Основы физики рентгеновского излучения

Раздел I. ОСНОВЫ ФИЗИКИ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Глава I. Рентгеновские спектры

При бомбардировке поверхности мишени потоком ускоренных электронов одновременно возникает рентгеновское излучение двух видов - тормозное и характеристическое.

1.1. Тормозное рентгеновское излучение

Бомбардирующие мишень электроны испытывают внутри нее торможение в кулоновском поле атомных ядер. При торможении электрон движется с отрицательным ускорением. Из электродинамики известно, что заряженные частицы, движущиеся с ускорением, излучают поперечные электромагнитные волны. Поэтому электроны, испытывающие торможение в мишени, теряют часть своей энергии в виде электромагнитных волн, которые и представляют собой тормозное рентгеновское излучение.

Тормозное излучение разлагается в непрерывный спектр. Для описания его особенностей введем в рассмотрение несколько физических величин.

Интенсивностью излучения (I ) будем называть энергию (W), проходящую в единицу времени (t) через единичную поверхность (S), расположенную нормально к направлению распространения излучения:

Отношение интенсивности лучей dI, заключенных в узком интервале длин волн от λ до λ+dλ к этому интервалу, называется плотностью (спектральной плотностью) интенсивности:

Зависимость I_λ=f(λ) характеризует распределение энергии в спектре излучения.

Вид непрерывного спектра тормозного рентгеновского излучения показан на рис.1.1. Спектр состоит из множества колебаний с длинами волн от некоторой минимальной λ_мин до λ=∞. С увеличением ускоряющего электроны напряжения значение λ_мин, как видно из рисунка, уменьшается. Существование коротковолновой границы, являющейся важнейшей особенностью непрерывного спектра, объясняется следующим образом.

Электрон, прошедший разность потенциалов U , имеет кинетическую энергию eU. Если в акте торможения вся энергия электрона полностью преобразуется в энергию одного фотона, то, очевидно, фотон будет иметь максимально возможную энергию hν=eU или hc/λ_мин=eU, откуда λ_мин= hc/eU.

После подстановки в это соотношение значений постоянной Планка (h=6,62∙10^-34 Дж∙с), скорости света (с=3∙10⁸м/с) и заряда электрона (е=1,6∙10^-19Кл), получим:

                                   (1.1)

где U выражено в вольтах.

Практически все электроны, бомбардирующие мишень в каждом отдельном акте торможения, теряют на излучение фотона лишь часть ∆W_кин своей кинетической энергии. Поскольку величина ∆W_кин может иметь различные значения, в актах торможения возникают фотоны разной энергии hν=∆W_кин≤eU.

Поэтому в спектре тормозного излучения наблюдаются колебания с различными длинами волн λ≥λ_мин.

При изменении тока i (также как и порядкового номера материала мишени Z) происходит пропорциональное изменение плотности интенсивности I_λ. Минимальная длина волны λ_мин в спектре при этом сохраняется неизменной (рис. 1.2).

Интенсивность спектра равна

После интегрирования получим

I~i·Z·U²                                    (1.2)