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，所述陰極單元設置在第一腔室內(nèi)，所述陽極單元設置在第三單元內(nèi)，所述第三腔室的殼體上設有X射線窗，所述聚焦單元包括第一聚焦極，所述第一聚焦極設有非旋轉(zhuǎn)對稱的第一聚焦孔。在本申請的【具體實施方式】中，由于第一聚焦極設有非旋轉(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)，實現(xiàn)多向等倍率電子束聚焦同時，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可實現(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。
[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，所述陰極單元設置在第一腔室內(nèi)，所述陽極單元設置在第三單元內(nèi)，所 述第三腔室的殼體上設有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，所述基板上設置有凹槽，所述碳納米管陰極區(qū)域設置在所 述凹槽內(nèi)。
[0012] 所述聚焦單元還包括第二聚焦極平行設置在所述第一聚焦極上方，所述第二聚焦 極設有非旋轉(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)，所述柵極設置有柵極孔，所述柵網(wǎng)設置在所述柵 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【具體實施方式】中，由于第一聚焦極設有非旋轉(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)，實現(xiàn)多向等倍 率電子束聚焦同時，保持高的聚焦倍數(shù)。
[0017] ⑵在本申請的【具體實施方式】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)，實現(xiàn)兩個方向等倍率聚焦同時，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射線管計算靶角的示意圖。

【具體實施方式】
[0019] 下面通過【具體實施方式】結(jié)合附圖對本申請作進一步詳細說明。
[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， 陰極單元設置在第一腔室11內(nèi)，陽極單元設置在第三單元13內(nèi)，第三腔室的殼體上設有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設置 在陰極座21上。陰極包括碳納米管（CarbonNanotube，CNT)區(qū)域，在一種實施方式中，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，在本實施方式中，該基板211為玻璃基板，基板211上設置有凹槽212,凹槽 212為陰極區(qū)，碳納米管陰極區(qū)域設置在凹槽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平行設置在第一聚焦極41上方， 并和第一聚焦極41間隔設置，第一聚焦極41和第二聚焦極42分別鑲嵌設置在殼體10上。 第二聚焦極42設有第二聚焦孔，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 設置在陽極座51上。
[0025]在一種實施方式中，本申請的柵極單元包括柵極31和柵網(wǎng)32,柵極31設置有柵極 孔，柵網(wǎng)32設置在柵極孔上。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初始原料通過化學氣象沉積方法（CVD)合成獲得。玻璃基板上設有凹槽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，對低能應用采用0.25mm的鈹窗，對較高能量的應用采用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vg小于CNT陰極產(chǎn)生發(fā)射的開啟電壓時，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，決定了電子束聚焦狀況，根據(jù)電子光學模擬 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)學成像應用為20?140KV。
[0028] 在一種實施方式中，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)合具體的實施方式對本申請所作的進一步詳細說明，不能認定本申 請的具體實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，所述陰極單元設置在第一腔室內(nèi)，所述 陽極單元設置在第三單元內(nèi)，所述第三腔室的殼體上設有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 述基板上設置有凹槽，所述碳納米管陰極區(qū)域設置在所述凹槽內(nèi)。
7. 如權(quán)利要求1至6中任一項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置在所述第一聚焦極上方，所述第二聚焦極設有非旋轉(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)，所述柵極設置有柵極孔，所述柵網(wǎng)設置在所述柵極孔上。
【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 申請人:中國科學院深圳先進技術(shù)研究院