Рентгеноструктурный анализ. Учебное пособие Липецк Липецкий государственный технический университет 2019 2 Оглавление
 Скачать 3.47 Mb.
|
|
ионизирующими. Но механизмы ионизации облучаемой среды каждым из трех вышеназванных видов ИИ различны. Только заряженные частицы, такие как альфа- и бета-, относятся к классу непосредственно ионизирующих излучений, в то время как нейтроны (частицы без заряда) и фотоны сами не производят ионизации, поэтому относятся к косвенно ионизирующим излучениям. При их попадании в среду на первом этапе должно появиться непосредственно ионизирующее излучение, которое и производит ионизацию. В среде, пронизываемой фотонами, конечные эффекты (ионизация и возбуждение) происходят не за счет прямого взаимодействия фотонов со средой, а через посредство вторичных электронов и позитронов (подобно бета- частицам). Своеобразным косвенно ионизирующим излучением являются нейтроны. На первой стадии нейтроны различных энергий могут создавать в облучаемой среде разнообразные непосредственно ионизирующие частицы: протоны, альфа-частицы, ядра отдачи и пр., которые на второй стадии способны произвести ионизацию среды. 13 Итак, различающееся по механизмам взаимодействие ионизирующего излучения с облучаемой средой приводит, в конечном счете, к одному результату – ионизации и/или возбуждению атомов среды. Отличие заключается только в мере (степени) произведенной излучением ионизации. Эту меру можно охарактеризовать плотностью ионизации или удельной ионизацией, то есть количеством образованных пар ионов на единице длины пробега излучения. Чем больше потери энергии на единице пути пробега излучения, тем меньше пробег. Очень малую длину пробега в среде имеет альфа-излучение в силу того, что оно обладает самой высокой удельной ионизацией. Сравним удельную ионизацию альфа-, бета- и рентгеновского излучений. Например, в воздухе на 1 см пробега альфа-частиц с энергией 1 МэВ образуется 40 тысяч пар ионов, для бета-частиц такой же энергии – примерно в 800 раз меньше. При этом пробег в воздухе альфа-частиц с энергией 1 МэВ равен 5·10 -3 м, бета-частиц – порядка 4 м, а гамма-излучения – 126 м. Плотность ионизации фотонного излучения примерно на два порядка меньше, чем бета- излучения. Это значит, что альфа-частицы расходуют на ионизацию всю свою энергию на очень малой длине пробега. Для характеристики ионизирующей способности ИИ существуют специальные величины: - линейная плотность ионизации (ЛПИ) – число ионных пар (N) на единице длины пробега ИИ (dl): ЛПИ = N / dl; - линейная передача энергии (ЛПЭ) – это энергия (dE), локально переданная среде движущейся заряженной частицей при перемещении ее на некоторое расстояние (dl), к этому расстоянию, иными словами, пространственное распределение энергии вдоль траектории частицы: ЛПЭ = dE / dl. Альфа-излучение имеет самую большую величину ЛПЭ: более 175 кэВ/мкм воды. Отметим, что гамма- и рентгеновское излучения имеют самую низкую величину ЛПЭ, менее 3,5 кэВ/мкм воды. ИИ, имеющие 14 ЛПЭ < 10 кэВ/мкм, относятся к слабоионизирующим излучениям. Следует понимать, что различные виды излучений с одинаковой энергией в одной и той же облучаемой среде произведут равное число ионов (по всей величине пробега). Но это количество ионов для каждого вида ИИ имеет свою плотность распределения по длине пробега, благодаря различной проникающей способности излучений. Таким образом, при равенстве энергий длина пробега в среде бета- излучения будет значительно больше, чем в среде альфа-излучения. Особенностью рентгеновского и гамма-излучений является их самая большая проникающая способность (при малой плотности ионизации). Вопросы для самоконтроля 1. Что называют линейной плотностью ионизации? 2. Какие источники ионизирующего излучения вы знаете? 3. Что относится к непосредственно ионизирующим излучениям? 4. Что называют удельной ионизацией? 5. Что называют косвенно ионизирующимизлучениям? 2. ФИЗИКА РЕНТГЕНОВСКИХ ЛУЧЕЙ 2.1 Получение рентгеновских лучей и их природа Во второй половине XIX века одна из интригующих физических проблем была связана с исследованием электрических разрядов в газовых средах и вакууме. Одним из ученых, занимавшихся этим вопросом, был профессор физики в университете Вюрцбурга Вильгельм Конрад Рентген. Однажды после 11-часового эксперимента, уходя из лаборатории, он, увидел на столе флюоресцирующий кусочек бумаги, покрытый слоем платиноцианистого бария. В. Рентген подошел к установке и обнаружил, что забыл ее выключить. 