X射线电子束产生器及其阴极

本发奣涉及 X射线电子束产生器（ x-ray generation device )及其阴极 更具体而言，本发明的 X射线电子束产生器及其阴极包含一电子束发射体 该电子束发射体具有至少┅金属单元， 该至少一金属单元被以化学气相沉 积法 ( chemical-vapor-deposit ) 成长为一多重壁 ( multiple-walls )形式的碳 膜层 背景技术

一 X射线电子束产生器根据场电子发射量子理論产生场发射电子。 场 发射电子的基本原理为 于不施加电场时， 一导体的电子必须具有足够的 能量方能有机会穿过势能垒 （ potential energy barrier ) 而到达真空側 当施 加一电场时， 能带 （energy band )发生弯曲 使得电子无需具有巨大能量 便可穿过势能垒而到达真空侧。 当所施加的电场增大时 电子所要穿過的 势能垒减小， 且所产生电流的强度增大 根据电磁理论， 一物体的一尖端 相较该物体的一钝端积聚更多的电荷 换言之， 一物体的一尖端相较该物 体的一钝端具有一更强的电场 因此， 一场发射阴极（即 X射线电子束产 生器） 的电子发射部被设计成尖端形状 进而无需施加高电压便可产生一 较强的电场。

目前 X 射线电子束产生器通常系于一微波组件、 传感器、 面板显示 器等中用作一电子来源。 电子发射的效率主要取决于一场发射阴极（即 X 射线电子束产生器） 的组件结构、 材质以及形状 场发射阴极由诸如硅、 金刚石及碳纳米管（ carbon nano tube )等金属制荿。 这些材质当中 碳纳米 管尤其重要， 原因在于碳纳米管的开口极细且稳定、 具有低的传导场及高 的发射电流密度、 并且非常稳定 由於具有此等特性， 碳纳米管非常适用 于场发射阴极 因此， 碳纳米管将极有可能取代其它材料而成为下一代场 发射材料

场发射阴极可用莋一 X射线电子束产生器（如 X射线管） 的一阴极。 一 X射线电子束产生器封装一阴极、 一电磁透镜光圈（electromagnetic-lens aperture )以及一阳极靶于一玻璃容器内现有嘚热离子阴极氖管（ thermionic cathode neon tube )可由碳纳米管取代。 当于一 X射线电子束产生器中利用 一热离子阴极氖管时 约 99 %的电能被转变成热量。 因此 须以冷却沝冷 却热离子阴极氖管。 相反 碳纳米管可于较小的电场强度下发射电子束， 因而将电能转变成电子束的效率高于热离子阴极氖管 另外， 当于一 X射 线电子束产生器中使用碳纳米管时 无需使用冷却过程。

Zhou等人所提交的美国专利第 6,533,096号揭露一种釆用碳纳米管的 X 射线电子束产生器 该专利釆用具纳米结构的材料作为阴极场发射的一发 射源。 此外 据 Zhou等人宣称， 可获得 4A/cm²的电流密度

Zhou等人所揭露的技术须首先藉由强酸净化碳纳米管， 以使碳纳米管 短于 0.5微米并呈单壁 （single-wall ) 的形式 然后， 沉积该等碳纳米管于 一基板上 其优点在于， 碳纳米管无需藉由黏合劑固定于该基板上 为产 生 10 mA/cm²的电流密度， Zhou等人所揭露的技术需要 2.4 V/um至 5 V/um 的起始电压

Zhou等人称， 其场发射阴极（于阴极中利用碳纳米管）所需的起始电 压远低于现有场发射阴极（其需要 50 V/um至 100 V/um的起始电压并具有 MO 或硅尖端）所需的起始电压 利用石墨粉末材质的一场发射阴极需要 10 V/um至 20 V/um的起始电压， 此亦不及 Zhou等人的技术 尽管利用纳 米金刚石的场发射阴极可降低起始电压至 3-5V/um, 但其在电流密度高于 30 mA/cm²时不稳定。 实际上 Zhou等人所揭露嘚技术非常复杂。 首先 于作为主要材料的 石墨粉末中添加 0.6 %原子的镍及 /或 0.6 %原子的钴， 然后将其置于一石英 二极管（ quartz diode )中 其中所添加的镍及 /戓钴作为活化剂（ activator )。 接着 加热石英二极管至 1150°C。 该石英二极管被抽成真空并被进一步注 入以惰性气体 以维持压力于 800托 （ ltorr=lmmHg )。 随后 以 Nd:YAG 激咣烧灼石英， 并接着向石英再次注入惰性气体 以使纳米碳沉积于石英 二极管的内壁。 此时所产生的单壁纳米管的体积比为 50 %至 70 %。接着 需要实施一净化制程， 例如使用 20 %的 ?0₂ 一个单壁碳纳米管的直径为 约 1.3-1.6nm。 一束碳纳米管的直径为约 10nm至 40nm 或者， 该净化制程 可使用体积比为 3: 1的硫酸及硝酸碳纳米管的长度为约 500nm。 除上述制 程外 仍需一系列沉积及微影制程。

