Рентгеновская трубка - электровакуумный прибор, который служит источником рентгеновского излучения. Подобное излучение появляется при торможении электронов, которые испускаются катодом, и их ударе об анод; при этом энергия электронов, их скорость в пространстве между анодом и катодом увеличена сильным электрическим полем, частично модифицируется в энергию рентгеновского излучения. Излучение рентгеновской трубки является наложением тормозного рентгеновского излучения на специфическое излучение вещества анода. Рентгеновские трубки различают; по способу получения потока электронов - с катодом, который подвергается бомбардировке положительными ионами и с радиоактивным источником электронов, автоэмис-сионным катодом, термоэмиссионным катодом; по способу вакуумирования - разборные, отпаянные; по времени излучения - импульсные, непрерывного действия; по типу охлаждения анода - с радиационным, масляным, воздушным, водяным охлаждением; по размерам фокуса - микрофокусные, острофокусные и макрофокусные; по его форме - линейчатой, круглой, кольцевой формы; по способу фокусировки электронов на анод - с электромагнитной, магнитной, электростатической фокусировкой.
Рентгеновские трубки используют в рентгеновском структурном анализе, рентгеновской микроскопии , дефектоскопии, рентгенодиагностике, рентгенотерапии, рентгеновском спектральном анализе и микрорентгенографии. Наибольшее использование во всех областях находят отпаянные рентгеновские трубки с электростатической системой фокусировки электронов, водоохлаждаемым анодом, термоэмиссионным катодом. Термоэмиссионный катод рентгеновской трубки, как правило, является прямой нитью или спиралью из вольфрамовой проволоки, которая накаливается электрическим током. Рабочий участок анода представляет собой металлическую зеркальную поверхность, расположенную к потоку электронов перпендикулярно или под некоторым утлом. Для получения сплошного спектра рентгеновского излучения высоких интенсивности и энергий применяют аноды из Au, W; в структурном анализе применяются рентгеновские трубки с анодами из Ti, Cr, Fe, Си, Mo, Со, Ni, Ag. Основные характеристики рентгеновской трубки - удельная мощность, рассеиваемая анодом (10-104 Вт/мм2), предельно допустимое ускоряющее напряжение (1-500 кВ), электронный ток (0,01 мА - 1А), общая потребляемая мощность (0,002 Вт - 60 кВт) и размеры фокуса (1 мкм - 10 мм). КПД рентгеновской трубки составляет от 0,1 до 3%.
Введение.
Рентгеновские лучи были обнаружены случайно в 1895 году знаменитым немецким физиком Вильгельмом Рентгеном. Он изучал катодные лучи в газоразрядной трубке низкого давления при высоком напряжении между ее электродами. Несмотря на то, что трубка находилась в черном ящике, Рентген обратил внимание, что флуоресцентный экран, случайно находившийся рядом, всякий раз светился, когда действовала трубка.
Рентген определил, что газоразрядная трубка является источником нового вида невидимого излучения, обладающего большой проникающей способностью. Ученый не мог определить, было ли это излучение потоком частиц или волн, и он решил дать ему название X-лучи. В последствие их назвали рентгеновскими лучами.
Теперь известно, что X-лучи - вид электромагнитного излучения, имеющего меньшую длину волны, чем ультрафиолетовые электромагнитные волны. Наиболее длинноволновое рентгеновское излучение перекрывается коротковолновым ультрафиолетовым, коротковолновое - длинноволновым γ-излучением.
Длина волны X-лучей колеблется от 70 нм до 10 -5 нм . Чем короче длина волны X-лучей, тем больше энергия их фотонов и больше проникающая способность. X-лучи со сравнительно большой длиной волны (более 10 нм ), называются мягкими . Длина волны 1 – 10нм характеризует жесткие X-лучи.
Теория возбуждения рентгеновского излучения.
Рентгеновские лучи – это электромагнитное излучение, которое возникает либо при торможении свободно движущейся заряженной частицы, либо при электронных переходах во внутренних оболочках атома.
В нормальном состоянии многоэлектронный атом представляет собой положительно заряженное ядро, окруженное системой электронных оболочек от самой внутренней с главным квантовым числом n=1, до внешней с n, соответствующим данному элементу (максимальное значение n=7 соответствует концу таблицы периодической системы элементов). Оболочки обозначаются буквами K,L,M,N,O,P,Q в соответствии с ростом n, начиная от единицы. На каждой оболочке находится определенное число электронов в соответствии с принципом Паули. Следует отметить, что понятие “оболочка” более соответствует энергетическому понятию (которое можно заменить термином “уровень энергии”), чем координатному. В соответствии с квантовой механикой электроны в атоме как бы “размазаны” по объему с максимумом вероятности локализации на оболочке.
В нормальном состоянии атом не излучает и не поглощает энергию. Излучение, связанное с переходами во внутренних оболочках возможно лишь в случае, когда один или несколько внутренних электронов будут удалены. Любой электрон, принадлежащий внешней (по отношению к образовавшейся вакансии – “дырке”) оболочке, оказывается возбужденным. Это приводит к переходам с более высоких уровней на уровень вакансии с излучением рентгеновского кванта.
Если выбит K-электрон, то переходы на образовавшуюся вакансию с выше лежащих L,M,N... уровней образуют наиболее коротковолновую K- серию излучения. Аналогичный процесс наблюдается при переходах на вакансии L-уровней (L-серии), вакансии M-уровней (M-серии) и т.д. (рис 1)
Рис. 1. Схема рентгеновских уровней и переходов, образующих K, L, M, N серии. Kгр, Lгр, Mгр, Nгр - границы серий, соответствующие переходам в непрерывный спектр. n - главное квантовое число.
Устройство рентгеновской трубки.
Наиболее распространенным источником рентгеновского излучения является рентгеновская трубка.
