3.2 X射线管
X射线是从X射线管里发射出来的，是一种能量转换的结果。X射线管的基本结构如图3-6所示。
X射线管可以看成是一个工作在高电压下的真空二极管，包含有两个电极：一个是用于发射电子的灯丝，作为阴极；另一个是用于接收电子轰击的靶材，作为阳极。根据阴极和阳极真空环境的形成方式，可将射线管分为开管和闭管。如果将两级均密封在高真空的玻璃或陶瓷外壳内则称之为闭管，如果采用外部真空泵抽真空则称之为开管。
图3-6 X射线管的结构原理
3.2.1 X射线的产生
当一束高速运动的电子流被物体骤然阻止，由于能量的转换会产生X射线。产生X射线应具备以下条件：
1）需要有一个高真空度的空间。在此环境条件下，才能产生自由电子，并能畅通无阻地运动。
2）分离出电子。电子来源于阴极灯丝，只要将灯丝加热（通过电流）至白炽状态，即有自由电子逸出。
3）施以加速电场。在高压电场的作用下，从灯丝分离出来的电子加速飞向阳极。
4）设置障碍物。在电子运动的途径上，设置一个耐高温的、高硬度的金属靶，用于阻止高速冲来的电子，使电子动能的一部分转换而产生X射线。
X射线管供电部分至少包含有使灯丝加热的低压电源和给两极施加高电压的高压发生器。当灯丝通过足够的电流使其产生电子云，且有足够的电压（千伏等级）加在阳极和阴极间时，电子云便被“拉”往阳极；高能电子在高速的状态下撞击阳极靶面时，运动突然受到阻止，其动能的一小部分（约1%）便转化为辐射能，以X射线的形式发射出来产生轫致辐射。改变灯丝电流的大小可以改变灯丝的温度和电子的发射量，从而改变管电流（X射线强度）；改变X射线管阴极与阳极之间的高压电场可以改变发射的X射线的能量。靶面受高能电子轰击后，绝大多数（约99%）动能转化为热能，使得靶面的温度升高甚至达到其熔点，所以需要对阳极靶进行结构设计和强制冷却。
理想的X射线管是焦点足够小，射线强度足够大。但由于受阳极靶材料的限制，目前单位面积可承受的能量不超过2kW/mm2。所以较小的焦点只能承受较小的功率，要提高射线管功率，需要相应地增大焦点尺寸。避免阳极过热的方法主要有对阳极进行强制冷却、采用倾斜靶面和使用旋转阳极等措施。
3.2.2 阴极特性
X射线管的阴极特性是指在一定管电压下，最大管电流与灯丝温度之间的关系。图3-7所示为X射线管的阴极特性曲线。
X射线管阴极的构造不仅决定了X射线管的焦点形状和大小，而且也影响到X射线管的热容量。灯丝一般是由钨丝绕制而成的，钨丝的直径和长度决定了X射线管的管电流和焦点尺寸，而钨丝绕制的形状决定了焦点的形状。X射线管的焦点形状大致分为圆焦点和线焦点（方形或长方形）两种，相应的灯丝也就绕制成圆盘形状和长条形状两种。如果在阴极里绕制有大小不同的两个灯丝，则称为双焦点灯丝。双焦点灯丝在工作时，只能选择其中的一个工作，用操纵台上的开关控制，这样的射线管称为双焦点X射线管。圆焦点的灯丝一般绕制成螺旋形，周围被金属碗状体的阴极罩所包围，用于聚焦从灯丝里发射出的电子，使其成为集中的一束，飞向阳极并打在靶的一个小点上。线焦点的灯丝绕制成长的螺旋管形，装在凹面阴极体的凹槽内对电子起聚焦作用，槽的形状、角度及灯丝的安装位置等都对聚焦的效果有影响。
图3-7 X射线管的阴极特性曲线
灯丝的温度越高，产生的电子数量越多，管电流也就越大。灯丝的温度是由通过电流的大小所决定的，对于特定的灯丝材料，温度不能超过其熔点，否则就会熔断造成射线管无法工作，例如，钨的熔点为3370℃，灯丝电流一般不超过5A。
3.2.3 阳极特性
