基于碳纳米管的冷阴极X射线源和X射线装置的制作方法

基于碳纳米管的冷阴极x射线源和x射线装置
技术领域
1.本发明涉及x射线设备技术领域，尤其涉及基于碳纳米管的冷阴极x射线源和x射线装置。


背景技术：

2.x射线作为一种电磁波，它具有频率极高、波长极短、能量大、穿透性强等特点，因此在诸如医学诊断、疾病治疗、材料结构分析、材料无损检测、光谱或影像分析等方面具有广泛应用。
3.通常，人们使用x射线管用来生成x射线，并且现有技术已提供了热阴极射线管和冷阴极射线管两种方式。然而，由于现有的冷阴极x射线管大多存在着制备工艺尚有欠缺、发射稳定性较差、使用寿命较短等问题，例如现有的碳纳米管场发射电极的制备工艺与传统x射线管真空封装工艺之间的兼容性较差，难以得到令人满意的独立真空封装的x射线管，因此无法满足x射线装置工业化使用的要求，从而导致现有的冷阴极射线管在工作性能、批量化制造、应用范围等方面远不及热阴极射线管，目前暂时无法取代后者。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了基于碳纳米管的冷阴极x射线源和x射线装置，从而可以解决或者至少缓解了现有技术中存在的上述问题和其它方面的问题中的一个或多个。
5.首先，根据本发明的一个方面，它提供了一种基于碳纳米管的冷阴极x射线源，其包括壳体以及位于所述壳体内的阳极部和发射阴极部，所述发射阴极部具有单束碳纳米管或者碳纳米管阵列，所述冷阴极x射线源还包括吸气部，其设置在所述壳体内用于吸附由所述阳极部和所述发射阴极部在生成x射线时所生成的气体。
6.在根据本发明的基于碳纳米管的冷阴极x射线源中，可选地，所述吸气部包括：第一吸气部，其包括附接部分和具有第一吸气剂材料的本体部分，所述附接部分与所述本体部分相连并附接于所述壳体的内壁上，所述第一吸气剂材料在所述壳体内的温度不小于预设温度时被激活；和/或第二吸气部，其包括加热部分和具有第二吸气剂材料的本体部分，所述加热部分与外部电源相连，所述第二吸气剂材料在所述加热部分启动后被加热并且在达到预定温度时被激活。
7.在根据本发明的基于碳纳米管的冷阴极x射线源中，可选地，所述第一吸气部的附接部分和本体部分均构造成带形状，并且所述附接部分采用表面镀镍的磁性材料制成；并且/或者所述加热部分包括至少部分地设置在所述第二吸气部的本体部分内的一个或多个加热线圈，所述加热线圈通过连接导线与所述外部电源相连，所述连接导线包括直径为0.5mm-0.8mm的钼导线和/或直径为1mm-1.5mm的镍导线，并且至少一部分所述连接导线的外部设置有陶瓷绝缘层。
8.在根据本发明的基于碳纳米管的冷阴极x射线源中，可选地，所述气体包括氢气、氮气、氧气和一氧化碳中的至少一种，并且/或者所述第一吸气剂材料包括锆-石墨吸气材料、钒吸气材料和钛吸气材料中的至少一种，并且/或者所述第二吸气剂材料包括锆-石墨吸气材料、钒吸气材料和钛吸气材料中的至少一种，并且/或者所述预设温度和/或所述预定温度不小于400℃，并且/或者所述外部电源对所述加热部分的输入电流不小于1安培。
9.在根据本发明的基于碳纳米管的冷阴极x射线源中，可选地，所述壳体具有内层、外层和位于所述内层和所述外层之间的中间层，所述内层、所述外层和所述中间层分别采用绝缘陶瓷材料、不锈钢材料和kovar合金材料通过焊接制成，并且/或者所述壳体构造成球管形状，并且/或者所述壳体内的真空度设置成不低于1x10-9 torr。
10.在根据本发明的基于碳纳米管的冷阴极x射线源中，可选地，所述内层的表面电压应力不高于10kv/mm，并且/或者所述外层和/或所述中间层的表面电压应力不高于1kv/mm。
