Способ получения рентгеновского излучения

Способ получения рентгеновского излучения

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра общей физики

Емельянов Денис Юрьевич

о курсовой работе

“Рентгенографическое исследование летучего соединения АТ8, калибровка дифрактометра и измерение постоянной Авогадро”

Молекулярный практикум, 1 курс, группа 0372

Преподаватель молекулярного практикума

Новосибирск, 2001 г

Аннотация. Представлены теоретические основы метода рентгеновской дифрактометрии для исследования поликристаллов. Рассмотрен принцип работы дифрактометра типа ДРОН- RM4 (ИНХ СО РАН), на котором производились измерения. Проведена калибровка дифрактометра, измерены межплоскостные расстояния в образце АТ8, полученном осаждением летучего координационного соединения. Во второй части работы измерена постоянная Авогадро. Получено значение N A =(6,021 ± 0,002) · 10 23 моль -1 , совпадающее в пределах погрешности с табличным значением. Работа относится к физике твердого тела.

Цель работы—описание строения кристаллической решетки неизвестного образца, калибровка дифрактометра и измерение постоянной Авогадро. Калибровка дифрактометра необходима для повышения точности измерений межплоскостных расстояний. По известным межплоскостным расстояниям можно описать кристаллическую решетку вещества, из которого изготовлен образец. Знание кристаллической структуры вещества позволяет его идентифицировать.

Теоретическая часть.

Получение рентгеновских лучей .

Источником рентгеновского излучения является рентгеновская трубка. Пучок электронов с катода разгоняется высоким напряжением и ударяется в анод. При этом большая часть энергии пучка расходуется на нагрев анода (который охлаждается проточной водой) и лишь 2% преобразуется в рентгеновское излучение, состоящее из непрерывного и линейчатого спектров. Линейчатый спектр определяется материалом анода, поэтому он получил название характеристического.

В зависимости от переданной атому энергии электрон переходит на более высокий уровень. Затем атом возвращается в прежнее состояние, при этом излучая квант определенной частоты. В зависимости от уровня возбуждения излучение разделяется на серии: K, L, M и т.д. Внутри каждой серии отдельные линии обозначаются греческими буквами. В рентгеновском дифракционном анализе используются линии К a , К b .

Рассмотрим две параллельные атомные плоскости АА и ВВ и падающий под углом q пучок рентгеновских лучей (см рис. 1). При этом атомы М, М 1 , М 2 становятся источниками вторичного излучения. Вообще, рассеяние рентгеновских лучей идет во все стороны, но волны, рассеянные атомами М и М 1 усиливают друг друга в направлении, образующем с направлении, образующем с атомной плоскостью угол q . То же происходит с волнами, рассеянными любыми атомами плоскости АА, т.е. эту плоскость можно рассматривать как плоское зеркало.

Волна, рассеянная атомом М 2 будет усиливаться только в том случае, если длина ломаной PM 2 Q , равная разности хода лучей LMN и L 1 M 2 N 2 , будет равна целому числу волн. Из геометрии, очевидно, что PM 2 =M 2 Q=d sin q . Отсюда можно получить условие для отражения волн от атомных плоскостей:

где n- целое неотрицательное число, l -длина волны рентгеновского излучения, d -межплоскостное расстояние.

Рис. 1. К выводу закона Вульфа-Брэггов.

Расходящийся пучок рентгеновского излучения исходит из фокуса рентгеновской трубки F (см. рис. 2), затем проходит через щели Соллера S1 , ограничивающие вертикальную расходимость и через систему щелей S2, S3 . После отражения от образца пучок проходит через щели Соллера S4, щель S5 и попадает в приемную (аналитическую) щель S6 , а затем через антирассеивающую щель S7 попадает на счетчик. Для сохранения фокусировки фокус рентгеновской трубки, ось образца и приемная щель должны в процессе съемки находиться на одной окружности переменного радиуса r =R/2sin q , где R —радиус гониометра.

Рис. 2. Схема дифрактометра.

Рентгенографическое исследование.

Получение образца.

Образец АТ8, полученный осаждением летучего координационного соединения, представлял собой тонкий ровный слой на кремниевой подложке размером

1 ´ 1 см. Эту подложку крепили при помощи пластилина на специальной кювете (см. рис. 3). Плоскость пластинки и верхней поверхности указанной кюветы совмещали с помощью стеклянной пластинки.

Предварительные эксперименты.

Измерение межплоскостных расстояний.

Эксперимент проводили на дифрактометре ДРОН-3М с фокусировкой по Брэггу-Брентано, радиус гониометра R=192 мм. Расходимость щелей Соллера—2,5 мм, ширина приемной щели—0,25 мм, фильтр— Ni , напряжение и ток на рентгеновской трубке—40 кВ и 22 мА, время интегрирования—0,5 с. Измерения угла 2 q проводили в интервале от 5 ° до 30 ° со скоростью 2 ° /мин.

