（物理电子学专业论文）冷阴极x射线管的制备与应用.pdf

摘要 x 射线是一种具有独特的物理化学及生物效应性质的电磁波，其应用范围极广，例如医 学诊断和治疗等。所以，x 射线管具有很好的开发价值与应用前途。传统x 射线管采用热阴 极，但热阴极存在体积较大、电子发射调制时间较长( 毫秒级别) 、功耗大等缺陷。针对热 阴极的这些缺陷，性能优良的冷阴极的研究应运而生。碳纳米管( c n t s ) 具有高电导率、 大的长径比及管端的高曲率比等特性，是一种优良的场发射材料，被广泛用作为冷阴极。目 前，碳纳米管冷阴极x 射线管的研究吸引了众多实验室的兴趣。 本文介绍了x 射线的性质及x 射线管的应用，主要研究了冷阴极x 射线管的阴极制备、 结构设计、封装、测试。分别以粉末烧结法及热c v d 法制备了碳纳米管冷阴极，并对其进行 了场发射测试。粉末烧结法制备的碳纳米管冷阴极具有良好的发射稳定性，但由于发射电流 密度小等原因未被采纳。化学气相沉积法制备的碳纳米管冷阴极具有较大的发射电流密度 ( 最大发射电流密度为1 5 7 m a c m 2 ) 以及易于装配的优势而被用作x 射线管中的阴极。冷阴 极x 射线管的封装采用真空封接工艺，测试结果碳纳米管冷阴极x 射线管是能够产生x 射线 的，是可行的。 碳纳米管冷阴极x 射线源采用二极透射式结构，但测试效果并不理想。碳纳米管冷阴极 x 射线管采用三极反射式结构，真空封装工艺完成对碳纳米管冷阴极x 射线管的装配，并对 x 射线管进行真空排气。碳纳米管冷阴极x 射线的测试采用直流电源，并在铅盒中进行。测 试结果显示本实验中制备的碳纳米管冷阴极x 射线管是能够产生x 射线的，阳极最大电流为 7 0 0 u h ( 阴极发射面积为7 m 0 ) ，经理论计算，在2 0 k v 的条件下产生的x 射线的能量可达 19 6 m w 2 4 9 m w 。 关键词：x 射线管，冷阴极，碳纳米管，粉末烧结法，热c v d 法 a b s t r a c t x - r a yh a sb e e nu s e dw i d e l yi nv a r i o u sf i e l d sa n da t t r a c t i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n s x - r a y s o u r c e sa r eu s u a l l ym a d eb yu s i n gt h e r m a lc a t h o d e s ，a n dh a v es o m ew e a k n e s s e ss u c ha sb i g v o l u m e ，al o n g r e s p o n s et i m eo fe l e c t r o ne m i s s i o n ( m i l l i s e c o n dl e v e l ) a n dm o r ee n e r g y c o n s u m p t i o n c o m p a r i n gt ot h el i m i t a t i o n so ft h et h e r m a lc a t h o d e ，t h ec o l dc a t h o d eh a s o u t s t a n d i n gp r o p e r t i e sa n dr e s e a r c h e so ni te m e r g ea st h et i m e sr e q u i r e c a r b o nn a n o t u b e ( c n t ) c a r b o nn a n o t u b e sa r ei d e a lm a t e r i a l sf o rc o l dc a t h o d e s b e c a u s e o fi t s e x t r a o r d i n a r yf i e l d e m i s s i o np r o p e r t i e st h a tr e s u l tf r o mh i g he l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t ya n dh i g ha s p e c tr a t i o s a tp r e s e n t ， t h ec n t sc o l dc a t h o d ex - r a yt l l b ea t t r a c t si n t e r e s t so fm a n yl a b o r a t o r i e s t h ea p p l i c a t i o no ft h ex r a yt u b ei si n t o r d u c e d ，a n dt h ec n t sc o l dc a t h o d ex r a yt u b e s c a t h o d ef a b r i c a t i o n ，c o n f i g