提到X射線，當(dāng)然不能繞過(guò)就是X射線的產(chǎn)生裝置——X射線管。這是今天的主題。

X射線

X射線(X-ray)是一種波長(zhǎng)范圍在0.01納米到10納米之間，對(duì)應(yīng)頻率范圍3×1016 Hz至3×1019 Hz、能量范圍100 eV至100 keV的電磁輻射。

做為電磁輻射的一種  

X射線是如何產(chǎn)生的呢？

X射線的產(chǎn)生 /Science Technology

密封管式 X 射線發(fā)生器

X射線管的本質(zhì)是一個(gè)在高壓下工作的二極管，包括一個(gè)發(fā)射電子的陰極和一個(gè)收集電子的陽(yáng)極（即靶材），并密封在高真空的玻璃或陶瓷外殼內(nèi)。陰極和陽(yáng)極之間加高壓（XRD和XRF中通常40~60kV），陰極燈絲加熱后產(chǎn)生熱電子，電子束在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，從陰極高速向陽(yáng)極飛去，打到陽(yáng)極靶面上，產(chǎn)生X射線。

產(chǎn)生的X射線分為兩類，一類是連續(xù)譜，這是由于電子打在陽(yáng)極靶上，連續(xù)減速產(chǎn)生的軔致輻射，另一類是特征X射線峰，無(wú)論我們?cè)趺锤淖兗铀匐妷海�這類射線的能量是不變的，只取決于所用的陽(yáng)極靶材的材料。這是由于陽(yáng)極靶的原子受到高能電子束轟擊后，低能級(jí)的電子受到激發(fā)在低能級(jí)留下空位，高能級(jí)的電子向下躍遷，多余的能量以光子的形式釋放出來(lái)，這就是特征X射線的產(chǎn)生機(jī)制。

在不同的儀器中，會(huì)使用不同的X光譜。在XRD中，只使用特征X射線，其他波長(zhǎng)的X射線會(huì)使用單色器過(guò)濾掉；新型的半導(dǎo)體陣列探測(cè)器帶有能量分辨功能，也可以過(guò)濾掉其他波長(zhǎng)的X射線。而在XRF中，連續(xù)譜和特征譜都會(huì)參與激發(fā)樣品產(chǎn)生熒光X射線。

X射線管的冷卻

X射線管產(chǎn)生X光的效率極低，通常百分之幾都不到，剩下的輸入能量都會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能。這個(gè)熱能如果不加以處理，足可以熔化金屬靶材。無(wú)論是XRF還是XRD，都會(huì)帶有X射線管冷卻裝置。對(duì)于低功率的X射線管（<200W），通常都是使用風(fēng)扇冷卻。對(duì)于功率在300W以上的X射線管，則使用循環(huán)水冷卻。

常規(guī)的封閉管，即使使用高熔點(diǎn)的金屬材料，功率只能做到3-4kW，再往上就很困難了。為了提高功率，可以使陽(yáng)極靶旋轉(zhuǎn)，這樣電子束就不是始終轟擊靶材的固定位置，從而可以提高電子束流的強(qiáng)度，發(fā)出更強(qiáng)的X射線。

理學(xué)的X射線管有哪些呢？

如前所述，為了提高X射線管的功率，可以使陽(yáng)極靶旋轉(zhuǎn)，由于高速運(yùn)動(dòng)的電子流轟擊靶面所產(chǎn)生的熱量，被均勻地分布在轉(zhuǎn)動(dòng)的圓環(huán)面上，因?yàn)槌惺茈娮恿鬓Z擊的面積因陽(yáng)極旋轉(zhuǎn)而大大增加（實(shí)際焦點(diǎn)的尺寸不變、空間位置不變）,使熱量分布面積大大增加，從而發(fā)射更強(qiáng)的X射線。

旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極技術(shù)于20世紀(jì)70年代首次實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。理學(xué)公司作為旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極技術(shù)的全球領(lǐng)導(dǎo)者，在SmartLab等設(shè)備中展現(xiàn)出了技術(shù)優(yōu)勢(shì)。理學(xué)的旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極發(fā)生器具備卓越的可靠性和使用壽命，功率可達(dá)9kW和18kW。

X射線衍射儀（XRD）多使用側(cè)窗靶，常用的功率在2kW上下，理學(xué)Smartlab SE機(jī)型就是使用這種側(cè)窗靶。X射線管殼上，通常有4個(gè)開口，分別為兩個(gè)線焦斑和兩個(gè)點(diǎn)焦斑，適用于不同的測(cè)試需求，常規(guī)的物相鑒定通常使用線焦斑，而織構(gòu)測(cè)試則使用點(diǎn)焦斑。

理學(xué)旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極X射線發(fā)生器

當(dāng)然，除了理學(xué)的旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極技術(shù)，

還有適配在其他的需要的X射線管！

下面我們用X熒光光譜儀（XRF）來(lái)舉例

能量色散型X射線熒光光譜儀（EDXRF）通常使用5~100W的側(cè)窗X射線管如下動(dòng)圖，臺(tái)式EDXRF常用50W的功率，手持式EDXRF常用5W的功率。也有部分EDXRF機(jī)型使用端窗X射線管的，比如理學(xué)EDXRF機(jī)型NEX CG II。

波長(zhǎng)色散型X射線熒光光譜儀（WDXRF）一般使用端窗靶，功率3~4kW，其結(jié)構(gòu)示意圖如下圖。理學(xué)WDXRF的掃描道Primus系列和固定道Simultix系列，都是使用的端窗靶。

上述X射線管中，無(wú)論是端窗還是側(cè)窗，無(wú)論是固定靶還是旋轉(zhuǎn)靶都是反射式光管，也是市面上主要的光管類型。近年來(lái)，透射式光管也取得了商業(yè)化應(yīng)用，如理學(xué)EDXRF機(jī)型NEX DE。透射式X射線管的陽(yáng)極設(shè)計(jì)與以往有顯著不同，制作工藝較為復(fù)雜。陽(yáng)極端靶材采用濺射鍍膜的方式直接鍍?cè)贐e窗內(nèi)側(cè)，電子轟擊這層薄膜產(chǎn)生的X射線可以直接透過(guò)靶材和Be窗照射樣品。由于散熱的限制，為了使靶面不至于熔化，通常這種透射式光管功率比較小，以10W左右為常見(jiàn)。透射式光管的好處是具有較高的X射線產(chǎn)生效率和通量密度，12W的功率可獲得具有相當(dāng)于常規(guī)側(cè)窗反射式光管50W的激發(fā)靈敏度。

在本篇推文中，我們和大家分享了在理學(xué)XRD和XRF使用的各種光管。實(shí)際應(yīng)用中，由于不同的需求，X射線管還有很多不同的變體，比如雙靶材的射線管、液態(tài)金屬靶等，這些靶材中同時(shí)有兩種金屬，可以獲得兩種不同波長(zhǎng)的特征X射線；工業(yè)透視和醫(yī)學(xué)診斷的用的X射線管，往往激發(fā)電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于XRD和XRF使用的30-60kV，工業(yè)CT使用激發(fā)電壓甚至能達(dá)到200kV以上。這里不在展開，有興趣的可以自行查閱相關(guān)資料。