CN106683963A - 一种图案化碳纳米管阴极的透射式x射线源结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种图案化碳纳米管阴极的透射式X射线源结构，其包括碳纳米管、导电底座、绝缘罩、铍窗、导电环和球管，将碳纳米管作为X射线源集成到导电底座的凹槽内并由绝缘罩压紧固定，通过对导电底座施加电压，激发碳纳米管端面的电子，同时通过对导电环施加电压，实现铍窗表面的金属薄膜施加零电位，从而将碳纳米管端面的电子拉出，轰击在金属薄膜表面产生X射线。采用本发明，既能解决传统X射线源采用热阴极作为电子源而导致工作温度高、功耗大、不利于实现小型化的问题，又能回避传统采用大块的金属作为阳极靶的设计，大大减轻产品重量，满足向前照射及体内医疗的使用，且具有结构紧凑、组装简单、体积小巧、使用方便、功率低、成本低等优点。

Description

一种图案化碳纳米管阴极的透射式X射线源结构

技术领域

本发明涉及一种X射线源结构，尤其涉及一种图案化碳纳米管阴极的透射式X射线源结构。

背景技术

传统X射线源的电子发射存在一定的弊端，通过给钨丝施加特定的电压，使得电子被激发进而溢出，工作温度高，能量损耗大，不利于X射线源的小型化。同时，由于目前的X射线源结构设计中，使用大块的金属阳极作为轰击靶，同时作为冷却使用，因此重量大大增加，无法满足目前小型化X射线体内治疗的热点应用。传统的结构设计中X射线照射角度是通过金属阳极的倾斜角度调整，无法满足向前照射的应用。而且在金属阳极为电子提供加速电场的高电压，给体内放射治疗过程中引入了极大的安全隐患，其应用价值大打折扣。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种功率低、体积小巧，能够满足向前照射及体内医疗使用的图案化碳纳米管阴极的透射式X射线源结构。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种图案化碳纳米管阴极的透射式X射线源结构，其包括碳纳米管、导电底座、绝缘罩、铍窗、导电环和球管，所述球管的顶端开口，底端封闭，所述铍窗通过所述导电环密封盖合在所述球管的开口端，并形成一真空腔体，所述碳纳米管、导电底座和绝缘罩均设置在所述真空腔体内，所述导电底座的顶端设有凹槽，所述碳纳米管通过所述绝缘罩固定在所述凹槽内，所述导电底座连接有第一电极，所述铍窗朝向所述碳纳米管的一面设有金属薄膜，所述金属薄膜与所述导电环连接，所述导电环连接有第二电极。

作为本发明优选的技术方案，所述碳纳米管是利用微纳加工技术制作出一定高度的微柱，然后利用CVD工艺在其表面生长一定高度的碳管，通过精确控制碳管生长高度，以及微柱表面的催化剂沉积，进而长出3D图案化的碳纳米管。

作为本发明优选的技术方案，所述凹槽的尺寸与所述碳纳米管的尺寸匹配。

作为本发明优选的技术方案，所述绝缘罩设有与所述碳纳米管相对的通孔。

作为本发明优选的技术方案，所述绝缘罩与所述导电底座的顶端通过螺纹结构连接；所述绝缘罩与所述导电底座连接时，所述通孔的边缘压紧所述碳纳米管。

作为本发明优选的技术方案，所述第一电极为电极杆，所述第一电极的一端固定连接于所述导电底座的底端，所述球管的封闭端设有第一电极孔，所述第一电极的另一端穿过所述第一电极孔并伸至X射线源结构外部连接电源，所述第一电极与所述第一电极孔密封固定，所述电源对所述导电底座施加负电位。

作为本发明优选的技术方案，所述第二电极为电极杆，所述第二电极的一端固定连接于所述导电环，所述球管的封闭端设有第二电极孔，所述第二电极的另一端穿过所述第二电极孔并伸至X射线源结构外部连接电源，所述第二电极与所述第二电极孔密封固定，所述电源对所述导电环施加零电位。

作为本发明优选的技术方案，所述导电底座的底端为掏空结构。

作为本发明优选的技术方案，还包括有冷却容器，所述冷却容器的顶端开口，底端封闭，所述铍窗通过所述导电环密封盖合在所述冷却容器的开口端，并在所述球管外周围合形成一冷却腔体。

作为本发明优选的技术方案，所述冷却容器设有与所述冷却腔体连通的进油孔和出油孔。

实施本发明的一种图案化碳纳米管阴极的透射式X射线源结构，与现有技术相比较，具有如下有益效果：

将碳纳米管作为X射线的场致发射电子源集成到导电底座上，通过对导电底座施加电压，激发碳纳米管端面的电子，同时通过对导电环施加电压，实现铍窗表面的金属薄膜施加零电位，从而将碳纳米管端面的电子拉出，轰击在铍窗的金属薄膜表面产生X射线。这样的设计，是由于碳纳米管具有很大的纵横比和极小的曲率半径，在相对较低的电场强度下就能发射大电流，并具有阈值电压低、发射电流密度大、稳定性强等优异的场致发射性能，解决传统X射线源采用热阴极作为电子源而导致工作温度高、功耗大、不利于实现射线源的小型化的问题；同时，通过利用铍窗表面的金属薄膜作为阳极靶，实现从碳纳米管端面拉出电子，使得电子轰击金属薄膜后产生X射线并以透射的方式向前照射出去，从而回避了传统采用大块的金属作为阳极靶的设计，大大减轻产品重量，满足向前照射及体内医疗的使用。可见，本发明具有结构紧凑、组装简单、体积小巧、使用方便、功率低、成本低等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。

