CN108447754A - 一种高电子透过率的冷阴极x射线管栅极结构及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高电子透过率的冷阴极X射线管栅极结构及制作方法，包括栅极法兰、铜网、金属栅极片、栅极套筒、阴极底座和阴极发射材料；栅极法兰设有法兰中心通孔和法兰凹槽；铜网嵌套在法兰凹槽中，铜网的一侧包覆有纳米级厚度的碳膜；金属栅极片设在铜网的下方，金属栅极片与栅极法兰相连接，套筒内腔中设有阴极底座，阴极底座通过陶瓷垫片与栅极套筒可拆卸连接；阴极底座的高度能够调整，阴极底座的顶部设有阴极发射材料。本发明采用覆盖有碳膜的铜栅网作为栅极，采用碳纳米管为阴极发射材料，改进了因栅网网孔处电场下降带来的发射效率降低的问题，并提升了阴极发射电子在栅极处的透过率，从而增大了阳极电流。

Description

一种高电子透过率的冷阴极X射线管栅极结构及制作方法

技术领域

本发明涉及X射线低剂量检测和快速成像技术领域，特别是一种高电子透过率的冷阴极X射线管栅极结构及制作方法。

背景技术

X射线是波长小于紫外而又大于γ射线的电磁波，其量级在0.001nm到10nm之间。主要是通过原子中的电子在两能量差悬殊较大的能级间跃迁产生。X射线具有广泛的应用前景，医学上由于其穿透人体时受到吸收的程度不同，骨骼部分的吸收量更多，最终经显影、定影等环节呈现在CT上的阴影浓淡会有区别，因而可用于诊断；而当其照射人体部分细胞组织时，可以破坏细胞组织中的结构及成分，当这些细胞是有害细胞如肿瘤细胞时，X射线就起到了治疗的作用。当X射线照射非人以外的其他物体时，同样根据吸收峰的不同，工业上可以探查结构中的缺陷从而达到探伤的目的，而安检中则可以查出尖锐金属等从而维护公共秩序保障公共安全。

和采用热阴极灯丝为电子源的X射线管不同，场致发射冷阴极X射线管不需要给固体加热以使其内部的电子获得额外的能量，而是靠高强度的外加电场来削弱物体表面的势垒，使势垒的高度降低，宽度变窄。当势垒的宽度窄到可以同电子的波长不相上下时，物体内的电子就会以隧穿效应的方式逸出表面发射到真空中去。场致电子发射的优越性体现在高电流密度、低发射迟滞时间、不需要预热。因此，冷阴极X射线管在低剂量检测和快速成像等医学研究领域获得了广泛关注。

在冷阴极X射线管应用中，在同样的辐射剂量下，较大的阳极电流可以缩减曝光时间，因此提高阳极电流成为重点。在三极结构的冷阴极X射线管中，阳极电流不仅取决于阴极材料的发射特性、阴栅极间的电场分布，还和电子在栅极网孔中的透过率密切相关。即在冷阴极X射线管中，栅极不仅要能够通过施加电压产生足够高的阴栅极间电场使冷阴极发射出电子，还要能让阴极发射出的电子在阳极高压作用下穿过栅极网孔。

然而，由于所需的发射电场是建立在栅网和阴极之间，而栅极网孔下对应的电场较弱；另外，冷阴极发射出来的电子只有透过网孔才能到达阳极，否则会被栅极截获。在大电流发射情况下，如果大量的阴极电子被栅极所截获，到达阳极的电子数将大大减少，阳极电流也将减小，而且还会引起栅极过热甚至变形，导致器件工作稳定性急剧下降。因此，为获得较高的阳极电流，不仅需要提供均匀的足够强的阴极发射电场，还需要提高栅极的电子透过率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种高电子透过率的冷阴极X射线管栅极结构，该高电子透过率的冷阴极X射线管栅极结构采用覆盖有碳膜的铜栅网作为栅极，在采用碳纳米管为阴极材料的情况下，本发明通过改进栅阴极间电场分布，解决了栅网网孔处电场下降带来的发射效率降低的问题，并提升了阴极发射电子在栅极处的透过率，从而增大了阳极电流。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种高电子透过率的冷阴极X射线管栅极结构，包括栅极法兰、铜网、金属栅极片、栅极套筒、阴极底座和阴极发射材料。

