Рентгеновское излучение - это электромагнитные волны, длины которых лежат в интервале от ультрафиолета до гамма - лучей.

Для рентгеноструктурного анализа используется рентгеновское излучение с длинами волн от долей ангстрема (1 Å = 10^-8 см) до нескольких ангстрем.

В структурном анализе и в медицине основными источниками рентгеновских лучей служат рентгеновские трубки, представляющие собой вакууммированный стеклянный сосуд (давление газа в трубке менее 10^-6 мм рт. ст.) с двумя впаянными металлическими электродами (катод и анод). Катод в разогретом состоянии является источником свободных электронов. Рабочий участок анода рентгеновской трубки представляет собой металлическое зеркало, изготовленное из различных металлов: Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Rh или Ag.

В электрическом поле катод - анод ( V = 30 - 60 кВ) электроны движутся к аноду со скоростью, соизмеримой со скоростью света. В результате процессов торможения и взаимодействия электронов с веществом анода с его поверхности распространяется излучение, характер которого изменяется в зависимости от конструкции трубки и режима ее работы.

Следует заметить, что при соударении электронов с веществом анода в энергию рентгеновского излучения переходит лишь очень небольшая часть энергии электронов. Если обозначить через ε отношение энергии электронов к энергии испускаемого пучка рентгеновских лучей, то ε = 1.1 × 10^-6 Z × V , где Z - атомный номер анода, V - напряжение на рентгеновской трубке в киловольтах (кВ) . Для трубки с вольфрамовым анодом при V = 100 кВ, e = 0,008 = 0,8 % , следовательно, почти вся энергия потока электронов превращается в тепло, расходуясь на разогрев анода. Вследствие этого конструкция рентгеновских трубок обязательно предусматривает охлаждение анода проточной водой. На рисунке 1 приведена схема рентгеновской трубки для структурного анализа.

Рис . 1. Схема рентгеновской трубки для структурного анализа: 1 - металлический стакан анода (обычно заземляется); 2 - бериллиевые окна для выхода рентгеновского излучения; 3 - термоэмиссионный катод; 4 - стеклянная колба; 5 - выводы катода, к которым подводится напряжение накала, а также высокое (относительно анода) напряжение; 6 - электростатическая система фокусировки электронов; 7 - анод; 8 - патрубки для подсоединения системы охлаждения.

Рентгеновское излучение, появляющееся при облучении анода пучком электронов, связано с двумя механизмами возникновения.

Одно излучение - тормозное - образуется при торможении быстрых электронов при их движении в веществе анода и представляет собой сплошной (непрерывный) спектр следующих друг за другом различных по длине и интенсивности волн.

Другое - характеристическое – возникает, когда напряжение на трубке превышает определенное значение, зависящее от материала анода. В этом случае ускоренные в трубке электроны могут выбить электрон с близких к ядру электронных орбит атомов анода. Образование электронной вакансии переводит атом в возбужденное состояние со временем жизни около 10^-8 с. При переходе атома в невозбужденное состояние путем самопроизвольного заполнения вакансии электроном с более далекого от ядра уровня избыток энергии выделяется в виде кванта рентгеновского излучения. Энергия испускаемого кванта равна разности энергий электрона на внешнем и вакантном уровнях.

Схема возникновения характеристического излучения приведена на рисунке 2.

Рис. 2. Схема возникновения характеристического спектра рентгеновских лучей (модель Бора, радиусы орбит даны не в масштабе).

Распределение интенсивности сплошного (тормозного) спектра по длинам волн и линии характеристического спектра молибденового анода показаны на рисунке 3.

Рис. 3. Непрерывный спектр тормозного излучения и линии K-серии характеристического спектра для молибденового (Мо) анода.

