Типы рентгеновский аппаратов и их составные части, механизм образования рентгеновского (белого) излучения

     Рис. 8. Рентгенодиагностическая трубка с вращающимся анодом (а — общий  вид, б — образование излучения): 1 — колба; 2 — анодная горловина; 3 — вращающийся диск анода; 4 —  фокусное пятно анода; 5 — спираль  накала катода; 6 — фокусирующая система  катода; 7 — поток электронов; 8 —  поток рентгеновских квантов; 9 —  видимый размер фокуса со стороны  рабочего пучка; 10 — рабочий пучок  излучения; α — угол наклона анода к оси рабочего пучка излучения. 

     Рис. 10. Комплекс столов и штативов для  ангиографии.

Рис. 3б). Разборный  полевой рентгеновский аппарат  «РУМ-24». Развернут для обследования больного в горизонтальном положении: 1 — моноблок с рентгеновской  трубкой; 2 — опорная стенка поворотного  стола-штатива; 3 — экраноснимочное  устройство; 4 — колонна с кареткой; 5 — переносный пульт управления; 6 — основание стола-штатива; 7 —  носилки; 8 — трехлопастный подэкранный  фартук 
 
 
 

3. Получение рентгеновского излучения

    Рентгеновское излучение возникает при взаимодействии электронов, движущихся с большими скоростями, с веществом. Когда электроны  соударяются с атомами какого-либо вещества, они быстро теряют свою кинетическую энергию. При этом большая ее часть  переходит в тепло, а небольшая  доля, обычно менее 1%, преобразуется  в энергию рентгеновского излучения. Эта энергия высвобождается в  форме квантов – частиц, называемых фотонами, которые обладают энергией, но масса покоя которых равна  нулю. Рентгеновские фотоны различаются  своей энергией, обратно пропорциональной их длине волны. При обычном способе  получения рентгеновского излучения  получают широкий диапазон длин волн, который называют рентгеновским  спектром. В спектре присутствуют ярко выраженные компоненты, как это  показано на рис. 1.

    Рис. 1. ОБЫЧНЫЙ РЕНТГЕНОВСКИЙ СПЕКТР состоит из непрерывного спектра (континуума) и характеристических линий (острые пики). Линии К\ia и К\ib возникают  вследствие взаимодействий ускоренных электронов с электронами внутренней К-оболочки.

    Широкий «континуум» называют непрерывным  спектром или белым излучением. Налагающиеся на него острые пики называются характеристическими  рентгеновскими линиями испускания. Хотя весь спектр есть результат столкновений электронов с веществом, механизмы  возникновения его широкой части  и линий разные. Вещество состоит  из большого числа атомов, каждый из которых имеет ядро, окруженное электронными оболочками, причем каждый электрон в  оболочке атома данного элемента занимает некоторый дискретный уровень  энергии. Обычно эти оболочки, или  энергетические уровни, обозначают символами K, L, M и т.д., начиная от ближайшей  к ядру оболочки. Когда налетающий электрон, обладающий достаточно большой  энергией, соударяется с одним  из связанных с атомом электронов, он выбивает этот электрон с его  оболочки. Опустевшее место занимает другой электрон с оболочки, которой  соответствует большая энергия. Этот последний отдает избыток энергии, испуская рентгеновский фотон. Поскольку  электроны оболочек имеют дискретные значения энергии, возникающие рентгеновские  фотоны тоже обладают дискретным спектром. Этому соответствуют острые пики для определенных длин волн, конкретные значения которых зависят от элемента-мишени. Характеристические линии образуют K-, L- и M-серии, в зависимости от того, с какой оболочки (K, L или M) был  удален электрон. Соотношение между  длиной волны рентгеновского излучения  и атомным номером называется законом Мозли (рис. 2).

    Рис. 2. ДЛИНА ВОЛНЫ ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКОГО  РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, испускаемого химическими элементами, зависит  от атомного номера элемента. Кривая соответствует  закону Мозли: чем больше атомный  номер элемента, тем меньше длина  волны характеристической линии.

    Если  электрон наталкивается на относительно тяжелое ядро, то он тормозится, а  его кинетическая энергия выделяется в виде рентгеновского фотона примерно той же энергии. Если же он пролетит мимо ядра, то потеряет лишь часть своей  энергии, а остальную будет передавать попадающимся на его пути другим атомам. Каждый акт потери энергии ведет  к излучению фотона с какой-то энергией. Возникает непрерывный  рентгеновский спектр, верхняя граница  которого соответствует энергии  самого быстрого электрона. Таков механизм образования непрерывного спектра, а максимальная энергия (или минимальная  длина волны), фиксирующая границу  непрерывного спектра, пропорциональна  ускоряющему напряжению, которым  определяется скорость налетающих электронов. Спектральные линии характеризуют  материал бомбардируемой мишени, а  непрерывный спектр определяется энергией электронного пучка и практически  не зависит от материала мишени.

