X 線管はX 線を生成する装置で、一般に次の 3 種類の用途に使用されます。
- X線撮影および断層撮影（医療画像）。
- 放射線結晶学 (X 線回折、回折計の記事も参照)。
- 蛍光X線分析による元素化学分析。
チューブにはいくつかの種類があります。
動作原理
管の種類に関係なく、X 線の発生は同じ原理に従って行われます。
2 つの電極間に高電圧(20 ～ 400 kV 程度) が確立されます。その後、カソードからアノード(「対カソード」または「ターゲット」と呼ばれることもあります) への電子の流れが存在します。
電子はターゲット原子によってブレーキを受け、スペクトルの一部が X 線領域にある連続ブレーキ放射または制動放射を引き起こします。
これらの X 線はターゲットの原子を励起し、蛍光 X 線現象によって特性 X線を再放出します。
したがって、管から現れるスペクトルは、制動放射線とターゲットの蛍光 X 線が重ね合わされたものになります。
X 線管の効率は非常に低く、電力のほとんど (99%) が熱として放散されます。したがって、チューブは通常、水を循環させることによって冷却する必要があります。
クルックスチューブ
歴史的には、最初のX 線管はウィリアム クルックス卿によって発明されました。元々は鉱物の明るい蛍光を引き起こすことを目的としていました。クルックス管は、放電管、ガス管、冷陰極管とも呼ばれます。
それは真空が作られるガラス電球です。約 100 Pa (約 1 torr) の残留空気圧が残ります。これには、電子の流れを集中させるための凹面形状をしたアルミニウム製の金属陰極と、陽極または「ターゲット」が含まれています。
誘導コイルは高電圧を供給します。その後、残留空気のイオン化がフラッシュまたは「放電」の形で発生し、カソードからアノードへの電子の流れが生じます。陰極線と呼ばれるこの流れは、特定の物体に蛍光を発したり、遠く離れた帯電した物体から放電を引き起こすことができる電磁放射線を生成します。 X線も生成します。
この管は断続的にのみ X 線を生成できます。最近のデバイスでは使用されなくなりました。
クーリッジチューブ
- K:フィラメント
- A：陽極
- W inと W out : 冷却水入口と出口
クルックス管は、1913 年にウィリアム クーリッジによって改良されました。クーリッジ管は熱陰極管とも呼ばれ、最も広く使用されている管です。これは、鉛入りエンクロージャで覆われた高真空管 (約 10 -4 Pa、約 10 -6 torr) です。
クーリッジ管では、電流によって加熱されたタングステンフィラメントによって電子が放出されます (テレビのブラウン管でも使用される熱電子効果)。フィラメントはチューブの陰極を構成します。カソードとアノードの間に高電圧が確立され、フィラメントから放出された電子が加速されます。これらの電子はアノードに衝突します。
いわゆる「サイドウィンドウ」管では、フィラメントの直後に配置されたウェーネルトと呼ばれる部品によって電子が集中（集束）されます。
- 加熱電流（ジュール効果）を生成するために、その端子に低電圧が確立されるフィラメント。
- 特定の真空管では、フィラメントから中心に向かって来る電子を反発するために、フィラメントに対して（つまりフィラメントの 2 つの端子に対して）わずかに負の電圧を持つ特定の形状の部品。一部;それはヴェーネルトです。
- ターゲットアノードはウェネルトおよびフィラメントに対して強い正の電圧を持っています。
チューブの形状には 2 つあります。
- サイドウィンドウチューブ: フィラメントは直線軸を備えたソレノイドで、面取りされたターゲットに面して配置されます。電子の軌道は直線です
- フロント ウィンドウ チューブ: フィラメントは円形の軸を備えたソレノイドであり、アノードを取り囲んでいます。電子の軌道は曲がっています。
サイドウィンドウチューブ | フロントウィンドウチューブ |
回転陽極管
回転陽極管はクーリッジ管を改良したもので、高い X 線強度を実現します。
実際、X 線の発生の限界の 1 つは、この現象によって発生する熱です。したがって、大きな円筒形の陽極を取り出して回転させます。したがって、アノードの各部分は短時間しか照射されず、熱放散が促進されます。
