一种冷阴极X射线源及其应用

电气元件制品的制造及其应用技术一种冷阴极x射线源及其应用技术领域1.本发明涉及x射线技术领域，更具体地，涉及一种冷阴极x射线源及其应用。背景技术：2.x射线是一种电磁波，其特点为波长短、能量高，可用于临床诊断及治疗、安检、无损探伤、材料分析等诸多领域。3.目前商用的x射线源主要为热阴极x射线源。热阴极x射线源由阴极灯丝产生电子，电极经聚焦极聚焦并通过加速装置加速后轰击在阳极靶上产生x射线。热阴极x射线源的阴极为热阴极材料制备的灯丝，原理是对灯丝加热从而产生热电子发射。因此，热阴极x射线源存在工作温度高、响应速度慢、寿命短、体积大、能耗高等缺点。冷阴极x射线源使用场发射阴极作为电子源，可以解决上述热阴极x射线源的问题。此外，对于曲面(比如球形曲面)出光的热阴极x射线源，由于阴极发射的电子束为放射状，电子束只能部分地轰击在曲面阳极透射靶上，因此热阴极x射线源难以实现在曲面上均匀出光。4.近年来对冷阴极x射线源的研究较为热门，但是，随着应用场景的拓展，对冷阴极x射线源的性能要求也越来越高。比如，在诊断中管道、空心物体等狭小空间的医学成像中，以及人体瘤床、人体自然腔内的肿瘤放疗治疗中均需要使用在曲面或多面方向均匀分布的x射线，以达到较好的成像和治疗效果。现有实现x射线均匀出射的方法是在阴极设置带栅聚焦结构，通过聚焦极控制电子束尺寸来控制阳极出射的x射线微焦斑的尺寸，从而实现x射线均匀出光。但是，该方法的冷阴极x射线源结构复杂、带栅聚焦结构的制作工艺与冷阴极电子源的制作工艺兼容性差，通过该方法实现冷阴极x射线源的曲面或多面方向的x射线均匀出射必然更加复杂和困难。公开号为cn109768051a的专利提供一种tft驱动的可寻址冷阴极平板x射线源器件，但该专利的x射线源器件也无法实现冷阴极x射线源在曲面或多面方向的x射线均匀出射。5.因此，研究一种能在曲面或多面方向均匀出射x射线的冷阴极x射线源尤其重要。技术实现要素：6.本发明的首要目的是克服上述现有技术中冷阴极x射线源无法在曲面或多面方向均匀出射x射线的问题，提供一种冷阴极x射线源。该冷阴极x射线源中，纳米冷阴极电子源层在电场作用下发射电子束，由于透射阳极靶层与所述纳米冷阴极电子源层相对设置，且同心真空嵌套，故电子束会沿垂直方向轰击在透射阳极靶层上，并形成与透射阳极靶层方向垂直的x射线，从而实现了冷阴极x射线源在各面方向上均匀出射x射线，使得冷阴极x射线源可应用于适形成像或适形放疗中。7.本发明的进一步目的是提供上述冷阴极x射线源在适形成像或适形放疗中的应用。8.本发明的上述目的通过以下技术方案实现：9.一种冷阴极x射线源，包括阳极和阴极；10.所述阳极包括叠设的阳极衬底和透射阳极靶层；所述阴极包括叠设的阴极衬底和可发射电子束的纳米冷阴极电子源层；11.所述透射阳极靶层与所述纳米冷阴极电子源层相对设置，且同心真空嵌套。12.应当理解的是，本发明的同心真空嵌套是指透射阳极靶层和纳米冷阴极电子源层同心嵌套设置，且两者之间的气压状态为真空。13.在本发明的冷阴极x射线源中，纳米冷阴极电子源层在电场作用下发射电子束，由于透射阳极靶层与所述纳米冷阴极电子源层相对设置，且同心真空嵌套，故电子束会沿垂直方向轰击在透射阳极靶层上，并形成与透射阳极靶层方向垂直的x射线，从而实现了冷阴极x射线源在各面方向上均匀出射x射线，使得冷阴极x射线源可应用于适形成像或适形放疗中。14.优选地，所述冷阴极x射线源还包括用于将所述阳极衬底封闭并使得所述透射阳极靶层与所述纳米冷阴极电子源层之间形成真空区的外壳。15.更为优选地，所述外壳上设有排气件。16.