Кое-что о рентгеноструктурном анализе, электромагнитном излучении, рентгеновских лучах, их свойствах и дифракции (1041682), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Но прежде чем переходить к этому рассмотрению, надо договориться о мерах, которыми измеряется интенсивность излучения, будь то свет илирентгеновские лучи. Интуитивно понятно, что интенсивность света можно характеризовать, например, числом фотонов, проходящих в единицу времени через единицуплощади поверхности в единицу времени, то есть потоком фотонов. Для началаостановимся на этой характеристике и для рентгеновских лучей будем называть ееинтенсивностью рентгеновских лучей, хотя в следующих главах нам понадобитсянекоторая детализация этой единицы измерения. Более подробно классификация меринтенсивности рентгеновского излучения приводится в § 2.3.2.1 следующей главы.1.2.
Свойства излучения рентгеновской трубкиГлавным источником рентгеновских лучей исторически была и остается до сегодняшнего дня рентгеновская трубка. Почти все методы рентгенографических ирентгеноструктурных исследований, которые сегодня применяются на синхротронномизлучении, разрабатывались и очень долгое время работали на излучении рентгеновских трубок. Поэтому, несмотря на то что наше внимание в дальнейшем будетобращено главным образом на синхротронное излучение, мы будем часто оглядываться и на традиционное излучение рентгеновских трубок, чтобы сравнить с ним тодополнительное, что дают новые источники рентгеновских лучей. Для этого полезноиметь представление, по крайней мере, об основных свойствах этого излучения,которые будут кратко перечислены ниже.Как получается излучение в рентгеновской трубке? Согласно законам электродинамики, сформулированным в уравнениях Максвелла в первой половине 19 века,1)Дифракционный предел — это минимально возможный размер светового пятна, котороеможно получить, фокусируя электромагнитное излучение (свет) заданной длины волны λв среде с показателем преломления n.
В конце 19 века (1872 г.) немецкий оптик ЭрнстКарл Аббе показал, что из-за дифракции света разрешающая способность микроскопа (тоесть минимальное расстояние dmin между объектами, когда они еще не сливаются в одноизображение), зависит от длины световой волны и составляет dmin = λ/2n (для видимогосвета этот предел составляет 0,4–0,8 мкм).
Дифракционный предел для рентгеновских лучей,как и в случае высоковольтной электронной микроскопии, сравним с размерами атомов.1.2. Свойства излучения рентгеновской трубки21Рис. 1.2. Схема рентгеновской трубки для рентгеноструктурного анализа и процесса генерирования излучения.
(а) — устройство рентгеновской трубки для рентгеноструктурного анализа(только рабочая часть). (б) — образование ускоренных электронов. (в) — распределениеинтенсивности тормозного рентгеновского излучения в аноде рентгеновской трубки относительно оси электронного пучка; слева плоское сечение по оси электронного пучка, справаизометрия объемного распределения интенсивности, где e обозначает направление движенияэлектронов, ae обозначает вектор ускорения (торможения) электронов в материале анода, α —угол относительно оси электронного пучка. (г) — Схема отбора пучков рентгеновских лучейквадратного и линейчатого сечения.
Обычно в трубках для рентгеноструктурного анализаделают 4 прозрачных для рентгеновских лучей окна (из бериллиевой фольги), обеспечивающих отбор двух точечных (с примерно квадратным сечением) и двух линейчатых пучковрентгеновских лучей22Гл. 1. Кое-что о рентгеноструктурном анализезаряды, движущиеся с ускорением (не важно, с положительным или отрицательным),должны испускать электромагнитные волны, что и было затем подтверждено экспериментами Герца с зарядом.
Именно так происходит генерирование рентгеновскихлучей в рентгеновских трубках. Механизм генерирования вместе с устройствомрентгеновской трубки схематически изображен на рис. 1.2.Рентгеновская трубка представляет собой электровакуумный диод с катодом ианодом, между которыми создается разность потенциалов в несколько десятковтысяч вольт.
Следует помнить, что все внутри рентгеновской трубки происходит вглубоком вакууме (от 10−6 Торр и глубже). В рентгеновской трубке движущимисязарядами являются электроны, хотя могли бы использоваться протоны или дажеионы. Электроны из электронного облака вокруг разогретого катода, выталкиваются сильным электрическим полем и с высокой скоростью движутся к аноду.При столкновении с анодом электроны тормозятся в нем, отдавая свою энергию навозбуждение атомов, из которых состоит материал анода, и на электромагнитноеизлучение, которое во всех направлениях распространяется от тормозящегося электрона. Поскольку все электроны в пучке движутся в одном направлении и, наиболеевероятно, при столкновениях колеблются приблизительно вдоль этого направления,то тормозное излучения сильно поляризовано в направлении пучка электронов.Если движение электрона среди множестваатомов анода сравнить сдвижением человека бегущего прямо через толпулюдей, то понятно, чтоне каждое столкновениедля него является сильным и не при каждом изних излучается фотон.
Часто столкновения происходят по касательной с минимальными потерями скорости. Так же и с электроном. Если столкновениеслабое, то потеря энергииРис. 1.3. Схема рентгеновской трубки с вращающимся аноможет оказаться недостадомточной для испускания фотона. В этом случае потерянная кинетическая энергия электрона превращается втепло, нагревающее среду, в которой он движется. В действительности, до моментаполного поглощения электрона материалом анода в рентгеновское излучение превращается менее 1 % его энергии 1), а остальная рассеивается, трансформируясьглавным образом в тепло.
