小焦斑X射線(xiàn)管的研究
X射線(xiàn)管焦斑是X射線(xiàn)管的主要性能指標。其大小直接影響射線(xiàn)成像及照相靈敏度。X 射線(xiàn)管作為X 射線(xiàn)檢測設備的發(fā)射源，其性能直接決定了檢查設備對物體的圖像分辨率指標。小焦斑X 射線(xiàn)管的研制，要求其在保證一定發(fā)射功率前提下，能夠連續穩定工作；既滿(mǎn)足檢查小零件及高圖像分辨率方面需求，又能有效避免X 射線(xiàn)管因焦斑過(guò)小所造成的靶面燒傷；具有重大現實(shí)意義。通過(guò)對其結構設計、制造工藝及工作可靠性方面的深入研究，現已成功研制出/ 小焦斑X 射線(xiàn)管。測試表明：此研究產(chǎn)品在擁有小焦斑特性同時(shí)，具有相當的高壓穩定性。應用此研究，可開(kāi)發(fā)系列小焦斑X 射線(xiàn)管。此產(chǎn)品的成功應用，有望促進(jìn)X 射線(xiàn)檢測設備整體水平的提高。
X 射線(xiàn)管的焦斑尺寸是決定X 射線(xiàn)管光學(xué)性能的主要指標。X 射線(xiàn)管作為X 射線(xiàn)檢查設備的發(fā)射源,其焦斑尺寸越小，對被檢物的影像清晰度就越高。焦斑為理想點(diǎn)光源時(shí)，圖像的邊界分明，幾何模糊程度小，影像分辨率高；焦斑越大，圖像邊界上的半影也越大，幾何模糊程度大，影像分辨率降低。X 射線(xiàn)機焦斑尺寸可分為：微焦斑、小焦斑、常規焦斑、大焦斑。其中，小焦斑通常定義為介于0.1~ 0.6 mm 之間；常規焦斑介于0.6~ 1.8 mm 之間。
X 射線(xiàn)檢查設備最常用的是常規焦斑X 射線(xiàn)管,其陰極一般為螺旋燈絲結構。螺旋燈絲作為發(fā)射源要做的很小存在一定難度，而典型兩極結構X 射線(xiàn)管又存在電子束會(huì )聚能力有限問(wèn)題。因此，采用常規螺旋燈絲陰極結構，實(shí)現小焦斑存在相當大的難度。
通常用于X 射線(xiàn)安全檢查設備的X 射線(xiàn)管要求連續工作，焦斑尺寸太小，容易引起靶面燒傷。在實(shí)際工作中，一方面要求提高圖像分辨率；另一方面又不能因為焦斑太小造成靶面燒傷，降低X 射線(xiàn)產(chǎn)生效率。因此，研制適當的小焦斑X 射線(xiàn)管具有一定的現實(shí)意義�？蓮V泛應用于X 射線(xiàn)光電子能譜(XPS) 儀對薄膜表面的準確分析及材料確定;也可廣泛應用于對微小物件及尺寸的無(wú)損檢測中。
1、小焦斑X 射線(xiàn)管的研究
小焦斑X 射線(xiàn)管研究關(guān)鍵點(diǎn)是小焦斑、高穩定性以及靶面散熱，主要包括下述幾方面內容：結構設計，工藝技術(shù)，工作可靠性。
1.1、小焦斑X射線(xiàn)管結構
與常規X 射線(xiàn)管一樣，其基本結構為陰極、陽(yáng)極、管殼、及散熱器。小焦斑X 射線(xiàn)管結構示意圖如圖1 所示。
圖1 小焦斑X 射線(xiàn)管結構示意圖
其典型結構特點(diǎn)如下所述:
(1) V型燈絲結構方式
在實(shí)際結構中，V型燈絲與下面提到的膜孔配合使用，V型燈絲能有效減小燈絲發(fā)射源發(fā)射面積，這是實(shí)現小焦斑的關(guān)鍵技術(shù)。圖2 為V型燈絲結構。
圖2 V型燈絲結構
(2) 矩形膜孔聚焦方式
