DIY設(shè)計高輻射X射線光機(jī)案例

(特別提示：本文僅供參考，創(chuàng)作結(jié)束即刻完全拆除。輻射有害身體健康，專業(yè)/非專業(yè)人員請勿以任何形式及場地嘗試制作！)

前言： 玩X光首要的問題是解決輻射的問題，大家最關(guān)心的肯定也是輻射問題，對普通人來說任何多余的輻射接觸都是不建議的，不推薦無防護(hù)實驗! 本文創(chuàng)作結(jié)束即刻完全拆除，所以拍完這批照片，整套系統(tǒng)就拆散吃灰。 朋友送了我一個X光管：

本來我也不想搞這個，輻射大，要高壓，比較危險，但既然到手了，那總要點(diǎn)亮一下。 于是，吶~點(diǎn)亮了!

既然是點(diǎn)亮肯定要出X光才算，那先講講X光吧。

一、原理

大家都知道X射線是W.K.倫琴發(fā)現(xiàn)的，1895年的時候，他在研究陰極射線管和陰極射線，無意中發(fā)現(xiàn)陰極射線管發(fā)射出一種看不見的射線，可以讓某些物質(zhì)發(fā)出熒光，他繼續(xù)研究這種射線，發(fā)現(xiàn)此射線不僅能讓膠片感光，并且能穿透很多物質(zhì)，他將此射線命名為X射線，意為未知的射線。

現(xiàn)代物理學(xué)研究讓我們知道了X射線的產(chǎn)生機(jī)理，高中物理講到可見光是由原子的外層電子躍遷產(chǎn)生的，那么很多人就要問為啥是“外層”，內(nèi)層電子會不會躍遷?產(chǎn)生什么?現(xiàn)在我們知道了，原子核和內(nèi)層電子躍遷會產(chǎn)生X射線，當(dāng)高速運(yùn)動的自由電子被物質(zhì)突然減速，電子可能會和物質(zhì)的外層電子碰撞，產(chǎn)生大量可見光和紅外光，宏觀體現(xiàn)在物體發(fā)光發(fā)熱，而少數(shù)自由電子會和物質(zhì)的內(nèi)層電子碰撞，產(chǎn)生特征(標(biāo)識)輻射，也可能會和原子核碰撞，產(chǎn)生韌致輻射，特征輻射是內(nèi)層電子受激發(fā)躍遷后發(fā)射的特有頻率，在頻譜上呈現(xiàn)不連續(xù)的尖峰，可以用來識別物質(zhì)成分，而韌致輻射是自由電子撞到原子核后減速和改變運(yùn)動方向，電子損失的能量以電磁波的形式釋放出來，因為碰撞的角度不同，釋放的能量大小也不同，在頻譜上呈現(xiàn)連續(xù)譜，是產(chǎn)生連續(xù)X射線的主要機(jī)理。

二、結(jié)構(gòu)

由原理可知，要產(chǎn)生X射線需要三個必要條件，一是電子源;二是要形成高速電子流;三是要有靶材讓高速電子突然減速。具體到X射線管上，電子源就是燈絲，通電產(chǎn)生熱電子;高速電子流由兩部分來保證，一個是要接通高壓來給熱電子加速，同時管子內(nèi)部是抽成高度真空的，減輕電子流路徑上的一切阻力;靶材通常是金屬鎢，密度大，電子更容易和原子核發(fā)生碰撞，熔點(diǎn)高，能承受轟擊點(diǎn)的高溫，要導(dǎo)電，X射線管的陽極就是靶，也就是加速電極。 額外附件：燈絲外部有金屬層包裹，估計是用來約束電子流的，起一定的聚焦作用，陽極鎢靶上套有厚重的銅層，陽極引出線也是很粗壯，是為了散熱。工作時管子通上高壓，假設(shè)是100kV，電流2mA，除了少部分能量(1%不到)以X射線輻射出去，靶材要承受幾乎200W的能量，而且是集中在一個小點(diǎn)上，和激光切割差不多，整個射線管是泡在絕緣油里面的，兼顧絕緣和散熱，小功率管子可以靠油的對流和傳導(dǎo)散熱，大功率管子很復(fù)雜，有些是液冷的，陽極有通道供液體進(jìn)出，還有些是旋轉(zhuǎn)陽極，轉(zhuǎn)子和陽極封裝在一起，工作時通過外部線圈驅(qū)動，讓陽極轉(zhuǎn)起來，把原本集中在一點(diǎn)的能量分散到整個圓周。我這個就是小功率管，只要油冷就行，如果是DIY玩玩，短時間小電流的話，不考慮散熱也沒問題。

