Залежність інтенсивності характеристичного рентгенівського випромінювання від сили струму та напруги на аноді

Більшість застосувань рентгенівських променів ґрунтується на їхній здатності проходити крізь речовину. Оскільки ця здатність залежить від густини речовини, стає можливим отримання зображень внутрішніх частин об'єктів і навіть людей. Це знаходить широке застосування в таких галузях, як медицина або безпека.

Попередні

знання

Попередні знання, необхідні для цього експерименту, наведено в розділі "Теорія".

Науковий

принцип

Рентгенівський спектр рентгенівської трубки з мідним анодом вибирають за довжиною хвилі за допомогою монокристала LiF як аналізатора і реєструють за допомогою трубки-лічильника Гейгера-Мюллера. Інтенсивність характеристичних ліній и визначається залежно від сили струму і напруги на аноді.

Мета навчання

Мета цього експерименту - дослідити інтенсивність характеристичного рентгенівського випромінювання в залежності від сили струму та напруги на аноді.

• Проаналізуйте інтенсивність рентгенівського випромінювання молібдену в залежності від кута Брегга та за допомогою монокристала LiF.
• Визначте інтенсивність характеристичних рентгенівських ліній в залежності від напруги та сили струму на аноді.
• Порівняйте результати експерименту з результатами, яких можна очікувати теоретично.

Завдання

Параметри для експерименту з вольфрамовою трубкою наведено в додатку.

Глибина проникнення іонізуючих електронів у матеріал анода, а також глибина виходу генерованих рентгенівських променів обмежені. Коли вони обидва досягають свого максимуму, співвідношення, зазначене в (1), втрачає свою силу.

Відповідно до рис. 1, закон Брегга застосовний до конструктивної інтерференції:

(2)

(d - міжплощинна відстань; n = 1, 2, 3, ...)

Рис. 1: Бреггівське розсіювання на парі площин решітки

Якщо відома міжплощинна відстань , то за допомогою кута падіння можна визначити довжину хвилі . Енергія випромінювання виникає в результаті:

(3)

Об'єднуючи (2) і (3), отримуємо:

(4)

Постійна Планка h = 6,6256

Швидкість світла c = 2,9979

Міжплощинна відстань LiF (200) d = 2,014

Еквівалент 1 еВ = 1,6021

Підключіть гоніометр і лічильну трубку Гейгера-Мюллера до відповідних роз`ємів в експериментальній камері (див. червоне маркування на рис. 2). Блок гоніометра з кристалом аналізатора має перебувати в крайньому положенні з правого боку. Закріпіть трубку лічильника Гейгера-Мюллера з тримачем на задньому упорі напрямних. Не забудьте встановити діафрагму перед трубкою лічильника (див. рис. 3). Вставте трубку з діафрагмою діаметром 2 мм у вихідний отвір знімного блоку трубки.

Рис. 2: Роз'єми в експериментальній камері

Рис. 3: Встановлення гоніометра

Для калібрування: Переконайтеся, що в параметри гоніометра введено правильний кристал. Потім виберіть "Меню", "Гоніометр", "Автокалібрування". Тепер установка визначить оптимальні положення кристала і гоніометра відносно один одного, а потім і положення піків.

• Підключіть рентгенівську установку через USB-кабель до USB-порту комп'ютера (потрібний порт рентгенівської установки зазначено на малюнку 5).
• Запустіть програмне забезпечення measure. На екрані з'явиться віртуальна рентгенівська установка.
• Ви можете керувати рентгенівською установкою, натискаючи на різні функції на віртуальній рентгенівській установці та під нею. Крім того, Ви можете змінити параметри на реальній рентгенівській установці. Програма автоматично прийме налаштування.

Рис. 4: Підключення комп'ютера

Рис. 5: Частина інтерфейсу ПЗ

Рис. 6: Налаштування гоніометра (кристал LiF)

• Натисніть на експериментальну камеру (див. червоне маркування на рис. 5), щоб змінити параметри експерименту. Виберіть параметри, як показано на рис. 6, для кристала LiF.
• Якщо натиснути на рентгенівську трубку (див. червоне маркування на мал. 5), Ви зможете змінити напругу і силу струму рентгенівської трубки. Виберіть параметри, як показано на рис. 7.

Рис. 7: Налаштування напруги та сили струму

• Почніть вимірювання, натиснувши на червоне коло:
• Після вимірювання з'явиться наступне вікно:

Визначте інтенсивність характеристичних рентгенівських ліній міді в залежності від напруги та сили струму на аноді.

• Натисніть на експериментальну камеру (див. червоне маркування на рис. 5), щоб змінити параметри експерименту. Виберіть діапазон сканування 19°-24°.

• Якщо Ви хочете визначити інтенсивність залежно від сили струму на аноді, запишіть спектр з різними силами струму на аноді. Налаштування параметрів: = 35 кВ = const; = 35 кВ ... 11 кВ із кроком 2-3 кВ.

• Якщо Ви хочете визначити інтенсивність в залежності від напруги на аноді, запишіть спектр з різними анодними напругами. Налаштування параметрів: = 1 мА = const; = 1 мА ... 0,1 мА з кроком 0,1 мА.

• Оцінка така сама, як і для завдання 1.

