专利名称：热释电晶体x光源的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种热释电晶体X光源，属物理仪器技术领域。
现今工业界，医疗卫生部门、大学及科研院所广泛应用着各种X射线仪器，其X光源一般是采用X光管，
图1所示为目前流行的X射线管。其工作原理是用高电压(30KV以上)加速热阴极钨丝4发射的电子轰击金属靶5激发靶原子发射X射线。由于工作过程中采用了高电压，必须采用必要的绝缘和防护，热阴极也消耗较大的功率，故使仪器体积较大，造价也较昂贵。高速电子到达阳极(靶)表面时，电子的运动突然受阻，根据电磁场理论，这种电子产生韧致幅射，向外发射电磁波。这种辐射的特点是所产生的电磁波具有各种不同的波长，形成一个从某一个最短波长λmin开始的连续地包括各种波长的X射线谱，称为连续谱；此外，由于高速电子轰击，靶原子被激发，靠近原子核的内层电子脱离了原子，然后外层电子跃迁到内层的空位上，这时原子发射的X射线谱即为标识谱，图2所示为一般X射线管所产生的X射线谱。
早在公元372年，人们就发现了电气石的热释电效应，1824年布儒斯特将该现象定名为pyroelectricity。该现象的主要特征是由于温度变化，极性晶体出现正页电荷相对位移，产生电极化，从而在晶体两端表面产生异号电荷。具有热释电性质的晶体称为热释电晶体，已发现的热释电晶体有一千多种，它们属于1，2，m，mm2；3，3m，4，4mm；6，6mm等十类点群，而最具有实用性的只有十多种，如硫酸三甘钛，氘化硫酸三甘钛，掺丙氨酸硫酸砷酸三甘钛，钽酸锂，铌酸锂，硝酸铯，聚亚乙烯氟，锆钛酸铅(TGS，DTGS，ATGSAs，LiTaO3，LiNbO3，CsNO3，PVDF，PZT)等。
热释电晶体在升(降)温过程中由于表面会产生电荷，从而在其表面附近产生极高的电场，这种电场可使气体分子电离产生电子，电子被电场加速，轰击金属薄膜，从而导致X光发射。
本发明的目的是提出一种热释电晶体X光源，采用一种全新的X光发射原理，完全不需要热阴极和高电压，利用某些晶体表面的热释电效应发射的高能电子激发产生X射线，以制备体积很小的袖珍X光源。
本发明设计的热释电晶体X光源，包括壳体、加热基座、晶体、薄膜靶、致冷器和散热器。壳体的一端设有接线引出端，另一端设有薄铝窗口。加热基座横向置于壳体的中央，加热基座内设有加热器，晶体置于加热基座上靠近薄铝窗口的一端，薄膜靶置于晶体与窗口之间。致冷器置于加热基座外部与其内的加热器相对的位置，散热器置于致冷器的外部并与壳体相联。
上述装置中，所用的晶体为钽酸锂、铌酸锂或硝酸铯中的任何一种。所用的薄膜靶为铁、金或铝薄膜靶中的任何一种。
本发明设计的热释电晶体X光源，与已有技术的相同之点在于X光的产生依赖于高能电子对靶材料的轰击，所产生的X光同时包含连续谱与特征谱，而它们的根本区别在于高能电子的来源。现有技术轰击靶材料的电子来自(1600℃)钨丝表面的热电子发射，然后这些电子需要依靠外部高电压所产生的电场加速；而本发明的高能电子直接来自晶体表面的热释电效应电子发射和晶体表面电场引起的邻近气体分子电离。它不需要高温，而是周期地使晶体加热和冷却，晶体加热温度不超过150℃，而冷却到5℃左右也不需要外加高电压，其高能电子的来源本质上决定于晶体的热电物理性质。能用于本发明的晶体通常亦具有铁电性(ferroelectricity)。但能用于X光发射器的热释电(铁电)晶体通常是包含I族元素(Li，Na，K，Rb，Cs)的钽酸盐，铌酸盐，硝酸盐的离子型晶体。而能用于本发明的靶材料可以是任何一种目前已有技术X射线管靶材料，但必须采用金属薄膜材料(已有技术X射线管靶材一般为大块材料)，厚度为0.02mm以上，不超过0.8mm，最佳0.05-0.15mm，它们大多数为二价和三价的金属如铁铝金铜钨箔等。
图1是已有技术中X射线管的结构。
图2是由已有技术X射线管发出的X射线谱。
图3为本发明的X光发射器的结构示意图。
图4为用本发明的实施例1构造的X光发射器的X射线能谱。
下面结合附图，详细介绍本发明的内容。
图1到图3中，1是铍窗口，2是真空，3是绝缘玻璃管，4是钨丝，5是靶，6是加热器，7是加热基座，8是晶体，9是铂电阻，10是致冷器，11是薄膜靶，12是薄铝窗口，13是吸气剂，14是X光发射器壳体，15是抽气口，16是接线引出端子，17是散热器。
