X射线相位衬度成像可以对轻元素物质进行成像,弥补了传统吸收衬度成像无法对其进行成像的不足,因此成为医疗影像学领域研究的热点。但是,目前X射线相位衬度成像要应用于临床医学仍然面临着较多的问题,其中突出的是很难获得相干好能量高的光源。近年来X射线相位衬度成像研究中使用的光源大多为同步辐射光源,这种光源体积大、功率高,无法应用于临床医学。因此,本文利用冷阴极X射线管体积小、启动快且微焦点X射线具有相干性的特点,研究面向相位衬度成像应用的CNTs冷阴极X射线光源。在前期相关研究的基础之上,本文针对相位衬度成像的要求,主要从冷阴极X射线管发射性能和焦点尺寸两方面进行了讨论研究；并对X射线成像进行了实验研究。本文采用丝网印刷法制备CNTs冷阴极,并重点研究了在CNTs与不锈钢基底之间的中间层中引入了碳纤维后对阴极发射电流的影响。实验发现加入碳纤维后,在外加电压为1.6KV时,直径为1mm的CNTs发射电流从0.1mA增加到0.3mA。在没有外加冷却条件下连续30min直流测试,电流可以稳定保持在0.3mA不变。实验结果表明,在丝印过程中引入的银和少量碳纤维中间层,可成为发射材料和金属基底间的过渡层,不仅能增强CNTs在基底上的附着力,降低CNTs与基底之间的界面接触电阻,还能提供新的发射点,从而能改善阴极发射电流和电流稳定性。为了改善栅阴极电场的均匀性,降低栅网截获对CNTs冷阴极X射线管电流的影响,本文从以下两个途径对栅网进行了改进研究：一是将覆有纳米碳膜的铜网代替不锈钢栅网后,CNTs发射电流增加,开启电压降低。可以认为导电碳膜改善了发射场的均匀性,从而增加有效发射面积和发射电流,同时具有一定能量的电子可以穿过3nm左右厚度的碳膜,最终到达阳极上的电子增多。二是在不锈钢栅网上蒸镀MgO薄膜,实验结果证明栅极表面的MgO膜在阴极电子的激发下可以发射出二次电子,使栅网表面积累一定数量的正电荷,从而提高了阴极与栅极之间的电场,此时阴极的电子更容易逸出,阴极的发射电流增大。针对微焦点CNTsX射线源应用,本文还开展了电子束聚焦系统研究,设计了带有聚焦结构的栅网并对其结构参数进行了模拟计算。参照CNTs冷阴极X射线管测试条件,固定阴极电压为0KV,栅极电压为2KV,阳极电压为35KV,阴极直径为1mm时,模拟计算了不同尺寸、不同形状的聚焦栅极和阳极结构对电子束聚焦性能的影响,并优化了结构参数。在优化条件下模拟计算得到的电子束焦点半径为50μm,此时栅网电子透过率为50%左右。最后本文进行X射线成像测试研究。采用设计加工的CNTs X射线管能够实现静态金属片和动态小白鼠的吸收衬度成像,此时CNTs阴极连续提供大于100uA的直流电流即可以实现清晰成像,但由于没有加入聚焦极结构,无法拍摄出对于轻元素的小白鼠毛发和内脏结构。采用场发射扫描电镜中的发射电流为120uA的电子束作为X射线源对直径为0.4mm的塑料细绳进行成像测试表明,在焦点尺寸小于250um时即可以清晰的看出塑料细绳的图像,这为本文仿真设计的聚焦结构用于相位衬度成像的应用提供了实验依据。