15 Он повернул выключатель, и свечение исчезло, снова включил установку, и вновь листок бумаги засветился, при этом яркость свечения экрана снижалась с увеличением расстояния от трубки. При проведении дальнейших исследований Рентген попросил свою жену помочь поддержать металлическую пластинку и с удивлением заметил, что кисть ее руки проявилась, как теневое изображение на светящемся экране. Постепенно ученый понял, что он открыл новый тип излучения с необычными свойствами, которое он назвал X-лучами (невидимые лучи). Рентгеновское излучение – это электромагнитные волны с длиной волны (λ), лежащей в пределах от тысячных долей нанометра до нескольких нанометров. (Напомним: 1 нм = 10 -9 м; 1 Ангстрем = 10 -10 м). Рентгеновское излучение имеет длину волны, сравнимую с размерами атомов вещества. Поэтому рентгеновское излучение может проходить через вещество, практически не ослабляясь на его атомах. На рис. 1 показан упрощенный процесс прохождения рентгеновских квантов с различной длиной волны через вещество. Как показано на рис., кванты с большей длиной волны (λ 2 ) будут испытывать большее число столкновений с атомами вещества, в то время как кванты с малой длиной волны (λ 1 ) (то есть с большей энергией) могут проходить через вещество, практически не ослабляясь на атомах. Рис. 1. Процесс прохождения рентгеновского излучения с различной длиной волны Все виды электромагнитного излучения (ЭМИ) могут быть представлены как непрерывный спектр от низкого энергетического уровня до высокого: от радиоволн (волн Герца) до космического излучения (или излучения, получаемого в мощных ускорителях). Не все типы электромагнитных 16 излучений относятся к категории ионизирующих. Среди ЭМИ только те способны вызвать ионизацию атомов облучаемой среды, энергия фотонов которых, по меньшей мере, равна энергии связи электронов в атоме. Эта энергия для некоторых металлов порядка 4 эВ и УФ-излучение с длинами волн ниже 3000 Å способно вызвать ионизацию этих металлов. Между тем название «ионизирующее излучение» сохраняется только за излучением, способным ионизировать воздух, то есть кванты которых имеют энергию выше 15 эВ. Согласно этому определению, ионизирующими свойствами обладают излучения, расположенные в шкале ЭМВ правее УФ-излучения. Шкала электромагнитных излучений представлена на рис. 2. Рис. 2. Шкала электромагнитных излучений Переход от одного вида электромагнитного излучения к другому достаточно условен. Рентгеновское и гамма-излучения могут совпадать по длине волны, так как в природе существуют радионуклиды с энергией γ-излучения порядка нескольких кэВ и наоборот, можно генерировать рентгеновское излучение с энергией порядка нескольких МэВ. Поэтому утверждение о том, что рентгеновское и гамма-излучения различаются по длине волны, не корректно. В представленном выше спектре ЭМВ рентгеновское и гамма-излучение одной длины волны – это одни и те же фотоны, различие состоит, во-первых, в 17 их происхождении и, во-вторых, в том, что рентгеновское излучение состоит из двух компонент (тормозное и характеристическое излучение). Электромагнитное излучение обладает следующими свойствами: - оно способно распространяться в вакууме, чем отличается от звуковых волн, которые могут распространяться только в веществе (например, УЗ-волны); - электромагнитные волны распространяются со скоростью света (300 000 км/с в вакууме); Согласно представлениям А. Эйнштейна энергия электромагнитного поля излучается и поглощается всегда определенными порциями, равными Е = h = hc/ , где h ─ постоянная Планка, равная 6,6 10 -34 Дж/с; c ─ скорость света равная 3 10 8 м/с; ─ частота колебаний излучения. Именно эти порции энергии электромагнитного поля и получили название световых квантов или фотонов. Фотон не имеет массы покоя и обладает двумя указанными выше свойствами; фотон не может существовать как покоящаяся частица. Большей частоте колебаний в волне соответствуют фотоны с большей энергией h . От длины волны (тем самым от энергии фотонов) зависят