Kỷ niệm 125 năm tia X: Phần 2 – Sự phát triển của ống tia X

Bài viết gồm hai phần này do Excillum AB (Tác giả Tiến sĩ David Bernard, Chuyên gia tư vấn tia X cho ngành công nghiệp điện tử) ủy quyền để kỷ niệm 125 năm ^ngày Wilhelm Röntgen phát hiện ra tia X vào ngày 8 tháng 11 năm 1895. Phần đầu tiên đã thảo luận về nguồn gốc của tia X và các ứng dụng mới và đa dạng mà chúng đã cung cấp cho chúng ta sử dụng hàng ngày kể từ khi phát hiện ra chúng. Trong phần thứ hai này, sẽ cung cấp thêm chi tiết về lịch sử và sự phát triển của một số ống và nguồn tia X đã được chế tạo trong những năm qua. Những cải tiến này đã cho phép chúng ta tiếp cận với chất lượng và số lượng tia X ngày càng tăng, tiếp tục thúc đẩy và nâng cao những lợi ích mà chúng mang lại cho cuộc sống của chúng ta.

Phần 2 – Ống tia X

Tia X được tạo ra khi các electron được bắn ở điện áp gia tốc cao vào một nguyên tố hoặc hợp kim mục tiêu. Hầu hết các nguyên tố, từ số nguyên tử 20 đến 84, về nguyên tắc đều có khả năng tạo ra tia X. Tuy nhiên, vì những lý do thực tế, một bộ vật liệu hạn chế hơn thường được sử dụng để tạo ra tia X cho các ứng dụng ngày nay và Vonfram (Wolfram) là một trong những vật liệu phổ biến nhất.

Việc tạo ra tia X đạt được theo hai cách từ các electron được gia tốc tới. Thứ nhất, chúng có thể tương tác với một electron liên kết của vật liệu mục tiêu và khiến nó phóng ra khỏi lớp vỏ bên trong của nguyên tử. Sau đó, các electron lớp vỏ bên ngoài thư giãn vào mức năng lượng trống này và giải phóng sự chênh lệch năng lượng dưới dạng tia X. Chúng được gọi là tia X đặc trưng, ​​hoặc vỏ, và có các bước sóng cụ thể tùy thuộc vào vật liệu mục tiêu được sử dụng. Tia X đặc trưng được Charles Glover Barkla phát hiện vào năm 1909 và ông đã đoạt giải Nobel Vật lý cho khám phá của mình vào năm 1917.

Thứ hai, các electron được gia tốc có thể đi qua gần các hạt nhân nặng hơn nhiều của vật liệu mục tiêu. Sự tương tác này làm cho các electron chậm lại và sự giảm năng lượng thông qua sự chậm lại này được phát ra dưới dạng tia X. Chúng được gọi là tia X bức xạ hãm, hay tia X 'bức xạ hãm', từ tiếng Đức. Tia X Bremsstrahlung có dải bước sóng tia X rộng, cho đến dải bước sóng được tạo ra từ điện áp gia tốc cực đại đặt vào, do sự biến thiên trong tương tác hãm của các electron với hạt nhân. Do đó, đầu ra từ một ống tia X là sự kết hợp của vỏ và tia X hãm và có thể được coi là nguồn 'ánh sáng trắng'. Để đạt được việc tạo ra tia X yêu cầu các quá trình vật lý này xảy ra trong môi trường chân không sao cho các electron không bị không khí hấp thụ trước khi chúng va chạm với vật liệu mục tiêu. Thiết bị đạt được điều này thường được gọi là ống tia X.

Ống sớm & kín

Các electron có thể được tạo ra theo ba cách nguyên tắc. Đó là quang phát xạ (PE), phát xạ nhiệt (TE) và phát xạ trường (FE). Từ lịch sử sớm nhất của tia X, phát xạ nhiệt là phương pháp dễ dàng nhất để tạo ra các electron cần thiết trong ống tia X. Ban đầu, điều này thông qua việc sử dụng cái mà ngày nay chúng ta gọi là cực âm lạnh, hoặc ống phóng điện, chẳng hạn như ống Crookes. Chúng được phát hiện vào khoảng năm 1870 và thậm chí còn được chính Röntgen sử dụng. Cực âm lạnh không nhất thiết có nghĩa là nó hoạt động ở nhiệt độ thấp! Đây chỉ là thuật ngữ được sử dụng ngày nay để phân biệt hoạt động của nó với các ống catốt 'nóng' sau này do Coolidge phát minh vào năm 1913.

