Generatore Raggi X

Il tubo radiogeno o tubo a raggi X è un tipologia di tubo a vuoto destinata alla produzione di raggi X.
Il tubo radiogeno è una ampolla di vetro sotto vuoto spinto, che contiene un catodo e un anodo ad alta tensione. Il catodo (o polo negativo), come nelle normali valvole termoioniche, a sua volta è composto dal filamento riscaldatore (formato in genere da lega in rame oppure altri metalli a basso numero atomico, è alimentato a bassa tensione) e dal catodo vero e proprio collegato al circuito ad alta tensione. L’anodo (polo positivo) invece, situato al polo opposto dell’ampolla, è costituito da un disco (piattello) di metallo pesante (ad elevato numero atomico, come le leghe di tungsteno, molibdeno o rodio) che può essere fisso oppure rotante. Nella immagine sotto si vede un esempio di tubo da 60KV utilizzato per apparecchiature di radiodiagnostica.

Il filamento del catodo viene riscaldato da una corrente ed inizia ad emettere elettroni per effetto termoionico; la nube elettronica intorno ad esso viene accelerata dall’alta tensione, che proietta gli elettroni verso l’anodo dove colpiscono il disco metallico: nell’impatto l’energia cinetica che avevano acquisito si trasforma in calore (per il 99%) e in radiazione X (per l’1%). La generazione di raggi X avviene per Bremsstrahlung (radiazione di frenamento) e per radiazione caratteristica.

Warning

Leggi attentamente la pagina Disclaimer & Safety prima di provare a realizzare questo progetto. Si tratta di lavorare con alte tensioni e generare raggi X. Entrambe le cose possono essere molto pericolose. Valuta attentamente tutti i rischi, segui tutte le norme di sicurezza e non esporre mai persone o animali ai raggi X.

Tubo BS7-W

Per i nostri esperimenti abbiamo utilizzato il tubo BS7-W di fabbricazione sovietica, facilmente reperibile nel mercato online (eBay, sovtube). Questo tubo è stato pensato per applicazioni di microscopia X e microradiografia ed è caratterizzato da una tensione HV relativamente bassa, 15 KV, alla quale corrisponde una emissione di raggi X “molli”, facilmente assorbiti da materiali organici. Altra caratteristica interessante è l’emissione di un fascio abbastanza collimato dalla faccia anteriore di berillio. La bassa tensione HV, la potenza contenuta e l’emissione collimata dalla faccia anteriore ne permettono un utilizzo più semplice rispetto ad altri apparati.

Caratteristiche tecniche

Parametro	Valore
Corrente di Filamento	< 1.5 A
Tensione di Filamento	0.4 – 1.5 V
Tensione Anodica HV	4 – 15 KV
Corrente Anodica	1.3 – 5.0 μA
Potenza	0.2 W

Nella immagine sotto si vede il tubo BS7-W in tutto il suo “splendore” (le immagini sono tratte dal sito hardhack nel quale descrivono delle prove fatte con il medesimo apparato).

Nelle immagini sotto si vede la finestra frontale in berillio dalla quale esce il fascio collimato.

Nella immagine sotto si vede la piedinatura del tubo BS7-W con uno schema basico di collegamento.

Pilotaggio del Tubo BS7-W

Il tubo viene alimentato in HV tramite un moltiplicatore di tensione CW (Cockcroft–Walton) da 6 stadi. Il moltiplicatore viene a sua alimentato da un driver CCFL alimentato a 12 Vcc che fornisce in uscita ca. 2200 Vac.

Vin = 12Vcc –> HV CCFL = 2200V –> HV out = 13kV

Il filamento del tubo viene alimentato da un circuito DC – DC step-down converter limitato in tensione ed in corrente. La tensione viene prelevata dalla alimentazione del driver CCFL a 12 Vcc. La tensione in uscita al converter viene limitata a ca 1,5 Vcc, mentre la corrente non deve superare 1 A.

