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基于碳纳米管冷阴极的微焦点X射线源及其应用

浏览量:182次发布时间:2024年02月04日

碳纳米管(CNTs)场致发射源作为一种新的冷阴极电子发射源,能克服传统热阴极的缺点,基于CNTs冷阴极的微焦

点X射线源的扫描成像系统可实现脉冲式发射、高速拍照、低剂量的特点,是一种可代替热阴极材料作为X射线管的核

心阴极材料,目前在生物医疗、无损检测和科学研究等领域已经展现了巨大的应用价值,但在技术实现上CNTs阴极的

可靠性、工作寿命和电流发射密度等仍存在瓶颈问题。


目前X射线成像对分辨率的要求越来越高,微焦点X射线的研究就显得格外重要,但是目前主流的X射线源仍采用热阴

极。传统热阴极存在启动速度慢、工作环境需要高温、整体尺寸过大等问题,而与之相对的场发射冷阴极具有脉冲快

速发射、发射源尺寸小、无需加热等优势。得益于这些优势,冷阴极X射线得到了科研团队和相关企业的广泛关注。


目前场致发射冷阴极也已应用于多种真空电子器件,比如真空功率器件、场致发射电子显微镜、场致发射显示器等。

科研人员为了追求优异的冷阴极发射性能进行了许多研究,在材料和结构方面进行了多种尝试,其中最有代表也最广

为人知的便是Spindt阴极,以及目前广泛应用于冷阴极微焦点X射线源的碳纳米管(CNTs)和碳纤维为代表的新型材

料。


近些年的研究已经表明,CNTs及其衍生材料作为冷阴极X射线的发射源具有难以替代的优势,但是仍然存在许多尚未

解决的问题。


一是对于CNTs的生长原理仍没有得到很好的解释,尤其是外部因素带来的影响。

二是场的屏蔽效应带来的影响。理论上单根CNTs有着优异的发射特性,但是在实际应用生产中,CNTs的单根生长和

应用仍面临巨大的技术挑战。目前CNTs的标准化生长通常是利用光刻镀膜来实现的,但这不可避免地就会受到场屏蔽

的影响,从而抑制了CNTs的场发射性能。

三是CNTs的工作稳定性亟需提高,尤其是在长时间工作条件下。目前CNTs与基底接触普遍存在不牢固的现象,这种

现象随着工作时间的增长会愈发明显,从而造成CNTs的损毁。这是因为当前的基底普遍采用硅材料,而硅本身导热性

能并不优异,在长时间的工作中热量无法及时导出,最终损坏CNTs。


1 CNTs场致发射发展概况

与传统热电子发射不同,场发射属于冷阴极电子发射。其电子发射过程无需加热,而是通过在阴极材料表面施加强电

场,依靠强电场来抑制物体表面的势垒,降低势垒高度,当势垒宽度足够窄达到与电子波长同数量级时,电子的隧道

效应就会占主导作用,物体内大量电子就会穿过表面势垒而逸出。

大多冷阴极是基于CNTs场致发射阴极的微焦点X射线管,纳米材料的场增强因子大,可在较低的场强下获得很高电流

密度,在高精度成像领域很有发展前景,但纳米材料本身的制备难度以及寿命问题是影响其应用的重要问题。

CNTs最初是由日本管镜学家饭岛澄男发现的,CNTs可以依据烯片层数的不同分为单壁CNTs和多壁CNTs。石墨烯是

一种由碳原子以sp2杂化轨道组成的平面薄膜,而CNTs则可以视为卷装的石墨烯管。CNTs的直径非常小,具有很高

的长径比,比例常常在千比一以上,也正因此CNTs相比于传统金属具有很高的强度。CNTs中的化学键同时具有sp2

和sp3杂化,并且碳原子的P电子在石墨烯片层外形成大范围的大π键,因此CNTs有良好的导电性。

CNTs的制备方法主要分为直接制备方法和间接制备方法两种,直接制备方法主要有化学气相沉积、等离子增强化学

气相沉积和微波等离子化学气相沉积等。直接制备方法的优点包括CNT直列立生长、CNT阵列可控并且与现有的半导

体工艺兼容。但是缺点也很明显,CNTs密度太高、均匀性有待改善、大面积制备困难而且CNT与基底的附着力有待改

