一种x射线管及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种X射线管及其制备方法，所述X射线管包括管芯和包覆所述管芯的外壳，所述外壳的内表面设有碳纳米管直线生长形成的阵列层，所述碳纳米管的轴向与所述内表面成一夹角，对碳纳米管阵列层图案化后形成具有图案化的碳纳米管阵列层，作为X射线管的散热传导层，充分利用碳纳米管轴向热导率高，表面积大的特性，大大提高了X射线管的散热效率，从而快速高效地散去阳极靶上的热量，延长了X射线管的使用寿命。
【专利说明】一种X射线管及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种X射线管领域，尤其涉及一种X射线管及其制备方法。
【背景技术】
[0002]在X射线管中，高能电子束由阴极打向阳极靶材产生X射线，其中只有不到1%的能量转化为X射线的辐射，另外99%的能量都转化成了阳极的热能。因此，如何使阳极有效的散热是保证X射线管正常工作的一个关键问题。在高能电子束的轰击下，阳极靶材的温度通常会迅速升高到3000°C左右，这种情况下，阳极可能会融化甚至被烧出孔洞，进而严重影响出射X射线的质量，最终导致X射线管的报废。现有的散热方法是在真空的环境中，通过外罩金属球壳吸收阳极靶材辐射的热量(阳极温度可高达3000°C左右，按黑体辐射计算发射波长约为lOOOnm)。此外，也可将X射线管置于浸满油的金属腔体中，利用金属(铅或不锈钢)对阳极辐射热量的吸收和阳极对油的热传导实现阳极靶材的辐射散热。但金属对热辐射吸收的程度有限，因为金属中具有较大量的自由载流子，通常金属中载流子浓度在IO22?IO23个/cm3数量级，这种自由载流子对红外线的反射性能要远高于其对红外线的吸收作用，其数量关系可用下式表示:
[0003]A+T+R=l, T=O
[0004]则A=1-R ;其中，A，T，R分别表示吸收，透射和反射。
[0005]现有研究已证明自由载流子在外加电磁场的作用下发生偶极震荡，对波长在
0.8-25 μ m的红外光的反射率能超过90%，此时金属对红外光的吸收率则低于10%。较高的红外反射率会导致球管整体被反射回来的红外线二次加热，不利于球管的总体的散热。
[0006]随着纳米技术的发展，碳纳米管(Carbon nanotube,简称CNT)具有比表面积大、热稳定性高(3400°C仍可保持稳定)、力学强度高(为钢的100倍，但重量只有钢到1/6?1/7)、轴向热传导率高(约3500W/(m.K))、导电性好的特点而成为一种潜在的散热导电材料。自1991年日本NEC科学家饭岛橙男(Iijima S μ mio)在电弧放电试验中发现了碳纳米管，人们对碳纳米管碳纳米管开展了广泛的研究，并证明其具有优异的热导性:“Thermal Conductivity ofCarbonNanotube”证明碳纳米管具有与金刚石相当的导热率。(Nanotechnology, 2000, 11,65)；,美国物理年会上。美国物理学会上发表一篇名为〃碳纳米管显著热导性〃的文章指出对于"Zitta"字形(10，10)碳纳米管在室温下其导热系数可达6600W/(m.K)。此外，碳纳米管作为散热器件的应用研究也取得了一定的进展，如CN102318438A使用碳纳米管油墨作为印刷的散热材料，CN201110207615.8公开了一种使用碳纳米管散热的LED灯，CN 101044809公开了一种覆盖有CNT的散热片。碳纳米管具有非常大的长径比(1000:1)，因而大量热沿着长度方向传递，即具有很好的轴向导热性能，但是一般制得的碳纳米管为无序排列，未能充分利用碳纳米管轴向导热性能高的优势；而且碳纳米管之间相互排布致密，降低散热效果。
【发明内容】
[0007]本发明所要解决的技术问题是提供一种X射线管及其制备方法，能够提高X射线管的散热效率，快速地散去阳极靶上的热量，延长X射线管的使用寿命。
