自有人類以來，眼睛這一器官讓我們得以探知波長大約為380~700nm范圍內(nèi)的光/電磁波，并將其定義為可見光。十九世紀(jì)，人類陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了更多的光/電磁波--紅外線，紫外線，無線電波，微波，以及X射線。極大地豐富了我們對(duì)世界的認(rèn)知與觀察手段。

一般而言，對(duì)于宏觀結(jié)構(gòu)的探測，主要看波與物質(zhì)之間的反射/投射/吸收等特性；而基于或限于衍射的微觀尺度探測，則需波長與所需探測尺度相當(dāng)?shù)碾姶挪?；而?duì)于物質(zhì)性質(zhì)的譜學(xué)探測，則應(yīng)考慮物質(zhì)性質(zhì)對(duì)應(yīng)的能量與探測光的光子能量在同一個(gè)水平。

圖１X光在電磁波譜中的位置；摘自“https://www.chemistryviews.org/details/ezine/5283841/The_Electromagnetic_Spectrum/”

作為1895年由倫琴所發(fā)現(xiàn)的X射線（又名倫琴射線），自被發(fā)現(xiàn)以來就因其與物質(zhì)作用的散射截面小，穿透性高，被用作物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的成像與探查，為工業(yè)與醫(yī)學(xué)發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。其波長與原子間距相當(dāng)，在布拉格衍射這一現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)之后，X射線就成為了探測晶體結(jié)構(gòu)的重要手段。其能量與原子內(nèi)層電子能級(jí)相當(dāng)，基于X射線譜學(xué)的多種實(shí)驗(yàn)方法，可用來分析元素種類/價(jià)態(tài)/配位/電子分布等信息。

這一神秘的電磁波一直引領(lǐng)著人類探索微觀世界的腳步，從初代X射線管到同步輻射光源，直至現(xiàn)今的自由電子激光器，X射線光源的每一次進(jìn)化，都是科技與人類認(rèn)知的一次飛躍。

圖３早期玻璃球管

圖４飛利浦SRO33TM 100型光管的熱陰極近照

冷陰極管雖然因早期功率難以提升配排擠出了市場，但隨著材料的發(fā)展（碳納米管等）和技術(shù)的進(jìn)步（基于微納結(jié)構(gòu)的場發(fā)射FE技術(shù)），使其發(fā)射效率與功率得到了提高。且冷陰極本身擁有不需要額外加熱，可產(chǎn)生脈沖型電子束等特點(diǎn)。這使得冷陰極管成為目前不少科研單位和儀器廠商的研發(fā)方向。

目前，在其他類似需要陰極電子發(fā)生裝置的其他設(shè)備，特別是電鏡/電子探針等更重視測量精度的儀器中，冷陰極/場發(fā)射方式因其可控性/電子能量單色性/空間相干性更好等特點(diǎn)，已經(jīng)成為高端產(chǎn)品的標(biāo)配。

基于早期的Crookes光管結(jié)構(gòu)，最早由德國漢堡的Mueller發(fā)明了陰極電子聚焦系統(tǒng)，使得電子束從在真空中自由傳播變?yōu)榱耸茈姶艌黾s束更精準(zhǔn)的轟擊到靶材上，提高了X射線成像的分辨率。也為后來的X射線譜學(xué)打下了基礎(chǔ)。

現(xiàn)在，隨著離子光學(xué)的發(fā)展，我們已經(jīng)有微米-納米級(jí)別聚焦的實(shí)驗(yàn)室X射線源。

圖６早期的Coolidge型光管的凹形聚焦帽（左），來自GE；以及線聚焦器件（右），來自Mueller，后被飛利浦收購。

• 陽極靶材

最初的X射線管非常簡陋，陽極通常采用重金屬如鉑或金制成，因?yàn)樗鼈兡艹惺茈娮幼矒舢a(chǎn)生的熱量，但效率相對(duì)較低。

在X射線管的初期應(yīng)用中，銅和鐵曾被作為陽極材料，但由于其較低的原子序數(shù)，產(chǎn)生的X射線大多是能量較低的特征線，因而在需要高穿透的X射線成像領(lǐng)域表現(xiàn)欠佳。

鎢具有高熔點(diǎn)和高原子序數(shù)的特點(diǎn)，使得它成為理想的X射線管陽極材料。由于鎢能更有效地轉(zhuǎn)換電子動(dòng)能為更具穿透能力的X射線，并且能耐受更高的功率負(fù)載，因此逐漸成為醫(yī)學(xué)與工業(yè)成像的標(biāo)準(zhǔn)配置。

與此同時(shí)，Cu靶與Mo靶X射線源，由于其特征輻射波長契合相關(guān)材料的晶體結(jié)構(gòu)常數(shù)，常常分別被用于有機(jī)物和無機(jī)物的晶體結(jié)構(gòu)檢測；而Rh靶或Mo靶的X射線源在做XRF檢測中常會(huì)帶來更高的靈敏度；精細(xì)結(jié)構(gòu)吸收譜選擇X光管靶材時(shí)則需在其測試能量范圍避開特征線的干擾；做宇宙X射線探測/成像的模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，則需要與宇宙X射線相近的特征X射線（如Al靶等低Z材料）。

• 固態(tài)靶，轉(zhuǎn)動(dòng)靶與液態(tài)靶

圖７西門子固態(tài)靶光管（1942）ERG 80 ? 帶銅基底與散熱片

盡管固態(tài)靶在不斷發(fā)展，但總體而言在功率與功率密度上難以趕超上同一時(shí)期同一技術(shù)水平轉(zhuǎn)靶光源。即使如此，因其結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便，輸出穩(wěn)定，在需要長時(shí)間穩(wěn)定光源輸出的領(lǐng)域以及空間有限的系統(tǒng)中仍然占據(jù)著重要地位，比如X射線分析儀器（XRF,XRD）以及牙科成像與C臂機(jī)等醫(yī)療設(shè)備。

圖９（左）第一臺(tái)工業(yè)化轉(zhuǎn)靶光源（Varian）及其軸承上的散熱片結(jié)構(gòu)（右）由三層金屬組成的飛利浦Trinodex復(fù)合轉(zhuǎn)靶盤

20世紀(jì)以來，液態(tài)金屬流X射線管作為一種新型技術(shù)在商業(yè)上得到了應(yīng)用。這種X射線管摒棄了傳統(tǒng)的固體靶材，轉(zhuǎn)而采用液態(tài)金屬噴射流作為靶面，不斷刷新的液態(tài)金屬靶，它成功地突破了當(dāng)下傳統(tǒng)靶材因熱負(fù)荷限制而導(dǎo)致的性能瓶頸。使其成為X射線衍射類與顯微成像等關(guān)鍵指標(biāo)為光源輝度（Brilliance）而不單純是功率的應(yīng)用中展現(xiàn)了極大的優(yōu)勢。

圖10 來自瑞典Excillum的液態(tài)金屬流光源，帶有液態(tài)合金靶材噴射與回收系統(tǒng)