اشعه ایکس، شکلی دیگر از نور
در سال 1895 یک فیزیکدان آلمانی به نام ویلهِلم روئنتگن شکل جدیدی از پرتو را کشف نمود.وی آن را اشعه ی ایکس نامید که برناشناخته بودن آن تاکید ورزد.این پرتوی اسرار آمیز قابلیت عبور از بسیاری مواد که نور مرئی را جذب می کنند٬ داشت. همچنین اشعه ی ایکس قدرت جداسازی الکترون های آزاد اتم را دارد. بیش از سال ها٬ این خصوصیات استثنایی٬ اشعه ی ایکس را در بسیاری از زمینه ها مانند پزشکی و تحقیقات در مورد طبیعت اتم موثر ساخت. سرانجام اشعه ی ایکس به عنوان شکل دیگری از نور معرفی شد .
نور٬ حاصل از جهش ها ٬ ارتعاشات و بی نظمی کل ذرات می باشد.نور مانند یک توله سگ سرزنده است که نمی تواند ساکن باشد.صندلی که شما روی آن نشسته اید در نگاه و احساس غیر متحرک به نظر می رسد.اما اگر شما بتوانید از دید اتمی به آن نگاه کنید خواهید دید که اتم ها و مولکول ها در حال ارتعاشند.صدها ترلیون مرتبه در ثانیه ارتعاش به هم برخورد می کنند. در حالیکه سرعت به دور گشتن الکترون 25000مایل در ساعت است.وقتی ذرات باردار برخورد می کنند بر اثر تغییرات ناگهانی حرکتشان یک بسته انرژی تولید می کنند که فوتون نامیده می شوند. فوتون ها با سزعت نور دور می شوند.در واقع آن ها نور یا امواج الکترومغناطیس هستند برای شروع یک استفاده فنی.
تا این زمان الکترون های باردار تنها ذره های شناخته شده هستند که دارای بیشترین ناآرامی هستند و بنابراین عامل تولید بسیاری از فوتون های جهان می باشد.
اشعه X می تواند به واسطه برخورد بین یک الکترون و یک پروتون پر سرعت تولید شود.
نور می تواند شکل های مختلفی داشته باشد.امواج رادیویی ٬ امواج میکرو ٬ فروسرخ٬مرئی٬بسیار درخشان ٬اشعه ی ایکس و امواج گاما شکل های مختلف نور هستند. امواج رادیویی از فوتون های کم انرژی ساخته شده اند.فوتون های بصری تنها فوتون هایی هستند که به وسیله چشم دیده می شوند.این پرتوها میلیون ها بار از پرتوهای رادیویی معمولی پر انرژی تر هستند.انرژی پرتوهای ایکس صد تا هزار برابر بیشتر از فوتون های مرئی می باشند.سرعت ذرات هنگامی که برخورد یا ارتعاش می کنند یک محدوده را در انرژی فوتون ها به وجود می آورند. هم چنین سرعت ٬ یک معیار اندازگیری دما نیز می باشد.(در یک روز گرم ذرات موجود در هوا نسبت به یک روز سرد سریعتر حرکت می کند.)
دماهای خیلی پایین (صدها درجه زیر صفر سلسیویس) تولید امواج رادیویی با انرژی کم و فوتون های امواج میکرو می نماید٬ در حالیکه بدن سرد ما (در حدود 30 درجه سلسیوس)تولید امواج مادون قرمز می کند.دماهای خیلی بالا (میلیون ها درجه سلسیوس)اشعه ی ایکس تولید می کند.
گستره امواج الکترومغناطیس:طول موج پرتوهای تولید شده به وسیله یک جرم معمولا مربوط به دماست.
