Рентгеновское излучение

Если частица перемещается с большой скоростью и получает извне некоторое количество энергии, то скорость её движения увеличится на определённую величину. Если же вследствие торможения скорость частицы будет уменьшаться - избыток её энергии будет излучаться. При поглощении атомом поступающей извне энергии, атом приобретает возбуждённое состояние. Возвращение атома из возбуждённого состояния в нормальное или менее возбуждённое происходит вследствие уменьшения полученной энергии за счёт испускания в виде квантов электромагнитного излучения (фотонов). Этот процесс заключается в переходе электронов с внешних оболочек атома на внутренние, из которых выбиты электроны при бомбардировке атома заряженными частицами. При этом заряженные частицы, проходя через поле атома или ядра, тормозятся, теряют свою первоначальную скорость и энергию - образуется электромагнитное (фотонное) излучение. Электромагнитное излучение (фотонное) с непрерывным спектром, получаемое при торможении свободных электронов в электростатическом поле атомных ядер, называют тормозным излучением. Электромагнитное излучение (фотонное) с дискретным спектром, возникающее при изменении энергетического состояния атома называется характеристическим излучением. Рентгеновским излучением называется совокупность характеристического и тормозного излучений.

В качестве генератора рентгеновского излучения используют рентгеновскую трубку, состоящую из вакуумного баллона с двумя металлическими электродами катодом 4 и анодом 2.

Катод представляет собой вольфрамовую спираль и служит для получения свободных электронов.

Анод представляет собой вольфрамовую пластину в полой медной трубке, где циркулирует вода, воздух или масло для охлаждения анода.

В рабочем режиме на катод подается напряжение накала 5-12 В, а на анод относительно катода положительное анодное напряжение до 300-400 кВ. При подаче напряжения накала, катод нагревается до t° 2200-3200°C и излучает свободные электроны 3. При подаче на анод высокого напряжения электроны, направленно перемещаясь в сторону анода, приобретают энергию движения прямо пропорциональную анодному напряжению.

Электроны, долетая до анода, тормозятся или останавливаются и их энергия превращается в тепло и электромагнитные колебания высокой частоты, т.е. в рентгеновское излучение 7.

При переходе преграды б) рентгеновскими лучами их интенсивность снижается по мере увеличения толщины преграды при наличии плотных включений 6. Наличие пустот 5 равноценно уменьшению толщины преграды. На рисунке в) показана эпюра интенсивности рентгеновского излучения за преградой.

Энергия этого излучения зависит от величины анодного напряжения. Для регулирования энергии и частоты рентген излучения можно изменять напряжение на аноде.

КПД (трубки) = 1-3%, т.е. из 100 электронов, бомбардирующих анод, не более 3-х преобразуют свою энергию в рентгеновское излучение, а энергия остальных 97 уходит на нагрев анода.

Различают тормозное и характеристическое рентген излучение. Если напряжение на аноде до 400 кВ, то присутствует только тормозное излучение. Если же напряжение на аноде более 400 кВ начинает проявляться характеристическое излучение.

Характеристическое излучение появляется, если электроны бомбардирую анод, возбуждают атомы вольфрама, т.е. повышая их энергию. После чего эти атомы начинают излучать рентгеновские вспышки.

На практике используется только тормозное излучение, поскольку им можно управлять. Площадь анода, которая бомбардируется электронами и дает рентгеновское излучение называется фокусным пятном (размер фокусного пятна – это размер источника излучения).

Форма пучка излучения зависит от конструкции анода. Если анод в виде наклонной пластины, то получаем направленный пучок пирамидальной или конической формы. А если анод в виде конуса, то пучок получается кольцевым (панорамным).

Примечание: Энергией излучения называется способность излучения совершать работу. В системе Си измеряется в Дж на практике в эВ:

1. 1 Дж = 6,3 · 10¹⁸ эВ;
2. 1 эВ = 1,6 · 10^-19 Дж.

Кванты рентгеновского излучения обладают свойствами частиц (фотоэффект, рассеяние) и волновыми свойствами (преломление, интерференция, дифракция). Длинна волны λ любого электромагнитного излучения - рентгеновского, γ-излучения, видимого света, инфракрасного, радиоволнового, ультрафиолетового, космического связана с частотой f соотношением

λ = c / f,

где c - скорость света (c = 2,998⋅10⁸ м · c^-1). Чем меньше длинна излучения волны, тем больше его энергия, жёстче излучение, а, следовательно, проникающая способность.

Для получения рентгеновского излучения с энергией до 30 МэВ используются бетатроны.

Бетатрон, индукционный ускоритель электронов, состоит из ускорительной камеры 1, электромагнита 3, блоков питания 2, 6 и пульта управления 5. В один из патрубков бетатронной камеры встроен инжектор 7 (электронная пушка). Кольцевая стеклянная вакуумная бетатронная камера расположена между полюсами электромагнита и подобно рентгеновской трубке является источником тормозного излучения.

Электромагнит предназначен для индуцирования в вакуумной камере электрического поля, необходимого для ускорения и управления движением электронов. Катушки электромагнита 4 питаются переменным током. Возникающий синусоидально изменяющийся магнитный поток индуцирует в камере вихревое электрическое поле. Под действием этого поля электроны, введённые инжектором в камеру, движутся с ускорением по окружности. За каждый оборот электроны получают относительно небольшое приращение энергии, что объясняется малой напряжённостью электрического поля; но совершив большое число оборотов, они ускоряются до энергии нескольких десятков МэВ. Ускоренные электроны смещаются с равновесной орбиты и направляются на анод 9 из платины или вольфрама. В результате торможения электронов возникает тормозное излучение 8.

Фокусное пятно бетатрона имеет очень маленькие размеры (0,1 - 0,01 мм²). Из него выходит интенсивный и узкий пучок излучения с углом раствора 5 - 6°, что обеспечивает высокую резкость снимков и соответственно высокую чувствительность методов просвечивания. В настоящее время используются стационарные, подвижные и переносные бетатроны, причём масса электромагнита переносных бетатронов составляет 23 кг, а энергия излучения Е = 3 МэВ, при 100 кг Е = 6 МэВ.

В последние годы получили широкое применение линейные ускорители.

Изолированный металлический полушар 2 заряжается от быстродвижущейся ленты 1, на которую подаётся заряд. Электроны, вылетающие из катода 3, ускоряются в стеклянной вакуумной трубке 4 за счёт высокого напряжения между полушаром и нижней точкой ускорителя. В результате торможения на мишени (аноде) 5 генерируется тормозное излучение. Линейный ускоритель с бегущей волной состоит из модулятора (источника импульсного напряжения), высокочастотного генератора электромагнитных волн, волновода и инжекторов электрона с трубкой. Бегущая от генератора электромагнитная волна при подаче на него от модулятора импульса напряжения захватывает электроны. В волноводе бегущая волна ускоряется, а вместе с ней ускоряются электроны. Ускоренные частицы, попадая на анод, возбуждают тормозное излучение. Малогабаритные ускорители характеризуются энергией до 10 МэВ.

Рентгеновское излучение и излучения, сопровождающие радиоактивный распад изотопов, вызывают ионизацию среды, поэтому их называют ещё ионизирующими излучениями.