Рентгеновское излучение. Методы получения

Самым распространенным источником рентгеновского излучения является рентгеновская трубка, в которой сильно ускоренный электрическим полем электроны бомбардируют анод (металлическая мишень из тяжелых металлов, например W или Pt), испытывая на нем резкое торможение. При этом возникает рентгеновское излучение, представляющее собой электромагнитные волны с длиной волны примерно 10^-8 – 10^{-12 м. Исследования спектрального состава рентгеновского излучения показали, что его спектр имеет сложную структуру. Он представляет собой наложение сплошного и линейчатого спектра – совокупности отдельных линий, появляющихся на фоне сплошного спектра. Характер сплошного спектра не зависит от материала анода, а определяется только энергий бомбардирующих анод электронов.} Электрон пролетает мимо ядра и теряет лишь часть своей энергии, а остальную передает попадающимся на его пути другим атомам. Каждый акт потери энергии ведет к излучению фотона с какой-то энергией. Возникает непрерывный рентгеновский спектр, верхняя граница которого соответствует энергии самого быстрого электрона. Сплошной рентгеновский спектр еще называют тормозным спектром (рис. 1).

При больших энергиях бомбардирующие анод электроны преодолевают кулоновские силы отталкивания от наружных электронных оболочек атомов вещества анода и взаимодействуют с электронами, заполняющими внутренние оболочки. Происходит выбивание электрона, находящегося на внутренней оболочке. Этот процесс сопровождается, появлением на фоне сплошного спектра отдельных резких линий - линейчатого спектра. Он определяется материалом анода и называемый характеристическим рентгеновским спектром [11].

Рисунок 1 – Спектр рентгеновского излучения Mo и Cu.

В отличие от оптических спектров, вид которых зависит от характера химических связей между атомами вещества, характеристические рентгеновские спектры атомов не зависят от их «окружения». Для данного вида атомов они всегда одинаковы и состоят из нескольких серий, обозначаемых K, L, M, N и О. Каждая серия, в свою очередь, содержит небольшой набор отдельных линий, обозначаемых в порядке убывания длины волны индексами α, β, γ, … (K_α, K_β, K_γ, …, L_α). Атомы каждого химического элемента, независимо от того, находятся ли они в свободном состоянии или входят в химическое соединение, обладают определенным, присущим только данному элементу линейчатым спектром характеристического излучения.

Рассмотрим механизм возникновения рентгеновских серий (рис.2). Предположим, что под влиянием внешнего электрона или высокоэнергетического фотона вырывается один из двух электронов K-оболочки атома. Тогда на его место может прийти электрон с более удаленных от ядра оболочек L, M, N, … Такие переходы сопровождаются испусканием рентгеновских квантов и возникновением спектральных линий К-серии: K_α (L→K), K_β (M→K), K_γ (N→K) и т. д.

Рис.2. Механизм возникновения рентгеновских серий

Чтобы получать рентгеновское излучение за счет взаимодействия электронов с веществом, нужно иметь источник электронов, средства их ускорения до больших скоростей и мишень, способную выдерживать электронную бомбардировку и давать рентгеновское излучение нужной интенсивности. Устройство, в котором все это есть, называется рентгеновской трубкой. Ранние исследователи пользовались "глубоко вакуумированными" трубками типа современных газоразрядных. Вакуум в них был не очень высоким. В газоразрядных трубках содержится небольшое количество газа, и когда на электроды трубки подается большая разность потенциалов, атомы газа превращаются в положительные и отрицательные ионы. Положительные движутся к отрицательному электроду (катоду) и, падая на него, выбивают из него электроны, а они, в свою очередь, движутся к положительному электроду (аноду) и, бомбардируя его, создают поток рентгеновских фотонов.

В современной рентгеновской трубке, разработанной Кулиджем (рис. 3), источником электронов является вольфрамовый катод, нагреваемый до высокой температуры. Электроны ускоряются до больших скоростей высокой разностью потенциалов между анодом и катодом. Поскольку электроны должны достичь анода без столкновений с атомами, необходим очень высокий вакуум, для чего нужно хорошо откачать трубку. Этим также снижаются вероятность ионизации оставшихся атомов газа и обусловленные ею побочные токи.

Подвергаемый электронной бомбардировке анод должен быть изготовлен из тугоплавкого материала, поскольку большая часть кинетической энергии бомбардирующих электронов превращается в тепло. Именно по этой причине, к аноду подводится система водяного (масляного) охлаждения. Кроме того, желательно, чтобы анод был из материала с большим атомным номером, т.к. выход рентгеновского излучения растет с увеличением атомного номера. В современных рентгеновских трубках анод чаще всего изготавливают из вольфрама. Но материал может быть разным в зависимости от условий применения и предъявляемых требований [13].

Значения длин волн характеристического рентгеновского излучения для различных типов рентгеновских трубок приведены в таблице 1

Таблица 1

Рис. 3. Рентгеновская трубка Кулиджа.

1 - электронный пучок; 2 - катод с фокусирующим электродом; 3 - стеклянная оболочка (трубка); 4 - вольфрамовая мишень (антикатод); 5 - нить накала катода; 6 - реально облучаемая площадь; 7 - эффективное фокальное пятно; 8 - медный анод; 9 - окно; 10 - рассеянное рентгеновское излучение.

Классификация рентгеновских трубок производится по следующим признакам:

1. по способу получения пучка свободных электронов трубки делятся на электронные и ионные;

2. по способу создания и поддержания вакуума различают трубки запаянные и разборные;

3. по назначению выделяют трубки для просвечивания материалов и изделий, для структурного анализа, для медицинских целей;

4. по площади фокуса. Фокусом трубки называют площадку на аноде, на которую падают электроны и от которой испускаются рентгеновские лучи.

Рентгеновское излучение можно получать не только электронной бомбардировкой, но и облучением мишени рентгеновским же излучением от другого источника. В этом случае, однако, большая часть энергии падающего пучка переходит в характеристический рентгеновский спектр и очень малая ее доля приходится на непрерывный. Очевидно, что пучок падающего рентгеновского излучения должен содержать фотоны, энергия которых достаточна для возбуждения характеристических линий бомбардируемого элемента. Высокий процент энергии, приходящейся на характеристический спектр, делает такой способ возбуждения рентгеновского излучения удобным для научных исследований.