したがって、約 80 kW の電力を達成できます。
熱陰極管の動作条件
スペクトル設定
熱陰極管 (クーリッジ管と回転陽極管) の 3 つの重要なパラメーターは次のとおりです。
- フィラメントを通過する強度。放出される電子の量、したがって放出される X 線の量 (強度) が決まります。
- アノードとカソードの間の高電圧。これにより、連続的な制動スペクトルの形状、特に放出される X 線の最大エネルギーが決まります。
- ターゲットの化学的性質により、最も強度が高い波長である特定のスペクトルが決まります。
X 線の強度は、他のすべての条件が等しい場合、フィラメントを通過する電流の強度に直接比例します。フィラメントの電流強度は通常、クーリッジ管では 5 ～ 50 mA で変化しますが、回転陽極を備えた管ではさらに大きくなります。
高電圧の役割はさらに複雑です。電荷eの電子は高電圧Vで加速されるため、その運動エネルギーE 0は次のようになります。
- $$ {E_0 = V \cdot e} $$
キロ電子ボルト (keV) で表すと、 E 0 はキロボルト単位のVの数値になります。
E 0 がターゲット原子のコア電子のイオン化エネルギーより低い場合、連続的な制動放射線のみが得られます。 E 0がこのイオン化エネルギーより大きい場合、ターゲットは蛍光を発します。通常、ターゲット原子の Kα 1 、Kα 2 、および Kβ ラインが表示されます。
高電圧を増加させるほど、光子の最大エネルギーが増加するため、最小波長は減少します。
ターゲットの化学的性質により、ターゲットの線のエネルギー/波長が変化します。
X線回折の事例
X 線回折の場合、バックグラウンド放射ではなく、ターゲットの Kα 線に主に関心があります。実際、回折の方向は（ブラッグの法則に従って）波長に依存するため、ほとんどの場合（ラウエショットを除いて）単色放射が得られるように努めます。実際、通常、Kβラインは削除されますが、Kα 1および Kα 2ラインと、バックグラウンド ノイズの原因となる連続的な制動放射は保持されます。信号対雑音比が重要な特定の場合には、強度の大幅な損失を犠牲にしてモノクロメータが使用されます。その場合、「真の」単色の放射が得られます。また、非常に優れたエネルギー弁別 (エネルギー分散分析の原理) を備えた「固体」検出器(リチウムドープシリコンダイオードまたは拡散シリコン ダイオード) を使用することもできます。これにより、強い信号がありながら単色モードでの作業が可能になります。
通常は 50 kV の高電圧が使用され、ターゲットには一般に銅、場合によってはモリブデン、コバルト、マンガンが使用されます。実際、銅の Kα 1線の波長 (1.6 Å 程度) により、広範囲の網間距離 ( d は0.9 から 9、2 Å の範囲で 2θ の角度範囲にわたって) の回折現象を観察することができます。 10 ～ 120°、ブラッグの法則の記事を参照してください)。一方、銅線は鉄原子を励起するのに十分な高いエネルギー (Kα 1の場合 8 keV) を持っているため、主に鉄を含むサンプル (鋼や鋳鉄など) に誘導される蛍光は非常に高いバックグラウンド ノイズを与えます。 。コバルトまたはマンガンの管を使用すると、光子のエネルギーが鉄を励起するには不十分であるため、この寄生バックグラウンド ノイズを減らすことができます (コバルトの Kα 1線のエネルギーは 6.9 keV、マンガンのエネルギーは 5.9 keV)。別の解決策は、後部モノクロメータ（つまり、サンプルと検出器の間に配置）を置くか、または蛍光を除去するために光子のエネルギーを正確にフィルタリングする検出器（エネルギー分散分析に使用されるタイプの固体検出器）を使用することで構成されます。鉄の成分。
マンガン管は応力の測定にも使用されます。ε のメッシュの変形に対する角度オフセット Δ2θ は次の価値があります。
- $$ {\Delta 2 \theta = -2 \tan \theta \cdot \varepsilon} $$
したがって、2θが大きくなるほど、シフトΔ2θも大きくなります。ただし、マンガンの Kα 1線の波長 (2.1 Å程度) により、より高い回折角が可能になります。
