Рентгеноспектральный метод исследования

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВПО «ВГУ»)

 

 

ХИМИЧЕСКИЙ  ФАКУЛЬТЕТ

 

 

РЕФЕРАТ

по  курсу «Физические методы исследования»:

 

«Рентгеноспектральный метод исследования».

 

 

 

Авторы:

студенты 3 курса  д/о, 3 группы:

Тишанинова Екатерина

Сковзгирд Ольга

 

 

 

 

ВОРОНЕЖ – 2012

 

Содержание

Введение

1. Рентгеновское излучение и его взаимодействие с веществом
1. Особенности рентгеновского излучения
2. Устройство современной рентгеновской трубки
3. Детекторы рентгеновского излучения
2. Физическая основа метода рентгеновской спектроскопии
3. Аппаратура для рентгеновского анализа
4. Методы рентгеноспектрального анализа
1. Рентгеноэмиссионный анализ
2. Рентгенофлуоресцентный анализ
5. Область применения рентгеноспектрального анализа

Список используемой литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Рентгеновское излучение - это электромагнитные волны, энергия фотонов которых лежит на шкале электромагнитных волн между ультрафиолетовым излучением и гамма-излучением, что соответствует длинам волн от 10^-2 до 10³ Å (от 10^-12 до 10^-7 м). Взаимодействие излучения с веществом, характеризуется переходом от коротковолновой к длинноволновой части этого диапазона. Например, излучение с длиной волны λ< 0.4Å(т.е. коротковолновое) имеет высокую проникающую способность, именно это излучение используется для рентгена человеческого тела, а длинноволновое λ>10Å- поглощается в воздухе, тончайших пленках. Существуют такие понятия как «мягкий» и «жесткий» рентген.  «Мягкий» рентген характеризуется наименьшей энергией фотона и частотой излучения (и наибольшей длиной волны), т.е. относится к длинноволновому излучению и используется в микроскопии, астрономии и микроэлектронике, а «жёсткий» рентген обладает наибольшей энергией фотона и частотой излучения (и наименьшей длиной волны), применяется в кристаллографии и в медицинской рентгенографии.

В 1895 немецкий физик Рентген, проводя опыты по прохождению тока между двумя электродами в вакууме, обнаружил, что экран, покрытый люминесцентным веществом (солью бария) светится, хотя разрядная трубка закрыта черным картонным экраном – так было открыто излучение, проникающее через непрозрачные преграды, названное Рентгеном Х-лучами. Было обнаружено, что рентгеновское излучение, невидимое для человека, поглощается в непрозрачных объектах тем сильнее, чем больше атомный номер (плотность) преграды, поэтому рентгеновские лучи легко проходят через мягкие ткани человеческого тела, но задерживаются костями скелета.

Были сконструированы  источники мощных рентгеновских  лучей, позволяющие просвечивать металлические  детали и находить в них внутренние дефекты.

1. Рентгеновское излучение и его взаимодействие с веществом.
1. Особенности рентгеновского излучения

Итак, в своих дальнейших исследованиях свойств нового излучения      (Х-лучей) Рентген обнаружил, что они:

1. Вызывают свечение (люминесценцию) некоторых тел. Их можно наблюдать с помощью экранов изготовленных из этих веществ.
2. Обладают достаточно сильной проникающей способностью, которая характеризуется зависимостью от природы и толщины вещества. За счёт этого свойства Х-лучи широко используются в промышленности и медицине.
3. Оказывают действие на  фотопленку, это действие называется фотохимическим действием.
4. Способны активно ионизировать воздух и другие вещества.
5. Оказывают биологическое действие на ткани организма. Это позволило применять их в лечении злокачественных опухолей.

Но опираясь на п.5 нельзя говорить что рентгеновское излучение несет в себе «хорошие» свойства, не зря говорят что рентгеновское обследование нельзя делать чаще одного раза в год.

Рентгеновское излучение  возникает при бомбардировке  твердых мишеней быстрыми электронами (рис. 2) Здесь анод выполнен из W, Mo, Cu, Pt – тяжелых тугоплавких или с высоким коэффициентом теплопроводности металлов.

Рисунок 1.

