型可攜式裝置。一電池205是可以置換及/或充電的設於手槍型可攜式裝置握把。如圖3所示的示意圖。其中，控制模組230和可攜式裝置的扣板機235連接，X射線產生器模組包含玻璃球管100及倍壓元件模組210升壓元件的X射線窗口130對準槍膛口，而高頻振盪模組220是用以使低電壓的電池205經過高頻振盪後升壓至所需的電壓再透過玻璃球管100之第一引脚1101及陽極引脚1404產生X RAY。

本發明提出之X射線產生器，使用時電流非常小，約為100~200微安培，是已知最小電流X射線產生器的十分之一而已，例如，已知ARIBEX公司所製造之Nomad pro 2手攜式X光機它不是冷電子，而是傳統的鎢絲型，它所需要的電流約為1mA以上，且不能連續使用，每使用1秒，就得休息一分鐘以上，以冷却手提式X射線機。

本發明具有以下的優點：

(1)本發明手攜式X光機的X射線可連續發射，在高壓下(65KV)具有很好的穿透力，習知，可攜式X射線產生器不是冷陰極，既是可攜式就沒有冷却水，故只能自然的氣冷，每使用1秒，得休息1分鐘以上，以進行散熱。本發明無此困擾。

(2)本發明的X射線產生器之玻璃球管內部是真正的高真空，因此，即偒在使用過一段使用次數後，真度度不變，故拍攝品質一如往習，相對於玻璃球管內部沒有鎢絲協助的X射線產生器，使用約100次後，玻璃球管內部就會再次真空惡化導致品質低落的問題。

(3)本發明的X射線產生器劑量低，連續十秒也只和習知技術的劑量相同而已，因此，比傳統技術更適用於人體胸腔、牙齒保健、骨胳拍攝，傷害低。

以上所述僅為本發明之一較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其他未脫離本發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。

100‧‧‧玻璃球管

110W‧‧‧陰極側壁

112‧‧‧絕緣材料

115‧‧‧鎢絲

130X‧‧‧射線窗口

140‧‧‧陽極靶

1404‧‧‧陽極引脚(第四引脚)

110‧‧‧基座

110C‧‧‧冷陰極

125‧‧‧聚焦元件

1101‧‧‧第一引脚

1102‧‧‧第二引脚

1153‧‧‧第三引脚

Claims (10)

