Рентгеновская трубка с катодом на базе фотоэлектронного умножителя

  • Докладчик: Кулагин А.С.
  • Тема: Рентгеновская трубка с катодом на базе фотоэлектронного умножителя.
  •  Организация: АО «ЦНИИ «Электрон»

В данной статье рассмотрена конструкция рентгеновской трубки с катодом на базе фотоэлектронного умножителя (ФРТ), принцип работы ФРТ, а также рассмотрены области возможного применения данного устройства. Используя фотоэлектронный умножитель в качестве катода рентгеновской трубки, получилось создать быстродействующий источник рентгеновского излучения (РИ), способный работать как в импульсном, так и в непрерывном режимах генерации РИ.

1. Устройство рентгеновской трубки с фотокатодом.

Процесс создания рентгеновского излучения в ФРТ можно разделить на три этапа: 1 — создание свободных электронов; 2 – ускорение этих электронов электрическим полем; 3 – разогнанные электроны взаимодействуют с мишенью анода рентгеновской трубки. На третьем этапе происходит генерация РИ[1]. Рассмотрим подробнее каждый этап, используя рис.1 с  с изображением ФРТ.

ФРТ
Рис.1. Фото рентгеновской трубки с фотокатодом.

Обозначены основные узлы ФРТ: катод, выполненный в виде ФЭУ; под бериллиевым окном находится мишень анода ФРТ; анодная часть ФРТ. Рентгеновское излучение выходит через бериллиевое окно[2].

Создание свободных электронов: Катодный узел ФРТ основан на базе фотоэлектронного умножителя, который состоит из фотокатода (ФК) и динодной системы. Фотокатод расположен на торце трубки. При попадании светового потока на ФК в результате внешнего фотоэффекта образуются свободные электроны, назовем их фотоэлектронами.  После ФК находится система динодов. Система динодов ФЭУ служит для умножения фотоэлектронов. Увеличение количества электронов основано на эффекте вторичной электронной эмиссии. На выходе из динодной системы имеем пучок свободных электронов. С помощью специального электрода в форме диафрагмы происходит фокусировка электронного пучка.

Ускорение электронного пучка: После системы динодов электронный пучок попадает в электрическое поле, в котором происходит ускорение электронов. Напряжение этого ускоряющего поля,  составляет несколько десятков кВ. Энергия электронов после ускорения высоковольтным полем, W может быть описана формулой 1.

W0 — кинетическая энергия электронов после динодной системы,
q-заряд электрона,
UkV-напряжение, ускоряющего электронный пучок, поля.

Генерация рентгеновского излучения: Когда разогнанные электроны встречают на своем пути препятствие – мишень анода, происходит генерация рентгеновского излучения, которое можно разделить на тормозное и характеристическое излучение.

Тормозное излучение возникает, когда быстродвижущиеся электроны испытывают резкое торможение о преграду на своем пути. При торможении электронов на их препятствии происходит преобразование их кинетической энергии в нагрев материала мишени и на генерацию РИ. Причем на генерацию РИ тратится малая часть переданной кинетической энергии тормозящих электронов. Тормозное излучение состоит из непрерывного спектра длин волн электромагнитного излучения.

Характеристическое излучение возникает, когда переданной энергии электронов при торможении оказывается достаточно, чтобы выбить электроны с внутренних оболочек атомов металла, из которого сделана мишень анода. Далее электроны с вышележащих уровней переходят на вакантное место. Этот переход сопровождается испусканием излучения с длиной волны λ

λ = hc/ΔE                               (2),

ΔE – разница в энергии между электронными уровнями, h — постоянная Планка, с – скорость света. Поскольку величины ΔE имеют характерные значения для любого сорта атомов, то и линии в спектре рентгеновской трубки, возникающие в результате этого процесса, называются характеристическими, а соответствующая область спектра – характеристической областью. На рис.2 изображен спектр РИ, полученный на нашей ФРТ.

 
Рис.2. Спектр интенсивности рентгеновского излучения.

Рис.2. Спектр интенсивности рентгеновского излучения.

А – область спектра с характеристическим излучением серебра, В – область спектра с тормозным излучением. Материалом мишени является серебро. Ускоряющее напряжение . При таком напряжении можно было возбудить L-серию серебра. В области характеристического излучения наблюдается 2 явно выраженных пика, которые являются  и  излучением (наиболее интенсивные полосы излучения L серии) энергия излучения =2.98 кэВ, =3.15 кэВ. Использовался детектор РИ Amptek X-123 SDD[2].

