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网友自制高辐射X射线光机
 
  发布时间:2020/4/9    文章来源:本文高能,请勿尝试    点击:944
  
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。

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