Раздел 6. Аппараты и системы для воздействий рентгеновским и радиоизотопным излучениями.

Краткие сведения о рентгеновских лучах

1-1. ГЕНЕРИРОВАНИЕ РЕНТГЕНОВСКИХ ЛУЧЕЙ

Как уже указывалось, рентгенов­ские лучи возникают на аноде рент­геновской трубки при торможении электронов, движущихся от катода к аноду под действием ускоряющего поля. При торможении имеют место следующие процессы:

а) упругие столкновения с атомами и ионизация во внешних электронных слоях; при этих процессах имеет место постепенное преобразование кинетиче­ской энергии электрона в тепловую энергию;

б) ионизация в электронных слоях, близких к атомному ядру, которая приводит к появлению рентгеновского характеристического спектра, состоя­щего из отдельных спектральных ли­ний;

в) резкое торможение электрона в поле ядра, в результате чего возникает непрерывный рентгеновский спектр торможения с резкдй границей со сто­роны малых длин волн.

Почти вся кинетическая энергия тормозящихся электронов превращает­ся в тепловую энергию. Лишь незна­чительная доля — порядка десятых до­лей процента или нескольких процен­тов (в зависимости от напряжения) — превращается в энергию рентгеновско­го излучения. Поэтому в трубках должно предусматриваться охлажде­ние анода. Нагрев анода ограничивает допустимую мощность трубки.

Рентгеновское излучение характе­ризуется интенсивностью и жесткостью. Под интенсивностью понимается коли­чество энергии излучения, падающее на единицу поверхности в единицу вре­мени. Под жесткостью понимается от­носительная проникающая способность

лучей; чем лучи жестче, тем они обла­дают большей проникающей способ­ностью. В случае однородного (т. е. с одной длиной волны) излучения жест­кость может быть однозначно охарак­теризована этой длиной волны; чем меньше длина волны (т. е. чем больше фотоны рентгеновского излучения), тем больше проникающая способность из­лучения. Оценка жесткости непрерыв­ного рентгеновского спектра сложнее, о ней будет сказано дальше.

Специфические свойства характери­стического спектра используются лишь при некоторых методах структурного анализа и при спектральном анализе. Характеристический спектр обладает значительно меньшей энергией, чем спектр торможения. Поэтому при ис­пользовании всего излучения можно в первом приближении считать, что дей­ствие рентгеновских лучей обусловли­вается лишь спектром торможения.

а) Спектр торможения. Все элек­троны у поверхности анода обладают одинаковыми кинетическими энергия­ми. Эту кинетическую энергию элек­трон приобретает, двигаясь в ускоряю­щем поле между катодом и анодом. Поэтому она равна:

(1-1)

где е — заряд электрона, равный 4,802 • 10¹⁰ эл. ст. единиц, a U_a~ анодное напряжение, т. е. напряжение между электродами трубки (начальной кинетической энергией, которой элек­трон обладает 'при выходе из катода, ввиду ее малости можно пренебречь). Однако фотоны рентгеновского спектра торможения будут обладать различными энергиями. Это можно объяснить тем, что: 1) электрон мо­жет испытать резкое торможение после того, как он потерял часть энергии на упругие столкновения; 2) при рез­ком торможении электрон может ча­стично сохранить свою кинетическую энергию. В итоге в излучении, генери­руемом трубкой, будут фотоны со все­возможными энергиями вплоть до не­которой максимальной, характеризую­щей полный переход всей кинетической энергии, запасенной электроном в уско­ряющем поле, в энергию рентгеновско­го излучения.

Связь между энергией фотона А и длиной волны А, дается формулой

где h — постоянная Планка, равная 6,62- 10~² эрг-см, и с — скорость света, равная 3 • 10¹⁰ см/сек. Таким образом, фотону с максимальной энергией соот­ветствует минимальная длина волны. Приравняв друг другу формулы (1-1) и (1-2), видим, что минимальная дли­на волны, как и максимальная энер­гия фотона, определяется анодным на­пряжением. Подставляя численные зна­чения, получим формулу:

λмин =12,4/Uа

Если напряжение в этой формуле вы­ражать в киловольтах, то длина волны

получается в ангстремах (А);

1 А = 10 ⁸ см. Формулой (1-3) можно воспользоваться также для перехода от длины волны к энергии фотона, если последнюю измерять в килоэлектроно-вольтах (кэв). Эта единица энергии в применении к элементарным части­цам получила широкое распростране­ние.

Распределение энергии в спектре торможения показано на рис. 1-1. Здесь абсциссой является длина волны излучения, а ординатой — интенсив­ность излучения данной длины волны (так называемая плотность интенсив­ности в спектре) J_x. Кривые рис. 1-1 сняты при одном и том же анодном токе и различных анодных напряже­ниях. Из рис. 1-1 видно, что при повы­шении напряжения происходит сдвиг в сторону более коротких длин волн не только минимальной длины волны, но и максимума интенсивности, т. е. всего спектра в целом. В итоге повышение напряжения вызывает увеличение же­сткости (проникающей способности) лучей торможения.

Площадь, ограниченная кривой J_λ = f(λ) и осью абсцисс, представляет собой общую интенсивность излучения:

Так как эта площадь с увеличением анодного напряжения увеличивается, то следовательно, интенсивность излу­чения с повышением напряжения так­же возрастает. Увеличение интенсивно­сти излучения при повышении напря­жения и неизменном анодном токе (т. е. при неизменном количестве элек­тронов, тормозящихся на аноде трубки в единицу времени) происходит за счет увеличения кинетической энергии каж­дого отдельного электрона. Наоборот, увеличение анодного тока при неизмен­ном анодном напряжении увеличивает число электронов, тормозящихся на аноде, оставляя кинетическую энергию отдельного электрона неизменной. Есте­ственно, что жесткость излучения при этом не меняется, интенсивность же возрастает пропорционально числу электронов, т. е. пропорционально анод­ному току.