1.X射线机的基本结构与类型
工业射线检测中使用的低能X射线机主要由四部分组成：X射线管、高压发生器、冷却系统和控制系统。图2.2-14所示为其原理图。
图2.2-14 X射线机工作原理
1—灯丝变压器 2—高压变压器 3—X射线管 4—X射线
X射线管是X射线机的核心器件，它是一个高真空器件，管内的真空度应达到1.33×（10-3～10-5）Pa。
高压发生器主要包括高压变压器、高压整流管、灯丝变压器，它们共同装在一个机壳中，里面充满耐高压的绝缘介质。高压发生器中的高压绝缘介质，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。
低能X射线机只能将电子能量的1%左右转换为X射线，99%左右的能量在阳极靶上转换为热量，这导致X射线管工作时阳极温度会迅速升高。因此，X射线机必须有良好的冷却系统，将产生的热量从阳极被带走。X射线机采用的冷却方式粗略地可分为三种：油循环冷却、水循环冷却、辐射散热冷却。
X射线机的控制系统主要包括高压电路、低压电路、控制与保护装置等，某些X射线机还有曝光参数测量、自动调整、存储等部分。
X射线机可以从不同方面进行分类，按照结构X射线机通常分为三类，即便携式（见图2.2-15）、移动式（见图2.2-16）和固定式（见图2.2-17）。表2.2-4列出了各类型X射线机的主要特点。表2.2-5和表2.2-6列出了便携式和固定式X射线机典型的主要性能。
图2.2-15 便携式X射线机
图2.2-16 移动式X射线机
图2.2-17 固定式X射线机
表2.2-4 X射线机的类型与特点
表2.2-5 典型便携式X射线机的主要性能
①条件：最高管电压，C5胶片，焦距为700mm，曝光量为20mA.min，铅增感屏为0.02mm，黑度=2.0。
②按EN12543标准测定。
表2.2-6 典型固定式X射线机的主要性能
①条件：最高管电压，C5胶片，焦距为700mm，曝光量为20mA.min，铅增感屏为0.02mm，黑度=2.0。
②按EN12543标准测定。
2.X射线管
（1）X射线管的基本结构X射线管的基本结构为在高真空的壳体中封装的阳极和阴极，图2.2-18所示为其结构示意图。
图2.2-18 X射线管基本结构示意图
1—壳体 2—聚焦杯 3—阴极灯丝 4—窗口 5—阳极靶 6—阳极
1）阳极。阳极主要由阳极体、阳极靶和阳极罩构成。阳极体为具有高热传导性的金属电极，阳极靶紧密镶嵌在阳极体上，典型的阳极体由无氧铜制作，阳极靶采用钨制作。阳极罩常用铜制作，它可以吸收高速电子撞击阳极靶时产生的二次电子。阳极罩朝向阴极方向有孔，电子从此进入阳极撞击阳极靶，侧面开有窗口，辐射出产生的X射线。
为适应不同的射线检测要求，设计了各种结构和形状的阳极，主要有周向辐射的平面形靶和锥形靶阳极、旋转阳极、棒状阳极等。
2）阴极。阴极由灯丝和一定形状的金属电极——聚焦杯构成。灯丝由钨丝绕成一定形状，聚焦杯包围着灯丝，它可以控制灯丝发射的电子束形状。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，都直接相关于X射线管的焦点。
3）壳体。X射线管的壳体主要有三种，一种是硅酸硼硬化玻璃，第二种是波纹陶瓷，另一种是以不锈钢管代替玻璃管壳，用陶瓷材料绝缘。相应地分别称为玻璃X射线管、波纹陶瓷X射线管、金属陶瓷X射线管。部分X射线管结构示意如图2.2-19所示。
4）微焦点X射线管微焦点X射线管的结构不同于普通X射线管，它采用了一套电子聚焦系统，以便形成很细的电子束。这种X射线管的工作电压较低，一般不超过160kV，管电流也远小于普通X射线管，一般不超过数百微安。图2.2-20所示为微焦点X射线管结构示意图。
（2）焦点
1）焦点概念。X射线管的焦点是阳极靶上产生X射线的区域。在射线检测中所说的焦点是有效焦点，它是指X射线机的实际焦点在垂直于管轴方向（辐射射线束的中心方向）投影的焦点形状和尺寸。图2.2-21比较了实际焦点和有效焦点。有效焦点一般简称为焦点。X射线管的焦点尺寸，随着使用的管电流和管电压的改变会发生变化，图2.2-22显示了变化的基本特点。
焦点尺寸包括长度（焦点平行于X射线管轴尺寸）和宽度（焦点垂直于X射线管轴尺寸）尺寸。一般认为，常规焦点尺寸为2～5mm；小焦点尺寸为0.2～0.8mm；微焦点尺寸为0.005～0.050mm。
图2.2-19 部分X射线管结构示意图
图2.2-20 微焦点X射线管结构示意图
1—阳极 2—静磁聚焦 3—准直线圈 4—预加速和静电聚焦 5—阴极
图2.2-21 实际焦点与有效焦点图
