2.3 Рентгендік сәулеленудiң спектрі

Рентген спектрлерiн екi түрге бөледi: тұтас (тежеуіш) және сипаттамалық.

2.3.1 Тұтас рентгендік спектрi. Рентген түтiкке қолданған жоғары кернеу (U) әсерiнiң нәтижесiнде электрондар ағыны катодтан металдық анодқа ұмтылғанда, (mv)²/2 -ге тең кинетикалық энергияға ие болады, мұндағы: m-электронның массасы, v - оның жылдамдығы.

Басқа жағынан сыртқы өрiстiң әсерiнен тез ұшатын электрондардың энергиясы тең болады:

₁ = еU = (mv)²/2 (2.2)

Анодтың бетiмен тез ұшатын электронның соқтығысуы кезiнде, оның тез тежелуінің нәтижесiнде электромагниттiк импульс пайда болады.

Электрондардың энергиясы рентгендік сәулеленудiң фотондарына айналатын (электромагниттiк импульс), мына формула бойынша анықталады:

 = ₁ - ₂ (2.3)

мұндағы, ₂ - электрондардың анодпен соқтығысуынан кейiнгi энергия.

1 секундта түтiк арқылы 10 А тоқ кезiнде анодта 6*10⁶ шамасында электрондар тежеледі. Қаншалықты анод бағыты бойынша бiр атаулы зарядталған бөлшектердiң үлкен санынан тұратын шоғыр тасымалдана-тындықтан, соншалықты олардың кинетикалық энергиясы (₁) әртүрлi, анодпен соқтығысқан соң, электрондардың энергиясы (₂), ₁ –ден төмен әр түрлi мәндерге ие болуы мүмкiн.

Сонымен толқындардың кең диапазонында бiрлiк импульстердiң үлкен сандарының қосылуы өтедi (2.2-сурет).

Қысқа толқындық шегiн келесi түсiнiктерден анықтауға болады: _min толқынның минимал ұзындығы (_max максималды жиiлiк), ₂=0 жағдайға сәйкес, яғни электрондардың энергиясынан үлкен емес фотонның энергиясы, анодтық атомдарымен соқтығысқанда бөлiнедi.

Сонда: _max=с/_min = ₁ =еU,

Осыдан: _min=с/еU (2.4)

(2.4) формулаға физикалық тұрақтыларды қойып және үдететiн кернеудi U киловольтпен белгiлесек, мынандай өрнек аламыз:

₀=_min=1,23985/U, нм; _max = 2,41797*10¹⁷*U, Гц (2.5)

Сонымен, рентген түтiгiнiң электрондар шоғыры максималды энергиясы тежегiш сәулелену спектрiнiң шекаралық толқын ұзындығын анықтайды, iс-жүзiнде ол үдемелi кернеудiң U шамасымен анықталады.

Теория бойынша ұзын толқындар жағынан спектр  дейiн абцисса өсiне асимптотикалық жақындалып, кеңеюi керек. Тәжірибе жүзiнде ұзын толқындар жағынан өлшенетiн спектр түтiктiң (қалыңдығы ~0,2 мм берилийлі фольгамен) вакуумды-тығыз терезелер материалының жұтылатынымен «шектеледi», ауада және сезiмтал аппаратураның төменгі шегімен сәулеленудiң жұтылуымен шектеледi.

Белгiлi толқын ұзындығымен рентген сәулеленудiң қарқындылығы, анодта электронды шоғыр тежелгенде белгiлi жиiлiкпен пайда болатын бiрлiк импульстер санына тәуелдi. Егер ₂ қарағанда, ₁ кезiнде қарқындылығы жоғары болса, онда тежелу кезiнде электрондардың үлкен саны жиiлiкпен импульстi құрайды:

ν₁ = c/₁ = (_б - _с)/ ħ (2.6)

_б - тежелудің алдындағы электронның бастапқы энергиясы;

_с - тежелгеннен кейiнгі ақырғы энергия.

Электрондардың энергия бойынша үлестірілуі статистика заңдарына бағынады. Ал спектрде толқын ұзындықтары бойынша қарқындылықтың үлестірілуі мына формула бойынша анықталады:

J_ = a₁ Z ( - _min)/(_min * ³) (2.7)

мұндағы: а₁ - пропорциялы коэффициент; z - анод материалының атомдық нөмiрi.

Рентген тұтас спектрiнiң максималды қарқындылығы (J_^max) толқын ұзындығына тең:

_max=1,5_min (2.8)

Бұл ұзындықты бiлудiң өзі практикалық қызығушылық тудыруда. Өйткенi кез келген нысананың (объектiнiң) тұтас спектрін рентгендiк сәулелермен сәулелендiргенде, максимал қарқындылығы бар сәулеленудiң берілуi тұрақты болады.

