[發明專利]一種基于碳納米管場發射的微焦點X射線管

在審

• 申請號: 201810631918.4
• 申請日: 2018-06-19
• 公開（公告）號: CN109087838A
• 公開（公告）日: 2018-12-25
• 發明（設計）人: 湯秀清;陳澤祥
• 申請（專利權）人: 廣州市昊志影像科技有限公司
• 主分類號: H01J35/24
• 分類號: H01J35/24;H01J35/06
• 代理公司: 廣州市越秀區哲力專利商標事務所(普通合伙) 44288
• 代理人: 何國錦;廖軍才

本發明公開了一種基于碳納米管場發射的微焦點X射線管，包括：真空容器以及安裝于真空容器內的陽極靶以及電子槍，電子槍包括發射陰極和控制柵極，發射陰極和陽極靶分別安裝于真空容器內相對的兩端，控制柵極安裝于發射陰極和陽極靶之間，發射陰極包括發射陰極基底以及垂直生長于發射陰極基底上并向陽極靶方向延伸的碳納米管微束；所述陽極靶、發射陰極以及控制柵極分別通過陽極靶電極、發射陰極電極以及控制柵極電極引出到真空容器外。本發明采用垂直于發射陰極基底的碳納米管微束作為場致發射基本單元，具有很高的場致發射電流密度以及很高的發射電流穩定性，克服了傳統場致發射陰極容易出現的局部“過熱”燒毀的現象。

技術領域

本發明X射線管技術領域，特別是基于碳納米管場致發射作為電子源產生X射線的微焦點X射線管。

背景技術

X射線管是能夠產生X射線的裝置，X射線在材料晶體分析、分子反應動力研究、工業無損探傷、生物科學及醫學的成像、診斷和治療等科學研究與技術應用中，發揮著舉足輕重的作用。X射線管是X射線成像、測試和CT系統的核心部件，X射線管的性能直接決定著成像系統的整體性能。傳統的X射線管采用熱發射陰極結構，需要將發射陰極燈絲加熱到700-1600℃才能正常工作，此時發射陰極材料表面的電子獲得了足夠多的能量，達到材料的逸出功，電子從發射陰極表發逸出，形成電子發射。在實現微焦點的應用中，需要復雜精細的結構設計，包括精細的發射陰極制備和電子槍裝配、復雜的多級聚焦透鏡等等，這就使得應用于微焦點X射線管的熱發射陰極制作成本非常高，并且發射陰極非常容易損壞。

相比傳統的熱發射陰極，場致發射陰極(FEA)的發射機理具有無需加熱、可以瞬時啟動、功率損耗低、優異的開關特性等獨特有點，同時電子束亮度比熱發射陰極高的多，可以獲得更高的分辨率和更清晰的成像效果，逐漸有了替代傳統熱發射陰極X射線管的趨勢。而在微焦點X射線管的應用中，如何利用足夠小的發射陰極實現足夠大的發射電流，這對發射陰極材料的選擇也是一個難題。

碳納米管場致發射X射線管制備中最核心的技術為碳納米管場致發射陣列的制備。目前制備碳納米管陣列的制備方法主要有兩種：一種是印刷的方法。這種方法的優點是效率高、可以大面積制備。但缺點是印刷的碳納米管定向性非常差，分散不均勻，碳納米管頂部離基底的高度參差不齊。更特別地，印刷碳納米管發射陰極因方法本身的局限性，無法實現微米級尺寸的發射陰極制備，制備的發射陰極比較大(最小尺寸也在100微米左右，并且此時尺寸精度非常差)，當進一步縮小尺寸的時候，其精度難于滿足要求。第二種典型制備碳納米管場致發射陣列的方法為CVD生長法。這種方法容易和現有的高精度微電子工藝兼容，制備出高精度的催化劑陣列，并且容易實現碳納米管垂直生長在基底上，原則上可以制備出足夠精細、各種圖案的碳納米場致發射陣列。但CVD方法生長碳納米管場致發射陣列現在也存在的一些致命問題：1)碳納米管間距非常致密，電場屏蔽效應非常嚴重；2)碳納米管與基底間的電接觸和附著力非常差，導致在高電流密度發射的時候因與基底之間的接觸電阻非常大而發熱嚴重，進而燒毀。3)大面積的碳納米管生長的一致性不好，導致電流發射時候不同碳納米管發射不均勻，常出現局部地方的碳納米管過熱而燒毀。

微焦點X射線管要求有效光斑非常小，高品質的微焦點X射線管通常要小于10微米。實現微焦點焦斑的途徑有兩種：1)采用足夠小的發射陰極；2)X射線管內設計具有優異聚焦特性的聚焦系統。在現有的熱發射陰極X射線管中，因為熱發射陰極的尺寸很難做的足夠小，并且熱發射陰極的電子出射角較大，通常采用比較復雜的聚焦透鏡來實現微焦點。在場致發射X射線管中，也因為場致發射電流密度偏小，為了獲得滿足基本要求的發射電流，場致發射陰極的發射面比較大，為了獲得微米級的聚焦光斑，也必須附加會聚能力很強的聚焦透鏡。在現有文獻和專利中，將碳納米管發射陰極或其他場致發射陰極用于X射線管中，基本都是采用由發射陰極、控制柵極和陽極構成的三極管結構。