huỳn quang tia x

Bức xạ điện từ trên 1MeV được phát ra bởi quá trình hạtnhân thì được gọi là bức xạ gamma, trong khi bức xạ với bước sóng dưới 80nmđược phát ra bởi electron được làm chậm trong trường ngo

2.1 Giới thiệu 1

2.2 Ống tia X 5

2.2.1 Những nguyên lí vật lí cơ bản 5

2.2.2 Cấu tạo của các thành phần: 8

2.2.3 Vỏ chân không của ống tia X 17

2.2.4 Bộ vỏ của ống 18

2.2.5 Ống tia X hiện đại 18

2.2.6 Một vài ứng dụng 25

2.3 Nguồn đồng vị phóng xạ 28

2.3.1 Nguyên tắc vật lý cơ bản 29

2.3.2 Các nguồn đồng vị phóng xạ 34

2.3.3 Sản xuất các nguồn phóng xạ 43

2.3.4 Các nguyên tắc an toàn bức xạ 44

2.4 Các nguồn bức xạ sincrotron 45

2.4.1 Cơ sở của bức xạ sincrotron 45

2.4.2 Sự mô tả vòng lưu trữ 47

2.4.3 Sự phát sinh của SR 49

2.4.4 Gói SRW 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

CHƯƠNG 2 NGUỒN TIA X

2.1 Giới thiệu

Tia X được phát hiện đầu tiên bởi Wilhelm Conrad Rontgen vào năm 1895, làsóng điện từ với phổ kéo dài từ bước sóng 80nm (vào khoảng 15eV) kế liền vớimiền tử ngoại đến khoảng 0.001nm (vào khoảng 1.2MeV) có sự xen phủ của miềntia gamma (xem hình 2.1) Bức xạ điện từ trên 1MeV được phát ra bởi quá trình hạtnhân thì được gọi là bức xạ gamma, trong khi bức xạ với bước sóng dưới 80nmđược phát ra bởi electron được làm chậm trong trường ngoài của một hạt nhânnguyên tử hoặc do sự thay đổi trạng thái liên kết trong lớp vỏ electron của mộtnguyên tử thì được gọi là bức xạ tia X Việc phân chia riêng biệt miền tia X và tiagamma chỉ đúng ở một mức độ tương đối và đôi khi có sự nhầm lẫn

Bức xạ tia X được phát ra bởi quá trình làm chậm electron thì được gọi là “bức

xạ hãm”, có một phổ liên tục với điểm kết thúc đột ngột có bước sóng ngắn t

tương ứng với động năng cực đại E kin eU của electron

Trong nguồn bức xạ tia X, dùng trong thực hành, có hai nguyên tắc khác biệtđược sử dụng: thứ nhất là sự phân rã phóng xạ tự phát của đồng vị bền, thứ hai là sựtương tác của electron được gia tốc với vật chất trong ống tia X hoặc với từ trườngtrong máy gia tốc

Hình 2.1 Phổ của bức xạ điện từ bắt đầu từ bức xạ hồng ngoại đến tia X rắn

(IR: hồng ngoại,VIS: ánh sáng nhìn thấy, UV: tia cực tím, VUV: EUV)

Trong lịch sử, máy phát tia X lần đầu tiên được sử dụng bởi W.C Roghen [1]

là một ống ion (hay ống Hittorf-Crooks chứa đầy không khí ở áp suất thấp).Electron được sinh ra do sự bắn phá ion ở cực cathode trong một điện thế cao và có

sự phóng điện trong chất khí Electron được gia tốc trong ống điện thế tới anode vàphát ra tia X Những ống tia X được sử dụng trước đây có thời gian sống ngắn,không ổn định và khó điều khiển W.D.Coolidge [2] đã đưa nguồn phát xạ sợielectron nhiệt vào một ống tia X có độ chân không cao Mô hình này rất hiệu quả vàđược sử dụng rộng rãi hiện nay Sự phát triển của ống tia X cho từng mục đích sửdụng riêng đã được bắt đầu từ lâu và vẫn đang còn phát triển Kỹ thuật mới và vậtliệu mới là cơ sở cho ống tia X với chuyên môn cao

Trường phát xạ electron thay cho nguồn phát xạ electron nhiệt đã được lặp lạitrong ống tia X DC, vì nó xuất hiện để hút hết khí nóng từ cathode về với mạchnhiệt của nó trong vài trường hợp hoạt động ở điện thế cao Gần đây, với ống nanocacbon đã cho kết quả khả quan như trường phát xạ electron đã thu được và đượcứng dụng kỹ thuật dường như trong tầm tay [3]

Một loạt các ống tia X hiện rất hữu dụng, từ năng lượng thấp chỉ vài W lên tớinăng lượng rất lớn tới hàng chục kW của DC, cho xung ngắn hoặc gián đoạn để ápdụng trong mọi lĩnh vực hoạt động chuyên nghành Tổng quan về ống tia X với sựnhấn mạnh vào yêu cầu của phép phân tích tia X sẽ được trình bày trong phần 2.2

Một động lực đặc biệt cho sự phát triển mới của ống tia X được cung cấp bởinhững tiến bộ gần đây trong quang học tia X như kính quang học mao dẫn, quanghọc Fresnel và Fresnel Bragg cũng như các tinh thể Rapic nhiệt phân định hướngcao HOPG Hiệu suất của các kính này phụ thuộc vào độ sáng chói của nguồn tia X

và thiết kế nhỏ gọn của nguồn Điểm cực dương cũng cần được tập trung và cáckính này được gắn kết gần như là có thể đến điểm cực dương với mục đích để bắtcàng nhiều các bức xạ phân kì khi có thể.Việc này cho phép giảm năng lượng củaống xuống dưới 50W và được cải thiện về thời gian và độ phân giải năng lượng Kếtquả, sự chế tạo khác nhau thì dựa vào vật mẫu đầu tiên của ống tia X năng lượngnhỏ Kích thước tiêu điểm giảm ở mật độ dòng cao, thiết kế cửa cuối ống tia X vàtrường phát electron thì ưu việt hơn

Gần đây, sự phát triển trong hiển vi học tia X và thuật in lito cực tím đòi hỏinguồn tia X mềm Hầu hết mong muốn là nguồn với độ kết hợp cao và khoảng thờigian của xung cực ngắn Hiện tại sự có mặt cơ sở plasma laser, nguồn tia X đáp ứngđược các yêu cầu tốt nhất nhưng chúng to lớn, giá thành cao và trong quá trình thínghiệm [4-7]

Đồng vị phóng xạ tự nhiên hoặc nhân tạo là yêu cầu thích hợp cho nguồn tia

X Chúng nhỏ gọn, giá thấp, phát bức xạ liên tục, không phụ thuộc vào điều kiệnxung quanh và không cần đến bất kì sự cung cấp điện năng nào Đây là ưu điểm đểtạo nên một vài kỷ thuật ứng dụng trong các thiết bị XRF xách tay Vấn đề chính ởđây là mức độ nguy hiểm của sự phóng xạ phải được đảm bảo an toàn nghiêm ngặtlàm cho các nguồn này hoàn toàn không phổ biến Tuy nhiên chúng vẫn không thểthay thế được trong một vài ứng dụng trong công nghiệp

Các tia X sinh ra trong nguồn đồng vị phóng xạ được sử dụng để kích thíchtrực tiếp vật mẫu nghiên cứu Sự kích thích trực tiếp được áp dụng trong XRF chủyếu là sử dụng sự phân rã của đồng vị phát tia X ở lớp K và lớp L Sau quá trìnhnày là sự cung cấp một kích thích hiệu dụng ở lớp K và lớp L ở nhiều nguyên tố

Nguồn bắt electron 55Felà trường hợp ngoại lệ, nó không phát ra bức xạ gamma vàđược sử dụng rộng rãi như một nguồn chuẩn cho việc ghi nhận tia X.