11.在根据本发明的基于碳纳米管的冷阴极x射线源中，可选地，所述阳极部被固定于所述壳体内并且包括阳极件和靶件，所述靶件固定于所述阳极件上并且在接收从所述发射阴极部发射出的电子束后生成x射线；并且/或者，所述发射阴极部的电子电流范围是10ma至200ma，引出电压范围是-500v至-2500v。
12.在根据本发明的基于碳纳米管的冷阴极x射线源中，可选地，所述冷阴极x射线源还包括聚焦部，其布置在所述发射阴极部和所述阳极部之间，使得从所述发射阴极部发射出的电子束经过聚集后入射至所述靶件；并且/或者，所述阳极部还包括散热件，其与所述阳极件和所述壳体的内层相连。
13.在根据本发明的基于碳纳米管的冷阴极x射线源中，可选地，所述壳体设置有x射线出射窗口，所述x射线出射窗口采用铝合金材料和不锈钢材料通过焊接制成，并且所述x射线出射窗口通过所述不锈钢材料经由焊接连接到所述壳体上。
14.其次，根据本发明的另一方面，还提供了一种x射线装置，所述x射线装置包括如以上任一项所述的基于碳纳米管的冷阴极x射线源。
15.从与附图相结合的以下详细描述中，将会清楚地理解根据本发明各技术方案的原理、特点、特征以及优点等。本冷阴极x射线源具有高真空度、高稳定性、大功率且体积小巧等优点，本发明能够有效提升采用碳纳米管的冷阴极x射线源的产品质量，促进实现冷阴极x射线源的大规模生产和应用。
附图说明
16.以下将结合附图和实施例来对本发明的技术方案作进一步的详细描述，但是应当知道，这些附图只是出于解释目的来进行设计，其仅意在概念性地说明此处描述的结构构造，而不必要依比例进行绘制。
17.图1是一个根据本发明的基于碳纳米管的冷阴极x射线源实施例的结构组成示意图。
18.图2是图1所示的冷阴极x射线源实施例中的第一吸气部示例处于展开状态下的正视结构示意图。
19.图3是图2所示的第一吸气部示例的侧视结构示意图。
20.图4是图1所示的冷阴极x射线源实施例中的第二吸气部示例的正视结构示意图。
21.图5是图4所示的第二吸气部示例的局部剖视结构示意图。
22.图6是图1所示的冷阴极x射线源实施例中的x射线出射窗口示例的局部剖视结构示意图。
具体实施方式
23.首先，需要说明的是，以下将以示例方式来说明根据本发明的基于碳纳米管的冷阴极x射线源和x射线装置的结构、组成、特点和优点等，但是应当理解的是，所有描述仅是为了举例说明而给出的，因此不应理解为对本发明形成任何的限制。在本文中，技术用语“连接（或相连等）”涵盖了部分直接地和/或间地接连接至另一部分，技术术语“前”、“后”、“内”、“外”、“上”、“下”及其派生词等应联系附图中的定向，除非明确指出以外，本发明可以采取多种替代定向。
24.此外，对于在本文所提及的实施例中予以描述或隐含的任意单个技术特征，或者被显示或隐含在各附图中的任意单个技术特征，本发明仍然允许在这些技术特征（或其等同物）之间继续进行任意组合或者删减而不存在任何的技术障碍，由此获得可能未在本文中直接提及的本发明的更多其它实施例。另外，在本文中不再赘述已被本领域技术人员公知的一般事项。
25.根据本发明的设计思想，首先提供了一种基于碳纳米管的冷阴极x射线源，例如可以在需要使用x射线的各类装置中配置一个或多个这样的冷阴极x射线源用来提供x射线。在图1中示出了一个基于碳纳米管的冷阴极x射线源实施例，可以在该冷阴极x射线源100的壳体10内部布置发射阴极部20、阳极部30、吸气部80等零部件，下面就对这些组成部分做出具体说明。