Như trong tất cả các phát triển ống tia X trong tương lai, ống Coolidge cho phép cải thiện chất lượng và số lượng tia X cho y tế và các ứng dụng khác. Những tiến bộ trong ống Coolidge có nghĩa là nó hoạt động ở mức chân không tốt hơn nhiều và sử dụng dây tóc vonfram nóng làm nguồn điện tử. Chân không được cải tiến đảm bảo rất ít, nếu có, lượng khí dư còn lại nằm trong vỏ chân không và do đó ngăn chặn bất kỳ quá trình tạo ra tia X nào từ quá trình phóng điện của nó với chi phí tạo ra tia X tại mục tiêu. Bằng cách làm nóng dây tóc catốt, ống có thể phát ra các electron hiệu quả hơn nhiều và dây tóc càng nóng thì sự phát xạ của các điện tử càng lớn. Với nhiều electron hơn có sẵn thì càng nhiều electron có thể tấn công mục tiêu và do đó cung cấp nguồn tia X sáng hơn (cường độ cao hơn).

Ngoài ra, các ống Coolidge ổn định và đáng tin cậy hơn nhiều so với các ống trước đây. Chúng cũng trao cho người dùng khả năng kiểm soát độc lập đối với năng lượng tia X có thể đạt được và cường độ nguồn tương ứng thông qua cài đặt của điện áp gia tốc được áp dụng (kV) và dòng điện (mA) hoặc công suất (W)) qua dây tóc.

Hậu duệ của ống Coolidge vẫn được sử dụng cho đến ngày nay. Chúng thường được gọi là ống kín, hoặc ống kín, chỉ ra rằng chân không là khép kín, và do đó được duy trì, bên trong một bình thủy tinh hoặc bình khác kèm theo. Trong những ngày đầu, đây là phương pháp tốt nhất để đạt được mức độ chân không cao cần thiết cho quá trình sản xuất tia X tối ưu và lâu dài.

Mặc dù vẫn hữu ích cho nhiều ứng dụng, kể cả trong lĩnh vực y tế, các ống kín có những hạn chế về số lượng hoặc thông lượng tia X mà chúng có thể cung cấp ở độ phân giải hình ảnh cao nhất và độ phóng đại hình ảnh mà chúng có thể đạt được. Điều này xảy ra do việc tập trung các electron vào mục tiêu kim loại sẽ tạo ra nhiệt và điều này phải được loại bỏ, nếu không sẽ có nguy cơ biến đổi hoặc làm hỏng mục tiêu. Điều này đã được khắc phục ở một mức độ nào đó nhờ sự phát triển vào những năm 1930 của cực dương quay trong vỏ chân không. Điều này cho phép các khu vực mới, và có thể được làm mát, của mục tiêu được tiếp xúc với các electron tới, nhưng vẫn có thể tản nhiệt sinh ra một cách an toàn.

Xoay ống Anode

Các hạn chế về độ phóng đại và độ phân giải của ống kín là một vấn đề đối với những người muốn sử dụng kính hiển vi tia X. Độ phân giải của bất kỳ nguồn sáng nào, quang học hoặc tia X, cuối cùng được xác định bởi điểm gốc của ánh sáng đó nhỏ đến mức nào. Trong các ống tia X, điểm gốc này được gọi là tiêu điểm và là khu vực phát tia X trên mục tiêu. Đối với các ống tia X kín, đường kính tiêu điểm sẽ là ~ 8 – 10 micron hoặc lớn hơn và thường lớn hơn đối với các biến thể anot quay. Độ phân giải này kém hơn một bậc so với hệ thống quang học và đó là lý do tại sao hình ảnh tia X không sắc nét bằng hình ảnh quang học. Để cải thiện độ phân giải của ống kín, cần phải tập trung các electron đang gia tốc tới vào một vùng tác động thậm chí còn nhỏ hơn. Tuy nhiên, điều này sẽ làm tăng đáng kể mật độ năng lượng được đưa vào mục tiêu kim loại tại tiêu điểm và điều đó có thể lấn át khả năng tản nhiệt sẵn có của ống và/hoặc sửa đổi/làm hỏng/đốt cháy bề mặt mục tiêu. Nếu điều này xảy ra thì toàn bộ ống có thể phải được thay thế tốn kém và do đó, các giới hạn được áp dụng đối với hiệu suất phân giải mà các ống kín có thể được phép đạt được một cách an toàn.