Những nguồn khác vừa phát tia X sơ cấp và thứ cấp vừa phát gamma, tuynhiên lượng gamma phát ra trong nguồn do kích thích gián tiếp là khá thấp

Nhóm nguồn sử dụng cho XRF là nguồn tia X kích thích  có phổ liên tụctrong một dãy năng lượng dài Chi tiết của việc sử dụng nguồn đồng vị phóng xạ sẽđược đề cập ở phần 2.3

Bức xạ điện từ chứa phần tử mang điện di chuyển trong từ trường mạnh cũng

có thể phát ra tia X Loại bức xạ này được sinh ra bởi bất kì phần tử mang điện chịugia tốc hướng tâm và đã được dự đoán vào cuối thế kỉ 19 bởi Liénard [8] Hầu nhưnhững hiểu biết lúc bấy giờ là sự phóng xạ synchrotron (SR) phát ra bởi electronhoặc pozitron trong vòng tích trữ hoặc trong các thành phần thiết bị máy gia tốc cónăng lượng cao

Phóng xạ synchrotron là giả thuyết tương đối của bức xạ điện từ, với một phổliên tục trải dài từ tia hồng ngoại đến tia gamma Nó bị phân cực cao, cường độ bức

xạ phát ra lớn với các xung ngắn vào khoảng ps đến ns, với tốc độ lặp lại cỡ khoảng

Tuy nhiên một trong các động lực nền tảng thúc đẩy sự phát triển của thuyết

SR đã làm giảm tối thiểu sự mất mát năng lượng của các phần tử mang điện trên

quỹ đạo trong máy gia tốc Sau đó là tới nguồn sáng cơ bản trong SR, sự dịchchuyển SR tối ưu hóa của các bước sóng riêng được sử dụng cho kính quang phổhoặc nghiên cứu sự phân tán photon và việc ứng dụng trong nghiên cứu hóa học, vật

lí và sinh học

Sự SR cơ bản và trạng thái của sự phát SR được xem xét kĩ hơn ở phần2.4.Các nguồn hiện đại của SR là máy gia tốc tròn (vòng tích trữ), ở đó tia electron/pozitron được tuần hoàn ở một năng lượng tương đối ổn định và giảm sự mất nănglượng của chúng bằng việc phát ra ánh sáng

Sau đó thực nghiệm đã chứng minh lý thuyết vào năm 1940, SR đã dần dầntăng năng lượng lên tới hàng trăm MeV của tia hồng ngoại/ ánh sáng nhìn thấy, tạotừng dòng từ 2-8GeV phù hợp với sự phát tia X Ngày nay với hơn 40 nơi cung cấpsynchrotrons hoạt động khắp thế giới và có ít nhất năm nơi đầy triển vọng(Diamond, UK; Soleil, France; CLS, Canada; Australia Synchrotron; LLS, Spain),

SR đã trở thành kỹ thuật trực tiếp và dân chủ cho phép thực hiện đồng thời mười thínghiệm

Hiện nay, nguồn ánh sáng được gắn nhãn là thế hệ thứ tư đang được nghiêncứu sau khái niệm laze điện tử tự do (FEL), năng lượng phục hồi các máy gia tốctuyến tính (ERL) hoặc các vòng cuối cùng

2.2 Ống tia X

2.2.1 Những nguyên lí vật lí cơ bản

Trong một ống tia X, electron được phát ra từ cathode và được gia tốc hướng

về anode trong một từ trường mạnh bằng một điện thế dương của anode đếncathode Chúng va chạm với bia anode, tương tác với các nguyên tử ở đây và mấtdần năng lượng cho một vài quá trình Đầu tiên electron tới có thể chịu tán xạ đànhồi hoặc không đàn hồi lên hạt nhân bia và có thể tán xạ ngược theo hướng ngượclại Tán xạ đàn hồi trội hơn tán xạ không đàn hồi, không liên quan với việc mấtnăng lượng chỉ có một phần nhỏ electron tới trong tán xạ không đàn hồi được giảm

tốc liên tục trong trường Coulomb mạnh của hạt nhân và mất dần năng lượng quátrình này làm tăng phổ liên tục, cái mà được biết đến như là một bức xạ hãm Thứhai, electron tới tương tác với electron của bia và truyền năng lượng của nó quaelectron bia này Điểm chú ý của quá trình là ở chỗ va chạm xảy ra sau với electronngoài cùng với một năng lượng nhỏ hơn năng lượng mất ở các va chạm này Tuynhiên, thỉnh thoảng một electron ở trong di chuyển ra khỏi quỹ đạo của nó như làkết quả của một va chạm, vì thế nguyên tử biến thành ion Ngay sau đó chỗ trốngtrên quỹ đạo electron được lấp đầy, đồng thời phát ra một lượng tử đó là tia X quátrình này làm tăng đường đặc trưng trong phổ phát tia X.

Sơ đồ 2.2 biểu diễn phổ đặc trưng của ống tia X với anode là vonfram của cácthế anode U khác nhau [14] Tất cả các phổ là sự chồng chập của một phần liên tục

và đường đặc trưng Cường độ và năng lượng cực đại của một phổ liên tục phụthuộc vào giá trị của cao thế U, trong khi vị trí của đường riêng là đặc trưng cho vậtliệu làm anode Trong các đường này có một ngưỡng kích thích tương ứng với mộtgiới hạn hấp thụ Vì thế một đường có thể không có mặt trong phổ trừ khi tăng điệnthế nhưng không vượt qua ngưỡng đó Cường độ của đường đặc trưng tăng lên khităng điện thế Sự giảm của sự phân bố theo phổ ở năng lượng thấp thì thường thíchhợp với sự hấp thụ tia X trong lối thoát và xảy ra trong không khí Một vài ống tia X(ví dụ ứng dụng trong y học) đã thêm vào sự lọc ở năng lượng thấp được thiết kếtrong bộ lọc Cường độ thật phát ra từ anode có thể đo được trong chân không củamột ống tia X chuẩn [15] Sự phân bố theo phổ mở rộng tới năng lượng thấp và cóthể đường đặc trưng không đổi trong vùng này (minh họa lược đồ 2.3)

Hình 2.2 Phổ đặc trưng của ống tia X với anode là vonfram

Hình 2.3 Phổ đo được của 1 ống tia X không có cửa sổ với anode là Mo

Anode Vonfram

bộ lọc Al: 1mm điện thế 40, 80,

120 kVCường độ

Năng lượng tia X (keV)

Số đếm

Hiệu suất của sự kích thích tia X là rất thấp Tổng công suất chiếu P của tia X

có thể ước lượng theo công thức dưới đây [16,17]:

2.2.2 Cấu tạo của các thành phần

Thiết kế tổng quát

Ống phát tia X bao gồm 1 cathode và 1 anode đựng trong một bình chânkhông cao( 10-6Torr) Ống này cũng có thể được bịt kín hoặc tiếp tục được rút hơi.Cathode là dây tóc được nung nóng ( thường là Vofram) cung cấp dòng electronphát ra và anode thường được làm bằng kim loại: crom, đồng, molyden, vonfram,bạc, sắt, colban,

