本發(fā)明屬于x射線管，具體涉及一種基于雙靜電透鏡的冷陰極微焦點x射線管。

背景技術(shù)：

1、隨著現(xiàn)代工業(yè)無損檢測的需求越來越高，為了適應(yīng)各種各樣的檢測需求，x射線管技術(shù)也需要隨之不斷的發(fā)展進步，其中最核心的一點是提高x射線管的分辨率。x射線管的陰極電子槍相當于汽車的發(fā)動機，是x射線管的核心部件，它的性能直接影響到x射線管的分辨率、工作穩(wěn)定性以及使用壽命。

2、傳統(tǒng)x射線管一般采用熱陰極電子槍，需要通過直接或者間接加熱的方式使陰極達到上千度的高溫，電子由于熱運動從陰極表面發(fā)射出來?，F(xiàn)有熱陰極存在工作溫度高、壽命低、能量損失大、開關(guān)響應(yīng)慢、電流密度小、焦點尺寸大、分辨率低圖像模糊的缺陷，檢測精度難以達到要求。對此，人們提出了一種與熱陰極電子槍工作原理完全不同的冷陰極電子槍，其工作原理具體為：陰極在一定強度的電場條件下，電子通過隧穿效應(yīng)從陰極表面逸出，實現(xiàn)電子發(fā)射。冷陰極x射線管獨特的工作原理使其具備熱陰極x射線難以企及的優(yōu)勢。冷陰極x射線管無需高溫加熱，具有陰極溫度低、工作更加穩(wěn)定、功耗低、壽命長、電流密度更大的特點，同時也容易實現(xiàn)更小的焦點尺寸和超高分辨率。

3、現(xiàn)有冷陰極x射線管采用單靜電聚焦透鏡的電子槍結(jié)構(gòu)，對電子束的匯聚壓縮能力有限，為了實現(xiàn)更小的焦點通常需要減小陰極電子發(fā)射面積，但是這會使得陰極負荷太高、x射線管工作電流大幅降低，使用壽命和穩(wěn)定性也受到影響，因此現(xiàn)有冷陰極x射線管難以在保持發(fā)射面積的同時，實現(xiàn)更小的焦點尺寸。雖然在大型電子顯微鏡中也有通過多個電子透鏡形成電子光學系統(tǒng)使電子束能夠達到極高的分辨率，但是其主透鏡通常采用磁透鏡，磁透鏡零件結(jié)構(gòu)復雜體積龐大，難以小型化，價格也十分高昂，難以應(yīng)用到現(xiàn)有微焦點x射線管中。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對上述熱陰極x射線管與現(xiàn)有微焦點x射線管電子槍存在的問題，本發(fā)明提供了一種基于雙靜電透鏡的冷陰極微焦點x射線管，通過緊湊地設(shè)置多個聚焦電極，在電子束運行軌跡中依次形成兩個靜電聚焦透鏡，通過控制電場使電子束運動軌跡依次形成兩個與靜電聚焦透鏡對應(yīng)的焦點，以獲得壓縮倍率更小的焦點尺寸，進而顯著提升冷陰極微焦點x射線管的分辨率。

2、本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

3、一種基于雙靜電透鏡的冷陰極微焦點x射線管，包括外殼，位于外殼頂部的窗口，位于窗口下方的陽極組件，以及與外殼連接的陰極電子槍組件；

4、所述陽極組件包括陽極靶；

5、所述陰極電子槍組件包括陰極筒，以及位于陰極筒內(nèi)部的陰極、場發(fā)射材料、柵極、第一聚焦極、第二聚焦極、第三聚焦極、電極芯柱和電極引線；

6、所述陰極筒與外殼連通，外殼與窗口、陰極筒共同構(gòu)成密封環(huán)境；

7、所述第三聚焦極與陰極筒一體設(shè)置；所述電極芯柱位于陰極筒中與第三聚焦極相對的一端，并通過電極引線連接至柵極、第一聚焦極和第二聚焦極；所述陰極、柵極、第一聚焦極和第二聚焦極依次疊加設(shè)置，第二聚焦極位于第三聚焦極一側(cè)，陰極與陰極筒相連；所述陰極和第三聚焦極的電位相同，與柵極、第一聚焦極和第二聚焦極之間形成電勢差；所述場發(fā)射材料置于陰極中與柵極相鄰的一面，處于電子發(fā)射區(qū)域；所述柵極、第一聚焦極、第二聚焦極和第三聚焦極的中心均開有通孔，通孔中心與陽極靶中心同軸。

