Физические основы метода.

Рентгеновское и гамма-излучения ( -излучений) относят к ионизирующим излучениям, которые при прохождении через вещество ионизируют его молекулы и атомы. Ионизирующее излучение имеет электромагнитную природу. Длина волн рентгеновских лучей составляет мм, -излучений мм.

В связи с вышеперечисленным, обладая большой энергией, рентгеновское и -излучение легко проникают через металл, теряя при этом часть энергии в зависимости от толщины и плотности этого ме­талла.

Рентгеновские лучи возникают тогда, когда поток быстролетящих электронов встречает на своем пути материю. При резком торможении часть энергии летящих электронов переходит в энергию рентгеновских лучей. Все эти процес­сы осуществляются в специальных вакуумных приборах, называемых рентгеновскими трубками.

В современной рентгенотехнике используются высоковакуумные (порядка Па) трубки с двумя (катод, анод) и более электродами. Трубка средней мощности состоит обычно из вакуумно-плотной колбы, изготовленной из стекла или по металлокерамической технологии (рис. 2.1) Для этих целей обычно используется боросиликатное стекло (В2О3, SiO2), которое позволяет применять стеклянно-металлические вводы на основе ковара, имеющего коэффициент теплового линейного расширения, как и у стекла. Трубки со стек­лянным баллоном чувствительны к тепловым и механическим ударам. Баллон металлокерамических трубок представляет собой металлический цилиндр, закрытый с обеих сторон керамическими дисками обычно из окиси алюминия. Высокие изоляционные характеристики такой керами­ки позволяют уменьшить размеры излучателей.

Рис. 2.1. Схема рентгеновской трубки: 1 – катод; 2 – нить накала катода; 3 – стеклянный колба; 4 – анод; 5 – источник высокого напряжения

Рис. 2.2. Схема металлокерамической рентгеновской трубки:

1 – катодный узел; 2 – металлический цилиндр; 3 – анодный узел; 4 – керамический диски

Катодный узел (катод) включает вольфрамовую нить накала, закрученную, как правило, в спираль и окруженную металлическим электродом, создающим вокруг нее такую конфигурацию электрического поля, при которой электроны, выходящие из катода, движутся к аноду в виде узкого электронного пучка. Нить обычно питается переменным током (50 Гц) от отдель­ного регулируемого трансформатора. Ток нити накала находится в пределах 1 ... 10 А. Ток трубки лежит в диапазоне несколько десятков микроампер, у микро­фокусных трубок - до 20 мА.

Анод рентгеновских трубок изготовляют из материала, обладающего высокой удельной теплопроводностью, например из меди, а мишень анода – из вольфрама или молибдена. Мишень плотно располагается в медном аноде для обеспечения высокой теплопроводности.

Принцип работы рентгеновской трубки:

Катод является источником электронов, а анод представляет собой мишень, бомбардируемую пучком электронов с катода. Как видно из рис.1, катод имеет форму чашки (фокусирующая чашка), в которой находится вольфрамовая спиральная нить накаливания. Под действием проходящего через нить электрического тока нить накаливается и испускает электроны. Количество испускаемых электронов пропорционально величине электрического тока, проходящего через нить. Ток измеряется в миллиамперах (мА). Таким образом величина тока (измеряемого в миллиамперах), проходящих через нить, определяет интенсивность рентгеновского излучения, испускаемого мишенью. Увеличение тока через нить (увеличение мА) приводит к увеличению количества испускаемых электронов, что, в свою очередь, ведет к увеличению интенсивности тормозного и характеристического рентгеновского излучения.

Рис. 1. Схематичное представление рентгеновской трубки

Фокусирующая чашка катода фокусирует электроны в пучок, направленный на мишень анода. На лицевой стороне анода, обращенной к катоду, имеется массивная вольфрамовая пластина, называемая мишенью. Маленький участок мишени, в которую попадает пучок электронов, называется фокусным пятном. Этот участок является источником тормозного и характеристического рентгеновского излучения. Большая часть энергии электронов, попадающих в мишень, преобразуется в тепло и лишь небольшой процент превращается в тормозное и характеристическое рентгеновское излучение.