Hầu hết các ống phát tia X thiết kế tương tự với diode minh họa như hình 2.4cho ống cố định ứng dụng trong ngành nha khoa Một electron phát ra do nung nóngđược tập trung trong điện cực Wehnelt ( phát minh bởi nhà khoa học người ĐứcA.Wehnelt năm 1908), nó có khả năng tập trung electron vào bia anode Bia này là

đĩa Vonfram hoặc mạ trên khối đồng để hấp thụ nhiệt trên bia Những electron phát

xạ được gia tốc trong điện trường giữa cathode và anode Trong thực tế, trường nàyđược tạo ra bằng cách cung cấp điện thế âm cho cathode và giữ anode tiếp đất, làmanode nguội dễ dàng hơn ( như sự lưu thông nước).Vỏ bọc thủy tinh của ống phảiđáp ứng nhu cầu cách ly trong chân không cũng như cao thế Tia X được phát ratrực tiếp từ anode từ đó được chuyển ra ngoài qua cửa sổ đặc biệt Cửa sổ này đượcđặt sao cho tia X ra ngoài vuông góc với trục ống gọi là bề mặt cửa sổ hình học.Trong ngành y, cửa sổ lối ra có thể là một phần của mặt kính bao quanh như hình2.4 Tuy nhiên, trong những ống huỳnh quang tia X, cửa sổ thường được làm bằngmàng beri mỏng để hấp thụ tia X ở mức năng lượng thấp ít nhất Để tăng cường độphát ra, người ta có thể tìm cách giảm khoảng cách giữa cửa sổ và anode Cho đếnnay, điều này chỉ có thể đạt được một mức độ nào đó bởi vì nhiệt độ quá cao vànhững electron tới anode có thể tới tận của sổ này Một điều không thể bỏ qua làhiệu ứng khi cả anode và cửa sổ được tiếp đất trong trường hợp thông thường củanhững ống có cửa sổ một bên Góc giữa mặt bia anode và với pháp tuyến của cửasổ( góc anode)có thể nằm trong khoảng 15-200, do đó tổng góc mở cho tia X phát ra

Anode hình học đối ngẫu có thể thấy rõ trong những ống có cửa sổ một bên.

Đó là lớp mỏng của nguyên tố nhẹ bao phủ tấm bì làm từ nguyên tố nặng Phụthuộc vào giá trị của điện thế cao, có 2 loại quang phổ có thể được quan sát vớicùng một loại ống Khi điện thế gia tốc chậm, sự thâm nhập sâu của electron cũng ítnên tia X phần lớn phát ra trên lớp nguyên tố nhẹ Khi electron được gia tốc với caothế, nó thâm nhập sâu vào lớp thứ 2 của bia, quang phổ do nguyên tố nặng trongtrường hợp này trội hơn

Cửa sổ ra có thể được sắp xếp kiểu khác như trong hình 2.5 Ở đây, cathode cóhình vòng, góc tới 900 và cửa sổ thoát ra tương tự như ống trục Thông thường,giống như cửa sổ hình học cuối cho phép khoảng cách anode và cửa sổ nhỏ hơn(mẫu anode tương ứng) Hơn nữa, cathode và cửa sổ thường được tiếp đất trong khianode có một điện thế dương cao Và kết quả là, electron tới anode đập vào cửa sổ

sẽ bị triệt tiêu mạnh mẽ Tuy nhiên việc thu hẹp khoảng cách giữa anode và cửa sổvẫn còn hạn chế vì sự nguy hiểm của sự phóng điện giữa anode và cửa sổ Khi góchấp thụ rộng sẽ hạn chế tối đa sự tự hấp thụ tia X trên bia Do đó ống kiểu này đặtbiệt ứng dụng ở mức năng lượng thấp Hơn nữa, những ống này cho ra sự bức xạquang phổ đẳng hướng Mặt khác, khoảng cách nhỏ giữa anode và cathode-đặttrưng cho thiết kế ống của sổ cuối sẽ giới hạn giá trị cao thế, thường không quá60kV

Trong bộ truyền qua anode của ống tia X-bia là lớp mỏng hướng vào cửa sổ ralàm bằng màng beri Electron phát tới đập thẳng góc bia rồi phát photon tới cửa sốBeri theo cùng một hướng Thông thường, quang phổ liên tục phát ra bởi anode thì

bị triệt tiêu phần nào đó do sự hấp thụ ở lớp ngoài bia, đặc biệt là ở năng lượng thấp

và trên mép hấp thụ của dòng bị kích thích, vì vậy có thể đánh giá những ống nàybằng sự chiếm bức xạ bên trong, sự đóng góp thấp của bức xạ liên tục dẫn đến sựgiảm nền bức xạ và do đó để tăng giới hạn dò tìm trong ống phân tích huỳnh quang.Bia trong ống tia X gắn vào nguồn có công suất thấp (<100W) bởi vì lá mỏng anodekhông thể chịu được tải nhiệt lớn

9 Phần kết nối với cao thế

Hình 2.5 Sơ đồ lối ra của 1 ống tia X trong phân tích huỳnh quang.

Sự tản nhiệt trên anode là vấn đề chính trong việc thực hiện những ống điềutiêu nhỏ khi giữ công suất lớn của ống Tại lần va chạm xiên đầu tiên,chỉ có thể tìmđược vết điều tiêu nhỏ ở giá trị công suất nhỏ Có 2 phương pháp chuẩn để khắcphục:

Phương pháp đầu tiên dựa trên sự điều tiêu quang học khác với điều tiêu điệntrên anode (hình 2.6) Trong hầu hết các ứng dụng (như chụp ảnh tia X, tổ hợp phùhợp với quang học) chỉ có điều tiêu quang học là quan trọng nhất Khi góc anodekhoảng 60, chiều dài của điều tiêu xấp xỉ nhỏ hơn 10 lần chiều dài thật của điều tiêuđiện trên anode Ví dụ, ống tiêu điểm tốt có vết điều tiêu quang học khoảng 0.4mm

x 0.8 mm, trong khi kích thước vết tiêu thật trên anode vào khoảng 0.4mm x 8mm.Công suất của ống tiêu điểm này có thể đạt tới 3kW Tổng độ mở của tia X đi rakhông vượt quá 10-120

Hình 2.6 Electron và vết tiêu quang học của 1 cực anot có góc .

Để có thể hoạt động ở công suất cao hơn cần phải sử dụng một mô hình vớianode quay (hình2.7).Một anode dạng đĩa được gắn vào một roto mang 1 hệ thốngquay phụ Một stato điều khiển roto bằng điện qua một trường quay được đặt bênngoài ống chân không Quĩ đạo đường cong của dòng electron trên anode khi nóquay là đường tròn, do đó tải nhiệt được phân phối ra ngoài nhiều hơn đáng kể sovới ống điều tiêu Tản nhiệt ra ngoài từ anode được thực hiện hầu như bằng bức xạ

và được phụ thêm bằng bộ làm lạnh khí [18,19] Mật độ năng lượng đặc trưng chocác vết tiêu dạng thẳng cỡ khoảng 1mm x 10mm là 5-10 kW/mm2, của vết tiêu vớidiện tích nhỏ hơn 1mm2 là 25kW/mm2 với tần số quay là 17000/phút Nước đượclàm lạnh ở anode quay thoát ra trong hệ thống riêng cho từng vật liệu nghiên cứu do

đó cho phép tiếp tục hoạt động ở công suất cao

Hình 2.7 Nguyên tắc hoạt động của dương cực quay

Công nghệ và thiết kế cathode

Thông thường, dòng phát ra trong ống tia X được điều khiển bởi nhiệt độ củacathode, nó phụ thuộc giá trị của dòng trong dây tóc Điều quan trọng đó là kích cỡcủa chuẩn trực không phụ thuộc vào dòng anode trên khoảng 500:1 và điện thế giatốc vượt quá tỉ lệ 3:1

