Tabung sinar-X

Dua tabung bertegangan tinggi yang bisa menghasilkan sinar-X

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

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

Prinsip operasi

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

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

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

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

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

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

Tabung Crookes

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

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

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

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

Tabung Coolidge

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

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

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

Dari sudut pandang listrik, karena itu kita memiliki:

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

Ada dua geometri tabung:

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

Tabung berjendela samping.
Tabung berjendela depan.

Tabung anoda berputar

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

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

Dengan demikian dimungkinkan untuk mencapai kekuatan urutan 100 kW.

Kondisi pengoperasian tabung katoda panas

Parameter Spektrum

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

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

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

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

E_{0}=V\cdot e

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

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

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

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

Lihat pula

Bibliografi

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

Pranala luar

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