一种微型X射线管阴极组件及其制备方法技术

本发明专利技术属于光学技术领域，公开了一种微型X射线管阴极组件及其制备方法。该微型X射线管阴极组件包括多晶体稀土硼化物尖锥、石墨套、钨丝、接线柱和底座；多晶体稀土硼化物尖锥设置在石墨套的端部，钨丝设置在石墨套的外侧表面，接线柱的一端与底座连接，接线柱的另一端与钨丝连接。本发明专利技术微型X射线管阴极组件通过钨丝发热，传导给石墨套，再去加热多晶体稀土硼化物尖锥，从而实现热电子发射；本发明专利技术微型X射线管阴极组件的使用寿命长，发射电流密度高，工作温度在1600℃时，发射电流密度高达25.2A/cm2，是传统钨灯丝的5

【技术实现步骤摘要】
一种微型X射线管阴极组件及其制备方法


[0001]本专利技术属于光学
，特别涉及一种微型X射线管阴极组件及其制备方法。

技术介绍

[0002]X射线广泛应用于健康检查、癌症放疗、安全检查、工业探伤、材料分析等领域。目前，X射线主要是通过热阴极X射线管产生，其主要包括一个热发射阴极和阳极，电子从热阴极发射后被加速，高能电子轰击到阳极并在阳极发生韧致辐射和原子内壳层电子跃迁，从而产生X射线。由于热发射阴极具有体积大、功耗高、开关延迟时间长等特点，热阴极X射线管一般也具有较大的体积、较高的功耗和较长的开关响应时间。这些问题限制了传统热发射阴极X射线管在很多场景的应用。另一方面，X射线动态成像系统、轻小型X射线医学成像系统、近距离电学X射线放疗设备、便携式X射线检测和分析装置等新型X射线仪器的应用需求越来越大，这些仪器的关键核心部件就是微型X射线源。因此，微型X射线源是一种重要的、需求越来越大的电子元器件。微型X射线管的关键在于阴极。随着显微技术的不断发展，对阴极发射材料提出了高亮度、高分辨率、低工作温度、长寿命等高要求，这就需要开发出发射性能更为优异的阴极材料。阴极材料发射性能的提高与材料的逸出功紧密相关，通常固体内部存在大量的自由电子，但由于表面势垒存在的自由电子在常温下无法逸出固体表面。为了使自由电子从固体表面逸出，就必须补充能量，使其摆脱原子核束缚。根据补充能量的形式不同，电子发射主要分为热电子发射、光电子发射、场致电子发射、次级电子发射。热电子发射是指通过加热的方式使固体内部自由电子获得足够多的能量，从而克服表面势垒，逸出固体表面。目前，适合用于热电子发射阴极的材料主要有难熔的纯金属(钨、钼、铼、钽等)、在纯金属阴极表面包覆稀土氧化物形成的原子薄膜阴极、将碱土金属碳酸盐涂抹在金属表面形成氧化物阴极、储备式阴极等几种。在微型X射线源领域中，主要使用钨灯丝作为阴极材料，比如美国Ametek的Mini
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X2、MOXTEK公司的Monoblock系列产品，以及中国科颐维电子开发的NSI手持式产品系列、斯派锐电子开发的SPR502手持式系列等。此外，基于碳纳米管、ZnO纳米线、LaB6纳米线等纳米材料场发射电子源用于微型X射线源，也有大量的探索研究。和钨金属阴极相比，稀土六硼化物材料具有逸出功低、熔点高、硬度大、热稳定性和化学稳定性高，以及低挥发特性、优良的热发射特性、抗残余气体污染能力、良好的力学性能和电子发射性能，现在已成功应用于等离子体源、扫描电镜、透射电镜、电子束曝光机、电子束焊机、俄歇能谱仪及电子探针等多种大型设备中，并且这种应用场景主要是单晶稀土六硼化物材料。但是，单晶稀土六硼化物材料的制备过程复杂，成本较高，且不适于小型化设备的应用。
[0003]单尖锥阴极发射体是一种常见的热电子发射阴极，所使用的材料体系主要包括钨、锆、金属氧化物、碳纤维和六硼化镧等。尖锥的加工方法主要有湿化学腐蚀法、高温氧等离子体刻蚀法、电化学腐蚀法等，然而这些加工方法由于环保性、加工效率以及对尖锥曲率半径的控制方面，均存在一定的局限性。对于六硼化镧尖锥，目前在扫描电子显微镜等应用中，主要是使用单晶结构的六硼化镧，生产成本较高，难以在微型X射线管中应用。现有的微
型X射线管主要基于钨基金属丝的热电子发射，由于钨的电子逸出功较高，从而导致这类微型X射线管的发射电流密度小、使用寿命短，工作温度在2200
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2400℃时，发射电流密度为0.3
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0.7A/cm2，整体性能有待进一步提高。