u r a t i o nd e s i g n ，e n c a p s u l a t i o na n dt e s ta r er e s e a r c h e di nt h i st h e s i s p o w d e rs i n t e rm e t h o da n dt h e r m a lc v dm e t h o da r eu s e dt of a b r i c a t et h ec n l sc o l dc a t h o d e s r e s p e c t i v e l y , a n dt h e i r f i e l de m i s s i o ni sm e a s u r e d t h ec o l dc a t h o d em a d eb yp o w d e rs i n t e r m e t h o dh a ss t a b l ef i e l de m i s s i o np r o p e r t y , b u td u et os m a l lc u r r e n td e n s i 哆i ss m a l l ，i ti s a b a n d o n e di nt h ec n t sc o l dc a t h o d ex - r a yt u b e h o w e v e r ，l a r g ee m i s s i o nc u r r e n td e n s i t yi s g a i n e df r o mt h ec a t h o d em a d eb yt h et h e r m a lc v dm e t h o da n di t su s e di nt h ec n t sc o l d c a t h o d ex - r a yt u b e t h em e a s u r e m e n tr e s u l ts h o w st h ec n t sc o l dc a t h o d ex r a yt u b em a d ei n t h ee x p e r i m e n ti sf e a s i b l et oe m i tx r a y i nt h ee x p e r i m e n t ，t h ec n t sc o l dc a t h o d ex r a ys o u r c ei sm a d eb yad i o d et r a n s m i s s i o n c o n f i g u r a t i o n ，b u ti t sm e a s u r e m e n ti sw o r s e a na u d i o nr e f l e c t i n gc o n f i g u r a t i o ni sa d o p t e dt o f a b r i c a t et h ec n t sc o l dc a t h o d ex r a yt u b e ，a n di t sa s s e m b l yi sp r o c e s s e db yv a c u u mt e c h n o l o g y t h em e a s u r e m e n tj sp r o c e s s e di nap l u m b e o u sb o xb yad cp o w e rs u p p l y t h er e s u l ts h o w st h e c n t sc o l dc a t h o d ef a b r i c a t e di nt h ee x p e r i m e n tc o u l de m i tx r a y , a n dt h em a x i m u ma n o d e c u r r e n ti s7 0 0 u a ( t h ec a t h o d ee m i s s i o na r e ai s7 0 7 m m 2 ) ，a n dt h ex - r a ye n e r g yc o u l dr e a c h 19 6 m w 2 4 9 m wt h e o r e t i c a l l yi ft h ea n o d ev o l t a g ei s2 0 k v k e y w o r d s ：x r a yt u b e ，c o l dc a t h o d e ，c a r b o nn a n o t u b e ，p o w d e rs i n t e rm e t h o d ，t h e r m a lc v d m e t h o d e 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：导师签名：避日期： 盘殳墨! 雏芷 第$绪论 第一章绪论 1 1x 射线与x 射线管 1 1 1x 射线的概述 1 x 射线的发现 1 8 9 5 年德国物理学家伦琴在研究阴极射线管中气体放电现象时发现了x 射线 1 ，并因 此于1 9 0 1 年伦琴荣获物理学第一个诺贝尔奖金。