Рентген түтiкте кернеудiң белгiлi шекке жоғарылауы қарқындылық үлестірілуінің өзгеруiне ешқандай орын бермейдi, тек (2.5) және (2.8) формуладағы J_^max және _min, _max шамалардың интегралдық қарқындылығымен өзгертедi.

Рентген сәулеленудiң жалпы қуаты немесе спектрдiң интегралдық қарқындылығы келесi теңдеуiмен сипатталады:

Р_рентг.=а*Z*i*U² (2.9)

мұндағы: а - пропорциялы коэффициент;

Z - анод затының реттiк нөмiрi;

i - түтiк арқылы өтетiн тоқтың күшi;

U - түтiктегi кернеу.

Рентген түтiкпен тұтынатын немесе берiлетiн электр қуаты мына формула арқылы анықталады:

P₀ = Ui (2.10)

Түтiктiң пайдалы әсер коэффициентi немесе электр энергиясын рентгендiк сәулеленуге (ПӘК) айналуы үздiксiз спектр сәулеленудiң толық қуатының рентген түтiкке қолданған кернеу және рентген түтiктiң анод затының атомдық мөлшерiне пропорциялық электр тоғының қуатына қатынасымен анықталады:

ПӘК = Р_рент/Р₀ = aZU (2.11)

мұндағы: а - пропорциялы коэффициент, а=9,12*10^-7;

U - рентген түтiгiндегi кернеу, кВ.

Үздiксiз спектрдiң қозуы ПӘК-нің өте төмен болудың себебi, ол электрондар анод материалының атомдарымен әрекеттескенде, оларды ионизациялау және қыздыру үшiн 99% энергия кетедi.

Рентген түтiктiң ПӘК-i 0,31% аспайды және тез ұшатын электрон-дардың шоғырымен бомбалағанда анодта көп мөлшерде жылу бөлiнедi. Сондықтан түтiктiң анодын сумен суытатын (немесе маймен суытатын), үлкен жылу өткiзетiн металдан жасайды. Катод балқу температурасы жоғары қиын балқитын металдан жасалынады. Тұтас спектрдi алу үшiн вольфрамнан жасалған анодты (Z_w=74) қолданады.

100 кВ кернеумен вольфрамнан жасалған анодпен түтiктiң ПӘК-i 0,8%, ал 30 кВ болғанда мыстан жасалған анодпен түтiктiң ПӘК-i 0,2%.

2.3.2 Рентген сәулелердiң сипаттамалық спектрi. Егер рентген түтiкте әдейілеп кернеудi U, анод материалына байланысты анықталған U_кр мәнiнен үлкейтсек, онда тағы да анод материалына тәуелдi белгiлi толқын ұзындықтармен, үздiксiз спектр фонында қарқындылықтың шыңдары түрiнде сипаттамалық рентгендiк сәулеленудiң сызықтары пайда болады (2.5 - сурет). Мысалы, рентген түтiктiң молибденнен жасалған анодпен қарқындылық шыңдары мына толқын ұзындықтарына тең болады: 1,392*10^-10; 1,540*10^-10; 1,544*10^-10 м.

Түтiктегi кернеудiң әрі қарай жоғарлауы тұтас спектрдiң және бұл шыңдардың қарқындылығын үлкейтедi, бiрақ сипаттамалық қарқындылық шыңдары толқын ұзындықтары бойынша өзгермейдi.

Сонымен, рентген сәулелену спектрiнiң сипатының өзгеруi анод материалынан (сипаттамалық спектрлi сызықтардың толқын ұзындықтары бойынша) және анод материалына тәуелдi үдемелi кернеуден байланысты-лығы сипаттамалық рентген сәулеленудiң пайда болу механизмi, анод материалының атомдарының құрылысында екендiгiн дәлелдейдi.

Кез келген атом бiр-бiрiмен өзара әрекеттесетiн оң зарядталған ядродан және оның айналасында терiс зарядталған электрондардан тұратындығы белгiлi. Кванттық теория бойынша атомда электрондардың қатал анықталған энергиясына сәйкес орбиталарда қозғалады. Берiлген атомдағы әрбір электрон энергияның басқа мәндерiне ие бола алмайды. Сонымен, электрондар энергия деңгейi бойынша ажыратылатын, K, L, M, N және т.б. қабықшалар бойынша ядроның айналасында орналасады. Бiр L, M және т.б. ядродан алыстау орналасқан қабықшалардың шегiнде болатын электрондар әртүрлi энергияға ие болады.

Мысалы, К- қабықшаның электрондары ядромен тығыз байланысқан. L - қабықшада және т.б. байланыс кiшiрейедi.