善。直接制备方法制作的CNTs冷阴极的电镜图如图1(a)所示。间接制备法包含丝网印刷、电泳等,优点是低成本、大

面积,缺点是CNTs均匀性和电子束聚焦特性较差。间接制备方法制作的CNTs冷阴极的电镜图如图1(b)所示。

近些年国内高校在CNTs生长方式的研究上多有突破,北京大学李彦教授团队提出了一种实现单壁CNTs结构/手性可控

生长的方案,他们使用一类钨基合金催化剂实现了单壁CNTs的结构/手性可控生长,并且利用这种方法生长出了纯度

高达92%且具有半金属特性的CNTs,同时通过调控催化剂的结构实现了CNTs的选择性生长,为解决CNTs单壁生长这

一巨大难题提供了一种可行的方案。

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2 微焦点X射线源发展概况

X射线最早是由在维尔茨堡大学工作的德国科学家伦琴教授在1895年发现的,也正因为这一伟大发现,他获得了1901年的诺贝尔物理学奖。X射线自发现以来便在工业领域和医学领域有很大的应用,尤其是医学影像技术在一个世纪里得到很大发展。X射线能够清楚地观察到活体内的各种生理和病理现象,因此X射线用于人体检查,进行疾病诊断,形成了放射诊断学的新学科,奠定了医学影像学的基础。直到医学研究已进入分子水平的今天,X射线仍是医生进行诊断的主要手段。图2所示为X射线影像装置的简单示意图。

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X射线成像系统将从物体传输的X射线光子转换成可用于评估内部结构的可见图像。X射线探测器放置在物体后面,记

录发射的X射线,以产生X射线图样,X射线CT成像技术能在对检测物体无损伤条件下,以二维断层图像或三维立体图

像的形式,清晰、准确、直观地展示被检测物体的内部结构、组成、材质及缺损状况,是目前工业无损检测和医疗影

像诊断最有效的手段。X射线源的检测精度是由其焦点尺寸决定的,焦点尺寸越小,检测精度越高,因此随着医疗、

微电子、新能源领域的快速发展,现代社会对微焦点X射线成像给予更迫切需求。

不同于一般的X射线源,微焦点X射线源的焦点尺寸通常在微米量级,微焦点X射线源一般由微焦点X射线管和电源组成

,微焦点X射线管的主要结构一般由阴极、栅极、聚焦极、阳极和绝缘外壳(一般为陶瓷结构)组成,其中阴极在X射

线管中用于产生电子,改变阴极电子发射源的材料、结构、尺寸,对电子束斑的聚焦有着显著影响。


而根据阴极材料的不同一般分为热阴极和冷阴极两种结构。热阴极的材质一般用熔点和沸点很高的钨,阴极可以加热

到很高温度,同时再在阴阳极之间加上上万伏的高压实现热电子发射。冷阴极一般会在阴极基底上生长CNTs来完成场

致发射。


栅极的作用是通过在栅极上施加电压来实现对发射电流大小的控制,栅极电压高于阴极电压在阴栅间形成强电场,从

而降低CNTs阴极发射所需的表面势垒实现电子的场致发射。


聚焦极的作用是对电子束进行聚焦约束,使其能够汇聚在阳极靶面区域内,实现更好的成像效果。阳极一般由靶面、

基底、支撑结构构成,高速电子撞击阳极靶面会产生X射线,这一过程会产生大量的热能。已有实验团队发现产生X射

线的强度与阳极靶面材料的原子序数呈正相关,因此通常阳极靶面采用耐高温且原子序数较大的钨或者钨铼合金,同

时由于阳极需要散热,因此除靶面外的材料通常都选用散热效果较好且生产成本低的铜。绝缘外壳一般分为两种,一

种是金属陶瓷外壳,一种是玻璃材质外壳,微焦点X射线管结构简图如图3所示。

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目前主流的微聚焦X射线源使用的仍大多是热阴极电子源,其主要分为开管式微焦点射线源和闭管式微焦点射线源。