2.Схема подключения рентгеновской трубки с фотокатодом.

Подключается ФРТ согласно электрической структурной схеме, изображенной на рис.3. Для подключения ФРТ необходимо использовать 3 источника питания: для источника света, для питания ФЭУ 1000-1500В, высоковольтный источник питания (ВИП) для генерации РИ, напряжение питания которого — .

Рис.3 Электрическая структурная схема подключения ФРТ.

1 – светодиод, 2 – источник питания светодиода, 3 – катод ФРТ представляет собой ФЭУ, 4 – источник питания ФЭУ, 5 – анод ФРТ, 6 – высоковольтный источник питания ФРТ, 7 —  генерируемое рентгеновское излучение; 8 – световая защита ФРТ; катодная часть ФРТ является  фотоэлектронным умножителем, при работе она должна быть изолирована от внешней засветки[2].

Катодный узел выполнен в виде ФЭУ с  12-динодной умножительной системой. Между динодами должно быть определенное напряжение. Для осуществления питания ФЭУ одним источником необходимо использовать делитель напряжения. На рис.4 изображена ФРТ с подключенным делителем напряжения.

Рис.4 ФРТ с делителем напряжения.

Делитель напряжения надевается на штырьки ФРТ, которые можно увидеть на рис.1. Каждый динод имеет свой собственный вывод, который соединяется с делителем напряжения[2].

На рис.5 изображен делитель напряжения.

Рис.5 Делитель напряжения.
Рис.5 Делитель напряжения.

Внутренняя часть подвижная, в нее установлен светодиод[2].

3.Технические характеристики

Основными характеристиками любой рентгеновской трубки являются максимальное анодное напряжение, которое она может выдержать (), анодный ток, при котором она может работать, размеры фокусного пятна электронного пучка на мишени анода, а также материал мишени анода. От величины анодного напряжения зависит спектральный диапазон РИ, чем выше это значение, тем выше энергия РИ, соответственно выше проникающая способность этого излучения. Величина анодного тока определяет интенсивность создаваемого рентгеновского излучения. Размер фокусного пятна характеризует величину источника рентгеновского излучения.

Таб.1. Технические характеристики рентгеновской трубки с фотокатодом.

Анодное напряжение, кВ

до 100

Средний анодный ток, мА

до 1

Размеры фокусного пятна, мм

2,2х0,5

Длина прибора без делителя напряжения ФЭУ, мм

290

Диаметр прибора, мм

55

Длительность импульса, нс

от 200

Фокусное пятно ФРТ имеет форму эллипса, в таб.1 указаны размеры для большой и малой оси эллипса. ФРТ способна работать в непрерывном и импульсном режимах генерации РИ. На рис.6 изображена осциллограмма одиночного импульса, созданного ФРТ.

Рис.6 Осциллограмма одиночного импульса, созданного ФРТ.
Рис.6 Осциллограмма одиночного импульса, созданного ФРТ.

Желтая линия – это форма напряжения на источнике света — лазерном диоде, зеленая кривая (верхняя) – это форма регистрируемого сигнала с ФРТ, полученного сцинтилляционным методом. Длительность светового импульса 200 нс. Длительность нарастания и спада регистрируемого сигнала 30-50 нс[2].

4.Области применения

Идея создания рентгеновской трубки с катодом на базе фотоэлектронного умножителя поступила от ЗАО «Комита». Перед ними стояла цель усовершенствования рентгенофлюорисцентных анализаторов Х-Арт, Х-Арт М. В рентгеноструктурном и рентгеноспектральном анализе используется характеристическое РИ (рис.2 область А), кроме того, используются системы фильтрации для уменьшения спектральной ширины линий характеристического излучения РТ. Интенсивность используемого РИ должна быть максимально стабильной, ведь в рентгеноструктурном анализе при расчете используется интенсивность излучения отразившегося от образца, важно понимать интенсивность изменилась при взаимодействии РИ с образцом, либо изменилось излучение на выходе из РТ. Преимуществом ФРТ является стабильность РИ, при ее использовании интенсивность излучения в процессе эксплуатации не будет изменяться, таким образом значительно уменьшится количество необходимых калибровок РТ. Препятствием к использованию ФРТ в данной области является размер фокусного пятна. Используемые для дифракции РТ с накальным катодом представляют собой микрофокусные источники РИ от 50 до сотен мкм.