栅极法兰以同轴可拆卸连接的方式盖合在栅极套筒的正上方。

栅极套筒具有竖向设置的套筒内腔，栅极法兰的中心设置有与套筒内腔同轴的法兰中心通孔。

朝向栅极套筒一侧的栅极法兰上设置有法兰凹槽，法兰凹槽与法兰中心通孔相连通。

铜网嵌套在法兰凹槽中，铜网的一侧包覆有纳米级厚度的碳膜。

金属栅极片设置在铜网的下方，金属栅极片与栅极法兰相连接，金属栅极片的中心设置有与法兰中心孔同轴的金属片中心通孔。

套筒内腔中设置有阴极底座，阴极底座通过陶瓷垫片与栅极套筒可拆卸连接；阴极底座的高度能够调整，阴极底座的顶部设置有与金属片中心通孔同轴的阴极发射材料。

阴极发射材料顶部与金属栅极片底部之间的垂直距离为0.3~0.5mm。

碳膜的包覆厚度为10~20nm。

铜网的网孔直径为100µm，厚度为50µm。

套筒内腔包括从上至下依次同轴设置的套筒上内腔、套筒中内腔和套筒下内腔；套筒上内腔、套筒中内腔和套筒下内腔的直径逐渐减小；陶瓷垫片包括U型陶瓷垫片和水平陶瓷垫片；U型陶瓷垫片嵌套在套筒中内腔内，阴极底座嵌套在U型陶瓷垫片的U型腔中，水平陶瓷垫片设置在栅极套筒的底部，采用螺杆将水平陶瓷垫片、U型陶瓷垫片和阴极底座相连接。

本发明还提供一种高电子透过率的冷阴极X射线管栅极结构的制作方法，该高电子透过率的冷阴极X射线管栅极结构的制作方法，采用覆盖有碳膜的铜栅网作为栅极，在采用碳纳米管为阴极材料的情况下，本发明通过改进栅阴极间电场分布，解决了栅网网孔处电场下降带来的发射效率降低的问题，并提升了阴极发射电子在栅极处的透过率，从而增大了阳极电流。

一种高电子透过率的冷阴极X射线管栅极结构的制作方法，包括如下步骤。

步骤1，碳膜包覆：将碳膜均匀包覆在铜网一侧，碳膜的包覆厚度为纳米级。

步骤2，铜网固定：将覆有碳膜的铜网放置在栅极法兰的法兰凹槽中；接着，将金属栅极片放置于铜网的下方，并使金属栅极片的金属片中心通孔与法兰中心通孔同轴；最后，采用点焊的方式，将金属栅极片与栅极法兰相连接。

步骤3，制作阴极发射材料：在室温下，采用丝网印刷法先后将导电银浆和碳纳米浆料转移到阴极底座顶部，制成阴极发射材料。

步骤4，阴极底座固定：采用陶瓷垫片将阴极底座和栅极套筒隔开，并通过螺杆将两者紧固。

步骤5，栅极法兰固定：将栅极法兰和栅极套筒通过螺杆紧固。

步骤1中，碳膜的包覆厚度为10~20nm。

步骤4中，通过调整阴极底座或陶瓷垫片的厚度，使阴极底座固定后，阴极发射材料顶部与金属栅极片底部之间的垂直距离为0.3~0.5mm。

本发明具有如下有益效果：

（1）阴栅极的实际间距取决于阴极发射材料到铜网的间距，这可以通过加工阴极底座的高度或加工U型陶瓷垫片的厚度来调节，从而可以在阴栅极间不短路的情况下调节阴栅极间的发射电场，保持器件性能的一致性。

（2）覆盖有碳膜的铜网作为栅网，改善了阴栅极间电场的均匀性，使得阴极发射能力提高，其物理透过率由铜网决定，金属栅极片则主要起支撑作用。

（3）纳米级厚度的碳膜一方面能够允许阴极发射电子透过，另一方面减小了被栅网截获的冷发射电子数，不仅提高了电子透过率，还使栅网减少了因电子轰击产生的热效应，器件工作稳定性增加。

附图说明

图1显示了本发明一种高电子透过率的冷阴极X射线管栅极结构的结构示意图。

图2显示了现有技术中栅网与阴极发射材料的结构示意图。

图3显示了现有技术中栅阴极间的电场及电位分布图。

图4显示了本发明中栅网与阴极发射材料的结构示意图。

图5显示了本发明中栅阴极间的电场及电位分布图。

其中有：1.栅极法兰；11.法兰中心孔；12.法兰凹槽；2.铜网；21.栅孔；22.碳膜；3.金属栅极片；31.金属片中心通孔；4.阴极发射材料；5.阴极底座；6.栅极套筒；61.套筒上内腔；62.套筒中内腔；63.套筒下内腔；71.U型陶瓷垫片；72.水平陶瓷垫片；8.栅阴间隙。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种高电子透过率的冷阴极X射线管栅极结构，包括栅极法兰1、铜网2、金属栅极片3、栅极套筒6、阴极底座5和阴极发射材料4。

