В рентгеновской трубке для лабораторных исследований источником электронов является раскаленная вольфрамовая нить, разогретая током накала до 2100-2200 °С – катод, испускающий электроны термоэмиссии. Эмитированные электроны попадают в ускоряющее электрическое поле между катодом и металлическим анодом. Ударяясь о площадку в торце анода (зеркало анода), электроны резко тормозятся, происходит генерация характеристического и тормозного рентгеновского излучения. Катод в рентгеновской трубке представляет собой вольфрамовую (W) спираль, в некоторых моделях катод покрывают слоем тория для повышения эмиссионных характеристик. Камера в рентгеновской трубке находится под вакуумом 10-9 мм. рт. Ст. Спираль катода помещена в так называемый фокусирующий колпачок. Назначение колпачка – сузить
пучок электронов, летящих с катода на анод, и уменьшить размеры фокусного пятна трубки. Анод представляет собой полый массивный цилиндр, изготовленный из меди – материала с высокой теплопроводностью. В торцевую стенку анода впрессована пластинка – зеркало анода (антикатод), которая тормозит электроны (это не ее основная функция), эмиттированные с катода и генерирует характеристическое рентгеновское излучение. Между катодом и анодом приложено ускоряющее напряжение, необходимое для «разгона» электронов термоэмиссии (обычно от 10 до 50 кэВ). Рентгеновское излучение испускается анодом во всех направлениях, но наибольшая интенсивность достигается под углом 3-6° к зеркалу анода (87-84° к нормали).
Схематическое изображение рентгеновской трубки
1 – Анодный стакан; 2 – Окно из материала, пропускающего X-лучи; 3 – Катод; 4 – Стеклянная колба (вакуум); 5 – Подвод ускоряющего напряжения; 6 – Фокусирующая система; 7 –Анодное зеркало; 8 – Охлаждающий контур.
Рентгеновская трубка имеет четыре окна, два из них расположены вдоль нити накала и два – перпендикулярно ей. Рабочие окна выбираются в зависимости от того, нужен в данном эксперименте точечный или протяженный источник излучения. Окна трубки изготовлены либо из специального сплава, содержащего легкие элементы (бериллий, литий, бор), либо из металлического бериллия, который является одним из наиболее подходящих материалов для пропускания рентгеновских лучей. Легкие элементы содержат меньшее количество энергетических уровней и, следовательно, вероятность выбивания электрона со внутренних орбит ниже -> поглощение рентгеновского
излучения невелико.
В энергию рентгеновского излучения превращается лишь 1% кинетической энергии электронов, бомбардирующих анод; при этом оставшиеся 99 % энергии трансформируется в тепло, выделяющееся на аноде. Поэтому важной частью трубки является система ее водяного охлаждения. Перегрев анода за счет тепла, выделяющегося при ударе электронов о зеркало анода, может вызвать нарушение вакуума, интенсивное распыление и даже расплавление зеркала и самого анода. В дифрактометре в качестве охладителя используется замкнутая система с прокачкой дистиллированной воды.
Аноды X-ray трубок
- 24 Cr (λCr-Kα = 0.229 нм)
- 26 Fe (λFe-Kα = 0.194 нм)
- 27 Co (λCo-Kα = 0.179 нм)
- 29 Cu (λCu-Kα = 0.154 нм)
- 42 Mo (λMo-Kα = 0.071 нм)
- 47 Ag (λAg-Kα = 0.056 нм)
Длина волны любой конкретной линии уменьшается с ростом атомного номера Z (следствие закона Мозли)
| Номер | Анод | λКα, Å | λКα1, Å | λКα2, Å | λКβ, Å |
| 24 | Cr | 2.29092 | 2.2862 | 2.29531 | 2.08480 |
| 26 | Fe | 1.93728 | 1.93527 | 1.93991 | 1.75653 |
| 27 | Co | 1.79021 | 1.78892 | 1.79728 | 1.62075 |
| 28 | Ni | 1.62912 | 1.65784 | 1.66169 | 1.50010 |
| 29 | Cu | 1.54178 | 1.54051 | 1.54433 | 1.39217 |
| 42 | Mo | 0.71069 | 0.70926 | 0.71354 | 0.63255 |
| 47 | Ag | 0.56083 | 0.55936 | 0.56378 | 0.49701 |
| Материал | Применение |
| 24Cr | Используется для сложных органических веществ, а также для радиографических измерений механических напряжений в сталях. |
| 26Fe | Исследование образцов железа. Также для исследования минералов где аноды Co и Cr не могут использоваться |
| 27Co | Часто используется с образцами железа, особенно в тех случаях когда излучение Fe-анода может вызвать помехи и не может быть устранено другими мерами. |
| 29Cu | Подходит для большинства дифракционных исследований. Наиболее широко использующийся анодный материал. |
| 42Mo | Предпочтительно используется для испытаний на сталях и металлических сплавах с элементами в диапазоне от 22Ti до примерно 30Zn |
| 74W | Используется там, где интенсивный белый (непрерывный) спектр рентгеновского излучения представляет больший интерес чем характеристический. |
Наиболее распространено использование анодного зеркала из Cu, т.к. медь обладает хорошей теплопроводностью и высокой температурой плавления, а длина волны рентгеновского излучения является оптимальной в плане получения разрешения дифракционной картины. Независимо от материала зеркала анода «тело» обычно изготавливают из меди. На практике генерация X-квантов незначительна, а преобладает так называемое тормозное излучение, образующееся при потере энергии электронами в ходе торможения в электростатическом поле анода. При торможении электронов в поле анода излучаются X-фотоны в широком диапазоне энергий (длин волн, частот), формируя спектр непрерывного тормозного излучения.
Когда энергия бомбардирующих анодное зеркало электронов становится достаточной для вырывания электронов из внутренних оболочек атома, на фоне тормозного излучения появляются резкие линии характеристического излучения.
Наиболее типичны электронные переходы : Kα1, Kα2, Kβ
Kα – переход на K-оболочку электрона с L-оболочки;
Kβ – переход на K-оболочку электрона с M-оболочки;
Lα – переход на L-оболочку электрона с M-оболочки и т.д.
Данные переходы обладают наибольшей интенсивностью и представляют больший интерес при определении структуры образцов. В рентгеновских дифрактометрах часто используют β-фильтры, для удаления из спектра Kβ-серии. β-Фильтры представлены металлическими селективными фильтрами. Применение селективных фильтров основано на наличии края поглощения вещества. Излучение, длина волны которого немного больше длины волны края поглощения фильтра, при прохождении через него ослабляется незначительно. В то же время излучение с длиной волны немного меньшей края поглощения ослабляется им наиболее эффективно. Для элементов с порядковыми номерами от 24 до 29 включительно селективный фильтр может быть изготовлен из вещества, порядковый номер которого на единицу меньше.
Tongda поставляет соответствующие β-фильтры в комплекте с трубками.
.png)