Получение рентгеновских лучей

 

Рентгеновское излучение – это электромагнитные волны, длины которых лежат в интервале от 10^-4 до 10² Å (1 Å = 10^{-8 см). Для рентгеноструктурного анализа используется рентгеновское излучение с длинами волн от долей ангстрема до нескольких ангстрем.}

В структурном анализе и в медицине основными источниками рентгеновских лучей служат рентгеновские трубки, представляющие собой вакууммированный стеклянный сосуд (давление газа в трубке менее 10^{-6 мм рт. ст.) с двумя впаянными металлическими электродами (катод и анод). Катод в разогретом состоянии является источником свободных электронов.}

Анод располагается перпендикулярно или под некоторым углом к электронному пучку. Рабочий участок анода рентгеновской трубки представляет собой металлическое зеркало, изготовленное из различных металлов: Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Rh или Ag высокой степени чистоты.

В электрическом поле катод – анод (V = 30 – 60 кВ) электроны движутся к аноду со скоростью, соизмеримой со скоростью света. В результате процессов торможения и взаимодействия электронов с веществом анода с его поверхности распространяется излучение, характер которого изменяется в зависимости от конструкции трубки и режима ее работы.

Следует заметить, что при соударении электронов с веществом анода в энергию рентгеновского излучения переходит лишь очень небольшая часть энергии электронов. Если обозначить через e отношение энергии электронов к энергии испускаемого пучка рентгеновских лучей, то e = 1.1×10^-6×Z×V, где Z – атомный номер анода, V – напряжение на рентгеновской трубке в киловольтах (кВ). Для трубки с вольфрамовым анодом при V = 100 кВ e = 0,008 = 0,8%, следовательно, почти вся энергия потока электронов превращается в тепло, расходуясь на разогрев анода. Вследствие этого конструкция рентгеновских трубок обязательно предусматривает охлаждение анода проточной водой. На рисунке 1 приведена схема рентгеновской трубки для структурного анализа.

Рис. 1. Схема рентгеновской трубки для структурного анализа: 1 - металлический стакан анода (обычно заземляется); 2 - бериллиевые окна для выхода рентгеновского излучения; 3 - термоэмиссионный катод; 4 - стеклянная колба; 5 - выводы катода, к которым подводится напряжение накала, а также высокое (относительно анода) напряжение; 6 - электростатическая система фокусировки электронов; 7 - анод; 8 - патрубки для подсоединения системы охлаждения.

 

Рентгеновские спектры

 

Рентгеновское излучение, появляющееся при бомбардировке анода пучком электронов, связано с двумя механизмами возникновения. Спектр рентгеновского излучения состоит из двух частей: непрерывного или тормозного, или белого, и линейчатого или характеристического.

Тормозной или непрерывный спектр образуется при торможении быстрых электронов в веществе анода. Кинетическая энергия летящих электронов передается атомам материала анода. Сплошной спектр рентгеновского излучения представляет собой результат усреднения по различным актам торможения каждого электрона и всех электронов в целом. Экспериментальным путем установлено, что интенсивность непрерывного спектра зависит от напряжения на рентгеновской трубке, анодного тока, атомного номера материала анода.

1). Непрерывный спектр имеет резкую коротковолновую границу. Коротковолновую границу легко объяснить, используя квантовомеханические представления. Кинетическая энергия летящего электрона mv²/2 определяется работой, равной eV, по перемещению электрона в электрическом поле. С другой стороны, эта энергия идет на образование энергии кванта:

При измерении напряжения на трубке V в киловольтах длину волны в ангстремах (Å) можно найти как

(Å).

Если при торможении электрона часть энергии идет на возбуждение различных процессов в веществе анода, то энергия кванта излучения будет меньше и, следовательно, длина волны больше. Так возникает совокупность различных длин волн в спектре.

2). С увеличением напряжения, приложенного к аноду трубки, весь спектр смещается в сторону коротких длин волн.

3). С увеличением напряжения, приложенного к трубке, возрастает интегральная интенсивность излучения.

Другое – характеристическое излучение – возникает, когда напряжение на трубке превышает определенное значение V₀, зависящее от материала анода. V₀ называется потенциалом возбуждения. Его значение связано с наименьшей длиной волны данной серии λ₀: . В этом случае ускоренные в трубке электроны могут выбить электрон с близких к ядру электронных орбит атомов анода. Образование электронной вакансии переводит атом в возбужденное состояние со временем жизни около 10^-8 с. При переходе атома в невозбужденное состояние путем самопроизвольного заполнения вакансии электроном с более далекого от ядра уровня избыток энергии выделяется в виде кванта рентгеновского излучения. Энергия испускаемого кванта равна разности энергий электрона на внешнем и вакантном уровнях.

Схема возникновения характеристического излучения приведена на рисунке 2.

Рис. 2. Схема возникновения характеристического спектра рентгеновских лучей (модель Бора, радиусы орбит даны не в масштабе).

 

Распределение интенсивности сплошного (тормозного) спектра по длинам волн и линии характеристического спектра молибденового анода показаны на рисунке 3.

 

 

Рис. 3. Непрерывный спектр тормозного излучения и линии K серии характеристического спектра для молибденового (Мо) анода.

 

На фоне сплошного спектра тормозного излучения данного анода линии характеристического будут присутствовать при всех напряжениях V > V₀ (рис. 3). Повышение напряжения на трубке увеличивает интенсивность и сплошного, и характеристического излучений, но длины волн характеристических максимумов и соотношение их интенсивностей остаются неизменными.

Наиболее интенсивными линиями характеристического спектра являются линии K серии: К_a1, К_a2 и К_b1, К_b2 (длины волн l_a и l_b). Причем отношение интенсивностей этих линий для всех элементов примерно одинаково и приблизительно равно I_α1: I_α2: I_β1: I_β2 = 100: 50: 20: 4.

На рисунке 4 показана схема электронных переходов, ответственных за испускание a и b рентгеновского излучения К серии характеристического спектра.

Рис. 4. Схема электронных переходов, ответственных за испускание линий К серии характеристического спектра.

 

Абсолютная интенсивность (I) характеристических максимумов определяется величиной тока (i), проходящего через трубку, и разностью между рабочим напряжением на трубке (V) и потенциалом возбуждения (V₀).

Эмпирически установлено, что для лучей К серии интенсивность определяется уравнением:

 

I = c × i × (V - V₀)^m

 

где c – коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора единиц измерения; показатель степени m = (1.6 ¸ 2).