栅极法兰以同轴可拆卸连接的方式盖合在栅极套筒的正上方，优选采用螺杆紧固连接。

栅极套筒具有竖向设置的套筒内腔，套筒内腔优选包括从上至下依次同轴设置的套筒上内腔61、套筒中内腔62和套筒下内腔63。套筒上内腔、套筒中内腔和套筒下内腔的直径逐渐减小。

栅极法兰的中心设置有与套筒内腔同轴的法兰中心通孔11。

朝向栅极套筒一侧的栅极法兰上设置有法兰凹槽12，法兰凹槽与法兰中心通孔相连通。

上述法兰凹槽的直径为1.45mm，深度为50µm。

铜网嵌套在法兰凹槽中，铜网的直径优选为1.45mm，铜网的网孔直径，也即栅孔直径优选为100µm，厚度优选为50µm。

铜网的一侧面覆有纳米级厚度的碳膜22，碳膜的包覆厚度优选为10~20nm。

金属栅极片设置在铜网的下方，金属栅极片与栅极法兰相连接，金属栅极片的中心设置有与法兰中心孔同轴的金属片中心通孔31。

栅极金属片3的直径优选为2.5mm，金属片中心通孔的直径优选为1~1.2mm，厚度优选为50µm。

上述栅极法兰和栅极套筒均优选为不锈钢等适用于真空的同质金属件，栅极金属片优选由不锈钢或钼加工制成。

套筒内腔中设置有阴极底座，阴极底座通过陶瓷垫片与栅极套筒可拆卸连接。

上述陶瓷垫片优选包括U型陶瓷垫片71和水平陶瓷垫片72；U型陶瓷垫片嵌套在套筒中内腔内，阴极底座嵌套在U型陶瓷垫片的U型腔中，水平陶瓷垫片设置在栅极套筒的底部，采用螺杆将水平陶瓷垫片、U型陶瓷垫片和阴极底座相连接。

上述阴极底座的高度能够调整，调整方式优选为：通过加工的方式调整阴极底座的厚度或更换为不同厚度的U型陶瓷垫片。

阴极底座的顶部设置有与金属片中心通孔同轴的阴极发射材料，阴极发射材料顶部与金属栅极片底部之间的垂直距离，也即栅阴间隙8优选为0.3~0.5mm。

一种高电子透过率的冷阴极X射线管栅极结构的制作方法，包括如下步骤。

步骤1，碳膜包覆：将碳膜均匀覆盖在铜网一侧，碳膜的包覆厚度为纳米级，碳膜的包覆厚度优选为10~20nm。

步骤2，铜网固定：先在栅极法兰的内部开一个深50um、直径与铜网直径大约相等的圆形的法兰凹槽；接着，将覆有碳膜的铜网放置在栅极法兰的法兰凹槽中；接着，将金属栅极片放置于铜网的下方，并使金属栅极片的金属片中心通孔与法兰中心通孔同轴；最后，采用点焊的方式，将金属栅极片与栅极法兰相连接。

步骤3，制作阴极发射材料：在室温下，采用丝网印刷法先后将导电银浆和碳纳米浆料转移到阴极底座顶部，制成阴极发射材料。

具体制备方法优选为：先在室温下，将导电银浆丝印到阴极底座上，在大气环境中经250℃烘烤1小时后，形成银过渡层；接着，再在银过渡层上丝印场发射碳纳米浆料，所用碳纳米浆料中的碳纳米管含量优选为20%，固体物质量占比为22%。随后，在大气环境中经250℃烘烤1小时和400℃烧结0.5~1小时后，完成直径大约为1.5mm的阴极发射材料的制备。

步骤4，阴极底座固定：采用陶瓷垫片将阴极底座和栅极套筒隔开，并通过螺杆将两者紧固。通过调整阴极底座或陶瓷垫片的厚度等，使阴极底座固定后，阴极发射材料顶部与金属栅极片底部之间的垂直距离保持在0.3~0.5mm。

步骤5，栅极法兰固定：将栅极法兰和栅极套筒通过螺杆紧固。

本发明的工作原理为：如图 2和图3中传统的冷阴极X射线管中栅阴极间电场及电位分布的仿真图所示，电压等势线向中间的栅孔倾斜，电场线与电压线垂直，电场线方向不能由栅极径直指向阴极，栅孔处的电场强度弱于两旁栅孔孔径。因此当电子从冷阴极发射时，不能都垂直向上入射通过栅极进入阳极，特别是栅孔下对应的冷阴极发射电子将在电场的作用下到达栅网。被栅极捕获的电子不仅将使栅极电流增加，容易使栅网过热而损坏栅网，而且将降低电子透过率使得阳极电流降低。

