專利名稱：一種x射線箍縮二極管復(fù)合陰極及其設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種X射線箍縮二極管復(fù)合陰極及其設(shè)計方法，屬于高功率二極管技 術(shù)，特別是改善陽極桿箍縮二極管輸出特性的陰極設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
陽極桿箍縮二極管可以產(chǎn)生高劑量率(射線源正前方Im處輸出X射線劑量率可 達(dá) lOty/s)、小焦斑(正向< 1mm，軸向幾個mm)、短脈沖( 50ns)的高能X射線，在脈 沖X射線閃光照相中具有重要的應(yīng)用價值。射線源焦斑尺寸是成像空間分辨率的主要影響 因素。射線源焦斑包括正向焦斑和軸向焦斑，正對針尖且視線方向與二極管軸向一致，觀 察到的焦斑為射線源正向焦斑，如圖2中的L1，視線方向與二極管軸向成90°角，觀察到的 焦斑為射線源軸向焦斑，如圖2中的L2。減小射線源焦斑可以使射線源更接近于理想的點 源，另外，如果射線源焦斑的軸向尺寸足夠小，則可以利用該射線源在不同方向上對不同物 體或過程同時進(jìn)行閃光照相，從而提高射線源的利用效率。目前，國際上通常采用末端針化、中空復(fù)合陽極等陽極設(shè)計方法來減小焦斑。末 端針化是將陽極桿末端做成針狀，其減小正向焦斑的效果明顯，但對軸向焦斑的影響較小。 中空復(fù)合陽極是采用小直徑的中空鋁桿作為陽極，鋁桿末端嵌入一個直徑 Imm的金球， 由于鋁的原子序數(shù)較低，與電子發(fā)生軔致輻射作用較弱，因此降低了陽極針尖以外部分的 X射線產(chǎn)生效率，其減小軸向焦斑的效果明顯，但中空鋁桿的壁厚只有幾十微米，加工難度 大、造價高。

發(fā)明內(nèi)容
為了實現(xiàn)減小軸向焦斑的目的，本發(fā)明提供一種石墨陰極貼覆聚四氟乙烯的陽極 桿箍縮二極管復(fù)合陰極及設(shè)計方法。一種X射線箍縮二極管復(fù)合陰極貼覆方法，在陰極圓盤上貼覆可影響電子發(fā)射面 的電介質(zhì)材料幾何構(gòu)型，以調(diào)控電子束箍縮狀態(tài)和減小χ射線軸向焦斑。上述的復(fù)合陰極貼覆方法中所用的電介質(zhì)材料為聚四氟乙烯，貼覆時使用環(huán)氧樹 脂。上述的復(fù)合陰極貼覆方法中所用的電介質(zhì)材料貼覆位置為陰極圓盤的后表面和 陰極內(nèi)孔同軸柱面。上述復(fù)合陰極，基底為石墨圓盤，厚度2. 2mm，外半徑為74mm，內(nèi)半徑為8mm，其特 征在于在石墨圓盤的后表面和中間表面(同軸柱面)貼覆有Imm厚的電介質(zhì)材料層。上述的復(fù)合陰極，其中的電介質(zhì)材料為聚四氟乙烯。


圖1是陽極桿箍縮二極管結(jié)構(gòu)剖面圖。圖中，1.金屬鎢材料陽極桿，2.圓盤陰極，3. 二極管前級真空傳輸線外筒，4. 二極管前級真空傳輸線內(nèi)筒，5.陽極桿尖端。圖2是軸向和徑向焦斑尺寸的定義示意圖。圖中，陰影區(qū)域表示焦斑形狀，在觀測點1位置觀察焦斑，L1稱為正向焦斑尺寸； 在觀測點2位置觀察焦斑，L2稱為軸向焦斑尺寸。圖3是本發(fā)明對二極管石墨陰極進(jìn)行貼覆處理的示意圖。圖4是陰極各表面均為電子發(fā)射面情況下二極管不同工作階段電子束空間分布 圖。圖5是陰極前表面為電子發(fā)射面時二極管不同工作階段電子束空間分布圖。圖6(a)和圖6(b)分別是陰極各表面均為電子發(fā)射面和單一表面為電子發(fā)射面時 陽極表面沉積電荷密度軸向分布曲線，分別對應(yīng)于純石墨陰極和復(fù)合陰極的情況。圖7是采用本發(fā)明中的復(fù)合陰極進(jìn)行陽極桿箍縮二極管實驗，所得到的射線源軸 向焦斑圖像，并對比純石墨陰極的實驗結(jié)果。
具體實施例方式本發(fā)明要解決的技術(shù)問題(1)陰極表面貼覆位置的選擇；( 貼覆層的材料選 擇；C3)貼覆層的厚度設(shè)計；(4)復(fù)合陰極的貼覆工藝。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是(1)通過粒子模擬方法，分析抑制陰極不同區(qū)域電 子發(fā)射對軸向焦斑尺寸的影響，確定貼覆層位置；( 采用電介質(zhì)覆層的方法降低石墨陰 極表面電場強度，根據(jù)二極管工作時陰極表面狀態(tài)(電場強度、溫度、電子發(fā)射等)，選擇 貼覆層材料；C3)根據(jù)電子在該覆層材料中射程的計算結(jié)果，確定貼覆層厚度；(4)為抑制 或避免介質(zhì)層與石墨表面之間產(chǎn)生氣泡，從而避免其對降低覆蓋表面的電場強度的不利影 響，結(jié)合覆層和基底材料性質(zhì)、厚度及技術(shù)方案中的其他各方面因素，確定貼覆工藝。