Гальмівне рентгенівське випромінювання

Розглянемо одержання рентгенівського випромінювання за допомогою рентгенівської трубки.Рентгенівська трубка складається з 3-х основних частин:

1) скляного або металевого балона, з якого викачано повітря до тиску 10^-7 мм.рт.ст.;

2) катода, який є джерелом електронів (К);

3) анода (А), котрий часто називають антикатодом. Поверхня анода зрізана під кутом 45⁰ до горизонтальної осі для того, щоб направити рентгенівське випромінювання під кутом до осі трубки.

Анод виготовляється із матеріалу із високою теплопровідністю для відведення теплоти, яка утворюється при співударі електронів з поверхнею анода. Поверхня анода покривається тугоплавким матеріалом з великим порядковим номером атома в таблиці Мендєлєєва. В окремих випадках анод охолоджується водою або маслом.

Між анодом і катодом прикладається висока напруга для створення електричного поля, яке надає електрону кінетичної енергії, величина якої рівна:

EK=e·U

(2)

Електрон, який летить від катода до анода в трубці, є джерелом магнітного поля, індукція якого зростає в міру збільшення швидкості електронів. Коли електрон досягає поверхні аноду, він різко гальмується, при цьому, згідно теорії Максвелла, виникає електромагнітний імпульс, який можна представити як сукупність електромагнітних хвиль, довжини яких утворюють неперервний ряд величин. Більша частина електронів (96-98 %) втрачає свою енергію поступово в результаті багатьох співударів, і ця енергія переходить в тепло. Біля 2-4 % електронів втрачають свою енергію повністю в результаті одинарних зіткнень з атомами анода, і ця енергія переходить в електромагнітне випромінювання.

Нехай вся кінетична енергія електрона перетворюється в енергію фотона, тобто:

,, тоді, звідки

(3)

Враховуючи значення постійної Планка, швидкості світла і заряду електрона в системі СІ, одержуємо:

(4)

Де _min – мінімальна довжина рентгенівського випромінювання при даному U.

Спектр гальмівного рентгенівського випромінювання є суцільним і залежить від прикладеної напруги між катодом і анодом (рис.2). На рисунку представлені залежності потоку рентгенівського випромінювання від довжини хвилі  (спектр випромінювання) при різних напругах в рентгенівській трубці U₁< U₂< U₃ . В кожному із спектрів _min визначається по формулі 4.

Величина потоку енергії Ф рентгенівського випромінювання визначається напругою U між катодом і анодом, силою струму в трубці, тобто кількістю електронів, які приймають участь в утворені рентгенівського випромінювання, порядковим номером Z атома речовини аноду, на якому відбувається гальмування:

(5)

де К – коефіцієнт пропорційності, що дорівнює 10^-9 Вт/В²А.

Отже, загальний потік (потужність) випромінювання розподіл енергії за довжинами хвиль залежить в основному від U, I, Z. Короткохвильове рентгенівське випромінювання характеризується більшою проникною здатністю і називається жорстким, а довгохвильове м’ягким.

Потужність випромінювання регулюється за допомогою сили анодного струму в трубці, якщо потрібно залишити те саме випромінювання за жорсткістю. Жорсткість рентгенівського випромінювання регулюється зміною високої напруги між анодом і катодом.

Проаналізуємо криві, зображені на рис.2, на його основі можна зробити наступні висновки:

1) чим більша напруга U, тим сильніше виражений мах кривої, а сама крива зсувається в область коротких хвиль, хвилі стають більш жорсткими. Розрізняють жорстке і м’яке випромінювання. Жорстке випромінювання – це випромінювання з довжиною хвилінм і м’ягке з довжиною хвилі 0,01нм.

2) Довжина рентгенівської хвилі, на яку припадає максимум енергії випромінювання, зв’язана з мінімальною довжиною рентгенівської хвилі для даної високої напруги U наступною залежністю:

(6)

3) характер суцільного спектру гальмівного рентгенівського випромінювання залежить від матеріалу анода.