Сонымен, электрондар бiр орбитада жинала алмайды және әр келесi электрон энергияның жоғарырақ деңгейiне сәйкес орбитада орын алады.

Атомдарда электронды қабықшаларының деңгейлерде және деңгейшеде электрон энергиясының жоғарлауы, олардың ретiмен толтырылуы бойынша өтедi KLMN және т.с.с., ядромен электрондардың байланыс энергиясы, ядродан алыстау мөлшерiне байланысты төмендейдi.

Электронның бiр орбитадан екiншiсiне өтуi, яғни атом iшiндегi бiр энергетикалық жағдайдан басқаға, кванттың қатал анықталған энергияның жұтылуымен немесе шығаруымен жүредi.

Атом сырттан келетiн энергияны жұтқан кезде бұл энергия белгiлi қатал үлестермен (порциялармен) - кванттармен жұтылады, электрондар ядродан алысталған орбиталарға немесе энергетикалық жоғары деңгейлерге өтедi. Жұтылған кванттардың энергиясы қаншаға жоғары болса, соншалықты ядродан алыс орбитаға электрон өтедi.

Бұндай қоздырылған жағдайда атом көп бола алмайды; ол өзiнiң бастапқы энергетикалық күйіне оралады. Бұл алыс орбитадағы электрон бұрынғы орнына қайта келедi, ал атом энергияның артық порциясы электромагниттi сәулеленудiң кванты ретiнде бөлiнедi.

K, L, M, N - энергия деңгейлерi бойынша ажыратылатын электронды қабықшалар

2.6 - сурет -Сипаттамалық рентген сәулеленудiң пайда болу сұлбасы

Рентген түтiгiнiң үдемелi кернеудiң U жоғарлауы кезiнде катодтан анодқа электрондар ағынының кинетикалық энергиясы өседi және анод затының атомының сыртқы қабықшалары электрондарының байланыс энергиясымен салыстырылуы мүмкiн.

Ал U_кр белгiлi мәндерге жеткенде ол атомның келесi энергетикалық деңгейге немесе шектен шығаруға анод атомының электронын өзiнiң орбитадан шығарып тастауға жеткiлiктi болады.

М - қабықшаға қарағанда, К - қабықшадан электронды шығарып тастау қиын. Егер К - электронның байланыс күштерi бұзу және қоздыруы iске асырылса, онда 10^-15 сек. кейiн, L, M, N деңгейлерiне және ядродан алыстанған қабықшаларға электрондар ауысуының орны бар.

₁ - үлкен энергиясы бар атомның электрондары сыртқы қабықшадан К - қабықшадағы бос орынға өтiп, фотондарды (электромагниттi импульстер) шығарады:

 = ₁ - ₂ (2.12)

олардың шамасы әр элементтiң энергетикалық деңгейлерінiң сипаттамалық жүйесімен анықталады.

Сонымен, сипаттамалық спектрдiң әр шыңы электрондардың бiр энергетикалық деңгейден екiншi деңгейге өтуiне сәйкес. Спектрдiң сызық-тары электронның қай қабықшадан алыстанғанына тәуелдi К, L, M, N ... серияларға бөлiнедi. Электронның К - қабықшаға өткенде, рентген сәулеленудiң К - сериясы және т.б. пайда болады.

Барлық электрондық қабықшалар, К-дан басқа, мультиплеттер - көптеген энергетикалық деңгей-шелерден тұрады. Осыған байланысты әр серияның iшiнде қай деңгейден энергетикалық өтуi болғанына сәйкес бiрнеше сызықтар ₁, ₂, ₁, ₂ ... бар.

2.5 және 2.6 - суреттерде көрсетiлген сипаттамалық рентген сәулеленудiң пайда болу сұлбалары және спектрлерiнде, электрон L - қабатынан (LК) өткенде -сәулеленуi, MK қабатынан - -сәулеленуi пайда болатыны көрiнедi. Егер К-сериясы алынған болса, онда спектрде «жұмсағырақ» сериялардың: L, M, N және т.б. сәулеленудiң болуы мiндет.

K_1 және оған жақын (L-қабықшаның деңгейшелер энергиясының айырмашылығы онша емес) әлсiздеу K_2 сызықтары қарқынды болып табылады. К_1 сызығының қарқындылығы K_1 қарқындылығының 1225% құрайды. Басқа сызықтардың қарқындылығы төмен.

Рентген құрылымды талдау үшiн К-сериясы «қатты» болғандықтан, яғни кiшкентай толқын ұзындығы және максималды қарқындылығына ие болғандықтан тәжірибелiк мәнi зор. Монохроматикалық сәулелену түрiне хромнан (анод Cr, Z=24) молибденге (анод Мо, Z=42) металдардың толқын ұзындықтары 2,3*10^-10-нан 0,7*10^-10 м дейiн жататын K_1 және K_2 сызықтарын, кейде К_ - сәулелену пайдаланады.

