Компактные источники рентгеновского излучения Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 621.386

В. А. Буртелов, A.B. Кудряшов, Е. П. Шешин, Худа Халид Хамид Маджма

Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)

Компактные источники рентгеновского излучения

Сделан краткий обзор истории открытия и первых этапов исследования свойств рентгеновского излучения. Ранний этап практического применения иллюстрирован историческими примерами. В сжатой форме сопоставлены ключевые свойства рентгеновского излучения и инженерные направления его применения. Показаны основные этапы совершенствования и технической специализации рентгеновских трубок, некоторые принципиальные их ограничения, как компактных источников рентгеновского излучения. Приведён краткий обзор действующих в России государственных стандартов, касающихся рентгеновских трубок и некоторых других компактных источников рентгеновского излучения. Рассмотрены альтернативные рентгеновским трубкам компактные источники рентгеновского излучения - на основе линейных и циклических ускорителей, параметрического излучения, плазменные, лазерно-электронные, изотопные и пироэлектрические. Описаны ключевые свойства, принцип действия и примеры исполнения.

Ключевые слова: рентгеновское излучение, характеристическое излучение, тормозное излучение, эмиссия электронов, ионизация, эффект Комптона, пироэлектрический эффект, массивный анод, прострельный анод.

V.A. Burtelov, A. V. Kudryashov, E.P. Sheshin, Huda Khalid khameed Majmaa Moscow Institute of Physics and Technology

Compact sources of X-Ray radiation

A brief review of the history of the discovery and the first stages of the study of the properties of X-rays is made. The early stage of practical application is illustrated by historical examples. The key properties of X-rays and engineering directions of their application are compared in compressed form. The main stages of the improvement and technical specialization of X-ray tubes, some of their fundamental limitations as compact X-ray sources are shown. A brief survey of current state standards in Russia concerning x-ray-tubes and some other compact X-ray sources is given. Compact X-ray sources, alternative to X-ray tubes, based on linear and cyclic accelerators, parametric radiation, plasma, laserelectron, isotope and pyroelectric, are considered. Key properties, operating principle and examples of execution are described.

Key words: X-ray radiation, characteristic radiation, bremsstrahlung, electron emission, ionization, Compton effect, pyroelectric effect, massive anode, prostrelny anode.

1. Введение

Вильгельм Конрад Рентген открыл Х-лучн в 1897 году. Явление, воспринятое первоначально как сенсация, вскоре было детально изучено самим Рентгеном и многими независимыми исследователями. Механизм возникновения и основные физические свойства объяснены с позиций классической физики. Позже необходимые уточнения внесены квантовой механикой и релятивистской теорией. Х-лучи, за которыми, вопреки пожеланиям

© Буртелов В. А., Кудряшов А. В., Шешин Е. П., Маджма Худа Халид Хамид, 2019 © федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)», 2019

Рентгена, закрепилось название «рентгеновское излучение», заняли своё место на шкале электромагнитных волн.

Рентгеновское излучение оказало существенное влияние на развитие медицины, ряда экспериментальных методов физики и многих направлений техники XX века.

За прошедшее время источники рентгеновского излучения совершенствовались по многим направлениям. С одной стороны, это обусловлено практическими потребностями -требуются источники различного мощностного, геометрического и временного масштаба, с другой стороны, были открыты явления, позволяющие строить источники рентгеновского излучения, не являющиеся рентгеновскими трубками. В настоящее время созданы технические устройства, которые позволяют генерировать электромагнитные колебания значительной части шкалы электромагнитных волн с заданными параметрами - монохроматические, поляризованные, когерентные, управлять направлением их распространения. Достигнут высокий коэффициент полезного действия соответствующих источников.

Однако рентгеновские трубки имеют КПД, не превышающий единицы процентов. Спектр их излучения весьма широк, возможность управлять им ограничена. Монохроматическое, когерентное рентгеновское излучение до недавнего времени удавалось получать только на уникальных мегаустановках.

В предлагаемой статье мы расскажем о некоторых этапах развития компактных источников рентгеновского излучения, принципах, на которых могут быть созданы перспективные компактные источники рентгеновского излучения, рассмотрим примеры реализации.

2. Открытие рентгеновского излучения

В последнюю четверть XIX века в научных лабораториях довольно широко были распространены приборы, которые называли «трубками Крукса». Первые их образцы изготовил известный английский исследователь Уильям Крукс (William Crookes).

В экспериментах с трубками, которым он придавал различные формы, Крукс изучал катодные лучи, названые так потому, что испускались они отрицательным электродом - катодом. Открыл ряд свойств этих лучей. В частности, доказал, что катодные лучи переносят энергию и импульс (1879). Наблюдал свечение некоторых окислов и солей, обусловленное катодными лучами (1886) [1].

Другие исследователи использовали трубки Крукса для наблюдения и демонстрации явлений, сопровождающих протекание тока через различные разреженные газы. Немецкий физик Филипп фон Ленард (fon Lenard Filipp Eduard Anton) показал, что катодные лучи могут проникать сквозь окошко в трубке, затянутое тонкой алюминиевой фольгой и ионизовать воздух в непосредственной близости от окошка. Таким образом, впервые вывел электронный пучок в атмосферу.

Английский физик Джозеф Джон Томсон (Joseph John Thomson) разработал оригинальный вариант трубки Крукса. В 1897 году он путём отклонения катодных лучей магнитным и электрическим полем показал, что эти лучи представляют собой поток отрицательно заряженных частиц. Был измерен удельный заряд этих частиц, показано, что их масса приблизительно в 1837 раз меньше массы атома водорода. Так был открыт электрон.

Немецкий физик-экспериментатор Рентген Вильгельм Конрад (Röntgen Wilhelm Conrad) в 1894 году в Вюрцбургском университете, после того как был избран ректором этого университета, приступил к экспериментальным исследованиям электрического разряда в стеклянных вакуумных трубках.

Рентген повторил некоторые из более ранних экспериментов, в частности, показал, что исходящие из окошка Ленарда катодные лучи (тогда еще неизвестные) вызывают флуоресценцию экрана, покрытого цианоплатинитом бария, BafPt(CN)4]-4Н2О. 8 ноября 1895 года Рентген, чтобы облегчить наблюдения, затемнил комнату и обернул трубку Крукса без окошка Ленарда плотной непрозрачной черной бумагой. К своему удивлению, он увидел на стоявшем неподалеку экране полосу флуоресценции. Тщательнейшим образом, проанализировав и устранив возможные причины ошибок, он установил, что флуоресценция появ-

лялась всякий раз, когда он включал трубку, что источником излучения является именно трубка, а не какая-нибудь другая часть цепи, и что экран флуоресцировал даже на расстоянии почти двух метров от трубки, что намного превосходило возможности короткодействующих катодных лучей.

Рис. 1. Трубка Крукса с препятствием в виде мальтийского креста на пути катодных лучей: 1 катод, 2 анод, 3 источник высокого напряжения, 4 препятствие на пути катодных лучей, 5 тень от препятствия, 6 покрытый люминофором экран, светящийся под действием катодных лучей

Следующие семь недель он провел, исследуя явление, которое он назвал Х-лучами. Тень, которую отбрасывал на флуоресцирующий экран проводник от индукционной катушки, создававшей необходимое для разряда высокое напряжение, навела Рентгена на мысль об исследовании проникающей способности икс-лучей в различных материалах. Он обнаружил, что икс-лучи могут проникать почти во все предметы на различную глубину, зависящую от толщины предмета и плотности вещества. Держа небольшой свинцовый диск между разрядной трубкой и экраном, Рентген заметил, что свинец непроницаем для икс-лучей, и тут сделал поразительное открытие: кости его руки отбрасывали на экран более темную тень, окруженную более светлой тенью от мягких тканей.

Вскоре он обнаружил, что Х-лучи вызывают не только свечение экрана, покрытого цианоплатинитом бария, но и потемнение фотопластинок (после проявления) в тех местах, где Х-лучи попадают на фотоэмульсию.

Первое сообщение Рентгена о его исследованиях, опубликованное в местном научном журнале в конце 1895 года, вызвало огромный интерес и в научных кругах, и у широкой публики. Эксперименты Рентгена были немедленно подтверждены другими учеными.

Интересно свидетельство Роберта Вуда (Wood Robert Williams), известного американского экспериментатора, который во время открытия Рентгена находился в длительной научной командировке в Германии. В книге [2] (глава 4) приведён рассказ Р. Вуда о том, как он узнал об открытии Рентгена:

«Одним памятным утром в начале зимы 1895 года к нам пришел в страшном возбуждении профессор Блазиус. «Пойдемте со мной - мы получили только что удивительную вещь». Мы поспешили за ним в одну из маленьких комнат, на стене которой увидели полдюжины или больше странно выглядевших фотографий - человеческую руку в натуральную величину, с ясно видимыми костями, кошелек с монетами внутри, связку ключей в деревянном ящике и другие объекты. «Что же это такое?» - спросили мы. «Они только что получены с утренней почтой Geheimrath'a (тайного советника). Pix прислал профессор Рентген из Вюрцбурга.

Они сделаны с помощью нового вида лучей, которые проникают сквозь самые непрозрачные вещества и бросают тень металлических и других плотных предметов на фотографическую пластинку. Он назвал их Х-лучами, так как буквой X обыкновенно обозначают

4

неизвестное количество в алгебре, а он не знает, что представляют из себя эти лучи. Они исходят из стеклянной стенки вакуумной трубки в том месте, где на нее надают катодные лучи».

Через день или два вся лаборатория гудела и жужжала от вибрирующих пружинных прерывателей всех катушек Румкорфа, которые только можно было разыскать в шкафах и ящиках. Все, кто умел выдувать стекло и имел доступ к вакуумному насосу, были заняты изготовлением грушевидных стеклянных сосудов, впаиванием электродов и кропотливым откачиванием трубок неуклюжими ртутными насосами это было все, что мы тогда имели. Лаборатория помешалась на Х-лучах. Мы фотографировали наши руки, мышей, маленьких птичек и тому подобные вещи» [2|.

Рентген исследовал основные свойства Х-лучей: способность отражаться, поглощаться, ионизировать воздух. Предложил конструкцию трубки для эффективного получения Х-лучей наклонный платиновый антикатод и вогнутый катод. Результаты исследований опубликовал в двух статьях об Х-лучах в 1896 и 1897 гг. В дальнейшем его научные интересы переместились в другие области.

По свидетельству В.А. Цукермана: «На протяжении первых двух десятилетий (1895 1915) источники рентгеновских лучей, применяемые в физике и медицине, но принципу действия мало отличались от трубок, предложенных самим Рентгеном. Они представляли собой газоразрядные приборы, работающие на левой ветви кривой Пашена при давлении остаточных газов около 10-3 Topp. Источником электронов в таких трубках являлся катод, бомбардируемый положительными ионами в газовом разряде. Главными недостатками этих трубок были непостоянство характеристик и трудность раздельного регулирования тока и напряжения» [3].

Рис. 2. Одна из трубок, с которыми работал Рентген. Музой Рентгена

«В 1914 году американский исследователь Кулидж Уильям Дэвид (Coolidgc Wiiliam David) предложил и осуществил высоковакуумную рентгеновскую трубку с источником электронов в виде накаливаемого вольфрамового катода. В такой трубке температура катода однозначно определяет ток эмиссии, а напряжение между катодом и анодом энергию электронов» [4|.

Рис. 3. Отпаянная ионная рентгеновская трубка. Имеет газорегулятор (вверху), узел, обеспечивающий поддержание оптимального давления остаточных газов. Проводник справа образует разрядный промежуток с катодом, именно он задаёт величину поддерживаемого давления. Широко распространена в учебных лабораториях в качестве демонстрационного прибора

Рис. 4. Современная рентгеновская трубка Кулиджа: 1 3 нить накала, 4 катод, 5 фокусирующая чашка, 6 мишень, 9 анод

баллон из стекла, 2 поток электронов, окно, 7 рентгеновское излучение, 8

Трубка Кулиджа оказалась очень удачным изобретением, получила массовое распространение в медицинских и технических применениях. До настоящих) времени большинство источников ренттеновекохх) излучения построены по этой схеме являются двухэлек-тродными приборами. В качестве источника электронов имеют термоэлектронный катод. Работают в глубоком вакууме, который создается при изготовлении внутри неразборжих), отпаянжнх) корпуса и должен сохраняться на протяжении вемх) срока службы.

3. Некоторые физические закономерности

Вопрос о физической природе Х-лучей закономерно возник сразу после их открытия. Вскоре он был успешно решен.

«В 1893 I'. немецкий физиолог и физик Герман фон Гсльмгольц предсказал, что излучение, подобное свету, но с достаточно короткой длиной волны, могло бы проникать в твердые материалы. В то время такое излучение не было известно.

После открытия Рентгеном немецкий физик Макс фон Лауэ предположил, что коротковолновый характер рентгеновского излучения можно доказать, используя в качестве дифракционной решетки регулярно расположенные атомы в кристалле.

