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四种常见产生X-ray的方式

发布日期:2022-08-12浏览次数:99

在实际使用中,X-RAY有四种常见产生方式:X-RAY管、激光等离子体光源、同步辐射光源和X-RAY激光,对应产生机理分别如下:

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一、X-RAY管是利用高速电子撞击金属阳极靶产生X-RAY的真空电子器件;

该方式产生的射线包括电子束突然减速产生的韧致辐射和靶面金属内层电子弛豫产生的特征X-RAY两种类型。该过程中,仅有约1%电子动能转化为射线输出,其余部分则以热能形式耗散,靶面温度极高,因此,高功率X-RAY管常采用旋转阳极靶结构,通过不断变化电子束在阳极上的碰撞位置,降低靶面温度,减少对阳极靶损坏,并通过辅助制冷方式加快热量向外界传输。但高功率旋转阳极结构要求靶面在以大于6000r/min的速度旋转过程中保持极高的动平衡状态,这一直是X-RAY管制造领域的关键技术挑战。而近些年来发展起来的冷阴极脉冲电子发射技术,为解决这个条件提供了潜在的替代方案。其利用冷阴极电子发射响应速度快的特点,仅在X-RAY管有效工作的时间内开启,既可减少阳极靶承受的总热量,又可降低无效辐射剂量,性能优势明显;同时,结合冷阴极电子发射方向集中、能量散度小的特征,冷阴极X-RAY管在微纳焦斑、脉冲发射和便携设备开发方面具有潜在优势,已成为行业发展的重点关注方向。

二、激光等离子体X-RAY源是利用高强度激光脉冲(1014~1015W/cm²)照射固态靶面形成局域高温、高密度等离子体,进而发射X-RAY;

激光等离子体光源属于高强度点光源,可用于精密成像和高端制造领域。例如,在芯片制造中采用的软X-RAY投影光刻技术,利用激光等离子X-RAY源波长范围可控,光学结构相对紧凑的特点,开发出软X-RAY光刻技术,也称为极紫外光刻技术;同时,激光等离子体X-RAY源具有皮秒级脉冲宽度,可被用来观测晶格动力学过程,测量亚埃量级的晶格结构变化等。然而,高功率脉冲激光器光学结构相对复杂,对工作环境要求高,因此,该类 X-RAY源以高端制造和前沿科研领域内的应用为主。

三、同步辐射光源的原理是相对论性带电粒子在电磁场的作用下沿弯转轨道行进时所发出的电磁辐射;

该类光源具有频谱宽、连续可调、亮度高、脉冲窄和相干高的特性。同步辐射产生的X-RAY光源在开展凝聚态物理、材料科学、生命科学、资源环境及微电子技术等多学科交叉前沿领域具有重要应用,但其技术难度大,成本高,以科研应用为主。

四、X-RAY激光是利用高能泵浦工作物质(主要是核泵浦)或者利用周期磁场操控相对论电子束(自由电子激光器)而获得的宽波长、高亮度和高相干性的超短脉冲光源,以获得硬X-RAY输出为重 要目标,目前仍处于实验研究阶段;

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可见,为获得高质量X-RAY源,大量先进技术被采用,产生原理相对最初的电子束打靶已发生显著变化,但由于 X-RAY管结构简单、工艺成熟、操作方便、成本低,目前仍是常规应用领域内的通用产生方式。

 


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