图2.2-22 焦点尺寸变化的基本特点
2）焦点尺寸测定方法。测量X射线管焦点尺寸的方法主要有五种，即扫描法、针孔法、缝形法、圆柱边界法、丝球边界法。扫描法直接测量X射线管的辐射强度确定焦点尺寸。针孔法和缝形法都是通过焦点成像，从焦点的像确定焦点尺寸。圆柱边界法、丝球边界法是通过测量不清晰度确定焦点尺寸，其中后者用于测量微焦点或小焦点。各种方法的适用范围见表2.2-7。(www.xing528.com)
表2.2-7 焦点尺寸测量方法的适用范围（EN12543：1999）
对工业X射线机日常测量焦点尺寸的方法，目前被较多标准采用的是针孔法。关于针孔法测量焦点尺寸的主要规定见表2.2-8。针孔法采用针孔板使焦点成像，针孔板的主要结构如图2.2-23所示，其主要尺寸规定见表2.2-9。针孔法测定焦点的基本透照布置如图2.2-24所示，测定的具体要求应符合有关标准的规定。
表2.2-8 针孔板尺寸的主要规定
图2.2-23 针孔板的主要结构
表2.2-9 针孔法测量焦点尺寸的主要规定
图2.2-24 针孔法的基本透照布置
试验证明，可以采用简易的小孔板进行X射线机日常的焦点尺寸测量。一种简易小孔板的基本结构如图2.2-25所示。该小孔板由两部分构成，一部分是适当厚度钢板制作的托板，另一部分是铅板。钢板中心区钻有一个较大尺寸的通孔，并铣出一定深度和面积的槽，用来放置铅板。铅板应平整，在中心制作出一个锥形小孔。图2.2-25中右侧分别是实际测定的250kV和150kV定向X射线机的焦点图像。
（3）X射线管工作特性
1）灯丝发射特性。在一定的管电压下，X射线管的管电流与灯丝电流的关系如图2.2-26所示，这个关系称为灯丝发射特性。从图2.2-26中可见，对于同样的灯丝电流，较低的管电压只能得到较低的管电流。
图2.2-25 简易小孔板的基本结构与测得的焦点图像
图2.2-26 灯丝发射特性
2）阳极特性曲线。在一定的灯丝加热电流下，管电流与管电压之间的关系如图2.2-27所示，这个关系称为阳极特性曲线。从图2.2-27中可见，在一定的灯丝电流下，即使采用较高的管电压也只能得到一定限度的管电流。
3）转换效率与辐射强度。在X射线管中，电子的能量只有一小部分转换为X射线，大部分转换为热，将转换为X射线的能量与总能量的百分比称为转换效率，它与管电压（电子能量）的关系如图2.2-28所示。
图2.2-27 阳极特性曲线
图2.2-28 转换效率与管电压的关系
X射线管的辐射强度与管电压、管电流相关，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，而且射线强度在空间不同方向是不同的。图2.2-29是管电压和管电流对谱强度分布的影响，图2.2-30是X射线管轴线上相对强度的分布，这常称为“侧倾效应”。
与X射线管焦点距离为F的空间一点处射线强度I为
式中 i——管电流；
Z——阳极靶物质的原子序数；
V——管电压；
α——比例常数，当管电压的单位取kV、管电流的单位取mA时，其值约为（1.1～1.4）×10-6；
F——空间一点与X射线管焦点距离。即，射线强度随距离加大按平方反比规律减小，这常称为射线强度减小的平方反比定律。
4）负载特性。X射线管负载特性，或者说X射线机的负载特性，给出的是X射线管所能应用的管电压、管电流范围及相互关系。负载特性由X射线管的阳极特性曲线、灯丝发射特性、X射线管的功率及允许采用的最高管电压决定。图2.2-31是典型的X射线管负载特性。
图2.2-29 管电流、管电压与原子序数对谱强度的影响
图2.2-30 侧倾效应
图2.2-31 X射线管负载特性
A—大焦点 B—小焦点
3.基本高压电路
X射线机的高压电路可分为两种类型，一种是自整流电路，另一种是非自整流电路。自整流电路中X射线管完成整流，其优点是结构简单，缺点是当逆电压加在X射线管两端时，如果阳极冷却不良，则可能产生反向电流。这种高压电路用于便携式X射线机。非自整流电路中设置了整流器件和相应的电路，完成整流并改善输入电压波形，提高了X射线的输出效率。图2.2-32是典型的自整流高压电路，图2.2-33是典型的非自整流高压电路。
4.X射线机的选用
选用X射线机时应考虑的主要方面包括管电压范围、管电压的调整跨度、焦点尺寸、窗口材料、辐射角、管电流范围等，此外还有工作方式、质量大小等。X射线机的管电压直接决定了产生的X射线的穿透能力，因此也决定了其适宜检测的材料和厚度范围。
图2.2-32 自整流高压电路
图2.2-33 非自整流高压电路
免责声明：以上内容源自网络，版权归原作者所有，如有侵犯您的原创版权请告知，我们将尽快删除相关内容。
