專利名稱：響應速度快的x射線管的制作方法
技術(shù)領域：
本實用新型涉及x射線管，具體地說是一種冷陰極聚焦型x射線管。
背景技術(shù)：
近年來X射線成像系統(tǒng)已大量應用于診斷、治療等醫(yī)療領域，作為X成像系統(tǒng)核心部
件的X射線管也得到了廣泛的關(guān)注。傳統(tǒng)的x射線管多采用燈絲為電子源，即熱陰極x射
線管，通過加熱燈絲使其內(nèi)部電子溢出形成有效的電子發(fā)射。隨著探測技術(shù)的發(fā)展以及對
探測要求的提高，熱陰極X射線管因其本身固有的缺點已無法滿足現(xiàn)代X射線成像技術(shù)所 提出的高分辨率、實時性等要求。相反，場致發(fā)射冷陰極X射線管因其無需加熱、響應迅
速等特性，可以有效地實現(xiàn)探測的實時性。之前有國外報道稱，采用硅微尖和金剛石薄膜
場致發(fā)射陣列的X射線管在實驗室得以實現(xiàn)。但因其工作電場過高、工作電流過小，限制
了這種器件的進一步發(fā)展。而其中所采用的微加工掩膜刻蝕工藝，也增加了工藝的復雜性
并提高了成本。此外，如果缺少必要的聚焦措施，出射的X射線光束必將具有很大的發(fā)散 角，不利于X射線成像空間分辨率的提高。
氧化鋅(Zn0)是一種用途廣泛的半導體材料，近年來，國內(nèi)外對氧化鋅納米結(jié)構(gòu)都表 示了極大的關(guān)注，并投入大量的人力和物力開展了有效的研究工作，Science和 A卯l， Phys. Lett.等國際著名刊物均對此做了大量的相關(guān)報道。納米氧化鋅應用于場致發(fā)射 陰極具有許多優(yōu)點豐富的納米結(jié)構(gòu)形貌為場致發(fā)射器件的設計提供了更大的靈活性，并 為提高場增強因子提供了更多的形貌優(yōu)化途徑；優(yōu)良的抗氧化性能大大增加了器件的抗老 化能力，并很好地避免了場致發(fā)射器件在制備和工作過程中的納米結(jié)構(gòu)的損毀，從而保證 了器件工作性能的穩(wěn)定；納米氧化鋅中吸附的氣體少，有利于獲得高發(fā)射電流密度，并能 保持高發(fā)射電流密度下的器件的穩(wěn)定性；有多種方法可在導電襯底上直接生長氧化鋅納米 結(jié)構(gòu)，生長過程與樣品尺寸可以調(diào)節(jié)，從而直接用于電子發(fā)射陰極。
發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題為了解決現(xiàn)有技術(shù)所面臨的上述問題，采用以平面柵極結(jié)構(gòu)為基礎、納米 氧化鋅為發(fā)射材料的冷陰極電子源，提供一種響應速度快的X射線管。在場強一定的情況 下不僅能夠提供足夠大的發(fā)射電流，它還具有制備工藝簡單易行、開啟電壓低、聚焦性能
好等特點。使用這種電子源，為X射線管在未來三維CT的應用上提供了出路與方向，對于 放射性醫(yī)療、CT圖像重建等研究方向的發(fā)展意義非常顯著。
技術(shù)方案本實用新型公開的一種響應速度快的X射線管，電子源表面電極采用平面柵
極結(jié)構(gòu)、以納米氧化鋅作為場致發(fā)射材料。通過在電子源平面柵極電極上施加調(diào)制電壓， 在聚焦電極和陽極上分別施加聚焦電壓與陽極高壓，使得場致發(fā)射材料發(fā)射電子，電子在聚焦電極、陽極電壓的共同作用下，轟擊陽極靶產(chǎn)生X射線。