蛍光X線の場合
蛍光 X 線では状況が異なります。ここでは、検出したい原子を励起するのに十分なエネルギーを持つ光子が必要です。したがって、ほとんどの管ではロジウム(Kβ 線のエネルギーは 22.7 keV)、場合によってはパラジウム (一般にミニ管の場合、Kβ 線のエネルギーは 23.8 keV) などの重元素でできたターゲットを選択します。より高いイオン化エネルギーを持つ元素は、連続制動放射の光子によって励起されます。
主な制限は、発電機の電力によるものです。実際、より多くの強度が必要な場合は、高電圧を下げる必要があります。この状況は、低エネルギーの光子のみを必要とするため、軽元素の測定に適していますが、信号が弱いため、強度を増加する必要があります。一方、重原子を励起したい場合は、より高い高電圧が必要となるため、強度が低下します。重原子は重要なシグナルを発するため、これは問題にはなりません。
ほとんどの分光計には、1 ～ 4 kW の電力で駆動されるクーリッジ管が搭載されています。
ただし、管からの放射線のすべてがサンプル内の原子を励起するのに役立つわけではありません。一部はレイリー散乱またはコンプトン効果によって拡散されます。したがって、サンプルにこれらの元素が含まれていない場合でも、ターゲットの特徴的なピークが測定スペクトルに現れます。これらの現象は、管の陽極のエネルギーのピークに近いエネルギーのピークを持つ元素の検出を妨げる可能性があります。これを回避するには、次のことができます。
- 真空管スペクトルの煩わしい部分をカットするフィルターを設置します。私たちは数百マイクロメートルのフィルターを使用しますが、多くの場合銅やアルミニウムでできています。
- クロム陽極など、干渉しない場所にピークを持つ陽極を備えたチューブを使用するか、
- 二次ターゲットを使用するか、チューブがターゲットを照射し、このターゲットからの蛍光放射がサンプルを照射します。これにより、準単色放射線での非常に低い強度での作業が可能になります。 「二極化した」情報源についても話します。
チューブのエージング
真空管の老化には 3 つの現象が関係します。
- 真空度の低下を引き起こすチューブの多孔性。
- フィラメント昇華。
- フィラメントへの熱衝撃。
- 腐食。
タングステン フィラメントは真空下で加熱されるため、自然に昇華します。このようにして生成されたタングステンガスはチューブ内に移動し、窓だけでなく壁にも凝縮します。したがって、次の 3 つの効果が得られます。
- 窓のタングステンはフィルターとして機能し、低エネルギーの X 線を吸収します。したがって、長波長の強度は徐々に低下します。蛍光 X 線分光分析では、これにより軽元素の感度が低下します。
- 堆積したタングステンにX線が照射されると、蛍光を発します。 X 線回折では、タングステン、特に L 線 (ジーグバーン表記) に特徴的なピークの出現により、寄生回折ピークが生じます。
- フィラメントが細くなり、最終的には破損につながる可能性があります。
管内は真空下にあり、ガスは管の内側に向かってゆっくりと拡散します。これは、ヘリウムが非常に小さな分子であるため、ヘリウム雰囲気に置かれた管 (液体を測定する蛍光 X 線分光計の場合) に特に当てはまります。真空が十分でなくなると、「フラッシュ」と呼ばれる電気アーク（高電圧の影響によるガスのイオン化）が発生し、X 線の生成が妨げられます。フラッシュが頻繁になりすぎると、管は使用できなくなります。変えられる。
チューブは水で冷却されます。湿気は冷たい部品、特にチューブ内で水を運ぶ金属パイプに結露する傾向があります。この湿気は金属の腐食を促進します。これが、使用していないときに真空管を点灯しておく理由の 1 つです (通常、最小の高電圧と強度、たとえば 20 kV と 5 mA に設定します)。真空管を高温に保つことで、結露を回避します。
動作していないときにチューブが点灯し続けるもう 1 つの理由は、熱ショックを防ぐためです。一般に、高電圧が遮断された場合でも、フィラメントの強度 (加熱電流) は維持されます。つまり、管は X 線を放射しませんが、オフにはならず、温度変化も受けません。