基于微型X射线闭管的X射线荧光谱仪是深空探测新一代元素就位分析技术，研制了一款微型微焦斑X射线闭管作为X射线荧光分析的激发源。设计了一种新型的单极静电聚焦透镜，仿真模拟了电子聚焦光学结构尺寸对电子束运动轨迹的影响，并对静电聚焦结构的形状和尺寸进行了优化。完成了微型一体化X射线源的加工和装调，搭建了X射线源性能测试装置。微型一体化X射线源工作电压2~50 kV、X射线强度不稳定性为0.3%、高压不稳定性为0.21%。在高压50 kV、电子电流50 μA的情况下，微型一体化X射线源的总功耗5 W，焦斑尺寸177 μm×451 μm，可以满足深空探测行星表面物质成分原位分析需求。

为了研究医学系统中乳腺癌早期诊断的关键技术, 研制了一台用于准点X光源成像实验台架。该实验台架由脉冲触发器电源和脉冲X射线管组成, 其中脉冲触发器电源由Marx发生器、火花隙开关、电容分压器及输出段构成, 采用紧凑可移动化的设计; 脉冲X射线管利用冷阴极反射轰击阳极靶韧致辐射出X射线的机理, 该方法可有效提高辐射出X射线点源位置的重复率, 并且根据不同的驱动电压可调节阴阳极的材料及距离, 保证在脉冲X射线管输出X射线光子能量≥15 keV的情况下, X射线点源尺寸可以达到≤100 μm的设计指标。Simplorer模拟结果表明: 在脉冲X射线管阻抗为57 Ω时, 脉冲触发器输出指标为电压169 kV, 上升时间≤10 ns, 脉宽≤100 ns。

高能量亚纳秒脉冲X射线可用于精确定标辐射探测系统的时间响应特性和探测灵敏度, 对于脉冲辐射场诊断技术研究具有重要意义。研制了一种小型化、可移动的亚纳秒脉冲X射线源, 装置占地区域尺寸为1.2 m×40 cm, 重142 kg。设计了双锥形绕组同轴结构变压器, 采用新颖的三谐振变压技术, 将纳秒脉冲形成线充电至520 kV, 通过油介质自击穿开关放电, 输出370 kV, 3.8 ns的高压脉冲。设计了多级过匹配传输线提升输出电压, 并利用油介质peaking-chopping开关进行脉冲压缩, 产生了峰值520 kV、半高宽0.5 ns、功率1.8 GW的高压脉冲。基于Child-Langmuir定理, 设计了刀刃阴极X光管, 在520 kV电压下的运行阻抗为150 Ω, 管前20 cm处的X射线峰值能量注量率约为1×1016 MeV·cm-2·s-1, 累积照射量为4.1 mR。

为了定量评价两种技术在视觉研究实验中的适用性, 本文根据文献分析和视觉研究需求设计了显示器性能测试系统与测试流程, 对一台阴极射线管(CRT)显示器和两台通用液晶显示器作为视觉刺激显示设备的关键性能进行测试。结合心理物理学理论, 特别是韦伯定律, 详细地分析和比较了各项测试结果。实验结果显示所有的显示器有不同的Gamma特性, 需要进行相应的Gamma校正之后才能线性呈现图像的灰度级; CRT显示器在响应时间上具有绝对优势, 但屏幕空间均匀性和独立性较差; 相比于CRT显示器, LCD显示器具有较高的亮度和较好的空间均匀性和独立性, 但是响应时间偏慢, 而且相邻两帧图像之间独立性较差。这些测试结果表明, CRT显示器仍然是高动态特性视觉刺激显示的首选, 而LCD显示器可以用于呈现对空间亮度一致性和空间的独立性要求高, 但对响应速度要求不高的视觉刺激。

为了得到场约束方式下，金属陶瓷封装端窗透射微型X光管发射电流的最大化和焦斑尺寸的最小化，对热阴极发射体的几何结构进行仿真计算，为设计实物模型提供技术方案。首先，从理论上推导了直热式阴极发射体、发射电流密度与几何结构的关系，其次讨论了有限积分算法在求解电场分布数值解过程中的离散化思路，最后利用CST粒子工作室软件，建立了几何模型，对阴极发射体的几何结构进行了优化。在灯丝距离控制极0.4 mm、控制极开孔直径为0.6 mm的位置，能够得到较小的焦斑和较高的电荷密度分布。试制的阴极发射体最大发射电流可达85 μA。

针对能量色散X射线荧光法测铀过程中存在自激发效应对测量结果产生干扰的问题及以往测铀仅使用放射性同位素源作为激发源的测量限制, 利用微型X射线对铀矿样品进行自激发效应测量, 并分别将109Cd, 241Am, 微型X光管三种不同激发源测量铀矿样品的结果进行比较分析。 结果表明, 自激发效应产生的特征X射线峰面积计数仅为有源条件的0.01%以下, 属统计涨落范畴, 对测量结果的干扰可忽略不计; 109Cd源由于其特征射线能量22.11和24.95 keV均在Lα吸收限能量21.75 keV附近, 激发光电截面最高, 相应的荧光产额也高, 故109Cd源相比于241Am源对铀元素的激发效率更高; 241Am源测量误差明显大于109Cd源的测量误差, 原因是铀的L系能量特征峰与241Am源特征射线26.35 keV的散射峰能量区叠加, 造成实测谱线本底偏高; X光管作激发源的铀矿样品中铀含量与化学分析结果之间的误差在10%以内, 仅为同位素源激发X射线荧光分析误差的一半, 且X光管激发谱峰面积计数值明显大于源激发条件下的峰面积计数, 说明X光管作激发源的测铀质量优于源激发模式。

微型透射式X射线管广泛应用于能量色散X射线荧光分析领域, 具有体积小、 功耗低、 X射线发射效率高等特点, 可作为手持式X射线荧光分析仪器的激发源。 目前常用铍(Be)作为出射窗材料, 成本高, 而且有毒性。 同时为减少低能散射射线, 在射线管前端放置铝(Al)作为过滤窗。 本文拟采用Al为微型透射式X射线管出射窗材料, 透射高能射线, 屏蔽低能散射射线, 降低制作成本和难度。 文中采用蒙特卡洛模拟软件MCNP5模拟计算不同银(Ag)靶厚度和Al窗厚度的X射线管输出谱。 结果表明, Al窗对低能射线的屏蔽作用强于对高能射线的屏蔽作用, 在Al窗厚度超过1.5 mm时, 低能射线完全被屏蔽, 高能射线有部分透射。 通过和已有研究成果［1, 5］对比分析, 在Ag靶厚度为2 μm, Al窗厚度为0.8 mm时, 低能射线所占的比例仅为0.087 8%, 高能射线产生率为0.002 73%, 既能有效屏蔽低能射线, 又能保证高能射线较高的出射率, 能够满足野外现场能量色散 X射线荧光分析的需要。

基于Marx发生器原理设计了150 kV脉冲X射线测试系统,该系统采用正负极充电的双边Marx发生器线路,Marx发生器设计为15级同轴结构,采用紧凑低电感设计来获得窄脉冲的输出.实验结果表明,X光机设计合理,获得了窄脉宽、高幅度的高压脉冲输出:在充电电压为20 kV的情况下,X射线管电压150 kV;X射线脉宽约60 ns;25 cm处剂量约7.8×10-6 C/kg;焦斑直径2.5 mm.搭配计算机X射线摄影系统,成像面积可达30 cm×40 cm,分辨力大于1 lp/mm,可以满足一般低能闪光照相的需要.