[发明专利]石墨烯作为X射线管阴极及其X射线管

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯作为X射线管阴极，特别是一种高效率石墨烯阴极场发射X射线管。

  

背景技术

X射线管是主要用于医学上诊断和治疗，在工业技术方面用于材料的无损检测、结构分析、光谱分析和底片曝光等的装置。X射线对人体有害，使用时须采取有效防护措施。

X射线管是利用高速电子撞击金属靶面产生X射线的真空电子器件。传统X射线管一般采用热电子发射阴极，将钨，六硼化镧等材料加热到足够高温度，使一部分动能大的电子克服物体表面势垒逸出体外，在材料周围形成等离子体，当有外加电场作用时，形成电子束发射，此种X射线管能耗大，效率低，电能转换为X射线的效率不到1%，而且存在相当一部分杂散射线，绝大部分电能转换为热能，使用时需要大电流，耐高温使用。

场致发射不需要阴极加热，利用强电场使物体表面附近的电子穿过表面势垒发射电子，场致发射的性能依赖于材料的能带结构，功函数以及材料的表面结构；场致电子发射源具有发射密度大，能耗低，快速启动等优点。场致发射X射线管都采用纳米碳管作为阴极（电子发射源），纳米碳管由于生长工艺及结构限制存在碳管与基底结合不牢固，耐压能力不足，最高电压一般不超过100KV；高压工作时容易损坏碳管结构，发射失效，同时降低管内真空度，使射线管损坏，寿命短；碳管生长杂乱无章，电子发射方向性不好等一系列缺点。现有技术中，尚无采用石墨烯作阴极的X射线管。

  

发明内容

鉴于现有X射线管存在上述不足，本发明解决X射线管辐射剂量大的问题，以及现有X射线管转换效率低，稳定性不好、寿命短的问题，提供石墨烯作为X射线管的阴极即电子发射源。

本发明还提供一种高效率石墨烯阴极场发射X射线管。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：石墨烯作为X射线管的阴极即电子发射源。

本发明还提供一种高效率石墨烯阴极场发射X射线管，包括阴极组件，阳极组件，真空玻管；其特征在于，阳极组件包括阳极靶、可伐圈和阳极柄，阳极靶与阳极柄为一个整体；可伐圈的一端通过中频电源加热银铜焊料与阴极靶焊接，另一端与玻管烧结，使阳极靶密封于真空玻管内，阳极柄延伸出玻管外用于接阳极高压；

阴极组件包括阴极头，阴极罩，玻璃芯柱，阴极座，石墨烯阴极，工艺灯丝，陶瓷绝缘柱，钼支杆，可伐芯柱；阴极头上端开大小两个矩形槽用于安装石墨烯阴极及工艺灯丝，石墨烯阴极点焊在阴极座表面，钼支杆的一端支撑阴极座，另一端穿过陶瓷绝缘柱，与阴极头绝缘，任一支钼支杆的另一端与可伐芯柱通过可伐丝焊接；工艺灯丝通过钼支杆与阴极头连接，另一端通过钼支杆穿过陶瓷绝缘柱与可伐芯柱连接；陶瓷绝缘柱通过螺丝挤压的方式与阴极头固定，并将石墨烯阴极与阴极头绝缘；阴极罩与阴极头铆接为一个整体，可伐芯柱一端点焊在阴极头的下端，可伐芯柱的另一端穿过玻璃芯柱用于外部电气连接；玻璃芯柱，真空玻管，可伐圈通过玻璃烧结形成一个密封整体，将阴极组件，阳极靶密封于真空玻管内。

阴极罩上端开大小两个矩形孔，小孔对应工艺灯丝，大孔对应石墨烯阴极。

在所述高效率石墨烯阴极场发射X射线管中，高压通过于阳极柄引入，石墨烯阴极通过可伐芯柱接地，阳极与阴极之间高压使石墨烯阴极发射电子，阴极头和阴极罩铆接为一个等点位体，作为X射线管的栅极，在两者与石墨烯阴极间加-2000—+2000v电压，控制电子发射大小，高压使电子在高压电场的作用下加速轰击阳极靶从而产生X射线。

本发明高效率石墨烯阴极场发射X射线管采用石墨烯作为X射线管的阴极（电子发射源），石墨烯特殊能带结构和准SP3态的形成，从而产生了负电子亲和势；另一方面，石墨烯薄膜大曲率导致了高密度电子局域分布的形成，使局域场得到增强，从而使电子更容易逸出表面，使得该材料具有优良的电子场发射能力，石墨烯电子源的电子从材料顶部边沿（如图5所示）发射，具有良好方向性，一致性，易于聚焦，方向性、一致性的电子流轰击阳极时产生的X射线与热量的比例增加（热阴极的比例不到1%），较少二次电子及杂散射线，提高x射线管效率；石墨烯采用高温化学气相工艺制备，合理的催化介质选择，温度参数控制，严格的混合气体比例，及射频和等离子体控制，在1400的高温中生长在镍基底上，同时经过严格的激光烧蚀，电子轰击，等离子体轰击后期处理，使石墨烯阴极具有高耐压（大于150KV），稳定性，寿命长。

相比现有技术，本发明具有如下优点：

1、转换效率高，杂散射线少，在医疗，安检等领域应该时减少人体所承受的辐射剂量；