应用于X射线管的场发射电子源的研究

摘要

X射线因其独有的物理、化学效应，在生产和医疗领域一直以来具有广泛的应用。例如利用X射线的穿透作用进行无损探伤；利用X射线的荧光作用对物质进行元素分析等。目前使用的X射线管的基本特点是采用热阴极电子源，即采用热灯丝作为电子发射源。这样的X射线管体积较大、频率响应慢且需要加热阴极的电源。而采用场致发射的电子源就可以克服上述缺点。纳米氧化锌的合成结构单一、热稳定性和化学稳定性好，是一种良好的场致发射材料。与普通的场致发射相比，采用表面传导电子发射的平面栅极结构所需的驱动电压更低，电子发射更稳定。
　　 本文介绍了场致发射阴极并以此作为X射线管的电子源。主要研究了X射线管场发射电子源的结构设计、阴极制备、封装与测试。首先，通过对现有的场发射电子源的研究，引申出平面栅极型表面传导电子发射结构，并对建立的工作模型进行模拟，确定平面栅极型阴极的结构参量。通过模拟仿真计算，配合实验证明，提出在阴极电子源上方放置聚焦电极的改进方案，优化并确定聚焦电极的具体尺寸。然后，以丝网印刷的方法制备X射线管的场发射电子源，并对其进行场致发射测试。实验中获得较大的发射电流（最大发射电流密度为91.7mA/cm2），但因基底在发射过程中损坏而造成发射的稳定性较差。选择硅作为新的基底材料，使得发射稳定性有了明显的改善，并对制备于新基底的阴极电子源进行封装测试。
　　 最后，利用真空封接工艺完成X射线管电子源验证器件的装配，并进行真空排气。器件的测试采用直流电源进行，阳极获得的最大电流为3mA。在理论计算的条件下，当阳极电压为20KV时，产生的X射线的能量在83.6mW～107.5mW之间。测试的结果表明，本实验中制备的X射线管的场发射电子源能够提供足够大的电流密度，满足一定功率X射线的出射要求。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 X射线管工作原理

1.2 场发射电子源

1.2.1 场发射原理简介

1.2.2 场发射电子源的阴极材料

1.3 场发射电子源在X射线管中的应用

1.3.1 采用场发射电子源的技术优势

1.3.2 场发射电子源在X射线管中的应用现状

1.4 论文的选题及主要工作

参考文献

第二章 X射线管电子源的研究

2.1 引言

2.2 X射线管电子源的结构设计

2.2.1 现有的场发射电子源结构

2.2.2 X射线管的场发射电子源结构设计

2.3 聚焦电极的结构设计

2.3.1 常见的电子束聚焦结构

2.3.2 电子源聚焦电极的结构设计

2.4 小结

参考文献

第三章 X射线管电子源的制备与测试

3.1 引言

3.2 丝网印刷法制备X射线管电子源

3.2.1 丝网印刷的工艺流程

3.2.2 印刷浆料的配制

3.2.3 印刷、烧结及后处理

3.3 X射线管电子源的发射性能测试

3.3.1 真空室内发射性能的测试

3.3.2 基底材料对发射稳定性的影响

3.3.3 发射性能的封装测试

3.4 小结

参考文献

第四章 X射线管电子源的器件验证

4.1 引言

4.2 验证器件的制备工艺

4.2.1 阳极基板的制备

4.2.2 聚焦电极的制备

4.2.3 低熔点玻璃封接及排气

4.3 验证器件的制备结果及测试

4.3.1 器件制备结果

4.3.2 性能测试结果及分析讨论

4.4 小结

参考文献

第五章 总结与展望

致 谢

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