Рентгеновская трубка представляет собой двух-электродный ваккумный прибор (рис. 2.1). Подогревный катод 1 испускает электроны 4. Анод 2, называемый часто антикатодом, имеет наклонную поверхность, для того чтобы направить возникающее рентгеновское излучение 3 под углом к оси трубки. Анод изготовлен из хорошо теплопроводящего материала для отвода теплоты, образующейся при ударе электронов. Поверхность анода выполнена из тугоплавких материалов, имеющих большой порядковый номер атома в таблице Менделеева, например из вольфрама. В отдельных случаях анод специально охлаждают водой или маслом. Разность потенциалов между катодом и анодом (антикатодом), достигает несколько сотен киловольт. Электроны ускоряются электрическим полем в рентгеновской трубке. Поскольку в трубке очень небольшое число молекул газа, то электроны по пути к аноду практически не теряют своей энергии. Они достигают анода с очень большой скоростью. Часть энергии, не рассеивающая в форме тепла, превращается в энергию электромагнитных волн (рентгеновские лучи). Таким образом, рентгеновские лучи являются результатом бомбардировки электронами вещества анода.
Для диагностических трубок важна точечность источника рентгеновских лучей, чего можно достигнуть, фокусируя электроны в одном месте антикатода. Поэтому конструктивно приходится учитывать две противоположные задачи: с одной стороны, электроны должны попадать на одно место анода, с другой стороны, чтобы не допустить перегрева, желательно распределение электронов по разным участкам анода. В качестве одного из интересных технических решений является рентгеновская трубка с вращающимся анодом (рис. 2.2).
Рис. 2.1 Рис. 2.2
По способу возбуждения рентгеновское излучение подразделяют на тормозное и характеристическое.
Тормозное излучение.
В результате торможения электрона (или иной заряженной частицы) электростатическим полем атомного ядра и атомарных электронов вещества антикатода возникает тормозное рентгеновское излучение.
Механизм его можно пояснить следующим образом. С движущимся электрическим зарядом связано магнитное поле, индукция которого зависит от скорости электрона. При торможении уменьшается магнитная индукция и в соответствии с теорией Максвелла появляется электромагнитная волна.
При торможении электронов лишь часть энергии идет на создание фотона рентгеновского излучения, другая часть расходуется на нагревание анода. Так как соотношение между этими частями случайно, то при торможении большого количества электронов образуется непрерывный спектр рентгеновского излучения. На рис. 3 представлены зависимости потока рентгеновского излучения от длины волны λ (спектры) при разных напряжениях в рентгеновской трубке: U 1 < U 2 < U 3 .
Поток рентгеновского излучения вычисляется по формуле (1):
где U и I - напряжение и сила тока в рентгеновской трубке; Z - порядковый номер атома вещества анода; k - коэффициент пропорциональности.
В каждом из спектров наиболее коротковолновое тормозное излучение λ ηίη возникает тогда, когда энергия, приобретенная электроном в ускоряющем поле, полностью переходит в энергию фотона.
, (2)
Эту формулу можно преобразовать в более удобное для практических целей выражение:
, (4)
где – длина волны в ангстремах, U – напряжение в кВ. Формула (4) соответствует рис. 3
Заметим, что на основе (3) разработан один из наиболее точных способов экспериментального определения постоянной Планка.
Увеличивая напряжение на рентгеновской трубке, изменяют спектральный состав излучения, как это видно из рис. 3 и формулы (4), и увеличивают жесткость.
Если увеличить температуру накала катода, то возрастут эмиссия электронов и сила тока в трубке. Это приведет к увеличению числа фотонов рентгеновского излучения, испускаемых каждую секунду. Спектральный состав его не изменится. На рис. 4.1 показаны спектры тормозного рентгеновского излучения при одном напряжении, но при разной силе тока накала катода: I н1 < I н2 .
Спектры, полученные от разных антикатодов при одинаковых U и I H , изображены на рис. 4.2.
Рис. 4.1 Рис. 4.2
Спектр тормозного рентгеновского излучения не зависит от природы вещества анода. Как известно, энергия фотонов рентгеновских лучей определяет их частоту и длину волны. Поэтому тормозное рентгеновское излучение не является монохроматическим. Оно характеризуется разнообразием длин волн, которое может быть представлено сплошным (непрерывным) спектром. По аналогии с белым светом его также называют белым рентгеновским излучением.
Для полного понимания значения всех факторов, влияющих на прцесс коррекции ошибок, читатель должен познакомиться с принципом работы рентгеновской трубки, генерирующей рентгеновское излучение. Рентгеновская трубка представляет собой стеклянную колбу, из которой откачан воздух. Внутри колбы находятся два основных элемента любой рентгеновской трубки: катод и анод. Катод является источником электронов, а анод представляет собой мишень, бомбардируемую пучком электронов с катода.
Как видно из рис.1, катод имеет форму чашки (фокусирующая чашка), в которой находится вольфрамовая спиральная нить накаливания. Под действием проходящего через нить электрического тока нить накаливается и испускает электроны.
Количество испускаемых электронов пропорционально величине электрического тока, проходящего через нить. Ток измеряется в миллиамперах (мА). Один миллиампер равен 1/1000 ампера (А). Таким образом величина тока (измеряемого в миллиамперах), проходящих через нить, определяет интенсивность рентгеновского излучения, испускаемого мишенью. Увеличение тока через нить (увеличение мА) приводит к увеличению количества испускаемых электронов, что, в свою очередь, ведет к увеличению интенсивности (количества рентгеновских квантов) рентгеновского излучения.
Рис. 1. Схема, иллюстрирующая принцип действия рентгеновской трубки.
