[发明专利]一种基于碳纳米管场发射的微焦点X射线管

说明书

本发明公开了一种基于碳纳米管场发射的微焦点X射线管，包括：真空容器以及安装于真空容器内的阳极靶以及电子枪，电子枪包括发射阴极和控制栅极，发射阴极和阳极靶分别安装于真空容器内相对的两端，控制栅极安装于发射阴极和阳极靶之间，发射阴极包括发射阴极基底以及垂直生长于发射阴极基底上并向阳极靶方向延伸的碳纳米管微束；所述阳极靶、发射阴极以及控制栅极分别通过阳极靶电极、发射阴极电极以及控制栅极电极引出到真空容器外。本发明采用垂直于发射阴极基底的碳纳米管微束作为场致发射基本单元，具有很高的场致发射电流密度以及很高的发射电流稳定性，克服了传统场致发射阴极容易出现的局部“过热”烧毁的现象。

技术领域

本发明X射线管技术领域，特别是基于碳纳米管场致发射作为电子源产生X射线的微焦点X射线管。

背景技术

X射线管是能够产生X射线的装置，X射线在材料晶体分析、分子反应动力研究、工业无损探伤、生物科学及医学的成像、诊断和治疗等科学研究与技术应用中，发挥着举足轻重的作用。X射线管是X射线成像、测试和CT系统的核心部件，X射线管的性能直接决定着成像系统的整体性能。传统的X射线管采用热发射阴极结构，需要将发射阴极灯丝加热到700-1600℃才能正常工作，此时发射阴极材料表面的电子获得了足够多的能量，达到材料的逸出功，电子从发射阴极表发逸出，形成电子发射。在实现微焦点的应用中，需要复杂精细的结构设计，包括精细的发射阴极制备和电子枪装配、复杂的多级聚焦透镜等等，这就使得应用于微焦点X射线管的热发射阴极制作成本非常高，并且发射阴极非常容易损坏。

相比传统的热发射阴极，场致发射阴极(FEA)的发射机理具有无需加热、可以瞬时启动、功率损耗低、优异的开关特性等独特有点，同时电子束亮度比热发射阴极高的多，可以获得更高的分辨率和更清晰的成像效果，逐渐有了替代传统热发射阴极X射线管的趋势。而在微焦点X射线管的应用中，如何利用足够小的发射阴极实现足够大的发射电流，这对发射阴极材料的选择也是一个难题。

碳纳米管场致发射X射线管制备中最核心的技术为碳纳米管场致发射阵列的制备。目前制备碳纳米管阵列的制备方法主要有两种：一种是印刷的方法。这种方法的优点是效率高、可以大面积制备。但缺点是印刷的碳纳米管定向性非常差，分散不均匀，碳纳米管顶部离基底的高度参差不齐。更特别地，印刷碳纳米管发射阴极因方法本身的局限性，无法实现微米级尺寸的发射阴极制备，制备的发射阴极比较大(最小尺寸也在100微米左右，并且此时尺寸精度非常差)，当进一步缩小尺寸的时候，其精度难于满足要求。第二种典型制备碳纳米管场致发射阵列的方法为CVD生长法。这种方法容易和现有的高精度微电子工艺兼容，制备出高精度的催化剂阵列，并且容易实现碳纳米管垂直生长在基底上，原则上可以制备出足够精细、各种图案的碳纳米场致发射阵列。但CVD方法生长碳纳米管场致发射阵列现在也存在的一些致命问题：1)碳纳米管间距非常致密，电场屏蔽效应非常严重；2)碳纳米管与基底间的电接触和附着力非常差，导致在高电流密度发射的时候因与基底之间的接触电阻非常大而发热严重，进而烧毁。3)大面积的碳纳米管生长的一致性不好，导致电流发射时候不同碳纳米管发射不均匀，常出现局部地方的碳纳米管过热而烧毁。

微焦点X射线管要求有效光斑非常小，高品质的微焦点X射线管通常要小于10微米。实现微焦点焦斑的途径有两种：1)采用足够小的发射阴极；2)X射线管内设计具有优异聚焦特性的聚焦系统。在现有的热发射阴极X射线管中，因为热发射阴极的尺寸很难做的足够小，并且热发射阴极的电子出射角较大，通常采用比较复杂的聚焦透镜来实现微焦点。在场致发射X射线管中，也因为场致发射电流密度偏小，为了获得满足基本要求的发射电流，场致发射阴极的发射面比较大，为了获得微米级的聚焦光斑，也必须附加会聚能力很强的聚焦透镜。在现有文献和专利中，将碳纳米管发射阴极或其他场致发射阴极用于X射线管中，基本都是采用由发射阴极、控制栅极和阳极构成的三极管结构。