开管式微焦点射线源通常构造为涡轮和离子泵,这种结构可以保持在10-5 Pa以下的高真空,达到实际使用对其寿命

的要求,维护周期一般为500 h,电子发射形式为反射型,预热启动时间约1 h。这种构造的优势是焦点尺寸小

(0.1~3 µm),管电压最高可达300 kV,最大管电流可达近1 mA,射线锥角达150º以上,FOD仅为0.5~1 mm,

精度高并且拥有更高的放大倍率和更强的穿透力,零部件可以更换。但开放式X射线系统有结构庞大、价格高和维护成

本高的缺点,因此一般用于精度要求较高的科研领域和集成电路晶圆检测领域。


对于闭管式微焦点X射线源,阴极与阳极或阳极靶都密封在真空管中,因此使用时无需抽真空。目前主流闭管方式的

微焦点X射线管高压在30~180 kV,最大管电流可达500 µA,靶的功率可以做到70 W左右,焦点尺寸在3~80 µm,

射线锥角在100º以下,投射距离约10 mm,寿命普遍在10000 h以上。


得益于闭管方式的微焦点X射线管一体集成式的设计,其体积尺寸更小,在300 mm×200 mm×500 mm以内,启动

时间约10 min,预热后即可进行射线发射,同时其价格较低,因此广泛应用于集成电路封装、电子制造、新能源电池

的检测中。图4展示了这两种结构的经典产品。

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但我国工业微焦点X射线源长期依赖进口,微焦点X射线源技术被国际巨头垄断,属于“卡脖子”核心零部件。日本的