Фокусирующая чашка катода фокусирует электроны в пучок, направленный на мишень анода. Анод обычно изготавливается из меди, поскольку медь характеризуется высокой теплопроводностью и ее легче охлаждать. На лицевой стороне анода, обращенной к катоду, имеется массивная вольфрамовая пластина, называемая мишенью. Маленький участок мишени, в которую попадает пучок электронов, называется фокусным пятном. Этот участок является источником рентгеновского излучения. Большая часть энергии электронов, попадающих в мишень, преобразуется в тепло и лишь один процент превращается в рентгеновское излучение.
Катод заряжен отрицательно, анод — положительно. Напряжение между ними выражается в пиковых киловольтах и называется пиковым киловольтажем (кВп). Один киловольт равен 1000 Вольт. Величина напряжения (количество киловольт) определяет скорость пучка электронов. При увеличении напряжения ("киловольтажа") увеличивается скорость пучка электронов, бомбардирующих мишень, что, в свою очередь, ведет к увеличению энергии формируемого мишенью рентгеновского излучения (т.е. качества излучения).
Все органы управления элементами рентгеновской трубки расположены вне ее (снаружи) и подключены к катоду и аноду. Таймер контролирует время, в течение которого катод формирует пучок электронов. Полное количество электронов, образуемых катодом и достигающих анода, определяется произведением силы тока (в миллиамперах, мА) на длительность экспозиции в секундах (с), т.е. - (мА) х (с) или мАс.
Пучок рентгеновского излучения, облучающего объект, формируется специальным окошком, которое находится в металлическом кожухе, окружающем стеклянную колбу рентгеновской трубки. Этот пучок включает рентгеновское излучение разной длины волны и проникающей способности, определяемое величиной пикового киловольтажа (кВп), выбранного для данной экспозиции. Суммарное количество рентгеновского излучения в пучке на выходе рентгеновской трубки зависит оттока (мА), времени и выбранного пикового киловольтажа (кВп).
Длина волны рентгеновского излучения определяет его энергию, т.е. способность проникать внутрь объекта. Рентгеновское излучение с более короткой длиной волны, образуемое при более высоком значении кВп, обладает большей проникающей способностью по сравнению с рентгеновским излучением с большей длиной волны (менее энергетичное излучение). Рентгеновское излучение, прошедшее через объект, образует на пленке изображение. Пучок рентгеновского излучения, входящий в ткани пациента, характеризуется равномерным распределением интенсивности излучения в зависимости от длины волны.
Рентгеновское излучение, попавшее в ткани пациента, частично поглощается или проходит практически без поглощения в зависимости от того, что находится на пути пучка (ткани органов или кости). В результате на выходе из объекта излучения (пациента) возникает специфическая картина распределения интенсивности рентгеновского излучения (именуемое выборочным ослаблением излучения). Это распределение интенсивности рентгеновского излучения несет в себе всю диагностическую информацию о пациенте. Эта информация затем фиксируется на рентгеновской пленке (смотри рис. 2).
Зоны приоритетного внимания.
Другие статьи
Сравнение информативности цифровой ортопантомографии и дентальной компьютерной томографии. Часть 2.
На фрагменте ортопантомограммы на фоне верхней трети длины корней зубов 11,12 и средней трети корня зуба 13 четко визуализируется ретинированный и дистопированный в горизонтальном направлении зуб, над которым определяется рентгенпрозрачный участок овальной формы с четкими ровными контурами.
Химикаты для ручной обработки. Часть 2.
Основная линия черепа должна быть параллельна, а средне сагиттальная плоскость перпендикулярна плоскости стола. Луч центрируют через темя на середину разметок. Переднюю аксиальную рентгенограмму трудно произвести у полных людей с короткой шеей.
Кариес составляет самую распространенную группу заболеваний зубов и характеризуется местным разрушением эмали, дентина и це-мента, что обусловливает рентгенологическую картину
Общие принципы интерпретации рентгенограмм. Рентгеносемиотика заболеваний зубочелюстной системы. Типичные ошибки при рентгенологическом исследовании.
Оценка технической правильности снимка по различным параметрам—правильности проекции, условий съемки и фотообработки, а при наличии погрешностей определение того, в чем они состоят, какими из них можно пренебречь, а какие требуют повтор ного исследования.
Рис. 1. Терапевтическая, рентгеновская трубка с массивным вольфрамовым анодом: 1 - катод; 2 - анод.
Рентгеновская трубка - электровакуумный прибор, предназначенный для получения рентгеновского излучения. Рентгеновское излучение возникает при торможении ускоренных электронов на экране антикатода (анода), изготовленного из тяжелого металла (например, вольфрама). Получение электронов, их ускорение и торможение осуществляется в самой рентгеновской трубке, представляющей вакуумированный стеклянный баллон, в который впаяны металлические электроды: катод (см.) - для получения электронов и анод (см.) - для их торможения (рис. 1). Для ускорения электронов к электродам подводится высокое напряжение.
Вильгельм Конрад Рентген
(Wilhelm Conrad Rontgen)
Первая рентгеновская трубка, с которой В. К. Рентген сделал свое открытие, была ионной. Рентгеновская трубка этого типа (хрупкие и трудноуправляемые) в настоящее время полностью вытеснены более совершенными электронными трубками. В них электроны получаются путем накаливания катода. Регулируя ток в цепи накала рентгеновской трубки, а следовательно, и температуру катода, можно изменять количество испускаемых катодом электронов. При низком напряжении не все испускаемые катодом электроны участвуют в создании анодного тока и у катода образуется так называемое электронное облако. При повышении напряжения электронное облако рассасывается и, начиная с определенного напряжения (напряжения насыщения), все электроны достигают анода. Через трубку при этом течет максимальный ток (ток насыщения). Напряжение на рентгеновской трубке обычно выше напряжения насыщения, поэтому возможно раздельно регулировать напряжение и ток Р. т.. Это означает, что жесткость излучения, определяемая напряжением, регулируется независимо от интенсивности, которая обусловлена анодным током.
