[发明专利]一种一体化场致发射X射线源

说明书

本发明公开了一种一体化场致发射X射线源，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，栅极安装于发射阴极和阳极靶之间；还包括反馈控制电路，反馈控制电路包括阳极电流采样模块、扫描存储模块、非线性调节控制模块以及栅极电压输入模块，阳极电流采样模块的输入端连接至阳极靶电极，非线性调节控制模块的输入端分别连接至阳极电流采样模块和扫描存储模块，非线性调节控制模块的输出端经过栅极电压输入模块连接至栅极电极。本发明使得X射线源电流波动很小，具有极好的X射线稳定发射性能。

技术领域

本发明X射线源技术领域，特别是通过反馈控制电路调节栅极电压来控制碳纳米管场致发射阴极的发射电流，从而可以使基于场发射的X射线管的工作电流一直处于高度稳定的状态的一体化场致发射X射线源。

背景技术

从发现X射线到现在已经有100多年的历史，X射线在医疗和工业中的作用也越来越受到重视。目前，X射线的主要产生器件—X射线源已经广泛应用于医疗检测成像，生物科学，工业无损检测和材料表征等生产、生活和科研活动中。

传统的X射线管为热阴极X射线管，它的基本原理是通过加热使阴极达到很高的温度使阴极中的电子获得足够的能量从阴极表面逸出，通过热发射产生的电子再通过高压电场加速使其具备很大的动能，最后轰击阳极金属靶通过韧致辐射产生X射线。在传统的X射线管中，一般采用钨金属丝作为热阴极。在阴极电子热发射的情况下，阴极金属丝通常需要加热到几百至一千多摄氏度X射线源才能开始正常工作，热阴极金属丝本身很细，在迅速加热和冷却的条件下非常容易发生断裂，这导致X射线源的使用寿命都不长，同时其稳定性也受到严重的影响。

金属丝热阴极由于其工作原理，要达到X射线源对电流的要求，必然需要一个较长的加热过程将所述阴极金属丝加热到需要的温度。一方面这会导致整个X射线扫描系统启动速度很慢。另一方面，热阴极的电子发射强度受温度直接影响，而想要通过改变灯丝电压进行精确快速调节控制金属丝温度是极其困难的，这也就导致热阴极发射电流的控制难度大大增加。再者，一般的热阴极X射线源都是二极管结构，没有采用栅控结构，这是因为当热阴极工作时金属丝附近的温度极高，栅网在高温条件下很容易发生变形而使发射电流失控。这种二极管结构的X射线管其发射电流就受到灯丝温度和阳极电压的共同作用。因此，基于热阴极的X射线管其工作电流的稳定性主要靠阴极材料本身品质来控制，导致电流的稳定性不够高，难于满足高精度高稳定度的要求，比如仪器分析用X射线管等等。

从电子发射原理来看，由于场发射的独特机理，它是金属内的自由电子在强电场作用下通过势垒穿透的量子效应从金属表面逸出，不用通过加热就能产生电子。可以瞬时启动、功率损耗低、具有优异的开关特性，同时电子束亮度比热阴极高的多，可以获得更高的分辨率和更清晰成像。这些特点都是热阴极不具备的，同时由于不需加热，阴极材料的损耗也大大降低，使用寿命远远超过传统的X射线源。

目前虽然已有部分场发射阴极X射线源成功制备，但其仍存在一些致命问题。特别是电流发射的稳定性非常差，难于满足实用化X射线管的要求。其原因主要有以下几点：1)场发射电流随时间增加容易发生衰减。2)为了更有利于电子发射，场发射阴极通常是由极其细微的尖端结构组成。其直径通常只有几纳米至几十纳米。在大电流工作时温度将升高较快，引起结构的不稳定导致发射不稳定。3)阴极在制备的过程中很容易吸附一些其他的杂质分子，这些杂质在场发射的时候会变得不稳定，从而影响场发射的强度使射线管电流发生波动。4)场致发射原理决定了阴极外加电场超过阈值电场后其发射电流与外加电场呈现非常陡峭的非线性关系，外加电场的微小波动将导致发射电流大的波动。