x 射线是种波长极短。能最很大的电磁 波。它的被长比可见光的被匠更短( 约在00 0 1 l0 0 n m ，医学e 应用的x 射线被长约在 00 0 1 0 1 n m 之间) ，它的光子能量比可见光的光子能魁人儿万鸶儿十万倍。因此，x 射 线除具有可见光的一般性质外还具有自身的特性。 高速带屯粒子撞击靶物质就能够产生x 射线。产生x 射线必须具备三个基本条什：( 1 ) 电子源，能根据需要随时提供足够数量的电子。( 2 ) 高速电r 流这卫需要两个条仲：一个 高电压产生的强也场，使电子获得很大的动能；一个高真空度的空间使电子在高速运动中 不受气体分子的阻挡而降低能量。( 3 ) 一个能够经受高速电子撞击而产生x 射线的靶。 tx 射线的分类 2 i 射线足高速运动的电子在与物质相互作用中产生的。在x 射线管中，从阴极发射的电 子，经阴极、刚极问的电场加速后，轰击x 射线管靶将其动能传递给靶原子。电子在失去 它的全部能量前要经受狠多玖与靶原子的碰撞，其能量损失分为碰撞损失和辐射损火。 碰撞损失涉及原子的外层电子。高速电子与原子的外层电于发生作用时。可以使原子激 发或电离- 当入射电子的能茸大于外层电子的结合能则靶原子被电离，其外层电子脱离靶 原子并具有动能此时该电子与入射电子一样可以使原子激发或电离，将损火的能量变为热 能。正是外层电子的不断受激发与再复原使得在x 射线管h l 极产生丁人量的热。凡属电子 与原子的外层电子作用而损失的能量统称为碰撞损失。 辐射损失涉及原子的内层电子和原子核。高速电子除与原干的外层电子发生碰撞而损失 能量外，也可能电离原于的内层i b 于将能量转化为标识辐射；另外高速电子还可能与靶 原f 核发生相互作用，将能量转化为韧致辐射。凡属电子与原子的内层电子或原子核作用而 损失的能量统称为辐射损失。 ( 1 ) 连续x 射线( 韧致辐射) 高速带电粒子在靶物质的娘子核i 乜场作用下，改变运动方向和速度，所损失的动能中 有一部分转化为光子辐射山去。由于各带电粒子与原于核相互作用情况不同所以辐射出来 的x 射线光子能量也不一样，具有连续的能谱分布，称为连续x 射线。电子将向外辐射电磁 波而损失能量a e 即 捌l _ l 连续x 射线产生不息幽一 光子能量的最大极限( 胁删) 等于 射电子在x 射线管加速电场中所获得的能量p u v 一= e u 最大光子能晕对应的光子苗短波长为 船 “n2 面 11 ) 12 ： 东m 坝| 学”论女 哒b h ，c 年e 分别是普删兜常数、光谜和j u 子的电鼍，将这些常数代入r 式得 九。= 等( u r n ) “ 式中u 足管电肌，以“k v ”为单位。艟然，连续射线的短波极# h h 与管电胜订差 咖与h 他| j _ l 素无天。 ( 2 ) 标识射线( 标 辐射) 当加速电子的能量e u 人十内层电子的纠i 台能时，就有一定的概率产生标4 x 射线( 也 称为特征x 射线) 。高进电子将内层电f 撞h h ：使之离开原子成为自由电子便会在内层 产生个临时的电子空位。对靶原于米说，返是个非常不稳定的状态。丁是，外层的电子 就会立即将这个内层空何填充。轨道电子从外层跃迁过程中必定释放出多余的能量，这个能 嚣以x 射线辐射的形式表现出米。此时x 射线的能量就等于这两个轨道f u 于结合能之差。 圈12 特征x 射线产生示意蚓 南于不j 司原子的电子结合能不同，其产牛的标识x 射线的能培也t 筹万别，之所咀称这 种类型的x 射线辐射为标识辐射是田为它代表丁靶原r 的特点。随着靶原子的原子序数的增 加，标识x 射线能量也会增加。只有当入射电于的动能人丁靶原了的某层电子的结合能时， 才能产生标姒x 射线。而入射电子的动能完全南管电仟决定，隔此管电压u 必须满足下 式的关系 e u 矿( 14 ) 1 a ， 式中彤为第i 层的结合能。当e u = 彬时u = ”z 为最低管电艇，称为标识x 射线 的激笈电压。 3 x 射线的性质 2 ( j ) 物理效应 穿透作用：穿透作用是指x 射线通过物质的能力。可见光因其波长较长，光于的能母很 小当射到物体上时。一部分被反射，人部分为物质所吸收，不能透过物体；而x 射线则不 然，冈其波长短，能晕大，照在物质上时，仅一部分被物赝所吸收，夫部分经由原于间隙而 透过，表现出 强的穿透能力。x 射线穿透物质的能力与x 射线光子的能量有关x 射线的 波越短光子的能量越人，穿透力越强。x 射线的穿透力也与物质密度有关密度，k 的物 质对x 射线的吸收多透过少；密度小者，吸收少透过多。利削差别吸收这种性质可咀把密 度不同的骨骼、肌肉、脂肪等软组织区分开来。运正是x 射线透视和摄影的物理基础。 电离作用物质受x 射线照射时，使核外电子脱离原子轨道这种作用叫电离作片l - 气 体中的电离电荷很容易收集起来，利用电离电荷的多少可啶x 射线的照射量：x 射线测量 仪器三是柱据这个原理制成的。电离作用町使气体导电：某些物质发生化学反应：在有机体 内可以诱发各种生物效应。电离作j f j 是x 射线损伤和治疗的基础。 