دانلود مقاله اشعه ایکس وتهیه آن

اشعه ایکس درسال1895 توسط رونتگنRontgon کشف شد .

این دانشمندضمن آزمایش هایی که درباره فلورسانس انجام می داد ، مشاهده نمودکه اگر جداره لوله کروکس را با کاغذ سیاهی بپوشاند ، تشعشع حاصل به هنگام تخلیه الکتریکی در داخل لوله کروکس ، صفحه و فیلم عکاسی موجود درخارج لوله کروکس پوشانده شده با کاغذ سیاه را متأثر می سازد .

یعنی دراثر بمباران ماده توسط الکترون ، اشعه ای حاصل می شود که از اجسام کدر عبور می نماید.

چون در ابتدای امر طبیعت این اشعه مجهول بود آن را اشعه ایکس نامید .

امروزه اشعه ایکس را می توان توسط لامپ های یونی و لامپ های الکترونی تهیه نمود .

1 لامپ های یونی: لامپ های یونی ازحباب شیشه ای که دارای دوالکترود می باشد و فشار هوای داخل آن در حدود 0.5 میلیمتر جیوه می باشد درست شده است .

به طوریکه در صورت ایجاد اختلاف پتانسیل نسبتا‏‎ً زیاد بین دو الکترود یا دو قطب اشعه کاتودیک حاصل شده و در اثر برخورد این اشعه کاتودیک بر آند ،که آن را آنتی کاتد می نامیم ،اشعه ایکس تولید می شود .

چون قسمت اعظم انرژی الکترون ها به صورت حرارت درآنتی کاتد ظاهر می شود ، لذا برای جلوگیری از ذوب آنتی کاتد آن را از فلزات دیرگداز مانند پلاتین و یا تنگستن می سازند در شکل زیر نمونه ای از یک لامپ یونی را مشاهده می کنید .

2 لامپ های الکترونی یا لامپ های کولیج Coolidge : این لامپ در 1912توسط کولیج ساخته شده است .

مکانیسم این لامپ مانند یک لامپ دو قطبی می باشد بدین ترتیب که یک فیلمان یا رشته سیم ازجنس تنگستن بااستفاده ازولتاژ 6.3ولت گرم شده و فلز دهنده الکترون را طبق پدیده ترمویونیک گرم می نماید .

الکترون های به وجود آمده تحت تاُثیر پتانسیل DC بالا که بین همین فلز دهنده الکترون (کاتد) و فلز آند (آنتی کاتد) الکترون ها سرعت نزدیک به ثلث تا نصف سرعت نور به خود اختصاص می دهد ،که ضمن برخورد با آنتی کاتد نیز متوقف شده و در نتیجه تمام انرژی آن به حرارت تبدیل می شود لذا ضمن این که آنتی کاتد از فلزات دیر گداز نظیر مس آهن کبالت کُرم مولیبدن تنگستن و نقره می سازند و آن را توسط جریان هوا یا آب خنک می نمایند .لامپ های مولد اشعه ایکس که براساس لامپ کولیج شناخته شده بر دو نوع : الف تیوپ بسته ب تیوپ های جدا شدنی می باشد که هر دو در خلأ کار می کنند و بازده این نوع لامپ ها از رابطه زیر به دست می آیند : z V 10-9 × 1.1 h = که درآن z عدد اتمی آنتی کاتد و Vاختلاف پتانسیلی است که بین آند و کاتد بسته می شود مثلاّ بازده لامپ اشعه ایکس تنگستنی که با 100kv کار می کند برابر 0.8 درصد و لامپ اشعه ایکس مسی که با 30kv کار می کند برابر 0.2 درصد می باشد .

در زیر ، شکل و اجزای تشکیل دهنده تیوپ های بسته مولد اشعه ایکس را ملاحظه می کنید که متشکل از یک محفظه شیشه ای با فشار داخلی 105 میلیمتر جیوه ، یک کاتد و یک آند می باشد .

نیمی از یک محفظه شیشه ای دریک غلاف فلزی قرار دارد که جنس آن از آلیاژ کووار covar (مس ، فولاد ، کُرم و مولیبدن ) است البته جنس شیشه طوری است که مانع عبور اشعه ایکس می باشد .

دراین لامپ فیلمان یا رشته سیم تولیدکننده گرما والکترون با استفاده از پدیده ترمویونیک از جنس تنگستن انتخاب شده و به عنوان کاتد استفاده می شود ، شیشه جوش خورده و انتهایش به طرف ولتاژ کم AC هدایت می شود .

اطراف رشته سیم تولید کننده گرما را محفظه فلزی احاطه کرده که تولید کننده و متمرکزکننده الکترون های خروجی در اثر پدیده ترمویونیک بر روی سطح آنتی کاتد است اگر پتانسیل لازم بین کاتد و آنتی کاتد برقرار باشد .

بنا بر این سطحی که محل برخورد الکترون ها با آنتی کاتد است کوچک می باشد .

این سطح را « سطح کانونی » نامند .

