一種冷陰極聚焦型x射線管的制作方法
【專利摘要】本申請公開了一種冷陰極聚焦型X射線管，包括殼體、陰極單元、柵極單元、聚焦單元和陽極單元，所述殼體具有內(nèi)腔，所述柵極單元和所述聚焦單元由下到上設(shè)置在所述殼體內(nèi)，并將所述內(nèi)腔由下到上分為第一腔室、第二腔室和第三腔室，所述陰極單元設(shè)置在第一腔室內(nèi)，所述陽極單元設(shè)置在第三單元內(nèi)，所述第三腔室的殼體上設(shè)有X射線窗，所述聚焦單元包括第一聚焦極，所述第一聚焦極設(shè)有非旋轉(zhuǎn)對稱的第一聚焦孔。在本申請的【具體實(shí)施方式】中，由于第一聚焦極設(shè)有非旋轉(zhuǎn)對稱的第一聚焦孔，不僅可通過調(diào)整聚焦電極電壓，也可通過調(diào)整聚焦孔的尺寸靈活改變聚焦倍數(shù)，實(shí)現(xiàn)多向等倍率電子束聚焦同時(shí)，保持高的聚焦倍數(shù)。
【專利說明】一種冷陰極聚焦型X射線管

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本申請涉及場發(fā)射技術(shù)，尤其涉及一種冷陰極聚焦型X射線管。

【背景技術(shù)】
[0002] 利用納米材料的尖端隧道效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)場發(fā)射，可將其用做X射線管的電子發(fā)射 源，也稱為冷陰極X射線管。對于反射式X射線管，為了使X射線從與管軸線垂直的側(cè)面方 向發(fā)射，陽極靶存在一個小的傾斜角度，使得入射電子束在X射線出射方向投射時(shí)發(fā)生壓 縮，一般在3-7倍，而在與投射面垂直的方向電子束尺寸不變。因此，為了得到一個各向同 性的圓形或方形X射線焦斑，場發(fā)射陰極為一狹長的橢圓或長方形。另一方面，為了使X射 線管具有高的亮度或更小的焦斑尺寸，需要對發(fā)射電子束聚焦，理想的聚焦情況是對發(fā)射 電子束在長軸與短軸兩個方向具有相同的聚焦倍數(shù)，且聚焦倍數(shù)盡可能大。
[0003] 然而，我們采用專用的電子光學(xué)模擬軟件，經(jīng)大量聚焦模擬發(fā)現(xiàn)，對于通常的旋轉(zhuǎn) 對稱聚焦孔（圓孔或圓錐孔）電極，在長軸與短軸兩個方向?qū)崿F(xiàn)相同的聚焦倍數(shù)很困難，調(diào) 整聚焦電極電壓可以使得兩個方向的聚焦倍數(shù)差異變小，但以犧牲聚焦能力為代價(jià)。
[0004] 而現(xiàn)有的X射線管靜電聚焦電極都采用旋轉(zhuǎn)對稱的圓孔或圓錐孔，針對長條狀陰 極，該方法有如下一些缺陷：（1)調(diào)整聚焦電壓，聚焦倍數(shù)較大，但長軸與短軸方向聚焦倍 數(shù)差異也大，導(dǎo)致X射線焦斑各向同性差，使得X射線圖像空間分辨具有方向性；（2)調(diào)整 聚焦電壓，長軸與短軸兩個方向的聚焦倍數(shù)差異較小，但聚焦倍數(shù)也較小，犧牲了X射線源 的亮度，且焦斑尺寸增大，影響X射線圖像空間分辨率。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本申請要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種冷陰極聚焦型X射線 管。
[0006] 本申請要解決的技術(shù)問題通過以下技術(shù)方案加以解決：一種冷陰極聚焦型X射線 管，包括殼體、陰極單元、柵極單元、聚焦單元和陽極單元，所述殼體具有內(nèi)腔，所述柵極單 元和所述聚焦單元由下到上設(shè)置在所述殼體內(nèi)，并將所述內(nèi)腔由下到上分為第一腔室、第 二腔室和第三腔室，所述陰極單元設(shè)置在第一腔室內(nèi)，所述陽極單元設(shè)置在第三單元內(nèi)，所 述第三腔室的殼體上設(shè)有X射線窗，所述聚焦單元包括第一聚焦極，所述第一聚焦極設(shè)有 非旋轉(zhuǎn)對稱的第一聚焦孔。
[0007] 所述第一聚焦孔包括橢圓孔或長方形孔。
[0008] 所述陰極單元包括陰極座和設(shè)置在所述陰極座上的陰極。
[0009] 所述陰極包括狹長橢圓形或長方形碳納米管區(qū)域。
[0010] 所述碳納米管區(qū)域長軸為短軸長度的3?7倍。
[0011] 所述陰極座包括基板，所述基板上設(shè)置有凹槽，所述碳納米管陰極區(qū)域設(shè)置在所 述凹槽內(nèi)。
