专利名称：基于纳米材料电子发射的阵列x射线源的制作方法
技术领域：
本发明是一种新型阵列X射线源，涉及平面阵列X射线源的设计、制备及X射线的产生。
背景技术：
X射线源在医学影像和工业探测中具有重要的应用，而X射线管是X射线影像系统的核心部件。目前所使用的X射线管大都采用热阴极，电子受热获得能量逸出，并被聚焦和加速，最后以很高的能量轰击到阳极。阳极由具有高原子序数的金属构成，当阳极受到高能电子轰击后产生X射线。X射线对不同的生物组织或材料的透射性能不同，因此X射线透视图像可以反映被检测物体的内部结构。
由于目前使用的X射线管采用热阴极，其阴极功率损耗较大，不能适应小型化的要求；在X射线影像系统中，图像的分辨率取决于电子束轰击到金属阳极时的束斑大小。由于热阴极发射出的电子具有较零散的初速度，需要采用复杂的聚焦系统来减小电子束直径。该聚焦系统增加了X射线管的复杂性和制造成本；在X射线影像获取过程中，由于被探测物体在深度方向相互遮盖，从而影响对图像细节的识别能力。为了克服了X光机平面图像在深度方向的重叠，需要将X射线源和被测物体机械转动或者平移，得到被测物体断层的图像，这些断层像可以重建成三维的立体像。传统的机械式扫描结构复杂、笨重，而且扫描速度慢。因此，利用目前的X射线源无法实现被检测物体的多断层快速检测。
发明内容
技术问题本发明的目的是设计和制备一种基于纳米材料电子发射的阵列X射线源，它可以用于X射线计算机断层扫描机(XCT)。
技术方案针对普通X射线管的技术难点，本发明提出一种基于纳米材料电子发射的X射线源结构。在该结构中，采用纳米材料场发射冷阴极取代传统的热阴极，降低了阴极功耗，易于实现X射线管的小型化；同时，由于场发射电子束的热初速零散较小，可以采用更为简单的聚焦系统，降低制造成本；在本发明中采用冷阴极阵列作为电子发射源，因此可以实现按照时间序列扫描的平面X射线影像。与传统的XCT机相比较，采用电信号扫描其结构更为简单，扫描速度更快，获得断层图像更多，重构的三维图像更清晰，而且可实现对动态器官的快速检测。
本发明的基于纳米材料电子发射的阵列X射线源是在阴极基板上设有阴极电极，在阴极电极的两边及两侧外的阴极基板上设有带膜孔图案的介质层，该介质层上设有行扫描电极，在介质层和行扫描电极的两旁分别设有支撑体，反射式阳极位于支撑体和扫描电极上方，并与扫描电极相距一定距离，在介质层和行扫描电极一侧的支撑体上设有输出窗，在阴极电极上沉积有纳米场发射材料。
反射式阳极可由阳极基板、薄金属层代替构成X射线介质窗基板，即阳极基板位于薄金属层上，薄金属层位于支撑体上。反射式阳极由高原子序数的金属厚板制成，该反射式阳极与扫描电极的平面呈一定的夹角以保证X射线的反射输出。由阳极基板、薄金属层构成的X射线介质窗基板，其中薄金属层为高原子序数的金属薄层，该介质窗基板与行扫描电极平面平行放置，当高能电子轰击阳极的薄金属层，产生x射线并穿过薄金属层和介质阳极板透射而出。
由于阴极数据电极和行扫描电极构成垂直相交阵列，因此在阴极数据电极和行扫描电极上施加适当的脉冲电压，可以实现空间阵列分布电子源按照时间序列逐点发射。按照时间序列逐点发射的电子源在阳极平面上将产生按时间序列逐点发射的X射线源，从而得到一系列的被测物体断层的图像，最终实现三维图像重构。
本发明的基于纳米材料电子发射的阵列X射线源与现有的X射线管不同之处为●采用纳米材料场发射冷阴极阵列取代传统的热阴极；●阴极数据电极与扫描电极相互垂直；●在阴极数据电极和行扫描电极施加脉冲电压，实现按时间序列发射的阵列X射线源。
通过施加脉冲的阴极电极信号和扫描电极信号，实现阵列电子源的按时间序列逐点发射。
由按时间序列逐点发射阵列电子源轰击到阳极平面，在不同时刻产生不同空间位置的X射线源。
利用不同空间位置的阵列X射线源产生一系列的被检测物体的X透射影像，并实现被检测物体的三维影像重构。
利用电子扫描的方式获得被检测样品不同断面动态的x透射影像，从而实现快速诊断。
有益效果在本发明中，采用纳米材料场发射冷阴极取代传统的热阴极，降低了阴极功耗，实现X射线管的小型化；由于场发射电子束的热初速零散较小，可以采用更为简单的聚焦系统，降低制造成本；在本发明中采用冷阴极阵列作为电子发射源，因此可以实现按照时间序列扫描的平面X射线影像，扫描其结构更为简单，扫描速度更快，获得断层图像更多，重构的三维图像更清晰；采用本发明的阵列X射线源可以实现对动态器官的快速断层扫描。
图1是本发明所提出的采用反射式阳极的阵列X射线源示意图。
图2是本发明所提出的采用透射式阳极的阵列X射线源示意图。
其中有阴极基板1、阴极电极2、介质层3、行扫描电极4、纳米场发射材料5、反射式阳极6、支撑体7、输出窗8、阳极基板9、薄金属层10。
具体实施例方式