Việc điều khiển dòng phát ra thông qua nhiệt độ cathode đòi hỏi bức xạ với tảinhiệt thấp trong khoảng thời gian không đổi trong giới hạn ms Điều này có thểđược thực hiện theo cách đơn giản là dùng dây và lá Vonfram mỏng Phụ thuộc vàokích thước của chuẩn trực mà nguồn phát được dùng là dạng cuộn, xoắn ốc, ống sợitóc, vòng, hoặc lá phẳng ngoằn ngoèo (hình 2.8)

Như đã thấy ở hình 2.9, hoạt động của nguồn bức xạ chỉ có thể ở vài giới hạnnào đó Khi dòng qua dây tóc nhỏ (dưới ngưỡng giá trị ) thì không có sự phát xạ.Khi dòng qua dây tóc lớn thì dòng phát ra tới anode bị bão hòa Giá trị bão hòa phụthuộc vào cao thế được cung cấp Nhiệt độ của nguồn phát có thể đạt được dưới giớihạn cho phép là 23000C Ở nhiệt độ này thì hiệu ứng bay hơi kim loại có thể xảy ra,

vì vậy thời gian hoạt động tốt nhất giới hạn từ 30-50h Đây là lý do mà cathodeđược bật lên chỉ trong vài giây ở nhiệt độ cao như vậy Dòng anode cũng phụ thuộcvào giá trị cao thế do hiệu ứng che chắn cục bộ của không gian điện tích

Chùm tia electronVết tiêu

Quỹ đạo vết tiêuAnode

Ổ biRator

Hình 2.8 Những loại nguồn phát bức xạ khác nhau của cathode

Hình 2.9 Dòng anode là hàm của dòng qua dây tóc với tham số là hiệu điện

thế anode

Cấu trúc nguồn phát phẳng và mỏng được ghép uốn khúc được dùng chonhững ống có điện thế anode thấp và chuẩn trực nhỏ (<0.3mm) Lý do là nó sẽ cótính chất điều tiêu tốt hơn so với bề mặt phẳng Hơn nữa, có thể cho ra dòng phát xạtương đối cao ở nhiệt độ cathode thấp

Điện cực Wehnelt được sử dụng để điều khiển những electron ở lân cận dâytóc và phát electron theo đúng hướng Hiện nay loại điện cực Wehnelt nói chungđược xác định thông qua tính toán thích hợp của máy tính

Công nghệ và thiết kế anode

Như đã đề cập ở trên, một anode chuẩn gồm 1 bia mỏng được gắn vào trongmột khối đồng lớn (hình 2.4), bia thường làm bằng đồng, molyden, vonfram cũng

có thể dùng những kim loại khác như: Mg, Al, Cr, Fe, Ni, Rh, Ag

Hình 2.10 Sơ đồ thiết kế cathode Liều lượng phân phối theo bề rộng vết tiêu.

Công nghệ anode quay ngày càng phức tạp Anode quay Vonfram thì được sảnxuất trên cơ sở chuẩn luyện kim bột Hạn chế của công nghệ này là sự mài mòn bềmặt do sự nén cơ nhiệt cao Hiệu ứng này dẫn đến sự sụt giảm nhanh chóng cường

độ tia X và gây nên cái gọi là hiệu ứng mặt nghiêng Ở đây, một phần bức xạ trongnhững lớp sâu hơn của anode bị hấp thụ trước khi rời khỏi anode Thêm vào đó là

sự biến dạng cơ học xảy ra-có thể phá hủy anode Vì đặc trưng nhiệt của Vonframtương đối thấp, khả năng lưu trữ nhiệt đối với trọng lượng khả dụng của anode thìcũng nhỏ, do đó nhiệt độ cao của anode đạt được ở phụ tải tương đối thấp

Công nghệ nâng cao dựa trên nguyên liệu hỗn hợp Reni(Re)-Vofram-Molyden(RTM) Sơ đồ cắt ngang của anode RTM biểu diễn trong hình 2.11 Ở đây ta có hỗn

Liều lượng

Bề rộng vết tiêu

hợp 10% Re trong W bề dày 1-2mm bao phủ được gắn vào Điều này cải thiện hiệuquả tính chất đàn hồi của anode và làm giảm đáng kể tính chất cọ xát Trộn lẫn vàiphần trăm Ti và Zr (anode TZM) trong thanh Mo+W gần như gấp đôi khả năng tíchtrữ nhiệt của anode, với trọng lượng và moment quán tính đã cho [20].

Một giải pháp tối ưu để điều khiển khả năng tích trữ nhiệt và bức xạ nhiệt cóthể đạt được trong một anode giới nội với tấm than chì (hình 2.12) Với anodenhiệt , tấm RTM được hàn vào chất tải nhiệt than chì, ống được sản xuất với trọngtải lớn hơn 3.106 J hoạt động tại công suất nhiệt trung bình 4 kW

Hình 2.11 Mặt cắt của một anode RTM

Hình 2.12 Mặt cắt của một anode RTM- than chì

Hệ thống mang anode quay

Để phù hợp với yêu cầu của một hệ điều hành vòng bi trong chân không ởnhiệt độ không cao hơn 4000C, thì phải dùng thép tương thích với nhiệt độ này Nhưmột quy luật, ngày nay những quả bi trơn được sử dụng, theo đó những nhà máysản xuất ống tia X bảo mật những thiết kế của họ và trên hết là phương pháp bôitrơn

Như vậy việc sử dụng đệm lò xo hay không, không có lồng ổ trục với cả hai,bôi trơn bằng molyden bisulphate, bạc hay chì Những phương pháp cung cấp chấtbôi trơn cũng khác nhau Một số thiết kế sử dụng phương pháp phun kim loại, một

số khác sử dụng phương pháp sơn phủ vật lý và cũng có một số khác dùng quá trìnhđiện hoặc chu trình vận hành dưới bột

Những thiết kế và chu trình khác nhau thì ảnh hưởng đến tính chất như là tầnsuất quay tròn có thể đạt tới được của anode, thời gian sống có ích (phụ thuộc vàocông suất đòi hỏi chạy tới 200 giờ làm việc) và cấp độ nhiễu thao tác

2.2.3 Vỏ chân không của ống tia X

Các thành phần nêu trên của một ống tia X được đặt trong một vỏ ống với haimục đích chính: cách ly chân không và cách điện Các vật liệu thường được sử dụng

để làm vỏ ống là thủy tinh, kim loại và gốm

Ống thủy tinh

Các vật liệu chủ yếu được sử dụng để làm ống là thủy tinh Các yêu cầu chínhcủa các loại thủy tinh phù hợp là điện trở đặc biệt cao, nồng độ chất điện môi tốt vàkhả năng chịu được sự thay đổi nhiệt độ.Thủy tinh borosilicat có đủ những yêu cầunày Ngoài ra, thủy tinh này có thể được trộn với hợp kim Ni-CO-Fe (Vacon hoặcKovar) để đảm bảo chỗ tiếp xúc điện là cần thiết Vì thủy tinh bọc ngoài là chấtcách ly điện áp cao giữa anode và cathode, nó phẳng và dễ dàng làm sạch bề mặtcũng là một lợi thế quan trọng

Ống kim loại- thủy tinh

Giữa anode và cathode là chất tải cao Lớp kim loại mỏng trên ống thủy tinhảnh hưởng đến khả năng của chất điện môi Để tránh hiện tượng này và tăng tuổithọ của ống, các bộ phận trong ống thủy tinh được làm bằng kim loại để tạo ra điệnthế xác định Ngoài ra, một phần nhỏ trong số các điện tử thứ cấp từ anode có thểđược bỏ qua phần giữa anode và cathode Bằng cách này, một phần bức xạ vượt rangoài tiêu điểm có thể được giảm

