随着脉冲功率技术的发展，脉冲辐射模拟装置在相关领域发挥了重要作用^[1-4]。脉冲X射线源作为辐射模拟实验平台用以满足脉冲工况下X、γ放射性测量探头的标定和溯源，广泛应用于脉冲辐射测试系统研制及性能研究、脉冲电离辐射计量和电子元器件抗辐射效应研究等领域^[5-7]。X光管是X射线源的关键部件，它的性能特征决定了所产生X射线的品质、产额以及整个设备的运行性能。X光管一般有两种结构，一是正高压加载到锥形阳极上，刀口阴极发射电子轰击阳极产生轫致辐射X射线，称为反射式X光管；二是负高压加载到针形阴极上，发射电子轰击阳极金属薄膜产生轫致辐射X射线，称为透射式X光管。目前用于闪光照相的X光管主要以反射式X光管为主，可以得到较小的焦斑，有利于获取高速运动物体的瞬时图像，但其阳极材料烧蚀严重，寿命有限。而作为辐射探测标定用的X射线源对焦斑没有要求、只需要获得较高的X射线产额，其缺点是X射线的焦斑大。本文研制了一种透射式X光管，与反射式X光管相比，同样功率条件下，具有较高的射线产生效率和辐照通量密度。

1 透射式X光管工作原理

透射式X光管的阳极结构与反射式有明显的区别，它主要包括阴极、阳极（靶）及绝缘支撑部分。工作原理如图1所示，在高压强流的作用下，阴极产生电子流，电子轰击阳极产生轫致辐射，根据阳极端靶材的不同，因轫致辐射产生的X射线的特性也有所差异。与反射式相比，其具有较高的X射线产生效率和辐照通量密度。

图 1. Principle of transmission target X-ray tube

Fig. 1. Principle of transmission target X-ray tube

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2 结构设计

为了使整个X射线源结构紧凑、灵活机动，要求X光管能够具备脱离外界真空机组而维持高真空状态的能力，因此本文所设计的X光管是一个密封的电子束真空二极管，它包括阴极、阳极靶、陶瓷绝缘子和不锈钢外筒，其具体结构如图2所示。

图 2. Structure of X-ray tube

Fig. 2. Structure of X-ray tube

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X光管的阴极设计成竖直的梳齿状结构，以使电子更容易发射，具体而言，将不同长度的50 μm厚度的薄钨铁片按一定间距固定在直径34 mm的圆柱基座上，圆柱基座通过空心铜棒连接到X射线源的同轴传输线内电极上；轫致辐射阳极靶材料一般都采用高原子序数的材料，同时靶材厚度对X光参数的影响十分重要，本文的阳极靶为100 μm厚的钛片，与阴极的距离约为12.2 mm，为了防止钛片变形或破碎，使用镂空圆盘电铁基座支撑。

X射线管高压支撑绝缘结构一般有两种：轴向绝缘（绝缘堆结构）和径向绝缘（绝缘子结构）。径向绝缘子采用径向的单个绝缘子实现油气分隔，主要优点是结构简单，便于高压绝缘处理，有利于系统的小型化。设计绝缘支撑时一般遵循以下要点：（1）结构简单，工程上容易实现；（2）尽可能降低三结合点（真空、介质以及金属电极交界处）附近的场强值；（3）使绝缘支撑沿面电场分布均匀，避免产生局部强场。根据此原则，X光管绝缘子采用锥形结构，一方面可以延长绝缘子沿面距离，另一方面可以使磁力线尽量不与绝缘子表面相交，从而避免回流电子轰击绝缘子。由于陶瓷出气率低、耐高温烘烤，且具备与金属钎焊的能力，因此，本文使用95陶瓷作为X光管真空界面绝缘体，同时，金属化连接的实现有利于提高X光管的真空度、实现长时间保真空的目的。

利用陶瓷-金属钎焊技术封闭完成的X光管如图3所示，其尺寸为ϕ69 mm×115 mm，内部真空度可达5×10⁻⁵ Pa。

图 3. General view of the X-ray tube

Fig. 3. General view of the X-ray tube

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3 实验研究

将研制的X光管安装于紧凑型纳秒X射线源上^[8]，如图4所示。整个装置具有体积小、重量轻、结构紧凑、灵活机动等优点。采用电容分压器加二级电阻衰减器测量形成线电压及X光管电压；X射线由光电管进行探测，位于X光管正前方20 cm。

图 4. Photograph of the nanosecond pulsed X-ray Source

Fig. 4. Photograph of the nanosecond pulsed X-ray Source

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实验中调整油介质自击穿开关的间隙，使得脉冲形成线上的电压最大时开关击穿，所得典型的实验波形如图5所示，图中，通道1为形成线电压波形，通道2为X光管电压波形，通道3为X射线脉冲波形。当初级电容充电14.5 kV，二极管峰值电压为512 kV，半高宽为5.2 ns。光电管电压波形半高宽为5.6 ns，大于二极管上的电压脉宽，认为是电子束在传播过程中的时间展宽效应所导致。二极管束流大约为5 kA。X射线在轴线±65°范围内分布，轴向方向最强。

图 5. Typical waveform of the X-ray source (10 ns/div)

Fig. 5. Typical waveform of the X-ray source (10 ns/div)

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测量了X光管的辐射剂量，剂量计位于靶窗正前方20 cm。图6为二极管辐射剂量分布图。根据电容C₀充电电压和自击穿开关状态的不同，二极管电压在350～500 kV范围内变动，相应剂量值范围0～20 mR。实验时自击穿开关最佳工作点为500 kV，在450 kV下自击穿的晃动比较大，在二极管阻抗一定的情况下，输出剂量与加载到二极管上的实际电压成指数正比关系，所以实验获得的剂量波动范围较大；而在500 kV下自击穿的晃动比较小，所以实验获得的剂量波动范围也较小。

图 6. Radiation dose versus diode voltage

Fig. 6. Radiation dose versus diode voltage

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4 结　论

本文研制了用于紧凑型X射线源的X光管，其采用密封的电子束真空二极管结构。阴极设计成竖直的梳齿状结构，以使电子更容易发射；阳极靶为100 μm厚的钛片；使用95陶瓷作为真空界面绝缘体，采用金属-陶瓷封接工艺，真空度达到5×10⁻⁵ Pa。实验结果表明，所研制的X光管在距靶窗20 cm处剂量约为20 mR。