本发明的基于纳米材料电子发射阵列X射线源结构是在阴极基板1上设有阴极电极2，在阴极电极2的两边及两侧外的阴极基板1上设有带膜孔图案的介质层3，该介质层3上设有行扫描电极4，在介质层3和行扫描电极4的两旁分别设有支撑体7，反射式阳极6位于支撑体7和扫描电极4上方，并与扫描电极4相距一定距离，在介质层3和行扫描电极4一侧的支撑体7上设有输出窗8，在阴极电极2上沉积有纳米场发射材料5。本发明也可采用透射式阳极，即在阳极基板上制备一薄金属层，反射式阳极6可由阳极基板9、薄金属层10代替构成X射线介质窗基板，即阳极基板9位于薄金属层10上，薄金属层10位于支撑体7上。当高能量电子轰击到金属层上，产生X射线并透过薄金属层和阳极基板穿出。
本发明的基于纳米材料电子发射的X射线源阵列的纳米场致发射材料为纳米碳管，纳米氧化锌等。支撑体7将阴极基板1和反射式阳极6隔离，阴极基板与反射式阳极6的距离大于2mm以施加阳极高压。将阴极基板与反射式阳极6封接排气，形成器件内的真空工作环境。为了有效地产生x射线，反射式阳极6可由具有较高原子序数的厚金属板构成，该反射式阳极6与阴极基板1成一定的夹角以利于产生的x射线出射。在一侧管壳上制备一具有高X射线透过率的输出窗8。
本发明所产生的x射线也可由透射式方式出射。此时阳极基板9由对x射线具有较好透射作用的介质板构成。在阳极基板9上利用镀膜的方式制备已具有较高原子序数的金属薄层10，当高能电子轰击到该金属薄层10上时，所产生的x射线则透过阳极基板9向外透射而出。
制备的方法为在阴极基板(玻璃或者陶瓷)上采用印刷、烧结或者镀膜、光刻的方法制备数据电极；在数据电极上通过印刷、烧结或者镀膜、光刻方法制备带有膜孔图案的介质层；在介质层上印刷、烧结或者镀膜、光刻制备行扫描电极，该电极与数据电极相互垂直且绝缘；利用印刷、喷涂、镀膜、涂附等方法在行扫描电极和连接电极之间制备具有一定电阻特性的场发射材料；制备支撑体；采用具有较高原子序数的金属厚板作为阳极基板，并将阳极基板与阴极基板成一定夹角装配，并用高X射线透过率的材料在管壳上制备输出窗；也可采用对x射线具有较好透过率的介质作为阳极基板，如玻璃和陶瓷等，在阳极基板靠行扫描电极的一方用镀膜的方法制备以金属薄层，该金属薄层具有较高的原子序数，该阳极基板与阴极基板平行装配。将阴极基板与阳极基板封接排气，形成器件内的真空工作环境。
本发明所提出基于纳米材料电子发射的X射线源阵列结构中，在阴极数据电极上施加一数据脉冲电压信号，在行扫描电极上施加扫描脉冲信号。当阴极电极和行扫描电极之间的电压差达到场致发射体的开启电压时，该选中的电子源开始工作，从而在相应的阳极位置上产生x射线，实现x射线源的阵列扫描过程。
权利要求
1.一种基于纳米材料电子发射的阵列X射线源，其特征是在阴极基板(1)上设有阴极电极(2)，在阴极电极(2)的两边及两侧外的阴极基板(1)上设有带膜孔图案的介质层(3)，该介质层(3)上设有行扫描电极(4)，在介质层(3)和行扫描电极(4)的两旁分别设有支撑体(7)，反射式阳极(6)位于支撑体(7)和扫描电极(4)上方，并与扫描电极(4)相距一定距离，在介质层(3)和行扫描电极(4)一侧的支撑体(7)上设有输出窗(8)，在阴极电极(2)上沉积有纳米场发射材料(5)。
2.根据权利要求1所述的基于纳米材料电子发射的阵列X射线源，其特征是反射式阳极(6)可由阳极基板(9)、薄金属层(10)代替构成X射线介质窗基板，即阳极基板(9)位于薄金属层(10)上，薄金属层(10)位于支撑体(7)上。
3.根据权利要求1所述的基于纳米材料电子发射的阵列X射线源，其特征是反射式阳极(6)由高原子序数的金属厚板制成，该反射式阳极(6)与扫描电极(4)的平面呈一定的夹角以保证X射线的反射输出。
4.根据权利要求2所述的基于纳米材料电子发射的阵列X射线源，其特征是由阳极基板(9)、薄金属层(10)构成的X射线介质窗基板，其中薄金属层(10)为高原子序数的金属薄层，该介质窗基板与行扫描电极(4)平面平行放置，当高能电子轰击阳极的薄金属层，产生x射线并穿过薄金属层和介质阳极板透射而出。
全文摘要
基于纳米材料电子发射的阵列X射线源涉及X射线管的结构设计及其制备。在结构上，是在阴极基板(1)上设有阴极电极(2)，在阴极电极(2)的两边及两侧外的阴极基板(1)上设有带膜孔图案的介质层(3)，该介质层(3)上设有行扫描电极(4)，在介质层(3)和行扫描电极(4)的两旁分别设有支撑体(7)，反射式阳极(6)位于支撑体(7)和扫描电极(4)上方，并与扫描电极(4)相距一定距离，在介质层(3)和行扫描电极(4)一侧的支撑体(7)上设有输出窗(8)，在阴极电极(2)上沉积有纳米场发射材料(5)。由于采用电信号扫描取代XCT中的机械扫描，可以实现被检测样品的快速扫描。
文档编号G01N23/00GK1971835SQ20061009748
公开日2007年5月30日 申请日期2006年11月10日 优先权日2006年11月10日
发明者雷威, 张晓兵, 娄朝刚 申请人:东南大学