Спектры поглощения рентгеновских лучей
Прохождение рентгеновского излучения через вещество сопровождается взаимодействием рентгеновских лучей с веществом. Известны два вида взаимодействия:
1. Рассеяние рентгеновских лучей. Вещество, которое подвергается действию рентгеновского излучения, испускает вторичное излучение, длина волны которого либо равна длине волны падающих лучей, либо незначительно отличается. При рассеянии без изменения длины волны переменное электромагнитное поле, создаваемое пучком рентгеновских лучей, вызывает колебательное движение электронов облучаемого вещества, и они становятся источниками когерентного излучения. Ввиду когерентности лучи, рассеиваемые различными атомами, могут интерферировать. Расстояние же между атомными плоскостями кристаллах сравнимы с длинами волн рентгеновских лучей. Кристалл служит дифракционной решеткой для рентгеновских лучей.
2. Фотоэлектрический эффект. Взаимодействуя с атомами вещества, рентгеновские лучи могут выбивать электроны за пределы атома, ионизируя его. Энергия, идущая на удаление электронов валентных оболочек, очень мала, а для более близких к ядру оболочек сравнима с энергией рентгеновских лучей. При большой энергии выбитых электронов они сами могут являться источником нехарактеристического рентгеновского излучения. Этот процесс имеет место только в случае жестокого первичного излучения.
Спектры поглощения рентгеновского излучения.
На рис. 2 показан спектр поглощения рентгеновского излучения (зависимость коэффициента поглощения от длины волны). При определенных значениях длин волн происходит резкое изменение величины коэффициента поглощения.
Рис. 2. Спектр поглощения рентгеновских лучей (в никеле).
В интервале между скачками коэффициент поглощения увеличивается с увеличением длины волны. Длины волн, соответствующие скачкам в изменении коэффициента поглощения, называются краями полос поглощения. Поглощение обусловлено выбиванием электронов с внутренних или внешних электронных оболочек атомов. Если энергия излучения больше или равна энергии, необходимой для удаления электрона с данной оболочки, то происходит поглощение, вызванное этим процессом, если же энергия излучения меньше, то поглощение происходит только за счет более внешних оболочек.
Дифракция рентгеновских лучей
Конгерентно рассеянные рентгеновские лучи могут интерферировать между собой, причем дифракционной решеткой для рентгеновского излучения служит кристаллическая решетка, так как межплоскостные расстояния в кристалле сравнимы с длиной волны излучения.
Направим на атомы, образующие в кристалле ряд с периодом b, два луча: M1A1N1 и M2A2N2 (рис. 3).
Рис. 3. Дифракция на атомном ряде.
Если в этом направлении произойдет дифракция, то ломанная M1A1N1 должна быть больше M2A2N2 на целое число длин волн; разница эта будет выражена равенством: A1C1 – A2B2 = nλ.
Рентгеновские трубки
Источником рентгеновского излучения являются откачанные рентгеновские трубки, представляющие собой мощный диод, в котором поток ускоренных, обладающих высокой энергией, электронов бомбардирует материал анода (рис. 4).
Рис. 4. Основные узлы рентгеновской трубки.
Катодом рентгеновской трубки служит вольфрамовая нить накала, расположенная на расстоянии 5-10 мм от анода. Для фокусировки электронного пучка ее помещают на дне металлического колпачка, который соединен с нитью и имеет отрицательный по отношению к аноду потенциал. Ток накала 3,2 – 4,0 А.
Анод – массивное тело из металла, обладающее высокой тепло- и электропроводностью, на основании которого напаяна тонкая металлическая пластинка – рабочая часть анода, поверхность которой – зеркало анода – обращена к катоду. Зеркала анодов изготавливают из металлов, для которых длины волн рентгеновского излучения лежат в пределах от 2,29 до 0,71 ангстрем (W, Cr, Fe, Cu, Ni, Co, Mo, Ag). Элементы с меньшими атомными номерами не используются, так как их излучение в значительной мере поглощается стенками трубки и воздухом. Элементы более тяжелые, чем Mo, в качестве источника монохроматического излучения неудобны, т. к. они дают слишком интенсивное «белое» излучение, которое создает на рентгенограммах нежелательный фон.
Освобожденные в результате термоэлектронной эмиссии электроны образуют вокруг нити накала (катода) «электронное облако». Под действием приложенного высокого напряжения электроны движутся к аноду. При торможении электронов на поверхности анода их кинетическая энергия переходит в тепловую энергию и рентгеновское излучение. При напряжениях на трубке 20-80 кВ энергия рентгеновских лучей составляет не более 1-2% затраченной энергии. Вследствие этого анод необходимо охлаждать проточной водой. Прекращение подачи воды приводит к расплавлению зеркала анода и выходу трубки из строя. Во избежание этого в рентгеновских аппаратах имеется реле, автоматически выключающее высокое напряжение при уменьшении напора воды ниже заданного значения. Удельную нагрузку на единицу поверхности фокального пятна на аноде можно повысить за счет уменьшения размеров пятна (острофокусные трубки). Значительное увеличение мощности трубки достигается применением вращающегося анода.
Окна для выхода рентгеновских лучей делают из вакуумно-плотного металлического бериллия или литий-бор-бериллиевого стекла, слабо поглощающего рентгеновские лучи. Трубки с линейным фокусом имеют два окна, с круглым фокусом - четыре.