АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

Рентгеновская трубка

Прочитайте:
  1. R ТРУБКА.
  2. Компьютерная рентгеновская и магнитно-резонансная томография.
  3. Пищеварительная трубка
  4. Рентгеновская трубка.
  5. Средства, действующие в конечной части дистальных канальцев и собирательных трубках (калийсберегающие диуретики)

Источники возбуждения рентгеновских спектров.

Наиболее распространенными источниками возбуждения рентгеновских спектров является рентгеновская трубка. Конструкции трубок разнообразны, но принцип действия один и тот же.

Для получения первичного (эмиссионного) спектра используется трубка разборная рентгеновская трубка.

Для получения вторичного (флуоресцентного) спектра применяется не разборная рентгеновская трубка.

Рентгеновская трубка (Рис.1) представляет собой вакуумированный сосуд, внутри которого расположены:

Рисунок 1 1 - плоский (в виде столика) массивный металлический анод, 2 - тонкая вольфрамовая или платиновая спираль, выполняющая роль катода, 3 - выходное окно, чаще всего это тонкая бериллиевая (4Be) пластинка. 4 - низковольтный источник питания (НИП – 3-6В) 5 - высоковольтный источник питания (ВИП – 20-60кВ)
Рисунок 2 От источника тока (4) на катод подается невысокое напряжение, благодаря которому катод раскаляется и испускает электроны (термоэлектронная эмиссия). Между катодом и анодом с помощью высоковольтного источника постоянного тока (5) создается разность потенциалов, которая ускоряет электроны, вышедшие с поверхности катода.  
Екин.- кинетическая энергия электрона: m – масса электрона; V – скорость движения электрона; e – заряд электрона: U – ускоряющее напряжение [кВ]

 

Если спектрометр предназначен для получения первичных спектров (РЭСА и ЭЗ), то в качестве источника возбуждения используют разборную рентгеновскую трубку.

Пробу устанавливают на аноде, изготовленном из меди или алюминия, трубку собирают и откачивают из нее воздух. От источника постоянного тока 5 на катод-анод подают высокое напряжение, благодаря которому электроны приобретают кинетическую энергию достаточную для выбивания внутренних электронов из атомов анализируемой пробы.

Напряжение, необходимое для сообщения электрону энергии, достаточной для отрыва электрона из соответствующего слоя атома определяемого элемента называется потенциалом возбуждения данного элемента (U0).

Например:

Чтобы возбудить К- серию линий молибдена надо на трубку подать напряжение U ³ 20 кВ. (Иначе говоря - потенциал возбуждения К- серии молибдена -20кВ.)

А потенциал возбуждения К- серии меди U0 = 8,86 кВ. В зависимости от состава пробы и аналитической задачи на трубку следует подавать то или иное напряжение, в соответствии с потенциалами возбуждения определяемых элементов.

Ускоренные электроны устремляются к аноду и бомбардируют пробу возбуждая в ней рентгеновское излучение, которое через окно выходит из трубки.

Первичное рентгеновское излучение состоит из: характеристического линейчатого спектра элементов пробы (1) и тормозного спектра (2), который возникает вследствие торможения электронов в поле ядер атомов пробы и анода.

Рисунок 3.

Рисунок 4.

Тормозной спектр создает фон, который затрудняет расшифровку спектра и повышает предел обнаружения элементов в РЭСА, так как слабые характеристические линии элементов (при малой их концентрации) могут ”утонуть“ в этом фоне.

РЭСА в настоящее время имеет ограниченное применение для обычного качественного и количественного анализа объектов окружающей среды. В основном этот метод используется для локального анализа электронно-зондового метода (ЭЗ).

 

Для получения рентгено-флуоресцентных спектров используют неразборные рентгеновские трубки. Анод в них должен быть выполнен из какого-либо тяжелого металла. Чаще всего - из молибдена, серебра или вольфрама. Анализируемая проба устанавливается вне трубки за выходным окном.

Вышедшие с раскаленного катода электроны, ускоряются высоким напряжением и бомбардируют анод. Напряжение на трубке должно быть не меньше потенциала возбуждения К- спектра элемента, из которого сделан анод. В этом случае возникает первичное рентгеновское излучения материала анода. Пройдя через прозрачное окно в трубке, это излучение попадает на пробу и возбуждает в ней вторичное рентгеновское излучение, т.е. излучение атомов пробы.

Рентгеновские трубки испускают непрерывное рентгеновское излучение (тор­мозное излучение) и характеристические рентгеновские линии материала анода.

Взаимодействие электронов с атомами анода вызывает образование непре­рывного и характеристического рентгеновского излучения. Непрерывное из­лучение есть результат тормозящих соударений между электронами и атома­ми мишени. При каждом соударении электрон тормозится, при этом утрачен­ная кинетическая энергия испускается в виде рентгеновского фотона. Толь­ко за одно соударение электрон может потерять любую энергию от нуля до его собственной энергии, что приводит к непрерывному спектру вплоть до энергии, соответствующей ускоряющему напряжению.