هم چین خود فوتونها می توانند با الکترون ها برخورد کنند.اگر الکترون ها بیشتر از فوتون ها انرژی داشته باشند٬ برخور می تواند انرژی فوتون ها را افزایش دهد.در این صورت فوتون ها با انرژی پایین می توانند به فوتون ها با انرژی بالا تبدیل شوند.این فرایندپراکندگی کامپتون(Compton scattering )خوانده می شود. که در مورد سیاهچاله ها٬جایی که ماده چگال می شودو درجه حرارت میلیونی وجود دارد٬این پدیده اهمیت می یابد.فوتونهای جمع آوری شده در فضا توسط تلسکوپ اشعه ایکس ٬ لکه های تاریک را آشکار میسازد.مناطقی که در آن ٬ذرات به واسطه انفجارهای عظیم یا میدان گرانشی شدید٬به دماهای بالا برانگیخته میشوند یا انرژی کسب می کنند.
بازگشت پراکنده کامپتونی
این شرایط در کجا وجود دارد؟
در یک تغییر شگفت آور مکان٬ در دامنه ای به وسعت فضای وسیع بین کهکشان ها تا دنیای فروریخته و حیرت انگیز ستاره های نوترونی یا سیاهچاله ها.
خطوط نشری و جذبی:
وقتی یک الکترون آزادبه وسیله میدان الکتریکی یک پروتون یا یک اتم باردار(یون)شتاب داده می شود فوتون های ساطع شده می تواند یک دامنه گسترده از انرژی را بوجود آورند.انرژی ها وابسته به سرعت حرکت الکترون ها و میزانی که شتاب به آن ها داده شده است می باشند.انرژی فوتون های تولید شده تحت این فرایند طیف پیوسته خوانده می شود و می تواند به صورت یک منحنی پیوسته ترسیم شود.در مقایسه٬ اگر الکترون در حال گردش به دور هسته یک اتم خنثی یا باردار باشد٬طیف به صورت یک سری راس های نوک تیز یا خطوط در می آید و این به خاطر تطابق گردش الکترون ها در اتم با نظریه کوانتم است.این گردش ها٬ یا بطور دقیق تر٬این سطوح انرژی ٬به واسطه مقدار انرژی که دارند مجزا می شوند ٬درست همانند جدا شدن پله ها به واسطه بلندیشان .همان طور که شما نمی توانید در موقیتی مابین گام های پله ای گامی بردارید ٬الکترون در اتم نمی تواند بین دو سطح انرژی قرار بگیرد.اتم برای هر عنصری مثل اکسیژن ٬کربن و … سطح انرژی منحصر به خود دارد.
طیف NGC4151 منتقل شده با انرژی بالا توسط چندرا
مطالعه دقیق انرژی فوتون های ساطع یا جذب شده به وسیله ذرات یک اتم یک طرح کلی را برای حالت انرژی آن اتم ارائه می دهد.با دانستن این طرح کلی و گسترده انرژی ستاره شناسان قادرند در امواج ساطعه از ستارگان و گازها ٬به محاسبه مقدار هر عنصر اقدام کنند .در این صورت ستاره شناسان می توانند تعیین کنند که ستاره ها بیشتر از هیدروژن با مخلوطی از هلیم و همچنین عناصر سنگین تر مانند کربن٬نیتروژن و اکسیژن و مانند ان تشکیل شده اند.
به طور طبیعی الکترون در اتم در پایین ترین سطح انرژی(در پایین پله ها)قرار دارد.اما اگر اتم در اثر برخورد با یک الکترون آزاد یا یک اتم دیگر یا یک فوتون برانگیخته شود٬ پایین ترین سطح انرژی اشغال نخواهد شد.
انتشار اتمی
یکی از الکترون ها چرخنده به سرعت به این سطح می جهد و در بازگشت٬ انرژی در فرم فوتون مخصوص به آن سطح انرژی آزاد می کند. این فوتون خطوط گسیلش یک طیف را بالا می برد.یک گاز داغ متشکل از اتم ها یک طیف مرکب از خطوط گسیلش را بیرون می برد که این طیف بر اساس عناصر موجود در گاز می باشد.فرایندی عکس این هم می تواند رخ دهد .اگر جریانی از فوتون ها به یک گاز برخورد کند ٬آن دسته از فوتونهایی که انرژیشان با انرژی اتم های موجود در گاز مطابقت می کند٬توسط گاز جذب می شود. این فرایند سری خطوط جذبی گاز را افزایش می دهد.