滨松和美国的赛默飞世尔两家公司是世界上主要的微焦点X射线源的供应公司,2021年其合计市场份额已超过80%,

同时国外公司对微焦点X射线源实行严格的技术和供应双重垄断。但国内很多公司已经逐渐实现了在该领域的技术突

破,如日联科技已经实现产业化应用的微焦点X射线源在技术参数上与国外同类产品不存在明显差异,而在医疗X射线

影像领域,国外企业如西门子、GE、Philips、VAREX都已在这一领域耕耘多年,并且相比同行形成了巨大的技术优势

,但国内企业也没有停止在这一领域的发展,联影、东软医疗、奕瑞光电等都在这一领域取得了一定的技术突破。


与之相对的冷阴极运用的是上文所述的场致发射原理,同时大多冷阴极微焦点X射线使用的是碳纳米材料。国内诸多高

校、研究院所、企业早已洞察冷阴极在微焦点X射线源领域的巨大优势,开展了冷阴极的微焦点X射线源的相关研究,

并处于世界先进水平甚至领先水平。


国家纳米科学中心戴庆研究团队从高电流密度和长寿命CNTs阴极材料的核心制备工艺出发,结合精确电子聚焦结构设

计、特殊薄膜阳极靶结构、低纹波高压电源技术以及X射线成像检验系统,在动态真空中实现X射线焦斑尺寸约5 µm,

阳极电流20 µA,阳极电压80 kV,可实现30 fps动态成像效果。源于清华大学的新鸿电子历经多年潜心研究,成为世

界上第一个解决CNTs冷阴极的多焦点X射线源技术方案的公司,并拥有全部核心技术和自主知识产权。昊志影像目前

已成功研制并投入市场多款CNTs冷阴极微焦点X射线源产品,工作电压在90~165 kV,能够实现冷启动、脉冲发射、

高速成像等功能,焦点尺寸达5 µm以下,具备低功耗和低辐射剂量等特点。


3 CNTs冷阴极的

微焦点X射线源的应用

热阴极X射线源经过多年发展,在工业和医疗等领域发挥着巨大的作用,但热阴极技术的发展现在也遇到了固有的技术

瓶颈,难以进一步提高性能,为此国内外很多公司和科研单位很早便开始了CNTs冷阴极X射线源在工业领域的应用。


X射线源的全新产生方式,将大幅提高辐射成像系统的图像质量,加快扫描速度和降低辐射剂量。作为工业生产流程最

后一道防线,X射线应用于工业无损检测,包括芯片、电池、PCBA、元器件、汽车配件、铝合金铸件等产品的内部缺

陷检测。根据检测品的应用质量要求标准严格监控质量参数,以保证所检测的工业品具备较高的可靠性,提高企业的

生产效率和合格率,为企业和社会创造高附加价值。CNTs X射线源是近十年发展起来的,被认为是具有革命性的新型

X射线源。


在工业检测领域,国内很多公司都进行了工业数字式辐射(DR)的研究开发。例如,昊志影像公司研制的微焦点工业

在线半导体X-RAY DR,为满足工业4.0的高品质和全自动在线检测要求而设计采用高分辨率CNTs X光管与高速平板探

测器,配合高精度运动控制、自动定位和自动缺陷识别等功能,可应用于IC半导体检测领域,其X射线源在工作电压为

90~150 kV的情况下已经实现焦点尺寸仅为3 µm,其相关工业产品的DR成像效果如图5所示。

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在工业无损检测领域,传统的2D(DR)检测无法查看物体不同深度和不同角度的数据信息,已经无法满足工业领域

对产品高质量的要求,将微焦点CT应用到工业领域的需求日益迫切。


尽管层析成像的数学理论最初是在1917年提出的,但直到计算机的出现以及它们与放射学学科的互补,层析成像才成

为一种新的成像技能。在工业范畴,特别是在无损检测范畴,CNT冷阴极微焦点工业CT被认为是无损检测中好的无损

检测办法。


自20世纪80年代以来,世界主要的工业化国家在航空、军事、冶金、机械、石油、电力、地质、考古等范畴将X射线

应用于无损检测。20世纪90年代,我国也逐渐将CNT冷阴极微焦点工业CT技能应用于工业无损检测,同时随着芯片产

业的快速发展,人们对于芯片内部结构的检测需求越来越大。而对于芯片半导体这种高精度的产品,在检测中常常既

要做到穿透力强,又要做到对芯片内部结构的无损害。


得益于X射线极强的渗透力,运用X射线直射芯片内部,透过处理芯片后通过成像便可将其构造的开裂状况清楚地显现

出来。用X射线检测处理芯片的最重要特点是处理芯片自身并没有损害,因而,这类检测方法也称之为高质量检测。

但芯片分析是十分困难的,这是因为芯片检测内部结构有很低密度的介质,也有很高密度的介质,这使得它对X射线

源的要求极高。


对此国内企业研制出专为IC半导体产业而设计的微焦点CT检测系统,发挥CNTs CT球管高分辨率脉冲发射和高亮度的

特性,基于压缩感知的迭代CT重建算法,已经实现了2 s内完成特定区域的扫描及CT建像,系统分辨率可达2.5 µm,

焦点尺寸达3 µm,其成像效果如图6所示。

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此外昊志影像公司创造性地运用CNTs冷阴极微焦点X射线源进行了锂电池及PACK的内部结构分析检测,在短时间内建出更高图像分辨率的断层图像和3D图像,可以直观地发现锂电池内部缺陷,以确保锂电池的产品质量,如图7所示。

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同时对于大型号电池,入壳后的稳定性分析是非常重要的,这也需要运用CT技术做一些内部结构的分析,图8展示了入壳电池的内部结构。新鸿电子则成功研制了世界首套基于CNTs冷阴极分布式X射线源的静态CT智能安检系统。这都标志着我国CNTs冷阴极X射线源在工业的应用已经居于国际第一方队。

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在工业领域,为了使微焦点X射线源能够与成像物体紧密耦合,实现近距离成像,避免对非相关区域的辐射。成像系

