Рентгеновские трубки для аналитической аппаратуры с автокатодами из полиакрилонитрильных углеродных волокон тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.04, кандидат наук Йе Мин Хтуе

• Йе Мин Хтуе
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Йе Мин Хтуе

для них

1.1. Рентгеновские трубки

1.1.1. Принцип действия

1.1.2. Прострельные малогабаритные рентгеновские трубки

1.1.3. Области применения рентгеновских трубок

1.2.Углеродные материалы

1.2.1. Общие сведения

1.2.2. Углеродные волокна на основе ПАН

1.2.3.Углеродные волокна на основе пеков

1.2.4.Пиролитические углеродные волокна

1.2.5. Углеродные нанотрубки

1.3. Рентгеновские трубки с автоэлектронным катодами

Глава 2. Методика и техника эксперимента

2.1.1. Методика измерений макроскопически усредненных характеристик катодов

2.1.2. Измерения в режимах постоянного и импульсного напряжения

2.1.3. Методика измерений со сканирующим анодом

2.2. Методика автоэмиссионных испытаний автокатодов

2.2.1. Измерение и анализ вольтамперных характеристик

2.2.2. Метод численного анализа вольт-амперных характеристик

2.2.3. Измерительный стенд

2.3. Плазмохимическая обработка пучка углеродных волокон

Глава 3. Экспериментальное исследование автоэмисси из углеродных материалов

3.1. Сравнительное исследование автокатодов на основе различных

наноматериалов

3.1.1. Автоэлектронная эмиссия из наноуглеродных материалов

3.2. Автокатод из пучка ПАН-волокон

3.3 Долговременные испытания автокатодов из ПАН-волокон

Глава 4. Разработанные прототипы рентгеновских трубок с автокатодами из полиакрилонитрильных углеродных волокон

4.1. Рентгеновская трубка для аналитической аппаратуры

4.2. Рентгеновская трубка с керамической оболочкой

Заключение

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Рентгеновские трубки для аналитической аппаратуры с автокатодами из полиакрилонитрильных углеродных волокон»

Введение

Актуальность темы. В настоящее время очень востребованы маломощные рентгеновские трубки, область применения и потребности в них интенсивно расширяются. Это в первую очередь ионизация проходящего газового потока для обнаружения наркотиков, взрывчатых веществ и.т.д.

Кроме того, в настоящее время рентгеновскими методами исследуют химический состав веществ, структуру кристаллических материалов и влияние на их свойства факторов внешней среды, динамику быстропротекающих процессов в непрозрачных средах [1,2] измеряют малые высоты и расстояния, толщину покрытий и листового проката в процессе производства, плотность материалов [3-5], осуществляют неразрушающий контроль качества промышленных изделий, диагностику качества семян [6-8] и многое другое. Рентгеновское излучение используется для изменения свойств полимерных материалов [9], а в микроэлектронике методы рентгенолитографии позволяют изготовлять структуры с субмикронными размерами [10].

Важное место рентгеновские методы заняли в медицине: общая диагностика, изучение отдельных органов, травматология, стоматология, терапия и др. [5,11]. Несмотря на появление новых нерадиационных методов диагностики, основанных, в частности, на использовании ультразвука и ядерного магнитного резонанса, обьём продаж рентгеновского оборудования не только не снижается, но даже возрастает.

Дальнейшее развитие маломощных рентгеновских трубок связано с созданием эффективных высокоэкономичных автоэлектронных катодов, которые будут не только экономичными, но давать высокую яркость. Кроме обычных для автокатодов преимуществ отсутствие накала; высокая плотность тока автоэмиссии; устойчивость к колебаниям температуры; малая чувствительность к внешней радиации; безинерционность; экспоненциально высокая крутизна вольт-амперных характеристик от них требуется

устойчивость работы в условиях высокого технического вакуума (10-6 - 10-7 мм.рт.ст.).

Цель работы: Разработка автоэмиссионных катодов на основе полиакрилонитрильных углеродных волокон, а также разработка, изготовление экспериментальных образцов прострельных рентгеновских трубок и исследование их характеристик.

Для достижения цели были решены следующие задачи:

• Исследование структурных и эмиссионных свойств автокатодов, состоящих из пучков полиакрилонитрильных углеродных волокон;

• Разработка методики определения шероховатости поверхности автокатода на основе компьютерной обработки видеосигнала строк растра в электронном микроскопе;

• Определение физических принципов формирования эффективности автокатода из полиакрилонитрильных углеродных волокон под воздействием коронного разряда;

• Создание автоматизированного стенда для измерения автоэмиссионных характеристик;

• Разработка и изготовление нескольких прототипов миниатюрных маломощных рентгеновских трубок триодной конструкции.

Глава 1.Маломощные рентгеновские трубки и автокатоды

для них

В главе приведен литературный обзор, посвященный маломощным прострельным рентгеновским трубкам, углеродным материалам для автокатодам и применению таких трубок.

1.1. Рентгеновские трубки

1.1.1. Принцип действия

В связи с широким использованием и совершенствованием рентгеновских методов требуется непрерывное улучшение соответствующей рентгеновской аппаратуры, в частности её основного элемента — рентгеновских трубок [12].

Рентгеновская трубка представляет собой вакуумированное пространство (10-6 торр), внутри которого находятся два электрода, горячий катод (вольфрамовая нить) и анод, между которыми приложено напряжение 10 ^ 200 кВ (рис. 1.1). Электроны, испускаемые нитью накала, ускоряются из-за разницы напряжений, и когда они попадают на анод, испускается рентгеновское излучение. Существует два типа генерируемого рентгеновского излучения: характеристическое излучение и тормозное излучение. Когда электроны попадают на анод, они замедляются или ломаются и испускают тормозное излучение. Тормозное излучение наиболее эффективно возникает, когда маленькие заряженные частицы взаимодействуют с большими атомами, например, когда электроны ударяются о вольфрамовый анод. Когда электроны переходят с одной атомной орбиты на другую, образуются характерные рентгеновские лучи [1].

Рис.1.1. Схема рентгеновской трубки: 1-нить накала, 2-катод, 3-поток ускоренных электронов, 4-рентгеновское излучение, 5- источник высокого напряжения, 6-анод, 7-запаянная стеклянная колба.

В этом случае электронный поток падает на анод (противокатод) трубки из рабочего вещества (обычно это тот или другой металл) под углом 45 градусов к поверхности, а ось радиопрозрачного окна для вывода из вакуумной колбы X-Ray излучения находится под углом 45 градусов к поверхности анода и 90 градусов к направлению падения электронного потока на анод.

Такие трубки обычно делают для целей просвечивания и других там, где требуется мощный поток высокоэнергетического рентгена ( 60 и более килоэлектронвольт энергии квантов).

Во втором случае электронный поток падает на тонкий слой (порядка 1-2 мкм) излучающего рентгеновские лучи вещества, которое нанесено (обычно , магнетронным или термическим напылением в вакууме) на само тонкое радиопрозрачное окно (обычно из бериллия). Такие трубки имеют испускаемые энергии квантов эл.магнитного излучения от 4,5 кэВ (для алюминия) до 60 кэВ (для вольфрама). Их недостаками являются более низкий КПД, малая излучаемая мощность в связи с тем, что тонкое радиопрозрачное окно должно отводить всю мощность электронного потока. Их используют в аналитических приборах в основном (например, в

рентгенофлуоресцентных анализаторах состава вещества). На рис. 1.2. приведена схематично типичная прострельная рентгеновская трубка.

Рис. 1.2. Схема прострельной рентгеновской трубки с дополнительной

В качестве источников электронов в современных рентгеновских трубках применяются термоэмиссионные (накаливаемые) и автоэмиссионные (холодные) катоды.

Термоэмиссионный катод рентгеновской трубки обычно представляет собой спираль или прямую вольфрамовую нить, накаливаемую электрическим током. Регулируя ток в цепи накала рентгеновской трубки с таким катодом, а следовательно, и его температуру, можно изменить количество электронов, эмитируемых катодом. При низком напряжении все электроны, испускаемые катодом, не участвуют в создании анодного тока, и на катоде образуется так называемое электронное облако. При повышении напряжения, расплавленное электронное облако создается, все электроны, достигая анод от постоянного напряжения (напряжения насыщения). Максимальный ток (ток насыщения) протекает через трубку.

фокусировкой.

Плотность эмиссионного тока составляет от 0,3 до 0,7 А ст-2 с эффективностью 2-10 мА Вт-1 , при рабочие температуры вольфрамовых катодов находятся в диапазоне от 2300 до 2650 К.

Катоды с низкими рабочими температурами, должны быть использованы для различных рентгеновских трубок (например, для труб с конструкциями, где важно предотвратить катодный материал от входа в мишени термического испарения). В этом случае используется торий из карбида вольфрама катод. Рабочая температура таких катодов 1900 до 2000 К, плотность тока 1 - 3 А ст-2, а эффективность 50-70 мА Вт-1 [13].

Рентгеновская трубка с холодным катодом - это генерация свободных электронов, которая возникает под действием очень сильного электрического поля на поверхности катода (автоэлектронная эмиссия). Электроны, испускаемые из катода, ускоряются разности потенциалов между анодом и катодом, а анод значительно уменьшается и где происходит их резкое торможение.

Положительно заряженный анод является мишенью для электронов, высвобождаемых из катода. Большинство электронов, попадающих на анод, отдают свою кинетическую энергию, генерируемую приложенным напряжением и током трубки, в виде тепла. Только небольшая часть идет на получение рентгеновских лучей. В результате при получении диагностических изображений на аноде выделяется значительное количество тепла. В прошлом использовались стационарные аноды. Однако небольшое фокальное пятно на неподвижном аноде ограничивает количество рентгеновских лучей, которые могут быть получены без повреждения анода. Поэтому большинство рентгеновских аппаратов сегодня используют вращающийся анод. Это позволяет распределять тепло по большей площади, что обеспечивает больший ток в трубке и большую продолжительность воздействия. Вращающийся анод представляет собой диск, установленный на несущем роторном узле. Ротор состоит из центрального железного цилиндра

с окружающими его медными стержнями. Устройство статора выполнено из электромагнитов, которые окружают ротор. Когда переменный ток проходит через электромагниты статора, он создает вращающееся магнитное поле. Это поле создает электрический ток в медных стержнях ротора, который, в свою очередь, создает магнитное поле, противоположное магнитному полю, индуцируемому статором, что приводит к вращению роторного устройства. Скорость вращения может достигать 10 000 оборотов в минуту.