综上所述 一直期望具有一种具有较低起始电压的 X射线電子束产生 器及其阴极。 尽管碳纳米管可达成更佳的性能及效率 但 Zhou等人所提供 的技术非常复杂。 因此 仍亟需一种用于制造一 X射线电子束产生器及其 阴极的更简单方法。 发明内容

本发明的一目的是提供一种 X射线电子束产生器 该 X射线电子束产 生器包含一阴极、 一聚焦装置、 一阳极靶以及一玻璃容器。 该玻璃容器依 序置放有该阴极、 该聚焦装置及该阳极靶 该阴极包含一容器及一电子束 发射体。 该容器具有┅基座及一侧壁 该侧壁环绕该基座， 其中该基座及 该侧壁界定一凹槽 该电子束发射体包含至少一金属单元。 该至少一金属 单元被以化學气相沉积法成长一碳膜层 且被置放于该凹槽的一底部。 该 至少一金属单元与该 X射线电子束产生器的一外部金属单元呈电性连接 各该臸少一碳膜层面向该阳极靶。 该玻璃容器具有一阀门及一窗口 该阀 门用以将该玻璃容器抽成真空， 该窗口用以射出一 X射线 本发明的另┅目的是提供一种用于一 X射线电子束产生器的阴极，该 阴极包含一容器及一电子束发射体 该容器具有一基座及一侧壁， 该侧壁 环绕该基座 其中该基座及该侧壁界定一凹槽。 该电子束发射体包含至少 一金属单元 各该至少一金属单元被以化学气相沉积法成长一碳膜层。 各 該至少一金属单元被置放于该凹槽的一底部 该至少一金属单元与该 X射 线电子束产生器的一外部金属单元呈电性连接。

本发明的再一目的昰提供一种 X射线电子束产生器 该 X射线电子 束产生器包含一阴极、 一阳极靶以及一玻璃容器。 该阴极包含一容器以及 一电子束发射体 该嫆器具有一基座及一侧壁， 该侧壁环绕该基座 其中 该基座及该侧壁界定一凹槽。 该容器的一顶端面及该侧壁的一内侧处形成 一缺口 该電子束发射体包含至少一金属单元。 各该至少一金属单元被以 化学气相沉积法成长一碳膜层 各该至少一金属单元被置放于该凹槽的一 底蔀。 该至少一金属单元与该 X射线电子束产生器的一外部金属单元呈电 性连接 该玻璃容器依序置放有该阴极及该阳极靶。 各该至少一碳膜層面 向该阳极靶 该玻璃容器具有一阀门及一窗口， 该阀门用以将该玻璃容器 抽成真空 该窗口用以射出一 X射线。

藉由使各该金属单元被鉯化学气相沉积法成长一碳膜层 本发明的 X 射线电子束产生器及其阴极起始电压及工作电压优于先前技术。 特别地 当碳膜层直接成长于該等金属单元上并为多重壁的形式时， 本发明的 X射 线电子束产生器及其阴极可具有更佳的性能

在参阅图式及随后描述的实施方式后， 此技术领域具有通常知识者便 可了解本发明的其它目的 以及本发明的技术手段及实施态样。 附图说明

图 1A为描绘第一实施例之 X射线电子束产苼器的立体图；

图 1B为描绘第一实施例之 X射线电子束产生器的阴极之剖面图； 图 1C为显示一碳膜层于一电子显微镜下的影像；

图 1D为描绘第一实施例之 X射线电子束产生器的一起始电压及一 流密度的一图式；

图 1E为描绘第一实施例之 X射线电子束产生器一工作电压的一仿真 果；

图 2为描绘苐二实施例之一阴极；

图 3A为描绘第三实施例之 X射线电子束产生器的一立体图； 图 3B为描绘第三实施例之 X射线电子束产生器的阴极的一剖面图； 图 4为描绘第四实施例之 X射线电子束产生器的一立体图； 以及 图 5为描绘第五实施例之 X射线电子束产生器的一立体图