[0012] 所述聚焦單元還包括第二聚焦極平行設(shè)置在所述第一聚焦極上方，所述第二聚焦 極設(shè)有非旋轉(zhuǎn)對稱的第二焦孔。
[0013] 所述第二聚焦孔包括橢圓孔或長方形孔。
[0014] 所述陽極單元包括陽極座和設(shè)置在所述陽極座上的陽極靶。
[0015] 所述柵極單元包括柵極和柵網(wǎng)，所述柵極設(shè)置有柵極孔，所述柵網(wǎng)設(shè)置在所述柵 極孔上。
[0016] 由于采用了以上技術(shù)方案，使本申請具備的有益效果在于： (1)在本申請的【具體實(shí)施方式】中，由于第一聚焦極設(shè)有非旋轉(zhuǎn)對稱的第一聚焦孔，不僅 可通過調(diào)整聚焦電極電壓，也可通過調(diào)整聚焦孔的尺寸靈活改變聚焦倍數(shù)，實(shí)現(xiàn)多向等倍 率電子束聚焦同時(shí)，保持高的聚焦倍數(shù)。
[0017] ⑵在本申請的【具體實(shí)施方式】中，由于一種具有非旋轉(zhuǎn)對稱聚焦孔采用橢圓孔或 長方形孔，通過聚焦孔長軸與短軸長度的改變，配合優(yōu)化的聚焦電壓，靈活調(diào)節(jié)電子束在兩 個方向的聚焦倍數(shù)，實(shí)現(xiàn)兩個方向等倍率聚焦同時(shí)，保持高的聚焦倍數(shù)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 圖1為本申請的冷陰極聚焦型X射線管在一種實(shí)施方式中的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本申請的基板在一種實(shí)施方式中的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為本申請的冷陰極聚焦型X射線管在一種實(shí)施方式中的橫截面剖視圖； 圖4為本申請的冷陰極聚焦型X射線管在另一種實(shí)施方式中的橫截面剖視圖； 圖5為本申請的冷陰極聚焦型X射線管計(jì)算靶角的示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0019] 下面通過【具體實(shí)施方式】結(jié)合附圖對本申請作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0020] 如圖1至圖4所示，本申請的冷陰極聚焦型X射線管，其一種實(shí)施方式，包括殼體 10、陰極單元、柵極單元、聚焦單元和陽極單元。殼體10具有內(nèi)腔，柵極單元和聚焦單元由 下到上設(shè)置在殼體10內(nèi)，并將內(nèi)腔由下到上分為第一腔室11、第二腔室12和第三腔室13， 陰極單元設(shè)置在第一腔室11內(nèi)，陽極單元設(shè)置在第三單元13內(nèi)，第三腔室的殼體上設(shè)有X 射線窗14,聚焦單元包括第一聚焦極41，第一聚焦極41設(shè)有第一聚焦孔，第一聚焦孔為非 旋轉(zhuǎn)對稱聚焦孔。在一種實(shí)施方式中，第一聚焦孔包括橢圓孔或長方形孔。
[0021] 本申請的冷陰極聚焦型X射線管，陰極單元包括陰極座21和陰極22,陰極22設(shè)置 在陰極座21上。陰極包括碳納米管（CarbonNanotube，CNT)區(qū)域，在一種實(shí)施方式中，該 碳納米管區(qū)域形狀狹長，為橢圓形碳納米管或長方形碳納米管區(qū)域，碳納米管區(qū)域長軸為 短軸長度的3?7倍。
[0022] 陰極座21包括基板211和基座（圖未不)，如圖2所不，基板可以為各種金屬片、 硅片或玻璃板，在本實(shí)施方式中，該基板211為玻璃基板，基板211上設(shè)置有凹槽212,凹槽 212為陰極區(qū)，碳納米管陰極區(qū)域設(shè)置在凹槽212內(nèi)。玻璃基板中央沿橢圓長軸方向制作有 一下沉長方形槽，槽深為〇. 1?〇. 4mm，其決定了陰極到柵極的距離。槽寬略大于陰極短軸 長度，槽長度為玻璃基板長度，大于陰極長軸長度。CNT發(fā)射層沉積于玻璃基板的中央開槽 區(qū)。玻璃基板固定于一陰極基座上。
[0023] 聚焦單元還包括第二聚焦極42,第二聚焦極42平行設(shè)置在第一聚焦極41上方， 并和第一聚焦極41間隔設(shè)置，第一聚焦極41和第二聚焦極42分別鑲嵌設(shè)置在殼體10上。 第二聚焦極42設(shè)有第二聚焦孔，第二聚焦孔為非旋轉(zhuǎn)對稱聚焦孔。在一種實(shí)施方式中，第 二聚焦孔包括橢圓孔或長方形孔。