进一步优选地，所述排气件为排气孔。17.进一步优选地，所述冷阴极x射线源还包括排气管，所述排气管与所述排气孔连通，以实现空气的排出，从而使透射阳极靶层、纳米冷阴极电子源层和外壳形成真空区。18.更为优选地，所述外壳上设有吸气剂容纳腔，所述吸气剂容纳腔与所述真空区连通，吸气剂容纳腔用于容纳吸气剂，以更为地真空区的真空度。19.更为优选地，所述真空区的真空度≤1×10-4pa。20.进一步优选地，所述真空区的真空度≤1×10-6pa。21.优选地，所述阳极衬底为铍衬底、硅衬底、玻璃衬底、石英衬底、陶瓷衬底或耐高温塑料衬底。22.优选地，所述阴极衬底为导电衬底或非导电衬底。23.更为优选地，所述导电衬底为金衬底、银衬底、铜衬底、铁衬底、锌衬底、锰衬底、镉衬底、镍衬底、钛衬底、铂衬底、铝衬底或铬衬底。24.更为优选地，所述非导电衬底为云母衬底、玻璃衬底、石英衬底、陶瓷衬底或耐高温塑料衬底。25.优选地，所述阳极衬底的厚度为30μm～10mm。26.更为优选地，所述阳极衬底的厚度为1mm～3mm。27.优选地，所述透射阳极靶层为钨靶层、钼靶层、铑靶层、银靶层、铜靶层、金靶层、铬靶层、铝靶层、铌靶层、钽靶层或铼靶层。28.优选地，所述透射阳极靶层的厚度为1nm～1mm。29.更为优选地，所述透射阳极靶层的厚度为1μm～2μm。30.优选地，所述阳极还包括阳极引线，所述阳极引线与所述透射阳极靶层电连接，以实现对透射阳极靶层施加高电位。31.本发明的冷阴极x射线源可根据使用时x射线出射方向的需求，将可发射电子束的纳米冷阴极电子源层设计成不同的形状。32.优选地，所述纳米冷阴极电子源层的形状为：球形曲面、半球形曲面、椭球形曲面、正梨形曲面、多面体形侧面、棱柱形侧面、圆锥形侧面、圆柱形侧面或棱锥形侧面中的一种或多种；所述透射阳极靶层的形状为与所述纳米冷阴极电子源层相匹配的球形曲面、半球形曲面、椭球形曲面、正梨形曲面、多面体形侧面、棱柱形侧面、圆锥形侧面、圆柱形侧面或棱锥形侧面中的一种或多种。33.优选地，所述纳米冷阴极电子源层由纳米管或纳米线组成。34.优选地，所述纳米冷阴极电子源层为碳层、氧化锌层、氧化铜层、氧化钨层、氧化钼层、氧化铁层、氧化钛层或氧化锡层。35.更为优选地，所述纳米冷阴极电子源层为碳纳米管层、氧化锌纳米线层、氧化铜纳米线层、氧化钨纳米线层、氧化钼纳米线层、氧化铁纳米线层、氧化钛纳米线层或氧化锡纳米线层。36.优选地，所述纳米冷阴极电子源层全覆盖或部分覆盖在所述阴极衬底上。37.当纳米冷阴极电子源层部分覆盖在阴极衬底上时，冷阴极x射线源可分区域均匀出射x射线，且可通过不同区域来实现寻址出射x射线。38.优选地，所述阴极衬底的厚度为1mm～100mm。39.更为优选地，所述阴极衬底的厚度为3mm～10mm。40.优选地，所述阴极还包括可导电的阴极支架，所述阴极支架位于所述阴极衬底的下方且与所述阴极衬底电连接，以实现阴极衬底的通电，进而对纳米冷阴极电子源层施加低电位。41.优选地，所述阴极还包括设于所述阴极衬底和所述纳米冷阴极电子源层之间的导电层。42.当阴极衬底为非导电阴极衬底时，则阴极衬底和纳米冷阴极电子源层之间还设有导电层，以实现对纳米冷阴极电子源层施加低电位。43.更为优选地，所述阴极还包括阴极引线，所述阴极引线与所述导电层电连接，以实现导电层的通电，进而对纳米冷阴极电子源层施加低电位。44.更为优选地，所述导电层为金层、银层、铜层、铁层、锌层、锰层、镉层、镍层、钛层、铂层、铝层、铬层、氧化铟锡层、四氧化三铁层、氧化钛层、氧化钠层、氧化镁层、氧化钾层或氧化锌层。45.更为优选地，所述导电层的厚度为1nm～10μm。