Tiểu luận Tìm hiểu về tia X và ứng dụng của tia X

tiểu luận về Tia X , lịch sử phát hiện tia x, cấu tạo của tia x , cơ chế tạo thành tia x , quang phổ tia x .

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành được bài tập lớn này, em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo – T.S Bùi Đình Hợi đã tận tình, chu đáo giúp

đỡ em trong suốt quá trình em viết tiểu luận này.

Em xin cảm ơn quý Thầy, Cô của khoa Vật Lý trường Đại Học Sư Phạm Huế đã truyền cho em những vốn kiến thức trong suốt quá trình

em học tại trường Vốn kiến thức đó không chỉ giúp em hoàn thành tốt bài tập lớn này, mà còn là hành trang giúp em vững bước, tự tin hơn để bước vào đời Em cũng xin cảm ơn tất cả các bạn trong lớp và trong khoa đã luôn đồng hành, giúp đỡ để em hoàn thành tốt.

Tuy đã cố gắng để hoàn thành tốt, nhưng tiểu luận này của em cũng không tránh khỏi những sai sót, mong nhận được sự góp ý của thầy.

Em xin chân thành cảm ơn!!!

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Đăng Nhật Thiện

A PHẦN MỞ ĐẦU 1

1.LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1

2.MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI 1

3.GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 1

4.PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN 1

5.CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 2

B.NỘI DUNG 3

1 GIỚI THIỆU 3

1.1.LỊCH SỬ PHÁT HIỆN TIA X 3

1.2.TÍNH CHẤT CỦA TIA X 8

2 CƠ CHẾ PHÁT XẠ CỦA TIA X 10

2.1 ĐỊNH NGHĨA 10

2.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10

2.3 CẤU TẠO CÁC THÀNH PHẦN CỦA ỐNG TIA X 10

2.3.1 Cathode và anode 10

2.3.2 Công nghệ và thiết kế cathode 13

2.3.3 Công nghệ và thiết kế anode 14

2.3.4 Vỏ chân không của ống tia X 15

2.4 CƠ CHẾ TẠO THÀNH TIA X 16

2.4.1 Ống Rơnghen 17

2.4.2 Ống Coolidge 17

3 QUANG PHỔ TIA X 19

3.1 PHỔ LIÊN TỤC CỦA TIA X 19

3.2 PHỔ VẠCH ( PHỔ ĐẶC TRƯNG) 21

3.3 PHỔ KẾ HUỲNH QUANG TIA X 22

3.3.1 Cơ chế phát xạ huỳnh quang tia X 22

3.3.2 Ưu điểm và nhược điểm 23

3.4 SƠ ĐỒ VẠCH NĂNG LƯỢNG 24

4.1.1 Sự gián đoạn của quá trình hấp thụ tia X 25

4.1.2 Hiệu ứng quang điện 27

4.1.3 Mép hấp thụ 27

4.1.4 Định luật Bragg – Pierce 28

4.1.5 Bước nhảy hấp thụ 29

4.2 SỰ TÁN XẠ CỦA TIA X 30

4.2.1 Sự tán xạ không kết hợp (tán xạ Compton) 30

4.2.2 Sự tán xạ kết hợp (tán xạ Rayleigh) 33

5 LỢI ÍCH VÀ TÁC HẠI CỦA X-QUANG 35

C KẾT LUẬN 37

D TÀI LIỆU THAM KHẢO 38

A PHẦN MỞ ĐẦU

1.LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Xã hội ngày càng phát triển, đời sống con người dần tiến bộ và hiện đại, kéo theo

đó là sự phát triển như vũ bão của khoa học kĩ thuật Các công trình nghiên cứu khoa họcmới lần lượt ra đời nhằm phục vụ tốt cho nhu cầu của con người Thời đại ngày nay –thời đại của tầm cao trí tuệ, mọi sản phẩm sinh hoạt của con người đều là những ứngdụng tinh tế của các phát minh khoa học

