理学：咱们今天说X射线管

提到X射线，当然不能绕过就是X射线的产生装置——X射线管。这是今天的主题。

X射线

X射线(X-ray)是一种波长范围在0.01纳米到10纳米之间，对应频率范围3×1016 Hz至3×1019 Hz、能量范围100 eV至100 keV的电磁辐射。

做为电磁辐射的一种  

X射线是如何产生的呢？

X射线的产生 /Science Technology

密封管式 X 射线发生器

X射线管的本质是一个在高压下工作的二极管，包括一个发射电子的阴极和一个收集电子的阳极（即靶材），并密封在高真空的玻璃或陶瓷外壳内。阴极和阳极之间加高压（XRD和XRF中通常40~60kV），阴极灯丝加热后产生热电子，电子束在强电场的作用下，从阴极高速向阳极飞去，打到阳极靶面上，产生X射线。

产生的X射线分为两类，一类是连续谱，这是由于电子打在阳极靶上，连续减速产生的轫致辐射，另一类是特征X射线峰，无论我们怎么改变加速电压，这类射线的能量是不变的，只取决于所用的阳极靶材的材料。这是由于阳极靶的原子受到高能电子束轰击后，低能级的电子受到激发在低能级留下空位，高能级的电子向下跃迁，多余的能量以光子的形式释放出来，这就是特征X射线的产生机制。

Cu靶的连续谱与特征峰

在不同的仪器中，会使用不同的X光谱。在XRD中，只使用特征X射线，其他波长的X射线会使用单色器过滤掉；新型的半导体阵列探测器带有能量分辨功能，也可以过滤掉其他波长的X射线。而在XRF中，连续谱和特征谱都会参与激发样品产生荧光X射线。

X射线管的冷却

X射线管产生X光的效率极低，通常百分之几都不到，剩下的输入能量都会转化为热能。这个热能如果不加以处理，足可以熔化金属靶材。无论是XRF还是XRD，都会带有X射线管冷却装置。对于低功率的X射线管（<200W），通常都是使用风扇冷却。对于功率在300W以上的X射线管，则使用循环水冷却。

常规的封闭管，即使使用高熔点的金属材料，功率只能做到3-4kW，再往上就很困难了。为了提高功率，可以使阳极靶旋转，这样电子束就不是始终轰击靶材的固定位置，从而可以提高电子束流的强度，发出更强的X射线。

理学的X射线管有哪些呢？

如前所述，为了提高X射线管的功率，可以使阳极靶旋转，由于高速运动的电子流轰击靶面所产生的热量，被均匀地分布在转动的圆环面上，因为承受电子流轰击的面积因阳极旋转而大大增加（实际焦点的尺寸不变、空间位置不变）,使热量分布面积大大增加，从而发射更强的X射线。

旋转阳极技术于20世纪70年代首次实现商业化应用。理学公司作为旋转阳极技术的全 球领 导者，在SmartLab等设备中展现出了技术优势。理学的旋转阳极发生器具备卓越的可靠性和使用寿命，功率可达9kW和18kW。

X射线衍射仪（XRD）多使用侧窗靶，常用的功率在2kW上下，理学Smartlab SE机型就是使用这种侧窗靶。X射线管壳上，通常有4个开口，分别为两个线焦斑和两个点焦斑，适用于不同的测试需求，常规的物相鉴定通常使用线焦斑，而织构测试则使用点焦斑。

理学旋转阳极X射线发生器

• 能量色散型X射线荧光光谱仪（EDXRF）通常使用5~100W的侧窗X射线管如下动图，台式EDXRF常用50W的功率，手持式EDXRF常用5W的功率。也有部分EDXRF机型使用端窗X射线管的，比如理学EDXRF机型NEX CG II。

• 波长色散型X射线荧光光谱仪（WDXRF）一般使用端窗靶，功率3~4kW，其结构示意图如下图。理学WDXRF的扫描道Primus系列和固定道Simultix系列，都是使用的端窗靶。

• 上述X射线管中，无论是端窗还是侧窗，无论是固定靶还是旋转靶都是反射式光管，也是市面上主要的光管类型。近年来，透射式光管也取得了商业化应用，如理学EDXRF机型NEX DE。透射式X射线管的阳极设计与以往有显著不同，制作工艺较为复杂。阳极端靶材采用溅射镀膜的方式直接镀在Be窗内侧，电子轰击这层薄膜产生的X射线可以直接透过靶材和Be窗照射样品。由于散热的限制，为了使靶面不至于熔化，通常这种透射式光管功率比较小，以10W左右为常见。透射式光管的好处是具有较高的X射线产生效率和通量密度，12W的功率可获得具有相当于常规侧窗反射式光管50W的激发灵敏度。

在本篇推文中，我们和大家分享了在理学XRD和XRF使用的各种光管。实际应用中，由于不同的需求，X射线管还有很多不同的变体，比如双靶材的射线管、液态金属靶等，这些靶材中同时有两种金属，可以获得两种不同波长的特征X射线；工业透视和医学诊断的用的X射线管，往往激发电压远远高于XRD和XRF使用的30-60kV，工业CT使用激发电压甚至能达到200kV以上。这里不在展开，有兴趣的可以自行查阅相关资料。