一種x射線管及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種X射線管及其制備方法，所述X射線管包括管芯和包覆所述管芯的外殼，所述外殼的內(nèi)表面設(shè)有碳納米管直線生長(zhǎng)形成的陣列層，所述碳納米管的軸向與所述內(nèi)表面成一夾角，對(duì)碳納米管陣列層圖案化后形成具有圖案化的碳納米管陣列層，作為X射線管的散熱傳導(dǎo)層，充分利用碳納米管軸向熱導(dǎo)率高，表面積大的特性，大大提高了X射線管的散熱效率，從而快速高效地散去陽極靶上的熱量，延長(zhǎng)了X射線管的使用壽命。
【專利說明】一種X射線管及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種X射線管領(lǐng)域，尤其涉及一種X射線管及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在X射線管中，高能電子束由陰極打向陽極靶材產(chǎn)生X射線，其中只有不到1%的能量轉(zhuǎn)化為X射線的輻射，另外99%的能量都轉(zhuǎn)化成了陽極的熱能。因此，如何使陽極有效的散熱是保證X射線管正常工作的一個(gè)關(guān)鍵問題。在高能電子束的轟擊下，陽極靶材的溫度通常會(huì)迅速升高到3000°C左右，這種情況下，陽極可能會(huì)融化甚至被燒出孔洞，進(jìn)而嚴(yán)重影響出射X射線的質(zhì)量，最終導(dǎo)致X射線管的報(bào)廢?，F(xiàn)有的散熱方法是在真空的環(huán)境中，通過外罩金屬球殼吸收陽極靶材輻射的熱量(陽極溫度可高達(dá)3000°C左右，按黑體輻射計(jì)算發(fā)射波長(zhǎng)約為lOOOnm)。此外，也可將X射線管置于浸滿油的金屬腔體中，利用金屬(鉛或不銹鋼)對(duì)陽極輻射熱量的吸收和陽極對(duì)油的熱傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)陽極靶材的輻射散熱。但金屬對(duì)熱輻射吸收的程度有限，因?yàn)榻饘僦芯哂休^大量的自由載流子，通常金屬中載流子濃度在IO22?IO23個(gè)/cm3數(shù)量級(jí)，這種自由載流子對(duì)紅外線的反射性能要遠(yuǎn)高于其對(duì)紅外線的吸收作用，其數(shù)量關(guān)系可用下式表示:
[0003]A+T+R=l, T=O
[0004]則A=1-R ;其中，A，T，R分別表示吸收，透射和反射。
[0005]現(xiàn)有研究已證明自由載流子在外加電磁場(chǎng)的作用下發(fā)生偶極震蕩，對(duì)波長(zhǎng)在
0.8-25 μ m的紅外光的反射率能超過90%，此時(shí)金屬對(duì)紅外光的吸收率則低于10%。較高的紅外反射率會(huì)導(dǎo)致球管整體被反射回來的紅外線二次加熱，不利于球管的總體的散熱。
[0006]隨著納米技術(shù)的發(fā)展，碳納米管(Carbon nanotube,簡(jiǎn)稱CNT)具有比表面積大、熱穩(wěn)定性高(3400°C仍可保持穩(wěn)定)、力學(xué)強(qiáng)度高(為鋼的100倍，但重量只有鋼到1/6?1/7)、軸向熱傳導(dǎo)率高(約3500W/(m.K))、導(dǎo)電性好的特點(diǎn)而成為一種潛在的散熱導(dǎo)電材料。自1991年日本NEC科學(xué)家飯島橙男(Iijima S μ mio)在電弧放電試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了碳納米管，人們對(duì)碳納米管碳納米管開展了廣泛的研究，并證明其具有優(yōu)異的熱導(dǎo)性:“Thermal Conductivity ofCarbonNanotube”證明碳納米管具有與金剛石相當(dāng)?shù)膶?dǎo)熱率。(Nanotechnology, 2000, 11,65)；,美國物理年會(huì)上。