[0008]本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种X射线管，包括管芯和包覆所述管芯的外壳，所述外壳的内表面设有碳纳米管沿直线生长形成的碳纳米管阵列层，所述碳纳米管的轴向与所述内表面成一夹角。
[0009]进一步地，所述碳纳米管阵列层为一层或多层碳纳米管阵列。
[0010]进一步地，所述夹角的范围为30。?90。。
[0011]进一步地，所述夹角为直角。
[0012]进一步地,所述外壳为柱体或球体。
[0013]进一步地，所述碳纳米管阵列层呈柱状、墙状或十字型结构。
[0014]进一步地，所述碳纳米管碳纳米管阵列层高度为0.1 μπι?100 μπι，所述碳纳米管的相邻间距为0.5-2.5 μ m。
[0015]进一步地，所述管芯和外壳之间设置有冷却液。
[0016]进一步地，所述外壳的材料为不锈钢或铅。
[0017]本发明为解决上述技术问题而采用的另一项技术方案是提供一种上述X射线管的制备方法，通过如下步骤制备:a)先在硅基底上采用化学气相沉积的方法使碳纳米管沿直线生长形成一层或多层碳纳米管薄膜层；b)提供X射线管的外壳，将硅基底上的碳纳米管薄膜层用PDMS (聚甲基硅氧烷)粘附，然后将粘附了碳纳米管的PDMS转移至所述外壳内表面上；c)用洗脱剂除去PDMS，强碱溶液除去硅基底；d)真空加热使碳纳米管薄膜层和外壳内表面之间形成化学键；e)对所述一层或多层碳纳米管薄膜层进行刻蚀，形成图案化的碳纳米管阵列层。
[0018]进一步地,所述步骤a)中碳纳米管阵列层的高度为0.1 μ m?100 μ m,所述碳纳米管的相邻间距为0.5?2.5 μ m。
[0019]进一步地，所述步骤b)中外壳通过焊接工艺或冲压成型方法制备而成。
[0020]进一步地，所述步骤c)中去除PDMS的洗脱剂为丙酮，去除硅基底的洗脱剂为强碱溶液。
[0021]进一步地,所述强碱溶液为氢氧化钾溶液或氢氧化钠溶液。
[0022]进一步地，所述步骤d)中加热的温度为1000°C?2000°C。
[0023]进一步地，所述步碳纳米管阵列层呈柱状、墙状或十字型结构。
[0024]进一步地，所述步骤e)采用的刻蚀方法为激光刻蚀，电子束刻蚀或等离子体刻蚀。
[0025]本发明对比现有技术有如下的有益效果:本发明提供的X射线管及其制备方法，通过在外壳内表面上设置碳纳米管薄膜层，并对碳纳米管碳纳米管薄膜层图案化后的碳纳米管阵列层作为X射线管的散热传导层，充分利用碳纳米管轴向热导率高、表面积大的特性，大大提高了 X射线管的散热效率，从而快速高效地散去阳极靶上的热量，延长了 X射线管的使用寿命。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1为本发明X射线管结构示意图。[0027]图2为本发明X射线管外壳内表面上的碳纳米管阵列局部放大示意图。
[0028]图3为本发明X射线管外壳内表面上形成的柱状碳纳米管阵列层径向截面示意图。
[0029]图4为本发明X射线管外壳内表面上形成的柱状碳纳米管阵列层轴向截面示意图。
[0030]图5为本发明X射线管外壳内表面上形成的墙状碳纳米管阵列层径向截面示意图。
[0031]图6为本发明X射线管外壳内表面上形成的墙状碳纳米管阵列层轴向截面示意图。
[0032]图7为本发明X射线管的制备方法流程示意图。
【具体实施方式】
[0033]下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
[0034]图1为本发明X射线管结构示意图。
[0035]请参见图1，本发明提供的X射线管包括管芯I，管芯I外设有外壳2,其中,夕卜壳2内表面上设有碳纳米管沿直线生长形成的一层或多层碳纳米管阵列层3，碳纳米管的轴向与外壳2的内表面成一夹角，该夹角即为碳纳米管的轴线与该轴线与内表面交叉点所在的切线形成的夹角，所述夹角范围为30°?90°，优选为90°，碳纳米管阵列层3的高度为
0.1ym?100 μ m，碳纳米管的相邻间距为0.5-2.5 μ m。外壳2为柱体，在其它实施例中外壳2的形状还可以为球体。
