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CN104409303A - 基于碳纳米管/石墨烯复合阴极结构的x射线源 - Google Patents

基于碳纳米管/石墨烯复合阴极结构的x射线源 Download PDF

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洪序达
郑海荣
桂建保
胡战利
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Abstract

一种基于碳纳米管/石墨烯复合阴极结构的X射线源，包括真空容器和发射单元，真空容器上设有X射线出射窗，发射单元包括阴极结构、栅极结构、聚焦结构和阳极结构，阳极结构包括阳极座和阳极靶，在高压电场作用下，阴极结构发射的电子束经聚焦结构聚焦后，轰击阳极靶产生X射线从X射线出射窗射出，阴极结构包括阴极衬底条和设置在阴极衬底条上的碳纳米管/石墨烯复合结构阴极。本申请由于阴极结构包括阴极衬底条和设置在阴极衬底条上的碳纳米管/石墨烯复合结构阴极，而采用碳纳米管/石墨烯复合薄膜阴极作为电子发射源，石墨烯比表面积巨大以及导电散热优异的特性，提高了碳纳米管层的附着力，从而提高了X射线源的电流发射性能与稳定性水平。

Description

基于碳纳米管/石墨烯复合阴极结构的X射线源
技术领域
本申请涉及本申请涉及场发射技术，尤其涉及一种基于碳纳米管/石墨烯复合阴极结构的X射线源。
背景技术
X射线成像技术，即利用X射线能够穿透物质并根据穿透物质量的大小进行衰减的性质，通过探测X射线的衰减程度来实现对物体内部结构的无损成像，其包括X射线摄影技术（Radiography）与X射线计算机断层成像技术（Computed Tomography，CT）。其中，CT技术是通过对物体进行不同视角的射线投影测量而获取物体横截面信息的成像技术。
X射线源是CT系统的关键核心部件之一，一定程度上决定着CT系统的成像方式与成像性能。传统X射线源采用热阴极作为电子源，通过热电子发射的方式产生电子束。阴极在加热到1000℃以上的温度时，大量的电子获得大于发射体表面势垒的动能而逸出。这样的X射线管体积较大、频率响应慢且需要加热阴极的电源，而且热阴极由于工作温度高、功耗大等原因，不易于实现单个X射线源内集成多个阴极，也不利于X射线源的小型化。以碳纳米管等材料为阴极的场致发射X射线源能够克服以上局限性。场发射是利用强电场在固体表面上形成隧道效应而将固体内部的电子拉到真空中，是一种实现大功率高密度电子流的方法。场致发射X射线源采用场致发射阴极作为电子源，通过场致电子发射的方式产生电子束，在外加电场的作用下，阴极表面势垒的高度降低、宽度变窄，发射体内的大量电子由于量子隧道效应穿透表面势垒而逸出。相比传统热电子发射X射线源而言，碳纳米管X射线源采用冷阴极电子发射具有高时间分辨率、可编程式发射等优势，且可以制成多光束X射线源，避免了单个源对应单个阳极靶的机械扫描转动，可进行静态X射线CT成像。
X射线源需要较高电流下的发射稳定性，现有技术采用碳纳米管阴极作为电子发射源，碳纳米管材料与衬底之间导电散热性有限，因而附着力有限，从而限制了X射线源的电流发射性能与寿命。
发明内容
本申请要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于碳纳米管/石墨烯复合阴极结构的X射线源。
本申请要解决的技术问题通过以下技术方案加以解决：
一种基于碳纳米管/石墨烯复合阴极结构的X射线源，包括真空容器和设置在所述真空容器内的发射单元，所述真空容器上设有X射线出射窗，所述发射单元包括阴极结构、栅极结构、聚焦结构和阳极结构，所述阳极结构包括阳极座和设置在所述阳极座上的阳极靶，在所述栅极结构和所述阴极结构之间的高压电场作用下，所述阴极结构发射的电子束经所述聚焦结构聚焦后，轰击所述阳极靶产生X射线从所述X射线出射窗射出，所述阴极结构包括阴极衬底条和设置在所述阴极衬底条上的碳纳米管/石墨烯复合结构阴极。
所述发射单元有多个，多个所述发射单元的朝向分别指向成像系统的投影旋转中心。
所述阴极衬底条上设有多个所述碳纳米管/石墨烯复合结构阴极。
所述栅极结构包括栅极，所述栅极上设有多个栅极孔，所述栅极孔与所述碳纳米管/石墨烯复合结构阴极配合。
所述聚焦结构包括聚焦极和设置在所述聚焦极上的多个聚焦孔，所述聚焦孔与所述栅极孔配合。
所述阳极靶多个，多个所述阳极靶设置在所述阳极座上，所述阳极靶与所述聚焦孔配合。
所述阳极靶镶嵌在所述阳极座上。
所述阳极靶朝向可调。
由于采用了以上技术方案，使本申请具备的有益效果在于：
⑴ 在本申请的具体实施方式中，由于阴极结构包括阴极衬底条和设置在阴极衬底条上的碳纳米管/石墨烯复合结构阴极，而采用碳纳米管/石墨烯复合薄膜阴极作为电子发射源，石墨烯比表面积巨大以及导电散热优异的特性，提高了碳纳米管层的附着力，从而提高了X射线源的电流发射性能与稳定性水平。
⑵ 在本申请的具体实施方式中，采用面向X射线成像系统的多光束X射线源，在机械上共享一个阴极衬底条、栅极、聚焦极和阳极座方案的基础上，阳极靶采用可调朝向的嵌入式设计，同时阴极形状和聚焦孔的形状也采用不同的朝向，使得各发射单元的朝向指向成像系统的旋转中心，即保证了各发射单元相互位置的精确性，又能保证各位发射单元的朝向可面向成像系统进行配置，避免了由足跟效应造成的不同角度投影的剂量不一致性。
 附图说明
