一种电子枪、X射线源、CT机的制作方法

一种电子枪、x射线源、ct机
技术领域
1.本实用新型涉及粒子加速器技术领域，具体涉及一种电子枪、x射线源、ct机。


背景技术：

2.x射线ct机是医疗影像及工业影像成像最重要的成像设备，在临床诊断中发挥重要作用。x射线源是ct机的核心部件，其原理是采用电子枪产生电子束，经过高电压加速到一定能量(60
‑
160kev)后，由加速后的电子轰击靶材，以通过韧致辐射的原理产生x射线。
3.现有的医用ct机主要有两种技术，一种是传统的旋转式ct机，即x射线管围绕人体高速旋转；另一种又称为分布式ct机或者静态ct机，即ct由一整圈的数个x射线管，甚至每个射线管由一个或多个电子枪构成(一个ct需要大约200个电子枪)，通过控制电子枪依次脉冲式工作，实现旋转式x射线源的特征。
4.静态ct的电子枪目前有两种：一种是采用小型热阴极，另一种是采用冷阴极，也称为场致发射阴极。
5.采用热阴极的电子枪问题在于：热阴极一般需要较长时间工作才能稳定发射，在ct扫描期间，尽管每次只有一个电子枪出束，但是其它电子枪的阴极也要加热工作，每个阴极发热功率可以达到10w左右，而几百个阴极同时工作，难以有效的散热。
6.采用冷阴极虽然可以解决电子枪发热的问题，而且工作启动速度快，不工作时处于休息待命状态；但是冷阴极采用的是场致发射原理，通常采用金属针尖、碳纳米管、石墨烯或者基于mems工艺的针尖阵列。阴极单个尖端发射电流密度很大，但整个阴极的平均电流密度并不大。如果发射电流过大，或者长时间使用，则会导致阴极尖端损坏的概率大大增加，并且这种损坏不可恢复。如果发射电流过小，又不能保证有足够的x射线剂量来实现清晰成像。而且，采用冷阴极，由于每个阴极尖端无法做到一致，因此多个电子枪的发射电流一致性比较差，ct图像重建难度较大。