Структурно, анод может быть массивным или простаты (Рисунок 1.3). Массивная анодная трубка (рис. 1.3 а) может работать от 0 ° до 87 Такие аноды обычно идут от мишени до анодов (4) (3) (составные аноды).

Мишень отклоняется под небольшим углом от перпендикулярной оси анод-катод как при уравновешенном аноде, так и при угле поворота анодной трубки. Во всех медицинских рентгеновских исследованиях мишень перемещается по перпендикулярной оси под определенным углом. Разнообразие материалов (хром, железо, медь, молибден, серебро и т.д.) используются в качестве мишеней для получения характеристического излучения определенной твердости. В некоторых случаях, это функция, которая не существует в качестве конструктивный элемент трубы вообще осуществляются равномерной поверхностью тела анода (однородный анод).

б

Рис. 1.3. Конструкция анодов: (а)-массивный, (б)-прострельный, 1- пучок электронов, 2- рентгеновское излучение, 3-мишень, 4-тело анода

Сквозной анод обычно используется в рентгеновских трубках, в тех случаях, когда необходимо иметь рабочий луч, ось и направление которого соответствуют оси и направлению луча. электроны (рис. рис. 1.3б).

1.1.2. Прострельные малогабаритные рентгеновские трубки

В отечественной рентгеновской технике источники микрофокального

излучения появились в 1950-х годах [14]. Основными требованиями к их конструкции были малая фокусировка и короткое фокусное расстояние. Эти условия позволили схеме прямого увеличения расположить цель близко к фокусной точке для получения четких изображений объекта при высоком коэффициенте увеличения.

Однако практические примеры таких источников излучение было больше габариты и массу. Простота в обращении и конструкция основана на источнике излучения, закрытом микрофокусной рентгеновской трубкой с выносным анодом [15]. Первый отечественный электровакуумных устройство этого типа был рентгеновская трубка для структурного анализа БС-1 (рис. 1.4) при напряжении 50 киловольт производства АО «Светлана-рентген» (Санкт-Петербург). В течение многих десятилетий, структуру трубы можно рассматривать как классические, определяя основные направления развития микрофокусных астрофизических рентгеновских источников в нашей стране.

Рис. 1.4. Рентгеновская трубка БС1

Трубка включает анод трубки диаметром 8 мм и 35 мм в длину, в котором конец целевого типа правильно расположены [164]. Постоянный кольцевой магнит помещается в анодную трубку для фокусировки электронного пучка, ранее образованного трехэлектродной пушкой. Мощность 2,5 Вт с диаметром фокусировки около 40 микрометров обеспечивает достаточную интенсивность рентгеновских лучей для ряда технологических и медицинских исследований [16]. Конструктивные особенности для БС-1 трубки упомянутые особенность всех приборов серии БС начатых в последующие годы, как БС - 6 для 100 кВ и БС-17 до 25 кВ.

Также компанией АО «Светлана-Рентген» выпускается серия рентгеновских трубок прострельного типа для спектрального анализа типа БХ (на рис. 1.5) показана трубка БХ-2 на рабочее напряжение от 10 до 50 кэВ.

Рис. 1.5. Рентгеновская трубка БХ-2

Компанией Moxtek была выпущена миниатюрная прострельная рентгеновская трубка в металлокерамическом корпусе предназначеная, для аналитических целей. Поперечное сечение этой трубки представлена на рис 1.6.

4 5

Рис 1.6. Поперечное сечение прострельной рентгеновской трубки фирмы

Moxtek

1. Выходное окно из бериллия

2. Вакуумный обьем

3. Корпус

4. Вольфрамовый термокатод

5. Электрические выводы

Эта трубка была сконструирована как замена радиоизотопного источника на основе Cd109, который эмиттирует линию К (Ag). Поэтому в качестве напыленного на внутренюю поверхность бериллиевого окна напыляется Ag или Pd, толщиной около 2мкм.

Так с вольфрамового термокатода может достичь 100 мкА при ускоряющем напряжении до 40кВ. При этом величина пятна на выходном окне составляла менее 500 мкм [17-21].

Более мощная универсальная конструкция рентгеновской трубки с струйными автокатодами из молидена описана в [22]. Однако не смотря на

множество полезных особенностей, она имеет существенный недостаток -невозможность работы в условиях вакуума 10-6 -10-7 мм.рт.ст.

Одним из выходов по снижению рабочего вакуума в рентгеновской трубке является использование взрыво эмиссионных катодов. Такие рентгеновские трубки работают только в импульсном режиме. В [23] представлена конструкция с металло-керамическим взрывом катодом (рис. 1.7).

Рис.1.7. Конструкция рентгеновской трубки с металлокерамическим

взрывным катодом

На рисунке 1.8 показана импульсная рентгеновская трубка с катодом взрывного выброса из полиакрилонитрильных углеродных волокон усилена пироуглерод [24].

Рис. 1.8. Импульсная рентгеновская трубка с взрывоэмиссионным катодом из полиакрилонитрильных углеродных волокон.

1 - Металлический корпус;

2- Изолятор;

3- Выходное окно;

4- Держатель;

5- Катод из углеродных волокон;

6- Анод;

7- Первый защитный экран;

8- Защитный экран;

9- Вывод анода;

10- Штенгель;

11- Металическая лента.

Для увеличения выходной мощности рентгеновского излучения может быть использован вращающийся анод с прострельным окном [25].

Оригинальный метод получения рентгеновского излучения предложен в [26]. На рис 1.9. представлена схема этого метода. В этой конструкции электроны, возбуждающие рентгеновское излучение на мишени, нанесенной на выходное окно 6, генерируются пироэлектрическим элементом (4), под действием импульсного лазерного излучения ультрафиолетового диапазона (длина волны порядок 250 нм, полуширина импульса 100мкс).

2

Рис 1.9. Генератор рентгеновского излучения

1- Ультрафиолетовый импульсный лазер на Nd YAG

2- Линза френеля

3- Луч лазера

4- Пироэлектронный элемент из LiNbCh (диаметр 1 Омм, длина 40мм)

5- Вакуумная камера

6- Выходное окно.

Качество рентгеновских трубок во многом зависит от конструкции анода и, естественно, мишени. Поэтому разработке и усовершенствованию анодов уделяется большое внимание [27,28].

Ключевые свойства рентгеновского излучения и инженерные направления его применения приведены в обзоре [29].

Компактный источник рентгеновского излучения, основной этап улучшения рентгеновской трубки и технической специализации в рамках основных ограничений. Обзор краткого государственных стандартов, действующий в России, касающихся рентгеновских трубок и некоторых других источников компактных рентгеновских даются. Считается, что альтернативой рентгеновской трубке являются небольшие источники рентгеновского излучения, основанные на линейных и кольцевых ускорителях, параметрическом излучении, плазме, лазере, электронах и изотопах фокальной мощности. Примеры реализации основных свойств, действий и принципов [29].

1.1.3. Области применения рентгеновских трубок

Рентгеновские лучи были использованы в различных областях техники и медицины. Высокая Рентгеновская проникновение очень прозрачен и предоставляет информацию о внутренней структуре, состоянии вещества и живых организмов. Последний в основном используется в диагностических и лечебных целях.

При рентгеновских исследованиях кванты рентгеновских лучей проходят через вещество и регистрируются линзой, излучением. В этом случае кванты могут по-разному взаимодействовать с веществом. Если энергии рентгеновских квантов достаточно малы, основным процессом, определяющим взаимодействие, является процесс фотоэлектрического поглощения. В этом случае падающий квант поглощается электроном, а ядерная мембрана образует безэнергетический электрон, который сравним с энергией поглощенного кванта [30].

Кроме того, когда рентгеновские лучи проходят через материал, могут наблюдаться процессы, когда электрон, выброшенный из атома, получает только часть энергии падающих фотонов, называется электронными отдачи. Оставшаяся энергия испускается как фотон с меньшей энергией, чем падающий фотон. Этот груз называется комптоновским грузом. Направление излучения квантового генерации рентгеновского излучения является произвольным.

При рентгенологических исследованиях это значительная часть излучения, проходящего через тело пациента и приводящего к размытию изображения исследуемого объекта, поскольку комптоновское рассеяние происходит за счет электронов, атомы легких которых, по сути, состоят из человека. Скрининговое система используется в медицинских исследованиях, чтобы уменьшить этот эффект [31,164]. В то же время, однако, интенсивность испускаемого излучения теряется во много раз, и необходимо увеличить дозу облучения пациента.

Существенное снижение эффекта диффузии Комптона достигается за счет использования методов рентгеновского сканирования: в этом случае объект облучается узким рентгеновским пучком, ширина которого гораздо менее изучена свойствами объекта. Поэтому влияние комптоновского рассеяния на соседние области, прилегающие к области исследуемого объекта [32, 33], незначительно, так как эти области не облучаются в момент регистрации.

Метод регистрации сканирования производит высококачественные рентгеновские лучи при низких дозах [164]. Например, на флюорографах «КАРС» [34, 164] при изображении около 0,05 МэВ на фоне высококачественного изображения рисунка легочной ткани наблюдалась четкая структура позвоночного столба (рис. 1.10).

Рис 1.10. Пример цифровой флюорограммы с малоконтрастной тенью.

Известные рентгеновские сканеры позволяют выполнять все из известных в мире видов томографии. Они может быть использован для изучения мозга, грудной клетки, брюшной полости и т.д [164].

Например, Toshiba Aquilion Multi 4 устройство имеет ретроспективное сердце и сердечную синхронизацию протокол испытаний [164]. Он может быть использован для изучения сосудов сердца, послеоперационные шунтографию, и обнаружить присутствие микроорганизмов отложений кальция в коронарных артериях [164].

Siemens производит широкий спектр компьютерных томографов и стационарных многофункциональных мобильных устройств.

Компьютерный томограф СегеТош 300 был разработан Neurologica для исследования тканей головы и шеи. Он может использоваться в отделениях интенсивной терапии, нейрохирургические центры, операционный, отделение интенсивной Neurotherapy, подопечные пациенты, услуги по уходу, неврологические отделения, неонатальная реанимация, челюстно-лицевая хирургия центры, машина скорой помощи и стоматологические кабинеты.

TehAstor компания производит очень постоянный рентгеновский аппарат для обнаружения ошибок промышленных «Экстравольт». Этот тип кабеля устройство с спеченной трубкой, предназначенное для научных лабораторий и промышленных, промышленной радиографии и рентгеноскопии передачи на больших глубинах (до 102 мм были при стандартных условиях).

