一种冷阴极聚焦型X射线管.pdf

本发明涉及一种冷阴极聚焦型X射线管。其中包括冷阴极电子源(14)、聚焦电极(7)、真空密封壳体(9)、射线出射窗口(10)以及高电压阳极靶(11)等，其特征还包括附在冷阴极电子源(14)上的氧化锌发射层(5)。本发明中电子源是以平面栅极结构为基础、通过丝网印刷方式制备于玻璃基底(6)表面；高电压阳极靶(11)固定于电子源的正上方；电极放置于陶瓷真空壳体之中，通过电极引线与外部电源相连。陶瓷壳体采用分段封接的方式；冷阴极电子源(14)上方放置金属聚焦电极(7)，聚焦电极之间同样使用陶瓷进行绝缘与封装。通过聚焦电极可以大幅度压缩轰击到阳极靶表面的电子束，实现高分辨率X射线的发射。

1.  一种冷阴极聚焦型X射线管，包含冷阴极电子源(14)、聚焦电极(7)、射线出射窗口(10)、高电压阳极靶(11)以及连接各电极的电极引线，其特征在于在冷阴极电子源(14)表面设有氧化锌发射层(5)，表面电极结构采用平面栅极场致发射结构，即由平面栅极(3)、平面阴极(4)构成；在真空密封壳体(9)的底部设置基座(13)，将制备了平面栅极(3)、平面阴极(4)以及氧化锌发射层(5)的玻璃基底(6)固定在基座(13)上，在真空密封壳体(9)的内部顶端即冷阴极电子源(14)的正上方固定高电压阳极靶(11)，在冷阴极电子源(14)到高电压阳极靶(11)之间顺序放置聚焦电极(7)与射线出射窗口(10)，在冷阴极电子源(14)与聚焦电极(7)之间以及聚焦电极(7)与射线出射窗口(10)之间均采用陶瓷壳体进行封装。

2.  按照权利要求1所述的冷阴极聚焦型X射线管，其特征在于：平面栅极(3)、平面阴极(4)均为梳状结构，梳齿相互交错设置，氧化锌发射层(5)位于平面栅极(3)、平面阴极(4)的梳齿之间；其中平面栅极(3)与平面阴极(4)梳齿宽度的取值范围均为0.1～0.3毫米、平面栅极(3)与平面阴极(4)之间的印有氧化锌发射层的间隙宽度取值为0.2～0.6毫米；冷阴极电子源(14)表面与聚焦电极(7)下端之间的间距为250～500微米，聚焦结构中的单个聚焦电极与电极之间陶瓷隔离体的高度比可选1∶1或1∶2，阳极靶(11)可采用钨、钼以及无氧铜、重金属材料。

3.  按照权利要求1所述的冷阴极聚焦型X射线管，其特征在于：真空密封壳体(9)由陶瓷构成，金属电极与陶瓷之间采用可伐材料进行过渡与真空封接，冷阴极电子源(14)采用丝网印刷的方式制备于玻璃基底(6)表面，氧化锌发射层(5)是采用热化学气相沉积方法制备的四针纳米氧化锌结构。

一种冷阴极聚焦型X射线管
技术领域
本发明涉及X射线管，具体地说是一种冷阴极聚焦型X射线管。
背景技术
近年来X射线成像系统已大量应用于诊断、治疗等医疗领域，作为X成像系统核心部件的X射线管也得到了广泛的关注。传统的X射线管多采用灯丝为电子源，即热阴极X射线管，通过加热灯丝使其内部电子溢出形成有效的电子发射。随着探测技术的发展以及对探测要求的提高，热阴极X射线管因其本身固有的缺点已无法满足现代X射线成像技术所提出的高分辨率、实时性等要求。相反，场致发射冷阴极X射线管因其无需加热、响应迅速等特性，可以有效地实现探测的实时性。之前有国外报道称，采用硅微尖和金刚石薄膜场致发射阵列的X射线管在实验室得以实现。但因其工作电场过高、工作电流过小，限制了这种器件的进一步发展。而其中所采用的微加工掩膜刻蚀工艺，也增加了工艺的复杂性并提高了成本。此外，如果缺少必要的聚焦措施，出射的X射线光束必将具有很大的发散角，不利于X射线成像空间分辨率的提高。
