[0032]阳极4为中间开有通孔的金属圆柱，固定在绝缘管体I的开口一端的内壁上；所述通孔与所述电子束发射口同轴；
[0033]阳极靶5:设置在阳极4的通孔中，朝向阴极8的一侧表面为激发面，并与所述电子束的出射方向成45°角。选用Al靶，在4000eV的高能电子束的轰击下，产生特征峰在1.5keV的X射线。
[0034]滤波片9:采用与阳极靶5材相同的材料(50 μ m Al)，用于X射线的能量单色化。
[0035]高压电源:通过电阻分压给栅极2、聚焦极3和阳极供电。
[0036]低压脉冲电源:直接给阴极8供电，控制阴极8表面的电场强度，调制电子束的发射，从而实现X射线的脉冲化。
[0037]图2中给出了基于碳纳米管场致发射的微型X射线源中电子源部分的电子光学模拟，在阴极8、栅极2、聚焦极3、阳极4的电压分别为-100V、2000V、200V、4000V时，上述结构的电子源发射的电子束在阳极靶5上的焦斑(FWHM)小于0.2mm。
[0038]阴极8场致发射的原理:
[0039]在外加电场的作用下，阴极8表面势皇的高度降低、宽度变窄，当阴极8表面的电场强度大于场致发射的临界值，发射体内的大量电子由于量子隧道效应，穿透表面势皇而逸出O
[0040]碳纳米管的制备:
[0041]碳纳米管薄膜10的制备采用化学气相沉积法(CVD)在金属表面生长一层极薄的碳纳米管薄膜10，薄膜内包含无数的碳纳米管尖端。利用CVD方法在催化金属膜上制备碳纳米管的生长过程大致包括两个主要阶段:生长初期和催化生长期。
[0042](a)生长初期:金属催化剂薄膜在高温和活性反应气体的共同作用下，金属薄膜开始融化，在基片表面形成一层纳米级金属颗粒。热解产生的活性碳基团在催化剂与气体接触的表面被溶解，并在催化剂颗粒的内部扩散。若催化剂颗粒与基片间有较好的附着力，则催化剂颗粒将位于碳纳米管的底部；若金属催化剂颗粒与基片附着力低，则催化剂颗粒将位于碳纳米管的顶端。同时这些金属颗粒吸收反应气体中的碳原子。
[0043](b)催化生长期:碳纳米管在这一生长过程中，金属层表面上仍不断有碳源气体被分解和吸附。然后，在催化剂颗粒中游离的碳被溶解并进行扩散。当催化金属颗粒对碳的吸附达到饱和时，碳原子开始从金属颗粒中析出而生成碳纳米管。金属颗粒不断的从反应气体中吸收碳原子，以此维持碳纳米管的生长。
[0044]滤波片9的通过率与X射线的能量相关，通常采用与阳极4相同的材料作为滤波片9的材料，使得靶材的特征谱线大部分通过滤波片9而在X射线连续谱则被衰减。对于Al的K α特征谱线(1.5keV)，选择50 μ m Al滤波片9，该滤波片9的通过率随X射线的能量变化的关系和经过滤波器的X射线模拟谱如图3所示。
[0045]电源供电:
[0046]栅极2、聚焦极3和阳极4通过高精度电阻分压的方式共用I台4keV的高压电源进行供电。栅极2电压采用实验测量给出阴极8场致发射的电压临界值；聚焦极3电压在电子光学模拟结果(200V)的基础上，再通过实验测量给出电子束聚焦效果最好时的电压值，阳极4电压选用4kV。阴极8通过一台独立的-100V脉冲电源进行供电。
[0047]根据碳纳米管场致发射的临界电压和电子光学计算，栅极2膜孔为Imm时的阴极8与栅极2之间的距离为0.5mm ；
[0048]为了将电子束更好的聚焦于阳极靶5表面以及提高电子束传输效率和X射线的发射效率，根据电子光学计算给出聚焦极3的孔径为4mm、厚度为2mm，并且与栅极2和阳极4的距离都为2mm。