46.进一步优选地，所述导电层的厚度为50nm～1μm。47.优选地，所述透射阳极靶层与所述纳米冷阴极电子源层的最小距离为1mm～100mm。48.更为优选地，所述透射阳极靶层与所述纳米冷阴极电子源层的最小距离为5mm～10mm。49.上述冷阴极x射线源在制备适形成像仪或适形放疗仪中的应用。50.与现有技术相比，本发明的有益效果是：51.本发明的冷阴极x射线源中，纳米冷阴极电子源层在电场作用下发射电子束，由于透射阳极靶层与所述纳米冷阴极电子源层相对设置，且同心真空嵌套，故电子束会沿垂直方向轰击在透射阳极靶层上，并形成与透射阳极靶层方向垂直的x射线，从而实现了冷阴极x射线源在各面方向上均匀出射x射线，使得冷阴极x射线源可应用于适形成像或适形放疗中。附图说明52.图1为实施例2的冷阴极x射线源的结构示意图。53.图2为实施例3的冷阴极x射线源的局部结构示意图，其中，图2左图为主视图，图2右图为侧视图。54.图3为实施例4的冷阴极x射线源的局部结构示意图，其中，图3左图为主视图，图3右图为侧视图。55.图4为实施例5的冷阴极x射线源的局部结构示意图，其中，图4左图为主视图，图4右图为侧视图。56.图5为实施例6的冷阴极x射线源的局部结构示意图，其中，图5左图为主视图，图5右图为侧视图。57.其中，1为阳极、11为阳极衬底、12为透射阳极靶层、13为阳极引线、2为阴极、21为阴极衬底、22为纳米冷阴极电子源层、23为导电层、24为阴极引线、25为阴极支架、3为外壳、31为排气件、32为吸气剂容纳腔、4为排气管、5为x射线。具体实施方式58.为了更清楚、完整的描述本发明的技术方案，以下通过具体实施例进一步详细说明本发明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明，可以在本发明权利限定的范围内进行各种改变。59.实施例160.本实施例提供一种冷阴极x射线源，该冷阴极x射线源包括阳极和阴极；阳极包括依次叠设的阳极衬底和透射阳极靶层；阴极包括依次叠设的阴极衬底和可发射电子束的纳米冷阴极电子源层；透射阳极靶层与纳米冷阴极电子源层相对设置，且同心真空嵌套。该冷阴极x射线源可根据使用时x射线出射方向的需求，将可发射电子束的纳米冷阴极电子源层设计成不同的形状，比如图1中的半球形、图2中的半球形的曲面和圆柱形的侧面相结合的形状，然后再将透射阳极靶层与纳米冷阴极电子源层相对且同心嵌套设置，从而实现了冷阴极x射线源在各面方向上均匀出射x射线，使得冷阴极x射线源可应用于适形成像或适形放疗中。61.实施例262.本实施例提供一种冷阴极x射线源，如图1所示，该冷阴极x射线源包括阳极1、阴极2、外壳3和排气管4。阳极1包括依次叠设的阳极衬底11和透射阳极靶层12，以及与透射阳极靶层12电连接的阳极引线13。阴极2包括依次叠设的阴极衬底21和纳米冷阴极电子源层22，以及位于阴极衬底21下方且与阴极衬底21电连接的阴极支架25。外壳3将阳极衬底11封闭并使得透射阳极靶层12与纳米冷阴极电子源层22之间形成真空区，真空区的气压为1×10-6pa，外壳3上设有排气件31和吸气剂容纳腔32，排气件31为排气孔，排气孔与排气管4连通，吸气剂容纳腔32与真空区连通。63.阳极衬底11为石英衬底，厚度为1mm，阳极透射靶12为钨层，厚度为1μm。阴极衬底21为铝衬底，厚度为3mm，纳米冷阴极电子源层22为cuo纳米线层。透射阳极靶层12与纳米冷阴极电子源层22的最小距离为5mm。64.