Спектр длин волн тормозного излучения определяется напряжением, приложенным к трубке, и от вещества анода зависит только его интенсивность. Характерной особенностью спектра тормозного излучения является наличие резкой границы со стороны коротких длин волн (λ₀). Значение коротковолновой границы сплошного спектра λ₀ можно определить, используя квантово - механическое уравнение Эйнштейна для отдельного электрона. При условии, что вся энергия электрона, прошедшего в электрическом поле разность потенциалов V, превращается в квант тормозного излучения, уравнение Эйнштейна имеет вид:

.

При измерении напряжения на трубке V в киловольтах длину волны в ангстремах (Å) можно найти как

(Å).

Если при торможении электрона часть энергии идет на возбуждение различных процессов в веществе анода, то энергия кванта излучения будет меньше и, следовательно, длина волны больше. Так возникает совокупность различных длин волн в спектре.

Возбуждение характеристического излучения происходит при вполне определенном для данного вещества анода напряжении на трубке V₀, которое называется потенциалом возбуждения. На фоне сплошного спектра тормозного излучения данного анода линии характеристического будут присутствовать при всех напряжениях V > V₀ (рис. 3). Повышение напряжения на трубке увеличивает интенсивность и сплошного, и характеристического излучений, но длины волн характеристических максимумов и соотношение их интенсивностей остаются неизменными.

Наиболее интенсивными линиями характеристического спектра являются линии K - серии: К_α и К_β (длины волн λ_α и λ_β). На рисунке 4 показана схема электронных переходов, ответственных за испускание α и β рентгеновского излучения К - серии характеристического спектра.

Рис. 4. Схема электронных переходов, ответственных за испускание линий К - серии характеристического спектра

Абсолютная интенсивность (I) характеристических максимумов определяется величиной тока (i), проходящего через трубку, и разностью между рабочим напряжением на трубке (V) и потенциалом возбуждения (V₀).

Эмпирически установлено, что для лучей К - серии интенсивность определяется уравнением:

I = χ × i × (V - V₀)^m

где χ - коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора единиц измерения; показатель степени m = (1.6÷2).

При падении рентгеновских лучей на образец происходят процессы рассеяния и истинного поглощения. Процессы взаимодействия рентгеновских лучей с ядрами атомов очень слабы, и их можно не учитывать. В результате взаимодействия падающих лучей с электронами атомов возникают когерентное (упругое) и некогерентное (с увеличенной длиной волны) типы рассеяния. Линии рентгенограммы образуются за счет интерференции когерентных волн. Некогерентное (комптоновское) рассеяние вносит вклад в непрерывный фон рентгенограммы.

При истинном (фотоэлектрическом) поглощении энергия кванта падающих лучей расходуется на выбивание электрона с какой-либо оболочки атома исследуемого вещества и на сообщение выбитому электрону кинетической энергии. На освободившееся место переходят электроны с вышерасположенных уровней, и возникает вторичное (флуоресцентное) характеристическое излучение. Ясно, что тормозного излучения при этом не возникает. Кроме испускания вторичных рентгеновских лучей, процесс перехода атома в невозбужденное состояние может сопровождаться испусканием не фотона, а электрона. Этот безизлучательный переход называется вторичным фотоэффектом или Оже - эффектом.

Качество рентгенограммы в сильной степени зависит от выбора излучения. Одной из главных причин резкого возрастания фона на рентгенограммы при неправильно выбранном излучении является вторичное (флуоресцентное) излучение, которое возникает тогда, когда энергия характеристического излучения анода рентгеновской трубки достаточна для выбивания электрона с К - уровня исследуемого материала. Этот эффект наблюдается всегда, когда порядковый номер вещества анода на 2 - 3 и более единиц выше порядкового номера образца.

Поэтому для получения дифракционной картины следует использовать рентгеновские трубки с веществом анода, порядковый номер которого ниже, равен или, в крайнем случае, на единицу больше, чем порядковый номер самого легкого элемента в исследуемом материале.