Обычная дифракционная решетка того времени состояла из серии штрихов, проведенных на одинаковом (малом) расстоянии друг от друга на поверхности стеклянной или металлической пластинки. При рассеянии света на таких пластинках возникает сложный узор из светлых и темных пятен, вид которого зависит от длины волны падающего на решетку света. Оптические дифракционные решетки были слишком грубы для того, чтобы на них можно было наблюдать дифракцию излучения с длинами волн, ожидаемыми для рентгеновского излучения.

В 1913 г. эксперимент, предложенный фон Лауэ, был выполнен Вальтером Фридрихом и Паулем Книппингом» [4].

В дальнейшем эксперимент Лауэ лёг в основу рентгеновской кристаллооптики и рент-геноструктурного анализа.

Таким образом, достоверно установлено, что рентгеновское излучение является электромагнитной волной.

На шкале электромагнитных волн рентгеновское излучение занимает интервал между ультрафиолетовым излучением с одной стороны и гамма-излучением с другой стороны. Вопрос о границах между этими видами излучения дискуссионен. В некоторых источниках предлагаемые границы по энергии фотонов различаются более чем в сто раз. Представляется справедливым считать, что границы взаимопроникают на эту или даже большую величину. В каждом конкретном случае излучение должно классифицироваться с учётом механизма генерации и спектральных особенностей.

С учётом вышесказанного, рентгеновским излучением можно считать электромагнитное излучение с длиной волны 10-12- 10-8 м и соответственно энергией фотонов 102-106 эВ, образующееся в результате ускоренного движения электронов - тормозное излучение, либо перестройки электронных оболочек атомов - характеристическое излучение. Спектр характеристического излучения состоит из набора узких линий и индивидуален для каждого химического элемента.

В настоящее время известно, что рентгеновское излучение сопровождает многие явления в природе и технике.

Из законов излучения нагретых тел следует, что при высоких температурах спектр излучения сдвигается в рентгеновскую область. Согласно закону смещения Вина:

Таким образом, в рентгеновской области спектра может излучать плазма, нагретая до 106-107 К. При таких температурах большинство химических элементов ионизированы полностью. В результате излучение стационарной плазмы обусловлено в основном тормозным излучением.

Действительно, при космических наблюдениях тепловое рентгеновское присутствует в спектре Солнца и звёзд.

Тепловое рентгеновское излучение играет важнейшую роль в физике термоядерного взрыва.

Тепловое рентгеновское излучение - основной канал потери энергии горячей плазмой в термоядерных экспериментальных установках.

Многие астрономические явления сопровождаются так же нетепловым рентгеновским излучением.

Ядерные реакции, наряду с ядерными излучениями, неизбежно сопровождаются характеристическим рентгеновским излучением. Оно обусловлено перестройкой электронных оболочек соответствующих атомов.

Т ■ А и 0, 29 ■ 10-3.

(1)

Работа высоковольтных установок и мощных электровакуумных приборов во многих случаях сопровождается генерацией рентгеновского излучения. Побочное рентгеновское излучение может быть опасно для персонала и вредно влиять на работу установки.

Во всех физических процессах (исключая ядерные реакции и приборы на свободных электронах), которые могут быть положены в основу компактных источников рентгеновского излучения, в спектре присутствует как тормозное, так и характеристическое излучение.

Рассмотрим подробнее на примере рентгеновской трубки - вакуумного прибора, имеющего источник электронов в виде накаливаемого катода, и анод, который является мишенью. Между катодом и анодом приложено напряжение 11, которое ускоряет электроны. В обычных рентгеновских трубках и — 104 — 2 ■ 105 В. Низкое давление 10_2 Па) в трубке обеспечивает минимальные потери электронного потока в процессе ускорения. «Электроны, проходя межэлектродное пространство, приобретают кинетическую энергию:

— с ■ Ц~, ^ 2 ^

где и - разность потенциалов между электродами, е - элементарный заряд. Энергия электрона, достигшего анода, практически совпадает с величиной (2) из-за пренебрежимо малой энергии термоэлектронов. Взаимодействие ускоренных электронов с атомами вещества анода приводит к образованию потока рентгеновского излучения, распространяющегося по разным направлениям из анода» [5].

Тормозное рентгеновское излучение

Спектрометрические исследования излучения, генерируемого рентгеновскими трубками, позволили обнаружить сложный характер его спектра. На фоне непрерывной составляющей спектра различаются резкие максимумы. Для любого материала анода спектр рентгеновских лучей всегда содержит непрерывную составляющую, имеющую максимум и резкую границу со стороны коротких волн (рис. 5).

Измерения показали, что высота максимума и интегральная интенсивность излучения монотонно растут с увеличением ускоряющего напряжения и между анодом и катодом рентгеновской трубки. Положение коротковолновой границы непрерывного рентгеновского спектра не зависит от материала анода и определяется только напряжением и. Длина волны коротковолновой границы выражается следующей эмпирической формулой (3):

21, 4

^мин ~ ^ , (3)

где напряжение и измеряется в киловольтах, а А - длина волны, выражается в ангстремах.

Непрерывная составляющая спектра рентгеновской трубки образуется при торможении ускоренных электронов в материале анода. На электрон с большой кинетической энергией, попавший в анод, действуют электрические поля атомных ядер и электронов атомов вещества анода. Под действием кулоновских сил электроны приобретают значительное ускорение и излучают электромагнитные волны непрерывного спектра. Согласно классической электродинамике, интегральная интенсивность тормозного излучения заряженной частицы (т.е. энергия, излучаемая в единицу времени во всех направлениях) пропорциональна квадрату ускорения тормозящейся частицы. Следует заметить, что генерирование тормозного излучения происходит в основном за счет взаимодействия с электрическими полями атомных ядер. Вклад электрон-электронных столкновений в интенсивность тормозного излучения сравнительно мал. В электродинамике показано, что вероятность излучения на фиксированной длине волны при торможении электрона в электрическом поле атомного ядра пропорциональна квадрату порядкового номера атома 22, а в случае электрон-электронных столкновений - порядковому номеру атома 2.

Положение коротковолновой границы непрерывного рентгеновского спектра легко вычисляется с помощью закона сохранения энергии. Максимальная энергия фотона еМакс

тормозного излучения определяется предельным случаем, когда вся кинетическая энергия электрона излучается в виде единственного фотона с энергией (4):

£макс = е ■ и. (4)

Понятно, что при торможении электрона атом получает импульс и, следовательно, кинетическую энергию. Однако можно показать, что в случае нерелятивистских электронов эта энергия отдачи пренебрежимо мала но сравнению с величиной си, так как торможение происходит в основном из-за взаимодействия с массивным ядром атома. Максимальной энергии (еМакс) соответствует минимальная длина волны фотона (Амин), которая совпадает с эмпирической формулой (3) для коротковолновой границы непрерывного рентгеновского спектра:

А = 2^

Амин — ^^ . V"/

(А )

щем напряжении и не зависит от материала анода (рис. 6). Площади иод кривыми пропорциональны атомному номеру материала анода.

Рис. 5. Непрерывная составляющая спектров рентгеновских лучей при разных ускоряющих напряжениях и. к) и — 20 кВ, В)и — 25 кВ, С)и — 30 кВ, Б)и — 35 кВ, Е)и — 40 кВ, Г)и — 50 кВ. Вольфрамовый анод. По вертикальной оси отложена интенсивность излучения в относительных единицах

«Тормозное рентгеновское излучение возникает при торможении электронов в приповерхностном слое анода. При этом на долю самого излучения расходуется не более 5 % энергии электронов. Остальная энергия превращается в тепло и нагревает анод. Для снижения тепловых потерь электронов предполагается использовать монокристаллы с определенной кристаллографической ориентацией. Физическая сущность перспективного подхода состоит в следующем. Упорядоченное расположение атомов в этих материалах создает атомные «каналы» значительной протяженности. Если электроны надают на поверхность материала иод малым углом к атомной цепочке, то их движение локализуется внутри канала.

При движении электрона вдоль кристаллографического направления возникает тормозное рентгеновское излучение с минимальными тепловыми потерями. Иными словами, происходит перераспределение энергии ускоренных электронов в пользу рентгеновского излучения» [6].

Рис. 6. Сравнительные спектры тормозного излучения для разных материалов анода при одинаковом ускоряющем напряжении и одинаковом токе электронов в рентгеновской трубке. Материал анода: 1 алюминий, 2 молибден, 3 платина

Рис. 7. Полярная диаграмма распределения интенсивности тормозного излучения массивного анода рентгеновской трубки: 1 поток ускоренных электронов, 2 анод, 3 ось пучка рентгеновских лучей, выходящих из трубки, 4 окно в стенке рентгеновской трубки, 5 полярная диаграмма распределения интенсивности тормозного излучения

В большинстве рентгеновских трубок максимум излучения формируется в направлении, перпендикулярном пучку ускоренных электронов (рис. 7). На пути рентгеновских лучей в стенке рентгеновской трубки конструируется окно, закрытое тонкой пластинкой из вещества, слабо поглощающего рентгеновское излучение. В качестве такого материала используется алюминий, бериллий, пластик с запыленной пленкой графита и т.д.

В массивном аноде за счет рассеяния неизбежно уширение электроннох'о пучка. Явление иллюстрируется рис. 8. Уширение электронного пучка ограничивает остроту фокуса рентгеновской трубки. Прострсльныс аноды позволяют решить эту проблему. Рисунок 9 иллюстрирует распределение интенсивности тормозного излучения ироетрельного анода рентгеновской трубки.

Рис. 8. Ушироиио падающего электронного пучка в образце: массивный анод слева, прострельный анод справа

Кривая интенсивности показывает относительное распределение рентгеновских лучей высокой, средней и низкой энергии [6].

Характеристическое рентгеновское излучение

Исследование спектров вторичных рентгеновских лучей позволило обнаружить, что при достаточно большом ускоряющем напряжении между электродами рентгеновской трубки в спектре рентгеновских лучей на фоне непрерывной составляющей появляются узкие пики высокой интенсивности. Эти пики называются рентгеновскими спектральными линиями (но аналогии с оптическими спектральными линиями). В экспериментах было установлено, что расположение спектральных линий на оси длин волн определяется элементным составом материала анода. При этом каждому химическому элементу соответствует определенный индивидуальный набор длин волн линейчатого рентгеновского спектра. Это рентгеновское излучение, имеющее линейчатый спектр, называется характеристическим рентгеновским излучением (ХРИ). Линейчатый рентгеновский спектр, в отличие от атомных оптических спектров, состоит из небольшого числа резких пиков, которые объединяются в серии но близости значений длин волн.

Самая коротковолновая серия ХРИ называется К-серией. Для большинства химических элементов хорошо разрешаются три пика этой серии: Ка,К^,К7, где греческие буквы расставлены в порядке убывания интенсивности спектральных линий. В линейчатых рентгеновских спектрах присутствует также более длинноволновая Ь-серия спектральных линий. Для любого химического элемента длины волн Ь-серии в несколько раз больше, чем длины волн К-серии. Интенсивность линий Ь-серии, как правило, меньше, чем интенсивность линий К-серии того же химического элемента, находящегося в тех же условиях эксперимента.

При увеличении разрешающей способности рентгеновских спектрометров и просмотре более длинноволновых участков рентгеновского диапазона обнаруживаются у тяжелых элементов рентгеновские спектральные серии, обозначаемые буквами М, N и О. Каждая из этих серий состоит из спектральных линий все более длинных волн, которые ноете-

пенно смещаются в направлении ультрафиолетового диапазона шкалы электромагнитных волн. Длинноволновые серии ХРИ отличаются более сложным составом и меньшей интенсивностью спектральных линий но сравнению с коротковолновыми сериями для того же хими чеекого элемента.

—г1--Ч~

Размер фокальной точки

Рис. 9. Прострельная мишень: 1 мишень/слой взаимодействия (0.5 5 мкм Мо или Си), 2 пучок электронов, 3 подложка (50 500 мкм Ве или А1), 4 объем рентгеновского взаимодействия, 5 эффективное фокусное пятно

4. Области применения рентгеновского излучения. Особые требования к источникам излучения

Вскоре после открытия рентгеновского излучения В. К. Рентген выполнил серию экспериментов, направленных на изучение основных свойств Х-лучей и совершенствование конструкции их источника рентгеновских трубок. Результаты были опубликованы в нескольких основополагающих работах. Многочисленные последователи подтвердили основные результаты и стали уточнять отдельные количественные закономерности. Каждое из свойств в отдельности и их комбинации породили новые направления в технике. Рентгеновская техника продолжает развиваться в наши дни.

Уже первые опыты В. К. Рентгена продемонстрировали возможность получения теневых изображений внутренней структуры предметов, не прозрачных для видимого света. Среди первых фотографий в Х-лучах были изображения частей тела человека, на которых хорошо видны кости скелета. Таким образом, в медицине открывались новые возможности диагностики заболеваний и травм.

