Рентгеновские трубки для структурного анализа

Рентгеновская трубка является источником рентгеновских лучей, возникающих в ней в результате взаимодействия быстро летящих электронов с атомами анода, установленного на пути электронов.

Для возбуждения рентгеновского излучения в рентгеновских трубках должно быть обеспечено:

а) получение свободных электронов;

б) сообщение свободным электронам большой кинетической энергии (от нескольких тысяч до 1—2 миллионов электронвольт);

в) взаимодействие быстро летящих электронов с атомами анода.

Рентгеновские трубки классифицируют по следующим признакам:

1. По способу получения электронных пучков рентгеновские трубки делятся на трубки с горячим катодом, (свободные электроны возникают в результате термоэлектронной эмиссии катода, накаливаемого током) и трубки с холодным катодом (свободные электроны возникают в результате автоэлектронной эмиссии)

2. По способу создания и поддержания вакуума. При этом различают трубки запаянные и разборные.

В запаянных трубках высокий вакуум создается еще при их изготовлении и сохраняется в течение всего периода эксплуатации благодаря герметичности ее корпуса (баллона). Нарушение вакуума вызывает выход трубки из строя.

В разборных трубках вакуум создается и поддерживается с помощью вакуумного насоса в процессе эксплуатации.

3. По назначению. Трубки применяют для просвечивания материалов, для структурного анализа, для спектрального анализа и для медицинских целей (диагностические и терапевтические).

4. По размеру (линейному) фокусного пятна трубки делятся на три категории: с ненормированным фокусом (от 0,5мм и больше), с острым фокусом (от 0,1мм до 0,5мм) и с микрофокусом (от 0,1 мм и меньше).

Основным типом трубок, применяемых в настоящее время для просвечивания и структурного анализа, являются запаянные электронные трубки (рис. 9), представляющие собой стеклянный баллон, в который введены два электрода: катод — в виде накаливаемой проволочной вольфрамовой спирали и анод—в виде массивной медной трубки.

Рис. 9. Схема запаянной рентгеновской трубки серии БСВ для структурного анализа.

1 - нить катода; 2 - зеркало анода; 3 - окно для выпуска рентгеновских лучей;
4 - защитный цилиндр; 5 - фокусирующий колпачок

 

В баллоне создается высокий вакуум (10^-5 —10^-7 мм рт. ст.), обеспечивающий свободное движение электронов от катода к аноду, тепловую и химическую изоляцию катода, а также предотвращающий возникновение газового разряда между электродами.

Когда вольфрамовая спираль, разогретая током накала до
2100— 2200°С, испускает электроны, то они, находясь в поле приложенного к полюсам трубки высокого напряжения, устремляются с большой скоростью к аноду. Ударяясь о площадку в торце анода (зеркало анода), электроны резко тормозятся. Примерно 1% их кинетической энергии при этом превращается в энергию электромагнитных колебаний — рентгеновских лучей; остальная энергия трансформируется в тепло, выделяющееся на аноде.

Относительно мягкие лучи, испускаемые обычно трубками для структурного анализа (с длиной волн 1Å и больше), очень сильно поглощаются стеклом. Поэтому для выпуска рентгеновских лучей в баллоны этих трубок впаивают специальные окна (см. рис. 9, 3), изготовленные либо из сплава гетан, содержащего легкие элементы (бериллий, литий, бор), либо из металлического бериллия.

Катод в электронных трубках представляет собой обычно вольфрамовую спираль, часто покрываемую слоем тория для повышения эмиссионных характеристик. Спираль помещают в так называемый фокусирующий колпачок. Назначение колпачка — сузить пучок электронов, летящих с катода на анод, и уменьшить фокус трубки.

Фокусом трубки называют площадку на аноде, на которую падают электроны и с которой излучаются рентгеновские лучи.

