اشعة ايكس وتهية آن

اشعةايكس درسال1895  توسط رونتگنRontgon   كشف شد . اين دانشمندضمن آزمايش هايي كه دربارة  فلورسانس انجام مي داد ، مشاهده نمودكه اگر جدارة  لولة كروكس  را با كاغذ  سياهي  بپوشاند ، تشعشع  حاصل  به هنگام تخلية  الكتريكي در داخل  لولة كروكس ، صفحه و فيلم  عكاسي موجود درخارج لولة كروكس پوشانده شده با كاغذ سياه را متأثر مي سازد . يعني دراثر بمباران  ماده  توسط  الكترون ، اشعه اي حاصل مي شود كه  از اجسام كدر عبور مي نمايد. چون در ابتداي امر طبيعت اين اشعه مجهول بود آن را اشعة ايكس  ناميد . امروزه اشعة ايكس را مي توان توسط لامپ هاي يوني و لامپ هاي الكتروني تهيه نمود .

1ـ لامپ هاي يوني: لامپ هاي يوني ازحباب شيشه اي كه داراي دوالكترود  مي باشد و فشار هواي  داخل  آن در حدود  0.5  ميليمتر  جيوه مي باشد درست شده است . به طوريكه در صورت ايجاد اختلاف  پتانسيل نسبتا‏‎ً  زياد بين دو الكترود يا دو قطب  اشعة كاتوديك حاصل شده و در اثر برخورد اين اشعة كاتوديك بر آند ،كه آن را آنتي كاتد مي ناميم ،اشعة ايكس توليد مي ـ شود . چون  قسمت اعظم  انرژي الكترون ها  به صورت حرارت درآنتي كاتد ظاهر مي شود ، لذا  براي جلوگيري از ذوب آنتي كاتد  آن را از فلزات ديرگداز مانند  پلاتين و يا  تنگستن مي سازند در شكل زير نمونه اي از يك لامپ يوني را مشاهده مي كنيد .

2ـ لامپ هاي الكتروني يا لامپ هاي كوليج  Coolidge  :

اين لامپ  در   1912توسط كوليج  ساخته  شده است .  مكانيسم  اين لامپ مانند يك لامپ دو قطبي مي باشد بدين ترتيب كه يك فيلمان يا رشته سيم ازجنس تنگستن بااستفاده ازولتاژ  6.3ولت گرم شده و فلز دهندة الكترون را طبق پديدة  ترمويونيك گرم مي نمايد . الكترون هاي به وجود آمده تحت تاُثير پتانسيل DC  بالا كه بين  همين  فلز دهندة  الكترون (كاتد) و فلز آند (آنتي كاتد) الكترون ها سرعت نزديك  به ثلث تا نصف سرعت نور به خود اختصاص مي دهد ،كه ضمن برخورد با آنتي كاتد نيز متوقف  شده و در نتيجه  تمام  انرژي آن  به حرارت  تبديل  مي شود  لذا  ضمن اين كه آنتي كاتد از فلزات دير گداز  نظير مس ـ آهن ـ كبالت ـ كُرم  ـ موليبدن  ـ  تنگستن و نقره مي سازند و آن را توسط جريان هوا يا آب خنك مي نمايند .لامپ هاي مولد اشعة ايكس كه براساس لامپ كوليج شناخته شده بر دو نوع :

الف ـ تيوپ بسته

ب ـ تيوپ هاي جدا شدني

مي باشد كه هر دو در خلأ كار مي كنند و بازده اين  نوع لامپ ها از رابطة زير به دست مي آيند :

                         z   V     10^-9   × 1.1 h =                           

كه درآن  z  عدد اتمي آنتي كاتد و  Vاختلاف پتانسيلي است كه بين آند و كاتد بسته مي شود مثلاّ  بازده لامپ  اشعة ايكس تنگستني كه با 100kv كار مي كند برابر  0.8  درصد و لامپ  اشعة ايكس  مسي كه با 30kv كار مي كند برابر  0.2 درصد مي باشد .