阳极1和阴极2的形状如图1所示，其中，阴极衬底21包括呈半球形的上部分和呈半椭球形的下半部分，且上下两部分结合成封闭的形状，纳米冷阴极电子源层22全覆盖在阴极衬底21的半球形的曲面上，即纳米冷阴极电子源层22的形状为半球形曲面，透射阳极靶层12的形状也为半球形曲面，纳米冷阴极电子源层22与透射阳极靶层12相对且同心嵌套设置。该实施例的冷阴极x射线源可以实现在半球形的曲面均匀出射x射线，x射线出射的方向如图1的x射线5所示。65.实施例366.本实施例提供一种冷阴极x射线源，该冷阴极x射线源包括阳极1、阴极2、外壳3和排气管4。阳极1包括依次叠设的阳极衬底11和透射阳极靶层12，以及与透射阳极靶层12电连接的阳极引线13。阴极2包括依次叠设的阴极衬底21和纳米冷阴极电子源层22，以及与阴极衬底21电连接的阴极引线24。外壳3将阳极衬底11封闭并使得透射阳极靶层12与纳米冷阴极电子源层22之间形成真空区，真空区的气压为5×10-7pa，外壳3上设有排气件31和吸气剂容纳腔32，排气件31为排气孔，排气孔与排气管4连通，吸气剂容纳腔32与真空区连通。67.阳极衬底11为玻璃衬底，厚度为2mm，阳极透射靶12为钼层，厚度为1μm。阴极衬底21为黄铜衬底，厚度为5mm，纳米冷阴极电子源层22为zno纳米线层。透射阳极靶层12与纳米冷阴极电子源层22的最小距离为5mm。68.阳极1和阴极2的形状如图2所示，图2左图为主视图，图2右图为侧视图，其中，阴极衬底21包括呈半球形的右边部分和呈圆柱形的左边部分，且右边部分半球形的底面与左边部分圆柱形的底面结成并封闭，纳米冷阴极电子源层22全覆盖在阴极衬底21的右边部分的半球形曲面和左边部分的圆柱形侧面上，即纳米冷阴极电子源层22的形状为半球形曲面与圆柱形侧面相结合的形状，透射阳极靶层12的形状也为半球形曲面与圆柱形侧面相结合的形状，纳米冷阴极电子源层22与透射阳极靶层12相对且同心嵌套设置。该实施例的冷阴极x射线源可以实现在半球体的曲面和圆柱形的侧面均匀出射x射线。x射线出射的方向如图2中的x射线5所示。69.实施例470.本实施例提供一种冷阴极x射线源，该冷阴极x射线源包括阳极1、阴极2、外壳3和排气管4。阳极1包括依次叠设的阳极衬底11和透射阳极靶层12，以及与透射阳极靶层12电连接的阳极引线13。阴极2包括依次叠设的阴极衬底21、导电层23和纳米冷阴极电子源层22，以及与导电层23电连接的阴极引线24。外壳3将阳极衬底11封闭并使得透射阳极靶层12与纳米冷阴极电子源层22之间形成真空区，真空区的气压为2×10-6pa，外壳3上设有排气件31和吸气剂容纳腔32，排气件31为排气孔，排气孔与排气管4连通，吸气剂容纳腔32与真空区连通。71.阳极衬底11为玻璃衬底，厚度为3mm，阳极透射靶12为金层，厚度为1μm。阴极衬底21为玻璃衬底，厚度为6mm，导电层23为ito(氧化铟锡)层，厚度为50nm，纳米冷阴极电子源层22为zno纳米线层。透射阳极靶层12与纳米冷阴极电子源层22的最小距离为5mm。72.阳极1和阴极2的形状如图3所示，图3左图为主视图，图3右图为侧视图，其中，阴极衬底21包括呈半球形的右边部分和呈圆柱形的左边部分，且右边部分半球形的底面与左边部分圆柱形的底面结成并封闭，纳米冷阴极电子源层22全覆盖在阴极衬底21的半球形曲面上，且覆盖在远离半球形曲面的圆柱形的侧面，未覆盖半球形曲面的圆柱形的侧面，靠近即纳米冷阴极电子源层22的形状包括互相分离半球形曲面形状和圆柱形的侧面形状，透射阳极靶层12的形状为半球形的曲面与圆柱形的侧面相结合的形状，纳米冷阴极电子源层22与透射阳极靶层12相对且同心嵌套设置。