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X射线管是工业DR和CT等X射线成像检测系统的关键核心部件。航空航天、新能源电池、汽车行业、电子行业等领域复合材料、电池组、模具、3D打印部件等零件的微小缺陷在线检测对检测系统提出的高穿透度、高分辨率、高清晰度和高检测效率要求，要求X射线管具有高管电压、高功率密度以及更小的焦点（20−200 μm）。
迷你焦点（20−200 μm）X射线管是介于小焦点（0.3−0.6 mm）与微焦点（20 μm以下）的中间产品。国内外有部分学者从事此类X射线管的研究[1-5]，但主要集中于学术研究的范畴，比如碳纳米管发射材料在迷你焦点和微焦领域的应用，国内外也有部分基于碳纳米管的微焦点和迷你焦点X射线管产品，但从长期寿命和稳定性而言，还存在一定的不足，且管电压较低，未达到160 kV及以上等级。国内外商业化的迷你焦点管如下表1所示，瑞士COMET于2021年6月推出225 kV级别的Mesofocus管（焦点50、130、200 μm，功率50、130和200 W，取决于焦点大小），是填补高管电压小焦点（封闭式X射线管）与高管电压微焦点（开放式X射线管）之间的空白焦点范围的新一代产品，但因是金属陶瓷管产品，价格昂贵。公安部一所通过对设计结构、制造工艺和工作可靠性方面进行研究，开发出160 kV小焦点X射线管[6]。上海超群公司在国家重点研发计划项目资助开发的高电压小焦点X射线管[7]基础上，于2021年4月成功开发了160 kV、100 μm焦点X射线管，但更高管电压的迷你焦点X射线管，由于管电压的提升和焦点的缩小，以及功率密度的提升，导致高压与聚焦设计困难、制造工艺难度高，引起X射线管稳定性的不足，国内外尚无200 kV及以上管电压的价格适宜的迷你焦点X射线管。本文以200 kV、100 μm焦点玻璃X射线管为目标，对此进行设计与开发，并完成初步应用研究。
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为使高电压迷你焦点管在200 kV及以上的高压下能够长期稳定工作，不发生高压打火，阴阳极距离与阴阳极的结构参数需进行合理设计，本文采用Lorentz电子光学计算软件对所设计的高压结构进行仿真模拟，仿真结果如图1所示，阴阳极表面之间的最大场强为17.9 MV/m，小于允许的控制场强25 MV/m。
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不同于用于安全检查的常规光斑（0.6 mm及以上）X射线管，用于DR或CT成像检查的迷你焦点X射线管焦点控制对成像系统的分辨率至关重要。在控制阴阳极距离和结构以满足以上高压结构场强要求的前提下，同时考虑到灯丝支取电流对灯丝直径与寿命的影响，对聚焦盘的聚焦尺寸如聚焦深度、聚焦直径、灯丝槽尺寸，以及灯丝尺寸、灯丝装配尺寸、阳极靶面位置等影响焦点大小的结构参数进行设计，采用Lorentz电子光学计算软件对所设计的聚焦结构进行仿真，靶面电子光斑分布结果如图2所示，宽度和长度方向都存在一定的杂散电子，宽度方向计算的靶面电子光斑尺寸（红色虚线内）为0.1 mm，考虑到杂散电子时宽度方向电子光斑尺寸为0.26 mm；不考虑长度方向的杂散电子时，长度方向也就是投影方向的电子光斑尺寸约为0.85 mm，若靶角控制为10°，则电子光斑的投影大小为0.15 mm。
对以上电子光斑计算结果设计制造的X射线管，根据GB/T 26594-2011采用小孔成像胶片方法进行焦点尺寸测试，所采用的放大倍数为2倍，其宽度方向与长度方向焦点与菲林卡的比对如图3所示，满足100 μm焦点要求。图4是对所拍摄胶片焦点的X射线管进行分辨率测试的结果，放大倍数为两倍，9 LP/mm的黑白线条清晰可见，10 LP/mm的黑白线条虽然清晰度下降，但仍能分辨，表明所设计的聚焦系统可满足10 LP/mm分辨率要求。从胶片焦点和分辨率测试结果与仿真计算的电子光斑结果对比看，所计算的电子光斑因杂散电子的原因，比实际焦点大，这可能是杂散的电子光斑相对于集中的电子光斑比例较低，胶片和分辨率卡不敏感所致，但Lorentz的模拟结果基本上可作为设计的初始参考依据。后续需要继续优化聚焦参数，消除仿真计算中的杂散电子，并与焦点实际测量结果进行比对校准。
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因X射线管工作过程中，超99%的输入功率都转换为热，散热设计的好坏直接影响X射线管的高压稳定性与寿命。本文所研究的高管电迷你焦点X射线管，因焦点小、单位面积功率密度高、管电压高，对X射线管的稳定性挑战高，其散热设计尤为重要。本文对阳极尺寸、阳极散热结构、钨板尺寸、阳极与钨板衔接等进行设计，采用热模拟软件对设计的结构进行散热仿真，模拟时不考虑阳极表面的辐射散热，同时将最大功率全部加载在钨靶上，仿真结果如图5所示，当功率为100 W时，钨靶中心最高温度为1723℃（图5a）；当功率为130 W时，钨靶中心最高温度为2222℃（图5b）；当功率为150 W时，钨靶中心最高温度为2555℃（图5c），都远低于钨板的熔点（3410℃），说明所设计的散热结构能够满足130 W功率要求，理论上也可满足150 W使用要求。
