Пакет программного обеспечения для анализа методом конечных элементов, который позволяет пользователям выполнять моделирование электромагнитных (ЭМ) и электромеханических систем в 2-х и 3-х измерениях. Opera дополняет существующее портфолио SIMULIA EM своей мощью в низкочастотном моделировании, что чрезвычайно полезно для проектирования магнитов, электродвигателей и других электрических машин.
Часть 1: Принципы работы рентгеновских трубок
В этой статье, состоящей из двух частей, мы рассмотрим полезность среды моделирования SIMULIA Opera для проектирования и анализа рентгеновских трубок. В этой первой части мы сосредоточимся на обзоре процессов, лежащих в основе работы рентгеновских трубок, и требований, которые они предъявляют к инструментам, используемым в их конструкции. Во второй части мы сосредоточимся на способности Opera соответствовать этим требованиям на конкретных примерах.
Генерация рентгеновского излучения
Несколько явлений генерируют рентгеновские лучи, в том числе:
- Ускорение заряженных частиц в магнитном или электрическом поле (синхротронное или ламуровское излучение).
- Ускорение энергичных электронов, падающих на материал с большим атомным номером (тормозное излучение - тормозное излучение)
- Переход атомных электронов с высокого на низкий энергетический уровень
- Рассеяние между фотонами низкой энергии и ультрарелятивистскими электронами (обратное комптоновское рассеяние)
Эти процессы ответственны за генерацию рентгеновского излучения как от естественных, так и от искусственных источников. Например, обратное комптоновское рассеяние бета-излучения дает рентгеновское излучение от некоторых радиоактивных материалов. Рентгеновские лучи от ряда астрономических источников, таких как Крабовидная туманность, являются результатом синхротронного излучения, который также является механизмом, используемым многими промышленными источниками рентгеновского излучения.
Сегодня мы сосредоточимся на том, что мы обычно называем «рентгеновской трубкой», в которой основным механизмом генерации рентгеновского излучения является тормозное излучение.
Кратко рассмотрим генезис и раннее развитие рентгеновских трубок. Первым специально разработанным источником была так называемая трубка Крукса, показанная на рис. 1 (а), разработанная из одноименных трубок, которые использовались для генерации и ускорения «катодных лучей», позже идентифицированных как электроны. В 1895 году Вильгельм Рентген впервые заметил, что оригинальные трубки производят излучение — рентгеновские лучи — которые могут вызывать флуоресценцию вне трубки. Эти трубки использовали холодный катод и содержали остаточный газ при низком давлении (<~1 мТорр). Высокое напряжение между анодом и катодом создавало плазму, из которой ионы ускорялись к катоду, производя вторичные электроны; эти электроны были ускорены по направлению к аноду, вызывая большую ионизацию по пути, где они производили тормозное излучение.
Эти трубки не были особенно надежными, и со временем остаточное давление снижалось, поскольку газ поглощался стенками трубки; затем его необходимо было пополнить путем нагревания боковой трубки, содержащей материал, который ранее адсорбировал газ. Трубка Кулиджа, показанная на рис. 1(b), изобретенная одноименным доктором Кулиджем в 1913 г., улучшает характеристики трубки Крукса. В нем используется термоэлектронный эмиттер с горячим катодом (часто катодная нить намотана) и работает при более высоком вакууме. Электроны ускоряются к аноду, где генерируются рентгеновские лучи.
Рис. 1(а) Рентгеновская трубка Крука.
Рис. 1(b) Рентгеновская трубка КулиджаВ этом блоге мы сосредоточимся на трубке Кулиджа, которая в принципе довольно проста. Несмотря на свой возраст, современные лампы по-прежнему основаны на той же общей концепции электронного эмиттера: ускоряющий/фокусирующий электрод и мишень с высоким атомным номером, хотя теперь мы можем рассматривать эмиттеры с холодным катодом, полевые эмиттеры, а также горячие термоэмиссионные эмиттеры в качестве источников. электронов.
