Природа и спектры рентгеновского излучения
Это особые лучи, названные впоследствии рентгеновскими лучами, были открыты в 1895 году немецким физиком В.К. Рентгеном. Рентгеновские лучи — электромагнитное излучение, как и световые лучи, радиоволны, γ-лучи. Рентгеновские лучи имеют двойственную природу, являясь одновременно волной и фотоном (частицей). Длина волны рентгеновских лучей λ находится в диапазоне 10-13—10-5 см (10-60-102 нм).
Рентгеновские лучи невидимы глазом, не воспринимаются органами чувств, но вызывают свечение некоторых веществ (например, ZnS), действуют на фотоэмульсию и вызывают ионизацию газов. Из этого следуют три способа регистрации излучения: визуальный (с помощью флуоресцирующего экрана), фотографический и ионизационный.
Рентгеновские лучи проходят сквозь тела, непрозрачные для видимого света. Ослабление излучения зависит от природы и плотности вещества и типа рентгеновских лучей. Рентгеновские лучи распространяются прямолинейно, не отклоняются ни в электрическом, ни в магнитном поле. Коэффициент преломления воздух — твердое тело (или жидкость) близок к единице. Из-за малой длины волны любая поверхность является шероховатой. Это обстоятельство в сочетании с проникающей способностью приводит к невозможности зеркального отражения рентгеновских лучей.
Источником рентгеновского излучения является рентгеновская трубка, которая представляет собой электровакуумный прибор, имеющий катод и охлаждаемый анод. Между катодом и анодом приложено поле высокого напряжения (обычно 25—60 кВ). Катод испускает электроны, число которых регулируется величиной тока накала. Рентгеновское излучение возникает при взаимодействии электронов с веществом анода трубки.
В зависимости от поставленной задачи регистрация рентгеновского излучения производится как фотографическим способом с использованием специальных рентгеновских камер различного типа, так и дифракционным с помощью счетчиков квантов рентгеновского излучения на дифрактометрах. Рентгеновский дифрактометр состоит из источника излучения, систем фокусировки луча и регулировки положения и ориентации образца, системы детекции и системы анализа.
Рентгеновское излучение неоднородно и может (как и световое) быть представлено спектром. Рентгеновские лучи имеют два типа спектра: сплошной (непрерывный) — с широкой непрерывной полосой длин волн и характеристический, (линейчатый), состоящий из отдельных линий с определенной длиной волны. Излучение со сплошным спектром называют белым, лучи с определенной длиной волны монохроматическими.
Рис. 2. Спектральные кривые: а — сплошной спектр; б — характеристический спектр на фоне сплошного (анод Мо)
Сплошной спектр возникает при торможении быстролетящих электронов на аноде. Под действием электрического поля электрон движется к аноду с возрастающей скоростью, при замедлении электрона на аноде возникает электромагнитный импульс. Электромагнитный импульс может быть представлен как сумма бесконечно большого числа налагающихся друг на друга электромагнитных волн, длины которых образуют непрерывный ряд величин от 0 до бесконечности. Поскольку длины волн образуют непрерывный ряд, излучение при торможении обладает непрерывным спектром и называется излучением торможения.
На рис. 2, а изображены спектральные кривые сплошного излучения рентгеновской трубки, работающей при различном напряжении. Со стороны коротких волн спектр имеет четкую границу λ0, которая с повышением напряжения на трубке сдвигается в сторону коротких волн. Граница спектра объясняется на основе квантовой механики и представляет собой предельный случай, когда вся кинетическая энергия электрона превращается в электромагнитное излучение. Следовательно, при
,
(5.2) где U — напряжение на трубке в киловольтах, а λ — длина волны в ангстремах.
В остальных случаях, когда имеется потеря части энергии на взаимодействие с веществом, возникает непрерывный спектр с меньшей величиной длины волны. Максимум на спектральной кривой соответствует
он изменяется при смене напряжения на трубке.
Общая мощность рентгеновского излучения со сплошным спектром зависит от порядкового номера элемента анода Z в периодической таблице Менделеева, силы тока и напряжения на трубке. Коэффициент полезного действия рентгеновской трубки выше при увеличении напряжения и порядкового номера элемента и составляет примерно 2 % для анода из вольфрама при напряжения 200 кВ.
Характеристический спектр возникает на фоне сплошного спектра при определенном напряжении на трубке. Минимальное значение потенциала, при котором это наблюдается, называется потенциалом возбуждения Uвозб. Обычно характеристический спектр состоит из нескольких линий и при дальнейшем повышении напряжения меняется интенсивность сплошного и характеристического излучения (рис. 2, б). Длины волн характеристических линий и соотношение их интенсивностей остаются неизменными.
Характеристические спектры состоят из нескольких серий линий, отличающихся интенсивностью и длиной волны. Серии обозначаются буквами К, L, М, N, О. Лучи К-серии — самые жесткие в рентгеновских спектрах всех элементов. Различные линии в серии обозначаются греческими буквами с числовыми индексами. L-серия содержит линии с большими, чем у К-серии, длинами волн. Спектры лучей различных элементов одинаковы по числу и взаимному расположению линий, но отличаются длинами волн. К-серия состоит обычно из двух линий Ка и двух линий Кβ. Длины волн основных линий серий для элементов приведены в справочниках.
Появление характеристического спектра можно объяснить, используя квантово-механические представления о строении атома, в котором электроны располагаются по оболочкам (уровням, группам) (рис. 3). Каждая группа характеризуется главным квантовым числом п и имеет определенное число электронов.
Если в атом влетает внешний электрон, он может выбить электрон из внутренних оболочек, т. е. перевести его на уровень, лежащий за пределами нормального атома (возбужденное состояние), или оторвать его от атома (ионизированное состояние). Такой атом с более высокой энергией неустойчив и он переходит в нормальное состояние разными путями. Если выбит К-электрон, то может осуществляться переход с L — или М-уровней. При переходе электрона с L-орбиты возникает Кα линия, с М-орбиты — Кβ. При возникновении вакансии на L-уровне возникает L-серия и т. д.
Рис. 3. Схема возникновения характеристического излучения
Спектральные линии не являются монохроматическими в строгом смысле слова, а имеют тонкую структуру. Например линия Ка представляет собой дублет α1—α2, так как на энергию электрона влияет не только главное квантовое число, но и азимутальное и спиновое числа. Теория строения атома позволяет определить не только длину волны спектральных линий, но и соотношение интенсивностей этих линий. Линия Кα в 5 раз интенсивнее линии Кβ.
Необходимо так подобрать напряжение на трубке, чтобы отношение интенсивностей линий К-серии и сплошного спектра, являющегося фоном, было наибольшим. Это удовлетворяется при U/Uвозб=(3,8-4).
Таким образом, состав сплошного спектра рентгеновской трубки зависит от приложенного напряжения (скорости движения свободных электронов) и не зависит от вещества анода. Состав характеристического излучения определяется веществом анода (атомного номера) и не зависит от величины приложенного высокого напряжения. Изменение рабочей длины волны возможно при смене анода трубки.
Для рентгеновских исследований используют оба типа спектров. Монохроматическое излучение обеспечивается фильтром (фольгой), или кристалл-монохроматором, обеспечивающим получение Кα-линии.
