关于伦琴射线产生和显示的一些基本知识

刘虎

警告：伦琴射线有害健康。

伦琴射线的实用产生方法只有一种，就是在真空中让电子加速到很高的速度，轰击特制的金属靶，就会在靶上产生伦琴射线。让电子加速的方法很多，最常用的是在真空阴极射线管中，用高电压吸引电子，使之加速。其次常用的是直线加速器。

爱好者能够做的，是在阴极射线管中加速电子，使之撞在阳极上。伦琴射线是在阳极上产生的。在阴极射线管中，灯丝被电流加到红热状态，灯丝上的电子处于不断的逃逸和回复状态，即热电子发射状态。为了在提高电子发射能力的前提下保持较高的灯丝寿命，人们希望在较低温度下产生热电子。而一般的金属丝在温度不太高时，产生电子的能力有限。于是人们想到了在钨丝上面涂布一层容易发生电子的物质的方法。

灯丝产生的热电子产生是无序的，速度也很慢，无法产生伦琴射线。这时如果在灯丝附近安装一个金属板，在金属板和灯丝之间加上电压，且金属板为正，电子就会被吸引向着金属板移动。由于电子很轻，当电压非常高时，电子的速度会非常快，直到接近于光速。这些电子最终会撞上金属板（阳极），被金属板吸收，从而形成电流。如果电子的速度非常快，金属板上就会放出伦琴射线。伦琴射线是一种电磁波，其波长与电子撞击时的速度有关，速大越大，短波长的部分就越多，射线的穿透能力越强。一般来说，当电压达到10~20千伏时，就可以产生引起人们注意的伦琴射线。但是，对医疗、工业应用来说，10~20千伏是远远不够的。作为医疗用途，电压应达到50~160千伏；对于工业用途，电压应达到100~500千伏。实验室应用时，有时还会用到更低或者更高一些的电压。一般来说，当电压超过350千伏后，由于绝缘的难度很高，应用阴极射线管的情况就很少了。假如需要波长更短的伦琴射线，就需要用到直线加速器来加速电子。除了与电压的关系外，伦琴射线的波长还与阳极的材料有关，最常用的材料是钨，在低能伦琴射线衍射分析中，也会使用铜、铁等其它材料。不同材料产生伦琴射线所需要的最低电压也不同。

随着电压的升高，阴极射线管的电流会上升。如果不采用任何措施，电流会变得很大，最终烧毁阳极或者产生放电。因此需要想办法控制电流，一般可以采用降低灯丝温度和在灯丝与阳极之间增加一个负电压的栅极这两种方法。对于爱好者而言，可以选用阳极距离较远、阳极形状合适的普通电子管来产生伦琴射线，但是通常只能使用较低的电压。

普通电子管加高压会打火。伦琴射线管的驱动至少需要提供两组电压，一是灯丝电压，一般几伏到十几伏；二是阳极电压，依据管子型号和需要产生的伦琴射线硬度，电压从30千伏到500千伏。有的时候还需要提供栅极偏压，用于控制管子的电流。但是如果不考虑电子束的粗细，让电子散漫的撞向阳极一片很大的区域，得到的伦琴射线焦点就显得太大，投照相片的分辨率很低。就像用一根很长灯丝的灯泡，无法投出清晰的幻灯一样。因此，还需要考虑聚焦（磁或电场），使焦点尺寸控制在0.5~3毫米。现代伦琴射线机的焦点很小，进口管子通常小于1毫米，当焦屏距大于物屏距100倍时，理论分辨力可以到0.02毫米。当然上述这些控制要求可以根据需要而转化，比如可以通过控制灯丝电压来控制电流，可以在管子里面装上带小孔的金属板来替代聚焦。一般来说，只有微焦点的射线管才会采用专门的电磁场聚焦手段。

而如此小的焦点，却要通过很大的功率（通常至少千瓦级，微焦点除外），就会产生极高的温度。因此，一般伦琴管不能连续工作，如果需要连续工作，要么只能允许很小的电流（较低的灯丝电压或者较高的栅极负偏压），要么阳极就必须有良好的散热措施。最常用的办法是让焦点在阳极上不断移动，不在一个地方烧太久。工程实践中采用的办法是让阳极旋转。对于旋转阳极的伦琴射线管，还需要为他提供电机的驱动。

对于一种阳极材料来说，伦琴射线的能量（可以想象为色温），也就是穿透能力，几乎完全取决于阳极电压。当采用500千伏电压时，通常可以透射约5厘米厚的钢板，可以用于工业探伤；当采用50千伏电压时，只能透射约2毫米的钢板。而伦琴射线的强度（即数量、亮度）取决于管子的电流。由于胶片的灵敏度比较低，所以需要较大的亮度才能快速曝光，对于照相用的伦琴射线机，至少需要15毫安的电流，否则就需要很长的曝光时间（工业上有曝光半小时的）。现在开发出了一些灵敏的探测器，先让伦琴射线在灵敏度很高的晶体上产生荧光，然后再用高灵敏度CCD或CMOS器件进行放大观察，或者使用像增强管，只需很少的伦琴射线就能产生很明显的图像。这些技术大幅度降低了伦琴射线的需要量，因此可以使用很低的电流。在工业探伤中，一般采用5毫安以下的电流；在医疗上，可以只用0.1毫安的电流进行透视。但灵敏度是有极限的，如果射线光子太少，图像的对比度和分辨率都会下降。另外，小的电流意味着需要长的曝光时间，对于运动的物体就无能为力，比如拍摄人体器官，这时就要使用超级大的电流（0.5A），但极短的时间。业余爱好者的设备，如果是拍照片，需要较大电流或长时间；如果用高灵敏度的荧光屏，其电流可以降到1毫安以下。这时，大多数伦琴射线管可以连续工作。

