專利名稱：用于x射線管的聚焦型陰極及其x射線源和制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種產(chǎn)生電磁輻射的部件，尤其涉及一種產(chǎn)生X射線的射線源，其陰極采用聚焦型結(jié)構(gòu)，提高了射線源的聚焦性，適用于放射性醫(yī)療和CT圖像重建等方面。
背景技術(shù)：
常用的X射線管結(jié)構(gòu)是由封閉在一個(gè)高度真空的管室內(nèi)的陰極和陽(yáng)極組成。陰極由鎢制燈絲和聚射罩組成，其功能是發(fā)射電子。陽(yáng)極分為固定和放置兩種，前者有效焦點(diǎn)面大，功率小(在IOKW以下)，影像清晰度低，多在小功率X射線機(jī)中使用。后者實(shí)際焦點(diǎn)面大，而有效焦點(diǎn)很小，有用功率大，影像較清晰，多在大功率X射線機(jī)及CT機(jī)中使用。陽(yáng)極的基體使用金屬鎢，其比一般金屬熔點(diǎn)高(3370°c )，陽(yáng)極靶面中心固定在散熱較好的金屬桿上。但純鎢制成的靶面抗熱脹性能差，常因熱而出現(xiàn)龜裂，后改為錸、鎢合金靶面后，龜裂現(xiàn)象減輕，抗熱脹性能得到提高。目前大部分X射線管是采用熱陰極制造成的。由于從熱陰極發(fā)射的電子是隨機(jī)分布的，所以很難獲得良好的聚焦效果，即使可以通過加一個(gè)偏轉(zhuǎn)電壓使其聚焦，但所得到的焦點(diǎn)也是呈雙峰分布而不是高斯分布，不容易聚焦電子束，從而限制了圖像的清晰度。理論上，發(fā)射X射線的面積越小或者說焦點(diǎn)越小，則照相所獲得的圖象質(zhì)量就越高。獲得聚焦效果好的電子束已經(jīng)被視為是獲得高清晰度X射線圖像的一個(gè)必要條件。熱陰極的聚焦問題以及其本身固有缺陷限制了熱陰極X射線管在高標(biāo)準(zhǔn)需求中進(jìn)一步的推廣和應(yīng)用。由于冷陰極具有電子分布比較均勻，易于聚焦，焦點(diǎn)尺寸縮小和提高X射線成像質(zhì)量等特點(diǎn)，使得場(chǎng)發(fā)射代替熱陰極制備X射線管正在成為一種技術(shù)趨勢(shì)。 Baturin等人研究了一種用于X射線管的場(chǎng)致發(fā)射電于槍，其使用碳纖維為陰極，在40kV時(shí)可獲得直徑為2mm的陽(yáng)極電子束斑，束斑電流為O. 1mA，還研究了一種總電流密度為IOmA/ cm2的碳纖維陣列(Nucl. Instrum. Meth. A, 2006，558，253-225)。北卡羅來(lái)納大學(xué)研究者研制出了一種用于微型CT的場(chǎng)致發(fā)射X射線源,這種基于碳納米管(Carbon Nanotube, CNT) 陰極的X射線源利用一個(gè)聚焦電極可獲得直徑為50 μ m的陽(yáng)極束斑，并獲得了清晰的小動(dòng)物(老鼠)的 CT 照片(Phys. Med. Biol.，2009，54，2323)。中國(guó)發(fā)明專利ZL03127012.3公開了一種新型場(chǎng)致發(fā)射的醫(yī)用微型X射線管，包括負(fù)電極、正電極、導(dǎo)線、陰極、陽(yáng)極、耐壓殼體、金屬殼體、密封窗口等部件。從耐壓殼體左端穿過的負(fù)電極和正電極分別用導(dǎo)線與安裝在耐壓殼體左端內(nèi)的陰極的陰極突起和陰極門連接，在耐壓殼體右端與金屬殼體焊接牢固，在金屬殼體內(nèi)安裝陽(yáng)極和密封窗口，使陰極的工作面與陽(yáng)極的工作面平行。兩者之間的距離由要求的電位差大小決定，管內(nèi)的真空度大于10_7托，金屬殼體接地。中國(guó)發(fā)明專利ZL200910024950. 7公開了一種冷陰極聚焦型X射線管，通過聚焦電極可以大幅度壓縮轟擊到陽(yáng)極靶表面的電子束，可實(shí)現(xiàn)高分辨率X射線的發(fā)射。該射線管包括冷陰極電子源及附于其上的氧化鋅發(fā)射層、聚焦電極、真空密封殼體、射線出射窗口以及高電壓陽(yáng)極靶。冷陰極電子源是以平面柵極結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)、通過絲網(wǎng)印刷方式制備于玻璃基底表面，上方放置金屬聚焦電極，高電壓陽(yáng)極靶固定于電子源的正上方，電極放置于陶瓷真空殼體之中，通過電極引線與外部電源相連。