Основным преимуществом ФРТ является ее быстродействие. ФРТ способна создавть импульсы РИ с длительностью до 200 нс. Это дает возможность использовать ее при исследовании быстропротекающих процессов. Так в настоящий момент проходит иследование с использованием ФРТ для оценки поперечных размеров пучков электронов в ускорителе заряженных частиц. В медицинской сфере ФРТ может быть задействована в компьютерных тамографах для исследования живых организмов. Для получения четких изображений органов, которые находятся в постоянном движении  из-за дыхания или сердцебиения, необходима запись изображений с определенной частотой (стробирование объекта рентгеновскими лучами). Ведутся медицинские исследования по записи рентгеновских снимков не в постоянном режиме, а в импульсном режиме освещения объекта РИ. В случае успешных результатов возможно появятся новые методы записи рентгенограмм, в которых понадобится импульсный источник РИ.

В обычном компьютерном томографе источник РИ устанавливается на вращающуюся сканирующь часть – гентри. Есть идея создания рентгеновского томографа, в котором по окружности сканирующей части будет установлено 24 ФРТ. ФРТ, находясь в неподвижном состоянии, будут последовательно создавать РИ определенной длительности. В этом случае отпадет необходимость вращения сканирующей части томографа. Такая система позволит упростить сложную механическую конструкцию компьютерного томографа.

Другим потенциальным применением рентгеновской трубки с фотокатодом может стать использование данного источника РИ в системах рентгеновской связи. ФРТ имеет высокое быстродействие, является стабильным источником РИ, может осуществить как амплитудную, так и частотную модуляцию РИ. Управление генерцией ФРТ осуществляется оптическим сигналом с низким временем отклика(рис. 6). В настоящее время только начинаются работы по созданию и исследованию передачи сообщений в рентгеновском диапазоне частот.

5.Вывод

Рентгеновская трубка с катодом на базе фотоэлектронного умножителя имеет главное преимущество – она способна создавать модулированное РИ с длительностью импульсов до 200 нс. Она уступает аналогам с накальным катодом по мощности РИ, а также по эффективному размеру фокусного пятна[3]. Нужно искать новые способы использования ФРТ, где в первую очередь есть необходимость использования импульсных источников рентгеновского излучения. Для применения, где используется просвечивание объекта рентгеновским излучением необходимо изменить конструкцию, которая сможет выдержать анодное напряжение  до 150-200 кВ. Также  стоит произвести работы по увеличению величины среднего анодного тока ФРТ и уменьшения эффективных размеров фокусного пятна ФРТ. Практически нет аналагов данной конструкции РТ с достигнутой мощностью излучения. Есть японский вариант трубки с фотокатодом, в которой отсутствует динодная система, но мощность излучения такой РТ на несколько порядков меньше нашей. Помимо технических характеристик РТ существует и другая сложность внедрения нашей ФРТ – сложность эксплуатации данной трубки.  Для демонстрации возможностей либо испытания в лабораторных условиях лучше подойдет готовое устройство, а не отдельный компонент, которым является ФРТ. Тем не менее, наши ФРТ используются в  Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова на кафедре электронных приборов и устройств для исследований по передаче голосовых сообщений в рентгеновском диапазоне частот. В Объединенном институте ядерных исследований проходят испытания с использованием наших ФРТ для оценки поперечных размеров пучков электронов в ускорителе заряженных частиц.

6.Список литературы

  1. Хараджа Ф. Н. и др. Общий курс рентгенотехники //физика. – 1966. – Т. 53. – №. 03. – С. 4.
  2. Материалы АО «ЦНИИ «Электрон»
  3. Потрахов Н. Н., Мазуров А. И., Васильев А. Ю. Микрофокусная рентгенография в медицинской диагностике //Променева діагностика, променева терапія. – 2011. – №. 3-4. – С. 124-128.

Панкратова Екатерина Марковна

АО «ЦНИИ «Электрон»

Вопрос:

  1. В чем личный вклад автора в разработку ( какие изменения с 2014 года)?
  2. Как называется японская ФРТ-аналог?
  3. На сегодняшний день в АО «ЦНИИ» Электрон» разработаны два варианта ФРТ , в чем их отличия по применению?
  4. Какова долговечность трубки по отношению к рентгеновским трубкам с термокатодом?
  5. Как Вы считаете, возможно ли применение данной ФРТ в рентгеноспектральном анализе, дифрактометрах и другой аналитической аппаратуре? Если да, напишите, пожалуйста, какие преимущества у прибора ЦНИИ,( перед «стандартными» рентгеновскими трубками с катодом накаливания) для аппаратуры, в которой не требуется быстродействие и управляемость источником излучения?

