بررسی اشعه ایکس و چگونگی تولید آن

اشعه ایکس وتهیه آن

اشعهایکس درسال۱۸۹۵  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 .
۱ـ 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 ـ 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 .

۲ـ 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 ـ آهن ـ کبالت ـ کُرم  ـ مولیبدن  ـ  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 ـ تیوپ بسته
ب ـ 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 ????                          
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 ۱۰۰kv کار می کند برابر  0.8  درصد و لامپ  اشعه ایکس  مسی که با ۳۰kv 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 ۱۰۵  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 » ـ که از عناصر سبک  نظیر لیتیوم و بُر ساخته می شود ـ 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 :
۱ـ 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 ۱× 10‍ میلیمتر و سطح کانونی ظاهری
خطی آن  به  شکل مربع  مستطیل به  ابعاد ۰.۱ × 10 میلیمتر و سطح کانونی ظاهری نقطه آن  به  شکل مربع  به  ابعاد۱ ×1 میلیمتر می باشد .
۲ـ 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 ?  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 ?  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 ?  را چه  برای  ازدیاد انرژی و چه برای ازدیاد سطح ظاهری کانون «S/Sin ?  » باید کوچک کرد  ولی چون ناهمواری سطح آنتی کاتد حتی در سطح میکروسکپی باعث  جذب  شعاع های مماسی می شود ، تقلیل   ?دارای حدی است .
زاویه ? در بهترین تیوپ های بسته۱.۵   درجه است ، واضح است که در چنین مولد هایی سطح آنتی کاتد باید کاملاً  صیقلی شده باشد .
معمولاً  ? درلامپ های تجارتی بین ۴  تا ۶  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 ( ۰.۰۲ 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 .