X射线管的阳极是由阳极靶、阳极罩和阳极体所组成的，它起到阻止电子运动、进行能量转换以产生X射线的作用。阳极的基本结构如图3-8所示。
阳极体为具有高热传导性的金属电极，其作用是支撑阳极靶，并将阳极靶上产生的热量传送出去，避免靶面烧毁。为了提高靶材的散热效率，阳极体多选用无氧铜制成，并将它与阳极靶铸造在一起，然后把靶面磨得光亮如镜，因而阳极靶也称阳极镜。
阳极靶的作用是承受高速电子的撞击，产生X射线。阳极靶紧密镶嵌在阳极体上，与阳极体具有良好的接触。由于工作时阳极靶直接承受高速电子的撞击，电子大部分动能在它上面转换为热能，因此阳极靶必须耐高温。此外，阳极靶应具有高原子序数，才能具有较高的X射线转换效率。
图3-8 阳极的基本结构示意图
1—阳极罩 2—阳极体 3—放射窗口 4—阳极靶
高速电子撞击阳极靶时会产生二次电子，在管壳上聚集后会形成一定的电位，影响飞向阳极靶的电子束，因此需要安装阳极罩起到吸收二次电子的作用，同时可起到固定射线窗口的作用。当装上阳极罩后，二次电子只能落到阳极罩上而被吸收，使得管头外壳有了隔离效果。在射线出束方向上安装用较薄的铍板制成的射线窗口，对射线进行初次滤波，过滤掉波长较长的无用射线（软射线）。
X射线管的阳极特性是指在一定的阴极灯丝电流下，管电流（mA）与管电压（kV）的关系，如图3-9所示。
从图3-9中可以看到，管电流在最初随着管电压升高而增加，但当管电压达到一定值以后，管电流趋于饱和。产生这种饱和特性的原因是，灯丝发射的电子已接近全部到达阳极靶。当X射线管施加的管电压较低时，为了得到较大的管电流，只能采用更大的灯丝电流。但实际上灯丝电流也只能在一定范围内调整（避免熔断），这也就限定了低管电压下可使用的最大管电流。
阳极靶直接承受从阴极飞来的高速电子的撞击，可将电子能量的少部分变成X射线，绝大部分能量在它上面转换成了热能，因而靶材应该是既坚硬又耐高温。金属钨具备这些条件，因此现代X射线管的靶大多由钨制成。产生X射线的总强度由式（3-1）决定：
图3-9 X射线管的阳极特性曲线
式中 I——X射线强度；
K——比例常数；
Z——阳极靶材料的原子序数；
i——管电流；
U——管电压。
从式（3-1）可以看出，X射线的强度与靶材的原子序数有关，原子序数越大，射线强度也就越大；X射线强度正比于管电流和管电压的平方。对于特定的X射线管，随着管电压的增加，射线强度成平方关系增加；增加管电流，射线强度成比例关系增加。
3.2.4 射线管封装
X射线管有闭管和开管两种封装方式。
闭管是用X射线管的管壳封出一个高真空腔体，并在腔内封装阳极和阴极，管内的真空度应达到1.33×（10-3～10-5） Pa。管壳必须具有足够高的机械强度和电绝缘强度。工业射线检测常用的X射线管的管壳主要采用玻璃、 陶瓷和金属-陶瓷制作。采用玻璃与金属制作管壳的X射线管称为玻璃X射线管。采用陶瓷与金属制作管壳的X射线管分为两类，一类是金属-陶瓷X射线管，另一类是波纹陶瓷X射线管。金属陶瓷X射线管以不锈钢管代替玻璃管壳，用陶瓷材料绝缘，与玻璃管壳的X射线管比较，它的主要特点是结构牢固、 寿命长，现在已经是X射线管的重要类型。波纹陶瓷X射线管是广泛应用的另一类X射线管，它与金属陶瓷X射线管具有类似的特点。普通玻璃X射线管的寿命一般为400～500h，陶瓷X射线管的寿命一般在1000 h以上，金属陶瓷X射线管的寿命在2000 h以上。这里所说的寿命是指X射线管的辐射量降低到规定值的80%以下，并不是指X射线管本身损坏。工业用X射线管一般制成固定式，按射线辐射的方向可分为定向辐射和周向辐射两种。
