静电自会聚六硼化镧X射线源的研究

摘要

高功率,大电流密度,细聚焦X射线源在工业无损探伤、医学成像、安全技术等领域具有广泛的应用。随着 X射线成像系统的发展,对于小型化,低能耗,高性能X射线源的需求越来越突出。同步辐射法、激光等离子体源、电子束离子阱等方法能够产生高密度X射线,但其设备复杂,造价昂贵,维护费用高,难以实现实用化。因此,利用传统电子束打靶产生X射线的方法设计一种具有大电流密度、小体积、低功耗的X射线源,对于提高成像空间分辨率、降低设备成本等方面意义重大。本文设计并试制了一种用于移动式CT扫描的X射线管,并根据设计要求进行以下几个方面的研究:
　　1、为实现高功率X射线管的小型化,采用固定阳极结构代替旋转阳极对 X射线管进行设计。并采用静电自聚焦方式,设计了具有梯形聚焦槽的单圆筒电极电子束聚焦结构,避免聚焦电极的引出。
　　2、为解决固定阳极结构的阳极散热问题,采用具有优异电子发射能力的六硼化镧阴极代替传统钨阴极。在脉冲工作方式下,对X射线管的阴极发射体结构进行设计。设计了发射面尺寸为4.5mm×0.8mm的平面阴极发射体结构,并对其进行热发射性能测试。测试结果表明,在1500℃,2500V阳极电压下,阴极发射体能产生65mA的发射电流,且发射稳定性良好。
　　3、为提高电子束轰击阳极的均匀性和利用率,并产生设计要求的1mm×1mmX射线束。采用EBS电子束模拟软件对X射线管进行结构仿真。给出了以出射X射线光斑尺寸以及阳极电流分布均匀性为设计依据的阴极、聚焦极、以及阳极结构参数。在120kV阳极电压下,阳极电流达97.76mA,出射X射线光斑大小0.997mm×0.988mm,并具有均匀电流分布。
　　4、根据仿真结果对X射线源电子发射系统进行设计。设计了石墨热子加热的夹持式阴极结构;并完成阴极罩、阴极筒以及陶瓷芯柱等阴极组件设计。完成X射线源阴极电子枪的总装与X射线源样管的试制。
　　5、对X射线源样管的性能进行测试,结果表明:当阴极温度为1150℃,在20kV阳极电压下,样管的阳极电流达到10mA,出射X射线束斑1.2mm×1.1mm。样管在60kV与120kV下的开关特性测试显示:在120kV工作电压下,管电流对管电压变化的响应几乎没有时间迟滞,X射线管开关性能良好。

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第一章 绪 论

1.1 选题意义与依据

1.2 X射线概述

1.3 新型X射线源研究现状

1.4 电子束打靶X射线源

1.5 论文研究内容与结构安排

第二章 X射线源总体结构的初步设计

2.1 金属热电子发射理论

2.2 皮尔斯电子枪理论

2.3 阴极发射体结构设计

2.4 聚焦极结构初步设计

2.5 阳极结构设计

2.6 焦点设计

2.7 本章小结

第三章 X射线源基本结构的数值仿真

3.1 有限差分算法

3.2 静电场中电子运动轨迹的数值计算

3.3 初始计算模型的建立

3.4 聚焦极结构对发射性能的影响

3.5 阴极结构对发射性能的影响

3.6 阳极结构对发射性能的影响

3.7 仿真结果

3.8本章小结

第四章 X射线源电子发射系统结构设计

4.1 阴极结构设计

4.2 聚焦系统结构设计

4.3 电子发射系统的连接与装架

4.4 关键零部件的工艺处理

4.5 样管制作工艺流程

4.6 本章小结

第五章 X射线源的性能测试

5.1 阴极发射体热发射性能测试

5.2 X射线管发射性能测试

5.3 X射线源开关特性测试

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 论文研究工作总结

6.2 下一步工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果

附录