پرتوهای سیکلوترن(Synchrotron)
سوپرنوا٬اما این کل داستان نیست. اشعه ی ایکس می تواند تحت شرایط دیگر نیز به وجود آید. زمانی که فیزیکدانان با اولین ذرات الکترونی کار می کردند٬ کشف نمودند که الکترون ها بدون هیچ گونه برخورد می توانند فوتون تولید کنند. این امکان وجود داشت زیرا میدان مغناطیسی در شتاب دهنده ها باعث حرکت سریع الکترون در یک مارپیچ تحت نیروی خطوط میدان مغناطیسی می شد. به این فرایند پرتوهای سیکلوترن گفته می شد. این ذرات کیهانی مانند الکترون ها می توانند به واسطه میدان های الکتریکی و مغناطیسی با سرعت هایی بالا٬ نزدیک به سرعت نور٬ شتاب بگیرند. این ذرات با انرژی بالا می توانند فوتون های سیکلوترن با طول موجی بیشتر از امواج رادیویی و انرژی مابین اشعه x و گاما تولید کند.
پرتوهای سیکلوترن :الکترون های در حال حرکت در میدان مغناطیسی فوتون ها را ساطع می کنند
پرتوهای سیکلوترن ساطع شده از منابع کیهانی دارای یک طیف گسترده یا فوتون های پراکنده همراه با طیف انرژی هستند. انرژی این پرتو٬ با سرعت کمتری نسبت به یک طیف ساطع شده از گاز داغ نزول می شود. وقتی پرتوی سیکلوترن در پس مانده های ابرنواخترها٬ جت های کیهانی یا منابع دیگر مشاهده می شوند٬ اطلاعاتی در مورد انرژی بالای الکترون ها و میدان مغناطیسی موجود به دست می آید.
طیف اشعه ایکس
اشعه تولید شده بوسیله لامپ اشعه ایکس یک طول موج ندارد. بلکه شامل گستره ای از طول موجهاست. پرتوهای ایکس بوسیله دو نوع فرایند تولید می شوند:
شتاب منفی الکترونها در موقع برخورد با انتهای ماده هدف پرتوهای ایکسی با طول موجهای متفاوت تولید می کند. این پرتو "سفید" یا نوار پیوسته فرکانسها در طیف اشعه ایکس را به عنوان تابش ترمزی می شناسند.
* برخورد الکترون با اتم هدف موجب جابجایی الکترون مداری در اتم هدف و راندن آن به حالت پر انرژی تری می شود. این عمل را برانگیزش می نامند.
o هنگامی که الکترون مداری پر انرژی به موقعیت مداری نخستین خود برمی گردد، رها شدن انرژی بصورت گسیل پرتوی با فرکانس خاصی خواهد بود. این پرتو شدت خیلی بیشتری نسبت به پرتو "سفید" زمینه خواهد داشت.
o معمولا برای هر ماده هدف معینی بیش از یک طول موج اشعه ایکس وجود دارد. طول موج پرتو تولید شده بوسیله لامپ اشعه ایکس ، حد پایینی دارد که با ولتاژ لامپ نسبت عکس دارد. کمترین طول موج برحسب نانومتر (nm) از رابطه زیر بدست می آید. که در آن V ولتاژ لامپ می باشد.
λmin = 1239.5/V
o پرتو حد پایینی طول موج طیف ، بیشترین اهمیت را در پرتو نگاری دارد. زیرا توانایی نفوذ آن بیشتر است.
