快速成像場發(fā)射X射線管的電子調制結構研究.pdf

1、X射線成像由于可以透過物體表面對其內部進行成像這一優(yōu)異性能，在醫(yī)療、工業(yè)探傷、安檢等方面都已具有廣泛的應用。采用場發(fā)射冷陰極為電子源的X射線管，由于可以通過電場瞬間調制場發(fā)射電子束而有可能實現快速成像，在低輻射劑量成像或者對運動物體的動態(tài)監(jiān)測場合極具應用潛力。因此，本文以碳納米管作為冷陰極發(fā)射材料，重點研究了X射線管中的電子調制結構對陽極電流的影響。
　　本文提出了電源驅動方式、X射線管柵極設計等改進方案，并進行了實驗研究;對柵網

2、的結構參數進行了仿真優(yōu)化;設計加工了冷陰極X射線管，通過成像實驗驗證所設計的X射線管性能。
　　本文基于三極的場發(fā)射結構，在直流和脈沖驅動下測試了場致發(fā)射性能。結果表明使用脈沖電源驅動能有效降低柵網工作時的功率，有利于提高柵極電壓，從而提高陽極電流。但是在大電流條件下，柵極的透過率出現大幅度下降，導致大量陰極發(fā)射電子被柵極攔截，從而限制了陽極電流大小。
　　為此，本文提出了兩種解決方案:第一種是在柵網上蒸鍍二次電子發(fā)射材料氧

3、化鎂(MgO)薄膜。實驗測試表明，MgO薄膜可以對陽極電流有極大的提高，同時不易出現打火，工作穩(wěn)定。第二種是使用覆蓋碳膜的柵網，本文建立了單個網孔的COMSOL仿真模型并作了實驗研究。結果表明，由于柵網網孔處電場強度相對于孔壁處較小，而只有網孔處發(fā)射的電子能夠通過網孔，發(fā)射電場并不均勻。而厚度小于10nm的導電碳膜不僅能使陰柵間的電場均勻，而且?guī)缀醪蛔璧K電子從中順利穿過到達陽極。
　　為了進一步優(yōu)化柵網結構，本文對三角形、方形、六

4、邊形三種網孔形狀進行了仿真研究。其中，根據透過率和陽極電流的仿真結果，得到最優(yōu)化的柵網結構為邊長0.4mm的三角形網孔，其透過率可以達到68.7％。
　　最后，我們使用前文中的陰柵極結構封裝制備了冷陰極X射線管，并使用該X射線管分別進行了直流和脈沖成像實驗。直流條件下，無論是使用膠片還是影像增強器，該X射線管均能對樣品形成清晰的影像，并且能在陽極電壓50kV時穩(wěn)定工作。脈沖條件下，使用影像增強器能在單個脈沖（脈沖寬度50ms，占空