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理学:咱们今天说X射线管

理学中国

2024/08/22 15:31

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在上期的理学电企推送中,我们和大家分享了什么是XRD,XRD能做什么,以及在各行各业中有多少奖项得益于XRD技术而达成。没有印象的小伙伴可以点击如下


理学:咱们今天说X射线衍射


提到X射线,当然不能绕过就是X射线的产生装置——X射线管。这是今天的主题。



     
   

X射线

       

X射线(X-ray)是一种波长范围在0.01纳米到10纳米之间,对应频率范围3×1016 Hz至3×1019 Hz、能量范围100 eV至100 keV的电磁辐射

做为电磁辐射的一种  

X射线是如何产生的呢?

X射线的产生 /Science Technology

   

密封管式 X 射线发生器

可以点击看大图

X射线管的本质是一个在高压下工作的二极管,包括一个发射电子的阴极和一个收集电子的阳极(即靶材),并密封在高真空的玻璃或陶瓷外壳内。阴极和阳极之间加高压(XRD和XRF中通常40~60kV),阴极灯丝加热后产生热电子,电子束在强电场的作用下,从阴极高速向阳极飞去,打到阳极靶面上,产生X射线。


产生的X射线分为两类,一类是连续谱,这是由于电子打在阳极靶上,连续减速产生的轫致辐射,另一类是特征X射线峰,无论我们怎么改变加速电压,这类射线的能量是不变的,只取决于所用的阳极靶材的材料。这是由于阳极靶的原子受到高能电子束轰击后,低能级的电子受到激发在低能级留下空位,高能级的电子向下跃迁,多余的能量以光子的形式释放出来,这就是特征X射线的产生机制。

     

Cu靶的连续谱与特征峰

在不同的仪器中,会使用不同的X光谱。在XRD中,只使用特征X射线,其他波长的X射线会使用单色器过滤掉;新型的半导体阵列探测器带有能量分辨功能,也可以过滤掉其他波长的X射线。而在XRF中,连续谱和特征谱都会参与激发样品产生荧光X射线。


X射线管的冷却

X射线管产生X光的效率极低,通常百分之几都不到,剩下的输入能量都会转化为热能。这个热能如果不加以处理,足可以熔化金属靶材。无论是XRF还是XRD,都会带有X射线管冷却装置。对于低功率的X射线管(<200W),通常都是使用风扇冷却。对于功率在300W以上的X射线管,则使用循环水冷却。


常规的封闭管,即使使用高熔点的金属材料,功率只能做到3-4kW,再往上就很困难了。为了提高功率,可以使阳极靶旋转,这样电子束就不是始终轰击靶材的固定位置,从而可以提高电子束流的强度,发出更强的X射线。

   

理学的X射线管有哪些呢?

如前所述,为了提高X射线管的功率,可以使阳极靶旋转,由于高速运动的电子流轰击靶面所产生的热量,被均匀地分布在转动的圆环面上,因为承受电子流轰击的面积因阳极旋转而大大增加(实际焦点的尺寸不变、空间位置不变),使热量分布面积大大增加,从而发射更强的X射线。

   

旋转阳极技术于20世纪70年代首次实现商业化应用。理学公司作为旋转阳极技术的全球领导者,在SmartLab等设备中展现出了技术优势。理学的旋转阳极发生器具备卓越的可靠性和使用寿命,功率可达9kW和18kW。


X射线衍射仪(XRD)多使用侧窗靶,常用的功率在2kW上下,理学Smartlab SE机型就是使用这种侧窗靶。X射线管壳上,通常有4个开口,分别为两个线焦斑和两个点焦斑,适用于不同的测试需求,常规的物相鉴定通常使用线焦斑,而织构测试则使用点焦斑。

     
     

理学旋转阳极X射线发生器

可以点击看大图

当然,除了理学的旋转阳极技术,

还有适配在其他的需要的X射线管!

下面我们用X荧光光谱仪(XRF)来举例

     


     
     
     
  • 能量色散型X射线荧光光谱仪(EDXRF)通常使用5~100W的侧窗X射线管如下动图,台式EDXRF常用50W的功率,手持式EDXRF常用5W的功率。也有部分EDXRF机型使用端窗X射线管的,比如理学EDXRF机型NEX CG II。

   
  • 波长色散型X射线荧光光谱仪(WDXRF)一般使用端窗靶,功率3~4kW,其结构示意图如下图。理学WDXRF的扫描道Primus系列和固定道Simultix系列,都是使用的端窗靶。

  • 上述X射线管中,无论是端窗还是侧窗,无论是固定靶还是旋转靶都是反射式光管,也是市面上主要的光管类型。近年来,透射式光管也取得了商业化应用,如理学EDXRF机型NEX DE。透射式X射线管的阳极设计与以往有显著不同,制作工艺较为复杂。阳极端靶材采用溅射镀膜的方式直接镀在Be窗内侧,电子轰击这层薄膜产生的X射线可以直接透过靶材和Be窗照射样品。由于散热的限制,为了使靶面不至于熔化,通常这种透射式光管功率比较小,以10W左右为常见。透射式光管的好处是具有较高的X射线产生效率和通量密度,12W的功率可获得具有相当于常规侧窗反射式光管50W的激发灵敏度。

   
     

在本篇推文中,我们和大家分享了在理学XRD和XRF使用的各种光管。实际应用中,由于不同的需求,X射线管还有很多不同的变体,比如双靶材的射线管、液态金属靶等,这些靶材中同时有两种金属,可以获得两种不同波长的特征X射线;工业透视和医学诊断的用的X射线管,往往激发电压远远高于XRD和XRF使用的30-60kV,工业CT使用激发电压甚至能达到200kV以上。这里不在展开,有兴趣的可以自行查阅相关资料。


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