所谓闭管就是X射线管在出厂时就是一个真空管，当管头真空度下降到一定程度、阴极灯丝熔断或阳极靶表面呈现不光滑状态时，射线管即视为损坏且无法维修。所谓开管就是灯丝和阳极工作的真空环境是通过外部真空泵抽真空来实现的，射线管工作前，真空泵首先使管内达到较高的真空度。这种设计的优点是可以更换阴极灯丝，可以更换阳极靶和改变形状获得不同特性的X射线。
3.2.5 X射线管的典型结构
通过改变X射线管灯丝和阳极的形状、材质、封装结构和散热方式，可以制作出具有不同特性的、能满足不同应用需求的X射线管。
1.侧窗式固定阳极X射线管
侧窗式固定阳极X射线管在常规无损检测领域应用最广泛。这种射线管的基本特征是阳极靶位置相对固定且倾斜一定角度，射线从管子的侧面窗口发射出来，其基本结构原理如图3-10所示。
在阳极靶上存在一个接受高速电子撞击并产生X射线的物理区域，即焦斑。该区域面积越大，可承受的能量越高，产生射线的穿透能力也越强。
图3-10 侧窗式固定阳极X射线管结构
X射线管标注的焦点尺寸实际上是物理焦斑在垂直于窗口方向的投影尺寸。对于一定尺寸的焦斑，阳极靶的倾角不同，焦点的测量值也不同，所以可以通过改变阳极靶倾角来改变焦点的大小。倾角越小，焦点尺寸也越小，图3-11所示为两种焦斑大小相同但阳极靶倾角不同时焦点尺寸的变化。可以看出，辐射角度和焦点大小取决于阳极靶的靶角和焦斑尺寸。
图3-11 靶角对焦点尺寸的影响
1—电子 2—阳极靶 3—焦点 4—阳极体 5—焦斑
阳极靶上具有相同尺寸的焦斑，随着靶角α的增加，焦点尺寸变大。换句话说，不同的靶倾角要获得同样大小的焦点尺寸，其焦斑大小也是各不相同的。图3-12所示为获得1mm×1mm的焦点尺寸，靶倾角分别为11°、20°和30°时对应的焦斑物理尺寸。
用数学公式可以表达为
图3-12 1mm×1mm焦点对应在不同靶角上的焦斑尺寸
式中 Ltherm——焦斑尺寸；
Lopt——焦点尺寸；
α——靶倾角。
由此可知，在灯丝结构和安装位置不变的条件下，通过改变阳极靶的倾角就可以获得不同的焦点尺寸。
侧窗式固定阳极X射线管有玻璃管、波纹陶瓷管和金属陶瓷管三种主要结构形式。玻璃管和陶瓷管经常用于便携式X射线源，金属陶瓷管主要安装在固定式X射线源中，由于技术水平和工艺复杂程度不同，它们之间存在较大的价格差。图3-13所示为几种主要的侧窗式固定阳极X射线管。
图3-13 侧窗式固定阳极X射线管
2.侧窗式旋转阳极X射线管
对于固定阳极X射线管，电子束一直轰击靶上的固定位置，由于散热困难和易于形成局部熔化的凹凸，管子寿命会受到影响，为此发明了旋转阳极X射线管，其结构和实物如图3-14所示。
在旋转阳极X射线管中，由于阳极不断地旋转，使热量分布在一个环形的面积上，大量增加了散热面积，显著降低了阳极温度，在相同的温度下可极大地提高射线管功率。
图3-14 旋转阳极X射线管
1—转子 2—定子 3—轴承 4—外壳 5—灯丝 6—电子束 7—钼颈和基座 8—循环系统
3.反射式X射线管（端窗式）
反射式X射线管灯丝与阳极靶不在一个轴线上，电子反向撞击阳极靶产生X射线，这种结构适合于产生软射线，反射式X射线管的结构如图3-15所示。
图3-15 反射式X射线管结构
1—电子束 2—灯丝 3—绝缘油 4—玻璃 5—冷却水 6—靶 7—Be窗
反射式X射线管的结构简单、价格便宜，但其产生X射线的效率极低，射线束比较窄，反射角都比较小。通过反射可产生数十千伏的X射线，在无损检测中很少应用，主要用于X射线荧光光谱仪。
4.透射式X射线管
