網友自制高輻射X射線光機(全程高能,請勿嘗試!)

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管理員 2021-03-22 11:03

(特別提示:本文僅供參考,創作結束即刻完全拆除。輻射有害身體健康,專業/非專業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,不推薦無防護實驗!


本文創作結束即刻完全拆除,所以拍完這批照片,整套系統就拆散吃灰。


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,那總要點亮一下。


于是,吶~點亮了!



既然是點亮肯定要出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.倫琴發現的,1895年的時候,他在研究陰極射線管和陰極射線,無意中發現陰極射線管發射出一種看不見的射線,可以讓某些物質發出熒光,他繼續研究這種射線,發現此射線不僅能讓膠片感光,并且能穿透很多物質,他將此射線命名為X射線,意為未知的射線。?


現代物理學研究讓我們知道了X射線的產生機理,高中物理講到可見光是由原子的外層電子躍遷產生的,那么很多人就要問為啥是“外層”,內層電子會不會躍遷?產生什么?現在我們知道了,原子核和內層電子躍遷會產生X射線,當高速運動的自由電子被物質突然減速,電子可能會和物質的外層電子碰撞,產生大量可見光和紅外光,宏觀體現在物體發光發熱,而少數自由電子會和物質的內層電子碰撞,產生特征(標識)輻射,也可能會和原子核碰撞,產生韌致輻射,特征輻射是內層電子受激發躍遷后發射的特有頻率,在頻譜上呈現不連續的尖峰,可以用來識別物質成分,而韌致輻射是自由電子撞到原子核后減速和改變運動方向,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,在頻譜上呈現連續譜,是產生連續X射線的主要機理。


二、結構?


由原理可知,要產生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生碰撞,熔點高,能承受轟擊點的高溫,要導電,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散熱,大功率管子很復雜,有些是液冷的,陽極有通道供液體進出,還有些是旋轉陽極,轉子和陽極封裝在一起,工作時通過外部線圈驅動,讓陽極轉起來,把原本集中在一點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射線管中通常認為1kV高壓對應1keV的X射線能量,電壓越高產生的X射線能量越強,波長越短,穿透力也越強。?這里要搞清能量和亮度的區別,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量,拍胸片的時候,提高X光的能量只會加強射線的穿透力,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、大多數電子管....只要是有高真空、高速電子流、靶材的場合,都會產生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射線更容易被物質阻擋,可以認為是被物體吸收了(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。醫學上也有用軟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、驅動,下面正式驅動這個管子。?


本來我想閑魚上收個X光機的驅動電路,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的高壓包,雖然彩電高壓包功率更大,但內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,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,驅動電路用ZVS,簡單方便。實測發現能升壓到50kV左右,但很快擊穿,估計是石蠟在凝固的時候會收縮產生裂紋,導致絕緣能力下降。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,假設最終升壓的目標是75kV,5mA電流就需要375W功率,當然實際我可以調低亮度,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,據說有20kV0.5A,因為耐壓有點不夠所以兩個串聯作為一個使用,購買的話只要選擇30kV20mA以上參數的硅堆就行了。裁了一片洞洞板搭了一下,把焊點周圍的銅箔都剝掉,免得爬弧放電。




吸取第一次教訓,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,所以用一節鋰電池提供,串聯一段電爐絲調節電流,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,屏上出現一個藍色光斑,這就是X射線產生的熒光了。



X光管外側會產生幾厘米長的電暈,所以最好把管子也泡在油里。



經過多次調試,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,用遙控開關來控制高壓的輸出,而人則走到遠離輻射源的位置,遙控操作。


關鍵是要改進畫面的拍攝方法,拍視頻的效果太粗糙,當然我可以用X光膠片,但還要沖洗,我沒有洗過膠片,放棄該方案,現在醫院里普遍采用數字成像方法,價格非常高,也不是個人能承受的。


經朋友指點,可以用拍立得的相片作為曝光介質,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(因為我只需要其相片擠出結構,不需要整機功能完好),賣家描述是開機閃紅燈,本想著自己修,結果到手發現只是接觸不良,相機的功能全好,算是撿了個小便宜。


思路是僅利用拍立得的出片結構,相紙拆出來按照標準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:?


玩X光首要的問題是解決輻射的問題,大家最關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,整套系統就拆散吃灰。以后考慮全部自動化控制+遠程操作,那又是另一個坑了。


關于成像介質的問題,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,但可以從中學習到很多東西,個人覺得是最好玩的一種,有精力的朋友也可以試一試。


關于畫質,X光管也分很多種,畫質很大程度上取決于管子內部焦點的大小,通常來說牙科用的焦點比較小,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,有些圖也是現拍的,也刪減了很多內容,主要是把折騰的經歷發出來,給有需要的人提供個參考。


謝謝觀看!




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