可调节的冷阴极X射线管的制作方法

本发明涉及场致发射技术领域和电真空器件领域，具体的说是涉及一种可调节的冷阴极x射线管。

背景技术：

场致发射技术：当对场致发射的阴极衬底涂覆层施加一定电场时，因为隧穿效应，一部分费米能级附近的高能电子会穿越阴极表面势垒，溢出表面而飞向阳极，形成电流。此过程不需要额外的能量来激发电子，具有响应快、能量损耗小，发射效率高等特点，并且因为使用纳米材料作为电子源，体积小巧，所造出的x射线管结构紧凑，降低了x射线管焦点的尺寸，使其能够满足当前市场对x射线管的诸多要求。

尽管场致发射阴极作为x射线管电子源表现出了优异的性能和极大的发展潜力，但其中也存在许多亟待解决的问题。比如：①阴极表面涂覆层材料不论是石墨烯还是碳纳米管，生长过程中易受外界因素的影响，生长均一性难以保证，造成每个冷阴极的电流发射密度不一致；②冷阴极射线管长时间工作稳定性有待提高。一方面，由于冷阴极自身直径小，涂覆层与衬底接触面积小，导致连接处接触不良，增大了连接处的电阻，连续工作时产生的热量可能导致部分涂覆层的损毁。另一方面，在长时间工作过程中可能产生二次电子回轰，这些也会导致热量不断累积，最终烧毁表面涂覆层，致使发射电流密度下降，电子束流打在靶材上产生的电子的数量减少，输出功率下降。这些情况都需要通过调整焦斑大小等手段，以便汇聚更多的电子束流打在靶材上，来保证输出功率的稳定。

一般一只x射线管仅工作在很窄的工作电压范围内，即工作电压可调节范围太小，产生的x射线的短波限基本固定，限制了整机的工作效能，很难在一只x射线管的情况下实现一机多用。

技术实现要素：

为了弥补现有技术的不足，本发明提供了一种可调节的冷阴极x射线管，不仅操作简单，具有更方便调整电子束流汇聚作用，而且具有较大的调整范围，一方面有利于形成更小焦点，另一方面还可以实现较大范围内工作电压的改变或同一电压下不同电流的改变，同时该冷阴极x射线管的结构能够优化老炼过程，提升产品的可靠性。

本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是：一种可调节的冷阴极x射线管，包括上瓷管和下瓷管，所述下瓷管下端设有阳极部件，所述上瓷管和下瓷管之间设有栅极，所述上瓷管内设有冷阴极和聚焦极，所述冷阴极和聚焦极相对所述栅极之间的距离均可单独调节。

作为本发明的进一步改进，所述上瓷管的顶部开口设有阴极法兰，另设有聚焦极底板，所述聚焦极为筒状并置于所述上瓷管内，所述聚焦极的顶部活动穿过所述阴极法兰并与所述聚焦极底板固定连接；所述聚焦极底板上设有若干向外延伸的调节凸耳，每一调节凸耳上设有第一通孔及在该第一通孔内设有一聚焦极调节螺钉，所述阴极法兰上对应设有第一调节螺纹孔，所述聚焦极调节螺钉的螺纹端套设一锁定螺母后旋进所述第一调节螺纹孔内；所述聚焦极位于所述阴极法兰与所述聚焦极底板之间的部分外分别设有外侧波纹管和内侧波纹管，该外侧波纹管和内侧波纹管的上下两端分别固定在所述阴极法兰和所述聚焦极底板上。

作为本发明的进一步改进，所述聚焦极底板中心设有调节孔。

作为本发明的进一步改进，所述冷阴极设于阴极座上，该阴极座能够上下滑动置于所述聚焦极的底部内，该阴极座的上端通过中心波纹管与所述阴极法兰固定连接；所述阴极法兰的中心设有第二螺纹通孔，所述阴极座的上侧面中心设有限位槽，另设有阴极调节螺钉通过螺纹啮合穿过所述阴极法兰上的第二螺纹通孔至所述阴极座上的限位槽内，所述阴极调节螺钉能够相对所述限位槽径向转动和轴向止动。

作为本发明的进一步改进，所述冷阴极包括衬底及涂覆于该衬底上的涂覆层，所述衬底的基材为含铁、镍的金属或合金属，所述涂覆层为碳纳米管或石墨烯。

作为本发明的进一步改进，所述阴极调节螺钉的末端设有限位凸台，所述限位槽内对应设有限位凹槽，所述限位凸台卡置于该限位凹槽内。

作为本发明的进一步改进，所述调节凸耳至少两个，均匀设置在所述聚焦极底板的外周。

作为本发明的进一步改进，所述聚焦极底板上设有定位槽，所述聚焦极的顶部穿置于该定位槽内。

作为本发明的进一步改进，所述阳极部件包括阳极和设有阳极上的靶材。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过调整聚焦极和阴极的轴向位置，可以实现x射线管不同的工作电压，相应得到不同短波限的x射线，适用于不同的应用场合；