荧光作用：x 射线它照射到某些化合物如瞵、铂氰化钡、硫化锌镉、钨酸钙等时，由 丁电离或激发使原子处于激发状态，原于吲到基志过程中，由于价电子的能级跃迁而辐射 可见光或紫外线，这就是荧光。x 射线使物质发生荧光的作用叫荧光作用。荧光强弱与x 射 线量成正比。这种作用是x 射线应用于透视的基础。在x 射线诊断工作中利用这种荧光作川 第一章绪论 可制成荧光屏，增感屏，影像增强器中的输入屏等。荧光屏用作透视时观察x 射线通过人体 组织的影像，增感屏用作摄影时增强胶片的感光量。 热作用：热作用物质所吸收的x 射线能，大部分被转变成热能，使物体温度升高 x 射线的干涉、衍射、反射、折射等作用与可见光一样，在x 射线显微镜、波长测定和 物质结构分析中都得到应用。 ( 2 ) 化学效应 感光作用：同可见光一样，x 射线能使胶片感光。当x 射线照射到胶片上的溴化银时， 能使银粒子沉淀而使胶片产生“感光作用”。胶片感光的强弱与x 射线鼍成正比。当x 射线通过人体时，因人体各组织的密度不同，对x 射线量的吸收不同，致使胶片上所获得的 感光度不同，从而获得x 射线的影像。这就是应用x 射线作摄片检查的基础。 着色作用：某些物质如铂氰化钡、铅玻璃、水晶等，经x 射线长期照射后，其结晶体脱 水而改变颜色，这就叫做着色作用。 ( 3 ) 生物效应 当x 射线照射到生物机体时，生物细胞受到抑制、破坏甚至坏死，致使机体发生不同程 度的生理、病理和生化等方面的改变，称为x 射线的生物效应。不同的生物细胞，对x 射线 有不同的敏感度。x 射线可以治疗人体的某些疾病，如肿瘤等。另一方面，它对正常机体也 有伤害，因此要求人体的防护在医学上，x 射线技术已成为对疾病进行诊断和治疗的专门学 科，在医疗卫生事业中占有重要地位。 4 x 射线的应用 ( 1 ) 应用医学诊断治疗 3 - 5 由于x 射线能顺利穿透肌肉组织，但穿不过骨骼这样密度高的组织，于是就在底片上留 下阴影。如果骨折的话，就会在底片上的阴影里很容易找到断裂处，因此，x 射线首先就被 应用到外科探伤中去。如今，拍x 光片已成为医学诊断中一种常用的手段了。 x 射线诊断：x 射线应用于医学诊断，主要依据x 射线的穿透作用、感光作用和荧光作 用。由于x 射线穿过人体时，受到不同程度的吸收，如骨骼吸收的x 射线量比肌肉吸收的量 要多，那么通过人体后的x 射线量就不一样，这样便携带了人体各部密度分布的信息，在荧 光屏上或摄影胶片上引起的荧光作用或感光作用的强弱就有较大差别，因而在荧光屏上或摄 影胶片上( 经过显影、定影) 将显示出不同密度的阴影。根据阴影浓淡的对比，结合临床表现、 化验结果和病理诊断，即可判断人体某一部分是否正常。于是，x 射线诊断技术便成了世界 上最早应用的非创伤性的内脏检查技术，医院中c t 机即为最常见的x 射线诊断仪。随着人 们对医疗诊断要求的不断提高，对x 射线诊断仪提出了新的挑战，包括x 射线诊断仪的小型 化、较短的相应时间、优良的聚焦性、低功耗等。目前，国内外的医疗器械公司及科研机构 均在这方面做了大量的工作，并取得了一些成效。例如，杭州汇同数码科技有限公司已生产 出了一种便携式数字x 射线诊断仪。 x 射线治疗：x 射线应用于治疗，主要依据其生物效应，用不同能量的x 射线对人体病 变部分的细胞组织进行照射时，即可使被照射的细胞组织受到破坏或抑制，从而达到对某些 疾病，特别是肿瘤的治疗目的。 x 射线防护：在利用x 射线的同时，出现了导致病人脱发、皮肤烧伤、工作人员视力障 碍，白血病等射线伤害的问题，为防止x 射线对人体的伤害，必须采取相应的防护措施。以 上构成了x 射线应用于医学方面的三大环节诊断、治疗和防护。 ( 2 ) 窥探物质结构 6 7 正当x 射线在医学诊断中大显身手时，它的另一个重要应用也显露端倪。1 9 1 2 年，德 国物理学家劳厄大胆假设，如果x 射线是一种波长很短的电磁波，晶体中的原子又按一定规 则排列的话，当x 射线穿透晶体时，应当跟光学穿过衍射光栅后一样，也会出现衍射图像。 他的这一假设不久就被实验所证实。规则分布在感光底片上的衍射黑点，被称为“劳厄图样”， 它就是晶体的微观结构在宏观上的体现。这既证明x 射线具有波动性，又证明晶体中的原子 是有规则排列的。目前，x 射线在这方面的应用主要包括科研中常用的x 射线衍射仪、x 射 线荧光光谱仪，工业生产中常用的x 射线探伤仪等等。同时在航天航空领域，x 射线有了新 的用武之地，可用于外星球的物质勘探，例如我国的“嫦娥一号”飞月工程。 ( 3 ) 提示生命奥秘 x 射线分析技术在揭示复杂的生物大分子的奥秘上，也是屡建奇功。肌红蛋白及血红蛋 3 东南大学硕士学位论文 白分子的结构就是用改进了的x 射线分析法测定的。同时，英国生物物理学家克里克、威尔 金森和美国生物学家沃森也正是利用x 射线分析法发现了遗传物质脱氧核糖核酸( d n a ) 的 双螺旋式结构。 ( 4 ) 无穷潜力 x 射线除了在科学上的应用，其实它在经济和社会中的应用也极其广泛。机场里对旅客 行李的安全检查，就是使用x 光机。军事上，高能x 射线激光器能够远离摧毁对方目标。