X射线和X射线管简史(上)

作者:电子工业 X 射线顾问:David Bernard 博士

早期

X射线是一种高能电磁辐射,在电磁波谱中位于紫外线和伽马射线之间,它能够穿透很多物质。1895年11月8日,威廉·康拉德·伦琴(Wilhelm Conrad Röntgen)首次发现了它,当时他偶然发现了它在荧光屏上生成图像的效果,随后又发现了在远离光学隐藏的克鲁克斯管等的摄影底片上生成图像的效果。这意味着,早在1875年克鲁克斯管等发明之初,实验人员就已经产生了X射线。然而,正是伦琴第一次看到了这种效应,他在1895年12月28日发表的论文《关于一种新的射线》中对此进行了描述。伦琴把他的发现称为X射线,以表明这是一种未知的辐射。然而,在许多语言中,直到今天它仍然被称为伦琴射线。这一发现在1901年得到承认,当时伦琴被授予第一个诺贝尔物理学奖。自从X射线被发现以来,它们在分析和诊断中的应用已经成为科学和工程领域中研究最广泛的领域之一。令人惊讶的是,在20世纪的前25年,几乎一半的诺贝尔奖都与这一领域的贡献有关。

伦琴很快就看到了他的发现的医学意义和机遇,正如著名的第一张x射线照片,如图2所示,1895年12月22日妻子安娜的手。他意识到X射线提供了一种无创的方法来研究人体内部。值得注意的是,出于个人道德原因,伦琴拒绝为他的发现x射线申请专利,因为他希望整个社会都能从x射线的实际应用中受益。因此,这很快就导致了研究论文、X射线和X射线设备在世界各地的爆炸式发展,这与我们今天可能更熟悉的石墨烯最初发现后的情况类似。

发现X射线后,在短短几年时间内就得到了广泛的医学应用。在第一次世界大战中,甚至是现有和未来,X射线透视被广泛使用,如图3所示,诺贝尔奖得主玛丽·居里(Marie Curie)和伊雷娜·约里奥-居里(Irène Joliot-Curie)母女,在比利时为受伤的士兵进行移动和固定的x射线机检查。

在二维X射线图像用于诊断医学应用之后,很快就出现了X射线用于治疗方面的应用,这一技术不断发展,今天X射线放射疗法和近距离放射疗法用于癌症治疗。在医疗领域之外,X射线源还被用于其他新技术,使其能够有奇妙的新发现。这些技术包括X射线衍射法、康普顿背散射法和荧光法。从第一张X射线图像,到通过X射线衍射确认DNA结构,这之间只有58年。在当今的材料分析中,X射线荧光和衍射仍然是至关重要的分析方法。

X射线显微镜

除了医学应用之外,另一个最深远的X射线应用是在1951年,当时Cosslett & Nixon在剑桥大学发明了X射线(阴影)显微镜,如图4所示。他们指出,当探测器位置固定时,移动一个靠近X射线源焦点的物体,会在探测器上产生一个不断放大的物体(阴影)图像。生成图像的几何放大率是根据光源焦点与探测器的距离、光源焦点与目标的距离的比值计算的,如图4所示。大多数工业X射线设备都遵循此设计理念,以便在良好的成像同时具有可接受的放大率,用于完成检查任务。这与典型的医疗应用不同,在典型的医疗应用中,物体(如肢体)被放置在探测器(如胶片)上,从而提供未放大的图像。X射线显微镜可在许多行业用于非破坏性检查和质量控制等,其中包括:

*不断缩小的电子元件和电路板制造。

*食品安全问题,如确定原材料或生产设备可能产生的污染。

*在整个无损检测应用范围内的厚度和缺陷监测,如铸件和管道焊接。

*轮胎制造中的质量与安全控制。

*药品质量控制。

*安全应用。

自从2D X射线图像被发现以来,无论是否放大,它都带来了巨大的好处。另一个重大进展是在20世纪60年代末,戈弗雷·霍恩斯菲尔德(Godfrey Hounsfield)发现了计算机辅助层析成像技术(现在通常称为CT),为X射线分析提供了三维空间。无论是医疗应用还是工业应用,这不仅提供了在放大或不放大情况下对物体的不同层进行非破坏性切片的能力,它还促使了其他新的成像技术,如磁共振成像,或MRI,近年来,这给诊断医学带来了革命性的变化。霍恩斯菲尔德因CT的发现与艾伦·科马克(Allan Cormack)共同获得了1979年诺贝尔生理学或医学奖。磁共振成像的发明在2003年获得了诺贝尔生理学或医学奖。

在X射线分析中增加了三维空间,CT不仅增强了医疗诊断能力,有助于定位和更好的靶向肿瘤治疗,而且还有助于现有的和新的工业应用,如:

*通过研究岩石样品的结构来寻找新的石油来源。

*分析新材料和复合材料。

*3D打印工业应用中增材制造的研究与质量控制。

自从伦琴首次发现这些“未知”射线的作用后的125年里,并不是所有的X射线应用都成功地蓬勃发展起来。例如,在1930年至1950年期间,在美国鞋店中常见的X射线试鞋机,如图6所示。然而,X射线在众多行业和应用中所带来的好处和机遇远远超过了这些小失败。文章的下半部分将更详细地介绍X射线源本身的历史和发展,这些X射线源使所有这些X射线应用得以实现。

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