X射線管焦斑是X射線管的主要性能指標。其大小直接影響射線成像及照相靈敏度。X 射線管作為X 射線檢測設備的發射源，其性能直接決定了檢查設備對物體的圖像分辨率指標。小焦斑X 射線管的研制，要求其在保證一定發射功率前提下，能夠連續穩定工作；既滿足檢查小零件及高圖像分辨率方面需求，又能有效避免X 射線管因焦斑過小所造成的靶面燒傷；具有重大現實意義。通過對其結構設計、制造工藝及工作可靠性方面的深入研究，現已成功研制出/ 小焦斑X 射線管。測試表明：此研究產品在擁有小焦斑特性同時，具有相當的高壓穩定性。應用此研究，可開發系列小焦斑X 射線管。此產品的成功應用，有望促進X 射線檢測設備整體水平的提高。

　　X 射線管的焦斑尺寸是決定X 射線管光學性能的主要指標。X 射線管作為X 射線檢查設備的發射源,其焦斑尺寸越小，對被檢物的影像清晰度就越高。焦斑為理想點光源時，圖像的邊界分明，幾何模糊程度小，影像分辨率高；焦斑越大，圖像邊界上的半影也越大，幾何模糊程度大，影像分辨率降低。X 射線機焦斑尺寸可分為：微焦斑、小焦斑、常規焦斑、大焦斑。其中，小焦斑通常定義為介于0.1~ 0.6 mm 之間；常規焦斑介于0.6~ 1.8 mm 之間。

　　X 射線檢查設備最常用的是常規焦斑X 射線管,其陰極一般為螺旋燈絲結構。螺旋燈絲作為發射源要做的很小存在一定難度，而典型兩極結構X 射線管又存在電子束會聚能力有限問題。因此，采用常規螺旋燈絲陰極結構，實現小焦斑存在相當大的難度。

　　通常用于X 射線安全檢查設備的X 射線管要求連續工作，焦斑尺寸太小，容易引起靶面燒傷。在實際工作中，一方面要求提高圖像分辨率；另一方面又不能因為焦斑太小造成靶面燒傷，降低X 射線產生效率。因此，研制適當的小焦斑X 射線管具有一定的現實意義。可廣泛應用于X 射線光電子能譜(XPS) 儀對薄膜表面的準確分析及材料確定;也可廣泛應用于對微小物件及尺寸的無損檢測中。

1、小焦斑X 射線管的研究

　　小焦斑X 射線管研究關鍵點是小焦斑、高穩定性以及靶面散熱，主要包括下述幾方面內容：結構設計，工藝技術，工作可靠性。

1.1、小焦斑X射線管結構

　　與常規X 射線管一樣，其基本結構為陰極、陽極、管殼、及散熱器。小焦斑X 射線管結構示意圖如圖1 所示。

圖1 小焦斑X 射線管結構示意圖

　　其典型結構特點如下所述:

　　(1) V型燈絲結構方式

　　在實際結構中，V型燈絲與下面提到的膜孔配合使用，V型燈絲能有效減小燈絲發射源發射面積，這是實現小焦斑的關鍵技術。圖2 為V型燈絲結構。

圖2 V型燈絲結構

　　(2) 矩形膜孔聚焦方式

　　如圖3 所示，通過陰極罩矩形膜孔及會聚孔對V型燈絲尖端發射的電子束進行有效的會聚，最終實現電子束小面積著靶，這是實現小焦斑的第二個關鍵技術。

圖3 矩形膜孔陰極罩示意圖

　　(3) 創新的陽極結構設計

　　如圖4 所示，為減少陽極結構對入射電子束的發散作用，在陽極帽結構設計中，采用小孔入射及縮短電子束入射孔到靶心距離的結構。為此用帶狀出射窗替代傳統圓形鈹窗輸出，并對陽極帽結構進行了改型設計。

圖4 陽極結構示意圖

1.2、成功經驗

　　最初設計思路是：在現成熟管型結構基礎上,吸納微焦斑X 射線管專利設計理念進行設計。但發現存在不帶帽陽極易產生微放電，嚴重影響圖像質量問題。

　　為解決微放電問題，陽極采用特殊陽極帽結構,在成功實現小焦斑同時，充分吸收二次電子，有效減少微放電發生幾率。

　　在實際研制過程中發現，燈絲相對于矩形膜孔裝配位置對焦斑影響很大，燈絲相對膜孔高度發生變化，其表面電場分布將發生急劇變化。如何保證燈絲相對膜孔對中及燈絲伸出膜孔高度的一致性,是實現小焦斑在工藝技術方面面臨的難題。

