Механизмы генерации рентгеновского излучения

По способу возбуждения рентгеновское излучение разделяют на характеристическое и тормозное.

Характеристическое излучениевозникает при переходах между энергетическими уровнями внутренних оболочек (K,L,M,…,) атомов с высокими порядковыми номерами.

Если под действием сильного внешнего воздействия (бомбардировка атомов вещества электронами с высокой кинетической энергией, частицами, излучением) с внутренней оболочки атома будет выбит один из электронов, то с более высоких уровней атома на место выбитого перейдет другой электрон. При этом будет испускаться фотон с энергией и частотой лежащей в диапазоне рентгеновского излучения.

Электрон может быть выбит с любого уровня. Следовательно, свободное место может образоваться на любом внутреннем уровне.

На этот уровень могут переходить электроны также с любого уровня, образуя серии переходов. Например, К- серия образуется при переходе электронов на уровень К с более высоких уровней, L - серия - на уровень L и т.д.

Характеристическое излучение имеет линейчатый спектр на фоне

сплошного. Для разных атомов эти спектрв однотипны, т.к. внутренние оболочки атомов одинаковы и отличаются лишь энергией.

Частота линий спектра характеристи-ческого излучения определяется законом Мозли

,

где - постоянная для данной линии, - зарядовое число атома химического элемента, с которым сталкиваются электроны. Из закона Мозли следует, что при увеличении линия сдвигается в сторону более коротких длин волн ( ).

Тормозное излучениевозникает при резком торможении электронов электрическим полем атомов вещества, через которое они пролетают.

Движущиеся электроны можно рассматривать как электрический ток. Этот ток образует вокруг себя магнитное поле. Электрическое поле, создаваемое электронами атома вещества, тормозит движущиеся к атому электроныю Это замедление движения можно рассматривать как переменный электрический ток. Магнитное поле, образующееся вокруг такого тока, является переменным. Согласно теории Максвелла вокруг переменного магнитного поля возникает вихревое электрическое поле, которое, в свою очередь, возбуждает в смежных точках пространства переменное магнитное поле и т.д. Образуется электромагнитная волна, т.е. излучается фотон, рентгеновского диапазона. Частота этого фотона зависит от начальной кинетической энергии летящих электронов и от интенсивности торможения. Т.к. эти условия для летящих электронов различны, то излучаются фотоны разных длин волн, и спектр тормозного излучения сплошной. Коротковолновое излучение, - коротковолновая граница, круто уменьшается и называется жестким излучением. Длинноволновое рентгеновское излучение плавно уменьшается с увеличением длины волны и называется мягким излучением. - длина волны, приходящаяся на максимум излучения.

Рентгеновская трубка

Рентгеновская трубка является устройством для возбуждения рентгеновского излучения.

Рентгеновская трубка представляет собой вакуумный баллон с несколькими электро-дами, соединенными с источ-ником высокого напряжения.

Катод представляет собой раскаленную нить и играет роль источника электронов, которые вылетают из него в результате термоэлектронной эмиссии. Управляющий электрод фокусирует пучок электронов , направляя его на анод . Именно на аноде возникает рентгеновское излучение. Анод изготавливается из хорошо теплопроводящих металлов. Поверхность анода покрывается тугоплавкими тяжелыми металлами . Поверхность анода скошена под углом для того, чтобы направлять рентгеновское излучение в нужном направлении. Для того, чтобы возникло рентгеновское излучение, электроны должны обладать высокой кинетической энергией. Поэтому для ускорения электронов применяется высокое напряжение, создаваемое между анодом и катодом. Только кинетической энергии электронов переходит в энергию излучения, так что почти вся энергия электронов расходуется на выделение тепла. Поэтому анод сильно нагревается, и поэтому в рентгеновской трубке создается охлаждение водой или маслом. Кроме того, анод вращается, чтобы электроны не выжигали какую-либо одну точку на поверхности анода.

При напряжениях в основном излучается тормозное излучение. При излучается характеристическое излучение.

Когда вся энергия электрона расходуется на создание одного фотона, то длина волны этого фотона будет равна . При этом энергия фотона равна

.

Кинетическая энергия электрона равна работе электри-ческого поля, созданного между катодом и анодом

где масса, заряд и скорость электрона, соответственно, напряжение между анодом и катодом.

Следовательно,

откуда