1 : X射线电子束产生器 3: X射線电子束产生器

17: 玻璃容器 19: 外部金属单元

本发明提供一种 X射线电子束产生器及其阴极。 特别地 本发明的 X 射线电子束产生器及其阴极使其电孓束发射体的金属单元被以化学气相沉 积法成长碳膜层。 特别地 该等碳膜层直接生长于该等金属单元上， 且该 等碳膜层的一影像呈多重壁的形式 以下说明及实施例是用以使此项技术 中的一般技术者能够制作及利用本发明。 然而 该等实施例并非用以限制 本发明须在如该等实施例所述的任何特定的环境、 应用或特殊方式方能实 施。 因此 关于该等实施例的说明仅为阐释本发明的目的， 而非用以限制 本发明

本发明的第一实施例为一 X射线电子束产生器 1 , 其一立体图绘示于 图 1A中。 X射线电子束产生器 1包含一阴极 11、 一聚焦装置 13、 一阳极 靶 15、 一玻璃容器 17以及一外部金属单元 19 玻璃容器 17依序置放有阴 极 11、 聚焦装置 13以及阳极靶 15。 于本实施例中 聚焦装置 13可为一电 磁透镜或类似装置。 玻璃容器 17具有一阀门及一窗口 其中该阀门用以将 该玻璃容器抽成真空， 该窗口则用以射出一 X射线 玻璃容器 17的真空负 压介于 It)-⁷托与 10_⁸托之间。

图 1B为陰极 11的一剖面图 阴极 11包含一容器 111及一电子束发射 体。 容器 111由金属制成 并具有一基座 115及一侧壁 113。 特别地 基座 115形成为容器 111的底部， 同时側壁 113环绕基座 115并用作容器 111之 壁 基座 115可为一圆柱状基座， 或者亦可为其它形状 基座 115及侧壁 113界定一凹槽 110。 特别地 当凹槽

电子束发射体包含多个金属单元 117。各该金属单元 117被以化学气相 沉积法成长一碳膜层 此外， 各该金属单元 117置放于凹槽 110的一底部 使得各该金属单元 117面向该陽极靶。 此处 各该金属单元 117为一金属 条， 其中各该金属条的一直径可介于 0.1 mm与 3 mm之间 且各该金属条 的一长度可为 20 mm。 应注意 本发明并不限淛金属单元 117的数目以及 各该金属单元 117 的形状。 举例而言 另一实施例的一电子束发射体可包 含仅一单个金属单元， 且该金属单元可系为一金属板 于此种情形中， 该 金属板可为长方形 该金属板的一宽度为 2 cm, 且该金属板的一长度为 3 cm。 再举例而言 再一实施例的一电子束发射体鈳包含一单个金属单元， 且该金属单元为一螺旋状

此夕卜， 各该金属单元 117可以银胶 ( silver paste )及锡膏（ solder paste ) 其中之一固定于凹槽 110的底部 各该金属单元 117嘚材质系为镍、 钨、 及钴其中之一。 金属单元 117电性连接至 X射线电子束产生器 1的外部金 属单元 19, 使当施加电力时使阴极 11能够发挥阴极的作用 特别地， 因金 属单元 117与容器 111二者由金属制成 金属单元 117藉由使一金属线 10 连接阴极 11的容器 111与外部金属单元 19的阴极 11而电性连接至外部金 属单元 19, 洳图 1A所示。

如上所述 各该金属单元 117被以化学气相沉积法成长一碳膜层。 图 1C显示一碳膜层于一电子显微镜下的一影像 且可以看出， 该碳膜层的影 像为多重壁的形式 此外， 各该金属单元 117 的碳膜层直接在一化学气相 沉积制程中成长于金属单元 117 上 各该碳膜层包含一内层及一放射层。 各该内层的一厚度介于 10 nm与 60 nm之间而各该放射层的一厚度介于 1 nm与 50 nm之间。 在图 1C中 浅灰色部分 117a为该放射层的一实例性影 像， 而深灰色蔀分 117b为该内层的一实例性影像

图 1D例示 X射线电子束产生器 1的一起始电压与一电流密度的图式。 当 X射线电子束产生器 1的起始电压介于 0.1 V/um与 0.3 V/um之间時各 该金属单元 117的电流密度为 l mA/cm²。 因先前技术的一 X射线电子束产 生器需要至少为 2 V/um的一起始电压故本发明的 X射线电子束产生器的 起始电压優于先前技术。 当施加于 X射线电子束产生器 1的电压高于该起 始电压时 电子束发射体便产生 X射线。 该等 X射线经聚焦装置 13聚焦 后被阳极靶 15反射

图 1E例示对 X射线电子束产生器 1的一工作电压（在 1 mA时）与不 同阴极 -阳极距离的关系的一模拟结果。当各该碳膜层与阳极靶 15间的距离 介于 0.7 cm与 3 cmの间时 X射线电子束产生器 1的工作电压为 12 KeV。 当各该碳膜层与阳极靶 15间的距离介于 0.7 cm与 6 cm之间时 X射线电 子束产生器 1的工作电压介于 12 KeV与 13 KeV之间。 显嘫 当各该碳膜 层与阳极靶 15间的距离介于 0.7 cm与 6 cm之间时， X射线电子束产生器 1的工作电压非常稳定且较低

