碳纳米管微束阵列场发射阴极微焦点X射线管

摘要

本发明涉及一种碳纳米管微束阵列场发射阴极微焦点X射线管，属于电磁场领域。该X射线管包括碳纳米管微束阵列阴极、电子束准直聚焦极、阳极、透射靶以及金属陶瓷外壳。碳纳米管微束阵列阴极(3～50μm)，其在负高压(2000V)作用下，通过场致效应发射电子，电子束经特殊结构的电子束聚焦极准直和聚焦后，高速轰击到阳极靶面，即可获得微米级尺寸的X射线焦斑。本发明摒弃了体积大、能耗高的电磁场聚焦透镜和多极聚焦阴极电子枪，因此具有体积小、能耗低、结构简单等优点，在小型化的CT仪器或其它X射线成像及分析仪器设备中有广泛的应用价值。

说明书

技术领域

本发明属于电磁场领域，涉及碳纳米管微束阵列场发射阴极微焦点X射线管。

背景技术

X射线源的焦斑尺寸是CT、DR等X射线数字成像设备的关键技术参数，是决定X射线成像系统的清晰度、空间分辨率等关键技术指标的主要因素之一。目前微焦点X射线源所使用的阴极一般都是钨热阴极。但由于钨丝的直径不能太细，当钨丝的直径小于0.2mm时，其机械强度不能满足使用要求，同时受热后，易产生形变甚至烧断。故在现有技术条件下，热阴极的截面积很难进一步减小(如,发明专利:CN 102884606 A[0021]金属钨丝优选0.2mm)。因此，常规的方式(如发明专利CN 103189955 A，CN 103681181 B；CN 204885080 U)采用电磁场聚焦透镜和多极聚焦电子枪等方式，对电子束进行聚焦后，获得微小X射线焦斑。但电磁场聚焦透镜以及多极聚焦电子枪体积大、能耗高、结构复杂。因此，目前为微米尺寸焦斑的X射线源，一般体积大、结构复杂、价格昂贵，不能应用于小型化、便携式的CT仪器等射线成像设备中，如图1所示。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种碳纳米管微束阵列场发射阴极微焦点X射线管，

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

碳纳米管微束阵列场发射阴极微焦点X射线管，包括碳纳米管微束阵列阴极、电子束准直聚焦极、阳极和透射靶；

所述碳纳米管微束阵列阴极、电子束准直聚焦极、阳极和透射靶的中心位于一条直线上；碳纳米管微束阵列阴极发射出束流直径为Φ5～50μm的电子束，电子束通过电子准直聚焦极的准直聚焦后，电子束进一步准直和变细，通过阳极30～100kV的高压加速后轰击到透射靶上，发出微米尺寸的X射线焦斑；

所述电子束准直聚焦极作用为：通过第一栅极对碳纳米管阴极的发射电流强度进行调控，通过设定第一栅极孔和第二栅极孔的孔径、孔深，得到均匀分布的电场强度，从而实现对电子束进行准直和聚焦。

进一步，该X射线管还包括金属陶瓷外壳，所述金属陶瓷外壳将整个X射线管包围起来，采用95％氧化铝陶瓷并进行陶瓷金属化处理，用于在高压时小型化射线源。

进一步，所述碳纳米管微束阵列阴极由两个圆环和圆心组成，外环直径Φ5～50μm。

进一步，所述碳纳米管微束阵列阴极由两个圆环和圆心组成，外环直径Φ5～50μm，且外环有“十”字型连线的缺口，内环也有“十”字型连线的缺口，但与外环的“十”字型连线的缺口45°交错开。

进一步，所述碳纳米管微束阵列阴极由7个正六边形组成，其中，中间1个，外围6个，外围到中心形成的圆的直径Φ5～50μm。

进一步，所述碳纳米管微束阵列阴极为轮辐状，包括两个圆环、两个圆环之间的“十”字型连线以及里围圆环中部的“十”字型连线，内环中部的“十”字型连线与两个圆环之间的“十”字型连线45°交错开，外环直径Φ5～50μm。

进一步，所述第一栅极孔的孔径Φ₁＝100～200μm、孔深h₁＝50～100μm，第二栅极孔的孔径Φ₂＝120～200μm、孔深h₁＝60～80μm；

为防止第一、第二栅极因温度升高而产生形变导致第一、第二栅极栅孔内电场强度的变化，从而影响到电子束的准直和聚焦，第一、第二栅极的材料为热膨胀系数小的难熔金属，包括钽和铼。

