X射线机阳极靶及冷却系统设计

【学习目标】

1.了解X射线机的基本结构，掌握X射线机的分类。

2.熟悉X射线机的主要技术性能，能正确选择X射线机的类型。

3.掌握X射线机的使用、维护。

一、X射线机的基本结构

工业射线照相检测中使用的低能X射线机，简单地说由四部分组成：射线发生器（X射线管）、高压发生器、冷却系统、控制系统。当各部分独立时，高压发生器与射线发生器之间应采用高压电缆连接。

1.X射线管

X射线机的核心器件是X射线管，普通X射线管的基本结构如图2-1所示。它主要由阳极、阴极和管壳构成。

（1）阳极 阳极是产生X射线的部位，主要由阳极体、阳极靶和阳极罩组成。阳极的基本结构如图2-2所示。

图2-1 X射线管结构示意图

图2-2 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

阳极体为具有高热传导性的金属电极，典型的阳极体由无氧铜制作。其作用是支承阳极靶，并将阳极靶上产生的热量传送出去，避免靶面烧毁。

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，电子的大部分动能在它上面转换为热，因此阳极靶必须耐高温。此外，阳极靶应具有高原子序数，这样才能具有较高的X射线转换效率。所以，工业射线照相检验用的X射线管，其阳极靶采用钨制作。阳极靶的表面应磨成镜面，并与X射线管轴成一定角度，靶面与管轴垂线所成的角度常称为靶面角。阳极靶可以采用不同的结构，以产生不同的辐射。例如，常用锥形靶和平面形靶产生周向辐射X射线，也有的X射线机采用特殊的旋转阳极靶，它不仅可以改善散热状况，而且可以获得更高的管电流。

高速电子撞击阳极靶时会产生二次电子，二次电子可聚集在管壳上，形成一定电位，影响飞向阳极靶的电子束，阳极罩用来吸收高速电子撞击阳极靶时产生的二次电子。阳极罩常用铜制作，在朝向阴极方向有一小孔，阴极发射的电子从这个小孔进入，撞击阳极靶；阳极罩的侧面也有一个小孔，常用原子序数很低的薄铍板覆盖，称为窗口，阳极靶产生的X射线从此窗口辐射出来。

X射线管的阳极特性是指，在一定的阴极灯丝电流下，管电流与管电压的关系。图2-3所示为X射线管的阳极特性曲线。从图中可以看到，管电流最初随着管电压升高而增大，但当管电压达到一定值以后，管电流趋于饱和。产生这种饱和特点的原因是，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，这也就限定了低管电压下可使用的最大管电流。

（2）阴极 阴极是X射线管中发射电子的部位，它由灯丝和一定形状的金属电极——聚焦杯（阴极头）构成。灯丝由钨丝绕成一定形状，聚焦杯包围着灯丝。灯丝在灯丝电流加热下可发射热电子，这些电子在X射线管的管电压作用下，高速飞向阳极靶，最终通过轫致辐射在阳极靶产生X射线。

灯丝发射电子的能力随灯丝温度，也就是灯丝的加热电流而改变。当灯丝温度增高时，发射电子的能力也增大。由于钨的熔点高（3370℃），且蒸发率低，所以工业无损检测用X射线管的灯丝采用钨制作。灯丝的主要形状有圆形、线形、矩形等，灯丝的形状、尺寸及聚焦杯的形状、尺寸与灯丝的相对位置等，都直接影响X射线管的焦点。灯丝温度通过调节灯丝变压器的电压改变灯丝电流进行调节，过高的灯丝电流将会烧毁灯丝。

X射线管的阴极特性是指，在一定管电压下，管电流与灯丝电流之间的关系。图2-4所示为X射线管的阴极特性曲线。

（3）管壳 X射线管的管壳封出一个高真空腔体，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强度和电绝缘强度。工业射线检测常用X射线管的管壳主要采用玻璃与金属或陶瓷与金属制作。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。图2-5所示为波纹陶瓷X射线管的结构示意图。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射线管相比，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。

图2-3 X射线管的阳极特性曲线

图2-4 X射线管的阴极特性曲线

图2-5 波纹陶瓷X射线管的结构示意图

2.高压发生器

高压发生器由高压变压器、高压整流管、灯丝变压器和高压整流电路组成，它们共同装在一个机壳中，里面充满了耐高压的绝缘介质。高压发生器提供X射线管的加速电压——阳极与阴极之间的电位差和X射线管的灯丝电压。高压发生器中注满高压绝缘介质，目前主要是高抗电强度的变压器油，其抗电强度应不小于30～50kV/2.5mm。