Катод заряжен отрицательно, анод — положительно. Напряжение между ними выражается в пиковых киловольтах и называется пиковым киловольтажем (кВп). Величина напряжения определяет скорость пучка электронов. При увеличении напряжения увеличивается скорость пучка электронов, бомбардирующих мишень, что, в свою очередь, ведет к увеличению энергии формируемого мишенью тормозного и характеристического рентгеновского излучения, т.е. качества излучения.

Все органы управления элементами рентгеновской трубки расположены вне ее (снаружи) и подключены к катоду и аноду. Таймер контролирует время, в течение которого катод формирует пучок электронов. Полное количество электронов, образуемых катодом и достигающих анода, определяется произведением силы тока (в миллиамперах, мА) на длительность экспозиции в секундах (с).

Пучок рентгеновского излучения, облучающего объект, формируется специальным окошком, которое находится в металлическом кожухе, окружающем стеклянную колбу рентгеновской трубки. Этот пучок включает тормозное и характеристическое рентгеновское излучение разной длины волны и проникающей способности, определяемое величиной пикового киловольтажа (кВп), выбранного для данной экспозиции. Суммарное количество рентгеновского излучения в пучке на выходе рентгеновской трубки зависит от тока (мА), времени и выбранного пикового киловольтажа (кВп).

Рентгеновское излучение, прошедшее через объект, образует на детекторе (пленке) изображение. Пучок рентгеновского излучения, входящий образец, характеризуется равномерным распределением интенсивности излучения в зависимости от длины волны. Рентгеновское излучение, попавшее в объект, частично поглощается или проходит практически без поглощения в зависимости от того, что находится на пути пучка (дефекты: поры, подрезы, шлаковые и вольфрамовые включения или повышенное усиление). В результате на выходе из объекта излучения (образца) возникает специфическая картина распределения интенсивности рентгеновского излучения (именуемое выборочным ослаблением излучения). Это распределение интенсивности рентгеновского излучения несет в себе всю диагностическую информацию об образце. Эта информация затем фиксируется на детекторе (смотри рис. 2).

Тормозное излучение имеет непрерывный спектр в отли­чие от характеристического (или фотонного), имеющего дискретный (прерывистый) спектр. Характеристическое излучение возникает в результате изменения энергетиче­ского состояния атомов вещества. При выбивании электро­на с внутренней оболочки атома под действием тормозного излучения последний переходит в возбужденное состояние (рис. 6.7). Освобожденное в оболочке место мгновенно заполняется другим электроном с более удаленных оболочек. При переходе атома в нормальное (устойчивое) состояние испускается квант характеристического излучения, которое нашло применение при рентгеноструктурном анализе. В зависимости от энергии фотоны характе­ристического излучению объединяют в серии. Наибольшей энергией обладают фотоны К-серии, затем следуют L, М и другие (рис. 6.7).

Рис. 6.7. Схема возникновения характеристического излучения

Электромагнитное -излучение образуется при распаде ядер радиоактивных элементов (изотопов) вследствие естественного радиоактивного распада. При этом кроме электромагнитного -излучения существует еще несколько типов излу­чений при самопроизвольном распаде неустойчивых ядер изотопов: альфа-распад (ядра испускают -частицы) и бета-распад (ядра испускают -частицы — электроны или позитроны, обладающие энергиями от нулевого до некоторого, характерного для данного изотопа значения). Наибольшую энергию при распаде ядер изотопов имеет электромагнитное -излучение, которое и используется при контроле качества.

В результате ядерных превращений радиоактивные ядра становятся ядрами стабильных изотопов, и их общее число в изотопе убывает. Число таких превращений в единицу времени называют активностью радиоактивного источни­ка. В системе СИ единица ее измерения . На практике часто употребляют другую единицу активности — Кюри (1 Кюри равен и соответствует активности 1 г радия).

Активность радиоизотопных источников уменьшается со временем по закону

где — первоначальная активность источника в извест­ный момент времени, — активность источника через время t, — период полураспада (то есть промежуток времени, в течение которого активность источника умень­шается вдвое).