CC BY
0
УДК 537.533
Е. П. Шешин1, Д. М. Фунг1, В. Э. Скворцов2, А.Н. Родич2
1 Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)
2 ООО МЭЛЗ
Рентгеновская трубка для аналитической аппаратуры
на основе автокатодов
Нашей кафедрой была разработана рентгеновская трубка на основе отечественных материалов и технологий, которая в современых условиях крайне необходима для анализа, например, взрывчатых и наркотических веществ, а также в других областях человеческой деятельности, например в пищевой промышленности.
Ключевые слова: рентгеновская трубка, автоэмиссионный катод
E.P. Sheshin1, D. M. Phung1, V. E. Skvortsov2, A. N. Rodich2
1 Moscow Institute of Physics and Technology 2MELZ LLC
X-ray tube for analytical equipment based on field
cathodes
Our cathedra designer x-ray tube on basic Russian materials and technology. This x-ray-tube is necessary for analysis, for example, explosive and narcotic substances and others regions human activities, for instance food industry.
Key words: x-ray tube, field emission cathode
1. Введение
Из-за широкого использования и совершенствования рентгеновских методов необходимо непрерывное улучшение соответствующей рентгеновской аппаратуры, в частности рентгеновских трубок [1,2].
Сильные торможения ускоренных заряженных частиц вызывают тормозное или характеристическое излучение. Оба эффекта применяются в рентгеновских трубках. Основные конструктивные компоненты трубок — катод и анод. Когда электроны, испущенные катодом в рентгеновских трубках, ударяются об анод, они тормозятся из-за разницы электрических потенциалов между анодом и катодом. Излучение рентгеновского диапазона вызывается двумя факторами. Первый — эффект тормозного излучения, второй — выбивание электронов из внутренних электронных оболочек атомов анода. Дополнительные электроны атома заполняют пустые места в оболочках. Таким образом, энергетический спектр рентгеновского излучения зависит от материала анода [3, 4].
Когда электронный поток попадает в прострельную рентгеновскую трубку, он падает на тонкий слой вещества, излучающего рентгеновские лучи, которое наносится термическим или магнетронным напылением. Такие трубки позволяют получить рентгеновское излучение от 1 кВ (для алюминия) до 60-300 кВ (для вольфрама) [5, 6].
© Шешин Е. П., Фунг Д. М., Скворцов В. Э., Родич А. Н., 2023
(с) Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)», 2023
2. Принципы разработки рентгеновских трубок нового поколения для аналитических устройств
Для разработки рентх'еновекххх трубок новохх) поколения были соблюдены следующие принципы.
1) Порох' энергии возбуждающих рснатсн электронов это порох" характеристического ххотенциала каждоххх рабочехх) вещества анода. Выход рентх'еновскохх) излучения, также известнохх) как мощность излучения, резко увеличивается при превышении этих ххорох'ов. Рентгеновские кванты, излучаемые трубкой, распределяются хю энергии. Это явление называется характеристическим излучением.
2) Как видно на рис. 1, закон Мозлхх показывает, что энергия и характеристический иотенциал характерххстическохх) излучения веществ прямо пропорциональны количеству протонов, содержащихся в ядре (также известнохх) как номер химическохх) элемента Ъ).
Рис. 1. Зависимость величиной 1/%/А от атомного номера химического элемента диаграммы Мозли для спектральных линий Ка (1). Ьа (2) и Ма (3)
3) Вещества с более малым порядковым номером Z в периоды ческой таблице Менделеева также мохут быть включены в ряд, в котором они не испытывают значительнохх) ослабления при прохождении рентх'еновскохх) излучения от веществ с большим порядковым номером Z, поскольку эти вещества обладают способностью пропускать характеристическое рентгеновское излучение. С другой стороны, вещества с большим номером в периодической таблице Менделеева почти полностью не пропускают рентгеновское излучение, характеристическое для веществ с меньшим номером. Таким образом, вещества и химические соединения, такие как бериллий (Z 4), алюминий (Z 13) хх нитрид бора (Z 5), используются в качестве радиопрозрачных окон в рентгеновских трубках.
4) Если мы хотим найти твердое вещество для анода рентх'еновскохх) источника, мы не должны ожидать, что оно будет иметь хорошую электрическую проводимость, поэтому электроны должны быть отведены.
5) Поскольку вещество с высокой химической активностью технологически трудно применять в атмосферной газовой среде, вещество-кандидат в аноде излучателя мягкемч) рентгена должно быть инертным к газам земной атмосферы.