با تغییر شدت جریان گذرنده از رشته سیم تعداد الکترون های آزاد شده و همچنین شدت اشعه ایکس را تغییر داد .

البته چون الکترون هایی که به آنتی کاتد برخورد می کنند توسط آنتی کاتد متوقف می شوند و در واقع انرژی جنبشی خود را از دست داده و تبدیل به حرارت می شود برای جلوگیری از ذوب شدن آنتی کاتد آن را با جریان هوا یا آب خنک می کنند .

اشعه ایکس تولید شده از دریچه هایی که روی بدنه لامپ تعبیه شده است ، خارج می شود ، ایجاد این دریچه ها از نظر مکانی و از نظر جنس یکی از کارهای اساسی سازندگان مولد اشعه ایکس است .

ازآن جایی که شیشه های معمولی مانع عبور اشعه ایکس بخصوص اشعه ایکس حاصل از آنتی کاتد مس و کُرم هستند ، به جای شیشه معمولی ، ابتدا از شیشه « لن دومان » که از عناصر سبک نظیر لیتیوم و بُر ساخته می شود استفاده می کردند .

ولی به خاطر جذب اشعه ایکس از آنتی کُرم و جذب رطوبت زود از بین می رفت ، درلامپ های جدید از ورقه های نازک فلز برلیوم که بسیار محکم و در عین حال جاذب اشعه ایکس نیست ، استفاده می کنند که غالباً همراه با ورقه نازکی از میکا به کاربرده می شود .

شکل و ابعاد سطح کانونی لامپ اشعه ایکس مولدهای اشعه ایکس بر اساس قدرت تشعشعی که دارند ، دسته بندی می شوند ، این قدرت تشعشعی برحسب جنس آنتی کاتد و ساختمان سطح کانونی آن بستگی دارد ، طبق تعریف و قرار داد ، سطح کانونی مساحتی از آنتی کاتد است که درمعرض برخورد الکترون ها قرار می گیرد ، بنابراین می توان گفت که قدرت تشعشعی یک مولد اشعه ایکس به قدرت تحمل سطح کانونی آن بستگی دارد .

معمولاً مساحت سطح کانونی از مساحت مورد نیاز بیشتر است .

با وجود آن ارزش لامپ های مولد اشعه ایکس به دو عامل اساسی بستگی دارد : 1 سطح کانونی در شکل زیر ( الف ) سطح کانونی حقیقی و سطوح کانونی ظاهری را در دو امتداد عمود برهم مشاهده می کنیدکه سطح کانون حقیقی لامپ مولد اشعه ایکس تجارتی مربع مستطیل به ابعاد 1× 10‍ میلیمتر و سطح کانونی ظاهری خطی آن به شکل مربع مستطیل به ابعاد 0.1 × 10 میلیمتر و سطح کانونی ظاهری نقطه آن به شکل مربع به ابعاد1 ×1 میلیمتر می باشد .

2 نحوه پخش بار الکترونی در روی سطح کانونی این پخش باید تا حدّ ممکن یکنواخت باشد .

که نحوه توزیع بار الکترونی در روی سطح کانونی درلامپ های بسته از مشخصات اصلی لامپ است .

و تنها عاملی که تا حدودی در اختیار است زاویه شعاع های خروجی با سطح آنتی کاتد است .

پرتوهایی که به وسیله آنتی کاتد فرستاده می شوند ، درتمام جهات ، دارای شدت مساوی هستند .

اگر a زاویه میانگین پرتوهای خروجی از دریچه S با سطح آنتی کاتد باشد (شکل ب صفحه قبل ) ، طبق تعریف سطح مفید سطح کانونی برابر S /Sin a خواهد بود .

با توجه به این که مولد اشعه ایکس مانند یک منبع نورانی نیست و تغییر زاویه منبع نسبت به سطح ورودی دریافت کننده ، سبب تغییر انرژی دسته اشعه ایکس نمی شود .

یعنی درخشندگی منبع مقدار ثابت بوده و به امتداد تابش بستگی ندارد « قانون لامبر » ، لذا زاویه a را چه برای ازدیاد انرژی و چه برای ازدیاد سطح ظاهری کانون «S/Sin a » باید کوچک کرد ولی چون ناهمواری سطح آنتی کاتد حتی در سطح میکروسکپی باعث جذب شعاع های مماسی می شود ، تقلیل aدارای حدی است .

زاویه a در بهترین تیوپ های بسته1.5 درجه است ، واضح است که در چنین مولد هایی سطح آنتی کاتد باید کاملاً صیقلی شده باشد .

معمولاً a درلامپ های تجارتی بین 4 تا 6 درجه تغییر می کند.

دراین نوع لامپ ها به جای دو دریچه ، دو جفت دریچه درست می کنند ، به طوریکه محور هرجفت دریچه بر محورجفت دریچه دیگر عمود باشد .

البته مولدهایی نیز می توان یافت که سطوح کانونی آن ها دوایری به قطریک میلیمتراست .