1. 一種冷陰極X射線產生器的封裝結構，包含一基座、冷陰極、一聚焦元件、一陽極靶材、一玻璃球管，其中該冷陰極、該聚焦元件、該陽極靶材順序安裝於該玻璃球管內，且該冷陰極的電子發射端面向該陽極靶材，該陽極靶材具有一斜面，以使所產生之X射線由一位於該陽極靶材與該聚焦元件的一X射線窗口射出，該冷陰極連接第一引脚，該陽極靶材連接陽極引脚，其特徵在於該基座與該冷陰極隔離，該基座連接第二引脚，也連接鎢絲的一接脚，該鎢絲的另一接脚連接鎢絲專用引脚，該鎢絲專用引脚只於該玻璃球管被抽真空時施加電壓以加熱該鎢絲時使用，當該玻璃球管已完全封閉後該鎢絲專用引脚與該冷陰極X射線產生器的使用無關。
2. 如申請專利範圍第1項所述之冷陰極X射線產生器的封裝結構，更包含一倍壓元件模組於其內，其中，該倍壓元件模組輸出端電性連接該玻璃球管之第一引脚及陽極引脚，且該倍壓元件模組與該玻璃球管被以高壓絕緣膠封裝為一體，只留下一X射線窗口，此外，在該冷陰極X射線產生器的封裝結構外，更包含一振盪電路、及一電池，其中，該電池的電力經由被該振盪電路及該倍壓元件模組的作用而升壓至數十仟伏的高壓。
3. 如申請專利範圍第2項所述之冷陰極X射線產生器的封裝結構，於該高壓絕緣膠封裝前更包含一第一鉛筒薄殼包覆該玻璃球管，該第一鉛筒薄殼在該X射線窗口位置是裸露的，一高壓絕緣膠包覆該第一鉛筒薄殼與該倍壓元件模組，其中上述之X射線窗口在上述第一鉛筒薄殼、高壓絕緣膠包覆後，在該X射線窗口位置仍是裸露的。
4. 如申請專利範圍第1項所述之冷陰極X射線產生器的封裝結構，其中上述之冷陰極是由一基座及在基座上的金屬條所組成，該金屬條上沈積有碳膜層，用以發射電子。
5. 如申請專利範圍第1項所述之冷陰極X射線產生器的封裝結構，其中 上述之冷陰極是一碳膜層，該碳膜層形成於基座上之一曲面上。
6. 一種冷陰極X射線產生器的封裝結構，包含一基座、冷陰極、一聚焦元件、一陽極靶材、一玻璃球管，其中該冷陰極、該聚焦元件、該陽極靶材順序安裝於該玻璃球管內，且該冷陰極的電子發射端面向該陽極靶材，該陽極靶材具有一斜面，以使所產生之X射線由一位於該陽極靶材與該聚焦元件的一X射線窗口射出，該冷陰極連接第一引脚，該陽極靶材連接陽極引脚，其特徵在於該基座與該冷陰極連接，該基座連接第二引脚，也連接鎢絲的一接脚，該鎢絲的另一接脚連接鎢絲專用引脚，該鎢絲專用引脚只於該玻璃球管被抽真空時施加電壓以加熱該鎢絲時使用，當該玻璃球管已完全封閉後該鎢絲專用引脚與該冷陰極X射線產生器的使用無關。
7. 如申請專利範圍第6項所述之冷陰極X射線產生器的封裝結構，更包含一倍壓元件模組於其內，此外，在該冷陰極X射線產生器的封裝結構外，更包含一振盪電路、及一電池，其中，該倍壓元件模組電性連接該玻璃球管之第一引脚及陽極引脚，且與該玻璃球管被以高壓絕緣膠封裝為一體，只留下一X射線窗口，其中，該電池的電力經由被該振盪電路及該倍壓元件模組的作用而升壓至數十仟伏的高壓。
8. 一種冷陰極X射線產生器的封裝結構，包含一倍壓元件模組、及一玻璃球管，其中，該玻璃球管順序內置有基座、冷陰極、一聚焦元件、一陽極靶材，該聚焦元件及該陽極靶材之間有一X射線窗口，該冷陰極位於該基座上且電性隔離，該基座旁設有一鎢絲，該鎢絲的一接脚與該基座引脚共用，該鎢絲的另一專用引脚只於該玻璃球管被抽真空時施加電壓以加熱該鎢絲時使用，該冷陰極引脚及連接該陽極靶材的引脚連接於該倍壓元件模組之輸出端，該倍壓元件模組與該玻璃球管連接上述之引脚被以高壓絕緣膠及一鉛殼封住而封裝為一體，只留下該X射線窗口。
9. 一種冷陰極X射線產生器的封裝結構，包含一倍壓元件模組、及一玻璃球管，其中，該玻璃球管順序內置有基座、冷陰極、一聚焦元件、 一陽極靶材，該聚焦元件及該陽極靶材之間有一X射線窗口，該冷陰極位於該基座上且電性連接，該基座旁設有一鎢絲，該鎢絲的一接脚與該基座引脚共用，該鎢絲的另一專用引脚只於該玻璃球管被抽真空時施加電壓以加熱該鎢絲時使用，該基座引脚及連接該陽極靶材的引脚連接於該倍壓元件模組之輸出端，該倍壓元件模組與該玻璃球管連接上述之引脚被以高壓絕緣膠及一鉛殼封住而封裝為一體，只留下該X射線窗口。
10. 一種冷陰極X射線產生器的封裝結構之抽真空的方法，至少包含：提供一具有冷陰極X射線產生器、該冷陰極X射線產生器由一玻璃球管內設有一冷陰極形成於基座上、聚焦元件、一陽極靶材，該冷陰極的周圍設有一鎢絲，該鎢絲有一專用接脚，另一接脚與冷陰極之一接脚共用；在該玻璃球管封口前對該玻璃球管進行抽氣時，同時將鎢絲專用接脚連接施以電壓2V~10V電壓，電流約1-5A，該鎢絲之一接脚接地以加熱鎢絲，該陽極引脚連接一數仟至數十仟伏之高電壓，以使該鎢絲產生熱電子，該些熱電子向該玻璃球管、該陽極靶撞擊，以使粘貼於該玻璃球管、該陽極靶上游離之污染粒子，脫落而加速被抽出；當該玻璃球管達到預定之真空度時，將該玻璃球管封口。