Огляд налаштувань гоніометра і рентгенівської установки:

• Режим з`єднання 1:2
• Час виходу 2 с; ширина кроку кута 0,1°

Для запису повного спектра:

• Діапазон сканування 4°-55° (монокристал LiF)
• Напруга на аноді = 35 кВ; Сила струму на аноді = 1 мА

Завдання 1: Проаналізуйте інтенсивність рентгенівського випромінювання міді в залежності від кута Брегга за допомогою монокристала LiF.

На рис. 8 показано рентгенівський спектр міді до інтерференції другого порядку. У таблиці наведено кути падіння характеристичних ліній, а також відповідних довжин хвиль, які були розраховані на основі (2).

Рис. 8: Рентгенівський спектр міді, монокристал LiF як аналізатор

Завдання 2: Визначте інтенсивність характеристичних рентгенівських ліній міді в залежності від напруги та сили струму на аноді

Інтенсивність в залежності від напруги на аноді

На рис. 9 показано відповідний діапазон сканування з частотою імпульсів для різних обраних напруг на аноді. На рис.10 нижні криві показують виміряну інтенсивність (частоту імпульсів) характеристичних ліній (максимум інтенсивності ліній) залежно від сили струму на аноді при постійній напрузі на аноді = 35 кВ. Проте занадто висока частота імпульсів призводить до насичення лічильника Гейгера-Мюллера. Відхилення кривих вимірювання від очікуваної лінійності може бути усунуто шляхом урахування мертвого часу трубки Гейгера-Мюллера за високих значень частоти імпульсів. Ці скориговані значення представлені верхніми кривими на рис. 10.

Рис. 9: Діапазон сканування 19° < < 24° за різних напруг на аноді

Рис. 10: Інтенсивність и лінії (n = 1) залежно від .

Якщо - мертвий час трубки лічильника Гейгера-Мюллера і - виміряна частота імпульсу, то справжня частота імпульсів N дорівнює:

Інтенсивність в залежності від сили струму на аноді

На рис. 11 показано відповідний діапазон сканування з частотою імпульсів для різних обраних сил струмів на аноді.
На рис. 12 показано перебіг інтенсивності двох характеристичних ліній в залежності від напруги на аноді ( = const = 1 мА). Нижні криві представляють виміряні частоти імпульсів, а верхні криві показують частоти імпульсів, скориговані з урахуванням мертвого часу лічильника Гейгера-Мюллера.

Рис.11: Діапазон сканування 19° < < 24° за різних анодних напруг

Рис. 12: Інтенсивність и лінії (n = 1) залежно від .

Завдання 3: Порівняйте результати експерименту з результатами, які можна очікувати теоретично.

Якщо порівняти експериментальні результати з результатами, які можна очікувати теоретично, то лінійна залежність між і частота імпульсу в (1) підтверджується. Якщо побудувати графік частоти імпульсів характеристичних ліній на рис. 12 в залежності від (з = 8,979 кеВ для міді, див. експеримент P2540105), то виходить пряма лінія.

Рис. 13: Справжня частота імпульсу та лінії в залежності від ; ( = const = 1 мА)

Програмне забезпечення measure

За допомогою програмного забезпечення measure піки в спектрі можуть бути визначені досить легко:

• Натисніть кнопку "Маркування" і виберіть область для визначення піку.
• Натисніть на кнопку "Аналіз піку".
• З'явиться вікно "Аналіз піків" (див. рис. 14). Потім натисніть "Розрахувати".
• Якщо обчислені не всі бажані піки (або їх занадто багато), скоригуйте допуск на похибку.
• Виберіть "Візуалізувати результати", щоб відображати дані піків безпосередньо в спектрі.

Рис. 14: Автоматичний аналіз піків за допомогою measure.

Процедура з використанням вольфрамової трубки:

Завдання 1: Запишіть весь спектр:

Огляд налаштувань гоніометра і рентгенівської установки:

• Режим з`єднання 1:2
• Час виходу 5 - 6 с; ширина кроку кута 0,1°
• Діапазон сканування 4°-80° (монокристал LiF)
• = 35 кВ; = 1 мА

Завдання 2: Визначте інтенсивність окремої лінії

Для оцінки вивчіть и лінії, які відображаються як одна лінія

Визначення інтенсивності характеристичних ліній залежно від и .

• Час виходу 3 с; ширина кроку кута 0,1°
• Діапазон сканування 4°- 25° (монокристал LiF)
• = 35 кВ; = 1 мА ... 0,1 мА з кроком 0,1 мА
• = 1 мА; = 35 кВ ... 11 кВ із кроком 2 - 3 кВ

Оскільки енергія оболонки становить приблизно 70 кеВ, максимально доступна енергія первинного пучка рентгенівського блоку 35 кеВ недостатня для збудження оболонки. Іонізувати можна тільки рівень (P2542805 містить відповідну діаграму енергетичних рівнів).

Для оцінки, розглядаються и лінії . Вони є результатом переходів. Ці дві лінії настільки близькі одна до одної, що їх неможливо розділити, а скоріше вони виглядають як одна лінія.

Оцінка відповідає оцінці міді, але в цьому випадку тільки з однією єдиною лінією. Для завдання 3 використовується потенціал іонізації оболонки = 10,206 кеВ, оскільки перехід відбувається в цю оболонку.

Рис. 15: Діапазон сканування 4° < < < 25° при різних напругах на аноді для вольфрамової трубки