Мобильные микрофокусные устройства постоянная мощность серии РАП-М с микропроцессорным управлением разработан для неразрушающего контроля изделий из неметаллических и металлических материалов. Можно контролировать продукцию сложной конфигурации из-за наличие устройств с панорамным и боковым выходом рентгеновского излучения.

Норка установка портативный рентгеновский телевизор предназначен для проверки соответствия по электронной почте, багажа, мебели, различных предметов домашнего обихода для обнаружения взрывных устройств, а также опасные вложения контейнеров. Это обеспечивает высокую производительность с низким воздействием внешнего излучения и персоналом.

Кроме того, источники рентгеновского излучения используются для научных исследований. Например, сканирующий электронный микроскоп iMOXF (РЭМ) представляет собой комбинацию источника рентгеновского излучения и рентгеновской оптики, что значительно расширяет возможности РЭМ с точки зрения микроанализа. iMOXF позволяет выполнять рентгенофлуоресцентный микроанализ, а специальное программное обеспечение позволяет выполнять комбинированный анализ данных, полученных с помощью рентгенофлуоресцентного и рентгеноспектрального анализа.

Конструкция специализированных трубок предназначена для создания устройств общего назначения для создания и решения конкретных задач:

рентгеновские трубки, которые в настоящее время разрабатываются по двум основным направлениям. Например, метод широко расходящийся пучок [36,37] для сканирования общей трубки рентгеновских трубок рентгеновской топографии [35, 36], и кристаллов, которые требуют испытаний радикально различных конструкции [39].

Большинство рентгеновских трубок с массовым применением в процессе разработки достигли некоторой структурной однородности. Большинство из них имеет два электрода, анод и катод, приваренный к стеклянному цилиндру, расположенному на оси противоположной труб. В большинстве случаев центр рентгеновского излучения трубки перпендикулярен ее оси.

Однако существует ряд специальных трубок, которые сильно отличаются по конструкции от используемых «обычных» трубок. Это включает:

1. полый анод с внешней трубкой, который используется для полостной

терапии и трансиллюминации полых изделий;

2. с вращающимся анодом трубка позволяет получить высокие

краткосрочные полномочия на низкий фокус, которые используются

в некоторых типах рентгеновской диагностики;

3. трубка мягкий луч высокого выходного излучения, который может

быть использован для изучения и использовать бактерицидные и

фотохимические свойства рентгеновского излучения;

4. микросекундные импульсные трубки, используемые для быстро

движущихся рентгеновских лучей;

5. миниатюрные трубки для легких переносных устройств;

6. трубки высокого давления для глубокой терапии и передачи очень

толстых промышленных продуктов;

7. трубка с острым фокусом представляет собой теневой микроскоп.

В 1972 г в Англии предложила изучать поперечные срезы головного мозга с помощью компьютерной томографии [40]. Как известно, при обычной рентгеновской фотографии получается двухмерное изображение, а наличие трех частей накладывается друг на друга и искажает изображение, затрудняя получение необходимой информации. Томографическое оборудование использует свои собственные принципы и включает в себя визуализацию для преодоления этих трудностей. Цель состоит в том, чтобы сканировать сбоку и коллимировать рентгеновский луч. Изображение компьютерного слоя износа. Результирующее изображение представляет собой другое обычное изображение [41] без помех от других интересующих объектов, содержащихся в тени томографического изображения [42] примерно в 100 раз.

Следующим шагом в развитии компьютерной томографии было создание нескольких биологических объектов в компьютере, томографии и технологии для микроисследований. Предназначены для использования на персональных компьютерах и в медицине [43], а также в оборудовании и дизайне [40,44,45]. Как правило, это микрофокусная рентгеновская трубка с хорошо обработанным пучком, для которого требуется относительно высокое номинальное напряжение (100-150 киловольт).

Важные практические вопросы, связанные с использованием рентгеновских лучей на том, как управлять этими лучами. Направление распространения пучка частиц энергии заряженных может быть легко изменен под воздействием электрических и магнитных полей. Световыми лучами можно управлять с помощью клеток Керра и Фарадея, а также гибких оптических волокон. При этом возможности контролировать рентгеновские лучи строго ограничены. На основе этих явлений мы создали специальное оружие для преобразования рентгеновских лучей: преломленное рентгеновское излучение, зонные пластинки Брэгга-Френеля [48], поликапиллярное рентгеновское оборудование [49], кристаллические [50] и

многослойные монохроматоры [51] и линзы [52]. В последние годы появились рентгеновские волноводные резонаторы [53]. Все эти устройства присутствуют, характеризуются прямым воздействием внешних условий рентгеновских. Тем не менее, из-за короткую длину волны рентгеновских лучей, этот эффект незначителен. Например, попытки изменить рентгеновские лучи, используя косвенные методы являются очень привлекательными, влияя на волны рентгеновских лучей, генерируемых этими лучами. В работе [54], подход предполагает, что воздействие рентгеновского пучка излучения может быть достигнута с использованием резонансных волноводов [55].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Йе Мин Хтуе, 2021 год

5- Высоковольтный источник

Рентгеновская трубка диаметров 25 мм и длиной 40 мм. При этом диаметр бериллиевого окна (1) 12 мм, а толщина 0,25 мм. Окно (1) припаяно к кольцу из нержавеющей стали. На бериллиевое окно напыляется танталовая пленка толщиной 200 нм. Автокатод из графеновой ткани диаметром 10мм крепится на кольце из нержавеющей стали, которое, в свою очередь, приварено к втулке. Трубка откачивается до давления 10-8 Па с

прогревом 673°К в течение 12 часов. После охлаждения и отпайки распыляется бариевый геттер.

Измерения показали очень высокую стабильность автоэмиссионного тока (менее 0,26%). Таким образом, стабильность эмиссионного тока сравнила с лучшими образцами рентгеновских трубок с термокатодами, в [127] предложен малогабаритный рентгеновский излучатель (рис.1.27).

Рис.1.27. Миниатюрный рентгеновский излучатель

1,2,3 - вакуумный стеклянный цилиндр с плоской стеклянной крышкой, анод (окно) 1 и катод 2, свинцовое стекло и боковые стенки [127];

3;4 - геттер;

5 - катод;

6 - микроканальная пластина (МКП) [127];

7 - электрический вывод от катода;

8 - электрод - сетка катодная с электрическим выводом [127];

9 - электрод - сетка анодная с электрическим выводом;

10 - электрический вывод от анода;

Микроканальная пластина (МКП) 6

Рисунок 1.28. сечение МКП, показанного в МКП эмиттер, подключенный к одному или обоим электрические и механические решетки 8и9 [127].

В России производство МКП [132] настроена для усиления потока электронов, особенно со следующими параметрами: пластины диаметр 10-50 мм, толщина диаметр 0,2-0,5 мм, канал до 10 микрон [127].

МКП в описанных вариантах осуществления устройства также может использоваться для обеспечения абсорбции газа. Кроме того, самое тонкое (нано) покрытие играет важную роль в поглощении газа в цилиндрах во время работы устройства, например, в процессе производства, и имеет большую поверхность капилляров. Известны конструкции с такими поглотителями газа. [128] -Несколько нм с толщиной газопоглотитель мощностью около L депозита А. Это может быть достигнуто с использованием церия-циркония или пленку платины Р1 Стандартный метод для изготовления наноразмеров. Геттер тонкопленочный с подложкой и субмикрон, 104 Пал/м2.

канал

электронная

лавина на выходе

Рис.1.28. Вид поперечного разреза МКП

ПРИМЕР КОНКРЕТНОГО ВАРИАНТА

На практике, некоторые приложения требуют создания единой конструкции и технологии изготовления эмиттера серии с различными характеристиками элементов устройства и их режимы управления. Это

может быть сделано при относительно низкой стоимости, благодаря технической простоте конструкции и устройства. В то же время, в каждом конкретном случае, в точной настройке условия эксплуатации, режим питания и его свойство параметров сделаны путем изменения (постоянный, импульсный, смешанный).

Признанный рентгеновским излучателем. Важным вариантом работы является легко адаптируемое оборудование для миниатюризации и плоского дизайна. Его легко завернуть в пластик и подключить к рентгеновской оптике. Принципиально важное свойство рентгеновской оптики (например, линз Кутахи) предназначено для улучшения характеристик малых излучателей, предназначенных для местного воздействия.

Путем регулировки длины волны рентгеновского излучения, условие конкретного применения, эмиттер конструкции может адаптировать свои свойства. На самом деле, наиболее распространенный метод является использование зависимости коэффициента поглощения вещества мишени на длину волны рентгеновского излучения для получения контрастности передаваемого изображения. Для того чтобы выбрать эмиссионные характеристики, изменение материал и анод пленку, геометрия напряжения на аноде достаточно.

Чтобы продемонстрировать это, мы можем рассмотреть конкретный пример варианта, который близок к реальным условиям эксплуатации. Этот вариант был выбран для устройства, которое наилучшим образом соответствует вашим медицинским характеристикам.

Для того, чтобы поднять этот предел, нам нужно улучшить охлаждение, чтобы найти возможные поколения новых методов рентгеновских квантов при значительных целях нагрева [168]. Такое решение, анод рентгеновской трубки (рис.1.29) [2], заключается в использовании тепловой трубки.

■-- — — —--и..................

Рисунок 1.29. - Конструкция анода рентгеновской трубки тепловая труба: 1 -электронный поток; 2 - мишень W;3 - теплоноситель; 4 - выходное окно Ве; 5 — рентгеновское излучение; 6 — стенки тепловой трубы; 7 - пары

теплоносителя; 8 - конденсат.

Работа анодов и идей можно объяснить следующим образом. Теплопроводность, что передает тепло на выходе из нагретого хладагента температура испарения, которая постепенно нагревается мишень электронного пучка [169]. Числитель, что испаренный хладагент и энергии осуществляются, направлены на выпускном окне, и перевезены в окружающую среду. При организации испарения и конденсации цикла, он перемещается локально от тепловой мишени к окружающей среде.

Чтобы определить эффективность использования тепловых трубок в качестве анодов для рентгеновских трубок, необходимо оценить потери мощности в соответствии с проектными требованиями для конкретных целей. Рассмотрим модель составного анода, представленную в виде прямого круглого цилиндра (рисунок 1.30).

Рисунок 1.30. - Схематическое изображение конструкции анода

В работах [136,137] нагревание составного анод электронного пучок размера фокального пятна 2R0 было решено. Анод [169] является большой цилиндрической подложки с диаметром 2R и высотой Н2, выполненной из металла с хорошей теплопроводностью (к2 меди или бериллиевой), с нанесенным на его основание слоя тутоплавкого металла (вольфрам) толщиной Ш и теплопроводностью Ы являющегося мишенью.

