快速成像場(chǎng)發(fā)射X射線管的電子調(diào)制結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、X射線成像由于可以透過物體表面對(duì)其內(nèi)部進(jìn)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(yīng)用。采用場(chǎng)發(fā)射冷陰極為電子源的X射線管，由于可以通過電場(chǎng)瞬間調(diào)制場(chǎng)發(fā)射電子束而有可能實(shí)現(xiàn)快速成像，在低輻射劑量成像或者對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)場(chǎng)合極具應(yīng)用潛力。因此，本文以碳納米管作為冷陰極發(fā)射材料，重點(diǎn)研究了X射線管中的電子調(diào)制結(jié)構(gòu)對(duì)陽極電流的影響。
　　本文提出了電源驅(qū)動(dòng)方式、X射線管柵極設(shè)計(jì)等改進(jìn)方案，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究;對(duì)柵網(wǎng)

2、的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了仿真優(yōu)化;設(shè)計(jì)加工了冷陰極X射線管，通過成像實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的X射線管性能。
　　本文基于三極的場(chǎng)發(fā)射結(jié)構(gòu)，在直流和脈沖驅(qū)動(dòng)下測(cè)試了場(chǎng)致發(fā)射性能。結(jié)果表明使用脈沖電源驅(qū)動(dòng)能有效降低柵網(wǎng)工作時(shí)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(xiàn)大幅度下降，導(dǎo)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(wǎng)上蒸鍍二次電子發(fā)射材料氧

3、化鎂(MgO)薄膜。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，MgO薄膜可以對(duì)陽極電流有極大的提高，同時(shí)不易出現(xiàn)打火，工作穩(wěn)定。第二種是使用覆蓋碳膜的柵網(wǎng)，本文建立了單個(gè)網(wǎng)孔的COMSOL仿真模型并作了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，由于柵網(wǎng)網(wǎng)孔處電場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)于孔壁處較小，而只有網(wǎng)孔處發(fā)射的電子能夠通過網(wǎng)孔，發(fā)射電場(chǎng)并不均勻。而厚度小于10nm的導(dǎo)電碳膜不僅能使陰柵間的電場(chǎng)均勻，而且?guī)缀醪蛔璧K電子從中順利穿過到達(dá)陽極。
　　為了進(jìn)一步優(yōu)化柵網(wǎng)結(jié)構(gòu)，本文對(duì)三角形、方形、六

4、邊形三種網(wǎng)孔形狀進(jìn)行了仿真研究。其中，根據(jù)透過率和陽極電流的仿真結(jié)果，得到最優(yōu)化的柵網(wǎng)結(jié)構(gòu)為邊長(zhǎng)0.4mm的三角形網(wǎng)孔，其透過率可以達(dá)到68.7％。
　　最后，我們使用前文中的陰柵極結(jié)構(gòu)封裝制備了冷陰極X射線管，并使用該X射線管分別進(jìn)行了直流和脈沖成像實(shí)驗(yàn)。直流條件下，無論是使用膠片還是影像增強(qiáng)器，該X射線管均能對(duì)樣品形成清晰的影像，并且能在陽極電壓50kV時(shí)穩(wěn)定工作。脈沖條件下，使用影像增強(qiáng)器能在單個(gè)脈沖（脈沖寬度50ms，占空