1895年，伦琴在一次实验中偶然发现了X射线，发现X射线可以穿透人体的骨骼并清晰地在胶片上成像。随后由伦琴等科学家发明了第一个充气式的X射线管，这种射线管的主要原理是在两极连接高压，在高压下管内的气体分子电离产生阳离子，在电场的作用下阳离子不断轰击阴极，之后电子从阴极逸出在电场作用加速轰击靶材产生X光。这种简陋的充气式X射线管存在很多问题，能耗过高、功率小、难以控制很快就被淘汰了。
1912~1913年，美国科学家威廉考林杰和他的团队发明了真空X射线管。其电子源材料采用的是钨丝，通过加热钨丝来调节电流的大小来调控X射线的曝光剂量，大大提高了成像的清晰度和效率。
随着科学技术的发展，热阴极X射线管也在不断的发展。常规封装的热阴极X射线管内的真空度可以达到10-6Pa，大大提高了热阴极在真空环境工作时的寿命。随着人们生产生活的需求，对大功率X射线管的需求也越来越大。在大功率下，固定阳极靶的热阴极X射线管的靶材散热问题已经暴露出来。由于焦点太小，电压过高，电子束轰击阳极靶材上时不能及时散热，导致表面产生高温使得靶材表面被轰击损坏。由于阳极靶材表面的损坏，导致X光出射方向改边成像能力变差。
直到1938年，一种采用新型的旋转阳极靶材的X射线管的诞生。阳极靶材可以旋转，所有经过聚焦的电子束均匀地轰击在靶材面上，大大提高了靶材的散热能力。提高了X射线管的工作寿命，关键还提长了成像的质量与清晰度。旋转阳极靶材的射线管相比于固定阳极靶材的射线管可以承受更小的电子束焦点的轰击，所以有利于焦点的减小，提高X射线管的分辨率。但是旋转阳极靶材的X射线管相比于固定阳极靶材的射线管的成本更高，一般用于大功率的高分辨率医疗设备中。
热阴极X射线管发展从固定阳极靶材到旋转阳极靶材，但其电子源材料一直没有革新依然采用钨丝。热阴极顾名思义，就是使钨丝在高温下发射电子。由于在高温环境下钨丝是热电子发射，发射的电子是无序的，高能量的电子容易打到X射线管的封装外壳，长时间也会使X射线管外壳慢慢变薄导致真空度变差，进一步损坏X射线管。由于2000℃的高温下钨丝不断的蒸发变细，电阴也变得越来越大，热损耗也越来越高，加剧了热阴极钨丝的损坏。发射的热电子与真空环境下残余的空气分子撞击发生电离，被电离的阳离子不断轰击热阴极，更进一步的损耗钨丝。钨丝的不断损耗导致其发射电流不稳定，X射线管也达不到原来的成像分辨率，因此也就被淘汰了。热阴极采用螺线管状的长条钨丝，是为了增加发射电流。受到热阴极材料限制，很难将热阴极X射线管小型化。无序热电子对于热阴极X射线管的聚焦也增加了困难。那么可以总结出热阴极X射线管存在以下问题，小型化困难、能耗太大、响应慢、寿命短等等。
1950年开始，科学家们就考虑采用场发射的方式发射电子，通过调节电场大小来瞬间产生电子来提高响应速度。在碳材料中，碳纳米管以优异的场发射性能是非常适合作为阴极材料应用在X射线管真空器件中。所以采用碳纳米管作为冷阴极的X射线管将会有很大的潜力代替传统的热阴极X射线管朝着更加智能的方向发展，推动X射线技术发展的革新。
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