اشعه ایكس وتهیه آن

اشعهایكس درسال1895  توسط رونتگنRontgon   كشف شد . این دانشمندضمن آزمایش هایی كه درباره  فلورسانس انجام می داد ، مشاهده نمودكه اگر جداره  لوله كروكس  را با كاغذ  سیاهی  بپوشاند ، تشعشع  حاصل  به هنگام تخلیه  الكتریكی در داخل  لوله كروكس ، صفحه و فیلم  عكاسی موجود درخارج لوله كروكس پوشانده شده با كاغذ سیاه را متأثر می سازد . یعنی دراثر بمباران  ماده  توسط  الكترون ، اشعه ای حاصل می شود كه  از اجسام كدر عبور می نماید. چون در ابتدای امر طبیعت این اشعه مجهول بود آن را اشعه ایكس  نامید . امروزه اشعه ایكس را می توان توسط لامپ های یونی و لامپ های الكترونی تهیه نمود .
1ـ لامپ های یونی: لامپ های یونی ازحباب شیشه ای كه دارای دوالكترود  می باشد و فشار هوای  داخل  آن در حدود  0.5  میلیمتر  جیوه می باشد درست شده است . به طوریكه در صورت ایجاد اختلاف  پتانسیل نسبتا‏‎ً  زیاد بین دو الكترود یا دو قطب  اشعه كاتودیك حاصل شده و در اثر برخورد این اشعه كاتودیك بر آند ،كه آن را آنتی كاتد می نامیم ،اشعه ایكس تولید می ـ شود . چون  قسمت اعظم  انرژی الكترون ها  به صورت حرارت درآنتی كاتد ظاهر می شود ، لذا  برای جلوگیری از ذوب آنتی كاتد  آن را از فلزات دیرگداز مانند  پلاتین و یا  تنگستن می سازند در شكل زیر نمونه ای از یك لامپ یونی را مشاهده می كنید .

2ـ لامپ های الكترونی یا لامپ های كولیج  Coolidge  :
این لامپ  در   1912توسط كولیج  ساخته  شده است .  مكانیسم  این لامپ مانند یك لامپ دو قطبی می باشد بدین ترتیب كه یك فیلمان یا رشته سیم ازجنس تنگستن بااستفاده ازولتاژ  6.3ولت گرم شده و فلز دهنده الكترون را طبق پدیده  ترمویونیك گرم می نماید . الكترون های به وجود آمده تحت تاُثیر پتانسیل DC  بالا كه بین  همین  فلز دهنده  الكترون (كاتد) و فلز آند (آنتی كاتد) الكترون ها سرعت نزدیك  به ثلث تا نصف سرعت نور به خود اختصاص می دهد ،كه ضمن برخورد با آنتی كاتد نیز متوقف  شده و در نتیجه  تمام  انرژی آن  به حرارت  تبدیل  می شود  لذا  ضمن این كه آنتی كاتد از فلزات دیر گداز  نظیر مس ـ آهن ـ كبالت ـ كُرم  ـ مولیبدن  ـ  تنگستن و نقره می سازند و آن را توسط جریان هوا یا آب خنك می نمایند .لامپ های مولد اشعه ایكس كه براساس لامپ كولیج شناخته شده بر دو نوع :
الف ـ تیوپ بسته
ب ـ تیوپ های جدا شدنی
می باشد كه هر دو در خلأ كار می كنند و بازده این  نوع لامپ ها از رابطه زیر به دست می آیند :
                                                                                                 
