DIY设计高辐射X射线光机案例

(特别提示：本文仅供参考，创作结束即刻完全拆除。辐射有害身体健康，专业/非专业人员请勿以任何形式及场地尝试制作！)

前言： 玩X光首要的问题是解决辐射的问题，大家最关心的肯定也是辐射问题，对普通人来说任何多余的辐射接触都是不建议的，不推荐无防护实验!   本文创作结束即刻完全拆除，所以拍完这批照片，整套系统就拆散吃灰。   朋友送了我一个X光管：  

  本来我也不想搞这个，辐射大，要高压，比较危险，但既然到手了，那总要点亮一下。   于是，呐~点亮了!  

  既然是点亮肯定要出X光才算，那先讲讲X光吧。  

一、原理

大家都知道X射线是W.K.伦琴发现的，1895年的时候，他在研究阴极射线管和阴极射线，无意中发现阴极射线管发射出一种看不见的射线，可以让某些物质发出荧光，他继续研究这种射线，发现此射线不仅能让胶片感光，并且能穿透很多物质，他将此射线命名为X射线，意为未知的射线。

现代物理学研究让我们知道了X射线的产生机理，高中物理讲到可见光是由原子的外层电子跃迁产生的，那么很多人就要问为啥是“外层”，内层电子会不会跃迁?产生什么?现在我们知道了，原子核和内层电子跃迁会产生X射线，当高速运动的自由电子被物质突然减速，电子可能会和物质的外层电子碰撞，产生大量可见光和红外光，宏观体现在物体发光发热，而少数自由电子会和物质的内层电子碰撞，产生特征(标识)辐射，也可能会和原子核碰撞，产生韧致辐射，特征辐射是内层电子受激发跃迁后发射的特有频率，在频谱上呈现不连续的尖峰，可以用来识别物质成分，而韧致辐射是自由电子撞到原子核后减速和改变运动方向，电子损失的能量以电磁波的形式释放出来，因为碰撞的角度不同，释放的能量大小也不同，在频谱上呈现连续谱，是产生连续X射线的主要机理。  

二、结构

  由原理可知，要产生X射线需要三个必要条件，一是电子源;二是要形成高速电子流;三是要有靶材让高速电子突然减速。具体到X射线管上，电子源就是灯丝，通电产生热电子;高速电子流由两部分来保证，一个是要接通高压来给热电子加速，同时管子内部是抽成高度真空的，减轻电子流路径上的一切阻力;靶材通常是金属钨，密度大，电子更容易和原子核发生碰撞，熔点高，能承受轰击点的高温，要导电，X射线管的阳极就是靶，也就是加速电极。   额外附件：灯丝外部有金属层包裹，估计是用来约束电子流的，起一定的聚焦作用，阳极钨靶上套有厚重的铜层，阳极引出线也是很粗壮，是为了散热。工作时管子通上高压，假设是100kV，电流2mA，除了少部分能量(1%不到)以X射线辐射出去，靶材要承受几乎200W的能量，而且是集中在一个小点上，和激光切割差不多，整个射线管是泡在绝缘油里面的，兼顾绝缘和散热，小功率管子可以靠油的对流和传导散热，大功率管子很复杂，有些是液冷的，阳极有通道供液体进出，还有些是旋转阳极，转子和阳极封装在一起，工作时通过外部线圈驱动，让阳极转起来，把原本集中在一点的能量分散到整个圆周。我这个就是小功率管，只要油冷就行，如果是DIY玩玩，短时间小电流的话，不考虑散热也没问题。  

三、其他

X射线的能量用单位keV来表示，在X射线管中通常认为1kV高压对应1keV的X射线能量，电压越高产生的X射线能量越强，波长越短，穿透力也越强。这里要搞清能量和亮度的区别，X射线能量越高，指的是单个光子所携带的能量越大，也就是波长短，而X射线的亮度则取决于光子的数量，拍胸片的时候，提高X光的能量只会加强射线的穿透力，最后在底片上是全透明，要缩短曝光时间就要提高X射线的亮度，也就是提高灯丝的功率，让更多的电子轰击到阳极上。

  理论上，CRT显示器、大多数电子管....只要是有高真空、高速电子流、靶材的场合，都会产生X射线。但这些X射线通常不会造成太大影响，低于25kV的X射线能量太弱，无法穿透厚厚的玻璃壳，这类射线被称为软X射线，可用在特殊场合的静电消除，那软X射线如何射出呢?那种管子是特制的，发射口是用薄薄的一层金属铍代替玻璃，就是所谓的“铍窗片”。相对于软X射线，高于25kV的就叫硬X射线，通常人们拍片使用的就是硬X射线。  

