Источники х – лучей

Источниками рентгеновского излучения являются многие небесные тела (Солнце), плазма (высоко- и низкотемпературная), рентгеновское излучение высокой интенсивности возникает при ядерных взрывах. Некоторые радиоактивные вещества являются источниками излучения в рентгеновском диапазоне – явление К-захвата.

Источником Х-лучей с практически пригодной интенсивностью является столкновение ускоренных электронов с твердым телом.

Рентгеновское излучение возникает в результате взаимодействия электронных пучков с атомами мишени. Наиболее распространенным устройством для получения электронных пучков является электронная пушка (рис. 4). V-образный металлический катод разогревается специальным источником тока. Между катодом и анодом создается разность потенциалов . Форма анода выбирается такой, чтобы электрическое поле было резко неоднородным. Наибольшее ускорение электроны получают в области, прилегающей к катоду, и, пролетая через специальное отверстие в аноде, создают электронный пучок.

При ударе в Х-лучи переходит очень небольшая часть энергии. Отношение энергии пучка Х-лучей, испускаемых трубкой, к энергии потока электронов определятся атомным номером ( ) элемента, из которого изготовлен анод, и ускоряющим напряжением ( )

(5)

Пример

Материал анода
Вольфрам	100000	0,8
медь	30000	0,2

Т.е. практически вся энергия потока электронов преобразуется в теплоту, приводящую к разогреву анода. Становится необходим теплоотвод, который осуществляется с помощью водяного охлаждения анода. Это конструктивно предусмотрено в рентгеновских трубках.

Выбор материала анода при радикальных методах охлаждения лимитируется количеством энергии, которое может получать на единицу площади вещество анода, не разрушаясь. Эта предельная плотность энергии тем больше, чем выше теплопроводность и точка плавления вещества. Т. е. для изготовления анода должны применяться хорошо проводящие тугоплавкие металлы. Этот факт ограничивает мощность источников Х-лучей. Проблема повышения мощности Х-трубок актуальна до наших дней.

Непрерывный спектр Х-лучей

При столкновении электронных пучков с атомами мишени осуществляется два механизма, по которым полный спектр рентгеновского излучения разделяется на две составляющие: сплошной (или тормозной) и дискретный (или характеристический).

Возникновение тормозного спектра обусловлено торможением (изменением импульса) электронов (или других заряженных частиц) в результате их взаимодействия с электрическим полем атомного ядра, полем атомных электронов, на которых происходит торможение.

Интенсивность тормозного излучения является непрерывной функцией длины волны (рис.6) и зависит от ряда факторов: напряжения на трубке U, атомного номера элемента анода Z, величины анодного тока и угла , образуемого рентгеновским лучом с направлением летящих электронов: . Со стороны коротких длин волн спектр ограничен минимальной длиной волны , определяемой на основе

квантовой теории. При столкновении электрона с энергией с веществом может образоваться фотон, энергия которого равна или меньше энергии электрона, но не больше, чем . Предельная длина волны определяется из условия

, (6)

откуда

.

– длина волны, соответствующая рентгеновскому излучению с максимальной интенсивностью, примерно равна . Следовательно, с увеличением ускоряющего напряжения и и смещаются в область коротких волн, при этом энергия увеличивается.

Следует подчеркнуть, что коротковолновая граница тормозного спектра ₀ не зависит от природы мишени и определяется только величиной ускоряющего напряжения (рис. 7).

Если энергия бомбардирующих частиц или, что то же самое, величина ускоряющего напряжения, не превышает некоторого, характерного для данного вещества мишени значения, возникает только тормозное излучение.

Анод получает энергию пропорциональную ускоряющему напряжению, отдача трубки в виде рентгеновского излучения пропорциональна (6).

Суммарная энергия спектра, которой соответствует площадь, ограниченная кривой (рис.6) пропорциональна ~ .

Если заданы условия работы трубки ( ), то интенсивность непрерывного спектра пропорциональна атомному номеру элемента анода. Отсюда следует, что выгодно использовать для изготовления анода тяжелые элементы.

Поэтому при решении задач с использованием «белого» излучения необходимо использовать Х-трубки с анодом из тяжелого металла при высоких напряжениях (50-80 кВ).

При этом наблюдается сдвиг спектра в сторону коротких волн и повышается отдача трубки во всем спектре (увеличивается интенсивность).

Граничная частота и граничная длина волны связаны с напряжением на трубке

; (7)

Распределение энергии в спектре белого излучения по частотам или длинам волн определяется спектральной плотностью излучения

или (8)

На основе экспериментальных данных Куленкампфа Крамерсом было выведено теоретическое распределение энергии рентгеновского излучения частотам. Спектральная плотность белого Х-излучения выражается соотношением

, (9)

где - анодный ток; - порядковый номер вещества анода; - граничная частота; , В - постоянные коэффициенты. Слагаемое сказывается только в коротковолновой области спектра. Для приближенных расчетов формулу можно упростить, пренебрегая :

. (10)

Распределение интенсивности тормозного излучения по длинам волн получают из равенства

(11)

Спектральная плотность излучения по длинам волн

. (12)

Интегрирование выражения (10) позволяет найти интенсивность тормозного излучения:

/ (13)

Подставим в (13) выражение из (6) , получим:

, (14)

где .

Максимум энергии в спектре приходится на длину волны .

Белый спектр, выходящий из рентгеновской трубки, несколько отличается от теоретического. В длинноволновой части – вследствие поглощения в веществе анода и стекле трубки. В коротковолновой - вследствие расхода энергии на возбуждение характеристического излучения. Результатом этого является общее понижение интенсивности и сдвиг максимума в сторону коротких длин волн.