本實用新型的響應速度快的x射線管包含冷陰極電子源、聚焦電極、射線出射窗口、高
電壓陽極靶以及連接各電極的電極引線，在冷陰極電子源表面設有氧化鋅發(fā)射層，表面電
極結(jié)構(gòu)采用平面柵極場致發(fā)射結(jié)構(gòu)，即由平面柵極、平面陰極構(gòu)成；在真空密封殼體的底 部設置基座，將制備了平面柵極、平面陰極以及氧化鋅發(fā)射層的玻璃基底固定在基座上， 在真空密封殼體內(nèi)的上部即冷陰極電子源的正上方固定高電壓陽極靶，在冷陰極電子源到 高電壓陽極耙之間順序放置聚焦電極與射線出射窗口 ，在冷陰極電子源與聚焦電極之間以 及聚焦電極與射線出射窗口之間均采用陶瓷殼體進行封裝。
平面柵極、平面陰極均為梳狀結(jié)構(gòu)，梳齒相互交錯設置，氧化鋅發(fā)射層位于平面柵極、 平面陰極的梳齒之間；其中平面柵極與平面陰極梳齒寬度的取值范圍均為O. 1~0. 3毫米、平 面柵極與平面陰極之間的印有氧化鋅發(fā)射層的間隙寬度取值為O. 2~0. 6毫米；冷陰極電子源 表面與聚焦電極下端之間的間距為250 500微米，聚焦結(jié)構(gòu)中的單個聚焦電極與電極之間陶 瓷隔離體的高度比可選l: l或l: 2，陽極靶可采用鎢、鉬以及無氧銅、重金屬材料。
真空密封殼體由陶瓷構(gòu)成，金屬電極與陶瓷之間采用可伐材料進行過渡與真空封接， 冷陰極電子源采用絲網(wǎng)印刷的方式制備于玻璃基底表面，氧化鋅發(fā)射層是采用熱化學氣相 沉積方法制備的四針納米氧化鋅結(jié)構(gòu)。
在本實用新型中，電極分別通過點焊在其上的導線與外部電源相連，通過將電子源、 陽極靶的電極引線穿過陶瓷殼體上預留的過孔，將其固定。陽極靶靶面與水平成一定角度， 形成25度 35度夾角。各個電極之間采用陶瓷結(jié)構(gòu)進行隔離，金屬化后的陶瓷隔離體與金 屬電極之間使用可伐材料進行過渡與封接，構(gòu)成真空密封殼體。采用傳統(tǒng)的真空封接工藝 對組裝好的X射線管進行真空排氣與封接，將封接好的器件接入超高真空烘烤除氣系統(tǒng)進行 烘烤除氣，同時激發(fā)預留在真空殼體內(nèi)的消氣劑，待真空度達到一定量級以上，使其與真 空除氣系統(tǒng)脫離。
本實用新型中，X射線源的開啟由電子源中平面柵極的調(diào)制電壓控制，電子束束斑的大 小由聚焦電極電壓決定。本發(fā)明中的冷陰極聚焦型X射線管，其工作方式如下在電子源平 面柵極電極上施加400V以上電壓，使其對應的平面陰極發(fā)射電子；所發(fā)射的電子在經(jīng)過柵 極電壓的加速下快速撞擊電極間的場致發(fā)射材料氧化鋅，從而引發(fā)更為強烈的二次電子發(fā) 射；施加電壓，聚焦電極電壓700V，陽極靶電壓6000V以上；大量的二次電子在聚焦極、陽 極電壓的共同作用下，高速轟擊陽極靶從而激發(fā)產(chǎn)生X射線；通過調(diào)節(jié)聚焦電極上的電壓， 壓縮轟擊到陽極靶靶面的電子束束斑的大小，從而控制出射X射線的空間分辨率。
有益效果與傳統(tǒng)的熱陰極X射線管相比，本實用新型不僅具有響應速度快、可小型化 等冷陰極X射線管所固有的優(yōu)點，而且還具有如下積極效果本發(fā)明所采用的四針狀納米 氧化鋅是一種理想的場致發(fā)射材料-