三、其他

X射線的能量用單位keV來表示，在X射線管中通常認(rèn)為1kV高壓對應(yīng)1keV的X射線能量，電壓越高產(chǎn)生的X射線能量越強(qiáng)，波長越短，穿透力也越強(qiáng)。這里要搞清能量和亮度的區(qū)別，X射線能量越高，指的是單個光子所攜帶的能量越大，也就是波長短，而X射線的亮度則取決于光子的數(shù)量，拍胸片的時候，提高X光的能量只會加強(qiáng)射線的穿透力，最后在底片上是全透明，要縮短曝光時間就要提高X射線的亮度，也就是提高燈絲的功率，讓更多的電子轟擊到陽極上。

理論上，CRT顯示器、大多數(shù)電子管....只要是有高真空、高速電子流、靶材的場合，都會產(chǎn)生X射線。但這些X射線通常不會造成太大影響，低于25kV的X射線能量太弱，無法穿透厚厚的玻璃殼，這類射線被稱為軟X射線，可用在特殊場合的靜電消除，那軟X射線如何射出呢?那種管子是特制的，發(fā)射口是用薄薄的一層金屬鈹代替玻璃，就是所謂的“鈹窗片”。相對于軟X射線，高于25kV的就叫硬X射線，通常人們拍片使用的就是硬X射線。

關(guān)于輻射損傷的問題，又是個長篇大論，為了縮短篇幅，僅從X射線的角度來講。本身自然環(huán)境就有輻射，人體能處理一定劑量的輻射，超出部分就造成輻射損傷，所以不能過量。對于X射線來講，因為低能量的X射線更容易被物質(zhì)阻擋，可以認(rèn)為是被物體吸收了(光子和原子相互作用)，所以，低能量的X射線比高能量的更危險，超過100keV的X射線人體幾乎不吸收，全透過。醫(yī)學(xué)上也有用軟X射線做乳腺檢查，乳腺幾乎都是脂肪，吸收率很低，硬X射線對其完全透射，所以乳腺檢查的X射線管窗口是削薄的玻璃，讓低能的X射線射出，如果碰到這種管子，小心使用。 有個誤區(qū)是X射線無法穿透鉛，實際上這并不是絕對的，鉛屏蔽X射線和γ射線并沒有什么特異功能，靠的是巨大的相對原子質(zhì)量和厚度，如果很薄的鉛皮，用高能X射線也是能穿透的，為了獲得更好的屏蔽效果，可以增加屏蔽層厚度或換用原子質(zhì)量更大的材料，比如貧鈾，很奇怪吧，本身帶有輻射的東西卻用來屏蔽輻射，是因為貧鈾放出的大多是α或β射線以及少量的低能γ射線，在需要屏蔽高能γ射線的場合，貧鈾就是很好的屏蔽材料。

四、驅(qū)動，下面正式驅(qū)動這個管子。

本來我想閑魚上收個X光機(jī)的驅(qū)動電路，但不符合DIY精神，而且閑魚上價格普遍偏高，于是考慮自己做。看圖，一般X光管有3個引腳，兩個是燈絲，另一個通常很粗壯的是陽極，工作的時候點(diǎn)亮燈絲，再在陽極加上幾十到上百kV的高壓，電流值幾毫安，X射線就會從側(cè)面窗口射出來。

