陳 垚 陳 婷 桂建保 胡戰(zhàn)利 Peter Z.Wu 鄭海榮

（中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院 深圳 518055）

1 引 言

X 射線 CT 技術(shù)是通過對(duì)物體進(jìn)行不同視角的射線投影測(cè)量而獲取物體橫截面信息的成像技術(shù)。其中，作為 CT 系統(tǒng)的信號(hào)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(chǎn)生電子，電子束在電場(chǎng)下得到加速并轟擊陽極靶產(chǎn)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(jié)構(gòu)為單個(gè)電子發(fā)射源和相對(duì)應(yīng)的單個(gè)陽極靶，從而形成單個(gè) X 射線焦斑，發(fā)射單個(gè) X 射線束。X 射線源圍繞掃描對(duì)象作機(jī)械式轉(zhuǎn)動(dòng)，從而獲得不同視角的投影。在此掃描方式下，有限的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)速度限制了 CT 系統(tǒng)的投影獲得時(shí)間。

電子束 CT 是解決傳統(tǒng) X 射線源技術(shù)瓶頸的方案之一。在電子束 CT 設(shè)計(jì)中，單個(gè)電子發(fā)射源對(duì)應(yīng)著一個(gè)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(zhuǎn)沿靶環(huán)掃描[2]。電子束在靶環(huán)上形成多個(gè)不同位置的焦斑，產(chǎn)生多個(gè)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(shù)具有結(jié)構(gòu)緊湊、高時(shí)間分辨、可編程發(fā)射等優(yōu)勢(shì)[3]。將多個(gè)碳納米管陰極高度集成于一體，每個(gè)碳納米管陰極(即電子發(fā)射源)對(duì)應(yīng)產(chǎn)生不同位置的 X 射線焦斑，形成多個(gè)光束。該技術(shù)基于碳納米管陰極的多光束 X 射線源，通過控制多個(gè)碳納米管陰極電子發(fā)射的輪流開關(guān)，獲得不同視角的投影，亦是突破傳統(tǒng) X 射線源技術(shù)瓶頸的 CT 技術(shù)重要發(fā)展方向之一。

圖1 三極式碳納米管 X 射線源結(jié)構(gòu)[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(chǎng)致發(fā)射材料的一種場(chǎng)致發(fā)射 X 射線源。場(chǎng)致發(fā)射陰極在外加電場(chǎng)的作用下，陰極表面勢(shì)壘的高度降低、寬度變窄，發(fā)射體內(nèi)的大量電子由于量子隧道效應(yīng)[4]穿透表面勢(shì)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(xué)性質(zhì)、極大的長(zhǎng)徑比等特性，是極其理想的場(chǎng)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(jié)構(gòu)[7]，其由碳納米管場(chǎng)致發(fā)射陰極、柵極和陽極構(gòu)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(chǎng)。因此可通過控制柵極電壓大小來調(diào)節(jié)陰極表面場(chǎng)的大小，而當(dāng)它達(dá)到一定值時(shí)，碳納米管陰極就會(huì)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(chǎn)生 X 射線。圖 2 為中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院利用自主研發(fā)的碳納米管 X 射線源獲得的國內(nèi)首張?zhí)技{米管 X 射線源二維成像圖。

圖2 手持先進(jìn)院 LOGO 的二維 X 射線成像圖

3 多光束 X 射線源

碳納米管場(chǎng)致發(fā)射具有工作溫度低、功耗小、容易實(shí)現(xiàn)單個(gè) X 射線源集成多個(gè)陰極等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，由于場(chǎng)致電子發(fā)射幾乎不存在時(shí)間延遲性，故碳納米管X 射線源可實(shí)現(xiàn)高時(shí)間分辨、可編程的 X 射線發(fā)射?；谶@些優(yōu)勢(shì)，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(jié)構(gòu)[8]示意圖。其中包含陰極、柵極、聚焦極及陽極，其工作時(shí)放置在一個(gè)真空腔體中進(jìn)行，多個(gè)場(chǎng)發(fā)射陰極對(duì)應(yīng)于不同柵極與聚焦單元是它的特點(diǎn)。在柵極電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)作用下，電子發(fā)射源發(fā)射出電子，這些電子經(jīng)過聚焦單元后，聚焦在陽極的對(duì)應(yīng)部位。每個(gè)陰極連接在不同MOS 管(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管)的漏極，通過控制 MOS 管的通斷可實(shí)現(xiàn)陰極電子發(fā)射的開關(guān)，從而使每個(gè)電子發(fā)射源的陰極發(fā)射都能得到獨(dú)立的控制。而每個(gè)陰極上還串聯(lián)有可變電阻，通過調(diào)節(jié)可變電阻值，可以修正由碳納米管陰極材料的個(gè)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(jié)構(gòu)[8]

通過給不同 MOS 管柵極提供事先編程的脈沖信號(hào)，就可以實(shí)現(xiàn) X 射線在時(shí)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(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)便可以實(shí)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(shí)間。

而后，開始對(duì)該新型 X 射線源進(jìn)行應(yīng)用研究，如面向數(shù)字乳腺掃描系統(tǒng)的多光束 X 射線源[11-13]。圖 4 是面向數(shù)字乳腺掃描系統(tǒng)的多光束 X 射線源幾何結(jié)構(gòu)[13]，該成像系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)靜態(tài)掃描，消除了有源轉(zhuǎn)動(dòng)引起的運(yùn)動(dòng)偽影。同時(shí)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(shù)字乳腺掃描系統(tǒng)的多光束 X 射線源結(jié)構(gòu)[13]

4 結(jié) 語

目前，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院在獲得國內(nèi)首張?zhí)技{米管 X 射線源的二維成像圖后，繼續(xù)突破技術(shù)難點(diǎn)，以期盡快發(fā)展碳納米管多光束 X 射線源技術(shù)。相信隨著碳納米管材料技術(shù)的不斷成熟，將誕生發(fā)射更大電流密度、更穩(wěn)定、更長(zhǎng)壽命的場(chǎng)致發(fā)射陰極。同時(shí)，碳納米管 X 射線源結(jié)構(gòu)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(shù)，并逐步推進(jìn)該技術(shù)走向應(yīng)用。

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