مشخصه های بارز اشعه ایکس
* بزرگی جریان لامپ بر پخش طول موج اشعه ایکس تولید شده تاثیر ندارد. اما بر روی شدت پرتو موثر است.
* طول موج اشعه ایکس یا اشعه گاما بسیار مهم است. با کاهش طول موج ، نفوذپذیری پرتو به درون محیط افزایش می یابد. به بیان دیگر در مقایسه با پرتوی با طول موج بزرگتر ، پرتوی با طول موج بسیار کوتاه قادر به نفوذ به ماده معینی با ضخامت بیشتر و یا چگالی بیشتر خواهد بود. بنابراین ، اگر حداقل طول موج پرتو تولید شده با افزایش ولتاژ لامپ کاهش یابد، نفوذپذیری پرتو افزایش خواهد یافت.
بررسی کمی اشعه ایکس
* پرتو ناشی از لامپ 200 کیلوولتی به درون فولادی به ضخامت حدود 25mm نفوذ می کند.
* اگر ولتاژ لامپ به 1Mv افزایش یابد، پرتو به درون فولادی به ضخامت حدود 130mm نفوذ خواهد کرد.
* حد بالای عملی برای لامپهای اشعه ایکس رایج در حدود 1000Kv است و این امر سبب تولید اشعه ایکس با کوتاهترین طول موج می شود. این پرتو انرژی فوتونی تقریبا برابر 1Mev دارد.
* پرتو ایکس با انرژی فوتونی تا 30Mev را با استفاده از الکترونهای پرانرژی (الکترونهای سریع) بوجود آمده بوسیله مولد واندوگراف شتاب دهنده خطی یا چشمه بتاترون می توان تولید کرد.
نفوذ پذیری اشعه ایکس
نفوذ پذیری پرتوهای ایکس تولید شده از پرتوهای گاما کمتر بوده اما برای پرتوهای ایکس تولید شده در لامپهای اشعه ایکس بوسیله چشمه های پرانرژی در خصوص فولاد نیز دیده می شود. باید توجه کرد که بیشترین ضخامتهای استفاده از زمانهای پرتودهی چند دقیقه ای و فیلمی با سرعت متوسط می توان مورد بررسی قرار داد. مقاطع ضعیفتر را با استفاده از زمانهای پرتودهی طولانی و فیلمی با سرعت زیاد می توان بازرسی کرد.
نحوه تولید اشعه ایکس
پرتوهای ایکس را بوسیله بمباران هدفی فلزی با باریکه ای از الکترونهای سریع تولید می کنند. قطعات اصلی لامپ اشعه ایکس شامل کاتد برای گسیل الکترونها و آند به عنوان هدف می باشد، که هر دو درون لامپ خلا جای گرفته اند. با توجه به میزان نفوذ اشعه ایکس و فرکانس مربوطه اش از لامپهای اشعه ایکس متنوعی در کارهای تحقیقاتی ، پزشکی ، صنعت و … استفاده می کنند.
پراش اشعه ایکس
پراش (تفرق) اشعه ایکس روشی برای مطالعهٔ ساختار مواد بلوری است که در سال ۱۹۱۲ میلادی توسط فون لاوه کشف شد و توسط ویلیام هنری براگ و ویلیام لورنس براگ برای بررسی بلورها بکار گرفته شد.
اشعه های ایکسی که برای پراش استفاده می شوند، معمولاً طول موجی در حدود ۰/۵ الی ۲/۵ آنگستروم دارند.