Mỗi ngành khoa học đều có những ứng dụng cụ thể trong một số lĩnh vực nhất định.Vật lý học là ngành đã cống hiến cho nhân loại những phát minh mà tác dụng của nó đốivới đời sống quả là không nhỏ Vào những năm của thế kỉ XIX, với việc tìm ra tia X mộtbức xạ có bước sóng ngắn hơn bước sóng tia tử ngoại, của nhà vật lý học người Đức nổitiếng thế giới Rơnghen (Wilhelm Conrad Roentgen) là sự khởi đầu của một sự thay đổimang tính cách mạng, trong nhận thức của chúng ta về thế giới vật chất

Những ứng dụng tuyệt vời của tia X như trong y học là một bước ngoặt trong chuẩnđoán và điều trị bệnh Tia X còn được dùng trong công nghiệp như phân tích cấu trúc tinhthể, hay trong nghiên cứu khoa học và còn nhiều lĩnh vực khác trong cuộc sống conngười Trên đó là những lý do chọn đề tài của em

2.MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

Tìm hiểu lịch sử phát hiện, tính chất, cơ chế phát xạ, quang phổ, sự hấp thụ, tán xạcủa tia X và một số lĩnh vực ứng dụng quan trọng của nó

3.GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI

Chỉ tìm hiểu cơ chế phát xạ tia X qua các tài liệu và ứng dụng của nó trong lĩnh vực

y học, công nghiệp, an ninh, quốc phòng, sinh học, hội họa

4.PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN

Sưu tầm, phân tích các tài liệu, sách báo và trên internet Tổng hợp các kiến thức cóđược để viết tiểu luận

5.CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

- Chọn đề tài

- Tìm kiếm các tài liệu có liên quan đến đề tài, để lập đề cương và thông qua giáo viên hướng dẫn

- Tổng hợp các tài liệu và viết tiểu luận

- Nộp tiểu luận và trao đổi với giảng viên hướng dẫn

Thế kỉ XIX là thời đại của ông Thời đó, động cơ hơi nước được coi là phát minhkiệt xuất của nhân loại, kế đó là những sáng chế như: xe đạp, máy quay đĩa, điện thoại…Những môn khoa học cơ bản như: Toán, Lý, Hóa, Sinh… vẫn còn biệt lập nhau và cáchnhau rất xa Những kiến thức lý thuyết còn phát triển chậm, cho nên nhà nghiên cứutrước hết là nhà thực nghiệm giỏi.

Ở vào thời kỳ này, nhất là vào những năm 1890, các nhà vật lý tên tuổi đổ xô vàotìm hiểu phát minh mới của Faraday và Hittorf và “Hiện tượng phóng điện trong khôngkhí loãng” Tia điện khi đó là đề tài hấp dẫn, là “mốt” theo đuổi của nhiều nhà khoa học,trong đó có Rơnghen

Tối ngày 8/11/1895, phòng thí nghiệm Viện Vật lý thuộc trường Đại học Tổng hợpWurtzbourg (cách Berlin 300 km về phía tây nam), Giám đốc Rơnghen “chong đèn” thâuđêm mải mê nghiên cứu dòng điện vận chuyển trong ống chân không, còn gọi là ốngCrookes – Hittorf, (đó là tên của nhà vật lý kiêm Chủ tịch Hội đồng Hoàng Gia Anh vàsáng chế của Crookes đã ra đời cách ngày ấy 40 năm) Rơnghen có ý định làm lại cácbước thí nghiệm với ống chân không này

Một trong những thiết bị mà Rơnghen rất chú ý đến là ống tia âm cực Đó là mộtống thuỷ tinh chân không có hai điện cực ở hai đầu, được cung cấp điện áp cao thế từcuộn dây Ruhmkorff và nếu áp suất trong ống thấp, chúng sẽ tạo ra sự phát sáng huỳnhquang (phosphorescence) khi tác động bởi một chùm electron phát sinh từ âm cực

Ông đặt một màn chắn giữa ống và tia âm cực với bản thủy tinh (trong đó có trángmột lớp hỗn hợp phát quang) Khi bật công tắc điện thì màn chắn có chứa barium plation