در زير ، شكل و اجزاي  تشكيل دهندة  تيوپ هاي بستة  مولد اشعة ايكس را ملاحظه مي كنيد كه متشكل از يك محفظة  شيشه اي با  فشار داخلي 10⁵  ميليمتر جيوه ، يك كاتد و يك  آند مي باشد . نيمي  از يك  محفظة   شيشه اي دريك غلاف فلزي قرار دارد كه جنس آن از آلياژ كووار covar (مس ، فولاد ، كُرم و موليبدن ) است البته جنس شيشه طوري است كه مانع عبور اشعة ايكس مي باشد . دراين لامپ فيلمان يا رشته سيم توليدكنندة گرما والكترون  با  استفاده از پديدة  ترمويونيك از جنس  تنگستن انتخاب  شده و به عنوان كاتد استفاده  مي شود ، شيشة جوش خورده و انتهايش به طرف ولتاژ كم AC هدايت مي شود . اطراف رشته سيم توليد كنندة گرما را محفظة فلزي احاطه كرده كه توليد كننده و متمركزكنندة الكترون هاي خروجي در اثر پديدة  ترمويونيك  بر روي سطح  آنتي كاتد است اگر پتانسيل لازم بين كاتد و آنتي كاتد  برقرار  باشد . بنا بر اين سطحي كه محل  برخورد الكترون ها  با  آنتي كاتد است كوچك  مي باشد . اين سطح را « سطح كانوني » نامند . با تغيير  شدت  جريان گذرنده از رشته سيم تعداد الكترون هاي آزاد شده و همچنين شدت اشعة ايكس را تغيير داد . البته چون الكترون هايي كه به آنتي كاتد  برخورد مي كنند  توسط آنتي كاتد  متوقف مي شوند و در واقع انرژي جنبشي خود را از دست داده و تبديل  به حرارت مي شود براي جلوگيري  از ذوب  شدن آنتي كاتد آن را با جريان هوا يا آب خنك مي كنند .

اشعة ايكس توليد  شده از دريچه هايي كه روي بدنة لامپ تعبيه شده است ، خارج مي شود ، ايجاد اين دريچه ها از نظر مكاني  و از  نظر جنس  يكي از كارهاي اساسي سازندگان مولد اشعة ايكس است .

ازآن جايي كه شيشه هاي معمولي مانع عبور اشعة ايكس بخصوص اشعة ايكس حاصل از آنتي كاتد  مس و كُرم هستند ، به جاي  شيشة معمولي ، ابتدا از شيشة « لن دومان » ـ كه از عناصر سبك  نظير ليتيوم و بُر ساخته مي شود ـ استفاده مي كردند . ولي به خاطر جذب اشعة ايكس از آنتي كُرم و جذب رطوبت زود از بين مي رفت ، درلامپ هاي جديد از ورقه هاي  نازك  فلز برليوم كه بسيار محكم  و در عين  حال  جاذب  اشعة ايكس نيست ، استفاده مي كنند كه غالباً  همراه با ورقة نازكي از ميكا  به كاربرده مي شود .

شكل و ابعاد سطح كانوني لامپ اشعة ايكس

مولدهاي  اشعة ايكس  بر اساس قدرت  تشعشعي كه  دارند ، دسته بندي  مي شوند ، اين قدرت تشعشعي برحسب جنس آنتي كاتد و ساختمان سطح كانوني آن بستگي  دارد  ، طبق  تعريف  و قرار  داد ، سطح كانوني مساحتي از آنتي كاتد است كه درمعرض  برخورد الكترون ها قرار مي گيرد ، بنابراين مي توان گفت كه قدرت تشعشعي يك مولد اشعة ايكس به قدرت  تحمل  سطح كانوني آن  بستگي دارد .  معمولاً مساحت  سطح كانوني از مساحت مورد نياز بيشتر است . با وجود آن ارزش لامپ هاي مولد اشعة ايكس به دو عامل اساسي بستگي دارد :

1ـ سطح كانوني

در شكل زير ( الف )  سطح كانوني حقيقي و  سطوح كانوني ظاهري  را  در دو امتداد عمود برهم مشاهده مي كنيدكه سطح كانون حقيقي لامپ مولد اشعة ايكس تجارتي مربع مستطيل به ابعاد 1× 10‍ ميليمتر و سطح كانوني ظاهري

خطي آن  به  شكل مربع  مستطيل به  ابعاد 0.1 × 10 ميليمتر و سطح كانوني ظاهري نقطة آن  به  شكل مربع  به  ابعاد1 ×1 ميليمتر مي باشد .

