Tabung sinar-X

Tabung sinar-X atau tabung Röntgen adalah perangkat (tabung elektron) untuk menghasilkan sinar-X, umumnya untuk tiga jenis kegunaan:

radiografi dan tomografi (pencitraan medis, ilmu material);
kristalografi sinar-X (difraksi sinar-X)
analisis kimia unsur dengan spektrometri fluoresensi sinar-X.

Dua tabung bertegangan tinggi yang bisa menghasilkan sinar-X

Prinsip operasi

Apapun jenis tabungnya, pembangkitan sinar-X dilakukan menurut prinsip yang sama.

Sebuah tegangan listrik tinggi (dari urutan 20 sampai 400 kV) dibuat antara dua elektroda. Kemudian ada arus elektron dari katoda ke anoda (kadang-kadang disebut "sasaran").

Elektron direm oleh atom sasaran, menyebabkan radiasi rem terus menerus atau Bremsstrahlung, bagian dari spektrum yang berada dalam domain sinar-X .

Elektron-elektron ini mengeksitasi atom-atom sasaran, dan memancarkan kembali karakteristik radiasi sinar-X dengan fenomena fluoresensi sinar-X.

Spektrum yang muncul dari tabung adalah superposisi radiasi pengereman dan fluoresensi sinar-X sasaran.

Tabung sinar-X memiliki efisiensi energi yang sangat buruk , dengan sebagian besar daya listrik (99%) dihamburkan sebagai panas. Oleh karena itu tabung harus didinginkan, umumnya dengan sirkulasi air, penangas minyak atau dengan sistem anoda berputar.

Tabung Crookes

Secara historis, tabung sinar-X pertama ditemukan oleh Sir William Crookes. Awalnya dimaksudkan untuk menyebabkan fluoresensi bercahaya mineral. Tabung Crookes juga disebut tabung pelepasan, tabung gas atau tabung katoda dingin.

Tabung ini adalah bola kaca di mana ruang hampa dibuat, sehingga masih ada tekanan udara sisa sekitar 100 Pa (sekitar 1 torr). Ini berisi katoda logam, aluminium , cekung dalam bentuk untuk memusatkan aliran elektron , dan anoda , atau "sasaran".

Kumparan induksi memberikan tegangan tinggi. Kemudian terjadi ionisasi dari udara sisa, dalam bentuk petir atau "discharge", yang menyebabkan aliran elektron dari katoda ke anoda. Aliran ini, yang disebut sinar katoda, menghasilkan radiasi elektromagnetik yang mampu menciptakan cahaya fluoresensi pada benda tertentu serta menghasilkan pelepasan benda yang dialiri listrik pada jarak tertentu. Itu juga menciptakan sinar-X.

Tabung ini hanya dapat menghasilkan sinar-X sebentar-sebentar. Beberapa jenis siklotron masih menggunakan tabung jenis ini.

Tabung Coolidge

Diagram skema tabung Coolidge berjendela samping.
K : filamen.
A : anoda.
W_in dan W_out : masukan dan keluaran air pendingin.

Tabung Crookes diperbaiki oleh William Coolidge pada tahun 1913 . Tabung Coolidge, juga disebut tabung katoda panas, adalah tabung yang paling banyak digunakan. Ini adalah tabung hampa udara tinggi (sekitar 10^4 Pa, kira-kira 10^6 torr^{[butuh rujukan]}), ditutupi dengan selungkup bertimbal.

Dalam tabung Coolidge, elektron dipancarkan oleh filamen logam (logam alkali tanah) yang dipanaskan oleh arus listrik (efek termionik yang juga digunakan dalam tabung sinar katoda televisi). Filamen merupakan katoda tabung. Tegangan tinggi dibuat antara katoda dan anoda, yang mempercepat elektron yang dipancarkan dari filamen. Elektron ini menyerang anoda.

Dalam apa yang disebut tabung "berjendela samping", elektron terkonsentrasi (difokuskan) oleh bagian yang disebut Wehnelt yang ditempatkan tepat setelah filamen.

Dari sudut pandang listrik, karena itu kita memiliki:

sebuah filamen di terminal yang dimana tegangan rendah dibuat, untuk menciptakan arus listrik pemanas (efek Joule);
dalam beberapa tabung, bagian dari bentuk tertentu yang memiliki tegangan sedikit negatif sehubungan dengan filamen (yaitu sehubungan dengan dua terminal filamen), untuk mendorong elektron dari filamen menuju pusat bagian ; itu adalah Wehnelt;
anoda sasaran memiliki tegangan positif yang kuat sehubungan dengan Wehnelt dan filamen.

