基于碳纳米管冷阴极X射线管电子源研究进展北大核心

简要介绍了场致发射的原理及其相比于热电子发射的优势,阐述了碳纳米管场发射的性能和基于碳纳米管(CNT)场发射X射线管电子源的典型结构,重点讨论了三极式与二极式碳纳米管冷阴极X射线管电子源的最新研究进展和碳纳米管X射线源的成像技术应用。今后碳纳米管场发射冷阴极取代传统的热阴极应用于X射线管电子源,可制成高时间分辨率、体积小、脉冲响应、能耗低和寿命长的微型X射线管,基于这些优势衍生出的新型X射线成像技术将推动临床医疗、安检和工业检测等领域的技术革新。     

基于PECVD的碳纳米管生长及其场致发射特性

采用等离子体增强化学气相沉积方法,以Ni作为催化剂实现碳纳米管阵列定区域单根分立生长.扫描电子显微镜分析结果表面,碳纳米管呈现笔直生长,生长速率大于500 nm/min,长度和直径比较均匀,且具有高度的定向性,排列整齐并垂直于基底.透射电子显微镜分析结果显示,生长的碳纳米管表现典型的多壁碳纳米管结构特征,并且晶格缺陷非常少.在高真空系统中对生长的碳纳米管阵列进行场致发射特性测试,结果表明生长的碳纳米管发射阵列具有很好的场致发射特性,最大电流密度大于1 A/cm^2.老炼试验显示生长的碳纳米管阵列场致发射特性具有良好的稳定性.紫外光子谱线法测试结果表明,生长的碳纳米管的功函数为4.96 eV,由此计算出碳纳米管阵列相对应的场增强因子大于1100.本文的研究结果提供了一种简单的可实现大面积和规模化的基于碳纳米管场致发射阴极的制备途径.     

高频数字X射线管灯丝发射特性对比研究

选择X射线DR摄影系统用国产与进口X射线管,进行灯丝发射特性对比研究,评估国产X射线管满足高频数字X射线机使用的有效性。采用万东50kW高频高压发生器,在相同负载条件下,分别测试进口和国产X射线管的大小焦点灯丝初级电压、灯丝初级电流、高压初级电流,并将灯丝初级电压和初级电流换算成灯丝次级电压和次级电流进行数据分析。对应选择的多档kV,在25~100mA管电流范围内,两种X射线管的小焦点发射特性均呈线性。在125~630mA管电流范围内,两种X射线管的大焦点发射特性呈线性。在相同管电压情况下,进口X射线管小焦点发射效率高于国产X射线管平均9%左右;进口X射线管大焦点发射效率低于国产X射线管平均2%左右。国产X射线管灯丝发射特性能够匹配国产高频数字X射线机,满足临床X射线诊断使用。配套DR专用摄影系统时,可将小焦点实际焦点宽度适当减小,既可提高影像质量,也可降低灯丝损耗。     

碳纳米管场致发射特性的研究进展

碳纳米管(CNT)具有优良的场致发射特性,是场致发射器件的理想阴极材料。本文介绍了几种碳纳米管阵列的制作方法以及研究碳纳米管场致发射特性的理论和实验进展。     

冷阴极X射线管关键部件的设计与仿真

利用CST粒子工作室软件设计仿真了一种高电子通过率冷阴极微焦点X射线管。重点分析X射线管阴极结构、栅网和聚焦极的结构与电压、阳极电压等关键因素对电子束聚焦束斑的影响,特别是设计了一种独特的阴极凹槽结构,使阴极电子束发射的散角减小了21.84°,并使电子枪通过率从54.3%增加至74.59%。在此基础上设计的碳纳米管X射线管在阳极电压为70 kV时,电子通过率可达到75%,电子束焦点约为56 μm,聚束比为5∶1,可为冷阴极微焦点X射线管的设计和加工提供参考。     

碳纳米管冷阴极X射线管研究述评

碳纳米管(CNTs)优异的场致电子发射性能在开发冷阴极X射线管方面展现出显著优势.研究表明,通过控制电子发射方式和提高CNTs阴极发射电流的密度和稳定性可显著提升X射线源的时空分辨能力,且能大幅降低射线管的尺寸和功耗,在高端生物医疗、无损检测和科学研究等领域具有巨大潜在应用价值;但技术实现上仍存在CNTs阴极的可靠性、...     