燈絲很簡單，只要2V左右的電壓就可以了，至于高壓，成品設(shè)備里都是用高頻變壓器升壓到幾kV，然后通過多級倍壓升到需要的值，我不想用電容倍壓，因為買不到很好的高壓陶瓷電容，性能好的又特別貴，一番思索后買了幾個黑白電視機(jī)的高壓包，雖然彩電高壓包功率更大，但內(nèi)部集成了整流二極管，不利于后期制作，而且有奇奇怪怪的副繞組，增加體積，黑白包就是個線圈，方便縮小體積。 騷操作，4個線包串聯(lián)，兩副磁芯合成一副EE

煮一鍋石蠟，把整個高壓變壓器泡在里面，絕緣。

凝固前還要抽一下真空，排出任何氣泡。

凝固后的樣子，初級和次級繞組露出在外，驅(qū)動電路用ZVS，簡單方便。實測發(fā)現(xiàn)能升壓到50kV左右，但很快擊穿，估計是石蠟在凝固的時候會收縮產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致絕緣能力下降。騷操作不行，此路不通，還是老老實實用電容倍壓。

第二次制作，開始物色一級升壓變壓器，首要考慮的是功率是否足，假設(shè)最終升壓的目標(biāo)是75kV，5mA電流就需要375W功率，當(dāng)然實際我可以調(diào)低亮度，一般個人玩玩的話1-2mA就有很好的效果了，5mA的劑量太大，對健康不利，那300W也勉強(qiáng)夠了， 75kV是6倍壓得來，一級升壓變壓器就要輸出15kV 20mA以上，有個選擇是靜電除塵高壓包，標(biāo)稱可以到300W，但問了很多家，如果用24V低壓輸入就很難升到15KV以上，最后找了家定制的，他們有UY20骨架的高壓包滿足我要求，100多元解決。

倍壓電路的話，網(wǎng)上很多可以參考，電路圖就不貼了

電容耐壓要大于2倍輸入電壓，也就是說一級升壓輸出15kV，電容耐壓要30kV以上，我選了35kV2200pF的高壓瓷片，這種瓷片不能用于大電流放電，類似于靜電容，倍壓電路做完后也盡量不能直接在空氣中火花放電，容易損壞。 二極管不知道啥型號，很久以前收的舊貨，據(jù)說有20kV0.5A，因為耐壓有點(diǎn)不夠所以兩個串聯(lián)作為一個使用，購買的話只要選擇30kV20mA以上參數(shù)的硅堆就行了。裁了一片洞洞板搭了一下，把焊點(diǎn)周圍的銅箔都剝掉，免得爬弧放電。

吸取第一次教訓(xùn)，石蠟在這種高壓下不靠譜，所以買來了硅油，用變壓器油也行，整個泡在里面，絕緣沒問題了，測試放電，一級變壓器輸入24V，輕松擊穿6cm空氣。

把電路搭起來，我桌面沒有這么大空間，在地上鋪開了，清空周圍的雜物，以免高壓打火，X光管下面墊了一片云母板，也是為了防止打火。 倍壓輸出用的是耐壓80kV的高壓絕緣線，燈絲供電的話，雖然dcdc可以控制得比較精確，但怕高壓打壞了，所以用一節(jié)鋰電池提供，串聯(lián)一段電爐絲調(diào)節(jié)電流，簡單粗暴。

X光用的增感屏，是涂有熒光材料的一張膜，看起來像厚卡紙，現(xiàn)在多采用稀土材料，感度高，分辨率也比較好，照片上的是綠色熒光的，是后來買的，開始用的是藍(lán)色的屏，比較暗，效果不好。 此物用于X光攝影時對膠片的增感，可以縮短曝光時間，減少操作人員的輻射暴露。 使用時把膠片和增感屏貼一起放入暗盒中，大約只有5%曝光量是直接受到X光的作用，而90%以上的曝光量為增感屏產(chǎn)生的熒光作用于膠片，所以這玩意叫“增感”屏。 屏也可以直接用肉眼觀看，但是比較暗，所以下面部分照片為相機(jī)拍攝，為了縮短輻射暴露時間，我用的是拍視頻，畫面比較模糊。 管子發(fā)射窗口對著增感屏，外面還要用黑色塑料遮光，免得燈絲的光影響觀察，先打開燈絲，再啟動高壓，屏上出現(xiàn)一個藍(lán)色光斑，這就是X射線產(chǎn)生的熒光了。