Ống kim loại-gốm

Ống tia X kim loại-gốm đã được sử dụng từ những năm 1960 Những đặctrưng để phân biệt chúng là ở chỗ sử dụng vật liệu gốm thay thế cho thủy tinh vì làchất cách điện cao Ống kim loại-gốm có một số ưu thế hơn ống thủy tinh chuẩn.Nói cụ thể, gốm cho phép xử lý cơ học dễ dàng hơn: cắt và khoan là có thể Vỏ gốm

có thể được sản xuất với độ chính xác cao hình dạng của chúng Kết quả là, vỏ chânkhông có hình dạng tự do Các bộ phận kim loại của ống có thể được nối chặt trongchân không bằng chất cách điện là gốm Độ dẫn điện mặt ngoài của gốm thấp, vớikhoảng cách ngắn không cho điện áp cao đi qua Gốm cách điện đã cải thiện được

vị trí của vết tiêu Đặc và thiết kế vững chắc, giảm khối lượng, tăng tuổi thọ lànhững lợi ích của ống tia X bằng gốm [21]

2.2.4 Bộ vỏ của ống

Ống tia X được bọc trong một vỏ bảo vệ để bảo đảm chúng an toàn Hai loạithiết kế được phân biệt: bộ phận đơn giản, gồm vỏ ống tia X và một vài thành phầnđiều khiển, và một buồng đơn nơi mà ống tia X được tích hợp với một máy phátđiện áp cao Loại thứ hai của bộ tia X: ban đầu được sử dụng hầu như cho ốnganode tĩnh, nhưng theo thời gian cũng được sử dụng để quay ống anode do ứngdụng công nghệ tần số cao trong việc tạo ra điện áp cao

Các vỏ ống thực hiện chức năng chính sau đây: cách điện điện áp cao, làmmát, bảo vệ chống nổ, chống bức xạ Chống rò rỉ bức xạ phải được kiểm tra chotừng ống tia X một bằng phương pháp của phép đo 4 thích hợp

2.2.5 Ống tia X hiện đại

Về mặt thương mại ống tia X có thể được chia thành 3 loai lớn tùy theo nănglượng của chúng:

 Ống tia X năng lượng thấp (< 1 kW)

 Ống tia X năng lượng cao ( 1- 5 kW)

 Ống tia X năng lượng cao với anode quay ( > 5 kW).

Hiện nay có hai xu hướng phát triển ống tia X bao gồm: phát triển của nguồnnăng lượng thấp với vết tiêu bé và độ sáng cao; phát triển ống tia X năng lượng lớn(> 30 kW) với anode quay (ví dụ cho ứng dụng y học hay cho việc tìm khuyết tật)

Ống tia X năng lượng thấp

Cho đến gần đây các ứng dụng chính của ống tia X tiêu điểm nhỏ đã được sửdụng trong chụp ảnh X-quang với độ phân giải không gian rất cao Hiện nay, ống tia

X vi tiêu điểm đã được phát triển đáng kể nhờ có những tiến bộ mới nhất trong tiaX-quang học, chủ yếu là mao dẫn quang học [22-24] Tập trung nhiều mao dẫnquang học ( gọi là “ống kính tia X”) cho phép tập trung chùm tia vào những điểmnhỏ (khoảng 10-100µm) trên mẫu Tuy nhiên, hiệu quả của mao dẫn quang học phụthuộc đáng kể vào kích thước nguồn Nói chung, cần nguồn có kích thước xấp xỉcùng kích thước như vết tiêu mong muốn trên mẫu Trong trường hợp này, một sựkết hợp của năng lượng thấp với độ sáng cao của ống tia X với sự tập trung mao dẫncho phép đạt được cường độ như vậy trong một điểm nhỏ trên mẫu mà chỉ đạt đượcvới ống năng lượng cao mà không có mao dẫn quang học Hiện nay trên thực tếphải trang bị ống tiêu điểm với sự hội tụ quang học thích hợp không thể thiếu chohoạt động phân tích huỳnh quang tia X

Năng lượng đặc trưng của ống tia X tiêu điểm (trong Watt) có thể ước tínhnhư sau:

 W  

Trong đó D là đường kính của anode tính từ tâm ra ( đơn vị µm) [25,26].Trong số các vi tiêu điểm khác nhau có sẵn trong ống tia X đã được đề cập đếnlần đầu tiên trong sản phẩm Hamamatsub [27].Ví dụ, một ống tia X L9181 có bađiểm chế độ: 5 μm ở 4W, 20μm ở 16W và 40μm ở 39Wm ở 4W, 20μm ở 4W, 20μm ở 16W và 40μm ở 39Wm ở 16W và 40μm ở 4W, 20μm ở 16W và 40μm ở 39Wm ở 39W.Trong ống tia X cửa sổcuối với anode bằng vonfram, cửa sổ Be 500m và bộ làm mát không khí, có thểđược vận hành với điện áp cao đến 130 kV Khoảng cách tối thiểu giữa một anode

và một mẫu (quang học) là 13 mm Phát triển mới nhất của Hamamatsu là một loạiống mở L8321, trong đó có một tiêu điểm khoảng 1 μm ở 4W, 20μm ở 16W và 40μm ở 39Wm và có thể hoạt động lên đến

160 kV Chuẩn trực từ khoảng cách xa có thể được làm nhỏ khoảng 0,5 mm

Công ty "Kevex X-Ray" sản xuất nguồn tia X có độ phân giải cao cho ảnh tia

X [28] Cửa sổ đóng tia X trong ống PXS5-926EA có tiêu điểm tối thiểu 5 μm ở 4W, 20μm ở 16W và 40μm ở 39Wm, côngsuất tối đa 8W và điện áp cao nhất là 90 kV

Công ty " Thiết bị Oxford " cũng cung cấp ống tia X vi tiêu điểm cửa sổ cuốiXTG UltraBtight [29] Với các vật liệu bia có thể là Cr, Cu, Mo, Rh và W Điện ápbia thay đổi trong khoảng 20-60 kV (10-90 kV cho W) Các kích thước tiêu điểm là12-40 μm ở 4W, 20μm ở 16W và 40μm ở 39Wm và công suất đầu ra tối đa là 10-80 W Ống sẽ được làm mát bằng khôngkhí Khoảng cách tối thiểu giữa anode – vi tiêu điểm là 4mm phù hợp cho phépghép nối X-quang

Các công ty "RTW Rontgen-Technik Dr Warrikhoff KG" [30] đã sản xuấtloạt MCBM gồm các ống tia X kim loại cho chụp X- quang độ phân giải cao Họ cónhững ống tia X có cửa sổ một bên với tiêu điểm nhỏ nhất khoảng 50 μm ở 4W, 20μm ở 16W và 40μm ở 39Wm (quanghọc), năng lượng tối đa 30W, điện áp cao lên đến 50 kV và làm mát bằng khí.Anode có thể làm bằng các vật liệu khác nhau: Cr, Fe, Co, Cu, Mo, W Khoảngcách tối thiểu giữa anode – vi tiêu điểm là 14.5mm cho phép ghép nối với đa maodẫn quang học Một hệ thống điều chỉnh, trong đó kết hợp một ống X-ray với maodẫn quang học (hội tụ hoặc song song ), được phát triển bởi IFG -Institute forScientific Instruments GmbH [31,32] Các loại mao dẫn quang học được sử dụng là:hình trụ và hình elip đơn mao dẫn, đa mao dẫn quang học với khoảng cách tiêu cựthay đổi Kích thước tiêu cự khoảng 20-100 μm ở 4W, 20μm ở 16W và 40μm ở 39Wm với nhiều mao dẫn vòng theo ốngkính và 5-10 μm ở 4W, 20μm ở 16W và 40μm ở 39Wm với các mao dẫn elip có thể đạt được trên mẫu Tiêu thụ nănglượng thấp, trọng lượng nhỏ và kích thước gọn cho phép chế tạo phổ kế XRF xáchtay [33] Bên cạnh đó RTW,cùng PANalytical [34], Siemens [35], YXLON [36],v.v … cũng sản xuất ống kim loại