26.在冷阴极x射线源100中，发射阴极部20和阳极部30被配合使用用来生成x射线。发射阴极部20可以根据实际需要采用单束碳纳米管或者碳纳米管阵列形式，可将它可选地安装在壳体10内的底座60或其他适宜零部件上，底座60可使用不锈钢等适宜材料制成并且可通过焊接工艺等安装在壳体10内部，或者也可以通过例如机加工、铸造等工艺方式与壳体10一体化成型。在实际应用时，可以考虑将例如将在下文中提及的聚焦部40、栅极50、第二吸气部82等元器件可选地安装布置在底座60上，这将有利于形成紧凑结构。发射阴极部20可通过高压导线20a与外部电源相连，它在通电后将发射出电子束90并入射轰击到阳极部30上。作为举例说明，在一些实施方式下，可将发射阴极部20的电子电流可选地设置在10ma至200ma的范围内，并且可将发射阴极部20的引出电压可选地设置在-500v至-2500v的范围。当然，应当理解，本发明允许根据不同应用场合要求来灵活设计和配置发射阴极部20的相应性能参数，以便更好地满足各种实际需求。
27.对于阳极部30，它可以包括阳极件31和靶件32，靶件32通常可采用钨材料制成并且可通过例如激光焊接等连接方式固定到阳极件31上，在发射阴极部20通电并发射出电子束90后，这些电子束90可以穿过栅极50（它可采用耐高温合金制成，并通过高压导线50a与外部电源相连），然后轰击到靶件32上并由此生成x射线，该x射线可以通过设置在壳体10上的x射线出射窗口70向外出射以供使用。作为可选情形，可以在一些应用场合下为阳极部30配置散热件，这样的散热件可以采用诸如铜等具有良好散热性能的材料制成，并且允许构造成任何适宜的形状尺寸并安装在合适位置处，例如可以布置在阳极件31和壳体10之间以
借助于壳体达到扩大散热面积来实现良好散热，并且促进系统能够稳定可靠工作，提升x射线功率等目的。
28.在图1实施例中，还示出了布置在发射阴极部20和阳极部30之间作为可选配置的聚焦部40，它是用于起到对电子束90进行聚集处理的作用，即使得从发射阴极部20发射出并穿过栅极50后可能形成一定发散的电子束90，经过聚焦部40进行聚集处理之后再入射轰击靶件32，以便通过集中能量来实现更佳地生成x射线的效果。
29.参阅图1，在冷阴极x射线源100的壳体10内部设置有吸气部80，用来吸附在上述的生成x射线过程中可能产生的气体。具体来讲，在电子束90轰击阳极部30的靶件32生成x射线的瞬间，将会形成瞬间高温（例如可高达2700℃等）；如此，在x射线源100的工作期间将可能产生诸如氢气、氮气、氧气和/或一氧化碳等气体。然而，此类气体并不是期望的，因为这将会影响到并降低了x射线源壳体内部的高真空度，进而导致例如碳纳米阵列等元器件工作不稳定而带来性能下降，损害到x射线源的产品质量和应用范围等问题。在本冷阴极x射线源100中，通过设置吸气部80可以减少或去除上述气体，从而能够有效解决以上不利问题。
30.作为示范性说明，在图1中同时示出了可用作吸气部80的两种不同实施方式，即第一吸气部81和第二吸气部82，前者可以采用被动吸气工作方式，而后者可以采用主动吸气工作方式。应当理解，无论第一吸气部81，还是第二吸气部82，它们可以在本发明方案中单独使用，也可以结合使用，并且它们各自在诸如结构构造、布置位置、配置数量、使用材料等方面都允许根据实际应用需求情况来灵活设置。
