Введение

Качество промышленной продукции – один из основных показателей уровня и эффективности промышленного производства. Для повышения качества на всех стадиях разработки, изготовления и эксплуатации изделия необходимо контролировать конструкционные материалы, технологию изготовления и свойства готового изделия.

Ведущую роль среди средств неразрушающего контроля качества и диагностики играют приборы и установки, использующие в качестве носителя информации рентгеновское излучение. Среди многочисленных методов контроля рентгеновские лучи являются наиболее универсальным и перспективным методом исследования твердых тел [1].

Такие свойства рентгеновских методов как высокая чувствительность к деформации решетки кристалла, изменению электронной плотности, возможность исследования внутреннего строения структур, определение шероховатости поверхности, экспрессность в получении результатов, а главное - неразрушающее воздействие и возможность получения количественной информации без разрушения образца, сохраняют их актуальность и сегодня [2].

В числе неразрушающих методов исследования структуры вещества наиболее полную информацию дает рентгеноструктурный анализ. В основе данного метода лежит явление дифракции рентгеновских лучей на трехмерной кристаллической решётке.

Аппарат для рентгеноструктурного анализа представляет собой совокупность технических средств, необходимых для реализации рентгеноструктурного метода и регистрации дифракционной картины. Основным элементом рентгеноструктурного аппарата является источник рентгеновского излучения – рентгеновская трубка. Именно параметры рентгеновской трубки во много определяют технические возможности и функциональность рентгеновского аппарата.

Одной из крупнейших фирм, изготавливающей рентгеновские аппараты для структурного анализа, является «Stresstech Group» (Финляндия). Приборы «Stresstech Group» признаны во всем мире ведущими производителями комплектующих для авиационной и автомобильной промышленности. Фирма имеет более чем двадцатилетний опыт разработки и производства подобных аппаратов и предлагает на рынок решения для контроля различных компонентов, таких как кулачковые валы, коленчатые валы, зубчатые передачи, подшипники и многое другое.

В аппаратах фирмы «Stresstech Group» используются малогабаритные рентгеновские трубки с полной защитой от неиспользуемого излучения производства «TruFocus Corporation» (США), аналогов которым в мире на сегодняшний день нет. По этой причине фирма «Stresstech Group» заинтересована в создании аналога рентгеновской трубки для своих аппаратов, производство которой осуществлялось бы на предприятии ЗАО «Светлана-Рентген».

Целью данной работы является разработка малогабаритной рентгеновской трубки для структурного анализа с полной защитой от неиспользуемого излучения, которая будет использоваться в аппаратах семейства Xstress3000 фирмы «Stresstech Group», и являться аналогом рентгеновской трубки TFS-3007-HP производства фирмы «TruFocus Corporation».

Раздел 1. Аналитический обзор

1.1. Рентгеновское излучение

Излучение, открытое Вильгельмом Конрадом Рентгеном в 1895 году и названное его именем, на шкале электромагнитных волн (рис. 1) расположено между γ-лучами и ультрафиолетовой частью спектра. Длина волны рентгеновских лучей находится в области 10^-2 - 10² Å (1 Å = 10^-8 см). Так как рентгеновские лучи на шкале электромагнитных волн примыкают к γ-лучам, то, говоря о рентгеновских лучах, зачастую используют термин γ-квант. Энергия γ-кванта определяется переходом электрона с одного энергетического уровня в атоме (например, с уровня j) на другой энергетический уровень (i):

, (1)

Рис. 1. Шкала электромагнитных волн

Разница энергий между соседними уровнями тем больше, чем меньше их номера. Следовательно, для получения рентгеновского излучения надо возбуждать внутренние оболочки атома. Если возбуждается К-оболочка, то есть электрон выбивается с самого нижнего уровня, то излучается К-серия, если L-оболочка, то L-серия и т. д. На рис. 2 приведена схема возникновения наиболее интенсивных линий K- и L-серии. Для получения линий этих серий необходимо возбудить соответствующие энергетические уровни (орбитали), для этого в подавляющем большинстве случаев используется электронный пучок с энергией электронов, превышающей энергию ионизации (возбуждения) соответствующего уровня. Электронные пучки создаются в устройствах, называемых электронными пушками (рис. 3).

М еталлический катод разогревается специальным источником тока. Между катодом и анодом создается разность потенциалов U.

Р ис. 2. Возникновение наиболее интенсивных линий K- и L-серий

Рис. 3. Схема электронной пушки. Н - нагреватель катода, Е - источник ускоряющего напряжения, ЭП - электронный пучок, М - мишень, РЛ - рентгеновский луч

Форма анода выбирается такой, чтобы электрическое поле было резко неоднородным. Наибольшее ускорение электроны получают в области, прилегающей к катоду, и пролетая через специальное отверстие в аноде, создают электронный пучок, который вызывает в образце возбуждение j -того энергетического уровня. Если энергия возбуждения E_j не больше энергии электронов (E_e), то

, (2) Для возбуждения флуоресцентного рентгеновского излучения можно использовать и рентгеновское излучение с частотой, превышающей частоту возбуждаемого рентгеновского излучения.

При облучении образца пучком электронов, наряду с рентгеновским излучением, возникающим в исследуемом образце и называемом характеристическим излучением, создается излучение при торможении электронов, которое называется тормозным. Типичная спектрограмма тормозного излучения приведена на рис. 4. Минимальная длина волны λ _min определяется условием

, (3) λ_max - длина волны, соответствующая рентгеновскому излучению с максимальной интенсивностью, примерно равна λ_max = 3λ_min. Следовательно, с увеличением ускоряющего напряжения и λmin, и λmax смещаются в область коротких волн, при этом E(λ_max ) увеличивается.

Рис. 4. Спектр тормозного излучения

Характеристическое рентгеновское излучение (как и оптические спектры) зависит только от структуры атомов. Зависимость частоты характеристического излучения (ν) от порядкового номера элемента (Z) определяется законом Мозли:

, (4) где R - постоянная Ридберга, S_n - постоянная экранирования, зависящая от структуры атома, n - главное квантовое число.

В соответствии с законом Мозли должен линейно меняться с увеличением Z, что полностью соответствует эксперименту. Естественно, зависимость из серий (K, L, M и т. д.) определяется различными прямыми [3].

Рентгеновские лучи широко используются в науке и технике. Их волновая природа установлена в 1912 г. немецкими физиками М. Лауэ, В. Фридрихом и П. Книппингом, открывшими явление дифракции рентгеновских лучей на атомной решётке кристаллов. Направив узкий пучок рентгеновских лучей на неподвижный кристалл, они зарегистрировали на помещённой за кристаллом фотопластинке дифракционную картину, которая состояла из большого числа закономерно расположенных пятен. Каждое пятно - след дифракционного луча, рассеянного кристаллом. Рентгенограмма, полученная таким методом, носит название лауэграммы. Это открытие явилось основой рентгеноструктурного анализа .