它具有豐富的納米結(jié)構(gòu)形貌，可用于提高場增強因子，改善其場致發(fā)射能力；優(yōu)良的 抗氧化性能以及良好的機械穩(wěn)定性，增加了器件工作的穩(wěn)定性及其工作壽命；通過摻雜可 使其獲得負電子親和勢，從而降低電子發(fā)射勢壘，增強電子發(fā)射能力；其吸附氣體少，可 獲得高電流發(fā)射密度并具有高電流發(fā)射密度工作下的穩(wěn)定性。而電子源表面電極所采用的平面柵極結(jié)構(gòu)，可有效地降低場致發(fā)射的開啟電壓。 一系 列的模擬以及相關(guān)的實驗結(jié)果表明，相對于傳統(tǒng)的冷陰極結(jié)構(gòu)，平面柵極結(jié)構(gòu)的電子發(fā)射 能力更強并且具有一定的電子束聚焦能力。通過增加聚焦電極，可以進一步壓縮電子束，
從而提高出射X射線的空間分辨率。此外，本發(fā)明中公開的冷陰極聚焦型x射線管，兼容
現(xiàn)有的絲網(wǎng)印刷技術(shù)、傳統(tǒng)的真空電子工藝，可以有效地降低生產(chǎn)成本與維護費用，從而 使其能夠進行批量生產(chǎn)制造。


圖1是本實用新型一種響應速度快的X射線管組成各部件的示意圖。其中有第一冷 陰極電極引線l、第二冷陰極電極引線2、組成平面柵極結(jié)構(gòu)的平面柵極3和平面陰極4、 氧化鋅電子發(fā)射層5、玻璃基底6、聚焦電極7、聚焦電極引線8、真空密封殼體9、射線出 射窗口 10、高電壓陽極靶l(wèi)l、陽極引線12、基座13、冷陰極電子源14。
圖2是本實用新型一種響應速度快的X射線管所使用的冷陰極結(jié)構(gòu)的俯視圖。其中有 組成平面柵極結(jié)構(gòu)的平面柵極3和平面陰極4、氧化鋅電子發(fā)射層5。
具體實施方式
本實用新型提供了一種響應速度快的X射線管。其中所使用的陶瓷殼體、金屬陽極耙 以及聚焦電極等在裝配前都要進行相應的預處理。包括先后使用丙酮、無水乙醇為溶劑進 行的超聲波清洗，以及在真空環(huán)境中烘烤除氣。本發(fā)明中，冷陰極電子源制備于3毫米厚 的浮法玻璃基底上。事先使用去離子水、無水乙醇對該基底迸行超聲波去污清潔，將其烘 干后，采用絲網(wǎng)印刷的方式將銀漿印制成條形梳狀結(jié)構(gòu)電極，梳齒相互交錯設置，梳齒之 間的間隙將用來印制氧化鋅發(fā)射層。其中平面柵極與平面陰極梳齒寬度的取值均為0. 15毫 米，柵極與陰極梳齒間的間隙寬取值0.6毫米。之后將其在56(TC下燒結(jié)4小時，冷卻至室 溫，制得銀電極。然后，通過同樣的方法再在基底上印制場致發(fā)射材料，這里選擇熱化學 氣相沉積方法制備的四針狀納米氧化鋅。再次燒結(jié)冷卻后即得到本發(fā)明中公開的冷陰極電 子源結(jié)構(gòu)。
本實用新型中所使用的場致發(fā)射材料為四針狀納米氧化鋅，采用熱化學氣相沉積的方 法制備。具體的制備與處理如下在石英舟中放入純度為99.9%的鋅粉末，將其水平放置 于管式爐中的恒溫區(qū)域。首先以30cm、in'的流量通以氬氣30分鐘，凈化反應爐。之后在 25'Cmin—'的加熱率下將爐子升溫至850°C，在通以70 cra、in1、 40cra3 min—'的氬氣和氧氣 的條件下保溫30分鐘。最后在不斷通以氬氣作為保護氣體的情況下，讓反應爐自然冷卻至 室溫。此時在石英舟中的白色物質(zhì)即為所制備的氧化鋅。將制得的氧化鋅與松油醇、乙基 纖維素等有機粘合劑相混合，之后使其充分溶解于異丙基酒精溶液，攪拌均勻成糊狀。同 樣采用絲網(wǎng)印刷的方式將其印制在事先印好銀電極的玻璃基底上，在460'C下進行燒結(jié)除去 發(fā)射體中混雜的有機物。
