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X 射线管技术发展简介

2021-09-20 15:19     来源:灵图光睿     X射线无损检测
1895年,德国物理学家伦琴意外发现当一束高能量的电子撞击在一块金属靶时,可以产生一种看不见的光能够让胶片曝光,他将这种看不见的光命名为X射线(意为“未知的射线”),而这种通过加速电子撞击金属靶产生X射线的管状装置也被称为X射线管。时至今日,作为一种便于人工调控的X射线源,X射线管在医学疾病诊断、工业无损检测、材料结构分析、公共安全保障等众多领域有着广泛的应用。一个常见的X射线管如下图所示。


注:图片来源于网络
1. 工作原理
我们首先来了解一下X射线管的基本工作原理。这是一张X射线管的简化结构图,它由以下几个主要部分组成:


(1)     高压电源:提供数十至数百千伏直流电压加速电子,并向电子枪提供低压加热电流
(2)     电子枪:连接阴极(负极),通常通过加热钨丝来发射电子(热阴极),也有不通过加热的方式发射电子(冷阴极)
(3)     金属靶:连接阳极(正极),一般材料是能耐高温的钨,连上导热性强的铜块(固定靶)或钼棒(转动靶,如图所示)
(4)    真空管:密封玻璃管,为电子束和电子枪/金属靶维持真空环境
(5)     防护套:屏蔽除底部出射窗口可以射出的X射线,并提供向外界散热和电绝缘(比如内部充满不导电的油将热量循环排出)

当控制系统发出一个“曝光”信号时,高压电路连通,金属靶上被施加的正极电势吸引并加速电子枪里的自由电子从而产生高能电子束,电子枪头一般设计成杯型结构以用于聚焦电子束,在撞击金属靶后,电子束的一小部分动能(约1%)转化成X射线,而其余大部分动能(约99%)则转化为热量,失去动能的电子则被金属靶吸收并流向电源正极,而X射线则从靶表面射出。X射线管在设计上需要充分考虑金属靶和整个防护套的散热能力,有限的散热设计将直接限制X射线的曝光强度和频率,一种常见的设计是使用转动的盘状金属靶将热量分散,在管外使用电绝缘的油吸收热量再循环到外界,电子枪组件和金属靶及转动部分都需要置于真空环境中以避免空气对钨丝和靶的高温氧化反应。

2. 主要参数指标

根据应用场景的不同,X射线管会有相应不同的设计,下面介绍一下X射线管的主要设计参数,包括管电压,源焦点大小,管功率,视野放大率等。
· 管电压即阳极金属靶和阴极电子枪之间的电势差,它决定了X射线的能量,能量越高,X射线穿透物体的能力就越强,同时越高的管电压能提高产生X射线的效率,但当X射线用于检测成像时,图像对比度会随着X射线能量的提高而降低,一般检测小尺寸物体使用低电压(比如30到160千伏),检测大尺寸及高密度的金属物体使用高电压(比如225到450千伏)。
· 源焦点大小对应于电子束聚焦在靶上的面积,也是发射X射线的“光源”大小,它是决定成像分辨率的最重要参数,当我们对成像分辨率的要求越高,比如探测电路板上细小的缺陷时,所需要的源焦点就越小,在上图中金属靶有一个倾斜的角度,这种设计可以大大减小源焦点在下方视角的有效大小。
· 管功率决定了曝光时管内流过的电流大小,功率越大,相同曝光时间里所产生的X射线强度就越大,但同样产生的热量也越多,当源焦点很小时,瞬间产生的热量如果过高,焦点区域的靶材会因瞬间上升的温度而熔化甚至汽化,因此可用的最大管功率受限于源焦点的大小,焦点越小,可用的管功率就越低,另外金属靶及管的整体散热效率也影响可用管功率的大小。
· 视野放大就像拿放大镜“透视”物体局部的细节,尽管这和整个成像系统有关,X射线管的设计对视野放大率有着直接的影响,为了放大视场中的某个局部,通常可以通过缩短物体与X光源之间的距离增加几何放大率,源焦点到出射窗口的距离越近,允许的物体与X光源距离越近,则可以达到的几何放大率就越大。
另外靶材料的选择也是重要的设计考量,比如K-线X光成像使用钼或铑等其他金属作为靶材。

3. 高分辨率的实现

在工业无损检测中,有许多应用场合对成像的分辨率要求越来越高,前面说到越高的分辨率要求越小的X光源焦点,前述的基于传统X射线管的设计最小焦点只能做到几百微米,很难满足检测具有细微结构的物体比如电子电路板这类的应用要求,而能胜任这类要求的叫做微焦点X射线管,它们的源焦点大小通常在50微米以下,最小可以达到1微米甚至几百纳米。下图是一张微焦点X射线管的截面图:


可以看到,在阴极电子枪和阳极靶之间,增加了用于聚焦电子束的线圈,通入线圈的电流可以根据不同的管电压功率进行调整以达到精确控制和聚焦电子束的目的,配合电子枪中更小的电子源(灯丝),可以使得电子束撞击靶时聚焦在小于50微米的焦点上。

同时,在结构上微焦点X射线管分为开管和闭管。开管被设计成易于拆卸的拼装组合,方便更换电子枪的灯丝或其他使用寿命有限的部件,中间细长的管腔连接到一个高性能的真空泵,在打开关闭后,真空泵可以在几分钟内制造高度的真空环境。相比之下,闭管X射线管一般是一次性封装在真空玻璃管中,不易于更换内部损坏的部件。
 
另外金属靶的设计也有很大不同,上图所示是一种穿透式的靶,一般仅有几微米厚度,靶自身对产生的X射线吸收很少,最外面贴上一层低密度的支撑材料(如铍,对X射线几乎“透明”)以保护真空环境,这种设计的最大好处是可以将物体放在离焦点很近的位置上,从而获得最大的显微放大率,特别适合观察被测物体的微小局部细节。

但是,微焦点管的一个主要缺陷是管功率极低,根据靶材的不同,50微米焦点大小时最大功率在20-40瓦,10微米时在4-8瓦,而1微米时仅有0.4-0.8瓦,相比之下,一个使用旋转金属靶具有1毫米焦点的传统X射线管的功率可以高达20千瓦。受限于很低的功率,微焦点管成像所需要的时间往往较长。
有些微焦点管使用类似于传统管的反射式金属靶,这样利于提高靶的热容量,可以一定程度上提高功率,如下图所示:


注:图片来源www.x-ray-worx.com
 
还有一种更新的设计将固态的金属靶换成液态射流金属合金,在这种设计中,电子束聚焦在一道流动的液态金属柱(即“射流金属合金”)上,如下图所示,流动的液态金属通过循环系统将热量快速转移排出,这种设计可以在达到同样微焦点大小时将功率提高十倍左右。
 


 
另外,在电子发射端,电子枪的钨丝可以被换成更加细小的硼化镧晶体,不仅可以提高电流载荷,产生的电子束也更加紧密,可以进一步减小焦点的大小。

4. 结语

自伦琴发现X射线至今这一百多年时间里,人们对于X射线的产生机理和物理特性已经有了深刻的理解,人们也能越来越娴熟得驾驭使用这种“人造”的放射线,大力推动着社会经济、科学技术和医疗水平的发展,而这离不开X射线管在设计和制造工艺上的不断升级换代,下面是统计自1900年到2020年有关X射线管的全球技术发明专利的逐年统计图,可以清晰的看到这项源自百年前的技术非但没有脱离时代的发展,反而在加速着自己不断前行的步伐。

 

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