自伦琴在1895年发现X射线以来, X射线已逐渐被应用到社会生活的很多方面, 比如工业探伤、安全检查、医疗、材料分析、静电消除、材料厚度测量、材料金相分析等。目前人工产生X射线的物理机制有同步辐射和轫致辐射两种^[1], X射线管就是利用轫致辐射机制产生X射线的部件, 包括真空绝缘壳、阴极和阳极。按真空绝缘壳材料的不同, 分为玻璃管和陶瓷管; 按X射线出射方向不同, 分为透射靶管和散射靶管^[2-4]。

与散射型X射线管的侧窗发射结构不同, 透射型X射线管均采用端窗发射结构, 即将靶材镀在铍窗背面, 阴极电子在电场作用下轰击靶面, 产生的X射线穿过铍窗投射到空气中^[5]。透射型X射线管设计的一个关键任务是选择合适的靶材厚度, 它直接影响X射线的产生效率。靶材太薄, 产生X射线的效率比较小; 靶材太厚, 虽然产生了更多的X射线, 但这些X射线又会被靶材本身大量吸收, 最终透射出的X射线也很少。同时, 对不同的高压和不同的靶材料, 产生X射线的效率及最佳的靶厚也不同^[6]。

为此, 笔者应用基于蒙特卡罗方法的粒子输运软件MCNP-4C, 对八种靶材料产生X射线的性能进行了模拟计算, 通过分析各靶材料产生X射线的效率随靶材厚度和高压的变化规律, 为实际选择合适的靶材参数提供参考。

1 材料与方法

计算模型如图 1, 铍窗厚度固定不变, 靶材通过溅射技术镀在铍窗的背面, 从阴极发射出的电子在电场作用下轰击靶面, 产生的X射线穿过铍窗投射到空气中, 接收X射线的探测器与铍窗表面的距离固定不变。

按照上述模型, 本文模拟分析了八种靶材, 分别为铬₂₄Cr、铜₂₉Cu、钼₄₂Mo、铑₄₅Rh、银₄₇Ag、钨₇₄W、金₇₉Au、铅₈₂Pb, 对同一种靶材和同一个管电压(即同一电子能量), 计算不同厚度靶材的X射线产生效率, 根据X射线产生效率随靶材厚度的变化规律, 可确定对应管电压的最佳靶厚, 然后改变管电压分别为10、20、30、40、50和60 kV, 考察最佳靶厚随电压的变化规律, 同时考察八种靶材在最佳靶厚条件下, X射线产生效率随电压的变化规律。

2 结果 2.1 最佳靶厚

对同一种靶材和同一管电压, 确定最佳靶厚如图 2是以钨为靶材, 管电压为10 kV时, 在不同靶厚下的X射线出射效率。从图中可看出, 在每种管电压下, 随着钨靶增厚, X射线出射效率先增加后减小。这与最初的估计一致, 即在钨靶较薄时, X射线的出射效率比较小, 随着钨靶厚度增加, 新产生的X射线量大于靶本身吸收的X射线量, 故X射线出射效率逐渐增加; 当钨靶增加到一定厚度时, 新产生的X射线量与靶本身吸收的X射线量相当, 这时X射线出射效率达到最大值, 对应的钨靶厚度即为最佳厚度; 当继续增加钨靶厚度时, 新产生的X射线量小于靶本身吸收的X射线量, 故X射线出射效率逐渐减小。改变管电压分别为20、30、40、50和60 kV, X射线出射效率随靶厚的增加均遵循图 2的变化规律, 从而取得钨靶在六种管电压下对应的最佳厚度, 各值见表 1。同样的方法分别计算了铬、铜、钼、铑、银、金、铅几种靶材在不同电压的最佳厚度, 各值见表 1。

2.2 最佳靶厚随电压的变化规律

图 3是八种靶材在不同电压下的最佳靶厚随管电压的变化情况。从图中可看出, 对同一种靶材, 随管电压增大, 最佳靶厚增大。对照图 3和表 2中各靶材的密度可知, 低密度和低原子序数靶材的最佳靶厚随电压的增加幅度, 比高密度和高原子序数靶材的增加幅度大, 且密度对最佳靶厚随电压变化幅度的影响比原子序数大, 相同密度, 不同原子序数的靶材, 在同一电压下的最佳靶厚比较接近。

2.3 在最佳靶厚时, X射线出射效率随电压的变化规律

图 4是八种靶材在不同电压下与最佳靶厚对应的X射线出射效率随管电压的变化情况。从图中可看出, 对同一种靶材, 随管电压增大, 最佳靶厚对应的X射线出射效率增大; 低原子序数低密度靶材在最佳靶厚的X射线出射效率随电压的增幅比高原子序数高密度靶材大; 原子序数在24~47之间的五种靶材, 在同一管电压下, 最佳靶厚对应的X射线出射效率随原子序数的增加而减小; 对原子序数在74~82之间的三种靶材, 在同一管电压下, 最佳靶厚对应的X射线出射效率随原子序数的增加而增大。

3 结论

用蒙特卡罗方法的粒子输运软件MCNP-4C, 从透射靶X射线出射效率的角度, 对原子序数在24~82之间的八种材料进行了比较分析, 计算结果表明, X射线出射效率受靶材种类、靶材厚度和管电压影响。在靶材和管电压不变时, X射线出射效率随靶材厚度增加先增大后减小, 出射效率最大时对应最佳靶厚, 最佳靶厚随管电压的增大而增大, 且在同一管电压下低密度低原子序数靶材比高密度高原子序数靶材的最佳靶厚大; 对每种靶材, 在最佳靶厚时对应的X射线出射效率随管电压的增加而增大, 且低密度低原子序数靶材比高密度高原子序数靶材料的增幅大。在实际应用中选择靶材时, 除考虑高的X射线出射效率外, 还需要综合靶材的耐高温性、加工工艺的可行性、价格等因素进行选择。