基于碳納米管冷陰極的聚焦型三極結(jié)構(gòu)全封裝x射線球管的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開的基于碳納米管冷陰極的聚焦型三極結(jié)構(gòu)全封裝X射線球管，包括：基于玻璃外殼的真空腔體；配置在真空腔體內(nèi)的陽極組件，陽極組件通過連接柱引出所述真空腔體之外，與所需的電源和散熱系統(tǒng)連接；配置在真空腔體內(nèi)的電子槍組件，電子槍組件中的陰極基片和柵極分別通過陰極引線和柵極引線引出真空腔體之外；其陰極基片為金屬-石墨烯-垂直碳納米管復(fù)合式冷陰極。本實用新型中的陰極基片采用利用金屬表面生長石墨烯，然后再在石墨烯上生長垂直碳納米管陣列制備的金屬-石墨烯-垂直碳納米管復(fù)合冷陰極結(jié)構(gòu)，降低碳管與金屬電極之間的接觸電阻，有效改善碳管與金屬直接接觸造成的局部電流密度過大問題，提高冷陰極在大電流密度下的壽命。
【專利說明】
基于碳納米管冷陰極的聚焦型三極結(jié)構(gòu)全封裝X射線球管
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及X射線影像設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于金屬-石墨烯-垂直碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)、場發(fā)射電子源的聚焦型三極結(jié)構(gòu)全封裝X射線球管。該聚焦型三極結(jié)構(gòu)全封裝X射線球管可應(yīng)用于各種X射線影像設(shè)備中。尤其在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)，生物科學(xué)，工業(yè)檢測等科學(xué)研究和應(yīng)用領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用及廣闊前景。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)X射線球管中的電子發(fā)射弊端明顯:工藝復(fù)雜，體積龐大，能耗高，并且壽命有限。而場致發(fā)射恰恰解決了熱電子發(fā)射帶來的問題。場致電子發(fā)射并不需要提供給陰極源體內(nèi)電子以額外的能量，而是靠強的外加電場來壓抑物體的表面勢皇，使發(fā)射體內(nèi)的大量電子由于隧道效應(yīng)穿透表面勢皇逸出，形成場致電子發(fā)射。此前人們嘗試了尖錐陣列式場致發(fā)射冷陰極。這種陰極是用化學(xué)腐蝕或特殊工藝，將陰極材料加工成表面光滑的尖端，并排成陣列或刀口形式，將尖端曲率半徑減小至nm量級，使尖端的幾何放大因子達(dá)到10E+5?10E+6cm—S因此，只需要加幾十伏電壓，就可以使尖端產(chǎn)生很強的電場，形成電子發(fā)射。但這種尖端制作工藝和技術(shù)要求嚴(yán)格，使得這類陰極的制造成本過高，限制了這種器件的應(yīng)用領(lǐng)域。
[0003]碳納米管材料是目前最理想的場致電子發(fā)射材料，因其具有漸入的發(fā)射尖端，易形成強電場，非常有利于電子的場致發(fā)射，碳納米管薄膜材料制備工藝相對簡單，相關(guān)器件整體結(jié)構(gòu)易于在工業(yè)上進(jìn)行大批量生產(chǎn)。但是現(xiàn)有的直接在金屬表面生長的垂直碳管陣列在碳管與金屬接觸的地方存在缺陷，導(dǎo)致工作過程中存在局部電流密度過大降低，最終導(dǎo)致垂直碳管陣列在大電流工作狀態(tài)下壽命顯著降低。
