基于碳纳米管场致发射阴极的可变焦X射线管

唐华平 陈志强 刘 昂 秦占峰 何 武 张庆辉

1（新鸿电子有限公司 常州213000）

2

（清华大学工程物理系 北京100084）

3（粒子技术与辐射成像教育部重点实验室 北京100084）

移动数字化X射线摄影（Digital Radiography，DR）技术由于其高效快捷的特性，为很多急诊病人争取了宝贵的救治时间，是目前医疗成像领域热门的研究方向［1-2］。移动DR设备需要进入急症室等狭小病房，甚至不同楼层的病房进行床旁摄片，所以要尽量小巧轻便且环境辐射剂量低；移动DR设备多采用电池作为备用能源以提升其灵活性，这就要求其中的X射线管能耗小以提升其续航能力。传统热阴极X射线管以灯丝作为阴极，需要将灯丝加热到较高温度才能发射大量电子，所以热阴极X射线管存在启动慢、时间分辨率低、无效辐射剂量大、工作温度高等问题［3-4］。所以许多研究机构将目光转向了冷阴极射线管。

新鸿电子基于全球领先的碳纳米管阴极技术，提出了一种适合移动DR设备的小巧冷阴极X射线管。该管基于场致发射，室温下就可直接发射电子，无需耗费时间和功率加热阴极，所以具有启动快、功耗低的优势；同时冷阴极场致发射还具有瞬间开通和关断的特点，使其具有高时间分辨率、可控发射、无效辐射剂量小等优势［5-9］。本文提出的X射线管进一步按照医用成像的国际标准进行了焦斑设计，可实现不同工作模式下的管电压/管电流/焦斑大小的灵活调整。射线管重量小于2 kg，有利于移动医疗DR设备的小型化、轻型化和灵活性。

1 设计方案

1.1 碳纳米管阴极

碳纳米管具有大长径比、优异的导电性能、良好的机械性能和化学稳定性，被认为是最理想的场致发射材料之一［10］。本文所使用的碳纳米管材料是通过化学气相沉积法制备，制备的碳纳米管直径分布均匀，碳纳米管直径为5 nm左右，碳纳米管长度大于10 μm。通过电泳沉积的方法将制备好的碳纳米管材料固定在导电基底上制得碳纳米管阴极。使用扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）对碳纳米管阴极的表面形貌进行观察，如图1所示。图中毛发状的细长物为碳纳米管，具有较好的密度和分布均匀性，在高压电场中，每一个碳纳米管的尖端形成一个电子发射体。

1.2 冷阴极射线管

图1 碳纳米管阴极SEM图Fig.1 SEM image of the nanostructures of CNTs cathode

图2 X射线管结构Fig.2 Schematic of the X-ray tube

冷阴极射线管是由管壳、阴极、阳极组件三个主要部分组成，图2展示了X射线管的内部具体结构。图中展示了阴极（Cathode）、栅极（Grid）、聚焦极（Focus）、阳极（Anode）、射线窗口（Window）等关键部件的相对位置关系。射线管壳体（Tube Housing）材料采用不锈钢，具有很好的机械强度和超高真空适用性，同时也考虑了其无磁和易于精密加工与焊接的性能。壳体主体是一个不锈钢圆桶，直径为90 mm，长度为95 mm，壁厚为2 mm。壳体上端是圆形的阳极陶瓷组件（Anode Feedthrough），该陶瓷组件是用于和阳极高压发生器的接头进行电气连接，给焊接在陶瓷组件正中央的阳极组件（Anode）提供高压。圆桶壁上焊有射线窗（Window），采用铝材料，在射线出射位置铝层的厚度为2.3 mm。阳极靶是一片直径18 mm、厚度1.1 mm的钨片，设计为14°倾角，构成反射靶结构。阴极（Cathode）是通过在金属块上沉积碳纳米管层实现，阴极引线端子（Cathode Feedthrough）连接到金属块。阴极正上方是栅极（Grid），栅级的结构为一系列条状栅格，栅格的宽度为60 μm，各个栅格之间的间距为170 μm，从面积占比的角度，栅极设计的理论透过率为74%，实际透过率还会还会受到阴栅间距、栅极厚度、形状上的细微结构等影响。栅极上方是聚焦极，二者之间通过陶瓷支撑块绝缘开。聚焦极和阴极引线端子都从管体壳底板上引出。射线管内部安装有两个吸气剂（Getter），可以用来吸附气体，用于维持射线管内部的高真空度。

