谭承君1，2
（1.清华大学 工程物理系 加速器实验室；2.粒子技术与辐射成像教育部重点实验室）
摘 要：X射线管在安全检查和无损检测领域具有广泛的应用，传统X射线管工作时都是直流出束，本文研究的脉冲X射线管可以根据使用需求，触发射线管发射脉冲X射线，在脉冲持续期间提供高出直流射线源几倍到十倍的X射线剂量。脉冲X射线管选择钡钨阴极作为电子发射体，并在钡钨阴极前放置栅控电极，实现对电子束的控制。脉冲X射线管耐压225 kV，焦点小于2.0 mm，脉冲电流可达70 mA以上，脉宽20～5000 µs连续可调。图像实验结果表明，由该脉冲射线源组成的成像系统具有良好的时间分辨率和空间分辨率，在获得相同图像指标的情况下，使用脉冲射线管所需的射线剂量约为直流射线管的40%，这可以降低被检物体的吸收剂量，同时减小设备体积、重量和辐射防护压力。
关键词: 脉冲X射线管；栅控电子枪；钡钨阴极；X射线成像安全检查和工业无损检测领域使用的单级X射线管大多是直流出束，其高压通常在40～300 kV之间，流强通常在0～20 mA之间。本文研究的脉冲X射线管可以在脉冲持续期间提供高出直流射线源几倍到十倍的X射线剂量，实现对快速运动的物体拍照，提高成像系统的时间分辨率，减小运动带来的伪影，提升图像质量；同时由于脉冲期间射线源的剂量较大，可以缩短成像时间，进而降低探测器电子学系统的噪声，提高信噪比，提高图像质量；另外，在多视角应用场合，采用脉冲X射线源可以实现“多源一探”的结构，多个射线源分时共用一组探测器，缩小多视角设备的体积，降低成像设备成本。
脉冲X射线管是实现脉冲剂量输出的核心部件之一，主要由栅控电子枪、聚焦电极、阳极靶、冷却水路、高压/灯丝/栅控引入、管体等部分组成，如图1所示。工作时电子束从阴极发射，在高压电场的作用下向阳极加速，最终与阳极作用产生X射线。
1.1 栅控电子枪
栅控电子枪是实现电子束控制的关键部件，主要由钡钨阴极、栅网及其相关支撑组件组成，如图2所示。该电子枪选择的钡钨阴极直径为2.8 mm，发射电流可达200 mA以上。工作时钡钨阴极的发射体被热子加热至1100℃左右，发射体内的活性物质被加热还原产生自由的Ba原子，Ba原子沿着发射体的多孔结构向外迁移至阴极表面形成Ba原子层，降低阴极的逸出功，提高阴极的发射能力。当栅控电极相对于阴极处于负电位时，阴极被抑制，不发射电子；当栅控电极相对于阴极处于正电位时，阴极发射电子，其发射电流与栅控电压成正相关关系。
栅网的选择需要考虑到拦截率、阴极表面电场及其均匀性等问题。栅网拦截率太大，会降低束流利用率，大量电子被栅网俘获，引起栅网发热变形。栅网拦截率太小，会导致栅丝较细或者栅丝间距较大，使得阴极表面电场不均匀，引起阴极发射不均匀。栅网与阴极的距离也会影响阴极表面电场均匀性，距离越远阴极表面电场越均匀，但要获得相同发射电流所需的栅压就越高，对栅压脉冲控制提出了新的难度。综上，该射线管选择物理透明度约76%的钼材质栅网，栅网与阴极相距0.5 mm，满足使用要求。实际栅网透过率与阳极高压、运行束流相关，在180 kV×30 mA的条件下，实测栅极电流约6.2 mA，栅压45 V，栅网透过率约82.9%，栅极平均功耗约0.14 W(按占空比50%计算）。
1.2 射线管焦点优化