2、本发明通过调整聚焦极和阴极的轴向位置，可以实现x射线管阴极表面不同的电场强度，相应得到不同大小的阴极电流，进而影响x射线的强度，可根据不同的应用场景进行选用；

3、由于多方面因素，冷阴极发射特性存在严重不一致情况，通过调整聚焦极和阴极的轴向位置，在工作电压范围内使得发射电流和x射线的质量符合使用要求，可在较大程度上弥补阴极发射性能一致性差的缺陷，使冷阴极射线管更适合批生产管理；

4、保持阴极位置不变，利用轴向伸缩结构将聚焦极推向栅极，位置适当时，在聚焦极和栅极之间加高电压进行净化处理，可提升x射线管的工作可靠性，同时由于聚焦极的屏蔽作用，该高电压无法拉出阴极电流，自然不会产生x射线，所以聚焦极的整个净化过程无需采取防护措施。

附图说明

图1为本发明立体结构示意图；

图2为本实用剖面结构示意图；

图3为图1的俯视图；

图4为本发明所述聚焦极组件的分解结构示意图；

图5为本发明所述聚焦极组件的组装状态示意图；

图6为本发明所述冷阴极组件的结构示意图。

结合附图，作以下说明：

1a——上瓷管；1b——下瓷管；

2——阳极部件；3——栅极；

21——阳极；22——靶材；

4——冷阴极；5——聚焦极；

6——阴极法兰；61——第一调节螺纹孔；

62——第二螺纹通孔；7——锁定螺母；

8——聚焦极底板；81——调节孔；

82——定位槽；9——调节凸耳；

91——第一通孔；10——聚焦极调节螺钉；

11——外侧波纹管；12——内侧波纹管；

13——阴极座；14——中心波纹管；

15——阴极调节螺钉；16——限位槽。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的较佳实施例作详细说明。

参阅图1-6，为本发明所述的一种可调节的冷阴极x射线管，包括上瓷管1a和下瓷管1b，下瓷管1b下端设有阳极部件2，上瓷管1a和下瓷管1b之间设有栅极3，上瓷管1a内设有冷阴极4和聚焦极5，冷阴极4和聚焦极5相对栅极3之间的距离均可单独调节，以下具体描述。

所述上瓷管1a的顶部开口设有阴极法兰6，另设有聚焦极底板8，聚焦极5为筒状并置于上瓷管1a内，聚焦极5的顶部活动穿过阴极法兰6并与聚焦极底板8固定连接；聚焦极底板8上设有若干向外延伸的调节凸耳9，每一调节凸耳9上设有第一通孔91和在该第一通孔91内设有聚焦极调节螺钉10，阴极法兰6上对应设有第一调节螺纹孔61，聚焦极调节螺钉10的螺纹端穿过调节凸耳9的第一通孔91后至第一调节螺纹孔61内，同时在聚焦极调节螺钉10的螺纹端并位于调节凸耳9和阴极法兰6之间的部分外套设一锁定螺母7，该锁定螺母7和聚焦极调节螺钉10通过螺纹啮合连接；聚焦极5位于阴极法兰6与聚焦极底板8之间的部分外分别设有外侧波纹管11和内侧波纹管12，该外侧波纹管11和内侧波纹管12的上下两端分别固定在阴极法兰6和聚焦极底板8上。在需要调节聚焦极5时，先松开锁定螺母7，旋转聚焦极调节螺钉10，聚焦极调节螺钉10在转动时，下端旋进或旋出阴极法兰6上对应设有的第一调节螺纹孔61内，并同时对位于阴极法兰6与聚焦极底板8之间的外侧波纹管11和内侧波纹管12进行挤压或拉伸，从而使聚焦极5随聚焦极调节螺钉10的旋转相对阴极法兰6进行升降，调整好聚焦极5到需要的位置后，松开聚焦极调节螺钉10，并将锁定螺母7旋转至贴紧在聚焦极底板8上，将聚焦极调节螺钉10锁定，完成聚焦极5的轴向位置的调节。

所述聚焦极底板8中心设有调节孔81，方便对冷阴极进行调节。冷阴极4设于阴极座13上，该阴极座13能够上下滑动置于聚焦极5的底部内，该阴极座13的上端通过中心波纹管14与阴极法兰6固定连接；阴极法兰的中心设有第二螺纹通孔62，阴极座13的上侧面中心设有限位槽16，另设有阴极调节螺钉15通过螺纹啮合穿过阴极法兰6上的第二螺纹通孔62至阴极座13上的限位槽16内，阴极调节螺钉15能够相对限位槽16径向转动和轴向止动，具体结构可为：在所述阴极调节螺钉15的末端设有限位凸台，所述限位槽16内对应设有限位凹槽，所述限位凸台卡置于该限位凹槽内。在冷阴极4需要调节时，通过聚焦极底板8中心设有的调节孔81进入到聚焦极底板8内，可手动或借助工具旋转阴极调节螺钉15，阴极调节螺钉15转动时，由于其底部通过限位凸台和限位槽16连接，即阴极调节螺钉15能够相对限位槽16径向转动和轴向止动，同时由于阴极调节螺钉15的上端和阴极法兰6上的第二螺纹通孔62通过螺纹啮合，因此在转动阴极调节螺钉15时，阴极调节螺钉15将带动阴极座13和冷阴极4相对阴极法兰6升降，并挤压或拉伸中心波纹管，从而实现冷阴极4的轴向位置的调节。