高压变压器的结构与一般变压器相同，其特点是二次电压很高，但功率不大。为保证高压变压器具有足够的绝缘强度，在制造过程中应进行严格的绝缘处理，以防止以后发生击穿。

灯丝变压器的一次电压一般为100～200V，二次电压常为5～20V，必须解决的问题是一次绕组与二次绕组之间的绝缘问题。由于X射线管的阴极处于高压之中，而灯丝变压器的一次绕组处在低压线路之中，所以必须防止它们之间的高压击穿。正是由于这个原因，灯丝变压器必须置于高压绝缘介质之中。

3.冷却系统

对于常用的低压X射线机，X射线管只能将1%左右的电子能量转换为X射线，绝大部分的能量在阳极靶上转换为热量，加热阳极靶和阳极体。因此，为了使X射线管能正常工作，X射线机必须有良好的冷却系统，否则，阳极靶将被高热损坏。

X射线机采用的冷却方式粗略地可分为三种：

1）油循环冷却。这种方式采用油循环系统，冷却油从油箱泵进入射线发生器（X射线管的阳极端），从射线发生器的另一端（X射线管的阴极端）离开，带走热量，返回油箱。为了增强冷却效果，常又采用流动水冷却循环油。这种方式主要应用于固定式X射线机。

2）水循环冷却。这种方式使循环水直接进入射线发生器中X射线管的阳极空腔，水流出时带走热量。这种冷却方式只能用于阳极接地电路的情况，主要应用于移动式X射线机，也应用于油绝缘的便携式X射线机。

3）辐射散热冷却。这种方式主要应用于便携式X射线机。对于气绝缘的便携式X射线机，这种方式是在射线发生器的阳极端装上散热器，一般还装备风扇。通过散热器辐射和射线发生器外壳散热冷却。对于油绝缘的便携式X射线机，这种方式是依靠射线发生器内部的温差和搅拌油泵使油产生流动带走热量，通过机壳把热量散出。

4.控制系统

控制系统是指X射线管外部工作条件的总控制部分，主要包括管电压的调节、管电流的调节以及各种操作指示。X射线机的操作指示部分包括：控制箱上的电源开关，高压通断开关，电压、电流调节旋钮，电压、电流指示表头，计时器，各种指示等。

X射线机的保护系统主要包括每一个独立电路的短路过流保护、X射线管阳极冷却的保护、X射线管的过载保护（过流或过压）、零位保护、接地保护和其他保护。

5.高压电缆

移动式和固定式X射线机的高压发生器与射线发生器之间，应采用高压电缆连接。高压电缆的结构大体包括同轴芯线、绝缘层、半导体层、金属网、保护层，它的基本结构如图2-6所示。高压电缆在使用中最常见的故障是电缆端头处发生击穿。

二、X射线机的分类

工业X射线机可按照其外形结构、用途、工作频率等进行分类。

1.按结构划分

（1）携带式X射线机 这是一种体积小、重量轻、便于携带、适用于高空野外作业的X射线机，如图2-7所示。

（2）移动式X射线机 这是一种体积和重量都比较大、安装在移动小车上、用于固定或半固定场合的X射线机，如图2-8所示。

图2-6 高压电缆结构示意图

1—保护层 2—金属网 3—半导体层 4、6—绝缘层 5—同轴芯线

图2-7 携带式X射线机

图2-8 移动式X射线机

2.按用途划分

（1）定向X射线机 这是一种普及型、使用最多的X射线机，其机头产生的X射线沿40°左右的圆锥角辐射，一般用于定向拍片，如图2-9所示。

（2）周向X射线机 这种X射线机产生的X射线束向360°方向辐射，主要用于大口径管道和容器环焊缝拍片，如图2-10所示。

（3）管道爬行器 这是一种为了解决很长的管道焊缝拍片问题而设计生产的一种装在爬行装置上的X射线机。该机在管道内爬行时，用蓄电池提供电力和传输控制信号，利用焊缝外放置的一个指令源确定位置，使X射线机在管道内爬行到预定位置进行曝光，辐射角大多为360°方向，如图2-11所示。

图2-9 定向X射线机

图2-10 周向X射线机

3.按频率划分

按供给X射线管高压部分交流电的频率划分，可分为工频（50～60Hz）X射线机、变频（300～800Hz）X射线机以及恒频（约200Hz）X射线机。在同样的电流、电压条件下，恒频机穿透能力最强、功耗最小、效率最高，变频机次之，工频机较差。