同 时，波长极短的x 射线激光在超大规模集成电路的制造上可以把电路中的连线光刻成头发丝 的几万分之那么细。 1 1 2x 射线管的发展状况 随着半导体器件的出现，一些真空电子器件( 如微波管) 似乎已经退出了历史舞台，但 是在某些领域，例如雷达站、中继站、卫星通讯等，人们看到的更多的仍然是真空电子器件。 与半导体器件相比，真空电子器件拥有一下优点： ( 1 ) 由于电子在真空中的传输速度比在半导体中快1 2 个数量级，器件运行速度高，工 作频率理论值可以达到1 0 0 0 g h z ( 1 t h z ) ，可以用来放大高频信号。 ( 2 ) 可以在极高温、一极低温环境下工作，对温度变化不敏感 ( 3 ) 利用真空电子器件做成的通讯和控制系统不会因核试验爆炸产生核辐射而失效，因 此深受航空航天及军事领域的重视 但是传统的真空器件也存在着一些缺点： ( 1 ) 体积大，重量大 ( 2 ) 由于采用的是传统热阴极，在使用前必须首先预热，正常工作时，阴极的工作温度 较高，这导致阴极表面的活性金属受热蒸发，降低了阴极的使用寿命。 ( 3 ) 功耗比较大 x 射线仪的核心部件即为产生x 射线的x 射线管，不同种类的x 射线仪采用相应类别的 x 射线管。可以说，x 射线管质量性能的优劣决定着x 射线仪的性能。目前，针对x 射线管 的不同应用途径，x 射线管分为玻璃壳体x 射线管、金属陶瓷壳体x 射线管、医疗诊断x 射 线管、衍射x 射线管、荧光分析x 射线管等等。x 射线管分为充气管和真空管两类。充气型 x 射线管功率小、寿命短、控制困难，现已很少应用。目前所使用的主要是真空型x 射线管， 也就是说真空型x 射线管事实上是一种真空电子器件。真空型x 射线管目前主要以传统直热 式螺旋钨丝作为阴极，阳极为金属靶，阴极发射出的电子经数万至数十万伏高压加速后撞击 靶面产生x 射线。图1 3 为传统热阴极x 射线管的结构原理图。 图1 3 传统热阴极x 射线管结构原理图 这种x 射线管包括一个被抽空的外壳，外壳互相对着的两端分别装有一个阴极组件和一 个阳极组件阴极组件有一个螺旋灯丝，用于发射电子束，电子束经高压加速后轰击阳极产 生的x 射线从侧窗口射出。由于电子持续轰击金属阳极致使金属阳极过热，因此阳极需以流 动水冷却。目前，国内外商业实用化的x 射线管一般以传统的热阴极作为电子发射源，加热 灯丝至1 k - - - 2 k 时即发射电子。由于热阴极x 射线管的开发比较早，技术相对比较成熟， 因此其成本相对低廉，在各种x 射线仪中的应用较为广泛。图1 4 为市场上有售的热阴极x 射线管。 4 第章* 目1i j 场上宵磐的热扳x 射线昔 日前实际应用中的并种x 射线仪中所使用的x 射线管主要以热阴极为主，但是，热阴极 有其本质的缺陷 8 ( 1 ) 热驯极一般体积较人，在一些要求小酗化阴极的场台不适用例如m i c r oc t ： ( 2 ) 热电子发射的调制时间较慢( 时间分辨率小) ，一般为毫秒量级； ( 3 ) 热电子束方向性差聚焦出难，限制了x 射线成像的高分辨率。 ( 4 ) 热阴极一直处于高温状态下工作功耗 匕较大。随着社会的发展，人们对x 射线源 提出了更高的标准需求，例如小刑化、高空间分辨率、高时间分辨率( 即响应时间快) 、低 功耗等。热阴极的这些固有缺陷限制了热阴极x 射线营在高标准需求中进一步的推r 使用。 因此使用冷阴极代替热阴极制备冷阴极x 射线管止成为一种趋势， 冷羽极的优势： ( 1 ) 冷阴极无需加热，体积小。 ( 2 ) 冷阴极崮有的瞬时场发射特性使其调制时间极短，达到纳秒( i t s ) 级别。 ( 3 ) 冷阴极发射的电子柬方向性优，热阴极发射的电子柬，聚焦性好。 ( 4 ) 玲阴极功耗相对较小。 目前t 国外的一些科研机构已经在实验室条件下制各出了玲阴极x 射线管，测试效果显 示冷阴极x 射线管具有小 q 化、低功耗、纳秒鼙缓调制时间及高分辨率的优势特别是在c t 成像系统中取代热阴极x 射线管势必带来一场c t 拄术革命，但是国内在这方面的研究还比较 少。北仁罗来纳大学的j c h a n g 与yc h e n g 等于2 0 0 5 年研制出了一种用于微型c t 的场致发射x 射线槲( 结构如图15 ( a ) 所示) ，这种基十碳纳米管阴板的x 射线源利j 1 j 一个聚焦电极可获得 直往为5 0 u m 的阳极束斑并获得了清晰的小动物( 老鼠) 的c t 照片 9 。同年，该科研组以 单个x 射线源为一个像素的基础上研制出了基丁碳纳米管阴极的静态扫描式x 射线源阵列( 结 构如网15 ( b ) 所示) ，这为实现太面积x 射线成像提供了参考 i o ；名古屋工业大学的hs u g i e 与mt a n e m u r a 等在2 0 0 1 年研究了以碳纳米管作为电子源的x 射线管( 结构如图15 ( b ) 所示) ， 定向碳纳米管阵列在2 1 0 + t o r r 的条件下持续稳定发射超过l , b 时，并获得了质量优于热阴 极x 射线管的无机物体与有机物体的x 射线图像 儿 ，名古屋工业大学的ss e n d a 与ys a k a i 等在2 0 0 4 年研制出了种直径仅为5 m m 的超小x 射线管，该x 射线管采用直径为2 彻的定向碳纳 米管发射体，在l o 。