專利名稱：低壓場(chǎng)發(fā)射陰極x射線管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及X射線管，具體地說(shuō)是一種低壓場(chǎng)發(fā)射陰極X射線管。
背景技術(shù)：
電子發(fā)射陰極及其附屬能源系統(tǒng)是X射線管的核心部分。傳統(tǒng)的X射線管采用熱電子發(fā)射陰極，將鎢、六鑭化鉬等材料加熱到足夠高溫度，使材料內(nèi)部電子獲得能量而形成發(fā)射。這種X射線管的工作溫度對(duì)于鎢陰極需要達(dá)到2000～2300℃以上，六鑭化鉬則為1000～1500℃，因此能耗很大，需要在大電流下工作(通常為數(shù)安培)，附屬的能源系統(tǒng)及導(dǎo)電線路也需滿足大電流、耐高溫的使用要求。由于陰極材料在高溫下的氧化和蒸發(fā)所造成的損耗和損傷，熱電子發(fā)射陰極的使用壽命和連續(xù)使用時(shí)間都受到很大影響。與此同時(shí)，熱發(fā)射陰極X射線管每次使用前都需要預(yù)熱，系統(tǒng)響應(yīng)速度較慢。
場(chǎng)致電子發(fā)射陰極電子源具有能耗低、發(fā)射壽命長(zhǎng)、發(fā)射強(qiáng)度大等優(yōu)點(diǎn)，有望在不遠(yuǎn)的將來(lái)取代熱發(fā)射電子源成為下一代的主流產(chǎn)品。納米碳管被發(fā)現(xiàn)于二十世紀(jì)九十年代初，是近年來(lái)材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理研究的前沿和熱點(diǎn)之一。納米碳管具有尖端細(xì)小、長(zhǎng)徑比大、強(qiáng)度和韌性高、熱穩(wěn)定性與導(dǎo)電性好等特點(diǎn)，具備了高性能場(chǎng)發(fā)射材料的基本特征，是理想的陰極發(fā)射材料。文獻(xiàn)報(bào)道薄膜狀定向多壁納米碳管陣列和無(wú)序排列單壁納米碳管(厚度數(shù)十到數(shù)百微米)的臨界發(fā)射閾值(場(chǎng)發(fā)射材料的重要性能指標(biāo)，指發(fā)射電流密度達(dá)到10mA/cm2時(shí)所需的外加電場(chǎng))分別為2.0～2.7V/μm和3.9～7.8V/μm。采用較低的工作電壓、得到更低的發(fā)射閾值已成為近年來(lái)本領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述不足，本發(fā)明提供一種采用繩束狀納米碳管裝配的低壓場(chǎng)發(fā)射陰極X射線管，其目的是大幅度降低X射線管的工作電壓，實(shí)現(xiàn)X射線成像系統(tǒng)小型化、微型化，并提高分辨率，從而在醫(yī)療、科研及國(guó)防安全等領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是靶材(陽(yáng)極)可為固定式或旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極式，選用銅、鉬、鎢等材料制成，電子源則由加壓柵極與納米碳管場(chǎng)發(fā)射陰極所組成，安裝在管殼內(nèi)；其特征在于所述場(chǎng)發(fā)射陰極為繩束狀納米碳管以陣列方式裝配于導(dǎo)電基片上，其軸線與導(dǎo)電基片的表面垂直；所述加壓陽(yáng)極平行布置于繩束狀納米碳管陣列的正上方，于支撐體上；支撐體為開(kāi)口筒狀結(jié)構(gòu)，筒體下端安裝于導(dǎo)電基片邊緣，作為電子束聚焦窗口的上端為瓶頸式結(jié)構(gòu)，導(dǎo)電基片及筒體分別設(shè)引出極A、B，通過(guò)導(dǎo)線至外加電源；所述加壓柵極可采用金屬柵極或帶孔金屬薄片材料；所述靶材所施加的偏壓可與加壓柵極相同或高于加壓柵極的外加電壓；所述繩束狀納米碳管材料所組成的陣列按照陣列單元順序依次將長(zhǎng)度相同的繩束狀納米碳管裝配在基片表面的相應(yīng)位置上，其中單根樣品直徑20～300μm、長(zhǎng)度0.5～15mm，之間間距為0.1～2mm，陣列單元之間的水平距離可在0.1～2mm之間調(diào)整；繩束狀納米碳管陣列單元的水平距離為1mm時(shí)最佳；工作真空度范圍1×10-2～1×10-7Pa。
