1.3.Рентгеновские трубки.

Основными элементами рентгеновской трубки являются (рис.3.3) катод и анод (несущий мишень, либо сам выполняющий функции мишени) размещенные в вакуумно-плотной стеклянной колбе. Возбуждение рентгеновского излучения в рентгеновской трубке осуществляется в результате бомбардировки мишени потоком ускоренных электронов.

Рис. 3.3. Схема основных узлов рентгеновской трубки.

Эмитированные с катода электроны ускоренные высокой разностью потенциалов при ударе о мишень резко тормозятся. При торможении кинетическая энергия электронов расходуется на возбуждение рентгеновского излучения, и выделяется в виде тепла, которое отводится от анода с помощью системы охлаждения. Участок поверхности мишени, на котором тормозятся электроны, называется фокусным пятном, которое является одним из важнейших параметров рентгеновской трубки.

При бомбардировке поверхности мишени электронами возникает два вида рентгеновского излучения: 1-тормозное и 2-характеристическое. При этом физические процессы, приводящие к генерированию этих излучений различны.

Тормозное излучение имеет непрерывный спектр, ограниченный со стороны коротких длин волн, состоит из множества колебаний, длины волн которых начинаются с 12,4/U и непрерывно простираются до (рис. 4.3,а). Его появление связано с изменением электромагнитного поля вокруг электронов тормозящихся в поле анода, когда они теряют часть своей энергии в виде электромагнитного излучения. Интенсивность тормозного излучения возрастает с увеличением кинетической энергии электронов (рис. 4.3,а), а её максимум смещается в область более коротких длин волн. При достижении критического значения кинетической энергии электронов, определяемой величиной ускоряющей разности потенциалов и материалом бомбардируемой мишени, на фоне непрерывного спектра появляются острые максимумы (рис. 4.3,б). При дальнейшем повышении ускоряющего напряжения интенсивность максимумов хотя и возрастает, но длины волн и соответствующие этим максимумам не зависят от напряжения, а определяются только порядковым номером элемента материала мишени. Поскольку излучение с указанными длинами волн свойственно только непосредственно материалу мишени и характеризует его, поэтому его называют характеристическим излучением.

а б

Рис.4.3. Распределение интенсивности тормозного (а) и характеристического (б) рентгеновского излучения по длинам волн ( ) при различном ускоряющем напряжении на аноде трубке.

Механизм образования характеристического рентгеновского излучения связан с взаимодействием быстрых электронов с атомами материала мишени. При этом взаимодействии быстрые электроны, выбивают электроны с внутреннего уровня атомов на более высокий уровень или совсем из атомов, переводя их в возбужденное состояние. Переход от возбужденного состояния к стационарному связан с переходом электронов с верхних уровней атома на свободные внутренние, а возникающая при этом избыточная энергия удаляется из атомов в виде квантов характеристического рентгеновского излучения различных серий. Переходы электронов с уровней оболочек L, М, на уровень ближайшей к ядру К оболочки приводят к испусканию характеристического излучения К-серии. Соответственно при заполнении вакансий на уровнях L-оболочки (L₁-L₃) возникает излучение L-серии и т.д. В спектрах мишеней с большим атомным номером установлено пять серий характеристических линий: K, L, M, N, O Энергии линий каждой серии близки по величине. Однако энергии линий разных серий одного и того же элемента существенно различны. При переходе от К к О серии энергия характеристического излучения постепенно убывает. Наиболее коротковолновым излучением является излучение К серии, поэтому оно наиболее часто используется в практических целях.

Вероятность переходов между различными парами уровней энергии не одинакова. В связи с этим не одинакова и интенсивность характеристических линий. Она тем выше, чем больше вероятность соответствующего перехода. Например, в К серии с мишеней со средними и большими атомными номерами отчетливо наблюдаются четыре линии: , , , , перечисленные в порядке убывания их интенсивности; при этом отношение интенсивностей линий и для разных мишеней приблизительно постоянно и равно двум. Излучение каждой серии возникает при строго определенном значении ускоряющего напряжения, подаваемого на трубку, которое называют потенциалом возбуждения серии. В таблице 1.3 приведены значения длин волн трех наиболее ярких линий и значения потенциалов возбуждения К серии ряда элементов, используемых в качестве материала мишеней рентгеновских трубок.

Таблица 1.3