8、進一步地，所述陰極電子槍組件還包括第一絕緣環(huán)、第二絕緣環(huán)和第三絕緣環(huán)；其中，第一絕緣環(huán)位于陰極和柵極之間；第二絕緣環(huán)位于柵極和第一聚焦極之間；第三絕緣環(huán)位于第一聚焦極和第二聚焦極之間。

9、進一步地，所述陰極電子槍組件還包括分別與柵極、第一聚焦極和第二聚焦極對應(yīng)的電極組件，各電極組件包括電極螺桿和絕緣柱；

10、所述陰極、柵極、第一聚焦極和第二聚焦極均設(shè)有與電極螺桿配套的通孔，通過貫穿的電極螺桿，實現(xiàn)陰極、柵極、第一聚焦極和第二聚焦極的電氣連接與固定；所述絕緣柱套接在電極螺桿上，使電極螺桿與陰極相隔離；

11、所述電極芯柱分別通過依次的電極引線和電極螺桿，連接至對應(yīng)的柵極、第一聚焦極和第二聚焦極。

12、進一步地，所述陰極、柵極、第一聚焦極共同構(gòu)成第一靜電聚焦透鏡，第二聚焦極、第三聚焦極、陽極組件構(gòu)成第二靜電聚焦透鏡。

13、進一步地，所述陰極包括圓盤基座和位于圓盤基座中心的凸臺，凸臺的直徑和高度根據(jù)需求調(diào)節(jié)，場發(fā)射材料位于凸臺中心。

14、進一步地，所述陰極的通孔內(nèi)部具有下沉臺階，用于對絕緣柱進行限位。

15、進一步地，所述柵極的結(jié)構(gòu)為中間具有下沉臺面的圓盤，下沉臺面中心開有第一通孔，下沉臺面的厚度設(shè)置為100~350?μm。

16、進一步地，所述凸臺與下沉臺面之間的間距為200~500?μm。

17、進一步地，所述第一聚焦極的結(jié)構(gòu)為中心開有通孔的圓盤，通孔具體為直徑為0.5~2?mm的圓孔。

18、進一步地，所述第一聚焦極包括自上而下依次連接的空心圓盤、梯形環(huán)和圓柱碗，共同形成向上開口的喇叭狀結(jié)構(gòu)；其中，在圓柱碗的底面中心開有第二通孔；梯形環(huán)與圓柱碗的相接處設(shè)有臺階，用于放置開孔電極；開孔電極的中心開有第三通孔；圓柱碗沉入柵極的下沉臺面內(nèi)，圓柱碗與下沉臺面的間距為0.5~2?mm。

19、進一步地，所述第二聚焦極的結(jié)構(gòu)為中間開有第四通孔的圓盤，第四通孔的形狀為圓形或具有圓弧狀寬邊的第一矩形，第一矩形的長直邊與陽極組件的同心軸垂直。

20、進一步地，所述第三聚焦極的結(jié)構(gòu)為中間開有第五通孔的圓盤。

21、進一步地，所述第二聚焦極的第四通孔與第三聚焦極的第五通孔的尺寸為10~20mm。

22、進一步地，所述第一聚焦極到第三聚焦極的距離，與第三聚焦極到陽極靶的距離相同，以形成更加對稱的透鏡結(jié)構(gòu)。

23、進一步地，所述陽極靶緊貼在窗口下表面，柵極、第一聚焦極、第二聚焦極和第三聚焦極的通孔中心與陽極靶中心、窗口中心同軸，此時第五通孔的形狀優(yōu)選為圓形。

