技术摘要：
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  全部
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qe,Boltzman常数kB,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，t 2 (y)＝1 .1 v (y)＝0 .9 5 - y 2 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 4 CN 111554558 A 说　明　书 2/6 页 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： (1)随着反复加热，灯丝热化后电子放射的特性将改变，且会限制X射线管的寿命； (2)为放射出热电子加热灯丝过程中会产生气体及由于内部受热而导致真空度降 低； (3)需加热灯丝用电源； (4)在需要特殊波长的X射线的情况(诸如研究或材料分析)下，加热灯丝时蒸发的 钨会污染靶极面，从而降低X射线的品质。 如用以碳纳米管为电子放射源材料的冷阴极的话，可以克服上述四种弊病。并且 在本发明中，为了适合消除静电的用途，结构设计使管电流能够覆盖到镀金(Au)靶极整面 上从而加大了照射角度，并提高了照射角度内不同区域X射线强度的均匀性。
技术实现要素：
本发明的目的是为了解决上述问题，设计了利用碳纳米管的场致发射冷阴极软X 射线管。 实现上述目的本发明的技术方案为，利用碳纳米管的场致发射冷阴极软X射线管， 包括陶瓷外罩105，所述陶瓷外罩105的一侧设置有接头环104，所述接头环另一侧设置有铍 窗支撑杆103，所述铍窗支撑杆103上设置有用于另行拼接防热装置的固定塞1012，所述铍 窗支撑杆103呈对称分布，对称分布的两个所述铍窗支撑杆103之间设置有铍窗101，所述铍 窗101内侧设置有镀金Au箔膜靶极102。 进一步的，所述陶瓷外罩105中部内侧设置有金属底座107，所述金属底座107外侧 设置有绝缘体底座109，所述绝缘体底座109外侧设置有集束管108，所述金属底座107上设 置有金属底座电极杆1010，所述集束管108上设置有集束电极杆1011，所述金属底座107一 侧设置有碳纳米管电子发射面106。 进一步的，所述碳纳米管电子发射面106、所述金属底座107、所述集束管108、所述 绝缘体底座109、所述金属底座电极杆1010、所述集束电极杆1011构成阴极部，其中，所述碳 纳米管电子发射面106与金属底座107接合。 进一步的，所述有铍窗101、所述镀金Au箔膜靶极102、所述铍窗支撑杆103构成阳 极部，其中带镀金Au箔膜靶极102的铍窗101与铍窗支撑杆103钎焊接合。 5 CN 111554558 A 说　明　书 3/6 页 进一步的，所述铍窗支撑杆103为镍(Ni)材质，且同铍窗101和接头环104钎焊接 合，所述陶瓷外罩105与所述接头环104钎焊接合，所述铍窗支撑杆103起支撑铍窗101的作 用。 进一步的，所述陶瓷外罩105的材料使用了矾土96％，且所述陶瓷外罩105表面为 褶皱状，以保持绝缘裕隔距离，所述陶瓷外罩105接触所述接头环104、所述金属底座电极杆 1010及所述集束电极杆1011的部位形成钼(Mo)金属化层来维持真空状态，且与所述接头环 104及所述金属底座电极杆1010、所述集束电极杆1011的金属化层之间钎焊接合以保维持 超高真空状态，所述陶瓷外罩105形成X射线管的整体外形，且所述陶瓷外罩105在高压端电 极与接地的所述铍窗支撑杆103之间起绝缘作用。 进一步的，所述集束电极杆1011连接有电源VH501，所述金属底座电极杆1010连接 有电源Vc502。 