p a 量级的真空度条件f 获得了超过1 0 0 小时的稳定发射，并获得了清晰的 x 射线照片 1 2 。莫斯科物理技术学院的 sb a t u r i n 与ait r u f a n o v 等在2 0 0 5 年研究了一种 用于x 射线管的场致发射电于枪，阴极为碳纤维，在4 0 k v 时可获得直径为2 m m 的阳极电子柬斑， 束斑电流为0l m h ：同时研究丁总电流密度为l o m h c m 2 的碳纤维阵列 1 3 。2 0 0 3 年，日本 s t a n l e ye l e c t r i c 公司的t a k a h i r om a t s u m o t o 与日本t o h o k u 人学的h i d e n o r im i m u r a 研究了 一种以石墨纳米纤维为电子社卓，铜锥为阳极的单点x 射线源，该种单点x 射线源空间分辨率为 l o u m 获取一帧优质图像的时问少于1 0 秒 1 4 。国内长春光机所的解滨、陈波等在2 0 0 4 年研 究了以碳纳米管阵列为场致发射阴极的x 射线源，井对x 射线的谱线进行了相关测试 t 5 3 。本 曝胚主要选用碳纳米管作为电子发射源材料对冷阴极x 射线管进行相芙的研究。 i l-i，一=一十l畿旁三i 卅稍_扫 0lr一 东南 学砸l 论x lc 】 ld ， 削15 并种冷剁栏x 削线管结构 1 2 场致发射原理 1 2 1 表面势垒与电子发射 电子发射是真空电子技术的基础。由固体中发射出的电子流经电场、磁场调剂之后。成 为各种真空电子器件，如电子枪、速调管、行波管、微波管、气体放电管、真空显示器件、 光电转换成像糟件等电子源。根据外界作用的性质，可把电子发射大体分为以下4 种类型： ( 1 ) 热电子发射：最简单、虽实用也是鹿j f 】最j - 的一种发射形式。将物体加热到足够高 的温度后，内部电子获得了一定的能量而从物体表面逸山。 ( 2 ) 场致发射( 茼称场发射) ：利用强电场在瑚体表面上形成隧道效应而将固体内部的电 子拉到真空中，是一种实现大功率密度电于流的有效方法。 ( 3 ) 玖电子发射：甩高能一次电子流轰击物体表面促使其发射电子，被称为次级发射 或二次电子发射，在各类表面分析仪器中被f “泛应用。 ( 4 ) 光电子发射：即光电效应，利j j 光辐射作用使物体内电于逸出。 在电子发射的4 种主要类型中，场致电子发射是独特的一类。在其他类型的电子发射中， 自由电子是依靠吸收外界能量来获得穿过表面势垒的能量t 而表面势垒高度在发射过程中未 曾改变，而场致电子发射的基本原理是电子隧道效应。在场致发射中，不需耍培固体内部的 电子咀额外的能量，而是靠很强的外部电场来压抑物体表面的势皇，使势垒高度降低，并使 势垒宽度变窄。当势垒宽度窄到可以通电子波长相比拟时，电子的隧道效应就起了重要的作 用，物体内大量电子穿过表面势垒而逸出。图16 为场致发射示意简图，图17 对场致电子 发射的隧道效应做了定性说明。从图17 中可以看出，在加速电场的作用下金属表面势 垒形状和宽度由经典镜像力和外加电场兆同决定，外加电场越强，表面势垒不仅高度降低， 而且宽度也变窄，当势垒宽度窄到可以与电子波长相比拟的程度时，电子就可以穿过势垒逸 出，从而在真空中形成场致电子发射 1 6 。场致电子发射是电子发射的一种非常有效的形式 它可以提供高达1 0 7 a c m 2 以上的发射电流密度，且没有发射的时问迟滞n 鹪。斓 啄一 习叫。擐蚓 一罄酱一j 尸一 第一章绪论 ? j 一 l 图17 在加遮电场下金属表面的势能曲线 场致发射由于其发射原理简单、阴极体积小，发射电流密度人、调制时间短等优势，具 有报好的开发价值。目前，场致发射吸引了诸多科研机构的研究热情，一些应片j 型样机已经 研发制备出来陶l8 给出了场致发射麻用的实物样机。 ( a ) 。 ( b ) 。，索尼均：k ：i 蓑? ? ：字：翥等薪嚣研究的场致发射光源 1 2 2 金属场致发射公式( f 刈模型) 金属材料的场致发射方程最早由福勒( r hf o w l e r ) 和( l w n o r d h e i m ) 推导出来 1 7 1 碳纳米管的场致发射性能研究也常采月j 丁这公式。该模型的前提假设包括： ( 1 ) 电子只有一个能带，其分布符台费米一狄拉克统计： ( 2 ) 金属表面为光滑平面状，忽略其原子尺度的不规则 咎： ( 3 ) 考虑经典镜像力的影响： 东南大学硕士学位论文 ( 4 ) 逸出功分布均匀。 电子的场致发射可以看作是在材料表面发生的电子透射行为，电子从表面透射出来的几 率( 电子透射系数) 是电子能量和势垒形状的函数。根据肖特基效应，在外电场作用下，金 属的表面势垒降低，逸出功减小，有利于电子的逸出。因此，电予透射系数也是电子能量与 外加电场场强的函数。考虑到金属表面势垒的形成因素及镜像力的影响，可以根据薛定锷方 程求出电子穿透势垒的几率d 。