Только 1–3 % энергии  электронов идет на излучение, остальная  часть выделяется на аноде в виде тепла, поэтому аноды охлаждают  водой.

Попав в вещество анода, электроны испытывают сильное  торможение и становятся источником электромагнитных волн (рентгеновских  лучей).

В зависимости от механизма  возникновения рентгеновских лучей  их спектры проявляются как непрерывные (тормозные) и как линейчатые (характеристические).

Рассмотрим подробнее  каждое из излучений.

Тормозное рентгеновское излучение.

Тормозное рентгеновское  излучение возникает при торможении электронов, движущихся с большой  скоростью, электрическими полями атомов анода. Условия торможения отдельных  электронов не одинаковы. В результате в энергию рентгеновского излучения  переходят различные части их кинетической энергии. Спектр тормозного рентгеновского излучения не зависит от природы вещества анода. Как известно, энергия фотонов рентгеновских лучей определяет их частоту и длину волны. Поэтому тормозное рентгеновское излучение не является монохроматическим. Оно характеризуется разнообразием длин волн, которое может быть представлено сплошным (непрерывным) спектром. При этом максимальная энергия равна начальной энергии частицы.

Начальная скорость электрона  при попадании на анод определяется по формуле:

 

где U – ускоряющее напряжение.

Видимое излучение наблюдается только тогда, когда происходит резкое  торможение быстрых электронов, начиная с U ~ 50 кВ, при этом  (с – скорость света). В индукционных ускорителях электронов, таких как, бетатрон, электроны приобретают энергию до 50 МэВ, в этом случае Направляя такие электроны на твердую мишень, получим рентгеновское излучение с малой длиной волны. Это излучение обладает большой проникающей способностью.       

Исходя из классической электродинамики, при торможении электрона должны возникать излучения всех длин волн от нуля до бесконечности. Длина волны, на которую приходится максимум мощности излучения, должна уменьшиться по мере увеличения скорости электронов, что в основном подтверждается на опыте

 

 

      Но также в этой зависимости есть очень важные отличия  от классической теории, так нулевые распределения мощности не идут к началу координат, а обрываются при конечных значениях - это и есть коротковолновая граница рентгеновского спектра.      

Формула для расчета  установлена экспериментально, и имеет вид

 

 

      Можно говорить о том, что существование коротковолновой  границы непосредственно вытекает из квантовой природы излучения. И действительно, если излучение возникает за счёт энергии, которую электрон теряет при торможении, то энергия кванта  не может превысить энергию электрона , т.е., отсюда   или   

С помощью такого эксперимента, возможно, определить постоянную Планка h. Несмотря на то, что этот метод не самый сложный из других методов определения постоянной Планка; именно метод, основанный на измерении коротковолновой границы тормозного рентгеновского спектра, является самым точным.

Характеристическое рентгеновское излучение.

Характеристическое рентгеновское  излучение возникает при переходе электронов с внешних электронных  оболочек атома на внутренние. Спектр характеристического излучения линейчатый.  Когда энергия бомбардирующих анод электронов становится достаточной для вырывания электронов из внутренних оболочек атома, на фоне тормозного излучения появляются резкие линии характеристического излучения. Название характеристические линии, вызвано тем, что частоты этих линий зависят от природы вещества анода.

Состояние атома с вакансией  во внутренней оболочке неустойчиво. Электрон одной из внешних оболочек может  заполнить эту вакансию, и атом при этом испускает избыток энергии  в виде фотона характеристического  излучения:

 

Все переходы на k-оболочку образуют K-серию, соответственно, на l- и m-оболочки – L- и M-серии

В 1913 году Генри Мозли установил закон, связывающий частоты линий рентгеновского спектра с атомным номером испускающего их элемента:

 

Важно, отметить то, что закон  Мозли работает только для характеристического излучения.

Закон Мозли позволил по измерению длин волн λ рентгеновских лучей точно установить атомный номер элемента. Он сыграл большую роль при размещение элементов в таблице Менделеева.

Закон Мозли является основой рентгеноспектрального анализа.

Обычный рентгеновский спектр состоит из непрерывного спектра (тормозное  излучение) и характеристических линий (характеристическое излучение).