[0004]作為發(fā)射源的X射線管碳納米管封裝在一個大的動態(tài)真空系統(tǒng)中，需要附加復(fù)雜的真空抽氣系統(tǒng)以滿足場發(fā)射源對真空度的要求。在全真空密封的碳納米管X射線管中，但大部分只是二極結(jié)構(gòu)。二極結(jié)構(gòu)X射線管的制作比較簡單，但是管電流由陽極高電壓決定，因此管電流的可控性比較差。同時二極結(jié)構(gòu)X射線源的焦點完全依賴于碳納米管發(fā)射體的面積，因此很難實現(xiàn)大電流和小焦點此外，冷陰極X射線管多為金屬-陶瓷管，這種類型的管成本較高。
【實用新型內(nèi)容】
[0005]本實用新型所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的問題而提供一種基于碳納米管冷陰極的聚焦型三極結(jié)構(gòu)全封裝X射線球管。這種基于碳納米管場發(fā)射電子源的全真空密封的聚焦型三極結(jié)構(gòu)X射線玻璃球管。采用金屬-石墨烯-垂直碳納米管復(fù)合冷陰極結(jié)構(gòu)，避免了現(xiàn)有的直接在金屬表面生長的垂直碳管陣列在碳管與金屬接觸地方存在的缺陷而引起的工作過程中存在局部電流密度過大降低，有效提高了冷陰極在大電流工作狀態(tài)下的壽命。采用石墨烯材料和金屬柵網(wǎng)的復(fù)合式柵極，改善了陰極電場的分布，降低了陰極的驅(qū)動電壓，并通過對柵極的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了柵極電極聚焦功能。故全真空密封的X射線管的場發(fā)射電子源具有響應(yīng)速度快、低功耗且數(shù)字可控等優(yōu)點。而且，這種新型X射線管的制作工藝與傳統(tǒng)熱陰極的X射線管完全兼容，因此具有較低的成本。
[0006]為了解決實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本實用新型所采用的技術(shù)方案如下:
[0007]基于碳納米管冷陰極的聚焦型三極結(jié)構(gòu)全封裝X射線球管，包括:
[0008]基于玻璃外殼的真空腔體；
[0009]配置在所述真空腔體內(nèi)的陽極組件，所述陽極組件通過連接柱引出所述真空腔體之外，與所需的電源和散熱系統(tǒng)連接；
[0010]配置在所述真空腔體內(nèi)的電子槍組件，所述電子槍組件中的陰極基片和柵極分別通過陰極引線和柵極引線引出所述真空腔體之外;所述陰極基片為金屬-石墨烯-垂直碳納米管復(fù)合式冷陰極。
[0011]在本實用新型的一個優(yōu)選實施例中，所述金屬-石墨烯-垂直碳納米管復(fù)合式冷陰極具體結(jié)構(gòu)是:在金屬表面生長石墨烯層，然后再在石墨烯層上生長垂直碳納米管陣列。
[0012]在本實用新型的一個優(yōu)選實施例中，所述陽極組件包括位于所述真空腔體內(nèi)的陽極金屬罩和鑲嵌在所述陽極金屬罩內(nèi)的用于產(chǎn)生X射線的陽極靶，所述陽極金屬罩通過連接柱引出所述真空腔體之外，與所需的電源和散熱系統(tǒng)連接。
[0013]在本實用新型的一個優(yōu)選實施例中，所述陽極靶的傾斜角度為12度。
[0014]在本實用新型的一個優(yōu)選實施例中，所述陽極革El的厚度為0.1_。
[0015]在本實用新型的一個優(yōu)選實施例中，所述電子槍組件還包括金屬外殼、構(gòu)成柵極的金屬柵網(wǎng)、絕緣陶瓷托、絕緣陶瓷環(huán)片、陰極基底以及陰極引線和柵極引線組成;在所述金屬外殼上開設(shè)有一槍口，所述陰極基片、金屬柵網(wǎng)、絕緣陶瓷托、絕緣陶瓷環(huán)片、陰極基底位于所述金屬外殼內(nèi)，其中所述陰極基底設(shè)置在所述絕緣陶瓷托面向所述槍口的那一面上;所述陰極基片和所述絕緣陶瓷環(huán)片設(shè)置在所述陰極基底面向所述槍口的那一面上，其中，所述陰極基片對應(yīng)于所述槍口，所述絕緣陶瓷環(huán)片位于所述陰極基片的外圍；所述金屬柵網(wǎng)設(shè)置在所述絕緣陶瓷環(huán)片面向所述槍口的那一面上并覆蓋所述陰極基片。