美國物理學(xué)會(huì)上發(fā)表一篇名為〃碳納米管顯著熱導(dǎo)性〃的文章指出對(duì)于"Zitta"字形(10，10)碳納米管在室溫下其導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)6600W/(m.K)。此外，碳納米管作為散熱器件的應(yīng)用研究也取得了一定的進(jìn)展，如CN102318438A使用碳納米管油墨作為印刷的散熱材料，CN201110207615.8公開了一種使用碳納米管散熱的LED燈，CN 101044809公開了一種覆蓋有CNT的散熱片。碳納米管具有非常大的長(zhǎng)徑比(1000:1)，因而大量熱沿著長(zhǎng)度方向傳遞，即具有很好的軸向?qū)嵝阅?，但是一般制得的碳納米管為無序排列，未能充分利用碳納米管軸向?qū)嵝阅芨叩膬?yōu)勢(shì)；而且碳納米管之間相互排布致密，降低散熱效果。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種X射線管及其制備方法，能夠提高X射線管的散熱效率，快速地散去陽極靶上的熱量，延長(zhǎng)X射線管的使用壽命。
[0008]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題而采用的技術(shù)方案是提供一種X射線管，包括管芯和包覆所述管芯的外殼，所述外殼的內(nèi)表面設(shè)有碳納米管沿直線生長(zhǎng)形成的碳納米管陣列層，所述碳納米管的軸向與所述內(nèi)表面成一夾角。
[0009]進(jìn)一步地，所述碳納米管陣列層為一層或多層碳納米管陣列。
[0010]進(jìn)一步地，所述夾角的范圍為30。?90。。
[0011]進(jìn)一步地，所述夾角為直角。
[0012]進(jìn)一步地,所述外殼為柱體或球體。
[0013]進(jìn)一步地，所述碳納米管陣列層呈柱狀、墻狀或十字型結(jié)構(gòu)。
[0014]進(jìn)一步地，所述碳納米管碳納米管陣列層高度為0.1 μπι?100 μπι，所述碳納米管的相鄰間距為0.5-2.5 μ m。
[0015]進(jìn)一步地，所述管芯和外殼之間設(shè)置有冷卻液。
[0016]進(jìn)一步地，所述外殼的材料為不銹鋼或鉛。
[0017]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題而采用的另一項(xiàng)技術(shù)方案是提供一種上述X射線管的制備方法，通過如下步驟制備:a)先在硅基底上采用化學(xué)氣相沉積的方法使碳納米管沿直線生長(zhǎng)形成一層或多層碳納米管薄膜層；b)提供X射線管的外殼，將硅基底上的碳納米管薄膜層用PDMS (聚甲基硅氧烷)粘附，然后將粘附了碳納米管的PDMS轉(zhuǎn)移至所述外殼內(nèi)表面上；c)用洗脫劑除去PDMS，強(qiáng)堿溶液除去硅基底；d)真空加熱使碳納米管薄膜層和外殼內(nèi)表面之間形成化學(xué)鍵；e)對(duì)所述一層或多層碳納米管薄膜層進(jìn)行刻蝕，形成圖案化的碳納米管陣列層。
[0018]進(jìn)一步地,所述步驟a)中碳納米管陣列層的高度為0.1 μ m?100 μ m,所述碳納米管的相鄰間距為0.5?2.5 μ m。
[0019]進(jìn)一步地，所述步驟b)中外殼通過焊接工藝或沖壓成型方法制備而成。
[0020]進(jìn)一步地，所述步驟c)中去除PDMS的洗脫劑為丙酮，去除硅基底的洗脫劑為強(qiáng)堿溶液。
[0021]進(jìn)一步地,所述強(qiáng)堿溶液為氫氧化鉀溶液或氫氧化鈉溶液。
[0022]進(jìn)一步地，所述步驟d)中加熱的溫度為1000°C?2000°C。
[0023]進(jìn)一步地，所述步碳納米管陣列層呈柱狀、墻狀或十字型結(jié)構(gòu)。
[0024]進(jìn)一步地，所述步驟e)采用的刻蝕方法為激光刻蝕，電子束刻蝕或等離子體刻蝕。