技术实现要素：

7.针对上述现有场致阴极难以兼容大电流密度和长寿命的技术问题；本实用新型提供了一种电子枪，既能规避热阴极电子枪带来的热功耗和散热问题，又能产生比现有的场发射阴极电子枪更大的束流，并且在同样的束流下具有更高的可靠性和更长的寿命，同时单个电子枪之间具有很好的一致性。
8.本实用新型通过下述技术方案实现：
9.一种电子枪，包括场发阴极、用于固定场发阴极的阴极基体、栅极和x阳极，所述栅极和阴极基体之间设有绝缘层，所述场发阴极正对栅极中部的通孔；还包括设于所述栅极和x阳极之间的倍增组件；所述倍增组件包括倍增阴极和倍增阳极，所述倍增阴极和倍增阳极之间设有倍增支撑件，所述倍增支撑件设有倾斜的倍增孔，所述倍增孔孔壁覆盖有二次电子发射系数大于1倍增材料层，所述倍增孔贯穿倍增阴极和倍增阳极，且所述倍增孔一端正对栅极中部的通孔。
10.本实用新型的场发射阴极与阴极基体一体型或安装在阴极基体上，两者电位一致；栅极通过绝缘层与阴极基体实现电隔离；在阴极和栅极上施加电压差u1(阴极电位低于阳极电位)以在阴极表面形成尖端电场e1；阴极的尖端上通过场致发射原理发射出初始电子束，大部分初始电子穿过栅极孔进入电子倍增组件。所述倍增支撑件开设有倾斜的倍增孔，能够使得电子在倍增孔内多次撞击倍增孔孔壁，且倍增孔的下端与栅极的孔对中，倍增孔的上端为电子枪的出口；在倍增阴极和倍增阳极之间施加电压差u2(倍增阴极电位低于倍增阳极电位)，使得倍增孔内存在倍增电场e2。故来自栅极孔的初始电子轰击到倍增支撑件的倍增孔孔壁并产生二次电子，由于倍增孔孔壁材料的二次电子发射系数大于1，在电场加速作用下，电子经过多次轰击和倍增，到达倍增阳极孔处的电子束流的强度i1远大于初始电子束的强度i0。
11.因此本实用新型结合场致发射与二次电子倍增的方式，在同样的输出电子束流强下，可以将场发射电流发射电流密度降低数倍至数百倍，从而延长了阴极的寿命；并且通过控制倍增增益，可以大大降低多个电子枪输出电子束流强的分散性。另外，通过这种方式，既保留了场发射阴极热功率小、响应快的优点，又通过二次电子倍增放大的方法降低了对场发射阴极初始发射电流的要求，从而延长场发射阴极的寿命。同时，通过控制二次电子倍增过程，使得电子枪工作在饱和模式下，即使场发射初始电流出现涨落，电子枪的出口电流也是稳定的，确保电子枪的一致性。
12.优选的，所述场发阴极阵列有多个。
13.优选的，所述场发阴极和所述倍增组件均阵列有多个。
14.具体而言，所述场发阴极为金属尖锥、半导体尖锥、碳纳米管和石墨烯中的一种。
15.具体而言，所述倍增孔为柱形孔或条形槽，所述倍增孔的孔径或槽宽为0.1
‑
2mm。
16.具体而言，所述倍增材料层为碱土金属氧化物层。
17.具体而言，所述场发阴极表面覆盖有低逸出功材料层。
18.具体而言，所述倍增支撑件的材料为玻璃、半导体材料中的一种。
19.本实用新型还提供了一种x射线源，包括上述的电子枪。
20.本实用新型还提供了一种ct机，包括上述的x射线源。
21.本实用新型的有益效果：
22.1、本实用新型在场致发射阴极与阳极间，设置倾斜的倍增孔，以结合场致发射与二次电子倍增方的式的，在同样的输出电子束流强下，可以将场发射电流发射电流密度降低数倍至数百倍，从而延长了阴极的寿命；并且通过控制倍增增益，可以大大降低多个电子枪输出电子束流强的分散性。
23.2、本实用新型既保留了场发射阴极热功率小、响应快的优点，又通过二次电子倍增放大的方法降低了对场发射阴极初始发射电流的要求，从而延长场发射阴极的寿命；
24.3、本实用新型通过控制二次电子倍增过程，使得电子枪工作在饱和模式下，即使场发射初始电流出现涨落，电子枪的出口电流也是稳定的，确保电子枪的一致性。
附图说明
25.此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定。在附图中：
26.图1为现有的场致发射电子枪及基于该电子枪的x射线源原理图；
27.图2为本实用新型的电子枪及基于该电子枪的x射线源原理图；
28.图3为单个场致发射组件和单个电子倍增组件构成的电子枪及x射线源原理图；
29.图4为多个场致发射组件构成的发射阵列和单个电子倍增组件构成的电子枪及x射线源原理图；
30.图5为多个电子枪构成的发射阵列构成的电子枪及x射线源原理图。
31.附图中标记及对应的构件名称：
[0032]1‑
