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X射線管原理

來(lái)源:艾因蒂克科技(上海)有限公司   2020年04月25日 13:45  

簡(jiǎn)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(kù)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(yáng)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(wàn)至數(shù)十萬(wàn)伏高壓加速后撞擊靶面。陰極被一個(gè)前端開(kāi)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(guò)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(yáng)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(guò)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(yáng)極和陰極間,使得電子云被拉往陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)極熱耗,而使焦斑過(guò)熱。避免陽(yáng)極過(guò)熱的方法是對(duì)陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(kāi)放式 X 射線管和密閉式 X 射線管。開(kāi)放式 X 射線管在使用過(guò)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(guò)程中無(wú)需再次抽真空。

結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極X射線管示意圖旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極X射線管示意圖

固定陽(yáng)極X射線管是常用X射線管中簡(jiǎn)單的一種,其結(jié)構(gòu)由陽(yáng)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(yáng)極由陽(yáng)極頭、陽(yáng)極帽、玻璃圈和陽(yáng)極柄構(gòu)成。陽(yáng)極的主要作用使由陽(yáng)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(guò)陽(yáng)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(wèn)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(yáng)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(lái),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(yáng)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(yáng)極靶金屬的特征X射線)。

應(yīng)用

X射線管在醫(yī)學(xué)上用于診斷和治療,在工業(yè)技術(shù)方面用于材料的無(wú)損檢測(cè)、結(jié)構(gòu)分析、光譜分析和底片曝光等。X射線對(duì)人體有害,使用時(shí)須采取有效防護(hù)措施。

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