基于碳納米管冷陰極的聚焦型三極結構全封裝x射線球管的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及X射線影像設備技術領域，特別涉及一種基于金屬-石墨烯-垂直碳納米管復合結構、場發(fā)射電子源的聚焦型三極結構全封裝X射線球管。該聚焦型三極結構全封裝X射線球管可應用于各種X射線影像設備中。尤其在現(xiàn)代醫(yī)學，生物科學，工業(yè)檢測等科學研究和應用領域具有重要的應用及廣闊前景。
【背景技術】
[0002]傳統(tǒng)X射線球管中的電子發(fā)射弊端明顯:工藝復雜，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)射體內的大量電子由于隧道效應穿透表面勢皇逸出，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到10E+5?10E+6cm—S因此，只需要加幾十伏電壓，就可以使尖端產生很強的電場，形成電子發(fā)射。但這種尖端制作工藝和技術要求嚴格，使得這類陰極的制造成本過高，限制了這種器件的應用領域。
[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，相關器件整體結構易于在工業(yè)上進行大批量生產。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，導致工作過程中存在局部電流密度過大降低，最終導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構。二極結構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。同時二極結構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。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術問題在于針對上述現(xiàn)有技術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構全封裝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構X射線玻璃球管。采用金屬-石墨烯-垂直碳納米管復合冷陰極結構，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)的復合式柵極，改善了陰極電場的分布，降低了陰極的驅動電壓，并通過對柵極的結構進行優(yōu)化設計，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，本發(fā)明所采用的技術方案如下:
[0007]基于碳納米管冷陰極的聚焦型三極結構全封裝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-垂直碳納米管復合式冷陰極。
[0011]在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，所述金屬-石墨烯-垂直碳納米管復合式冷陰極具體結構是: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]在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，所述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氣相沉淀方法，以ISOsccm的速率通入微波等離子體氣體出，碳源氣體014為208(^111，在反應壓強2811^&匕微波輸入頻率2.456取且襯底溫度630-6400C，生長l_5min，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。
[0013]在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，所述陽極組件包括位于所述真空腔體內的陽極金屬罩和鑲嵌在所述陽極金屬罩內的用于產生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。
[0014]在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，所述陽極靶的傾斜角度為12度。
[0015]在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，所述陽極革El的厚度為0.1_。
[0016]在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，所述陽極靶采用鎢制備而成。
[0017]在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，所述陽極金屬罩采用銅制成。
[0018]在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，所述連接柱為銅連接柱。
[0019]在本發(fā)明的一個優(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，其中所述陰極基底設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。
[0020]在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，所述陰極基片為圓片結構，直徑為2mm。
[0021]在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，所述金屬柵網(wǎng)的網(wǎng)孔直徑為ΙΟΟμπι。
[0022]在本發(fā)明的一個優(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300μmD
[0023]在本發(fā)明的一個優(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。
[0024]在本發(fā)明的一個優(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 ο
[0025]在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，在所述金屬柵網(wǎng)上沉積有石墨烯，構成一石墨烯和金屬柵網(wǎng)復合式柵極。
[0026]由于采用了如上的技術方案，本發(fā)明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-垂直碳納米管復合冷陰極結構，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。
[0027]進一步本發(fā)明將石墨烯材料和金屬柵網(wǎng)的復合式柵極應用于冷陰極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動電壓高等缺點，降低柵極驅動電壓而實現(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。
[0028]更進一步，本發(fā)明采用金屬-石墨烯-垂直碳納米管復合冷陰極結構，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)的復合式柵極，改善了陰極電場的分布，降低了陰極的驅動電壓，并通過對柵極的結構進行優(yōu)化設計，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。
[0029]本發(fā)明通過化學氣相沉淀(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。另外，碳納米管的生長還能通過生長時間、溫度等參數(shù)進行控制，可制備不同形態(tài)和性能的碳納米管薄膜和陣列。
[0030]本發(fā)明在X射線管測試系統(tǒng)中，將場發(fā)射陰極與一個高壓MOSDET串聯(lián)，通過控制高壓MOSDET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。
[0031]當本發(fā)明的聚焦型三極結構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。