31.首先，对于第一吸气部81，请结合参考图1、图2和图3，可以将它构造成具有本体部分811和附接部分812，本体部分811可采用合适的吸气剂材料制成（如锆-石墨吸气材料、钒吸气材料、钛吸气材料中的一种或多种），附接部分812可采用符合实际需求的任何适宜材料制成（如表面镀镍的磁性材料等）来制成，例如它们可采用冷压成型工艺等方式来加工成型。举例而言，可将附接部分812和本体部分811可选地都构造成带形状，这在图2和图3中进行了示例性展示。可以将附接部分812与本体部分811二者连接在一起，并且可采用焊接等方式将附接部分812附接到壳体10的内壁上，从而使得本体部分811可以接触到并吸收处理在冷阴极x射线源100在工作期间可能产生的不期望气体。
32.本体部分811的吸气剂材料可以选择设置成在壳体10内的温度不小于预设温度（如400℃或其他温度值，这可根据实际需求情形进行匹配考虑）时被激活，即在壳体10内的环境温度大于或等于该预设温度后第一吸气部81才开始工作，如此可以提高吸气部的应用灵活性和针对性，避免出现在可能不会形成不利气体的相对较低的温度环境下进行工作。
33.对于第二吸气部82，请结合参考图1、图4和图5，可以将它构造成本体部分821和加热部分822。本体部分821可采用合适的吸气剂材料制成（如锆-石墨吸气材料、钒吸气材料、钛吸气材料中的一种或多种，其与第一吸气部81的吸气剂材料可以完全相同或不同），所选用的吸气剂材料将会在加热部分822启动后被加热并且在达到预定温度（如400℃或其他温度值，这可以根据实际需要来设置，并且可以与上述预设温度相同或不相同）时被激活而开始工作，从而可以提高吸气部的应用灵活性和针对性，避免出现在可能不会形成不利气体的相对较低的温度环境下进行工作。
34.作为进一步示例说明，可以将加热部分822可以非常方便地采用电加热方式，用来
促进本体部分821更快地提升温度。例如，如图5所示，可以将加热部分822可选地构造成一个或多个加热线圈形式，并且将加热线圈全部或部分地设置在由吸气剂材料构成的本体部分821的内部，以便在从外部电源接入例如不小于1安培等的输入电流之后通过上述加热线圈产生热能来促使本体部分821被加热升温，当该本体部分821由于加热线圈产生热能以及壳体10内部环境升温而相对更快速地达到其预定温度时，就开始工作来清除壳体10内的气体以维持高真空度，保证冷阴极x射线源壳体内的元件器处于更佳的工作环境，能够长期、稳定可靠地工作运行。
35.在图4和图5中以示意方式大致展示出了第二吸气部的一个实施例的基本构造情形。可以将第二吸气部中的本体部分821按照需要构造成诸如圆柱形、圆筒形、圆球形、长方体形等任何适宜形状，并且将加热部分822布置在本体部分821内用于进行加热处理，加热部分822可以通过连接导线82a与外部电源进行连接。基于能更好地经受高温工作条件和安全性等方面考虑，上述连接导线82a可以单独地或者结合采用钼导线823、镍导线824或者由其他合适材料制成的导线，而且也可以按需在一部分或者全部连接导线的外部设置诸如陶瓷绝缘层825等结构并在连接导线伸出壳体10外部的端部部分826接入到外部电源，以便达到安全可靠、经久耐用等目的。作为举例，可以采用直径为0.5mm-0.8mm的钼导线，并且在钼导线的端部连接设置直径为1mm-1.5mm的镍导线，另外在一部分或全部镍导线的外部设置陶瓷绝缘层，这在图4中进行了示例性展示，并在图5中对此进行了适当简化显示。
36.在冷阴极x射线源100中，壳体10为其他零部件提供了容纳空间，它可以根据不同应用需求而构造成任何适宜形状，例如球管形状、长方体形状等。壳体10可以具有外层11、内层13和位于二者之间的中间层12，这在图1中给出了示意性展示。对于内层13、外层11和中间层12，它们可以采用相应的合适材料来制成，例如可以分别使用绝缘陶瓷材料、不锈钢材料和kovar合金材料，然后可以通过诸如激光焊接等工艺手段将这些材料连接在一起形成完整的壳体。