进一步，所述透射靶以金刚石片为基底材料，表面上镀钨膜，金刚石片厚度为0.25～0.5mm，钨膜厚度为1～10μm。

本发明的有益效果在于：随着近几年碳纳米管生长技术以及光刻技术等的进步，如发明专利CN 104637758 A，通在镍金属基底上直接生长碳纳米管冷场发射阴极的方法，获得的碳纳米管场发射阴极的发射阈值可低至1～2V/μm，单极碳纳米管的发射电流可达到μA量级。而且含镍金属基底大大强了增碳纳米管与基底之间的附着力和导电能力，因此，大幅延长了碳纳米管阴极寿命。同时，由于光刻等技术的进步，可以在基底上实现微米尺寸的任意形状碳纳米管阵列生长。由于这种碳纳米管微束阵列阴极的可按本发明的要求加工成微米数量级大小，其发出的电子束，经过本发明提出的特有结构的电子束准直和聚焦极的准直或聚焦后，即可容易获得微米数量级的焦斑尺寸。这样就可以摒弃了体积大、能耗高的电磁场聚焦透镜以及多极电子聚焦透镜。因而，本发明提出的碳纳米管微束阵列阴极微焦点X射线管具有体积小、能耗低等优点，在小型化的CT仪器或其它便携式的X射线成像仪器设备中具有广泛的应用价值。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明结构示意图；

图2为圆环状碳纳米管微束阵列阴极示意图；

图3为圆缺状碳纳米管微束阵列阴极示意图；

图4为六边形碳纳米管微束阵列阴极示意图；

图5为轮辐状碳纳米管微束阵列阴极示意图；

图6为通过电子束准直聚焦极得到的均匀分布的电场；

图7为通过电子束准直聚焦极时的准直和聚焦示意图。

图中标记：1-碳纳米管微束阵列阴极；2-电子准直聚焦极；3-电子束；4-阳极；5-透射靶；6-金属陶瓷外壳；7-高压电缆；8-第一极栅极；9-第二极栅极；10-第一极栅孔；11-电力线分布；12-第二极栅孔。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

本发明提出的碳纳米管微束阵列冷场发射阴极微焦点X射线管结构如图1所示，包括：碳纳米管微束阵列阴极、电子准直聚焦极、阳极靶(反射靶或透射靶)以及金属陶瓷外壳。

碳纳米管微束阵列阴极1发射出束流直径为Φ5～50μm的电子束，电子束通过电子准直聚焦极2的准直聚焦后，电子束3的直径进一步准直和变细，由阳极4(30～100kV)高压加速后轰击到透射靶5上，发出微米尺寸的X射线焦斑。

(1)碳纳米管微束阵列阴极：本发明在进一步优化碳纳米管阴极生长工艺的基础上，研究和论证了碳纳米管微束阵列电子束场发射特性，并结合本发明的微焦点射线源结构，提出几种有利于形成微焦斑的碳纳米管微束阵列形状和尺寸：形状一：圆环状(如图2所示)；形状二：圆缺状(如图3所示)；形状三：六边形(如图4所示)；形状四：轮辐状(如图5所示)；其中，形状一为最优选形状。

(2)电子束准直聚焦极：电子束准直聚焦极是获得微米级焦斑的关键核心部件。一个作用是通过第一栅极对碳纳米管阴极的发射电流强度进行调控，另一个重要作用是，通过设计好第一、第二栅极孔的孔径、孔深等参数，可得到均匀分布的电场强度，如图6所示，从而可实现对电子束进行准直和聚焦的功能，如图7所示。

第一栅极孔最优化尺寸：孔径Φ1＝100～200μm、孔深h1＝50～100μm；

第二栅极孔最优化尺寸：孔径Φ2＝120～200μm、孔深h1＝60～80μm；

电子轰击第一、第二栅极会导致其温度升高，为防止第一、第二栅极因温度升高而产生形变导致第一、第二栅极栅孔内电场强度的变化，从而影响到电子束的准直和聚焦功能。因此，第一、第二栅极的材料应选用热膨胀系数小的难熔金属：如钽、铼等。

(3)透射靶：本发明采用的透射靶，以热导率高的金刚石片为基底材料，表面上镀钨膜。金刚石片为化学气相沉积法制备得到，厚度为0.25～0.5mm，此厚度的金刚石片既具有足够的机械强度抵抗真空压力，也对X射线自吸收小于10％。所述薄钨膜厚度为1～10μm，通过磁控溅射法等方法制备。

(4)金属陶瓷管外壳体：采用95％氧化铝陶瓷并进行陶瓷金属化处理。相对于传统射线源的玻璃管外壳，95％氧化铝陶瓷具有更高的绝缘性能，在最高压相同的情况下，可进一步减小射线管的体积，有利于射线源的小型化。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。