该实施例的冷阴极x射线源可以实现在半球体的曲面和圆柱形的部分侧面均匀出射x射线，由于x射线出射区是分区域的，故可通过不同区域来实现寻址出射x射线。x射线出射的方向如图3中的x射线5所示。73.实施例574.本实施例提供一种冷阴极x射线源，该冷阴极x射线源包括阳极1、阴极2、外壳3和排气管4。阳极1包括依次叠设的阳极衬底11和透射阳极靶层12，以及与透射阳极靶层12电连接的阳极引线13。阴极2包括依次叠设的阴极衬底21、导电层23和纳米冷阴极电子源层22，以及与导电层23电连接的阴极引线24。外壳3将阳极衬底11封闭并使得透射阳极靶层12与纳米冷阴极电子源层22之间形成真空区，真空区的气压为5×10-6pa，外壳3上设有排气件31和吸气剂容纳腔32，排气件31为排气孔，排气孔与排气管4连通，吸气剂容纳腔32与真空区连通。75.阳极衬底11为玻璃衬底，厚度为2mm，阳极透射靶12为钨层，厚度为2μm。阴极衬底21为玻璃衬底，厚度为10mm，导电层23为铝层，厚度为100nm，纳米冷阴极电子源层22为wo3纳米线层。透射阳极靶层12与纳米冷阴极电子源层22的最小距离为10mm。76.阳极1和阴极2的形状如图4所示，图4左图为主视图，图4右图为侧视图，其中，阴极衬底21的形状为球形，纳米冷阴极电子源层22覆盖在阴极衬底21的球形曲面的上半部分和下半部分，并未覆盖上下两半球连接的中间部分，即纳米冷阴极电子源层22的形状包括两个互相分离的半球形的部分曲面形状，透射阳极靶层12的形状为球形，纳米冷阴极电子源层22与透射阳极靶层12相对且同心嵌套设置。该实施例的冷阴极x射线源可以实现在球形的部分曲面均匀出射x射线，由于x射线出射区是分区域的，故可通过不同区域来实现寻址出射x射线。x射线出射的方向如图4中的x射线5所示。77.实施例678.本实施例提供一种冷阴极x射线源，该冷阴极x射线源包括阳极1、阴极2、外壳3和排气管4。阳极1包括依次叠设的阳极衬底11和透射阳极靶层12，以及与透射阳极靶层12电连接的阳极引线13。阴极2包括依次叠设的阴极衬底21、导电层23和纳米冷阴极电子源层22，以及与导电层23电连接的阴极引线24。外壳3将阳极衬底11封闭并使得透射阳极靶层12与纳米冷阴极电子源层22之间形成真空区，真空区的气压为4×10-7pa，外壳3上设有排气件31和吸气剂容纳腔32，排气件31为排气孔，排气孔与排气管4连通，吸气剂容纳腔32与真空区连通。79.阳极衬底11为陶瓷衬底，厚度为1mm，阳极透射靶12为钼层，厚度为2μm。阴极衬底21为陶瓷衬底，厚度为10mm，导电层23为铬层，厚度为1μm，纳米冷阴极电子源层22为碳纳米管层。透射阳极靶层12与纳米冷阴极电子源层22的最小距离为8mm。80.阳极1和阴极2的形状如图5所示，图5左图为主视图，图5右图为侧视图，其中，阴极衬底21的形状为三棱柱形，纳米冷阴极电子源层22覆盖在阴极衬底21的三棱柱的侧面上，且未覆盖侧面相连接的部分，即纳米冷阴极电子源层22的形状包括三个互相独立的平面形状，透射阳极靶层12的形状为三棱柱形，纳米冷阴极电子源层22与透射阳极靶层12相对且同心嵌套设置。该实施例的冷阴极x射线源可以实现在三个平面均匀出射x射线，由于x射线出射区是分区域的，故可通过不同区域来实现寻址出射x射线。x射线出射的方向如图5中的x射线5所示。81.显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。









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