Характеристики рентгеновской трубки
В рентгеновской трубке пучок энергичных электронов падает на мишень, сделанную из материала с высоким атомным номером. Отклонение, вызванное ядерным зарядом этого материала, создает тормозное излучение, а различные степени отклонения придают излучению его широкий, непрерывный спектр энергии (и длины волны) с максимумом при энергии падающей частицы, как показано на рис. 2.
Рис. 2 Механизмы генерации рентгеновского излученияХотя тормозное излучение отвечает за большую часть генерации рентгеновского излучения, спектр также включает дискретные энергетические пики, которые возникают, когда электрон выбрасывается из внутренней оболочки проходящей частицей, а электрон внешней оболочки падает, чтобы заменить его, высвобождая фотон. на энергии разницы между уровнями.
Обратите внимание: MIT: ядерная энергия является неотъемлемой частью будущего энергетики с низким содержанием углерода.
Поскольку это различие характерно для атомного вида, его называют характеристическим излучением .Заметим здесь, что в принципе интенсивность тормозного излучения будет линейно возрастать с уменьшением энергии. Однако на практике рентгеновские лучи производятся на некоторой глубине материала и также должны проходить через стенку или окно трубки. Следовательно, происходит некоторое поглощение, при этом излучение с более низкой энергией поглощается в большей степени, чем излучение с высокой энергией. Это известно как внутренняя фильтрация ;. Внешняя фильтрация также может применяться для настройки спектра, например, в диагностических рентгеновских снимках. В этом случае удаление компонентов с более низкой энергией полезно, поскольку эта область будет поглощаться телом пациента, что увеличивает дозу без предоставления диагностических (трансмиссионных) данных.
Когда электронный пучок попадает в цель, пространственное распределение рентгеновского излучения зависит от энергии луча. При низкой энергии рентгеновские лучи излучаются почти изотропно, и большинство трубок имеют окно, позволяющее извлекать рентгеновские лучи перпендикулярно направлению электронного луча. Мишень расположена под таким углом, что угол падения луча на несколько градусов отличается от нормального, что имеет два эффекта. Во-первых, поскольку излучение производится на небольшом расстоянии от поверхности, материал мишени и конструкции анода поглощает часть излучения — наклон мишени уменьшает затухание этих рентгеновских лучей, испускаемых перпендикулярно направлению луча. Однако изменение затухания вблизи углов скольжения поверхности мишени приводит к уменьшению плотности рентгеновского луча на одной стороне луча. Это можно исправить внешними фильтрами,пяточная фильтрация ). Во-вторых, кажущийся размер области падения луча (в направлении луча) уменьшается на коэффициент косинуса целевого угла. Эта меньшая эффективная область источника дает лучшее разрешение в приложениях для обработки изображений.
По мере увеличения энергии луча рентгеновское излучение становится более направленным вдоль направления луча. Необходимость уменьшить поглощение мишенью и структурой анода означает, что в некоторых трубках мишенью является тонкая фольга, позволяющая излучать рентгеновские лучи вдоль луча.
Только небольшая часть кинетической энергии электронов преобразуется в рентгеновские лучи, обычно около 1%, а это означает, что для генерации рентгеновских лучей высокой мощности / длинных импульсов необходимо рассеять значительное количество тепла. Это привело к разработке трубок с вращающимся анодом еще в 1890-х годах, которые распределяли тепловую нагрузку по протяженной области, хотя первая практическая трубка была изготовлена Кулиджем в 1915 году. Мы вернемся к вопросу рассеивания мощности позже, когда будем рассматривать применение рентгеновских лучей и вытекающие из этого последствия для проектирования и анализа источника.
На этом мы завершаем наш краткий обзор работы рентгеновской трубки. Во второй части этой статьи мы рассмотрим, как Opera решает задачу моделирования основных процессов, задействованных в этих устройствах, и как это обеспечивает их эффективное проектирование и анализ.
#simulia #simulia opera #3д моделирование #наука #наука и техника #наука и образование #рентгеновская трубка
Еще по теме здесь: Новости науки и техники.
Источник: Similia Opera - Моделирование рентгеновской трубки: Часть 1.