z   V     10-9   × 1.1 ????                          
كه درآن  z  عدد اتمی آنتی كاتد و  Vاختلاف پتانسیلی است كه بین آند و كاتد بسته می شود مثلاّ  بازده لامپ  اشعه ایكس تنگستنی كه با 100kv كار می كند برابر  0.8  درصد و لامپ  اشعه ایكس  مسی كه با 30kv كار می كند برابر  0.2 درصد می باشد .
در زیر ، شكل و اجزای  تشكیل دهنده  تیوپ های بسته  مولد اشعه ایكس را ملاحظه می كنید كه متشكل از یك محفظه  شیشه ای با  فشار داخلی 105  میلیمتر جیوه ، یك كاتد و یك  آند می باشد . نیمی  از یك  محفظه   شیشه ای دریك غلاف فلزی قرار دارد كه جنس آن از آلیاژ كووار covar (مس ، فولاد ، كُرم و مولیبدن ) است البته جنس شیشه طوری است كه مانع عبور اشعه ایكس می باشد . دراین لامپ فیلمان یا رشته سیم تولیدكننده گرما والكترون  با  استفاده از پدیده  ترمویونیك از جنس  تنگستن انتخاب  شده و به عنوان كاتد استفاده  می شود ، شیشه جوش خورده و انتهایش به طرف ولتاژ كم AC هدایت می شود . اطراف رشته سیم تولید كننده گرما را محفظه فلزی احاطه كرده كه تولید كننده و متمركزكننده الكترون های خروجی در اثر پدیده  ترمویونیك  بر روی سطح  آنتی كاتد است اگر پتانسیل لازم بین كاتد و آنتی كاتد  برقرار  باشد . بنا بر این سطحی كه محل  برخورد الكترون ها  با  آنتی كاتد است كوچك  می باشد . این سطح را « سطح كانونی » نامند . با تغییر  شدت  جریان گذرنده از رشته سیم تعداد الكترون های آزاد شده و همچنین شدت اشعه ایكس را تغییر داد . البته چون الكترون هایی كه به آنتی كاتد  برخورد می كنند  توسط آنتی كاتد  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 كاتد آن را با جریان هوا یا آب خنك می كنند .
اشعه ایكس تولید  شده از دریچه هایی كه روی بدنه لامپ تعبیه شده است ، خارج می شود ، ایجاد این دریچه ها از نظر مكانی  و از  نظر جنس  یكی از كارهای اساسی سازندگان مولد اشعه ایكس است .
ازآن جایی كه شیشه های معمولی مانع عبور اشعه ایكس بخصوص اشعه ایكس حاصل از آنتی كاتد  مس و كُرم هستند ، به جای  شیشه معمولی ، ابتدا از شیشه « لن دومان » ـ كه از عناصر سبك  نظیر لیتیوم و بُر ساخته می شود ـ استفاده می كردند . ولی به خاطر جذب اشعه ایكس از آنتی كُرم و جذب رطوبت زود از بین می رفت ، درلامپ های جدید از ورقه های  نازك  فلز برلیوم كه بسیار محكم  و در عین  حال  جاذب  اشعه ایكس نیست ، استفاده می كنند كه غالباً  همراه با ورقه نازكی از میكا  به كاربرده می شود .
شكل و ابعاد سطح كانونی لامپ اشعه ایكس
مولدهای  اشعه ایكس  بر اساس قدرت  تشعشعی كه  دارند ، دسته بندی  می شوند ، این قدرت تشعشعی برحسب جنس آنتی كاتد و ساختمان سطح كانونی آن بستگی  دارد  ، طبق  تعریف  و قرار  داد ، سطح كانونی مساحتی از آنتی كاتد است كه درمعرض  برخورد الكترون ها قرار می گیرد ، بنابراین می توان گفت كه قدرت تشعشعی یك مولد اشعه ایكس به قدرت  تحمل  سطح كانونی آن  بستگی دارد .  معمولاً مساحت  سطح كانونی از مساحت مورد نیاز بیشتر است . با وجود آن ارزش لامپ های مولد اشعه ایكس به دو عامل اساسی بستگی دارد :
1ـ سطح كانونی
در شكل زیر ( الف )  سطح كانونی حقیقی و  سطوح كانونی ظاهری  را  در دو امتداد عمود برهم مشاهده می كنیدكه سطح كانون حقیقی لامپ مولد اشعه ایكس تجارتی مربع مستطیل به ابعاد 1× 10‍ میلیمتر و سطح كانونی ظاهری
خطی آن  به  شكل مربع  مستطیل به  ابعاد 0.1 × 10 میلیمتر و سطح كانونی ظاهری نقطه آن  به  شكل مربع  به  ابعاد1 ×1 میلیمتر می باشد .
2ـ نحوه پخش بار الكترونی در روی سطح كانونی
این پخش باید تا حدّ ممكن  یكنواخت باشد . كه نحوه توزیع بار الكترونی  در روی سطح كانونی درلامپ های بسته از مشخصات اصلی لامپ است . و تنها عاملی كه تا حدودی در اختیار است  زاویه  شعاع های خروجی با  سطح آنتی كاتد است .
پرتوهایی كه به وسیله  آنتی كاتد فرستاده می شوند ، درتمام جهات ، دارای شدت مساوی هستند . اگر ?  زاویه میانگین پرتوهای خروجی از دریچه S   با سطح آنتی كاتد باشد (شكل ب صفحه قبل ) ، طبق تعریف سطح  مفید  سطح كانونی  برابر  S /Sin ?  خواهد بود .
با توجه به این كه مولد اشعه ایكس مانند یك منبع نورانی نیست و تغییر زاویه  منبع  نسبت به سطح  ورودی  دریافت كننده ، سبب  تغییر انرژی دسته اشعه ایكس 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 كانون «S/Sin ?  » باید كوچك كرد  ولی چون ناهمواری سطح آنتی كاتد حتی در سطح میكروسكپی باعث  جذب  شعاع های مماسی می شود ، تقلیل   ?دارای حدی است .
زاویه ? در بهترین تیوپ های بسته1.5   درجه است ، واضح است كه در چنین مولد هایی سطح آنتی كاتد باید كاملاً  صیقلی شده باشد .
معمولاً  ? درلامپ های تجارتی بین 4  تا 6  درجه تغییر می كند. دراین نوع لامپ ها به جای دو دریچه ، دو جفت دریچه درست می كنند ، به طوریكه محور هرجفت دریچه بر محورجفت دریچه دیگر عمود باشد . البته مولدهایی نیز می توان یافت كه سطوح كانونی آن ها دوایری به قطریك میلیمتراست . بهترین مولد اشعه ایكس آن هایی هستند كه توزیع و نحوه  پخش الكترون روی آنتی كاتد آن ها یكنواخت باشد برای این كار  به  هنگام تنظیم دستگاه یكی از دو آزمایش زیر را انجام می دهند :
صفحه سوراخ داری كه حائل  پرتو ایكس است  و ابعاد سوراخ آن  به مراتب از ابعاد سطح كانونی كوچكتر است ( 0.02 میلیمتر ) در مسیر دسته اشعه ایكس قرار می دهند تا  تصویر دایره ای  شكل روی  قطعه  فیلم مستقر در پشت  صفحه  سوراخ دار كه  به نسبت  P /  S   بزرگ  شده است ، به دست آید البته می توان به جای سوراخ دایره ای  شكل یك شكاف  مربع  مستطیل قرار داد و تصویر سطح كانونی را در دو امتداد تهیه  نمود و نحوه  توزیع  شدت تشعشع پرتو ایكس را دردو امتداد طولی وعرضی بررسی واصلاح های لازم  را جهت  توزیع  یكنواخت روی  آنتی كاتد  انجام  داد . در مولدهای تجارتی ، كمتر می توان یك چنین مولدهای اصلاح  شده را  به دست آورد . لازم  به تذكر است كه سطح كانونی ، به مرور كاركرد مولد  شكل خود را از دست می دهد ، و بدین ترتیب ازارزش مولد كاسته می شود .