基于碳納米管陰極的多光束 X 射線源技術

陳 垚 陳 婷 桂建保 胡戰(zhàn)利 Peter Z.Wu 鄭海榮

（中國科學院深圳先進技術研究院 深圳 518055）

1 引 言

X 射線 CT 技術是通過對物體進行不同視角的射線投影測量而獲取物體橫截面信息的成像技術。其中，作為 CT 系統(tǒng)的信號源，X 射線源在一定程度上決定著 CT 系統(tǒng)的成像方式與成像性能。X 射線由 X射線源中的電子發(fā)射源產生電子，電子束在電場下得到加速并轟擊陽極靶產生。

傳統(tǒng)的 CT 系統(tǒng)中，X 射線源通常采用熱陰極作為電子源[1]，結構為單個電子發(fā)射源和相對應的單個陽極靶，從而形成單個 X 射線焦斑，發(fā)射單個 X 射線束。X 射線源圍繞掃描對象作機械式轉動，從而獲得不同視角的投影。在此掃描方式下，有限的機械轉動速度限制了 CT 系統(tǒng)的投影獲得時間。

電子束 CT 是解決傳統(tǒng) X 射線源技術瓶頸的方案之一。在電子束 CT 設計中，單個電子發(fā)射源對應著一個靶環(huán)，從陰極發(fā)射的電子束在線圈的精密控制下聚焦并偏轉沿靶環(huán)掃描[2]。電子束在靶環(huán)上形成多個不同位置的焦斑，產生多個光束，從而獲得不同視角的投影。

基于碳納米管陰極的 X 射線發(fā)射技術具有結構緊湊、高時間分辨、可編程發(fā)射等優(yōu)勢[3]。將多個碳納米管陰極高度集成于一體，每個碳納米管陰極(即電子發(fā)射源)對應產生不同位置的 X 射線焦斑，形成多個光束。該技術基于碳納米管陰極的多光束 X 射線源，通過控制多個碳納米管陰極電子發(fā)射的輪流開關，獲得不同視角的投影，亦是突破傳統(tǒng) X 射線源技術瓶頸的 CT 技術重要發(fā)展方向之一。

圖1 三極式碳納米管 X 射線源結構[7]

2 碳納米管 X 射線源

碳納米管 X 射線源是采用碳納米管薄膜作為電子場致發(fā)射材料的一種場致發(fā)射 X 射線源。場致發(fā)射陰極在外加電場的作用下，陰極表面勢壘的高度降低、寬度變窄，發(fā)射體內的大量電子由于量子隧道效應[4]穿透表面勢壘而逸出。碳納米管被發(fā)現(xiàn)以來[5]，由于其具有穩(wěn)定的化學性質、極大的長徑比等特性，是極其理想的場致發(fā)射材料[6]。

圖1 是典型的三極式碳納米管 X 射線源結構[7]，其由碳納米管場致發(fā)射陰極、柵極和陽極構成。柵極與陰極相距 50～200 μm，若在柵極施加一定的電壓(0～2.5 kV)，那么就可在陰極表面形成 1～10 V/μm的電場。因此可通過控制柵極電壓大小來調節(jié)陰極表面場的大小，而當它達到一定值時，碳納米管陰極就會發(fā)射出電子，這些電子在陽極電壓的作用下得到加速并轟擊陽極靶產生 X 射線。圖 2 為中國科學院深圳先進技術研究院利用自主研發(fā)的碳納米管 X 射線源獲得的國內首張?zhí)技{米管 X 射線源二維成像圖。

圖2 手持先進院 LOGO 的二維 X 射線成像圖

3 多光束 X 射線源

碳納米管場致發(fā)射具有工作溫度低、功耗小、容易實現(xiàn)單個 X 射線源集成多個陰極等優(yōu)點。同時，由于場致電子發(fā)射幾乎不存在時間延遲性，故碳納米管X 射線源可實現(xiàn)高時間分辨、可編程的 X 射線發(fā)射?；谶@些優(yōu)勢，Zhang 等[8]提出了基于碳納米管陰極的多束 X 射線源，并由此建立了靜態(tài)掃描成像系統(tǒng)[9-10]。

圖3 為多束 X 射線源的結構[8]示意圖。其中包含陰極、柵極、聚焦極及陽極，其工作時放置在一個真空腔體中進行，多個場發(fā)射陰極對應于不同柵極與聚焦單元是它的特點。在柵極電壓產生的電場作用下，電子發(fā)射源發(fā)射出電子，這些電子經過聚焦單元后，聚焦在陽極的對應部位。每個陰極連接在不同MOS 管(金屬氧化物半導體場效應管)的漏極，通過控制 MOS 管的通斷可實現(xiàn)陰極電子發(fā)射的開關，從而使每個電子發(fā)射源的陰極發(fā)射都能得到獨立的控制。而每個陰極上還串聯(lián)有可變電阻，通過調節(jié)可變電阻值，可以修正由碳納米管陰極材料的個體差異帶來的發(fā)射電流不一致性。

圖3 多光束 X 射線源結構[8]

通過給不同 MOS 管柵極提供事先編程的脈沖信號，就可以實現(xiàn) X 射線在時間上和空間上的可編程發(fā)射，也就可以靜態(tài)獲取不同視角的 X 射線投影。該源不需要通過機械轉動便可以實現(xiàn)從不同視角的 X射線掃描，因而能夠最大程度地縮短掃描時間。

而后，開始對該新型 X 射線源進行應用研究，如面向數字乳腺掃描系統(tǒng)的多光束 X 射線源[11-13]。圖 4 是面向數字乳腺掃描系統(tǒng)的多光束 X 射線源幾何結構[13]，該成像系統(tǒng)能夠實現(xiàn)靜態(tài)掃描，消除了有源轉動引起的運動偽影。同時面向靜態(tài)掃描顯微 CT的多光束 X 射線源也在研究中[14]。

圖4 面向數字乳腺掃描系統(tǒng)的多光束 X 射線源結構[13]

4 結 語

目前，中國科學院深圳先進技術研究院在獲得國內首張?zhí)技{米管 X 射線源的二維成像圖后，繼續(xù)突破技術難點，以期盡快發(fā)展碳納米管多光束 X 射線源技術。相信隨著碳納米管材料技術的不斷成熟，將誕生發(fā)射更大電流密度、更穩(wěn)定、更長壽命的場致發(fā)射陰極。同時，碳納米管 X 射線源結構將不斷得到優(yōu)化，并將發(fā)展出面向靜態(tài)掃描成像系統(tǒng)的碳納米管多光束 X 射線源技術，并逐步推進該技術走向應用。

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