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X射线管零部件的去气处理有效性对其高压与电流稳定性、可靠性和寿命有关键性的影响。高管电压迷你焦点X射线管由于其电压高、焦点小，对稳定性的要求更为严苛，而且因其焦点小能承载的功率低，传统的封泡后电子束轰击阳极靶面对阳极进行去气的方式已满足不了阳极去气温度要求。本文针对这一不足，在借鉴现有高管电压小光斑X射线管生产制造工艺的基础上，开发了新的适用于迷你焦点X射线管的阳极去气方式与去气设备，所开发的X射线管如下图6所示，经120小时连续超高压测试，无打火现象，表明所设计制造的高管电压迷你焦点X射线管具有较好的稳定性和可靠性。
将所开发制造的迷你焦点X射线管装入X射线源，模拟X射线管实际使用环境，在强迫循环冷却条件下进行功率散热试验，在环温40.6℃、输入功率150 W时，经历热平衡后X射线管工作稳定，解剖发现靶面无熔靶现象，表明设计制造的高管电压迷你焦点X射线管能满足150 W使用功率要求。产品散热能力不低于、甚至优于国外COMET的Mesofous产品：130 μm焦点下130 W的使用功率。
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2022年5月将所开发的迷你焦点X射线管装入上海超群公司自行开发的X射线源与X射线自动点料机系统，在功率150 W条件下已稳定运行超过2.5年，用于封装芯片料盘的计数检测，下图7是01005元件料盘的成像检测结果，放大两倍时元件的边界清晰可见。应用了本项目迷你焦点X射线管的点料机系统，常规器件点料计数准确率达到99.99%以上（优于竞品的99.9%或者与竞品相当）的同时，因硬件成本的降低，预计价格为现有X射线点料机价格的60%。自动点料机因具有高稳定、长寿命、计数准确率高、成本低的特点，入选了工信部2024年智能检测装备首批创新产品，预期将在电子行业的数千家中小企业中获得广泛的应用，提高生产效率。
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使用Lorentz和散热仿真软件对高电压迷你光斑X射线管的阴阳极高压结构、聚焦系统和散热结构等进行模拟，并开发适用于迷你焦点X射线管的去气工艺，研制出高电压迷你光斑X射线管：管电压200 kV、焦点100 μm、功率150 W，经测试其分辨率为10 LP/mm，应用于电子元器件点料机系统，放大2倍时01005元件边界清晰可见。本项目高管电压迷你焦点X射线管对航空航天、新能源电池、汽车行业、电子行业等领域零部件的微小缺陷检测具有明显的应用前景。
高电压迷你焦点X射线管开发与应用
Development and Application of Mini-Focus High-Voltage X-Ray Tube
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摘要: 文章对高电压迷你焦点X射线管进行研发，对X射线管的高压结构、聚焦系统和散热进行设计与模拟，并完成迷你焦点X射线管的制造与应用验证。所设计的200 kV X射线光管阴阳极间最大场强为17.9 MV/m，焦点100 μm，分辨率10 LP/mm，最大使用功率150 W，应用于X射线点料机系统，放大倍数为2倍时可清晰分辨01005电子元件的边界。Abstract: A high-voltage X-ray tube with a mini focal spot is developed, and the high-voltage structure, focusing system, and heat dissipation of the X-ray tube are designed and simulated. At tube voltage 200 kV, the maximum field strength is 17.9 MV/m between the anode and cathode, the focal spot size is 100 μm, the resolution is 10 LP/mm, and the maximum operating power is 150 W. When applied to an X-ray counting system, the boundary of 01005 electronic components can be clearly distinguished at a magnification of 2 times.