Анод
рентгеновской трубки обычно выполняется в виде массивного медного чехла, обращенного к катоду скошенным торцом, чтобы выходящее рентгеновское излучение было перпендикулярно оси трубки. В толщу анода впаяна вольфрамовая пластинка в 2- (зеркало анода).
Катод
электронной рентгеновской трубки содержит тугоплавкую нить накала, обычно из вольфрама, которая выполнена в виде цилиндрической или плоской спирали и окружена металлическим стаканчиком для фокусирования пучка электронов на зеркале анода (фокусе рентгеновской трубки). В двухфокусных рентгеновских трубках катод содержит две нити накала.
При работе рентгеновской трубки на аноде выделяется большое количество тепла. Чтобы предохранить анод от перегрева и повысить мощность рентгеновской трубки, используются охлаждающие анод устройства: воздушное радиаторное, масляное, водяное охлаждение, охлаждение лучеиспусканием. В качестве материала оболочки рентгеновской трубки обычно применяют стекло, которое позволяет прикладывать к электродам достаточно высокое напряжение, пропускает рентгеновское излучение без заметного ослабления (для получения букки-лучей делают бериллиевые окна), достаточно прочно и непроницаемо для газов (вакуум в рентгеновской трубке 10-6- 10-7 мм рт. ст.). Диагностические рентгеновские трубки работают при максимальных напряжениях до 150 кв, терапевтические - до 400 кв.
Рис. 2. Линейчатый фокус диагностической рентгеновской трубки; 1 - зеркало анода; 2 - действительный фокус; 3 - анод; 4 - центральный луч; 5 - оптический фокус; 6 - ось трубки; 7 - катод.
Рис. 4. Фокус трубки с вращающимся дисковым анодом: 1 - действительный фокус; 2 - развертка действительного фокуса; 3 - мгновенный фокус; 4 - ось трубки; 5 — катод; 6 - оптический фокус; 7 - анод.
Резкость рентгеновского изображения обусловлена величиной фокуса. Основное требование к диагностическим рентгеновским трубкам - большая мощность при малом фокусе. Современные рентгеновские трубки имеют линейчатый фокус
размером 10-40 мм2, но практическое значение имеет не действительная величина фокуса, а его видимая проекция в направлении пучка, т. е. размеры эффективного оптического фокуса (рис. 2). При угле наклона анода 19° площадь эффективного фокуса в 3 раза меньше действительного, что позволяет увеличить мощность рентгеновской трубки в два раза. Дальнейшее увеличение мощности достигнуто в трубках с вращающимся анодом (рис. 3 и 4).
В настоящее время выпускают рентгеновские трубки различного назначения, отличающиеся как конструктивно, так и мощностью, способами охлаждения, защиты от излучения и высокого напряжения. Условное обозначение рентгеновской трубки представляет собой комбинацию букв и цифр. Первая цифра - мощность трубки в киловаттах; второй знак определяет род защиты (Р - защитная от излучения, Б - защитная от излучения и высокого напряжения, отсутствие буквы указывает на отсутствие защиты); третий знак
определяет назначение рентгеновской трубки (Д - диагностика, Т - терапия); четвертый - указывает способ охлаждения (К - воздушное радиаторное, М-масляное, В - воздушное, отсутствие буквы означает охлаждение лучеиспусканием); пятая цифра указывает максимальное анодное напряжение в киловольтах. Так, например, 6-РДВ-110 - шестикиловаттная защитная диагностическая трубка
с водяным охлаждением на 110 кв; трубка 1-Т-1-200-терапевтическая, без защиты, охлаждение лучеиспусканием, мощностью 1 кет на напряженно 200 кв (условный номер 1).
Рис. 3. Трубка с вращающимся дисковым анодом: 1 - катод; 2 - дисковый анод; 3 - защитный диск; 4 - ось анода; 5 - стальной цилиндр - ротор электродвигателя.
Каждую новую трубку перед пуском в работу необходимо проверить на вакуум, не включая накала. Если при этом появится розовое свечение или искра, рентгеновская трубка потеряла вакуум и к работе непригодна. Трубку, сохранившую вакуум, подвергают тренировке: устанавливают ток 1-2 ма при высоком напряжении порядка 1/3 от номинального и в течение 30- 60 мин. напряжение и ток постепенно повышают до значений длительного режима, указанного в паспорте рентгеновской трубки. При эксплуатации рентгеновской трубки необходимо строго придерживаться режимов работы, указанных в ее паспорте.
Рентгеновская трубка - это электровакуумное устройство, применяемое для генерирования рентгеновых лучей путем эмиссии электронов с катода, фокусировки
и ускорения их в электрическом поле высокого напряжения с последующим торможением электронного потока на зеркале анода. В результате торможения потока электронов на аноде рентгеновской трубки выделяется большое количество тепла и лишь незначительное количество этой энергии трансформируется в энергию рентгеновского излучения (см.).
Со времени открытия Рентгеном икс-лучей и до начала первой мировой войны для рентгенодиагностики и рентгенотерапии применялись так называемые ионные газосодержащие Р. т. (рис. 1), хрупкие и трудноуправляемые. Лилиенфельд (L. Lilienfeld) предложил более совершенную Р. т. с промежуточным электродом, накаливаемым катодом и водяным охлаждением (рис. 2). Однако высоковакуумная двухэлектродная Р. т., предложенная американцем Кулиджем (W. D. Coolidge), постепенно вытеснила все другие Р. т. и применяется в разных модификациях до настоящего времени.
