19. Спектр рентгеновского излучения

Обычный рентгеновский спектр состоит из непрерывного спектра, вызванного тормозным излучением, и характеристических линий (острые пики Кa и Кb), которые возникают вследствие взаимодействий ускоренных электронов с электронами внутренней К-оболочки

При обычном способе получения рентгеновского излучения, например, с помощью рентгеновских трубок, получают широкий диапазон длин волн, который называют рентгеновским спектром, который состоит из тормозной и характеристической составляющих.

Тормозное излучение имеет широкий непрерывный спектр, появление которого вызвано торможением электронов на материале анода. Мощность тормозного рентгеновского излучения P зависит от порядкового атомного номера материала анода Z, силы тока I, протекающего через трубку, квадрата приложенного напряжения U, и выражается формулой

P = k×I×Z×U² ,

где k = 1,5×10⁶.

Коэффициент полезного действия трубки

• = P/I×U

составляет примерно 2% для трубки с анодом из вольфрама при напряжении 200 кВ.

Другой особенностью рентгеновского спектра является наличие отчетливо выраженных пиков характеристического излучения, которое возникает вследствие взаимодействий ускоренных электронов с электронами внутренней К-оболочки.

Как известно, атомы состоят из ядер, окруженных электронами, энергии которых имеет дискретные значения. Энергетические уровни электронов сгруппированы по электронным оболочкам, которые обозначаются символами K, L, M и т.д.

Когда налетающий электрон сталкивается с одним из электронов, находящимся, например, на K-оболочке, он выбивает его. Опустевшее место занимает электрон с другой L- или M-оболочки, которой соответствует большая энергия. В этом случае возникает Кa излучение, а во втором Кb излучение характеристического спектра.

Поскольку электроны оболочек имеют дискретные значения энергии, возникающие рентгеновские фотоны тоже обладают дискретным спектром. Этому соответствуют острые пики для определенных длин волн, конкретные значения которых зависят от атомного номера элементов входящих в состав материала мишени.

20. Закон Мозли

Соотношение между длиной волны характеристического излучения и атомным номером называется законом Мозли. В общем виде оно имеет следующий вид:

l = 1/R(Z-s₁)²(n₁^-2 – n_o^-2)

где R – постоянная Ридберга; n – целое число, которое характеризует положение электрона на электронной оболочке (квантовое число); s₁ – постоянная экранирования, Z – атомный номер элемента анода.

Длина волны характеристического рентгеновского излучения, испускаемого химическими элементами, зависит от атомного номера элемента. Кривая соответствует закону Мозли: чем больше атомный номер элемента, тем меньше длина волны характеристической линии.

По длине волны характеристического излучения можно определять атомный номер любого химического элемента с применением энергодисперсионного анализа.

21. Получение рентгеновского излучения (рентгеновские трубки)

Для получения рентгеновского излучения в современных дифрактометрах используются рентгеновские трубки. В них имеются источник электронов (катод), большое ускоряющее напряжение и анод, способный выдержать электронную бомбардировку и давать рентгеновское излучение нужной интенсивности.

В современной рентгеновской трубке в качестве источника электронов используется вольфрамовый катод, нагреваемый до высокой температуры. Для ускорения электронов накладывается большая разность 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.

Схема рентгеновской трубки: 1 – металлический анодный стакан; 2 – окна из бериллия для выхода рентгеновского излучения; 3 – термоэмиссионный катод; 4 – стеклянная трубка, изолирующая анодную часть трубки от катодной; 5 – выводы катода, к которым подводится напряжение накала, а также высокое (относительно анода) напряжение; 6 – электростатическая система фокусировки электронов; 7 – анод (антикатод); 8 – патрубки для ввода и вывода проточной воды, охлаждающей анодный стакан.

В рентгеноструктурном анализе используются трубки с анодами из Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Ag.