X光管外側(cè)會產(chǎn)生幾厘米長的電暈，所以最好把管子也泡在油里。

經(jīng)過多次調(diào)試，增加了燈絲電流，亮度比較滿意了，用高壓二極管和SD卡測試效果。

測試一：

測試二：

后期因為覺得藍(lán)色屏不夠亮，換用綠色屏，亮度高許多，拍了些照片。 鑰匙扣小手電(沒裝電池)↓

某DCDC升壓電路↓

iPhone4局部↓

以及我的手指~

可以看到效果還是不錯的，但不可忽視的是，就算是背對著窗口，照射到房屋鋼筋后散射的X射線都能讓蓋革計數(shù)器爆表，這種全都裸露在外的方案是不能長期使用的，接下來就改用另一個替代方案，用遙控開關(guān)來控制高壓的輸出，而人則走到遠(yuǎn)離輻射源的位置，遙控操作。 關(guān)鍵是要改進(jìn)畫面的拍攝方法，拍視頻的效果太粗糙，當(dāng)然我可以用X光膠片，但還要沖洗，我沒有洗過膠片，放棄該方案，現(xiàn)在醫(yī)院里普遍采用數(shù)字成像方法，價格非常高，也不是個人能承受的。

經(jīng)朋友指點(diǎn)，可以用拍立得的相片作為曝光介質(zhì)，于是又是一通閑魚操作，以很低的價格購得一臺拍立得故障機(jī)(因為我只需要其相片擠出結(jié)構(gòu)，不需要整機(jī)功能完好)，賣家描述是開機(jī)閃紅燈，本想著自己修，結(jié)果到手發(fā)現(xiàn)只是接觸不良，相機(jī)的功能全好，算是撿了個小便宜。 思路是僅利用拍立得的出片結(jié)構(gòu)，相紙拆出來按照標(biāo)準(zhǔn)X射線攝影的方式，用暗盒和增感屏拍攝，然后再放回拍立得完成顯影，好看又好玩。 以下是用拍立得相紙曝光的X光照片，拍攝的時候要估算曝光時間，開始兩張就是失敗品。

五、總結(jié)： 玩X光首要的問題是解決輻射的問題，大家最關(guān)心的肯定也是輻射問題，對普通人來說任何多余的輻射接觸都是不建議的，像我這樣沒有防護(hù)的情況下，長期玩必然是不安全的，所以拍完這批照片，整套系統(tǒng)就拆散吃灰。以后考慮全部自動化控制+遠(yuǎn)程操作，那又是另一個坑了。 關(guān)于成像介質(zhì)的問題，可以用一面鏡子反射增感屏的畫面，避開出光口的高劑量輻射，再用相機(jī)拍攝，也能得到比較好的效果。如果有能力洗膠片，推薦使用專用的X光膠片，成像精度高很多，沖洗藥水都是配套的，價格適中，還有種牙科用的膠片，相對成本更高些，尺寸很小，裝在不透光小袋子里的，但那個不需要增感屏，直接對X射線敏感，沖洗用的藥水也是附在小袋子里一體封裝好的，拍完了只要擠破袋子搖一搖就能完成沖洗，適合精度要求高的小物件。 拍立得方案操作復(fù)雜，而且那個畫面的顆粒感很重，基本是玩具級別的，但可以從中學(xué)習(xí)到很多東西，個人覺得是最好玩的一種，有精力的朋友也可以試一試。 關(guān)于畫質(zhì)，X光管也分很多種，畫質(zhì)很大程度上取決于管子內(nèi)部焦點(diǎn)的大小，通常來說牙科用的焦點(diǎn)比較小，適合拍攝芯片等物體。普通管子也能拍，但要精度高的話就要拉開光源和物體的距離，不方便，所以要挑合適的管子。 這個帖子太長了，有些圖也是現(xiàn)拍的，也刪減了很多內(nèi)容，主要是把折騰的經(jīng)歷發(fā)出來，給有需要的人提供個參考。

編輯：黃飛