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微焦点X射线源的基本原理

发布时间:2019-02-13 09:33:44   作者:

      X射线是高速运动的电子在与物质相互作用中产生的。在X射线管中,从阴极发射的电子,经阴极、阳极间的电场加速后,轰击X射线管靶,将其动能传递给靶上的原子。其中约有1%左右的能量转化为X射线,并从X射线照射窗中射出。阴极发射的电子会被聚焦到靶上的一个点,称为X射线焦点,所发出的X射线均从X射线焦点以一个特定的发射角射出,一般作为X-射线光源应用于工业或科研无损检测/成像之中。
     
为了给电子加速到足够轰击产生X射线的能量,X射线管中阴阳极之间所加的管电压一般高达几十KV到几百KV;所以除了X射线管之外,还需要配套的高压电源以及控制器单元。为了避免高压线接口插拔所导致的高压放电故障,市场上主流的射线源均采用一体化设计——不仅能够增加稳定性,降低返修率;而且可以将射线源做到很小的体积,方便操作和安装。
     
在无损检测中,从射线源的焦点射出的X射线通过样品,之后由X射线相机等探测器进行成像。由于X射线对于样品内不同结构、材料穿透能力的不同,其内部结构就可以被X射线相机所采集并在电脑上呈现。
      1. X
射线的种类与靶的选择
     
X射线源中,电子轰击靶材料产生X射线的原理有两种。
   
1)当高速电子与靶原子发生碰撞时,会改变其原有的轨迹,并且慢下来。同时发出X射线,其能量等于高速电子碰撞前后的能量差。
      
由于每个高速电子与靶原子作用时的相对位置不同,所以各相互作用对应的辐射损失也不同,因而发出的X 射线光子的能量也互不相同。大量的X 射线光子组成了具有频率连续的X 射线发射谱,就像各种颜色的单色光混合而成白光一样,所以这种原理所产生X射线称为白色X射线(也称连续谱)。
    
2)高速电子将靶原子的内层轨道电子撞出,使之离开原子成为自由电子,便会在内层轨道产生一个临时的电子空位,外层的电子就会立即将这个内层轨道空位填充。轨道电子从外层向内层跃迁的同时会发出X射线,其能量就等于这两个轨道能级之差。
      
由于靶原子的各轨道电子能级是确定的,所以产生的X射线能量也是固定的,并且仅取决于靶原子本身的特征;故通过这种原理产生的X射线也称为标识X射线(也称标识谱)。
      2. X
射线照射窗材料的选择
     
不同材料对X射线的透过率不同。其中铍的透过率最好,当X射线的能量达到3Kev时就能有50%以上的射线透过。所以HPK所生产的射线源都采用铍窗。但值得注意的是有些应用中只需要高能部分X射线,此时可以自行添加铝层等过滤层,过滤低能X射线。
      3. X
射线焦点
     
在射线源中,电子透镜将电子束聚焦到靶上的一个点——X射线焦点。在其他条件一致的情况下,X射线焦点越小,成像质量越好。所以这个电子透镜设计的优劣决定射线源的性能。开放管一般使用线圈通过磁场对电子轨道进行控制,能使焦点更小。封闭管受到FOD的限制,一般使用电场对电子轨道进行控制,焦点偏大。
      4.
管电压
     
射线源所发出的最大X射线光子能量等于入射电子在X 射线管加速电场中所获得的能量——电子电量乘以加速电场(即管电压)。所以连续X射线的短波极限只与管电压有关,而与其他因素无关。管电压越高,所产生的X射线的能量越高,波长越短,穿透物质的能力也越强。
      5.
管电流
     
管电流越大,单位时间轰击到靶上的高速电子就越多,射线源发射出的X射线就越多,相当于一定面积的X射线的剂量增加(或者类比于电灯变亮),对应图像的亮度增加。
     
较高的管电压可以发出较高能量的X射线光子,能够穿透较厚的样品。所以管电压越高,X射线的穿透能力越强。
      X
射线线源的焦点尺寸越小,图像的分辨率越高,图片也越清晰。
      
综上所述,样品厚可以考虑调高管电压;样品的结构精细可以选择较小的焦点尺寸;希望缩短成像时间,则可以尝试增加管电流。

       我公司研制生产的发生器及控制器:见下图

高压和控制器[1].jpg_拷贝.jpg小型发生器P1.jpg小型发生器P11.jpg

 


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