技术实现思路

[0004]本专利技术旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术提供一种微型X射线管阴极组件及其制备方法，该微型X射线管阴极组件具有发射电流密度高、使用寿命长、工作温度低的特点，且制备方法简单。
[0005]本专利技术第一方面提供一种微型X射线管阴极组件，包括多晶体稀土硼化物尖锥、石墨套、钨丝、接线柱和底座；所述多晶体稀土硼化物尖锥设置在所述石墨套的端部，所述钨丝设置在所述石墨套的外侧表面，所述接线柱的一端与所述底座连接，所述接线柱的另一端与所述钨丝连接。
[0006]根据本专利技术的一些实施方式，所述多晶体稀土硼化物尖锥的高度≤2.5毫米，尖端锥角为30
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60度，锥底直径≤1.5毫米。
[0007]根据本专利技术的一些实施方式，所述多晶体稀土硼化物尖锥的高度约为2毫米，尖端锥角为60度，锥底直径约为1毫米。
[0008]根据本专利技术的一些实施方式，所述多晶体稀土硼化物尖锥的成分包括LaB6、CeB6、GdB6、YB6中的至少一种。
[0009]根据本专利技术的一些实施方式，所述多晶体稀土硼化物尖锥嵌套在所述石墨套的端部。通过嵌套的方式，采用石墨套来传热给多晶体稀土硼化物尖锥，热量会更加均匀，如果直接在多晶体稀土硼化物尖锥表面缠绕钨丝进行发热传给尖锥，很难达到均匀的温度。
[0010]根据本专利技术的一些实施方式，所述钨丝缠绕在所述石墨套的外侧表面。将钨丝通过缠绕缠绕在石墨套的外侧表面，对石墨套有夹持、固定的作用，同时加热热量也更加均匀；钨丝发热，首先传给石墨套，石墨套发热后再去均匀加热多晶体稀土硼化物尖锥。
[0011]根据本专利技术的一些实施方式，所述接线柱的数量为两个，分别固定在所述底座上。
[0012]根据本专利技术的一些实施方式，所述底座为绝缘陶瓷底座。
[0013]本专利技术第二方面提供上述微型X射线管阴极组件的制备方法，包括以下步骤：
[0014]将稀土硼化物粉末采用放电等离子体烧结法或者直流热压烧结法制得多晶体稀土硼化物块状物；
[0015]将多晶体稀土硼化物块状物进行加工，得到所述多晶体稀土硼化物尖锥；
[0016]将所述多晶体稀土硼化物尖锥、所述石墨套、所述钨丝、所述接线柱和所述底座进行组装，得到所述微型X射线管阴极组件。
[0017]根据本专利技术的一些实施方式，在进行组装前，还包括步骤：将所述多晶体稀土硼化物尖锥与熔盐混合进行热处理。
[0018]根据本专利技术的一些实施方式，所述熔盐包括LiCl、NaCl和KCl中的至少一种。
[0019]根据本专利技术的一些实施方式，所述热处理的温度为800
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1000℃，热处理的时间为0.5
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2小时。
[0020]根据本专利技术的一些实施方式，所述加工为采用精密磨床进行加工。
[0021]相对于现有技术，本专利技术的有益效果如下：
[0022]本专利技术微型X射线管阴极组件通过钨丝发热，传导给石墨套，再去加热多晶体稀土硼化物尖锥，从而实现热电子发射，在1600℃工作温度下，由于稀土硼化物的高温蒸发速率较低，是钨丝的几分之一，传统热电子发射阴极材料钨灯丝大约是五千小时工作时间，而稀土硼化物大约是2万小时，因此本专利技术微型X射线管阴极组件的使用寿命更长。
[0023]本专利技术微型X射线管阴极组件的发射电流密度高，工作温度在1600℃时，发射电流密度高达25.2A/cm2，是传本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微型X射线管阴极组件，其特征在于，包括多晶体稀土硼化物尖锥、石墨套、钨丝、接线柱和底座；所述多晶体稀土硼化物尖锥设置在所述石墨套的端部，所述钨丝设置在所述石墨套的外侧表面，所述接线柱的一端与所述底座连接，所述接线柱的另一端与所述钨丝连接。2.根据权利要求1所述的微型X射线管阴极组件，其特征在于，所述多晶体稀土硼化物尖锥的高度≤2.5毫米，尖端锥角为30
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60度，锥底直径≤1.5毫米。3.根据权利要求1所述的微型X射线管阴极组件，其特征在于，所述多晶体稀土硼化物尖锥的成分包括LaB6、CeB6、GdB6、YB6中的至少一种。4.根据权利要求1所述的微型X射线管阴极组件，其特征在于，所述多晶体稀土硼化物尖锥嵌套在所述石墨套的端部。5.根据权利要求1所述的微型X射线管阴极组件，其特征在于，所述钨丝缠绕在所述石墨套的外侧表面。6.权利要求1
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【专利技术属性】
技术研发人员：李杰辉，胡乔岳，胡柱东，
申请(专利权)人：佛山科学技术学院，
类型：发明
国别省市：