بهترین مولد اشعه ایکس آن هایی هستند که توزیع و نحوه پخش الکترون روی آنتی کاتد آن ها یکنواخت باشد برای این کار به هنگام تنظیم دستگاه یکی از دو آزمایش زیر را انجام می دهند : صفحه سوراخ داری که حائل پرتو ایکس است و ابعاد سوراخ آن به مراتب از ابعاد سطح کانونی کوچکتر است ( 0.02 میلیمتر ) در مسیر دسته اشعه ایکس قرار می دهند تا تصویر دایره ای شکل روی قطعه فیلم مستقر در پشت صفحه سوراخ دار که به نسبت P / S بزرگ شده است ، به دست آید البته می توان به جای سوراخ دایره ای شکل یک شکاف مربع مستطیل قرار داد و تصویر سطح کانونی را در دو امتداد تهیه نمود و نحوه توزیع شدت تشعشع پرتو ایکس را دردو امتداد طولی وعرضی بررسی واصلاح های لازم را جهت توزیع یکنواخت روی آنتی کاتد انجام داد .

در مولدهای تجارتی ، کمتر می توان یک چنین مولدهای اصلاح شده را به دست آورد .

لازم به تذکر است که سطح کانونی ، به مرور کارکرد مولد شکل خود را از دست می دهد ، و بدین ترتیب ازارزش مولد کاسته می شود .

تهیه تصویر از سطح کانونی توسط سوراخ دایره ای شکل و شکاف مستطیل شکل نمونه ای از تصاویر سطح کانونی یک تیوپ بسته الف – سطح کانونی با وضعیت بد ب- سطح کانونی مطلوب به ابعاد 0.6×1 میلیمتر ج – سطح کانونی مطلوب ریز به ابعاد 0.05 ×0.5 میلیمتر مکانیسم تولید اشعه ایکس در پدیده فتوالکتریک دراثر تابش نور به سطح یک فلز ، فوتون نور تمام انرژی الکترومغناطیسی خود را به الکترون فلز منتقل می سازد .

قسمتی از این انرژی برای مقابله با پیوند اتصالی الکترون به هسته صرف می شود و قسمتی دیگر به صورت انرژی جنبشی درالکترون ظاهرمی شود .

عکس این پدیده درتولید اشعه ایکس اتفاق می افتد .

درلامپ اشعه ایکس الکترون های آزاد شده در فیلمان و اطراف در اثر پتانسیل موجود بین آند وکاتد با سرعت نزدیک به سرعت نور به طرف آنتی کاتد کشیده شده و به آن برخورد نموده و در آن نفوذ کرده تا این که انرژی خود را از دست بدهد .

برای الکترونی که در داخل آنتی کاتد نفوذ کرده دو اتفاق می افتد : 1 به علت عبور از کنار هسته اتم که بار مثبت دارد ، از مسیر خود منحرف می شود (طبق شکل زیر ) با وجود این که الکترون دارای سرعت ثابت است ولی دراثر این انحراف شتابی به خود می گیرد .

طبق نظریه الکترومانیتیک هر ذره بارداری که دارای شتاب باشد تشعشع الکترومانیتیک از خود ساطع می کند که به صورت فوتون ظاهر می شود .

فرکانس این فوتون n خواهد بود به طوریکه اگر انرژی جنبشی الکترون قبل از عبور از کنار هسته اتم K1 و بعد از عبور K2 باشد طبق اصل بقای انرژی می توان نوشت : K1- K2 = hn که درآن h ثابت پلانک برابر 10-34 j.s× 6.6262 می باشد .

ازآن جایی که الکترون ها حین نفوذ از فواصل متفاوت هسته عبور می کنند و به یک اندازه نقصان انرژی پیدا نمی نمایند لذا اشعه ایکس تولید شده یکرنگ نخواهد بود بلکه تشکیل طیف متصلی را می دهد .

اگر بار الکترون e و اختلاف پتانسیل بین آند وکاتد V باشد ، ماکزیمم انرژی که الکترون می تواند آزاد سازد هنگامی است که در اثر برخورد برهسته اتم توسط هسته اتم متوقف شود دراین حال انرژی آزاد شده مساوی eV خواهد بود ، بنا بر این : eV = hn و یا eV = hc / l خواهد بود واضح است که فرکانس چنین اشعه ای ماکزیمم و طول موج آن مینیمم می باشد یعنی : nmax = eV / h و lmin = hc / eV لذا اشعه ایکس تولید شده از طرف طول موج های کوتاه محدود به lminو از طرف طول موجهای بلند محدودیتی نخواهد داشت .

2 زمانی که آنتی کاتد به وسیله الکترون های سریع بمباران می شود تعدادی از این الکترون ها به علت سرعت زیادی که دارند .

داخل ساختمان اتمی شده و برخورد با الکترون های لایه های … , M , L , K نموده و با خارج راندن الکترونی از این لایه ها به خارج لایه مذکور اتم یونیزه شده و واضح است که