«Рентген вскоре начал применять свое открытие в медицинских целях, что дало начало рентгенодиагностике. В начале XX века для создания рентгенограммы было необходимо несколько часов, что объяснялось низким уровнем оборудования, а также малой чувствительностью пленки. Однако вскоре для проведения съемки стали применять специальные усиливающие экраны, между которыми располагалась пленка. Это позволило значительно улучшить проведение рентгенографии.

Таблица1 (начало) Свойства и важнейшие области применения рентгеновского излучения

№ Свойство Важнейшие области применения

1 Способность проникать через не прозрачные для видимого света тела Совместно со свойствами «2» и «8» позволило наблюдать внутреннюю структуру сложных объектов. - Медицинская рентгенография и рентгеноскопия. - Техническая рентгенография и рентгеноскопия (дефектоскопия, интроскопия). - Досмотровые системы.

2 Способность ослабляться при прохождении через вещество в зависимости от его плотности и элементного состава. Зависимость коэффициентов поглощения от энергии рентгеновского излучения. Средства производственного контроля. - Рентгеновские толщиномеры. - Рентгеновские плотномеры. - Защита от неиспользуемого рентгеновского излучения.

3 Способность вызывать химические реакции в некоторых веществах. - Фотографическая регистрация рентгеновского излучения. - Рентгеновская литография. - Полимеризация в кабельном, шинном и других производствах. - Средства производственного контроля.

4 Способность влиять на биологические процессы в живых организмах Биологическое действие рентгеновского излучения, как и иных видов ионизирующего излучения, не было оценено сразу в полной мере. У некоторых экспериментаторов возникали острые и хронические радиационные ожоги участков тела. Необходимое для этого воздействие рентгеновского излучения в десятки тысяч раз превышает установленные в настоящее время нормы. - Рентгенотерапия, медицинское применение, с учётом свойства «2», позволяет направленно воздействовать на патологические очаги в организме. - Радиационный мутагенез - инициирование мутаций в сельскохозяйственных культурах с последующей селекцией. В настоящее время не актуально. - Радиационная обработка сельскохозяйственной продукции. - Радиационная стерилизация медицинских изделий.

5 Способность вызывать свечение в видимой области спектра некоторых материалов (люминесценция). - Визуализация рентгеновских изображений в рентгеноскопии. - Усиление рентгеновских изображений в рентгенографии. - Сцинтилляционные детекторы рентгеновского излучения.

Таблица1 (окончание) Свойства и важнейшие области применения рентгеновского излучения

№ Свойство Важнейшие области применения

6 Способность ионизировать вещества. - Ионизационные детекторы рентгеновского излучения. - Борьба с электростатическими зарядами в полиграфии и ряде отраслей промышленности. - Ионизация газовых смесей в некоторых анализаторах химического состава.

7 Способность, как и любого электромагнитного излучения, распространяться со скоростью света (с и 3 ■ 101Осм/с). Совместно со свойствами «2» и «8» позволило наблюдать быстропротекающие процессы с временным разрешением (10-9 - 10-6) с - Скоростная рентгенография. - Диагностика плазмы.

8 Способность «обычного», не монохроматического, не когерентного рентгеновского излучения проходить прямолинейно, без существенных потерь через границы сред. Обусловлена малыми коэффициентами преломления и отражения. - Микрофокусная проекционная рентгенография. - Рентгеновская микроскопия.

9 Способность к дифракции и интерференции на структурах с характерными размерами (10-10-10-9) м - Рентгеновская кристаллооптика. - Рентгеноструктурный анализ.

10 Способность поглощаться и переизлучаться на линиях характеристического излучения химических элементов, входящих в состав вещества. - Рентгенофлуоресцентный анализ. - Рентгеноабсорбционный анализ. - Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия.

Возможность применения рентгеновских лучей для медицины заинтересовала исследователей во всех развитых странах. В России A.C. Попов в конце XIX века создал специальный аппарат для получения рентгеновских лучей, который по его инициативе использовался в Кронштадтском военно-морском госпитале.

В Императорской Военно-медицинской академии, центре российской медицины, в 1896 году был организован регулярный прием пациентов, в ходе которого проводились рентге-нодиагноети ческие снимки.

Рис. 10. Получение теневого изображения кисти руки

Рис. 11. Оперативный стол М. Сегюн для рентгеноскопии и фотографирования, начало XX века [7]

Даже на ранних этапах развития рентгеноскопия позволяла ставить более четкие диагнозы, видеть патологические процессы, которые ранее были скрыты от взгляда врача. В медицинских кругах открывшиеся возможности вызвали искренний энтузиазм» [7].

Для людей не посвященных, тем более малообразованных, рентгеновские лучи стали «чудом», их применение вскоре стало входить в моду. Свою ленту внесли ловкие дельцы. В результате появились много численные случаи неоправданного и ошибочного применения новомодного метода, это часто приводило к весьма плачевным результатам. Вот, что сообщала об одном из таких случаев газета «Врач» в начале 1901 года: «В 4-й палате Парижского гражданского суда будет разбираться дело больной 3., которая, страдая невралгией лица, пользовалась у доктора X. рентгеновскими лучами. В первые 9 присестов лучи пропускал сам доктор X., а в последний, 10-й раз, он поручил это одному из сво-

их помощников. На следующий за присестом день, 3. проснулась с опухшим глазом и с совершено облысевшей правой половиной головы и обратилась в суд» [7].

Опасность воздействия рентгеновского излучения на организм человека была вовсе неизвестна на ранних этапах его применения. На рис. 10, 11 можно видеть, что не принималось никаких мер для защиты оператора от излучения. Позже появились элементарные средства защиты, однако они были несовершенны. Опасность регулярного облучения малыми дозами недооценивалась долгие годы. В результате многие врачи-рентгенологи погибли преждевременно от профессиональных заболеваний.

«В 1920-х годах в американских обувных магазинах начали появляться диковинные деревянные шкафчики Shoe-Fitting Fluoroscopc. Принцип работы был прост: вставив ногу в нижний отсек, потенциальный покупатель через специальную трубку видел, насколько плотно сидит башмак на ступне. Аппарат просвечивал ногу насквозь, поэтому можно было разглядеть каждую косточку и контур подошвы.

Рис. 12. Реклама американской машиики для примерки обуви

Аппарат начал буквально захватывать обувные магазины Северной Америки и Европы (рис. 12 14). В Англии его называли Pedoscope, в Германии Shucoskop. Изобрел педо-екоп (он же флюороскоп) торговец хирургическими инструментами из Милуоки Кларенс Каррер в 1924 году, спустя 29 лет после того, как Вильгельм Рентген открыл лучи, названные впоследствии в его честь. Цена «обувного шкафчика» с рентгеном варьировалась от 800 до 1000 USD. Несмотря на дороговизну, каждый владелец магазина стремился заполучить статусную новинку. Пик популярности пришелся на годы Великой депрессии: люди стремились выбирать обувь с умом, чтобы ее можно было носить не один сезон. Дела у владельцев педоскопов шли замечательно, пока в конце 1940-х ученые не заговорили о том, насколько вредны эти приборы.

Они не представляли угрозы для покупателей: но крайней мере, травм зафиксировано не было. Страдали в основном продавцы: их руки регулярно попадали иод прямое воздействие лучей, в среднем 114 мкР/ч, когда они ощупывали ноги клиентов. Это приводило к дерматитам и другим заболеваниям кожи. Одна из наиболее серьезных травм, связанных с работой педоекопа, была зафиксирована у обувной модели, которой в результате излучения пришлось ампутировать ногу.

Законодатели но всему миру постепенно начали ограничивать использование педоскопов (так, дети могли воспользоваться ими только 12 раз в год, что совершенно не устра-

ивало продавцов), в итоге в США они полностью исчезли из магазинов к 1960 году, а в Великобритании и Канаде в 1970-м» [8].

Рис. 13. Американская реклама

Рис. 14. Машинка для примерки обуви в ГУМе, Москва, примерно 1955 год [9]

К 70-м годам XX века определились основные направления применения рентгеновского излучения в медицине, промышленности и аналитическом приборостроении. Принципиальные технические решения и облик устройств для их реализации были в основном определены. Стали понятны фундаментальные ограничения улучшения характеристик источников рентгеновского излучения [3, 10].

Последующее развитие техники микроэлектроника, вычислительная техника, функциональные материалы и МЭМС-технологии существенно повлияло на рентгеновское приборостроение.

Актуальной задачей является адаптация источников рентгеновского излучения иод требования и возможности новых технических средств.

Работа [11] посвящена разработке специализированных рентгеновских трубок, адаптированных под новые методы медицинской диагностики.

5. Непрерывный, импульсный и частотный режимы работы источников рентгеновского излучения. Стабильность характеристик

Большинство физических явлений могут иметь стационарный либо нестационарный характер. Стационарные явления на протяжении времени наблюдения сохраняют неизменными, характеризующие их, физические параметры. Физические параметры, характеризующие нестационарные явления, изменяются за время наблюдения.

В технических устройствах, например источниках рентгеновского излучения, выделяют ограниченное число физических параметров, достаточно характеризующих их выходную величину. Техническое устройство может иметь несколько входных параметров, влияющих на физические параметры выходной величины. Функциональная связь между входными и выходными параметрами может иметь сложный, нелинейный характер. Адекватная математическая модель устройства открывает возможность оптимизировать устройство и управлять выходными параметрами.

Полезной выходной величиной источников рентгеновского излучения является рентгеновское излучение. Оно может быть охарактеризовано интенсивностью, спектром, пространственным распределением, поляризацией и когерентностью.

Другой, как правило, вредной выходной величиной источников рентгеновского излучения является тепловая энергия. КПД большинства источников рентгеновского излучения лежит в интервале от 0,5 до 5,0 %. Возможность отвода тепла от мишени/анода ограничивает параметры многих источников рентгеновского излучения.

Классические ионные трубки Рентгена и электронные трубки Кулиджа предназначены для работы в непрерывном режиме. Характеристики генерируемого ими излучения можно изменять регулировкой тока накала и анодного напряжения. Непрерывное рентгеновское излучение позволяло рентгенографировать неподвижные объекты.

«Первые опыты по рентгенографированию быстропротекающих процессов с экспозициями в миллионные доли секунды и менее связаны с работами известного немецкого специалиста в области газового разряда М. Штеенбека. Он осуществил рентгеновские снимки пули в свободном полёте. В 1940 г. В. Оостеркампф показал применимость для подобных целей трубок с накаливаемым катодом. В 1941 г. сотрудники американской фирмы «Вестингауз» Ч. Слэк и Е. Эрке создали трёхэлектродную импульсную рентгеновскую трубку и доказали перспективность использования высоковакуумных источников рентгеновских лучей. К этому времени относятся советские работы В. А. Цукермана и А. И. Авдеенко, которые в 1941 г. получили качественные рентгенограммы ружейной пули в свободном полёте, используя кенотрон с кратковременно перекаливаемым катодом для генерации рентгеновских вспышек» [12].

Следует отметить, что рентгенографирование быстропротекающих процессов возможно только в проекционной геометрии. В такой геометрии для того, чтобы края изображения не были размыты, необходимо, чтобы источник излучения имел острый фокус. Ввиду того, что время экспозиции очень короткое, необходима большая импульсная мощность рентгеновского излучения.

«В 1947-1948 гг. на смену кенотронам с перекаливаемым катодом пришли двухэлек-тродные высоковакуумные рентгеновские трубки с автоэлектронной эмиссией. Трубки с анодом в форме иглы обеспечивали малые размеры проекции фокусного пятна. Были созданы отпаянные трубки с игольчатым анодом, работающие на напряжениях до 1,5 МВ» [12] (рис. 15).

В рамках Атомного проекта импульсная рентгенография получила быстрое развитие и сыграла важную роль. Был успешно прёодолён ряд технических трудностей. Разработаны эффективные генераторы высоковольтных импульсов. «С конца 50-х начались исследования и разработки, связанные с использованием импульсной рентгенотехники в традици-

онных применениях рентгеновской дефектоскопии и медицинской рентгенодиагностике. В 1972 1977 1ч\ был налажен серийный выпуск портативных рентгеновских генераторов серии РИНА и МИРА. С их помощью производилось рентгенографирование 90 % сварных соединений магистральных трубопроводов и других сооружений» [12].

Рис. 15. Конструкция двухэлектродной импульсной трубки с электростатической эмиссией: 1 баллон, 2 катодный держатель, 3 игольчатые катоды, 4 анод. Крупным планом игольчатые эмиттеры , плотность разрядного тока составляет примерно 4 • 103 А/см2. Рентгеновское излучение исходит от игольчатого анода в осевом направлении

Наряду с успехами, у рентгенографии на основе импульсных рентгеновских трубок сохранились плохо преодолимые ограничения. Импульсные рентгеновские трубки но сравнению с классическими трубками непрерывного излучения имеют существенно меньший ресурс работы в пересчете на число излученных квантов. Получение фокуса диаметром меньше 1 мм в условиях больших импульсных токов проблематично.

