基于场发射电子源的快速X射线成像技术的研究

In x-ray tomography and imaging of moving object, the clear x-ray image must be captured in a short exposure period. In a conventional x-ray source with a thermionic cathode, it is almost impossible to generate a high dose x-ray beam with narrow time width. To realize the fast x-ray imaging, a mechanical or electronic shutter has been adopted in the detector. However, the x-ray dose absorbed by the object is quite large in this way.. To develop the advanced medical diagnosis equipment, the fast x-ray imaging based on field –emission electron source will be studied in this project. The hybrid nano structures are designed and fabricated to increase the emission site density. Finally, the performance of field-emission can be improved; A new type of triode is designed. The graphene is covered on the aperture of triode. Because the graphene layer has conductive and atomic thickness, the triode can be used to switch on the electron beam rapidly. Because the graphene layer is transparent to the electron beam, the interception current of triode will be reduced, and the device stability can also be improved. It is expected to capture a clear x-ray image in 1 ms with the x-ray source proposed in this project.

在X射线断层扫描以及对动态器官的成像中，需要在非常短的X射线曝光时间内获得清晰的图像。而普通的热电子 X射线源中由于热电子发射的延迟时间，无法产生窄脉冲、高强度的X射线，因此只能在探测器一端采用机械快门或者电子快门的方式实现快速X射线成像。这导致了X射线的有效利用率低，被诊断对象接受的X射线辐射剂量大等问题。. 针对发展先进医疗设备的重大需求，本项目拟开展基于场发射电子源的快速X射线成像技术研究。项目拟通过优化场致发射阴极的复合纳米结构，提高电子发射有效区域密度，获得更大的场致电流发射能力；设计石墨烯高透过率栅极，实现瞬间电子束开关，并减少栅极的截获电流，保证器件稳定工作。本项目将解决超强场致电子发射机制下纳米场致发射体结构设计和微小栅孔制约下大束流电子注的调制这两个关键问题，在1ms以下的曝光时间内，获得X射线清晰成像。本项目研究将为动态器官的X射线诊断奠定技术基础。

本项目针对快速X射线成像的重要应用需求，提出采用场致发射X射线源，通过电子束的快速调制，实现脉冲X射线发射，最终获得快速X射线成像。项目需要解决的关键问题是场发射电子源需要瞬间提供非常高的发射电流，以保证成像时足够的曝光X射线剂量；其二是作为调制电子束开关的栅极，必须具有很高的束流透过率，以减少栅极的截获电流，保证器件稳定工作。根据项目研究目标和拟解决的关键问题，本项目的主要研究内容是通过复合纳米结构场发射体的制备，提高场发射阵列电流负载能力；设计和制备新型的场致发射电子调制结构，提高大电流发射时电子束的透过率；搭建快速X射线成像实验验证系统，获得X射线影像。.在项目实施过程中，我们利用低维纳米线获得稳定的场致发射，提出了热助场致发射和自主热助场发射两种工作模式，进一步提高场致发射电流密度；我们优化设计了凹面轮辐栅极以及碳膜复合栅网两种栅极结构，通过提高栅网开口率和调控栅孔电场强度分布，有效地提高了电子束透过率；针对快速X射线成像过程对探测器性能的要求，我们还开展了基于钙钛矿晶体的X射线探测成像技术研究。通过溶液法掺杂形成X射线/γ射线探测PN型结构，通过溶液法外延生长形成X射线/γ射线探测PIN型结构。通过结区的势垒降低探测噪声，因此X射线探测的噪声电流得到有效抑制，最低可探测射线剂量进一步减小；最后我们搭建了基于场致发射X射线源的快速X射线成像系统，可以产生脉冲宽度为2ms的X射线，能够对运动物体清晰成像。.本项目完成了项目计划书规定的研究内容，达到了预期研究目标。我们获得的最大发射电流为30.6mA，场致发射电流密度4.81A/cm2，栅极电子透过率73.6%，可以运动物体清晰成像。已经发表SCI论文21篇，申请或授权专利29项，培养研究生26名。