《基於場發射電子源的快速X射線成像技術的研究》是依託東南大學，由張曉兵擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：基於場發射電子源的快速X射線成像技術的研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：張曉兵
- 依託單位：東南大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
在X射線斷層掃描以及對動態器官的成像中，需要在非常短的X射線曝光時間內獲得清晰的圖像。而普通的熱電子 X射線源中由於熱電子發射的延遲時間，無法產生窄脈衝、高強度的X射線，因此只能在探測器一端採用機械快門或者電子快門的方式實現快速X射線成像。這導致了X射線的有效利用率低，被診斷對象接受的X射線輻射劑量大等問題。. 針對發展先進醫療設備的重大需求，本項目擬開展基於場發射電子源的快速X射線成像技術研究。項目擬通過最佳化場致發射陰極的複合納米結構，提高電子發射有效區域密度，獲得更大的場致電流發射能力；設計石墨烯高透過率柵極，實現瞬間電子束開關，並減少柵極的截獲電流，保證器件穩定工作。本項目將解決超強場致電子發射機制下納米場致發射體結構設計和微小柵孔制約下大束流電子注的調製這兩個關鍵問題，在1ms以下的曝光時間內，獲得X射線清晰成像。本項目研究將為動態器官的X射線診斷奠定技術基礎。
結題摘要
本項目針對快速X射線成像的重要套用需求，提出採用場致發射X射線源，通過電子束的快速調製，實現脈衝X射線發射，最終獲得快速X射線成像。項目需要解決的關鍵問題是場發射電子源需要瞬間提供非常高的發射電流，以保證成像時足夠的曝光X射線劑量；其二是作為調製電子束開關的柵極，必須具有很高的束流透過率，以減少柵極的截獲電流，保證器件穩定工作。根據項目研究目標和擬解決的關鍵問題，本項目的主要研究內容是通過複合納米結構場發射體的製備，提高場發射陣列電流負載能力；設計和製備新型的場致發射電子調製結構，提高大電流發射時電子束的透過率；搭建快速X射線成像實驗驗證系統，獲得X射線影像。在項目實施過程中，我們利用低維納米線獲得穩定的場致發射，提出了熱助場致發射和自主熱助場發射兩種工作模式，進一步提高場致發射電流密度；我們最佳化設計了凹面輪輻柵極以及碳膜複合柵網兩種柵極結構，通過提高柵網開口率和調控柵孔電場強度分布，有效地提高了電子束透過率；針對快速X射線成像過程對探測器性能的要求，我們還開展了基於鈣鈦礦晶體的X射線探測成像技術研究。通過溶液法摻雜形成X射線/γ射線探測PN型結構，通過溶液法外延生長形成X射線/γ射線探測PIN型結構。通過結區的勢壘降低探測噪聲，因此X射線探測的噪聲電流得到有效抑制，最低可探測射線劑量進一步減小；最後我們搭建了基於場致發射X射線源的快速X射線成像系統，可以產生脈衝寬度為2ms的X射線，能夠對運動物體清晰成像。本項目完成了項目計畫書規定的研究內容，達到了預期研究目標。我們獲得的最大發射電流為30.6mA，場致發射電流密度4.81A/cm2，柵極電子透過率73.6%，可以運動物體清晰成像。已經發表SCI論文21篇，申請或授權專利29項，培養研究生26名。