氧化锌(ZnO)是一种用途广泛的半导体材料，近年来，国内外对氧化锌纳米结构都表示了极大的关注，并投入大量的人力和物力开展了有效的研究工作，Science和Appl.Phys.Lett.等国际著名刊物均对此做了大量的相关报道。纳米氧化锌应用于场致发射阴极具有许多优点：丰富的纳米结构形貌为场致发射器件的设计提供了更大的灵活性，并为提高场增强因子提供了更多的形貌优化途径；优良的抗氧化性能大大增加了器件的抗老化能力，并很好地避免了场致发射器件在制备和工作过程中的纳米结构的损毁，从而保证了器件工作性能的稳定；纳米氧化锌中吸附的气体少，有利于获得高发射电流密度，并能保持高发射电流密度下的器件的稳定性；有多种方法可在导电衬底上直接生长氧化锌纳米结构，生长过程与样品尺寸可以调节，从而直接用于电子发射阴极。
发明内容
技术问题：为了解决现有技术所面临的上述问题，采用以平面栅极结构为基础、纳米氧化锌为发射材料的冷阴极电子源，并将其应用于冷阴极X射线管。在场强一定的情况下不仅能够提供足够大的发射电流，它还具有制备工艺简单易行、开启电压低、聚焦性能好等特点。使用这种电子源，为X射线管在未来三维CT的应用上提供了出路与方向，对于放射性医疗、CT图像重建等研究方向的发展意义非常显著。
技术方案：本发明公开的一种冷阴极聚焦型X射线管，电子源表面电极采用平面栅极结构、以纳米氧化锌作为场致发射材料。通过在电子源平面栅极电极上施加调制电压，在聚焦电极和阳极上分别施加聚焦电压与阳极高压，使得场致发射材料发射电子，电子在聚焦电极、阳极电压的共同作用下，轰击阳极靶产生X射线。
本发明的冷阴极聚焦型X射线管包含冷阴极电子源、聚焦电极、射线出射窗口、高电压阳极靶以及连接各电极的电极引线，在冷阴极电子源表面设有氧化锌发射层，表面电极结构采用平面栅极场致发射结构，即由平面栅极、平面阴极构成；在真空密封壳体的底部设置基座，将制备了平面栅极、平面阴极以及氧化锌发射层的玻璃基底固定在基座上，在真空密封壳体内的上部即冷阴极电子源的正上方固定高电压阳极靶，在冷阴极电子源到高电压阳极靶之间顺序放置聚焦电极与射线出射窗口，在冷阴极电子源与聚焦电极之间以及聚焦电极与射线出射窗口之间均采用陶瓷壳体进行封装。
平面栅极、平面阴极均为梳状结构，梳齿相互交错设置，氧化锌发射层位于平面栅极、平面阴极的梳齿之间；其中平面栅极与平面阴极梳齿宽度的取值范围均为0.1～0.3毫米、平面栅极与平面阴极之间的印有氧化锌发射层的间隙宽度取值为0.2～0.6毫米；冷阴极电子源表面与聚焦电极下端之间的间距为250～500微米，聚焦结构中的单个聚焦电极与电极之间陶瓷隔离体的高度比可选1∶1或1∶2，阳极靶可采用钨、钼以及无氧铜、重金属材料。
真空密封壳体由陶瓷构成，金属电极与陶瓷之间采用可伐材料进行过渡与真空封接，冷阴极电子源采用丝网印刷的方式制备于玻璃基底表面，氧化锌发射层是采用热化学气相沉积方法制备的四针纳米氧化锌结构。
在本发明中，电极分别通过点焊在其上的导线与外部电源相连，通过将电子源、阳极靶的电极引线穿过陶瓷壳体上预留的过孔，将其固定。阳极靶靶面与水平成一定角度，形成25度～35度夹角。各个电极之间采用陶瓷结构进行隔离，金属化后的陶瓷隔离体与金属电极之间使用可伐材料进行过渡与封接，构成真空密封壳体。采用传统的真空封接工艺对组装好的X射线管进行真空排气与封接，将封接好的器件接入超高真空烘烤除气系统进行烘烤除气，同时激发预留在真空壳体内的消气剂，待真空度达到一定量级以上，使其与真空除气系统脱离。
