浅述X射线光源的发展历程

自有人类以来，眼睛这一器官让我们得以探知波长大约为380~700nm范围内的光/电磁波，并将其定义为可见光。十九世纪，人类陆续发现了更多的光/电磁波--红外线，紫外线，无线电波，微波，以及X射线。极大地丰富了我们对世界的认知与观察手段。

一般而言，对于宏观结构的探测，主要看波与物质之间的反射/投射/吸收等特性；而基于或限于衍射的微观尺度探测，则需波长与所需探测尺度相当的电磁波；而对于物质性质的谱学探测，则应考虑物质性质对应的能量与探测光的光子能量在同一个水平。

图１X光在电磁波谱中的位置；摘自“https://www.chemistryviews.org/details/ezine/5283841/The_Electromagnetic_Spectrum/”

作为1895年由伦琴所发现的X射线（又名伦琴射线），自被发现以来就因其与物质作用的散射截面小，穿透性高，被用作物质内部结构的成像与探查，为工业与医学发展做出了贡献。其波长与原子间距相当，在布拉格衍射这一现象发现之后，X射线就成为了探测晶体结构的重要手段。其能量与原子内层电子能级相当，基于X射线谱学的多种实验方法，可用来分析元素种类/价态/配位/电子分布等信息。

这一神秘的电磁波一直引领着人类探索微观世界的脚步，从初代X射线管到同步辐射光源，直至现今的自由电子激光器，X射线光源的每一次进化，都是科技与人类认知的一次飞跃。

图３早期玻璃球管

图４飞利浦SRO33TM 100型光管的热阴极近照

冷阴极管虽然因早期功率难以提升配排挤出了市场，但随着材料的发展（碳纳米管等）和技术的进步（基于微纳结构的场发射FE技术），使其发射效率与功率得到了提高。且冷阴极本身拥有不需要额外加热，可产生脉冲型电子束等特点。这使得冷阴极管成为目前不少科研单位和仪器厂商的研发方向。

目前，在其他类似需要阴极电子发生装置的其他设备，特别是电镜/电子探针等更重视测量精度的仪器中，冷阴极/场发射方式因其可控性/电子能量单色性/空间相干性更好等特点，已经成为高端产品的标配。

基于早期的Crookes光管结构，最早由德国汉堡的Mueller发明了阴极电子聚焦系统，使得电子束从在真空中自由传播变为了受电磁场约束更精准的轰击到靶材上，提高了X射线成像的分辨率。也为后来的X射线谱学打下了基础。

现在，随着离子光学的发展，我们已经有微米-纳米级别聚焦的实验室X射线源。

图６早期的Coolidge型光管的凹形聚焦帽（左），来自GE；以及线聚焦器件（右），来自Mueller，后被飞利浦收购。

• 阳极靶材

最初的X射线管非常简陋，阳极通常采用重金属如铂或金制成，因为它们能承受电子撞击产生的热量，但效率相对较低。

在X射线管的初期应用中，铜和铁曾被作为阳极材料，但由于其较低的原子序数，产生的X射线大多是能量较低的特征线，因而在需要高穿透的X射线成像领域表现欠佳。

钨具有高熔点和高原子序数的特点，使得它成为理想的X射线管阳极材料。由于钨能更有效地转换电子动能为更具穿透能力的X射线，并且能耐受更高的功率负载，因此逐渐成为医学与工业成像的标准配置。

与此同时，Cu靶与Mo靶X射线源，由于其特征辐射波长契合相关材料的晶体结构常数，常常分别被用于有机物和无机物的晶体结构检测；而Rh靶或Mo靶的X射线源在做XRF检测中常会带来更高的灵敏度；精细结构吸收谱选择X光管靶材时则需在其测试能量范围避开特征线的干扰；做宇宙X射线探测/成像的模拟实验时，则需要与宇宙X射线相近的特征X射线（如Al靶等低Z材料）。

• 固态靶，转动靶与液态靶

图７西门子固态靶光管（1942）ERG 80 ö 带铜基底与散热片

尽管固态靶在不断发展，但总体而言在功率与功率密度上难以赶超上同一时期同一技术水平转靶光源。即使如此，因其结构简单，维护方便，输出稳定，在需要长时间稳定光源输出的领域以及空间有限的系统中仍然占据着重要地位，比如X射线分析仪器（XRF,XRD）以及牙科成像与C臂机等医疗设备。

图９（左）第一台工业化转靶光源（Varian）及其轴承上的散热片结构（右）由三层金属组成的飞利浦Trinodex复合转靶盘

20世纪以来，液态金属流X射线管作为一种新型技术在商业上得到了应用。这种X射线管摒弃了传统的固体靶材，转而采用液态金属喷射流作为靶面，不断刷新的液态金属靶，它成功地突破了当下传统靶材因热负荷限制而导致的性能瓶颈。使其成为X射线衍射类与显微成像等关键指标为光源辉度（Brilliance）而不单纯是功率的应用中展现了极大的优势。

图10 来自瑞典Excillum的液态金属流光源，带有液态合金靶材喷射与回收系统