ZDROJE RENTGENOVÉHO ZÁŘENÍ

J.Brádler

Fyzikální ústav AV ČR , Na Slovance 2, 182 21  Praha 8, Česká republika

 

Pro plánování experimentů je důležité znát vlastnosti jednotlivých zdrojů rtg záření, jejich výkony a dostupnost. Vzhledem k šířce problematiky studovaných jevů (např.: studium povrchů, vrstevnatých struktur, prášků, materiálů podléhajících změnám po ozáření, „ time resolved“ experimenty, fázové přechody, tomografie, atd.), je nutné používat různé zdroje záření.

   Pro posouzení vlastností zdroje pro daný problém je důležité znát jeho parametry.

 

Na obr.1 je znázorněn systém souřadnic pro následující pojmy:

 


Obr. 1

 


Jas [phot.s-1mrad-2 mm-2 ; DE/E =10-3 ]

n = ¦(x, z, x , y, E, t)

t.j. počet fotonů vyzařovaných bodem A o souřadnicích  x, z ve směru y, x s energií E za jednotku času, velikosti zdroje, prostorového úhlu a šířce spektra DE/E = 10-3 .

Intenzita  [phot.s-1mrad-2 ; DE/E =10-3 ]

I = f(y,x ,E, t) = ∫  n.dxdz

Spekrální tok  [ phot.s-1; DE/E = 10-3 ]

FS = f( E, t) = ňW I dx dy

 

1.      Vznik rtg záření

Rtg záření vzniká v zásadě třemi způsoby :

a)      dopadem urychleného elektronu na pevnou podložku

b)      změnou  dráhy relativistického elektronu – synchrotronové záření

c)      jako vybuzené fluorescenční záření

Pro účely rtg difrakce má fluorescenční záření příliš malou intensitu a jako zdroj rtg záření ho prakticky nepoužíváme. Záření vznikající dopadem elektronu na hmotu dělíme ještě na  brzdné – vzniká změnou rychlosti elektronu

                          charakteristické - určené energetickými hladinami elektronů chemického prvku(ů) hmoty. Podrobnější informace [1- 4].

 

1.1    Brzdné záření 

Zdrojem elektronů je žhavené wolframové vlákno emitující tepelné elektrony jež jsou urychlovány elektrickým polem – obvykle 10¸60 keV, pro některé speciální difrakční techniky i nad 100 keV. Přibližný vztah  odvozený z experimentů  [1]

                                                In = CZ (n­­0  - n)

Kde In  je energie vyzářená jedním elektronem do prostoru (4p) o frekvenci n,  Z  je atomové číslo, n­­0 = Ee /h  ( Ee  je   energie elektronu  Ee = eU, U [V], h  je  Planckova konstanta, C = (5 ± 1,5 ) . 10-57  [ J.s2 ]. Spektrální intenzita se ale liší od uvedeného vztahu vlivem absorpce a na straně absorpční hrany s vyšší energií. Integrací přes n  

a dosazením za  hn  = E  dostaneme:

                                              f = 1,3. 107 Z U i (1- E/Ue  )

                                               I = U i Z ( 1- E/Ue )

 účinnost pak  h @ 10-6 ZU , kde  dosazujeme U [kV], i [mA] a  E [ keV].

 

1.2   Charakteristické záření

Přesáhne-li urychlovací napětí hodnotu budícího napětí daného materiálu, začne se přes spojité spektrum překládat  charakteristické záření o zcela určité vlnové délce dané energetickými hladinami  s velmi malou spektrální šířkou  @ 10-5 nm. Experimentální  vztah odvozený Greenem  [2] pro počet fotonů  vybuzených jedním elektronem:                            Pj  =  K­jz  ( Ee  -Eejz )1,63  

Intenzita  charakteristického záření :

I @ 5.108 Kjz f(d) i ( Ee - E ejz )1,63

Kde f(d) závisí na energii dopadajících elektronů, směru dopadu a úhlu projekce, Kjz je experimentální konstanta. Účinnost  pak :

h = K­jzEej  ( eU  - E ejz ) 1,63

Dosazením  hodnot pro MoKa  napětí U = 40 kV , vyjde  h @ 3,7. 10-4

 

1.3    Synchrotronové záření

Název  „synchrotronové záření“ pochází z typu urychlovače – elektron synchrotronu.

Vzniká zakřivením dráhy relativistického elektronu nebo positronu. Vyzářená energie částice pohybující se po kruhové dráze:

P = 0,0265 E3 B I     [ kW; GeV, T, mA ]

Obr. 2
 

Spektrální rozložení záření ohybového magnetu a undulátoru je na Obr. 2.  Z grafu je patrno, že spektrum záření je spojité od dlouhých vlnových délek s přibližně konstantní intenzitou a prudce klesá pro kritickou vlnovou délku :

  λ0 = 18,6 B E2  [T; GeV]

 

 

Synchrotronové záření je polarizováno v rovině orbitu, odchylkou od této roviny je možné použít i elipticky polarizované záření. Další vlastností je koherence záření  a jeho časový průběh ( částice obíhají v klubkách (bunch) ).