В эксперименте, помимо фона, связанного с кремниевой подложкой, наблюдались 4 дифракционных пика. Результаты эксперимента представлены в таблице 1.

Результаты измерений образца АТ8 на приборе ДРОН-3М.

Источник

Рентгеновское излучение. Методы получения

Самым распространенным источником рентгеновского излучения является рентгеновская трубка, в которой сильно ускоренный электрическим полем электроны бомбардируют анод (металлическая мишень из тяжелых металлов, например W или Pt), испытывая на нем резкое торможение. При этом возникает рентгеновское излучение, представляющее собой электромагнитные волны с длиной волны примерно 10 -8 – 10 -12 м. Исследования спектрального состава рентгеновского излучения показали, что его спектр имеет сложную структуру. Он представляет собой наложение сплошного и линейчатого спектра – совокупности отдельных линий, появляющихся на фоне сплошного спектра. Характер сплошного спектра не зависит от материала анода, а определяется только энергий бомбардирующих анод электронов. Электрон пролетает мимо ядра и теряет лишь часть своей энергии, а остальную передает 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. Сплошной рентгеновский спектр еще называют тормозным спектром (рис. 1).

При больших энергиях бомбардирующие анод электроны преодолевают кулоновские силы отталкивания от наружных электронных оболочек атомов вещества анода и взаимодействуют с электронами, заполняющими внутренние оболочки. Происходит выбивание электрона, находящегося на внутренней оболочке. Этот процесс сопровождается, появлением на фоне сплошного спектра отдельных резких линий — линейчатого спектра. Он определяется материалом анода и называемый характеристическим рентгеновским спектром [11].

Рисунок 1 – Спектр рентгеновского излучения Mo и Cu.

В отличие от оптических спектров, вид которых зависит от характера химических связей между атомами вещества, характеристические рентгеновские спектры атомов не зависят от их «окружения». Для данного вида атомов они всегда одинаковы и состоят из нескольких серий, обозначаемых K, L, M, N и О. Каждая серия, в свою очередь, содержит небольшой набор отдельных линий, обозначаемых в порядке убывания длины волны индексами α, β, γ, … (K_α, K_β, K_γ, …, L_α). Атомы каждого химического элемента, независимо от того, находятся ли они в свободном состоянии или входят в химическое соединение, обладают определенным, присущим только данному элементу линейчатым спектром характеристического излучения.

Рассмотрим механизм возникновения рентгеновских серий (рис.2). Предположим, что под влиянием внешнего электрона или высокоэнергетического фотона вырывается один из двух электронов K-оболочки атома. Тогда на его место может прийти электрон с более удаленных от ядра оболочек L, M, N, … Такие переходы сопровождаются испусканием рентгеновских квантов и возникновением спектральных линий К-серии: K_α (L→K), K_β (M→K), K_γ (N→K) и т. д.

Рис.2. Механизм возникновения рентгеновских серий

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 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.

Подвергаемый электронной бомбардировке анод должен быть изготовлен из тугоплавкого материала, поскольку большая часть кинетической энергии бомбардирующих электронов превращается в тепло. Именно по этой причине, к аноду подводится система водяного (масляного) охлаждения. Кроме того, желательно, чтобы анод был из материала с большим атомным номером, т.к. выход рентгеновского излучения растет с увеличением атомного номера. В современных рентгеновских трубках анод чаще всего изготавливают из вольфрама. Но материал может быть разным в зависимости от условий применения и предъявляемых требований [13].

Значения длин волн характеристического рентгеновского излучения для различных типов рентгеновских трубок приведены в таблице 1

Читайте также: Cтруктуры внешней памяти, методы организации индексов II. Методы искусственной детоксикации организма II. Методы несанкционированного доступа. III. Методы манипуляции. IV. Традиционные методы среднего и краткосрочного финансирования. IX. Методы СТИС R Терапевтическая доза лазерного излучения и методы ее определения V. Способы и методы обеззараживания и/или обезвреживания медицинских отходов классов Б и В Административно-правовые методы государственного управления. Государственное регулирование. Административные и правовые методы управления. Принуждение как метод управления.

Анод Рентгеновской трубки	λ Кα, Å	λ Кα1, Å	λ Кα2, Å	λ Кβ, Å
Cr	2,29092	2,28620	2,29531	2,08480
Fe	1,93728	1,93527	1,93991	1,75653
Co	1,79021	1,78892	1,79728	1,62075
Ni	1,62912	1,65784	1,66169	1,50010
Cu	1,54178	1,54051	1,54433	1,39217
Mo	0,71069	0,70926	0,71354	0,63255
Ag	0,56083	0,55936	0,56378	0,49701

Рис. 3. Рентгеновская трубка Кулиджа.

