Разработка испытательного стенда для измерения параметров микрофокусных рентгеновских трубок

Рентгеновские методы нашли самое широкое распространение в различных областях науки и техники. Рентгеновские методы исследований по разрешающей способности находится между электронными и оптическими методами исследований. Предел разрешения рентгеновских методов исследования на несколько порядков выше, чем у световых, что связано с различием используемых длин волн. Разрешающая способность оптического микроскопа до 150 нм, а теоретическая разрешающая способность рентгеновского микроскопа около 20 нм. Существуют рентгеновские приборы (работающие на использовании электромагнитного излучения с длиной волны 0,01 — 1 нм.) с разрешающей способностью около 5 нанометров.
Рентгено-микроскопические методы исследования, в отличие от электронно-микроскопических, позволяют исследовать влажные образцы и в ряде случаев не вызывает значительного повреждения их структуры. Также возможно исследование массивных и непрозрачных в видимом диапазоне объектов.

Разработка рентгеновских исследовательских приборов сопряжена с рядом серьёзных трудностей. Рентгеновские лучи практически невозможно фокусировать обычными линзами. Дело в том, что показатель преломления рентгеновских лучей в различных прозрачных для них средах примерно одинаков и очень мало отличается от единицы. Колебания составляют порядка 10−4 —10−5. Показатель преломления видимого света в воде при 20 °C примерно равен 1,33. Рентгеновские лучи также не отклоняются электрическими и магнитным полям, что не позволяет использовать для фокусировки электрические или магнитные линзы. В современной рентгеновской оптике используются линзы, действующие на основе эффекта обратного лучепреломления. Функцию линзы выполняет линзообразная полость внутри материала, получившие название линзы Снигирёва.

По способу формирования изображения различают проекционный, контактный, отражательный и дифракционный рентгеновские методы исследований.

Сегодня с помощью рентгеновских методов исследований изучают атомной структуры монокристаллов в широком интервале температур и давлений, исследуют надатомную структуру твердого тела, полимеров, жидкостей, мицелл, биологических макромолекул в растворе, полидисперсных материалов, сплавов, фрактальных систем и других наноматериалов, атомную структуру кристаллов белков, поликристаллов, жидких кристаллов образцов малого объема, проводят измерения дифракционных отражений от монокристаллических образцов, определение угловых положений этих отражений, вычисляют параметры кристаллической решетки образцов, проводят регистрацию полной дифракционной картины от образца и т.д. и т.п.

Подавляющее большинство образцов современного исследовательского рентгеновского оборудования является дорогостоящим и специализированными. Т.е. как правило, исследование на каждой исследовательской установке возможно проводить только каким-нибудь одним методом.

Сегодня дальнейшее совершенствование исследовательского рентгеновского оборудований идёт по пути применения микрофокусных источников рентгеновского излучения средней мощности и фокусирующей рентгеновской оптики.

Использование микрофокусных источников рентгеновского излучения средней мощности и фокусирующей рентгеновской оптики позволяет применить в едином аналитическом исследовательском комплексе за счёт расположения вокруг одного микрофокусного источника рентгеновского излучения нескольких станций-детекторов (Станция рентгеновской микроскопии и компьютерной томографии, Станция рентгеновской флуоресценции и абсорбционной спектрометрии, Станция рефлектометрии и дифрактометрии, Станция малого углового рассеяния)
Подобная модульная архитектура научного рентгеновского оборудования позволяет проводить исследования образца одновременно практически сразу несколькими современными рентгеновскими методами без ухудшения качества исследования.

Комбинированное использование различных методик позволяет проводить более точный и детальный анализ, расширяет возможности методов и снижает возможность ошибки. Методы прекрасно дополняют друг друга и позволяют проводить всестороннее исследование образцов.

АНО ИФВТ участвует в разработке многофункционального испытательного стенда , предназначенного для проверки и измерения параметров малогабаритных микрофокусных рентгеновских излучателей.
Стенд обеспечивает долговременную проверку (не менее рабочей смены) и измерения параметров (тока и внешней температуры анода рентгеновских трубок) трехэлектроных и четырехэлектродных рентгеновских трубок производства ООО «МЭЛЗ».

