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透射式X光管研制

周亮 王文川 周林 李名加 梁川 章法强

周亮, 王文川, 周林, 等. 透射式X光管研制[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 025019. doi: 10.11884/HPLPB202032.190336
引用本文: 周亮, 王文川, 周林, 等. 透射式X光管研制[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 025019. doi: 10.11884/HPLPB202032.190336
Zhou Liang, Wang Wenchuan, Zhou Lin, et al. Development of transmission target X-ray tube[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 025019. doi: 10.11884/HPLPB202032.190336
Citation: Zhou Liang, Wang Wenchuan, Zhou Lin, et al. Development of transmission target X-ray tube[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 025019. doi: 10.11884/HPLPB202032.190336

透射式X光管研制

doi: 10.11884/HPLPB202032.190336
详细信息
    作者简介:

    周 亮(1980—), 男, 硕士, 高级工程师, 从事高功率脉冲气体开关研究; quartz0771@sina.com

    通讯作者:

    梁 川(1977—), 男, 硕士, 副研究员, 从事脉冲功率技术研究; lcjxm@sina.com

  • 中图分类号: TN752.5; TL51

Development of transmission target X-ray tube

图(6)
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-09-05
  • 修回日期:  2019-12-12
  • 网络出版日期:  2019-12-26
  • 刊出日期:  2019-12-26

透射式X光管研制

doi: 10.11884/HPLPB202032.190336
    作者简介:

    周 亮(1980—), 男, 硕士, 高级工程师, 从事高功率脉冲气体开关研究; quartz0771@sina.com

    通讯作者: 梁 川(1977—), 男, 硕士, 副研究员, 从事脉冲功率技术研究; lcjxm@sina.com
  • 中图分类号: TN752.5; TL51

摘要: X光管是X射线源的关键部件,为了研制出便携式X射线标定源,研制了一种透射式X光管。该X光管是一个密封的电子束真空二极管,其阴极为竖直的梳齿状结构,电子更容易发射;靶窗为100 μm厚的钛片;内部为真空腔,使用95陶瓷作为真空界面绝缘体,采用金属-陶瓷封接工艺,真空度达到5×10−5 Pa。实验结果表明,所研制的X光管在距靶窗20 cm处剂量约为20 mR,此时X射线的脉冲宽度约为5 ns。

English Abstract

周亮, 王文川, 周林, 等. 透射式X光管研制[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 025019. doi: 10.11884/HPLPB202032.190336
引用本文: 周亮, 王文川, 周林, 等. 透射式X光管研制[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 025019. doi: 10.11884/HPLPB202032.190336
Zhou Liang, Wang Wenchuan, Zhou Lin, et al. Development of transmission target X-ray tube[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 025019. doi: 10.11884/HPLPB202032.190336
Citation: Zhou Liang, Wang Wenchuan, Zhou Lin, et al. Development of transmission target X-ray tube[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 025019. doi: 10.11884/HPLPB202032.190336
  • 随着脉冲功率技术的发展,脉冲辐射模拟装置在相关领域发挥了重要作用[1-4]。脉冲X射线源作为辐射模拟实验平台用以满足脉冲工况下X、γ放射性测量探头的标定和溯源,广泛应用于脉冲辐射测试系统研制及性能研究、脉冲电离辐射计量和电子元器件抗辐射效应研究等领域[5-7]。X光管是X射线源的关键部件,它的性能特征决定了所产生X射线的品质、产额以及整个设备的运行性能。X光管一般有两种结构,一是正高压加载到锥形阳极上,刀口阴极发射电子轰击阳极产生轫致辐射X射线,称为反射式X光管;二是负高压加载到针形阴极上,发射电子轰击阳极金属薄膜产生轫致辐射X射线,称为透射式X光管。目前用于闪光照相的X光管主要以反射式X光管为主,可以得到较小的焦斑,有利于获取高速运动物体的瞬时图像,但其阳极材料烧蚀严重,寿命有限。而作为辐射探测标定用的X射线源对焦斑没有要求、只需要获得较高的X射线产额,其缺点是X射线的焦斑大。本文研制了一种透射式X光管,与反射式X光管相比,同样功率条件下,具有较高的射线产生效率和辐照通量密度。

    • 透射式X光管的阳极结构与反射式有明显的区别,它主要包括阴极、阳极(靶)及绝缘支撑部分。工作原理如图1所示,在高压强流的作用下,阴极产生电子流,电子轰击阳极产生轫致辐射,根据阳极端靶材的不同,因轫致辐射产生的X射线的特性也有所差异。与反射式相比,其具有较高的X射线产生效率和辐照通量密度。

