Лекція № рентгенівське випромінювання

1. Джерела і основні властивості рентгенівського

У 1895 р досліджуючи катодні промені, німецький вчений Вільгельм Конрад Рентген виявив, що флуоресціюючий екран, піднесений до установки, закритою щільним непрозорим для світла чохлом, яскраво спалахує. Був зроблений висновок, що існує якась невідома випромінювання, для якого матеріал чохла є прозорим. Це випромінювання Рентген назвав X-променями.

Досліджуючи причини появи цього випромінювання, Рентген встановив, що воно з'являється в тому місці, де пучок летять електронів ударяється об стінку катодного трубки. Виходячи з цієї обставини, Рентген сконструював і побудував першу, призначену спеціально для полученіяX-випромінювання, трубку, істотні риси конструкції якої збереглися до наших днів. Рентгенівська трубка (рис.1) являє собою скляний балон з двома упаяними основними електродами: анодом (А) і катодом (К). Катод виконаний у вигляді спіралі з тугоплавкого металу (W, Pt), через яку пропускають струм. При цьому, внаслідок термоелектронної емісії, нагріта спіраль випускає електрони. Анод представляє собою циліндр, торець якого зрізаний під кутом. У скошену поверхню торця анода впаяна пластинка з тугоплавкого металу (W, Pt, Cu, Ag і т.д.) - «дзеркало» (З). У балоні створюється висока розрядження Р = 10 -6 -10 -7 мм.рт.ст. Між анодом і катодом прикладено високу напругу - 40 ÷ 200 кВ, а в деяких випадках навіть до I000 кВ. Електрони, що випускаються ниткою розжарення, прискорюються електричним полем до швидкостей

2 х 10 8 м / с. Вузький пучок електронів і направляється на анод, який, завдяки косого зрізу, направляє виникає на «дзеркалі» рентгенівське випромінювання в вихідне вікно трубки. К.к.д. рентгенівської трубки становить всього 1-5%, а інша енергія електронного пучка перетворюється у внутрішню енергію. З цієї причини тіло анода виготовляють з добре проводять тепло матеріалів (Сu) і часто порожнистим для підведення охолоджуючої рідини.

Вже перші досліди виявили цілий ряд властивостей рентгенівського випромінювання: промені володіють значною проникаючу здатність; іонізують речовину; мають хімічним дією; засвічують фотоплівку і викликають утворення перекису водню в воді; впливають на перебіг біологічних процесів; поширюються прямолінійно і не відхиляються ні в електричному, ні в магнітному полях; викликають явище люмінесценції. Надалі встановили, що рентгенівське випромінювання являє собою електромагнітні хвилі з довжиною від 10 -5 до 80 нм (10 -14 ÷ 10 -7 м).

У природі рентгенівське випромінювання присутній в космічному випромінюванні, його випускає сонячна корона, а на землі практично всі радіоактивні елементи.

За механізмом збудження рентгенівське випромінювання підрозділяється на гальмівне і характеристичне.

2. Гальмівний рентгенівське випромінювання спектр гальмівного рентгенівського випромінювання

Освіта гальмівного випромінювання можна пояснити з позицій електродинаміки. Розглянемо пучок летять електронів, як деякий струм, якій створює навколо себе магнітне поле з індукцією

. На аноді електрони, взаємодіючи з електронними оболонками атомів речовини, відчувають сильне гальмування, що еквівалентно зменшенню сили струму, а значить і магнітної індукції. Відповідно до теорії Максвелла це призводить до появи квантів електромагнітного випромінювання з енергією ε = hν. які і забирають вивільняється при гальмуванні електронів кінетичну енергію. До «удару» про анод всі електрони володіють практично однаковою енергією Ее = еu, U - прискорює напруга (напруга між катодом і анодом). У рідкісних випадках електрони повністю зупиняються при першому ж «зіткненні», і тоді вся кінетична енергія електрона йде на освіту одного кванта електромагнітного випромінювання з найбільшою для даних умов частотою νк:

У більшості ж випадків енергія електронів губиться в результаті ряду послідовних «зіткнень» з електронними хмарами різних атомів, перетворюючись при цьому в тепло або кванти електромагнітного випромінювання з частотою ν меншою, ніж νк (ν ≤ νк):

Оскільки умови взаємодії електронів з атомами анода можуть бути самими різними, то спектр випромінювання в такому процесі буде суцільним (безперервним). Він являє собою плавну несиметричну криву (рис.2), яка має різкий кордон (λк) з боку коротких довжин хвиль, чітко виражений максимум і поступове зниження інтенсивності в довгохвильовій області. З ростом напруги підвищується інтенсивність випромінювання і весь спектр зміщується в бік більш коротких довжин хвиль (рис.2). Зв'язок між прискорює напругою U (кВ) і короткохвильового кордоном відповідного спектру - λк (нм) має вигляд:

При цьому для даного прискорює напруги між λк і довжиною хвилі λ (max). на яку припадає максимум спектра, існує постійне співвідношення:

Іспускательной здатність рентгенівської трубки залежить від величини прискорюючої напруги, анодного струму (температури розжарення катода) і матеріалу (атомного номера Z) «дзеркала» анода. У загальному випадку потужність гальмівного випромінювання:

де k = 10 -9 (В · с) -1. I - сила анодного струму; U- напруга між анодом і катодом; Z - порядковий номер матеріалу «дзеркала» анода в

Відзначимо, що величина прискорює напруги (рис.2) і атомний номер речовини «дзеркала» (рис.3) впливають не тільки на радіаційну здатність рентгенівської трубки, а й на характер розподілу енергії в спектрі за довжинами хвиль; в той час як зміна температури розжарення катода не змінює спектральний склад випромінювання.

Відзначимо так само, що проникаюча здатність рентгенівського випромінювання залежить від довжини хвилі. Більш короткохвильове випромінювання, що володіє більшою проникаючою здатністю отримало назву жорсткого, а випромінювання довгохвильове - м'якого.