如圖3 所示，通過(guò)陰極罩矩形膜孔及會(huì )聚孔對V型燈絲尖端發(fā)射的電子束進(jìn)行有效的會(huì )聚，最終實(shí)現電子束小面積著(zhù)靶，這是實(shí)現小焦斑的第二個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。
圖3 矩形膜孔陰極罩示意圖
(3) 創(chuàng )新的陽(yáng)極結構設計
如圖4 所示，為減少陽(yáng)極結構對入射電子束的發(fā)散作用，在陽(yáng)極帽結構設計中，采用小孔入射及縮短電子束入射孔到靶心距離的結構。為此用帶狀出射窗替代傳統圓形鈹窗輸出，并對陽(yáng)極帽結構進(jìn)行了改型設計。
圖4 陽(yáng)極結構示意圖
1.2、成功經(jīng)驗
最初設計思路是：在現成熟管型結構基礎上,吸納微焦斑X 射線(xiàn)管專(zhuān)利設計理念進(jìn)行設計。但發(fā)現存在不帶帽陽(yáng)極易產(chǎn)生微放電，嚴重影響圖像質(zhì)量問(wèn)題。
為解決微放電問(wèn)題，陽(yáng)極采用特殊陽(yáng)極帽結構,在成功實(shí)現小焦斑同時(shí)，充分吸收二次電子，有效減少微放電發(fā)生幾率。
在實(shí)際研制過(guò)程中發(fā)現，燈絲相對于矩形膜孔裝配位置對焦斑影響很大，燈絲相對膜孔高度發(fā)生變化，其表面電場(chǎng)分布將發(fā)生急劇變化。如何保證燈絲相對膜孔對中及燈絲伸出膜孔高度的一致性,是實(shí)現小焦斑在工藝技術(shù)方面面臨的難題。
通過(guò)采用新結構設計，并成功解決燈絲相對于膜孔的定位工藝技術(shù)，使試制樣管成功實(shí)現小焦斑輸出，并滿(mǎn)足高壓穩定性需求。
1.3、陽(yáng)極除氣
在真空排氣工藝過(guò)程中，為達到使陽(yáng)極充分去氣目的，通常采用濺射工藝。通過(guò)高速電子轟擊靶面，使陽(yáng)極紅熱，放出吸附的大量氣體。由于濺射所需高壓裸露在空氣中，高壓不能加得很高，為有足夠的電子能量轟擊靶面，需提高電子發(fā)射束流。小焦斑X 射線(xiàn)管如按常規濺射除氣工藝，電子束能量過(guò)于集中，很容易造成靶面燒傷。并且提高發(fā)射束流，易使燈絲變形而與膜孔短接，造成管子報廢。
由于陽(yáng)極無(wú)氧銅不屬于鐵磁材料，難于在高頻感應場(chǎng)作用下產(chǎn)生渦流；而與管殼連接的可伐環(huán)屬鐵磁材料，極易感應到高頻加熱，導致管殼局部溫度過(guò)高而炸裂，所以也不能直接采用高頻加熱方法對陽(yáng)極進(jìn)行除氣。
最終確定采用由鐵磁材料加工而成工裝與真空外陽(yáng)極部分充分接觸，工裝感應后通過(guò)熱傳導方式,使陽(yáng)極得到充分加熱，達到陽(yáng)極除氣的目的。為對鎢靶進(jìn)行充分除氣，在避免靶面燒傷的前提下，仍需適當對靶面進(jìn)行電子束轟擊。小焦斑X 射線(xiàn)管陽(yáng)極除氣，采用高頻輔助加熱與濺射工藝相結合的方法在實(shí)踐中得到了驗證。
1.4、工作可靠性
影響X 射線(xiàn)管工作可靠性的主要因素是管子內部打火及微放電。X 射線(xiàn)管打火極易引起管殼擊穿，使設備整體癱瘓；X 射線(xiàn)管微放電，極大影響圖像質(zhì)量。