300kV超高压波纹陶瓷X射线管优化设计

X射线探伤作为无损检测的重要方法正朝着高分辨率、强透射和小型化方向发展。作为X射线探伤机核心部件-X射线管也必须满足探伤机的上述要求。本文采用Opera软件对超高压波纹管电子枪进行了仿真和优化设计,并依据优化结果制备出小型化的超高压高分辨率波纹陶瓷X射线管,耐压达到300kV,X射线焦斑尺寸为2.4mm×2.4mm,性能指标达到同类进口X射线管水平。     

新型三极碳纳米管场发射器件的研究

采用催化剂高温分解方法制备了碳纳米管薄膜阴极。利用优质云母板作为绝缘材料．结合简单的丝网印刷工艺制作了新型的栅极结构。详细地给出了新型三极碳纳米管场发射器件的制作工艺．对场致发射的机理进行了初步的讨论。采用这种新型的栅极结构．不仅极大地降低了总体器件成本．同时避免了碳纳米管薄膜阴极的损伤．提高了器件的制作成功率。所制作的三极结构平板场发射器件具有良好的场致发射特性和栅极控制能力。     

用碳纳米管场发射阴极产生连续和脉冲诊断成像X射线辐射

X射线辐射广泛用于医学和工业。在上世纪X射线管的基本结构没有重大变化。演示医用诊断X射线辐射能用碳纳米管(CNT）场发射阴极产生。该器件易于产生具有可编程波形和重复率的连续和脉冲X射线。从0．2cm^2面积的碳纳米管阴极上能获得28mA总发射电流。在14kVp和180mA条件下X射线     

新型栅极结构的单色三极场发射器件

应用云母板作为栅极基底,结合常规的丝网印刷工艺,制作了改进的栅极结构。采用钙钠平板玻璃作为封装面板,利用碳纳米管作为冷阴极材料,研制了三极结构的单色场致发射显示器件。栅极基底的优良绝缘性能确保了其不易被强电场强度所击穿;改进的栅极层则能够进一步缩短栅极-阴极之间的有效距离,有利于降低栅极的工作电压。该显示器件具有高的显示亮度,良好的栅控能力以及场致发射特性。     

碳纳米管阴极平板显示器的工艺研究

碳纳米管场致发射显示器是一种新型的真空器件，也是一种具有巨大应用潜力的平板型显示设备。本文详细地介绍了碳纳米管场致发射原理，给出了碳纳米管阴极平板显示器的基本结构和工作原理，对于显示器件的真空封装，碳纳米管阴极装配，控制栅极制作等工艺问题进行了阐述和研究。采用这些技术，已经研制出了碳纳米管阴极场致发射显示器的样品。     

准点X光源成像实验台架的研制

为了研究医学系统中乳腺癌早期诊断的关键技术，研制了一台用于准点X光源成像实验台架。该实验台架由脉冲触发器电源和脉冲X射线管组成，其中脉冲触发器电源由Marx发生器、火花隙开关、电容分压器及输出段构成，采用紧凑可移动化的设计；脉冲X射线管利用冷阴极反射轰击阳极靶韧致辐射出X射线的机理，该方法可有效提高辐射出X射线点源位置的重复率，并且根据不同的驱动电压可调节阴阳极的材料及距离，保证在脉冲X射线管输出X射线光子能量≥15 keV的情况下，X射线点源尺寸可以达到≤100 μm的设计指标。Simplorer模拟结果表明：在脉冲X射线管阻抗为57 Ω时，脉冲触发器输出指标为电压169 kV，上升时间≤10 ns，脉宽≤100 ns。     

新型前栅极CNT-FED的研究

传统的前栅极场致发射显示板由于介质层和栅极的制作在生成或制作阴极场致发射源之后，在制造过程中容易破坏场致发射源；另外阴极发射对介质层厚度、阳极电压和调制极开口等参数非常敏感，所以器件的发射均匀性难以保证。为了解决这些问题，引入了类似HOP玻璃的结构。阴极上只需要丝印碳纳米管，无需制作介质层和栅极，解决了场致发射源被破坏的问题。阴极与栅极之间真空取代了介质层，由于真空的绝缘性能高于介质层，所以阴极与栅极之间的距离可以减小，栅极的调制效果更显著。由于玻璃的平整度高于一般方法制作的介质层的平整度，所以器件的发射均匀性比较好。     

一种新型脉冲微束斑X射线源的研究

通过控制栅极电压技术,有效地控制LaB6阴极电子枪发射系统电子束发射的通与断,成功实现了新型台式微束斑X射线源的脉冲辐射。该X射线源主要由三部分组成：LaB6单晶阴极电子枪发射系统,静电聚焦系统以及金属靶材系统。通过对该微束斑X射线源输出的X射线束斑、亮度等特性的初步实验测试,表明这种脉冲式微束斑X射线源具有束斑小、亮度高的特点,其中X射线束焦斑仅为10μm左右。     

