利用元素特征X射线这一物理性质而研制的便携式X荧光分析仪器在国内外众多领域得到了广泛推广应用。微型X射线源是便携式X荧光分析仪器的关键部件之一。目前，商品化的便携式荧光分析系统中，基本采用国外陶瓷工艺封装的X射线源，其内部结构和制作工艺均保密。国内研制的X射线源主要面向无损探伤、医学成像等应用领域，针对便携式荧光分析应用场合，除了对X射线源稳定性要求极高以外，对体积、功耗、效率以及响应速度均提出了更高的要求。本文研究工作来源于863计划“资源环境技术领域”课题“高精度射线探测仪器研发”（课题编号：2012AA061803）。针对直热式陶瓷封装端窗阳极结构微型X射线源的内部结构进行理论分析和仿真计算，并在此基础上开展实物设计和实验研究，论文的主要工作和成果有：1.设计并研制了一种新的金属陶瓷封装微型X射线源，打破了国外的技术封锁，为我国便携式X射线荧光分析提供了新型X射线激发源。2.通过国内外调研和同类产品的解析，确立了微型X射线源的结构组成和设计工艺流程。微型X射线源电子发射系统采用热发射方式，电子束聚焦采用静电聚焦方式，阳极采用端窗透射结构，管体为陶瓷结构封装。3.针对微型X射线源各部件开展基础理论研究，为实物设计提供理论依据。（1）采用发射电流相对偏差为指标对阴极发射体发射电流的均匀性进行评价，得到了灯丝温度延阴极方向的分布规律。这为灯丝的结构设计提供了理论参考。（2）提出采用维丁顿公式计算微型X射线源靶材平均厚度的思路，得到了不同能量电子束轰击不同材料靶材时的平均厚度值。从理论上证明了微型X射线源靶材平均厚度在1-5μm之间。（3）从理论推导和蒙特卡罗模拟验证两方面，得到了出射特征X射线的最大强度出现在与阳极表面夹角成1⁴o方向上的结论。这对于X射线源的结构设计和出射X射线的单色化应用具有一定的理论指导意义。4.将EDA技术引入微型X射线源结构设计中，开展了管体电子运动学仿真设计。利用CST粒子工作室软件建立了微型X射线源仿真模型，对X射线源内部电场、电势分布、电子运动轨迹以及发射电流等进行了仿真分析，得到了电子束焦斑形状、阳极电荷密度分布、电子能量以及电子运动速度的变化规律和发射电流值，对各部件的结构参数进行了扫描和优化计算。结果表明：采用静电聚焦方式实现电子束运行轨迹控制可行，电子最大运动速度可达1.2×10⁸m/s，电子的加速主要在屏蔽罩和阳极罩之间极短的空间内进行，中心最大电荷密度可达3×10^-8C/m³以上，灯丝发射电流可达50μA以上。5.利用CST多物理场工作室和粒子工作室软件进行协同仿真设计，对射线源管体、阴极、阳极、外壳等表面稳态温升进行了研究。结果表明：微型X射线源热源主要集中在以灯丝为中心的阴极附近，外壳最高温度为59℃，阳极靶中心最大热损耗功率密度为2.9×10⁸W/m³，最高温度为44℃左右，满足设计要求。6.开展了微型X射线源实物的设计、制作和性能测试。实验表明：试制的微型X射线源最大发射电流达到80μA以上，发射X射线光谱分布与国外同类产品基本相同，采用直热式阴极结构能够满足微型X射线源的应用需求。