2ـ نحوة پخش بار الكتروني در روي سطح كانوني

اين پخش بايد تا حدّ ممكن  يكنواخت باشد . كه نحوة توزيع بار الكتروني  در روي سطح كانوني درلامپ هاي بسته از مشخصات اصلي لامپ است . و تنها عاملي كه تا حدودي در اختيار است  زاوية  شعاع هاي خروجي با  سطح آنتي كاتد است .

پرتوهايي كه به وسيلة  آنتي كاتد فرستاده مي شوند ، درتمام جهات ، داراي شدت مساوي هستند . اگر a  زاوية ميانگين پرتوهاي خروجي از دريچة S   با سطح آنتي كاتد باشد (شكل ب صفحه قبل ) ، طبق تعريف سطح  مفيد  سطح كانوني  برابر  S /Sin a  خواهد بود .

با توجه به اين كه مولد اشعة ايكس مانند يك منبع نوراني نيست و تغيير زاوية  منبع  نسبت به سطح  ورودي  دريافت كننده ، سبب  تغيير انرژي دسته اشعة ايكس نمي شود . يعني درخشندگي منبع مقدار ثابت بوده  و به امتداد تابش بستگي ندارد « قانون لامبر » ، لذا زاوية a  را چه  براي  ازدياد انرژي و چه براي ازدياد سطح ظاهري كانون «S/Sin a  » بايد كوچك كرد  ولي چون ناهمواري سطح آنتي كاتد حتي در سطح ميكروسكپي باعث  جذب  شعاع هاي مماسي مي شود ، تقليل   aداراي حدي است .

زاوية a در بهترين تيوپ هاي بسته1.5   درجه است ، واضح است كه در چنين مولد هايي سطح آنتي كاتد بايد كاملاً  صيقلي شده باشد .

معمولاً  a درلامپ هاي تجارتي بين 4  تا 6  درجه تغيير مي كند. دراين نوع لامپ ها به جاي دو دريچه ، دو جفت دريچه درست مي كنند ، به طوريكه محور هرجفت دريچه بر محورجفت دريچة ديگر عمود باشد . البته مولدهايي نيز مي توان يافت كه سطوح كانوني آن ها دوايري به قطريك ميليمتراست . بهترين مولد اشعة ايكس آن هايي هستند كه توزيع و نحوة  پخش الكترون روي آنتي كاتد آن ها يكنواخت باشد براي اين كار  به  هنگام تنظيم دستگاه يكي از دو آزمايش زير را انجام مي دهند :

صفحة سوراخ داري كه حائل  پرتو ايكس است  و ابعاد سوراخ آن  به مراتب از ابعاد سطح كانوني كوچكتر است ( 0.02 ميليمتر ) در مسير دسته اشعة ايكس قرار مي دهند تا  تصوير دايره اي  شكل روي  قطعه  فيلم مستقر در پشت  صفحة  سوراخ دار كه  به نسبت  P /  S   بزرگ  شده است ، به دست آيد البته مي توان به جاي سوراخ دايره اي  شكل يك شكاف  مربع  مستطيل قرار داد و تصوير سطح كانوني را در دو امتداد تهيه  نمود و نحوة  توزيع  شدت تشعشع پرتو ايكس را دردو امتداد طولي وعرضي بررسي واصلاح هاي لازم  را جهت  توزيع  يكنواخت روي  آنتي كاتد  انجام  داد . در مولدهاي تجارتي ، كمتر مي توان يك چنين مولدهاي اصلاح  شده را  به دست آورد . لازم  به تذكر است كه سطح كانوني ، به مرور كاركرد مولد  شكل خود را از دست مي دهد ، و بدين ترتيب ازارزش مولد كاسته مي شود .

       تهية تصوير از سطح كانوني توسط سوراخ دايره اي شكل و شكاف مستطيل شكل

                     نمونه اي از تصاوير سطح كانوني يك تيوپ بسته

                      الف – سطح كانوني با وضعيت بد

                      ب- سطح كانوني مطلوب به ابعاد 0.6×1 ميليمتر

                      ج – سطح كانوني مطلوب ريز به ابعاد 0.05 ×0.5 ميليمتر

مكانيسم توليد اشعة ايكس

در پديدة فتوالكتريك دراثر تابش نور به سطح يك فلز ، فوتون نور تمام  انرژي الكترومغناطيسي خود را به الكترون فلز منتقل مي سازد . قسمتي از اين انرژي  براي مقابله  با پيوند اتصالي الكترون به هسته  صرف مي شود و قسمتي ديگر به صورت انرژي جنبشي درالكترون ظاهرمي شود . عكس اين پديده درتوليد اشعة ايكس اتفاق مي افتد . درلامپ اشعة ايكس الكترون هاي آزاد شده در فيلمان و اطراف در اثر پتانسيل موجود بين آند وكاتد با سرعت نزديك به سرعت  نور به طرف آنتي كاتد كشيده شده و به آن  برخورد نموده و در آن نفوذ كرده تا اين كه انرژي خود را از دست بدهد .

