一种X射线球管阴极电子增强装置

一种x射线球管阴极电子增强装置
技术领域
1.本发明涉及x射线球管技术领域，尤其涉及一种x射线球管阴极电子增强装置。


背景技术：

2.常规x射线球管的阴极组件通常采用热阴极，其具体结构如附图4所示。作为阴极的灯丝一端连接到
‑
70kv的高压地，另一端与5～12v的交流电源相连。通过电源供电加热灯丝使其温度达到1900～2600℃左右，从而发射出电子。阳极上施加了70kv的高压，与阴极之间形成了高压电场。从阴极出射的电子在高压电场的加速下轰击阳极产生x射线。灯丝的两侧安装了栅极，用于控制电子束流的焦点大小和位置，以及快速实现x射线发射的“切换(switch)”和“切断(cut
‑
off)”功能。
[0003]“切换”是指增大或减小轰击阳极的热电子数量，进而增强或减弱阳极的x射线发射强度。当电容相对于高压地为
‑
10～0kv的负电压时，栅极的电压低于灯丝的电压，栅极靠近阳极的一端将对灯丝发射出的热电子产生排斥力，抑制电子离开阴极区域。因此，电容所提供的电压越低，到达阳极上的电子数量越少，阳极所能发射的x射线越弱。相反地，若电容相对于高压地为0～10kv的正电压，则栅极将会促使电子离开阴极和前往阳极，增强阳极的x射线发射。上述过程中，由于灯丝两端的电压仅为5～12v，远低于电容的电压，故而可以忽略不计。“切断”则是指切断轰击阳极的电子束流，使阳极停止发射x射线。当电容的电压足够低(
‑
10～
‑
5kv)时，灯丝所发射出的电子会受到强排斥力而被全部封锁在阴极附近，无法轰击阳极产生x射线。
[0004]
由于“切换”和“切断”都是通过调控栅极的电压来实现的，而电压调控的速度非常快，因此这两者均可快速实现，从而克服了基于温度调控进行电子发射量调节时灯丝温度的升高或降低速度很慢的缺陷。然而，为了提供实现“切换”和“切断”所需的强电场，栅极必须置于灯丝5mm以内的位置，且其上的电压必须高达千伏级(
‑
10kv～10kv)，栅极与灯丝之间的电场强度很可能会超过真空的介电强度，导致电击穿现象(俗称“打火”问题)的发生。另一方面，为了发射出足量的热电子，灯丝的温度必须很高，这会导致金属钨的快速蒸发，从而大大降低灯丝的寿命。
[0005]
因此，本领域的技术人员致力于提供一种x射线球管阴极电子增强装置，以延长灯丝的使用寿命，同时避免电击穿现象的发生。