Ống tia X năng lượng cao

Ống tia X năng lượng cao (1-5 kW) được sản xuất bởi một số nhà sản xuất:PANalytical, Pantak [37], Siemens, RTW Rontgen-Technik, Varian [38]vv ….Cácống X-quang thường được làm mát bằng nước Điện áp tối đa có thể lên đến 60-120

kV Các loại tiêu điểm nhỏ: loại bình thường (1mm × 10 mm), loại tốt (0.4mm × 8mm), loại dài (0.4mm × 12mm) hoặc loại rộng (2mm × 12 mm) Dưới góc anode 6o

tiêu điểm quang học là giảm hiệu suất theo một hướng với hệ số 10 Tùy thuộc vàogóc tới nó dẫn đến một điểm tập trung hay tập trung dòng Ví dụ, kích thước củatiêu điểm tập trung có thể là 0.4mm × 0.8mm (điểm tùy chọn) hoặc 0.04mm × 8mm(Dòng tùy chọn) Tiêu chuẩn của các ống tìm thấy trong phân tích huỳnh quang tia

X và nhiễu xạ tia X

Ống tia X năng lượng cao với anode quay

Ống anode quay cho phép có được giá trị năng lượng cao Các tiến bộ của vàinăm qua bị chi phối chủ yếu bởi sự phát triển mạnh mẽ là nguồn tia X cho các ứngdụng y tế Phải nhắc đến loại OPTILIX của ống X-quang được sản xuất bởiSiemens Tùy thuộc vào điều kiện sử dụng, những ống này có thể hoạt động ở điện

áp cao lên đến 150 kV và đạt được công suất tối đa lên đến 80 kW Các đĩa anodeđược làm bằng vonfram rheni kết hợp với molypden và than chì Các tiêu điểmkhoảng từ 0.2mm và 2 mm Lĩnh vực ứng dụng thông thường là chẩn đoán Ống vớichuẩn trực nhỏ (0.2-0.3mm) rất thích hợp cho việc hiển thị tốt chi tiết Ống vớichuẩn trực lớn và công suất tối đa được sử dụng cho khoảng thời gian tiếp xúc ngắnliên quan đến tải trọng cao

Đối với nhiễu xạ X-quang công ty Rigaku [39] đã phát triển một máy phátđiện tia X siêu công suất với sản lượng lên đến 60 kV và 1500 mA Việc lắp ráp cựcdương quay bao gồm bia Cu (tùy chọn: Cr, Fe, Co, Ni, Mo, Ag, Au) Các kíchthước tập trung sẵn có là 1mm × 10 mm, 0.3mm × 3mm và 0.1mm x 1 mm

Trường phát xạ của ống tia X

Như đã đề cập ở trên, hai xu hướng chính ưu tiên áp dụng hiện nay trong việcphát triển ống X-quang hiện đại Một mặt, ống có năng lượng cao với cực dươngquay được thiết kế và liên tục được cải thiện (ví dụ, cho các ứng dụng y tế) Mặtkhác,với thiết kế nhỏ gọn năng lượng nguồn tia X thấp kết hợp với tia X quang họcđược tạo ra cho các ứng dụng trong phân tích huỳnh quang và nhiễu xạ nhỏ

Nguyên tắc hoạt động của ống với một cực âm lạnh được dựa trên hiện tượngcủa vùng phát xạ và không phát ra nhiệt như trong các ống thông thường Các mẫuđầu tiên của ống có vùng phát xạ sử dụng một cực âm có đỉnh nhọn được làm bằngvật liệu kim loại Một điện áp cao giữa cathode và anode tạo ra một điện trườngmạnh mẽ ở đầu kim đủ để kéo các electron ở đầu cathode lạnh Sau đó các electronđược gia tốc đến một anode như trong ống X-quang chuẩn Thông thường, chânkhông khoảng 10-8 Torr hoặc lớn hơn là cần thiết bởi vì bắn phá cathode bằng cácion dương của khí chống phá hư hỏng còn lại của nó và làm giảm đáng kể cácelectron phát ra Các phát triển mới nhất sử dụng các tấm carbon dưới dạng một sợiđơn, một bó sợi (sợi quang), một cạnh sắc nhọn (ví dụ, một lỗ nhỏ trong phimgraphite mỏng), ống nano than chì hoặc cái gọi là "giấy Bucky" [40-44] Ưu điểmchính của tấm cacbon từ thực tế là sự bắn phá của chúng bằng cách bắn phá các iondương không "trơn" dạng đỉnh và góc cạnh Ngược lại, sự bắn phá tạo ra dạng đỉnh

và góc cạnh mới do cấu trúc than chì Do đó, các đời của tấm carbon ở anode có ýnghĩa lớn Bên cạnh đó, người ta có thể làm việc với chân không thấp hơn (khoảng

10-6 Torr)

Miền phát xạ của ống khí cũng tương tự như cấu tạo của chúng để chứa triode

và cathode, một anode và một cửa dùng điện cực (bộ điều biến) Điện áp giữa cáccathode và bộ điều biến phục vụ cho việc kéo điện tử ra khỏi cathode Tùy thuộcvào kết cấu của cực âm, điện áp này có thể nằm giữa 2kV và 150V Điện áp này cóthể thay đổi điều chỉnh dòng điện của ống Các electron phát ra được gia tốc trongmiền điện được tạo ra bởi một điện áp cao giữa bộ điều biến và anode Thông

thường, ống có cửa sổ cuối có hình dạng giống của một phim beri mỏng với lớp kếttủa anode (sự chuyển giao cực dương hình học).

Một kết cấu của thành phần cathode được trình bày trong hình 2.13 (E.Sheshin, tin truyền thông) Cực phát xạ là một bó sợi carbon và có đường kính xấp

xỉ 150-200 μm ở 4W, 20μm ở 16W và 40μm ở 39Wm (một sợi đơn có đường kính xấp xỉ 1μm ở 4W, 20μm ở 16W và 40μm ở 39Wm) Bó này được phủ một lớp

vỏ thủy tinh, được cố định bên trong với khung bộ điều biến bằng phương tiện côngnghệ kim loại-gốm Các bộ điều biến có khe hở lối ra xấp xỉ 0,8 mm Toàn bộ cấutạo có đường kính xấp xỉ 4mm và chiều dài xấp xỉ 8mm Các giá trị cần thiết củacực điện áp phụ thuộc chủ yếu vào các khoảng cách giữa đầu cathode và bộ điềubiến độ mở ống kính (thường là 0.5mm) và thường nằm trong khoảng 150 -200eV.Thành phần của cathode phát ra dòng điện ổn định khoảng 100 μm ở 4W, 20μm ở 16W và 40μm ở 39WA