本發(fā)明原理如下本發(fā)明所述繩束狀場(chǎng)發(fā)射材料中納米碳管可為具有不同直徑和結(jié)構(gòu)特征的單壁納米碳管(Single-walled carbon nanotube)、雙壁納米碳管(Double-walled carbon nanotube)、多壁納米碳管(Multi-walled carbonnanotube)或者直徑更大的納米炭纖維(Carbon nanofiber)、納米碳角(Carbonnanohorn)等。
利用所述繩束狀納米碳管材料作為場(chǎng)發(fā)射陰極，可以裝配出高性能的低壓X射線管。考慮到單根繩束狀納米碳管材料可承載的場(chǎng)發(fā)射電流(數(shù)十到數(shù)百微安)，本發(fā)明中將幾何長(zhǎng)度相似的繩束狀納米碳管場(chǎng)發(fā)射材料裝配成陣列形式以實(shí)現(xiàn)X射線管所需的電子流強(qiáng)度(數(shù)毫安到數(shù)百毫安)。
采用激光燒蝕法、電弧法以及有機(jī)物催化分解法等方法可以制備出繩束狀的納米碳管產(chǎn)物，稱為繩束狀納米碳管(亦稱繩束狀納米碳管)。這種繩束狀納米碳管的直徑多在20～300μm之間，長(zhǎng)度最大則可達(dá)10cm。電子顯微鏡觀察結(jié)果表明，這種繩束狀納米碳管由許多根定向排列的納米碳管所構(gòu)成，其繩束狀納米碳管排列方向與碳管繩的長(zhǎng)度方向基本相同。由于具有良好的定向性，碳管繩可以提供較大的發(fā)射電流密度；碳管繩的長(zhǎng)徑比大，使得其場(chǎng)發(fā)射閾值比普通碳管更低。場(chǎng)發(fā)射性能測(cè)試結(jié)果表明，長(zhǎng)約2mm、直徑約100μm的繩束狀納米碳管的場(chǎng)發(fā)射閾值(發(fā)射電流密度達(dá)到10mA/cm2時(shí)的外加電場(chǎng))約為0.1V/μm。這一場(chǎng)發(fā)射性能指標(biāo)比多壁納米碳管陣列以及無(wú)序排列的單壁納米碳管低20倍左右，比鎢絲低近50倍。同時(shí)，繩束狀納米碳管具有發(fā)射持久性和穩(wěn)定性好、發(fā)射電子能量分布集中、可操作性好等優(yōu)點(diǎn)，因而是一種理想的X射線管用場(chǎng)發(fā)射電子源。
與現(xiàn)有技術(shù)中熱電子發(fā)射陰極技術(shù)相比，本發(fā)明具有工作溫度低、可以在一般高真空度條件下工作、能耗小、系統(tǒng)響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)外，而且還具有如下積極效果本發(fā)明采用繩束狀納米碳管材料作為場(chǎng)發(fā)射陰極，繩束狀納米碳管中納米碳管的排列具有良好的定向性，而且繩束狀樣品的長(zhǎng)度達(dá)到厘米級(jí)。定向排列保證了在樣品發(fā)射端面上可獲得高密度的納米碳管場(chǎng)發(fā)射尖端，有利于提高場(chǎng)發(fā)射電流密度；由于具有宏觀長(zhǎng)度，繩束狀納米碳管具有良好的可操作性；長(zhǎng)徑比大使得繩束狀納米碳管的發(fā)射閾值遠(yuǎn)低于普通的納米碳管場(chǎng)發(fā)射材料。與此同時(shí)，繩束狀納米碳管場(chǎng)發(fā)射材料表現(xiàn)出良好的發(fā)射穩(wěn)定性和持久性，具有良好的實(shí)用前景。
本發(fā)明利用繩束狀納米碳管材料的優(yōu)異場(chǎng)發(fā)射特性，預(yù)期裝配出可在低壓下(＜1000V)使用的X射線管，開(kāi)創(chuàng)性地實(shí)現(xiàn)了低壓工作的X射線管，不僅減小了能源損耗，而且可以實(shí)現(xiàn)X射線管的小型化甚至微型化，從而在醫(yī)療、科研及國(guó)防安全等領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。


附圖1為本發(fā)明X射線管裝配結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖2為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例繩束狀納米碳管陣列式場(chǎng)發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖3為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例單壁繩束狀納米碳管場(chǎng)發(fā)射材料掃描電鏡照片(側(cè)面)。
