[0032]陽(yáng)極4為中間開(kāi)有通孔的金屬圓柱，固定在絕緣管體I的開(kāi)口一端的內(nèi)壁上；所述通孔與所述電子束發(fā)射口同軸；
[0033]陽(yáng)極靶5:設(shè)置在陽(yáng)極4的通孔中，朝向陰極8的一側(cè)表面為激發(fā)面，并與所述電子束的出射方向成45°角。選用Al靶，在4000eV的高能電子束的轟擊下，產(chǎn)生特征峰在1.5keV的X射線。
[0034]濾波片9:采用與陽(yáng)極靶5材相同的材料(50 μ m Al)，用于X射線的能量單色化。
[0035]高壓電源:通過(guò)電阻分壓給柵極2、聚焦極3和陽(yáng)極供電。
[0036]低壓脈沖電源:直接給陰極8供電，控制陰極8表面的電場(chǎng)強(qiáng)度，調(diào)制電子束的發(fā)射，從而實(shí)現(xiàn)X射線的脈沖化。
[0037]圖2中給出了基于碳納米管場(chǎng)致發(fā)射的微型X射線源中電子源部分的電子光學(xué)模擬，在陰極8、柵極2、聚焦極3、陽(yáng)極4的電壓分別為-100V、2000V、200V、4000V時(shí)，上述結(jié)構(gòu)的電子源發(fā)射的電子束在陽(yáng)極靶5上的焦斑(FWHM)小于0.2mm。
[0038]陰極8場(chǎng)致發(fā)射的原理:
[0039]在外加電場(chǎng)的作用下，陰極8表面勢(shì)皇的高度降低、寬度變窄，當(dāng)陰極8表面的電場(chǎng)強(qiáng)度大于場(chǎng)致發(fā)射的臨界值，發(fā)射體內(nèi)的大量電子由于量子隧道效應(yīng)，穿透表面勢(shì)皇而逸出O
[0040]碳納米管的制備:
[0041]碳納米管薄膜10的制備采用化學(xué)氣相沉積法(CVD)在金屬表面生長(zhǎng)一層極薄的碳納米管薄膜10，薄膜內(nèi)包含無(wú)數(shù)的碳納米管尖端。利用CVD方法在催化金屬膜上制備碳納米管的生長(zhǎng)過(guò)程大致包括兩個(gè)主要階段:生長(zhǎng)初期和催化生長(zhǎng)期。
[0042](a)生長(zhǎng)初期:金屬催化劑薄膜在高溫和活性反應(yīng)氣體的共同作用下，金屬薄膜開(kāi)始融化，在基片表面形成一層納米級(jí)金屬顆粒。熱解產(chǎn)生的活性碳基團(tuán)在催化劑與氣體接觸的表面被溶解，并在催化劑顆粒的內(nèi)部擴(kuò)散。若催化劑顆粒與基片間有較好的附著力，則催化劑顆粒將位于碳納米管的底部；若金屬催化劑顆粒與基片附著力低，則催化劑顆粒將位于碳納米管的頂端。同時(shí)這些金屬顆粒吸收反應(yīng)氣體中的碳原子。
[0043](b)催化生長(zhǎng)期:碳納米管在這一生長(zhǎng)過(guò)程中，金屬層表面上仍不斷有碳源氣體被分解和吸附。然后，在催化劑顆粒中游離的碳被溶解并進(jìn)行擴(kuò)散。當(dāng)催化金屬顆粒對(duì)碳的吸附達(dá)到飽和時(shí)，碳原子開(kāi)始從金屬顆粒中析出而生成碳納米管。金屬顆粒不斷的從反應(yīng)氣體中吸收碳原子，以此維持碳納米管的生長(zhǎng)。
[0044]濾波片9的通過(guò)率與X射線的能量相關(guān)，通常采用與陽(yáng)極4相同的材料作為濾波片9的材料，使得靶材的特征譜線大部分通過(guò)濾波片9而在X射線連續(xù)譜則被衰減。對(duì)于Al的K α特征譜線(1.5keV)，選擇50 μ m Al濾波片9，該濾波片9的通過(guò)率隨X射線的能量變化的關(guān)系和經(jīng)過(guò)濾波器的X射線模擬譜如圖3所示。
[0045]電源供電:
[0046]柵極2、聚焦極3和陽(yáng)極4通過(guò)高精度電阻分壓的方式共用I臺(tái)4keV的高壓電源進(jìn)行供電。柵極2電壓采用實(shí)驗(yàn)測(cè)量給出陰極8場(chǎng)致發(fā)射的電壓臨界值；聚焦極3電壓在電子光學(xué)模擬結(jié)果(200V)的基礎(chǔ)上，再通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量給出電子束聚焦效果最好時(shí)的電壓值，陽(yáng)極4電壓選用4kV。陰極8通過(guò)一臺(tái)獨(dú)立的-100V脈沖電源進(jìn)行供電。
[0047]根據(jù)碳納米管場(chǎng)致發(fā)射的臨界電壓和電子光學(xué)計(jì)算，柵極2膜孔為Imm時(shí)的陰極8與柵極2之間的距離為0.5mm ；
[0048]為了將電子束更好的聚焦于陽(yáng)極靶5表面以及提高電子束傳輸效率和X射線的發(fā)射效率，根據(jù)電子光學(xué)計(jì)算給出聚焦極3的孔徑為4mm、厚度為2mm，并且與柵極2和陽(yáng)極4的距離都為2mm。