Для рассматриваемой модели анода получено выражение для температуры на поверхности мишени в фокусе Tф [135].

Т — Т I Р (Н1 I Н2\ | Р у<К г

1° + ппЛк1 + к2) + Яокг *п=1Ь

Ап

(1)

Где Ьп =

, Л (X) — функция Бесселя

Первого рода, —корни функции Д(х) = 0,п = 1,2,3.....— порядковый

номер корня, Р - мощность электронного потока на поверхности анода [169]. Соотношение (1) позволяет произвести оценку мощности рассеиваемой анодом «тепловая труба» в приближения эквивалентной теплопроводности. «Эквивалентная теплопроводность» понятие, которое показывает эффективность использования: тепловых труб. В общем случае

эквивалентная теплопроводность тепловых труб достигает порядка 104 —,

что превышает на несколько порядков теплопроводность серебра и меди

[138]. Приближение эквивалентной теплопроводности не является точным, но позволит качественно оценить возможность использования тепловой трубы как анод микрофокусной трубки и даст порядок величины рассеиваемой мощности [169].

Теперь в нашей модели подложка является аналогом тепловой трубы с к2 » к , тогда выражение (1) преобразуется к виду:

^Т+ф^Г^Щ (2)

Где Мп =

Корректность полученного выражения (2) подтверждается практическим совпадением результатов вычислений, проводимых в соответствии с уравнениями (1) и (2), для толстых мишеней Ы > 1мм, когда влияние подложки незначительно [169]. Так как конечной целью расчета является определение номинальной мощности рентгеновской трубки, исходя из соотношения (2), с учетом Тф < Таоп (для вольфрама Таоп = 1600°С [3]), определим максимально допустимую мощность, поглощаемой мишенью анод «тепловая труба»:

р = ^1(Тйоп-Т0 ) (3)

ртах ~ ( к0\ (3)

В формуле (3) мощность выражается в Вт, теплопроводность-^.. а

расстояния и радиусы в см. В результате [169] расчета (3) построены зависимости предельной рассеиваемой мощности от толщины мишени для двух значений диаметра фокусного пятна (рисунок 1.31). Линии (а) и (в) обозначают уровни максимальной мощности рассеиваемой вольфрама-бериллиевым анодом прострельного типа [134].

100000 :---------—............

0,00001 0.0001 0.001 0.01 0.1

Рисунок 1.31. - Ограничение мощности, потребляемой W по мишени «тепловая труба» анод: б -2Ro = 30 мкм, г - 2Ro = 100 мкм. Ограничение уровня мощности, потребляемой стандартным дробового типа композитных W-Be анодов:: a -2Яс = 30 мкм, в -2Ro =100 мкм

Анализируя полученные данные можно сделать вывод о том, что при толщине мишени более 0,5 мм величина рассеиваемой мощности определяется тепловым сопротивлением вольфрама [169], и тепловая труба не обеспечивает рассеивание тепла от мишени. Предельная тепловая мощность будет лишь не значительно превышать величину рассеиваемой мощности стандартным W-Be анодом прострельного типа. Значительный эффект действия анода «тепловая труба» наблюдается при толщине мишени менее 10 мкм.

Таким образом, анод «тепловая труба» обеспечивает увеличение рассеиваемой мощности, подводимой к мишени, в сравнении со стандартным W-Be анодом, в 5 - 10 раз, что превосходит показатели рассеиваемой мощности современных микрофокусных рентгеновских трубок.

Глава 2. Методика и техника эксперимента

2.1.1. Методика измерений макроскопически усредненных характеристик катодов

Плоские аноды подходящего размера использовались для измерения макроскопически усредненных свойств автоэмиссионных катодов. Автоэмиссионные характеристики катода изучались в измерительной ячейке (Рис. 2.1), подключенной к вакуумной колонке на базе турбомолекулярного насоса Pfeiffer Balzer TPU 050. Анализ было проведено при комнатной температуре и давлении остаточных газов до 10-6 Торр.

Рисунок 2.1. Схема устройства расчетной ячейки.

(1) стеклянная крышка, соединенная коварным кольцом со стальным фланцем;

(2) анодная защелка;

(3) автокатод

(4) вступительные контакты;

(5) камера из высококачественной стали;

(6) механический регулятор угла наклона пробы;

(7) механическая подача образца с помощью микрометрического шнека.

(8) к вакуумному системе;

(9) столик для закрепления катода;

(10) анод;

(11) подача напряжения анода;

Автоэмиссионные измерения проводились при 10-6 Торр в конфигурации вакуумного диода с плоским люминесцентным экранным анодом, состоящим из стеклянной пластины с проводящей пленкой оксида индия и олова (ГГО), покрытой слоем катод-люминофора. Межэлектродное расстояние снабжено микрометрическим винтом, обеспечивающим механическую подачу предметного столика с образцом. Параллельность электродов составляла до 0,1°, механический регистратор наклона образца поражал с высокой точностью. Проволока нагревалась постоянным током в несколько ампер из-за эффекта джоулева нагрева. По нашей оценке, основанной на измерениях с присоединенной к образцу термопарой, температура графеновой пленки при нагреве составляла около 300-400 °С.

При исследовании автоэмиссионных свойств катодов измеряли вольт-амперную характеристику (ВАХ), полученную от образца, в зависимости от разности потенциалов, приложенной между электродами, и. Следующим анализом состоял вольт-амперной характеристики (ВАХ). Плотность тока эмиссии был остановлен как отношение полного тока Г к площади S, катод J = Г / S. Для определения напряженности поля между электродами

использовался плоский конденсатор по формуле E = U / d где d - расстояние между электродами. Срез графена был параллелен поверхности анодного экрана. Расстояние между образцом и анодом контролировалось с помощью микромеханической винтовой системы. Для измерения температурной зависимости образцы графена нагревали в течение 10 мин накаленным излучением, создаваемым вольфрамовой проволокой, помещенной вблизи кварцевой подложки.

Электрическое поле на поверхности катода определялось как отношение приложенного постоянного напряжения к межэлектродному расстоянию. Для которого указанное значение напряженности определяется по формуле:

и

Е =-

г1п^ - г )

где U - прикладываемое напряжение, г и R радиусы электродов.

Эта формула верна, если длина проволоки намного больше диаметра анода.В противном случае концы проводов будут вносить существенный вклад в распределение электрического поля, приближение цилиндрического конденсатора будет неверным. Следовательно, автокатоды с боковой поверхностью цилиндрической проволоки параллельны плоскому аноду. Определить вольт-амперную характеристику (ВАХ) было сложно, так как электрическое поле неравномерно распределено по поверхности катода.

2.1.2. Измерения в режимах постоянного и импульсного напряжения

Для измерения тока автоэмиссии на вольт-амперных характеристиках (ВАХ) между катодом (графеновой пленкой) и анодом подавалось постоянное или импульсное напряжение.

В первом режиме был использован постоянный источник. Между катодом (графеновой пленкой) и анодом прикладывалась разность

потенциалов с помощью источника питания Keithley 248 (который обеспечивает 5000 В с точностью 1 В и 5 мA с точностью 1 м^), а ток измерялся пикоамперметром Keithley 6487 (который позволяет измерять ток в диапазоне от долей пикоампер до 20 мA). Картина автоэлектронной эмиссии, создаваемая испускаемыми электронами на флуоресцентном экране, была захвачена камерой CCD.

Во втором - источник импульсного напряжения. Для работы в импульсном режиме период повторения составлял 5 мс - 1 с, амплитуда - до 10 кВ, длительность импульса на половине высоты - 0,1 мс. Это измерение было выполнено с использованием двухканальной цифровой PCI-карты BORDO221 и импульсной измерительной системы с Tektronix P6015. Точность измерения тока и напряжения для импульсного режима при этом не превышала 5%.

2.1.3. Методика измерений со сканирующим анодом

Образцы исследовались на вакуумном автоэмиссионном аппарате, работающем при типичном базовом давлении 10-7 Тор. Макроскопическое или интегральное излучение было исследовано с использованием установки диодного типа с люминофорным экраном (рис.2.2). Интегральную автоэлектронную эмиссию можно понимать как параллельную эмиссию электронов из большого количества усиливающих поле структур на поверхности тонкой пленки при приложении постоянного напряжения 3000 В к люминофорному экрану. Плотность излучающих узлов и ток регистрировались как функция приложенного поля на a; тонкопленочный эмиттер cm2 поддерживается при нулевом потенциале. Приложенное поле определяется как напряжение V, деленное на расстояние между образцом и экраном d. Поддерживая постоянное напряжение и изменяя расстояние между образцом и экраном d, можно было избежать артефактов из-за зависящей от напряжения эффективности люминофорного экрана и из-за

токов утечки через прокладку. Автоэмиссия на микроскопическом уровне проводилась с помощью сканирующего анодного автоэмиссионного прибора ^АБЕМ), рис. 4 (а). Образец был установлен на управляемом компьютером пьезоуправляемом столике х / у-трансляции, а острие РМг анода (радиус острия ~1мкм ) перемещалось к образцу с шагом 100 нм, а затем удерживалось на постоянной высоте d. Высота острия d выбирается большей, чем шероховатость поверхности исследуемого образца, обычно (~10 мкм). Расстояние до зонда можно изменять без гистерезиса.

Рис. 2.2. Автоэмиссионные аппараты: (а) сканирующий анодный автоэмиссионный микроскоп; (б) интегральная автоэмиссия с люминофорным экраном.

(1) Контрольный источник света для позиционирования образца.

(2) х / у / ъ - подвижный сканирующий автоэмиссионный наконечник Р - 1г (радиус ~5 мкм).

(3) пьезо шаговые двигатели х / у / ъ.

(4) Камера устройства с зарядовой связью для наблюдения за движением.

(5) Источник-измеритель (1100 В /10 мА).

(6) Тонкопленочный углеродный эмиттер.

(7) Движение образца, управляемое компьютером, ток (А) и напряжение (В) мониторинг.

(8) Источник высокого напряжения 3000 В.

(9) Люминофорный экран с переменным разделением d.

(10) Точечная электронная эмиссия.

(11) Электронно-стимулированная флуоресценция люминофорного экрана плотность места излучения.