Орбитада электронның толық энергиясының мәнi:

 = (-2² mZ²е⁴ )/ n² (2.13)

мұндағы: n-бастапқы кванттық сан; m, е - электронның массасы және заряды; Z - элементтiң атомдық нөмiрiн (2.12) формулаға қойсақ, аламыз:

(2.14)

Осыдан: (2.15)

2.7 - суретте К-серияның рентген спектрiнiң электромагниттi тербе-лiстердiң жиiлiгiнiң анод материалының, атомдық нөмiрiнен тәуелдiлiгi берiлген.

2.7 - сурет – К - серияның электромагниттi тербелiстер жиiлiгiнiң анод материалының атомдық нөмiрiнен тәуелдiлiгi

Сонымен, периодты жүйенiң әр элементтi қатал анықталған (жеке) сипаттамалық спектрге ие болады. 2.3 - кестеде рентген түтiктерде анод ретiнде жиі қолданылатын кейбiр металдардың К-сериясының толқын ұзындықтары берiлген.

2.3 - кесте – Анод ретiнде қолданылатын, элементтердiң К- сериясының толқын ұзындықтары

Металл	Атомдық нөмірі	Толқын ұзындығы*10-10, м			Қозу шегі Uқозу., в
		1	2	1-2
Хром	24	2,29351	2,28962	2,08480	5950
Темiр	26	1,93991	1,93597	1,75653	7150
Кобальт	27	1,79278	1,78892	1,62075	7700
Никель	28	1,66169	1,65784	1,50010	8300
Мыс	29	1,54433	1,54050	1,39229	9000
Молибден	42	0,71354	0,70926	0,63244	20000
Күмiс	47	0,56377	0,55936	0,49722	25600
Вольфрам	74	0,21381	0,20899	0,18439	69300

2.3 - кестеде К-серияның кейбiр металдардың рентген сәулеленудiң электромагниттi толқын ұзындықтарынан басқа, атомдық нөмiрiнiң үлкеюiнен қоздыру шектерi жоғарлауының мәнi берiлген.

Берiлген серияның қоздыру шегi (U_қозд) мына қатынастан анықталады:

еU_қозд = *C/_min (2.16)

мұндағы, _min - осы серияның ең қатты сәулеленудiң толқын ұзындығы.

Құрылымдық талдау кезiнде рентген түтiкке кернеудi таңдай бiлудiң маңызы үлкен, сипаттамалық сәулелену (J_) қарқындылықтың және фон болып табылатын, тұтас спектрдiң максималды қарқындылықтың (J) қатынасы, максимал болу керек.

Анод тоғының тұрақты қуаты W=iU кезiнде сипаттамалық сәулеленудiң (J_) қарқындылығы (U-U_қозд)^3/2 сияқты өседi; ал тұтас спектрдiң қарқындылығы (J) - U-ға тура пропорционал. J_/J қатынастың максимумы U3U_қозд жетедi, яғни рентген түтiктегi кернеу қоздыру шегiнен 23 есе үлкен. Осымен қоса, рентген сәулеленудiң сипаттамалық және тұтас спектрлер қарқындылықтарының арасындағы ең жақсы қатынасқа жетедi.

Қорыта келгенде, барлық рентген түтiктер екi негiзгi сипаттамаларға ие - анодтық және қыздырып қақтау. Анодтық сипаттамасы деп (2.8, а - сурет) анод тоғының рентген түтiктегі қыздырып қақтаудың тұрақты кернеуінен тәуелдiлiгiн атайды. Қыздырып қақтау кернеудiң өсуiмен, суретте көрсетiлгендегі сияқты, рентген түтiктiң кернеу мен тоғының үлкен мәндерiнде анод тоғының қанығуы басталады.

Қыздырып қақталу сипаттамасы (2.8, б - сурет) - бұл анод тоғының

2.8 - сурет – Рентген түтiктердiң анодтық және қыздырып қақтау сипаттамалары

қыздырып қақталу кернеуінен тәуелдiлiгi. Бұл сипаттаманың ерекшелiгi,

бiрiншiден, оның жоғары шұғылдығы, екiншiден, бiр типтi (үзік қисықтар арасындағы аймақ) рентген түтiктердiң сипаттамалардың жеткілікті мәндi шашырауы. Бұл рентген түтiктiң ауыстырылуы анод тоғының мәндi шектерде (i) өзгеруiне әкеледi. Осыған байланысты жұмыс кезiнде қақталу кернеуі мен анод тоғының мәндерiне мұқият бақылау жүргiзу керек.