48. Рентгеновское излучение. Устройство рентгеновской трубки

Во многих физических методах исследования в качестве инструмента для исследования и анализа веществ и материалов используется рентгеновское излучение (РИ). Существует два способа описания этого излучения – корпускулярный и волновой. Согласно первому, рентгеновские кванты – это частицы с определенной энергией Е (кэВ). Согласно второму – это жесткое электромагнитное излучение, которое характеризуется длиной волны  (нм) или частотой . Данные величины связаны между собой соотношениями

E = h,  = c/

Наиболее распространенным источником РИ является рентгеновская трубка. Рассмотрим ее конструкцию и особенности работы. Конструкция трубки очень простая и напоминает конструкцию простейшей электронной лампы – диода. Трубка представляет собой вакуумированный металлический, герметично закрытый с торцов цилиндр, на боковой поверхности которого имеется бериллиевое окно для выпуска излучения наружу. Внутри трубки имеется анод и катод с нитью накала. В качестве материала анода чаще всего используют медь, иногда другие металлы – Fe, W и т.д. В процессе работы на анод трубки подается высокое положительное напряжение относительно катода (~10-70 кэВ), а на нить накала – переменное напряжение 24 В. При этом из окна работающей трубки наружу выходит пучок, который и облучает исследуемое вещество (см. рис. 1).

Типичный спектр рентгеновского излучения трубки выглядит следующим образом (см. рис. в п. 49).

В последние годы для изучения веществ и материалов в мировой практике широко используется излучение, образующееся при движении электронов в ускорителях электронов (синхротронное излучение). Из теории известно, что электроны, вращающиеся с большой скоростью по круговой орбите, испускают кванты в широком диапазоне длин волн. Спектр синхротронного излучения изображен на рис. 2.

49. Спектр излучения рентгеновской трубки

Рассмотрим особенности работы трубки и спектральный состав испускаемого РИ. В результате нагрева материала катода из него вылетают электроны, и вблизи катода образуется облако из этих электронов. Под действием высокого напряжения V, приложенного к аноду, электроны устремляются к нему, приобретая при этом энергию  = еV. Сталкиваясь с анодом они тормозятся и полностью теряют энергию, которая частично передается ядрам, в результате чего материал анода нагревается. Помимо этого в результате торможения электронов образуются рентгеновские кванты – тормозное излучение, имеющее непрерывный спектр (см. рис. 1).

Из теории известно, что

I_ = const Z( - ₀)/₀³,

где  - длина волны тормозного излучения, Z – порядковый номер материала анода.

Максимальное значение энергии тормозных рентгеновских квантов определяется из соотношения E₀ = h₀ = hc/₀ =  = eV, откуда ₀ = hc/eV.

Если выразить  в нм, а V – в кВ, то ₀ = 12,4/V.

По мере увеличения V в спектре излучения трубки появляется узкая компонента, которая представляет собой так называемое характеристическое излучение. Спектр излучения трубки в этом случае будет выглядеть так, как это показано на рис. 2. Природа характеристического излучения обсуждается в следующем вопросе.