Ток автоэмиссии 1(х,у) или напряжение извлечения V(x,y) регистрируется как функция положения наконечника с помощью измерительного блока источника КейЫеу 237. Мы называем эти два режима измерения режимом постоянного напряжения автоэмиссии и режимом постоянного тока. В режиме постоянного напряжения приложенное напряжение поддерживается постоянным (обычно 100-300 В), а измеренный ток эмиссии поля записывается как I (х, у). В режиме постоянного тока вытяжное напряжение V (х, у), подаваемое на наконечник, регулируется в пределах от 0 до 1100 В, в зависимости от положения наконечника, чтобы поддерживать ток автоэмиссии на постоянном уровне, например, 50 нА. Образцы от 200x200 до 800x800 мкт2 сканировались с помощью; Разрешение 5 мкм, в зависимости от расстояния между зондом и образцом. Изменение положения наконечника может быть достигнуто с разрешением менее миллиметра на поверхности до 5x5 тт2 . Уровень токового шума был ниже 1 нА во время сканирования, и контактные токи можно было отличить от тока автоэлектронной эмиссии по внезапному увеличению тока и насыщению источника-измерителя.

Перемещение анода над образцом (катодом) в трех измерениях осуществлялось с помощью пьезоэлектрических линейных элементов. Пространственное распределение автоэмиссионных характеристик пленочных катодов было экспериментально определено при сканировании анода по поверхности образца: ток автоэмиссии I был измерен для получения карт I (х, у) при определенных напряжениях и анодно-катодных зазорах; карты напряжения V (х, у) и карты расстояния между катодом и анодом 2 (х, у) были определены для постоянных значений тока эмиссии.

2.2. Методика автоэмиссионных испытаний автокатодов

2.2.1. Измерение и анализ вольтамперных характеристик

Мы просто исследовать применение теории Фаулера Нордгейма в многоэмиттерных системах. Внешняя полевая эмиссия или автоэлектронная эмиссия наблюдались лишь наличие электрического поля над твердой поверхностью. Поля излучения классифицируются как излучение, которое возбуждается электронами электронами, которые проходят через потенциальный барьер на поверхности объекта, и не требует туннелирования этого эффекта [158]. Электроны в теле есть туннель, но это область пространства, так что внешнее магнитное поле видимого тела, которые могут существовать с той же полной энергией при нанесении, может быть связанно с кривизной потенциального барьера. Таким образом, полевая эмиссия из-за волновые свойства электронов.

Фаулер и Нордгейм были впервые получены уравнениями для плотности тока эмиссии, связанной с напряженностью поля [159, 160]:

(2.1)

где < - функция работы а коэффициенты а и Ь - константа, представляющая

собой набор универсальных констант:

а = jl = 1,541 • 10-6 АЭ b = = 6.831 • 109 [-¿т-1

Qnh L В2 J 3 е^ 1э&/2м\

Теория Фаулера-Нордхейма применима только в том случае, если теория температуры Т = 0 К качественно справедлива при температуре кТ « ф, определяемой условием [164]. При комнатной температуре, например кТ ~ 0.026 эВ, одно значение работы выхода свойств углеродных соединений ф = 4 — 6 электрон-вольтах [164].

На практике общее тока и приложенное напряжение и обычно измеряется. Стандартный метод, связанный с экспериментальной теории заключается в следующем. Общий ток пропорционален площади излучающей поверхности, поскольку напряженность поля пропорциональна, тогда (2.13) можно описать следующим образом:

где параметр р = E/U геометрический коэффициент усиления поля (форм-фактор наконечника) [164].

Выше формула применима к системам с эмиттером [164], то есть в случае точки излучения коэффициента р. Однако, автокатодов из углеродных материалов, характеризуются наличием большого числа радиационных центров на поверхности рабочей зоны. В случае присутствия нескольких центров излучения, в результате чего в простейшем случае пренебрегает взаимное влияние центров (экран), мы получаем простое выражение для Itotai тока катода:

Где Ь- ток -го отдельного центра.

Разобрать выражение (2.3) в общем виде невозможно; Из-за небольшого отклонения значений форм-фактора одного объекта по

(2.2)

(2.3)

отношению к другому (такая ситуация возникает после изучения того, что соответствует катоду), форм-фактор каждого центра можно рассчитать по

среднему значению Рш е ап = — Р* [164] где N - количество центров

N ' '

излучения. Итак, для полного тока мы получаем выражение, которое соответствует уравнению для тока в середине:

а Р 2//2 / ь< 3/2 \

Ьо £ а г = 5£о £а / ехр (- ) (2.4)

•г > Ртеап

Где 81о1а1= ^ - общая рабочая площадь

На основе уравнения (2.4) проводился эксперимент: зависимость тока автоэлектронной эмиссии от приложенного напряжения обычно аппроксимируется функцией вида [164]:

/ = А' //2ехр (-""") (2.5)

В этом случае, согласно координатам Фаулера-Нордхейма, если построить зависимость 1п(1/и2) от 1/и, то должна получиться прямая линия [164]:

/п-/2А+В (2.6)

Значение параметра В = -В ' может быть получено из тангенса угла наклона, а значение параметра А = 1п А ' - из пересечения с осью ординат [164].

Поэтому, на практике, А и В самом деле определяемыми являются именно коэффициенты, учитывая тока эмиссии, но фактические параметры которые могут быть связаны с <, Рш е ап, Stotal. Общий эмиссионный ток был определены экспериментально:

А = /пА ' = /п (^о £а /а^) (2.7)

< 3/2

В =— В =— (2.8)

р£о£а/

В общем, определение двух коэффициентов аппроксимации для I - V в координатах Фаулера-Нордхейма таково, что фактические параметры (выходная рабочая, зоны эмиссии и форм-фактора) не могут быть точно рассчитаны. Кроме того, простой анализ ВАХ переменного тока в переходе от качественного к количественным исследованиям, таким как, хотя и не очень точно, как показано.

2.2.2. Метод численного анализа вольт-амперных характеристик

Исходя из литературы [124, 125], поскольку простая теория Фаулера-Нордхейма не принимает во внимание изменение формы и высоты потенциального препятствия под действием поля (исследуется только треугольный барьер), расчет площадь излучающей поверхности, форм-фактор и работа выхода электрона на основе измеренных коэффициентов интерполяции А и является сложной задачей. Теория Мерфи-Гуда дает более точное выражение для тока автоэлектронной эмиссии [164]:

аВ2и2 ( Ь у(М)<р 3/2\

где ^ V - особые функции Нордхейма [126], а с = 3,79469• 10 5

ВэВ

Обозначим, у = СЩГ/ф что высота потенциального барьера уменьшилась. Таким образом, уравнение Фаулера-Нордхейма будет иметь вид [164]:

1п(П = 1п(^)-Ь!!М (2.10)

V и У V ь2(у)<р) р и v '

Эта формула может быть записана в том же формате (2.5), но текущие коэффициенты А' и В' зависит от размера поля.

В пути, чтобы измерить параметры катода полевой эмиссии, один обычно протекает следующим образом. Поскольку функция t (у) слабо зависит от величины поля, мы получаем коэффициент В уравнение вида

В=*И*У)-|у£] (2.11)

новая функция ( ) была введена в виде

s(y)=^y)-1y^ (2.12)

B^^f) (2.13)

Если мы знаем выражение для коэффициента B, то значение A легко найти:

Л = (214)

Поэтому уравнения (2.13) и (2.14) используются вместо характеристик напряжения (2.7) и (2.8 ) для оценки фактических параметров катодного тока с помощью математической обработки.

2.2.3. Измерительный стенд

Из-за материала при выполнении описанной выше процедуры испытаний был установлен измерительный стенд, схема которого приведена на рис. 2.3. В систему входят:

- источник высокого напряжения производства аналоговой налоговой компании;

- высоковольтный делитель (резисторы R1 и R2) с коэффициентом затухания 1: 1000 производства Tektronix;

- офсетные делители с коэффициентом демпфирования 1: 100 производства Tektronix;

- 4-канальный цифровой осциллограф TDS-2000 производства Tektronix.

Рис. 2.3. Схема измерительного стенда

С данными осциллографа были переданы на компьютер, где она обрабатывается. Высокое напряжение прикладывается к аноду высокого напряжения источника питания к аналоговым управлением [164]. Для измерения напряжения, подаваемого на устройство, компания производит делитель напряжения с коэффициентом деления 1:1000 полоса пропускания была установлена на выходное высокое напряжение 1 МГц. Доставка. Делитель напряжения был применен к одному из каналов ТОБ 2000 осциллографа. модулятор устройства был заземлен во время эксперимента.

Управляющее напряжение было поставлено под контроль высокого напряжения аналогового источника. Для расчета выходного напряжения источника питания был установлен делитель частоты Tektronix с компенсацией фирмы-производителя с коэффициентом деления примерно 1: 100. Соотношением 100 деления делитель напряжения был применен к каналу TDS 2000 осциллографа.

2.3. Плазмохимическая обработка пучка углеродных волокон

При работе катода с полевой эмиссией [164], состоящий из углеродного волокна и пучок электростатических сил (рис. 2.4а), внешняя окружность волокна может быть отклонена [164].

Рис. 2.4. Отклоненный луч по окружности волокна (а), как правило, изменение тока эмиссии в процессе работы катода и волокна разделения (б).

В действительности, механическая вибрация является возможность разделения отдельных волокон из пучка. Прерывистые волокна могут вызвать короткое замыкание в пространстве между катодом модуляторов (рис 2.4.б). Это повторяется, но наблюдается при большой амплитуде колебания лучистого потока. В таких ситуациях, цель данной работы является неприемлемой, поскольку устойчивыми характерными потребности дизайна, чтобы повысить надежность катодной части модуляции. Поэтому, необходимо, чтобы уменьшить или устранить отклонение волокон вокруг пучка.

Пучок волокон должен иметь геометрическую форму (которая обеспечивала бы наиболее однородное электрическое поле для всех волокон в жгуте), чтобы уменьшить влияние электростатических сил, отклоняющих периферийные волокна пучка [164]. Это делается, когда луч технически трудно обрабатывать. Таким образом, было предложено использовать метод

для лечения пучков катода из углеродного волокна. Это представляет собой химический процесс, который использует в плазме коронного разряда в воздухе, чтобы сжечь пучок углеродного волокна [164].

Для возникновения коронного разряда является наличие резкой неоднородности электрического поля [154,155,164]. Один из электродов ближнего поля должен быть намного прочнее, чем оставшийся зазор между электродами [164]. В нашем случае катодного коронирующего электрода, конечно, достаточно для этого условия (рис. 2.4 а) [156,164]. Корона называется минусом.

