基于CNTs的X射线管冷阴极电子源的研究

摘要

X射线有着独特的物理效应和化学效应，一直以来在医疗领域和生产领域具有广泛的应用，目前市场上的大多数X射线管采用的是热阴极电子源。相对于热阴极电子源，冷阴极电子源的X射线管具有体积小、响应快、容易聚焦、无需加热、容易数字化控制等优点，而日益成为研究热点。但目前所能获得的冷阴极也存在一些问题，如阴极电子发射效率不高，发射电流稳定性低，聚焦效果差等。
　　针对冷阴极电子源存在的上述问题，本文主要研究了基于碳纳米管(CarbonNanotubes，CNTs)的X射线管冷阴极电子源，包括冷阴极的制备及电子发射性能优化，聚焦结构的设计及仿真模拟，以及对封装后的冷阴极X射线管的成像测试。
　　本文采用丝网印刷的方法将CNTs转移到不锈钢基底上，其发射图案为直径1mm的圆形。为克服丝印CNTs容易脱落以及与阴极基底之间存在的非欧姆接触，本文重点研究了在CNTs与不锈钢基底之间引入不同的中间层对阴极发射电流的影响，实验发现银作为中间层时CNTs电子发射效率明显提高，当外加场强为6V/μm时，发射电流从
　　1.6mA(电流密度J=200mA/cm2)增加到4mA(J=500mA/cm2)。在没有外加冷却条件下连续1小时直流测试，电流可以稳定保持在3mA(J=380mA/cm2)不变。在银中掺入少量CNTs(银与CNTs重量比为5∶1)时，阴极电子发射性能进一步提高，当外加电场为6V/μm时，发射电流可达4.4mA(J=560mA/cm2)。在没有外加冷却条件下连续1小时直流测试，电流可以稳定保持在3.2mA(J=400mA/cm2)不变。实验结果表明，在丝印过程中引入的银和少量CNTs中间层，可成为发射材料和金属基底间的过渡层，不仅能增强CNTs在基底上的附着力，还能降低CNTs与基底之间的接触电阻，从而能改善阴极发射电流和电流稳定性。
　　为了提高CNTs冷阴极电子源的聚焦特性，本文设计了三极结构的聚焦系统并对其聚焦特性进行了模拟分析。其中，栅极包括聚焦栅极和栅网两部分:聚焦栅极用来对电子束进行聚焦;位于发射体上方的栅网能使阴极表面电场均匀分布以提高CNTs发射效率，并能减小电子束发散，但也会截获一部分阴极发射电子。本文在固定电压参数的情况下，模拟分析了电子束随聚焦栅极的上下孔径、栅网的孔径和孔间距参数的变化，以及栅网尺寸对电子透过率的影响，并计算确定了结构尺寸参数。在阳极电压为50kV，栅极电压为2kV时，可在阳极板上获得半径为15μm的焦点，同时电子在栅网处的透过率为35.8％。在阳极电压和栅极电压上下浮动20％的范围内，阳极焦点半径不超过60μm。
　　为了测试基于CNTs冷阴极三极聚焦结构的X射线管的特性，本文对封装后的X射线管进行了X射线直流成像测试。当栅极电压为4kV，阳极电压为38kV时，在阳极电流达到46μA，得到了较清晰的物体X射线静态图像，反映出冷阴极X射线管的良好发光特性以及聚焦特性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 X射线与X射线管

1．1．1 X射线

1．1．2 X射线管

1．2 冷阴极电子源在X射线管中的应用

1．2．1 冷阴极X射线管与热阴极X射线管

1．2．2 冷阴极X射线管的研究现状

1．3 论文研究内容及意义

第二章 界面接触电阻对CNTs场发射特性影响的理论分析

2．1 场发射原理简介

2．2 CNTs与基底间界面接触电阻对场发射性能的影响

2．2．1 双势垒模型

2．2．2 悬浮球模型

2．2．3 CNTs与基底间接触特性对电子发射稳定性的影响

2．3 影响CNTs与基底接触电阻的理论分析

2．4 本章小结

第三章 X射线管阴极制备及电子发射性能优化

3．1 CNTs冷阴极的制备及测试

3．1．1 丝网印刷方法制备CNTs冷阴极

3．1．2 场发射性能测试方法

3．2 中间层对CNTs场发射性能的影响研究

3．3 中间层中掺入CNTs对阴极场发射性能的影响研究

3．4 本章小结

第四章 X射线管聚焦结构设计及仿真模拟

4．1 仿真算法背景介绍

4．1．1 电磁场数值计算方法简介

4．1．2 基于有限积分法求解粒子轨迹

4．2 冷阴极电子枪结构设计

4．3 电子枪结构参数确定

4．3．1 模型的建立

4．3．2 聚焦栅极尺寸对聚焦性能的影响

4．3．3 栅网尺寸对聚焦性能的影响

4．3．4 电压变动对电子轨迹的影响

4．4 本章小结

第五章 X射线管成像测试

5．1 封装后的X射线管

5．2 X射线成像测试

5．2．1 X射线成像测试系统

5．2．2 静态物体X射线成像测试

5．2．3 动态物体X射线成像测试

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

作者简介