图1是本发明的图案化碳纳米管阴极的透射式X射线源结构的爆炸图；

图2是3D图案化的碳纳米管生长工艺前的效果图；

图3是3D图案化的碳纳米管生长工艺后的效果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明的优选实施例，一种图案化碳纳米管阴极的透射式X射线源结构，其包括碳纳米管1、导电底座2、绝缘罩3、铍窗4、导电环5和球管6，所述球管6的顶端开口，底端封闭，所述铍窗4通过所述导电环5密封盖合在所述球管6的开口端，并形成一真空腔体，所述碳纳米管1、导电底座2和绝缘罩3均设置在所述真空腔体内，所述导电底座2的顶端设有凹槽21，所述碳纳米管1通过所述绝缘罩3固定在所述凹槽21内，所述导电底座2连接有第一电极7，所述铍窗4朝向所述碳纳米管1的一面设有金属薄膜(图中未指示)，所述金属薄膜与所述导电环5连接，所述导电环5连接有第二电极8。

本实施例中，导电底座2优选采用金属导电材料制成，其上具有内嵌凹槽，匹配碳纳米管1的尺寸，从而实现碳纳米管1的限位作用，且方便对碳纳米管1施加电压；绝缘罩3优选采用陶瓷材料制成，用于固定碳纳米管1；球管9优选为玻璃球管9，用于真空封装碳纳米管1、导电底座2、绝缘罩3组成的核心结构，为电子提供良好的迁移环境；导电环5优选采用金属导电材料制成，用于固定铍窗4及封闭球管6，同时有利于散热。

本发明的图案化碳纳米管阴极的透射式X射线源结构的工作原理是，将碳纳米管1作为X射线的场致发射电子源集成到导电底座2上，通过对导电底座2施加电压，激发碳纳米管1端面的电子，同时通过对导电环5施加电压，实现铍窗4表面的金属薄膜施加零电位，从而将碳纳米管1端面的电子拉出，轰击在铍窗4的金属薄膜表面产生X射线。这样的设计，是由于碳纳米管1具有很大的纵横比和极小的曲率半径，在相对较低的电场强度下就能发射大电流，并具有阈值电压低、发射电流密度大、稳定性强等优异的场致发射性能，能解决传统X射线源采用热阴极作为电子源而导致工作温度高、功耗大、不利于实现射线源的小型化的问题。基于碳纳米管1的X射线源在工作过程中，当碳纳米管1的表面电场达到一定的阈值后，就能从碳纳米管1中产生游离的电子，可以说电子的产生是瞬时的，而且这个过程中不产生热量，利用这一特性制成的碳纳米管1X光源，可以通过控制碳纳米管1的表面电场控制电子的产生，进而控制X射线的产生。同时，通过利用铍窗4表面的金属薄膜作为阳极靶，实现从碳纳米管1端面拉出电子，使得电子轰击金属薄膜后产生X射线并以透射的方式向前照射出去，从而回避了传统采用大块的金属作为阳极靶的设计，大大减轻产品重量，满足向前照射及体内医疗的使用。

进一步，本实施例中，所述碳纳米管1是利用微纳加工技术制作出一定高度(如：20um)的微柱，然后利用化学气相沉积(英译简称：CVD)工艺在其表面生长一定高度的碳管，通过精确控制碳管生长高度，以及微柱端面和侧壁的催化剂沉积，进而长出3D图案化的碳纳米管1。需要说明的是，所述3D图案化的碳纳米管1中，碳管在具有刻蚀一定深度微柱的重参杂硅片表面进行CVD生长，一步实现3D图案化碳管制作，如图2和图3所示。其中，微柱端面生长完全突出的碳管和侧壁生长向四周伸展的碳管，构造成3D碳管结构，并保证碳管束之间产生电流不相互影响。

进一步，本实施例中，所述凹槽21的尺寸与所述碳纳米管1的尺寸匹配，从而实现碳纳米管1的限位作用，方便装配。

进一步，本实施例中，所述绝缘罩3设有与所述碳纳米管1相对的通孔31，该通孔31作为碳纳米管1发射电子的窗口。

进一步，本实施例中，为了更好地固定碳纳米管1，所述绝缘罩3与所述导电底座2的顶端通过螺纹结构连接，所述绝缘罩3与所述导电底座2连接时，所述通孔31的边缘压紧所述碳纳米管1，从而实现碳纳米管1的压紧封装作用。