Кулагин А.С.

Ответ:

      1. Ответ на вопрос: «Какие изменения с 2014г».

С 2012 года было сделано две партия ФРТ – в 2012 и 2019 году. Обе партии трубок сделаны совместно со Светланой-Рентген.  Изменения в конструкции в партии трубок 2019 года касаются фокусирующего электронный пучок электрода, который находится после последнего динода фотоэлектронного умножителя ФРТ. Изменения были сделаны главным конструктором ФРТ.

Ответ на вопрос: «Личный вклад автора».

Непосредственно в разработке конструкции участия я не принимал. Мною были исследованы технические характеристики ФРТ: исследована нестабильность излучения ФРТ, и временные характеристики ФРТ – минимальная длительность импульса РИ, время нарастания и спада фронтов импульса РИ ФРТ, а также получены размеры фокусных пятен в новой партии ФРТ. Исследование нестабильности РИ ФРТ подтвердили возможность применения данного устройства в рентгеновских спектрометрах и дифрактометрах. Исследования временных характеристик дали представление о возможностях устройства.

      1. Ответ на вопрос: «Как называется японская ФРТ-аналог?»

Японский аналог нашей трубки произведен фирмой Hamamatsu. Эта трубка использовалась в рентгеновском флуоресцентном спектрометре. Отдельно эту трубку  в их каталоге не найти. При описании спектрометра специального имени ей не дали.

      1. Ответ на вопрос: «На сегодняшний день в АО «ЦНИИ» Электрон» разработаны два варианта ФРТ, в чем их отличия по применению?».

Два варианта конструкции ФРТ отличаются наличием бериллиевого окна и максимальным анодным напряжением. Версия с бериллиевым окном рассчитана до 100кВ, без бериллиевого окна – до 40кВ. Функцией бериллиевого окна  является уменьшение потерь интенсивности  при выходе РИ из ФРТ. В рентгеновских спектрометрах и дифрактометрах отдается предпочтение рентгеновским трубкам с бериллиевым окном, так как оно уменьшает потери интенсивности РИ, кроме того при прохождении РИ через стеклянную оболочку РТ  образуются характеристические линии материала стекла в спектре излучения рентгеновской трубки. Помимо бериллиевого окна трубки отличаются максимальным анодным напряжением. Величина анодного напряжения определяет спектральный диапазон РИ. Таким образом, ФРТ с бериллиевым  окном более совершенная, чем ФРТ без бериллиевого окна.

      1. Ответ на вопрос: «Какова долговечность трубки по отношению к рентгеновским трубкам с термокатодом?»

Конкретных чисел по данному вопросу привести не смогу, так как нами еще не проведены испытания на безотказность ФРТ. Если оценивать по безотказности фотоэлектронного умножителя, то они могут работать до нескольких тысяч часов. Вариантов трубок с накальным катодом очень много, если рассматривать маломощные, то они могут работать до нескольких сотен часов.

      1. Ответ на вопрос: «Возможно ли применение данной ФРТ в рентгеноспектральном анализе, дифрактометрах и другой аналитической аппаратуре? Если да, напишите, пожалуйста, какие преимущества у прибора ЦНИИ,(перед «стандартными» рентгеновскими трубками с катодом накаливания) для аппаратуры, в которой не требуется быстродействие и управляемость источником излучения?»

Я считаю, что возможно применять ФРТ в данной аппаратуре. Кроме того, сама идея создания РТ с катодом на базе ФЭУ поступила от людей, занимающихся усовершенствованием рентгенофлюорисцентных анализаторов. Преимуществом нашей трубки явлется стабильность интенсивности тока, создаваемого катодом; ФРТ практически не нужны калибровки по анодному току, которые часто делают в трубках с накальным или автоэмиссионным катодом.

На нашем сайте мы используем Сookies, которые помогают нам оптимизировать ваш пользовательский опыт. Продолжая работу на сайте, вы соглашаетесь с обработкой нами полученных данных. Подробнее… 

/** */