X射线管需要于超高真空状态下工作，因此组成射线管的不锈钢零部件表面除精密加工外，还经历了多重超声清洗，去除表面的各种杂质；然后进行了抛光处理，提高表面光洁度，降低吸气面积；各零部件在装配前也针对各种材料特性进行了烘烤去气，射线管整管在洁净间内进行组装焊接，然后对整管进行高温烘烤排气，内部达到超高真空后通过对排气管（Pinch-off Tube）冷压剪断进行真空密封。

射线管的工作还需要配备阴极电源（Cathode Power Supply）、聚焦极电源（Focus Power Supply）、以及阳极高压电源（Anode Power Supply），形成射线源系统，如图3所示。

图3 X射线源系统的结构Fig.3 Structure diagram of the X-ray source system

阴极电源接可以最高提供负2 kⅤ高压，最大120 mA电流，脉宽在5～500 ms可变。阴极负电压接通时，在阴极和栅极之间形成一个强电场将电子拉向栅极，形成场致发射。阴极电源可以通过改变施加在阴极上的电压的大小和时间，对阴极电流的大小和脉宽进行精确的控制。阳极电源用于在阳极和栅极之间形成一个强电场，对透过栅极的电子束进行加速，然后这些加速后的电子轰击阳极产生X射线。本文使用的阳极高压电源选用了一款Spellman120 kⅤ/12 kW的标准电源。聚焦极电源用于在聚焦极上施加电压，来实现射线管的主动聚集，本文使用的聚焦极电源可以在6 kⅤ以内连续可调。

2 模拟和测试

2.1 焦斑尺寸模拟

焦点尺寸是X射线管的重要参数。本文采用电磁场模拟软件Opera 3D进行了射线管的靶点大小仿真，模拟了不同的射线管工作状态中电子束从阴极经栅极和聚焦极到达阳极靶的运动轨迹，得到电子束在阳极靶表面上的相对电流密度分布，计算出靶点尺寸。计算中，以沿着管体中心向上的方向为Z轴，垂直于窗体向外的方向为X轴，建立一个右手坐标系，阴极发射体的尺寸设为19 mm×4.3 mm，分别模拟了5种不同的阳极电压（Va）和聚焦极电压（Vf）的情况。图4给出了Va=55 kⅤ、Vf=500Ⅴ情况下模拟所得的X轴和Y轴方向上的电子轨迹图和相对线性电流密度分布，并根据相对线性电流密度分布图计算出焦斑长度（focal spot length）L和焦斑宽度（focal spot width）W，计算焦斑大小取的是15%相对线性电流密度最大值的全宽。其他4种情况下的模拟得出的模拟焦斑大小总结在表1中。

表1 不同情况下的模拟焦斑尺寸Table 1 Simulated focal spot sizes in different situations

2.2 管体测试

为了提高测试精度，设计了如图5所示的测试工装进行射线管与探测器之间的相对定位。进行焦斑大小测试时，射线管（X-ray Tube）位于工装最上面一层，窗口朝下固定；在工装中层有一个凹槽，用于放置狭缝相机（Pro-Slit）或剂量探头；工装最下层放置平板探测器（X-ray Detector）；最终保证窗的正中心、狭缝的中心、平板探测器的中心在一条直线上。此外，在狭缝和平板探测器之间还有铅筒屏蔽，尽量减少散射线对成像的干扰。

