1895年，德國物理學家倫琴意外發(fā)現(xiàn)當一束高能量的電子撞擊在一塊金屬靶時，可以產(chǎn)生一種看不見的光能夠讓膠片曝光，他將這種看不見的光命名為X射線（意為“未知的射線”），而這種通過加速電子撞擊金屬靶產(chǎn)生X射線的管狀裝置也被稱為X射線管。時至今日，作為一種便于人工調控的X射線源，X射線管在醫(yī)學疾病診斷、工業(yè)無損檢測、材料結構分析、公共安全保障等眾多領域有著廣泛的應用。一個常見的X射線管如下圖所示。 1. 工作原理
我們首先來了解一下X射線管的基本工作原理。這是一張X射線管的簡化結構圖，它由以下幾個主要部分組成：
（1）     高壓電源：提供數(shù)十至數(shù)百千伏直流電壓加速電子，并向電子槍提供低壓加熱電流
（2）     電子槍：連接陰極（負極），通常通過加熱鎢絲來發(fā)射電子（熱陰極），也有不通過加熱的方式發(fā)射電子（冷陰極）
（3）     金屬靶：連接陽極（正極），一般材料是能耐高溫的鎢，連上導熱性強的銅塊（固定靶）或鉬棒（轉動靶，如圖所示）
（4）    真空管：密封玻璃管，為電子束和電子槍/金屬靶維持真空環(huán)境
（5）     防護套：屏蔽除底部出射窗口可以射出的X射線，并提供向外界散熱和電絕緣（比如內部充滿不導電的油將熱量循環(huán)排出）

當控制系統(tǒng)發(fā)出一個“曝光”信號時，高壓電路連通，金屬靶上被施加的正極電勢吸引并加速電子槍里的自由電子從而產(chǎn)生高能電子束，電子槍頭一般設計成杯型結構以用于聚焦電子束，在撞擊金屬靶后，電子束的一小部分動能（約1%）轉化成X射線，而其余大部分動能（約99%）則轉化為熱量，失去動能的電子則被金屬靶吸收并流向電源正極，而X射線則從靶表面射出。X射線管在設計上需要充分考慮金屬靶和整個防護套的散熱能力，有限的散熱設計將直接限制X射線的曝光強度和頻率，一種常見的設計是使用轉動的盤狀金屬靶將熱量分散，在管外使用電絕緣的油吸收熱量再循環(huán)到外界，電子槍組件和金屬靶及轉動部分都需要置于真空環(huán)境中以避免空氣對鎢絲和靶的高溫氧化反應。

2. 主要參數(shù)指標

根據(jù)應用場景的不同，X射線管會有相應不同的設計，下面介紹一下X射線管的主要設計參數(shù)，包括管電壓，源焦點大小，管功率，視野放大率等。
· 管電壓即陽極金屬靶和陰極電子槍之間的電勢差，它決定了X射線的能量，能量越高，X射線穿透物體的能力就越強，同時越高的管電壓能提高產(chǎn)生X射線的效率，但當X射線用于檢測成像時，圖像對比度會隨著X射線能量的提高而降低，一般檢測小尺寸物體使用低電壓（比如30到160千伏），檢測大尺寸及高密度的金屬物體使用高電壓（比如225到450千伏）。
· 源焦點大小對應于電子束聚焦在靶上的面積，也是發(fā)射X射線的“光源”大小，它是決定成像分辨率的最重要參數(shù)，當我們對成像分辨率的要求越高，比如探測電路板上細小的缺陷時，所需要的源焦點就越小，在上圖中金屬靶有一個傾斜的角度，這種設計可以大大減小源焦點在下方視角的有效大小。
· 管功率決定了曝光時管內流過的電流大小，功率越大，相同曝光時間里所產(chǎn)生的X射線強度就越大，但同樣產(chǎn)生的熱量也越多，當源焦點很小時，瞬間產(chǎn)生的熱量如果過高，焦點區(qū)域的靶材會因瞬間上升的溫度而熔化甚至汽化，因此可用的最大管功率受限于源焦點的大小，焦點越小，可用的管功率就越低，另外金屬靶及管的整體散熱效率也影響可用管功率的大小。
· 視野放大就像拿放大鏡“透視”物體局部的細節(jié)，盡管這和整個成像系統(tǒng)有關，X射線管的設計對視野放大率有著直接的影響，為了放大視場中的某個局部，通常可以通過縮短物體與X光源之間的距離增加幾何放大率，源焦點到出射窗口的距離越近，允許的物體與X光源距離越近，則可以達到的幾何放大率就越大。
另外靶材料的選擇也是重要的設計考量，比如K-線X光成像使用鉬或銠等其他金屬作為靶材。

