Рентгенография металлов

ВВЕДЕНИЕ

Рентгенографией называется учение о рентгеновских лучах и различных областях их применения. Начало рентгенографии,

вотличие от других наук, можно определить с точностью до одного дня: 26 сентября 1895 года немецкий физик Вильгельм Рентген

впроцессе изучения ионизации газов в катодных трубках обнаружил неизвестные лучи, способные проходить сквозь непрозрачные для видимого света вещества. Оказалось, что вещества, построенные из легких химических элементов, стоящих в начале периодической системы Д.И. Менделеева, почти прозрачны для лучей Рентгена. Другие вещества, построенные из более тяжелых элементов, оказываются менее проницаемы для рентгеновских лучей. В 1912 году физик М. Лауэ показал волновую природу рентгеновских лучей.

Применение рентгеновского излучения весьма разнообразно. Например, широко известно использование рентгеновских лучей

вмедицине.

Применение рентгеновского излучения в технике развивается

втрех направлениях:

1)рентгеновская дефектоскопия;

2)рентгеноспектральный анализ;

3)рентгеноструктурный анализ.

Методика рентгеновской дефектоскопии позволяет, просвечивая детали и заготовки насквозь, определять наличие неметаллических включений, усадочных, газовых полостей, трещин, дефектов сварного шва и других макродефектов изделий.

Рентгеноспектральный анализ производится для определения химического состава металлов и сплавов.

Рентгеноструктурный фазовый анализ применяется для изучения и контроля фазового состава исследуемого материала. В этом заключается особенность данного метода, что особенно важно для

5

металловедения, поскольку механические и другие свойства металлов и сплавов определяются их структурой и фазовым составом. В данном пособии рассматривается именно эта область применения рентгеновского излучения.

Качественный, количественный и другие методы рентгеноструктурного анализа позволяют исследовать различные параметры фазового состава и структуры изделий и оптимизировать технологию их обработки.

Материал пособия, изложенный в сжатом виде, является основой для изучения курса «Рентгенография металлов» наряду с использованием лекционного материала и рекомендуемой учебной литературой.

Часть 1 ФИЗИКА РЕНТГЕНОВСКИХ ЛУЧЕЙ

Глава 1. Получение и свойства рентгеновских лучей

1.1. Природа рентгеновских лучей

По своей природе рентгеновские лучи являются разновидностью электромагнитных волн, к числу которых относятся также световые лучи, γ-лучи радия и другие лучи электромагнитного спектра. Отличаются эти разновидности электромагнитного излучения друг от друга длиной волны. Приведем для примера длины волн различных составляющих электромагнитного спектра:

Для характеристики любого электромагнитного излучения применяются в основном два параметра: длина волны и интенсивность излучения.

Длина волны рентгеновского излучения, применяемого для рентгеноструктурного анализа(РСА), колеблется в интервале 0,5–5,5 Å.

Интенсивностью излучения называется количество энергии (количество рентгеновских квантов), которое переносится излучением через площадку единичного поперечного сечения (1 см2) за единицу времени (1 с).

Источником рентгеновского излучения является прибор, называемый рентгеновской трубкой. Рентгеновская трубка – это высоковакуумный стеклянный баллон с двумя электродами – анодом и катодом (рис. 1.1).

7

Рис. 1.1. Устройство рентгеновской трубки

Катодом является спираль из вольфрамовой проволоки, накаливаемая до 2000–2300 °С. Для разогрева нити катода через нее пропускается электрический ток 10–40 мА при напряжении 4–9 В.

Анод трубки представляет собой массивный водоохлаждаемый медный стакан, в торцевой части которого впаяна пластина из чистого металла (зеркало анода). Для РСА металлов используются обычно чистые хром, железо, кобальт, медь, молибден.

При нагреве катода возникает электронная эмиссия, т.е. в области катода образуется облачко свободных электронов.

Между катодом и анодом создается высокое напряжение (10– 200 кВ). При этом катод заряжается отрицательно, а анод – положительно.

Под действием высокого напряжения свободные электроны устремляются с большой скоростью на анод. В результате взаимодействия потока электронов с материалом анода возникает рентгеновское излучение.

1.2. Спектры рентгеновского излучения

Как любое электромагнитное излучение, рентгеновское излучение характеризуется определенным спектральным составом, т.е. набором длин волн. Рентгеновское излучение содержит два налагающихся друг на друга спектра:

8

1)сплошной спектр, состоящий из широкой полосы различных длин волн;

2)линейчатый (характеристический) спектр, состоящий из отдельных максимумов интенсивности с определенной длиной волны.

Сплошной спектр рентгеновского излучения. Закономерно-

сти сплошного спектра характеризуются диаграммой в координатах длина волны (λ), интенсивность излучения (Ј) (рис. 1.2, а).

При резком торможении электронов на аноде большая часть их кинетической энергии превращается в тепло. Анод разогревается,

идля его охлаждения через внутреннюю область медного стакана анода пропускается проточная вода. Сравнительно небольшая часть

кинетической энергии электронов (1–3 %) при их столкновении с анодом переходит в энергию электромагнитного рентгеновского излучения, возникают рентгеновские лучи со всевозможными длинами волн в определенном интервале. Интенсивность излучения

взависимости от длины волны распределяется экстремально, т.е.

начиная от некоторого значения λ0 интенсивность лучей возрастает до максимума, соответствующего длине волны λмах. Затем при больших значениях λ интенсивность излучения уменьшается.

При увеличении напряжения между анодом и катодом максимум на кривой интенсивности и граница спектра λ0 смещаются

всторону коротких длин волн.

Электроны в материале анода тормозятся по-разному. Одни резко тормозятся на поверхности анода, другие проникают вглубь анода, постепенно теряя свою скорость. В этом случае меньшее количество энергии электрона превращается в электромагнитную энергию рентгеновского кванта. Поэтому на аноде возникают рентгеновские кванты с разной энергией и, следовательно, с разной длиной волны.

Характеристический спектр рентгеновского излучения. Ес-

ли повышать напряжение на трубке, то при его определенной величине (потенциал возбуждения) на фоне сплошного спектра появляются группы (серии) пиков, соответствующих определенным дли-

9

нам волн (рис. 1.2, б). Отдельные серии пиков обозначаются буквами K, L, M, N и т.д. На рис. 1.2, б показаны пики серии K.

аб

Рис. 1.2. Спектры рентгеновского излучения: а – сплошной; б – характеристический

Наиболее коротковолновая серия пиков называется K-серией. Отдельные линии, соответствующие определенным длинам волн в каждой серии, обозначаются греческими буквами α, β. Так, в K-серии по мере увеличения длины волны располагаются линии Kβ, Kα1, Kα2. Для структурного рентгеновского анализа применяются лучи K-серии Kα1 и Kα2 с длиной волны соответственно λα1 и λα2 (λα – среднее).

Объясняется возникновение характеристического спектра внутриатомными явлениями в материале анода.

Как известно, атом состоит из положительно заряженного ядра и электронов, расположенных на разных энергетических уровнях. На каждом уровне электрон обладает определенным запасом энергии, характеризуемым главным квантовым числом.

При достижении определенного уровня напряжения между катодом и анодом трубки энергия летящего электрона увеличивается настолько, что при столкновении его с атомом анода с внутреннего энергетического уровня атома выбивается электрон. Атом возбуж-

10