37.如上所述，在冷阴极x射线源100中，通过将kovar合金材料布置在不锈钢材料的壳体外层和绝缘陶瓷材料的壳体内层之间，这可以充分利用kovar合金材料本身具有的性能特性来有利地促进壳体实现高密封性能。这是因为，通常当冷阴极x射线源100中生成x射线曝光时，在壳体10内瞬间会有高温产生，持续的曝光会使得在壳体10内形成高温累积；对此，由于kovar合金材料具有可控的低热膨胀系数，因此采用该特性材料的中间层12能很好地维持壳体的外层11与内层13之间以及内层13与阳极部30之间的高真空度条件下的高密封性，从而允许将真空度保持在很高的水平（例如不低于1x10-9 torr），这将能有效避免碳纳米阵列在真空度水平较低或变差的情况下急剧不稳定而造成工作性能下降。如此，在本发明中通过采用以上不同材料组合与焊接工艺等，能够达到维持壳体内高真空度的目的，从而解决了业界长期存在但未能有效克服的维持不锈钢管体内部高真空度的技术难题，由此能大幅提高x射线源产品的工作性能和质量。因此，本发明的冷阴极x射线源完全适合进行低成本、大批量地生产制造，应用范围非常广阔。
38.需要继续说明的是，作为可选情形，可将壳体10设计成其内层13的表面电压应力不高于10kv/mm；同样，作为可选情形，可将壳体10设计成其外层11和/或中间层12的表面电压应力不高于1kv/mm。如此，通过单独地或者结合采用以上设计，能够一些应用场合下更好地满足电气安全要求，例如可促使壳体的内层13、中间层12和/或外层11具有相应的较长爬
电距离的功能，避免由于残余电压应力逃逸绝缘保护之后施加到内层13、中间层12或外层11上而造成不期望的损坏。
39.继续参考图1，在该实施例中还示出了布置在壳体10上的x射线出射窗口70。x射线出射窗口70可以可选地采用铝合金材料71和不锈钢材料72，并且通过例如激光焊接工艺等将这些材料连接在一起并固定到壳体10上，例如壳体10的外层11所采用的不锈钢材料可以与x射线出射窗口70中的不锈钢材料72完全相同或相近，又比如可以在采用焊接方式连接铝合金材料71和不锈钢材料72二者时，可以在它们之间使用诸如钛铜合金材料等适宜的焊接材料73，以此促进获得更佳的焊接密封效果、焊接接合质量和耐高温性能等。
40.在冷阴极x射线源100工作期间，从发射阴极部20射出的电子束90轰击到阳极部30的钯件32上后生成的x射线，将通过x射线出射窗口70向外射出以供使用。通过采用例如上述的各种不同材料选择组合以及激光焊接等工艺处理，可以一方面很好地满足对于出射的x射线的屏蔽过滤要求，另一方面促进保持x射线出射窗口70与壳体10之间的高真空要求，并有利于长期经受高温工作环境（例如超过450℃等）。
41.此外，根据本发明的技术方案，进一步提供了一种x射线装置，可以在该x射线装置中配置一个或多个例如以上举例说明的根据本发明的基于碳纳米管的冷阴极x射线源。应当理解，由本发明提供的x射线装置可以包括但不限于例如用于医学诊断、疾病治疗、材料结构分析、材料无损检测、光谱分析、影像分析等诸多领域中的各种类型的装置。
42.以上仅以举例方式来详细阐明根据本发明的基于碳纳米管的冷阴极x射线源和x射线装置，这些个例仅供说明本发明的原理及其实施方式之用，而非对本发明的限制，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员还可以做出各种变形和改进。因此，所有等同的技术方案均应属于本发明的范畴并为本发明的各项权利要求所限定。