Ada dua geometri tabung:

tabung berjendela samping: filamen adalah solenoida dengan sumbu lurus dan ditempatkan menghadap target, yang miring; lintasan elektron adalah garis lurus
tabung berjendela depan: filamen adalah solenoida dengan sumbu melingkar dan mengelilingi anoda; lintasan elektron melengkung.

Tabung berjendela samping.
Tabung berjendela depan.

Tabung anoda berputar

Tabung anoda berputar adalah peningkatan dari tabung Coolidge yang memungkinkan untuk memiliki intensitas sinar-X yang penting.

Salah satu keterbatasan produksi sinar-X memang panas yang dihasilkan oleh fenomena tersebut. Jadi kita mengambil anoda silinder besar dan memutarnya. Dengan demikian, setiap bagian anoda disinari hanya untuk waktu yang singkat, yang memfasilitasi pembuangan panas.

Dengan demikian dimungkinkan untuk mencapai kekuatan urutan 100 kW.

Kondisi pengoperasian tabung katoda panas

Parameter Spektrum

Tiga parameter penting dari tabung katoda panas (tabung Coolidge dan tabung anoda berputar) adalah:

intensitas melintasi filamen, yang akan menentukan jumlah elektron yang dipancarkan dan oleh karena itu jumlah sinar-X yang dipancarkan (intensitas);
tegangan tinggi antara anoda dan katoda, yang akan menentukan bentuk spektrum pengereman kontinu dan khususnya energi maksimum sinar-X yang dipancarkan;
sifat kimia target, yang akan menentukan spektrum spesifik, yang merupakan panjang gelombang dengan intensitas paling tinggi.

Intensitas sinar-X berbanding lurus dengan intensitas arus yang mengalir melalui filamen, semua hal lain dianggap sama. Intensitas arus filamen biasanya bervariasi dari 5 hingga 50 mA untuk tabung Coolidge, lebih untuk tabung anoda berputar.

Peran tegangan tinggi lebih kompleks. Elektron muatan e dipercepat dengan tegangan tinggi V, energi kinetiknya E₀ oleh karena itu:

E_{0}=V\cdot e

Jika dinyatakan dalam kilo elektron-volt (keV), E₀ memiliki nilai numerik V dalam kilovolt.

Jika E₀ lebih kecil dari energi ionisasi elektron inti atom target, hanya ada radiasi pengereman kontinu. Jika E 0 lebih besar dari energi ionisasi ini, target akan memancarkan fluoresensi. Kita biasanya akan melihat garis Kα₁, Kα₂ dan Kβ dari atom-atom target.

Semakin tinggi tegangan dinaikkan, semakin banyak energi maksimum foton meningkat, oleh karena itu semakin banyak panjang gelombang minimum berkurang.

Sifat kimia target akan memvariasikan energi/panjang gelombang dari garis target.

Kasus difraksi X

Untuk difraksi sinar-X, yang terutama tertarik pada garis Kα dari target, bukan pada radiasi latar belakang. Memang, arah difraksi tergantung pada panjang gelombang (menurut hukum Bragg), kita berusaha untuk memiliki radiasi monokromatik sebagian besar waktu (dengan pengecualian metode Laue). Faktanya, garis Kβ umumnya dihilangkan tetapi garis Kα₁ dan Kα₂ dipertahankan, serta radiasi pengereman terus menerus yang akan berkontribusi pada kebisingan latar belakang. Dalam beberapa kasus di mana rasio sinyal-ke-derau sangat penting, monokromator digunakan, dengan biaya kehilangan intensitas yang signifikan — kita kemudian memiliki radiasi yang “benar-benar” monokromatik; juga dimungkinkan untuk menggunakan detektor "padat" (dioda silikon yang didoping dengan litium atau dioda silikon dengan difusi) yang memiliki diskriminasi energi yang sangat baik (prinsip analisis dispersi energi), yang memungkinkan untuk bekerja dalam metode monokromatik sambil memiliki sinyal yang kuat.

