清华大学研发脉冲X射线管，便于设备小型化和轻量化，可实现“多源一探”

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。

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）。

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。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。

由图3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。

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。

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。

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。

图9给出了试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。

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1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。

射线管运行在脉冲模式，可以对运动的物体快速抓拍成像，试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)和(b)分别为金属盘片静置和运动下的实物照片。从图11(c)~(e)可知，随着转速的增加图像越来越模糊；从图11(e)和(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。

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试验，该设备使用的是Comet公司的直流射线管。试验时将直流射线管替换为新研制的脉冲X射线管，试验装置如图12所示。

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。

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，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。