阴极基体，2
‑
场发阴极，3
‑
绝缘层，4
‑
栅极，5
‑
倍增支撑件，6
‑
场发射电子束，7
‑
倍增阴极，8
‑
倍增阳极，9
‑
倍增孔，10
‑
电子枪出口电流，11
‑
阳极，12
‑
x射线，13
‑
引出电子束流，14
‑
转换靶，15
‑
阳极筒，16
‑
绝缘部件，17
‑
真空室，18
‑
倍增阳极馈电线，19
‑
场致阴极馈电线，20
‑
倍增阴极馈电线，21
‑
电子枪筒，22
‑
电子枪单元，23
‑
场致发射组件，24
‑
初始电子束聚焦电极。
具体实施方式
[0033]
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。
[0034]
实施例1
[0035]
一种电子枪，包括场发阴极2、用于固定场发阴极2的阴极基体1、栅极4和阳极11，所述栅极4和阴极基体1之间设有绝缘层3，所述场发阴极2正对栅极4中部的通孔。还包括设于所述栅极4和阳极11之间的倍增组件；所述倍增组件包括倍增阴极7和倍增阳极8，所述倍增阴极7和倍增阳极8之间设有倍增支撑件5，所述倍增支撑件5设有倾斜的倍增孔9，所述倍增孔9孔壁覆盖有二次电子发射系数大于1倍增材料层，所述倍增孔9贯穿倍增阴极7和倍增阳极8，且所述倍增孔9一端正对栅极4中部的通孔。
[0036]
结合图4，优选的，所述场发阴极2阵列有多个，也就是说多个场发阴极1对应一个倍增组件。
[0037]
结合图5，优选的，所述场发阴极2和所述倍增组件均阵列有多个，也就是说一个场发阴极1对应一个倍增组件。
[0038]
具体而言，所述场发阴极2为金属尖锥、半导体尖锥、碳纳米管和石墨烯中的一种。
[0039]
具体而言，所述倍增孔9为柱形孔，所述倍增孔9的孔径为0.1
‑
2mm。
[0040]
具体而言，所述倍增材料层为铅等金属、氧化物电阻薄膜或半导体膜。
[0041]
具体而言，所述场发阴极2表面覆盖有铯、六硼化镧等低逸出功材料层，用于增强场发射电流、降低场致发射组件开启电压。
[0042]
具体而言，所述倍增支撑件5的材料为玻璃、半导体材料中的一种，或者采用高阻值的无机材料。
[0043]
具体的，采用单个场致发射组件和单个电子倍增组件构成电子枪，场致发射组件中，采用单个金属尖锥作为场致阴极2，金属尖锥最大直径在0.2
‑
3mm。
[0044]
本实施例的场发射阴极2与阴极基体1一体型或安装在阴极基体1上，两者电位一致；栅极4通过绝缘层3与阴极基体1实现电隔离；在阴极和栅极4上施加电压差u1(10v
‑
10kv)以在阴极表面形成尖端电场e1；阴极的尖端上通过场致发射原理发射出初始电子束，大部分初始电子穿过栅极4孔进入电子倍增组件。所述倍增支撑件5开设有倾斜的倍增孔9，能够使得电子在倍增孔9内多次撞击倍增孔9孔壁，且倍增孔9的下端与栅极4的孔对中，倍增孔9的上端为电子枪的出口；在倍增阴极7和倍增阳极8之间施加电压差u2(20v
‑
2kv)，使得倍增孔9内存在倍增电场e2。故来自栅极4孔的初始电子轰击到倍增支撑件5的倍增孔9孔壁并产生二次电子，由于倍增孔9孔壁材料的二次电子发射系数大于1，在电场加速作用下，电子经过多次轰击和倍增，到达倍增阳极8孔处的电子束流的强度i1远大于初始电子束的强度i0。
[0045]
作为电子枪的最重要的应用，在电子枪外采用高电压引出电子，引导其轰击靶部件，就可以产生x射线。如图2，电子枪阴极基体1和阳极11之间施加加速电压差u3形成加速电场e3，电子枪出口电子束流10被加速，穿过阳极11孔，成为高速电子束流13(束流强度为i2)，电子轰击靶14，经过韧致辐射原理产生x射线12。
[0046]
当倍增组件的工作增益g(g＝电子束流10的强度i1/初始电子束6的强度i0)较大，电子枪场发阴极2和阳极11之间的加速电场e3较低时，电子枪的实际输出电流强度i2<i1并且与i1无关，因此i0在一定范围内波动时i2不会变化。
[0047]
实施例2
[0048]
结合图2
‑
图5，一种x射线源，包括实施例1所述的电子枪。其中，电子枪工作在饱和模式下，倍增阳极出口的引出电子流强小于倍增组件的输出能力。
[0049]
实施例3
[0050]
一种ct机，包括实施例2所述的x射线源。
[0051]
以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。