
- •Рентгенотехніка: будова та принцип роботи рентгенівських трубок та рентгенівських апаратів
- •Рентгенівські трубки
- •Рентгенівські апарати
- •Порядок включення приладу
- •Порядок вимкнення приладу
- •Порядок вмикання рентгенівського апарату урс-2.0
- •Порядок вимикання приладу
- •Рентгенівські дифрактометри
- •Послідовність вмикання та вимикання апарата
- •Порівняльна характеристика рентгенівських апаратів
Лабораторна робота № 2
Рентгенотехніка: будова та принцип роботи рентгенівських трубок та рентгенівських апаратів
Мета: вивчити конструкцію, характеристики і принцип дії рентгенівських трубок для структурного аналізу; вивчити схеми і конструкцію рентгенівських апаратів з фотореєстрацією рентгенівського випромінювання та рентгенівських дифрактометрів, призначення їх основних блоків, роботу, засвоїти порядок включення та вимкнення апаратів
Теоретичні відомості
Рентгенівські трубки
Для отримання рентгенівского випромінювання використовують вакуумні прилади, які називають рентгенівскими трубками.
Для генерації рентгенівского випромінювання потрібно виконати такі умови:
отримати вільні електрони (у вакуумі);
прискорити вільні електрони;
загальмувати електрони в матеріальній перепоні.
Класифікація рентгенівських трубок проводиться за наступними ознаками.
За способом отримання вільних електронів рентгенівські трубки поділяють на електронні (з гарячим катодом) та іонні (з холодним катодом, газові). В електронних трубках вільні електрони виникають унаслідок термоелектронної емісії. В іонних трубках під час бомбардування холодного катоду позитивними іонами, що виникають у розрядженому газі при високій напрузі;
За способом створення й підтримування вакууму. Рентгенівські трубки поділяють на розбірні і запаяні. У розбірних трубках під час експлуатації вакуум створюється й підтримується за допомогою вакуумного насосу. У запаяних трубках високий вакуум, створений під час виготовлення, зберігається протягом всього періоду експлуатації завдяки герметичності корпуса;
За розмірами (площею) фокуса. Фокусом рентгенівської трубки називають ділянку на аноді, що бомбардується електронами і на якій виникає рентгенівське випромінювання. Розрізняють трубки з нормальним фокусом (від 4 до 7 мм2) і з гострим фокусом (від 0,5 до 0,01 мм2) ;
За призначенням. Трубки використовуються для структурного і спектрального аналізу, просвічування матеріалів, для медичних цілей (диагностики і терапії). В наш час для просвічування і структурного аналізу використовуються, переважно, запаяні електронні трубки.
Конструкція рентгенівських трубок. Рентгенівські трубки складаються зі скляної ковби та двох електродів катода і анода (рис. 2.1). У балоні створюється високий вакуум (10-5...10-7 мм рт.ст., 10-7...10-9 Па), що забезпечує вільний рух електронів від катода до анода, теплову і хімічну ізоляцію катода, а також запобігає виникненню газового розряду між електродами.
Рис 2.1 – Схема рентгенівської трубки БСВ-2:
1 – катод; 2 – анод; 3 – вікна для випуску рентгенівських променів;
4 – захисний циліндр; 5 – фокусуючий ковпачок; 6 – скляна колба;
7 – трубки постачання та відведення охолоджувальної рідини
Катод рентгенівської трубки складається з вольфрамової спіралі, розташованої у фокусуючому ковпачку, призначеному для звуження пучка. Форма нитки накалювання і ковпачка визначає форму фокусної плями. Рентгенівські трубки випускають з круглим, або лінійчастим фокусом. Відповідно катод виконується або у вигляді плоскої спіралі, яка розташована усередені фокусуючої чашечки, або у вигляді циліндричної спіралі, яка знаходиться усередені напівциліндру. Ефективні розміри фокусної плями і розподіл інтенсивності випромінювання у площині фокуса визначають оптичні властивості рентгенівської трубки. В рентгенівських трубках з лінійчастим фокусом, в залежності від розташування трубки, можна отримати або лінійчасту, або точкову проекцію проекцію фокуса.
Анод рентгенівської трубки повинен задовольняти кільком вимогам, які неможливо одночасно поєднати з одним із матеріалів. Матеріал анода повинен мати великий атомний номер, високу температуру плавлення, високу теплопровідність, низьку хімічну активність. Тому анод виготовляють комбінованим: на мідне тіло цоколя напаюють тонку пластинку (або напилюють тонкий шар) з матеріалу, характеристичне випромінювання якого необхідно отримати. Оскільки під час бомбардування електронами аноду рентгенівської трубки 99% енергії електронів перетворюється на тепло рентгенівська трубка потребує інтенсивного охолодження.
Важливою характеристикою трубки є її гранична потужність, Вт:
P = UI,
де U максимально висока напруга, В; I сила струму трубки, A.
Навіть за умови ефективного охолодження трубки перевищення граничної потужності неприпустиме, оскільки перегрівання аноду може призвести до виходу трубки з ладу внаслідок погіршення вакууму, сильного розпилення матеріалу анода, руйнування дзеркала анода або його відслоювання від мідного цоколя. Гранична потужність визначається площею фокусної плями, матеріалом анода і тривалістю роботи трубки. Вона зменшується із зменшенням розмірів фокусної плями (виключення складають трубки з особливо гострим фокусом) і збільшенням тривалості навантаження. Короткочасні навантаження можуть у десятки разів перевищувати тривалі.
Для раціонального використання трубки необхідно знати розміри і форму фокуса. Експериментально це мона здійснити фотографуванням фокусу за допомогою камери-обскури (рис. 2.2).
|
Рис. 2.2 – Визначення розміру фокусу за допомогою камери-обскури: 1 – фотопластинка; 2 – фокус рентгенівської трубки; 3 – свинцева камера |
Х = L(A/B).