焦点尺寸是射线源的核心指标之一，直接影响图像质量的好坏。本文设计的脉冲射线管主要针对乘用车辆检查系统，要求焦点尺寸不大于2.0 mm。影响焦点尺寸的主要参数包括阴阳极距离、聚焦孔尺寸、阴极距离聚焦孔的高度、脉冲束流、高压等。其中阴阳极距离决定着射线管最高场强，直接影响射线管的耐压能力，为了保证射线管耐压225 kV，阴阳极距离设计为25.0 mm，阴极距离聚焦孔的高度参考直流射线管的参数，取15.0 mm。为了确定聚焦孔尺寸，采用CST软件模拟不同聚焦孔参数下的焦点尺寸。
射线管采用反射式阳极靶，焦点在X方向（扇角方向）的尺寸与电子束在X方向的宽度相同，焦点在Y方向（锥角方向）尺寸为电子束在斜靶上压缩后的尺寸。聚焦孔采用椭圆结构，长轴主要影响X方向的焦点，短轴主要影响Y方向的尺寸。图3给出了模拟得到的焦点尺寸与聚焦孔短轴的关系。
由图可知，Y方向焦点随聚焦孔短轴的增加而减小，这是因为电子束处于过聚焦状态，聚焦孔增大时，聚焦力变弱，因此焦点变小。X方向焦点随聚焦孔短轴的增加而增大，这是因为Y方向的电子束尺寸变小，从而导致X方向焦点开始变大。射线管焦点越小，图像质量也就越好，但是焦点太小会导致靶点温度过高。综上考虑，选择聚焦孔短轴为15 mm，此时Y方向焦点尺寸约为1.86 mm，既能满足乘用车辆安全检查的需求，也不至于靶点温度太高。但此时X方向的焦点尺寸约为0.87 mm，焦点太小，通过模拟优化椭圆聚焦孔的长轴，可以调整X方向的焦点尺寸，如图4所示。
从图4可知，X方向焦点随聚焦孔长轴的增大而减小，这是因为X方向的电子束也处于过聚焦状态，聚焦孔越大，聚焦能力越弱，焦点就越小。综合考虑成像应用和靶点热问题，管子选择聚焦孔长轴为20 mm,此时焦点的模拟值为1.71 mm×1.82 mm。
图5（a）给出了在聚焦孔为15 mm×20 mm时的电子束轨迹，图5(b)给出了根据前面模拟的参数，研制出的脉冲X射线管实物照片。
2.1 脉冲射线管的发射性能
射线源参数的测试主要包括脉冲电流、焦点尺寸、耐压能力等指标。图6给出了外加同步信号触发产生的脉冲电流信号和脉冲电流与栅压的关系。由图可知，当阴极温度较低时，小电流发射下阴极工作于空间电荷限制区，大电流发射下阴极工作于温度限制区。当阴极温度较高时，阴极发射处于空间电荷限制区。在阴极加热电流为1.15 A、栅压为120 V时，脉冲电流可达110 mA，可以预见，当栅压增大，可以获得更大的脉冲电流。另外，由于射线管选择了钡钨阴极，其加热功率（≤8.0 W）较传统采用钨丝阴极的直流射线管降低了一倍多，这对降低阴极端的整体温度、提高射线管稳定性都有益处。
2.2 脉冲射线管的焦点实验
焦点是射线管的重要参数之一，图7给出了在180 kV、30 mA条件下的实测焦点图像，与传统采用钨丝阴极的直流射线管不同，脉冲射线管的焦点在X、Y两个方向呈高斯分布，如果取最高剂量15％宽度为焦点尺寸，那么180 kV、30 mA下的焦点尺寸约为1.87 mm×1.81 mm，与模拟结果（1.71 mm×1.82 mm）基本一致。
传统直流射线管在不同电压和电流下的焦点尺寸基本相同。本文研制的脉冲射线管阴极结构与传统直流射线管不一样，并且工作电流范围（5.0～70.0 mA）明显大于直流射线管，不同电流下的空间电荷效应不一样，因此在不同脉冲束流下的焦点不尽相同。另外，射线管在不同高压下的电场分布不一样，对电子束的聚焦力也不一样，因此不同高压下电子束的焦点也有所变化。
