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 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 به محض خارج شدن یک الکترون از لایه داخلی الکترون  دیگری از لایه های  بالاتر فوراً  سقوط کرده و حفره موجود را پر می نماید . چون هرچه الکترون در لایه های دورتر از هسته باشد ، دارای انرژی بیشتری است ، لذا سقوط یک الکترون از قشر بالاتر به قشر پایین تر مقدار انرژی آزاد می سازد واین انرژی نیز به صورت فوتون ایکس ولی یکرنگ ظاهرمی شود. از این نظر درطیف اشعه ایکس علاوه  بر یک طیف متصل که به طول موج  lmin  محدود است چند تشعشع یکرنگ  نیز که از خطوط مشخصه عنصر یا عناصر تشکیل دهنده آنتی کاتد خواهد  بود ، دیده می شود .  در شکل  زیر طیف های پیوسته فلز مولیبدن را برحسب  ولتاژهای مختلف اعمال شده بین آند و کاتد و همچنین خطوط مشخصه آن  را که مربوط به لایه K  می باشد