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微结构阳极X射线源制作关键工艺研究

微结构阳极X射线源制作关键工艺研究

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作者：胡时航深圳大学

学位级别：硕士

X射线相位衬度成像经过近20年的发展,其在生物医学、工业检测、材料科学等领域的应用已被广泛接受。基于光栅的X射线相位衬度成像是最有可能在实际生活中获得应用的一种方法,但相位衬度成像技术对分析光栅比较苛刻,必须是大面积小周期,... 详细信息

X射线相位衬度成像经过近20年的发展,其在生物医学、工业检测、材料科学等领域的应用已被广泛接受。基于光栅的X射线相位衬度成像是最有可能在实际生活中获得应用的一种方法,但相位衬度成像技术对分析光栅比较苛刻,必须是大面积小周期,而此种光栅却一直是光栅制造技术的瓶颈。正是由于这一限制,相衬成像技术至今仍不能推向实际应用。近几年新提出的基于逆泰伯-劳(Talbot-Lau)效应的X射线相衬成像方法由于摆脱了分析光栅的限制,成为研究热点。目前亟待解决的问题是如何获取满足条件的X射线光源。本文就是在这一背景下以解决新型X射线光源为目标,以解决光源制作中的关键技术为内容,开展对新型光源结构阳极制作方法研究,对促进逆泰伯-劳效应X射线相衬成像方法研究及应用推广具有重要的理论和实用价值。本文先从理论角度分析了微结构阳极X射线源制作的可行性和必要性。其次结合X射线相关辐射理论以及对各种金属材料进行对比,确定了熔点高,导热性能好以及原子序数较大的钨作为阳极材料。结合X射线源发射式和透射式的结构特点以及掩膜版制作最小精度仅为2μm的现状,设计出了合适的阳极微结构图案,线宽3.5μm,周期24μm,图形轮廓大小为0.8×4.2mm。接着调研各种平面加工工艺,设计出光刻、磁控溅射沉积薄膜、溶脱剥离(lift-off)的实验方案。实验具体内容包括光刻工艺参数对光刻胶层形貌的影响,以及溶脱剥离后钨阵列形貌分析。在对前者的探究过程中,分析了光刻胶层图案无法正常显现,或者产生畸变甚至坍塌的原因,最终确定了光刻较为合适的参数为曝光时间4s,前烘温度选择90℃,时长30s,后烘温度120℃,时长90s。通过多次的磁控溅射镀膜实验以掌握金属钨的生长规律,确定镀膜薄膜生长至0.8μm所需时间之后,再进行光刻胶上的薄膜沉积以及后续的lift-off。光刻胶层与金属钨层的厚度比会直接决定是否能成功剥离,同时还会影响钨线阵列形貌,故在不同厚度光刻胶下进行了薄膜沉积实验,通过实验结果对比以及分析,确定光刻胶厚度与金属钨膜厚度最理想比值约为3:1。最后通过扫描电子显微镜对实验结果进行测量评估,并对本文进行总结展望。

关键词： x射线相衬成像 x射线源微结构阳极逆Talbot-Lau 溶脱剥离

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微结构透射阳极X射线源的设计与实验研究

微结构透射阳极X射线源的设计与实验研究

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作者：宋韩冬深圳大学

学位级别：硕士

自2006年Pfeiffer提出基于常规X射线源的光栅相衬成像方法以来,此相衬成像方法得到了广泛的研究,并最有可能应用于实际生活中。该成像方法的优点是在常规X射线源中就可获得相干度较高的X射线光子,降低了对X射线光源的要求。但是此相衬... 详细信息

自2006年Pfeiffer提出基于常规X射线源的光栅相衬成像方法以来,此相衬成像方法得到了广泛的研究,并最有可能应用于实际生活中。该成像方法的优点是在常规X射线源中就可获得相干度较高的X射线光子,降低了对X射线光源的要求。但是此相衬成像方法所要求的分析光栅为大面积小周期结构,而制作大面积小周期光栅一直是世界性难题。瑞士学者Tilman Donath在2009年提出了逆Talbot-Lau光栅相衬成像方法。此方法增大了分析光栅的周期,降低了分析光栅的制作难度,但是需要制作小周期的源光栅。本文就基于逆Talbot-Lau光栅相衬成像方法以解决源光栅制作问题开展工作,将位于X射线源后的源光栅通过微纳加工方法直接制作在普通X射线源中。这样,逆Talbot-Lau光栅相衬成像系统就不需要源光栅,因此可以简化成像系统结构,对基于逆Talbot-Lau光栅相衬成像方法应用于实际生活中起到了促进作用。本文围绕微结构透射阳极X射线源器件的研制来开展工作,设计和制作了一款平面型X射线阴极,在热解石墨和导电金刚石衬底上制作了微米级的钨阵列阳极结构。具体工作内容如下:1、从电子发射的角度分析螺旋状阴极存在的不足,设计出一种平面型阴极结构,在开放式真空器件测试平台上测得平面型阴极结构实际电子焦斑寸尺为0.4mm×0.4mm,符合透射式X射线源对焦斑尺寸大小的要求。2、分析透射式结构在相衬成像系统中的优势,通过公式计算出在30kV时X射线可透过金属钨膜的厚度为1.07μm,分析并选择原子序数低、熔点高、导热性高以及导电性良好的碳系物质作为阳极衬底。3、使用光刻工艺、磁控溅射镀膜工艺、溶脱剥离工艺在热解石墨和导电金刚石衬底上制作出周期24μm,线宽3.5μm的钨阵列结构,在各种衬底上制取的钨膜厚度为1μm左右,比较各种衬底工艺参数的差异,最后在开放式真空器件测试平台上对带有钨阵列结构的热解石墨和导电金刚石阳极衬底进行轰击测试。

关键词：逆泰伯劳平面式阴极微结构阳极导电金刚石光刻

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