Tegangan tinggi 50 kV biasanya digunakan, dan target tembaga pada umumnya, kadang-kadang molibdenum, kobalt atau mangan. Memang, panjang gelombang dari garis Kα₁ tembaga (dari urutan 1,6 Å) memungkinkan untuk mengamati fenomena difraksi untuk berbagai jarak interreticular (d mulai dari 0,9 hingga 9,2 Å pada rentang sudut 2θ dari 10 sampai 120°, lihat artikel hukum Bragg). Di sisi lain, saluran tembaga memiliki energi yang cukup besar (8 keV untuk Kα₁) untuk mengeksitasi atom besi, fluoresensi yang diinduksi pada sampel yang terutama mengandung besi (seperti baja dan besi tuang) oleh karena itu memberikan kebisingan latar belakang yang sangat tinggi. Penggunaan tabung kobalt atau mangan memungkinkan untuk mengurangi kebisingan latar belakang parasit ini karena energi foton tidak cukup untuk mengeksitasi besi (garis kobalt Kα₁ memiliki energi 6,9 keV , energi mangan 5,9 keV) ; solusi lain adalah dengan menempatkan monokromator belakang (yaitu terletak di antara sampel dan detektor) atau menggunakan detektor yang secara tepat menyaring energi foton (detektor padat dari jenis yang digunakan dalam analisis dispersi energi) untuk menghilangkan komponen fluoresen dari besi.

Tabung mangan juga digunakan untuk pengukuran kendala (tegangan): offset sudut 2θ untuk deformasi mesh ε bernilai:

\Delta 2\theta =-2\tan \theta \cdot \varepsilon

Oleh karena itu semakin tinggi 2θ, semakin besar pergeseran 2θ. Namun, panjang gelombang garis Kα₁ mangan (berurutan 2,1) memungkinkan untuk memiliki sudut difraksi yang lebih tinggi.

Kasus fluoresensi sinar-X

Dalam fluoresensi sinar-X, konteksnya berbeda. Di sini diperlukan foton yang memiliki energi yang cukup untuk mengeksitasi atom-atom yang ingin dideteksi. Oleh karena itu kami memilih target elemen berat, seperti rodium untuk sebagian besar tabung (garis Kβ memiliki energi 22,7 keV), atau terkadang paladium (umumnya untuk tabung mini, garis Kβ memiliki energi 23,8 keV). Unsur-unsur dengan energi ionisasi yang lebih tinggi tereksitasi oleh foton dari radiasi pengereman yang terus menerus.

Keterbatasan utama adalah karena kekuatan pembangkit. Memang, jika Anda ingin lebih banyak intensitas, Anda harus mengurangi tegangan tinggi; situasi ini disesuaikan dengan pengukuran elemen cahaya karena ini hanya membutuhkan foton energi rendah, di sisi lain, sinyalnya lemah, perlu untuk meningkatkan intensitas. Sebaliknya, jika kita ingin membangkitkan atom berat, kita membutuhkan tegangan tinggi yang lebih tinggi, jadi kurangi intensitasnya; ini tidak menimbulkan masalah karena atom berat memberikan sinyal penting.

Sebagian besar spektrometer memiliki tabung Coolidge yang ditenagai oleh daya listrik 1 hingga 4 kW.

Namun, tidak semua radiasi dari tabung berfungsi untuk mengeksitasi atom-atom dalam sampel; beberapa adalah hamburan oleh hamburan Rayleigh atau hamburan Compton. Puncak karakteristik target karena itu muncul pada spektrum yang diukur, bahkan jika sampel tidak mengandung unsur-unsur ini. Fenomena ini dapat menghalangi pendeteksian elemen yang memiliki puncak energi yang dekat dengan anoda tabung. Untuk menghindarinya, kita bisa

baik menempatkan filter untuk memotong bagian mengganggu dari spektrum tabung; filter beberapa ratus mikrometer digunakan , seringkali terbuat dari tembaga atau aluminium;
baik menggunakan tabung dengan anoda memiliki puncak di tempat yang tidak mengganggu, seperti anoda krom;
atau gunakan target sekunder: tabung menyinari target, dan radiasi fluoresen dari target inilah yang akan menyinari sampel; ini memungkinkan untuk bekerja dalam radiasi kuasi-monokromatik, dan dengan intensitas yang sangat rendah; kita juga berbicara tentang sumber "terpolarisasi".

Penuaan tabung

Spektrum emisi tabung sinar-X tua (target tembaga), diukur dengan difraksi radiasi non monokromatis dan tak terfilter pada kristal tunggal LiF.