场致发射电流可认为是不同动量、速度的电子在势垒区域按 照一定几率规律透射形成的，考虑上述假定条件，t = o k 时金属场致发射的定量方程由下 式给出： j ( o ) = 而m e ze x p ( - b 譬吣) ) ( 彳c m 2 ) ( 1 5 ) 式中：a = 1 5 4 x1 0 一，b = 6 8 7 1 0 7 ，y = 3 7 9 1 0 4 兰- ，j 为场致发射电流密度 爹 ( 彳c m 2 ) ， e 为发射表面电场强度，矽则是功函数( e v ) ，y 是功函数势垒的肖特基降低。 d ( y ) 和t ( y ) 是诺德海姆椭圆函数，在大多数情况下，0 ( y ) 和，( y ) 可近似为 d ( ) ，) = o 9 5 一y 2 ，t 2 ( ) ，) 1 1 。在这样的近似条件下，场致发射的定量方程可简化为： 八啦! 5 1 0 娟等e x p ( 芳) e x p ( - 1 6 4 4 x1 0 7 譬) ( 剧册2 ) ( 1 6 ) 事实上，只要金属表面的功函数不是非常低或者外场强不是很高( 2 2 0 0 打火 重复过几次实验，测试结果大致相同。由此可见，采用简单的f e d 二极结构制备的透射 式碳纳米管冷阴极x 射线源并不理想，主要存在以下几点缺陷：( 1 ) 碳纳米管阴极的制备采 用印刷工艺，阴极中存在一定量的有机质，场发射测试时碳纳米管阴极将放出大量的残气， 导致器件真空度的严重下降，在比较低的电场强度下即引发打火。( 2 ) 碳纳米管阴极制各过 程中，由于印刷刮板用力不均及阴极的烘烤可能造成阴极表面碳纳米管薄膜厚度的不均匀， 在阴阳极间加电压时引起碳纳米管薄膜上方电场分布的不均匀，这也存在引发放电打火的隐 患。( 3 ) 阴极表面的碳纳米管密度不大，这势必导致阴极发射电流比较小。( 4 ) 由于阴极需 引出银电极，器件可能在电极接口处存在漏气，这将给器件的真空度带来隐患。 4 2 反射式冷阴极x 射线管 反射式冷阴极x 射线管是本论文重点讨论的部分，包括反射式冷阴极x 射线管的结构 设计、x 射线的转化效率、反射式碳纳米管冷阴极x 射线管的制备工艺、反射式碳纳米管 冷阴极x 射线管的测试与讨论。 4 2 1 反射式冷阴极x 射线管结构设计 反射式结构中，阴极为表面中心区域生长有碳纳米管的无氧铜片，即碳纳米管冷阴极( 具 体制备工艺细节已在第四章详细阐述过) ：阳极主要为无氧铜靶，并相对于阴极呈一定角度 ( 一般3 0 。 - - 4 5 。) 倾斜。阴极碳纳米管在栅极电压的作用下发射电子，一部分电子被栅极 截获，另一部分电子则在金属阳极高压的作用下高速轰击阳极，产生的x 射线从阳极侧面出 射。图4 8 为反射式碳纳米管冷阴极x 射线管结构示意图。 阴 图4 8 为碳纳米管冷阴极x 射线管反射式结构示意图 反射式冷阴极x 射线管的优点：( 1 ) 阴极采用c v d 生长的碳纳米管作为电子发射源， 大密度的碳纳米管能够实现较大的发射电流密度；同时衬底为无氧铜片，电阻比较小。( 2 ) 阴极碳纳米管的电子发射依赖于栅极电压，避免了阴极与阳极之间的直接电压接触，减缓了 打火现象的发生。( 3 ) 阳极为无氧铜片，高能电子轰击阳极表面后产生的x 射线以一定角 度从轰击面的一侧出射，因此阳极不存在厚度方面的考虑。但是反射式结构也存在着一些问 第四章冷阴极x 射线管 题：( 1 ) ) 由于栅极与阴极之间距离比较小，且栅极有一定的厚度，导致阴极发射的电流被 栅极截获较多，严重降低了轰击阳极的电流( 2 ) 本实验中，由丁缺少聚焦电极，最终轰击 阳极的电子束比较分散，电流密度比较小，不利于x 射线的产生。 4 2 2x 射线的转化效率 2 4 以高速电子直接轰击靶材是最简单的一种激发x 射线的方法。在常规的x 射线管中，当 所加的管压较低时，只有连续光谱的产生；当管电压超过随靶材或阳极物质而定的某一临界 数值( 激发电势) 时，标识光谱即以叠加在连续光谱之上的形式出现。x 射线一般分为超短 ( l o n m ) 、短( l o o n m ) 等四个分波段，或称之为 超硬、硬、软、超软x 射线。对于靶材，一般将原子系数z 1 0 ( n e ) 、1 - 1 ( n a ) 2 2 ( t i ) 、 2 3 ( v ) 5 4 ( x e ) 和5 5 ( c s ) 1 0 3 ( l r ) 的元素分别称之为最轻元素、轻元素、中重元 素和重元素。x 射线管的激发效率跟多种因素有关，包括管压、电流、靶原子系数、管窗、 阴极电子束的入射角度、电源类型等等。这里重点叙述管压、电流及靶原子系数对x 射线强 度的影响。 一、连续x 射线一 前人实验表明，连续光谱的总强度，舰铸随着x 射线管内的电流强度( ，) 、电压( v ) 和阳极物质或靶材的原子序数( z ) 加大而发生变化。这种总强度，翱钟，即连续区的积分 强度或阳极所发出的连续光谱的总能量，其一般表达式为 ，积分2 【i ( 见) 朋旯 ( 4 1 ) 式中以为连续光谱的短波限，l ( 兄) 表示连续光谱按波长分布的光谱强度。 实验结果中可以看出，首先，连续光谱的强度变化与电流强度成正比。