6. Стандарты, относящиеся к рентгеновским трубкам и некоторым другим источникам рентгеновского излучения

Рентгеновскими трубками принято называть устройства (приборы), предназначенные для генерации рентгеновского излучения, в которых электроны в вакууме (в большинстве случаев) или в среде разреженного газа (в специальных случаях) ускоряются до необходимой энергии непрерывным или импульсным электрическим нолем, после чего сталкиваются с мишенью.

Или «Рентгеновский прибор для получения рентгеновского излучения бомбардировкой мишени потоком электронов, ускоренных разностью потенциалов между анодом и катодом» в соответствии с ГОСТ 20337-74 [13].

К 70-м годам XX века рентгеновские трубки стали массовым высокотехнологичным промышленным изделием. Были определены основные виды рентгеновских трубок в соответствии с областью применения. Активно продолжалась разработка новых типов трубок, совершенствовалась технология производства. Стандартизация в этой отрасли стала актуальна. С учетом зарубежного опыта в этот период в СССР был разработан и принят комплекс ГОСТов, который с учетом некоторых изменений продолжает действовать в России в настоящее время. Рассмотрим кратко эти стандарты.

ГОСТ 20337-74 «Приборы рентгеновские. Термины и определения» [13].

Настоящий стандарт устанавливает термины и определения основных понятий в области рентгеновских приборов.

Для каждого понятия установлен один стандартизованный термин. Применение терминов-синонимов стандартизованного термина не допускается. Недопустимые к при-

менению термины-синонимы приведены в стандарте в качестве справочных и обозначены «И дп».

В стандарте в качестве справочных приведены иностранные эквиваленты на немецком (Б) и английском (Е) языках для ряда стандартизованных терминов.

В данном стандарте представлено более 50 терминов и определений.

ГОСТ 8490-77 «Трубки рентгеновские. Общие технические условия» [14].

Настоящий стандарт распространяется на рентгеновские трубки производственно-технического назначения, применяемые для промышленных и медицинских целей.

Стандарт не распространяется на импульсные управляемые рентгеновские трубки с термокатодом.

Стандарт включает:

- 1.1. Требования к конструкции.

- 1.2. Требования к электрическим, рентгенооптическим параметрам и режимам.

- 1.3. Требования к прочности при механических воздействиях.

- 1.4. Требования к устойчивости при климатических воздействиях.

- 1.5. Требования к надежности.

- 2.1. Правила приемки трубок.

- 2.2. Квалификационные испытания.

- 2.3. Приемо-сдаточные испытания.

- 2.4. Периодические испытания.

- 2.5. Испытание на минимальную наработку.

- 2.6. Испытание на сохраняемость.

- 3 Устанавливает методы контроля.

- 4.1. Маркировка трубок должна соответствовать требованиям ГОСТ 25486—82 с уточнениями и дополнениями, указанными в настоящем стандарте.

- 5.1. Указания по применению трубок должны быть изложены в документе по применению, утвержденном в установленном порядке.

- 6. Требования безопасности.

- 7. Гарантии изготовителя.

ГОСТ 22091.0-84 «Приборы рентгеновские. Общие требования к измерению параметров» [15].

Настоящий стандарт распространяется на рентгеновские приборы и устанавливает общие требования к методам измерения электрических и рентгенооптических параметров рентгеновских приборов.

ГОСТ 22091.1-84 «Приборы рентгеновские. Методы измерения тока и напряжения накала» [15].

Настоящий стандарт распространяется на рентгеновские приборы и устанавливает методы измерения тока и напряжения накала.

ГОСТ 22091.2-84 «Приборы рентгеновские. Методы измерения тока и напряжения ин-жекции рентгеновских бетатронных камер» [15].

Настоящий стандарт распространяется на рентгеновские бетатронные камеры (РБК) и устанавливает методы измерения среднего и амплитудного значений тока и амплитудного значения напряжения инжекции.

ГОСТ 22091.3-84 «Приборы рентгеновские. Методы измерения размера поля облучения и угла раствора рабочего пучка рентгеновского излучения» [15].

Настоящий стандарт распространяется на рентгеновские трубки и устанавливает метод измерения размера поля облучения и два метода измерения угла раствора рабочего пучка рентгеновского излучения:

метод I - фотометрирование снимка поля облучения, метод I предназначен для рентгеновских трубок с углом раствора рабочего пучка до 70°;

метод II - детектирование рентгеновского излучения.

ГОСТ 22091.4-86 «Приборы рентгеновские. Методы измерения напряжения рентгеновской трубки» [15].

Настоящий стандарт распространяется на рентгеновские трубки и устанавливает следующие методы измерения напряжения рентгеновской трубки (для импульсных рентгеновских трубок - напряжения анода):

- метод измерения постоянного напряжения микроамперметром с добавочным резистором;

- метод измерения постоянного напряжения киловольтметром;

- метод измерения постоянного, переменного и пульсирующего напряжения вольтметром с делителем напряжения;

- метод измерения переменного, пульсирующего и постоянного напряжения вольтметром, включенным в первичную обмотку высоковольтного трансформатора источника напряжения рентгеновской трубки.

ГОСТ 22091.5-86 «Приборы рентгеновские. Методы измерения тока рентгеновской трубки» [15].

Настоящий стандарт распространяется на рентгеновские трубки и устанавливает следующие методы измерения:

- метод измерения тока рентгеновской трубки при длительности прохождения тока 2 с и более;

- метод измерения тока рентгеновской трубки при длительности прохождения тока от 0,05 до 2 с.

- Стандарт не распространяется на импульсные управляемые рентгеновские трубки с термокатодом.

ГОСТ. 22091.6-84. «Приборы рентгеновские. Методы измерения мощности экспозиционной дозы рентгеновского излучения» [15].

Настоящий стандарт распространяется на рентгеновские трубки напряжением от 10 до 1000 кВ и устанавливает методы измерения.

ГОСТ 22091.7-84 «Приборы рентгеновские. Методы измерения равномерности распределения плотности потока энергии рентгеновского излучения по полю облучения» [15].

Настоящий стандарт распространяется на рентгеновские трубки и устанавливает два метода измерения равномерности распределения плотности потока энергии рентгеновского излучения по полю облучения:

метод I - фотометрирование снимка поля облучения;

метод II - детектирование рентгеновского излучения.

ГОСТ 22091.8-84 «Приборы рентгеновские. Метод измерения спектрального состава и относительной загрязненности спектра» [15].

Настоящий стандарт распространяется на рентгеновские трубки и устанавливает метод измерения спектрального состава и относительной загрязненности спектра характеристического излучения в диапазоне энергий (7,209-40,050)-10-16 Дж (4,5-25) кэВ.

ГОСТ 22091.9-86 «Приборы рентгеновские. Методы измерения размеров эффективного фокусного пятна» [15].

Настоящий стандарт распространяется на рентгеновские трубки и устанавливает следующие методы измерения размеров эффективного фокусного пятна (далее - фокусного пятна):

- метод измерения размеров фокусного пятна до 0,1 мм;

- метод измерения размеров фокусного пятна свыше 0,1 до 5 мм;

- метод измерения размеров фокусного пятна свыше 5 мм;

- метод измерения фокусного пятна свыше 0,3 мм с использованием промышленной телевизионной установки с рентгеновидиконом (метод применяется при необходимости сокращения времени измерения и при отсутствии требований к высокой точности измерений).

ГОСТ 22091.10-84 «Приборы рентгеновские. Метод измерения алюминиевого или медного эквивалента баллона рентгеновского прибора» [15].

Настоящий стандарт распространяется на рентгеновские приборы и устанавливает метод измерения алюминиевого или медного эквивалента баллона рентгеновского прибора. Стандарт не распространяется на рентгеновские бетатронные камеры.

ГОСТ 22091.11-80 «Приборы рентгеновские. Метод измерения времени готовности» [15].

Настоящий стандарт распространяется на импульсные управляемые рентгеновские трубки с термокатодом (далее - трубки) и устанавливает метод измерения времени готовности.

ГОСТ 22091.12-84 «Приборы рентгеновские. Методы измерения токов и напряжений электродов в импульсе» [15].

Настоящий стандарт распространяется на управляемые импульсные рентгеновские трубки с термокатодом (далее - трубки) и устанавливает методы:

- измерения тока анода (катода) в импульсе;

- измерения тока сетки в импульсе;

- измерения напряжения сетки в импульсе.

ГОСТ 22091.13-84 «Приборы рентгеновские. Метод измерения междуэлектродной емкости сетка-катод» [15].

Настоящий стандарт распространяется на рентгеновские трубки и устанавливает метод измерения междуэлектродной емкости сетка-катод.

ГОСТ 22091.14-86 «Приборы рентгеновские. Метод измерения плотности потока энергии (плотности потока фотонов) рентгеновского излучения» [15].

Настоящий стандарт распространяется на управляемые импульсные рентгеновские трубки с термокатодом (далее - трубки) и устанавливает метод измерения плотности потока энергии (плотности потока фотонов) рентгеновского излучения в диапазоне энергий (1,6-80) фДж ((10-500) кэВ).

ГОСТ 22091.15-86 «Приборы рентгеновские. Метод испытания на электрическую прочность» [15].

Настоящий стандарт распространяется на управляемые импульсные рентгеновские трубки с термокатодом (далее - трубки) и устанавливает метод испытания на электрическую прочность.

ГОСТ Р 52125-2003 «Источники рентгеновского излучения радионуклидные закрытые. Методы измерения параметров» [16].

Настоящий стандарт распространяется на закрытые радионуклидные источники (ЗРИ) рентгеновского излучения, выпускаемые промышленностью (далее - источники), и устанавливает методы измерения их основных радиационных параметров (далее - ОРИ):

- потока фотонов рентгеновского излучения заданной энергии (или в заданном диапазоне энергий) в телесный угол 10-4 ср относительно нормали к рабочей поверхности источника (далее - поток фотонов) в диапазоне (5 • 10-5 — 106) с-1 при энергии фотонов (1,25-150) кэВ;

- активности радионуклида в данном источнике рентгеновского излучения (далее - активность) в диапазоне (102 — 1014) Бк при энергии испускаемых фотонов (1,25-150) кэВ.

7. Альтернативные источники рентгеновского излучения

Кроме рентгеновских трубок, известны другие приборы, предназначенные для генера-

ции рентгеновского излучения.

1. Приборы, в которых рентгеновское излучение генерируется в результате столкнове-

ния ускоренных электронов с мишенью, как и в рентгеновских трубках, однако ускорение

электронов производится циклическими (бетатроны, микротроны) или линейными ускори-

телями.

Спектр, поляризационные и пространственные характеристики рентгеновского излучения перечисленных приборов могут не отличаться существенно от соответствующих характеристик излучения рентгеновских трубок.

Временные характеристики рентгеновского излучения перечисленных приборов имеют особенности, обусловленные механизмом ускорения электронов. Для бетатронов [17], являющихся индукционными циклическими ускорителями, характерно следование импульсов рентгеновского излучения с частотой 50 Гц. Длительность импульсов может составлять (0,2-10)-10-6 с. Известны бетатроны, работающие с частотой 200 Гц, существуют бетатроны, которые работают в режиме единичных импульсов. Малогабаритные бетатроны способны генерировать тормозное излучение с энергией до 6 МэВ. Величина энергии может плавно регулироваться. Преимущественное применение источников тормозного излучения на основе бетатронов - промышленная дефектоскопия и наблюдение быстропротекающих процессов. Малогабаритные бетатроны применяют в некоторых досмотровых системах.

Факт, что бетатроны как источники рентгеновского излучения распространены и имеют практическое значение, косвенно подтверждается тем, что действует ГОСТ 22091.2-84 «Приборы рентгеновские. Методы измерения тока и напряжения инжекции рентгеновских бетатронных камер» [15].

Известны успешные попытки генерации с помощью бетатрона параметрического рентгеновского излучения [17].

Линейные ускорители по принципу работы могут быть прямого действия, индукционные и резонансные.

В ускорителях прямого действия электроны ускоряется высоким напряжением, которое может быть постоянным или импульсным. Максимальная энергия тормозного излучения ускорителей прямого действия с постоянным ускоряющим напряжением ограничивается электрической прочностью и разумными габаритами. Применяются для технологических целей, например, радиационной стерилизации продуктов и медицинских изделий, радиационной полимеризации оболочек кабелей и автомобильных покрышек [29].

В индукционном ускорителе пучок ускоряется вихревым электрическим полем, которое создаётся изменением магнитного поля в катушках, охватывающих траекторию пучка.