技术实现要素：

[0006]
有鉴于现有技术上的缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何提供一种能延长阴极灯丝寿命、同时避免电击穿现象的x射线球管阴极电子增强装置。
[0007]
为实现上述目的，本发明提供了一种x射线球管阴极电子增强装置，包括阴极、阳极、交流电源，所述交流电源的一端接地，所述阴极的两端与所述交流电源连接，所述阳极设置在所述阴极的对面，其特征在于，还包括薄膜窗口、电极对、电压元件，所述薄膜窗口置于所述阳极和所述阴极之间；每一个所述电极对包括两个电极，每一个所述电极对的两个
电极设置在所述薄膜窗口的两侧，每一个所述电极对的两个电极分别连接至所述电压元件；所述薄膜窗口、所述电极对、所述电压元件构成二次电子发射源。
[0008]
优选地，所述电压元件包括电容对，每一个所述电容对包括两个串联的电容，每一个所述电容对的第二端接地；所述电容对与所述电极对一一对应，所述电极对位于所述阳极一侧的电极连接至所述电容对的第一端，所述电极对位于所述阴极一侧的电极连接至所述电容对的两个电容之间。
[0009]
优选地，所述薄膜窗口的材质是金刚石。
[0010]
进一步地，所述薄膜窗口朝向所述阴极的一侧表面涂覆金属涂层，所述薄膜窗口朝向所述阳极的一侧表面进行氢化处理。
[0011]
优选地，所述金属涂层的材质为锌、铜、金中的一种。
[0012]
优选地，所述薄膜窗口的截面形状为矩形、椭圆形、梯形、工字形、锯齿形、s形中的一种。
[0013]
进一步地，还包括栅极和栅极电容，所述栅极设置在所述薄膜窗口的两侧，所述栅极与所述栅极电容的第一端相连，所述栅极电容的第二端与所述电容对的第一端相连。
[0014]
优选地，所述栅极的形状为弧形、长条形、圆环形中的一种。
[0015]
进一步地，所述二次电子发射源在所述阴极和所述阳极之间逐级设置，后一级所述二次电子发射源的电容对的第二端连接至前一级所述二次电子发射源的电容对的第一端。
[0016]
进一步地，所述栅极与所述二次电子发射源组合设置。
[0017]
本发明至少具有如下有益技术效果：
[0018]
1、本发明提供的x射线球管阴极电子增强装置，在x射线球管中引入二次电子发射源，实现了阴极电子增强，减轻了灯丝的电子发射负担，降低了灯丝的工作温度，延长了灯丝的寿命；通过多级电子增强方法，进一步降低了对初级电子发射源的工作要求。
[0019]
2、本发明提供的x射线球管阴极电子增强装置，在金刚石薄膜窗口两侧放置电极对产生偏置电压，调节二次电子的逃逸数目，进而控制x射线的发射强度。薄膜窗口、电极对和栅极的组合结构能取代并且由于常规的栅极结构，在实现电子束流的焦点控制以及x射线发射的快速“切换”和“切断”时有效避免了电击穿现象的发生。
[0020]
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
[0021]
图1是本发明的实施例1的x射线球管阴极电子增强的原理图；
[0022]
图2是本发明的实施例2的x射线球管阴极电子增强和调控的原理图；
[0023]
图3是本发明的实施例3的x射线球管阴极电子二级增强的原理图；
[0024]
图4是常规x射线球管的热阴极结构图。
[0025]
其中，1
‑
接地端，2
‑
电容对，21
‑
第一电容，22
‑
第二电容，3
‑
交流电源，4
‑
阴极，5
‑
栅极，6
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初级电子束流，7
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阳极，8
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薄膜窗口，9
‑
电极对，10
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金属涂层，11
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氢化表面，12
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二次电子束流，13
‑
栅极电容。
具体实施方式
[0026]
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
[0027]
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
[0028]
实施例1
[0029]
如图1所示，本实施例的x射线球管阴极电子增强装置，包括接地端1、交流电源3、阴极4、阳极7，接地端1为
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70kv的高压接地，交流电源3为5～12v低压电源，交流电源3的一端与接地端1连接，阴极4的两端连接至交流电源3，阳极7设置在阴极4的对面。薄膜窗口8设置在阴极4和阳极7之间，薄膜窗口8的两侧设置有电极对9，电极对9由电容对2供电，薄膜窗口8、电极对9、电容对2构成二次电子发射源。电容对2包括两个串联的电容，分别为第一电容21和第二电容22，第二电容22的一端连接接地端1。电极对9朝向阳极7一侧的电极连接至第一电容21，电极对9朝向阴极4一侧的电极连接至第一电容21和第二电容22之间，第一电容21产生