关于辐射损伤的问题，又是个长篇大论，为了缩短篇幅，仅从X射线的角度来讲。本身自然环境就有辐射，人体能处理一定剂量的辐射，超出部分就造成辐射损伤，所以不能过量。对于X射线来讲，因为低能量的X射线更容易被物质阻挡，可以认为是被物体吸收了(光子和原子相互作用)，所以，低能量的X射线比高能量的更危险，超过100keV的X射线人体几乎不吸收，全透过。医学上也有用软X射线做乳腺检查，乳腺几乎都是脂肪，吸收率很低，硬X射线对其完全透射，所以乳腺检查的X射线管窗口是削薄的玻璃，让低能的X射线射出，如果碰到这种管子，小心使用。   有个误区是X射线无法穿透铅，实际上这并不是绝对的，铅屏蔽X射线和γ射线并没有什么特异功能，靠的是巨大的相对原子质量和厚度，如果很薄的铅皮，用高能X射线也是能穿透的，为了获得更好的屏蔽效果，可以增加屏蔽层厚度或换用原子质量更大的材料，比如贫铀，很奇怪吧，本身带有辐射的东西却用来屏蔽辐射，是因为贫铀放出的大多是α或β射线以及少量的低能γ射线，在需要屏蔽高能γ射线的场合，贫铀就是很好的屏蔽材料。  

四、驱动，下面正式驱动这个管子。

  本来我想闲鱼上收个X光机的驱动电路，但不符合DIY精神，而且闲鱼上价格普遍偏高，于是考虑自己做。看图，一般X光管有3个引脚，两个是灯丝，另一个通常很粗壮的是阳极，工作的时候点亮灯丝，再在阳极加上几十到上百kV的高压，电流值几毫安，X射线就会从侧面窗口射出来。  

  灯丝很简单，只要2V左右的电压就可以了，至于高压，成品设备里都是用高频变压器升压到几kV，然后通过多级倍压升到需要的值，我不想用电容倍压，因为买不到很好的高压陶瓷电容，性能好的又特别贵，一番思索后买了几个黑白电视机的高压包，虽然彩电高压包功率更大，但内部集成了整流二极管，不利于后期制作，而且有奇奇怪怪的副绕组，增加体积，黑白包就是个线圈，方便缩小体积。   骚操作，4个线包串联，两副磁芯合成一副EE  

  煮一锅石蜡，把整个高压变压器泡在里面，绝缘。  

  凝固前还要抽一下真空，排出任何气泡。  

  凝固后的样子，初级和次级绕组露出在外，驱动电路用ZVS，简单方便。实测发现能升压到50kV左右，但很快击穿，估计是石蜡在凝固的时候会收缩产生裂纹，导致绝缘能力下降。骚操作不行，此路不通，还是老老实实用电容倍压。  

  第二次制作，开始物色一级升压变压器，首要考虑的是功率是否足，假设最终升压的目标是75kV，5mA电流就需要375W功率，当然实际我可以调低亮度，一般个人玩玩的话1-2mA就有很好的效果了，5mA的剂量太大，对健康不利，那300W也勉强够了， 75kV是6倍压得来，一级升压变压器就要输出15kV 20mA以上，有个选择是静电除尘高压包，标称可以到300W，但问了很多家，如果用24V低压输入就很难升到15KV以上，最后找了家定制的，他们有UY20骨架的高压包满足我要求，100多元解决。  

  倍压电路的话，网上很多可以参考，电路图就不贴了  

  电容耐压要大于2倍输入电压，也就是说一级升压输出15kV，电容耐压要30kV以上，我选了35kV2200pF的高压瓷片，这种瓷片不能用于大电流放电，类似于静电容，倍压电路做完后也尽量不能直接在空气中火花放电，容易损坏。   二极管不知道啥型号，很久以前收的旧货，据说有20kV0.5A，因为耐压有点不够所以两个串联作为一个使用，购买的话只要选择30kV20mA以上参数的硅堆就行了。裁了一片洞洞板搭了一下，把焊点周围的铜箔都剥掉，免得爬弧放电。  

 

  吸取第一次教训，石蜡在这种高压下不靠谱，所以买来了硅油，用变压器油也行，整个泡在里面，绝缘没问题了，测试放电，一级变压器输入24V，轻松击穿6cm空气。  

  把电路搭起来，我桌面没有这么大空间，在地上铺开了，清空周围的杂物，以免高压打火，X光管下面垫了一片云母板，也是为了防止打火。   倍压输出用的是耐压80kV的高压绝缘线，灯丝供电的话，虽然dcdc可以控制得比较精确，但怕高压打坏了，所以用一节锂电池提供，串联一段电炉丝调节电流，简单粗暴。  