总之，伦琴射线的受控产生还是非常复杂的。

上文提到了伦琴射线图像的显示。伦琴射线不能被肉眼看见，因此必须用物理的或化学的方法转换为人眼可见的图像。显然一个电离射线可以让荧光屏产生荧光，也可以让胶片感光。伦琴射线就是因为意外的发现了荧光屏的荧光而被发现的。但是事实上，荧光屏在伦琴射线照耀下产生的可见光是极其微弱的，当年伦琴发现荧光，应该是晚上在光线很不好的时候做的实验，否则不可能看见荧光。

要想直接观察荧光屏的微弱荧光图像，难度非常高。从发现伦琴射线到其后的几十年中，通过胶片感光，是显示伦琴射线的唯一手段。但胶片很薄，其实绝大部分射线都直接透过了，对伦琴射线的灵敏度或探测效率相当有限。当采用50mA电流时，通常需要曝光长达数秒。工业探伤时曝光半小时甚至更久是常有的事情。在医疗应用上，长的曝光时间就意味着病人需要接收更大剂量的照射，病人必须保持静止以免图像模糊，冲洗胶片需要的时间会耽误抢救的时机。并且胶片含银，价格昂贵。所以人们一直在探索直接、高灵敏度的显示伦琴射线图像的手段。起初只能在提高胶片的成像速度方面做文章，人们采用厚约0.03mm的铅箔覆盖在胶片正反面进行曝光，由于铅的原子序数大，容易产生康普顿散射而输出易被薄胶片吸收的低能射线，成像的速度可以提高；后来，又在胶片的前后各放置一张荧光屏，让胶片同时对伦琴射线和荧光屏产生的可见光感光，进一步提高了胶片的灵敏度。这些方法统称“增感”，它使得胶片摄影的速度获得数倍的提高，但是没有根本解决问题。

第一代微光夜视仪的发明为伦琴射线的观察翻开了新的一页。伦琴射线照在荧光屏（通常为碘化铯晶体，现代也采用纳米钨酸钙涂层）虽然极其微弱，以至于在全黑条件下肉眼只能隐约可见，但是通过微光夜视仪，可以把亮度放大数万倍，就能直接观察。第一代微光夜视仪的主要部件是像增强管，每级像增强管可以让图像变亮近100倍，用三级像增强管级联放大，可以把图像变亮几十万倍。然后，用一个电视摄像管拍摄图像，并转换为视频信号，就能够传输到很远的地方，用电视机来显示。从上世纪五六十年代起，医院开始配备带微光夜视仪的伦琴射线机，大大提高了影像检测的速度。这种带微光夜视仪的伦琴射线机，叫做透视机，用它来检查身体，就是俗称的“照光”。由于微光夜视仪的放大作用很大，因此对伦琴射线的强度和曝光时间的要求很低，只需要0.1~0.5mA的电流，就能实时显示图像，只要时间不太长，对病人的身体伤害变得较小。

但是那时候还没有很好的办法来记录图像，即使后来可以用磁带记录，也不能方便的保存和显示。对于不太熟练的医生，可能需要照很长时间以便仔细观察，导致剂量变大。而且由于射线光子太少，加之电视系统的分辨率和灰阶有限，不利于仔细判读，对诊断不利。因此，胶片仍然作为诊断的主要依据。由于“照光”的成本很低，当医生怀疑有器质性病变时，可以先让病人去“照光”，如果照光不能明确诊断，再让病人去“拍片”。透视技术的发明，还为动态观察提供了条件，老人们熟知的钡餐透视，就是在伦琴射线的连续观察下吞咽硫酸钡悬液。由于做一次钡餐的时间很长，剂量也会很大。

到了上世纪90年代，人们发明了可以替代胶片的伦琴射线感光记录技术，即通常说的IP板，及其应用平台CR（计算机放射投影）。该技术是用磷光材料把伦琴射线的图像存储下来，然后用激光照射扫描，使磷光材料发光，读出其中存储的图像并记录在计算机中，然后，用强光擦除磷光材料上的影像，使之可以重复利用。CR技术是配合计算机技术形成的，它第一次将图像数字化存储，与胶片显影已有本质不同。采用CR技术能够降低病人接受的照射剂量，但是降低的量有限，此外仍然需要较长曝光时间，即时间分辨率较低。CR具有极高的理论分辨率（μm量级），实用分辨率主要受激光束的直径制约。对于振镜系统，由于光路长，激光束的直径很难经济的做小，因此医用CR的分辨率难以提高。科研上采用导轨滑车直接拖着激光器跑，光路很短，能接近理论分辨率，缺点是速度极慢，读一张照片可以花几个小时，显然不适合医用。CR拍摄的影像是存储在计算机中的，可以打印。如果需要变成胶片，可以用激光将其重现在胶片上，然后进行冲洗。

微光夜视仪也在进步，第二代、第三代微光夜视仪从发明到应用到伦琴射线观察，只经过了很短的时间，但并不普及。这些新技术使得伦琴射线成像设备的体积大幅度缩小，性能也有所提升。并且，经过微光夜视仪放大的图像可以用现代的CCD等技术数字化。但是这些方法都是将伦琴射线转变为可见光，然后再放大，再数字化的间接方法。最近十年伦琴射线的显示技术发展很快，目前已经有了一体化的伦琴射线感光器件，平板数字成像技术迅速发展起来，逐步成为医院的标准装备。