陶瓷殼體采用分段封接的方式。中國(guó)發(fā)明專利ZL200910079585.X公開了一種具有高電壓和高穿透特點(diǎn)，并能夠產(chǎn)生高穿透的碳納米陰極場(chǎng)發(fā)射X射線管，包括上端設(shè)散熱器、下端設(shè)接線管的真空容器， 散熱器與陽(yáng)極靶組件上端連接，陽(yáng)極靶組件的高壓通過散熱器引入，陽(yáng)極靶組件通過過渡環(huán)與陽(yáng)極封接件連接，陽(yáng)極封接件與真空容器密封連接，陽(yáng)極靶組件下端成角度地設(shè)置靶面，陽(yáng)極靶組件下端外圍設(shè)有陽(yáng)極帽，陽(yáng)極帽一側(cè)設(shè)出射窗，真空容器下端通過陰極封接件與芯柱連接，芯柱上端設(shè)碳納米陰極，芯柱通過固定螺釘與陰極罩固定連接，碳納米陰極采用真空包裝儲(chǔ)存，組裝前保持超凈環(huán)境，碳納米陰極在裝管過程中采用特殊真空工藝進(jìn)行處理，獨(dú)特的陰極聚集結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)焦斑電子束輸出。本發(fā)明X射線。然而，基于場(chǎng)致發(fā)射的X射線管的聚焦尺寸基本大于30 μ m。有研究文獻(xiàn)報(bào)道了將碳管長(zhǎng)在一鎢絲尖端上，鎢絲的直徑為250 μ m,尖端用電化學(xué)方法刻蝕成曲率半徑只有約 5μπι的半球形(Appl. Phys. Lett.，2007，90，183109)。該射線管的陰極結(jié)構(gòu)包括陰極、柵極和聚焦極(采用磁透鏡，即螺線管來(lái)聚焦)等部件，最大發(fā)射電流為26μΑ，壽命及穩(wěn)定性則未公布，焦點(diǎn)大小約為5 μ m。采用這種做法，陰極制作不僅難度大，射線管結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜，還需要比較復(fù)雜的電源輸入控制系統(tǒng)配合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種用于X射線管的聚焦型陰極，縮小X射線管體積， 從而適用于具有微聚焦的X射線源。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種X射線管，采用聚焦型陰極，適用于高清晰便捷式X射線成像系統(tǒng)，如放射性醫(yī)療和CT圖像重建等方面。本發(fā)明的又一個(gè)目的在于提供一種用于X射線管的聚焦型陰極或陰極陣列的制備方法，以使X射線管陰極結(jié)構(gòu)在工藝上實(shí)現(xiàn)了上下集成，提高適應(yīng)性。本發(fā)明背景技術(shù)中描述的內(nèi)容，可能參考了現(xiàn)有設(shè)備所用的結(jié)構(gòu)和方法。然而，這樣的參考沒有必要解釋為承認(rèn)這些結(jié)構(gòu)和方法在可應(yīng)用的法律規(guī)定下有資格作為現(xiàn)有技術(shù)。申請(qǐng)人保留權(quán)力來(lái)證明，任何參考的主題相對(duì)于本發(fā)明不構(gòu)成現(xiàn)有技術(shù)。本發(fā)明特別應(yīng)用于手術(shù)中實(shí)時(shí)診斷成像系統(tǒng)，如計(jì)算機(jī)斷層攝影(Computed Tomography,CT),特別是涉及錐形束計(jì)算機(jī)斷層攝影(Cone Beam Computed Tomography, CT)。然而,還將意識(shí)到， 所描述的技術(shù)還可以應(yīng)用于混合或其他醫(yī)學(xué)方案或其他醫(yī)學(xué)技術(shù)當(dāng)中。本發(fā)明提供的一種用于X射線管的聚焦型陰極，包括極基片，為上端開口槽體，包括第一槽壁、第二槽壁和水平設(shè)置的基底。發(fā)射極，設(shè)于極基片的基底。電子束選擇性濾過部件，架設(shè)于第一槽壁和第二槽壁，其上設(shè)有一個(gè)直徑 Imm-IOOOmm濾過通孔,且正對(duì)發(fā)射極。電子束聚焦部件，置于電子束選擇性濾過部件之上，包括第一聚焦體和第二聚焦體，第一聚焦體包括一個(gè)與水平面夾角為15° -75°的第一聚焦側(cè)面，第二聚焦體包括一個(gè)與水平面夾角為105° -165°的第二聚焦側(cè)面。優(yōu)先選擇的，第一聚焦側(cè)面和第二聚焦側(cè)面鏡像對(duì)稱。
