基于碳纳米管场致发射阴极的分布式X射线源的研制

论文摘要

X射线检测在现代医学、生物科学以及工业检测等领域有着越来越重要的作用,对X射线源的性能和制备工艺也提出更高的要求。传统的利用热阴极X射线CT球管进行检测的设备,响应慢,延迟高,能耗大,寿命短,体积也大。并且单个球管进行CT成像时需要围绕目标物体进行高精度的旋转运动,从而获得多个角度的图像信息才能进行下一步的CT图像重建,耗时高效率低,而且机械运动更容易引起成像模糊,几何误差变大等风险,已经逐渐无法满足现有的需求条件。针对传统CT球管的上述缺陷,本论文创新研制了场发射阵列X射线源:阵列式X射线源不需要进行高精度旋转运动就可完成CT重建,可以实现静态扫描;单个X射线源的功耗大大降低;还可以通过栅极控制快速切换X射线源对高速运动物体成像,大大减少运动模糊;在CT成像过程中X射线源脉冲工作,角度切换的时候可以快速关断,使无效剂量大大降低并且有效降低了运动模糊等众多优点。目前国内关于利用碳纳米管制备的阵列式X射线源这方面还几乎处于空白。本论文的的核心是制备了一种基于碳纳米管的阵列式X射线源实物,X射线源为三极管结构,采用脉冲控制,单个源的脉冲电流可达300mA,阳极工作电流可达200mA。优化电子枪后其有效焦斑面积仅有0.1mm2左右,可以实现更快的更稳定的CT成像检测。本论文的研究内容主要如下:一、碳纳米管垂直阵列的生长及转移1.通过调整光刻工艺流程中的参数,解决了光刻图案模糊,图案脱落,图案线宽不适等问题,在整个硅片光刻出了均匀的边缘呈倒台状的阵列图案。2.通过蒸镀多层功能不同的金属薄膜,利用微波等离子体化学气相沉积方法,克服了碳纳米管生长长度不均匀,与基底结合不牢,密度不合适等问题,制备出了形貌整齐最大发射电流可达500mA以上,电流密度为5.7A/cm2的碳纳米管阵列。3.利用焊料和粘结剂两种转移方法对在硅基片上定向生长的碳纳米管阵列进行转移,目标基片为钼片,转移后的碳管实现了与基底非常牢固的结合,拥有更强大的抗性。4.对前面处理完成的碳纳米管薄膜在扫描电镜下进行观察形貌并分析,发现各种方法制备碳管阵列存在的问题并改进。测试主要包括场发射阈值的检测,阴极发射电流大小,电流密度以及I-V变化曲线。并根据测试结果进行分析。二、X射线源的结构设计仿真根据需求对三极管结构X射线源的阴极、栅极和阳极等各个结构进行精确建模,并通过采用有限元方法的电磁仿真软件对模型进行解算和仿真分析。最终通过不断优化结构得到了电子束焦点面积仅为0.2×0.4mm2有效焦点为0.2×0.2mm2的射线源结构模型,并进一步对阵列X射线源进行了建模仿真和整体结构设计。三、对阵列式X射线源的装配和成像测试按照设计的结构,对各种零件进行高精度装配成为一个整体的结构,经过超高真空烘烤排气成功制备了阵列式碳纳米管X射线源。在一个阵列式X射线源内包含有21个独立的X射线源。然后通过搭建的测试系统对射线源的相关性能进行测试,阳极工作电流可达200mA以上,成像测试结果证明,相比传统的热阴极射线源,研制的碳纳米管场发射阵列式X射线源启动速度快,成像分辨率高,有着更快的扫描速度和更稳定的成像效果,并获得了清晰的三维CT图像。是对国内外目前相关技术领域的一大补充。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 X射线概述
•   1.2 X射线源的发展和应用
•   1.3 CT成像原理
•   1.4 阵列X射线源的优势
•   1.5 国内外研究现状和发展态势
•   1.6 本论文的内容和安排
• 第二章 碳纳米管场致发射阴极相关内容概述
•   2.1 碳纳米管介绍
•   2.2 场发射理论
•   2.3 碳纳米管场发射优势
•   2.4 碳纳米管阴极的制备方法
•   2.5 本章小结
• 第三章 碳纳米管阵列阴极的制备
•   3.1 通过等离子增强CVD方法制备碳纳米管阵列
•     3.1.1 光刻工艺
•     3.1.2 真空镀膜工艺
•     3.1.3 碳纳米管阵列的生长
•     3.1.4 碳纳米管生长机理探索
•   3.2 碳纳米管阵列的转移
•     3.2.1 胶黏剂转移
•     3.2.2 焊料转移
•   3.3 碳纳米管阴极场发射性能测试
•   3.4 本章小结
• 第四章 X射线源结构设计和仿真
•   4.1 X射线源的结构建模
•   4.2 聚焦极结构对电子束的影响
•     4.2.1 聚焦极位置对电子束聚焦的影响
•     4.2.2 聚焦极开口大小对聚焦性能的影响
•     4.2.3 聚焦筒长度对阳极焦点的影响
•     4.2.4 聚焦极倒角对阳极焦点的影响
•   4.3 栅极参数对电子束焦点的影响
•     4.3.1 栅极距离对电子束聚焦的影响
•     4.3.2 栅极电压对电子束聚焦的影响
•   4.4 优化后的X射线源聚焦性能
•   4.5 阵列式X射线源结构设计
•   4.6 本章小结
• 第五章 阵列式X射线源装配及性能测试
•   5.1 X射线阵列源的实物制备
•   5.2 整管性能测试
•     5.2.1 X射线源场发射测试
•     5.2.2 X射线源焦点大小的测试
•     5.2.3 阵列X射线源成像测试
•   5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李小兵

导师: 陈泽祥

关键词: 碳纳米管,微波等离子体气相沉积,电场仿真,场发射,阵列式射线源

来源: 电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 电子科技大学

分类号: O434.1

总页数: 83

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