براي الكتروني كه در داخل آنتي كاتد نفوذ كرده دو اتفاق مي افتد :

1ـ  به علت عبور از كنار هستة اتم كه بار مثبت  دارد ، از مسير خود منحرف مي شود (طبق شكل زير ) با وجود اين كه الكترون داراي سرعت ثابت است  ولي دراثر اين انحراف  شتابي به خود مي گيرد . طبق نظرية الكترومانيتيك  هر ذرة  بارداري كه داراي  شتاب  باشد تشعشع الكترومانيتيك از خود ساطع مي كند كه به صورت فوتون ظاهر مي شود .

 فركانس اين فوتون n خواهد بود به طوريكه اگر انرژي جنبشي الكترون  قبل از عبور از كنار هستة  اتم K1  و  بعد از عبور K2  باشد طبق اصل بقاي انرژي مي توان نوشت :

                                             K1- K2 = hn

كه درآن  h  ثابت پلانك برابر 10^-34  j.s×  6.6262  مي باشد . ازآن جايي كه الكترون ها حين نفوذ از فواصل متفاوت هسته عبور مي كنند و به يك اندازه نقصان انرژي پيدا نمي نمايند لذا اشعة ايكس توليد شده يكرنگ نخواهد بود  بلكه  تشكيل طيف متصلي را مي دهد .

اگر بار الكترون e  و اختلاف پتانسيل بين آند

وكاتد V  باشد ، ماكزيمم انرژي كه الكترون

مي تواند آزاد  سازد هنگامي  است كه در اثر 

برخورد برهستة اتم توسط هستة اتم متوقف

شود دراين حال انرژي آزاد شده مساوي eV

خواهد بود ، بنا بر اين :

eV = hn              و  يا   eV = hc / l

خواهد بود واضح است كه فركانس چنين اشعه اي ماكزيمم و طول  موج آن مينيمم مي باشد يعني :

                      nmax = eV / h           و       lmin = hc / eV

لذا اشعة ايكس  توليد شده  از طرف  طول موج هاي كوتاه محدود  به                  lminو از طرف طول موجهاي بلند محدوديتي نخواهد داشت .

2ـ  زماني كه آنتي كاتد  به وسيلة الكترون هاي سريع بمباران مي شود تعدادي از اين الكترون ها به علت سرعت  زيادي كه  دارند . داخل ساختمان اتمي شده و برخورد با الكترون هاي لايه هاي  … , M , L , K نموده و با خارج راندن الكتروني از اين لايه ها به خارج لاية مذكور اتم يونيزه شده و واضح است كه به محض خارج شدن يك الكترون از لاية داخلي الكترون  ديگري از لايه هاي  بالاتر فوراً  سقوط كرده و حفرة موجود را پر مي نمايد . چون هرچه الكترون در لايه هاي دورتر از هسته باشد ، داراي انرژي بيشتري است ، لذا سقوط يك الكترون از قشر بالاتر به قشر پايين تر مقدار انرژي آزاد مي سازد واين انرژي نيز به صورت فوتون ايكس ولي يكرنگ ظاهرمي شود. از اين نظر درطيف اشعة ايكس علاوه  بر يك طيف متصل كه به طول موج  lmin  محدود است چند تشعشع يكرنگ  نيز كه از خطوط مشخصة عنصر يا عناصر تشكيل دهندة آنتي كاتد خواهد  بود ، ديده مي شود .  در شكل  زير طيف هاي پيوستة فلز موليبدن را برحسب  ولتاژهاي مختلف اعمال شده بين آند و كاتد و همچنين خطوط مشخصة آن  را كه مربوط به لاية K  مي باشد

ملاحظه مي كنيد .

اگر پتانسيل بين آند وكاتد را تغيير دهيم حدّ

طول موج  lmin  تغيير مي نمايد ولي طول

موج خطوط مشخصة آنتي كاتد  ثابت مي ـ