透射式X射线管的阳极是一种薄膜材料，电子轰击阳极靶后产生的X射线直接穿透阳极而发射出来，这种结构在微焦点X射线源中被广泛使用，透射式X射线管的结构如图3-16所示。
图3-16 透射式X射线管结构
透射式X射线管放弃了反射式的厚靶，而选择了厚度可精确到微米的透射式靶。铍窗位于管头的端面上，阳极靶仅为厚度几个微米的一层镀在铍窗内侧的薄膜，电子轰击这层薄膜产生射线可直接穿过薄靶和铍窗发射出来。与反射式相比，同样功率条件下，X射线产生效率更高，射线束角度更大。透射式X射线发射技术主要用来制造微焦点X射线管，图3-17所示为一种典型的透射式微焦点X射线管。透射式微焦点X射线管的阴极结构除了在阴极前方加入控制栅极外，还要设计一个聚焦栅来控制焦斑的变化。阳极靶的靶材首先要保证薄膜能够牢固地附着在铍窗上面，具有较大的结合能，不易被高速电子轰击而脱落或熔化，热膨胀系数和晶格常数要与金属铍相匹配，常用的材料主要有Ag、Pd、Sc、Cr等。
图3-17 透射式微焦点X射线管
阳极靶的冷却同样重要。侧窗式X射线管采用的是负高压，靶面热量通过铜杆传导到管外，直接用自来水冷却即可。透射管因为阳极接的是正高压，需要使用去离子水或油进行冷却。为了防止水流导电，冷却水路不能接地。
透射式X射线管也是从端窗进行射线发射，但与端窗式X射线管的不同之处在于前者是透射式，后者是反射式。
5.周向X射线管（平靶、锥靶）
当阳极靶呈锥形或平面时，电子束产生的X射线向360°方向发射，产生周向X射线。周向X射线管的结构如图3-18所示。
图3-18 周向X射线管的结构
锥靶产生的X射线基本上是对称的，平靶产生的X射线具有非对称性。周向X射线管在管道或其他对称性物体检测时可以实现全景曝光，从而提高射线辐照范围。
6.棒阳极X射线管
棒阳极X射线管是专门为窄小空间的X射线检测而设计的。棒阳极X射线管的射线发射窗口位于阳极棒的顶端，阳极棒直径仅为几毫米至数十毫米，可以深入非常细小的空间内实现单壁单影透照。为了减小影像的几何不清晰度，常将棒阳极射线管设计成微焦点。根据阳极靶的形状可以分为周向锥靶、周向平靶、反射式靶和透射式靶，如图3-19所示。
图3-19 棒阳极X射线管结构形式
阳极棒的长度可以达到1500mm，直径一般为3~80mm，能量可以达到450keV。棒阳极X射线管经常会采用开管结构，可通过更换灯丝、阳极棒材质和形状得到不同特性的X射线。棒阳极X射线管制造的核心技术是管内的密封技术、真空和真空保持技术以及阳极冷却技术。
图3-20所示为利用棒阳极技术和微焦点技术制造的微焦点棒阳极X射线管。从图中可以看出，该类型射线管结构比较复杂，包含了射线管、靶冷却、涡轮真空泵、真空压力传感器和电子驱动单元等。
图3-20 棒阳极微焦点X射线管（开管）
3.2.6 焦点尺寸与视角
焦点尺寸是射线管的重要参数，在几何放大倍数的作用下焦点在检测图像上会产生几何不清晰度，如图3-21所示。
图3-21 焦点对几何不清晰度的影响
在相同几何放大倍数条件下，焦点尺寸越大，几何不清晰度也越大，所以要对焦点尺寸进行适当的控制。
不同的射线管具有不同的焦点尺寸，可采用不同的方法进行测定。图3-22所示为几种典型射线管的焦点测量图像。
图3-22 射线管的焦点图像
从图3-22中可以看出，不同的射线管的焦点的形状和大小各不相同。射线管焦点由于受阴极灯丝的形状、安装位置和阴极罩形状的影响呈不规则的几何形状，存在较大的明暗差别。
测量焦点尺寸的方法有许多种，根据焦点尺寸的不同，测量方法也是不相同的。对于常规焦点尺寸，国际上测量焦点尺寸方法的标准主要是ASTM E1165和EN12543，但测量结果不同。