Современная рентгеновская трубка
представляет собой высоковольтный вакуумный диод (с двумя электродами - катодом и анодом). Катод Р. т. содержит тугоплавкую нить накала, обычно из вольфрама. В двухфокусных диагностических рентгеновских трубках, предназначенных для разных режимов работы, катод содержит две нити накала для каждого из фокусов. Нити накала, как правило, выполнены в виде цилиндрической или плоской спирали (рис. 3, 1 и 2) соответственно для линейчатого или круглого фокуса.
Анод рентгеновской трубки обычно выполнен в виде массивного медного чехла, обращенного к катоду скошенным торцом, в толщу которого впаяна вольфрамовая пластинка толщиной 2-2,5 мм (зеркало анода), являющаяся мишенью, куда фокусируется поток электронов с катода, и представляющая, таким образом, рентгенооптический фокус трубки. Имеются Р. т. для специальных целей, например для внутриполостной рентгенотерапии (рис. 4), в которых анод является дном полого цилиндра, вводимого в соответствующую полость.
С целью повышения разрешающей способности современных диагностических трубок фокусу рентгеновской трубки уделяется большое внимание, так как чем острее фокус, тем резче рентгеновское изображение.
При оценке рентгенооптических свойств Р. т. следует учитывать, что решающее значение имеет не величина действительного фокуса на зеркале анода, а видимая проекция фокусного пятна в направлении центрального луча, т. е. размеры эффективного оптического фокуса. Уменьшение размеров оптического фокуса достигается уменьшением угла скашивания анода по отношению к центральному лучу.
В отличие от терапевтических Р. т. (рис. 5), снабженных круглым или в форме эллипса оптическим фокусом, современные диагностические трубки имеют так называемый линейчатый фокус (рис. 6). В трубках с линейчатым фокусом площадь эффективного фокуса, имеющего форму квадрата, примерно в 3 раза меньше площади действительного фокуса, имеющего форму прямоугольника. При одинаковых рентгенооптических свойствах мощность рентгеновской трубки с линейчатым фокусом примерно в 2 раза больше, чем у Р. т. с круглым фокусом.
Дальнейшее повышение мощности диагностических Р. т. достигнуто в трубках с вращающимся анодом (рис. 7 и 8). В этих рентгеновских трубках массивный вольфрамовый анод с линейчатым фокусом, растянутым по всей окружности, укреплен на оси, вращающейся в подшипниках, а катод трубки смещен относительно ее оси так, чтобы фокусированный пучок электронов попадал всегда на скошенную поверхность зеркала анода. При вращении анода пучок фокусированных электронов попадает на меняющийся участок фокуса анода, эффективная величина которого, т. е. оптический фокус, имеет благодаря этому весьма малые размеры (порядка 1X1 мм, 2,5X2,5 мм). Так как скорость вращения анода достаточно велика (анод является продолжением оси двигателя, вращающегося с угловой скоростью 2500 об/мин), мощность трубки при выдержках в 0,1 сек. может достигать 40-50 кВт.
Значительное количество тепла, образующегося на аноде работающей трубки, требует ее охлаждения путем отвода тепла с анода в окружающую среду. Это достигается путем воздушного радиаторного охлаждения (рис. 9), водяного охлаждения (рис. 10 и 11) или масляного охлаждения (рис. 12); масло является одновременно и изолирующей средой; масляное охлаждение обычно применяется в так называемых блок-аппаратах (см. Рентгенотехника).
В связи с многообразными запросами рентгенодиагностики и рентгенотерапии в настоящее время выпускаются рентгеновские трубки самого различного назначения, отличающиеся как конструктивным оформлением, так и величиной, мощностью, способами охлаждения и защиты от неиспользуемого излучения. Условные обозначения различных типов трубок состоят из комбинаций цифр и букв. Первая цифра - предельно допустимая мощность трубки (в кВт); первая буква определяет защиту от излучения (Р - самозащитная; Б - в защитном кожухе; отсутствие буквы означает отсутствие защиты); вторая буква определяет назначение Р. т. (Д - диагностика; Т - терапия); третья буква указывает систему охлаждения (К - воздушное радиаторное охлаждение, М - масляное, В - водяное, отсутствие буквы означает охлаждение лучеиспусканием); последняя цифра соответствует предельно допустимому анодному напряжению в киловольтах. Так, например, 3-БДМ-2-100 - трехкиловаттная диагностическая трубка с масляным охлаждением (радиаторным) на 100 кв для работы в защитном кожухе (условный номер типа - 2); трубка - 1-Т-1-200 - терапевтическая без защиты с охлаждением лучеиспусканием, мощностью 1 кет на напряжение 200 кв (условный номер типа - 1).
Независимо от типа рентгеновской трубки общий принцип их работы состоит в следующем. Накал катода Р. т. вызывает термоэлектронную эмиссию с образованием у катода так называемого электронного облака. С включением высокого напряжения на электродах Р. т. свободные электроны под действием электрического поля устремляются к аноду, тормозятся на его зеркале, причем часть энергии торможения преобразуется в рентгеновское излучение.
При повышении напряжения на рентгеновской трубке эмиссионный ток вначале круто возрастает за счет постепенного уменьшения плотности электронного облака. Когда же число электронов, образующихся на катоде, становится равным числу электронов, достигающих анода, дальнейшее повышение напряжения не вызывает увеличения тока, проходящего через Р. т., а лишь увеличивает кинетическую энергию электронов, достигающих анода. Режим работы Р. т., при котором происходит использование всех электронов, образующихся на катоде, а дальнейшее повышение напряжения не вызывает увеличения анодного тока, называется током насыщения. Практически ток насыщения i достигается в диагностических рентгеновских трубках при разности потенциалов? порядка 10-20 кв (рис. 13). Поэтому обычно Р. т. большей частью работают в режиме тока насыщения. При необходимости увеличить анодный ток следует соответственно увеличить ток накала катода и, подняв напряжение, снова создать режим тока насыщения.