[0024]本申請的冷陰極聚焦型X射線管，陽極單元包括陽極座51和陽極靶52,陽極靶52 設(shè)置在陽極座51上。
[0025]在一種實(shí)施方式中，本申請的柵極單元包括柵極31和柵網(wǎng)32,柵極31設(shè)置有柵極 孔，柵網(wǎng)32設(shè)置在柵極孔上。柵極孔可以為圓形孔、圓錐形孔、橢圓孔或長方形孔。在一種 實(shí)施方式中，柵極31具有圓形開孔，孔直徑稍大于陰極長軸長度，柵極厚度1?3mm，且在 下表面貼有金屬柵網(wǎng)，柵網(wǎng)開口比70?90%，柵網(wǎng)通過玻璃基板的凹槽側(cè)壁與柵極之間的 夾緊力固定。
[0026]在一種實(shí)施方式中，本申請陰極22為狹長橢圓形碳納米管區(qū)域，長軸為短軸長度 的3?7倍。CNT薄膜通過電泳與光刻技術(shù)沉積在預(yù)先鍍有電極的玻璃基板中央位置，小 徑多壁CNT初始原料通過化學(xué)氣象沉積方法（CVD)合成獲得。玻璃基板上設(shè)有凹槽212,做 為陰極區(qū)，凸臺部分使陰極22與柵極31之間絕緣并提供一個小的間距。玻璃基板固定于 其下的陰極座上。陰極22上方為柵極31，柵極31厚度1?3mm，柵極31開有中央圓孔， 圓孔直徑稍大于陰極長軸以保證所有發(fā)射電子通過，緊貼柵極下表面裝有金屬柵網(wǎng)，柵網(wǎng) 32面積大于圓孔面積，其作用是提供一個近乎垂直于陰極表面的電場，以盡可能使電子從 CNT陰極沿管軸線平行發(fā)射，且使發(fā)射電子盡可能多地通過網(wǎng)孔，也就是要求柵網(wǎng)具有高的 開口率。電子通過率越高，轟擊到陽極靶的電子也就越多，產(chǎn)生X射線強(qiáng)度也就越高。柵 極上面接著是第一聚焦極41，中央開聚焦孔，對發(fā)射電子束進(jìn)行初級聚焦。第一聚焦極41 比柵極31厚，為6?20mm，聚焦孔徑越大，厚度越大。常規(guī)聚焦孔為旋轉(zhuǎn)對稱的圓孔或圓 孔后接著一個喇叭型錐孔，使其有利于減小聚焦球差。本申請第一聚焦孔為非旋轉(zhuǎn)對稱的 橢圓孔或長方形孔，如圖3、4所示，其中圖3中A為橢圓形聚焦孔，圖4中B為長方形聚焦 孔。聚焦孔長軸稍大于陰極長軸，聚焦孔短軸大于陰極短軸而小于陰極長軸，具體數(shù)值通過 電子光學(xué)模擬獲得優(yōu)化值。柵極31與第一聚焦極41通過陶瓷封裝絕緣與固定。第一聚焦 極41上面是第二聚焦極42,厚度1?3mm，中央亦有聚焦孔，對電子束進(jìn)行二次聚焦。開 孔形狀與第一聚焦極41相同，與第一聚焦極41也通過陶瓷封裝絕緣與固定。第二聚焦極 42上面是陽極靶52,陽極靶52采用鎢或鑰材料，陽極靶鑲嵌在一個陽極座51上，陽極座 51采用無氧銅材料。陽極靶52具有一個小的傾斜角6 (靶角)，用于使高速電子轟擊產(chǎn)生的 X射線從側(cè)面的X射線窗14輸出，靶角可以為9?16°。靶角的存在使得入射電子束在X 射線投射方向尺寸被壓縮，而在與之垂直的另一方向尺寸不變。所以，為了得到等方向性的 圓形X射線焦斑，入射至陽極靶的電子束為一橢圓，長軸在入射電子束軸線與出射X射線軸 線構(gòu)成的平內(nèi)，短軸在與之垂直的方向。靶角取值根據(jù)轟擊在陽極靶上電子束的長軸短軸 長度比確定。如圖5所示，假設(shè)陽極靶面聚焦電子束長軸長度為D，短軸長度為d，則靶角為 0=arcsin(D/d)，使獲得X射線焦斑形狀近似為圓形，具有好的各向同性分辨。X射線窗為 鈹窗或鋁窗，對低能應(yīng)用采用0.25mm的鈹窗，對較高能量的應(yīng)用采用1mm的鋁窗。所有 電極封裝于陶瓷真空腔體中，有電極線引出至真空腔體外。
[0027]在一種實(shí)施方式中，陰極接地Ve=0 ;柵極電壓VgS〇?5000V，取決于CNT陰極穩(wěn) 定工作的電場與陰極到柵極的距離，改變Vg可改變發(fā)射電流密度，也可控制電子束發(fā)射的 開啟與關(guān)閉，當(dāng)vg小于CNT陰極產(chǎn)生發(fā)射的開啟電壓時(shí)，可使CNT陰極停止發(fā)射；第一聚焦 極41電壓Vfl為1000?5000V，一般低于Vg，決定了電子束聚焦?fàn)顩r，根據(jù)電子光學(xué)模擬 的優(yōu)化值確定；第二聚焦極42電壓取為Vf2=Vg，也可在其附近有小的調(diào)整；陽極電壓取決于 成像物體密度與厚度，對于生物醫(yī)學(xué)成像應(yīng)用為20?140KV。
