[發明專利]一種X射線箍縮二極管復合陰極及其設計方法

無效

• 申請號: 201110008748.2
• 申請日: 2011-01-17
• 公開（公告）號: CN102097266A
• 公開（公告）日: 2011-06-15
• 發明（設計）人: 高屹;張眾;王治國;孫劍鋒;尹佳輝;楊海亮;邱愛慈;蘇兆鋒;張鵬飛
• 申請（專利權）人: 西北核技術研究所
• 主分類號: H01J9/04
• 分類號: H01J9/04;H01J35/06
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種X射線箍縮二極管復合陰極及其設計方法，屬于高功率二極管技術，特別是改善陽極桿箍縮二極管輸出特性的陰極設計方法。

背景技術

陽極桿箍縮二極管可以產生高劑量率(射線源正前方1m處輸出X射線劑量率可達～10⁶Gy/s)、小焦斑(正向＜1mm，軸向幾個mm)、短脈沖(～50ns)的高能X射線，在脈沖X射線閃光照相中具有重要的應用價值。射線源焦斑尺寸是成像空間分辨率的主要影響因素。射線源焦斑包括正向焦斑和軸向焦斑，正對針尖且視線方向與二極管軸向一致，觀察到的焦斑為射線源正向焦斑，如圖2中的L₁，視線方向與二極管軸向成90°角，觀察到的焦斑為射線源軸向焦斑，如圖2中的L₂。減小射線源焦斑可以使射線源更接近于理想的點源，另外，如果射線源焦斑的軸向尺寸足夠小，則可以利用該射線源在不同方向上對不同物體或過程同時進行閃光照相，從而提高射線源的利用效率。

目前，國際上通常采用末端針化、中空復合陽極等陽極設計方法來減小焦斑。末端針化是將陽極桿末端做成針狀，其減小正向焦斑的效果明顯，但對軸向焦斑的影響較小。中空復合陽極是采用小直徑的中空鋁桿作為陽極，鋁桿末端嵌入一個直徑～1mm的金球，由于鋁的原子序數較低，與電子發生軔致輻射作用較弱，因此降低了陽極針尖以外部分的X射線產生效率，其減小軸向焦斑的效果明顯，但中空鋁桿的壁厚只有幾十微米，加工難度大、造價高。

發明內容：

為了實現減小軸向焦斑的目的，本發明提供一種石墨陰極貼覆聚四氟乙烯的陽極桿箍縮二極管復合陰極及設計方法。

一種X射線箍縮二極管復合陰極貼覆方法，在陰極圓盤上貼覆可影響電子發射面的電介質材料幾何構型，以調控電子束箍縮狀態和減小X射線軸向焦斑。

上述的復合陰極貼覆方法中所用的電介質材料為聚四氟乙烯，貼覆時使用環氧樹脂。

上述的復合陰極貼覆方法中所用的電介質材料貼覆位置為陰極圓盤的后表面和陰極內孔同軸柱面。

上述復合陰極，基底為石墨圓盤，厚度2.2mm，外半徑為74mm，內半徑為8mm，其特征在于在石墨圓盤的后表面和中間表面(同軸柱面)貼覆有1mm厚的電介質材料層。

上述的復合陰極，其中的電介質材料為聚四氟乙烯。

附圖說明

圖1是陽極桿箍縮二極管結構剖面圖。

圖中，1.金屬鎢材料陽極桿，2.圓盤陰極，3.二極管前級真空傳輸線外筒，4.二極管前級真空傳輸線內筒，5.陽極桿尖端。

圖2是軸向和徑向焦斑尺寸的定義示意圖。

圖中，陰影區域表示焦斑形狀，在觀測點1位置觀察焦斑，L₁稱為正向焦斑尺寸；在觀測點2位置觀察焦斑，L₂稱為軸向焦斑尺寸。

圖3是本發明對二極管石墨陰極進行貼覆處理的示意圖。

圖4是陰極各表面均為電子發射面情況下二極管不同工作階段電子束空間分布圖。

圖5是陰極前表面為電子發射面時二極管不同工作階段電子束空間分布圖。

圖6(a)和圖6(b)分別是陰極各表面均為電子發射面和單一表面為電子發射面時陽極表面沉積電荷密度軸向分布曲線，分別對應于純石墨陰極和復合陰極的情況。

圖7是采用本發明中的復合陰極進行陽極桿箍縮二極管實驗，所得到的射線源軸向焦斑圖像，并對比純石墨陰極的實驗結果。

具體實施方式

本發明要解決的技術問題：(1)陰極表面貼覆位置的選擇；(2)貼覆層的材料選擇；(3)貼覆層的厚度設計；(4)復合陰極的貼覆工藝。

本發明所采用的技術方案是：(1)通過粒子模擬方法，分析抑制陰極不同區域電子發射對軸向焦斑尺寸的影響，確定貼覆層位置；(2)采用電介質覆層的方法降低石墨陰極表面電場強度，根據二極管工作時陰極表面狀態(電場強度、溫度、電子發射等)，選擇貼覆層材料；(3)根據電子在該覆層材料中射程的計算結果，確定貼覆層厚度；(4)為抑制或避免介質層與石墨表面之間產生氣泡，從而避免其對降低覆蓋表面的電場強度的不利影響，結合覆層和基底材料性質、厚度及技術方案中的其他各方面因素，確定貼覆工藝。