Крім розміру Х важливо ще знати розподіл інтенсивності випромінювання у площині фокусу. Площина дзеркала анода в трубках для структурного аналізу розташовується перпендикулярно осі аноду, що дозволяє випускати пучки променів крізь декілька вікон (в залежності від констуркціїї трубка може мати від двох до чотирьох вікон).
При виході рентгенівських променів під малим кутом до поверхні дзеркала аноду при використанні лінійчастого фокуса сильно зростає інтенсивність фокусної плями. В той же час його проекція у напрямку, перпендикулярно до осі трубки, має малу величину.
Електричні характеристики рентгенівських трубок:
залежність анодного струму (струму в трубці Iт) від струму накалювання при постійній анодній напрузі;
залежність анодного струму Iт від анодної напруги Uн при незмінному струмі накалу Iн (рис. 2.3, б).
Як видно на рис. 2.3, а, струм у трубці з’являється тільки після досягнення струмом накалювання величини, необхідної щоб розігріти катод до температури 2000...2100 С. Рис. 2.3, б показує, що починаючи з певної напруги Uн, всі електрони еміссії потрапляють на анод через трубку прохо-дить струм насичення. Щоб збільшити струм трубки, необхідно збільшити струм накалювання.
Рентгенівськи трубки працюють в режимі насичення при напрузі, яка у 3…4 рази перевищує мінімальну напругу, необхідну для встановлення струму насичення.
Значення характеристик рентгенівських трубок дозволяє раціонально вибирати режим їх роботи встановлювати струм накалювання виходячи з необхідного струму в трубці і оптимальної анодної напруги.
|
|
а |
б |
Рис. 2.3 – Електричні характеристики рентгенівської трубки: а - залежність сили струму у трубці Iт від сили струму розжарення Iр при незмінній напрузі UА; б - залежність сили струму у трубці Iт від анодної напруги UА при незмінному струмі розжарення Iр |
Маркування рентгенівських трубок являє собою комбінацію цифр і літер. Цифри означають гранично припустиму потужність трубки в кіловатах. Далі йдуть літери, з яких перша означає захист від рентгенівських променів, друга призначення трубки, третя тип охолодження.
Перша літера: Р означає трубку з захистом від рентгенівського випромінювання; Б трубку для роботи в захисному кожусі із захистом від рентгенівських променів і електрично небезпечну. Відсутність літери вказує на відсутність захисту.
Друга літера: С означає трубку, призначену для структурного аналізу; П просвічування матеріалів; Х спектральний аналіз; Д для диагностики; Т для терапії.
Третя літера: В водяне; М масляне; К повітряне охолодження. Відсутність літери означає охолодження випромінюванням.
За літерою йде цифра (номер типу трубки), яка вказує її конструктивні властивості. Остання цифра дає гранично допустиму анодну напругу в кіловольтах. В позначенні трубок для структурного аналізу замість анодної напруги вказують матеріал дзеркала анода.
Приклад. 0,7 БСВ-2-Сu трубка для структурного аналізу з водяним охолодженням, безпечна (із захистом від рентгенівського випромінювання і електрично безпечна), з мідним анодом, тип 2, тривала потужність 0,7 кВт.
Аноди рентгенівських трубок для структурного аналізу виробляють з W, Cr, Fe, Ni, Co, Cu, Mo, Ag; в нестандартних рентгенівських трубках іноді з Mn, Ti, Ge, V. Це надає можлмвість одержувати характеристичне випромінювання з різними довжинами хвиль.
Для рентгеноструктурного аналізу за деякими методиками необхідні рентгенівські трубки з особливо гострим фокусом. В групі трубок типу БСВ мікрофокусною є трубка БСВ-5. Високу напругу в цій трубці прикладають між анодом трубки і сітковим циліндром. На нитці накалювання підтримується невеликий потенціал (+50 В) відносно сіткового циліндра, який досягається включенням між катодом і заземленням корпусу опору приблизно 50 кОм. Сітковий циліндр допомагає звужувати електроний пучок і дозволяє отримувати круглий фокус розміром від 40 до 20 мкм. Граничне питомне навантаження складає 16,7 кВт/мм2 (при площі фокуса 1,210-3 мм2), що приблизно у 1000 разів вище граничного питомого навантаження для трубки БСВ-4.
Трубка БС-1 використовується для одержання широкого розбіжного пучка, фокусування якого здійснюється електростатичною зміною зсуву між сітковим циліндром і катодом. Додаткове фокусування досягається за допомогою кільцевого магніту, переміщуючи який уздовж осі трубки можна досягти фокусу диаметром 10 мкм.
В цих трубках анодом виступає метал, напилений на берилій вікна, розташованого на торці трубки.
Для одержання мінімального розміру фокуса при великій потужності створені трубки з анодом, що обертається. Пучок електронів, випромінених катодом, направлений на анод, що обертається і має форму зрізаного конуса. Оскілки нагріваються різні ділянки анода, потужність таких трубок вдається підвищити в декілька разів порівняно зі звичайними трубками.
Для проведення рентгеноспектрального аналізу за спектрами первинного випромінювання (емісійний метод) використовують тільки розбірні трубки, на аноди яких наносять випробувану речовину; за вторинними спектрами (флюоресцентний метод) використовують запаяні трубки великої потужності випромінювання з фокусами великих розмірів. Конструкція трубок дозволяє розміщувати зразок на невеликій відстані від фокуса.
В трубках БХВ-7, БХВ-8 є анод “прострільного” типу берилієве вікно товщиною 0,5 мм, на яке наносять шар Cu або Сr, Re, Au, Pd. Тепло відводиться через охолоджуваний водою корпус трубки.