进一步，本实施例中，所述第一电极7为电极杆，所述第一电极7的一端固定连接于所述导电底座2的底端，所述球管6的封闭端设有第一电极孔，所述第一电极7的另一端穿过所述第一电极孔并伸至X射线源结构外部连接电源，所述第一电极7与所述第一电极孔密封固定，所述电源对所述导电底座2施加负电位。其中，导电底座2与碳纳米管1相导通。由此，通过上述第一电极7的设计，不仅提供碳纳米管1的电压要求，同时提供了球管6内部的核心结构(如：导电底座2、碳纳米管1和绝缘罩3的组合结构)的支撑作用。

进一步，本实施例中，所述第二电极8为电极杆，所述第二电极8的一端固定连接于所述导电环5，所述球管6的封闭端设有第二电极孔，所述第二电极8的另一端穿过所述第二电极孔并伸至X射线源结构外部连接电源，所述第二电极8与所述第二电极孔密封固定，所述电源对所述导电环5施加零电位。其中，导电环5与金属薄膜相导通。由此，通过上述第二电极8的设计，提供金属薄膜的电压要求，而且金属薄膜作为阳极实现零电位，对人体危害小，能够保证体内放射治疗过程中的安全性。

进一步，本实施例中，所述导电底座2的底端为掏空结构，从而大大减轻产品整体重量。

进一步，本实施例中，还包括有冷却容器9，所述冷却容器9的顶端开口，底端封闭，所述铍窗4通过所述导电环5密封盖合在所述冷却容器9的开口端，并在所述球管6外周围合形成一冷却腔体。所述冷却容器9设有与所述冷却腔体连通的进油孔91和出油孔92。由此，可以实现冷却油的更换，带走导电环5和铍窗4的金属薄膜的热量，从而保证了高功率工作时能够正常运行。

综上所述，本发明提出的图案化碳纳米管阴极的透射式X射线源结构具有结构紧凑、组装简单、体积小巧、使用方便、功率低、成本低等优点，可以深入身体作为肿瘤放疗治疗目的使用的X射线源，还可以作为消除静电的X射线管等功能使用。

以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种图案化碳纳米管阴极的透射式X射线源结构，其特征在于，包括碳纳米管、导电底座、绝缘罩、铍窗、导电环和球管，所述球管的顶端开口，底端封闭，所述铍窗通过所述导电环密封盖合在所述球管的开口端，并形成一真空腔体，所述碳纳米管、导电底座和绝缘罩均设置在所述真空腔体内，所述导电底座的顶端设有凹槽，所述碳纳米管通过所述绝缘罩固定在所述凹槽内，所述导电底座连接有第一电极，所述铍窗朝向所述碳纳米管的一面设有金属薄膜，所述金属薄膜与所述导电环连接，所述导电环连接有第二电极。

2.如权利要求1所述的图案化碳纳米管阴极的透射式X射线源结构，其特征在于，所述碳纳米管是利用微纳加工技术制作出一定高度的微柱，然后利用CVD工艺在其表面生长一定高度的碳管，通过精确控制碳管生长高度，以及微柱表面的催化剂沉积，进而长出3D图案化的碳纳米管。

3.如权利要求1所述的图案化碳纳米管阴极的透射式X射线源结构，其特征在于，所述凹槽的尺寸与所述碳纳米管的尺寸匹配。

4.如权利要求1所述的图案化碳纳米管阴极的透射式X射线源结构，其特征在于，所述绝缘罩设有与所述碳纳米管相对的通孔。

5.如权利要求4所述的图案化碳纳米管阴极的透射式X射线源结构，其特征在于，所述绝缘罩与所述导电底座的顶端通过螺纹结构连接；所述绝缘罩与所述导电底座连接时，所述通孔的边缘压紧所述碳纳米管。

6.如权利要求1所述的图案化碳纳米管阴极的透射式X射线源结构，其特征在于，所述第一电极为电极杆，所述第一电极的一端固定连接于所述导电底座的底端，所述球管的封闭端设有第一电极孔，所述第一电极的另一端穿过所述第一电极孔并伸至X射线源结构外部连接电源，所述第一电极与所述第一电极孔密封固定，所述电源对所述导电底座施加负电位。

7.如权利要求1所述的图案化碳纳米管阴极的透射式X射线源结构，其特征在于，所述第二电极为电极杆，所述第二电极的一端固定连接于所述导电环，所述球管的封闭端设有第二电极孔，所述第二电极的另一端穿过所述第二电极孔并伸至X射线源结构外部连接电源，所述第二电极与所述第二电极孔密封固定，所述电源对所述导电环施加零电位。

8.如权利要求1所述的图案化碳纳米管阴极的透射式X射线源结构，其特征在于，所述导电底座的底端为掏空结构。

9.如权利要求1至8任一项所述的图案化碳纳米管阴极的透射式X射线源结构，其特征在于，还包括有冷却容器，所述冷却容器的顶端开口，底端封闭，所述铍窗通过所述导电环密封盖合在所述冷却容器的开口端，并在所述球管外周围合形成一冷却腔体。

10.如权利要求9所述的图案化碳纳米管阴极的透射式X射线源结构，其特征在于，所述冷却容器设有与所述冷却腔体连通的进油孔和出油孔。