图8给出了实验测量焦点随高压的变化关系。实验条件为脉冲电流30 mA，脉宽100 µs。由图可知，电压越高，在X方向和Y方向的焦点均变大。这是因为电子束在两个方向均处于过聚焦状态，电压越高，聚焦结构的过聚焦能力越强，因此焦点也就越来越大。
图9给出了实验测量得到的不同高压下焦点随脉冲电流的变化关系。由图可知，脉冲电流越大，在X方向和Y方向的焦点均越小，这是因为电子束处于过聚焦状态，当电流增大时，空间电荷相应也就更明显，空间电荷力抵消一部分聚焦力，因此焦点越来越小。
2.3 脉冲射线管的脉宽限制
图9指出，脉冲电流越大，焦点越小，这就会导致靶点的温度越来越高，如果不对脉宽加以限制，就会引起靶点温度过高而导致靶片熔毁。脉冲电子束与阳极靶作用引起的靶点瞬时温升（迟滞温度，Timp）可以通过Oosterkamp公式估算得到，该公式给出了在密闭环境下，迟滞温度Timp与电子束脉宽tdwell、热功率密度之间的关系：
式中，q为靶点的瞬时功率密度，单位 W/m2；ρ、k、cp分别表示靶材的密度、传热系数和比热容系数。式（1）忽略了脉冲期间冷却水路的热传导引起的靶点温度下降。对于短脉宽的电子束，可以通过式（1）估算靶点的最高温度，在脉宽比较宽的情况，冷却水路引起热传导就不能忽略，此时需要借助专业的热仿真分析软件，模拟瞬态情况下靶点的温度分布。图10给出了采用Ansys瞬态热仿真模块模拟脉冲电流加载瞬间靶点温度随时间的变化情况。模拟参数为高压160 kV、脉冲电流50 mA、脉宽200 µs、频率500 Hz，限于篇幅，图中只给出了两个周期的模拟结果。由图可知，脉冲加载瞬间靶点温度快速上升，在脉冲电流结束时刻温度达到最高。当脉冲电流结束时，靶点温度快速下降，直到下一个脉冲到来。在脉冲结束时，靶点最高温度约1600 ℃，可以预见，如果脉宽增大，靶点最高温度也会明显升高，如果不对脉宽加以限制，会导致靶点温度过高而熔毁，导致射线管损坏。
借助Ansys瞬态仿真和式（1）辅助计算，表.给出了在不同高压和不同脉冲电流下的最大脉宽。在该脉宽下，限制靶点最高温度不超过1800 ℃，保证射线管处于安全工作状态。模拟计算时考虑靶点沉积的热功率约为总功率的60%（另外40%被散射电子带走）。表1在脉冲频率为100 Hz时给出的模拟结果，当工作频率增加时，由于靶点的平均温度升高，最大脉宽需要适当降低。
3.1 脉冲射线管的快速抓拍实验
射线管运行在脉冲模式，可以对运动的物体快速抓拍成像，实验选取高速旋转的金属盘片进行测试。图11给出了金属盘片在运动和静止下的照片和X射线图像，盘片边沿旋转速度、束流、脉冲宽度如图所示。图11（a）、（b）分别为金属盘片静置和运动下的实物照片。从图11（c）、（d）、（e）可知，随着转速的增加图像越来越模糊；从图11（e）、（f）可知，当金属盘片在高速旋转时，通过缩短脉宽、提高流强有助于获得清晰的图像。因此脉冲射线管结合较高的流强和快速的脉冲控制可以“冻结”运动的物体，降低运动伪影对图像质量的影响，从而获得清晰的图像。实验条件：高压180 kV，脉冲电流20 mA，探测系统采用DX2520型平板探测器。
3.2 脉冲射线管的成像实验及探讨
