电子枪作为X射线管的核心部件,在工业检测、医疗成像等领域发挥着重要的作用。近年来很多机构都致力于场致发射电子枪的研究,这其中对于场发射阴极材料的研究探索更是重中之重。具有纳米尺度的尖端曲率半径的碳纳米管,已然被公认成为场发射阴极首选的材料。目前硅基底碳纳米管的制备工艺相对成熟,但是大部分制备工艺复杂,成本过高,如何简化制备工艺,降低生长成本对碳纳米管场发射阴极的进一步发展具有重要意义。此外在需要高电导率和热导率的应用中,硅基底并不能满足实际应用的需求,因此在合适的金属基底上生长碳纳米管而不影响预期应用所需的性能是很有必要的。本论文围绕硅基底碳纳米管的工艺简化、改良处理及其场发射性能,以及金属基底碳纳米管的转移、直接生长及其场发射性能展开研究,最后用CST软件设计了基于碳纳米管的X射线管场致发射电子枪。主要内容与结论如下:(1)对硅基底碳纳米管阵列的制备,改良处理及其场发射性能进行了研究。我们使用了一个简单的生长过程,通过喷雾装置将催化剂注入反应室,而无需预沉积金属催化剂和金属氧化物缓冲层,大大简化了生长过程,降低了碳纳米管的生长成本。系统地研究了碳纳米管的场发射性能与长径比的关系。通过丙酮致密化降低碳纳米管的场屏蔽效应,进一步提高了碳纳米管的场发射性能。致密化后的碳纳米管的开启电场和阈值电场分别为0.83 V/μm和2.45 V/μm,场增强因子为26588。此外,对碳纳米管的场发射电流稳定性进行了测试。结果表明,致密化过程增强了碳纳米管的场发射稳定性。(2)对金属基底碳纳米管的转移,直接生长及其场发射性能进行了研究。通过一种工艺简单、成本低的转移方法来实现碳纳米管从硅基底转移到金属基底的同时,可以保留原生长阵列碳纳米管的顶部结构,使得碳纳米管的场发射性能在转移中最大可能地不被影响。之后我们通过使用和硅基底同样的实验装置和工艺流程来实现金属基底碳纳米管的制备,对工艺条件做出调整,研究了三种不同金属基底生长的碳纳米管的微观结构和场发射性能,发现高压铝合金基底制备的碳纳米管具有最优异的场发射性能,开启电场和阈值电场分别为0.92 V/μm和2.58 V/μm,场增强因子为20930。(3)对碳纳米管场发射特性在X射线管电子枪方面的应用进行了研究。基于本文制备的碳纳米管作为场致发射电子枪的阴极材料,通过电子束仿真软件CST粒子工作室仿真和设计简便优化的场致发射电子枪。分析栅极、聚焦极、阳极的各个特征参数对碳纳米管场致发射电子枪性能的影响,最终得到电子枪的理论优化模型。