[0016]在本實用新型的一個優(yōu)選實施例中，所述陰極基片為圓片結(jié)構(gòu)，直徑為2mm;所述金屬柵網(wǎng)的網(wǎng)孔直徑為ΙΟΟμπι。
[0017]在本實用新型的一個優(yōu)選實施例中，所述金屬柵網(wǎng)與所述陰極基片之間的距離為300μπιο
[0018]在本實用新型的一個優(yōu)選實施例中，所述金屬柵網(wǎng)與所述陽極組件中的陽極之間的距離為5mm。
[0019]在本實用新型的一個優(yōu)選實施例中，所述金屬柵網(wǎng)上的柵極聚焦孔高度為1mm，直徑為3mm。
[0020]在本實用新型的一個優(yōu)選實施例中，在所述金屬柵網(wǎng)上沉積有石墨烯，構(gòu)成一石墨稀和金屬柵網(wǎng)復(fù)合式柵極。
[0021]由于采用了如上的技術(shù)方案，本實用新型中的陰極基片采用利用金屬表面生長石墨烯，然后再在石墨烯上生長垂直碳納米管陣列制備的金屬-石墨烯-垂直碳納米管復(fù)合冷陰極結(jié)構(gòu)，降低碳管與金屬電極之間的接觸電阻，有效改善碳管與金屬直接接觸造成的局部電流密度過大問題，提高冷陰極在大電流密度下的壽命。
[0022]進(jìn)一步本實用新型將石墨烯材料和金屬柵網(wǎng)的復(fù)合式柵極應(yīng)用于冷陰極X射線管中，克服傳統(tǒng)金屬柵網(wǎng)作為柵極電極時電子透過率低、電子束聚焦性能差和驅(qū)動電壓高等缺點，降低柵極驅(qū)動電壓而實現(xiàn)電子束聚焦，有較高的工作穩(wěn)定性和可靠性;并且制備工藝基本不變，有較低的成本性。同時有源控制單元開啟能為電路提供足夠的電留，且不影響X射線管的特性。
[0023]更進(jìn)一步，本實用新型采用金屬-石墨烯-垂直碳納米管復(fù)合冷陰極結(jié)構(gòu)，避免了現(xiàn)有的直接在金屬表面生長的垂直碳管陣列在碳管與金屬接觸地方存在的缺陷而引起的工作過程中存在局部電流密度過大降低，有效提高了冷陰極在大電流工作狀態(tài)下的壽命。采用石墨烯材料和金屬柵網(wǎng)的復(fù)合式柵極，改善了陰極電場的分布，降低了陰極的驅(qū)動電壓，并通過對柵極的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了柵極電極聚焦功能。故全真空密封的X射線管的場發(fā)射電子源具有響應(yīng)速度快、低功耗且數(shù)字可控等優(yōu)點。而且，這種新型X射線管的制作工藝與傳統(tǒng)熱陰極的X射線管完全兼容，因此具有較低的成本。
[0024]本實用新型通過化學(xué)氣相沉淀(CVD)的方法制備金屬-石墨烯-垂直碳納米管陰極作為X射線管發(fā)射體，具有設(shè)備、方法簡單，低成本且易實現(xiàn)碳納米管工業(yè)化大批量生產(chǎn)。另夕卜，碳納米管的生長還能通過生長時間、溫度等參數(shù)進(jìn)行控制，可制備不同形態(tài)和性能的碳納米管薄膜和陣列。
[0025]本實用新型在X射線管測試系統(tǒng)中，將場發(fā)射陰極與一個高壓MOSFET串聯(lián)，通過控制高壓MOSFET的柵極電壓，可以實現(xiàn)對場發(fā)射電流的控制，提高真空密封X射線管的穩(wěn)定性和可依賴性。
[0026]當(dāng)本實用新型的聚焦型三極結(jié)構(gòu)X射線球管的焦點直徑為Imm時，已滿足透視成像的需要。通過改變脈沖的寬度和動態(tài)電流控制單元MOSFET的柵極電壓，很容易調(diào)節(jié)在直流電壓情況下的X射線的劑量并獲得清晰的X射線圖像。
【附圖說明】
[0027]圖1為本實用新型基于碳納米管冷陰極的聚焦型三極結(jié)構(gòu)全封裝X射線球管的外形圖。
[0028]圖2為本實用新型基于碳納米管冷陰極的聚焦型三極結(jié)構(gòu)全封裝X射線球管的電子槍組件的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖，說明本實用新型的【具體實施方式】。