این روش بر پایهٔ خاصیت موجی اشعه ایکس استوار است. هستهٔ اتم ها در یک شبکهٔ کریستالی به فاصلهٔ کمی (در حدود چند آنگستروم) از یکدیگر قرار گرفته اند. بازتابش اشعهٔ ایکس از این صفحات متوالی منجر به تداخل سازنده یا ویرانگر امواج ایکس می شود. در صورتی که امواج تداخل سازنده داشته باشند، با استفاده از فرمول براگ می توان فاصلهٔ صفحات کریستالی و در نتیجه اندازه و نوع سلول واحد را بدست آورد
لامپ اشعه ایکس
جریان الکتریکی با ولتاژ کم از میان رشته کاتد برای گرم کردن آن و التهاب و تحریک گسیل گرما یونی الکترونها می گذرد. اختلاف پتاسیل الکتریکی زیادی (ولتاژ لامپ) بین کاتد و هدف آندی ، برای شتاب دهی الکترونها در فاصله فضایی بین آن دو وجود دارد. معمولا گستره ولتاژی لامپ اشعه ایکس بین kv۵۰ تا Mv۱ است.
ساختمان لامپ اشعه ایکس
پرتوهای ایکس را بوسیله بمباران هدفی فلزی با باریکه ای از الکترونهای سریع تولید می کنند. قطعات اصلی لامپ اشعه ایکس شامل کاتد برای گسیل الکترونها و آندی در نقش هدف می باشند، که هر دو درون لامپ خلا جای گرفته اند. کاتد پیچه ای رشته ای از جنس تنگستن است، این لامپ یک پیچه کانونی جهت جمع کنندگی باریکه الکترونی نیز دارد و در ساختمان آن از پمپ تخلیه نیز استفاده می کنند.
● نحوه عمل لامپ اشعه ایکس
جریان الکتریکی با ولتاژ کم از میان رشته کاتد برای گرم کردن آن و التهاب و تحریک گسیل گرما یونی الکترونها می گذرد. اختلاف پتاسیل الکتریکی زیادی (ولتاژ لامپ) بین کاتد و هدف آندی ، برای شتاب دهی الکترونها در فاصله فضایی بین آن دو وجود دارد. معمولا گستره ولتاژی لامپ اشعه ایکس بین kv۵۰ تا Mv۱ است.
فنجانک متمرکز کننده ای یا پیچه کانونی را نزدیک کاتد قرار می دهند که این پیچه به عنوان عدسی الکترومغناطیسی برای متمرکز کردن گسیل گرما یویی به صورت باریکه ای که به مرکز هدف آندی هدف گیری شده است، عمل می کند. آند از قطعه کوچکی از فلز هدف تشکیل شده است که معمولا از جنس تنگستن است و در پوشش مسی جای گرفته است.
تنگستن را به عنوان ماده هدف بکار می برند، زیرا گسیل کننده بسیار موثر پرتوهای ایکس است و نقطه ذوب فوق العاده بالایی (۳۳۸۰ درجه سانتیگراد) دارد. از این رو دماهای بسیار بالایی را که بوسیله برخورد الکترونهای سریع ایجاد می شود، می تواند تحمل کند. قطعه تنگستن را درون مکعبی مسی که با آب یا روغن خنک می شود جای می دهند. بدین ترتیب انرژی گرمایی تولید شده را با رسانش از طریق مس می توانند به آسانی از بین ببرند.
● کپسول لامپ اشعه ایکس
کپسول لامپ اشعه ایکس را ممکن است از شیشه ، ماده سرامیکی همچون آلومینا ، فلز یا ترکیبی از مواد بسازند. بیشتر لامپهای اشعه ایکس که امروزه ساخته می شوند، ساختمانی از جنس سرامیک _ فلز دارند، که آنها را در مقایسه با لامپهای شیشه ای_ فلزی برای هر ولتاژ بخصوصی می توان کوچکتر ساخت.
کپسول لامپ باید استحکام ساختمانی خوبی در دماهای بالا داشته باشد، تا اثرهای ترکیبی گرمای تابیده از آند و نیروهای اعمالی به محفظه خلا بوسیله فشار اتمسفر را بتواند تحمل کند. شکل کپسول ممکن است با میزان ولتاژ لامپ و ماهیت طرح آند و کاتد تغییر کند.
