Источники рентгеновского излучения

Основные способы получения рентгеновских лучей для структурных исследований связаны с использованием потока быстро летящих электронов. Ускорители электронов – бетатроны и линейные – используются для получения мощного коротковолнового рентгеновского излучения, применяемого, главным образом, в дефектоскопии. Но ускорители электронов громоздки, сложны в настройке и используются преимущественно в стационарных установках. Наиболее распространенным источником рентгеновских лучей является рентгеновская трубка.

По принципу получения электронных пучков рентгеновские трубки делятся на трубки с горячим катодом, (свободные электроны возникают в результате термоэлектронной эмиссии (рис. 2)) и трубки с холодным катодом (свободные электроны возникают в результате автоэлектронной эмиссии). Рентгеновские трубки обоих типов могут быть запаянными с постоянным вакуумом и разборными, откачиваемыми вакуумными насосами.

Наиболее распространены запаянные рентгеновские трубки с горячим катодом, по сути представляющие собой мощный диод, в котором в высоком вакууме (10^-5÷ 10^{-8 мм. рт. ст}.) поток ускоренных, обладающих высокой энергией, электронов бомбардирует материал анода. Они состоят из стеклянной колбы и двух электродов – катода и анода (рис. 7). Высокий вакуум обеспечивает свободное движение электронов от катода к аноду, тепловую, химическую и электрическую изоляцию раскаленного катода.

Катодомрентгеновской трубки служит разогреваемая электрическим током до 2000 – 2200 ^оС вольфрамовая нить накала, расположенная на расстоянии 5-10 мм от анода. Для фокусировки электронного пучка ее помещают на дне металлического колпачка, который соединен с нитью и имеет отрицательный по отношению к аноду потенциал. Ток накала 3,2- 4,0 А. Форма нити и колпачка определяется заданной формой фокусного пятна на аноде трубки – круглой или линейчатой. В трубках с круглым фокусным пятном нить накала изготовлена в виде плоской спирали, в трубках с линейным фокусом - в виде цилиндрической. Высокий вакуум является необходимым условием для нормальной работы трубки. Низкий вакуум в трубке приводит к быстрому перегоранию катода. Для повышения эмиссионных характеристик нить часто покрывают соединениями тория (рис.2).

Размеры фокусного пятна определяют оптические свойства рентгеновской трубки. Резкость изображения при просвечивании, а также точность рентгеноструктурного анализа тем выше, чем меньше размеры фокуса. Рентгеновские трубки с малым размером фокуса называются острофокусными.

Анод рентгеновской трубки представляет собой цилиндр из меди, обладающей высокой тепло- и электропроводностью, в торец которого впрессовано зеркало анода – пластинка из материала, в котором происходит торможение электронов. Поверхность анода обращена к катоду. В рентгеновских трубках для просвечивания зеркало изготовлено из вольфрама, для рентгеноструктурного анализа – из того металла, характеристическое излучение которого будет использовано ( ). Элементы с меньшими атомными номерами не используются, так как их излучение в значительной мере поглощается стенками трубки и воздухом. Элементы более тяжелые, чем , в качестве источника монохроматического излучения неудобны, т.к. они дают слишком интенсивное «белое» излучение, которое создает на рентгенограммах нежелательный фон. Торец анода в рентгеновских трубках для структурного анализа срезан под углом 90^о к оси анода (пучку электронов), а в рентгеновских трубках для просвечивания анод скошен. Это делается с целью получить выходящий из трубки пучок с максимальной интенсивностью.

При ударе электронов о зеркало анода приблизительно 96% их энергии превращается в тепло, поэтому анодный цилиндр охлаждается протекающими водой или маслом. Прекращение подачи воды приводит к расплавлению зеркала анода и выходу трубки из строя. Во избежание этого в рентгеновских аппаратах имеется реле, автоматически выключающее высокое напряжение при уменьшении напора воды ниже заданного значения. Удельную нагрузку на единицу поверхности фокального пятна на аноде можно повысить за счет уменьшения размеров пятна (что реализовано в острофокусных трубках). Значительное увеличение мощности трубки достигается применением вращающегося анода.