图4 Va=55 kⅤ,Vf=500Ⅴ时，X轴(a)和Y轴(b)方向上，电子轨迹图和相对线性电流密度分布Fig.4 Simulated electron beam trajectories and profiles of the relative linear current density in X-axes(a)and Y-axes(b)when Va=55 kⅤ,Vf=500Ⅴ

图5 焦斑和剂量测试工装照片Fig.5 Photo of the focal spot and dose measurement tooling

对5种不同情况下的焦斑大小进行测试，以Va=75 kⅤ、Vf=1 250Ⅴ情况为例，首先将狭缝平行于Y轴摆放来测量焦斑长度L，在探测器上得到如图6（a）所示的图像，然后根据图像得到长度方向上的灰度值分布，以灰度最大值的15%为焦斑边缘计算焦斑大小，然后根据每个像素点的大小和放大倍数，计算出焦斑长度L=1.72 mm。然后再将狭缝平行于Z轴摆放来测量焦斑宽度W，在探测器上得到如图6（b）所示的图像，计算出焦斑宽度W=1.62 mm。类似地，测量出其他几种情况下的焦斑尺寸。结果总结在表2中，实测结果与模拟结果大致符合。此外，根据实测焦斑大小和ⅠEC 60336标准，给出了5种情况下对应的ⅠEC焦斑尺寸。

图6 狭缝平行于Y轴(a)放置和平行于Z轴(b)放置时，射线穿过狭缝在平板探测器上形成的图像Fig.6 Ⅰmages detected by X-ray detector when the slit is parallel to the Y axis(a)and parallel to the Z axis(b)

但是在各种不同阳极高压和聚焦电压状态下，实际测试结果均比模拟计算结果略为偏大，回顾设计阶段完成的模拟计算，和封管后的实测结果，考虑加工与装配时的精度控制，这种单向偏离的原因，分析可能的因素包括：（1）阴极发射体的实际尺寸比设计尺寸略大；（2）聚焦极的加工精度或安装精度与理想值有偏差。

为了确定该射线管在不同工作环境下的适用情况，本文还对该射线管不同工作状态下的性能进行了测试。对于图5所示的测试状态，将狭缝相机换为Raysafe剂量探头（剂量探头的感光面到靶点的距离为18.25 cm），详细测试结果见表3。此外还进行了阳极电压70 kⅤ、阳极电流50 mA、脉宽400 ms情况下的透过率测试，实际测得的阴极电流为74 mA，实测的阳极电流为50.7 mA，得到透过率为68.5%。

表2 不同情况下的实测焦斑尺寸对比及实测焦斑对应的IEC标准焦斑值Table 2 Measured focal spot sizes and the corresponding IEC focal spot values in different situations.

表3 不同工作模式下，阳极电压、脉宽、剂量等参数的指标和实测结果Table 3 The targets and the measured results of the anode voltages,pulse width,and dose in different situations

3 研制实物和整体指标参数

图7 射线管样机实物照片Fig.7 Photo of the prototype of the X-ray tube

表4 射线管整体参数指标Table 4 Technical data of the X-ray tube

图7给出的是X射线管的实物图。表4是射线管主要指标参数，列出了射线管的尺寸、重量、关键部件的材料、以及各种特征参数的具体可调范围。表5给出了是建议的4种典型医疗应用场景下的射线管工作参数，主要包括新生儿ⅠCU检查、骨盆检查、腹部检查、胸部检查。

表5 不同应用场景下的射线管工作参数Table 5 The working parameters of the X-ray tube in different clinical applications

4 结语

本文设计了一种应用于移动DR设备中的基于碳纳米管阴极的可变焦X射线管。通过模拟和实际测试，优化了多种不同工作模式下的焦斑尺寸，给出了不同工作模式下ⅠEC标准焦斑值。在射线管制成后，实测了不同工作模式下管电压、脉宽、剂量等参数，并根据测试结果，给出了射线管整体指标参数和建议的4种具体应用场景下的射线管工作参数。这种小巧轻便且应用场景广泛的可变焦射线管是移动医疗DR设备的新选择。