藉由使各该金属单元被以化学气相沉積法成长一碳膜层， X 射线电子 束产生器 1 的起始电压及工作电压优于先前技术 特别地， 当该等碳膜层 直接成长于金属单元 117上且为多重壁的形式时 X射线电子束产生器 1 可具有更佳的性能。

本发明的第二实施例为一阴极 21 , 其剖面图显示于图 2中 第二实施 例的阴极 21可取代第一实施例嘚阴极 11 , 并与聚焦装置 13、 阳极靶 15、 玻璃容器 17以及外部金属单元 19配合使用。 阴极 21包含一容器 211及一 电子束发射体 阴极 21 的该电子束发射体类似于苐一实施例中阴极 11 的 电子束发射体。 另外 阴极 21 的电子束发射体如阴极 11 的电子束发射体 一般具有诸多变型。 因第一实施例已对此予以详述 故兹不予赘述。 以下 说明着重于阴极 21与阴极 11的不同点

容器 211具有一基座 215及一侧壁 213 , 侧壁 213环绕基座 215。 基座 215与侧壁 213界定凹槽 110 需强调的是， 基座 215与侧壁 213由非金属 制成 因此， 为使金属单元 117电性连接至 X射线电子束产生器 1的外部 金属单元 19, 阴极 21包含多条金属线 118, 其中各该金属线 118于一端连 接至金属单元 117其中之一、 并于另一端连接至外部金属单元 19

当第二实施例的阴极 21取代 X射线电子束产生器 1的阴极 11时， 取 代后的 X射线电子束产苼器亦具有类似于 X射线电子束产生器 1的性能及 本发明的第三实施例为一 X射线电子束产生器 3 , 其一立体图绘示于 图 3A中 X射线电子束产生器 3包含┅阴极 31、 一阳极靶 15及一玻璃容 器 17。 X射线电子束产生器 1与 X射线电子束产生器 3的区别在于 X射 线电子束产生器 3不包含用以聚焦 X射线的聚焦装置。 X射线的聚焦由阴 极 31达成

图 3B为阴极 31的剖面图。阴极 31包含一容器 311及一电子束发射体 阴极 31 的电子束发射体类似于第一实施例的阴极 11 的电子束发射体。 另 夕卜 阴极 31的电子束发射体如阴极 11的电子束发射体一般具有诸多变型。 因第一实施例已对此予以详述 故兹不予赘述。 以下說明着重于容器 111 与容器 311的不同点

尽管 X射线电子束产生器 1与 X射线电子束产生器 3中的 X射线聚焦 部件不同， 然其具有类似于 X射线电子束产生器 1嘚性能及优点

本发明的第四实施例为一 X射线电子束产生器 4, 其一立体图绘示于 图 4中。 X射线电子束产生器 4亦包含一阴极 11、 一聚焦装置 13、 一阳極 靶 15、 一玻璃容器 17 以及一外部金属单元 19, 所有该等组件皆执行与第 一实施例中所述相似的功能 故不予赘述。 X射线电子束产生器 4另外包 含一聚焦盖 41 聚焦盖 41的形状类似于一封盖， 并覆盖阴极 11及聚焦装 置 13 特别地， 聚焦盖 41可由不锈钢制成

本发明的第五实施例为一 X射线电子束产苼器 5 , 其一立体图绘示于 图 5中。 X射线电子束产生器 5包含一阴极 31、 一阳极靶 15以及一玻璃容 器 17, 所有该等组件皆执行与第三实施例中所述相似的功能 故兹不予赘 述。 X射线电子束产生器 5另外包含一聚焦盖 51 聚焦盖 51为一封盖的形 状。 因 X射线电子束产生器 5不包含用以聚焦 X射线的聚焦装置（其由阴 极 31的缺口 314达成） 故该聚焦盖仅覆盖阴极 31。 同样地 聚焦盖 51可 由不锈钢制成。

综上所述 本发明的 X射线电子束产生器及其阴极起始电压及工作电 压优于现有技术。 该等更优的性能因电子束发射体的各该金属单元被以化 学气相沉积法成长一碳膜层 特别地， 当该等碳膜层是直接成长于该等金 属单元上且为多重壁的形式时 本发明的 X射线电子束产生器及其阴极可 具有更佳的性能。

上述的实施例仅用来例舉本发明的实施态样 以及阐释本发明的技术 特征， 并非用来限制本发明的保护范畴

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