本發(fā)明的提出基于數(shù)值模擬結(jié)果，針對不同的陰極結(jié)構(gòu)，對陽極桿箍縮二極管中 電子束的運動狀態(tài)和箍縮過程進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得二極管不同工作階段電子束空間分布狀 態(tài)和陽極表面電荷密度軸向分布曲線。圖4和圖5分別為陰極各表面均為電子發(fā)射面(對 應(yīng)于純石墨陰極)和陰極前表面為電子發(fā)射面(對應(yīng)于復(fù)合陰極)情況下二極管不同工作 階段的電子束空間分布狀態(tài)，圖6顯示了上述兩種情況對應(yīng)的陽極表面沉積電荷密度軸向 分布曲線。模擬結(jié)果表明采用復(fù)合陰極結(jié)構(gòu)，在前表面發(fā)射電子的情況下，電子束在陽極 鎢針上的箍縮位置分布相對集中，有利于減小軸向焦斑尺寸。本發(fā)明采取貼覆工藝，陰極石墨盤厚度為2. 2mm，外半徑74mm，內(nèi)半徑8mm，使用 環(huán)氧樹脂石墨盤后表面和中間表面貼覆Imm厚的聚四氟乙烯，所構(gòu)成的復(fù)合陰極內(nèi)半徑為 7mm，陽極鎢針半徑0. 6mm，伸出陰極前表面18mm，末端IOmm區(qū)域均勻磨尖。不同于普通的陽 極桿箍縮二極管中采用的3. 2mm厚的純石墨陰極，本發(fā)明所采用的石墨陰極厚度為2. 2mm, 在石墨陰極背離針尖的后表面和正對陽極桿的同軸柱面貼覆厚度為Imm的聚四氟乙烯材 料。理論計算表明，貼覆層厚度大于0. 2mm即可使得電子在介質(zhì)層內(nèi)沉積，有效抑制 貼覆區(qū)域的電子發(fā)射，這是因為貼電介質(zhì)層可以降低覆蓋區(qū)域的陰極表面電場強度，而且 可以阻擋和吸收陰極出射電子，電子在介質(zhì)層內(nèi)累積，形成負(fù)電荷鞘層，從而進(jìn)一步抑制陰 極表面的電子發(fā)射。本結(jié)構(gòu)有效地抑制了陰極后表面和中間表面的電子發(fā)射，到達(dá)陽極的電子來自于陰極前表面。箍縮電子束轟擊陽極桿尖端發(fā)生軔致輻射作用，產(chǎn)生小焦斑的高 能脈沖X射線。圖6可以看出，與其他情況相比，前表面為電子發(fā)射面時，電子束更有效地 集中于陽極桿尖端附近，而且陽極桿尖端電荷密度峰值較高，有利于減小射線源軸向焦斑 尺寸。實驗結(jié)果表明，與純石墨陰極的情況相比，采用本發(fā)明中的復(fù)合陰極，抑制陰極后 表面和中間表面的電子發(fā)射，使得電子在陽極鎢針上的分布更加集中于陽極桿尖端，從而 顯著減小了射線源軸向焦斑尺寸，如圖7所示。本發(fā)明的有益效果是，在相同的二極管工作電壓條件下，通過采用復(fù)合陰極，使得 陽極桿箍縮二極管產(chǎn)生的X射線焦斑的軸向尺寸顯著降低。
權(quán)利要求
1.一種X射線箍縮二極管復(fù)合陰極貼覆方法，其特征在于在陰極圓盤上貼覆可影響電 子發(fā)射面的幾何構(gòu)型，以調(diào)控電子束箍縮狀態(tài)和減小χ射線側(cè)向焦斑的電介質(zhì)材料。
2.如權(quán)利要求1所述的X射線箍縮二極管復(fù)合陰極貼覆方法，其特征在于上述的電介 質(zhì)材料為聚四氟乙烯，貼覆時使用魚珠膠。
3.如權(quán)利要求1或2所述的X射線箍縮二極管復(fù)合陰極貼覆方法，其特征在于上述的 電介質(zhì)材料貼覆位置為陰極圓盤的后部。
4.一種X射線箍縮二極管復(fù)合陰極，包括陰極石墨圓盤，其厚度為2. 2mm,盤形陰極外 半徑為74mm，內(nèi)半徑為8mm，其特征在于在陰極石墨圓盤的后表面貼覆有Imm厚的電介質(zhì)材 料層。
5.如權(quán)利要求4所述的X射線箍縮二極管復(fù)合陰極，其特征在于上述的電介質(zhì)材料為 聚四氟乙烯。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種X射線箍縮二極管復(fù)合陰極及其設(shè)計方法，為了實現(xiàn)減小軸向焦斑的目的，本發(fā)明在陰極圓盤上貼覆可影響電子發(fā)射面的幾何構(gòu)型，以調(diào)控電子束箍縮狀態(tài)和減小X射線側(cè)向焦斑的電介質(zhì)材料，所用的電介質(zhì)材料為聚四氟乙烯，帖覆時使用魚珠膠。其中石墨圓盤厚度為2.2mm，盤形陰極外半徑為74mm，內(nèi)半徑為8mm，陰極石墨圓盤的后表面貼覆有1mm厚的電介質(zhì)材料層。本發(fā)明的有益效果是，在相同的二極管工作電壓環(huán)境下，通過采用復(fù)合陰極，陽極桿箍縮二極管產(chǎn)生X-射線的軸向焦斑明顯減小。
文檔編號H01J35/06GK102097266SQ201110008748
公開日2011年6月15日 申請日期2011年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月17日
發(fā)明者孫劍鋒, 尹佳輝, 張眾, 張鵬飛, 楊海亮, 王治國, 蘇兆鋒, 邱愛慈, 高屹 申請人:西北核技術(shù)研究所