X射線管焦斑是X射線管的主要性能指標(biāo)。其大小直接影響射線成像及照相靈敏度。X 射線管作為X 射線檢測設(shè)備的發(fā)射源，其性能直接決定了檢查設(shè)備對(duì)物體的圖像分辨率指標(biāo)。小焦斑X 射線管的研制，要求其在保證一定發(fā)射功率前提下，能夠連續(xù)穩(wěn)定工作；既滿足檢查小零件及高圖像分辨率方面需求，又能有效避免X 射線管因焦斑過小所造成的靶面燒傷；具有重大現(xiàn)實(shí)意義。通過對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝及工作可靠性方面的深入研究，現(xiàn)已成功研制出/ 小焦斑X 射線管。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(dāng)?shù)母邏悍�(wěn)定性。應(yīng)用此研究，可開發(fā)系列小焦斑X 射線管。此產(chǎn)品的成功應(yīng)用，有望促進(jìn)X 射線檢測設(shè)備整體水平的提高。

　　X 射線管的焦斑尺寸是決定X 射線管光學(xué)性能的主要指標(biāo)。X 射線管作為X 射線檢查設(shè)備的發(fā)射源,其焦斑尺寸越小，對(duì)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 射線機(jī)焦斑尺寸可分為：微焦斑、小焦斑、常規(guī)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(guī)焦斑介于0.6~ 1.8 mm 之間。

　　X 射線檢查設(shè)備最常用的是常規(guī)焦斑X 射線管,其陰極一般為螺旋燈絲結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)X 射線管又存在電子束會(huì)聚能力有限問題。因此，采用常規(guī)螺旋燈絲陰極結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)小焦斑存在相當(dāng)大的難度。

　　通常用于X 射線安全檢查設(shè)備的X 射線管要求連續(xù)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?yàn)榻拱咛�小造成靶面燒傷，降低X 射線產(chǎn)生效率。因此，研制適當(dāng)?shù)男〗拱遆 射線管具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。可廣泛應(yīng)用于X 射線光電子能譜(XPS) 儀對(duì)薄膜表面的準(zhǔn)確分析及材料確定;也可廣泛應(yīng)用于對(duì)微小物件及尺寸的無損檢測中。

1、小焦斑X 射線管的研究

　　小焦斑X 射線管研究關(guān)鍵點(diǎn)是小焦斑、高穩(wěn)定性以及靶面散熱，主要包括下述幾方面內(nèi)容：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，工藝技術(shù)，工作可靠性。

1.1、小焦斑X射線管結(jié)構(gòu)

　　與常規(guī)X 射線管一樣，其基本結(jié)構(gòu)為陰極、陽極、管殼、及散熱器。小焦斑X 射線管結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 小焦斑X 射線管結(jié)構(gòu)示意圖

　　其典型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下所述:

　　(1) V型燈絲結(jié)構(gòu)方式

　　在實(shí)際結(jié)構(gòu)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(xiàn)小焦斑的關(guān)鍵技術(shù)。圖2 為V型燈絲結(jié)構(gòu)。

圖2 V型燈絲結(jié)構(gòu)

　　(2) 矩形膜孔聚焦方式

　　如圖3 所示，通過陰極罩矩形膜孔及會(huì)聚孔對(duì)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(xiàn)電子束小面積著靶，這是實(shí)現(xiàn)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)新的陽極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　如圖4 所示，為減少陽極結(jié)構(gòu)對(duì)入射電子束的發(fā)散作用，在陽極帽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用小孔入射及縮短電子束入射孔到靶心距離的結(jié)構(gòu)。為此用帶狀出射窗替代傳統(tǒng)圓形鈹窗輸出，并對(duì)陽極帽結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改型設(shè)計(jì)。

圖4 陽極結(jié)構(gòu)示意圖

1.2、成功經(jīng)驗(yàn)

　　最初設(shè)計(jì)思路是：在現(xiàn)成熟管型結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,吸納微焦斑X 射線管專利設(shè)計(jì)理念進(jìn)行設(shè)計(jì)。但發(fā)現(xiàn)存在不帶帽陽極易產(chǎn)生微放電，嚴(yán)重影響圖像質(zhì)量問題。

　　為解決微放電問題，陽極采用特殊陽極帽結(jié)構(gòu),在成功實(shí)現(xiàn)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)際研制過程中發(fā)現(xiàn)，燈絲相對(duì)于矩形膜孔裝配位置對(duì)焦斑影響很大，燈絲相對(duì)膜孔高度發(fā)生變化，其表面電場分布將發(fā)生急劇變化。如何保證燈絲相對(duì)膜孔對(duì)中及燈絲伸出膜孔高度的一致性,是實(shí)現(xiàn)小焦斑在工藝技術(shù)方面面臨的難題。

　　通過采用新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并成功解決燈絲相對(duì)于膜孔的定位工藝技術(shù)，使試制樣管成功實(shí)現(xiàn)小焦斑輸出，并滿足高壓穩(wěn)定性需求。