Эффект коронного разряда на углеродных волокнах [157] является катодом воздействия кислорода и ионов О2, который окисляет углерод С, в результате чего травления материала катода. В качестве альтернативы, коэффициент усиления слабого поля уменьшает длину отдельных волокон, выступающих из пучка волокон, пока они не являются одинаковыми для других волокон в пучке.

Рис. 2.5. Общая картина коронного разряда пучка на углеродных волокнах (а) и травление процесс (укорочения) аберрантные периферийные волокна (б)

Таким образом, электрическое поле [164] затем выравниваются в вакууме на поверхности жгута углеродных волокон, который влияет на работу катода полевой эмиссии. Отдельные волокна являются нетравленой структурой пучка эмиссии электронов, таким образом, что при запуске или проект от их общей массы, катод начинает излучать значительную часть волокон (рис. 2.5 б).

На рис. 2.6 показано изображение углеродных волокон катодного луча, вытравленных коронным разрядом в воздухе (с использованием оптического микроскопа) при указанных выше условиях. Когда он травится коронным разрядом, геометрия пучка углеродного волокна округляется. Волокна не торчат, а окружность волокон укорачивается.

в г

Рис. 2.6. Пучок углеродных волокон до (а, б) и после (в, г) вытравливание

коронным разрядом на воздухе

Скорость химической углеродсодержащего материала может быть значительно увеличена (на порядок величины), так как проводит на воздухе при относительно низкой концентрации кислорода, но в отдельной кислородной камере.

Основная трудность при разработке электрооптической системы -неравномерное пространственное распределение автоматического катодного потока поля электронов с катода, изменение положения точки эмиссии на катоде под действием деструктивных факторов. Не только автокатод, углеродное волокно, но и светоизлучающая поверхность, разработанная внутренняя структура создаются, и это гарантирует соответствующей формой автоматического катода.

Плазменное травление коронным разрядом не приводит к тому, что пучки углеродных волокон приобретают округлую форму и укорачивают волокна и периферийные выступы, но оно может обеспечить правильную структуру пучков углеродных волокон. Травление, которое может быть выполнено (травление коронным разрядом в воздухе). В то же время, после того, как больше волокон участвуют в текущем процессе добычи и образуют катод, центр эмиссии диспергируют на поверхности катода равномерного, и динамика анодного изменения напряжения во время, показана на рисунке 2.6.

3000

2500

2000

* 1500

1000

500

3» Г ДГА' А л 1 ДГА

% 1 «Ц^А иМ

\ \/

п ерестрой труктур пучка КЗ I -

10 15 20 25 30 Время 1, часы

2500

< Р

1000

500

'_л Ж V* *Чл «АЛ**

. 1 ■1 е Л11а 1 ДГа

35 40 45 50

10 15 20 25 30 Время I, часы

35 40 45 50

а

б

Рис. 2.7. Динамика изменения анодного напряжения за время непрерывной работы: а - необработанный пучок углеродных волокон, б - пучок волокон подвергают воздействию коронного разряда в воздухе

Глава 3. Экспериментальное исследование автоэмисси из

углеродных материалов

3.1. Сравнительное исследование автокатодов на основе различных наноматериалов

В этой главе представлены результаты сравнительного исследования автоэлектронной эмиссии наноуглеродных автокатодов (одностенных и многостенных нанотрубок, нанографитовых пленок) и углеродных лопастей.

3.1.1. Автоэлектронная эмиссия из наноуглеродных материалов

Типичная зависимость плотности тока автоэмиссии J от напряженности электрического поля Е, измеренная вместе с соответствующей диаграммой автоэмиссии (изображение, создаваемое электронами, испускаемыми катодом на прозрачный анодный экран с люминофорным покрытием) для свежевыращенная пленка нанографита представлена на рис.3.1. Измерения проводились путем приложения нарастающего напряжения между катодом и анодом, разделенными вакуумным зазором 300 мкм. Полученные после выращивания нанографитовые катоды продемонстрировали значение порогового поля около 1 В / мкм при плотности тока 0,01 мА / ст2 и однородную картину излучения поля с плотностью эмиссионных участков до 106 ст-2. J - Е характеристика по Фаулеру - Нордхейму. Координаты (вставка на рис. 3.1 а) следовали линейной зависимости, характерной для полевых эмиттеров с металлическим типом проводимости. Эти результаты согласуются с предыдущими исследованиями пленок нанографита [77,78].

(а) о.о81 -ь

(б)

о

^ 0.04 Е

0.00

0.06

0.02

0.9 1.0 1.1 1.2 1.3

Рис. 3.1 - (а) Пример зависимости плотности тока автоэлектронной эмиссии J от напряженности электрического поля Е для катода из нанографита в исходном состоянии. На вставке показана зависимость J - Е в координатах Фаулера - Нордхейма и ее линейная аппроксимация. (б) Типичная полевая эмиссионная диаграмма, демонстрирующая однородное распределение

В боковой линейной геометрии пряжа длиной 1 см была закреплена на вольфрамовой пластине с проводящей эпоксидной смолой на основе серебра, и была исследована автоэлектронная эмиссия с боковой стороны пряжи. На рис 3.2.а показаны ВАХ, обнаруженные в конфигурации плоской полевой эмиссии из нитей МУНТ. Типичный график ВАХ в этой геометрии показывает гистерезисное поведение. Первоначальный (первый рост) график ВАХ круче и имеет большее значение порогового поля (~ 0,9 В / мкм) по сравнению с наборами данных, собранными позже (~ 0,7 В / мкм). Наблюдаемое поведение ВАХ довольно необычно для катодов из углеродных нанотрубок. Как правило, для катодов из углеродных нанотрубок непрерывная эмиссия с течением времени при приложении постоянного напряжения приводит к медленному уменьшению тока автоэлектронной эмиссии [93]. Это объясняется удалением молекул адсорбата, а также

эмиссионных участков для нанографитового катода.

разрушением случайных нанотрубок, длина которых превышает среднюю длину леса в целом. В случае пряжи было замечено, что вопреки ожидаемому поведению ток эмиссии увеличивается со временем во время непрерывной работы. Эти наблюдения самоулучшающегося тока можно объяснить на основе изображений РЭМ, собранных после выполнения полевых эмиссионных измерений (рис. 3.2.б).

РЭМ - изображения показывают, что в некоторых местах пряжа раскручивалась и раскрывалась почти как кисть из-за действия электростатических сил. После этого состояния раскрутки график автоэмиссии стал воспроизводимым и также может быть описан в рамках теории автоэмиссии. В этой геометрии коэффициент усиления поля определяется как F = в V / d, где F - поле непосредственно над поверхностью эмиттера, V - приложенное напряжение, а d - расстояние между электродами. Стандартная рутинная процедура, описанная в [94], позволяет оценить коэффициент усиления поля в ~ 7200.Это значение легко сопоставимо с лучшими результатами, полученными как для одностенных, так и для многостенных углеродных нанотрубок [99]. Этот факт, наряду с высокой эффективностью производства нитей МУНТ, делает их очень перспективным материалом для использования в качестве холодного катода в различных электронных вакуумных устройствах.

УоКаде{V) 6

Рис. 3.2. (а) Типичные ВАХ для пряжи МУНТ длиной 1 см в поперечной геометрии. Межэлектродное расстояние 400 мкм. (б) РЭМ -изображение пряжи МУНТ после автоэмиссионных измерений

Автоэмиссионные свойства наноуглеродных пленок изучались с помощью сканирующего анодного автоэмиссионного микроскопа (SAFEM). Плотность мест эмиссии для нанографитовых пленок определялась по картам У^,у), измеренным при постоянном токе /0 = 10 нА, полученных с разными расстояниями от анода до катода d для одной и той же площади пленки (рис. 3.3). Карты состоят из областей круглой формы (участки излучения) с центральной частью, соответствующей более низким напряжениям (темная область), и периферийными устройствами, соответствующими гораздо более высоким напряжениям (более светлая область). Средний размер эмиссионных участков I уменьшается с увеличением расстояния между анодом и образцом, d, и средний размер эмиссии I достигает 15 мкм при d около 2 мкм. При расстояниях d менее 2 мкм обычно наблюдалось касание поверхности катода и электрические пробои между иглой-анодом и образцом. Следовательно, минимальный размер эмиссионного участка для нанографитовой пленки, который может быть получен с помощью этого метода, составлял около 15 мкм. Это соответствует плотности эмиссионных узлов п = I-2 , 10-5-10-6 ст-2.

с! = 10 |лт <} = 5 цт с! = 2 цт

Рис. 3.3. Серия карт У^,у) для пленки нанографита при различных расстояниях между анодом и образцом d.

Чтобы охарактеризовать свойства отдельного места эмиссии, наконечник-анод был помещен над центральной областью места на расстоянии 0,5 мкм, и кривые вольт-амперной характеристики (ВАХ) были измерены путем приложения постепенно увеличивающегося напряжения (рис. 3.4). После достижения определенных напряжений наблюдалась деградация эмиссионных способностей (т. е. уменьшение тока), и кривые ВАХ были сдвинуты в сторону более высоких значений напряжения. Измерение карты 2(х,у) после деградации показало, что место выброса, показанное стрелкой, исчезло с карты. Такая значительная деградация обычно наблюдалась при токах автоэлектронной эмиссии 1тах = 1-10 мкА.

Для выяснения свойств отдельного эмиссионного центра были измерены ВАХ при расположении зонда непосредственно над его центральной областью (Рис. 3.4). Принимая во внимание плотность эмиссионных узлов п, равную 10-5-10-6 ст-2 , максимальная плотность полного тока, которая потенциально может быть достижима для всей нанографитовой пленки, составляет порядка ]тах = 1тах = п X 1 А / ст2. Полученные значения максимального тока эмиссии для отдельного места эмиссии 1-10 мкА совпадают с типичными значениями, которые были зарегистрированы как максимальный ток для отдельных эмиттеров углеродных нанотрубок. Более того, значение 1 А / ст2 для общей плотности тока обычно указывается как максимальное значение для многоэмиттерных катодов на основе УНТ.

Voltage (V)

Рис. 3.4. Кривые ВАХ, измеренные до (слева) и после (справа) деградации места выброса. На вставках показаны карты 2(х,у) размером 300 х 300 мкт2, полученные при токе эмиссии 100 нА и напряжении 250 В. Стрелками показаны точки, в которых были измерены ВАХ.