В состав Стенда входят следующие  функциональные узлы:

• высоковольтный источник питания;
• блоки генерации напряжения питания накала трубки и управляющих напряжений, подаваемых на фокусирующие электроды трубки;
• блоки передачи и преобразования напряжения питания накала трубок и управляющих напряжений;
• защитный испытательный бокс;
• вспомогательное оборудование, включающее соединительные кабели, тест-объект для контроля фокуса трубки;
• программное обеспечение для управления блоками Стенда и контроля его параметров;
• управляюще-регистрирующий компьютер.

Технические характеристики Высоковольтного источника питания Стенда:

Высоковольтный источник питания Стенда обеспечивает следующие параметры электрических сигналов на электродах рентгеновской трубки:

• напряжение на катоде рентгеновской трубки (анодное напряжение) – регулируемое в диапазоне минус 10 кВ … минус 40 кВ;
• анодный ток – регулируемый в диапазоне 0…125 мкА;
• максимальная анодная мощность – 5 Вт (8 Вт с алмазной подложкой);
• диапазон напряжений на фокусирующем электроде относительно катода – плюс 1-10 кВ;
• напряжение на управляющем электроде рентгеновской трубки (винэльте) относительно катода – минус 5…минус 120 В;
• точность установки анодного напряжения в диапазоне условий эксплуатации не хуже ± 1кВ;
• точность поддержания анодного напряжения в диапазоне условий эксплуатации в течение 1 часа не хуже ±1%;
• точность установки анодного тока в диапазоне условий эксплуатации — ±1%;
• относительный шаг регулировки напряжения на фокусирующих электродах не более 2% от максимальных значений (минус 120 В и плюс 10 кВ относительно катода)
• напряжение питания накала трубки (действующее значение) –
  6,3 В ±5%;
• максимальная потребляемая мощность в цепи накала – 1 Вт.
• входное переменное напряжение 220 В, ±10%;
• «минус» источника питания соединен с катодом излучателя с помощью высоковольтного кабеля.

В конструкции Стенда предусмотрены следующие меры безопасности:

В электрической схеме Стенда предусмотрена защита, предотвращающая преждевременный выход Излучателя из строя в результате превышения заданных электрических параметров более чем на 5%.
Превышение температуры анода рентгеновской трубки выше максимально установленного допустимого значения (порядка 80˚С) вызывает аварийное выключение рентгена.
Бокс стенда оборудован цепью внешней блокировки. Размыкание этой цепи должно вызывать аварийное выключение рентгена.
В соответствии с требованиями рентгеновской безопасности на Стенде обеспечено дублирование средств индикации включения высокого напряжения.
Бокс, в котором размещаются испытываемые рентгеновские трубки, выполнен из металла и обеспечивает радиационную защиту в соответствии с нормами НРБ-99. На верхней панели Бокса располагается индикатор включения высокого напряжения.
При превышении температуры анода параметра, заданного настоящими ТТ, должен загораться или выводиться на экран монитора индикация блокировки по температуре и прерываться ток трубки (снятие напряжения накала или запирание тока путем подачи отрицательного напряжения на первый фокусирующий электрод).
При превышении предельного анодного тока трубки выводиться на экран монитора индикация блокировки по току и происходит снятие напряжения накала или запирание анодного тока путем подачи отрицательного напряжения на первый фокусирующий электрод трубки.
Корпуса металлических блоков и Бокса снабжены клеммами заземления.

Условия эксплуатации Стенда:

Стенд предназначен для эксплуатации в условиях закрытых помещений при следующих параметрах окружающей среды:

• диапазон температур — +10…+30˚С;
• относительная влажность воздуха – 20…80%;
• атмосферное давление – 86…106,7 кПа.

Интервал времени между подачей напряжения питания и готовностью Излучателя к включению рентгена (время разогрева трубки) не превышает 60 сек. Включение рентгена на это время разогрева блокируется автоматически. Время между подачей команды включения рентгена и выходом Источника на заданный режим работы — не более 20 сек.

Весогабаритные характеристики Стенда:

• Блоки стенда располагаются на оперативном столе размером 120 х 70 см2;
• Вес защитного Бокса — 35 кг;
• Вес высоковольтного источника питания и блоков генерации/питания — 5 кг.