Поскольку он испускает минимальную энергию характерххстххческох'о излучения, алюминиевый анод исторически использовался в качестве Х-гау трубок для аналитических приборов. Кохда речь идет о нрострсльных трубках, источником является пленка алюминия, расположенная на бсриллисвом окне. Эти трубки имеют энергию около 4 кэВ рентгеновских квантов [7].
В результате анализа веществ с номером 2, который больше, чем у бериллия, но меньше, чем у алюминия, углерод в форме графита является единственным веществом, которое может быть использовано в качестве анода, как показано в п. (2). Таким образом, цель заключалась в разработке прототипа источника рентгеновского излучения с графитовым анодом.
Рис. 2. Схема направленного низкоэнерционного управляемого отпаянного рентгеновского источника: 1 подогреватель: 2 катод: 3 модулятор: 4 ускоряющий электрод: 5 поток электронов: 6 стекло с нанесенным слоем материала мишени, 7 окно бериллия, 8 рентгеновские лучи
Схема направленного низкоинерционного управляемого отпаянного рентгеновского источника представлена на рис. 2.
Прибор состоит из тонкого бериллиевого окна (7) на металлической оправе для излучения и стеклянной колбы с выводом для электрической системы на одном конце. Электрическая система стандартной электронной пушки ЭЛТ состоит из оксидного катода (2), модулятора (3) и ускоряющих) электрода (4). Чтобы создать характеристическое рентгеновское излучение, на внутреннюю поверхность стеклянной трубки диаметром несколько миллиметров наносят тонкий слой материала, который представляет собой следующий электрод (анод или противокатод) (6). Энергия электронов зависит от потенциала слоя.
При этом получаем:
резкое увеличение объема трансмиссии канала;
создание фокусного пятна, которое значительно меньше, чем выходное отверстие канала;
обеспечение достаточного удаления фокусного пятна от выходного торца канала, что важно для большинства практических применений;
возможность регулировать расходимость пучка: доступны расходящиеся, квазипараллельные и сфокусированные пучки.
3. Конструкция трубки
Прототип направленного низкоинерционного управляемого отпаянного рентгеновского источника, разработанный кафедрой вакуумной электроники МФТИ, представлен на рис. 3.
Прибор состоит из стеклянной колбы с одним концом для выхода электродной системы и тонкого бериллиевого окна толщиной несколько сотен мкм на металлической оправе.
Электрическая система состоит из оксидного катода, обычной электронной пушки ЭЛТ, ускоряющих) электрода и модулятора. На внутреннюю поверхность стеклянной трубки диаметром несколько миллиметров наносится тонкий слой порошка графита, являющегося следующим электродом (анодом или противокатодом). Энергия электронов определяется потенциалом слоя. Мы обнаружили, что наши приборы излучения начали выдавать сигна-
лы при напряжении 2300 В, когда постепенно поднимали напряжение на слое графита на нашем аноде. Исследование проводилось с использованием анодного напряжения 2500 В.
Ф13'
Рис. 3. Конструкция рентгеновской трубки для аналитической аппаратуры: 1 анод: 2 корпус: 3 модулятор: 4 катод
Электрическая пушка состоит из цилиндрического анода, модулятора и катода. Внутри анода находится стеклянная трубка, на конце которой есть развертка. Внутри трубки помещается графит или любой другой проводящий материал. Цилиндр анода и слой графита связаны электрически. Когда модулятор работает, электроны вылетают из катода и образуют цилиндрический пучок, который немного расходится в стороны. После этого они попадают в стеклянную трубку через отверстие, сделанное в аноде. Электроны попадают иод небольшим углом на слой графита и двигаются но траекториям, которые слегка расходятся от их оси. Характеристическое рентгеновское излучение в виде направленного потока поступает в окно через противоположный конец трубки при потенциале на графите более 2,5 кВ.
Особенности электрической пушки
1) Направление излучения.
2) В дополнение к бериллю, диэлектрические материалы, такие как нитрид бора, также могут быть использованы в окнах.
3) Возможность создания устройств с характеристическим излучением щелочных и щелочно-земельных металлов, которые активны в атмосфере и не могут быть обработаны, путем распыления этих металлов на поверхность стекла трубки в уже откачанном приборе.
Металлическая трубка, в которой генерируется рентген, может быть заменена стеклянной. Его изолирует диэлектрическая шайба от выходного окна. Таким образом, трубки могут иметь уникальные излучения различных металлов, таких как железо, медь, никель и другие. Кроме того, диэлектрический материал в трубке может быть использован для создания характеристического излучения диэлектрика путем отвода электронов через вто-
ричную эмиссию. Кроме того, можно использовать полупроводник, например слабо легированный кремний, для создания характеристического излучения кремния.