Il moltiplicatore di Cockcroft–Walton (o di Villard) è un apparecchio che permette di convertire una corrente elettrica alternata a bassa tensione in corrente continua ad alta tensione. Il funzionamento si basa su diodo rettificatore e condensatore di livellamento. L’utilizzo di più moduli in cascata, come nello schema a fianco, permette di ottenere la moltiplicazione della tensione in ingresso.
Naturalmente va tenuto presente che i diodi ed i condensatori devono essere adeguati alla tensione di funzionamento, in particolare vanno utilizzati componenti per alta tensione.
L’immagine sotto mostra un moltiplicatore a 3 stadi. Per alimentare il tubo a raggi X abbiamo utilizzato due moduli a 3 stadi per un totale di 6 stadi. La tensione alternata in ingresso viene quindi moltiplicata per un fattore 6.

Dati Tecnici:

• Input voltage: max. 8,2 KVss
• Output voltage: max. 25 KV (20 KV Continuous operation)
• Output current: max. 5mA
• Operating frequency: max. 50 KHz
• Power: max. 125 Watt

Il moltiplicatore di tensione viene alimentato da un piccolo modulo generatore HV del tipo CCFL (lampade fluorescenti a catodo freddo) funzionante a 12 Vdc ed in grado di erogare 2200 V. Il modulo funziona fino a 16 Vdc in corrispondenza dei quali fornisce in uscita circa 3000 V L’immagine sotto mostra il modulo utilizzato.

Dati tecnici :

• Supply: 12 Vdc, 400 mA max.
• Power: 4.8 W max.
• Switching frequency: 40-50 KHz (load dependent)
• Output voltage (unloaded): @ 12 Vdc 2200 V, 2900 V @ 16 Vdc

Per l’alimentazione del filamento va utilizzato un alimentatore controllato in corrente. La corrente massima del filamento è di 1.5 A e non va superata per il pericolo di bruciare il filamento. La tensione ai capi del filamento varia durante il funzionamento a causa dei cambiamenti in temperatura del filamento : la tensione aumenta quando il filamento si è riscaldato. Il modulo utilizzato permette di settare la corrente massima erogata.

Dati tecnici :

Tensione in ingresso : 5 – 35 V
Tensione di uscita : regolabile da 1,25 V a 30 V
Uscita Max Corrente nominale: 3 A
Il trimmer di sinistra regola la tensione
il trimmer di destra regola corrente

Apparecchiatura completa

Le immagini sotto mostrano l’apparecchiatura completa. Questa viene alimentata da linea 220 Vac. La tensione di alimentazione del modulo CCFL può essere variata con continuità da 10 a 16 V in modo da ottenere a valle del modulo CCFL una tensione da 2000 V a 3000 V che corrispondono a 12 KV – 18 KV verso il tubo radiogeno.
Va curato l’isolamento della parte HV in modo da evitare perdite e scariche. Il tubo è in parte schermato con lamiera di piombo da 1.2 mm.

Istruzioni Operative

Il circuito di alimentazione è provvisto di interruttore generale, interruttore alimentazione driver HV e morsetti per collegamento switch remoto.

Il sistema va alimentato con tensione di rete a 230 Vac. Come prima cosa va acceso l’interruttore generale, va regolata la tensione a 12 Vcc e va verificato che il filamento sia acceso e poi, al riparo dalle emissioni, va azionato l’interruttore remoto collegato alla morsettiera.

Spettro della emissione

Il grafico seguente mostra lo spettro della emisione X del tubo alimentato a 15 KV. Lo spettro è stato acquisito con un sensore PMT + scintillatore CsI(Tl) da 1 mm di spessore in modo da essere sensibile anche ai raggi X di bassa energia.

Fare “Radiografie”

Per ottenere delle immagini radiografiche con la nostra apparecchiatura abbiamo utilizzato delle lastrine auto-sviluppanti per radiografie dentali. Si tratta di lastre contenute in un sacchetto opaco, il quale contiene, separatamente, anche i prodotti chimici per lo sviluppo della lastra. Dopo aver sottoposto la lastra alla esposizione ai raggi X, si fanno fluire i liquidi sulla lastra e si lasciano in azione per circa un minuto. Trascorso questo tempo si apre il sacchetto e si estrae la lastra lavandola accuratamente.

Per visualizzare al meglio le lastre abbiamo realizzato un piccolo visualizzatore con uno schermo trasparente al di sotto del quale sono posti dei LED ad alta luminosità, come mostrato nella immagine sotto.

Galleria di “Radiografie”

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