ионизирующая и проникающая способности фотонного излучения. Таким образом, в ряде случаев электромагнитные волны надо рассматривать как поток корпускул-фотонов, обладающих свойствами, присущими другим микрочастицам. Однако для объяснения таких явлений, как интерференция и дифракция, приходится исходить из волновых свойств электромагнитного излучения. Оба аспекта природы – и волновой, и корпускулярный – оказываются одинаково существенными. Поэтому для объяснения всех особенностей поведения излучения оказалось необходимым признать, что электромагнитные волны в известных условиях проявляют 18 свойства потоков частиц. С равным правом можно высказать и обратное утверждение: частицы электромагнитного поля – фотоны – проявляют волновые свойства. Такой корпускулярно-волновой дуализм (двойственность) принят в теории ЭМИ. Следует понимать, что каждый фотон или волна обладают своей собственной, характерной для них, энергией. Для понимания формирования рентгеновского изображения также удобно использовать понятие «фотоны», энергия которых и определяет взаимодействие излучения с материалами, рентгеновской пленкой. Перечислим основные свойства рентгеновского излучения, делающие этот вид ионизирующего излучения незаменимым в исследовании металлов и сплавов: 1. Рентгеновское излучение способно проникать через вещества, поглощающие либо отражающие видимые световые лучи. Эта способность тем выше, чем больше энергия излучения или чем короче длина его волны. 2. Рентгеновское излучение способно вызывать флюоресценцию некоторых веществ вследствие образования (в момент поглощения этими веществами рентгеновского излучения) электромагнитных волн более низкой энергии (например, УФ-лучей или даже видимого света). 3. Как и видимый свет, рентгеновское излучение может создавать на светочувствительном материале – фотографической или рентгеновской пленках – скрытое изображение, которое после проявления становится видимым. 4. Рентгеновское излучение, обладая высокой энергией и воздействуя на вещество, приводит к его ионизации. Практический путь получения рентгеновского излучения – это «разгон» электронов (электрическим полем) до высоких энергий и «обстрел» ими атомов вещества-мишени (анода). Рентгеновское излучение возникает при резком торможении высокоэнергетических электронов на аноде рентгеновской трубки. Согласно классической теории электромагнетизма электрический заряд, подвергнутый ускорению (положительному или отрицательному), при резком 19 торможении в электрическом поле ядер атомов мишени испускает электромагнитное излучение. Объясним появление ЭМИ. При нагреве катода происходит электронная эмиссия, электроны, вылетающие из катода, ускоряются электрическим полем и ударяются о поверхность анода. Когда электрон вылетает из катода, электрическое поле заставляет его лететь по направлению к аноду, при этом скорость его непрерывно возрастает, электрон несет магнитное поле, напряженность которого растет с ростом скорости электрона. Достигая поверхности анода, электрон резко тормозится, при этом возникает электромагнитный импульс с длинами волн в определенном интервале (тормозное излучение). Распределение интенсивности излучения по длинам волн зависит от материала анода рентгеновской трубки и приложенного напряжения, при этом со стороны коротких волн эта кривая начинается с некоторой пороговой минимальной длины волны, зависящей от приложенного напряжения. При увеличении напряжения рентгеновский спектр резко меняется за счет взаимодействия атомов с высокоэнергетичными электронами и квантами первичных рентгеновских лучей. Атом содержит внутренние электронные оболочки (энергетические уровни), количество которых зависит от атомного номера (обозначаются буквами K, L, М и т.д.). Электроны и первичные рентгеновские лучи выбивают электроны из одних энергетических уровней на другие. Возникает метастабильное состояние и для перехода к стабильному состоянию необходим перескок электронов в обратном направлении. Этот скачок сопровождается выделением кванта энергии и возникновением рентгеновского излучения. Источником, генерирующим рентгеновское излучение, является рентгеновская трубка – высоковольтный электровакуумный прибор с двумя электродами: катодом (-) и анодом (+). 