Рентгеновские спектры —  спектры испускания и поглощения рентгеновского излучения (электромагнитного  излучения с длиной волны в пределах от 10^-12 до 10^-9 м). Самым распространенным источником рентгеновского излучения является рентгеновская трубка. Спектр излучения рентгеновской трубки представляет собой наложение тормозного и характеристического рентгеновских спектров. Характеристические рентгеновские спектры практически не изменяются при вступлении химических элементов в соединения с другими элементами. По характеристическим рентгеновским спектрам можно определить присутствие отдельных химических элементов в любых сложных соединениях, в любом агрегатном состоянии вещества.

 

2. Устройство современной рентгеновской трубки

Открыв «Х-лучи», Рентген  тщательными опытами выяснил  условия их образования. Он установил, что эти лучи возникают в том  месте трубки, где летящие электроны, составляющие катодный пучок, задерживаются, ударяясь о стенку трубки. Исходя из этого обстоятельства, Рентген сконструировал и построил специальную трубку, удобную  для получения рентгеновских  лучей. В своих существенных чертах конструкция трубки Рентгена сохранилась  и до нашего времени. Рентгеновская трубка — электровакуумный прибор, предназначенный для генерации рентгеновского излучения.

В современной рентгеновской  трубке, источником электронов является вольфрамовый катод, нагреваемый до высокой температуры. Электроны  ускоряются до больших скоростей  высокой разностью потенциалов  между анодом (или антикатодом) и  катодом. Поскольку электроны должны достичь анода без столкновений с атомами, необходим очень высокий  вакуум, для чего нужно хорошо откачать трубку. Этим также снижаются вероятность  ионизации оставшихся атомов газа и  обусловленные ею побочные токи. В современных трубках электроны получаются путем накаливания катода. Регулируя ток в цепи накала рентгеновской трубки, а следовательно, и температуру катода, можно изменять количество испускаемых катодом электронов.

Катод современной рентгеновской  трубки содержит тугоплавкую нить накала, обычно из вольфрама. В двухфокусных диагностических рентгеновских  трубках, предназначенных для разных режимов, катод содержит две нити накала для каждого фокуса. Нити накала обычно выполняются в виде цилиндрической и плоской спирали  соответственно для линейчатого или круглого фокуса, и она окружена металлическим стаканчиком для фокусирования пучка электронов на зеркале анода (фокусе рентгеновской трубки).

Анод трубки представляет собой массивный чехол, обращенный к катоду скошенным торцом, чтобы выходящее рентгеновское излучение было перпендикулярно оси трубки. В толщу анода впаяна вольфрамовая пластинка.

При работе рентгеновской  трубки на аноде выделяется большое  количество тепла. Чтобы предохранить анод от перегрева и повысить мощность рентгеновской трубки, используются охлаждающие анод устройства: воздушное  радиаторное, масляное, водяное охлаждение, охлаждение лучеиспусканием. В качестве материала оболочки рентгеновской  трубки обычно применяют стекло, которое  позволяет прикладывать к электродам достаточно высокое напряжение, пропускает рентгеновское излучение без  заметного ослабления, достаточно прочно и непроницаемо для газов. Диагностические рентгеновские трубки работают при максимальных напряжениях до 150 кв, терапевтические — до 400  кв.

Резкость рентгеновского   изображения  обусловлена величиной  фокуса. Современные рентгеновские трубки имеют линейчатый фокус размером 10—40 мм2, но практическое значение имеет не действительная величина фокуса, а его видимая проекция в направлении пучка, т. е. размеры эффективного оптического фокуса.

В настоящее время выпускают  рентгеновские трубки различного назначения, отличающиеся как конструктивно, так  и мощностью, способами охлаждения, защиты от излучения и высокого напряжения.

Каждую новую трубку перед  пуском в работу необходимо проверить  на вакуум, не включая накала. Если при  этом появится розовое свечение или  искра, рентгеновская трубка потеряла вакуум и к работе непригодна. Трубку, сохранившую вакуум, подвергают тренировке: устанавливают ток 1—2 ма при высоком напряжении порядка 1/3 от номинального и в течение 30— 60 мин. напряжение и ток постепенно повышают до значений длительного режима, указанного в паспорте рентгеновской трубки. При эксплуатации рентгеновской трубки необходимо строго придерживаться режимов работы, указанных в ее паспорте.