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電子束二次聚焦部件，架設(shè)于第一聚焦體和第二聚焦體，其上設(shè)有一個(gè)直徑
O.lmm-800mm聚焦孔,且正對(duì)發(fā)射極。本發(fā)明提供的另一種用于X射線管的聚焦型陰極，還包括絕緣層，夾設(shè)于電子束選擇性濾過部件與第一槽壁之間，以及電子束選擇性濾過部件和第二槽壁之間?？勺鳛榻^緣層材料的物質(zhì)如但不僅限于Si02、Si3N4和A1203。本發(fā)明一種優(yōu)先選擇的發(fā)射極由下至上依次為導(dǎo)電層、電阻層和電子發(fā)射源。其中，導(dǎo)電層為I. 5 μ m-6. 5 μ m金屬層,如Cu、Au、Cr、Ni和Ti等金屬單質(zhì)或者任意兩種金屬的合金。優(yōu)先選擇的，導(dǎo)電層由導(dǎo)電種子層和底電極復(fù)合而成，導(dǎo)電種子層位于底電極之下，是厚度為O. 5 μ m-1. 5 μ m金屬層,如但不僅限于Cu、Au、Cr、Ni和Ti等金屬單質(zhì)或者任意兩種金屬的合金，底電極是厚度為I μ m-6 μ m金屬層,如但不僅限于Cu、Au、Cr、Ni和 Ti等金屬單質(zhì)或者任意兩種金屬的合金。電阻層是電阻率值為100 Ω · cm-2000 Ω · cm多晶硅薄膜，可通過精確控制濺射過
程獲 得。電子發(fā)射源是金屬和一維納米材料組成的復(fù)合薄膜層，復(fù)合薄膜表層密集分布了根植于金屬基體之中并有部分裸露在外的一維納米材料。所用金屬材料如但不僅限于 Zn、Ag、Cu和Ni金屬單質(zhì)或任意兩種制成的合金,而一維納米材料如但不僅限于CNT、碳納米纖維、金屬(如但不僅限于Cu、Au、W、Ni和Zn等)、金屬氧化物(如但不僅限于ZnO、 WO3、Fe2O3、和MgO)、硅、碳化硅、二氧化硅、碳氮化物、氮化硼、碳化硼或硫族化物中的一種或幾種制成的納米棒/納米線的組。本發(fā)明適用于極基片的基底的材料如但不僅限于玻片或硅片，適用于第一槽壁和第二槽壁的材料如但不僅限于Sn、Ni、Bi或Cu等電鍍金屬。優(yōu)先選擇的，基低的表面粗糙度不大于10 μ m。本發(fā)明適用于電子束選擇性濾過部件、電子束聚焦部件和電子束二次聚焦部件的材料如但不僅限于Sn、Ni、Bi或Cu等電鍍金屬。本發(fā)明提供的用于X射線管的聚焦型陰極，可與現(xiàn)有的各種類型的陽(yáng)極相配合制成聚焦型陰極X射線管。本發(fā)明提供的一種聚焦型陰極X射線管，包括真空密封殼體、聚焦透鏡、聚焦型陰極、高電壓陽(yáng)極靶、鈹窗口和連接各部件的導(dǎo)線。聚焦透鏡設(shè)于高電壓陽(yáng)極靶和聚焦型陰極之間的區(qū)域，鈹窗口設(shè)于真空密封殼體。高電壓陽(yáng)極靶的材料為金屬Cu或金屬W，靶面與水平面的夾角為15° -45°。聚焦透鏡如但不僅限于磁聚焦透鏡和電磁聚焦透鏡。本發(fā)明提供的用于X射線管的聚焦型陰極，在制備過程中通常以陰極陣列形式批量制備，在使用時(shí)，再進(jìn)行分割而成單一組件。這種方式不僅使X射線管陰極結(jié)構(gòu)在工藝上實(shí)現(xiàn)了上下集成，提高適應(yīng)性，還可顯著降低生產(chǎn)和制造成本。一種用于X射線管的聚焦型陰極的制備方法，其步驟如下I)在基底上派射沉積厚度為O. 5 μ m-1. 5 μ m的金屬層,作為導(dǎo)電種子層；2)在導(dǎo)電種子層上旋涂厚度為2 μ m-6 μ m的光刻膠，采用光刻工藝將光刻膠圖形化，形成底電極圖形化陣列；3)使用電鍍工藝在圖形化的底電極陣列上電鍍底電極金屬，形成厚度為I μ m-6 μ m的金屬層,之后去除光刻膠,形成底電極陣列結(jié)構(gòu)；4)在底電極陣列結(jié)構(gòu)上濺射多晶硅，形成厚度50nm-1000nm的薄膜電阻層；5)旋涂厚度為2 μ m-6 μ m的光刻膠，采用光刻工藝將光刻膠圖形化，形成電阻層圖形化陣列，采用反應(yīng)離子法刻蝕多晶硅薄膜，之后去除光刻膠，形成電阻層結(jié)構(gòu)；6)旋涂厚度為2 μ m-4 μ m的光刻膠，采用光刻工藝將光刻膠圖形化，在電阻層結(jié)構(gòu)上形成發(fā)射極圖形化陣列，采用一維納米材料和金屬的復(fù)合電鍍工藝電鍍厚度為 I μ m-10 μ m復(fù)合薄膜,之后去除光刻膠,形成發(fā)射極結(jié)構(gòu)；7)旋涂厚度為5 μ m-10 μ m的光刻膠，采用光刻工藝將光刻膠圖形化，在基底上形成第一槽壁和第二槽壁的陣列結(jié)構(gòu)，電鍍金屬后，保留光刻膠，磨平表面；8)在步驟7)光刻膠表面濺射第一種子層，并旋涂厚度為I μ m-3 μ m的光刻膠，采用光刻工藝將光刻膠圖形化，形成電子束選擇性濾過部件的圖形化陣列，電鍍金屬后，保留光刻膠，磨平表面；9)在步驟8)光刻膠表面濺射第二種子層，并旋涂厚度為10 μ m-50 μ m的光刻膠， 采用光刻工藝將光刻膠圖形化，采用過曝光光刻工藝，形成具有聚焦側(cè)面的電子束聚焦部件圖形化陣列，電鍍金屬后，保留光刻膠，磨平表面；10)在步驟9)光刻膠表面濺射第三種子層，并旋涂厚度為2 μ m-4 μ m的光刻膠，采用光刻工藝將光刻膠圖形化，形成電子束二次聚焦部件圖形化陣列，電鍍金屬后，保留光刻膠，磨平表面；11)去除步驟7)、步驟8)、步驟9)和步驟10)中保留的光刻膠犧牲層，得到聚焦型陰極微結(jié)構(gòu)。本發(fā)明技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的有益效果本發(fā)明提供的用于X射線管的聚焦型陰極，包括極基片、發(fā)射極、電子束選擇性濾過部件、電子束聚焦部件和電子束二次聚焦部件。其中電子束聚焦部件和電子束二次聚焦部件可采用微電子技術(shù)集成批量制備，可以大幅削減制備成本，縮小X射線管體積，提供具有微聚焦的X射線源，適宜用高清晰便捷式X射線成像系統(tǒng)。


圖I為本發(fā)明提供的用于X射線管的聚焦型陰極一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明提供的用于X射線管的聚焦型陰極陣列一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明提供的具有聚焦型陰極的X射線管一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案。本發(fā)明實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍,其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍中。以下本發(fā)明各個(gè)實(shí)施例所描述的結(jié)構(gòu)涉及單一的聚焦型陰極及其所組成的陣列， 描述的方法即可適用于單一的聚焦型陰極制備，也能適用于其所組成的陰極陣列的制備。 圖I為一種用于X射線管的聚焦型陰極，極基片I包括第一槽壁11、第二槽壁12和基底13，基底13水平設(shè)置，與置于其上的第一槽壁11和第二槽壁12共同形成一個(gè)上端開口的槽體結(jié)構(gòu)。第一槽壁11和第二槽壁12上還分別設(shè)有絕緣層3，絕緣層3上設(shè)置電子束選擇性濾過部件4。發(fā)射極2用于產(chǎn)生X射線所需的電子束，設(shè)于基底13上，現(xiàn)有的X發(fā)射發(fā)射極均可適用。本實(shí)施例中，發(fā)射極2從基底13由下至上依次為導(dǎo)電層21、電阻層22和電子發(fā)射源23。導(dǎo)電層21通常為Cu、Au、Cr、Ni和Ti等金屬單質(zhì)或者任意兩種金屬的合金制成的厚度為I. 5 μ m-6. 5 μ m的金屬層。但從實(shí)際使用考慮，可米用另一種導(dǎo)電層21實(shí)施方式， 由導(dǎo)電種子層和底電極復(fù)合而成，先采用Cu、Au、Cr、Ni和Ti等金屬單質(zhì)或者任意兩種金屬合金制成厚度為O. 5 μ m-1. 5 μ m的導(dǎo)電種子層，然后在其上復(fù)合采用Cu、Au、Cr、Ni和Ti 等金屬單質(zhì)或者任意兩種金屬合金制成厚度為I μ m-6 μ m的底電極金屬層。底電極在平面具有圖形化結(jié)構(gòu)，在其間隙部位的基底上設(shè)有第一槽壁11和第二槽壁12。本實(shí)施例，電阻層22是電阻率值為100 Ω · cm-2000 Ω · cm多晶硅薄膜，可通過精確控制濺射過程獲得。