一种可寻址的纳米冷阴极平板X射线源及其制备方法与流程

本发明涉及x射线产生技术领域，尤其涉及一种可寻址的纳米冷阴极平板x射线源器件。

背景技术：

x射线成像在医学、安检、无损检测、工业探伤等领域有着广泛的应用。目前，医学成像和工业检测中最常用的x射线源器件是传统的热阴极x射线管，该种x射线源采用热阴极灯丝作为电子源，通过热电子发射的方式产生电子束。电子束在高压的加速下轰击金属靶从而产生x射线。热阴极灯丝具有工作温度高、寿命短、能耗大等缺点，而且需要配置庞大的加热电源装置和冷却装置，不利于实现x射线源的小型化，也不利于实现x射线源阵列的集成。同时，由于热电子发射具有时间延迟性，传统x射线源难以实现快速、高分辨的x射线发射。

不同于热阴极x射线管，平板x射线源是一种新型的x射线源，其结构主要包括冷阴极电子源阵列(例如碳纳米管冷阴极阵列或氧化锌冷阴极阵列)和阳极金属靶层，冷阴极电子源阵列和阳极金属靶层相对平行放置，并置于定制的真空腔体中，其原理是通过场致电子发射的方式产生电子束，并在电场加速下轰击阳极金属靶层产生x射线。因此，冷阴极平板x射线源具有工作温度低、功耗小等优点，易于实现x射线源的便携式和小型化。由于场致电子发射不存在时间延时性，有利于实现高分辨率、高响应速度的x射线发射。

当时，到目前为止，公开报道的平板x射线源只能整面出射x射线，无法实现逐点、逐行、分区发射x射线，在新一代低剂量、高分辨率、快速x射线成像上的应用受到了一定的限制。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点和不足，提供一种结构简单、具有逐点、逐行、分区寻址能力的纳米冷阴极平板x射线源。本发明通过将阴极基板与阳极基板相对平行设置以及通过将阴极电极条与阳极金属靶电极条在空间上相互垂直的结构设计，实现器件的寻址功能。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种可寻址的纳米冷阴极平板x射线源，包括阴极基板、阳极基板及高压绝缘隔离体；所述阴极基板和阳极基板相对平行设置，所述高压绝缘隔离体设置于阴极基板及阳极基板之间以将两者隔离开，所述阴极基板包括阴极衬底、两条以上平行设置于阴极衬底上的阴极电极条以及多个相互独立设于阴极电极条上的生长源薄膜，该生长源薄膜上生长有纳米线冷阴极；所述阳极基板包括阳极衬底及两条以上平行设置于阳极衬底上的阳极金属靶电极条；所述每条阳极金属靶电极条与阴极衬底上的阴极电极条在空间上垂直相交且有一个交叉点，所述生长源薄膜位于交叉点处。

与现有技术相比，本发明的纳米冷阴极平板x射线源工作时，通过任意选定一条或多条阳极金属靶电极条加高压电压，所施加高压电压范围为10kv到150kv，同时任意选定一条或多条阴极电极条接地，其余阴极电极条接高电平，则所选定的阳极金属靶电极条与阴极电极条相交位点将会产生x射线，从而可实现逐点、逐行、分区发射x射线。特别是，本发明的纳米冷阴极平板x射线源结构简单，且具有良好的可寻址x射线发射能力，在新一代低剂量、高分辨率、快速x射线成像系统中有重要的应用前景。

进一步地，所述多个生长源薄膜以阵列形式排布于阴极电极条上，所述纳米线冷阴极为氧化锌、氧化铜、氧化钨、氧化钼、氧化铁、氧化钛或者氧化锡纳米线。

进一步地，所述生长源薄膜由锌、铜、钨、钼、铁、钛、锡中的任一种制备而成，其厚度范围在0.3μm-5μm；所述单个生长源薄膜的形状为可对称操作的图形，其直径或边长为5μm-500μm，所述相邻生长源薄膜之间的间距为直径或边长的0.1-10倍。

进一步地，所述单个生长源薄膜的形状为圆形、环形或多边形。

进一步地，当所述阳极金属靶电极条中的一条或若干条与外部高压电源连接，所述阴极电极条中的一条或若干条接地且其余阴极电极条接高电平时，与外部高压电源连接的阳极金属靶电极条及接地的阴极电极条的交叉点处将会产生x射线；该外部高压电源电压范围为10kv到150kv。

进一步地，所述阴极衬底由大面积的硅片、玻璃、石英玻璃或者陶瓷基片构成；所述阴极电极条为cr、al、ti、cu、ito、izo、azo、fto、ltfo中的一种或多种组合制备而成，该阴极电极条的厚度范围在0.1μm-2μm；且其形状为条状。