      图  1  透射式X光管工作原理图

      Figure 1.  Principle of transmission target X-ray tube

    • 为了使整个X射线源结构紧凑、灵活机动,要求X光管能够具备脱离外界真空机组而维持高真空状态的能力,因此本文所设计的X光管是一个密封的电子束真空二极管,它包括阴极、阳极靶、陶瓷绝缘子和不锈钢外筒,其具体结构如图2所示。

      图  2  X光管结构示意图

      Figure 2.  Structure of X-ray tube

      X光管的阴极设计成竖直的梳齿状结构,以使电子更容易发射,具体而言,将不同长度的50 μm厚度的薄钨铁片按一定间距固定在直径34 mm的圆柱基座上,圆柱基座通过空心铜棒连接到X射线源的同轴传输线内电极上;轫致辐射阳极靶材料一般都采用高原子序数的材料,同时靶材厚度对X光参数的影响十分重要,本文的阳极靶为100 μm厚的钛片,与阴极的距离约为12.2 mm,为了防止钛片变形或破碎,使用镂空圆盘电铁基座支撑。

      X射线管高压支撑绝缘结构一般有两种:轴向绝缘(绝缘堆结构)和径向绝缘(绝缘子结构)。径向绝缘子采用径向的单个绝缘子实现油气分隔,主要优点是结构简单,便于高压绝缘处理,有利于系统的小型化。设计绝缘支撑时一般遵循以下要点:(1)结构简单,工程上容易实现;(2)尽可能降低三结合点(真空、介质以及金属电极交界处)附近的场强值;(3)使绝缘支撑沿面电场分布均匀,避免产生局部强场。根据此原则,X光管绝缘子采用锥形结构,一方面可以延长绝缘子沿面距离,另一方面可以使磁力线尽量不与绝缘子表面相交,从而避免回流电子轰击绝缘子。由于陶瓷出气率低、耐高温烘烤,且具备与金属钎焊的能力,因此,本文使用95陶瓷作为X光管真空界面绝缘体,同时,金属化连接的实现有利于提高X光管的真空度、实现长时间保真空的目的。

      利用陶瓷-金属钎焊技术封闭完成的X光管如图3所示,其尺寸为ϕ69 mm×115 mm,内部真空度可达5×10−5 Pa。

      图  3  X光管外形图

      Figure 3.  General view of the X-ray tube

    • 将研制的X光管安装于紧凑型纳秒X射线源上[8],如图4所示。整个装置具有体积小、重量轻、结构紧凑、灵活机动等优点。采用电容分压器加二级电阻衰减器测量形成线电压及X光管电压;X射线由光电管进行探测,位于X光管正前方20 cm。

      图  4  纳秒X射线源装置

      Figure 4.  Photograph of the nanosecond pulsed X-ray Source

      实验中调整油介质自击穿开关的间隙,使得脉冲形成线上的电压最大时开关击穿,所得典型的实验波形如图5所示,图中,通道1为形成线电压波形,通道2为X光管电压波形,通道3为X射线脉冲波形。当初级电容充电14.5 kV,二极管峰值电压为512 kV,半高宽为5.2 ns。光电管电压波形半高宽为5.6 ns,大于二极管上的电压脉宽,认为是电子束在传播过程中的时间展宽效应所导致。二极管束流大约为5 kA。X射线在轴线±65°范围内分布,轴向方向最强。

      图  5  典型实验波形

      Figure 5.  Typical waveform of the X-ray source (10 ns/div)

      测量了X光管的辐射剂量,剂量计位于靶窗正前方20 cm。图6为二极管辐射剂量分布图。根据电容C0充电电压和自击穿开关状态的不同,二极管电压在350~500 kV范围内变动,相应剂量值范围0~20 mR。实验时自击穿开关最佳工作点为500 kV,在450 kV下自击穿的晃动比较大,在二极管阻抗一定的情况下,输出剂量与加载到二极管上的实际电压成指数正比关系,所以实验获得的剂量波动范围较大;而在500 kV下自击穿的晃动比较小,所以实验获得的剂量波动范围也较小。

      图  6  二极管辐射剂量分布图

      Figure 6.  Radiation dose versus diode voltage

    • 本文研制了用于紧凑型X射线源的X光管,其采用密封的电子束真空二极管结构。阴极设计成竖直的梳齿状结构,以使电子更容易发射;阳极靶为100 μm厚的钛片;使用95陶瓷作为真空界面绝缘体,采用金属-陶瓷封接工艺,真空度达到5×10−5 Pa。实验结果表明,所研制的X光管在距靶窗20 cm处剂量约为20 mR。

参考文献 (8)

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