Một đề án khác với tài liệu Bucky là một nguồn phát bức xạ (Hình 2.14) chophép thực hiện với khoảng cách bia và cửa sổ nhỏ, và do đó điện áp của cathodethấp khoảng150-200 eV Các dòng điện phát ra hiện nay có thể đạt được giá trị 100

μm ở 4W, 20μm ở 16W và 40μm ở 39WA và duy trì ổn định trong khoảng thời gian dài Đề án này thì có nhiều triển vọng

do nhỏ gọn và điện áp cổng thấp

Từ miền phát xạ cathode không cần cung cấp năng lượng để nung nóng dâytóc, kết cấu ống đơn giản hơn và nhỏ gọn so với ống X-quang thông thường Hệthống làm mát cũng không cần thiết vì năng lượng không vượt quá vài Watt Hướngphát triển xa hơn bao gồm việc cải thiện hệ thống các thông số quan trọng: sự ổnđịnh và tuổi thọ Nó cũng được cho là miền tổng hợp phát xạ tia X trong ống maodẫn bên trong với một mô-đun dùng cho ứng dụng trong phân tích vật chất

Hình 2.13 Sơ đồ của các thành phần cathode với một bó sợi carbon như là

một cực phát

Hình 2.14 Sơ đồ của các thành phần cực âm bằng giấy Bucky là một cực

phát

Bộ điều biếnCathode

Thiết bị xách tay đầu tiên EDXRF dựa trên cơ sở trường phát của ống tia Xđược chào giá bởi công ty thiết bị Oxford [45] Nó có cathode là Rh và có thể hoạtđộng đến 30KV và 100µA

2.2.6 Một vài ứng dụng

Ống tia X có những ứng dụng cụ thể do một số tính năng đặc biệt của thiết kế.Ứng dụng phổ biến nhất ngày nay là phân tích vật chất ( ví dụ : XRF , XRD, XPS )

và trong nghiên cứu y khoa

Đối với phân tích huỳnh quang tia X, chúng ta cần nguồn tia X phát ra đặctính phóng xạ không đổi trong một thời gian dài Cho đến gần đây các ống với nănglượng một vài KW đã rút ngắn thời gian đo lường và làm tăng độ chính xác Vớimong muốn là có thể thiết kế ống với khoảng cách anode và mẫu ngắn Một ốngcửa sổ cuối điển hình để phân tích huỳnh quang được thể hiện trong hình 2.5.Anode được đặt ở vị trí trung tâm và có điện thế cao Anode sẽ được làm mát bằngnước khử iôn hóa thông qua hệ thống điều chỉnh của ống nhựa Điện cực Wehneltdưới dạng một vòng sợi bao quanh cực dương đồng tâm để định hình một điểm vếtđiều tiêu Các cửa sổ thoát ra từ beri thì ở cathode, do đó giảm tải nhiệt cho các điện

tử thứ cấp Nhìn chung, khoảng 30% electron bị va vào chỗ vết điều tiêu thì tán xạngược trở lại và dưới tác dụng của điện trường một lần nữa đi về phía các anode.Tuy nhiên, ngoài vết điều tiêu, nó còn sinh ra thêm cái không mong muốn là tiêuphụ bức xạ Trong nhiều ống thiết kế có một chén bằng đồng đặc biệt đặt gần cáccực dương để giữ lại tán xạ ngược của electron giống như hình 2.15 Các ống hoạtđộng với điện áp đến 60 kV và dòng điện lên tới 100 mA ở công suất tối đa là 3kW

Hình 2.15 Lược đồ của một anode đứng yên được làm mát bằng chất lỏng

cho tải cao liên tục

Hình 2.16 Ống tia X cho XRD của nhà sản xuất Siemens.

Trái ngược với XRF, với ống chuẩn có thể có những vết tiêu điểm rộng, nhiễu

xạ kế đòi hỏi xác định sắc nét các vết tiêu điểm nhỏ Ống tia X cho XRD được thểhiện trong hình 2.16 Cathode phát electron theo dòng tiêu điểm để tản năng lượng

Chén electron (Cu)

Bia W

Lỗ khoan làm lạnh

Cửa sổ Be

Chất cách

Điện thế tiếp xúc cao

Cửa sổ Beri

Đĩa đồng

Bộ phận làm lạnh

mất mác trên một vùng rộng lớn Anode tiếp đất và được làm mát thông qua hệthống phun làm mát Có thể hoạt động liên tục với công suất 1 KW mặt dù kíchthước của vết điều tiêu nhỏ Một phần bức xạ đơn sắc thoát ra ngoài thì đạt đượcthông qua việc sử dụng các bộ phận lọc hấp thụ (ví dụ ,bộ lọc bằng đồng cho Anodebằng đồng) Bề dày của các bộ lọc có thể từ 30µm đến 60µm tùy thuộc vào sựxuyên sâu của photon.

Hình 2.17 biểu diễn cấu tạo anode của ống tia X phát ra phía trước mà tạo rabức xạ tia X ở đằng sau anode theo hướng va chạm của dòng điện tử Ở đây, anodechỉ dày từ 10-30 µm

Hình 2.17 Làm mát bằng nước của anode ở ống tia X

Trong thực tế, một lớp màng cản Ni 3-5 μm ở 4W, 20μm ở 16W và 40μm ở 39Wm trên phần đồng đọng lại Mặttrước của anode được làm mát bằng nước chảy qua một khe dày khoảng 1mm

Ống tia X phân tích cấu trúc thô phải chịu được điện áp lên đến 400 kV(cathode: -200 kV, anode: +200 kV) để điều khiển tia X phát ra qua các mối hàndày Nói chung, các vấn đề về sự chuyển động nhòe là không đáng kể, do đó cácxung cực ngắn là không cần thiết Mức năng lượng cung cấp cho quá trình hoạtđộng liên tục là khoảng vài KW Năng lượng này đủ để tiếp xúc với các vật liệuphim và trong một thời gian hợp lí

Cửa sổ tia X - Al

Một số ống để chụp ảnh phóng xạ sử dụng dây vonfram và một ống kính tậptrung điện từ cho một dòng electron đường kính 10µm Ở cao thế 100kv và cường

độ dòng tia 100 µA tương ứng với công suất là 10W Bia vonfram sử dụng chonguồn vi tiêu điểm có độ sáng chói cao Sự tải năng lượng ở anode đạt 130 kwmm-2.Thời gian sống của nguồn vào khoảng 2h mặt dù có mặt anode quay và làm lạnhbằng nước

Hạn chế cường độ tia X trong ống tia X năng lượng cao là năng lượng điện cóthể được gửi đến anode mà không gây ra bất kỳ thiệt hại nào Trong các thiết bịanode quay chẳng hạn như Rigaku FRC, khó khăn này thì nhanh chóng được khắcphục bằng cách dùng anode quay được làm lạnh Những vấn đề kỹ thuật chính làđạt được chân không trong bia quay làm mát bằng nước Thông thường, việc nàyđược thực hiện bằng cách sử dụng buồng dầu kín Các đặc điểm của thiết bị RigakuFRC (đường kính anode là 250 mm, tốc độ vòng quay 9000 min-1, kích thước vếttiêu là 0.1mm × 0.1 mm, năng lượng cực đại 3,5 kW, công suất tải trọng tối đa 35kWmm-2) là phù hợp cho việc biểu diễn tia X trên in đá Do đó, nhiều loại vật liệubia khác nhau có thể sử dụng các lớp phủ anode đồng quay khác nhau, ví dụ, vớinhôm là 20 μm ở 4W, 20μm ở 16W và 40μm ở 39Wm

Tính không thay đổi cao của phân rã phóng xạ và nguồn phóng xạ không phụthuộc vào bên ngoài như áp suất, nhiệt độ, hóa chất bị nhiễm xung quanh, và khôngyêu cầu bộ nguồn nuôi khởi đầu cho nhiều ứng dụng công nghiệp XRF trong nhữngnăm qua Những thuận lợi khác là kích thước của nguồn nhỏ và chi phí tương đốithấp Nhưng quy định an toàn bức xạ đã làm giới hạn khả năng sử dụng vào thờiđiểm đó.

