CN105702544A - 一种金刚石射线靶、制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金刚石射线靶、制备方法及应用，包括金刚石片、窗口封接环和薄膜阳极，所述金刚石片通过焊料焊接在窗口封接环上，所述薄膜阳极沉积在金刚石片朝向电子束的一面。在窗口封接环上开设连接孔，连接孔的两端为台阶面，将焊料放入台阶面，再将金刚石片放入台阶面上，焊接过程中确保金刚石压紧焊接在窗口封接环上；焊接后，将金刚石片以外的部分挡住，在金刚石朝向电子束的一面沉积薄膜阳极。通过优化镀膜工艺和焊接工艺，使透射式X射线管金刚石窗口、薄膜阳极、散热层三者之间具有良好的热力学接触性能，可提高微焦点X射线管连续使用时的可靠性。

Description

一种金刚石射线靶、制备方法及应用
技术领域
本发明涉及一种透射式微焦点X射线管的投射窗口，尤其涉及的是一种金刚石射线靶、制备方法及应用。
背景技术
透射式微焦点X射线管具有高X射线产生效率和高辐照通量密度的特点，是微焦点X射线管的发展趋势。由于透射式微焦点X射线管的窗口和金属阳极是复合在一起的，通过提高透射窗口的耐热功率，可以提高X射线源亮度。因此，需要寻找合适的窗口结构来获得高亮度小焦斑的X射线源。
目前，小焦点X射线管的焦点在0.1mm以上，分辨率不高，无法满足现在一些高要求X射线管，很多X射线管上使用的是铍窗口，同时使用的是反射式阳极，限制了X射线成像的放大倍率。而使用透射式成像的阳极，没有与窗口材料连接在一起，放大倍率也无法提高，另外阳极容易出现熔化的情况，导致影像清晰度不高。且使用的是铍窗口，但铍有剧毒，价格昂贵，且热导率相对较差，易造成由于散热不及时导致阳极熔化。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种金刚石射线靶、制备方法及应用，焦点尺寸小，精度高，提高了分辨率和连续使用时的可靠性。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括金刚石片、窗口封接环和薄膜阳极，所述金刚石片通过焊料焊接在窗口封接环上，所述薄膜阳极沉积在金刚石片朝向电子束的一面。
所述窗口封接环上开设连接孔，所述连接孔的两端为台阶面，所述金刚石片的端部放置在所述台阶面上并通过焊料焊接在所述台阶面上。
作为本发明的优选方式之一，所述射线靶还包括散热层，所述散热层镀膜于所述薄膜阳极朝向电子束的一面。
作为本发明的优选方式之一，所述薄膜阳极的厚度为1～10μm，所述金刚石的厚度为0.05～0.3mm。
作为本发明的优选方式之一，所述金刚石片为化学气相沉积法制备得到，所述薄膜阳极朝向电子束的一面为所述金刚石片的成核面。
一种金刚石射线靶的制备方法，包括以下步骤：
(1)在窗口封接环上开设连接孔，连接孔的两端为台阶面，将焊料放入台阶面，再将金刚石片放入台阶面上，焊接过程中确保金刚石压紧焊接在窗口封接环上；
(2)焊接后，将金刚石片以外的部分挡住，在金刚石朝向电子束的一面沉积薄膜阳极。
作为本发明的优选方式之一，所述制备方法还包括步骤(3)，在薄膜阳极上朝向电子束的一面上镀膜散热层。
作为本发明的优选方式之一，所述薄膜阳极选自钨、钼、无氧铜或金中的任一种材料制备而成。
作为本发明的优选方式之一，所述焊接方式为真空钎焊或氩气保护钎焊，焊料选自银、铜、钛、金的一种或多种。
一种金刚石射线靶在透射式微焦点X射线管中的应用。
金刚石材料的原子序数为6，属于轻材料，对X射线的吸收系数略大于铍，仍具有良好的透射率、安全无毒。通过化学气相沉积(CVD)方法获得的金刚石多晶薄膜具有高强度、高透射、高热导、耐高温、耐腐蚀、热膨胀小的特点，可替代传统的X射线窗口材料铍，是理想的新一代X光窗口材料。
为获得高X射线出射效率，需要保证足够的靶材厚度；另外，由于靶材对X射线的自屏蔽效应，应控制靶材厚度以减少对X射线的吸收。减小靶材厚度可以限制束斑尺寸，但是靶材厚度小其热容也小，会限制靶材的耐热性能。因此，还需要从靶材衬底材料和结构方面对耐热性能进行优化。
本发明相比现有技术具有以下优点：本发明采用薄膜阳极镀膜的金刚石窗口结构，电子束轰击阳极产生的X射线过程能够实现快速散热，这样有利于实现微焦斑X射线源、电子束能量利用率高、X射线能量损失小的透射式薄膜阳极结构。通过优化镀膜工艺和焊接工艺，使透射式X射线管金刚石窗口、薄膜阳极、散热层三者之间具有良好的热力学接触性能，可提高微焦点X射线管连续使用时的可靠性。
附图说明
图1是本发明的金刚石射线靶的结构示意图；
图2是图1的俯视图；
图3是将本发明用于X射线管的结构示意图；
图4是本发明金刚石射线靶的制备流程图；
图5是带有散热层的结构示意图；
图6是图5的局部放大图；