图3-23所示焦点的影像，ASTM E1165标准的测量值是0.5mm×0.5mm，EN 12543标准的测量值是0.7mm×0.6mm，EN 12543标准的测量结果明显偏大。研究发现，按照EN12543对焦点尺寸的测量结果跟图像分辨率没有直接的关系，而ASTM E1165的测量结果与分辨率的联系则非常紧密。
对于侧窗型X射线管，测量得到的是名义上的焦点尺寸，该尺寸是在垂直于窗口位置观察到的焦点大小。实际上，在不同的视角（不同的辐射角）焦点的形状和大小也是不相同的，如图3-24所示。
图3-23 焦点尺寸与测量
图3-24 视角与焦点的关系
对于一定的检测区域，因为焦点存在的视角特性会使得不同检测位置的焦点尺寸也不相同。成像区域的辐射角越大，焦点尺寸的差别也越大。换言之，在几何放大的条件下检测图像上的不同区域具有不同的几何不清晰度。为了减小这种影响，需要减小检测区域的射线辐射角，最有效的办法是适当提高焦点至探测器的距离（采用长焦距），使得焦点尺寸的变化范围最小化。
图3-25所示为四种阳极靶倾角沿轴向视角变化时引起的焦点尺寸变化结果。
图3-25 轴向视角变化与焦点尺寸
随着轴向视角从负向正变化，焦点宽度不变，但长度逐渐增加。以11°靶倾角为例，若测量焦点长度为1mm，-10°视角的焦点长度仅为0.1mm，20°视角的焦点长度约为2.7mm；对于45°倾角阳极靶，若测量焦点长度为1mm，-10°视角的焦点长度仅为0.9mm，20°视角的焦点长度约为1.2mm。可以看出，阳极靶倾角越大，轴向视角引起的焦点尺寸变化越小。
图3-26所示为沿垂直于轴向的视角变化时焦点的尺寸变化。
图3-26 垂直于轴向的视角变化与焦点尺寸
注：1.无论是正的还是负的视角，焦点宽度的变量是相同的。
2.对于11°靶倾角的焦点宽度是关于因数2.7的变化。
3.对于30°靶倾角的焦点长度是关于因数1.5的变化。
随着视角的增大，焦点的长度不变但宽度增加。以30°靶倾角为例，若测量焦点长度为1mm，25°视角的焦点宽度为1.5mm；以45°靶倾角为例，若测量焦点长度为1mm，25°视角的焦点宽度为2.7mm。
对于锥靶和平靶周向X射线管，焦点随视角变化的特性也依然存在。图3-27、图3-28所示分别为锥靶和平靶视角与焦点变化的示意图。
图3-27 锥靶视角变化与焦点尺寸
图3-28 平靶视角变化焦点尺寸
θ—视角
了解焦点尺寸随视角的变化规律，对于射线数字成像设备的调试具有重要作用。通过以上分析可知，在不同的成像区域由于视角的改变，相应的焦点尺寸实际上是不一样的，在检测图像上就意味着图像分辨率的改变，因此图像分辨率应该在不同的位置进行测量，一般选择左上、左下、右上、右下和中心区域。
3.2.7 负载特性
管头的负载特性是指mA-kV关系曲线。虽然射线管的功率可以表示为：P（W）=Itube（mA）×Utube（kV），但是射线管只有当kV值达到一定数值时才能达到相应的功率，图3-29所示为射线管功率特性示意图。
负载特性曲线一般分成3个区域：辐射限制区、能量限制区和允许工作区。图3-30所示为射线管工作区域设置不当造成的管头损坏情况。
在发射限制区，管电流最大、灯丝温度最高、灯丝寿命最短。当kV值较低时，到达阳极的电子较少，要达到一定的功率需要阴极温度很高才能产生大量的电子，也即灯丝电流必须很大。当灯丝电流一直工作在大电流时，灯丝损耗严重，寿命缩短，容易熔断造成管头损坏，如图3-30a所示。当管电流达到高压发生器输出最大电流时，管电流不再继续升高。在功率限制区，射线管的功率最大、阳极靶的温度最高，稍有不慎会引起阳极靶上的焦斑熔化，如图3-30b所示。
