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微型X射线源研究

解滨  
【摘要】: X射线源在生产和医疗上一直以来具有广泛的应用。利用X射线的穿透性可进行无损探伤;利用X射线的荧光效应可对物质进行痕量分析;利用X射线使蛋白质变性可对肿瘤进行放疗。目前使用的X光源的基本特点是采用热电子发射形式即采用热灯丝作为电子发射源,在高压加速下轰击阳极产生X射线,这样的光源体积较大,需要加热阴极的电源,且对频率响应慢。而采用场发射阴极就可以克服这些缺点。 随着纳米技术的发展和集成微刻技术的发展,场发射微型X射线源的研制成为可能。1976年,C.A.Spindt首次制备了spindt型阴极,1991年Iijima.S首先发现了碳纳米管。这些阴极的表面刻蚀或者生长了大量的细小突起,在外加电场的作用下放电突起顶端很容易产生强电场,在常温下就可使电子脱离表面。由于突起数目大且尖端顶端电场强度高,因此产生很大的场发射电流密度。采用场发射阴极的X射线光源具有体积小,辐射强度高,频率响应快,可以随时开启,无需预热的优点。 鉴于微型X射线源的优点及广阔的应用前景,我们研究和制造了微型X射线源的实验装置,为微型X射线源的改进和完善创造了条件,为研制实用的微型X射线源奠定了基础。 在理论上,利用有限元方法和软件对spindt型阴极和碳纳米管阵列(CNTs)放电突起的电场强度及场发射特性进行了分析:对spindt型阴极进行了静电场分析,模拟计算了其场发射电流,结果与文献报导的结果相一致,表明了方法的正确性,并且为制备适用于微型X射线源的spindt阴极提供了工艺上的判断标准。对碳纳米管的顶端电场进行了计算,分析了其长径比和生长密度对电场增强因子的影响,进而可以对场发射实验进行指导。 为了验证场发射阴极X射线源的可行性,实验上以碳纳米材料为阴极,测得了其场发射电流曲线和铜靶的K_α谱线,表明完全可以采用碳纳米管制造微型X光源。


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