[0030]參見圖1，圖中給出的基于碳納米管冷陰極的聚焦型三極結(jié)構(gòu)全封裝X射線球管，包括基于玻璃外殼的真空腔體100、配置在真空腔體100內(nèi)的陽極組件300和電子槍組件200。
[0031]陽極組件300包括位于真空腔體100內(nèi)的陽極金屬罩310和鑲嵌在陽極金屬罩310內(nèi)的用于產(chǎn)生X射線的陽極靶320，陽極金屬罩310通過銅連接柱330引出真空腔體100之外，與所需的電源和散熱系統(tǒng)連接。
[0032]陽極金屬罩310采用采用散熱性好的銅制成，易于散熱。陽極靶320的傾斜角度為12度，厚度為0.1mm，采用鎢制備而成。
[0033]參見圖2，電子槍組件200包括金屬外殼210、構(gòu)成柵極的金屬柵網(wǎng)220、構(gòu)成陰極的陰極基片230、絕緣陶瓷托240、絕緣陶瓷環(huán)片250、陰極基底260以及陰極引線270和柵極引線280組成；在金屬外殼210上開設(shè)有一槍口 211，陰極基片230、金屬柵網(wǎng)220、絕緣陶瓷托240、絕緣陶瓷環(huán)片250、陰極基底260位于金屬外殼210內(nèi)，其中陰極基底260設(shè)置在絕緣陶瓷托240面向槍口211的那一面241上；陰極基片230和絕緣陶瓷環(huán)片250設(shè)置在陰極基底260面向槍口 211的那一面261上，其中，陰極基片230對應(yīng)于槍口 211，絕緣陶瓷環(huán)片250位于陰極基片230的外圍；金屬柵網(wǎng)220設(shè)置在絕緣陶瓷環(huán)片250面向槍口 211的那一面251上并覆蓋陰極基片230。陰極基片230和金屬柵網(wǎng)220分別通過陰極引線270和柵極引線280引出真空腔體100之外。
[0034]陰極基片230為金屬-石墨烯-垂直碳納米管復(fù)合式冷陰極，該金屬-石墨烯-垂直碳納米管復(fù)合式冷陰極具體結(jié)構(gòu)是:在金屬表面生長石墨烯層，然后再在石墨烯層上生長垂直碳納米管陣列。在石墨烯層上生長垂直碳納米管陣列的具體方法是:采用微波等離子體化學(xué)氣相沉淀方法，以180sccm的速率通入微波等離子體氣體H2，碳源氣體CH4為20sccm，在反應(yīng)壓強28mbar、微波輸入頻率2.456取且襯底溫度630-640°(:，生長1-51^11，在金屬-石墨烯上制備長度一致、分布均勻、垂直陣列的碳納米管。
[0035]陰極基片230為圓片結(jié)構(gòu)，直徑為2mm，金屬柵網(wǎng)220選用鉬合金，有良好的耐高溫性，其網(wǎng)孔直徑為ΙΟΟμπι。金屬柵網(wǎng)220與陰極基片230之間的距離為300μπι。金屬柵網(wǎng)220與陽極組件300中的陽極靶320之間的距離為5mm。
[0036]金屬柵網(wǎng)220上的柵極聚焦孔高度為1mm，直徑為3mm。
[0037]采用PMMA濕法轉(zhuǎn)移將石墨烯轉(zhuǎn)移到既能使陰極表面的電場盡量均勻，又能使電子在柵網(wǎng)處的截獲最小的金屬柵網(wǎng)的表面，得到具有雙層石墨烯的復(fù)合式柵極。
[0038]本實用新型應(yīng)用石墨烯和金屬柵網(wǎng)復(fù)合式柵極，降低了柵極驅(qū)動電壓，并通過對柵極結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了電子束聚焦。通過采用動態(tài)電流控制單元，實現(xiàn)了對場發(fā)射電流的控制，獲得了穩(wěn)定的發(fā)射電流。這種冷陰極X射線管的焦點直徑約為1_，獲得的陽極電流約在ImA以上。用這種X射線管對一些物體進(jìn)行透視拍照，在陽極電壓50kV，陽極電流1mA，曝光時間Is的情況下，獲得了清晰的透視照片。而且，這種X射線管的制備工藝簡單，具有較低的成本;為推進(jìn)數(shù)字化冷陰極X射線源有重要意義。
