Рентгеновское излучение возникает при торможении движущихся электронов. Это физическое явление происходит в рентгеновской трубке, представляющей собой стеклянный вакуумный баллон с двумя впаянными электродами - анодом и катодом (рис. 1.1). Катод сконструирован так, чтобы он мог испускать большое количество электронов. При торможении электронов большая часть их кинетической энергии превращается в тепловую, поэтому поверхность анода при работе трубки нагревается до высокой температуры. Поверхность анода изготовляется из тугоплавкого металла, имеющего высокое атомное число, обеспечивающее относительно высокую «отдачу» рентгеновских лучей. Еще Вильгельм Конрад Рентген обнаружил, что интенсивность рентгеновского излучения в значительной мере зависит от природы вещества анода.
Рис. 1.1. Схема рентгеновской трубки
1. катод; 2. анод; 3. стеклянный баллон
К электродам рентгеновской трубки подводится высокое напряжение, что позволяет ускорить электроны в электромагнитном поле до необходимого энергетического уровня. От места падения электронов на анод рентгеновское излучение распространяется во всех направлениях, следовательно, может быть обнаружено не только со стороны падения электронов, но и с противоположной стороны анода. Поэтому анод современных рентгеновских трубок имеет значительную толщину, что позволяет получить пучок излучения, направленный преимущественно в одну сторону.
Спектр рентгеновского излучения. Подобно видимому свету, пучок рентгеновского излучения можно разложить на составляющие. Излучаемые трубкой рентгеновские лучи дают непрерывный спектр. При разложении пучка рентгеновского излучения на составляющие роль призмы играет естественная решетка, которую образуют правильно расположенные атомы (ионы, молекулы) некоторых кристаллов. Это так называемая пространственная решетка. Расстояние между атомами кристалла, называемое постоянной решетки, имеет величину 10-9 ... 10-10 м, что соизмеримо с длиной волны рентгеновского излучения. Следовательно, с помощью кристаллической решетки может наблюдаться явление интерференции рентгеновских лучей. Это позволяет определить длину волны излучения в любой части спектра. С помощью специального аппарата можно зарегистрировать спектр рентгеновского излучения на фотопленке. Спектрограмма, полученная таким образом, представляет все составляющие пучка рентгеновского излучения в порядке возрастания длины волны. Степень почернения фотопленки прямо пропорциональна энергии излучения составляющих (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Спектр рентгеновского излучения (рентгено-спектрограмма)
λ мин - длина волны самой коротковолновой составляющей спектра; λ макс - максимальная длина волны спектра; λ1λ2 - длины волн характеристического рентгеновского излучения
Тормозное излучение возникает на месте взаимодействия быстродвижущегося электрона с веществом анода. В момент торможения электрона в веществе анода небольшая часть его кинетической энергии превращается в электромагнитную энергию. Кинетическая энергия большей части электронов превращается в фотоны, имеющие различную энергию. Энергетические уровни обуславливают сплошной спектр пучка рентгеновского излучения, распространяющегося в окружающем пространстве в виде электромагнитных волн.
Характеристическое рентгеновское излучение имеет определенную длину волны и возникает только в том случае, когда электроны, взаимодействующие с веществом анода, обладают достаточно большой энергией для обеспечения перехода электронов атомов вещества анода на более высокий энергетический уровень. Характеристическое излучение зависит от природы вещества анода. Длина волны и, следовательно, жесткость рентгеновского излучения пропорциональны скорости электронов.
Соотношение между напряжением на аноде рентгеновской трубки и длиной волны выражается формулой Дюне Ганта: λ мин. = 12 х 345/U[1 x 10-10 м], где λ мин. - длина волны данной части спектра рентгеновского излучения в ангстремах (10-10 м); U - напряжение на трубке, выраженное в киловольтах (кв).
Интенсивность рентгеновского излучения зависит от количества электронов, взаимодействующих с веществом анода. Увеличение силы тока на аноде трубки увеличивает интенсивность рентгеновского излучения.
Из вышесказанного следует, что генерированное в рентгеновских трубках излучение всегда представлено лучами различной энергии, дающими сплошной спектр. Качественной характеристикой комплексного излучения является его проникающая способность. Проникающая способность излучения большей энергии выше, чем излучения с более низкой энергией. Поэтому пучок излучения характеризуется в первую очередь по наиболее коротковолновой части спектра.