Penuaan tabung melibatkan tiga fenomena:

porositas tabung, yang menyebabkan penurunan ruang hampa;
sublimasi filamen;
kejutan termal pada filamen;
korosi

Filamen wolfram dipanaskan dan di bawah vakum, sehingga secara alami akan menyublim. Gas tungsten yang dibuat akan bermigrasi ke dalam tabung dan mengembun di dinding serta di jendela. Karena itu kita akan memiliki tiga efek:

wolfram di jendela akan bertindak sebagai filter, dan menyerap sinar-X berenergi rendah; oleh karena itu ada penurunan bertahap dalam intensitas dalam panjang gelombang panjang; dalam spektrometri fluoresensi sinar-X, hal ini menyebabkan penurunan sensitivitas untuk elemen cahaya;
wolfram yang disimpan dibombardir dengan sinar-X, itu akan berpendar; dalam difraksi sinar-X, munculnya puncak karakteristik tungsten, dan khususnya garis L (dalam notasi Siegbahn), akan menimbulkan puncak difraksi parasit;
filamen menipis, yang pada waktunya dapat menyebabkan kerusakannya.

Jendela tabung dibuat setipis mungkin untuk menyerap sinar-X paling sedikit. Tabung dalam keadaan vakum, gas perlahan-lahan akan berdifusi menuju bagian dalam tabung. Hal ini terutama berlaku untuk tabung ditempatkan di atmosfer helium (kasus spektrometer fluoresensi sinar-X mengukur cairan), helium menjadi molekul yang sangat kecil. Ketika vakum tidak lagi cukup, busur listrik terjadi (ionisasi gas di bawah pengaruh tegangan tinggi) yang disebut "berkedip", yang mencegah produksi sinar-X. Ketika berkedip menjadi terlalu sering, tabung tidak dapat digunakan dan harus diubah.

Tabung didinginkan dengan air. Kelembaban akan cenderung mengembun pada bagian yang dingin, dan khususnya pipa logam yang membawa air di dalam tabung. Kelembaban ini akan mempercepat korosi pada logam. Inilah salah satu alasan mengapa tabung tetap menyala saat tidak digunakan (umumnya dipasang pada tegangan dan intensitas tinggi minimum, misalnya 20 kV dan 5 mA ): dengan menjaga tabung tetap hangat, kita menghindari pengembunan.

Alasan lain tabung tetap menyala saat tidak beroperasi adalah untuk mencegah sengatan panas. Secara umum, intensitas dipertahankan dalam filamen (arus pemanas) bahkan ketika tegangan tinggi dimatikan: tabung tidak memancarkan sinar-X, tetapi tidak dimatikan, tidak mengalami variasi suhu.

Tergantung pada kondisi penggunaan, umur tabung berkisar dari satu hingga sepuluh tahun, dengan rata-rata tiga hingga lima tahun.

Kebisingan latar belakang

Pancaran sinar-X bersifat acak. Oleh karena itu ada fluktuasi sinyal periode pendek yang menghasilkan kebisingan latar belakang. Hukum emisi, dan oleh karena itu laju penghitungan—jumlah X foton yang terdeteksi per detik—mengikuti hukum Poisson; dengan demikian, deviasi standar adalah akar kuadrat dari intensitas rata-rata

\sigma _{\mathrm {I} }={\sqrt {\bar {\mathrm {I} }}}

.

Semakin besar intensitas, semakin besar deviasi standar, dan karena itu fluktuasi, tetapi rasio sinyal-ke-derau meningkat:

{\frac {\bar {\mathrm {I} }}{\sigma _{\mathrm {I} }}}={\sqrt {\bar {\mathrm {I} }}}

yang karenanya menguntungkan untuk akurasi pengukuran.

Lihat pula

Bibliografi

R. Behling (2016). Modern Diagnostic X-Ray Sources. Technology, Manufacturing, Reliability (dalam bahasa Inggris). Boca Raton, FL, USA: CRC Press. hlm. 423. ISBN 978-1-4822-4132-7. .
N. Broll; P. de Chateaubourg (1997). "Spectral distribution from end window X-ray tubes" (pdf) (dalam bahasa Inggris).

Pranala luar

(Prancis) Teks Röntgen tahun 1895 tentang penemuan sinar-X online dan dianalisis di situs BibNum.
The Cathode Ray Tube site (English)
Tabung sinar-X dan sarungnya