基于CNTs的X射線管冷陰極電子源的研究.pdf

1、X射線有著獨(dú)特的物理效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)，一直以來在醫(yī)療領(lǐng)域和生產(chǎn)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，目前市場上的大多數(shù)X射線管采用的是熱陰極電子源。相對于熱陰極電子源，冷陰極電子源的X射線管具有體積小、響應(yīng)快、容易聚焦、無需加熱、容易數(shù)字化控制等優(yōu)點(diǎn)，而日益成為研究熱點(diǎn)。但目前所能獲得的冷陰極也存在一些問題，如陰極電子發(fā)射效率不高，發(fā)射電流穩(wěn)定性低，聚焦效果差等。
　　針對冷陰極電子源存在的上述問題，本文主要研究了基于碳納米管(CarbonNanot

2、ubes，CNTs)的X射線管冷陰極電子源，包括冷陰極的制備及電子發(fā)射性能優(yōu)化，聚焦結(jié)構(gòu)的設(shè)計及仿真模擬，以及對封裝后的冷陰極X射線管的成像測試。
　　本文采用絲網(wǎng)印刷的方法將CNTs轉(zhuǎn)移到不銹鋼基底上，其發(fā)射圖案為直徑1mm的圓形。為克服絲印CNTs容易脫落以及與陰極基底之間存在的非歐姆接觸，本文重點(diǎn)研究了在CNTs與不銹鋼基底之間引入不同的中間層對陰極發(fā)射電流的影響，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)銀作為中間層時CNTs電子發(fā)射效率明顯提高，當(dāng)外加場

3、強(qiáng)為6V/μm時，發(fā)射電流從
　　1.6mA(電流密度J=200mA/cm2)增加到4mA(J=500mA/cm2)。在沒有外加冷卻條件下連續(xù)1小時直流測試，電流可以穩(wěn)定保持在3mA(J=380mA/cm2)不變。在銀中摻入少量CNTs(銀與CNTs重量比為5∶1)時，陰極電子發(fā)射性能進(jìn)一步提高，當(dāng)外加電場為6V/μm時，發(fā)射電流可達(dá)4.4mA(J=560mA/cm2)。在沒有外加冷卻條件下連續(xù)1小時直流測試，電流可以穩(wěn)定保持在3

4、.2mA(J=400mA/cm2)不變。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在絲印過程中引入的銀和少量CNTs中間層，可成為發(fā)射材料和金屬基底間的過渡層，不僅能增強(qiáng)CNTs在基底上的附著力，還能降低CNTs與基底之間的接觸電阻，從而能改善陰極發(fā)射電流和電流穩(wěn)定性。
　　為了提高CNTs冷陰極電子源的聚焦特性，本文設(shè)計了三極結(jié)構(gòu)的聚焦系統(tǒng)并對其聚焦特性進(jìn)行了模擬分析。其中，柵極包括聚焦柵極和柵網(wǎng)兩部分:聚焦柵極用來對電子束進(jìn)行聚焦;位于發(fā)射體上方的柵網(wǎng)能

5、使陰極表面電場均勻分布以提高CNTs發(fā)射效率，并能減小電子束發(fā)散，但也會截獲一部分陰極發(fā)射電子。本文在固定電壓參數(shù)的情況下，模擬分析了電子束隨聚焦柵極的上下孔徑、柵網(wǎng)的孔徑和孔間距參數(shù)的變化，以及柵網(wǎng)尺寸對電子透過率的影響，并計算確定了結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)。在陽極電壓為50kV，柵極電壓為2kV時，可在陽極板上獲得半徑為15μm的焦點(diǎn)，同時電子在柵網(wǎng)處的透過率為35.8％。在陽極電壓和柵極電壓上下浮動20％的范圍內(nèi)，陽極焦點(diǎn)半徑不超過60μm。