1.3、陽極除氣

　　在真空排氣工藝過程中，為達(dá)到使陽極充分去氣目的，通常采用濺射工藝。通過高速電子轟擊靶面，使陽極紅熱，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 射線管如按常規(guī)濺射除氣工藝，電子束能量過于集中，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(bào)廢。

　　由于陽極無氧銅不屬于鐵磁材料，難于在高頻感應(yīng)場作用下產(chǎn)生渦流；而與管殼連接的可伐環(huán)屬鐵磁材料，極易感應(yīng)到高頻加熱，導(dǎo)致管殼局部溫度過高而炸裂，所以也不能直接采用高頻加熱方法對(duì)陽極進(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極部分充分接觸，工裝感應(yīng)后通過熱傳導(dǎo)方式,使陽極得到充分加熱，達(dá)到陽極除氣的目的。為對(duì)鎢靶進(jìn)行充分除氣，在避免靶面燒傷的前提下，仍需適當(dāng)對(duì)靶面進(jìn)行電子束轟擊。小焦斑X 射線管陽極除氣，采用高頻輔助加熱與濺射工藝相結(jié)合的方法在實(shí)踐中得到了驗(yàn)證。

1.4、工作可靠性

　　影響X 射線管工作可靠性的主要因素是管子內(nèi)部打火及微放電。X 射線管打火極易引起管殼擊穿，使設(shè)備整體癱瘓；X 射線管微放電，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，采用新型陽極帽結(jié)構(gòu)。在新型開槽結(jié)構(gòu)陽極帽上，采用對(duì)射線固有濾過影響少、易于加工的薄鈦帶作為出射窗。經(jīng)試驗(yàn)表明：采用此陽極帽結(jié)構(gòu)能夠有效減少微放電。采用新陽極帽結(jié)構(gòu)，雖然成功解決管子微放電問題，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(xiàn)象。

　　管殼擊穿主要原因是管殼上積累的二次電子沿陽極區(qū)管殼向陽極可伐環(huán)爬電所致。新陽極帽結(jié)構(gòu)縮短了陽極區(qū)管殼的絕緣距離，以致造成陽極區(qū)管殼電位梯度增大，加大了二次電子沿管殼內(nèi)壁爬電的幾率，使陽極可伐環(huán)處管殼易于擊穿。分析高壓擊穿報(bào)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(jù)管殼高壓絕緣設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，陽極區(qū)管殼電位梯度只有控制在一定的范圍內(nèi)，X 射線管才能穩(wěn)定可靠地工作。為此，采用加長的陽極靶組件設(shè)計(jì)，降低陽極區(qū)管殼電位梯度，從而提高了X 射線管工作的可靠性。

　　測試表明：經(jīng)改型設(shè)計(jì)后的新管型，連續(xù)長時(shí)間工作的高壓特性穩(wěn)定性好，可靠性高，能夠滿足實(shí)時(shí)圖像檢測設(shè)備的要求。

1.5、靶最大熱負(fù)荷計(jì)算

　　X 射線管焦斑過小，在陽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(fù)荷主要是由電子轟擊而使靶面軟化的溫度決定的。X 射線管功率與焦斑大小存在一定的關(guān)系。

　　在焦斑設(shè)計(jì)指標(biāo)一定前提下，X 射線管的最大輸出功率有一定限制。假定小焦斑X 射線管焦斑設(shè)計(jì)指標(biāo)為標(biāo)稱值：0.2，通過計(jì)算可知：小焦斑X 射線管最大容許輸出功率為216 W。具體計(jì)算過程，可參考文獻(xiàn)固定靶的焦點(diǎn)亮度0章節(jié)的計(jì)算方法。

　　而小焦斑X 射線管的設(shè)計(jì)指標(biāo)是最高工作電壓160 kV、最大陽極電流016 mA，即最大連續(xù)功率為96 W。從理論上說，此管長期連續(xù)工作也不會(huì)造成靶面燒傷。實(shí)際解剖樣管觀測：靶面情況良好，未發(fā)現(xiàn)靶面燒傷現(xiàn)象，驗(yàn)證了/ 靶最大負(fù)荷0計(jì)算的可信度。

2、整機(jī)對(duì)比測試

　　為驗(yàn)證焦斑特性對(duì)整機(jī)的影響，利用平板圖像探測器及標(biāo)準(zhǔn)測試卡進(jìn)行分辨率對(duì)比測試。進(jìn)行對(duì)比測試的常規(guī)X 射線管及小焦斑X 射線管實(shí)測焦斑如圖5 所示。

圖5 焦斑對(duì)比圖

　　測試中將測試卡與成像板設(shè)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(guī)X 射線管相比，采用此小焦斑X 射線管能明顯提高線對(duì)分辨率。

圖6 不同焦斑成像分辨率對(duì)比

3、總結(jié)

　　通過深入研究，已成功研制出符合設(shè)計(jì)指標(biāo)的產(chǎn)品。樣管在擁有小焦斑特性同時(shí)，具有相當(dāng)?shù)母邏悍�(wěn)定性。應(yīng)用此研究成果，可開發(fā)系列小焦斑X射線管，為高端X 射線安檢設(shè)備的開發(fā)創(chuàng)造了條件。