4.按绝缘介质种类划分

可分为绝缘介质为变压器油的油绝缘X射线机和绝缘介质为SF₆的气绝缘X射线机。

图2-11 管道爬行器

三、X射线机的主要技术性能

从射线检测工作角度，X射线机的主要技术性能可归纳为五个：工作负载特性、辐射强度、焦点尺寸、辐射角、漏泄辐射剂量，此外还有其他一些重要指标，如工作方式、重量等，这些性能都直接相关于射线照相工作，在选取X射线机时应考虑上述性能是否适应所进行的工作。

1.工作负载特性

X射线机的工作负载特性，即X射线机可使用的管电压、管电流等特性，完整的特性常以工作负载特性曲线形式给出，典型的工作负载特性曲线如图2-12所示。(www.xing528.com)

X射线机的工作负载特性，实际上是由三方面的工作极限因素决定的。一是X射线机所采用的X射线管和高压发生器系统等所限定的高压范围，二是X射线管阳极特性曲线的限定，三是X射线管阳极能承受的最大允许功率的限制。这些限制作用共同决定了X射线机的工作负载特性。图2-13所示为X射线机的工作极限曲线。在实际工作中，X射线管的管电流受到阳极所能承受的最大允许功率的限制，所以灯丝加热电流、管电流和管电压都有一个极限值。X射线管在使用中，应控制在曲线的阴影区域内。Ⅰ区为灯丝加热电流限制区，此时管电压低，管电流趋于饱和。如仍追求提高管电流，势必要增大灯丝加热电流而超过其允许值。轻者使其寿命缩短，重者可能烧毁灯丝。Ⅱ区是最大管电流限制区，此时管电压没有达到最高值，但管电流已经很大了，再提高管电流就有可能烧毁阳极。Ⅲ区是额定功率限制区，在Ⅲ区已经达到了额定的管功率，若再提高管电压，则必须相应降低管电流；管电压的极限只能到D点，这是X射线管的额定管电压，如果超过这个数值，X射线管就有被击穿的危险。

图2-12 X射线机的工作负载特性曲线

图2-13 X射线机的工作极限曲线

X射线机的工作负载特性曲线给出了X射线机的工作特性，因此也就给出了其适宜检验的材料、厚度范围和工作的应用特点。从X射线机的工作负载特性曲线还可以看到，所能使用的管电流与所施加的管电压相关，也受到焦点尺寸的限制。

2.辐射强度

试验研究指出，X射线管辐射的X射线强度近似与管电压的平方成正比、与管电流成正比、与靶物质的原子序数成正比，这个关系可以表示成下式

I=αiZV²

输入X射线管的功率为Vi，所以X射线管的转换效率为

η=αiZV²/Vi=αZV（2-1）

从此式可以看到，对于低压X射线机，输入X射线管的能量只有很少部分转换为X射线，大部分转换成热量。例如，钨靶X射线管在管电压为100kV时，其转换效率仅为1%左右。X射线管辐射的X射线强度，在空间不同方向是不同的，X射线管轴线上相对强度的分布如图2-14所示，这常称为侧倾效应。

图2-14 X射线管辐射的侧倾效应

3.焦点尺寸

X射线管的焦点也就是X射线机的焦点，焦点是阳极靶上产生X射线的区域。由于焦点的形状、尺寸直接关系到射线照相所得到影像的质量，所以它是X射线机的一个重要技术指标。

图2-15所示为X射线机的焦点。X射线机的实际焦点是指电子束所撞击的阳极靶的面积，如果从不同方向观察X射线机的实际焦点，则可以看到不同的形状和大小。在射线照相中通常所说的焦点并不是实际焦点，而是所谓的有效焦点。有效焦点是指X射线机的实际焦点在辐射的射线束的中心方向观察到的焦点形状和尺寸，也就是实际焦点在垂直于管轴方向的投影。显然，有效焦点的形状和大小取决于实际焦点的形状和大小。在射线照相检验中，通常简称有效焦点为焦点。

图2-15 X射线机的焦点

a）有效焦点与实际焦点的关系 b）焦点形状

焦点的形状取决于灯丝绕制的形状，如果灯丝为圆形，则焦点也为圆形，如果灯丝为长条螺旋管形，则焦点将为长方形。国际标准化组织把常用的X射线机的焦点形状归纳为四种基本形状，即正方形、长方形、圆形、椭圆形，各种形状焦点的有效焦点尺寸d的计算式如下：