Например,

если труб­ка работает при ускоряющем напряжении U = 45 кВ, то Еmax = 45 кэВ или l0 = 12,4/U = 0,28Ǻ.

Это соотношение между коротковолновым преде­лом и приложенным потенциалом трубки носит название закона Дуэйна— Хаита. Непрерывное или белое излучение называют также «Bremsstrahlung» (немецкое слово, буквально означающее тормозное излучение).

Рисунок 5.

Тормозной спектр (континуум) достигает мак­симума при ~ l,5 l0 (или при 2/3 Еmах).

Общая интенсивность континуума растет с ростом атомного номера анода (Z) и линейно зависит от величины то­ка трубки (i). Толщина бериллиевого окна влияет на низкоэнергетическую часть спектра.

Правильный выбор материала анода и рабочего напряжения позволя­ет оптимально возбуждать определенный набор элементов с помощью непре­рывного излучения, а также с помощью характеристических линий трубки.

Для возбуждения элементов с большим Z следует использовать большое уско­ряющее напряжение (U).

Сталкиваю­щийся электрон может также за счет процесса, подобного фотоэлектронно­му эффекту, создавать вакансии в атомах. Для этого электрон должен иметь энергию больше, чем энергия связи орбитального электрона.

Заполнение этих вакансий приводит к испусканию анодом характеристического рентгеновского излучения, рассмотренного в предыдущем разделе.

Форма континуума (тормозного спектра) зависит главным образом от величины приложенного высокого напряжения. На рис. 6 показан спектр рентгеновской трубки с ро­диевым анодом, работающей при 45 кВ.

 

Рисунок 6

Рентгеновский спектр трубки с родиевым анодом, работающей при 45 кВ, указаны интенсивности линий Rh Ka, La и Lb.

 

Эффективность рентгеновской трубки весьма низка; только 1% потребля­емой мощности превращается в рентгеновское излучение, оставшаяся часть рассеивается в виде тепла.

В РФ- спектрометрах с волновой дисперсией используют трубки с входной мощностью 3 кВт (например, 100 мА при 30 кВ). Такая высокая мощ­ность требует водяного охлаждения анода, чтобы избежать его плавления.

Системы РФ- спектрометрах с энергетической дисперсией имеют лучшую геометрическую эффективность и могут работать при низких интенсивностях (скоростях счета), так что часто используют маломощные (~ 30 Вт или 1мА при 30 кВ) рентгеновские трубки с воздушным охлаждением.

РФ-спектрометрах Спектроскан используют маломощные рентгеновские трубки с воздушным охлаждением – мощностью 4 Вт.

Для количественных измерений источники напряжения нагрева спирали и высокого напряжения должны быть очень ста­бильными, потому что любые изменения напряжения или тока будут менять интенсивность излучения трубки и, тем самым, интенсивность флуоресценции пробы.

Возбудить ту или иную серию линий данного элемента могут только такие рентгеновские кванты, энергия которых больше энергии связи электронов данного слоя с ядром (энергии данного рентгеновского уровня).

Максимальная длина волны, соответствующая минимальной энергии, необходимой для удаления электрона из i-того слоя данного элемента называется I- краем поглощения этого элемента

Например:

К- край поглощения молибдена – 618 мÅ, меди - 1377 мÅ, калия - 3430 мÅ, алюминия - 7935 мÅ.

Длина волны первичных рентгеновских квантов (идущих из трубки) должна быть короче края поглощения определяемых элементов.

Если анод выполнен из вольфрама, то энергия первичных квантов оказывается достаточной для возбуждения К- серии линий тех элементов, порядковый номер которых меньше порядкового номера вольфрама. Для элементов с большим порядковым номером возможно возбуждение лишь L- серии.

Рентгенофлуоресцентные спектры не содержат тормозного спектра. Однако и в флуоресцентном спектре возможен фон, обусловленный рассеянием фотонов в образце.

Рассеяние - изменение направления фотона в результате столкновения его с электроном внутри атома. Возможны два вида рассеяния:

Энергия фотона меньше энергии, необходимой для отрыва электрона - рассеяние упругое, в РСА его называют когерентным.

Энергия фотона больше энергии нужной для отрыва электрона. В этом случае энергия фотона расходуется на отрыв электрона и сообщения ему некоторой кинетической энергии. Фотон при этом теряет часть своей энергии и отлетает от атома с большей длиной волны. Такое рассеяние называют некогерентным.


Дата добавления: 2015-09-03 | Просмотры: 1510 | Нарушение авторских прав







При использовании материала ссылка на сайт medlec.org обязательна! (0.007 сек.)