В процессе промышленного производства из Р. т. удаляют газ до остаточного давления 10-6 -10-7 мм рт. ст. При этой степени вакуума прохождение тока через Р. т. практически обусловлено только термоэлектронной эмиссией с катода. Однако при чрезмерном нагреве деталей трубки, а также при включении ее после длительного перерыва в работе в ней может появиться газ; при этом возникает эффект ионизации; рентгеновская трубка начинает пропускать ток в обоих направлениях. Измерительные приборы на пульте управления обнаруживают резкие колебания анодного тока. Если такую «газящую» Р. т. включить под высокое напряжение без накала катода, в ней создается устойчивый газовый разряд, сопровождающийся характерным свечением трубки. Такая трубка к работе непригодна и подлежит замене.
Каждую новую Р. т. перед пуском в работу необходимо проверить на вакуум под высоким напряжением, не включая накала, затем подвергнуть «тренировке». Для этого при анодном напряжении порядка 1/3 от номинального устанавливают ток 1-2 мА. Затем в течение 30-60 мин. напряжение и ток постепенно повышают до номинальных значений длительного режима в соответствии с паспортом Р. т. При эксплуатации Р. т. необходимо строго придерживаться режимов работы, указанных в ее паспорте.
См. также Рентгеновские аппараты, Рентгеновское излучение.
Рис. 1. Ионная рентгеновская трубка с воздушным охлаждением и газовым регенератором.
Рис. 2. Рентгеновская трубка Лилиенфельда.
Рис. 3. Катоды двухфокусных электронных рентгеновских трубок: 1 - с двумя цилиндрическими спиралями нити накала; 2 - с двумя плоскими спиралями нити накала.
Рис. 4. Безопасная рентгеновская трубка
для внутриполостной рентгенотерапии: 1 - катод; 2 - анодная трубка; 3 - окно выхода рентгеновых лучей; 4 - анодный цоколь; 5 - водяная рубашка; 6 - патрубки охлаждения.
Рис. 5. Терапевтическая рентгеновская трубка с массивным вольфрамовым анодом: 1 - катод; 2 - анод.
Рис. 6. Схематическое изображение линейчатого фокуса диагностической рентгеновской трубки: 1 - зеркало анода; 2 - действительный фокус
; 3 - анод; 4 - центральный луч; 5 - оптический фокус; 6 - ось трубки; 7 - катод.
Рис. 7. Трубка с вращающимся дисковым анодом: 1 - катод; 2 - дисковый анод; 3 - защитный диск; 4 - ось анода; 5 - стальной цилиндр-ротор асинхронного электродвигателя.
Рис. 8. Схематическое изображение фокуса трубки с вращающимся дисковым анодом: 1 - действительный фокус; 2 - его развертка; 3 - мгновенный фокус; 4 - ось трубки; 5 - катод
; 6 - оптический фокус; 7 - анод.
Рис. 9. Трубка с радиаторным воздушным охлаждением.
Рис. 10. Анод трубки с водяным охлаждением: 1 - стержень анода; 2 - резервуар с охлаждающей водой.
Рис. 11. Анод
трубки, охлаждаемой проточной водой: 1 - соединительные трубки водяного охлаждения.
Рис. 12. Миниатюрная рентгеновская трубка с масляным охлаждением для рентгенографии зубов.
Рис. 13. Анодные характеристически электронной рентгеновской трубки: S’- при токе накала 3,8 a; S-при токе накала 3,4 а.
Устройство рентгеновского апарата
Одним из наиболее эффективных методов изучения строения кристаллических веществ является рентгенография.
Рентгенография делится на 2 типа:
1. рентгеноструктурный анализ (РСтА);
2. рентгенофазовый анализ (РФА).
Первый метод является наиболее общим и информативным и позволяет однозначно определить все детали кристаллической структуры (координаты атомов и т.д.). Объектом исследования в РСтА является монокристалл. Второй метод позволяет идентифицировать вещество и определить некоторые параметры кристаллической структуры. Объектами исследования РФА являются поликристаллические образцы.
Рентгеновский аппарат предназначается для превращения электроэнергии в рентгеновское излучение. Устройство рентгеновского аппарата зависит от его функции, но в целом он состоит из источника излучения, блока питания, системы управления и периферии.
Как работает рентгеновский аппарат
Питание аппарата осуществляется обычно от электросети переменного тока в 126 или 220 В. Однако современные рентгеновские установки работают от постоянного тока существенно более высокого напряжения. В связи с этим в состав блока питания входят трансформатор (или система трансформаторов) и выпрямитель тока (иногда выпрямитель может отсутствовать – при низкой мощности аппарата). Генератор излучения – это рентгеновская трубка, одна или несколько.
Система управления – это распределительное устройство, то есть пульт управления, регулирующий работу всей установки. Кроме того, аппарат включает в себя штатив (систему штативов), на который крепится генератор излучения. Принцип работы установки следующий. Переменный ток от электросети подводится к первичной обмотке трансформатора. С его вторичной обмотки снимается более высокое напряжение и подается на излучатель непосредственно (полуволновые установки) или через выпрямитель – кенотрон. Накалом катодной нити рентгеновской трубки регулируется ее работа. В излучение при этом переходит не более 1% подаваемой на трубку энергии, остальное превращается в тепло, прежде всего греется анод. Для того чтобы избежать его повреждения от перегрева, либо используются тугоплавкие материалы (вольфрам, молибден), либо конструируется специальная система охлаждения (водное охлаждение, вращающийся анод). Современные рентгеновские установки снабжаются специальными устройствами для стабилизации тока и защиты излучателя от перегрузки. Кроме того, устанавливается система защиты окружающих от избыточного излучения (а также от тока высокого напряжения).
