Реферат: Физические основы и методы рентгеновских исследований

Физические основы и методы рентгеновских исследований

1. Источники рентгеновского излучения

Рентгеновское излучение было открыто немецким физиком Рентгеном в 1895 году. Сам Рентген назвал его Х-лучами. Оно возникает при торможении веществом быстрых электронов. Рентгеновское излучение получают с помощью специальных электронно-вакуумных приборов – рентгеновских трубок.

В стеклянной колбе, давление в которой равно 10^{-6 мм} рт.ст., находятся анод и катод. Анод выполнен из меди с вольфрамовой насадкой. Анодное напряжение рентгеновских трубок составляет 80 – 120 кВ. Электроны, вылетевшие из катода, разгоняются электрическим полем и тормозятся на вольфрамовой насадке анода, которая имеет скос под углом 11–15^о . Рентгеновское излучение выходит из колбы через специальное кварцевое окно.

Важнейшими параметрами рентгеновского излучения являются длина волны и интенсивность. Если предположить, что торможение электрона на аноде происходит мгновенно, то вся его кинетическая энергия еU_a переходит в излучение:

. (1)

В действительности торможение электрона занимает конечное время, и частота излучения, определяемая из уравнения (1), является максимально возможной:

. (2)

С учетом (с – скорость света) находим минимальную длину волны

. (3)

Подставляя величины h, c, e в формулу (3) и выражая анодное напряжение в киловольтах, получим длину волны в нанометрах:

=. (4)

Например, при анодном напряжении 100 кВ длина волны рентгеновского излучения будет равна 0,012 нм, т.е. примерно в 40000 раз короче средней длины волны оптического диапазона.

Теоретическое распределение энергии тормозного излучения по частоте выведено Крамером и экспериментально получено Куленкампфом. Спектральная плотность I_n непрерывного спектра рентгеновского излучения при анодном токе i_a c анода, вещество которого имеет порядковый номер Z, выражается соотношением

.

Составляющая BZ не зависит от частоты и на называется характеристическим излучением. Обычно ее доля пренебрежимо мала, поэтому будем считать

. (5)

Распределение интенсивностей по длинам волн можно получить из равенства

, где .

Используя формулу (5), с учетом и находим

. (6)

Интенсивность тормозного излучения найдем, используя формулу (5)

или, с учетом соотношения (2),

, где . (7)

Таким образом, интенсивность рентгеновского излучения пропорциональна анодному току, квадрату анодного напряжения и атомному номеру вещества анода.

Место падения электронов на анод называется фокусом. Его диаметр составляет несколько миллиметров, а температура в нем достигает 1900^о С. Отсюда понятен выбор вольфрама в качестве материала для насадки: он имеет большой атомный номер (74) и высокую температуру плавления (3400^о С). Напомним, что атомный номер меди равен 29, а температура плавления «всего» 1700^о С.

Из формулы (7) следует, что интенсивность рентгеновского излучения можно регулировать, изменяя ток анода (ток накала катода) и анодное напряжение. Однако во втором случае кроме интенсивности излучения будет меняться и его спектральный состав. Формула (6) показывает, что спектральная интенсивность является сложной функцией длины волны. Она начинается из нуля при , достигает максимума при 1,5 и затем асимптотически стремится к нулю. Составляющие рентгеновского излучения с длинами волн, близкими к называют жестким излучением, а имеющие длины волн, намного большие – мягким излучением.

Анод простейшей рентгеновской трубки охлаждается конвекционно, и поэтому такие трубки имеют небольшую мощность. Для ее повышения применяют активное охлаждение маслом. Анод трубки делают полым и подают в него масло под давлением 3 – 4 атм. Этот способ охлаждения не очень удобен, так как требует дополнительно громоздкого оборудования: насос, шланги и др.

При больших мощностях трубок наиболее эффективным способом охлаждения является применение вращающегося анода. Анод выполнен в виде усеченного конуса, образующая которого составляет с основанием угол 11–15^о . Боковая поверхность анода армирована вольфрамом. Анод вращается на стержне, соединенном с металлическим стаканом, к которому

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--