　　通過采用新結構設計，并成功解決燈絲相對于膜孔的定位工藝技術，使試制樣管成功實現小焦斑輸出，并滿足高壓穩定性需求。

1.3、陽極除氣

　　在真空排氣工藝過程中，為達到使陽極充分去氣目的，通常采用濺射工藝。通過高速電子轟擊靶面，使陽極紅熱，放出吸附的大量氣體。由于濺射所需高壓裸露在空氣中，高壓不能加得很高，為有足夠的電子能量轟擊靶面，需提高電子發射束流。小焦斑X 射線管如按常規濺射除氣工藝，電子束能量過于集中，很容易造成靶面燒傷。并且提高發射束流，易使燈絲變形而與膜孔短接，造成管子報廢。

　　由于陽極無氧銅不屬于鐵磁材料，難于在高頻感應場作用下產生渦流；而與管殼連接的可伐環屬鐵磁材料，極易感應到高頻加熱，導致管殼局部溫度過高而炸裂，所以也不能直接采用高頻加熱方法對陽極進行除氣。

　　最終確定采用由鐵磁材料加工而成工裝與真空外陽極部分充分接觸，工裝感應后通過熱傳導方式,使陽極得到充分加熱，達到陽極除氣的目的。為對鎢靶進行充分除氣，在避免靶面燒傷的前提下，仍需適當對靶面進行電子束轟擊。小焦斑X 射線管陽極除氣，采用高頻輔助加熱與濺射工藝相結合的方法在實踐中得到了驗證。

1.4、工作可靠性

　　影響X 射線管工作可靠性的主要因素是管子內部打火及微放電。X 射線管打火極易引起管殼擊穿，使設備整體癱瘓；X 射線管微放電，極大影響圖像質量。

　　正如前述，為減少微放電發生的幾率，采用新型陽極帽結構。在新型開槽結構陽極帽上，采用對射線固有濾過影響少、易于加工的薄鈦帶作為出射窗。經試驗表明：采用此陽極帽結構能夠有效減少微放電。采用新陽極帽結構，雖然成功解決管子微放電問題，但其高壓工作可靠性卻存在很大隱患，曾發生多次樣管管殼打火擊穿現象。

　　管殼擊穿主要原因是管殼上積累的二次電子沿陽極區管殼向陽極可伐環爬電所致。新陽極帽結構縮短了陽極區管殼的絕緣距離，以致造成陽極區管殼電位梯度增大，加大了二次電子沿管殼內壁爬電的幾率，使陽極可伐環處管殼易于擊穿。分析高壓擊穿報廢樣管表明：擊穿部位均發生在靠近可伐環的管殼處。

　　根據管殼高壓絕緣設計經驗，陽極區管殼電位梯度只有控制在一定的范圍內，X 射線管才能穩定可靠地工作。為此，采用加長的陽極靶組件設計，降低陽極區管殼電位梯度，從而提高了X 射線管工作的可靠性。

　　測試表明：經改型設計后的新管型，連續長時間工作的高壓特性穩定性好，可靠性高，能夠滿足實時圖像檢測設備的要求。

1.5、靶最大熱負荷計算

　　X 射線管焦斑過小，在陽極靶面單位面積上入射的電子能量很大，極易造成靶面燒傷。固定靶容許負荷主要是由電子轟擊而使靶面軟化的溫度決定的。X 射線管功率與焦斑大小存在一定的關系。

　　在焦斑設計指標一定前提下，X 射線管的最大輸出功率有一定限制。假定小焦斑X 射線管焦斑設計指標為標稱值：0.2，通過計算可知：小焦斑X 射線管最大容許輸出功率為216 W。具體計算過程，可參考文獻固定靶的焦點亮度0章節的計算方法。

　　而小焦斑X 射線管的設計指標是最高工作電壓160 kV、最大陽極電流016 mA，即最大連續功率為96 W。從理論上說，此管長期連續工作也不會造成靶面燒傷。實際解剖樣管觀測：靶面情況良好，未發現靶面燒傷現象，驗證了/ 靶最大負荷0計算的可信度。

2、整機對比測試

　　為驗證焦斑特性對整機的影響，利用平板圖像探測器及標準測試卡進行分辨率對比測試。進行對比測試的常規X 射線管及小焦斑X 射線管實測焦斑如圖5 所示。

圖5 焦斑對比圖

　　測試中將測試卡與成像板設定為某一距離，同樣條件下測試圖像如圖6 所示。測試表明：與常規X 射線管相比，采用此小焦斑X 射線管能明顯提高線對分辨率。

圖6 不同焦斑成像分辨率對比

3、總結

　　通過深入研究，已成功研制出符合設計指標的產品。樣管在擁有小焦斑特性同時，具有相當的高壓穩定性。應用此研究成果，可開發系列小焦斑X射線管，為高端X 射線安檢設備的開發創造了條件。