[0025]本發(fā)明對(duì)比現(xiàn)有技術(shù)有如下的有益效果:本發(fā)明提供的X射線管及其制備方法，通過在外殼內(nèi)表面上設(shè)置碳納米管薄膜層，并對(duì)碳納米管碳納米管薄膜層圖案化后的碳納米管陣列層作為X射線管的散熱傳導(dǎo)層，充分利用碳納米管軸向熱導(dǎo)率高、表面積大的特性，大大提高了 X射線管的散熱效率，從而快速高效地散去陽極靶上的熱量，延長(zhǎng)了 X射線管的使用壽命。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明X射線管結(jié)構(gòu)示意圖。[0027]圖2為本發(fā)明X射線管外殼內(nèi)表面上的碳納米管陣列局部放大示意圖。
[0028]圖3為本發(fā)明X射線管外殼內(nèi)表面上形成的柱狀碳納米管陣列層徑向截面示意圖。
[0029]圖4為本發(fā)明X射線管外殼內(nèi)表面上形成的柱狀碳納米管陣列層軸向截面示意圖。
[0030]圖5為本發(fā)明X射線管外殼內(nèi)表面上形成的墻狀碳納米管陣列層徑向截面示意圖。
[0031]圖6為本發(fā)明X射線管外殼內(nèi)表面上形成的墻狀碳納米管陣列層軸向截面示意圖。
[0032]圖7為本發(fā)明X射線管的制備方法流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
[0034]圖1為本發(fā)明X射線管結(jié)構(gòu)示意圖。
[0035]請(qǐng)參見圖1，本發(fā)明提供的X射線管包括管芯I，管芯I外設(shè)有外殼2,其中,夕卜殼2內(nèi)表面上設(shè)有碳納米管沿直線生長(zhǎng)形成的一層或多層碳納米管陣列層3，碳納米管的軸向與外殼2的內(nèi)表面成一夾角，該夾角即為碳納米管的軸線與該軸線與內(nèi)表面交叉點(diǎn)所在的切線形成的夾角，所述夾角范圍為30°?90°，優(yōu)選為90°，碳納米管陣列層3的高度為
0.1ym?100 μ m，碳納米管的相鄰間距為0.5-2.5 μ m。外殼2為柱體，在其它實(shí)施例中外殼2的形狀還可以為球體。
[0036]本發(fā)明提供的X射線管，如圖2所示，碳納米管陣列層3附著在基底30上，碳納米管陣列層3包括若干碳納米管31，基底30即為X射線管的外殼2，通常是不銹鋼或鉛等金屬材料；碳納米管陣列層3的高度優(yōu)選為0.1 μ m?100 μ m。碳納米管陣列層3實(shí)現(xiàn)一種微納米結(jié)構(gòu)的“光限域”構(gòu)造，可以對(duì)紅外線產(chǎn)生多次散射的功能，減小了對(duì)紅外線的反射，增加碳納米管陣列對(duì)紅外光的吸收率，進(jìn)而減小紅外光的二次反射。碳納米管陣列層3為圖案化結(jié)構(gòu)，可以為柱狀結(jié)構(gòu)，如圖3、圖4所示，圖3為柱狀碳納米管陣列層徑向截面示意圖；圖4為柱狀碳納米管陣列層軸向截面示意圖所示；或者為墻狀結(jié)構(gòu)，如圖5，圖6所示，圖5為墻狀碳納米管陣列層徑向截面示意圖；圖6為墻狀碳納米管陣列層軸向截面示意圖；還可以為十字型結(jié)構(gòu)等(圖中未示)。
[0037]為了增強(qiáng)散熱效果，X射線管管芯I和外殼2之間設(shè)置有冷卻液4，圖案化后的碳納米管陣列層3具有較高的表面積，較大的表面積和冷卻液4接觸，大大擴(kuò)大了散熱面積。此外，由于碳納米管的軸向?qū)崧蕵O高，且容易和各種金屬形成良好的接觸，因此可以方便地將吸收的熱量快速傳導(dǎo)出去。
[0038]請(qǐng)參見圖7，上述X射線管的制備方法，提供管芯I后，在管芯I外包括如下步驟:
[0039]步驟S10，先在硅基底上采用化學(xué)氣相沉積的方法形成使碳納米管31沿直線生長(zhǎng)形成一層或多層碳納米管薄膜層；
[0040]步驟S20，提供X射線管的外殼2，將硅基底上的碳納米管薄膜層用PDMS (聚甲基硅氧烷)粘附，然后將粘附了碳納米管的PDMS轉(zhuǎn)移至X射線管的外殼2內(nèi)表面上；
