碳納米管微焦點X射線管的設(shè)計與研制.pdf

1、微焦點 X射線管在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)、生物科學(xué)、工業(yè)檢測等科學(xué)研究和應(yīng)用領(lǐng)域具有重要的作用，傳統(tǒng)的微焦點 X射線管，由于受熱陰極電子源的限制，存在諸如體積大、啟動慢、時間分辨率低、功耗大與壽命短等缺點，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代科學(xué)研究與技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的要求。碳納米管被公認(rèn)為是理想的場發(fā)射電子源，具有優(yōu)良的電子發(fā)射性能。將碳納米管場發(fā)射陰極取代熱陰極應(yīng)用于 X射線管，可制成能耗低、分辨率高、脈沖響應(yīng)和壽命長的微型X射線管，被認(rèn)為是碳納米管“撼動世界”的重要應(yīng)

2、用之一，是目前研究的熱點。本文采用微波等離子體化學(xué)氣相沉積法(MWPCVD)通過優(yōu)化碳納米管催化劑結(jié)構(gòu)，結(jié)合退火、老煉工藝，制備出場發(fā)射性能優(yōu)良的碳納米管場發(fā)射陣列陰極，并通過仿真設(shè)計和實驗研制了碳納米管微焦點X射線管。其主要研究內(nèi)容如下：
　　(1)采用 MWPCVD法制備碳納米管束陣列，通過分析 Ni/Al/Fe、Ti/Al/Fe、Au/Al/Fe、Cu/Al/Fe、Ti/Cu/Al/Fe五種不同堆棧式的催化劑結(jié)構(gòu)生長的碳納米

3、管束陣列形貌及其場發(fā)射性能測試結(jié)果，研究了催化劑結(jié)構(gòu)對制備的碳納米管形貌和場發(fā)射性能的影響，發(fā)現(xiàn)Ti/Cu/Al/Fe催化劑結(jié)構(gòu)能夠制備出均勻一致、排列整齊、與襯底垂直度好、附著力強的碳納米管陣列，其場發(fā)射性能測試測得開啟電場為2.9V/μm，在電場8.3V/μm時獲得260mA總發(fā)射電流，對應(yīng)電流密度為1.04A/cm2，表明這種催化劑結(jié)構(gòu)生長的碳納米管陣列開啟電場低，發(fā)射電流密度大。
　　(2)在Mo襯底上生長碳納米管陣列，其

4、形貌分析結(jié)果表明，在Mo襯底上生長的碳納米管晶格缺陷少，單根碳納米管筆直；研究還表明，碳納米管通過Ti/C u緩沖層與Mo襯底可以形成全金屬接觸結(jié)構(gòu)，因此與襯底具有很強的附著力和導(dǎo)電性；場發(fā)射性能測試和離子轟擊實驗表明，與Si襯底上生長的碳納米管陣列相比，Mo襯底上生長的碳納米管陣列具有更低的開啟電場、閾值電場和更強的抗離子轟擊能力。
　　(3)研究了退火對碳納米管形貌和性能的改善。形貌分析結(jié)果表明退火不僅能去除掉碳納米管束中的雜

5、質(zhì)，使碳納米管更加純凈，而且高溫能使碳納米管進(jìn)一步晶化，有效減少了碳納米管中的晶格缺陷，同時使碳納米管變得更加筆直；退火后的碳納米管束與襯底的接觸也比退火前更加緊密。場發(fā)射測試發(fā)現(xiàn)退火后的碳納米管的開啟電場降低，并且能達(dá)到更高的發(fā)射電流。
　　(4)研究了老煉工藝對碳納米管形貌和場發(fā)射性能的改善，發(fā)現(xiàn)老煉可以通過小電流打火現(xiàn)象去除掉碳納米管束中晶格缺陷較多的碳納米管，使碳納米管陣列的電流發(fā)射更穩(wěn)定。
　　(5)設(shè)計了碳納米管

6、微焦點X射線管的結(jié)構(gòu)，并采用CST粒子工作室進(jìn)行仿真分析和優(yōu)化。通過仿真，分析了各電極結(jié)構(gòu)參數(shù)對 X射線管電子束聚焦和焦點尺寸的影響，總結(jié)了影響規(guī)律，并在這些規(guī)律的指導(dǎo)下，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)仿真設(shè)計了有效焦點尺寸為30μm×30μm的微焦點X射線管。根據(jù)仿真確定的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)行了實驗研究，研制了微焦點 X射線管的各部件，組裝了樣管，并進(jìn)行了相關(guān)參數(shù)的測試。電流測試結(jié)果表明，研制的微焦點 X射線管樣管的柵極與陰極距離太近，對電流有很大的