2.1.1 Рентгеновские трубки Классификация рентгеновских трубок. Рентгеновские трубки можно 20 классифицировать по следующим признакам: 1. По способу получения свободных электронов. При этом различают ионные и электронные трубки (также их называют: с холодным и горячим катодом). В ионных трубках свободные электроны создаются в результате бомбардировки холодного катода положительными ионами, возникающими в разряженном газе при приложении к ним высокого напряжения. В электронных трубках свободные электроны возникают вследствие термоэлектронной эмиссии катода, накаливаемого током. 2. По способу создания и поддержания вакуума. При этом различают трубки запаянные и разборные. В запаянных высокий вакуум создается при их изготовлении и сохраняется в течении всего времени эксплуатации благодаря герметичности ее корпуса. Нарушение вакуума приводит к выходу трубки из строя. В разборных трубках вакуум создается и поддерживается вакуумным насосом в процессе их эксплуатации. 3. По назначению. Трубки применяют для просвечивания материалов, структурного анализа и для медицинских целей (диагностических и терапевтических). 4. По величине (площади) фокуса. Трубки изготавливают с нормальным (6-10мм 2 ) или острым фокусом (сотые доли мм 2 ). Фокусом трубки называется участок на аноде, на который попадают электроны и от которого испускаются рентгеновские лучи. В настоящее время серийно выпускаются рентгеновские трубки для медицинского просвечивания и терапии, промышленной дефектоскопии, рентгеноструктурного и рентгеноспектрального анализа. Условное обозначение типов трубок представляет собой комбинацию цифр и букв. Первая цифра обозначает предельно допустимую мощность трубки, далее идут буквы, из которых первая обозначает защиту от рентгеновских лучей; вторая назначение трубки и третья тип охлаждения. Первая буква: Р ─ трубка с защитой от рентгеновских лучей; Б ─ трубка для работы в защитном кожухе, с защитой от рентгеновских лучей и электрически 21 безопасную; отсутствие буквы означает отсутствие защиты. Вторая буква: Д ─ для диагностики; Т ─ терапии; П ─ просвечивания материалов; С ─ структурного анализа; Х ─ спектрального анализа. Третья буква: К ─ воздушное радиаторное охлаждение; М ─ масляное (радиаторное или проточное); В ─ водяное охлаждение; отсутствие буквы означает охлаждение лучеиспусканием (естественное). За буквами идет цифра, обозначающая номер трубки в данном классе, последняя цифра дает предельно допустимое напряжение в киловольтах. Для трубок, предназначенных для структурного анализа, вместо анодного напряжения пишется материал анода. Строение рентгеновской трубки. Основным видом трубок, применяемых для просвечивания и структурного анализа, являются запаянные электронные трубки (рис. 3). Они представляют собой стеклянный баллон, в который введены два электрода: катод в виде накаливаемой проволочной вольфрамовой спирали и анод – в виде массивной медной трубки. В баллоне создается высокий вакуум (10 -3 -10 -5 Па), обеспечивающий свободное движение электронов от катода к аноду, тепловую и химическую изоляцию катода, а также предотвращение возникновения газового разряда между электродами. 1 2 3 4 5 Рис. 3. Схема запаянной электронной рентгеновской трубки БСВ для структурного анализа: 1─катод, 2 – фокусирующий колпачок, 3 – окна для выпуска рентгеновских лучей, 4 – защитный цилиндр, 5 ─ анод Рассмотрим процесс возникновения рентгеновских лучей в электронной трубке. Через нить накала катода обычно пропускают ток силой 3-4 А, в результате вольфрамовая спираль, разогревается до 2100-2200 С и вследствие термоэлектронной эмиссии излучает электроны. Плотность тока эмиссии 22 определяется формулой I = aT 2 e -b/T , где a и b – постоянные; T – абсолютная температура; U – работа выхода электрона с поверхности катода. Для катода из вольфрамовой спирали можно записать I = 72 T 2 e -52400/T I т , mA I н , mA 3,0 3,2 3,4 0 10 I т , mA 0 10 20 10 20 U, kB I н = 3,8 A I н = 3,4 A а б Рис. 4. Зависимость силы тока в трубке: а ─ от силы тока накала при постоянном напряжении; б ─ от напряжения при постоянном токе накала Под электрическими характеристиками трубок понимают следующие зависимости (рис. 4): I т = f(I н ) при U a = const; I т = f(U a ) при