Современные рентгеновские трубки имеют круглый или линейчатый фокус. Соответственно катод выполняют либо в виде спирали, помещенной внутри фокусирующей чашки (рис. 10), либо в виде винтовой линии, находящейся внутри полуцилиндра (рис. 11).

Рис. 10. Устройство катода трубки с круглым фокусом:

а — спираль; б — спираль в фокусирующей чашке

Рис. 11. Устройство катода трубки с линейчатым фокусом:

а — спираль; б — крепление спирали в фокусирующем полуцилиндре

 

Рис. 12. Определение размера и формы фокуса с помощью камеры-обскура:
1 — фотопластинка; 2 — фокус

 

Размеры и форма фокуса могут быть определены экспериментально съемкой фокуса с помощью камеры-обскура (рис. 12), с толщиной свинцовых стенок 3—5 мм, имеющей тонкое отверстие (меньше фокуса трубки) в передней стенке. В такую камеру помещают на расстоянии В от передней стенки фотопластинку, завернутую в черную бумагу, и, установив аппарат на расстоянии А от фокуса, освещают пластинку с выдержкой 1—2 мин. После проявления на пленке получается яркое пятно — обратное изображение фокуса длиной L. Поперечный размер фокуса определяют по формуле

                     ,                          (7)
Кроме размера х, важное значение имеет еще и распределение интенсивности излучения по площади фокуса.

Анод (рис. 13) представляет собой полый массивный цилиндр, изготовленный из материала с высокой теплопроводностью, чаще всего из меди. В торцовую стенку анода вплавляется пластинка — мишень (зеркало анода), которая тормозит электроны, эмитированные с катода. В трубках для структурного анализа зеркало анода изготавливают из того металла, излучение которого (характеристическое или сплошное) используют для получения дифракционной картины при решении конкретных задач рентгеноструктурного анализа. Наиболее распространены трубки с анодами из хрома, железа, ванадия, кобальта, никеля, меди, молибдена, вольфрама;
трубки изготавливают также с серебряным и марганцевым анодами.

 

Рис. 13. Устройство анода рентгеновской трубки:
1 — корпус; 2 — вилка охлаждающего устройства; 3 —стеклянная ножка;
4 — зеркало анода

При ударе электронов о зеркало анода выделяется большое количество тепла. Перегрев анода может вызвать нарушение вакуума, интенсивное распыление и даже расплавление зеркала и самого анода. Во избежание этого анод охлаждают проточной водой или маслом в непрерывно и длительно работающих трубках и водой, заливаемой в специальный бачок, в кратковременно работающих трубках.

Важнейшей характеристикой трубки является ее предельная мощность

                               P = UI [Вт],                                  (8)

 

где U — максимальное высокое напряжение, В;

I — ток трубки, А.

Превышение предельной мощности недопустимо, так как это вызовет перегрев анода.

Уменьшение площади фокуса трубки вызывает уменьшение объема металла, в котором происходит выделение тепла, и требует снижения предельной мощности трубки.

Для трубки БСВ-2 с медной мишенью допустимая мощность равна 700 Вт, а допустимая удельная мощность 48 Вт/мм. Следовательно, нормальная площадь фокуса такой трубки обычно составляет

 мм².

Учитывая предельную мощность, можно определить также электрический режим работы трубки. Для указанной площади фокуса при работе на аппарате УРС-55 при максимальном напряжении 45 кВ ток трубки не должен превышать

 мА.

