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微焦点X射线管在现代医学、生物科学、工业检测等科学研究和应用领域具有重要的作用，传统的微焦点X射线管，由于受热阴极电子源的限制，存在诸如体积大、启动慢、时间分辨率低、功耗大与寿命短等缺点，已经不能满足现代科学研究与技术应用发展的要求。碳纳米管被公认为是理想的场发射电子源，具有优良的电子发射性能。将碳纳米管场发射阴极取代热阴极应用于X射线管，可制成能耗低、分辨率高、脉冲响应和寿命长的微型X射线管，被认为是碳纳米管“撼动世界”的重要应用之一，是目前研究的热点。本文采用微波等离子体化学气相沉积法(MWPCVD)通过优化碳纳米管催化剂结构，结合退火、老炼工艺，制备出场发射性能优良的碳纳米管场发射阵列阴极，并通过仿真设计和实验研制了碳纳米管微焦点X射线管。其主要研究内容如下：(1)采用MWPCVD法制备碳纳米管束阵列，通过分析Ni/Al/Fe、Ti/Al/Fe、Au/Al/Fe、Cu/Al/Fe、Ti/Cu/Al/Fe五种不同堆栈式的催化剂结构生长的碳纳米管束阵列形貌及其场发射性能测试结果，研究了催化剂结构对制备的碳纳米管形貌和场发射性能的影响，发现Ti/Cu/Al/Fe催化剂结构能够制备出均匀一致、排列整齐、与衬底垂直度好、附着力强的碳纳米管阵列，其场发射性能测试测得开启电场为2.9V/μm，在电场8.3V/μm时获得260mA总发射电流，对应电流密度为1.04A/cm~2，表明这种催化剂结构生长的碳纳米管阵列开启电场低，发射电流密度大。(2)在Mo衬底上生长碳纳米管阵列，其形貌分析结果表明，在Mo衬底上生长的碳纳米管晶格缺陷少，单根碳纳米管笔直；研究还表明，碳纳米管通过Ti/Cu缓冲层与Mo衬底可以形成全金属接触结构，因此与衬底具有很强的附着力和导电性；场发射性能测试和离子轰击实验表明，与Si衬底上生长的碳纳米管阵列相比，Mo衬底上生长的碳纳米管阵列具有更低的开启电场、阈值电场和更强的抗离子轰击能力。(3)研究了退火对碳纳米管形貌和性能的改善。形貌分析结果表明退火不仅能去除掉碳纳米管束中的杂质，使碳纳米管更加纯净，而且高温能使碳纳米管进一步晶化，有效减少了碳纳米管中的晶格缺陷，同时使碳纳米管变得更加笔直；退火后的碳纳米管束与衬底的接触也比退火前更加紧密。场发射测试发现退火后的碳纳米管的开启电场降低，并且能达到更高的发射电流。(4)研究了老炼工艺对碳纳米管形貌和场发射性能的改善，发现老炼可以通过小电流打火现象去除掉碳纳米管束中晶格缺陷较多的碳纳米管，使碳纳米管阵列的电流发射更稳定。(5)设计了碳纳米管微焦点X射线管的结构，并采用CST粒子工作室进行仿真分析和优化。通过仿真，分析了各电极结构参数对X射线管电子束聚焦和焦点尺寸的影响，总结了影响规律，并在这些规律的指导下，通过优化结构参数仿真设计了有效焦点尺寸为30μm×30μm的微焦点X射线管。根据仿真确定的相关结构参数，进行了实验研究，研制了微焦点X射线管的各部件，组装了样管，并进行了相关参数的测试。电流测试结果表明，研制的微焦点X射线管样管的栅极与阴极距离太近，对电流有很大的截获；焦点测试结果为35μm×32μm，与仿真结果基本相符。