Но из этого правила есть исключения. Алюминий, например, можно исследовать на излучениях, получаемых от анодов, не удовлетворяющих указанному правилу. Хотя на этих излучениях алюминий и будет давать сильное флуоресцентное излучение, но длина волны его настолько велика (λ = 8.34Å), что оно практически полностью поглощается тончайшими слоями воздуха. Этот же вывод относится ко всем элементам, порядковый номер которых меньше или на 1 - 2 единицы больше порядкового номера алюминия.

Приведенное выше правило не распространяется и на случай исследования веществ, на излучениях, полученных в трубках, порядковый номер анода которых намного превышает порядковый номер самого тяжелого элемента, входящего в состав образца, от которого нужно получить рентгенограмму. Например, железо, кобальт, медь и т.д. можно рентгенографировать на молибденовом излучении. Эти элементы будут давать вторичное флуоресцентное излучение, но от него легко избавиться. При получении рентгенограммы фотометодом для этого достаточно поставить перед пленкой алюминиевый фильтр (фольга толщиной 0.1÷0.5 мм), который сильно поглощает флуоресцентное излучение, но слабо поглощает рентгеновские лучи молибдена. В случае регистрации дифракционной картины на дифрактометре флуоресцентное излучение устраняется либо выбором окна дифференциального дискриминатора, либо установкой кристалла-монохроматор в отраженных лучах

При увеличении напряжения на рентгеновской трубке увеличивается интенсивность как характеристического, так и сплошного спектров. При этом отношение интенсивности линий характеристического спектра к суммарной интенсивности сплошного спектра сначала возрастает, затем стабилизируется и при очень больших напряжениях уменьшается. Для структурного анализа важно так подобрать напряжение на трубке, чтобы отношение интенсивностей линий K - серии к максимальной интенсивности сплошного спектра, образующего фон рентгенограммы, было максимальным. Эксперимент показал, что это условие удовлетворяется при рабочем напряжении на трубке V = (3÷4)V₀.

Если для получения рентгенограммы используется характеристический спектр, то оптимальным является напряжение, в 3 - 4 раза превышающее потенциал возбуждения данной серии спектра. Например, для медного излучения потенциал возбуждения линий K - серии V₀ = 9 кВ. Следовательно, оптимальное напряжение на трубке V_опт = (27÷36) кВ. Потенциалы возбуждения для различных элементов приведен в таблице 1.

Таблица 1.
Потенциалы возбуждения элементов.

Аппараты для рентгеноструктурного анализа рассчитаны на напряжение до 50 - 70 кВ, поэтому для молибденового излучения оптимальным напряжением следует считать максимально возможное напряжение для данного аппарата.

Рентгеновские трубки при напряжениях, используемых в рентгеноструктурном анализе, обладают очень малым коэффициентом полезного действия (несколько десятых долей процента). Остальная доля энергии электронов превращается в тепло, которое отводится током воды, протекающей через тело анода. Но, несмотря на принудительное охлаждение, для каждого материала анода имеется предельная мощность.

Поэтому, выбрав напряжение, нужно установить такой ток через трубку, чтобы мощность, выделяемая на аноде, не превышала предельной мощности. Предельные мощности для различных трубок и различных материалов анода приведены в таблице 2.

Таблица 2.
Предельные мощности для различных трубок и материалов.

Если трубка работает в схеме с практически постоянным напряжением, то сила тока получается делением предельной мощности на напряжение на трубке (определяется как отношение предельной мощности к напряжению на трубке).

Если трубка работает в схеме с пульсирующим напряжением, то полученный результат можно разделить еще на 0.7.

Характеристический спектр обычно состоит из К_β - линии и К_α1 и К_α2 - линий (очень тесный дублет). Интенсивность линии К_α (суммарной) приблизительно в 7.5 раза выше интенсивности К_β - линий. Для рентгеноструктурных исследований в подавляющем большинстве случаев используется К_α - линия. К_β - линия, давая свою систему отражений, затрудняет расшифровку рентгенограмм, особенно при анализе многофазных систем. Но от К_β - линии можно избавиться. Для этой цели перед образцом на пути падающего луча ставится селективно поглощающий фильтр.