В некоторых задачах рентгеноструктурного анализа, особенно требующих получения рентгенограмм с высоким разрешением, эффективность съемки зависит от размеров фокуса и, значит, определяется удельной мощностью трубки — мощностью, испускаемой единицей площади мишени. Для таких условий предназначены острофокусные трубки, например, выпускаемые ранее советской промышленностью трубки БСВ-7, БСВ-8, БСВ-9 и микрофокусная трубка БСВ-5. Удельная мощность лимитируется двумя факторами:

1) термическим — мишень может, не разрушаясь, выдержать лишь определенную нагрузку; максимальная мощность соответствует температуре на поверхности, которая лишь немного меньше температуры плавления металла мишени; если фокус круглый, то с достаточной точностью можно считать, что допустимая удельная мощность пропорциональна 1/r0,
где r0 — радиус фокуса;

 

2) электронным — мощность пучка на единицу площади, которую можно сконцентрировать в сечении радиуса г₀, пропорциональна ,
где  характеризует эмиссионную способность нити накала катода;
 лимитируется той температурой, которую нить накала может выдержать без разрушения продолжительное время. На рис. 14 приведена зависимость удельной нагрузки от размеров фокуса и определяемый электронным и термическим пределами оптимальный размер r _m.

Рис. 14. Зависимость предельной допустимой нагрузки фокуса
 рентгеновской трубки от его радиуса:
1 — электронный предел; 2 — термический предел

Фокусировку пучка электронов в острофокусных трубках производят с помощью электронных линз (изменением тока смещения), создающих на мишени сильно уменьшенное изображение нити накала катода. Настройка трубки состоит в определении зависимости между током смещения и размером фокуса. При изменении тока смещения изменяется удельная мощность трубки, о которой можно судить по величине максимального тока через трубку при постоянном напряжении. Если необходимый для решения конкретной задачи размер фокуса меньше оптимального, используемая удельная мощность должна быть меньше допустимой, а экспозиции должны быть соответственно больше.

Реальная 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:

                                 ,          (9)
                                 ,          (10)
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. 15. Практически измеряемый ток через рентгеновскую трубку появляется лишь при достижении током накала определенной величины, соответствующей температуре нагрева нити 2000-2100 ^оС (рис. 15 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. 15 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.

Рис. 15. Зависимость силы тока в рентгеновской трубке (I_T) от силы тока накала (I_H) при неизменном напряжении (а) и от анодного напряжения Ua
при неизменном токе накала (б)

 

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 полной защитой от неиспользуемого рентгеновского излучения; 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 обозначениях рентгеновских трубок для структурного анализа вместо анодного напряжения указывается материал зеркала анода, в качестве которого используются Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Ag, W 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, материал мишени - кобальт.

В табл. 2 приведены параметры унифицированного ряда трубок для структурного анализа, выпускаемых предприятием ЗАО «Светлана-Рентген». По рентгенооптическим, эксплуатационным и конструктивным характеристикам эти трубки аналогичны широко распространенным во многих странах трубкам фирмы «Philips» и взаимозаменяемы с ними в соответствующей аппаратуре.

Параметры рентгеновских трубок для спектрального анализа, выпускаемых ЗАО "Светлана-Рентген"

Таблица 2

Тип трубки	Выходное окно		Размеры действительного фокусного пятна, мм	Материалы зеркала анода	Мощность, кВт	Удельная мощность на мишени, 103∙кВт/мм2	Диапазон напряжения, кВ
	Толщина Be, мм	Кол-во
БСВ-32	0,2	1	4x4	Cu, Со, Cr, V, Fe	0,3	18,75	10-30
БСВ-40	0,3	4	0.4x8	W, Mo Cu Co, Cr Fe	2,0 1,5 1,3 0,9	625 468,75 406,25 281,25	25-60
БСВ-41	0,3	4	0.4x12	W, Mo Cu Co, Cr Fe	3,0 2,2 1,5 1,1	625 458,33 312,5 229,15	25-60
БСВ-42	0,3	4	0.15x8	W, Mo Cu, Co, Cr Fe	1,0 0,8 0,3	833,3 666,6 250	25-60
БСВ-43	0,3	4	1x10	W, Mo Cu Co, Cr Fe	2,4 2,0 1,8 1,5	240 200 180 150	25-60
БСВ-45	0,3	4	2x12	W, Mo Cu, Co, Cr Fe	2,7 2,2	112,5 91,66	25-60