đến? Khi rút phích điện ra khỏi ổ cắm, ánh sáng kỳ lạ kia biến mất Ông kiểm tra lại nơiphát sáng, tình cờ ông thấy tấm bìa tẩm platinocyanure de baryum ở đó Ông suy đoán:

có thể từ chính cái ống crookes kia đã phát ra một cái gì đó, rồi chính nó lại kích thíchchất huỳnh quang trên màn hình Rơnghen tự hỏi: Hay tấm bìa phát sáng? Hoặc một khúc

xạ nào đó của tia điện? Hay ống nghiệm phát sáng? Ông làm lại thí nghiệm đó bằng cáchthử dùng giấy đen bịt kín ống nghiệm lại xem sao Rơnghen thốt lên: Lạ thật! Kết quảvẫn như cũ Ông dự đoán: có thể đây là một tia rất mới Nó xuyên qua cả giấy đen

Bà Bertha – người vợ thân yêu của ông thấy chồng có vẻ đăm chiêu hơn mọi ngày.Ngồi ăn cơm bên nhau mà bà không dám hỏi, e ngại dòng suy nghĩ của chồng bị ngắtquãng Cả đêm hôm đó ông không thể chợp mắt được Ông muốn lao sang phòng thínghiệm ngay tức khắc Ông suy đoán miên man không sao ngủ được Rồi đột nhiên, ôngthốt lên thành lời Phải rồi! May ra chỉ có giấy ảnh mới kiểm chứng được khả năng xuyênqua giấy đen của thứ tia mới lạ đó

Trời vừa mới sáng, ông sang phòng thí nghiệm ngay, lấy từ trong ngăn kéo ra tậpgiấy ảnh mới mua Ông bắt tay vào thí nghiệm với giấy ảnh Rồi giao cho Marstaller –nhân viên của phòng mang đi in thành ảnh Chỉ ít phút sau đã thấy Marstaller quay trở lại,anh tỏ ra ấp úng: “Tôi…tôi… trót mở tung gói giấy ra làm cho chúng đen lại” NhưngRơnghen nhìn kỹ lại và thấy nó không đen đều Ông quan sát kỹ hơn thì thấy: có in hìnhchữ nhật và ở giữa là hình tròn tựa như chiếc nhẫn Nhìn vào trong ngăn kéo, ông thấy cómột tấm bìa cứng kích thước bằng đúng hình chữ nhật kia và trên đó đặt chiếc nhẫn củaông Ông chợt nhớ lại: Hai nhà khoa học Kelvin và Gabriel (người Anh) 15 năm về trước

có lần nói đến một số tia lẫn trong tia điện Phải chăng nó là đây? Nhưng sao suốt 15 nămqua không ai tìm ra nó? Ông ngồi nhìn lại tấm hình trên giấy ảnh Rồi lại đặt lên bàn, tậptrung đến cao độ để giải thích hiện tượng này

Bà Bertha kể lại rằng: Trong suốt thời gian chung sống với nhau, khoảng gần 25năm bà chưa bao giờ thấy ông ấy vui vẻ, rạng rỡ đến như thế

Gần đến ngày lễ Giáng Sinh rồi, nhưng ông vẫn quyết định thử nghiệm lại một lầnnữa Lần này, Rơnghen đưa thiết bị sang phòng bên cạnh, kéo các rèm cửa lại để làmphòng tối Gần ống nghiệm có một màn huỳnh quang Khi công tắc bật lên, tia lửa điệnxuất hiện ngay trong ống và màn huỳnh quang lại phát sáng Rơnghen bịt ống nghiệmbằng ống giấy, rồi chuyển màn hình quay trở lại phòng thí nghiệm cũ Ngăn cách hẳn

một cánh cửa gỗ, nhưng màn huỳnh quang vẫn sáng, tuy có yếu hơn trước đôi chút.Lần này thì ông bỏ ống giấy ra, nhưng đặt thêm một quyển sách khá dày trước mànhình Ông thận trọng bật công tắc Chà! Kết quả vẫn không thay đổi Ông mừng rỡ thật