楔型发射体真空微电子三级管的计算机模拟

本文利用广泛使用的ＰＩＣ粒子模拟软件ＭＡＧＩＣ模拟了楔型场致发射真空微电子三极管的一个单元的特性，该单元由一个楔型场致发射体，栅极和阳极组成。研究了栅极电压，阳极电压和发射体顶点半径等对发射电流的影响。给出了一个典型的楔型场致发射真空微电子三极管，当其阳极电压为５００Ｖ，阳极与阴极相距４μｍ时的电子轨迹图。模拟结果表明场致发射的栅极开启电压为２５０Ｖ。并得到了三极管高频工作时动力学特性。     

场致发射微型阴极阵列结构的研究

本文采用考虑空间电荷影响的空间电场计算程序,对场致发射体进行模拟计算;初步研究了发射体的几何形状尺寸与其发射特性之间的联系。通过计算分析,可以认为发射体的尖端曲率半径及栅极的开口直径是影响发射体发射特性的最主要的因素。合肥国家同步辐射实验室的ＬＩＧＡ 深度光刻技术,能给出一个可行的几何结构。计算表明点阵密度为１０７／ｃｍ ２ 的直径为６ ｍ ｍ 的硅发射体发射阵列,在８０ Ｖ 的栅极电压下可以取得１０ Ａ 以上的发射电流     

薄膜型平栅极FED背光源的制备及性能研究

利用磁控溅射和光刻技术在玻璃基底上制备薄膜型平栅极场发射阴极阵列,采用电泳工艺将碳纳米管(CNTs)发射材料转移到薄膜型平栅结构的阴极电极表面,借助光学显微镜和扫描电镜观测薄膜型平栅极场发射阴极阵列。利用Ansys软件模拟阴栅间距对阴极表面电场分布的影响,优化其结构参数,对其场发射特性进行了讨论。实验结果表明,CNTs能均匀地分散在平栅型结构的阴极表面,当电场强度为2.4 V/μm时,器件发射电流密度达到1.8 mA/cm2,亮度达3 000cd/m2,均匀性为90%,能稳定发射28 h,且具有较好的栅控作用。该薄膜型平栅极背光源技术简单、成本低,为将来制备新一代大面积场发射背光源提供了可行性方案。     

电泳法制备平栅极碳纳米管场发射阴极及场发射特性研究

采用电泳法在ITO玻璃基板上选择性制备了碳纳米管(CNTs)阴极薄膜,采用电子扫描(SEM)分析了CNTs薄膜的表面形貌,并测试了碳纳米管阴极的场致发射特性.结果表明,利用电泳法制得的碳纳米管阴极薄膜均匀性、致密性良好,且具有较大发射电流密度;通过控制共面栅控CNTs场发射阴极的栅极电位能够有效控制阴极的场发射电流密度...     

高亮度三极CNT-FED器件的研制

采用钠钙玻璃作为衬底材料,在常规丝网印刷工艺的基础上,设计制作了新型栅极-阴极组控制结构,实现了单条栅极对三个碳纳米管(CNT)阴极电子发射的成组控制。借助玻璃粉封接技术,研究了三极结构场致发射显示器件(FED)的封装和测试。结果表明,CNT-FED器件显示亮度高,阳极电压为1.6kV时,其最大亮度达710cd/m2;栅控特性良好,开启电压约为315V;显示的静态字符发光图像不仅证实了该器件的矩阵寻址功能已经实现,且具有良好的图形显示功能。     

微焦X射线管电子发射系统的二维模拟

微焦点X射线管是一种焦斑尺寸在1~100μm的X光管。由于它具有高的空间分辨率,这种光管被广泛用于生物医学、生化动力学、工业无损检测、X射线显微镜以及微型CT等行业。电子发射系统是X射线管的关键部分,基于MATLAB平台分别使用蒙特卡洛法、有限差分法和龙格库塔法对电子发射系统的热发射、聚焦电场电位、电子束轨迹进行了模拟。以给定阴极尺寸的良好对焦X射线管为模型,分析了模拟数据,得出最佳焦距为15.0 mm,与标称相同。说明模拟方法具有可行性,模拟结果具有一定可信度。实际生产过程中对于设计好尺寸的阴极可以通过此方法找到理论最佳焦距并测试,将对实际生产中的对焦问题起到一定的指导和借鉴作用。