正如前述，為減少微放電發(fā)生的幾率，采用新型陽(yáng)極帽結構。在新型開(kāi)槽結構陽(yáng)極帽上，采用對射線(xiàn)固有濾過(guò)影響少、易于加工的薄鈦帶作為出射窗。經(jīng)試驗表明：采用此陽(yáng)極帽結構能夠有效減少微放電。采用新陽(yáng)極帽結構，雖然成功解決管子微放電問(wèn)題，但其高壓工作可靠性卻存在很大隱患，曾發(fā)生多次樣管管殼打火擊穿現象。
管殼擊穿主要原因是管殼上積累的二次電子沿陽(yáng)極區管殼向陽(yáng)極可伐環(huán)爬電所致。新陽(yáng)極帽結構縮短了陽(yáng)極區管殼的絕緣距離，以致造成陽(yáng)極區管殼電位梯度增大，加大了二次電子沿管殼內壁爬電的幾率，使陽(yáng)極可伐環(huán)處管殼易于擊穿。分析高壓擊穿報廢樣管表明：擊穿部位均發(fā)生在靠近可伐環(huán)的管殼處。
根據管殼高壓絕緣設計經(jīng)驗，陽(yáng)極區管殼電位梯度只有控制在一定的范圍內，X 射線(xiàn)管才能穩定可靠地工作。為此，采用加長(cháng)的陽(yáng)極靶組件設計，降低陽(yáng)極區管殼電位梯度，從而提高了X 射線(xiàn)管工作的可靠性。
測試表明：經(jīng)改型設計后的新管型，連續長(cháng)時(shí)間工作的高壓特性穩定性好，可靠性高，能夠滿(mǎn)足實(shí)時(shí)圖像檢測設備的要求。
1.5、靶最大熱負荷計算
X 射線(xiàn)管焦斑過(guò)小，在陽(yáng)極靶面單位面積上入射的電子能量很大，極易造成靶面燒傷。固定靶容許負荷主要是由電子轟擊而使靶面軟化的溫度決定的。X 射線(xiàn)管功率與焦斑大小存在一定的關(guān)系。
在焦斑設計指標一定前提下，X 射線(xiàn)管的最大輸出功率有一定限制。假定小焦斑X 射線(xiàn)管焦斑設計指標為標稱(chēng)值：0.2，通過(guò)計算可知：小焦斑X 射線(xiàn)管最大容許輸出功率為216 W。具體計算過(guò)程，可參考文獻固定靶的焦點(diǎn)亮度0章節的計算方法。
而小焦斑X 射線(xiàn)管的設計指標是最高工作電壓160 kV、最大陽(yáng)極電流016 mA，即最大連續功率為96 W。從理論上說(shuō)，此管長(cháng)期連續工作也不會(huì )造成靶面燒傷。實(shí)際解剖樣管觀(guān)測：靶面情況良好，未發(fā)現靶面燒傷現象，驗證了/ 靶最大負荷0計算的可信度。
2、整機對比測試
為驗證焦斑特性對整機的影響，利用平板圖像探測器及標準測試卡進(jìn)行分辨率對比測試。進(jìn)行對比測試的常規X 射線(xiàn)管及小焦斑X 射線(xiàn)管實(shí)測焦斑如圖5 所示。
圖5 焦斑對比圖
測試中將測試卡與成像板設定為某一距離，同樣條件下測試圖像如圖6 所示。測試表明：與常規X 射線(xiàn)管相比，采用此小焦斑X 射線(xiàn)管能明顯提高線(xiàn)對分辨率。
圖6 不同焦斑成像分辨率對比
3、總結
通過(guò)深入研究，已成功研制出符合設計指標的產(chǎn)品。樣管在擁有小焦斑特性同時(shí)，具有相當的高壓穩定性。應用此研究成果，可開(kāi)發(fā)系列小焦斑X射線(xiàn)管，為高端X 射線(xiàn)安檢設備的開(kāi)發(fā)創(chuàng )造了條件。
