[发明专利]利用碳纳米管的场致发射冷阴极软X射线管

说明书

本发明公开了利用碳纳米管的场致发射冷阴极软X射线管，以碳纳米管为电子发射材料的装备了场致发射型冷阴极的软X射线管,以铍窗内侧镀金(Au)的箔膜为靶极，将冷阴极上碳纳米管电子发射面同镀金靶极面正面平行处理，使靶极上产生的X射线向前发射出去。本发明中的软X射线管装备了冷阴极，无需电力来加热灯丝，可以节约相关电力消耗，并且使管电流均匀分布到镀金靶极面上以延长靶极的损伤从而可以维持软X射线管的长寿命，此方式不仅加大了照射角度，还提高了在X射线照射区域的X射线强度的均匀性，制作工艺方面，作为可以大量生产低成本的小型软X射线管的组装型工艺，通过确立真空包装工艺可以对复数的软X射线管同时进行真空排气及封口。

技术领域

本发明涉及碳纳米管技术领域，特别是利用碳纳米管的场致发射冷阴极软X射线管。

背景技术

当金属表面的自由电子受到超出功函数的能量时将从金属表面逸出，每个金属都有其固有的功函数。此外，当施加高电磁场和照射超出一定能量的光线时也会发生电子从金属表面逸出的现象。热电子发射是加热金属使其中的大量电子克服表面势垒(功函数)而逸出的现象。光电子发射是当物质受到光线照射时电子得到足够的能量后克服表面势垒(功函数)而放射出的现象。场致发射为外加强电场时电子克服表面势垒隧穿而放射出的现象，区别于受热能或光能而放射的热电子发射和光电子发射。

Richardson和Dushman在1900年代确立了有关热电子发射的理论。发射出的热电子的电流密度为：

其中：电子质量m，电子电荷量q_e,Boltzman常数k_B,Planck常数h，绝对温度T，功函数Φ，Richardson常数A。

场致发射由Wood于1897年在真空容器内的尖型白金电极之间首次发现，并于1928年由Fowler和Nordheim确立了理论依据。场致发射取决于材料固有特性的功函数及几何学结构。由Fowler和Nordheim确立的公式叫做Fowler–Nordheim方程式，其场致发射电流密度为：其中,

E：电场，Φ：功函数，y：肖特基势垒常数，t²(y)＝1.1v(y)＝0.95-y²在此，表面的电场(E)的分布取决于表面形态，可以引用几何学比例因子β表示为：与发生场致发射的表面局部领域势垒的高度H成正比，与其半径r和阴阳极间距d成反比。V为阴阳极间势垒差。将表面的电场(E)代入到场致发射电流密度(J)中的话，可以导出如下公式：

外界电场越强及功函数越低，发射的电流越强。所以，设计电子放射源时要尽量加大外界电场强度，并尽量减小功函数。而电场强度取决于结构特性，功函数则取决于材料特性。作为场致发射体的材料，通常用金属或硅半导体及LaB6和ThO2类的化合物。选材时应综合考虑耐热性、耐腐蚀性、机械结构性、温度特性(功函数的温度依赖性等)、工艺的简化性等因素。材料自身固有值功函数可通过材料开发得到改善，适合电子放射源的材料之一就是碳纳米管。

碳纳米管主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管，层与层之间保持固定的距离。六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。尤其碳纳米管的功函数比金属材料低，其阔值场强(1～3V/μm)比其他金属的阔值场强(Mo:50～100V/μm)低几十倍，非常适合做冷阴极电子放射源材料。

本发明为以碳纳米管为电子放射源材料的冷阴极场致发射型消除静电用软X射线发生装置。迄今为止的消除静电用软X射线发生装置大都采用热电子发射型阴极，其集束形成管电流的电子束的阴极结构，不仅限制了发生的X射线的照射角度，并且根据照射区域不同而X射线的强度差很大。由此，管电流集束成焦点成了消除静电用器件的缺点。虽然热电子放射型阴极具有只需加热灯丝即可放射出电子及可以通过调节加热温度控制管电流等优点，但却由于加热灯丝引起如下四种弊病：