[0041]步驟S30，用洗脫劑除去PDMS，強(qiáng)堿溶液除去硅基底；[0042]步驟S40，真空加熱使碳納米管薄膜層和外殼2內(nèi)表面之間形成化學(xué)鍵；
[0043]步驟S50，對(duì)所述一層或多層碳納米管薄膜層進(jìn)行刻蝕，形成圖案化的碳納米管陣列層3，碳納米管陣列層3中的碳納米管31軸向與外殼2內(nèi)表面有一定角度。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，存在多種碳納米管的刻蝕方法，如電子束刻蝕、激光刻蝕或等離子體刻蝕，本發(fā)明對(duì)此不做限定。
[0044]下面將對(duì)本發(fā)明提供的X射線管的具體制備方法分別進(jìn)行說明:
[0045]實(shí)施例1
[0046]本實(shí)施例提供的X射線管的制備方法包括如下步驟:
[0047]I)在硅基底上采用化學(xué)氣相沉積的方法使碳納米管31沿直線生長(zhǎng)形成多層高度為10 μπι的碳納米管薄膜層；
[0048]2)用PDMS將碳納米管薄膜層轉(zhuǎn)移至X射線管的外殼2內(nèi)表面上；
[0049]3)用丙酮洗去PDMS，氫氧化鈉溶液洗去硅基底；
[0050]4)真空加熱至1000°C使碳納米管薄膜層和外殼2內(nèi)表面之間形成化學(xué)鍵；
[0051]5)采用激光刻蝕的方法將碳納米管薄膜層圖案化，形成柱狀碳納米管陣列層3，碳納米管陣列層3中的碳納米管31軸向與外殼2內(nèi)表面成直角。
[0052]實(shí)施例2
[0053]本實(shí)施例提供的X射線管的制備方法包括如下步驟:
[0054]I)在硅基底上采用化學(xué)氣相沉積的方法使碳納米管31沿直線生長(zhǎng)形成多層高度為50 μπι的碳納米管薄膜層；
[0055]2)用PDMS將碳納米管薄膜層轉(zhuǎn)移至X射線管的外殼2內(nèi)表面上；
[0056]3)用丙酮洗去PDMS，氫氧化鈉溶液洗去硅基底；
[0057]4)真空加熱至1500°C，使碳納米管薄膜層和金屬外殼2內(nèi)表面之間形成化學(xué)鍵；
[0058]5)采用電子束刻蝕的方法將碳納米管層圖案化，形成墻狀碳納米管陣列層3，碳納米管陣列層3中的碳納米管31軸向與外殼2內(nèi)表面的夾角成60°。
[0059]實(shí)施例3
[0060]本實(shí)施例提供的X射線管的制備方法包括如下步驟:
[0061]I)在硅基底上采用化學(xué)氣相沉積的方法使碳納米管31沿直線生長(zhǎng)形成多層高度為100 μπι的碳納米管薄膜層；
[0062]2)用PDMS將碳納米管薄膜層轉(zhuǎn)移至X射線管的外殼2內(nèi)表面上；
[0063]3)用丙酮洗去PDMS，氫氧化鉀溶液洗去硅基底；
[0064]4)真空加熱至2000°C，使碳納米管薄膜層和金屬外殼2內(nèi)表面之間形成化學(xué)鍵；
[0065]5)采用等離子體刻蝕的方法將碳納米管陣列層圖案化，形成十字型碳納米管陣列層3，碳納米管陣列層3中的碳納米管31軸向與外殼內(nèi)表面的夾角成30°。
[0066]綜上所述，本發(fā)明提供的X射線管及其制備方法，通過在外殼2內(nèi)表面上設(shè)置碳納米管薄膜層，并對(duì)碳納米管薄膜層圖案化后形成沿直線生長(zhǎng)的碳納米管陣列層3作為X射線管的散熱傳導(dǎo)層，使用碳納米管構(gòu)成的微納結(jié)構(gòu)來代替金屬腔體，作為吸收X射線管整體輻射散熱的材料，具體優(yōu)點(diǎn)如下:I)碳納米管本身對(duì)紅外線有較高的吸收率，用其代替金屬防止二次紅外輻射加熱腔體；2)用碳納米管構(gòu)筑的微納米結(jié)構(gòu)減小了對(duì)光的反射作用，增加了對(duì)紅外光的吸收效率；3)圖案化后的碳納米管陣列層3有較大的表面積，較大的表面積和冷卻液4接觸，實(shí)際上是擴(kuò)大了散熱面積；4)利用碳納米管的軸向?qū)崧蕵O高，且容易和各種金屬形成良好的接觸的特點(diǎn)，可以方便吸收的熱量快速的傳導(dǎo)出去。
