CT用场致发射脉冲式X射线管的研制

发布时间：2020-03-27 12:05

【摘要】：X射线广泛应用于医学CT影像检测和工艺无损检测中。作为X射线成像系统中的核心部件X射线管,长期受限于热电子发射阴极工作温度高,电流密度小,启动速度慢等弊端。特别地,在医疗CT成像领域,往往要求X射线管的焦斑尺寸小,电流密度大,瞬间响应快,可快速拍照,X射线辐射剂量低等。碳纳米管场致发射源作为一种新的冷阴极电子发射源,能克服传统热阴极的缺点,基于碳纳米管X射线管的CT系统可实现脉冲式发射,高速拍照,低剂量的特点,被认为是一种可代替热阴极材料作为X射线管的核心阴极材料。碳纳米管X射线管相比于传统X射线管的优点毋庸置疑,但不可否认其存在着明显的不足,比如:碳纳米管射线管的电流稳定性差,容易出现打火现象。场致发射一般需要施加强的电场于阴极表面,一般采用引入栅极的方式来实现。其中内栅极制备工艺难度高,容易烧毁短路。外栅极结构能有效避免内栅极缺陷,但外栅极截获电子非常严重,导致栅极发射变形。这些不足很大程度上影响着碳纳米管发射X射线管的应用推广。本文为了提高碳纳米管场致发射阴极的可靠性,利用微波等离子体CVD设备生长大面积碳纳米管场致发射阵列,沉积催化剂有效地解决了碳纳米管与基底之间接触阻抗过高的问题,提高了碳纳米管场发射电流的稳定性,并且获得了很高的发射电流密度。同时,本论文优化了一种X射线管电子枪结构,在大大降低栅极截获电子数的同时,实现了很高的压缩比,获得了很好的聚焦特性。本文主要有以下3个方面研究内容:1.在原来的碳纳米管场致发射X射线管的基础上,对X射线管进行了新的结构设计,采用阴影栅结构,近似实现了栅极零截获,优化仿真了带阴影栅结构的电子枪结构,并满足高分辨率CT系统的性能要求;2.采用MW-PCVD和丝网印刷的方法制备碳纳米管阵列,得到了电流密度大于2A/cm~2大面积阴极阵列;3.根据设计要求成功制备出了大功率脉冲式X射线管,并进行了CT成像验证,获得了高分辨率CT成像。
【图文】：

射线,实物

德国科学家伦琴在研究阴极射线管时，偶然发现了一种肉眼无法看见的“光线”，该光线能使涂有氯化钡的纸板发出可见的荧光，并在纸板上能够观察到手的骨骼形象，因此发现了 X 射线[1]。X 射线的波长很短介于 0.01~100 埃之间，使得它具有很高的频率，同时 X 射线具有很强的穿透本领，能透过许多对可见光不透明的物质，并且可以使照相底片感光。因此，在发现 X 射线之后，人们将其应用于医疗和工业上的检测和成像，制成 X 射线管[2]。X 射线是由高速电子撞击靶材所产生，在撞击中电子的绝大多数动能都转化为了热能，同时有少部分的能量（约 1%）以光子的形式放出，形成 X 光光谱的连续部分，称之为韧致辐射。通过增加加速电压，会使得电子携带的能量增加，则有一定概率通过撞击使金属原子内层的电子逸出。导致金属内层会有空穴形成，外层电子跃迁回内层填补空穴，同时会释放出波长在 0.1nm 左右的光子。因为外层电子跃迁放出的能量并不是连续的，而是量子化的，所以释放出的光子的波长也会集中在一些部分，形成了 X 光谱中的特征线，称其为特性辐射。其中韧致辐射是 X 射线管获取 X 射线的主要途径，其广泛应用于医学和工业领域[3]。

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图 1-2 场致发射 J-E 曲线脉冲式场致发射 X 射线管的概述奥地利数学家 J.Radon[31]提出了拉东变换，证明了二维或者三投影的无限集合来进行重建影像，拉东变换成为了 X 射线断1967 年 Godfrey Hounsfied[32]设计了一台加强 X 射线放射源的扫重建数学，计算技术，X 射线探测器三个基本部分组成。他进行实验性测量，取得了初步的成效。后来他又将此装置去测的效果，由此制造了能够供临床使用的 CT 医疗影像仪器。T 扫描机的基本组成部分，X 射线源对 CT 成像的质量有着重CT 技术的日益成熟，CT 扫描机已经发展到第五代，从单一探，从采取旋转/平移方式扫描，收集信息到环状排列，固定不扫描机采集的数据愈加丰富，图像质量更好，，扫描速率也更快的 CT 机都采用热阴极 X 射线管，在其工作的时候有着以下的
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN14

【参考文献】