图7是不同能量下的金刚石、铍材料的X射线透过率比较图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1图2、图5、图6所示，本实施例包括金刚石片1、窗口封接环2、薄膜阳极4、散热层5，所述金刚石片1通过焊料3焊接在窗口封接环2上，所述薄膜阳极4沉积在金刚石片1朝向电子束的一面。窗口封接环2上开设连接孔，所述连接孔的两端为台阶面，所述金刚石片1的端部放置在所述台阶面上并通过焊料3焊接在所述台阶面上。所述散热层5镀膜于所述薄膜阳极4朝向电子束9的一面。
本实施例的金刚石片1可以通过橡胶圈与X射线管连接在一起。
如图3所示，当聚焦电子束9，打到薄膜阳极4上后，从而使薄膜阳极4发出X射线，穿过金刚石片1而用于检测样品6，包含样品6结构信息的X射线最终被探测器7所接收。
采用金刚石片1代替传统铍靶材，使得射线靶的散热性能提高1～2倍，避免了真空钎焊过程中焊料3对金属铍的腐蚀，消除了铍中毒的可能性。
当电子束9轰击在厚度较薄的薄膜阳极4时，会有部分电子透过靶材而不被利用，这样虽然产生X射线源的焦斑较小，但X射线强度较低；但如果薄膜阳极4尺寸偏厚，产生X射线在薄膜阳极4内经过的距离增加，自屏蔽效应明显，强度也随之衰减。因此，本发明将薄膜阳极4厚度设计为1～10μm，有助于增加X射线产生强度，同时有效减小X射线焦点尺寸。
如图4所示，金刚石射线靶的焊接步骤如下：本实例采用金刚石窗结构，金刚石片1为化学气相沉积法制备得到，薄膜阳极4朝向电子束9的一面优选为所述金刚石片1的成核面。且金刚石片1的厚度只有0.05～0.3mm，为了解决薄金刚石片1焊接难的问题，采用了两边夹焊的结构。窗口封接环2中间的开设连接孔，连接孔的两端为台阶面，先将焊料3填充于台阶面上，再把金刚石片1沿成核面朝向电子束9放入。焊接过程中保证金刚石片1与不锈钢压环8之间压紧。金刚石片1与窗口封接环2夹紧焊接，焊接方式为真空钎焊或氩气保护钎焊，焊料3选择为银、铜、钛、金的一种或几种，另外也可以使用助焊剂混合配比加入钎料。
焊接好后的金刚石片1，使用掩板将除金刚石片1以外的部分挡住，在金刚石朝向电子束9的一面沉积薄膜阳极4。其他实施例中可以选用薄膜成形、精密加工或掩模成形沉积薄膜阳极4
薄膜阳极4是由钨、钼、无氧铜或金等重金属材料制成。阳极薄膜采用镀膜、冲压、烧结等方法制备靶层；
在薄膜阳极4朝向电子束9的一面用镀膜的方式制备散热层5。
如图7所示，图7是利用蒙特卡洛仿真软件仿真计算结果，图中表明，当X射线能量高于25kV，相同厚度的铍材料窗口和金刚石窗口，对X射线透过率的影响区别很小，例如在25kV时，100微米的铍窗口和100微米的金刚石窗口的X射线透过率仅相差3％。因此，基于以上原理，本发明的金刚石窗口能够很好的代替传统铍窗口。
由于电子轰击薄膜阳极4面时产生的热量会致使靶面温度升高甚至熔化，这样就需要提高薄膜阳极4的耐热性能，以建立有效的散热结构。散热层5的材料及结构应尽量不减少轰击在薄膜阳极4材上的电子束9的量，因此需要选择低原子序数和低密度的材料。在电子束9轰击到薄膜阳极4之前再增加一层3微米的碳材料散热层5后，所计算的电子束9能量损失仅为5％。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种金刚石射线靶，其特征在于，包括金刚石片、窗口封接环和薄膜阳极，所述金刚石片通过焊料焊接在窗口封接环上，所述薄膜阳极沉积在金刚石片朝向电子束的一面。
2.根据权利要求1所述的一种金刚石射线靶，其特征在于，所述窗口封接环上开设连接孔，所述连接孔的两端为台阶面，所述金刚石片的端部放置在所述台阶面上并通过焊料焊接在所述台阶面上。
3.根据权利要求1所述的一种金刚石射线靶，其特征在于，所述射线靶还包括散热层，所述散热层镀膜于所述薄膜阳极朝向电子束的一面。
4.根据权利要求1所述的一种金刚石射线靶，其特征在于，所述薄膜阳极的厚度为1～10μm，所述金刚石的厚度为0.05～0.3mm。
5.根据权利要求1所述的一种金刚石射线靶，其特征在于，所述金刚石片为化学气相沉积法制备得到，所述薄膜阳极朝向电子束的一面为所述金刚石片的成核面。
6.一种如权利要求1所述的金刚石射线靶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在窗口封接环上开设连接孔，连接孔的两端为台阶面，将焊料放入台阶面，再将金刚石片放入台阶面上，焊接过程中确保金刚石压紧焊接在窗口封接环上；
(2)焊接后，将金刚石片以外的部分挡住，在金刚石朝向电子束的一面沉积薄膜阳极。
7.根据权利要求6所述的一种金刚石射线靶的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括步骤(3)，在薄膜阳极上朝向电子束的一面上镀膜散热层。
8.根据权利要求6所述的一种金刚石射线靶的制备方法，其特征在于，所述薄膜阳极选自钨、钼、无氧铜或金中的任一种材料制备而成。
9.根据权利要求6所述的一种金刚石射线靶的制备方法，其特征在于，所述焊接方式为真空钎焊或氩气保护钎焊，焊料选自银、铜、钛、金的一种或多种。
10.一种金刚石射线靶在透射式微焦点X射线管中的应用。
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