[0067]雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭示如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許的修改和完善，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)以權(quán)利要求書所界定的為準(zhǔn)
【權(quán)利要求】
1.一種X射線管,包括管芯和包覆所述管芯的外殼,其特征在于，所述外殼的內(nèi)表面設(shè)有碳納米管直線生長(zhǎng)形成的碳納米管陣列層，所述碳納米管的軸向與所述內(nèi)表面成一夾角。
2.如權(quán)利要求1所述的X射線管，其特征在于，所述碳納米管陣列層為一層或多層碳納米管陣列。
3.如權(quán)利要求1所述的X射線管，其特征在于，所述夾角的范圍為30°?90°。
4.如權(quán)利要求3所述的X射線管，其特征在于，所述夾角為直角。
5.如權(quán)利要求1所述的X射線管，其特征在于，所述外殼為柱體或球體。
6.如權(quán)利要求1所述的X射線管，其特征在于，所述碳納米管陣列層呈柱狀、墻狀或十字型結(jié)構(gòu)。
7.如權(quán)利要求1所述的X射線管，其特征在于，所述碳納米管陣列層的高度為0.1 μ m?100 μ m,所述碳納米管的相鄰間距為0.5 μ m?2.5 μ m。
8.如權(quán)利要求1所述的X射線管，其特征在于，所述管芯和外殼之間設(shè)置有冷卻液。
9.如權(quán)利要求1所述的X射線管，其特征在于，所述外殼的材料為不銹鋼或鉛。
10.一種如權(quán)利要求1所述的X射線管的制備方法，提供管芯，其特征在于，包括在管芯外通過如下步驟制備: a)先在硅基底上采用化學(xué)氣相沉積的方法使碳納米管沿直線生長(zhǎng)形成一層或多層碳納米管薄膜層； b)提供X射線管的外殼，將硅基底上的碳納米管薄膜層用PDMS(聚甲基硅氧烷)粘附，然后將粘附了碳納米管的PDMS轉(zhuǎn)移至所述外殼內(nèi)表面上； c)用洗脫劑除去PDMS，強(qiáng)堿溶液除去硅基底； d)真空加熱使碳納米管薄膜層和外殼內(nèi)表面之間形成化學(xué)鍵； e)對(duì)所述一層或多層碳納米管薄膜層進(jìn)行刻蝕，形成圖案化的碳納米管陣列層。
11.如權(quán)利要求10所述的X射線管的制備方法，其特征在于，所述步驟a)中碳納米管薄膜層的高度為0.1?100 μ m,所述碳納米管的相鄰間距為0.5?2.5 μ m。
12.如權(quán)利要求10所述的X射線管的制備方法，其特征在于，所述步驟b)中所述外殼通過焊接工藝或沖壓成型方法制備而成。
13.如權(quán)利要求10所述的X射線管的制備方法，其特征在于，所述步驟c)中去除PDMS的洗脫劑為丙酮，去除硅基底的洗脫劑為強(qiáng)堿溶液。
14.如權(quán)利要求13所述的X射線管的制備方法，其特征在于，所述強(qiáng)堿溶液為氫氧化鉀溶液或氫氧化鈉溶液。
15.如權(quán)利要求10所述的X射線管的制備方法，其特征在于，所述步驟d)中加熱的溫度為 1000°C?2000°C。
16.如權(quán)利要求10所述的X射線管的制備方法，其特征在于，所述碳納米管陣列層呈柱狀、墻狀或十字型結(jié)構(gòu)。
17.如權(quán)利要求16所述的X射線管的制備方法，其特征在于，所述步驟e)采用的刻蝕方法為激光刻蝕，電子束刻蝕或等離子體刻蝕。
【文檔編號(hào)】H01J9/24GK103794444SQ201210434550
【公開日】2014年5月14日 申請(qǐng)日期:2012年11月2日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月2日
【發(fā)明者】李冬松, 章健 申請(qǐng)人:上海聯(lián)影醫(yī)療科技有限公司