Автоэмиссионные характеристики зависят от топологии поверхности катода и свойств материала. Форма и соотношение сторон являются наиболее важными параметрами отдельного места выброса. Из-за большого соотношения сторон наноуглеродных структур электрическое поле возле их концов сильно усиливается в Р раз. В случае массива эмиттеров имеет место эффект экранирования поля, и коэффициент усиления Р уменьшается, а расстояние между эмиттерами уменьшается. Существует два наиболее известных типа наноуглеродных эмиттеров, состоящих из углеродных нанотрубок и пластинчатых нанокристаллитов графита. Несмотря на значительные различия в геометрии катодов, экспериментальные наблюдения показывают схожие параметры излучения для этих наноуглеродных катодов.

Рассматривался однородный бесконечный массив эмиттеров, расположенных на заземленной плоской подложке. Второй электрод имел

потенциал V и отодвигался на расстояние Н от подложки. Чтобы проверить пространственное распределение потенциала, решалась задача Лапласа в области между электродами. Периодические граничные условия на боковых сторонах области использовались для моделирования бесконечного массива эмиттеров. Здесь расстояние между соседними излучателями L определялось размерами площадки. Были рассмотрены два типа эмиттеров: цилиндры (нанотрубки) и пластины (нанокристаллы), ориентированные перпендикулярно подложке.

Высота и диаметр цилиндра составляли к = 1мкм и г = 1 нм, высота и толщина пластины были к = 1мкм и й = 2 нм. Расстояние между электродами было достаточно большим ( Н = 10 мкм ), чтобы исключить влияние второго электрода на распределение потенциала вблизи эмиттеров. Для системы с цилиндрами (3D-система) задача Лапласа решалась в параллелепипеде с периодическими граничными условиями на боковых сторонах (рис. 3.5. а). Система с пластинами (2D-система) однородна по оси, параллельной пластинам и подложке. В этом случае достаточно решить задачу Лапласа в прямоугольнике (рис. 3.5. в). Решение задачи проводилось в программном пакете БЕМЬАВ методом конечных элементов. Точность решения оценивалась как норма разности решений, полученных при уменьшении шага сетки. Точность оценивается лучше 2%.

Рис. 3.5. Модели углеродной пленки и постановка задачи Лапласа. (а) цилиндры (нанотрубки), (в) пластины (нанокристаллы)

В результате расчета были получены распределения электрического потенциала. Расстояние между излучателями варьировалось от 10 до 1 часа. Зависимость коэффициента усиления от расстояния между эмиттерами была рассчитана путем интегрирования электрического поля вдоль поверхности верхнего края эмиттера (3.6). В обеих системах значение Р увеличивается с увеличением расстояния между излучателями. Однако скорость увеличения для 2D-системы была медленнее, чем для 3D-системы, а максимальные значения Р для цилиндров были более чем на порядок выше, чем для пластин. Поэтому оптимальное расстояние между излучателями (где излучение является самым сильным) было смещено в сторону более высоких значений L для 2D-системы по сравнению с таковыми для 3D-системы. Кроме того, величина плотности тока для 2D-системы значительно ниже.

Плотность тока автоэлектронной эмиссии от отдельного эмиттера описывается формулой Фаулера-Нордхейма (1) ) = СгЕ2 ехр ( — С2 Е-1), где Е = Р (Ь) Е0 - напряженность электрического поля на излучающей поверхности (т.е. верхний край эмиттера); С1 и С2 - константы, зависящие от работы выхода и других свойств материала. В нашем моделировании работа выхода принималась равной 5 эВ, а соответствующие значения констант были: С1 = 52.822261025 и С2 = 7.25536 X 1010.

Рис. 3.6. Средний коэффициент усиления Ь на межэмиттерном расстоянии L.

(а) пластины, (б) цилиндры.

Измеримая величина в экспериментах по автоэмиссии - это макроскопическая плотность тока, которую можно рассчитать как ] = у5п, где п - плотность эмиттеров; S - площадь излучающей поверхности и j -плотность тока отдельного эмиттера. В нашем моделировании п = Ь-2, 5 = иг2 для 3D-системы, а для 2D-системы: п = Ь-1, 5 = 2г. Оптимальные условия для эмиссии электронов соответствуют максимальному значению

плотности тока J и могут быть найдены путем решения уравнения = 0.

с фиксированными значениями внешнего поля Е0.

Зависимости рассчитанных оптимальных расстояний L и соответствующих им максимальных значений плотности тока J от поля Е0 представлены на рисунке 3.7. Оптимальные расстояния между излучателями составляют Ь3П~ 2к (для 3D-системы) и Ь2П~ 5к (для 2D-системы) для наиболее типичных значений тока J менее 1 мА / см2 . Однако соответствующая напряженность электрического поля ( Е0 = 9 В / мкм для трехмерного случая и Е0 2П = 87 В/ мкм для 2D) намного выше, чем наблюдаемая экспериментально [23,115]. Такое несоответствие наших упрощенных моделей эксперименту можно объяснить двумя причинами:

I. В действительности, электронная эмиссия происходит в небольших областях на верхних краях эмиттеров наноуглерода, и, таким образом, геометрический параметр г и коэффициент усиления поля р могут отличаться от используемых в наших моделях; II. Область излучения может иметь пониженную работу выхода (3), что приводит к изменению постоянных и С2 .В случае 2D-системы дополнительной неточностью модели является предположение о бесконечной длине излучающих пластин, которые в действительности имеют длину до нескольких микрометров (3).

Несмотря на эти отклонения от эксперимента, результаты расчетов нашей модели полезны для предсказания общих особенностей поведения рассматриваемых эмиттеров наноуглерода. В частности, на рис. 3.8 представлены зависимости плотности тока J от расстояния между эмиттерами L, рассчитанные для обеих систем при фиксированном значении электрического поля Е0. Эти графики демонстрируют разницу в оптимальной плотности эмиттеров для острийной и краевой структур[23,115].

Рис. 3.7. Зависимость оптимального расстояния (Ь30 от

электрического поля Е0 = V / Н и соответствующих значений максимальной плотности тока ]тах. (а) пластины, (б) цилиндры

1.5

^1.0-

о §

0.50.0-

( \ * \ / \ > — ¿30 \ ---^20 V . ' ч ч

1 \ ( \ 1 \ > !

1 г Г > / 4

2 А 6 8 10

Ццт)

Рис. 3.8. Плотность тока J со всего катода при фиксированных значениях среднего электрического поля Е0.

3.2. Автокатод из пучка ПАН-волокон

Катод в исследовании состоит из пучка стекловолокна и задних контактных гильз, которые, в случае необходимости, зажимная пластина сваривают (рис 3.9).

После того, как пучок стекловолокна производится, она связана с оболочкой. Катод вставляется в корпус и наполнен коллоидного графита (аквадага) на специальной монтажной пластине. Аквадаг обеспечивает контакт волокон с задней контактной втулкой, где контакт (уплощенный) приварен в точке-подобной же образом.

Испытания проводились в диодном режиме. Вольфрамовый пластины служил в качестве анода. Расстояние между катодом и анодом было около 100 мкм. Длина участка волокна, выступающий за пределами остекления составляет 100 мкм

Рис. 3.9. Испытательный катод: (а) снимок, (б) чертеж схемы. 1 -расслоение углеродного волокна остекловано; 2 - контактная оболочка регулируемая, сталь 47НХР. Плющенко не указано на рисунке справа.

Структура параметров диода и экспериментальный статус:

- катодная секция Sc — 0,018мм2;

- пространство между анодом и катодом ~100 мкм;

- частота следования вибрации u = 100 Гц;

- срок службы импульсах = 5 мкс;

- максимальный ток, полученный было Imax = 3,5 мА;

- катодное напряжение U = —3,1 кВ.

Текущая нестабильность с ростом U и разбивая межэлектродный зазор наблюдались. На рис. 3.10 катоды представляет вольт-амперных характеристик углеродного пучка волокон, взятые до и через 4 часа катод тренировки [164].

Форм-фактор и излучающая площадь поверхности были вычислена с помощью теории Фаулера-Нордгейма [164]:

5,216 • 104 см-1,

1,305 • 10-12 см2.

-| 100

80

60

40

20

-3,4 -1:2 -1,0

-0,8 -0,6 Цк,кУ

—1-•-г^- 0

-0,4 -0,2 0,0

-1,2 -1,0 -0,8

-0,6 Цк,кУ

-0,4

120

100

-0,2 0,0

Рис. 3.10. ВАХ, взятые перед подготовкой (а) и после 4-х часов (б) работы (подготовка) катода при анодное напряжение: ^ = 10 кВ

Рис 3.11 показывает фото катодолюминесценции с автоэлектронной эмиссией на основе ПАН волокон а также учитывая 3D-изображение распределения интенсивности света на аноде [164].

а б

Рис. 3.11. Фото катодолюминесценции с автоэлектронной эмиссией на основе ПАН волокон (а) 3D-изображение распределения интенсивности света на

аноде (б) [164].

3.3 Долговременные испытания автокатодов из ПАН-волокон

Вопросы, касающиеся непрерывной эксплуатации автоэмиссионных катодов и изменения их эмиссионных характеристик во время работы, в конечном итоге имеют решающее значение для практического использования. Точность и высокая прочность катода различных излучателей определяются высокой прочностью катодов отдельных излучателей. Таким образом, долгосрочное тестирование на автоэмиссионных катодов из одиночных углеродных волокон предшествовали развитие мульти-эмиттерные катодов из пучков углеродных волокон [164].

Характер преобразования текущей выборки при длительном тестировании показан на рис . 3.12.

3000

2500 -

т 2000

э

^ 1500 X

1

|- 1000 ш X

500 -4

л 11111111

А ( 1 1 ■

■

•

10

15

20

30

25

Время I, часы

35

40

45

50

Рис. 3.12. Смена действующих катодов в начальный период эксплуатации

В дополнении к текущей записи, также наблюдались эмиссионные изображения от ряда эмитентов во время испытаний. Во время визуальной оценки полевой эмиссии и изменений текущий выбор по характеру генерации тока можно установить, что значительные изменения излучающей поверхности наиболее важные изменения текущий выбор происходят в течение первых 10-50 часов. Типичное мерцание изображения, внешний вид и исчезновение радиационных пятен, достигнутых большие изменения тока. [164].

С дальнейшей эксплуатацией ПАН углеродных волокон и значительной стабилизацией изображения, током эмиссии, текущей выборкой, флуктуации тока ограничены в пределах нескольких процентов от среднего значения, а излучение изображения остается постоянная в течение десятков часов [164].

