[发明专利]基于碳纳米管冷阴极的聚焦型三极结构全封装X射线球管

说明书

技术领域

本发明涉及X射线影像设备技术领域，特别涉及一种基于金属-石墨烯- 垂直碳纳米管复合结构、场发射电子源的聚焦型三极结构全封装X射线球管。 该聚焦型三极结构全封装X射线球管可应用于各种X射线影像设备中。尤其 在现代医学，生物科学，工业检测等科学研究和应用领域具有重要的应用及 广阔前景。

背景技术

传统X射线球管中的电子发射弊端明显：工艺复杂，体积庞大，能耗高， 并且寿命有限。而场致发射恰恰解决了热电子发射带来的问题。场致电子发 射并不需要提供给阴极源体内电子以额外的能量，而是靠强的外加电场来压 抑物体的表面势垒，使发射体内的大量电子由于隧道效应穿透表面势垒逸出， 形成场致电子发射。此前人们尝试了尖锥阵列式场致发射冷阴极。这种阴极 是用化学腐蚀或特殊工艺，将阴极材料加工成表面光滑的尖端，并排成阵列 或刀口形式，将尖端曲率半径减小至nm量级，使尖端的几何放大因子达到 10E+5～10E+6cm^-1，因此，只需要加几十伏电压，就可以使尖端产生很强的电 场，形成电子发射。但这种尖端制作工艺和技术要求严格，使得这类阴极的 制造成本过高，限制了这种器件的应用领域。

碳纳米管材料是目前最理想的场致电子发射材料，因其具有渐入的发射 尖端，易形成强电场，非常有利于电子的场致发射，碳纳米管薄膜材料制备 工艺相对简单，相关器件整体结构易于在工业上进行大批量生产。但是现有 的直接在金属表面生长的垂直碳管阵列在碳管与金属接触的地方存在缺陷， 导致工作过程中存在局部电流密度过大降低，最终导致垂直碳管阵列在大电 流工作状态下寿命显著降低。

作为发射源的X射线管碳纳米管封装在一个大的动态真空系统中，需要 附加复杂的真空抽气系统以满足场发射源对真空度的要求。在全真空密封的 碳纳米管X射线管中，但大部分只是二极结构。二极结构X射线管的制作 比较简单，但是管电流由阳极高电压决定，因此管电流的可控性比较差。同 时二极结构X射线源的焦点完全依赖于碳纳米管发射体的面积，因此很难实 现大电流和小焦点此外，冷阴极X射线管多为金属-陶瓷管，这种类型的管 成本较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术所存在的问题而提供 一种基于碳纳米管冷阴极的聚焦型三极结构全封装X射线球管。这种基于碳 纳米管场发射电子源的全真空密封的聚焦型三极结构X射线玻璃球管。采用 金属-石墨烯-垂直碳纳米管复合冷阴极结构，避免了现有的直接在金属表面 生长的垂直碳管阵列在碳管与金属接触地方存在的缺陷而引起的工作过程中 存在局部电流密度过大降低，有效提高了冷阴极在大电流工作状态下的寿命。 采用石墨烯材料和金属栅网的复合式栅极，改善了阴极电场的分布，降低了 阴极的驱动电压，并通过对栅极的结构进行优化设计，实现了栅极电极聚焦 功能。故全真空密封的X射线管的场发射电子源具有响应速度快、低功耗且 数字可控等优点。而且，这种新型X射线管的制作工艺与传统热阴极的X射 线管完全兼容，因此具有较低的成本。

为了解决实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案如下：

基于碳纳米管冷阴极的聚焦型三极结构全封装X射线球管，包括：

基于玻璃外壳的真空腔体；

配置在所述真空腔体内的阳极组件，所述阳极组件通过连接柱引出所述 真空腔体之外，与所需的电源和散热系统连接；

配置在所述真空腔体内的电子枪组件，所述电子枪组件中的阴极基片和 栅极分别通过阴极引线和栅极引线引出所述真空腔体之外；所述阴极基片为 金属-石墨烯-垂直碳纳米管复合式冷阴极。

在本发明的一个优选实施例中，所述金属-石墨烯-垂直碳纳米管复合式 冷阴极具体结构是：在金属表面生长石墨烯层，然后再在石墨烯层上生长垂 直碳纳米管阵列。

在本发明的一个优选实施例中，所述在石墨烯层上生长垂直碳纳米管阵 列的具体方法是：采用微波等离子体化学气相沉淀方法，以180sccm的速率 通入微波等离子体气体H₂，碳源气体CH₄为20sccm，在反应压强28mbar、微 波输入频率2.45GHz且衬底温度630-640℃,生长1-5min，在金属-石墨烯上 制备长度一致、分布均匀、垂直阵列的碳纳米管。