[0036]本发明提供的X射线管，如图2所示，碳纳米管阵列层3附着在基底30上，碳纳米管阵列层3包括若干碳纳米管31，基底30即为X射线管的外壳2，通常是不锈钢或铅等金属材料；碳纳米管阵列层3的高度优选为0.1 μ m?100 μ m。碳纳米管阵列层3实现一种微纳米结构的“光限域”构造，可以对红外线产生多次散射的功能，减小了对红外线的反射，增加碳纳米管阵列对红外光的吸收率，进而减小红外光的二次反射。碳纳米管阵列层3为图案化结构，可以为柱状结构，如图3、图4所示，图3为柱状碳纳米管阵列层径向截面示意图；图4为柱状碳纳米管阵列层轴向截面示意图所示；或者为墙状结构，如图5，图6所示，图5为墙状碳纳米管阵列层径向截面示意图；图6为墙状碳纳米管阵列层轴向截面示意图；还可以为十字型结构等(图中未示)。
[0037]为了增强散热效果，X射线管管芯I和外壳2之间设置有冷却液4，图案化后的碳纳米管阵列层3具有较高的表面积，较大的表面积和冷却液4接触，大大扩大了散热面积。此外，由于碳纳米管的轴向导热率极高，且容易和各种金属形成良好的接触，因此可以方便地将吸收的热量快速传导出去。
[0038]请参见图7，上述X射线管的制备方法，提供管芯I后，在管芯I外包括如下步骤:
[0039]步骤S10，先在硅基底上采用化学气相沉积的方法形成使碳纳米管31沿直线生长形成一层或多层碳纳米管薄膜层；
[0040]步骤S20，提供X射线管的外壳2，将硅基底上的碳纳米管薄膜层用PDMS (聚甲基硅氧烷)粘附，然后将粘附了碳纳米管的PDMS转移至X射线管的外壳2内表面上；
[0041]步骤S30，用洗脱剂除去PDMS，强碱溶液除去硅基底；[0042]步骤S40，真空加热使碳纳米管薄膜层和外壳2内表面之间形成化学键；
[0043]步骤S50，对所述一层或多层碳纳米管薄膜层进行刻蚀，形成图案化的碳纳米管阵列层3，碳纳米管阵列层3中的碳纳米管31轴向与外壳2内表面有一定角度。本领域技术人员可以理解，存在多种碳纳米管的刻蚀方法，如电子束刻蚀、激光刻蚀或等离子体刻蚀，本发明对此不做限定。
[0044]下面将对本发明提供的X射线管的具体制备方法分别进行说明:
[0045]实施例1
[0046]本实施例提供的X射线管的制备方法包括如下步骤:
[0047]I)在硅基底上采用化学气相沉积的方法使碳纳米管31沿直线生长形成多层高度为10 μπι的碳纳米管薄膜层；
[0048]2)用PDMS将碳纳米管薄膜层转移至X射线管的外壳2内表面上；
[0049]3)用丙酮洗去PDMS，氢氧化钠溶液洗去硅基底；
[0050]4)真空加热至1000°C使碳纳米管薄膜层和外壳2内表面之间形成化学键；
[0051]5)采用激光刻蚀的方法将碳纳米管薄膜层图案化，形成柱状碳纳米管阵列层3，碳纳米管阵列层3中的碳纳米管31轴向与外壳2内表面成直角。
[0052]实施例2
[0053]本实施例提供的X射线管的制备方法包括如下步骤:
[0054]I)在硅基底上采用化学气相沉积的方法使碳纳米管31沿直线生长形成多层高度为50 μπι的碳纳米管薄膜层；
[0055]2)用PDMS将碳纳米管薄膜层转移至X射线管的外壳2内表面上；
[0056]3)用丙酮洗去PDMS，氢氧化钠溶液洗去硅基底；
[0057]4)真空加热至1500°C，使碳纳米管薄膜层和金属外壳2内表面之间形成化学键；
[0058]5)采用电子束刻蚀的方法将碳纳米管层图案化，形成墙状碳纳米管阵列层3，碳纳米管阵列层3中的碳纳米管31轴向与外壳2内表面的夹角成60°。
[0059]实施例3
[0060]本实施例提供的X射线管的制备方法包括如下步骤:
[0061]I)在硅基底上采用化学气相沉积的方法使碳纳米管31沿直线生长形成多层高度为100 μπι的碳纳米管薄膜层；
[0062]2)用PDMS将碳纳米管薄膜层转移至X射线管的外壳2内表面上；
[0063]3)用丙酮洗去PDMS，氢氧化钾溶液洗去硅基底；
[0064]4)真空加热至2000°C，使碳纳米管薄膜层和金属外壳2内表面之间形成化学键；
[0065]5)采用等离子体刻蚀的方法将碳纳米管阵列层图案化，形成十字型碳纳米管阵列层3，碳纳米管阵列层3中的碳纳米管31轴向与外壳内表面的夹角成30°。