本发明中，X射线源的开启由电子源中平面栅极的调制电压控制，电子束束斑的大小由聚焦电极电压决定。本发明中的冷阴极聚焦型X射线管，其工作方式如下：在电子源平面栅极电极上施加400V以上电压，使其对应的平面阴极发射电子；所发射的电子在经过栅极电压的加速下快速撞击电极间的场致发射材料氧化锌，从而引发更为强烈的二次电子发射；施加电压，聚焦电极电压700V，阳极靶电压6000V以上；大量的二次电子在聚焦极、阳极电压的共同作用下，高速轰击阳极靶从而激发产生X射线；通过调节聚焦电极上的电压，压缩轰击到阳极靶靶面的电子束束斑的大小，从而控制出射X射线的空间分辨率。
有益效果：与传统的热阴极X射线管相比，本发明不仅具有响应速度快、可小型化等冷阴极X射线管所固有的优点，而且还具有如下积极效果：本发明所采用的四针状纳米氧化锌是一种理想的场致发射材料：
它具有丰富的纳米结构形貌，可用于提高场增强因子，改善其场致发射能力；优良的抗氧化性能以及良好的机械稳定性，增加了器件工作的稳定性及其工作寿命；通过掺杂可使其获得负电子亲和势，从而降低电子发射势垒，增强电子发射能力；其吸附气体少，可获得高电流发射密度并具有高电流发射密度工作下的稳定性。
而电子源表面电极所采用的平面栅极结构，可有效地降低场致发射的开启电压。一系列的模拟以及相关的实验结果表明，相对于传统的冷阴极结构，平面栅极结构的电子发射能力更强并且具有一定的电子束聚焦能力。通过增加聚焦电极，可以进一步压缩电子束，从而提高出射X射线的空间分辨率。此外，本发明中公开的冷阴极聚焦型X射线管，兼容现有的丝网印刷技术、传统的真空电子工艺，可以有效地降低生产成本与维护费用，从而使其能够进行批量生产制造。
附图说明
图1是本发明一种冷阴极聚焦型X射线管组成各部件的示意图。其中有：第一冷阴极电极引线1、第二冷阴极电极引线2、组成平面栅极结构的平面栅极3和平面阴极4、氧化锌电子发射层5、玻璃基底6、聚焦电极7、聚焦电极引线8、真空密封壳体9、射线出射窗口10、高电压阳极靶11、阳极引线12、基座13、冷阴极电子源14。
图2是本发明一种冷阴极聚焦型X射线管所使用的冷阴极结构的俯视图。其中有：组成平面栅极结构的平面栅极3和平面阴极4、氧化锌电子发射层5。
具体实施方式
本发明提供了一种冷阴极聚焦型X射线管的制造方法。其中所使用的陶瓷壳体、金属阳极靶以及聚焦电极等在装配前都要进行相应的预处理。包括先后使用丙酮、无水乙醇为溶剂进行的超声波清洗，以及在真空环境中烘烤除气。本发明中，冷阴极电子源制备于3毫米厚的浮法玻璃基底上。事先使用去离子水、无水乙醇对该基底进行超声波去污清洁，将其烘干后，采用丝网印刷的方式将银浆印制成条形梳状结构电极，梳齿相互交错设置，梳齿之间的间隙将用来印制氧化锌发射层。其中平面栅极与平面阴极梳齿宽度的取值均为0.15毫米，栅极与阴极梳齿间的间隙宽取值0.6毫米。之后将其在560℃下烧结4小时，冷却至室温，制得银电极。然后，通过同样的方法再在基底上印制场致发射材料，这里选择热化学气相沉积方法制备的四针状纳米氧化锌。再次烧结冷却后即得到本发明中公开的冷阴极电子源结构。
本发明中所使用的场致发射材料为四针状纳米氧化锌，采用热化学气相沉积的方法制备。具体的制备与处理如下：在石英舟中放入纯度为99.9％的锌粉末，将其水平放置于管式炉中的恒温区域。首先以30cm³min^-1的流量通以氩气30分钟，净化反应炉。之后在25℃min^-1的加热率下将炉子升温至850℃，在通以70cm³min^-1、40cm³min^-1的氩气和氧气的条件下保温30分钟。最后在不断通以氩气作为保护气体的情况下，让反应炉自然冷却至室温。此时在石英舟中的白色物质即为所制备的氧化锌。将制得的氧化锌与松油醇、乙基纤维素等有机粘合剂相混合，之后使其充分溶解于异丙基酒精溶液，搅拌均匀成糊状。同样采用丝网印刷的方式将其印制在事先印好银电极的玻璃基底上，在460℃下进行烧结除去发射体中混杂的有机物。
