X 荧光光谱仪中X射线管工作原理

X 光管是用来产生X 射线的一种装置，它已经使用有一个 世纪了。近代X 射线管的性能和结构都较初期有了极大的 发展和提高。虽然X 光管可以分成端窗和侧窗二种，但是 近代X 光荧光光谱仪几乎都只采用端窗一种类型，因为它 能接近试样安放，有利于提高测定灵敏度。因此，这里只 讨论端窗X 光管一种，而不

涉及侧窗X 光管。

X光管体内为高度 真空。X 光管的构造较为复杂，管内有阳极（靶），阴极， 灯丝，冷却水管，X 射线出射窗（铍窗）；尾部有高压电 缆接头，冷却水接口和灯丝电缆；头部为X 射线出射窗口。

工作时灯丝通电加热，阴极受热发射电子。因为阴极和阳 极间加有高电压（最高可达70kV ），所以产生的电子就 被加速向阳极奔去，最后以高速撞击阳极，阳极就发射初 级X 射线。在撞击过程中，极大部分的电子动能转化成热 能，只有约不到1%的动能转化成X 射线。因此，阳极靶的 温度非常高，必须用冷却水冷却。 X 射线辐射中主要包括连续辐射和靶材的特征辐射（K 系， L 系等谱线），也可能有一些靶材杂质元素的特征辐射。如Rh 靶X 光管的谱图，它清楚地显示了在一 个宽广的连续谱上叠加了靶材的特征谱线。

1.    连续光谱

由于高速电子轰击阳极靶是非选择性的，因而就产生了很 宽的能量跃迁，从而形成了连续的X 射线发射，即连续光 谱又称韧致辐射（Bremsstrahlung ）。换句话说，电子 的逐级减速就形成了连续的发射线，即连续谱。连续谱的 短波端有一个短波（长）限，它取决于使用的加速电压而 和靶材无关。但是，连续谱的强度随靶材原子序数的增加 而增加。

同一种靶材（Rh）使用了三个不同加速电压所得到的三个连续谱图。从图中可以看到，连 续谱的强度随加速电压增加而增加，短波限随加速电压增加而向短波方向移动，这意味着能量的增加。 连续谱的整体强度与管压平方V² ，管流IC 和靶材原子序数Z 成正比，即 I_int ≈ K I_C Z V² 。总之，管压决 定原级谱的形状，而在管压和靶材确定的情况下，管流决定着原级谱的强度。

2.    特征光谱和靶材的选择

X 光管内的电子在加速电场作用下，有足够的能量将靶材原子壳层中的电子逐出，形成靶材原子的特征 谱线。靶材原子序数越大，发出的特征谱线越强。 X 光管发出的X 射线中的连续谱和特征谱都可用于激发试样中的原子，只要这些谱线的能量足以逐出分 析试样中待测原子K 层、L 层等层的电子，就能产生相应的荧光谱线。由于特征谱线的强度要大大强于 连续谱线，所以用特征谱线激发的荧光要大于用连续谱激发的荧光，也即用特征谱线激发的荧光线的灵 敏度高。

 在使用中，可以通过选择不同靶材的X 光管，使其发出的谱线能有效地激发试样中存在的各种元素。我 们知道每个元素的谱线都有它固定的吸收限，只有能量大于该吸收限的辐射（也就是波长处于吸收限短 波侧的谱线）才能激发该线。因此，所选靶材的特征线符合上述条件，那么这些特征线就会在激发过程 中起主导作用，否则连续谱线就将对激发起主导作用。

虽然X 光管靶材元素可以有好多种，例如Cr，Cu，Mo，Rh，Au 和W，但是很难找到一种材料使其对所有 分析物质都有效，最终还是连续谱在起作用。如果根据所分析物质的激发要求经常更换X 光管是很不方 便的，特别是使用端窗X 光管。因此，近代X 光仪都采用折中方案选用Rh 靶X 光管一种。因为它的K 系 线能激发中等原子序数的原子，而它的L 系线能有效地激发轻元素。如果分析试样以重元素为主，则W 靶 将更为有效。

 所以，综上所述，在实际使用上往往是改变X 光管的工作条件，即改变管压管流（使用功率）以改变连 续谱和特征谱的能量和强度来改变激发效率。ARL 仪器中可供选用的功率有3kW、和4.2kW 三种，最高 电压为70kV ，最大电流可达120mA 。

3.    谱线干扰

前面已经提到，在原级谱中还可能混有杂质元素如Fe，Cr 或Cu 等的特征谱线。这些谱线的存在将极大 的妨碍试样中同样元素的测定，因为除了背景升高外，这些杂质元素特征线的相干散射线将完全重叠在 试样中这些元素的测定线上。在实际工作中，通常是采用初级滤光片（PBF） 来改善或消除这种干扰。

 所谓初级滤光片是指在X 射线管和试样之间插入的一块金属片（如Fe，Al，Cu）。利用滤光片的吸收特 性，减少或去除X 光管靶物质的特征线，杂质线和背景，以改善X 射线激发，即可以降低连续背景，改 善峰背比。但是，初级X 射线的强度将要变弱，也即降低了灵敏度。

ARL9400 上提供了可用程序控制的3 个初级滤光片位置，以放置滤光片。通常用Be 片作为防尘滤光片； Cu 片作为分析试样中Rh、Ru、Pd、Ag 和Cd 等元素时，去除X 光管的Rh 特征线用；Al 片用作改善轻 基体中PbL α、PbL β和AsKα、AsKβ等谱线的峰背比；Fe 片用作改善NiK α和CuKα线的峰背比。而 在ARL9800 内安装的是初级光处理装置（PBD），共有4 个位置，其中只有二个位置可装滤光片，其余 二个位置用于安装衍射道的初级准直器。

4.    铍窗厚度

因为铍是在固体材料中对X 射线吸收最小的物质，所以X 光管射线的出射口通常用铍进行封结，因而也 就被称作为铍窗。铍窗厚度对连续谱中的低能量X 射线（也称软射线）的通过密切有关，因此，铍窗越 薄的X 光管将更有效地激发轻元素。

目前，ARL X 光荧光仪使用的二种X 光管（Varian OEG-94j 和Comet MAX-75 ）铍窗厚度都已达到75 μ(第5 代X 光管的铍窗甚至已达50μ)，比传统的125 μ薄了许多，而且都采用了薄壁锥形头结构，因 此大大提高了轻元素的检测灵敏度。

5.    X 光管的老化

 X 光管的老化是指将X 光管的功率从低到高进行慢升的操作过程。对新管或约2 周没有运作的光管都必 须进行老化操作。这是因为从微观上看，新的灯丝或阴极的表面不可能十分光滑，这种毛糙在较高电压 下会引起放电产生电弧，而长期放置不用，灯丝表面可能被漏入的空气氧化产生凹凸不平，也会产生打 弧从而损坏。慢升功率可使在由低到高的高压下，逐步将可能存在的凹凸打平，从而减少或消除打弧， 当然如果表面很不光滑（加工不好），则必须更换。

ARL 仪器上的X 光管老化步骤为：

在20kV/20mA 下起动X 光管并保持10-15 分钟，然后交替以5kV 或5mA 的幅值提升管压或管流，每提升 一次需保持5-10 分种直至到达满功率。这里的满功率是指高压值为最高值的的满功率，例如对3kW 功 率而言是指60kV/50mA 而不是指30kV/100mA 。

应不采用低电压（20kV 以下）高电流的操作条件，以免损坏X 光管。因为在低电压高电流的情况下， 灯丝加热异常，会有烧断的危险。