دانلود تحقیق اشعه ایکس، شکلی دیگر از نور

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