图3-29 射线管的功率特性
图3-30 射线管损坏情况
射线管的负载特性是设计X射线源控制系统的重要参考依据。首先应该避免射线管工作在辐射限制区，在控制系统设计时使用起步电压（最小管电压值）来控制；其次，利用射线管功率来计算不同管电压时允许的最大管电流，应采用恒功率工作模式来避免工作在辐射限制区。
3.2.8 射线管的辐射场特性
从窗口发射出来的X射线形成一个辐射场，在各个方向的剂量、能量分布特性称为射线管的辐射场特性。X射线的强度取决于许多因素，如射线管功率、阳极靶材质、窗口的固有滤波器、辐射范围、靶倾角等。
图3-31所示为不同的阳极靶倾角沿射线管轴向的射线强度分布。
可以看出，随着靶倾角的增加，沿射线管轴线方向的射线强度也增加；越靠近阴极（灯丝）射线强度越大，越靠近阳极靶，射线强度越小。
图3-31 阳极靶倾角对射线管轴向强度分布的影响
图3-32所示为不同射线能量对射线管轴向的剂量分布影响。
随着射线能量的增加，剂量也随之增加。越靠近阴极（灯丝）射线剂量越大，越靠近阳极靶，射线剂量越小。
图3-31和图3-32揭示了一个共同的现象，即越靠近阳极靶射线剂量越低，这个现象称为“趾跟效应”。趾跟效应是由于阳极靶对射线的自吸收引起的。
图3-33所示是垂直于射线管轴向方向的射线剂量分布。可以看出，该方向上射线剂量变化较小，具有较好的均匀性。
图3-32 不同射线能量对射线管轴向的剂量分布影响
图3-33 不同射线能量时垂直于管头轴向的剂量分布
为了提高射线剂量分布的均匀性，一种有效的方法是使用滤板技术，如图3-34所示。
图3-34 滤板对剂量分布的影响
可以看出，使用外部滤波器（铜、铝等材料），吸收射线光谱中的波长较长的射线，只让波长较短的射线穿过，可以有效改善射线剂量的分布不均匀性。
3.2.9 X射线管阳极的冷却方式
X射线管阳极的冷却方式可以分为油循环冷却、水循环冷却和热辐射自冷却三种。
1.油循环冷却
在射线管阳极体的空腔内注入冷却变压器油在阳极体内循环，直接把阳极靶传导来的热量带走。此种冷却方式效果较好，但需要增添油循环冷却系统，所以多在体积较大的移动式或固定式X射线机上采用。
2.水循环冷却
因为水是导电的，所以采用水循环冷却的X射线管的阳极必须是接地的。水循环冷却效果最好，可直接用自来水冷却，也可安装制冷机提高冷却效率和自动调节冷却水温度并实现自动控制。
3.热辐射自冷却
将X射线管的阳极体制成实心的，并一直延伸到管外，在其端头装上散热器。散热器也可制成叶片式的，若X射线管阳极接地，则散热器还可装在射线管的外面，用空气循环散热。这种方式冷却效果不如前两种好，不经常使用。
3.2.10 X射线管的老练硬化
虽然X射线管在制造过程中，电极和管壳都经过了严格的排气处理，但停置一段时间后或由于过热，X射线管仍然能够析出气体来，因而可导致气体放电，管电流剧增而使X射线管损坏。
气体可从射线管各部件（分）放出来，而某一部件（分）放出的气体又可能被另一部件（分）所吸收，因而内部气压变化不定，电流表指示也跟着摇摆不定。如遇到此种情况，就应对X射线管进行老练硬化处理。处理时，一般是从额定管电压的1/3、管电流1～2mA开始，在0.5~1h内，逐步升高管电流和管电压，直至额定条件下能够稳定使用为止。现代先进的X射线机都有X射线管的老练硬化训机程序，应严格遵照X射线机使用说明书的要求，逐步进行。