其次，它的强度 变化还与阳极物质或靶元素的原子系数z 成正比，但是这种正比性并不是严格准确的，而只 是非常近似的。第三，它的强度变化强烈地受x 射线管内电子的加速电压y 的影响，其表 现为：当v 升高时，i 积分即迅速增大；连续光谱在其最强谱线的波长( k 强) 附近，强度 增加得非常快：厶( 以及k 强) 逐渐向短波一侧移动。但是，即使在很高的加速电压下， 例如几百万伏或更高些， 也不会等于0 。 连续光谱的强度分布与x 射线管激发条件的这些关系，可用以下的公式近似地表示： ，( 名) = 彳z 万1 ) 石1 一去) + 彪2 嘉 ( 4 - 2 ) m ) ：罢( 一1 ) ( 4 3 ) l 如辞= k z i v m ( 4 4 ) 式中，i ( 五) 为任一波长的强度，a 、b 、c 、k 和i l l 都是常数，k 值为1 1 1 4 1 0 一， m 约等于2 ，在式( 4 2 ) 中，a b ，所以此式右边第二项对i ( 五) 的贡献很小。而且，以上 公式只适用于名 5 0 n t o 的条件，在更长的波段，必须加以适当的修正。 同时，实验和理论都表明，厶与x 射线管的加速电压v ，磊与k 强，具有以下最简 单的关系： 以( 胛m ) ：1 2 _ 4 0 0 0 ( 4 5 ) 如( 胛m ) 2 丽万 4 5 强丢厶 ( 4 6 ) 由( 4 4 ) 式还可以得出x 射线管的效率r 为： 旷霎鉴冀：_kziv27 ：l k z v+ ( 4 - 47 ) = 一= 一= v(7 ) 1 电子流功率 i v 4 5 东南人学硕士学位论文 对于厚钨靶，在管电压为1 2 至3 0 0 千伏的条件下，式中k 的数值变化在( 0 2 3 至0 7 3 ) x1 06 千伏1 范围内。因此，当z 和v 很高时，则x 射线管用于产生连续光谱的效率就越高。 但是，即使用重元素钨( z = 7 4 ) 作靶材，管电压为3 0 0 千伏时，x 射线产生的效率也只有l 左右；在1 2 干伏时，则只有0 0 2 6 。由阴极发射的自由电子在加速电压下所获得的能量， 绝大部分在阳极撞击时生成热能而损失掉。因此，x 射线管的阳极受热很强烈，这就影响了 其输入功率不可能无限制地提高。 连续光谱强度分布的主要特点可以概括如下：( 1 ) 各种波长的强度i ( 五) 都随v 、f 、z 的增大而升高，其中以v 的影响最大；( 2 ) 不管x 射线管的激发条件如何，每一强度分布曲 线都存在着短波限厶，并且2 0 ( 以及五岳榍) 的大小仅仅取决于加速电压v ，而与i 、z 无 关；( 3 ) 从旯帚祸向长、短波两侧看去，其强度降落的情况不同。一般地说，在短波一侧， 其强度下降很快；在长波一侧，则下降缓慢，最后在名- - - ) c o 时，( 五) 哼o 。此外，连续 光谱的强度分布与辐射方向有关。 二、标识x 射线 标识x 射线与连续x 射线的产生不同，x 射线管除了维持一定的管电流外，对不- 同的靶 元素的不同谱系，还要求管压升高到相应的数值。标识光谱具有以下一些明显的特点：( 1 ) 周期表上各种元素的谱线形成了有规律的丰i i e p d ，并哥分为用k 、l 、m 、n 、表示的若干谱 系，而且对一给定元素，各谱系的波长为k l m n ( 2 ) 各种元素的同名谱系的激发电势 和同名标识谱线的波长。只随其原子序数大小发生变化。原子序数越大，则同名谱系的激发 电势越高，同名谱线的波长越短，反之亦然。( 3 ) 对于不同元素的同名谱线，随着原子序数 的增加，波长变短，其强度也依次提高。 一种元素的q 系谱线的产生，要求加到x 射线管上的电压至少必须等于该谱系的临界激 发电势圪。当管电压比高时，谱线的强度也随着增加，这种增加的原因，主要是由于电 子束流穿入靶体的深度增加，因而引起更多的原子受到激发的结果。此外，它也与加速电子 的动能增加而引起靶原子的激发儿率增长有关，不过这种增长的幅度是不大的。但是，当管 电压超过一定的数值之后，由于加速电子穿入靶体加深，以致从靶体内发射出来的谱线，其 所受的吸收作用开始占优势，故强度逐渐随管电压的升高而下降。 对一给定元素的标识光谱强度，一般可表示为： i = k i ( v v q ) 行 ( 4 8 ) 式中k 比率系数，f 为管电流，n 值为1 5 2 ( 一般取1 7 ) 。 4 2 3 反射式冷阴极x 射线管的制备工艺 反射式冷阴极x 射线管的制备主要采用真空封接工艺与真空排气工艺，所需材料包括： 碳纳米管冷阴极、无氧铜栅极、无氧铜阳极、陶瓷杆、陶瓷环、镍丝、镍环、镍弹簧片、玻 璃芯座、玻壳、吸气剂。装配工艺中所使用的仪器包括：点焊机、封接设备、排气设备。阴 极采用第四章中所阐述的发射性能最佳的碳纳米管冷阴极，即第二类生长参数( 3 0 s 催化剂 溅射时间，7 0 0 生长温度，4 5 m i n 生长时间) 条件下制备的碳纳米管冷阴极。图4 9 给出 了碳纳米管冷阴极( 阴极碳纳米管发射区域直径3 r a m ) 、无氧铜栅极( 孔径3 m m ) 、无氧铜阳 极( 依次从左往右) 的实物照片。 剐49 磺纳米管冷阴极州榭、栅撒、剐极实物j !