Рентгеновская трубка устройство
Рентгеновская трубка - электровакуумный прибор с источником излучения электронов (катод) и мишенью, в которой они тормозятся (анод). Высоковольтное напряжение для разогревакатода подается через минусовой высоковольтный кабель с накального трансформатора, который находится вгенераторном устройстве. Накаленная спираль катода, при прикладывание к рентгеновской трубке высокого напряжения,начинает выбрасывать ускоряющийся потокэлектронов, а затем они резко тормозятся на вольфрамовой пластинке анода, что и приводит к появлениюрентгеновских лучей.
Принцип работы рент геновской трубки
Рисунок 1 - Схема рентгеновской трубки для структурного анализа: 1 - металлический анодный стакан (обычно заземляется); 2 – окна из бериллия для выхода рентгеновского излучения; 3 – термоэмиссионный катод; 4 – стеклянная колба, изолирующая анодную часть трубки от катодной; 5 – выводы катода, к которым подводится напряжение накала, а также высокое (относительно анода) напряжение; 6 – электростатическая система фокусировки электронов; 7 – ввод (антикатод); 8 – патрубки для ввода и вывода проточной воды, охлаждающей вводный стакан.
Площадь анода, на которую попадают электроны, называют фокусом. В современных рентгеновских трубках обычно имеется два фокуса: большой и малый. В аноде свыше 95% энергии электронов превращается в тепловую энергию, нагревающую анод до 2000° и более. По этой причине с увеличением длительности экспозиции допустимая мощность снижается.
Рентгенодиагностическую трубку размещают в просвинцованном кожухе, который заполнентрансформаторным маслом. В кожухе имеются отверстиядля подсоеденения высоковольтных кабелей и выходное окно, через которое выводится пучок излучения. Для минимизации дозы рентгеновского излучения в современных рентгеновских аппаратах, например ФМЦ на выходном окне крепится устройство колимации. Для того, чтоб исключить появление на аноде рентгеновской трубки повреждений, последний должен вращаться, для этого внизу кожуха рентгеновской трубки размещается устройство вращения анода.
Рентгеновские камеры
Рентгеновская камера – прибор для изучения или контроля атомной структуры образца путем регистрации на фотопленке картины, возникающей при дифракции рентгеновских лучей на исследуемом образце. Рентгеновскую камеру применяют в рентгеновском структурном анализе. Назначение рентгеновской камеры – обеспечить выполнение услови й дифракции рентгеновских лучей и получение рентгенограмм. 
Рисунок 2 - Гониометрическая головка : О – образец, Д – дуговые направляющие для наклона образца в двух взаимно перпендикулярных направлениях; МЦ – механизм центрирования образца, служащий для вынесения центра дуг, в котором находится образец, на ось вращения камеры.
Рисунок 3 - Основные схемы рентгеновских камер для исследования поликристаллов: а – дебаевская камера; б – фокусирующая камера с изогнутым кристаллом-монохроматором для исследования образцов «на просвет» (область малых углов дифракции); в – фокусирующая камера для обратной съемки (большие углы дифракции) на плоскую кассету. Стрелками показаны направления прямого и дифракционного пучков. О – образец; F – фокус рентгеновской трубки; М – кристалл-монохроматор; К – кассета с фотопленкой Ф; Л – ловушка, перехватывающая неиспользованный рентгеновский пучок; ФО – окружность фокусировки (окружность, по которой располагаются дифракционные максимумы); КЛ – коллиматор; МЦ – механизм центрировки образца.
Рисунок 4 - Основные схемы рентгеновских камер для исследования монокристаллов: а – камера для исследования неподвижных монокристаллов по методу Лауэ; б – камера вращения.
Практическая часть
По полученной от преподавателя рентгенограмме необходимо определить параметры вещества (представленные в таблице 1), а так же его идентифицировать.
| № линии | d, A | a, A | Ширина линии, (рад) | I, % | hkl | L, мкр. | |||
| 44,7 | 2,026 | 3,509 | 0,855 | 0,00073 | 0,0227 | 0.00181 | |||
| 1,76 | 3,52 | 0,808 | 0,0012 | 39,7 | 0,0142 | 0.00246 | |||
| 76,5 | 1,245 | 3,521 | 0,617 | 0,00127 | 16,9 | 0,01546 | 0.00162 | ||
| 93,2 | 1,098 | 3,521 | 0,472 | 0,00167 | 26,7 | 0,01343 | 0.00161 | ||
| 98,7 | 1,017 | 3,642 | 0,425 | 0,00181 | 8,6 | 0,01308 | 0.00157 | ||
| 122,2 | 0,881 | 3,523 | 0,234 | 0,00418 | 5,7 | 0,00763 | 0.00232 | ||
| 144,8 | 0,809 | 3,526 | 0,092 | 0,00233 | 13,4 | 0,02183 | 0.000758 | ||
| 145,7 | 0,806 | 3,605 | 0,087 | 0,00324 | 10,6 | 0,0162 | 0.001054 |
Таблица 1 – Данные анализа рентгенограммы 1
1. Получили от преподавателя рентгенограмму порошка неизвестного состава. По рентгенограмме были найдены углы , интенсивности, так же ширины линий и , данные представлены в таблице 1.
2. По формуле Вульфа – Брэгга, найдены межплоскостные расстояния d.
3. Для нахождения параметра решётки, необходимо идентифицировать её структуру. Так как для ОЦК структуры отражение идёт только от плоскостей с чётными суммами индексов hkl, то первые две линии будут (110) и (200), зная, что каждому соответствует своя сумма hkl, получим, что соотношение первой и второй линии должно равняться , если это ОЦК структура. Аналогично рассматривая ГЦК структуру, где видны плоскости с однотипными индексами hkl (все или чётные или не чётные), определяем, что первые две линии будут (111) и (200). Следовательно, соотношение первой и второй линии должны равняться
Так как мы не знаем состава порошка, то мы не можем утверждать по первым двум линиям, что весь порошок имеет ГЦК структуру. Однако, из соображений что
можно получить ряд соотношения первой линии ко всем остальным и сравнить его с рядом соотношений суммы квадратов hkl. Получили следующий ряд:
1, 075, 0,375, 0,292, 0,25, 0,187, 0,1585, 0,157.