Такая работа правил, достижение определенного режима равновесия: в течение первых часов после ионной бомбардировки, свободные частицы

наполнителя из аморфных полос детонации; волокна скелетной структуры, образованные на концах фибрилл, являются стабильными [164]. Это происходит потому, что длина большой фибриллы на светоизлучающей поверхности значительно изменяется во время непрерывной работы.

Основная трудность при разработке системы электронной оптики для системы с катодным электрическим полем - это неоднородное пространственное распределение магнитного поля, которое изменяет положение точки излучения на катоде под действием электронов с катода., Деструктивный фактор. Разработка полевых катодов не только не сможет создать светоизлучающие поверхности, но также может быть обеспечена внутренней структурой из углеродного волокна, а также полевыми катодами из вспененного материала.

Глава 4. Разработанные прототипы рентгеновских трубок с автокатодами из полиакрилонитрильных углеродных волокон

4.1. Рентгеновская трубка для аналитической аппаратуры

Для создания нового поколения таких трубок были приняты во внимание следующие принципы:

1. Каждое рабочее вещество анода обладает неким пороговым «характеристическим» потенциалом (пороговым уровнем энергии возбуждающих рентген электронов), при превышении которого выход рентгеновского излучения (мощность излучения) резко возрастает. При этом в распределении излучаемых трубкой рентгеновских квантов по энергии появляется ярко выраженный пик т. н. характеристического излучения.

2. Энергия и характеристический потенциал) характеристического излучения веществ прямо пропорциональна количеству протонов в ядре (номеру химического элемента Ъ) того или иного вещества и подчиняется закону Мозли рис.4.1.

Рис.4.1. Зависимость величиной 1/л/Я от атомного номера химического элемента диаграммы Мозли) для спектральных линий Ка (1), Lа (2) и Ма (3).

3. По способности пропускать характеристического рентгеновское излучение вещестэа можно так же расположить в ряд, где вещества более малым порядковым номером Ъ в периодической таблице Менделеева без

существенного ослабления пропускают рентген, генерируемый в веществах с большим номером Ъ . И наоборот, вещества с большим номером в периодической таблице Менделеева практически не пропускают характеристическое рентгеновское излучение от веществ, номер которых в таблице меньше. Именно поэтому, в качестве радиопрозрачных окон в рентгеновских трубках используются такие вещества и хим. соединения, как бериллий (Ъ=4), алюминий (Ъ=13) и нитрид бора (Ъ Бора = 5, Ъ Азота =7).

4. Кроме того, если мы ставим целью поиск вещества анода рентгеновского источника, как твёрдого вещества, то нас ограничивает требование к наличию хорошей электрической проводимости у него, так как заряд электронов необходимо отводить.

5. Так же, от вещества-кандидата в аноды излучателя мягкого рентгена требуется инертность к газам земной атмосферы, поскольку вещество, имеющее высокую химическую активность с атмосферной газовой средой технологически трудно применять.

(3) Исторически Х^ау трубки для аналитических приборов с минимальной энергией испускаемого характеристического излучения делались на основе алюминиевого анода. В случае прострельных трубок это плёнка алюминия на бериллиевом окне. Такие трубки имели величину энергии испускаемых квантов рентгеновского излучения порядка 4 кэВ

I Исходя из изложенного в п. (2) анализ веществ с меньшим, чем алюминий, но большим, чем бериллий номером Ъ даёт только одно вещество-кандидат в аноды — это углерод в форме графита. Поэтому, была поставлена цель создания прототипа источника рентгеновского излучения с графитовым анодом.

Однко на базе трафитового анода (противокатода) создать рентгеновскую с прострельным анодом затруднительно, так как технологии создания тонких (1-2 мкм ) слоёв графита на бериллии нам не известны.

Рентгеновская трубка по отражательному принципу не сможет генерировать достаточно направленное излучение.

Конструкция прототипа направленного низкоинерционного управляемого отпаянного рентгеновского источника изображена на рис.4.2.

Прибор представляет собой стеклянную колбу, имеющую с одного конца выводы электродной системы, а с другого конца тонкое (сотни мкм толщиной) бериллиевое окно на металлической оправе для выхода излучения.

Электродная система представляет собой типичную электронную пушку ЭЛТ оксидный катод, модулятор, ускоряющий электрод (может отсутствовать). Следующим электродом (анодом, противокатодом) является тонкий слой порошка графита, нанесённый на внутреннюю поверхность стеклянной трубки с внутренним диаметром несколько мм. Потенциал на этом слое определяет энергию электронов. Постепенно поднимая напряжение на слое графита (на нашем аноде; мы полумили начало выхода заметного нашими приборами излучения при величине напряжения в 2300 Вольт. Опыты проводились при величине анодного напряжения 2500 В.

Рис 4.2. Конструкции рентгеновской трубки для аналитической аппаратуры А) с графитовым анодом Б) с металлическим анодом

1-анод

2-корпус

Рис.4.2. Электронная пушка, состоящая из катода, модулятора и цилиндрического анода. Внутрь анода вставлена стеклянная трубка с развёрткой на конце. На трубку внутри нанесен графит (или любой другой проводящий материал), Слой графита электрически соединён с цилиндром анода. Электроны вылетают из катода, формируют за счёт модулятора цилиндрический чуть расходящийся пучок, влетают в отверстие в аноде и попадают в стеклянную трубку. Двигаясь по траекториям , которые слегка расходятся от оси, электроны под небольшим углом попадают на слой

графита и при потенциале на графите более 2,5 кВ создают характеристическое рентгеновское излучение, которое выходит через противоположный конец трубки и окно наружу в виде направленного потока.

Особенности:

1. направленность излучения,

2. возможность применять для окна кроме бериллия так же диэлектрические материалы, например, нитрид бора,

3. Возможность создавать приборы с характеристическим излучением щелочных и щелочно-земельных металлов, активных на атмосфере и не возможных к обработке (Например, лития, бария, стронция и т.п.) путём распыления этих металлов в уже откачанном приборе на поверхность стекла трубки.

Рис 4.2. б то же самое, но только вместо стеклянной трубки металлическая, выступающая в качестве материала, в котором генерируется рентген. От выходного окна она отделена диэлектрической шайбой. Так можно делать трубки с характеристическим излучением различных металлов, например, меди, никеля, железа и других. Также, возможно применить для трубки диэлектрический материал и работать на отводе электронов через вторичную эмиссию, генерируя характеристическое излучение этого диэлектрика. Применить полупроводящий материал (например, слабо легированный кремний) и генерировать характеристическое излучение кремния.

Внешний вид трубки представлен на рис 4.3.

Рис.4.3. Внешний вид рентгеновской трубки для аналитической аппаратуры. Параметры электронно-лучевой рентгеновской трубки следующие:

1. Рабочее анодное напряжение в диапазоне (положительное) 4 — 8 кВ.

2. Вид излучения — тормозное.

3. Материал анода — медь.

4. Электрическая мощность непрерывная до 5 Вт.

5. Импульсная электрическая мощность до 40 Вт (при средней мощности не более 5 Вт, скважность прядка 1:10) и длительности импульсов не более 0,1 сек.

6. Возможность как плавной, так и импульсной регулировки уровня излучения от нуля до максимума изменением напряжения на модуляторе от минус 500 вольт до нуля при собственной ёмкости модулятора менее 2 пФ.

7. Выходной поток рентгеновского излучения в виде конического пучка с основанием 3 мм около выходного окна и расходимостью 5-8 градусов.

8. Материал выходного окна — бериллий толщиной 200 мкм. Потенциал выходного окна близок или равен потенциалу катода.

Рис.4.4. Спектры трубки с медным анодом

Рис.4.5. Диаграммы направленности из рентгеновской трубки

Диаграммы направленности излучения из Х-трубки с ^ анодом в горизонтальном (рис 4.5.а)

И в вертикальном направлениях (рис.4.5.б). Нужно отметить, что угол 0 град соответствует оси трубки. Видно, что в обоих направлениях вдоль оси наблюдается уменьшение интенсивности. В районе 3-8 град интенсивность увеличивается и затем она спадает.

Спектры трубки с медным анодом. Наблюдается тормозное излучение. Спектры 1-3 сняты при анодном 5кВ. Сдвиг спектров 2 и 3 связан с использованием А1 фильтра, который сильнее поглощает низкоэнергетическую часть спектра.

Видно, что спектр излучения трубки имеет максимум мощности на энергии на 1 кЭВ ниже по абсолютной величине заданного потенциала анода.

Расходимость пучка составляет 5-8 градусов и имеет разброс по осям, видимо, из-за некоторой несимметричности, допущенной при сборке образца.

В настоящее время поставлена инженерно-техническая задача создать 2-ю опытную конструкцию перспективной рентгеновской трубки с молибденовым и вольфрамовым анодом на рабочие анодные напряжения от 4 до 20 кВ и от 4 до 35 кВ соответственно. Такая рентгеновская трубка будет иметь примерно в полтора раза большие размеры, чем 1-й образец, как в диаметре, так и в длину. Её непрерывная электрическая мощность будет составлять около 7 Вт, а энергия максимума потока генерируемых фотонов сможет регулироваться путём изменения анодного напряжения от 3 до 19 кЭВ для анода из молибдена и от 3 до 34 кЭВ для анода из вольфрама.

4.2. Рентгеновская трубка с керамической оболочкой

Дальнейшая работа над прострельными маломощными рентгеновскими трубками предусматривает возможность использования керамического корпуса рентгеновской трубки.

Когда он используется в качестве изолятора, он обладает такими преимуществами, как превосходная механическая прочность, особенно отличные электрические свойства при высоких температурах, а также способность сельскохозяйственных частей прилипать к керамике и укладываться в стопку необходимых размеров. Как и стекло, керамика химически инертна и имеет низкое давление пара. Благодаря широкому использованию керамических материалов в вакуумных системах и оборудовании, достижения современной технологии позволили производить относительно недорогую керамику с желаемыми свойствами.

Конструкция миниатюрной рентгеновской трубки прострельного типа керамическим корпусом представлена на рис 4.6.

Рис.4.6. Миниатюрная рентгеновская трубка прострельного типа с автокатодом из полиакрилонитрильных углеродных волокон с керамическим

корпусом.

1. Выходное окно

2. 4. Кольца (сплав 29НК)

3. Керамическая втулка

5. Выходной фланец

6. Катод но- модуляторный узел

7. Нераспыляемый геттер

8. Вывод катода

9. Вывод модулятора

10. Медный штенгель

11. Автокатод