Tärkeimmät materiaalitutkimuksessa käytettävät röntgenlähteet ovat röntgenput-ki ja synkrotroni. Röntgenputket ovat yleisempiä yksinkertaisesti siitä syystä, että synkrotronit ovat hyvin suuria tutkimusvälineitä niin fyysiseltä kooltaan kuin raken-tamiskustannuksiltaan. Röntgenputkia on sekä avointa että suljettua tyyppiä. Sul-jetuissa putkissa röntgensäteilyn tuottoon vaadittavat laitteiston osat on suljettu ilmatiiviisti tyhjiöön. Avoimien lähteiden käyttö vaatii, että laitteiston ympäristöön pumpataan tyhjiö. Tässä osuudessa tarkastellaan suljettuja putkia, sillä sellaisella on tehty tähän työhön kuuluvat röntgenkuvaukset. Synkrotronilähteiden etuna on hyvin suuri intensiteetti, joka mahdollistaa nopeat röntgenkuvaukset [14]. Synkro-tronilähteillä voidaan myös tuottaa lähes monokromaattista röntgensäteilyä. Tällai-silla laitteistoilla voidaan siis valita kuvauksessa käytettävä energia lähteen tasol-la. Energiasensitiivisten fotoninlaskentailmaisimien avulla voidaan valita käytettävä energia myös, kun käytetään laajan spektrin tuottavaa röntgenputkea.
Synkrotronilähteet ovat hiukkaskiihdyttimiä, joissa elektronit kiertävät suljetul-la radalsuljetul-la [14]. Elektronien rata koostuu suorista ja kaarevista osuuksista. Synk-rotroneissa röntgensäteilyn tuotto perustuu siihen, että elektroneihin kohdistetaan magneettinen voima, joka aiheuttaa elektronien nopeudelle kohtisuoran kiihtyvyy-den ja tällöin elektronit emittoivat sähkömagneettista säteilyä. Säteilyä syntyy
tai-vutusmagneettien kohdalla, kun elektroneja ohjataan pysymään suljetulla radalla.
Taivutusmagneettien lisäksi myös kiihdyttimen suoralla osuudella voi olla laitteita, jotka koostuvat useasta jonossa olevasta magneetista, joissa peräkkäisten magneet-tien napaisuudet ovat vastakkaisia. Näillä osuuksilla elektronit pakotetaan aaltoile-valle liikeradalle, jolloin radiaalisen kiihtyvyyden takia emittoituu röntgensäteilyä.
Radan suoralla osuudella eteneviin elektroneihin voidaan myös kohdistaa infrapuna-alueen fotoneja. Nämä fotonit vuorovaikuttavat elektronien kanssa, jonka seuraukse-na elektronit päätyvät aaltoilevaan liikkeeseen. Tällaisista synkrotronilähteen osuuk-sista emittoituu energia-alueeltaan kapea spektri verrattuna röntgenputkien tuotta-maan spektriin. Niistä osista synkrotronia, joista röntgensäteilyä emittoituu, lähtee erillisiä suihkulinjoja. Suihkulinjat sisältävät muun muassa suodattimia ja röntgen-peilejä, joilla fotonisuihkua muokataan halutun kaltaiseksi. Suihkulinjoilla voi olla myös diffraktioon perustuvaa optiikkaa, joilla säteilyä voidaan edelleen monokroma-tisoida.
Röntgenputki on periaatteessa pienikokoinen elektronikiihdytin, jossa kiihdyte-tyt elektronit törmäävät metalliin. Röntgenputken rakennetta on hahmoteltu ku-vassa 12. Putkessa on katodi, jonka hehkulangasta emittoituu termisen elektronie-mission seurauksena elektroneja. Tällöin hehkulangan lämpötila on niin korkea, että osalla elektroneista on riittävän suuri kineettinen energia, että se voittaa sidosener-gian, joka pitää elektroneja metallissa. Yleensä tämä hehkulanka on tehty volfra-mista, jonka sulamislämpötila on hyvin korkea. Nämä elektronit kiihdytetään kohti metallista anodia, kun katodin ja anodin välille kytketään korkeajännite. Jännitteen suuruus on tyypillisesti kokoluokassa useita kymmeniä kilovoltteja. Röntgenputken sisällä on tyhjiö, jonka ansiosta elektronit eivät menetä kineettistä energiaa törmää-mällä ilman tai muun kaasun molekyyleihin.
Elektronien osuessa anodimateriaaliin osa elektronien ja anodin rakenneosien välisistä vuorovaikutuksista johtaa röntgensäteilyn emissioon. Anodin aluetta, josta röntgensäteilyä emittoituu, kutsutaan lähteen fokukseksi. Röntgenfotoneja emittoi-tuu joka suuntaan mutta vain osa läpäisee putken seinämässä olevan ikkunan. Tämä osa röntgensäteilystä on käytettävissä kuvantamisessa. Suurin osa elektronisuihkun energiasta johtaa anodimateriaalin lämpötilan nousuun. Tämän takia anodimate-riaalin täytyy kestää korkeita lämpötilan arvoja, jonka takia myös anodi on usein tehty volframista. Anodia voi myös olla tarpeellista jäähdyttää tehokkaasti.