其中，所述冷阴极4包括衬底及涂覆于该衬底上的涂覆层，所述衬底的基材为含铁、镍的金属或合金属，所述涂覆层为碳纳米管或石墨烯；所述调节凸耳9为至少两个，均匀设置在所述聚焦极底板8的外周，本实施例中以三个为例子，具体数量不作限定；所述聚焦极底板8上设有定位槽82，所述聚焦极5的顶部穿置于该定位槽内；所述阳极部件2包括阳极21和设有阳极上的靶材22，靶材22可选择钨靶、钼靶等，本发明不作具体限定。

该可调节的冷阴极x射线管中，聚焦极为筒状，其筒身穿过阴极法兰，使内侧波纹管包围在聚焦极的筒身内侧，外侧波纹管包围在聚焦的筒身外侧，两个波纹管的一端都连接在聚焦极底板上，另一端都与阴极法兰底板连接，两个波纹管与聚焦极的筒身保持同心，组成聚焦极调节结构。当聚焦极需要调节时，旋转聚焦极调节螺钉，带动聚焦极底板和聚焦极的筒身相对阴极法兰沿轴向运动，使聚焦极底板与阴极法兰之间，内、外侧的两个波纹管发生行程，从而改变聚焦极与冷阴极(或栅极)之间的距离。当完成聚焦极的位置调节后，拧紧锁定螺母7，可使聚焦极的筒身位置固定，完成聚焦极的调节。

冷阴极置于阴极座上，中心波纹管两端分别连接在阴极座底部与阴极法兰顶部组成阴极调节结构。当需要调节冷阴极的位置时，穿过调节孔81，通过调节阴极调节螺钉，可使中心波纹管长度发生改变，使阴极座在聚焦极的筒身的内壁移动，使冷阴极靠近或远离栅极，实现冷阴极的位置相对栅极或阳极之间的距离的改变。

该可调节的冷阴极x射线管在使用时，阴、阳两极端加负、正高电压，栅极接地，在不同的加电条件下，通过改变可调节部件中冷阴极和聚焦极的位置，可得到大小不同的发射电流或不同大小的光斑，进而得到理想的辐射剂量，有利于改善电子源发射一致性等问题，实现提升产品的工作稳定性及良率，使产品能够满足多种条件下的应用，以下举例说明。

我们知道，连续x射线谱在短波方向有一个波长极限，称为短波限λ0，它是由光子一次碰撞就耗尽能量所产生的x射线。它只与管电压v有关，不受其它因素的影响，即每种管电压v对应一定的短波限λ0。

x射线波长越短，物质对它的吸收越小，它的贯穿本领就越大，人们常利用不同的贯穿本领和不同物质对它吸收的程度不同进行x射线透视、摄影和防护。

本发明可通过调节聚焦极和阴极在轴向的位置，即可实现多种电压条件下工作，从而得到不同短波限的x射线；同样，通过调节聚焦极和阴极在轴向的位置，可在相同工作电压下得到不同大小的阳极电流，从而得到不同强度的x射线。下面仅以某可调节x射线管其中的三种工作模式为例进行说明。

第一种工作模式下：

阴极电压vc＝-35kv，阳极电压va＝80kv，电流ia＝9.5ma，λ0＝0.0108nm，focal(焦斑)<1mm×1mm；

第二种工作模式下，

阴极电压vc＝-51kv，阳极电压va＝80kv，电流ia＝5.2ma，λ0＝0.0095nm，focal(焦斑)<1mm×1mm；

第三种工作模式下，

阴极电压vc＝-80kv，阳极电压va＝80kv，电流ia＝23ma，λ0＝0.0078nm，focal(焦斑)<1mm×1mm。

上述三种模式实现了x射线管工作电压从115kv至160kv的跨越，相应得到短波限从0.0108nm缩短至0.0078nm，电流也出现了从5ma至23ma的变化，同时保证获得适用的焦斑尺寸(小于1mm×1mm)。这一切都是通过调整聚焦极和阴极的轴向位置得到的。本案例聚焦极和阴极的调整范围不小于6毫米，均在本发明可调节的范围内。

由此可见，该可调节的冷阴极x射线管，阴极和聚焦极均可单独调节，可广泛应用于医疗、安检、工业等工业x射线影像设备中，具有高电压、低功耗、响应快、体积小、分辨率高、工作寿命长、辐射剂量小等诸多优点。

在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是以上描述仅是本发明的较佳实施例而已，本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。