附圖4為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例單壁繩束狀納米碳管材料場(chǎng)發(fā)射端面掃描電鏡照片(發(fā)射尖端)。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1參見(jiàn)附圖1，本發(fā)明場(chǎng)發(fā)射X射線管結(jié)構(gòu)為靶材(陽(yáng)極)可為固定式或旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極式，選用銅、鉬、鎢等材料制成，電子源則由加壓柵極與繩束狀納米碳管場(chǎng)發(fā)射陰極所組成，安裝在管殼內(nèi)。其中采用繩束狀單壁納米碳管(Single-walled carbon nanotube)材料組成場(chǎng)發(fā)射陰極陣列，陣列由直徑為80μm、長(zhǎng)度2cm，間距為1mm；導(dǎo)電基片5及電子源導(dǎo)電外殼分別設(shè)引出極A7、B8，通過(guò)導(dǎo)線至外加電源；本實(shí)施例靶材1為固定陽(yáng)極式，材質(zhì)選用銅材料，安裝在管體內(nèi)側(cè)頂部，靶材表面傾斜度(坡度)為19°，通過(guò)引線極C6與外加電壓相連。
具有相似長(zhǎng)度(2mm)的100根繩束狀單壁納米碳管9依照10×10陣列方式裝配于導(dǎo)電基片5上，碳管繩軸線與基片表面垂直；金屬柵極4的支撐體3其形狀為開(kāi)口筒狀結(jié)構(gòu)，筒體下端安裝于導(dǎo)電基片5邊緣，除起到支撐加壓陽(yáng)極及導(dǎo)通外加電壓的作用外，其前端還設(shè)計(jì)有電子束聚焦窗口10，為瓶頸式結(jié)構(gòu)。金屬柵極4和支撐體3通過(guò)導(dǎo)線分別與X射線管引出極A7、引出極B8相連。金屬柵極4與繩束狀單壁納米碳管9端頭之間的距離可根據(jù)實(shí)際情況在0.1～2mm之間調(diào)整，本實(shí)施例為1mm。
固定陽(yáng)極式銅質(zhì)X射線管靶材1的下表面與電子運(yùn)動(dòng)方向不垂直，本實(shí)施例呈19°，目的是增加鈹窗口11方向上的X射線強(qiáng)度。靶材1所施加的偏壓與金屬柵極4相同，為500V；外加電壓通過(guò)引線極C6與靶材1相連。本實(shí)施例工作真空度為1×10-3Pa。
其中繩束狀單壁納米碳管的制備采用氫電弧法制備具有宏觀長(zhǎng)度(厘米級(jí))繩束狀單壁納米碳管作為陽(yáng)極的石墨圓盤(pán)表面加工有5個(gè)圓孔，各填充反應(yīng)物2.0g，所述反應(yīng)物含有均勻混合的2.6at％ Ni、0.7at％ Fe、0.7at％Co、0.75at％ FeS，其余為石墨粉。φ10mm石墨棒作為陰極。反應(yīng)器內(nèi)充入200乇氫氣，起弧電流為150A直流，兩電極間保持2mm的距離，每個(gè)孔反應(yīng)時(shí)間3分鐘，之后更換反應(yīng)室內(nèi)氣體，旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極圓盤(pán)，蒸發(fā)下一個(gè)孔內(nèi)的反應(yīng)物。總反應(yīng)時(shí)間30分鐘。為獲得均一、平整的發(fā)射端面并保證所需的樣品長(zhǎng)度，需對(duì)繩束狀納米碳管進(jìn)行切削、表面處理等預(yù)處理。
X射線管所有組件均采用絕緣墊片與外殼2相隔離，以防止高電壓和X射線輻射對(duì)操作人員的傷害。
實(shí)施例2與實(shí)施例1不同之處在于陣列由直徑為200μm，長(zhǎng)度為15cm，間距為1mm的繩束狀多壁納米碳管(Multi-walled carbon nanotube)所組成，陣列單元之間的水平距離為0.8mm；靶材1所施加的偏壓為600V，略高于金屬柵極(500V)；靶材1采用高速旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極形式，轉(zhuǎn)速2800轉(zhuǎn)/分鐘，采用磁性感應(yīng)方法驅(qū)動(dòng)，靶材表面傾斜角為25°；靶材1采用銅質(zhì)材料，亦可選用鉬或鎢材料制成。工作真空度范圍1×10-7Pa。