Анод защищен специальным медным чехлом для задержания отраженных от анода электронов и защиты от неиспользуемых рентгеновских лучей. В этом чехле есть одно или несколько окошек для выхода рентгеновских лучей. Окна для выхода рентгеновских лучей делают из вакуумно-плотного металлического бериллия или литий-бор-бериллиевого стекла, практически не поглощающего генерируемое в трубке рентгеновское излучение. Трубки с линейным фокусом имеют два окна, с круглым фокусом - четыре.

Предельная мощность рентгеновской трубки определяется мощностью проходящего через нее электрического тока

, (4)

где – максимальное напряжение, прилагаемое к рентгеновской трубке; – максимальный ток, идущий через рентгеновскую трубку.

Предельная мощность зависит от площади фокусного пятна (т. е. удельной мощности), материала анода и продолжительности работы трубки. Кратковременные нагрузки могут быть в десятки раз выше длительных. Электрические характеристики рентгеновских трубок описывают двумя зависимостями:

при ; (5)

при , (6)

где – ток через рентгеновскую трубку, получаемый при переходе электронов с катода на анод (анодный ток); – ток накала, разогревающий нить катода рентгеновской трубки; – напряжение, приложенное к рентгеновской трубке (анодное напряжение).

Эти зависимости показаны графически на рис. 8. Практически измеряемый ток через рентгеновскую трубку появляется лишь при достижении током накала определенной величины, соответствующей температуре нагрева нити 2000–2100 ^оС (рис. 8 а); повышение тока накала резко увеличивает температуру и количество испускаемых нитью электронов (эмиссионный ток). При постоянном токе накала и при низких напряжениях на анод попадают не все электроны эмиссии, а лишь их часть, тем большая, чем больше анодное напряжение. При определенном напряжении, зависящем от тока накала, все электроны эмиссии попадают на анод (режим насыщения), поэтому дальнейшее увеличение анодного напряжения не увеличивает анодный ток (он равен эмиссионному). Это предельное значение анодного тока называют током насыщения, и он тем выше, чем больше ток накала (рис. 8 б). Рентгеновские трубки работают в режиме насыщения при напряжениях в 3–4 раза выше номинального, т. е. необходимого для установления тока насыщения. Поэтому анодный ток регулируют в широких пределах, незначительно изменяя ток накала.

Выпускаемые серийно трубки имеют условные обозначения, представляющие комбинацию чисел и букв. Первое число обозначает предельно допустимую мощность рентгеновской трубки. Далее идут буквы, которые характеризуют:

– первая – тип защиты от рентгеновских лучей и высокого напряжения (Р – трубка с защитой от рентгеновских лучей; Б – в защитном кожухе с защитой от рентгеновских лучей и электрически безопасная; отсутствие буквы означает отсутствие защиты);

– вторая – назначение трубки (Д – трубка для медицинского просвечивания и диагностики; Т – терапии; П – просвечивания материалов; С – структурного анализа; Х – спектрального анализа);

– третья – тип охлаждения (К – воздушное охлаждение; М – масляное; В – водяное; отсутствие буквы означает естественное охлаждение).

В рентгеноструктурном анализе используются различные модификации рентгеновских трубок типа БСВ. Это означает, что:

· трубка электрически безопасная, для работы в защитном кожухе, с защитой от рентгеновских лучей;

· предназначена для структурного анализа;

· обязательно водяное охлаждение.

В обозначениях рентгеновских трубок для структурного анализа вместо анодного напряжения на цоколе трубки обязательно указывается материал зеркала анода, в качестве которого используются и некоторые другие чистые металлы. Например, трубка 0,7БСВ-2-Со имеет длительную мощность 0,7 кВт, безопасна, предназначена для структурного анализа, водяное охлаждение, тип 2, кобальтовый анод.