进一步地，所述阳极衬底由大面积的硅片、玻璃、石英玻璃或者陶瓷基片构成；所述阳极金属靶电极条由钨、钼、铑、银、铜、金、铬、铝、铌、钽、铼中的一种或两种以上组合制备而成，该阳极金属靶电极条的厚度为0.2μm-1000μm，且其形状为条状。

进一步地，所述高压绝缘隔离体由玻璃、石英、陶瓷或者绝缘塑料构成；该高压绝缘隔离体的高度为0.5mm-100mm。

本发明的另一目的在于提供一种制备前述可寻址的纳米冷阴极平板x射线源的方法，其包括以下步骤：

s1:制作阴极基板步骤；

首先，清洁并吹干阴极衬底；接着在该阴极衬底上制作厚度为0.1μm-2μm的阴极电极条；然后，在阴极电极条上光刻定位纳米线冷阴极生长区域，再采用磁控溅射法、真空热蒸发法或电子束蒸发法沉积生长源薄膜，该生长源薄膜厚度范围在0.3μm-5μm；最后，热氧化生长源薄膜以生长纳米线冷阴极，得到阴极基板；

s2:制作阳极基本步骤；

首先，清洁并吹干阳极衬底；接着，在阳极衬底上制作厚度为

0.2μm-1000μm阳极金属靶电极条，该阳极金属靶电极条由钨、钼、铑、银、铜、金、铬、铝、铌、钽、铼中的一种或两种以上组合制备而成；

s3：组装步骤；

(1)将经上述步骤制备好的阴极基板和阳极基板相对平行设置，阴极基板上的纳米线冷阴极朝向阳极基板上的阳极金属靶电极条；

(2)采用高压绝缘隔离体将阴极基板和阳极基板两者隔离开并固定，且保证每条阳极金属靶电极条与每条阴极电极条均在空间上相互垂直并存在一个交叉点。

进一步地，在步骤s1中，所述热氧化法生长纳米线冷阴极的过程是在箱式炉或管式炉中进行，热氧化时的升温速率为1℃/min-30℃/min，升温过程通入ar、h2、n2、o2中的一种或两种以上组合气体，或者不通入气体；热氧化时保温300℃-600℃，保温时间为1min-600min，保温时通入ar、h2、n2、o2中的一种或两种以上组合气体，或者不通入气体；保温结束后自然冷却至室温即可。

附图说明

图1是本发明一种可寻址的纳米冷阴极平板x射线源结构示意图。

图2(a)-(d)为一种可寻址的纳米冷阴极平板x射线源阴极基板的制备工艺步骤图。

图3(a)-(b)为一种可寻址的纳米冷阴极平板x射线源阳极基板的制备工艺步骤图。

图4是本发明一种可寻址的纳米冷阴极平板x射线源的内部结构透视图。

图5是本发明实施例1所述的纳米冷阴极平板x射线源内部结构透视图。

图6是本发明实施例2所述逐行发射x射线的纳米冷阴极平板x射线源内部结构透视图。

图7是本发明实施例2所述逐列发射x射线的纳米冷阴极平板x射线源内部结构透视图。

图8是本发明实施例3所述分区发射x射线的纳米冷阴极平板x射线源内部结构透视图。

具体实施方法

为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。

请参阅图1，其是本发明的一种可寻址的纳米冷阴极平板x射线源的结构示意图。

本发明的纳米冷阴极平板x射线源包括阴极基板10、阳极基板20、高压绝缘隔离体30。所述阴极基板10和阳极基板20平行相对设置，所述高压绝缘隔离体30设置于阴极基板10和阳极基板20之间，并将阴极基板10和阳极基板20隔开固定。所述阴极基板10和阳极基板20之间具有一定间距。

阴极基板10包括阴极衬底11、两条以上平行设置于阴极衬底11上的阴极电极条12以及多个相互独立设于阴极电极条上的生长源薄膜13。所述阴极电极条12相互平行设置于阴极衬底11朝向阳极基板20的一侧。所述多个生长源薄膜13以阵列形式排布于阴极电极条12上。所述生长源薄膜13上垂直于生长源薄膜13的方向生长有纳米线冷阴极14。所述阴极衬底11可以为大面积的硅片、玻璃、石英玻璃或者陶瓷基片。所述阴极电极条12可以是cr、al、ti、cu、ito、izo、azo、fto、ltfo中的一种或多种组合。所述阴极电极条12的厚度为0.1μm-2μm，其形状为条状图形，例如长方形、正方形或糖葫芦形。所述阴极电极条12通过金属阴罩掩膜和真空镀膜技术制备，或者通过光刻、真空镀膜和剥离技术制备，或者直接通过丝网印刷或者喷墨打印制备。所述真空镀膜技术包括磁控溅射、电子束蒸发、真空热蒸发，所述光刻技术可以采用紫外光光刻。所述生长源薄膜13可以由锌、铜、钨、钼、铁、钛、锡中的任一种制备而成，所述生长源薄膜13的厚度为0.3μm-5μm。所述生长源薄膜13可通过磁控溅射法、真空热蒸发法或者电子束蒸发法沉积于阴极电极条12上。所述的生长源薄膜的形状为具有对称性的图形，例如圆形、环形或多边形，其直径或者边长范围为5μm-500μm，所述相邻生长源薄膜13之间的间距为直径或边长的0.1-10倍。通过前述生长源薄膜13生长得到的纳米线冷阴极14为氧化锌、氧化铜、氧化钨、氧化钼、氧化铁、氧化钛或者氧化锡纳米线。

所述阳极基板20包括阳极衬底21以及两条以上平行设置于阳极衬底21上的阳极金属靶电极条22。所述阳极金属靶电极条22设于阳极衬底21朝向阴极基板10的一侧。所述每条阳极金属靶电极条22与阴极衬底上的每一条阴极电极条在空间上垂直相交且有一个交叉点，所述生长源薄膜13位于交叉点处。当阳极金属靶电极条中的一条或若干条与外部高压电源连接，且阴极电极条中的一条或若干条接地而其余阴极电极条接高电平时，与外部高压电源连接的阳极金属靶电极条及接地的阴极电极条的交叉点处将会产生x射线；该外部高压电源电压范围为10kv到150kv。

所述阳极衬底21可以为大面积的硅片、玻璃、石英玻璃或者陶瓷基片。所述阳极金属靶电极条22可以为钨、钼、铑、银、铜、金、铬、铝、铌、钽、铼中的一种或任意几种组合的金属导电薄膜，所述阳极金属靶电极条22的厚度范围为0.2μm-1000μm，其形状为条状图形，例如长方形、正方形或糖葫芦形。所述阳极金属靶电极条22沉积于阳极衬底21朝向阴极基板10的一侧。所述沉积方法包括磁控溅射法、真空蒸发法、电子束蒸发法。

所述的高压绝缘隔离体30为玻璃、石英、陶瓷或者绝缘塑料构成，其高度为0.5mm-100mm。

下面结合图2(a)-(d)以及图3(a)-(b)详细解释本发明所述一种可寻址的纳米冷阴极平板x射线源的制备方法，包括阴极基板制备、阳极基板制备和平板x射线源组合。具体步骤如下：

s1、制作阴极基板10。参见图2(a)-(d)，其是本发明的纳米冷阴极平板x射线源的阴极基板制备的制作流程图。其具体制作步骤如下：

(1)清洁并吹干阴极衬底11；所述阴极衬底11可以为大面积的硅片、玻璃、石英玻璃或者陶瓷基片。

(2)在阴极衬底11上制作阴极电极条12；所述作为阴极电极条12的导电薄膜可以为cr、al、ti、cu、ito、izo、azo、fto、ltfo中的一种或多种组合，所述导电薄膜通过金属阴罩掩膜和真空镀膜技术制备，或者通过光刻、真空镀膜和剥离技术制备，或者通过磁控溅射法、真空热蒸发法、电子束蒸发法、丝网印刷法或者喷墨打印法制备。所述导电薄膜的厚度为0.1μm-2μm。

(3)在阴极电极条12上光刻定位纳米冷阴极生长区域，然后沉积生长源薄膜；所述生长源薄膜为锌、铜、钨、钼、铁、钛、锡中的任一种，其厚度范围在0.3μm-5μm；所述生长源薄膜的沉积方法包括磁控溅射法、真空热蒸发法和电子束蒸发法。

