X射線管原理

時(shí)間：2020/4/25閱讀：2095

簡介

利用高速電子撞擊金屬靶面產(chǎn)生 X射線的真空電子器件。按照產(chǎn)生電子的方式,X射線管可分為充氣管和真空管兩類。

X射線管

充氣X射線管是早期的X射線管。1895年，W.C.倫琴在進(jìn)行克魯克斯管實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)了 X射線?？唆斂怂构芫褪呛茉绲某錃釾射線管。這種管接通高壓后,管內(nèi)氣體電離，在正離子轟擊下，電子從陰極逸出，經(jīng)加速后撞擊靶面產(chǎn)生X射線。充氣X射線管功率小、壽命短、控制困難，后已很少應(yīng)用。1913年，W.D.庫利吉發(fā)明了真空 X射線管。管內(nèi)真空度不低于10-4 帕。陰極為直熱式螺旋鎢絲，陽極為銅塊端面鑲嵌的金屬靶。根據(jù)管子的用途選擇靶材和電子束能量，常用鎢作靶材。在某些用途下，還采用銀、鈀、銠、鉬、銅、鎳、鈷、鐵、鉻等材料。陰極工作溫度約為2000K,發(fā)射出的電子經(jīng)數(shù)萬至數(shù)十萬伏高壓加速后撞擊靶面。陰極被一個(gè)前端開槽的金屬罩包圍。金屬罩的電位等于或低于陰極，迫使電子聚焦在靶面上的一個(gè)狹窄區(qū)域內(nèi),形成焦斑。X射線就從焦斑上向各個(gè)方向輻射，通過管壁上的窗口輸出。窗口一般用對(duì) X射線吸收很小的鈹、鋁或輕質(zhì)玻璃制成，以鈹片為佳。

原理

X 射線管包含有陽極和陰極兩個(gè)電極，分別用于用于接受電子轟擊的靶材和發(fā)射電子的燈絲。兩級(jí)均被密封在高真空的玻璃或陶瓷外殼里面。X 射線管供電部分至少包含有一個(gè)使燈絲加熱的低壓電源和一個(gè)給兩極施加高電壓的高壓發(fā)生器。當(dāng)鎢絲通過足夠的電流使其產(chǎn)生電子云，且有足夠的電壓（千伏等級(jí)）加在陽極和陰極間，使得電子云被拉往陽極。此時(shí)電子以高能高速的狀態(tài)撞擊鎢靶，高速電子到達(dá)靶面，運(yùn)動(dòng)突然受到阻止，其動(dòng)能的一小部分便轉(zhuǎn)化為輻射能，以 X 射線的形式放出，以這種形式產(chǎn)生的輻射稱為軔致輻射。改變燈絲電流的大小可以改變燈絲的溫度和電子的發(fā)射量，從而改變管電流和 X 射線強(qiáng)度的大小。改變 X 光管激發(fā)電位或選用不同的靶材可以改變?nèi)肷?X 射線的能量或在不同能量處的強(qiáng)度。由于受高能電子轟擊，X 射線管工作時(shí)溫度很高，需要對(duì)陽極靶材進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。雖然 X 射線管產(chǎn)生 X 射線的能量效率十分低下，但是在目前，X 射線管依然是實(shí)用的 X 射線發(fā)生器件，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于 X 射線類儀器。目前醫(yī)療用途主要分為診斷用 X 射線管和治療用 X 射線管。

對(duì)X射線管的要求是焦點(diǎn)小，強(qiáng)度大,以形成較大的功率密度。因此，在陽極上須供給比較大的功率,但X射線管的效率很低，99%以上的電子束功率成為陽極熱耗，而使焦斑過熱。避免陽極過熱的方法是對(duì)陽極或管子采取不同方式的冷卻，以降低焦斑處的溫度，或使靶面傾斜一定角度，以提供較大的散熱面積。后又出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)陽極X射線管，因靶面高速旋轉(zhuǎn)（達(dá)10000轉(zhuǎn)/分），允許功率密度高、焦點(diǎn)小?，F(xiàn)代出現(xiàn)一種在陽極靶面與陰極之間裝有控制柵極的X射線管,在控制柵上施加脈沖調(diào)制，以控制X射線的輸出。改變脈沖寬度及重復(fù)頻率,即可調(diào)整定時(shí)重復(fù)曝光。

分類

按照產(chǎn)生電子的方式 ,X 射線管可分為充氣管和真空管兩類。

根據(jù)密封材質(zhì)不同，可分為玻璃管、陶瓷管和金屬陶瓷管。

根據(jù)用途不同，可分為醫(yī)療 X 射線管和工業(yè) X 射線管。

根據(jù)密封方式不同，可分為開放式 X 射線管和密閉式 X 射線管。開放式 X 射線管在使用過程中需要不斷抽真空。密閉式 X 射線管生產(chǎn) X 射線管時(shí)抽真空到一定程度后立即密封，使用過程中無需再次抽真空。

結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)陽極X射線管示意圖

固定陽極X射線管是常用X射線管中簡單的一種，其結(jié)構(gòu)由陽極、陰極和固定兩極并保持玻璃管內(nèi)高真空的玻璃殼等三部分組成。

陽極由陽極頭、陽極帽、玻璃圈和陽極柄構(gòu)成。陽極的主要作用使由陽極頭的靶面（一般選用鎢靶）阻擋高速運(yùn)動(dòng)的電子流而產(chǎn)生X射線，并將由此產(chǎn)生的熱量輻射或者通過陽極柄傳導(dǎo)出去，同時(shí)也吸收二次電子和散亂射線。鎢合金X射線管工作中產(chǎn)生X射線僅僅利用了不到高速運(yùn)動(dòng)電子流1%的能量，因此散熱是X射線管很重要的問題。陰極主要由燈絲、聚焦罩（或者稱為陰極頭）、陰極套和玻璃芯柱等組成。轟擊陽極靶的電子束，就是靠熱陰極的燈絲（一般都是鎢絲）發(fā)射出來，在鎢合金X射線管高電壓加速下經(jīng)聚焦罩（陰極頭）聚焦形成的。高速運(yùn)動(dòng)的電子束撞擊陽極靶而突然受阻則產(chǎn)生了某段能量連續(xù)分布的X射線（其中并有反映陽極靶金屬的特征X射線）。