进一步的，为节省真空排气及封口的费用和时间并提高真空度和效率，采用真空 包装工艺，其工艺过程如下： 1)组装陶瓷外罩：在接头环104及金属底座电极杆1010及集束电极杆1011接触的 陶瓷外罩105部位用钼(Mo)焊膏形成金属化层，接头环104及金属底座电极杆1010、集束电 极杆1011在钼(Mo)金属化层之间钎焊接合； 2)组装阴极部：在与金属底座107接合的冷阴极部，用银(Ag)焊膏同合成的所述碳 纳米管电子发射面106钎焊接合，并且和所述集束管108被所述绝缘体底座109支撑； 3)组装阳极部：将带镀金(Au)箔膜靶极102的所述铍窗101与所述铍窗支撑杆103 钎焊接合； 4)组装陶瓷外罩105里面的阴极部：所述陶瓷外罩105与所述金属底座电极杆1010 及所述集束电极杆1011接触部通过钼(Mo)金属化层来维持真空状态并被其支撑； 5)真空包装组装：将装好阴极部的陶瓷外罩105和阳极部分别在真空容器内、高真 空分位器中加热后钎焊组装。 进一步的，所述真空包装组装过程，其工艺顺序如下： ①将装好阴极部的陶瓷外罩105和阳极部分别放入真空容器内夹具中，这时钎焊 在陶瓷外罩105上的接头环104和阳极部的铍窗支撑杆103之间保持15mm裕隔距离，将钎焊 用环形焊料(BAg8)一起置于接头环104上； ②设定初始真空排气值在10-7torr区域； ③以250℃加热真空容器2个小时做脱气处理； ④维持真空容器温度在250℃，进行500℃一个小时内部加热以对内部部件抽气； ⑤在真空容器及内部部件自然冷却过程中进行基础真空处理直到真空度达到 3x10-9torr； ⑥加热里面的部件以熔解焊料(BAg8)，但须缓慢加热以使维持1008torr区域的真 空度； ⑦真空容器的真空度维持在3x10-8torr的条件下，内部温度达到可熔解焊料 (BAg8)的870℃时，将陶瓷外罩105上的接头环104和阳极部的铍窗支撑杆103贴紧不留裕隔 距离使焊料填满缝隙； ⑧维持内部温度870℃五分钟后切断加热电源并自然冷却。 6 CN 111554558 A 说　明　书 4/6 页 其有益效果在于，1.同迄今其他X射线管相比因去掉了加热灯丝用的电源，减少了 耗电，一般阴极以热电子发射产生X射线的装置中为产生0.6mA的管电流所需加热灯丝的电 力为6W(6V×1A)，本发明可以节约此电力消耗。 2.X射线管的寿命主要取决于阴极的发射电子部损伤和阳极靶极面的损伤。本发 明制作成的消除静电用软X射线管因采用了碳纳米管电子发射面做冷阴极，可以避免灯丝 热化引起的缩短寿命问题。而且当集束的电子束形式的管电流撞击到靶极时，靶极面将急 剧受损而缩短X射线管的寿命，但在本发明中管电流均匀地分布到铍窗内侧面镀金(Au)靶 极的15φ整面，从而可以延缓靶极损伤起到延长X射线管寿命的效果。迄今其他X射线管的 靶极寿命一般约10,000小时，而本发明制作成的消除静电用软X射线管寿命在阴极部输入 负2000V电压，集束管上输入加速电压负9KV后产生0.6mA的管电流的情况下，X射线强度减 弱到初期条件的80％为止所需时间为40,000小时。 3.本发明制作成的消除静电用软X射线管可以使管电流均匀地分布到铍窗内侧面 镀金(Au)箔膜靶极的15φ整面，从而提高了在X射线照射角度内所有区域中射线强度的均 匀性。 4.本发明通过确立真空包装工艺，同其他迄今的X射线管相比，有效节约了为真空 排气及封口所需的费用和时间；跟其他工艺相比，本发明的工艺可以同时对复数X射线管进 行，所以能够大量提高生产效率并节约生产费用。 5.本发明可以避免发射热电子阴极的X射线管因灯丝热化引起电子发射特性易变 及限制寿命的弊病，且能够避免发生加热灯丝时产生的气体和内部温度升高引起的真空度 降低的现象。 附图说明 图1是本发明中以碳纳米管作为电子发射冷阴极的X射线管截面图； 图2是电子发射面的碳纳米管SEM像； 图3是碳纳米管场致电子发射面的I0V电子发射特性曲线； 图4是整体组装工艺顺序图； 图5是本发明中X射线管的电源连接示意图。 图中，101、铍窗；102、镀金(Au)箔膜靶极；103、铍窗支撑杆；104、接头环；105、陶瓷 外罩；106、碳纳米管电子发射面；107、金属底座；108、集束管；109、绝缘体底座；1010、金属 底座电极杆；1011、集束电极杆；1012、固定塞；501、电源VH；502、电源Vc。