電子發(fā)射源23是金屬和一維納米材料組成的復(fù)合薄膜層，復(fù)合薄膜表層密集分布了根植于金屬基體之中并有部分裸露在外的一維納米材料。金屬和一維納米材料的復(fù)合薄膜沉積在電阻層上作為發(fā)射源。本實(shí)施例中，電子束選擇性濾過部件4為一柵極,具有一個(gè)直徑Imm-IOOOmm柵極孔41，該部件架設(shè)于第一槽壁11和第二槽壁12上，且孔41正對(duì)發(fā)射極2。由發(fā)射極2發(fā)出的電子束經(jīng)柵極孔41濾過后，于設(shè)于柵極上的電子束聚焦部件5實(shí)現(xiàn)聚焦。電子束聚焦部件5包括第一聚焦體51和第二聚焦體52。第一聚焦體包括一個(gè)與水平面夾角為15° -75。 的第一聚焦側(cè)面511，夾角優(yōu)先選擇20° -75。，如但不僅限于21°、23°、25°、27°、 30° 、33° 、35° 、37° 、40° 、43° 、45° 、47° 、50° 、53° 、55° 、57° 、60° 、63° 、65° 、 67°和70°，本實(shí)例為45°。第二聚焦體52包括一個(gè)與水平面夾角為105° -165°的第二聚焦側(cè)面521。夾角優(yōu)先選擇105° -160°，如但不僅限于110°、113°、115°、117°、 120 °、123°、125°、127°、130°、133°、135°、137°、140°、143°、145°、147°、 150°、153°、155°、157°和159°，本實(shí)例為135°。當(dāng)?shù)谝痪劢箓?cè)面511和第二聚焦側(cè)面521以鏡像對(duì)稱方式設(shè)置時(shí)，能對(duì)通過電子束實(shí)現(xiàn)最佳效果。結(jié)合圖3，經(jīng)聚焦的電子束， 通過架設(shè)于第一聚焦體51和第二聚焦體52上的電子束二次聚焦部件6的聚焦孔61后，再經(jīng)聚焦透鏡7最終被射向X射線管的高電壓陽(yáng)極靶8的靶面81。靶面是一個(gè)與水平面夾角為15° -45°的平面，受射來(lái)的電子束激發(fā)產(chǎn)生的X射線通過設(shè)于真空密封殼體9的鈹窗口 91射出。各種部件的連接導(dǎo)線也作為X射線的一部分，如導(dǎo)電層、電子束選擇性濾過部件和高電壓陽(yáng)極靶各自通過導(dǎo)線與電源連接。X射線管在較低的柵極電壓下，發(fā)射極(如一維納米材料)尖端的電子被拔出形成高密度的電子束，電子束經(jīng)過集成制備的電子束聚焦部件初級(jí)聚焦，向前穿過聚焦電子進(jìn)一步被聚焦，接著，經(jīng)兩次聚焦的電子束聚焦透鏡下被聚焦成微聚焦電子束，微聚焦電子束在陽(yáng)極高壓下，加速轟擊陽(yáng)極靶材，產(chǎn)生的X射線穿過密封殼體頂部的鈹窗口發(fā)射形成X 射線源。為了保護(hù)人體安全，對(duì)電子進(jìn)行加速的高壓電源低壓端與正電極相連，高壓端接地。本實(shí)施例提供的單一的聚焦型陰極，可單獨(dú)制備，或集成陣列后結(jié)合光刻圖形化工藝批量制備，使用過程中再行分割，可有效降低成本。所制得的聚焦型陰極陣列結(jié)構(gòu)可參見圖2。用于X射線管的聚焦型陰極的制備方法，其步驟如下I)在基底上派射沉積厚度為O. 5 μ m-1. 5 μ m的金屬層,作為導(dǎo)電種子層；2)在導(dǎo)電種子層上旋涂厚度為2 μ m-6 μ m的光刻膠，采用光刻工藝將光刻膠圖形化，形成底電極圖形化陣列；3)使用電鍍工藝在圖形化的底電極陣列上電鍍底電極金屬，形成厚度為 I μ m-6 μ m的金屬層,之后去除光刻膠,形成底電極陣列結(jié)構(gòu)；4)在底電極陣列結(jié)構(gòu)上濺射多晶硅，形成厚度50nm-1000nm的薄膜電阻層；5)旋涂厚度為2 μ m-6 μ m的光刻膠，采用光刻工藝將光刻膠圖形化，形成電阻層圖形化陣列，采用反應(yīng)離子法刻蝕多晶硅薄膜，之后去除光刻膠，形成電阻層結(jié)構(gòu)；6)旋涂厚度為2 μ m-4 μ m的光刻膠，采用光刻工藝將光刻膠圖形化，在電阻層結(jié)構(gòu)上形成發(fā)射極圖形化陣列，采用一維納米材料和金屬的復(fù)合電鍍工藝電鍍厚度為 I μ m-10 μ m復(fù)合薄膜,之后去除光刻膠,形成發(fā)射極結(jié)構(gòu)；7)旋涂厚度為5 μ m-10 μ m的光刻膠，采用光刻工藝將光刻膠圖形化，在基底上形成第一槽壁和第二槽壁的陣列結(jié)構(gòu)，電鍍金屬后，保留光刻膠，磨平表面；8)在步驟7)光刻膠表面濺射第一種子層(種子層起導(dǎo)電作用，一般為采用金屬， 如銅和鈦等)，并旋涂厚度為1μπι-3μπι的光刻膠，采用光刻工藝將光刻膠圖形化，形成電子束選擇性濾過部件的圖形化陣列，電鍍金屬后，保留光刻膠，磨平表面；9)在步驟8)光刻膠表面濺射第二種子層，并旋涂厚度為10 μ m-50 μ m的光刻膠， 采用光刻工藝將光刻膠圖形化，采用過曝光光刻工藝，形成具有聚焦側(cè)面的電子束聚焦部件圖形化陣列，電鍍金屬后，保留光刻膠，磨平表面；10)在步驟9)光刻膠表面濺射第三種子層，并旋涂厚度為2 μ m-4 μ m的光刻膠，采用光刻工藝將光刻膠圖形化，形成電子束二次聚焦部件圖形化陣列，電鍍金屬后，保留光刻膠，磨平表面；11)去除步驟7)、步驟8)、步驟9)和步驟10)中保留的光刻膠犧牲層，得到聚焦型陰極微結(jié)構(gòu)。結(jié)合上述方法，本實(shí)施例試舉例幾種聚焦型陰極的制備，并將其應(yīng)用于X射線管。實(shí)例I首先在玻片上面濺射一層O. 5 μ m金屬Cu導(dǎo)電種子層，接著在導(dǎo)電種子層上濺射一層300nm單晶硅電阻層，接著將金屬Ni和CNT的復(fù)合薄膜沉積在電阻層上作為發(fā)射源， 底電極在平面具有圖形化結(jié)構(gòu)，接著在其間隙部位電鍍一層5 μ m金屬Ni第一槽壁和第二槽壁結(jié)構(gòu)，接著在第一槽壁和第二槽壁結(jié)構(gòu)上濺射一層50nmSi02絕緣層，再接著將一層
I.5 μ m金屬Ni柵極結(jié)構(gòu)通過光刻和電鍍工藝懸空制作在絕緣層上，接著電鍍一層30 μ m電子束聚焦部件沉積在柵極上，最后在電子束聚焦部件上電鍍一層4μπι電子束二次聚焦部件，制得用于X射線管的聚焦型陰極，其中槽壁結(jié)構(gòu)、絕緣層、柵極、電子束聚焦部件和電子束二次聚焦部件具有圖形化結(jié)構(gòu)。然后將聚焦型陰極焊接在陶瓷真空密封腔體底部，在聚焦孔上方的密封腔體內(nèi)側(cè)設(shè)置磁聚焦透鏡，聚焦磁透鏡將初級(jí)聚焦的電子束聚焦成微焦點(diǎn)電子束，Cu高壓陽(yáng)極靶設(shè)置在密封腔體頂部，陽(yáng)極靶靶面和水平面的角度為15°。密封腔體的右上側(cè)設(shè)置讓X射線透過的鈹窗口。Cu陽(yáng)極靶的高壓加速被聚焦的電子束轟擊靶材產(chǎn)生X射線。X射線穿過設(shè)置在密封真空腔體右上側(cè)的鈹窗口提供X射線源。實(shí)例2首先在硅片上面濺射一層I. O μ m金屬Cr導(dǎo)電種子層，接著在導(dǎo)電種子層上濺射一層200nm單晶硅電阻層，接著將金屬Zn和碳納米纖維的復(fù)合薄膜沉積在電阻層上作為發(fā)射源，底電極在平面具有圖形化結(jié)構(gòu)，接著在其間隙部位電鍍一層8 μ m金屬Zn第一槽壁和第二槽壁結(jié)構(gòu)，接著在第一槽壁和第二槽壁結(jié)構(gòu)上分別濺射一層80nmAl203絕緣層，再接著將一層I. 5μηι金屬Zn柵極結(jié)構(gòu)通過光刻和電鍍工藝懸空制作在絕緣層上,接著電鍍一層 20 μ m金屬Zn電子束聚焦部件沉積在柵極上,最后在電子束聚焦部件上電鍍一層2 μ m金屬 Zn聚焦孔，制得用于X射線管的聚焦型陰極，其中槽壁結(jié)構(gòu)、絕緣層、柵極、電子束聚焦部件和電子束二次聚焦部件具有圖形化結(jié)構(gòu)。然后將聚焦型陰極焊接在陶瓷真空密封腔體底部，在聚焦孔上方密封腔體內(nèi)側(cè)設(shè)置電磁磁聚焦透鏡，聚焦電磁透鏡將初級(jí)聚焦的電子束聚焦成微焦點(diǎn)電子束，W高壓陽(yáng)極靶設(shè)置在密封腔體頂部，陽(yáng)極靶靶面和水平面的角度為25°。W陽(yáng)極靶的高壓加速被聚焦的電子束轟擊靶材產(chǎn)生X射線。X射線穿過設(shè)置在密封真空腔體右上側(cè)的鈹窗口提供X射線源。實(shí)例3首先在玻片上面濺射一層I. 