基于碳纳米管冷阴极的微型高频脉冲X射线管的制备与测试

《IEEE Transactions on Nuclear Science》：Preparation and Testing of a Miniature High-Frequency Pulsed X-Ray Tube Based on Carbon Nanotube Cold Cathode

碳纳米管场发射紧凑型高频X射线管原型开发及性能验证，采用优化的slurry工艺和沟槽金属基底实现高附着力CNT阴极，测试显示其带宽达1.05MHz，焦点尺寸0.879×1.153mm，支持300μs脉冲宽度运动伪影抑制，X射线通信速率1-6Mbps且BER<10?3。

　　

摘要：

在这项研究中，开发了一种基于碳纳米管（CNT）场发射技术的紧凑型高频脉冲X射线管。采用优化的浆料制备方法和带有凹槽的金属基底，制造出了具有高附着力的CNT阴极电子发射器，从而提高了发射稳定性。该阴极的开启场强为1.78 V/μm，场增强因子为6014，经过调节后电流波动小于4%。在动态真空环境中制造了一个直径为15毫米、高度为47毫米的微型X射线管原型。对脉冲特性、成像性能和X射线通信能力进行了评估。该原型在3 dB时实现了1.05 MHz的幅度-频率响应带宽。成像结果显示最小焦斑尺寸（FSS）为0.879×1.153 mm，高速成像证实了在脉冲宽度低至300 μs时能够抑制运动伪影。在数据传输速率介于1到6 Mbps之间时，使用PRBS7编码方式实现了可靠的X射线数据传输，比特错误率（BER）低于10^-3。这些结果凸显了该设备在高速成像、低剂量诊断和X射线通信方面的潜力。

引言

脉冲X射线管能够发射具有重复频率或任意波形的短X射线脉冲。为了满足各种实验和应用需求，可以通过调节X射线管内电子或X射线的行为来调制脉冲X射线的频率、宽度、幅度和波形[1]。脉冲X射线管具有较低的成像伪影、较低的辐射剂量和低功耗，并且应用范围广泛，包括激光增材制造监测[2]、高速X射线成像[3]、分布式脉冲X射线系统[4]、X射线弹性成像[5]以及X射线通信[6]。目前，脉冲X射线管可以根据其阴极类型分为栅控热阴极[6][7]、光控光阴极[8][9]和场发射冷阴极[11][12]。基于冷阴极的场发射脉冲X射线管因其独特的优势而受到广泛关注，这些优势包括快速切换、高分辨率、数字操作、小焦斑尺寸（FSS）和低功耗[13]。这些设备使用场发射电子管，其中包含多种发射材料，如半导体尖端[14]、碳纳米管（CNTs）和其他纳米结构碳材料。由于碳纳米管具有高纵横比、优异的电导率[15]、纳米级直径、高机械和电强度以及优异的化学和热稳定性，使其成为场发射应用的理想候选材料[16]。场发射技术能够在没有热激发的情况下直接在强电场下提取电子，从而无需加热组件，使X射线管的尺寸减小了50%以上。尽管基于碳纳米管的场发射阴极在开发方面取得了显著进展，但在实际应用于数字X射线管时仍存在一些挑战[17]。其中一个最关键的问题是碳纳米管与金属基底之间的附着力不足[18]。这一限制主要是由于碳纳米管的化学惰性，导致界面结合不良，从而影响场发射设备的长期发射稳定性。此外，目前大多数场发射高频X射线管的频率低于千赫兹，关于更高频率脉冲发射的研究较少[19]。以往的研究主要提出了一种加载场发射阴极脉冲电压的方法，实现了MHz频率的场发射X射线，并探讨了其在X射线通信中的可行性。本文在以往研究的基础上进行了进一步深入研究，主要探讨了阴极的制备过程、X射线管原型的构建及其性能测试。