Чаще всего под линейным ускорителем подразумевается резонансный линейный ускоритель (линак, англ. LINear Accelerator). В нём пучок ускоряется, проходя ускоряющую структуру (СВЧ-резонатор) с высокочастотным электрическим полем.

Генераторы рентгеновского излучения на основе ускорителей конструктивно сложнее и существенно дороже рентгеновских трубок, однако именно они позволяют эффективно генерировать тормозное излучение высокой энергии (до нескольких миллионов электрон-вольт) большой мощности в непрерывном и импульсном режиме.

2. Параметрическое рентгеновское излучение. «Параметрическое рентгеновское излучение (ПРИ) представляет собой квазичеренковское излучение в рентгеновской области спектра, генерируемое при равномерном и прямолинейном движении заряженной частицы в кристалле вблизи брэгговских углов и частот, определяемых условием дифракции на кристаллографических плоскостях:

(к + д)2 = Л2. (6)

Важнейшие свойства ПРИ указывают на то, что оно может быть важным источником рентгеновского излучения. Действительно, оно имеет высокую спектральную яркость; его спектр состоит из набора квазимонохроматических линий; оно может излучаться в узконаправленные рефлексы под большими углами относительно направления скорости частиц, что позволяет уйти от фона пучка и отделить от других типов излучения; оно поляризовано. Наконец, все его параметры легко изменяются простым изменением взаимной ориентации пучка, кристаллической мишени и наблюдателя» [19].

Известны успешные попытки генерации параметрического рентгеновского излучения с помощью бетатрона [17].

3. Приборы, в которых рентгеновское излучение генерируется в результате тепловых и специфических плазменных процессов (Z-пинч, плазменный фокус, Х-пинч). Являются

[20, 21] источниками мощных кратковременных единичных импульсов проникающих) излучения. Излучение, в общем случае, состоит из мягкого и жёсткого рснатсновскох'о излучения, а также может включать в себя нейтроны. Спектр излучения зависит от конструкции и режимов применения. Длительность импульсов может составлять 10-9 с. Размер излучающей области 1 мм.

Явление плазменный фокус открыто в середине XX века на установках для исследования термоядернемч) синтеза. В СССР (с коаксиальными электродами) и независимо в США (с плоскими электродами) [22].

В настоящее время производятся изделия, действие которых основано на явлении ххлаз-меннохх) фокуса, пригодные для ххромышленнохх) применения.

Источником излучения является сжимающаяся иод действием нолей ххмххульенохх) тока плазма х'азовохх) разряда. Можно выделить три механизма излучения:

- собственно, плазменная область излучает, как абсолютно черное тело;

- некоторые специально вводимые атомы, например литий, ионизируются, образовавшиеся ионы способны эффективно ххереххзлучать энергию на монолинии [23];

- традиционно плазменные разряды выполнялись в дейтерии или ехх) смеси с тритием. В плазменном фокусе мохут создаваться условия для протекания ядерных реакций между ними, в результате которых образуются нейтроны [20 22].

Известны устройства на основе ххлазменнохх) фокуса, которые мохут генерировать последовательность импульсов рентх'еновскох'о излучения с частотой 2000 Гц с энергией каждоххх импульса 20 мДж в телесном угле стерадиан. Длина волны излучения 13,5 нм клас-сифицирустся авторами как высоковольтное ультрафиолетовое излучение [23]. Интерес к таким устройствам, в первую очередь, обусловлен потребностями литографии высокохх) разрешения. Конкурирующие источники излучения для литографии высокохх) разрешения экеимерные лампы и ххлазма, нагреваемая лазером.

Известные экеимерные лампы не позволяют получить излучение с длиной волны менее 157 нм. Нет оснований ожидать существеннохх) укорочения длины волны экеимерных ламп.

До недавиехх) времени источники излучения на основе ххлазмы, нагреваемой лазером, строились исключительно на основе твердотельной мишени. Неизбежное распыление твердотельной мишени создает ряд плохо преодолимых технических трудностей.

Благодаря прогрессу в области фемтосекундных лазеров появилось новое перспективное направление плазменной генерации рентгеновского излучения. В приборах этохх) на-иравления в качестве мишени используются пучки кластеров инертных газов. Кластеры в данном случае компактные ассоциации нескольких миллионов атомов, удерживаемых силами Ван-дер-Ваальса.

«Кластерная ххлазма при определенных условиях может являться эффективным хх компактным источником рентгеновского излучения. Поглощение лазернохх) излучения кластером приводит к образованию неоднородной горячей ххлазмы, состоящей ххз мнохх)зар*хдных ионов хх захваченных ими электронов. Дальнейшая динамика кластерной ххлазмы после

е

Z

Рис. 16. Схема генерации параметрического излучения

окончания лазерного импульса создаст возбужденные многозарядные ионы и другие возбуждения в плазме, ведущие в последующем к испусканию коротковолновых фотонов. При этом обеспечивается достаточно высокая энергетическая эффективность преобразования лазерного импульса в рентгеновское излучение, составляющая около 1 %» [24].

Рис. 17. Схема плазменного фокуса: слева с плоскими электродами, справа с коаксиальными электродами. УВ ударная волна. ТПО токовая плазменная оболочка. 1 емкостной накопитель. 2 разрядник. 3 отрицательный (внешний) электрод. 4 изолятор. 5 положительный (внутренний) электрод

«Рентгеновские лучи, испускаемые кластерами криптона (Кг), освещенными фемтосе-кундным лазером, наблюдались в широкой спектральной области 3 15 кэВ. Измеренные спектры характеризуются широким континуумом тормозного излучения и линиями Ка, Кр при 12,66 кэВ и 14,1 кэВ. Насколько известно авторам, это первое наблюдение излучения Ка, Кр из кластеров Кг, нагреваемых лазером. Тормозное излучение, возникающее в результате столкновений в плазме, подразумевает заселенность горячих электронов, соответствующую температуре в несколько килоэлектронвольт. Установлено, что абсолютный выход рентгеновских лучей в области 3-15 кэВ составляет порядка 107 фотонов на лазерный импульс» [25].

4. Приборы, в которых рентгеновское излучение генерируется в результате коллективного движения ускоренных электронов по специальным образом искривленным траекториям. Речь идет о синхротронном излучении [26], ондуляторном излучении, излучении лазеров на свободных электронах. Излучение этих источников существенно отличается по спектру и другим характеристикам от тормозного и характеристического излучения рентгеновских трубок.

Синхротронное излучение это магнитотормозное электромагнитное излучение, испускаемое релятивистскими заряженными частицами, когда постоянное магнитное ноле заставляет их двигаться но круговым орбитам. Отличие синхротронного излучения от излучения рентгеновских трубок состоит в следующих основных характеристиках:

1) синхротронное излучение имеет широкий непрерывный спектр от ИК (десятые эВ) до жесткого рентгеновского излучения (несколько десятков кэВ);

2) синхротронное излучение сильно поляризовано;

3) синхротронное излучение возникает в виде последовательности коротких импульсов;

4) еинхротронное излучение сильно коллимированно излучается в узкий конус, это обусловлено физикой процесса;

5) еинхротронное излучение обладает яркостью на много порядков выше, чем излучение рентгеновских трубок.

Ондуляторное излучение это разновидность магнитно-тормозного электромагнитно-IX) излучения, которое возникает вследствие ускорения электрона, испытываемого им при движении в периодически знакопеременном магнитном ноле.

Электроны со скоростью Уе, массой т характеризуются релятивистским фактором:

7 = 1/^1 -К2/( с2), (7)

где с - скорость света в вакууме.

Рис. 18. Магнитная конфигурация ондулятора

Магнитная конфигурация линейный набор элементов, состоящих из нар противоположных по знаку магнитных диполей; длина элемента - Ао, всего в системе N0 элементов периодичности, Ьо - длина ондулятора:

Ьо = Ао -N0. (8)

1) Направленность излучения

Для релятивистского электрона практически все излучение направлено вдоль его скорости и сосредоточено в конусе с полным раствором:

в « 2/7. (9)

Колебания траектории в поперечном направлении могут несколько расширить конус излучения. На практике различают два режима работы:

- собственно ондуляторы с относительно небольшой величиной магнитной индукции В, когда угловые колебания траектории меньше 1/7,

- вигглеры с большей величиной В (используемой для перестройки частоты излучения),

1/ 7

2) Мощность излучения

Полная мощность Р (Вт) излучения потока электронов с током 7е (А) в магнитном поле

Ьо

Р = 3, 2 ■ 10-14 -Ьо В2 -72 ■ Зе. (10)

3) Спектр излучения

Спектр близкий к монохроматическому. Длина волны определяется формулой

А = (1 + е2 <В2 >А2) ГШ

Аизл = 2 -72 (1+ 4 -к2т2с4 ),

< В2 > В2 Число фотонов, испускаемых

электроном при пролете ондулятора:

(12)

Перестройка длины волны излучения - путем варьирования величин 7 и < В2 >.

Так, при энергии электронов 5 ГэВ (7 = 104), Зе = 0,1 А, Ао = 2 см, Щ = 250, В = 3800 Гс, длина волны излучения Л ~ 0,15 нм , что соответствует энергии 8 кэВ, при мощности Р ~ 2, 5 кВт .

4) Поляризация излучения

Излучение поляризовано, вектор Е электрического поля фотона лежит в плоскости скорости ье и направления излучения [30].

Синхротроны и другие, рассмотренные в разделе «4» приборы, - крупные, дорогостоящие сооружения. В то время как монохроматичность, яркость, когерентность излучения таких источников создают новые возможности для аналитического, технологического и медицинского применения, доступ к ним ограничен и возможен только в центрах коллективного пользования. Возможности их миниатюризации и удешевления ограничены фундаментальными причинами.

5. Лазерно-электронный генератор (ЛЭГ) - устройство, в котором рентгеновское излучение генерируется в результате томсоновского рассеяния лазерного излучения на релятивистских электронах. Рентгеновское излучение ЛЭГ похоже по своим свойствам на ондуляторное излучение.

Эффект Комптона — некогерентное рассеяние фотонов на свободных электронах. Открыт американским физиком Артуром Комптоном в 1923 году в экспериментах с рентгеновским излучением [27]. Является частным случаем томсоновского рассеяния - упругого рассеяния электромагнитного излучения на заряженных частицах.

В классической интерпретации - электрическое и магнитное поля падающей волны ускоряют заряженную частицу. В свою очередь, ускоренно движущаяся заряженная частица излучает электромагнитные волны.

Эффектом, обратным эффекту Комптона, является увеличение энергии фотонов, претерпевающих рассеяние на релятивистских электронах. В процессе такого взаимодействия происходит передача энергии от электрона фотону. Энергия рассеянных фотонов определяется выражением

где К — кинетическая энергия электрона.

Эффект открывает возможность создания нового класса источников рентгеновского излучения. Рентгеновское излучение ЛЭГ аналогично излучению ондуляторов концентрируется в узком конусе вокруг направления движения электронов, это обеспечивает высокую спектральную яркость. Энергия рентгеновского излучения может регулироваться изменением энергии электронов или длины волны лазерного излучения.

«Свою историю источники рентгеновского излучения, основанные на взаимодействии лазерного излучения с релятивистскими электронами, ведут ещё с 1963 г. В течение 70-80-х годов XX века были созданы источники гамма-излучения, работающие в диапазоне от 30 МэВ и предназначенные в основном для исследования фотоядерных реакций. Позже в 90-х годах и в начале XXI века для нужд ядерной физики были разработаны новые мощные ЛЭГ источники гамма-излучения, обладающие высокой яркостью и высокой монохроматичностью излучения в диапазоне 1-100 МэВ.

Впервые идея применить томсоновское (или обратное комптоновское) рассеяние для генерации рентгеновского излучения с энергией фотонов в диапазоне от нескольких кэВ до несколько десятков кэВ появилась в 1990-е годы.

В настоящее время несколько проектов таких источников в целом ряде стран находятся на различных стадиях реализации, начиная с концептуального проектирования и заканчивая работающими экспериментальными установками» [18].

4 К

(13)

е7,расс = 0 • £7 • 2 ,

3 тес2

Показано, что «замена рентгеновских трубок, используемых в коронарной ангиографии, лазерно-электронными генераторами позволит улучшить качество изображений и (или) снизить радиационную нагрузку на пациента и расход контрастного вещества. Эффект обусловлен возможностью согласовать спектр источника рентгеновского излучения и спектр поглощения контрастного вещества.

Рис. 19. Спектры рентгеновской трубки, используемой в ангиографии (1), и предполагаемого ЛЭРГ (2) на фоне спектра поглощения йода (3)

Определены параметры электронных сгустков и взаимодействующих с ними лазерных импульсов, которые, с одной стороны, обеспечивают необходимый ноток рентгеновского излучения и, с другой стороны, подчиняются ограничениям, налагаемым тепловыми и фотоэмиссионными свойствами фотокатода. Эти параметры могут быть реализованы с использованием новейших достижений в области лазерных и ускорительных технологий» [28].