sự Suy tính trong giây lát, một tay ông nâng màn hình lên, tay kia đưa ngay vào tầm củamàn huỳnh quang Thật là sửng sốt! Ông nhìn thấy những đốt xương bàn tay của chínhmình, cả đường gân và mạch máu Thú vị thay là bộ xương ấy đang sống, nó chuyểnđộng theo sự điều khiển của ông Rơnghen lại tiếp tục đưa vào những vật cản khác, bằngnhiều chất liệu, cuối cùng ông rút ra kết luận: “Tia đặc biệt này có khả năng xuyên quagiấy, gỗ, vải, cao su, phần mềm của cơ thể Nhưng không đi qua được kim loại, nhất lànhững kim loại có tỷ trọng lớn, không đi qua được một số bộ phận cơ thể, nhất là những

bộ phận có chứa nguyên tố nặng như xương Mặt khác, nó không bị ảnh hưởng bởi từtrường, hay điện trường, nó làm cho không khí trở nên dẫn điện hiện lên phim ảnh”

Nhà phát minh bỗng cảm thấy cần phải chia sẻ với người vợ thân yêu của mình.Ông đặt bàn tay bà lên trên tấm kính ảnh Ống nghiệm của ông thì để ở dưới gầm bàn.Ông dặn vợ: đừng có động đậy bàn tay đang đặt ở trên bàn Thế là pô ảnh đầu tiên bằngtia mới chưa kịp đặt tên đã được ông chụp cho chính bàn tay mềm mại của người vợ thânyêu Tấm ảnh chưa kịp khô, Rơnghen đã lấy ra cho vợ xem Những đốt xương tay của bàBertha hiện lên thật rõ nét, cả chiếc nhẫn mà bà đeo trên ngón tay trỏ nữa, chúng đều hiệnlên rõ mồn một Hôm đó là ngày 22/12/1895

Về sau này, người ta ca ngợi tấm hình “là bản chụp hình xương người đầu tiên tronglịch sử y học” Từ đây, nó giúp cho con người có thể thấy được cơ quan nội tạng củamình mà trước đó không có cách gì thấy được Thành công của Rơnghen làm mọi ngườihết sức kinh ngạc

Ngày 28/12/1895, ông mang nộp bản báo cáo học thuật đầu tiên về tia mới này choHọc hội vật lý học và y học Wurtzbourg và cho in bản luận văn tên là “Bản báo cáo sơ bộ

về một loại tia mới” Nội dung bài báo cũng được ông trình bày trong một buổi thuyếttrình của hội ngày 23/1/1896

Thông tin về khám phá của Rơnghen truyền đi như vũ bão, nhanh chẳng kém gì thờiđại Internet, dù rằng đây là chuyện của hơn một thế kỷ trước Tháng 3/1896, những ứngdụng y khoa đầu tiên được công bố Một tấm ảnh tia X cho thấy một viên đạn còn nằmtrong một bàn tay bị thương, một tấm khác, vết thương chưa lành ở chân…

Tháng 6/1896, Thomas Edison (Mỹ) quảng bá một “máy chụp huỳnh quang” vớinhững tia X cực mạnh Người ta chụp đủ thứ bằng máy chụp tia X (cả ngành hải quancũng vào cuộc rất sớm), và công bố rộng rãi kết quả trên báo chí: chỉ riêng trong năm

1896 có hơn 1.000 bài báo chung quanh chủ đề này Riêng Hàn lâm viện khoa học Pháp

có 108 thông báo, trong đó phải kể tới thông báo của Antoine Henri Becquerel về nhữngtia vô hình từ những vật thể lân quang, mô tả khám phá hiện tượng phóng xạ của ông,được đọc ngày 2/3/1896 (theo một bài viết của J.J Samueli trên trang web BibNum).