其中繩束狀多壁納米碳管的制備采用有機(jī)物流動(dòng)催化分解法制備出具有宏觀長(zhǎng)度(厘米級(jí))繩束狀多壁納米碳管該法以苯為碳源，氫氣為載氣，C6H6+H2流量22ml/(cm2·min)；以二茂鐵為催化劑前驅(qū)體，用量0.003g；含硫有機(jī)化合物噻吩為生長(zhǎng)促進(jìn)劑，配成0.08％(wt)苯溶液。反應(yīng)區(qū)先以快速升溫至800℃，再以20℃/分鐘升至900℃，10℃/分鐘升至950℃，5℃/分鐘升至最后反應(yīng)溫度1180℃保持1小時(shí)。
另外，本發(fā)明所述繩束狀納米碳管亦可采用繩束狀雙壁納米碳管(Double-walled carbon nanotube)、以及直徑更大的納米炭纖維(Carbonnanofiber)、納米碳角(Carbon nanohorn)等。
權(quán)利要求
1.一種低壓場(chǎng)發(fā)射陰極X射線管，靶材可為固定式或旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極式，選用銅、鉬、鎢等材料制成，電子源則由加壓柵極與納米碳管場(chǎng)發(fā)射陰極所組成，安裝在管殼內(nèi)；其特征在于所述場(chǎng)發(fā)射陰極為繩束狀納米碳管以陣列方式裝配于導(dǎo)電基片(5)上，其軸線與導(dǎo)電基片(5)的表面垂直；所述加壓陽(yáng)極平行布置于繩束狀納米碳管陣列的正上方，于支撐體(3)上；支撐體(3)為開(kāi)口筒狀結(jié)構(gòu)，筒體下端安裝于導(dǎo)電基片(5)邊緣，作為電子束聚焦窗口(10)的上端為瓶頸式結(jié)構(gòu)，導(dǎo)電基片(5)及筒體分別設(shè)引出極A、B(7、8)，通過(guò)導(dǎo)線至外加電源。
2.按照權(quán)利要求1所述低壓場(chǎng)發(fā)射陰極X射線管，其特征在于所述繩束狀陰極材料中納米碳管可為單壁納米碳管、雙壁納米碳管、多壁納米碳管或者直徑更大的納米炭纖維、納米碳角。
3.按照權(quán)利要求1所述低壓場(chǎng)發(fā)射陰極X射線管，其特征在于所述加壓柵極可采用金屬柵極或帶孔金屬薄片材料。
4.按照權(quán)利要求1所述低壓場(chǎng)發(fā)射陰極X射線管，其特征在于所述靶材所施加的偏壓可與加壓柵極相同或高于加壓柵極的外加電壓。
5.按照權(quán)利要求1所述低壓場(chǎng)發(fā)射陰極X射線管，其特征在于所述繩束狀納米碳管材料所組成的陣列按照陣列單元順序依次將長(zhǎng)度相同的繩束狀納米碳管裝配在基片表面的相應(yīng)位置上，其中單根樣品直徑20～300μm、長(zhǎng)度0.5～15mm，之間間距為0.1～2mm，陣列單元之間的水平距離可在0.1～2mm之間調(diào)整。
6.按照權(quán)利要求1所述低壓場(chǎng)發(fā)射陰極X射線管，其特征在于繩束狀納米碳管陣列單元的水平距離為1mm時(shí)最佳。
7.按照權(quán)利要求1所述低壓場(chǎng)發(fā)射陰極X射線管，其特征在于工作真空度范圍1×10-2～1×10-7Pa。
全文摘要
本發(fā)明涉及X射線管，具體地說(shuō)是一種低壓場(chǎng)發(fā)射陰極X射線管。本發(fā)明場(chǎng)發(fā)射陰極為繩束狀納米碳管以陣列方式裝配于導(dǎo)電基片上，其軸線與導(dǎo)電基片的表面垂直；所述加壓陽(yáng)極平行布置于繩束狀納米碳管陣列的正上方，于支撐體上；支撐體為開(kāi)口筒狀結(jié)構(gòu)，筒體下端安裝于導(dǎo)電基片邊緣，作為電子束聚焦窗口的上端為瓶頸式結(jié)構(gòu)，導(dǎo)電基片及筒體分別設(shè)引出極A、B，通過(guò)導(dǎo)線至外加電源。它可大幅度降低X射線管的工作電壓，實(shí)現(xiàn)X射線成像系統(tǒng)小型化、微型化，并提高分辨率，從而在醫(yī)療、科研及國(guó)防安全等領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。
文檔編號(hào)H01J35/04GK1553473SQ0313338
公開(kāi)日2004年12月8日 申請(qǐng)日期2003年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月26日
發(fā)明者成會(huì)明, 佟鈺, 劉暢, 趙志剛 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所