mở ống

Cải thiện độ phân giải của ống tia X có thể đạt được từ những năm 1950 trở đi. Điều này là nhờ sự sẵn có và hiệu suất của các máy bơm chân không chất lượng cao hơn có thể tạo ra cùng một mức độ chân không cao mà trước đây chỉ có thể đạt được trong một bộ phận kín, nhưng có thể thực hiện điều đó cục bộ và trong vài phút khi cần. Do đó, điều này dẫn đến các thiết kế ống tia X mới có thể vận hành cực âm dây tóc và cực dương mục tiêu ở mức hiệu suất cao hơn nhiều bằng cách biết rằng các dây tóc và mục tiêu thay thế có thể được lắp đặt khi cần và đưa ống trở lại hiệu suất tối ưu trong một khoảng thời gian ngắn. Các ống tia X như vậy được gọi là các ống mở, hoặc có thể tháo rời, và cung cấp độ phân giải cao hơn (kích thước tiêu điểm ~ 1 – 2 micron hoặc nhỏ hơn) với thông lượng hợp lý, ví dụ, cho phép tạo ra hình ảnh tia X nhanh hơn và tốt hơn.

Sự cải thiện độ phân giải trong các ống tia X hở được kết hợp với sự thay đổi loại mục tiêu để tăng đáng kể độ phóng đại hình học mà chúng có thể đạt được. Các tia X được tạo ra trong ống phải thoát ra khỏi vỏ ống! Các ống kín sử dụng cái được gọi là mục tiêu phản chiếu, có nghĩa là vì lý do thực tế, tiêu điểm phải cách điểm thoát gần nhất từ ​​ống ít nhất 5 – 20 mm hoặc hơn. Phần 1 của bài viết này đã chỉ ra rằng độ phóng đại hình học của kính hiển vi tia X được xác định bởi độ gần của mẫu với tiêu điểm. Do đó, một ống kín có các giới hạn tích hợp sẵn về mức độ phóng đại mà nó có thể cung cấp. Để so sánh, các ống mở cho phép phát triển mục tiêu truyền dẫn cho phép tiêu điểm ở gần bên ngoài ống hơn nhiều. Mục tiêu đủ mỏng để tạo ra tia X nhưng vẫn có thể truyền chúng qua độ dày của chính nó ra thế giới bên ngoài mà không có hiện tượng tự hấp thụ hoàn toàn. Mục tiêu kim loại mỏng này thường được lắng đọng trên đế kim cương, berili hoặc nhôm, chúng trong suốt với tia X, nhưng vẫn cung cấp một lớp đệm kín cho vỏ chân không. Do đó, mục tiêu truyền dẫn có thể cho phép đặt một mẫu cách tiêu điểm của ống hở 0,5 mm hoặc ít hơn, làm tăng đáng kể độ phóng đại hình học có sẵn. Một sơ đồ đơn giản của điều này được hiển thị trong hình dưới đây. Trong những năm gần đây, sự sẵn có và việc sử dụng chất nền kim cương dưới vật liệu mục tiêu truyền qua cũng đã cho phép tản nhiệt hiệu quả hơn tại tiêu điểm, do đó cho phép tăng thông lượng tia X ở các mức độ phân giải 'micron phụ' này. Ngoài ra, tổng độ dày mục tiêu có thể nhỏ hơn nếu sử dụng các vật liệu nền khác. Những loại ống hở này được sử dụng phổ biến nhất trong ngành công nghiệp điện tử để chụp ảnh các linh kiện điện tử đang co lại liên tục và các mối nối của chúng.