‑
500～500v的偏置电压用于控制二次电子的发射，第二电容22在阴极4与薄膜窗口8之间提供0～30kv的高压。阳极7的电势为70kv，薄膜窗口8与阳极7之间同样形成了高压电场。阴极4发射出的初级电子束流6在阴极4与薄膜窗口8之间的电场加速下轰击薄膜窗口8，产生二次电子束流12。二次电子束流12接着在薄膜窗口8与阳极7之间的电场加速下轰击阳极7，发射x射线。
[0030]
薄膜窗口8的材质为金刚石，薄膜窗口8朝向阴极4的表面涂覆金属，形成金属涂层10，金属涂层10的材料优选锌、铜、金。薄膜窗口8朝向阳极7的表面进行氢化处理，形成氢化表面11。被加速后的高能初级电子束流6以一定的能量损耗穿透金属涂层10并轰击薄膜窗口8产生电子
‑
空穴对，电子
‑
空穴对在电极对9所提供的偏置电压的作用下分离。其中，空穴漂移到金属涂层10并与涂层中的补充电子复合，电子则漂移到氢化表面11并发射出来形成二次电子束流12。氢化表面11具有负电子亲和势，有利于电子克服势垒从表面逸出到真空中。
[0031]
二次电子束流12的电子数与初级电子束流6的电子数之比称为二次电子发射系数。薄膜窗口8的二次电子发射系数与打在薄膜窗口8上的初级电子束流6的能量以及薄膜窗口8两端所加的偏置电压有关。初级电子束流6的能量越高，轰击薄膜窗口8产生的电子
‑
空穴对数目越多，所发射出的二次电子束流12的电子越多。当施加在薄膜窗口8上的电压为0～500v的正电压时，随着电压值的升高，二次电子在偏置电场的加速下越容易从氢化表面11中逃逸出来，二次电子发射系数越大。相反地，若施加在薄膜窗口8上的
‑
500～0v的负电压越低，二次电子在偏置电场中受到的斥力越大，越难从氢化表面11中逃逸出来，二次电子发射系数越小。因此，通过调控施加在薄膜窗口8上的偏置电压，可以方便迅速地增强、减弱甚至切断轰击阳极7的二次电子束流12，从而控制x射线的发射强度，实现了快速“切换”和“切断”技术。
[0032]
薄膜窗口8的二次电子发射系数可以达到10以上，即要产生用于轰击阳极7的100～500ma的二次电子束流12，阴极4只需要发射10～50ma的初级电子束流6。因此，在x射线球
管中引入薄膜窗口8作为二次电子发射源，大大减轻了阴极4的电子发射负担，有效地降低了阴极4的工作温度，大幅提高了阴极4的寿命。另一方面，与附图4的常规技术相比，x射线发射的快速“切换”和“切断”不再依赖于靠近灯丝的栅极，而是基于薄膜窗口8上的偏置电压调控来实现。因此，灯丝与栅极之间的电击穿问题可以从根源上被解决。金刚石薄膜窗口的厚度很薄，仅为0.01～0.5mm，绝缘性能很好，具有远高于真空的介电强度，只需要百伏级(
‑
500～500v)的偏置电压即可实现快速“切换”和“切断”，因此电极对9不会发生电击穿现象。
[0033]
本实施例中，薄膜窗口8的截面形状没有限制，优选矩形、椭圆、梯形、工字形、锯齿形、s形中的一种。电极对9可以紧贴薄膜窗口8的表面，也可以与薄膜窗口8的表面保持一定的距离。电极对9与电容对2一一对应设置，数量不限于两对。
[0034]
实施例2
[0035]
如图2所示，本实施例的x射线球管阴极电子增强装置的基本构成同实施例1，不同之处在于本实施例还包括栅极5和栅极电容13，栅极5设置在薄膜窗口8的两侧，栅极5与栅极电容13连接，栅极电容13连接至第一电容21。本实施例中，栅极5不需要具备快速“切换”和“切断”x射线发射的功能，只需要实现对二次电子束流12的焦点大小和位置的控制。二次电子束流12的焦点控制所需的电场强度远低于真空的介电强度，栅极5与薄膜窗口8之间不会发生电击穿，因此，栅极5的电压无需很高，栅极5也不需要放置在距离薄膜窗口8很近的位置。
[0036]
本实施例中，栅极5的形状没有限制，优选弧形、长条形、圆环形中的一种。
[0037]
薄膜窗口8上方和下方的两个电极对上所施加的电压无需相同，可以灵活设置；两个栅极电容上所施加的电压也无需相同，同样可以灵活设置。这有利于实现对电子束流的焦点大小和位置的灵活调节。
[0038]
实施例3
[0039]
如图3所示，本实施例的x射线球管阴极电子增强装置的基本构成同实施例1，不同之处在于本实施例中由薄膜窗口8、电极对9和电容对2构成的二次电子发射源逐级倍增设置，后一级二次电子发射源的电容对的第二端连接至前一级的二次电子发射源的电容对的第一端。本实施例中，从阴极4发射出的电子经过逐级加速和倍增后轰击阳极7，发射出x射线。多级电子增强的级联阴极结构能够进一步降低灯丝的电子发射负担，更好地延长灯丝寿命。
[0040]
实施例4
[0041]
本实施例是实施例2与实施例3的结合，即在实施例3的多级二次电子发射源上放置栅极5，可以仅在某一级的薄膜窗口8上放置栅极5，也可以在某几级的薄膜窗口8上均放置栅极5，实现多级薄膜窗口8与多级栅极5的自由组合，从而可以根据实际需求对特定的某一级或某几级电子倍增层进行快速“切换”和“切断”以及束流焦点控制。
[0042]
本发明提供的x射线球管阴极电子增强装置，通过在x射线球管中引入二次电子发射源，实现了阴极电子增强，减轻了灯丝的电子发射负担，降低了灯丝的工作温度，延长了灯丝的寿命；通过在金刚石薄膜窗口两侧放置电极对产生偏置电压，调节二次电子的逃逸数目，进而控制x射线的发射强度，在实现x射线发射的快速“切换”和“切断”时有效地避免了电击穿现象的发生。
[0043]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。