Tuy nhiên, sự kích thích của các tia X đặc trưng bằng nguồn đồng vị phóng xạ

đã dẫn đến các ứng dụng thú vị, đặc biệt là cho các thiết bị cầm tay và các thiết bịmang đi được, ví dụ, đối với việc xác định hàm lượng lưu huỳnh trong xăng và than

đá hoặc hàm lượng kim loại trong phế liệu

2.3.1 Nguyên tắc vật lý cơ bản

Nguồn đồng vị phóng xạ có thể được đặc trưng bởi:

• Loại phân rã phóng xạ

• Hoạt độ của các nguồn

• Chu kỳ bán rã của nguồn

• Năng lượng của bức xạ phát ra

• Đặc tính kết nối với sản xuất của các nguồn

Các loại phân rã phóng xạ

Một cuộc khảo sát các loại phân rã phóng xạ có thể được tìm thấy trong[46,47] Đối với XRF, phân rã α, phân rã β-, phân rã β+, và sự bắt ở lớp K là quantrọng nhất Một hiệu ứng phân rã xảy ra khi hạt nhân phát ra một hạt α bao gồm haiproton và hai neutron Phân rã β- được đặc trưng bởi sự phát xạ của một electron vàhạt phản neutrino Phổ năng lượng của electron tức các hạt β là liên tục vì hạt phảnneutrino mất một phần năng lượng Phân rã β+ thì đặc trưng bởi sự phát xạ của cáchạt electron, hạt mang điện dương và giống với phân rã β-, phân rã β+ tạo ra quang

phổ liên tục Sự bắt electron ở lớp K là sự bắt một electron từ vỏ bên trong ( vỏ K).

Số proton của hạt nhân thay đổi, trong hạt nhân một proton biến thành một neutron

Sự phân rã hạt nhân kéo theo sự phát bức xạ gamma, phát xạ tia X hoặc biếnđổi bên trong Bức xạ Gamma được phát ra trong quá trình chuyển đổi của hạt nhânkích thích từ trạng thái có mức năng lượng cao xuống mức năng lượng thấp hơn.Các nhân kích thích phát ra một hoặc một số photon Photon phát ra từng đợt phụthuộc vào sự tồn tại của trạng thái trung gian trong hạt nhân Quá trình biến đổi bêntrong là một quá trình khác để phát ra tia gamma Năng lượng kích thích được biếnđổi cho một trong các electron quỹ đạo, năng lượng electron nhận vào là Ee đượcđưa ra bởi:

N

dt   (2.3)

trong đó λ là hằng số phân rã của hạt nhân phóng xạ này

Kết hợp các phương trình, chúng ta có được định luật phân rã phóng xạ:

0. t

N N e 

 (2.4)trong đó

N :là số hạt nhân của một đồng vị phóng xạ sau một thời gian t

0

N : là số hạt nhân cho tại thời điểm t = 0

Chu kì bán rã của nguồn

Thời gian bán rã T1 2 được định nghĩa: là thời gian mà số lượng hạt nhânphóng xạ ban đầu giảm đi một nửa

Năng lượng của bức xạ phát ra

Năng lượng của bức xạ gamma hay tia X được phát ra từ các nguồn phóng xạ

sử dụng XRF có thể là tuyến tính hoặc liên tục Quang phổ tuyến tính là đặc trưngcủa nguồn nếu phân rã hạt nhân kèm theo sự phát xạ của tia gamma hay tia X.Quang phổ liên tục là điển hình của nguồn phát ra bức xạ phóng xạ được tạo ra khi

các electron tương tác trong vật chất Phần năng lượng của chúng chuyển đổi thànhbức xạ điện từ được gọi là bức xạ hãm Quá trình này được sử dụng để sinh ra bức

xạ hãm từ ống tia X (xem 2.1.)

Tuy nhiên, sự kết hợp của nguồn β với bia vật liệu cũng tạo ra một nguồnphóng xạ bức xạ hãm Những nguồn này với quang phổ liên tục của bức xạ hãm cóthể tăng khả năng kích thích bức xạ đặc trưng của nguồn Hình dạng của phổ nănglượng phụ thuộc vào quang phổ của các hạt β phát ra bởi một nguồn phóng xạ.Năng lượng tối đa trong quang phổ của phóng xạ bức xạ hãm được xác định bởi tối

đa năng lượng của các hạt β

Thuộc tính kết nối với các nguồn sản xuất

Các đặc tính của các nguồn được phân biệt theo loại sản xuất, kích thước, hìnhdạng, loại lớp phủ ngoài , … Các loại lớp phủ ngoài ảnh hưởng đến hình dạng củaquang phổ Bề dày của lớp phủ ngoài hoặc lớp phủ vật liệu với một số Z cao hơn cóthể hấp thụ bức xạ năng lượng thấp từ nguồn

Thành Phố Hồ Chí Minh - Năm 2010

bức xạ Các nguyên tử có thể được kích thích bởi các photon có năng lượng cao hơn

so với năng lượng liên kết của các electron trên lớp K, L,… Để kích thích từ mức

K, của một nguyên tố, ví dụ như Sn, thì mức năng lượng của bức xạ kích thích phảilớn hơn mức năng lượng liên kết trên lớp vỏ K của nguyên tố Sn, tức là 29,19 KeV.Mặt khác, năng lượng kích thích cũng không được quá cao Tiết diện ngang củahiệu ứng quang điện giảm nếu năng lượng tăng, và tương ứng với xác suất phát racác bức xạ đặc trưng cũng giảm Mỗi nguồn đều có một nhóm của các nguyên tố mànhững nguồn đó là thích hợp nhất [51]

Các photon phát ra từ nguồn có thể tương tác trong các mẫu bằng tán xạ phùhợp và cả tán xạ Compton Những bức xạ này có thể được hấp thụ trong detector,

và nó có thể nâng phông đo trong một phần của quang phổ đồng thời gây khó khăntrong việc đo lường ở mức cường độ thấp Một vấn đề tương tự có thể là nguyênnhân bỏ sót một số đỉnh trong quang phổ [49] Tất cả những trường hợp này phảiđược tính trước khi lựa chọn nguồn

a Nguồn Đồng Vị Phóng Xạ Gamma Và Tia X

Các nguồn gamma và nguồn tia X sử dụng rộng rãi được cho trong bảng 2.1,ngoài ra, bảng cũng trình bày các dãy nguyên tố ưu tiên 55Fe là nguồn rất hữu íchvới những nguyên tố có số proton thấp Phổ năng lượng của nó được thể hiện tronghình 2.18 Các nguồn 238Pu, 244Cm và 109Cd là những nguồn được dùng để phát racác nguyên tố với Z = 20-42 Phổ năng lượng của 238Pu và 109Cd được hiển thị tronghình 2.19 và 2.20 109Cd là nguồn mà phát ra tia X nhờ việc chiếm lớp K Hình 2.21cho thấy sơ đồ phân rã của 109Cd Các mức năng lượng cao hơn của các photon đượcphát ra bởi nguồn 241Am và 57Co Phổ năng lượng của 241Am và sơ đồ phân rã của nóđược hiển thị trong hình 2.22 và 2.23