    Рентгеновское излучение можно получать не только электронной бомбардировкой, но и  облучением мишени рентгеновским же излучением от другого источника. В  этом случае, однако, б льшая часть энергии падающего пучка переходит в характеристический рентгеновский спектр и очень малая ее доля приходится на непрерывный. Очевидно, что пучок падающего рентгеновского излучения должен содержать фотоны, энергия которых достаточна для возбуждения характеристических линий бомбардируемого элемента. Высокий процент энергии, приходящейся на характеристический спектр, делает такой способ возбуждения рентгеновского излучения удобным для научных исследований.

    Рентгеновские трубки. Чтобы получать рентгеновское  излучение за счет взаимодействия электронов с веществом, нужно иметь источник электронов, средства их ускорения  до больших скоростей и мишень, способную выдерживать электронную  бомбардировку и давать рентгеновское  излучение нужной интенсивности. Устройство, в котором все это есть, называется рентгеновской трубкой. Ранние исследователи  пользовались «глубоко вакуумированными»  трубками типа современных газоразрядных. Вакуум в них был не очень высоким.

    В газоразрядных трубках содержится небольшое количество газа, и когда  на электроды трубки подается большая  разность потенциалов, атомы газа превращаются в положительные и отрицательные  ионы. Положительные движутся к отрицательному электроду (катоду) и, падая на него, выбивают из него электроны, а они, в  свою очередь, движутся к положительному электроду (аноду) и, бомбардируя его, создают поток рентгеновских  фотонов.

    В современной рентгеновской трубке, разработанной Кулиджем (рис. 3), источником электронов является вольфрамовый катод, нагреваемый до высокой температуры. Электроны ускоряются до больших  скоростей высокой разностью  потенциалов между анодом (или  антикатодом) и катодом. Поскольку  электроны должны достичь анода  без столкновений с атомами, необходим очень высокий вакуум, для чего нужно хорошо откачать трубку. Этим также снижаются вероятность ионизации оставшихся атомов газа и обусловленные ею побочные токи.

    Рис. 3. РЕНТГЕНОВСКАЯ ТРУБКА КУЛИДЖА. При  бомбардировке электронами вольфрамовой антикатод испускает характеристическое рентгеновское излучение. Поперечное сечение рентгеновского пучка меньше реально облучаемой площади. 1 –  электронный пучок; 2 – катод с  фокусирующим электродом; 3 – стеклянная оболочка (трубка); 4 – вольфрамовая мишень (антикатод); 5 – нить накала катода; 6 – реально облучаемая площадь; 7 – эффективное фокальное пятно; 8 – медный анод; 9 – окно; 10 – рассеянное рентгеновское излучение.

    Электроны фокусируются на аноде с помощью  электрода особой формы, окружающего  катод. Этот электрод называется фокусирующим и вместе с катодом образует «электронный прожектор» трубки. Подвергаемый электронной  бомбардировке анод должен быть изготовлен из тугоплавкого материала, поскольку  бульшая часть кинетической энергии  бомбардирующих электронов превращается в тепло. Кроме того, желательно, чтобы анод был из материала с  большим атомным номером, т.к. выход  рентгеновского излучения растет с  увеличением атомного номера. В качестве материала анода чаще всего выбирается вольфрам, атомный номер которого равен 74.

    Конструкция рентгеновских трубок может быть разной в зависимости от условий  применения и предъявляемых требований.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4. Заключение

    Таким образом, рентгеновские лучи представляют собой невидимое электромагнитное излучение с длиной волны 10⁵ – 10² нм. Рентгеновские лучи могут проникать через некоторые непрозрачные для видимого света материалы. Испускаются они при торможении быстрых электронов в веществе (непрерывный спектр) и при переходах электронов с внешних электронных оболочек атома на внутренние (линейчастый спектр). Источниками рентгеновского излучения являются: рентгеновская трубка, некоторые радиоактивные изотопы, ускорители и накопители электронов (синхротронное излучение). Приемники – фотопленка, люминисцентные экраны, детекторы ядерных излучений. Рентгеновские лучи применяют в рентгеноструктурном анализе, медицине, дефектоскопии, рентгеновском спектральном анализе и т. п.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

5. Список  литературы

1. Кудрявцев П.С. История физики. – М., 1956.
2. Кудрявцев П.С.  Курс физики – М.: Просвещение, 1974.
3. Рукман Г.И. , Клименко И.С. Электронная микроскопия. – М.: Знание, 1968.
4. Савельев И.В. Курс физики. – М.: Наука, 1989.
5. Храмов Ю. А. Физика. – М.: Наука, 1983.
6. http://www.krugosvet.ru/