本发明中，冷阴极电子源在聚焦电极、阳极电压的作用下发射电子，经聚焦电极压缩电子束束斑后高速轰击阳极靶，激发产生X射线。其中，X射线源的开启是由电子源中平面栅极的调制电压控制，电子束束斑的大小由聚焦电极电压决定。
实施例1
参照附图1，本发明中冷阴极X射线管结构包括：由平面栅极结构及氧化锌发射体所组成的冷阴极电子源，固定在真空壳体的底部；材质选用无氧铜的阳极靶，安装在真空壳体顶端即冷阴极电子源的正上方，以及两极之间的聚焦电极；每个电极都通过点焊在其上的导线与外部电源相连。电子源引线通过陶瓷壳体底部预留的过孔，将其固定。在其上安装聚焦结构的金属电极，其下端与电子源表面相距一定距离，本实施例为250微米。陶瓷结构与金属电极相接触的部分在加工过程中已做过相应的金属化处理，使其容易与金属电极进行可伐材料过渡与真空封接。这里单个聚焦电极与之间陶瓷隔离体的高度比为1∶1，其中隔离体高度为5厘米。通过类似的方式将阳极靶吊装固定在电子源的正上方，其靶面与水平成一定角度，本实施例为25°。将装配好的射线管接入超高真空烘烤除气系统进行相应的高真空烘烤除气与真空封接。待真空度达到一定量级以上，使其与真空除气系统脱离。具体工作方式如下：在电子源平面栅极电极上施加400V以上电压，使其对应的平面阴极发射电子；所发射的电子在经过栅极电压的加速下快速撞击电极间的场致发射材料氧化锌，从而引发更为强烈的二次电子发射；聚焦电极电压为700V，阳极靶电压为6000V；大量的二次电子在聚焦极、阳极电压的共同作用下，高速轰击阳极靶从而激发产生X射线；通过调节聚焦电极上的电压，压缩轰击到阳极靶靶面的电子束束斑的大小，进而控制出射X射线的空间分辨率。
实施例2
参照附图1，本发明中冷阴极X射线管结构包括：由平面栅极结构及氧化锌发射体所组成的冷阴极电子源，固定在真空壳体的底部；材质选用金属钼的阳极靶，安装在真空壳体顶端即冷阴极电子源的正上方，以及两极之间的聚焦电极；每个电极都通过点焊在其上的导线与外部电源相连。电子源引线通过陶瓷壳体底部预留的过孔，将其固定。在其上安装聚焦结构的金属电极，其下端与电子源表面相距一定距离，本实施例为500微米。陶瓷结构与金属电极相接触的部分在加工过程中已做过相应的金属化处理，使其容易与金属电极进行可伐材料过渡与真空封接。这里单个聚焦电极与之间陶瓷隔离体的高度比为1∶2，其中隔离体高度为10厘米。通过类似的方式将阳极靶吊装固定在电子源的正上方，其靶面与水平成一定角度，本实施例为35°。将装配好的射线管接入超高真空烘烤除气系统进行相应的高真空烘烤除气与真空封接。待真空度达到一定量级以上，使其与真空除气系统脱离。具体工作方式如下：在电子源平面栅极电极上施加700V以上电压，使其对应的平面阴极发射电子；所发射的电子在经过栅极电压的加速下快速撞击电极间的场致发射材料氧化锌，从而引发更为强烈的二次电子发射；聚焦电极电压为1200V，阳极靶电压为6000V；大量的二次电子在聚焦极、阳极电压的共同作用下，高速轰击阳极靶从而激发产生X射线；通过调节聚焦电极上的电压，压缩轰击到阳极靶靶面的电子束束斑的大小，进而控制出射X射线的空间分辨率。