Принцип действия β - фильтра рассмотрен на примере Cu -излучения, β - фильтром для которого является никель (Ni) . Длины волн К_α - и К_β - линий для медного излучения равны 1.54 Å и 1.39 Å соответственно. Коэффициент поглощения никеля в функции длины волны имеет вид, показанный на рисунке 4.

Из рисунка видно, что линии К_α и К_β находятся по разные стороны от скачка поглощения, при этом К_α поглощается слабо, а К_β очень сильно. Если толщина никелевого фильтра составляет всего 21 мкм, то отношение интенсивностей К_α и К_β будет 1 : 600, вместо 1 : 7 без фильтра, т.е. К_β линия поглощается практически нацело. Аналогичным образом можно подобрать β - фильтр для любого другого излучения. При этом оказывается, что в большинстве случаев β - фильтром является элемент с порядковым номером на единицу меньше, чем порядковый номер анода рентгеновской трубки.

Рис. 5. Зависимость коэффициента поглощения Ni от функции длины волны.

Прежде чем начать включение рентгеновской установки, необходимо:

1. Убедиться, что в помещении, где установлены рентгеновские трубки, за ограждениями высоковольтного трансформатора и выпрямительных устройств нет сотрудников лаборатории.
2. Установить в исходное положение (крайнее левое) на пульте управления ручки коммутатора и ползунки реостатов накала.
3. ВКЛЮЧИТЬ ВОДУ!
4. Включить сетевой щиток.
5. Регулятором "Сеть" на пульте управления включить прибор, при этом загорается неоновая лампа "Готов к пуску".
6. Нажатием кнопки "пуск" подать на трубку высокое напряжение, установить нужную величину высокого напряжения регулятором "Напряжение".
7. При помощи реостата "Накал" установить необходимый ток.

Порядок отключения рентгеновской установки обратный включению.

Все подготовительные работы, предшествующие рентгенографированию, должны производиться при выключенной установке. При установке камер исполнитель, который по необходимости находится в сфере действия рентгеновских лучей, должен вести себя так, чтобы на него не попадало прямое излучение.

При необходимости работы на нескольких установках, находящихся в одном и том же помещении, наводка камер производится поочередно на каждой трубке.

Две и более установки включаются для производства экспозиций после окончания подготовительных работ и в отсутствии сотрудников и студентов в помещении, где находятся действующие рентгеновские трубки.

Запрещается одновременная наводка нескольких камер на работающей трубке. Нерабочие окна рентгеновской трубки изолируются свинцовыми заслонками.

Сотрудникам лаборатории и студентам во время работы запрещается находиться в помещении с включенными рентгеновскими трубками!

Наблюдение за работой рентгеновской установки осуществляется при помощи пульта управления, который должен быть установлен в другом помещении.

Нельзя оставлять рентгеновские установки без надзора.

1. В дебаевской камере получить по 1 рентгенограмме с железного образца в железном, кобальтовом, медном и молибденовом излучениях.
2. Подобрать фильтры.
3. Объяснить полученные рентгенограммы.

1. Рентгеновские лучи /Под ред. Блохина М. А. М.:Изд-во ИЛ, 1960.
2. Хараджа Ф. Н. Общий курс рентгенотехники. М.; Л.: Государственное энергетическое издательство, 1956.
3. Гинье А. Рентгенография кристаллов. М.: ГИФМЛ, 1961.
4. Качанов Н. Н., Миркин Л. И. Рентгеноструктурный анализ. М.: ГНТИ машиностроительной литературы, 1960.
5. Рентгенография. Спецпрактикум /Под ред. Кацнельсона А. А. и др. М.: Изд-во МГУ, 1985.
6. Косолапов Г. Ф. Рентгенография. М.: Высшая школа, 1962.