(4)通过热氧化法在生长源薄膜13上生长纳米线冷阴极，得到阴极基板10。所述热氧化法生长过程在箱式炉或管式炉中进行，热氧化法过程的升温速率为1℃/min-30℃/min，升温过程可以通入ar、h2、n2、o2中的一种或其任意组合，亦可以不通入气体。热氧化过程的保温温度范围在300℃-600℃，保温时间范围在1min-600min，保温过程可以通入ar、h2、n2、o2中的一种或其任意组合，亦可以不通入气体。最后自然冷却至室温即可。所得到的纳米线为氧化锌、氧化铜、氧化钨、氧化钼、氧化铁、氧化钛或者氧化锡纳米线。

s2、制作阳极基板20。参见图3(a)-(b)，其是本发明的纳米冷阴极平板x射线源的阳极基板制备的制作流程图。具体制作步骤如下：

(1)清洁并吹干阳极衬底21；所述阳极衬底21可以为大面积的硅片、玻璃、石英玻璃或者陶瓷基片。

(2)在阳极衬底21上制作阳极金属靶电极条22；所述作为阳极金属靶电极条22的金属导电薄膜可以为钨、钼、铑、银、铜、金、铬、铝、铌、钽、铼中的一种或任意几种组合的金属薄膜，所述金属导电薄膜通过金属阴罩掩膜和真空镀膜技术制备，或者通过光刻、真空镀膜和剥离技术制备，或者通过磁控溅射法、真空热蒸发法、电子束蒸发法、丝网印刷法或者喷墨打印法制备。所述金属导电薄膜的厚度为0.2μm-1000μm。

s3、组装纳米冷阴极平板x射线源，参见图4。

(1)将阴极基板10和阳极基板20相对平行设置，阴极基板10的纳米线冷阴极14朝向阳极基板20的阳极金属靶电极条22；

(2)保证阴极电极条12与阳极技术靶电极在空间上相互垂直；

(3)高压绝缘隔离体30设置于阴极基板10和阳极基板20边缘处，将两者隔离开并固定。

以下说明上述纳米冷阴极平板x射线源逐点、逐行和分区发射x射线的具体实施方法：

实施例1

本发明器件实现逐点发射x射线的具体实施方法：

通过任意选定一条阳极金属靶电极条加高压电压，所施加高压电压范围为10kv到150kv，同时任意选定一条阴极电极条接地，其余阴极电极条接高电平，则所选定的阳极金属靶电极条与阴极电极条相交位点将会产生x射线，从而可实现逐点发射x射线。

纳米冷阴极平板x射线源单点发射x射线具体实现方法可参照图5。通过选定阳极金属靶电极条y3加高压电压，同时选定阴极电极条x1接地，阴极电极条x2、x3接高电平，则所选定的阳极金属靶电极条y3与阴极电极条x1相交位点(x1，y3)将会产生x射线。

实施例2

本发明器件实现逐行或逐列发射x射线的具体实施方法：

通过任意选定多条阳极金属靶电极条加高压电压，所施加高压电压范围为10kv到150kv，同时任意选定一条阴极电极条接地，其余阴极电极条接高电平或通过任意选定一条阳极金属靶电极条加高压电压，所施加高压电压范围为10kv到50kv，同时任意选定多条阴极电极条接地，其余阴极电极条接高电平，则所选定的阳极金属靶电极条与阴极电极条相交行或相交列将会产生x射线，从而可实现逐行或逐列发射x射线。

逐行发射x射线具体实现方法可参照图6。通过选定阳极金属靶电极条y1、y2、y3加高压电压，同时选定阴极电极条x1接地，阴极电极条x2、x3接高电平，则所选定的阳极金属靶电极条y1、y2、y3与阴极电极条x1相交位点(x1，y1)、(x1，y2)、(x1，y3)所构成的单行将会产生x射线。

逐列发射x射线具体实现方法可参照图7。通过选定阳极金属靶电极条y3加高压电压，同时选定阴极电极条x1、x2、x3接地，则所选定的阳极金属靶电极条y3与阴极电极条x1、x2、x3相交位点(x1，y3)、(x2，y3)、(x3，y3)所构成的单列将会产生x射线。

实施例3

本发明器件实现分区发射x射线的具体实施方法：

通过任意选定多条阳极金属靶电极条加高压电压，所施加高压电压范围为10kv到150kv，同时任意选定多条阴极电极条接地，其余阴极电极条接高电平，则所选定的阳极金属靶电极条与阴极电极条相交区域将会产生x射线，从而可实现分区发射x射线。

分区发射x射线具体实现方法可参照图8。通过选定阳极金属靶电极条y2、y3加高压电压，同时选定阴极电极条x1、x2接地，阴极电极条x3接高电平，则所选定的阳极金属靶电极条y2、y3与阴极电极条x1、x2相交位点(x1，y2)、(x1，y3)、(x2，y2)、(x2，y3)所构成的区域将会产生x射线。

需要特别指出的是，实际制作过程并不仅仅局限于上述所举的例子，还可以采用其它相类似的微加工方法实现器件结构，以及采用其他类似的生长手段实现纳米冷阴极的生长。