正方形：d=a

长方形：d=（a+b）/2

圆 形：d=a

椭圆形：d=（a+b）/2

4.辐射角

辐射角直接决定了X射线机可使用的辐照场，它由阳极靶的形状和阳极的设计决定。

在现在使用的X射线机中，定向辐射X射线机的辐射角一般为40°锥形辐射角，周向辐射X射线机一般为24°×360°或25°×360°的扇形周向辐射角，或者是12°×360°的半扇形周向辐射角。定向辐射X射线机的阳极靶为平面靶，靶面角（即靶面与X射线管轴垂线的夹角）为20°。周向辐射X射线机的阳极靶常采用锥形靶或平面靶，采用平面靶时靶面角为0°。

5.漏泄辐射剂量

我国辐射防护标准，对X射线机的漏泄辐射剂量作出了具体规定，表2-1是GBZ117—2006对X射线装置在额定工作条件下，距X射线管焦点1m处的漏射线空气比释动能率的规定。

表2-1 GBZ117—2006对X射线管头组装体漏射线空气比释动能率的控制

四、X射线机的操作程序

各种型号的X射线机控制部分的电路原理有很大差别，应按设备说明书的要求对它们进行操作，下面介绍通常的操作程序。

1.通电前准备

1）用电源线、电缆线将控制箱、机头、高压发生器以及冷却系统等可靠连接，保证插头接触良好。

2）检查使用电源电压是否为220V。

3）控制箱可靠接地。

2.通电后检查

接通电源后，控制箱面板上的电源指示灯亮，冷却系统开始工作（油绝缘机的油泵工作，气绝缘机的机头风扇转动）。

3.曝光准备

油绝缘机“kV”、“mA”调到零位，“时间”调到预定位置；气绝缘机“kV”、“时间”预置到规定位置。

4.曝光

按下“高压”通开关，红灯亮，表示高压已接通。

1）对于油绝缘机，均匀调节“kV”、“mA”到规定值；对于气绝缘机，调节“kV”到规定值。

2）冷却系统必须可靠工作。

5.曝光结束

1）对于油绝缘机，蜂鸣器响，“kV”、“mA”回零，高压切断，时间复位。

2）对于气绝缘机，蜂鸣器响，“kV”、“mA”灯灭，高压切断，时间复位。

6.曝光过程

如发现异常，可按下“高压”断开关，切断高压，分析原因后再考虑是否继续进行操作。

五、X射线机的使用注意事项

1.认真训机

不是连续使用的X射线机都必须按说明书要求进行逐步升高电压的训练，这一过程称为训机。训机的方法原则上按说明书要求进行。一般玻璃管X射线机，训机可以从额定管电压的1/3开始，电流从2～3mA开始，逐步将电压、电流升高到额定值，在升高电压的过程中要密切注意电流的变化，如“mA”不稳定，则应降低管电压重新训练，如反复数次仍然不行，则说明该X射线管真空度不良，已不能使用。

玻璃管X射线机训机升压速度的规定见表2-2。

表2-2 玻璃管X射线机训机升压速度的规定

金属陶瓷管X射线机对训机的要求更加严格，这种X射线机的控制部分一般都装有延时线路、自动训机线路等，如不按要求进行训机，则高压送不上，其训机规定见表2-3（250kV机）。

表2-3 金属陶瓷管X射线机的训机规定

2.可靠接地

X射线机是高压设备，为避免漏电和感应电的影响，控制箱和高压发生器都应可靠接地。

携带式X射线机由于工作场所是流动的，无法固定接地，因此要采用临时接地措施，常用的方法是利用工作场所附近的接地体，也可采用一根尺寸不小于ϕ10mm×300mm的接地棒，打入土中250mm深（选择潮湿的地方）便能满足要求。对于变频气冷式X射线机，严禁用电焊机地线作接地体，因为在电焊机引弧时，可能会发生高频感应电击穿控制箱内半导体元件的事故，造成不必要的损失。

移动式X射线机一般应采用固定接地，可参照电气设备接地要求去做，接地电阻应小于0.5Ω。

3.检查电源波动值

电源电压应符合X射线机说明书的要求，其波动值不超过±10%的额定电压，必要时应加调压器或稳压电源，以保证X射线机正常工作。

4.提前预热

X射线机送高压前，灯丝要提前预热2min以上，这对延长X射线管的使用寿命非常有利。

5.全过程冷却

X射线机在工作过程中要可靠冷却，油绝缘机主要检查循环油泵、冷却水是否正常，气体绝缘机检查机头上的冷却风扇是否工作。

6.间息时间

X射线机一般要求按1∶1的时间进行工作和休息，确保X射线管充分冷却，防止过热。