Монохроматичность, яркость, когерентность излучения таких источников создают новые возможности для аналитического, технологического и медицинского применения. Можно ожидать, что новые источники вытеснят мощные рентгеновские трубки из большинства сфер применения.

6. Источники рентгеновского излучения на основе ядерных реакций. Обладают рядом интересных свойств и поэтому заслуживают более подробного рассмотрения.

К началу 70-х годов XX века «прогресс производства искусственных радиоактивных

вететвует спектральным характеристикам рентгеновских трубок. Преимуществами радиоактивных источников являются высокое постоянство интенсивности и энергии, возможность получения излучения без электрического питания, высокая надежность» [3]. В период, к которому относится цитата, к широкому внедрению радиоактивных изотопов в промышленность относились с большим энтузиазмом.

По мере распространения изотопных источников излучения (IIIIII) стало очевидно, что при неправильном использовании они представляют большую опасность для здоровья людей. В отличие от рентгеновских трубок, ПИИ невозможно выключить защита от неиспользуемого излучения должна действовать постоянно. По прошествии назначенного срока службы ПИИ долгое время представляет опасность для людей и окружающей среды, поэтому должен утилизироваться на специальных предприятиях. Перечисленные факты, опасность терроризма и ужесточение норм радиационной безопасности (НРБ-99) в 90-е годы привели к тому, что эксплуатация даже небольших ИИИ стала сопряжена с существенными административными трудностями. В результате в промышленности появилась тенденция замены ИИИ на альтернативные технические решения.

В новейшее время интерес к рентгеновским ИИИ возрождается. Принят ГОСТ Р 521252003 «Источники рентгеновского излучения радионуклидные закрытые. Методы измерения параметров» [16].

25 30 35 40 45 50 55 60 65

Энергия фотона (ктВ)

Настоящий стандарт распространяется на закрытые радионуклидные источники (ЗРИ) рентгеновского излучения, выпускаемые промышленностью (далее - источники), и устанавливает методы измерения их основных радиационных параметров.

Это связано с технологическим прогрессом (препараты с высоким обогащением по целевому изотопу, технологии иммобилизации и микрокапсулирования), появляются возможности резкого улучшения удельных характеристик НИИ. На основе новых технологий создаются миниатюрные НИИ для нужд ядерной медицины, подробнее о которых рассказано в следующей главе.

Ниже - о некоторых подходах, которые были выработаны на ранних этапах разработки рентгеновских НИИ.

В табл. 2 приведены данные о нескольких радиоактивных изотопах, испускающих характеристическое рентгеновское излучение и 7-лучи низкой энергии (до 100 кэВ). Изотопы 49У и 55Ре распадаются по схеме е-захвата. Они являются удобными источниками мягкого практически «чистого» характеристического излучения титана и марганца. В двух последних столбцах таблицы представлены данные о количестве рентгеновских и 7-квантов, испускаемых в секунду на один грамм чистого изотопа, а также с одного квадратного сантиметра в телесный угол 2^. Для практических целей особенно важен выход излучения с единицы поверхности.

Т а б л и ц а 2

Некоторые радиоативные изотопы, испускающие рентгеновское излучение [3]

Элемент Изотоп Тип распада Период полураспада, годы Энергия квантов, кэВ Интенсивность излучения

рентгеновское излучение 7" лучи квантов/ /(г-с) квантов/ / (см2-с)

Ванадий 49у 23 у е-захват 0,915 К-серия Т1 4,5; 4,9 - 5, 9 • 1013 1, 6 • 1011

Железо 1Ге е-захват 2,6 К-серия Мп 5,9; 6,5 - 2, 5 • 1013 1 • 1011

Плутоний 948Ри а-распад 84,6 Ь-серия и 13,6; 17,2; 20,2 43,5 99,8 8, 6 • 1010 2, 5 • 108 5, 3 • 107 3, 8 • 108 4, 7 • 106 1,1 • 107

Америций 951Ат а-распад 458,1 Ь-серия ^ 13,9; 17,7; 20,8 26,4 33,2 43,4 59,6 99,0 102,8 2, 8 • 1010 3,0 • 109 1, 3 • 109 8,4 • 107 4, 3 • 1010 2, 8 • 107 2, 3 • 107 1, 9 • 108 1, 3 • 107 1, 31 • 106 1, 6 • 106 2, 0 • 109 5, 5 • 106 5, 2 • 106

Изотопы в таблице представляют довольно большой диапазон энергий квантов. Флуоресцентные мишени, облучаемые этими изотопами, могут являться источниками излучений промежуточных энергий. Возбуждение флуоресцентного излучения особенно эффективно, если порядковый номер Ъ элемента мишени на 1-6 номеров ниже Ъ элемента, испускающего характеристические рентгеновские лучи. При таком согласовании энергий первичного и вторичного излучения интенсивность флуоресцентных лучей может достигать десятков процентов интенсивности первичного пучка.

На рис. 20 приведены две схемы расположения радиоактивного источника и флуоресцентной мишени. Когда размеры излучателя несущественны, используют схему «а». Радиоактивный источник 1 имеет форму небольшого диска, расположенного вблизи центра полусферической флуоресцентной мишени 2. Схема «б» обладает меньшей эффективно-

стыо, но позволяет получить источники флуоресцентного излучения небольших размеров. Отверстие в кольце определяет действующий размер источника излучения.

Рис. 20. Схема расположения радиоактивного источника (а) и флуоресцентной мишени (б) для возбуждения вторичного характеристического рентгеновского излучения [9]

8. Возможности миниатюризации источников рентгеновского излучения

Миниатюризация современной техники, начало которой было положено созданием и бурным развитием микроэлектроники, захватывает новые области. Созданы и широко используются:

- датчики физических величин (силы, ускорения, давления), реализуемые на кристалле, в том числе в составе микросхем;

- детекторы электромагнитного и корпускулярного излучения, в том числе многоэлементные, матричной структуры в составе микроэлектронных систем;

- химические и биохимические сенсоры, размещаемые на кристалле в виде комплекса «лаборатория на кристалле»;

- оптические квантовые генераторы в виде интегральных элементов;

- микромеханические исполнительные элементы - МЭМС на кристалле или на основе молекулярных структур;

- медицинские технологии, позволяющие визуализировать группы клеток и направленно действовать на них.

Источники рентгеновского излучения, совместимые по своим габаритам, базовым технологиям, условиям эксплуатации с перечисленными выше направлениями развития техники, представляют практический интерес. Они могут создать новые возможности в медицине, аналитическом приборостроении, литографии высокого разрешения.

Рассмотрим три примера предельной миниатюризации источников рентгеновского излучения.

1. Изотопный источник рентгеновского излучения для внутритканевой имплантации

образованием Теллура-125 (Те-125) в возбужденном состоянии. Переход Те-125 в основное состояние происходит с испусканием мягкого гамма- и рентгеновского излучения. Период полураспада 1-125 - 59 суток, Те-125 - 57 суток. Ключевой является технология производства 1-125, которая весьма сложна и освоена недавно.

«Микроисточник представляет собой герметично запаянный в титановую капсулу серебряный стержень, покрытый тонким слоем радиоактивного 1-125. Период полураспада 1-125 равен 59,43 суток. В процессе распада 1-125 превращается в Те-125 в первом возбужденном состоянии. Переход Те-125 в стабильное состояние с вероятностью 93% происходит с испусканием электронов внутренней конверсии либо с вероятностью 7 % с испусканием гамма-излучения с энергией 35,5 кэВ. Захват и внутренняя конверсия электронов сопровождаются характеристическим излучением. Имеется также флуоресцентное рентгеновское излучение с энергией 22,1 и 25,5 кэВ вследствие взаимодействия фотонов 1-125 с

а

б

серебряным стержнем. Электроны и фотоны предельно низких энергий спектра радиоактивного йода поглощаются титановыми стенками капсулы. В большинстве случаев пациент носит имплантированные микроисточники всю жизнь, поэтому существуют определенные требования к материалам, используемым в их конструкции. Серебряный или свинцовый маркер необходимы для визуальной оценки расположения микроисточников в опухоли на рентгеновских снимках. Титановая оболочка микроисточника нейтральна к химическим реакциям внутри тела» [31].

I 475

Ф 0.8

0.05 •

i 3.00

00.5

Рис. 21. Микроисточник ГНЦ РФ-ФЭИ габариты, мм

«На микроисточнике № 7 (аналог SEED 6711, разрабатываемый в ГНЦ РФ-ФЭИ) регистрировалось количество импульсов в энергетических каналах детектора «БДЕРКИ-11 К 2300007». Активность 1-125 в эксперименте составляла 1,0 мКи (37,11 МБк)» [27].

Т а б л и ц а 3

Экспериментальные данные. Значения вклада фотонов различных энергетических диапазонов. Нормировано относительно диапазона излучения

1-125 (26. ..37 кэВ) [31]

Диапазон энергий, кэВ 21 36 21 26,5 26,5 36 35,49 31,07 30,98 27,38

Коли чество импульсов 1,598 0,592 1 0,024 0,026 0,111 0,808

Приведенный пример иллюстрирует некоторые тенденции развития современной ядерной медицины. Успехи в производстве чистых изотопов с благоприятным спектром излучения и не очень долгим периодом полураспада, технологии производства биосовместимых, герметичных микрокансул, компьютерное моделирование радиационного воздействия открыли новые возможности направленного воздействия на очаги заболеваний. В связи с тем, что ядерная медицина крупномасштабная, интенсивно развивающаяся отрасль, можно ожидать быстрое совершенствование соответствующих технологий.

2. Пироэлектрический генератор рентгеновского излучения. Идея использования пироэлектрических кристаллов для генерации рентгеновских лучей была впервые высказана в начале 90-х годов [32].

«Принцип работы данных источников связан с образованием сильных электрических полей благодаря зарядам, возникающим на поверхности пироэлектриков при изменении их температуры. Электрическое поле вызывает эмиссию и последующее ускорение электронов и ионов, которые при столкновении с мишенью или пироэлектрическим кристаллом генерируют тормозное и характеристическое рентгеновское излучение» [34].

«В связи с этим в мире возник повышенный интерес к использованию ниобата и танталита лития в компактных («карманных») ускорителях электронов и ионов, которые в свою очередь уже используются для генерации рентгеновского излучения» [35].

Ниже, в качестве иллюстрации достигнутых в этом направлении успехов, по материалам фирмы Атр1ек, описан серийно производимый пироэлектрический генератор рентгеновского излу чения.

«СООЬ-Х это новый миниатюрный рентгеновский генератор, в котором используется пироэлектрический кристалл для генерации электронов, которые производят рентгеновское излучение в материале мишени (Си).

Рис. 22. Внешний вид пироэлектрического генератора рентгеновского излучения

Характеристики:

- миниатюрный размер: 15 мм х 10 мм,

- низкая мощность: <300 мВт,

- работает от стандартной батареи 9 В,

- неременная конечная энергия: до 35 кВ,

- пиковый поток рентгеновских лучей: 108 фотонов в секунду (эквивалент источника 3 мКи),

- приблизительная максимальная мощность дозы при контакте: 5 Р/чае,

- твердое состояние: пироэлектрический кристалл,

- нет радиоактивных источников.

При периодическом использовании в течение 1-3 часов в день расчетный срок службы СООЬ-Х может быть увеличен до более 1000 часов. Непрерывное использование СООЬ-Х сокращает срок его службы примерно до 200 часов» [33].

Из цитируемых материалов можно сделать вывод, что пироэлектрические генераторы рентгеновского излучения активно исследуются. Имеются промышленные образцы с высокими удельными характеристиками.

Пироэлектрические генераторы рентгеновского излучения принципиально отличаются от других известных источников рентгеновского излучения тем, что, с одной стороны, не нуждаются во внешних источниках высоковольтного питания, с другой стороны, не содержат радиоактивных веществ.

Имеется ряд ограничений:

- особенности излучения, обусловленные циклическим характером работы;

- не всегда достаточная стабильность характеристик;

- короткий ресурс работы.

Вероятно, есть потенциал дальнейшей миниатюризации пироэлектрических генераторов рентгеновского излучения. Стабильность их характеристик и ресурс работы могут быть увеличены путём совершенствования технологии производства.

3. В главе 4 как вариант импульсных источников рентгеновского излучения уже рассматривались двухэлектродные высоковакуумные рентгеновские трубки с автоэлектрон-

ной эмиссией. Применение автоэлектронного катода дало этим трубкам ценные качества малые габариты и конструктивную простоту.

Рис. 23. Схема устройства пироэлектрического генератора рентгеновского излучения

Справедливо ожидать, что отказ от термоэлектронного катода в высоковакуумных рентгеновских трубках непрерывного режима позволит придать им новые эксплуатационные свойства улучшить коэффициент полезших) действия, обеспечить возможность миниатюризации. Кроме термоэлектронной эмиссии известны фотоэлектронная эмиссия, вторичная электронная эмиссия и автоэлектронная эмиссия. Физика этих явлений подробно разобрана в [44].