کپسول باید دارای دریچه ای در مقابل آند برای امکان خروج باریکه اشعه ایکس از لامپ باشد. این دریچه از عنصری با عدد اتمی پایین برای حداقل جذب اشعه ایکس ساخته شده است. معمولا دریچه را از بریلیوم به ضخامت ۳ تا ۴ میلیمتر می سازند.
اتصالات الکتریکی آند و کاتد به دیواره های کپسول جوش داده می شود. لامپ پرتو درون محفظه ای فلزی قرار دارد که برای محافظت در مقابل شوک الکتریکی با ولتاژ بالا کاملا عایق بندی شده است و معمولا این محفظه پریز و دوشاخه ولتاژ قوی دارد که امکان قطع سریع کابلهای الکتریکی اتصال دهنده لامپ به ژنراتور فشار قوی را بوجود می آورد.
● طراحی لامپ اشعه ایکس
دستگاههای قابل حمل اشعه ایکس که در کارگاهها بکار می روند، معمولا همه چیز سر خود دارند و مجهز به ژنراتور فشار قوی و لامپ اشعه ایکس هستند که درون یک محفظه قرار دارند. در این حالت هیچ کابل فشار قوی در خارج از محفظه وجود ندارد. جریان الکتریکی حاصل از ولتاژ ضعیف از میان رشته کاتد می گذرد و با گرم کردن آن ابر الکترونی در پیرامون رشته با گسیل گرما یونی بوجود می آید.
هنگامی که ولتاژ قوی در میان لامپ در بین کاتد و آند اعمال می شود، الکترونها در عرض فضای تخلیه شده برای برخورد به هدف شتاب می گیرند. باریکه الکترونی طوری متمرکز می شود که تنها به سطح کوچکی از هدف برخورد می کند، که این سطح کوچک را نقطه کانونی می نامند. بیشتر انرژی باریکه الکترونی به انرژی گرمایی که ناگزیر از بین می رود، تبدیل می شود و مقداری از آن به اشعه ایکس تبدیل می شود.
هر چقدر نقطه کانونی روی هدف کوچکتر باشد، تصویر پرتو نگاری بدست آمده روشنتر خواهد بود. در هر حال آن مقدار از گرمایش آندی که بوجود می آید مانع استفاده از نقطه کانونی بسیار کوچک خواهد شد. طراحی آند و هدف بر مبنای شرایط بهینه ای از عمر طولانی هدف و پرتو نگاری بیشینه صورت می گیرد. در بسیاری از طراحیهای لامپ اشعه ایکس صفحه آند را نسبت به باریکه الکترون شیبدار می سازند. باریکه الکترونی طوری متمرکز می شود که نقطه کانونی مربع کوچکی بر روی صفحه عمود بر باریکه الکترونی بوجود می آورد. درحالی که این نقطه کانونی به صورت دراز و باریک بر روی صفحه شیبدار هدف بوجود می آید.
● پارامترهای فیزیکی کنترل کننده باریکه
▪ متغیرهای مهم لامپ اشعه ایکس که مکانیزم عمل و کنترل باریکه حاصل را سبب می شوند، عبارتند از:
▪ جریان الکتریکی رشته: تغییر در جریان رشته سبب تغییر در دمای رشته می شود و تغییر در آهنگ گسیل گرما یونی الکترونها را به دنبال دارد.
▪ ولتاژ لامپ: افزایش در ولتاژ لوله و اختلاف پتاسیل الکتریکی بین کاتد و آند ، انرژی باریکه الکترونی و در نتیجه انرژی و توان نفوذ اشعه ایکس تولید شده را افزایش خواهد داد.
▪ جریان الکتریکی لامپ: جریان لامپ برابر مقدار شارش الکترونی بین کاتد و آند است و مستقیماً به دمای رشته مربوط می شود (از جریان لامپ معمولا به عنوان میلی آمپراژ لامپ یاد می کنند). شدت باریکه اشعه تولید شده بوسیله لامپ تقریبا متناسب با میلی آمپراژ لامپ است.
12