หลอดรังสีเอกซ์สำหรับงานถ่ายภาพด้วยรังสีเป็นหลอดสุญญากาศ มีไส้หลอดทำด้วยทังสเตนต่อกับแหล่งจ่ายไฟขั้วลบ มีแท่งโลหะทังสเตนหรือโมลิบดีนัมต่อกับขั้วบวก เมื่อปล่อยกระแสไฟฟ้าไส้หลอดจะเกิดความร้อนและให้อิเล็กตรอนอิสระออกมา อิเล็กตรอนจะถูกสนามไฟฟ้าดึงเข้าตกกระทบขั้วบวกและให้รังสีเอกซ์แบบเบรมสตราห์ลุงออกมา แหล่งจ่ายอิเล็กตรอนที่ทำด้วยลวดโลหะมักมีขนาดใหญ่ ทำให้เกิดความร้อนสูงและพลังงานส่วนใหญ่สูญเสียไปกับความร้อน
ท่อนาโนคาร์บอน (Carbon nanotubes, CNT) เป็นท่อคาร์บอนขนาดเล็กระดับนาโนเมตร มีคุณสมบัติด้านความแข็งแรง ทนความร้อน ทนสารเคมี มีค่าการนำไฟฟ้าและนำความร้อนที่สูงมาก สามารถปล่อยอิเล็กตรอนจากส่วนปลายเมื่ออยู่ในสนามไฟฟ้า
รูปที่ 1 แผนภาพหลอดรังสีเอกซ์ (a) ภาพถ่ายท่อนาโนคาร์บอนถ่ายด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด[2]ท่อนาโนคาร์บอน สามารถนำไปประยุกต์ใช้กับอุปกรณ์ทางอิเล็กทรอนิกส์แบบนาโนได้หลากหลาย รวมถึงการใช้เป็นตัวจ่ายอิเล็กตรอนในหลอดรังสีเอกซ์ เครื่องมือวิเคราะห์ด้วยวิธีเรืองรังสีเอกซ์ (X-ray fluorescence, XRF) หรือเครื่องมือวิเคราะห์ด้วยวิธีเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ (X-ray diffraction, XRD) และการที่ท่อนาโนคาร์บอนมีความเสถียรจึงเหมาะที่จะนำมาใช้เป็นตัวจ่ายอิเล็กตรอนเพื่อผลิตรังสีเอกซ์เนื่องจากมีความทนทานต่อศักย์ไฟฟ้าแรงสูงโดยให้กระแสได้สูงกว่า 100mA การผลิตท่อนาโนคาร์บอนด้วยกระบวนการ resist-assisted patterning (RAP) บนแผ่นซิลิกอน โดยทำเป็น
แผ่นของท่อนาโนคาร์บอนเป็นวงรีขนาด 2.0 × 0.5 mm2 การทดสอบคุณสมบัติการให้อิเล็กตรอนโดยใช้ศักย์ไฟฟ้า 3 V/μm ทำให้ได้กระแส 0.1 mA เมื่อนำไปใช้งานถ่ายภาพด้วยรังสี
เอกซ์สามารถให้ภาพถ่ายที่มีความคมชัดสูง
รูปที่ 2 ภาพถ่ายด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน (a) ชุดของท่อนาโนคาร์บอนรูปวงรีขนาด 2.0 mm × 0.5 mm ขึ้นรูปด้วยกระบวนการ RAP (b) ภาพขยายของแถวท่อนาโนคาร์บอนขนาดจุดละ 3 μm ยาว 15 μm (c) ภาพขยายกลุ่มของท่อนาโนคาร์บอนรูปกรวยคว่ำ
การใช้ท่อนาโนคาร์บอนผลิตรังสีเอกซ์
ชุดท่อนาโนคาร์บอนเมื่อนำมาประกอบในเครื่องกำเนิดรังสีเอกซ์พบว่า ขนาดโฟกัสของลำรังสีเอกซ์ขึ้นกับการจัดตำแหน่งของ emitter รูปที่ 3(a) แสดงแผนภาพของเครื่องกำเนิดรังสีเอกซ์ โดยอิเล็กตรอนจากท่อนาโนคาร์บอนถูกดึงด้วย gate electrode จากนั้นอิเล็กตรอนถูกโฟกัสไปตกกระทบ anode และให้รังสีเอกซ์ออกมา ระยะทางระหว่างโมลิบดินัมที่เป็นแอโนดกับ gate อยู่ที่ 8 มิลลิเมตร การถ่ายภาพด้วยรังสีเอกซ์ใช้ความต่างศักย์ที่แอโนด 50 kV กระแสที่แคโทด 0.5 mA โดยสนามไฟฟ้าที่ gate มีค่า 4 V/μm ถ่ายภาพหน่วยความจำแบบ RAM ของคอมพิวเตอร์ได้ดังรูปที่ 3(b)
รูปที่ 3 แสดงแผนภาพการใช้งานท่อนาโนคาร์บอนในหลอดรังสีเอกซ์ (a) และภาพถ่ายด้วยรังสีเอกซ์ของ RAM ใช้ความต่างศักย์ 50 kV กระแส 0.5 mA ใช้เวลา 3 วินาที (b) ตั้งแต่การค้นพบรังสีเอกซ์โดย Wilhelm Conrad Röentgen ในปี 1895 หลอดรังสีเอกซ์ใช้ลวดโลหะในการจ่ายอิเล็กตรอนเพื่อผลิตรังสีเอกซ์มาโดยตลอด ซึ่งมีข้อจำกัดด้านขนาดที่ใหญ่ การให้ความร้อนสูง การตอบสนองที่ช้าและสิ้นเปลืองพลังงาน การใช้ท่อนาโนคาร์บอนในการจ่ายอิเล็กตรอนสำหรับผลิตรังสีเอกซ์เป็นการลดข้อจำกัดดังกล่าว ทำให้สามารถผลิตรังสีเอกซ์ความเข้มสูงสามารถใช้ในงาน microfocus X-ray ทั้งด้านการถ่ายภาพด้วยรังสีและงานวิเคราะห์
1. Carbon Nanotube Electron Emitter for X-ray Imaging https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5449000/
2. http://what-when-how.com/nanoscience-and-nanotechnology/smart-nanotubes-for-biotechnology-and-biocatalysis-part-1-nanotechnology/