[0049]綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于碳納米管場(chǎng)致發(fā)射的微型X射線源，其特征在于，包括絕緣管體(I)、陰極(8)、柵極(2)、聚焦極(3)、陽(yáng)極(4)、陽(yáng)極靶(5)以及濾波片(9); 所述絕緣管體(I)為絕緣材料加工而成的空心圓柱體，一端開(kāi)口，另一端封閉； 所述陰極(8)在絕緣管體(I)的內(nèi)部固定安裝在其封閉一端的底部，陰極(8)朝向開(kāi)口端的表面生長(zhǎng)一層碳納米管薄膜(10); 所述柵極(2)為采用金屬材料加工而成的空心圓柱體，一端開(kāi)口，另一端封閉；封閉一端的中部設(shè)有電子束發(fā)射口 ；所述柵極(2)罩在所述陰極(8)之上，柵極(2)的外表面與所述絕緣管體(I)的內(nèi)壁固定連接；所述柵極(2)的電子束發(fā)射口對(duì)準(zhǔn)并靠近碳納米管薄膜(10)； 所述聚焦極(3)為中間開(kāi)孔的金屬圓盤，固定在絕緣管體(I)內(nèi)的柵極(2)前方，所述中間的開(kāi)孔與所述電子束發(fā)射口同軸； 所述陽(yáng)極(4)為中間開(kāi)有通孔的金屬圓柱，固定在絕緣管體(I)的開(kāi)口一端的內(nèi)壁上；所述通孔與所述電子束發(fā)射口同軸； 所述陽(yáng)極(4)的通孔中設(shè)置鋁制的陽(yáng)極靶(5);所述陽(yáng)極靶(5)朝向陰極(8)的一側(cè)表面為激發(fā)面，并與所述電子束的出射方向成45°角； 在與所述激發(fā)面相對(duì)應(yīng)的位置，所述陽(yáng)極(4)和絕緣管體(I)上開(kāi)有X射線出射孔； 所述X射線出射的路徑上設(shè)有鋁金屬濾波片(9)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于碳納米管場(chǎng)致發(fā)射的微型X射線源，其特征在于，所述柵極⑵的電子束發(fā)射孔直徑為1mm，柵極⑵與陰極⑶的距離為0.5mm ;聚焦極⑶的孔徑為4mm，聚焦極(3)厚度為2mm，與柵極⑵和陽(yáng)極(4)的距離均為2mm。
3.如權(quán)利要求1所述的一種基于碳納米管場(chǎng)致發(fā)射的微型X射線源，其特征在于，所述絕緣管體(I)的材料為陶瓷材料。
4.如權(quán)利要求1所述的一種基于碳納米管場(chǎng)致發(fā)射的微型X射線源，其特征在于，所述濾波片(9)的厚度為50 μ m。
5.如權(quán)利要求1所述的一種基于碳納米管場(chǎng)致發(fā)射的微型X射線源，其特征在于，還包括為所述陰極⑶供電的-100V的低壓脈沖電源(6)。
6.如權(quán)利要求1所述的一種基于碳納米管場(chǎng)致發(fā)射的微型X射線源，其特征在于，還包括高壓電源(7)，為柵極(2)提供2000V電壓，為聚焦極(3)提供200V電壓，為陽(yáng)極⑷提供4000V電壓。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于碳納米管場(chǎng)致發(fā)射的微型X射線源，場(chǎng)致發(fā)射陰極工作溫度低、功耗小，易于實(shí)現(xiàn)X射線源的微小型化，適用于X射線探測(cè)器的在軌標(biāo)定。場(chǎng)致電子發(fā)射不存在時(shí)間延遲性，產(chǎn)生的脈沖X射線具有極高的時(shí)間分辨率，并且可編程發(fā)射X射線，適用于X射線探測(cè)器的時(shí)間特性標(biāo)定。碳納米管場(chǎng)致發(fā)射的效率高、性能穩(wěn)定、壽命較長(zhǎng)，并且陰極表面的電場(chǎng)強(qiáng)度不需要太高就能產(chǎn)生較強(qiáng)的電子束流。場(chǎng)致發(fā)射產(chǎn)生的電子束轟擊陽(yáng)極靶的焦斑可通過(guò)聚焦極的電壓進(jìn)行控制，使得X射線的發(fā)射效率和穩(wěn)定性更高。出射窗口采用與陽(yáng)極靶材相同的材料(Al)，對(duì)X射線進(jìn)行單色化，可用于X射線探測(cè)器能量特性的標(biāo)定。
【IPC分類】H01J35-06, H01J35-24, H01J35-16, H01J35-08
【公開(kāi)號(hào)】CN104867800
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510250363
【發(fā)明人】史鈺峰, 邵飛, 孫書坤, 宋娟, 金東東, 胡慧君
【申請(qǐng)人】山東航天電子技術(shù)研究所
【公開(kāi)日】2015年8月26日
【申請(qǐng)日】2015年5月15日