5μπι金屬Ti導(dǎo)電種子層，接著在導(dǎo)電種子層上濺射一層IOOnm單晶硅電阻層，接著將金屬Sn和納米ZnO的復(fù)合薄膜沉積在電阻層上作為發(fā)射源，底電極在平面具有圖形化結(jié)構(gòu)，接著在其間隙部位電鍍?chǔ)│苔笑山饘賁n第一槽壁和第二槽壁結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)，接著在第一槽壁和第二槽壁結(jié)構(gòu)上分別濺射一層IOOnmSi3N4絕緣層，再接著將一層I. 5μηι金屬Sn柵極結(jié)構(gòu)通過光刻和電鍍工藝懸空制作在絕緣層上,接著電鍍一層ΙΟμπι金屬Sn電子束聚焦部件沉積在柵極上,最后在電子束聚焦部件上電鍍一層3 μ m 金屬Sn聚焦孔，制得用于X射線管的聚焦型陰極，其中槽壁結(jié)構(gòu)、絕緣層、柵極、電子束聚焦部件和電子束二次聚焦部件也具有圖形化結(jié)構(gòu)。然后將聚焦型陰極焊接在陶瓷真空密封腔體底部，在聚焦孔上方密封腔體內(nèi)側(cè)設(shè)置磁聚焦透鏡，聚焦磁透鏡將初級(jí)聚焦的電子束聚焦成微焦點(diǎn)電子束，Cu高壓陽(yáng)極靶設(shè)置在密封腔體頂部，陽(yáng)極靶和水平面的角度為45°。Cu陽(yáng)極靶的高壓加速被聚焦的電子束轟擊靶材產(chǎn)生X射線。X射線穿過設(shè)置在密封真空腔體右上側(cè)的鈹窗口提供X射線源。
權(quán)利要求
1.一種用于X射線管的聚焦型陰極，其特征在于包括極基片，為上端開口槽體，包括第一槽壁、第二槽壁和水平設(shè)置的基底；發(fā)射極，設(shè)于所述基底；電子束選擇性濾過部件，架設(shè)于所述第一槽壁和所述第二槽壁，其上濾過通孔正對(duì)所述發(fā)射極，所述通孔直徑為Imm-IOOOmm ；電子束聚焦部件，置于所述電子束選擇性濾過部件之上，包括第一聚焦體和第二聚焦體，所述第一聚焦體包括一個(gè)與水平面夾角為15° -75°的第一聚焦側(cè)面，所述第二聚焦體包括一個(gè)與水平面夾角為105° -165°的第二聚焦側(cè)面；電子束二次聚焦部件，架設(shè)于所述第一聚焦體和所述第二聚焦體，其上聚焦孔正對(duì)所述發(fā)射極。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于X射線管的聚焦型陰極，其特征在于在所述發(fā)射極由下至上依次為導(dǎo)電層、電阻層和電子發(fā)射源。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于X射線管的聚焦型陰極，其特征在于所述導(dǎo)電層為 I. 5 μ m-6. 5 μ m 金屬層。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于X射線管的聚焦型陰極，其特征在于所述導(dǎo)電層由導(dǎo)電種子層和底電極復(fù)合而成，所述導(dǎo)電種子層位于所述底電極之下，是厚度為O. 5 μ m-1. 5 μ m 金屬層；所述底電極是厚度為I μ m-6 μ m金屬層。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的用于X射線管的聚焦型陰極，其特征在于所述金屬選自于Cu、Au、Cr、Ni和Ti至一種或者任意兩種的合金。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于X射線管的聚焦型陰極，其特征在于所述電阻層是電阻率值為100 Ω · cm-2000 Ω · cm多晶硅薄膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于X射線管的聚焦型陰極，其特征在于電子發(fā)射源是金屬和一維納米材料組成的復(fù)合薄膜層，復(fù)合薄膜表層密集分布了根植于金屬基體之中并有部分裸露在外的一維納米材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于X射線管的聚焦型陰極，其特征在于所述金屬選自于 Zn、Ag、Cu和Ni之一種或任意兩種的合金。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于X射線管的聚焦型陰極，其特征在于所述一維納米材料選自于CNT、碳納米纖維、金屬、金屬氧化物、娃、碳化娃、二氧化娃、碳氮化物、氮化硼、碳化硼或硫族化物中的一種或幾種制成的納米棒或納米線的組。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于X射線管的聚焦型陰極，其特征在于所述基低的表面粗糙度不大于10 μ m。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于X射線管的聚焦型陰極，其特征在于所述第一聚焦側(cè)面和所述第二聚焦側(cè)面鏡像對(duì)稱。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于X射線管的聚焦型陰極，其特征在于所述聚焦孔的直徑為 O. lmm-800mm。