I н = const, где I т – ток в трубке, образующийся вследствие перехода электронов с катода на анод (анодный ток), мA; I н – ток накала во вторичной обмотке трансформатора накала, разогревающий катодную нить, А; U a – высокое напряжение, приложенное к трубке (анодное напряжение), кВ. Вылетевшие из катода электроны образуют вокруг него «электронное облако». Под действием приложенного к электродам высокого напряжения электроны ускоряются, двигаясь к аноду, а при резком торможении этих электронов в аноде возникает рентгеновское излучение. При этом примерно 1% их кинетической энергии превращается в излучение, а остальная энергия – в тепло, выделяющееся на аноде. Измеряемый ток в трубке появляется лишь после достижения током накала определенного значения, т.е. с определенной температуры нагрева катода, примерно равной 2000–2100 С. При более низких температурах электронная эмиссия практически не наблюдается. Нагрев 23 катодной нити выше 2100 С резко повышает анодный ток. График, подобный показанному на рис. 4 а, строят при постоянном напряжении, обеспечивающем во всем диапазоне значений тока накала получение режима насыщения. Из рис. 4, б следует, что при данном токе накала и при низких напряжениях на трубке не все электроны эмиссии попадают на анод, а лишь часть из них, причем тем меньшая, чем ниже напряжение. Начиная с определенного напряжения U нас , зависящего от тока накала, все электроны будут попадать на анод, через трубку проходит ток насыщения i нас . Ток насыщения тем выше, чем выше ток накала. Таким образом, меняя ток накала в незначительных пределах, можно менять ток насыщения в очень больших пределах. Рентгеновские трубки всегда работают в режиме насыщения при напряжениях, в три-четыре раза превышающих минимальное напряжение, необходимое для установления тока насыщения. Рассмотрим строение рентгеновских трубок на примере трубки для структурного анализа (рис. 3) (обычно БСВ). Возникающие в трубке рентгеновские лучи являются относительно мягкими (больше 1 Å) и сильно поглощаются материалом трубки. Поэтому для их выпуска из трубки делают специальные окошки из сплава гетан, содержащего легкие элементы (бериллий, литий, бор) или из металлического бериллия. Катод в электронных трубках представляет собой вольфрамовую спираль, часто покрываемую тонким слоем тория для повышения эмиссионных характеристик. Спираль помещена в так называемый фокусирующий колпачок, назначение которого – сузить пучок электронов, летящих с катода на анод, и уменьшить фокус трубки. Современные трубки имеют линейчатый фокус, соответственно, катод выполнен в виде винтовой линии, находящейся внутри полуцилиндра. Анод представляет собой полый массивный цилиндр, изготовленный из материала с высокой теплопроводностью, чаще всего из меди. В торцовую стенку анода впрессовывают пластинку – антикатод (зеркало анода), которая тормозит эмитированные с катода электроны и в которой и возникает рентге- 24 новское излучение. В трубках для рентгеноструктурного анализа зеркало анода изготавливают из того материала, излучение которого (характеристическое или сплошное) используют для получения дифракционной картины при решении конкретных задач. Наиболее распространены трубки с анодом из хрома, железа, кобальта, никеля, меди, молибдена. Перегрев анода за счет тепла, выделяю- щегося при ударе электронов о зеркало анода, может вызвать нарушение вакуума, интенсивное распыление и даже расплавление зеркала и самого анода. Во избежание этого анод охлаждают проточной водой или маслом. Существуют также трубки с вращающимся анодом, обеспечивающие получение минимального фокуса при большой мощности трубки. В таких трубках анод выполнен в виде усеченного конуса, на боковую поверхность которого направлен пучок электронов, излучаемых катодом. Нагреванию подвергаются различные участки анода, в то время как фокус трубки при вращении анода остается постоянным. Трубки для рентгеноспектрального анализа могут быть разборными (эмиссионный метод), что позволяет наносить исследуемое вещество непосредственно на анод трубки, или запаянными (флуоресцентный метод) большой мощности с фокусом большого размера. Конструкция таких трубок позволяет располагать образец в непосредственной близости от фокуса. |