为了进一步探究脉冲射线管的成像质量，选用了同方威视技术股份有限公司的乘用车辆安全检查设备进行成像实验，该设备使用的是Comet公司的直流射线管。实验时将直流射线管替换为本文研制的脉冲X射线管，实验装置如图12所示。分别用直流X射线管与脉冲X射线管进行成像实验对比。其中穿透力、线对、空间丝分辨等成像指标基本相同，但实验发现在对小车进行DR成像（图13所示）时，相同指标的前提下，使用脉冲射线管所需的剂量只有直流射线管剂量的40% 左右。
关于使用脉冲射线管成像时剂量低于直流射线管，目前我们认为有两个方面的原因，一是探测器在每个积分周期切换时有一段时间是没有积分的，对于直流射线管而言这一部分剂量被浪费掉了，而对于脉冲射线管而言通过束流与探测器积分同步触发可以避免不必要的剂量浪费；二是目前采用的探测器是闪烁体，直流射线管连续输出照射晶体，晶体一直发光，不同被检物质对射线吸收导致的剂量变化表现在闪烁体上实际上是在一个较高的（发光）本底上产生的变化，从而导致闪烁体探测器的有效动态范围降低。如果采用脉冲射线管，在不出束时晶体可以恢复到不发光状态，当出束时晶体动态范围明显增大，灵敏度更高，这可能是使用脉冲射线管所需X射线剂量更低的另一个原因。
使用脉冲X射线源成像所需的剂量明显降低，可以开展低剂量成像的研究，在医学成像和小动物成像中具有广阔的应用前景。另外剂量降低后对成像设备整体的辐射防护压力明显可以降低，设备尺寸和重量也可以明显减小，便于设备的小型化和轻量化。
采用由钡钨阴极和栅网组成的栅控电子枪研制了单级225 kV的脉冲射线管，探讨了射线管焦点与聚焦结构、高压、脉冲电流的关系，同时进行了瞬态热仿真分析，给出了在不同高压和不同脉冲电流下，射线管能承受的最大脉宽。最后采用本文研制的脉冲射线管与直流射线管进行了成像实验对比，获得了良好的实验结果。
与传统直流射线管相比，脉冲射线源在成像时可以降低所需剂量、降低被检物的吸收剂量、开展低剂量成像的应用与研究，在医学成像和小动物成像中具有广阔的应用前景。另外剂量降低后对成像设备整体的辐射防护压力明显可以降低，设备尺寸和重量也可以明显减小。
根据脉冲X射线管的特点，后续工作可从以下几个方面提高脉冲射线管的图像质量。
（1）优化探测器与射线管同步，在射线管出束瞬间探测器积分，射线管出束完毕探测器就停止积分。与直流射线源相比，脉冲射线源可以在短时间提供较高的剂量，进而使得探测器在出束瞬间的积分信号大，信噪比高，降低了探测器暗电流、电子学噪声对成像系统的影响，进而提高成像系统的图像质量。
（2）将射线源在锥角方向的窗口适当开大，同时增加探测器的排数，使得单脉冲射线覆盖的被检物体增多，这样可以提高X射线的利用率，即在不提高射线管功率的情况下，提高检测速度。
（3）与直流射线管相比，采用脉冲射线管，在多视角的应用场合可以采用“多源一探”布局方式，即多个脉冲射线管和一组探测器在被检物体的四周布置，射线管通过脉冲控制分时共用一组探测器，这样不仅可以降低成本，还可以缩小检测系统的体积。
（4）与直流射线管相比，采用脉冲射线管，还便于在一套安检设备上集成散射成像、放射性监测等多种检测技术，各系统分时工作，提升安检设备的检测能力。
致谢：本文的部分实验得到了同方威视技术股份有限公司联合研究所和高能产品事业部相关领导和同事的支持，在此表示感谢。