До недавнех'о времени явление фотоэлектронной эмиссии не использовалось для х'снс-рации интенсивных потоков электронов. Лазерные источники света сделали возможным появление силовых фотокатодов. Лазерно-электронный генератор [28], описанный в славе 6, имеет в составе линейного ускорителя электронов медный фотокатод, возбуждаемый лазером. Исследование и оптимизация вариантов силовых фотокатодов с лазерным возбуждением выполнено в [47].

В литературе сведений о рентгеновских трубках с фотокатодом, возбуждаемым лазером, авторам найти не удалось. Можно ожидать появление таких приборов в результате совершенствования и роста доступности лазеров с подходящими характеристиками, например, генерация на 4-й гармонике Кё.

Известна «рентгеновская трубка с холодным катодом (ФРТ), использует встроенный фотоэлектронный умножитель в качестве источника электронов взамен традиционных катодов. Изготовлены образцы ФРТ диаметром 44 мм без бериллиевого окна и 55 мм с бе-риллиевым окном диаметром 12 мм. Материалы анода: медь, серебро, вольфрам» [45].

Таким образом, в данном приборе используется фотоэлектронная и вторичная электронная эмиссии.

«Рентгеновские трубки, требующие для своей работы высокого напряжения, являются удобными объектами для использования автокатодов. Такие попытки осуществляются достаточно давно» [42]. В работе имеется большое число ссылок на иностранные патенты, самый ранний из которых зарегистрирован в 1971 году. Показано, что трубки непрерывного действия с целью стабилизации эмиссионного тока должны строиться по триодной схеме. Рассмотрены варианты применения матриц оетрийных катодов и катодов из углеродных материалов. Описана конструкция миниатюрной рентгеновской трубки с про-етрельным анодом и автокатодом из углеродных волокон. Эта трубка создана в МФТИ

и продемонстрировала длительную работоспособность [43]. Нестабильность характеристик автоэмиссионных катодов продолжает представлять существенную проблему на пути создания миниатюрных источников рентгеновского излучения непрерывного действия.

Рис. 24. Типичные спектры излучения пироэлектрического генератора рентгеновского излучения: Figure 1 нагрев кристалла. Figure 2 охлаждение кристалла. Figure 3 усреднённый результат 300 циклов. Figure 4 временная диаграмма работы генератора

Т а б л и ц а 4

Основные характеристики экспериментальных фоторентгеновских трубок [46]

Параметр Без окна С окном

Диаметр прибора, мм 44 55

Длина прибора (без делителя напряжений динодов ФЭУ), мм 220 290

Отношение сигнал/шум при рабочей облученности, раз = 10 = 10

Размер фокуса, мм 0,8x1,2 1,0x2,0

Напряжение, кВ 3 - 40 3 - 100

Анодный ток, мА 0,01 - 1,0 0,01 - 1,0

Быстродействие, с < 10-7 < 10-7

Мощность, Вт < 40 < 100

Диапазон частот (в импульсном режиме), кГц 0 - 1000 0 - 1000

«В настоящее время возрождается интерес к области вакуумной наноэлектроники, что связано с перспективой создания маломощных, высокочастотных, радиационно-стойких и масштабируемых электронных устройств с наноразмерным вакуумным каналом. В частности, это обеспечивает хорошую мотивацию для разработки миниатюрного источника рентгеновского излучения с использованием полевых эмиссионных структур триодного типа для генерации электронного пучка с диаметром, уменьшенным до нанометрового размера сеточным электродом. В этой статье мы предлагаем концепцию источника рентгеновского излучения на основе вертикального вакуумного триода с автоэлектронной эмиссией, содержащих) бериллиевую мишень пропускающих) типа на металлическом аноде и наноразмер-

ном катоде, холодная эмиссия которого контролируется отрицательным напряжением отсечки сетки. Найдены оптимальные геометрические параметры этого триода, достаточные для получения максимального электрического поля на поверхности катода до 107 В/см. Показано, что для оптимальной конструкции вакуумного триода диаметр электронного пятна сужается примерно до 100 нм, а смещение среза сетки варьируется в диапазоне от 10 до 40 В для закрытия анодного потенциала от 2 до 2,5 кВ, необходимого для максимального преобразования энергии электронов в мягкое рентгеновское излучение. Полученные результаты могут найти широкое применение при разработке источников рентгеновского излучения для портативных диагностических систем, а также медицинского и литографического оборудования» [39].

Рис. 25. Схема фоторентгеновской трубки: 1 - фотокатод, 2 - динодная система, 3 - анод, 4 - выход рентгеновского излучения

Рис. 26. Схематическое изображение микрофокусной рентгеновской трубки, состоящей из острий-ного автоэмиссионного катода, электрода управляющей сетки и анода с мишенью прострельного типа, нанесенной на его поверхность для генерации рентгеновских лучей, где Dgrid - диаметр круглой апертуры сеточного электрода, Dca (Dcg) - межэлектродное расстояние между катодом и анодом (катод и сеткой), diel. - это диэлектрическая прокладка

Структуру, изображённую на рисунке, предполагается реализовать на основе кремниевых эмиттеров [37, 40]. В результате математического моделирования определено влияние геометрических параметров на коэффициенты усиления поля.

«Было обнаружено, что для радиуса острия катода И — 5 нм оптимальный радиус сетки — 50 нм, расстояние Бса — 600 нм. В этом случае напряжения отсечки изменяется от 45 до 25 В, когда анодное напряжение анода V находится в диапазоне от 2 до 2,5 кВ, в этом случае достигается оптимальное разрешение с максимальным коэффициентом

преобразования и диаметром электронного пятна на мишени от 100 до 225 нм. Полученные результаты могут быть использованы при разработке нового поколения миниатюрных источников рентгеновского излучения, подобных [41]» [39].

Таким образом, по материалам работ [36-39] можно ожидать появление управляемых источников мягкого рентгеновского излучения с характерными размерами единичного источника несколько микрометров. Рассматриваемые источники строятся на базе кремниевых технологий и могут быть интегрированы в управляемые матрицы.

9. Заключение

Открытие рентгеновского излучения - одно из важнейших открытий конца XIX века. Практическое значение рентгеновского излучения сложно переоценить.

Рентгеновское излучение произвело революционные изменения в медицинской диагностике, обеспечило новые возможности лечения ряда заболеваний.

Развитие техники высоких напряжений, в том числе мощных приборов вакуумной электроники, сделало актуальной задачу защиты персонала от неиспользуемого рентгеновского излучения, возникающего при работе таких устройств.

Рентгеновское излучение открыло новые возможности исследования микроструктуры и химического состава веществ.

Мощное рентгеновское излучение нашло применение в радиационной стерилизации пищевых продуктов и медицинских изделий.

Рентгеновское излучение используется в большинстве досмотровых систем.

Промышленная дефектоскопия к началу XXI века стала отдельной большой областью техники. Рентгеновское излучение играет в ней важнейшую роль.

Все перечисленные выше применения нуждаются в источниках рентгеновского излучения. До середины все источники рентгеновского излучения строились на основе рентгеновских трубок. В зависимости от назначения менялись размеры, рабочие токи и напряжения, материал анода. Задачи скоростной рентгенографии подтолкнули к разработке первых двухэлектродных трубок с автоэмиссионными катодами. В некоторых случаях импульсный режим работы рентгеновских трубок оказался предпочтительным из-за повышения КПД и существенного уменьшения габаритов и массы по сравнению с эквивалентными устройствами непрерывного действия. С середины 60-х годов XX века источники рентгеновского излучения на основе импульсных рентгеновских трубок стали широко применяться в промышленной дефектоскопии и медицинской диагностике.

В середине XX века появились мощные источники жёсткого рентгеновского излучения на основе бетатронов и линейных ускорителей электронов. Изучено и применено в термоядерных устройствах тепловое рентгеновское излучение ядерного взрыва.

В процессе термоядерных исследований в середине 50-х годов XX века был открыт ряд явлений в нестационарной плазме - плазменные фокусы, Х-пинчи и 2-пинчи. Наряду с другими интересными свойствами эти явления сопровождаются импульсным рентгеновским излучением высокой интенсивности. В настоящее время исследования в этой области продолжаются. Предложен ряд источников рентгеновского излучения на основе этих явлений, в том числе пригодных для массового промышленного применения, например, в рентгеновской литографии.

Создание лазеров открыло много новых возможностей в технике физического эксперимента. В начале 2000-х годов созданы источники рентгеновского излучения на основе плазмы различных веществ, нагреваемых в фокусе фемтосекундного лазера.

Все перечисленные выше источники рентгеновского излучения имеют КПД, составляющий единицы процентов. Спектр их излучения содержит широкий континуум тормозного излучения и характеристические линии Ка,К@ элементов мишени. Излучение не имеет выраженной поляризации и не когерентно.

Для многих применений необходимо или предпочтительно рентгеновское излучение узкого спектрального диапазона. Выделение узкого участка спектра возможно путём приме-

нения поглощающих фильтров, переизлучения на характеристических линиях и выделения участка спектра (монохроматизации) с применением кристаллической (интерференционной) оптики. КПД таких устройств крайне низок.

Качественно новые возможности открываются в случае генерации рентгеновского излучения в процессе взаимодействия ускоренных электронов со специально созданными внешними электромагнитными полями - излучение синхротронов, виглеров, ондуляторов и лазеров на свободных электронах. В настоящее время в мире действует несколько десятков подобных установок. Это уникальные сооружения. Пока нет реальных предпосылок к миниатюризации и удешевлению установок класса синхротронов.

Прогресс в ускорительной технике, лазерных технологий, МЭМС-технологиях и синтезе гетероструктур открывает новые возможности генерации узкополосного рентгеновского излучения большой яркости. Можно выделить параметрические генераторы на эффекте каналирования электронов, томпсоновские лазерно-электронные генераторы, матричные МЭМС-излучатели с прострельными мишенями и управляемыми массивами автоэмиссионных катодов.

Литература

1. http://www.eduspb.com/bio-full-list.

2. Сибрук В., Вильяме Р. Современный чародей физической лаборатории / Пер. с англ.: B.C. Вавилов, под редакцией акад. С.И. Вавилова Ленинград : ОГИЗ. Гос. изд. технико-теоретической литературы, 1946.

3. Цукерман В.А., Тара,сова, Л.В., Лобов С.И. Новые источники рентгеновских лучей // УФН. 1971. Т. 103, вып. 2.

4. http://phys-portal.ru/phisics/r.htm.

5. Пирогов A.B. [и др.]. Энергодиспрсионная рентгеновская спектроскопия: электронное учебно-методическое пособие / под редакцией Д.А. Павлова. Нижний Новгород : Нижегородский госуниверситет, 2014. 73 с.

6. Алексеев С.В., Таубип М.Л., Ясколко A.A. Нанокомпозиты в рентгеновской технике. Москва : Техносфера, 2014. 208 с.

7. http://hroniki.org/articles/istoriya-rentgenovskogo-apparata.

8. https://www.moya-planeta.ru/travel/view/kto_ Ьу_ mog_podumat_pedoskop_ 30370/.

9. http://oldmos. ru,/old/photo/view/52120.

10. Шмелев B.K. Рентгеновские аппараты. Изд. 4-е, перераб. Москва : Энергия, 1973.

11. Подымский A.A. Мощные рентгеновские трубки для проекционной рентгенографии: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Санкт-Петербург, 2016.

12. Цукерман В. А. Развитие импульсной рентгенотехники // Аппаратура и методы рентгеновского анализа. 1980. Вып. 24.

13. ГОСТ 20337-74 Сб. ГОСТов. Москва : ИПК Издательство стандартов, 2005.

14. ГОСТ 8490-77 Москва : Издательство стандартов, 1984.

15. ГОСТ 22091.0-84 ... ГОСТ 22091.15-84 Контроль неразрушающий. Приборы рентгеновские. Методы измерения: Сб. ГОСТов. Москва : ИПК Издательство стандартов, 2005.

16. ГОСТ Р 52125-2003 Москва : ИПК Издательство стандартов, 2004.

17. Москалёв В.А., Чахлое В.Л. Бетатроны. Томск : Издательство ТПУ, 2009.

18. Артюков И.А., Виноградов А.В., Фещенко P.M. Томсоновский лазерно-электронный генератор: рентгеновский канал и возможные применения // Физические основы приборостроения. 2016. Т. 5. № 3(20).

19. http://inp.bsu.by/research/PXR.htm.

20. Патент RU2548005C2 «Плазменный источник проникающего излучения».

21. Патент RU2342810C1 «Плазменный источник проникающего излучения».

22. Пет,ров Д. II.. Филиппов Н.В., Филиппов Т.И., Храброе В. А. Сб. Физика плазмы и проблема управляемого термоядерного синтеза. Москва : Издательство АН СССР, 1958. Т. 1У. С. 170-181.