Nguồn đồng bộ

Ngoài các ống tia X, sự phát triển lớn khác trong các nguồn tia X đến từ việc các nhà nghiên cứu vòng synchrotron có sẵn nhiều hơn vào những năm 1970. Từ một nguyên tắc được phát hiện vào năm 1944 và lần đầu tiên được trình bày vào năm 1946, bức xạ synchrotron được tạo ra từ một loại máy gia tốc hạt tròn giúp gia tốc các electron thông qua các chuỗi nam châm cho đến khi chúng đạt tốc độ tương đối tính. Trong môi trường này, các electron chuyển động nhanh này tạo ra ánh sáng rất mạnh, chủ yếu ở vùng tia X và đầu ra, thông qua cái gọi là các vạch chùm được định vị xung quanh vòng, sáng hơn hàng triệu lần so với tia X thông thường. ống và sáng hơn 10 tỷ lần so với mặt trời. Với độ sáng có sẵn như vậy, có thể đơn sắc hóa đầu ra thành các bước sóng mong muốn cụ thể mà vẫn có đủ thông lượng để thử nghiệm, điều mà ống tia X truyền thống không thể đạt được. Tuy nhiên, ngay cả những synchrotron nhỏ nhất cũng có đường kính khoảng 10 mét cộng với chi phí chế tạo và vận hành cao đáng kể, do đó, sản lượng của chúng thực tế chỉ có sẵn cho một số ít người được chọn!

LaB ₆ & Ống MetalJet

Nếu synchrotron không có sẵn cho tất cả mọi người thì đã có một số phát triển mới về ống tia X trong thế kỷ 21 ^để thúc đẩy và mở rộng đầu ra tia X để có độ phân giải và thông lượng vượt quá giới hạn lịch sử của ống hở. Điều này đã được thúc đẩy bằng cách áp dụng các phương pháp tương tự được sử dụng để cải thiện kính hiển vi điện tử trong 30 năm qua, vì chúng cũng cần các điểm điện tử nhỏ hơn tạo ra nhiều dòng chảy hơn. Đặc biệt, trong 15 năm qua, LaB ₆ (Lanthanum Hexaborate, hay 'Lab Six' như thường được biết đến) đã bắt đầu được sử dụng để tạo ra điện tử thay cho dây 'kẹp tóc' vonfram truyền thống cho cực âm nóng. phòng thí nghiệm ₆là tinh thể và do đó có thể được gắn kết như một điểm tinh thể sắc nét làm nguồn phát xạ điện tử bên trong ống so với bán kính uốn cong tối thiểu đối với dây tóc kẹp tóc (xem hình 4). LaB ₆ cũng có độ phát xạ điện tử lớn hơn dây vonfram. Do đó, bằng cách tạo ra một điểm gốc nhỏ hơn cho các electron kích thích và tạo ra nhiều điểm gốc hơn trước, điều đó có nghĩa là các electron có thể được tập trung dễ dàng và chặt chẽ hơn vào mục tiêu. Điều này tạo ra một tiêu điểm phát xạ tia X nhỏ hơn để tăng độ phân giải hình ảnh cũng như nguồn sáng hơn (xem hình 4).

Cần lưu ý rằng gần đây cũng có một số phát triển trong việc sử dụng phát xạ trường để tạo ra điện tử thay cho phát xạ nhiệt. Tuy nhiên, hiện tại, đây là những phương pháp chuyên dụng và đắt tiền so với các loại ống phổ biến khác đã đề cập.

Gần đây hơn, một loại ống tia X phản lực kim loại mới đã có sẵn trên thị trường để thay thế mục tiêu rắn bằng một tia kim loại lỏng. Ưu điểm của phương pháp này là mật độ công suất chùm tia điện tử tối đa có thể tăng lên đáng kể trong khi vẫn duy trì một tiêu điểm nhỏ và vẫn nằm trong giới hạn nhiệt có thể chấp nhận được (xem hình 5 và so sánh hình này với hình 2b về cấu hình anot quay). Do đó, thông lượng tia X lớn hơn (độ sáng cao hơn) được tạo ra ở độ phân giải nâng cao nhưng không có sự xuống cấp của mục tiêu vì nó liên tục được 'làm mới'.

Từ thời điểm Röntgen lần đầu tiên nhìn thấy những tia 'không xác định' này vào năm 1895, và vẫn còn tiếp tục cho đến ngày nay, đã có những nỗ lực to lớn để cải thiện sức mạnh, chất lượng, số lượng và độ phân giải có thể được tạo ra bởi các nguồn tia X. Điều này đã cho phép sử dụng tia X cho vô số ứng dụng thực tế trước đây không có trong các lĩnh vực phân tích, y tế, công nghiệp, an toàn và an ninh, giúp cải thiện và làm phong phú cuộc sống của chúng ta một cách triệt để. Vì vậy, ai biết được nguồn tia X trong tương lai sẽ mang lại điều gì?