[0028] 在一種實(shí)施方式中，陰極21到柵極31距離Deg在不產(chǎn)生打火的情況下盡可能小， 為100?300iim;柵極31到第一聚焦極41距離Dgfl為1mm;第一聚焦極41到第二聚焦 42極距離Dflf2為5?10mm;第二聚焦極42到陽極52距離Df2a為8?15mm。所有電極 通過陶瓷封裝于真空腔體中，有電極線引出至真空腔體外。
[0029] 模擬結(jié)果表明，非旋轉(zhuǎn)對稱橢圓或長方形聚焦孔方案優(yōu)于傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)對稱圓孔或 圓錐孔聚焦方案。
[0030] 以上內(nèi)容是結(jié)合具體的實(shí)施方式對本申請所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本申 請的具體實(shí)施只局限于這些說明。對于本申請所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫 離本申請構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換。
【權(quán)利要求】
1. 一種冷陰極聚焦型X射線管，包括殼體、陰極單元、柵極單元、聚焦單元和陽極單元， 所述殼體具有內(nèi)腔，所述柵極單元和所述聚焦單元由下到上設(shè)置在所述殼體內(nèi)，并將所述 內(nèi)腔由下到上分為第一腔室、第二腔室和第三腔室，所述陰極單元設(shè)置在第一腔室內(nèi)，所述 陽極單元設(shè)置在第三單元內(nèi)，所述第三腔室的殼體上設(shè)有X射線窗，所述聚焦單元包括第 一聚焦極，其特征在于，所述第一聚焦極設(shè)有非旋轉(zhuǎn)對稱的第一聚焦孔。
2. 如權(quán)利要求1所述的冷陰極聚焦型X射線管，其特征在于，所述第一聚焦孔包括橢圓 孔或長方形孔。
3. 如權(quán)利要求2所述的冷陰極聚焦型X射線管，其特征在于，所述陰極單元包括陰極座 和設(shè)置在所述陰極座上的陰極。
4. 如權(quán)利要求3所述的冷陰極聚焦型X射線管，其特征在于，所述陰極包括狹長橢圓形 或長方形碳納米管區(qū)域。
5. 如權(quán)利要求4所述的冷陰極聚焦型X射線管，其特征在于，所述碳納米管區(qū)域長軸為 短軸長度的3?7倍。
6. 如權(quán)利要求3所述的冷陰極聚焦型X射線管，其特征在于，所述陰極座包括基板，所 述基板上設(shè)置有凹槽，所述碳納米管陰極區(qū)域設(shè)置在所述凹槽內(nèi)。
7. 如權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的冷陰極聚焦型X射線管，其特征在于，所述聚焦單 元還包括第二聚焦極平行設(shè)置在所述第一聚焦極上方，所述第二聚焦極設(shè)有非旋轉(zhuǎn)對稱的 第二焦孔。
8. 如權(quán)利要求7所述的冷陰極聚焦型X射線管，其特征在于，所述第二聚焦孔包括橢圓 孔或長方形孔。
9. 如權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的冷陰極聚焦型X射線管，其特征在于，所述陽極單 元包括陽極座和設(shè)置在所述陽極座上的陽極靶。
10. 如權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的冷陰極聚焦型X射線管，其特征在于，所述柵極 單元包括柵極和柵網(wǎng)，所述柵極設(shè)置有柵極孔，所述柵網(wǎng)設(shè)置在所述柵極孔上。
【文檔編號】H01J35/14GK104362062SQ201410606138
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年10月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月30日
【發(fā)明者】桂建保, 鄭海榮, 陳垚, 洪序達(dá) 申請人:中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院