24、進一步地，所述陽極組件還包括與窗口中心同軸的陽極棒、陽極罩、陽極頭、陽極帽和可伐筒，軸線垂直穿過窗口；其中，陽極棒的底部與外殼相連，陽極罩套接在陽極棒下方，可伐筒套接在陽極棒底部，陽極頭位于陽極棒頂部，陽極帽套接在陽極頭頂部；陽極頭的頂面為斜面，陽極靶置于陽極頭頂面；陽極帽的側(cè)面設(shè)有第一開孔，頂部設(shè)有中心與陽極組件的軸線共線的第二開孔；

25、所述柵極、第一聚焦極、第二聚焦極和第三聚焦極的通孔中心與第一開孔中心、陽極靶中心同軸，軸線與陽極組件的軸線相垂直；

26、此時第五通孔的形狀優(yōu)選為第二矩形。

27、進一步地，所述基于雙靜電透鏡的冷陰極微焦點x射線管還包括設(shè)置在外殼側(cè)壁的排氣管，利用排氣管排氣后，使密封環(huán)境內(nèi)為高真空。

28、本發(fā)明提出的基于雙靜電透鏡的冷陰極微焦點x射線管的工作原理為：

29、對陽極組件施加電壓，形成陽極高壓電場；陰極和第三聚焦極接地，利用電極芯柱向柵極、第一聚焦極和第二聚焦極施加電壓；置于陰極上方的場發(fā)射材料在場致發(fā)射作用下產(chǎn)生電子；電子在柵極電場下從柵極中心的通孔穿過形成向陽極組件運動的電子束；電子束在由陰極、柵極、第一聚焦極電場形成的第一靜電聚焦透鏡下發(fā)生第一次匯聚形成第一次聚焦點，之后發(fā)散；電子束繼續(xù)在第二聚焦極、第三聚焦極以及陽極電場形成的第二靜電聚焦透鏡下發(fā)生第二次匯聚，并在陽極靶形成第二次聚焦點；電子束在陽極電場的加速下轟擊陽極靶，陽極靶在電子束的轟擊下產(chǎn)生x射線，x射線經(jīng)第二開孔、窗口射出。

30、通過調(diào)整陰極、柵極、第一聚焦極、第二聚焦極、第三聚焦極之間的間距，以及施加在第一聚焦極和第二聚焦極上的電壓，可以分別控制改變兩個靜電聚焦透鏡的聚焦特性，從而控制匯聚在陽極靶上的電子束焦點位置與尺寸。

31、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下：

32、本發(fā)明提出了一種基于雙靜電透鏡的冷陰極微焦點x射線管，采用多個聚焦極，并通過電極螺桿進行連接固定，陰極、柵極和第一聚焦極共同構(gòu)成第一靜電聚焦透鏡，第二聚焦極、第三聚焦極和陽極組件構(gòu)成第二靜電聚焦透鏡。形成一個緊湊的具有兩個靜電聚焦透鏡的冷陰極電子槍組件；冷陰極發(fā)射的電子通過柵極電場加速后，在第一靜電透鏡作用下形成第一次聚焦焦點，位于第一聚焦極和開孔電極之間。第一次聚焦點截面積比陰極面小很多，并且電子束從第一次聚焦點出射后的發(fā)散角大大降低，電子束可以以較小的角度進入第二靜電聚焦透鏡。第一靜電聚焦透鏡的像點作為第二靜電聚焦透鏡的物點，然后在第二靜電聚焦透鏡作用下形成更小的第二次聚焦點，第二靜電聚焦透鏡的聚焦效果得到極大提高，因此可以獲得遠小于現(xiàn)有單靜電聚焦透鏡微焦點x射線管的電子束斑，第二次聚焦點位于陽極靶上。本發(fā)明通過調(diào)整對多個聚焦極施加的電壓，以及陰極、柵極和多個聚焦極之間的間距，使電子束在運動過程中依次聚焦形成對應(yīng)的兩個焦點，并在陽極靶上實現(xiàn)更小尺寸的匯聚焦點；相比于現(xiàn)有的電子槍結(jié)構(gòu)，本發(fā)明可提升對電子束的匯聚壓縮能力，降低對陰極發(fā)射電流密度的高要求，在不增加電子槍尺寸也不影響發(fā)射面積的情況下進一步縮小匯聚焦點尺寸，使x射線管能夠達到更高的分辨率，同時對電子槍零件的精度要求也得到減小，加工和裝配難度大大降低。