3. 高分辨率的實現(xiàn)

在工業(yè)無損檢測中，有許多應用場合對成像的分辨率要求越來越高，前面說到越高的分辨率要求越小的X光源焦點，前述的基于傳統(tǒng)X射線管的設計最小焦點只能做到幾百微米，很難滿足檢測具有細微結構的物體比如電子電路板這類的應用要求，而能勝任這類要求的叫做微焦點X射線管，它們的源焦點大小通常在50微米以下，最小可以達到1微米甚至幾百納米。下圖是一張微焦點X射線管的截面圖：
可以看到，在陰極電子槍和陽極靶之間，增加了用于聚焦電子束的線圈，通入線圈的電流可以根據(jù)不同的管電壓功率進行調整以達到精確控制和聚焦電子束的目的，配合電子槍中更小的電子源（燈絲），可以使得電子束撞擊靶時聚焦在小于50微米的焦點上。

同時，在結構上微焦點X射線管分為開管和閉管。開管被設計成易于拆卸的拼裝組合，方便更換電子槍的燈絲或其他使用壽命有限的部件，中間細長的管腔連接到一個高性能的真空泵，在打開關閉后，真空泵可以在幾分鐘內制造高度的真空環(huán)境。相比之下，閉管X射線管一般是一次性封裝在真空玻璃管中，不易于更換內部損壞的部件。 另外金屬靶的設計也有很大不同，上圖所示是一種穿透式的靶，一般僅有幾微米厚度，靶自身對產(chǎn)生的X射線吸收很少，最外面貼上一層低密度的支撐材料（如鈹，對X射線幾乎“透明”）以保護真空環(huán)境，這種設計的最大好處是可以將物體放在離焦點很近的位置上，從而獲得最大的顯微放大率，特別適合觀察被測物體的微小局部細節(jié)。

但是，微焦點管的一個主要缺陷是管功率極低，根據(jù)靶材的不同，50微米焦點大小時最大功率在20-40瓦，10微米時在4-8瓦，而1微米時僅有0.4-0.8瓦，相比之下，一個使用旋轉金屬靶具有1毫米焦點的傳統(tǒng)X射線管的功率可以高達20千瓦。受限于很低的功率，微焦點管成像所需要的時間往往較長。
有些微焦點管使用類似于傳統(tǒng)管的反射式金屬靶，這樣利于提高靶的熱容量，可以一定程度上提高功率，如下圖所示： 還有一種更新的設計將固態(tài)的金屬靶換成液態(tài)射流金屬合金，在這種設計中，電子束聚焦在一道流動的液態(tài)金屬柱（即“射流金屬合金”）上，如下圖所示，流動的液態(tài)金屬通過循環(huán)系統(tǒng)將熱量快速轉移排出，這種設計可以在達到同樣微焦點大小時將功率提高十倍左右。
另外，在電子發(fā)射端，電子槍的鎢絲可以被換成更加細小的硼化鑭晶體，不僅可以提高電流載荷，產(chǎn)生的電子束也更加緊密，可以進一步減小焦點的大小。

4. 結語