而在图4和图5中，本发明的冷阴极X射线管栅阴极间电场和电位分布的仿真图中，涂覆碳膜后，栅阴间的电场得到了优化，电场线由栅极孔径处直接指向阴极。但由于碳膜很薄，在 10~20nm，电子可以穿过而不被拦截，这样既可以在网孔处形成电场使阴极电子发射，同时也不会阻拦发射电子。

综上所述，本发明的高电子透过率的冷阴极X射线管栅极结构，通过加工调节阴极底座的高度或陶瓷垫片的厚度来控制并调节阴栅极间的电场强度，利用纳米级的导电碳膜可以使栅阴间电场分布均匀并且可以让阴极发射电子通过这一原理，提高了冷阴极X射线管的电子透过率。这种涂覆碳膜的栅网结构封装进冷阴极X射线管后，适用于冷阴极X射线管医疗快速成像、低剂量检测等领域，有利于提高***的图像成像质量。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种高电子透过率的冷阴极X射线管栅极结构，其特征在于：包括栅极法兰、铜网、金属栅极片、栅极套筒、阴极底座和阴极发射材料；

栅极法兰以同轴可拆卸连接的方式盖合在栅极套筒的正上方；

栅极套筒具有竖向设置的套筒内腔，栅极法兰的中心设置有与套筒内腔同轴的法兰中心通孔；

朝向栅极套筒一侧的栅极法兰上设置有法兰凹槽，法兰凹槽与法兰中心通孔相连通；

铜网嵌套在法兰凹槽中，铜网的一侧包覆有纳米级厚度的碳膜；

金属栅极片设置在铜网的下方，金属栅极片与栅极法兰相连接，金属栅极片的中心设置有与法兰中心孔同轴的金属片中心通孔；

套筒内腔中设置有阴极底座，阴极底座通过陶瓷垫片与栅极套筒可拆卸连接；阴极底座的高度能够调整，阴极底座的顶部设置有与金属片中心通孔同轴的阴极发射材料。

2.根据权利要求1所述的高电子透过率的冷阴极X射线管栅极结构，其特征在于：阴极发射材料顶部与金属栅极片底部之间的垂直距离为0.3~0.5mm。

3.根据权利要求1所述的高电子透过率的冷阴极X射线管栅极结构，其特征在于：碳膜的包覆厚度为10~20nm。

4.根据权利要求1所述的高电子透过率的冷阴极X射线管栅极结构，其特征在于：铜网的网孔直径为100µm，厚度为50µm。

5.根据权利要求1所述的高电子透过率的冷阴极X射线管栅极结构，其特征在于：套筒内腔包括从上至下依次同轴设置的套筒上内腔、套筒中内腔和套筒下内腔；套筒上内腔、套筒中内腔和套筒下内腔的直径逐渐减小；陶瓷垫片包括U型陶瓷垫片和水平陶瓷垫片；U型陶瓷垫片嵌套在套筒中内腔内，阴极底座嵌套在U型陶瓷垫片的U型腔中，水平陶瓷垫片设置在栅极套筒的底部，采用螺杆将水平陶瓷垫片、U型陶瓷垫片和阴极底座相连接。

6.一种高电子透过率的冷阴极X射线管栅极结构的制作方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1，碳膜包覆：将碳膜均匀包覆在铜网一侧，碳膜的包覆厚度为纳米级；

步骤2，铜网固定：将覆有碳膜的铜网放置在栅极法兰的法兰凹槽中；接着，将金属栅极片放置于铜网的下方，并使金属栅极片的金属片中心通孔与法兰中心通孔同轴；最后，采用点焊的方式，将金属栅极片与栅极法兰相连接；

步骤3，制作阴极发射材料：在室温下，采用丝网印刷法先后将导电银浆和碳纳米浆料转移到阴极底座顶部，制成阴极发射材料；

步骤4，阴极底座固定：采用陶瓷垫片将阴极底座和栅极套筒隔开，并通过螺杆将两者紧固；

步骤5，栅极法兰固定：将栅极法兰和栅极套筒通过螺杆紧固。

7.根据权利要求6所述的高电子透过率的冷阴极X射线管栅极结构的制作方法，其特征在于：步骤1中，碳膜的包覆厚度为10~20nm。

8.根据权利要求6所述的高电子透过率的冷阴极X射线管栅极结构的制作方法，其特征在于：步骤4中，通过调整阴极底座或陶瓷垫片的厚度，使阴极底座固定后，阴极发射材料顶部与金属栅极片底部之间的垂直距离为0.3~0.5mm。