Röntgenputkista emittoituva säteilykeila on usein kartiomainen, joka
mahdol-(b) e− (a)
Kuva 12. Hahmotelma röntgenputken rakenteesta. Elektronit emittoituvat ka-todin (a) hehkulangasta, jonka jälkeen ne kiihdytetään kohti anodia (b). Osa anodimateriaalissa tapahtuvista vuorovaikutuksista johtaa röntgensäteilyn emis-sioon. Kuvaan on hahmoteltu ikkuna, jonka osa röntgenfotoneista läpäisee. Ku-vaan on myös hahmoteltu anodin ja katodin väliin sähkömagneettisia fokusoin-tivälineitä, joilla elektronisuihku ohjataan mahdollisimman pieneen pisteeseen anodilla.
listaa geometrisen suurennoksen käyttämisen, jonka avulla kuvattavan kohteen ra-kenteita voidaan nähdä tarkemmin. Teoriassa pienimmät yksityiskohdat, joita ku-vassa voidaan erottaa toisistaan ovat samankokoisia, kuin röntgenputken fokus [11].
Käytännössä tähän vaikuttaa myös käytetyn ilmaisimen ominaisuudet. Jotta fokus olisi kooltaan hyvin pieni, röntgenputki sisältää erilaisia sähköstaattisia ja magneet-tisia linssejä, kuten keloja, joilla elektroneja voidaan kohdistaa samaan pisteeseen anodilla [15]. Kuvan tarkkuutta ajatellen on myös oleellista, että kuvausasetelma ja röntgenputken toiminta kaikin osin pysyy mahdollisimman stabiilina kuvauksen aikana.
Kun elektroni törmää anodiin useat vuorovaikutusmekanismit anodin atomin kanssa ovat mahdollisia ja yleisesti ottaen yksi suurienerginen elektroni vuorovai-kuttaa usean atomin kanssa. Elektroni voi törmätä atomien ulkoelektronien kanssa, jolloin atomin ulkoelektronit joko nousevat korkeammalle energiatilalle tai irtoa-vat kokonaan atomista. Nämä vuorovaikutukset vähentävät alkuperäisen elektronin kineettistä energiaa ja johtavat anodin lämpötilan nousuun. Nämä prosessit eivät tuota röntgensäteilyä mutta ovat hyvin todennäköisiä. Kun elektronin energia on tarpeeksi suuri, se voi vuorovaikuttaa jonkin anodin atomin sisäelektronin kanssa ja irrottaa kyseisen elektronin. Ionisoidun atomin sisäkuorella oleva aukko täyttyy,
kun ulomman kuoren elektroni siirtyy siihen. Tällöin emittoittuu karakteristista röntgensäteilyä. Anodille saapuvat elektronit voivat myös sirota anodin atomiyti-mistä Coulombin voiman kautta, jolloin niiden suunta ja energia voivat muuttua.
Elektronien sironta voi tapahtua elastisesti tai epäelastisesti [6]. Kun elektroni siro-aa epäelastisesti, osa sen liike-energiasta emittoituu sähkömagneettisena säteilynä, jota kutsutaan jarrutussäteilyksi. Karakteristisesta röntgensäteilystä poiketen jar-rutussäteilyn energiajakauma on jatkuva ja jakauman maksimi on anodiin tulevan elektronin kineettisen energian suuruinen.
Jarrutustussäteilyn vaikutusala on verrannollista anodin järjestysluvun neliöön ja kääntäen verrannollista jarruuntuvan hiukkasen massan neliöön [6]. Voimakas riippuvuus massasta tarkoittaa, että röntgensäteilyn tuottoa ajatellen on hyödyllistä käyttää nimenomaan elektroneja eikä esimerkiksi protoneja, joiden massa on neljä kertalukua elektronin massaa suurempi.
Kuvassa 13 on hahmoteltu röntgenputken emittoimien fotonien lukumääräjakau-ma. Jakauma koostuu jarrutussäteilyn tuottamasta jatkuvasta jakaumasta sekä ka-rakteristisen röntgensäteilyn piikeistä. Tämä jakauma on hahmoteltu intensiteetin energiajakauman mukaan, jolle annetaan kirjallisuudessa lineaarinen approksimaa-tio dI/dE ∝Z(Emax−E), missäEmaxvastaa röntgenputkessa kiihdytetyn elektronin kineettistä energiaa ja Z on anodin järjestysluku [6]. Intensiteetin energiajakauma saadaan kuvan 13 jakaumasta kertomalla lukumääräjakauman arvoa tietyssä pis-teessä vastaavalla energian arvolla. Matalilla energian arvoilla on hahmoteltu rönt-genputken ikkunassa tapahtuvan vaimenemisen vaikutusta spektriin, jota edellä mai-nittu approksimaatio ei huomioi. Vaimentumista voi tapahtua myös ikkunan eteen asetetuissa kalvoissa. Tällaisilla kalvoilla suodatetaan spektrin pienimpien energian arvojen osuutta, kun halutaan nostaa spektrin keskimääräistä energiaa. Tällaiseen voi olla tarvetta silloin, kun kuvattava näyte on röntgensäteilyä voimakkaasti vai-mentava ja halutaan kasvattaa näytteen läpäisevän säteilyn osuutta.
E
Fotonit/(E×s)
Kuva 13.Hahmotelma röntgenputken emittoimasta spektristä. Kuvaan on hah-moteltu röntgenfotonien lukumäärän energiajakauma, jossa on kaksi karakteris-tisen röntgensäteilyn piikkiä sekä jarrutussäteilystä syntyvä jatkuva jakauma.
Matalilla energian arvoilla röntgenputkesta ulos tuleva fotonivuo on pieni voi-makkaan vaimentumisen takia.