如图3所示，本发明设计的热释电晶体X光源，包括壳体14、加热基座7、晶体8、薄膜靶11、致冷器10和散热器17。壳体的一端设有接线引出端16，另一端设有薄铝窗口17。加热基座7横向置于壳体的中央，加热基座内设有加热器6，晶体置于加热基座上靠近薄铝窗口的一端，薄膜靶置于晶体8与窗口之间。致冷器10置于加热基座外部与其内的加热器相对的位置，散热器17置于致冷器的外部并与壳体14相联。
本发明的热释电晶体X光发射器工作过程如下开始时令加热器1通电，加热基座2，使晶体3升温，当铂电阻4温度达到100-140℃后，停止加热。控制电路使半导体致冷器5通电制冷，半导体致冷器5制冷3-5分钟可使钽酸锂晶体3温度降低至0-5℃，晶体表面附近气体分子电离，电子被表面电场加速轰击铁薄膜靶6，从而发射出韧致辐射和铁特征X射线，经由薄铝窗口7射出。接着又令加热器1通电，晶体温度升高开始一个新的循环。吸气剂8使发射器壳9内维持一定气压。10为抽气口，11是接线引出端子密封接头。12是给致冷器冷却的散热器。
这种晶体X光发射器体积很小，造价低廉，适合于制作工业传感器、各种袖珍仪器，尤其适合于在中学、中专和技校，大专院校用作X光教学演示与实验仪器。
下面介绍本发明的实施例。
实施例1制作了如图3所示X光发射器，壳体为φ30×80mm铝筒，壳体内放置0.2克Y沸石分子筛作吸气剂，抽真空至5×10-3torr后将壳体密封。采用大小为8×5×2.5mm3的LiTaO3晶体为发射体，距晶体表面5mm，放置厚0.1mm镀铁的铝膜作靶，铁膜面朝向晶体。采用两片TES1-1703半导体致冷片串联给晶体冷却。加热器和致冷器都用直流稳压电源供电，电压3-6V。加热电流为0.5A，持续时间为3分钟，铂电阻最高温度为100-120℃，冷却电流为2A，持续时间为5分钟，铂电阻最低温度为3-5℃。用一个高纯锗探测器探测所发射出的X射线，积分计数率约为800计数/秒，冷却过程中所得累计能谱如图4所示，由图中可看出该X射线能谱中也包含两部分，即连续谱和特征谱，特征谱线主要有来自靶材料的铁线(FeKα和FeKβ)，较弱的钽线(Ta Mβ)则来自LiTaO3晶体中的Ta原子。
实施例2X光发射器结构示意如图3，壳体为φ30×80mm铝筒，壳体内放置0.2克Y沸石分子筛作吸气剂，抽真空至5×10-3torr后将壳体密封。采用大小为8×3×2mm3的硝酸铯(CsNO3)晶体为发射体，距晶体表面5mm，放置厚0.1mm金箔作靶。正常工作时不使用加热器，半导体致冷器采用三级制冷，冷却电流为4A，持续时间为5分钟，然后停止通电，让其自然升温。升温过程中用一个高纯锗探测器探测所发射出的X射线，所得累计能谱中明显可见金的特征谱线Au Lα(9.7keV)和Au Lβ(11.4keV)。
实施例3X光发射器结构示意如图3，壳体为φ30×80mm铝筒，壳体内放置0.2克Y沸石分子筛作吸气剂，抽真空至1×10-3torr后将壳体密封。采用大小为4×4×2.5mm3的铌酸锂(LiNbO3)晶体为发射体，以距晶体表面10mm的厚为0.08mm的薄铝窗兼作靶。正常工作时不使用半导体致冷器，加热器工作电压3-4V，电流为0.3-0.4A，加热持续时间为5分钟，然后停止通电，让其自然冷却。冷却过程中用一个铍窗薄晶体NaI(Tl)探测器探测所发射出的X射线，可得积分计数率为800-1100/秒。
权利要求
1.一种热释电晶体X光源，其特征在于，该光源包括壳体、加热基座、晶体、薄膜靶、致冷器和散热器，所述的壳体的一端设有接线引出端，另一端设有薄铝窗口；所述的加热基座横向置于壳体的中央，加热基座内设有加热器，晶体置于加热基座上靠近薄铝窗口的一端，薄膜靶置于晶体与窗口之间；所述的致冷器置于加热基座外部与其内的加热器相对的位置，散热器置于致冷器的外部并与壳体相联。
2.如权利要求1所述的晶体X光源，其特征在于，其中所述的晶体为钽酸锂、铌酸锂或硝酸铯中的任何一种。
3.如权利要求1所述的晶体X光源，其特征在于，其中所述的薄膜靶为铁、金或铝薄膜靶中的任何一种。
全文摘要
本发明涉及一种热释电晶体X光源,光源壳体的一端设有接线引出端,另一端设有薄铝窗口。加热基座横向置于壳体的中央,加热基座内设有加热器,晶体置于加热基座上靠近薄铝窗口的一端,薄膜靶置于晶体与窗口之间。致冷器置于加热基座外部与其内的加热器相对的位置,散热器置于致冷器的外部并与壳体相联。本发明的晶体X光发射器体积很小,造价低廉,适合于制作工业传感器、各种袖珍仪器,尤其适合于用作X光教学演示与实验仪器。
文档编号H01J35/00GK1287378SQ0012379
公开日2001年3月14日 申请日期2000年9月7日 优先权日2000年9月7日
发明者何元金, 万年胜 申请人:清华大学