13.一種用于X射線管的聚焦型陰極陣列，包括權(quán)利要求1-12之一所述的用于X射線管的聚焦型陰極。
14.一種聚焦型陰極X射線管，包括真空密封殼體、聚焦透鏡、聚焦型陰極、高電壓陽(yáng)極靶、鈹窗口和連接各部件的導(dǎo)線，所述聚焦透鏡設(shè)于所述高電壓陽(yáng)極靶和所述聚焦型陰極之間的區(qū)域，所述鈹窗口設(shè)于所述真空密封殼體，其特征在于所述聚焦型陰極為權(quán)利要求 1-12之一所述。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的聚焦型陰極X射線管，其特征在于所述高電壓陽(yáng)極靶靶面與水平面的夾角為15° -45°。
16.一種制備權(quán)利要求1-13之一所述的用于X射線管的聚焦型陰極的方法，其步驟如下1)在所述基底上濺射沉積厚度為O.5 μ m-1. 5 μ m的金屬層，作為導(dǎo)電種子層；2)在所述導(dǎo)電種子層上旋涂厚度為2μ m-6 μ m的光刻膠，采用光刻工藝將光刻膠圖形化，形成底電極圖形化陣列；3)使用電鍍工藝在圖形化的所述底電極陣列上電鍍底電極金屬，形成厚度為 I μ m-6 μ m的金屬層,之后去除光刻膠,形成底電極陣列結(jié)構(gòu)；4)在所述底電極陣列結(jié)構(gòu)上派射多晶娃，形成厚度50nm-1000nm的薄膜電阻層；5)旋涂厚度為2μ m-6 μ m的光刻膠，采用光刻工藝將光刻膠圖形化，形成電阻層圖形化陣列，采用反應(yīng)離子法刻蝕多晶硅薄膜，之后去除光刻膠，形成電阻層結(jié)構(gòu)；6)旋涂厚度為2μ m-4 μ m的光刻膠，采用光刻工藝將光刻膠圖形化，在所述電阻層結(jié)構(gòu)上形成發(fā)射極圖形化陣列，采用一維納米材料和金屬的復(fù)合電鍍工藝電鍍厚度為 I μ m-10 μ m復(fù)合薄膜,之后去除光刻膠,形成發(fā)射極結(jié)構(gòu)；7)旋涂厚度為5μ m-10 μ m的光刻膠，采用光刻工藝將光刻膠圖形化，在所述基底上形成所述第一槽壁和所述第二槽壁的陣列結(jié)構(gòu)，電鍍金屬后，保留光刻膠，磨平表面；8)在步驟7)光刻膠表面濺射第一種子層，并旋涂厚度為Iμ m-3 μ m的光刻膠，采用光刻工藝將光刻膠圖形化，形成電子束選擇性濾過部件的圖形化陣列，電鍍金屬后，保留光刻膠，磨平表面；9)在步驟8)光刻膠表面濺射第二種子層，并旋涂厚度為10μπι-50μπι的光刻膠，采用光刻工藝將光刻膠圖形化，采用過曝光光刻工藝，形成具有聚焦側(cè)面的電子束聚焦部件圖形化陣列，電鍍金屬后，保留光刻膠，磨平表面；10)在步驟9)光刻膠表面濺射第三種子層，并旋涂厚度為2μ m-4 μ m的光刻膠，采用光刻工藝將光刻膠圖形化，形成電子束二次聚焦部件圖形化陣列，電鍍金屬后，保留光刻膠， 磨平表面；11)去除步驟7)、步驟8)、步驟9)和步驟10)中保留的光刻膠犧牲層，得到聚焦型陰極微結(jié)構(gòu)。
全文摘要
一種用于X射線管的聚焦型陰極，包括極基片、發(fā)射極、電子束選擇性濾過部件、電子束聚焦部件和電子束二次聚焦部件。本發(fā)明提供的聚焦型陰極不僅可與現(xiàn)有的各種類型的陽(yáng)極相配合制成聚焦型陰極X射線管，還能適用于以陰極陣列形式批量制備，在使用時(shí)，再進(jìn)行分割而成單一組件。本發(fā)明提供的聚焦型陰極在工藝上實(shí)現(xiàn)了上下集成，提高適應(yīng)性，還可顯著降低生產(chǎn)和制造成本。
文檔編號(hào)H01J35/14GK102610474SQ20121007996
公開日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月23日
發(fā)明者劉瑞, 李丁, 楊浩, 鄧敏 申請(qǐng)人:劉瑞, 李丁, 楊浩, 鄧敏