[0066]综上所述，本发明提供的X射线管及其制备方法，通过在外壳2内表面上设置碳纳米管薄膜层，并对碳纳米管薄膜层图案化后形成沿直线生长的碳纳米管阵列层3作为X射线管的散热传导层，使用碳纳米管构成的微纳结构来代替金属腔体，作为吸收X射线管整体辐射散热的材料，具体优点如下:I)碳纳米管本身对红外线有较高的吸收率，用其代替金属防止二次红外辐射加热腔体；2)用碳纳米管构筑的微纳米结构减小了对光的反射作用，增加了对红外光的吸收效率；3)图案化后的碳纳米管阵列层3有较大的表面积，较大的表面积和冷却液4接触，实际上是扩大了散热面积；4)利用碳纳米管的轴向导热率极高，且容易和各种金属形成良好的接触的特点，可以方便吸收的热量快速的传导出去。
[0067]虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准
【权利要求】
1.一种X射线管,包括管芯和包覆所述管芯的外壳,其特征在于，所述外壳的内表面设有碳纳米管直线生长形成的碳纳米管阵列层，所述碳纳米管的轴向与所述内表面成一夹角。
2.如权利要求1所述的X射线管，其特征在于，所述碳纳米管阵列层为一层或多层碳纳米管阵列。
3.如权利要求1所述的X射线管，其特征在于，所述夹角的范围为30°?90°。
4.如权利要求3所述的X射线管，其特征在于，所述夹角为直角。
5.如权利要求1所述的X射线管，其特征在于，所述外壳为柱体或球体。
6.如权利要求1所述的X射线管，其特征在于，所述碳纳米管阵列层呈柱状、墙状或十字型结构。
7.如权利要求1所述的X射线管，其特征在于，所述碳纳米管阵列层的高度为0.1 μ m?100 μ m,所述碳纳米管的相邻间距为0.5 μ m?2.5 μ m。
8.如权利要求1所述的X射线管，其特征在于，所述管芯和外壳之间设置有冷却液。
9.如权利要求1所述的X射线管，其特征在于，所述外壳的材料为不锈钢或铅。
10.一种如权利要求1所述的X射线管的制备方法，提供管芯，其特征在于，包括在管芯外通过如下步骤制备: a)先在硅基底上采用化学气相沉积的方法使碳纳米管沿直线生长形成一层或多层碳纳米管薄膜层； b)提供X射线管的外壳，将硅基底上的碳纳米管薄膜层用PDMS(聚甲基硅氧烷)粘附，然后将粘附了碳纳米管的PDMS转移至所述外壳内表面上； c)用洗脱剂除去PDMS，强碱溶液除去硅基底； d)真空加热使碳纳米管薄膜层和外壳内表面之间形成化学键； e)对所述一层或多层碳纳米管薄膜层进行刻蚀，形成图案化的碳纳米管阵列层。
11.如权利要求10所述的X射线管的制备方法，其特征在于，所述步骤a)中碳纳米管薄膜层的高度为0.1?100 μ m,所述碳纳米管的相邻间距为0.5?2.5 μ m。
12.如权利要求10所述的X射线管的制备方法，其特征在于，所述步骤b)中所述外壳通过焊接工艺或冲压成型方法制备而成。
13.如权利要求10所述的X射线管的制备方法，其特征在于，所述步骤c)中去除PDMS的洗脱剂为丙酮，去除硅基底的洗脱剂为强碱溶液。
14.如权利要求13所述的X射线管的制备方法，其特征在于，所述强碱溶液为氢氧化钾溶液或氢氧化钠溶液。
15.如权利要求10所述的X射线管的制备方法，其特征在于，所述步骤d)中加热的温度为 1000°C?2000°C。
16.如权利要求10所述的X射线管的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管阵列层呈柱状、墙状或十字型结构。
17.如权利要求16所述的X射线管的制备方法，其特征在于，所述步骤e)采用的刻蚀方法为激光刻蚀，电子束刻蚀或等离子体刻蚀。
【文档编号】H01J9/24GK103794444SQ201210434550
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2012年11月2日 优先权日:2012年11月2日
【发明者】李冬松, 章健 申请人:上海联影医疗科技有限公司