图1为本申请的基于碳纳米管/石墨烯复合阴极结构的X射线源的结构示意图；
图2为本申请在一种实施方式中的碳纳米管/石墨烯复合阴极的结构示意图；
图3为本申请在一种实施方式中的阴极结构、栅极结构、聚焦结构和阳极结构的示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本申请作进一步详细说明。
如图1至图3所示，本申请的基于碳纳米管/石墨烯复合阴极结构的X射线源，其一种实施方式，包括真空容器10和发射单元, 发射单元设置在真空容器10内，真空容器10上设有X射线出射窗11，发射单元包括阴极结构、栅极结构、聚焦结构和阳极结构，阳极结构包括阳极座21和阳极靶22, 阳极靶22设置在阳极座21上，在栅极结构和阴极结构之间的高压电场作用下，阴极结构发射的电子束经聚焦结构聚焦后，轰击阳极靶22产生X射线，X射线从X射线出射窗11射出，阴极结构包括阴极衬底条31和阴极，在一种实施方式中，该阴极为碳纳米管/石墨烯复合结构阴极32，碳纳米管/石墨烯复合结构阴极32设置在阴极衬底条31上。
本申请的基于碳纳米管/石墨烯复合阴极结构的X射线源，包括控制电路与高压电源组、真空电极接口12、真空容器10、基于碳纳米管/石墨烯复合结构的阴极结构、栅极结构、聚集结构、阳极靶22和X射线出射窗11。该X射线源的工作机制如下，可实现可编程、脉冲式X射线发射：栅极41接高压，在栅极41和碳纳米管/石墨烯复合阴极32之间产生高电场，碳纳米管/石墨烯复合阴极31发射出电子束，电子束在聚焦结构的作用下得到一定程度的聚焦。电子束在阳极高压产生的电场下得到加速，轰击阳极靶22产生X射线13。通过控制电路就可以实现栅极高压回路的实时通断，从而进行X射线源发射的可编程控制。其中，各个发射单元的结构将面向成像系统定制，即阳极靶22的朝向、碳纳米管/石墨烯复合阴极形状朝向、聚焦孔52的朝向，都指向成像系统的投影旋转中心可以防止足跟效应引起的不同照射图像的剂量的一致性。
本申请的基于碳纳米管/石墨烯复合阴极结构的X射线源，发射单元封装在一个高真空的环境中，可以是玻璃封装、金属陶瓷封装，或者金属真空腔体。真空容器10的真空度范围可从10-6毫米汞柱到10-11毫米汞柱。真空容器10装有X射线出射窗11，由高X射线穿透率的材料构成，可以是但不限于金属铍或金属铝。真空腔体装有真空电极接口12，用于控制电路与真空腔内部阴极的连接，也用于栅极、电子束聚集结构与外部高压电源组的连接。
真空腔体内有碳纳米管/石墨烯复合结构阴极结构、栅极结构、电子束聚焦结构、阳极结构等物件。阳极结构的阳极靶22表面与水平方向夹角为从5°到15°角。
栅极41由导电体，如钨等，结构包括但不限于筛网状、孔状或栅栏状结构。栅极接于一定的电位（0至10千伏），从而能够对阴极32施加电场，使阴极32发射电子束。
聚焦结构由导电体，如不锈钢、无氧铜等材料构成，具有围拢式结构，其电位与阴极相等或相近，以静电场的方式聚焦发散的光电子，从而约束电子束，以在阳极靶上获得适度尺寸的焦斑。
阳极靶由原子序数高的金属构成，如钨、钼、铜等金属。并通过焊接、镶嵌等工艺与散热材料（包括不限于无氧铜、合金材料）紧密接触以提高阳极靶22的散热率。阴极和阳极间接有高电压，电压范围根据应用需求不同从20千电子伏特至500千电子伏特。包括三种高压接法：I.阳极接正高压，阴极接负高压；II.阳极接正高压，阴极接地；III.阳极接地，阴极接负高压。
在一种实施方式中，发射单元可以有多个，多个发射单元的朝向分别指向发射单元的成像系统的投影旋转中心，即每个发射单元的朝向均指向其成像系统的投影旋转中心。
阴极衬底条31上设有多个碳纳米管/石墨烯复合结构阴极32。图2中，A为碳纳米管，B为石墨烯。栅极结构包括栅极41，栅极上设有多个栅极孔42，栅极孔42与碳纳米管/石墨烯复合结构阴极32配合。聚焦结构包括聚焦极51和设置在聚焦极上的多个聚焦孔52，聚焦孔52与栅极孔42配合。阳极靶22多个，多个阳极靶设置在阳极座上，阳极靶与聚焦孔配合。即每个发射单元碳纳米管/石墨烯复合结构阴极32、栅极孔42、聚焦孔52和阳极靶22的位置及大小配合。
阳极靶22镶嵌在所述阳极座21上。在一种实施方式中，阳极靶22朝向可调。
本申请的基于碳纳米管/石墨烯复合阴极结构的X射线源，机械上共享一个阴极衬底条、栅极、聚焦极和阳极座方案，并且阳极靶采用可调朝向的嵌入式设计，同时阴极形状和聚焦单元的形状也采用不同的朝向，使得各位发射单元的朝向指向成像系统的旋转中心。图3为阴极结构、栅极结构、聚焦结构和阳极结构构成的电子枪的结构示意图。
基于碳纳米管/石墨烯复合结构的阴极在栅极电场的激发下，发射电子束。随后，电子束在聚焦结构的作用下聚焦，并在阳极电场产生的电场的作用下得出加速，轰击阳极靶形成焦斑，并通轫致辐射机制发射X射线。从焦斑区域发出的X射线束从真空窗口的X射线出射窗射出。
控制电路和高压电源组通过真空电极接口连接电子阴极与电子束聚集装置。通过调节高压电源的电压值，可以改变栅极和聚集结构的电压值。改变栅极的电压值，可以调整电子束流的大小。改变聚集结构的电压值可以调整聚集效果。通过设置控制电路的参数，实现栅极高压回路的实时通断，可以控制电子束发射的开启与关闭，从而进行X射线源的可编程、脉冲式的发射。
本申请进行了碳纳米管/石墨烯复合薄膜阴极的性能测试，证明了该阴极优异的电流发射性能与稳定性水平。
以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (8)