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Key words:
- High voltage /
- Mini-focus /
- X-ray tube .
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图 3 胶片焦点。（a）宽度方向，（b）长度方向
Figure 3. Focal spot of film. (a) Width direction, (b) length direction
图 4 分辨率测量。（a）宽度方向，（b）长度方向
Figure 4. Resolution measurement. (a) Width direction, (b) length direction
图 5 阳极头温度分布。（a）阳极头温度分布（100 W），（b）阳极头温度分布（130 W），（c）阳极头温度分布（150 W）
Figure 5. Temperature distribution of the anode. (a) Temperature distribution of the anode (100 W), (b) temperature distribution of the anode (130 W), (c) temperature distribution of the anode (150 W)
图 7 应用于01005元件X射线点料。（a）整体图像，（b）局部图像
Figure 7. Application to the X-ray counting system of 01005 electronic components. (a) Overall image, (b) local image
表 1 国内外厂商迷你焦点X射线管核心指标对比
Table 1. Comparison of core indicators of the mini-focus X-ray tube from domestic and foreign manufactures
X射线管类型 国别 厂商 型号 管电压/kV 焦点/μm 最大连续功率/W 玻璃X射线管 英国 Oxford 90507 80 33 56 意大利 CEI OX/90 110 50 150 美国 Superior SXR130-05 130 70 39 Thermo Kevex PXS10 130 60 40 德国 Petrick P030.40.20GW 80 55 50 中国 上海超群 UF160 160 100 150 UF100 100 50 100 UF80 80 45 100 科颐维 KYW500A 50 35 50 KYW2000AX 50 100 50 承泰 CT22-0.056-80 80 50 56 金属陶瓷X射线管（价格昂贵） 瑞士 Comet Mesofocus225 225 50 200 
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[1] 胡菁文. 反射式微焦点X射线管的整体研发[D]. 武汉: 华中科技大学, 2015 (in Chinese) Hu J W. Research and development of a reflection-type X-ray tube[D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2015 [2] 雷李杨霞. 碳纳米管场发射阴极的制备及其性能研究[D]. 成都: 电子科技大学, 2021 (in Chinese) Lei L. Preparation and performance research of carbon nanotube field emission cathode[D]. Chengdu: School of Optoelectronic Science and Engineering, 2021 [3] Zhang J, Yang G, Cheng Y, et al. Stationary scanning x-ray source based on carbon nanotube field emitters[J]. Applied Physics Letters,2005,86(18):65 [4] Liu Z, Yang G, Lee Y Z, et al. Carbon nanotube based microfocus field emission x-ray source for microcomputed tomography[J]. Applied Physics Letters,2006,89(10):62 [5] Tolt Z L, Mckenzie C, Espinosa R, et al. Carbon nanotube cold cathodes for application in low current x-ray tubes[J]. Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures Processing, Measurement, and Phenomena, 2008, 26 (2): 706−710 [6] 王奇志, 徐卫平, 沙京田, 等. 小焦斑X射线管的研究[J]. 真空科学与技术学报,2013,33(7):670−673 (in Chinese) Wang Q Z, Xu W P, Sha J T, et al. Novel type of x-ray tube with small focal spot[J]. Chinese Journal of Vacuum Science and Technology,2013,33(7):670−673 [7] 阳恩会, 郭宗艳, 曹昌伟, 等. 高电压小光斑X射线光管的设计与研制[J]. 真空科学与技术学报,2021,41(3):301−305 (in Chinese) Yang E H, Guo Z Y, Cao C W, et al. Design and development of high voltage small focal spot x-ray tube[J]. Chinese Journal of Vacuum Science and Technology,2021,41(3):301−305 -
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