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.

Классификация рентгеновских трубок производится по следующим признакам:

1. по способу получения пучка свободных электронов трубки делятся на электронные и ионные;

2. по способу создания и поддержания вакуума различают трубки запаянные и разборные;

3. по назначению выделяют трубки для просвечивания материалов и изделий, для структурного анализа, для медицинских целей;

4. по площади фокуса. Фокусом трубки называют площадку на аноде, на которую падают электроны и от которой испускаются рентгеновские лучи.

Рентгеновское излучение можно получать не только электронной бомбардировкой, но и облучением мишени рентгеновским же излучением от другого источника. В этом случае, однако, большая 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.

Дата добавления: 2014-10-31 ; просмотров: 41 ; Нарушение авторских прав

Источник

Способ получения рентгеновского излучения

Генератором рентгеновых лучей является рентгеновская трубка. Современная электронная трубка конструируется по единому принципу и имеет следующее устройство. Основой является стеклянная колба в виде шара или цилиндра, в концевые отделы которой впаяны электроды: анод и катод. В трубке создается вакуум, что способствует вылету электронов из катода и быстрейшему их перемещению.

Катод представляет собой спираль из вольфрамовой (тугоплавкой) нити, которая укрепляется на молибденовых стержнях и помещается в металлический колпак, направляющий поток электронов в виде узкого пучка в сторону анода.
Анод делается из меди (быстрее отдает тепло и сравнительно легко охлаждается), имеет массивные размеры. Конец, обращенный к катоду, косо срезается под углом 45—70°. В центральной части скошенного анода имеется вольфрамовая пластинка, на которой находится фокус анода — участок 10—15 мм2, где в основном и образуются рентгеновы лучи.

Процесс образования рентгеновых лучей. Нить накала рентгеновской трубки — вольфрамовая спираль катода при подведении к ней тока низкого напряжения (4—15 В, 3—5А) накаливается, образуя свободные электроны вокруг нити. Включение тока высокого напряжения создает на полюсах рентгеновской трубки разность потенциалов, в результате чего свободные электроны с большой скоростью устремляются к аноду в виде потока электронов — катодных лучей, которые, попав на фокус анода, резко тормозятся, вследствие чего часть кинетической энергии электронов превращается в энергию электромагнитных колебаний с очень малой длиной волны. Это и будет рентгеновское излучение (лучи торможения).

По желанию врача и техника можно регулировать как количество рентгеновых лучей (интенсивность), так и качество их (жесткость). Повышая степень накала вольфрамовой нити катода можно добиться увеличения количества электронов, что обусловливает интенсивность рентгеновых лучей. Повышение напряжения, подаваемого к полюсам трубки, ведет к увеличению скорости полета электронов, что является основой проникающего качества лучей.

Выше уже было отмечено, что фокус рентгеновской трубки — это тот участок на аноде, куда попадают электроны и где генерируются рентгеновы лучи. Величина фокуса влияет на качество рентгеновского изображения: чем меньше фокус, тем резче и структурней рисунок и наоборот, чем он больше, тем более расплывчатым становится изображение исследуемого объекта.

Практикой доказано, чем острее фокус, тем быстрее трубка приходит в негодность — происходит расплавление вольфрамовой пластинки анода. Поэтому в современных аппаратах трубки конструируются с несколькими фокусами: малым и большим, или линейным в виде узкой полосы с коррекцией угла скошенности анода в 71°, что позволяет получать оптимальную резкость изображения при наибольшей электрической нагрузке на анод.

Удачной конструкцией рентгеновской трубки является генератор с вращающимся анодом, что позволяет делать фокус незначительных размеров и удлинить тем самым срок эксплуатации аппарата.

Из потока катодных лучей только около 1% энергии превращается в рентгеновы лучи, остальная энергия переходит в тепло, что приводит к перегреванию анода. Для целей охлаждения анода используются различные способы: водяное охлаждение, калорифер-но-воздушное, масляное охлаждение под давлением и комбинированные способы.

Рентгеновская трубка помещается в специальный просвинцованный футляр или кожух с отверстием для выхода рентгеновского излучения из анода трубки. На пути выхода рентгеновского излучения из трубки устанавливаются фильтры из различных металлов, которые отсеивают мягкие лучи и делают более однородным излучение рентгеновского аппарата.

Во многих конструкциях рентгеновских аппаратов в футляр наливается трансформаторное масло, которое со всех сторон обтекает рентгеновскую трубку. Все это: металлический футляр, масло, фильтры экранируют персонал кабинета и больных от воздействия рентгеновского облучения.

Источник