1.一种基于碳纳米管/石墨烯复合阴极结构的X射线源，包括真空容器和设置在所述真空容器内的发射单元，所述真空容器上设有X射线出射窗，所述发射单元包括阴极结构、栅极结构、聚焦结构和阳极结构，所述阳极结构包括阳极座和设置在所述阳极座上的阳极靶，在所述栅极结构和所述阴极结构之间的高压电场作用下，所述阴极结构发射的电子束经所述聚焦结构聚焦后，轰击所述阳极靶产生X射线从所述X射线出射窗射出，其特征在于，所述阴极结构包括阴极衬底条和设置在所述阴极衬底条上的碳纳米管/石墨烯复合结构阴极。
2.如权利要求1所述的基于碳纳米管/石墨烯复合阴极结构的X射线源，其特征在于，所述发射单元有多个，多个所述发射单元的朝向分别指向成像系统的投影旋转中心。
3.如权利要求2所述的基于碳纳米管/石墨烯复合阴极结构的X射线源，其特征在于，所述阴极衬底条上设有多个所述碳纳米管/石墨烯复合结构阴极。
4.如权利要求3所述的基于碳纳米管/石墨烯复合阴极结构的X射线源，其特征在于，所述栅极结构包括栅极，所述栅极上设有多个栅极孔，所述栅极孔与所述碳纳米管/石墨烯复合结构阴极配合。
5.如权利要求4所述的基于碳纳米管/石墨烯复合阴极结构的X射线源，其特征在于，所述聚焦结构包括聚焦极和设置在所述聚焦极上的多个聚焦孔，所述聚焦孔与所述栅极孔配合。
6.如权利要求5所述的基于碳纳米管/石墨烯复合阴极结构的X射线源，其特征在于，所述阳极靶多个，多个所述阳极靶设置在所述阳极座上，所述阳极靶与所述聚焦孔配合。
7.如权利要求6所述的基于碳纳米管/石墨烯复合阴极结构的X射线源，其特征在于，所述阳极靶镶嵌在所述阳极座上。
8.如权利要求7所述的基于碳纳米管/石墨烯复合阴极结构的X射线源，其特征在于，所述阳极靶朝向可调。
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