23. Патент RU2253194C2 «Источник излучения на основе плазменного фокуса с улучшенной системой импульсного питания».

24. Гец А.В. Динамика взаимодействия ван-дер-ваальсовых атомарных кластеров с полем сверхкоротких лазерных импульсов Специальность 01.04.21 - лазерная физика Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.ф.-м.н. Долгопрудный, 2010.

25. Issac, Riju Wirthig, J. Brunetti, E. Vieux, Gregory Ersfeld, Bernhard Jamison, Steven Jones, D. Bingham, Robert Clark, D. Jaroszynski Dino. (2003). Bright source of K? and continuum X rays by heating Kr clusters using a femtosecond laser. Laser and Particle Beams. 21. 10.1017/S0263034603214099.

26. Тернов И.М. Синхротронное излучение // Успехи физических наук. 1995. Т. 165, № 4.

27. Комптон А. Рассеяние рентгеновских лучей как частиц // Эйнштейновский сборник 1986—1990. Москва : Наука, 1990. С. 398-404.

28. Виноградов А.В., Дьячков Н.В., Полунина А.В., Попов П.Л., Шведунов В.П. Лазерно-электронные генераторы - источники узкополосного рентгеновского излучения для малоинвазивной коронарной ангиографии // Квантовая электроника. 2018. Т. 48, № 6.

29. Салимое Р.А. Мощные ускорители электронов для промышленного применения // Успехи физических наук. 2000. Т. 170, № 2.

30. http://nuclphys.sinp. msu. ru/radiat/und.htm.

31. Нерозин H.A., Пышко А.П., Шаповалов В.В. Расчетные исследования пространственного распределения мощности поглощенной дозы в опухоли и окружающие ее тканях для различных микроисточников // Исследования и практика в медицине. 2015. Т. 2, № 4. С. 41-49. DOI: 10.17709/2409-2231-2015-2-4-41-49.

32. Brownridge J. D. Pvroelectric X-ray generator // Nature 1992. V. 358. P. 287-288.

33. Фирма Amptek http://www.amptek.com/coolx.html. Amptek Inc. Miniature X-ray generator with pvroelectric crystal.

34. Андрианов В.A. \u др.]. Рентгеновские и нейтронные источники на основе пироэлек-триков. INTERMATIC-2015. Ч. 1.

35. Нагайченко В.П. \и др.]. Исследование свойств рентгеновского излучения пироэлектрического генератора в зависимости от режимов его работы // Вопросы атомной науки и техники. 2006. № 5.

36. Дюжев Н.А. [и др.]. Микрофокусные рентгеновские трубки с кремниевым автоэмиссионным нанокатодом как источник рентгеновского излучения. Краткие сообщения по физике ФИАН. № 12, 2017.

37. Djuzhev N.A., Demin G.D., Glagolev P.Yu., Makhiboroda M.A., Patyukov N.N. An impact of thermal electron energy on the field-electron emission from nanosized silicon tips. 978-15386-5717-1/18/31.00 © 2018 IEEE.

38. Дюжее Н.А. \и др.]. Разработка и исследование концептуальной модели рентгеновского источника с автоэмиссионным катодом // Поверхность. Рентгеновские, Синхротронные и Нейтронные исследования. 2017. № 4. С. 64-70.

39. Djuzhev N.A., Demin G.D., Gryazneva Т.A., Kireev V.Yu., Novikov D.V. Investigation of the Concept of a Miniature X-ray Source Based on Nanoscale Vacuum Field-emission Triode Controlled by Cut-off Grid Voltage. 978-1-5386-4340-2/18/31.00 © 2018 IEEE.

40. Bespalov V.A., Djuzhev N.A., Makhiboroda M.A., Demin G.D. The features of the current-voltage characteristics of field emission metal cathode covered by a nanometer oxide layer // Solid State Phenomena. 2016. V. 247. P. 47-53.

41. Egorov N., Sheshin E. Field Emission Electronics // Springer Series in Advanced Microelectronics. 2017. V. 60. P. 568.

42. Егоров H.B., Шешип Е.П. Автоэлектронная эмиссия принципы и приборы. Долгопрудный : ИД «Интеллект», 2011.

43. Бугаев А. С., Ерошкип П.А., Романько В.А., Шешин Е.П. Маломощные рентгеновские трубки (современное состояние) // УФН. 2013. Т. 183, № 7.

44. Никитин Н.Е., Шешин Е.П. Физические основы эмиссионной электроники. Долгопрудный : ИД «Интеллект», 2018.

45. Фоторентгеновская трубка. Патент на ПМ №123222 приоритет от 04.06.2012.

46. Иванченко П.Ю. Модернизация стенда для исследования характеристик рентгеновской трубки с фотокатодом: ВКР бакалавра. Санкт-Петербург, 2017.

47. Брендель В.М. Создание и исследование высокоэффективных фотокатодов и сверхсветовых генераторов электромагнитных импульсов на их основе: диссертация на соискание ученой степени к.ф.-м.н. Москва, 2014.

References

1. http://www. eduspb. com/bio-full-list

2. William, Seabrook. Robert Williams Wood. Modern magician physical laboratory. Leningrad : OGIZ, 1946. (in Russian).

3. Tsukerman V.A., Tarasova L. V., Lobov S.I. New sources of X Rays. Sov. Phvs. Usp. 1971. P. 61-71. DOI: 10.3367/UFNr.0103.197102d.0319. (in Russian).

4. http://phys-portal.ru/phisics/r.htm.

5. Pirogov A. V., Malekhonova N.V., Bobrov A.I., Krivulin N.O., Pavlov D.A. Energy dispersive X-ray spectroscopy». Nizhnv Novgorod, 2014. 73 p. (in Russian).

6. Alekseev S.V., Taubin M.L., Yaskolko A.A. Nanocomposits in X-ray technologies. Moscow : Technosphera, 2014. 208 p. (in Russian).

7. http://hroniki. org/articles/istoriya-rentgenovskogo-apparata.

8. https://www.moya-planeta.ru/travel/view/kto_ by_ mog_podu,m,at,_pedoskop_ 30370/.

9. http://oldmos.ru/old/photo/view/52120/.

10. Shmelev V.K. X-Rav Apparatus. Moscow : Energiva Publishers, 1973. P. 408-410. (in Russian).

11. Podymsky A.A. Powerful X-ray tubes for projection radiography. Cand, Diss. St. Petersburg, 2016. (in Russian).

12. Tsukerman V. Development of pulsed X-ray technology. Equipment and methods for X-ray analysis. 1980. V. 24. (in Russian).

13. GOST 20337-74 IPK Publishing house of standards Publ. 2005. (in Russian).

14. GOST 8490-77 IPK Publishing house of standards Publ. 1984. (in Russian).

15. GOST 22091.0-84 ... GOST 22091.15-84 IPK Publishing house of standards Publ. 2005. (in Russian).

16. GOST 52125-2003 IPK Publishing house of standards Publ. 2004. (in Russian).

17. Moskalev V.A., Chakhlov V.L. Betatronv (Betatrons). Tomsk : Izd. Tomsk. Politekh. Univ., 2009. (in Russian).

18. Artyukov I.A., Vinogradov A.V., Feshchenko R.M. Thomson Laser-Electron Generator: X-Rav Beamline and Possible Applications. Physical Bases of Instrumentation. 2016. V. 5. N 3(20). P. 56-69. (in Russian).

19. /ittp://inp.bsu.by/research/PXR.htm.

20. Patent RU2548005C2 Plasma source of penetrating rays

21. Patent RU2342810C1 Plasma source of penetrating radiation

22. Petrov D.P., Filippov N.V., Filippova T.I., Khrabrov V.A. In coll.: Plasma physics and the problems of controlled thermonuclear reactions. Moscow : Pub. house of the USSR AS, 1958. V. 4. P. 170. (in Russian).

23. Patent RU2253194C2 Plasma focus light source with improved pulse power system

24. Getz A. V. Dynamics of interaction of van der Waals atomic clusters with a field of ultrashort laser pulses. Laser physics: dissertation for the degree of Ph.D. Dolgoprudnv, 2010. (in Russian).

25. Issac, Riju Wirthig, J. BrunetM, E. Vieux, Gregory Ersfeld, Bernhard Jamison, Steven Jones, D. Bingham, Robert Clark, D. Jaroszynski Dino Bright source of K and continuum X rays by heating Kr clusters using a femtosecond laser. Laser and Particle Beams. 2003. 21. D01:'l0.1017/S0263034603214099.

26. Ternov I.M. Synchrotron radiation UFN. 1995. V. 165, N 4, P. 429-456. (in Russian).

27. Arthur Compton Scattering of X-rays as Particles. Albert Einstein Collection 1986-1990. Moscow : Nauka. P. 398-404. (in Russian).

28. Vinogradov A.V., D'yachkov N.V., Polunina A.V, Popov N.L., Shvedunov V.I. Laser-electron generators: the sources of narrow-band x-ray radiation for low-invasive coronary angiography. Quantum Electronics. 2018. V. 48, N 6. P. 565-572. DOI: 10.1070/QEL16628 (in Russian).

29. Salimov R.A. High-energy electron accelerators for industrial applications. Phvs. Usp. 2000. V. 189, N 2. DOI: 10.1070/pu2000v043n02ABEH000671. (in Russian).

30. /ittp://nuclphvs.sinp.msu.ru/radiat/und.htm.

31. Nerozin N.A., Pyshko A.P., Shapovalov V.V. Calculation studies of spatial distribution of the absorbed dose rate for various seeds. Research'n Practical Medicine Journal. 2015. V. 2, N 4. P. 41-49. DOI: 10.17709/2409-2231-2015-2-4-41-49. (in Russian).

32. Brownridge J.D. Pvroelectric X-ray generator. Nature. 1992. V. 358. P. 287-288.

33. Amptek Inc. Miniature X-ray generator with pvroelectric crystal. URL: http://www.amptek.com / coolx.html

34. Andrianov V.A., et al. X-ray and neutron sources based on pvroelectrics. INTERMATIC. 2015. Part 1.

35. Nagaychenko V.I., et al. Investigation of the properties of x-rays of a pvroelectric generator depending on the modes of its operation. Questions of atomic science and technology. 2006. N 5. (in Russian).

36. Dyuzhev N.A., Demin G.D., Gryazneva T.A., Pestov A., Salashchenko N., Chkhalo N., Pudonin F. Microfocus X-Rav Tubes with a Silicon Autoemission Nanocathode as an X-Rav Source. Bulletin of the Lebedev Physics Institute. 2018. V. 45, N 1. DOI: 10.3103/S1068335618010013. (in Russian).

37. Dyuzhev N.A., Demin G.D., Glagolev P.Yu,., Makhiboroda M.A., Patyukov N.N. An impact of thermal electron energy on the field-electron emission from nanosized silicon tips. 2018. DOI: 978-1-5386-5717-1/18/31.00.

38. Djuzhev N. A., Makhiboroda M. A., Preobrazhensky R.Y., Demin G.D., Gusev E.E., Dedkova A. A. Development and study of a conceptual model of an X-ray source with a field emission cathode. 2017. N 4. P. 64-70. DOI: https://doi.org/10.1134/S1027451017020239. (in Russian).

39. Djuzhev N.A., Demin G.D., Gryazneva T.A., Kireev V.Yu,., Novikov D.V. Investigation of the Concept of a Miniature X-ray Source Based on Nanoscale Vacuum Field-emission Triode Controlled by Cut-off Grid Voltage. 2018. DOI: 978-1-5386-4340- 2/18/31.00.

40. Bespalov V.A., Djuzhev N.A., Makhiboroda M.A., Demin G.D. The features of the current-voltage characteristics of field emission metal cathode covered by a nanometer oxide layer. Solid State Phenomena. 2016. V. 247. P. 47-53.

41. Egorov N. V., Sheshin E.P. Field Emission Electronics. Springer Series in Advanced Microelectronics. 2017. V. 60. P. 568.

42. Egorov N. V., Sheshin E.P. Auto-Electronic Emission. Foundations and Devices Intellekt. Moscow, 2011. (in Russian).

43. Bugaev A.S., Eroshkin P.A., Romanko V.A., Sheshin E.P. Low-power X-ray tubes: the current status. Phvs. Usp. 2013. V. 13, N 7. P. 691-703. (in Russian).

44. Nikitin N.Ye., Sheshin E.P. Physical fundamentals of emission electronics. Moscow : Intellekt, 2011. (in Russian).

45. Patent 123222 X-ray tube with photocathode (04.06.2012)

46. Ivanchenko I. Yu. Modernization of the stand for the study of the characteristics of the X-ray tube with a photocathode. St. Petersburg, 2017. (in Russian).

47. Brendel V.M. Creation and study of high-performance photocathodes and superluminal electromagnetic pulse generators based on them: dissertation for the degree of Ph.D. Moscow, 2016.

Поступим в редакцию 13.06.2019