Получены так же ряды для ОЦК и ГЦК структур:
ОЦК: 1, 0,5, 0,33, 0,25, 0,2, 0,166, 0,142, 0,125;
ГЦК: 1, 0,75, 0,375, 0,272, 0,25, 0,187, 0,157, 0,15;
Как видно, полученный ряд схож с рядом ГЦК структуры, следовательно, порошок имеет ГЦК структуру.
Зная структуру порошка, можно найти параметр его решётки по известным индексам hkl и межплоскостному расстоянию d:
4. Размер кристаллитов находится из формулы:
Где В – ширина рентгеновской линии, К – коэффициент близкий к 1.
Рисунок 5 – График зависимости параметра решётки от .
6. Зная параметр решётки, а и структуру порошка (ГЦК) можем идентифицировать вещество как никель.
7. Необходимо найти микроискажения.
1) 
2) 
3) 
4) 
5) 
6) 
7) 
8) 
8. Зная что, полная ширина рентгеновских линий включает в себя уширение от микро искажений и уширение от размера кристаллитов, можем записать что:
Умножив всё на cosθ и разделив на λ, получим формулу Вильямсона - Холла:
Представив это уравнение, как уравнение прямой и подставив значения, полученные в таблице 1, получим следующие значения:
Таблица 2 - Полученные значения для постройки графика по методу Холла
| , (Y) | , (X) |
| 0,0004397 | 0,000169 |
| 0,000698 | 0,000746 |
| 0,000650 | 0,00065 |
| 0,000733 | 0,000733 |
| 0,000771 | 0,000771 |
| 0,00131 | 0,00131 |
| 0,000419 | 0,000418 |
| 0,000468 | 0,000469 |
Y=0.00027+0.00165x – уравнение полученного графика.
По данным таблицы 2 построен график рисунок 6:
Рисунок 6 – График для разделения вкладов в уширение рентгеновских линий методом Холла.
По полученной от преподавателя рентгенограмме необходимо сделать задание аналогичное части 2 и количественный фазовый анализ.
Рисунок 7 – Рентгенограмма неизвестного двухфазного порошка.
Рисунок 8 – Начальные данные к рентгенограмме рисунка 7.
| № линии | a, A | Ширина линии, (рад) | I, % | hkl | L, А. | |
| 3,619 | 0,00211 | 846,6 | 0,00532 | |||
| 2,882 | 0,00142 | 41,3 | 0,00347 | |||
| 3,619 | 0,00319 | 40,5 | 588,6 | 0,00679 | ||
| 2,883 | 0,00164 | 11,9 | 0,00259 | |||
| 3,618 | 0,00286 | 21,8 | 844,2 | 0,00379 | ||
| 2,884 | 0,00163 | 17,8 | 0,00188 | |||
| 3,619 | 0,0036 | 21,8 | 852,7 | 0,00361 | ||
| 3,619 | 0,00337 | 10,7 | 0,00388 | |||
| 2,882 | 0,00186 | 9,6 | 0,00161 | |||
| 2,885 | 0,00251 | 11,6 | 0,00159 | |||
| 3,619 | 0,00444 | 6,7 | 0,00273 |
Таблица 3 – Данные анализа рентгенограммы 2 (рисунок 7).
1. Так как мы знаем, что в порошке содержится две фазы, необходимо отделить одну фазу от другой, для этого предположим, что у этих фаз разные структуры и попытаемся по отношению синусов отличить одну фазу от другой:
1; 0,95; 0,75; 0,477; 0,376; 0,317; 0,272; 0,25; 0,238; 0,190; 0,187
Как можно заметить в ряде присутствуют числа схожие с рядом ГЦК структуры:
1; 0,75; 0,376; 0,272; 0,25; 0,187
Предположив, что линии 1, 3, 5, 7, 8, 11 это первая фаза, рассмотрим отношения квадратов синусов оставшихся линий, приняв вторую линию, как первую линию во второй фазе:
1; 0.498; 0,331; 0,249; 0,199
Полученный ряд схож с рядом ОЦК структуры.
Судя по полученным рядам, имеем на рентгенограмме две фазы со структурами ГЦК и ОЦК.
2. Зная, что имеем две структуры ОЦК и ГЦК, можно провести количественный состав фаз.
Количество фазы определяется: , где - отражательные факторы определяемые как произведение структурного фактора и фактора повторяемости. Расчёт ведём для линии с похожими значениями интенсивности, это линии 8 и 9:
Структурный фактор для ГЦК решётки равен , так как у нас далее будет отношение, уйдёт, следовательно, берём 16. Фактор повторяемости для восьмой линии равен 8, так как имеем индексы hkl = (222).
По тому же принципу для ОЦК решётки структурный фактор равен , а фактор повторяемости 12, так как имеем hkl = (220).
Тогда количество фазы с ОЦК структурой будет равно:
Следовательно, ГЦК фазы 72,8%.
Аналогично проведём расчёт пиков 3 (200) и 2 (110):
При расчёте 2 и 3- его пиков получили, что ГЦК фазы 66,2%. Больше пиков с похожей интенсивностью нет, значит возьмём среднее количество фазы между 27,2% и 33.8%, это 30%. Значит в нашем порошке примерно 30% хрома и 70% меди.
3. Определение параметра решётки
Для ГЦК структуры
Зная параметр решётки и её структуру, можем предположить, что это медь.
Для ОЦК структуры