本實用新型中，冷陰極電子源在聚焦電極、陽極電壓的作用下發(fā)射電子，經(jīng)聚焦電極 壓縮電子束束斑后高速轟擊陽極靶，激發(fā)產(chǎn)生X射線。其中，X射線源的開啟是由電子源中平面柵極的調(diào)制電壓控制，電子束束斑的大小由聚焦電極電壓決定。 實施例l
參照附圖1,本實用新型中響應速度快的X射線管結(jié)構(gòu)包括由平面柵極結(jié)構(gòu)及氧化 鋅發(fā)射體所組成的冷陰極電子源，固定在真空殼體的底部；材質(zhì)選用無氧銅的陽極靶，安 裝在真空殼體頂端即冷陰極電子源的正上方，以及兩極之間的聚焦電極；每個電極都通過 點焊在其上的導線與外部電源相連。電子源引線通過陶瓷殼體底部預留的過孔，將其固定。 在其上安裝聚焦結(jié)構(gòu)的金屬電極，其下端與電子源表面相距一定距離，本實施例為250微 米。陶瓷結(jié)構(gòu)與金屬電極相接觸的部分在加工過程中已做過相應的金屬化處理，使其容易 與金屬電極進行可伐材料過渡與真空封接。這里單個聚焦電極與之間陶瓷隔離體的高度比 為l: 1，其中隔離體高度為5厘米。通過類似的方式將陽極靶吊裝固定在電子源的正上方， 其耙面與水平成一定角度，本實施例為25° 。將裝配好的射線管接入超高真空烘烤除氣系 統(tǒng)進行相應的高真空烘烤除氣與真空封接。待真空度達到一定量級以上，使其與真空除氣 系統(tǒng)脫離。具體工作方式如下在電子源平面柵極電極上施加400V以上電壓，使其對應的 平面陰極發(fā)射電子；所發(fā)射的電子在經(jīng)過柵極電壓的加速下快速撞擊電極間的場致發(fā)射材 料氧化鋅，從而引發(fā)更為強烈的二次電子發(fā)射；聚焦電極電壓為700V,陽極靶電壓為6000V; 大量的二次電子在聚焦極、陽極電壓的共同作用下，高速轟擊陽極靶從而激發(fā)產(chǎn)生X射線； 通過調(diào)節(jié)聚焦電極上的電壓，壓縮轟擊到陽極靶靶面的電子束束斑的大小，進而控制出射X 射線的空間分辨率。 實施例2
參照附圖1，本實用新型中響應速度快的X射線管結(jié)構(gòu)包括由平面柵極結(jié)構(gòu)及氧化 鋅發(fā)射體所組成的冷陰極電子源，固定在真空殼體的底部；材質(zhì)選用金屬鉬的陽極靶，安 裝在真空殼體頂端即冷陰極電子源的正上方，以及兩極之間的聚焦電極；每個電極都通過 點焊在其上的導線與外部電源相連。電子源引線通過陶瓷殼體底部預留的過孔，將其固定。 在其上安裝聚焦結(jié)構(gòu)的金屬電極，其下端與電子源表面相距一定距離，本實施例為500微 米。陶瓷結(jié)構(gòu)與金屬電極相接觸的部分在加工過程中已做過相應的金屬化處理，使其容易 與金屬電極進行可伐材料過渡與真空封接。這里單個聚焦電極與之間陶瓷隔離體的高度比 為1: 2，其中隔離體高度為10厘米。通過類似的方式將陽極靶吊裝固定在電子源的正上方， 其靶面與水平成一定角度，本實施例為35° 。將裝配好的射線管接入超高真空烘烤除氣系 統(tǒng)進行相應的高真空烘烤除氣與真空封接。待真空度達到一定量級以上，使其與真空除氣 系統(tǒng)脫離。具體工作方式如下在電子源平面柵極電極上施加700V以上電壓，使其對應的 平面陰極發(fā)射電子；所發(fā)射的電子在經(jīng)過柵極電壓的加速下快速撞擊電極間的場致發(fā)射材 料氧化鋅，從而引發(fā)更為強烈的二次電子發(fā)射;聚焦電極電壓為1200V，陽極靶電壓為6000V; 大量的二次電子在聚焦極、陽極電壓的共同作用下，高速轟擊陽極靶從而激發(fā)產(chǎn)生X射線； 通過調(diào)節(jié)聚焦電極上的電壓，壓縮轟擊到陽極靶靶面的電子束束斑的大小，進而控制出射X 射線的空間分辨率。