【主權(quán)項】
1.基于碳納米管冷陰極的聚焦型三極結(jié)構(gòu)全封裝X射線球管，包括: 基于玻璃外殼的真空腔體； 配置在所述真空腔體內(nèi)的陽極組件，所述陽極組件通過連接柱引出所述真空腔體之夕卜，與所需的電源和散熱系統(tǒng)連接； 配置在所述真空腔體內(nèi)的電子槍組件，所述電子槍組件中的陰極基片和柵極分別通過陰極引線和柵極引線引出所述真空腔體之外；其特征在于，所述陰極基片為金屬-石墨烯-垂直碳納米管復(fù)合式冷陰極。2.如權(quán)利要求1所述的基于碳納米管冷陰極的聚焦型三極結(jié)構(gòu)全封裝X射線球管，其特征在于，所述金屬-石墨烯-垂直碳納米管復(fù)合式冷陰極具體結(jié)構(gòu)是:在金屬表面生長石墨烯層，然后再在石墨烯層上生長垂直碳納米管陣列。3.如權(quán)利要求1所述的基于碳納米管冷陰極的聚焦型三極結(jié)構(gòu)全封裝X射線球管，其特征在于，所述陽極組件包括位于所述真空腔體內(nèi)的陽極金屬罩和鑲嵌在所述陽極金屬罩內(nèi)的用于產(chǎn)生X射線的陽極靶，所述陽極金屬罩通過連接柱引出所述真空腔體之外，與所需的電源和散熱系統(tǒng)連接。4.如權(quán)利要求3所述的基于碳納米管冷陰極的聚焦型三極結(jié)構(gòu)全封裝X射線球管，其特征在于，所述陽極靶的傾斜角度為12度。5.如權(quán)利要求3所述的基于碳納米管冷陰極的聚焦型三極結(jié)構(gòu)全封裝X射線球管，其特征在于，所述陽極靶的厚度為0.1_。6.如權(quán)利要求1所述的基于碳納米管冷陰極的聚焦型三極結(jié)構(gòu)全封裝X射線球管，其特征在于，所述電子槍組件還包括金屬外殼、構(gòu)成柵極的金屬柵網(wǎng)、絕緣陶瓷托、絕緣陶瓷環(huán)片、陰極基底以及陰極引線和柵極引線組成;在所述金屬外殼上開設(shè)有一槍口，所述陰極基片、金屬柵網(wǎng)、絕緣陶瓷托、絕緣陶瓷環(huán)片、陰極基底位于所述金屬外殼內(nèi)，其中所述陰極基底設(shè)置在所述絕緣陶瓷托面向所述槍口的那一面上;所述陰極基片和所述絕緣陶瓷環(huán)片設(shè)置在所述陰極基底面向所述槍口的那一面上，其中，所述陰極基片對應(yīng)于所述槍口，所述絕緣陶瓷環(huán)片位于所述陰極基片的外圍；所述金屬柵網(wǎng)設(shè)置在所述絕緣陶瓷環(huán)片面向所述槍口的那一面上并覆蓋所述陰極基片。7.如權(quán)利要求6所述的基于碳納米管冷陰極的聚焦型三極結(jié)構(gòu)全封裝X射線球管，其特征在于，所述陰極基片為圓片結(jié)構(gòu)，直徑為2_;所述金屬柵網(wǎng)的網(wǎng)孔直徑為ΙΟΟμπι。8.如權(quán)利要求6所述的基于碳納米管冷陰極的聚焦型三極結(jié)構(gòu)全封裝X射線球管，其特征在于，所述金屬柵網(wǎng)與所述陰極基片之間的距離為300μπι;所述金屬柵網(wǎng)與所述陽極組件中的陽極之間的距離為5mm。9.如權(quán)利要求6所述的基于碳納米管冷陰極的聚焦型三極結(jié)構(gòu)全封裝X射線球管，其特征在于，所述金屬柵網(wǎng)上的柵極聚焦孔高度為1_，直徑為3_。10.如權(quán)利要求6所述的基于碳納米管冷陰極的聚焦型三極結(jié)構(gòu)全封裝X射線球管，其特征在于，在所述金屬柵網(wǎng)上沉積有石墨烯，構(gòu)成一石墨烯和金屬柵網(wǎng)復(fù)合式柵極。
【文檔編號】H01J35/14GK205542692SQ201521125924
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2015年12月29日
【發(fā)明人】廖威
【申請人】無錫吉倉納米材料科技有限公司