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(1)X射線、X射線源及其工作原理
X 射線(又稱倫琴射線、X-Ray)是 1895 年德國物理學家倫琴在研究陰極射線時發(fā)現(xiàn)的一種射線,系高速運動的電子在與物質(zhì)相互作用中產(chǎn)生的。在 X射線管中,從陰極發(fā)射的電子,經(jīng)陰極、陽極間的電場加速后,轟擊 X 射線陽極靶,將其動能傳遞給靶上的原子,其中約有 1%左右的能量轉(zhuǎn)化為 X 射線,并從 X 射線照射窗中射出。X 射線源陰極發(fā)射的電子被聚焦到靶上的一個點,稱之為焦點,焦點的尺寸越小,則檢測精度越高。因 X 射線能量高、穿透力強等特點廣泛應(yīng)用于醫(yī)療健康和工業(yè)影像檢測等領(lǐng)域。
X 射線源(又稱 X 射線發(fā)生器)是 X 射線智能檢測設(shè)備的核心部件。X 射線源的研發(fā)涉及電子透鏡(包括陰極、陽極、柵極)材料研究、電磁場數(shù)學模型研究、電真空物理參數(shù)研究、高壓系統(tǒng)控制、電磁干擾控制以及熱管理系統(tǒng)開發(fā)等關(guān)鍵研究工作。
圖示:X射線真空管結(jié)構(gòu)示意
X 射線檢測作為工業(yè)影像檢測的重要方法之一被廣泛應(yīng)用,其核心部件 X射線發(fā)射源的焦點尺寸決定了檢測精度,即焦點尺寸越小,檢測精度越高。在集成電路、電子制造、新能源電池等精密制造領(lǐng)域,為滿足高精度檢測要求,須配置微米級、納米級焦點尺寸 X射線源,即微焦點 X射線源。
根據(jù)密封方式的不同,微焦點 X 射線管分為開放式(開管)和封閉式(閉管)兩種。閉管 X 射線源中,陰極與陽極/靶都封閉在真空管內(nèi)。在使用時無需抽真空,閉管方式的 X 射線管高壓一般在 30kV-150kV 之間,靶功率可以做到75W,使用生命周期在 3 年左右,常用于集成電路及電子制造、新能源電池等精密檢測等領(lǐng)域;開管則帶有真空泵、真空閥,開管的陰極和陽極/靶都可以更
換。開放式的 X 射線管高壓一般在 30-225kV 之間,靶功率可以做到 25W。開管精度高,零部件可以更換,但初期設(shè)備購置成本高,多用于要求較高的科研領(lǐng)域或集成電路領(lǐng)域。
閉管式熱陰極微焦點射線源與開管微焦點射線源在應(yīng)用領(lǐng)域、焦點尺寸、最大管電壓、真空系統(tǒng)、電子發(fā)射形式、維護成本與使用壽命、集成形式、啟動時間、性價比等的對比情況如下:
由上表所述,開管式微焦點射線源具有焦點尺寸更小、最大管電壓更高的特點,具備更高的放大倍率和更強的穿透力,但同時在性價比、維護成本、使用壽命和啟動時間等方面具有一定的劣勢。目前,閉管式微焦點射線源仍然是集成電路、電子制造、新能源電池等精密 X射線檢測領(lǐng)域的主要選擇。
工業(yè) X射線檢測原理示意圖如下:
(2)我國 X射線源面臨供應(yīng)不足的困境
受限于國內(nèi)技術(shù)和制造水平不足,我國工業(yè)影像檢測的微焦點 X 射線源幾乎全部依賴進口,而用量最大的閉管微焦點射線源產(chǎn)品及核心技術(shù)主要掌握在日本濱松光子和美國賽默飛世爾兩家企業(yè)手中。隨著我國精密檢測設(shè)備需求的不斷提升,關(guān)鍵核心部件供給不足的問題日益凸顯,特別是隨著下游集成電路及電子制造、新能源電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,下游面臨“一源難求”的困境,嚴重影響了下游相關(guān)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量檢測水平。