[0049]综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种基于碳纳米管场致发射的微型X射线源，其特征在于，包括绝缘管体(I)、阴极(8)、栅极(2)、聚焦极(3)、阳极(4)、阳极靶(5)以及滤波片(9); 所述绝缘管体(I)为绝缘材料加工而成的空心圆柱体，一端开口，另一端封闭； 所述阴极(8)在绝缘管体(I)的内部固定安装在其封闭一端的底部，阴极(8)朝向开口端的表面生长一层碳纳米管薄膜(10); 所述栅极(2)为采用金属材料加工而成的空心圆柱体，一端开口，另一端封闭；封闭一端的中部设有电子束发射口 ；所述栅极(2)罩在所述阴极(8)之上，栅极(2)的外表面与所述绝缘管体(I)的内壁固定连接；所述栅极(2)的电子束发射口对准并靠近碳纳米管薄膜(10)； 所述聚焦极(3)为中间开孔的金属圆盘，固定在绝缘管体(I)内的栅极(2)前方，所述中间的开孔与所述电子束发射口同轴； 所述阳极(4)为中间开有通孔的金属圆柱，固定在绝缘管体(I)的开口一端的内壁上；所述通孔与所述电子束发射口同轴； 所述阳极(4)的通孔中设置铝制的阳极靶(5);所述阳极靶(5)朝向阴极(8)的一侧表面为激发面，并与所述电子束的出射方向成45°角； 在与所述激发面相对应的位置，所述阳极(4)和绝缘管体(I)上开有X射线出射孔； 所述X射线出射的路径上设有铝金属滤波片(9)。
2.如权利要求1所述的一种基于碳纳米管场致发射的微型X射线源，其特征在于，所述栅极⑵的电子束发射孔直径为1mm，栅极⑵与阴极⑶的距离为0.5mm ;聚焦极⑶的孔径为4mm，聚焦极(3)厚度为2mm，与栅极⑵和阳极(4)的距离均为2mm。
3.如权利要求1所述的一种基于碳纳米管场致发射的微型X射线源，其特征在于，所述绝缘管体(I)的材料为陶瓷材料。
4.如权利要求1所述的一种基于碳纳米管场致发射的微型X射线源，其特征在于，所述滤波片(9)的厚度为50 μ m。
5.如权利要求1所述的一种基于碳纳米管场致发射的微型X射线源，其特征在于，还包括为所述阴极⑶供电的-100V的低压脉冲电源(6)。
6.如权利要求1所述的一种基于碳纳米管场致发射的微型X射线源，其特征在于，还包括高压电源(7)，为栅极(2)提供2000V电压，为聚焦极(3)提供200V电压，为阳极⑷提供4000V电压。
【专利摘要】本发明公开了一种基于碳纳米管场致发射的微型X射线源，场致发射阴极工作温度低、功耗小，易于实现X射线源的微小型化，适用于X射线探测器的在轨标定。场致电子发射不存在时间延迟性，产生的脉冲X射线具有极高的时间分辨率，并且可编程发射X射线，适用于X射线探测器的时间特性标定。碳纳米管场致发射的效率高、性能稳定、寿命较长，并且阴极表面的电场强度不需要太高就能产生较强的电子束流。场致发射产生的电子束轰击阳极靶的焦斑可通过聚焦极的电压进行控制，使得X射线的发射效率和稳定性更高。出射窗口采用与阳极靶材相同的材料(Al)，对X射线进行单色化，可用于X射线探测器能量特性的标定。
【IPC分类】H01J35-06, H01J35-24, H01J35-16, H01J35-08
【公开号】CN104867800
【申请号】CN201510250363
【发明人】史钰峰, 邵飞, 孙书坤, 宋娟, 金东东, 胡慧君
【申请人】山东航天电子技术研究所
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年5月15日