權(quán)利要求1.一種響應速度快的X射線管，包含冷陰極電子源(14)、聚焦電極(7)、射線出射窗口(10)、高電壓陽極靶(11)以及連接各電極的電極引線，其特征在于在冷陰極電子源(14)表面設有氧化鋅發(fā)射層(5)，表面電極結(jié)構(gòu)采用平面柵極場致發(fā)射結(jié)構(gòu)，即由平面柵極(3)、平面陰極(4)構(gòu)成；在真空密封殼體(9)的底部設置基座(13)，將制備了平面柵極(3)、平面陰極(4)以及氧化鋅發(fā)射層(5)的玻璃基底(6)固定在基座(13)上，在真空密封殼體(9)的內(nèi)部頂端即冷陰極電子源(14)的正上方固定高電壓陽極靶(11)，在冷陰極電子源(14)到高電壓陽極靶(11)之間順序放置聚焦電極(7)與射線出射窗口(10)，在冷陰極電子源(14)與聚焦電極(7)之間以及聚焦電極(7)與射線出射窗口(10)之間均采用陶瓷殼體進行封裝。
2. 按照權(quán)利要求1所述的響應速度快的X射線管，其特征在于平面柵極(3)、平面陰極(4)均為梳狀結(jié)構(gòu)，梳齒相互交錯設置，氧化鋅發(fā)射層(5)位于平面柵極(3)、平 面陰極(4)的梳齒之間；其中平面柵極(3)與平面陰極(4)梳齒寬度的取值范圍均為0.1~0.3 毫米、平面柵極(3)與平面陰極(4)之間的印有氧化鋅發(fā)射層的間隙寬度取值為0.2~0.6 毫米冷陰極電子源(14)表面與聚焦電極(7)下端之間的間距為250 500微米，聚焦結(jié) 構(gòu)中的單個聚焦電極與電極之間陶瓷隔離體的高度比可選l: l或l: 2，陽極靶(11)可采 用鎢、鉬以及無氧銅、重金屬材料。
3. 按照權(quán)利要求1所述的響應速度快的X射線管，其特征在于真空密封殼體(9)由陶瓷構(gòu)成，金屬電極與陶瓷之間采用可伐材料進行過渡與真空封接，冷陰極電 子源(14)采用絲網(wǎng)印刷的方式制備于玻璃基底(6)表面，氧化鋅發(fā)射層(5)是采用熱 化學氣相沉積方法制備的四針納米氧化鋅結(jié)構(gòu)。
專利摘要響應速度快的X射線管中，在真空密封殼體(9)的底部設置基座(13)，將制備了平面柵極(3)、平面陰極(4)以及氧化鋅發(fā)射層(5)的玻璃基底(6)固定在基座(13)上，在真空密封殼體(9)的內(nèi)部頂端即冷陰極電子源(14)的正上方固定高電壓陽極靶(11)，在冷陰極電子源(14)到高電壓陽極靶(11)之間順序放置聚焦電極(7)與射線出射窗口(10)，在冷陰極電子源(14)與聚焦電極(7)之間以及聚焦電極(7)與射線出射窗口(10)之間均采用陶瓷殼體進行封裝。在場強一定的情況下不僅能夠提供足夠大的發(fā)射電流，它還具有制備工藝簡單易行、開啟電壓低、聚焦性能好等特點。
文檔編號H01J35/00GK201417739SQ200920037000
公開日2010年3月3日 申請日期2009年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月27日
發(fā)明者婁朝剛, 張曉兵, 王琦龍, 遲云雁, 威 雷 申請人:東南大學