统小型化、便携化、高效化,增加CT成像应用场景已经成为了很重要的研究方向。


少角度高速扫描成像就可以很好地达成这样的效果,但是目前的少角度成像一是由于数据收集不足,重建的CT图像通

常具有较少的纹理、结构细节和较多的伪影,二是在技术上很难做到高速扫描,这就对图像重建算法和仪器工艺有了

更高的要求。昊志影像目前已经在一领域取得了一定成果,可以实现高速少角度成像,4 s内完成扫描,如图9所示。

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4 总结与展望

区别于采用热阴极作为电子源的传统X射线源,避免了以热电子发射的方式产生电子束所存在的工作温度高、功耗大、

不易于实现单个X射线源内集成多个阴极且不利于X射线源的小型化等问题,CNTs作为一种理想的场发射电子源,将

其作为X射线管的阴极,可以一定程度上弥补热阴极的这些缺点。


CNTs冷阴极微焦点X射线管具有体积小、响应快、分辨率高、工作寿命长、辐射剂量小、易于实现单个X射线源集成

多个阴极等诸多优点,同时由于场致电子发射不存在时间延迟性,场致发射X射线源可实现高时间分辨和可编程的X射

线发射。CNTs冷阴极微焦点X射线源和基于该核心部件的CT设备在工业领域,特别是在无损检测范畴,已经成为效果

极佳的无损检测方案。


目前CNTs微焦点X射线源已经在实际使用中实现了X射线管在电压设定范围30~160 kV、电流设定范围10~120 µA

时焦点尺寸5 µm以下,工作温度普遍在40℃以下,其使用寿命在500 h左右,产品尺寸也主要集中在100 mm级。

毫无置疑,目前CNTs微焦点X射线源实现了在工业和医疗领域的广泛应用,但不可否认的是目前CNTs冷阴极X射线管

仍需要在稳定性、发射电流密度、小型化和封接工艺方面进行改进,其使用寿命也很难满足连续时间高精度成像的需

求,而且CNTs微焦点X射线源在实际使用中往往要配合探测器共同使用,这也就对探测器的发展提出了更高的要求。

国内科研团队和企业在这方面颇有建树,中山大学微电子学院的陈军教授团队在冷阴极平板X射线探测器的制备研究

已达到业界领先水平,其产品不仅可以实现大面积成像,还可以提高X射线的探测灵敏度,并且有效地解决了以往暗

电流过大的问题,可以很好地满足CNTs微焦点X射线源的使用需求。联影医疗设计的数字化探测器时间分辨率已经突

破了200 ps,达到了190 ps级。

X射线源的成熟化与规模化将推动成像技术的不断创新,从而持续推动该技术走向更多具体的临床与工业应用。

CNTs优良的电子发射性能在X射线源领域具有广泛的发展空间,是未来X射线技术发展的重要方向。


伴随着各行业对X射线成像技术需求的提升,CNTs冷阴极X射线管的发展仍有着很大的提升空间。冷阴极X射线源成像

的分辨能力理论上可达到微米或亚微米量级,CNTs纳米结构决定其可被看作理想的点状电子源,且结合场致电子发射

高亮度特性和方向集中的优势,期望能够以较简单的聚焦结构来实现更精细化的分辨能力,同时在成本和体积控制方

面,实现很大程度的降低。


据现有的试验结果,场致电子发射的响应时间可以达到飞秒量级,出于电子束打靶时间展宽的原因,对应X射线发射

时间可控制在纳秒量级的可能性。现有的理论依据为超快响应X射线的产生提供了一种新思路,期望在将来的发展中

能对生命体内的生理过程实现动态成像,并针对超快物化反应过程进行分析。


随着新能源行业的高速发展,企业和社会对于CNTs微焦点X射线源应用于电池检测的需要会越来越大,这也必然将拉

动CNTs行业高速增长,而为了达到这种需求,CNTs必须实现更优异的快速成像和高精度成像,相关科研单位和企业

未来应该在CNTs微焦点X射线源的工作模式、照射窗材料、冷却方式、功耗、尺寸、寿命寻求新的突破才能满足社会

对其微焦点、低功耗、长寿命、高效的需求。


来源信息

作者:王艳,刘冠宏,王雷程,陈泽祥,于思明,张鹏程

工作单位:电子科技大学

来源:真空电子技术

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