浅述X射线光源的发展历程
自有人类以来,眼睛这一器官让我们得以探知波长大约为380~700nm范围内的光/电磁波,并将其定义为可见光。十九世纪,人类陆续发现了更多的光/电磁波--红外线,紫外线,无线电波,微波,以及X射线。极大地丰富了我们对世界的认知与观察手段。
一般而言,对于宏观结构的探测,主要看波与物质之间的反射/投射/吸收等特性;而基于或限于衍射的微观尺度探测,则需波长与所需探测尺度相当的电磁波;而对于物质性质的谱学探测,则应考虑物质性质对应的能量与探测光的光子能量在同一个水平。
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图1X光在电磁波谱中的位置;摘自“https://www.chemistryviews.org/details/ezine/5283841/The_Electromagnetic_Spectrum/”
作为1895年由伦琴所发现的X射线(又名伦琴射线),自被发现以来就因其与物质作用的散射截面小,穿透性高,被用作物质内部结构的成像与探查,为工业与医学发展做出了贡献。其波长与原子间距相当,在布拉格衍射这一现象发现之后,X射线就成为了探测晶体结构的重要手段。其能量与原子内层电子能级相当,基于X射线谱学的多种实验方法,可用来分析元素种类/价态/配位/电子分布等信息。
这一神秘的电磁波一直引领着人类探索微观世界的脚步,从初代X射线管到同步辐射光源,直至现今的自由电子激光器,X射线光源的每一次进化,都是科技与人类认知的一次飞跃。
X射线源的发展
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图2X射线产生装置发展概览(摘自Excillum)
X射线被人类认识到的短短近130年里,X射线的发生装置发生了丰富多样的变化。这其中伴随着我们对X射线及其发生机制的认知,电气控制技术的发展,探测方法和硬件的发展,实验方法与系统对光源的需求等等。
本文主要讨论实验室里/日常工作所使用的获得X射线的方法,即在真空环境中使用高速电子流轰击靶材。暂不讨论同步辐射,自由电子激光等大型科研平台。
X射线管主要由产生电子束的阴极,接受电子束轰击的阳极,以及其他辅助部分组成。
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图3早期玻璃球管
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阴极电子发生装置
电子可以通过三种主要方式产生。这包括光电效应、热电子发射和冷阴极电子发射。
利用光电效应产生的电子作产生X射线光源在实验室并不常见,最大的用途还是属于同步辐射与自由电子激光等大型平台,比如利用种子激光轰击光阴极材料得到可继承其相干性与时空结构的光电子束。
自X射线诞生之初,电子发射通过我们现在称为冷阴极或电放电管来实现的,例如Crookes管,这类管子大约在1870年被发明,伦琴本人就是在1895年使用此类管子的过程中意外发现了X射线。有趣的是,冷阴极是指此类管子可以“冷启动”,并不意味着它在低温下运行。这个术语被发明,只是为了区别Coolidge于1913年发明的热阴极管的工作模式。
热阴极管需要先将灯丝(一般多用钨)加热到一定温度才能产生电子束,但其比需要克服较高材料表面势垒才能产生电子束的冷阴极,有着更稳定更高功率的电子输出,被发明以来迅速成为了市场主流,目前市面上绝大多数X射线管都属于热阴极管。
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图4飞利浦SRO33TM 100型光管的热阴极近照
冷阴极管虽然因早期功率难以提升配排挤出了市场,但随着材料的发展(碳纳米管等)和技术的进步(基于微纳结构的场发射FE技术),使其发射效率与功率得到了提高。且冷阴极本身拥有不需要额外加热,可产生脉冲型电子束等特点。这使得冷阴极管成为目前不少科研单位和仪器厂商的研发方向。
目前,在其他类似需要阴极电子发生装置的其他设备,特别是电镜/电子探针等更重视测量精度的仪器中,冷阴极/场发射方式因其可控性/电子能量单色性/空间相干性更好等特点,已经成为高端产品的标配。
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阴极聚焦
基于早期的Crookes光管结构,最早由德国汉堡的Mueller发明了阴极电子聚焦系统,使得电子束从在真空中自由传播变为了受电磁场约束更精准的轰击到靶材上,提高了X射线成像的分辨率。也为后来的X射线谱学打下了基础。
现在,随着离子光学的发展,我们已经有微米-纳米级别聚焦的实验室X射线源。
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图6早期的Coolidge型光管的凹形聚焦帽(左),来自GE;以及线聚焦器件(右),来自Mueller,后被飞利浦收购。
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阳极电子发生装置
阳极靶材
最初的X射线管非常简陋,阳极通常采用重金属如铂或金制成,因为它们能承受电子撞击产生的热量,但效率相对较低。
在X射线管的初期应用中,铜和铁曾被作为阳极材料,但由于其较低的原子序数,产生的X射线大多是能量较低的特征线,因而在需要高穿透的X射线成像领域表现欠佳。
钨具有高熔点和高原子序数的特点,使得它成为理想的X射线管阳极材料。由于钨能更有效地转换电子动能为更具穿透能力的X射线,并且能耐受更高的功率负载,因此逐渐成为医学与工业成像的标准配置。
与此同时,Cu靶与Mo靶X射线源,由于其特征辐射波长契合相关材料的晶体结构常数,常常分别被用于有机物和无机物的晶体结构检测;而Rh靶或Mo靶的X射线源在做XRF检测中常会带来更高的灵敏度;精细结构吸收谱选择X光管靶材时则需在其测试能量范围避开特征线的干扰;做宇宙X射线探测/成像的模拟实验时,则需要与宇宙X射线相近的特征X射线(如Al靶等低Z材料)。
固态靶,转动靶与液态靶
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图7西门子固态靶光管(1942)ERG 80 ö 带铜基底与散热片
尽管固态靶在不断发展,但总体而言在功率与功率密度上难以赶超上同一时期同一技术水平转靶光源。即使如此,因其结构简单,维护方便,输出稳定,在需要长时间稳定光源输出的领域以及空间有限的系统中仍然占据着重要地位,比如X射线分析仪器(XRF,XRD)以及牙科成像与C臂机等医疗设备。
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图8(左)转动靶光管结构示意图;(右)西门子Opti 150 30 50 光管,包含石墨基底的转动靶阳极
与固态靶的发展类似,转动靶也经历了从单一靶材到(靶材+高导热基底)复合靶的历程,并应用多种散热方式,以不断提高X光功率/功率密度。
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图9(左)第一台工业化转靶光源(Varian)及其轴承上的散热片结构(右)由三层金属组成的飞利浦Trinodex复合转靶盘
20世纪以来,液态金属流X射线管作为一种新型技术在商业上得到了应用。这种X射线管摒弃了传统的固体靶材,转而采用液态金属喷射流作为靶面,不断刷新的液态金属靶,它成功地突破了当下传统靶材因热负荷限制而导致的性能瓶颈。使其成为X射线衍射类与显微成像等关键指标为光源辉度(Brilliance)而不单纯是功率的应用中展现了极大的优势。
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图10 来自瑞典Excillum的液态金属流光源,带有液态合金靶材喷射与回收系统
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小结
CONCLUSION
随着材料科学、微电子技术和制造工艺的进步,将持续推动X射线管性能的飞跃,催生更高效、精确的探测工具。同时,科研界与工业界对实验方法的不断革新、对测试精度与效率的追求日益增长,将为X射线管的发展设定新的航向。这些需求不仅会推动X射线管向高灵敏度、高通量的方向发展,还将促进其智能化、自动化水平的提升,以适应未来科学研究和工业应用的多元化需求。
文案 omega·李
审核 凯尔西
编辑 凯尔西