 

2.       Zdroje záření

2.1    Laboratorní zdroje

 Pro bezpečné používání konvenčních zdrojů je zapotřebí mít:

a)      regulovatelný zdroj napětí a proudu s  dostatečnou stabilitou

b)      vysokonapěťový kabel

c)      kryt rentgenky  s okny uzavíranými buď ručně nebo elektromagnetem

d)      chladící medium – nejčastěji voda  s uzavřeným chladícím okruhem

e)      rentgenku 

 

2.1.1 Odtavené rentgenky

Pro jednoduchost  výměny záření, ceny a spolehlivosti je nejpoužívanějším zdrojem.

Funkčními prvky jsou: anoda, katoda a Wehneltův válec (slouží k fokusaci  elektronů). Anoda je vyrobena z obvykle z měděného bloku intenzivně chlazeného; pokud chceme používat charakteristické záření jiného prvku, tento je pak naletován nebo přivařen na Cu blok. Záření vychází beryliovými okénky (1- 4 ) o tloušťce cca 0,4 mm.. Profil skleněného obalu slouží k odisolování vysokého napětí od uzeměného  krytu. Vnitřní objem pak jako zásobárna vakua – lepší než  10-3 Pa.

2.1.2 Rotační anoda  - představuje výrazné zvýšení intenzity rtg záření odtavených rentgenek rozložením tepelného zatížení na obvod válce o faktor > 5. Anoda je tvořena dutým válcem, jehož osou je přiváděno a odváděno chladící medium. Osa je těsněna buď O kroužky, nebo labyrintem permanentních magnetů v jejichž mezerách je ferromagnetická kapalina s nízkou tenzí par. Rychlost otáčení anody je obvykle 6000 ot/min.Vzhledem k velkému čerpanému objemu, průniku okolní atmosféry a vysoké teplotě katodového systému , používá se obvykle turbomolekulární pumpa k udržení vakua ~ 10-3 Pa.

 

2.2   Akumulační prstence  jsou na rozdíl od laboratorních zdrojů značně nákladnou záležitostí (např. ESRF uvedení do provozu ~ 158 MEuro, v r.2001 provoz činil 69 MEuro). Synchrotronové záření může být produkováno pouze částicemi s elektrickým nábojem (elektrony nebo positrony). Tepelně emitované elektrony jsou urychlovány na energie ~ MeV v lineárním urychlovači elektrickým polem rezonátorů, injektovány do booster synchrotronu, kde získají energii ~ GeV. Takto urychlená klubka elektronů jsou pak  přivedena do akumulačního prstence. Zde jsou dále urychlována nebo hrazeny ztráty dutinovými rezonátory napájenými z klystronu.

 

Schema uspořádání ESRFS v Grenoblu v němž máme spoluúčast 0.35 % je na Obr. 3.

Parametry prstence: energie = 6,03 GeV; max.proud = 200mA; počet klubek (bunch) = 1 – 992; čas mezi klubky = 2816 ¸ 2,82 ns.

Rozměry zdroje záření závisí na použitém ohybovém magnetu nebo vloženém zařízení a jsou v rozmezí: horizontální = 60¸400 mm , vertikální = 8¸30mm. Vertikální divergence = 0,85 ¸ 3 mrad , horizontální divergence = 10 ¸ 116 mrad.

 

 

 


 

 


Obr. 3. ID = vložené zařízení, BM = ohybový magnet

 

Zdroje rtg záření se stále vyvíjejí a zlepšují se jejich parametry. Přestože limit zátěže pro odtavené rentgenky byl téměř dosažen, intenzitu záření lze ještě zvýšit zvětšením úhlu akceptance kolimátoru nebo monochromátoru. Větší možnosti skýtá další zlepšování parametrů akumulačních prstenců použitím vložených zařízení. Rovněž stavbou nových zařízení např. SOLEIL, LLS atd. se zvyšuje možnost přístupu k nim.

 

 

[1]   U. Bonse: X-Ray sources. Characterization of Crystal Growth by X-ray Methods. New York 1980.      

        Plenum Press.   

[2]   M. Green: X – ray  Optics and Microanalysis. London. Academic Press.

[3]   C. S. Barrett & T. B. Massalski: Structure of  Metals. Oxford 1980. Pergamon Press.

[4]   U. W. Arndt: International Tables for Crystallography Vol. C. London 1992. Kluwer Academic

        Publischers.

[5]   V. P. Suller: Accelerator Physics, Synchrotron Radiation, Sources and Applications. Edinburgh

        1980. Edinburgh University Press.                                                                               

[6]   ESRF Highlights 2001. Editor: G. Admans. Grenoble 2002.

[7]   internet: http://www-als.lbl.gov/als/synchrotron_sources.html

                      http://www.chess.cornell.edu