  X光用的增感屏，是涂有荧光材料的一张膜，看起来像厚卡纸，现在多采用稀土材料，感度高，分辨率也比较好，照片上的是绿色荧光的，是后来买的，开始用的是蓝色的屏，比较暗，效果不好。   此物用于X光摄影时对胶片的增感，可以缩短曝光时间，减少操作人员的辐射暴露。   使用时把胶片和增感屏贴一起放入暗盒中，大约只有5%曝光量是直接受到X光的作用，而90%以上的曝光量为增感屏产生的荧光作用于胶片，所以这玩意叫“增感”屏。   屏也可以直接用肉眼观看，但是比较暗，所以下面部分照片为相机拍摄，为了缩短辐射暴露时间，我用的是拍视频，画面比较模糊。   管子发射窗口对着增感屏，外面还要用黑色塑料遮光，免得灯丝的光影响观察，先打开灯丝，再启动高压，屏上出现一个蓝色光斑，这就是X射线产生的荧光了。  

  X光管外侧会产生几厘米长的电晕，所以最好把管子也泡在油里。  

  经过多次调试，增加了灯丝电流，亮度比较满意了，用高压二极管和SD卡测试效果。  

  测试一：  

  测试二：  

  后期因为觉得蓝色屏不够亮，换用绿色屏，亮度高许多，拍了些照片。   钥匙扣小手电(没装电池)↓  

  某DCDC升压电路↓  

  iPhone4局部↓  

  以及我的手指~  

  可以看到效果还是不错的，但不可忽视的是，就算是背对着窗口，照射到房屋钢筋后散射的X射线都能让盖革计数器爆表，这种全都裸露在外的方案是不能长期使用的，接下来就改用另一个替代方案，用遥控开关来控制高压的输出，而人则走到远离辐射源的位置，遥控操作。   关键是要改进画面的拍摄方法，拍视频的效果太粗糙，当然我可以用X光胶片，但还要冲洗，我没有洗过胶片，放弃该方案，现在医院里普遍采用数字成像方法，价格非常高，也不是个人能承受的。

  经朋友指点，可以用拍立得的相片作为曝光介质，于是又是一通闲鱼操作，以很低的价格购得一台拍立得故障机(因为我只需要其相片挤出结构，不需要整机功能完好)，卖家描述是开机闪红灯，本想着自己修，结果到手发现只是接触不良，相机的功能全好，算是捡了个小便宜。   思路是仅利用拍立得的出片结构，相纸拆出来按照标准X射线摄影的方式，用暗盒和增感屏拍摄，然后再放回拍立得完成显影，好看又好玩。   以下是用拍立得相纸曝光的X光照片，拍摄的时候要估算曝光时间，开始两张就是失败品。  

 

 

 

 

  五、总结：   玩X光首要的问题是解决辐射的问题，大家最关心的肯定也是辐射问题，对普通人来说任何多余的辐射接触都是不建议的，像我这样没有防护的情况下，长期玩必然是不安全的，所以拍完这批照片，整套系统就拆散吃灰。以后考虑全部自动化控制+远程操作，那又是另一个坑了。   关于成像介质的问题，可以用一面镜子反射增感屏的画面，避开出光口的高剂量辐射，再用相机拍摄，也能得到比较好的效果。如果有能力洗胶片，推荐使用专用的X光胶片，成像精度高很多，冲洗药水都是配套的，价格适中，还有种牙科用的胶片，相对成本更高些，尺寸很小，装在不透光小袋子里的，但那个不需要增感屏，直接对X射线敏感，冲洗用的药水也是附在小袋子里一体封装好的，拍完了只要挤破袋子摇一摇就能完成冲洗，适合精度要求高的小物件。   拍立得方案操作复杂，而且那个画面的颗粒感很重，基本是玩具级别的，但可以从中学习到很多东西，个人觉得是最好玩的一种，有精力的朋友也可以试一试。   关于画质，X光管也分很多种，画质很大程度上取决于管子内部焦点的大小，通常来说牙科用的焦点比较小，适合拍摄芯片等物体。普通管子也能拍，但要精度高的话就要拉开光源和物体的距离，不方便，所以要挑合适的管子。   这个帖子太长了，有些图也是现拍的，也删减了很多内容，主要是把折腾的经历发出来，给有需要的人提供个参考。  

编辑：黄飞