Параметры, измеряемые электронно-лучевой рентгеновской трубкой:
1) Рабочее положительное анодное напряжение 4 8 кВ.
2) Вид излучения тормозное.
3) Медь используется как анод.
4) Непрерывная энергия составляет 5 Вт.
5) Импульсы могут иметь мощность до 40 Вт (с скважностью 1 : 10 и средней мощностью 5 Вт). Они также могут иметь длительность не более 0,1 секунды.
6) Когда емкость модулятора менее 2 пФ, он может плавно и имнульсно изменять уровень излучения с изменением напряжения от минус 500 вольт до нуля.
7) Поток рентгеновского излучения образует конический пучок с расходимостью 5 8 градусов вокруг выходного окна с основанием 3 мм.
8) Бериллий толщиной 200 мкм используется в качестве выходного окна. Потенциал выходного окна равен потенциалу катода.
Рис. 4. Спектры интенсивности рентгеновского излучения в зависимости от энергии электронов для трубки с медным анодом: 1 5 кВ, 1 мкА: (без фильтра): 2 5 кВ, 2,7 мкА (А1 фильтр): 3 5 кВ, 16 мкА (А1 фильтр): 4 7 кВ, 8 мкА (А1 фильтр)
Спектры интенсивности рентгеновского излучения, которые зависят от энергии электронов (ускоряющих) напряжения), показаны на рис. 4.
В спектрах наблюдается тормозное излучение.
При использовании анода 5 кВ спектры 1 3 были удалены. В спектрах 2 и 3 наблюдается сдвиг из-за использования А1 фильтра, который поглощает низкоэнергетичеекую часть спектра более эффективно.
Спектр излучения трубки на 1 кЭВ очевидно ниже абсолютного заданного потенциала анода.
4. Заключение
В работе представлена перспективная конструкция рентгеновской трубки для мягкого рентгеновского излучения. Эта трубка может применяться во всех приложениях, где требуется ионизация газа:
- дрейф-спектроскопия, _ поиск наркотиков,
_ поиск взрывчатых веществ,
- аналитическая аппаратура и.т.д.
В настоящее время конструкция рентгеновской трубки разработана до уровня проведения ОКР.
Список литературы
1. Герчиков Ф.Л. Управляемое импульсное рентгеновское излучение в приборостроении. Москва : Энергоатомиздат, 1987.
2. Грумбков А.П. \и др.]. Аппаратура и методы рентгеновского анализа. Вып. 39. Ленинград : Машиностроение. Ленинградское отделение, 1983. С. 123-127.
3. Клюев В.В. Рентгенотехника. Москва : Машиностроение. 1980.
4. Блинов И.И. \и др.]. Рентгено-диагностические аппараты / под. ред. И.И. Блинова. Москва : Медицина,1976.
5. Cunningham Т.С. Field emission x-ray tube having a graphite fabric cathode. Patent USA № 3883760.
6. Schwoebel P.R. Field emission arrays for medical x-ray imaging // Appl. Phvs. Lett. 2006. V. 88. P. 1 13902.
7. Jeong J.W., Kim J.W., Kang J. Т., Choi S., Ahn S., Song Y.H. A vacuum-sealed compart X-ray tube based on focused carbon nanotube field-emission electrons // Nanotechnologv. 2013. V. 24, N 8. P. 085201-1-085201-8.
References
1. Gerchikov F.L. Controlled pulsed x-ray radiation in instrumentation. Moscow : Energoatomizdat, 1987. (in Russian).
2. Grumbkov A.P., et al, Equipment and. methods of X-ray analysis. M. 30. Leningrad : Mechanical engineering. Leningrad branch, 1983. P. 123-127. (in Russian).
3. Klyuev V.V. X-ray engineering. Moscow : Mechanical engineering, 1980. (in Russian).
4. Blinov I.I., et al, X-ray diagnostic devices. Ed. By I.I. Blinov. Moscow : Medicine, 1976. (in Russian).
5. Cunningham T.C. Field emission x-ray tube having a graphite fabric cathode. Patent USA № 3883760.
6. Schwoebel P.R. Field emission arrays for medical x-ray imaging. Appl. Phvs. Lett. 2006. V. 88. P. 1 13902.
7. Jeong J.W., Kim J.W., Kang J. Т., Choi S., Ahn S., Song Y.H. A vacuum-sealed compart X-ray tube based on focused carbon nanotube field-emission electrons. Nanotechnologv. 2013'. V. 24, N 8. P. 085201-1-085201-8.
Пост,упила в редакцию 15.10.2023