Типчная мощность современных отпаянных рентгеновскихтрубок для рентгеноструктурного анализа составляет 2,5–3,0 кВт, а типичная площадь фокуса электронного пучка на поверхности анода не более 10 мм2 . Плотностьэнергии, рассеивающейся в аноде рентгеновской трубки, так велика, что он можетрасплавиться в течение минуты, если это тепло не отводить. Поэтому анод рентгеновской трубки обычно интенсивно охлаждают проточной водой (см. ввод и вывод1)Например, в рентгеновской трубке с Cu анодом, работающей под напряжением 30 кВ, врентгеновское излучение преобразуется лишь 0,2 % энергии электронного пучка.1.2. Свойства излучения рентгеновской трубки23воды на рис.
1.2, а), а тонкое зеркало анода располагают на массивном основании(тело анода), изготавливаемом из металла с высокой теплопроводностью (медь илисеребро).Для повышения мощности и увеличения интенсивности излучения изготавливаются разборные рентгеновские трубки с вращающимся анодом (см. схему рис. 1.3).В таких трубках анод изготавливается в виде довольно массивного полого цилиндра,который при работе трубки вращается со скоростью до 20 тыс.
оборотов в минуту.В результате такого вращения под электронный пучок все время подставляетсяновый участок анода и тепловой потокраспределяется по большой поверхности. Одновременно анод изнутри интенсивно охлаждается проточной водой.Таким образом удается повысить мощность трубки до 20 кВт и даже большеи повысить интенсивность ее излученияна несколько порядков.Трубка с вращающимся анодомпо сравнению с отпаянной рентгеновской трубкой, схема которой показанана рис.
1.2 а, является намного болеесложным и дорогим источником рентгеновских лучей по вполне очевиднымпричинам. Во-первых, дорого изготовление вращающегося анода, которыйпри скорости в несколько десятков тысяч оборотов в минуту должен обеспечивать стабильность положения фокусаизлучения в пространстве с микроннойточностью. Во-вторых, в ней приходится поддерживать высокий вакуум с помощью автономных вакуумных насосов,тогда как в отпаянной трубке вакуумсоздается раз и навсегда при ее изготовлении.Но допустим, у нас есть та или инаярентгеновская трубка с анодом из вольфрама, и мы хотим узнать как она будетсветить, если на нее подать высокое Рис.
1.4. Спектральное распределение интеннапряжение (порядка нескольких десят- сивности IT тормозного излучения рентгеновков тысяч вольт). Если у нас есть детек- ской трубки по длинам волн λ для разныхтор, который может измерять интенсив- напряжений на рентгеновской трубке. Интенность рентгеновских лучей с определенсивность дается в относительных единицахной длиной волны, то мы увидим, чтопри торможении ускоренных высоким напряжением электронов в материале анодарентгеновская трубка испускает тормозное рентгеновское излучение, типичныйспектр которого показан на рис.
1.4.Первое, что бросается в глаза на этом спектре, это то что он имеет максимум принекоторой длине волны и что его интенсивность резко падает до нуля с коротковолновой стороны.Существование коротковолнового края тормозного излучения (который иногданазывают квантовой границей тормозного спектра) можно легко понять, если рас-24Гл. 1. Кое-что о рентгеноструктурном анализесмотреть движение электрона с зарядом e под действием электрического напряженияV (разность потенциалов между анодом и катодом) в вакууме и его столкновение с анодом. Электрон достигает поверхности анода, имея кинетическую энергиюE1 = eV . При первом же столкновении с электронами атомов анода электрон потеряет часть энергии и будет продолжать движение уже с энергией E2 .
Эта потеряэнергии должна сопровождаться испусканием фотона с энергией hν, равной разностиэнергий электрона до и после столкновения, т. е.hν = E1 − E2 ,(1.3)где ν обозначает частоту испускаемого фотона, а h универсальную постоянную Планка. Ясно, что максимальная энергия фотона не может быть больше энергии электронаE1 , при торможении которого этот фотон возник, хотя меньше может. Следовательно,максимальная энергия, а значит и максимальная частота или минимальная длинаволны фотонов тормозного рентгеновского излучения ограничена пределом, которыйзависит от напряжения на рентгеновской трубке.
Связь между напряжением натрубке и длиной волны коротковолнового края λmin легко получается из уравненияПланка (1.1) с учетом (1.3), если предположить, что ускоренный электрон пристолкновении с анодом сразу теряет всю энергию, т. е. E2 = 0. Тогда получаемhνmax = hc/λmin = E1 − 0 = Emax ,илиλmin [Å] = hc/eV = 12,398/V [киловольт].(1.4)Отсюда видно, что при увеличении напряжения, подаваемого на трубку, квантовая граница спектра должна смещаться в сторону коротких волн. Со стороныдлинных волн тормозной спектр, если излучение распространяется в вакууме, можетпростираться до бесконечности, хотя на практике, длинноволновая часть спектра привыходе из рентгеновской трубки довольно резко обрезается поглощением в материалевыходного окна (обычно бериллиевая фольга).Почти нулевое значение интенсивности спектра около квантового края объясняется малостью вероятности лобовых столкновений электронов, когда они отдаютсразу всю энергию и тормозятся полностью.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