Về lý thuyết, thế kỷ 20 chứng kiến nhiều công trình quan trọng liên quan tới tia Xđáng kể nhất là khám phá ra bản chất sóng điện từ của các tia này (nhà bác học Max vonLaue), cũng như sự hiện diện của chúng trong tự nhiên: tia X cùng bản chất với các tiaGamma, là các sóng điện từ có tần số cực cao, gấp hàng triệu lần tần số của ánh sáng tím.Năm 1901, Rơnghen là nhà vật lý học đầu tiên vinh dự nhận giải thưởng Nôben, vớiviệc tìm ra tia X hay tia Rơnghen làm chấn động cả thế giới, mở ra một thời đại mới cho

sự phát triển của khoa học – kĩ thuật

Ngày nay, trên khắp thế giới, người ta không còn lạ gì với những tấm ảnh chụp các

bộ phận bên trong cơ thể, nhất là xương của những người bị tai nạn, nhằm tìm hiểu đểchữa trị thương tật ấy Những người bị nghi là có bệnh phổi cũng thường được đưa đichụp phổi xem có bị lao, ung thư v.v… Cả một ngành khoa học mới, ngành ảnh y học(tiếng Anh: medical imaging) ra đời từ những tấm ảnh tia X đầu tiên, được mở rộng sau

đó với những kỹ thuật vật lý khác (như ảnh cộng hưởng từ - Magnetic ResonanceImaging, viết tắt là MRI), kết hợp với những kỹ thuật số hoá các kết quả đo đạc và khảnăng xử lý thông tin của toán học sử dụng máy tính điện tử Nhiều ứng dụng khác mở ra,như các ngành tinh thể học tia X, thiên văn học tia X… hoặc trong công nghiệp, ngànhchụp ảnh kỹ nghệ tia X để khám phá những cấu trúc vật liệu cực nhỏ, hay những vết rạn

vỡ nằm sâu trong lòng máy móc

1.2.TÍNH CHẤT CỦA TIA X

- Tia X không nhìn thấy được Chúng lan truyền theo đường thẳng, bị khúc xạ, phâncực và nhiễu xạ như ánh sáng thường (ánh sáng nhìn thấy được) Hệ số khúc xạ của tia Xgần bằng 1, cụ thể   1   , trong đó   10 6 đối với kim loại

- Tia X xuất hiện khi các điện tử (hoặc các hạt mang điện khác như proton) bị hãm bởi một vật chắn và trong quá trình tương tác giữa các bức xạ  với vật chất

0

- Tia X chính là bức xạ điện từ với bước sóng từ 0,1 đến 102 A Người ta quy ướcchia bức xạ tia X ra thành loại sóng ngắn (bức xạ cứng) và loại sóng dài (bức xạ mềm) Khả năng đâm xuyên của tia X tăng theo tốc độ của các điện tử bị hãm

+ Tia X đi xuyên qua được giấy, vải, gỗ, thậm chí cả kim loại nữa Tia X dễ dàng đi xuyên qua tấm nhôm dày vài xentimét, nhưng lại bị lớp chì dày vài milimét chặn lại Do

đó, người ta thường dùng chì để làm các màn chắn tia X Tia X có bước sóng càng ngắn thì càng xuyên sâu, tức là càng “cứng”

+ Tia X có thể xuyên qua các tạng của cơ thể theo nguyên lý:

 Hiệu điện thế càng cao thì khả năng đâm xuyên càng mạnh

 Khi xuyên qua vật chất, nếu chiều dày và tỷ trọng của vật chất càng cao thì chùm tia X bị suy giảm càng nhiều

 Trong cơ thể con người, xương đặc cản tia X mạnh, nhu mô phổi chứa không khí nên tia X dễ xuyên qua

 Số lượng tia X tạo ra tỷ lệ thuận với cường độ của dòng điện đi qua bóng X quang: cường độ dòng điện càng cao thì số lượng tia X càng nhiều

- Tác động của tia X làm đen phim và giấy ảnh Bức xạ cứng (sóng ngắn) bị hấp thụtrong lớp cảm quang ít hơn so với bức xạ mềm (sóng dài) vì vậy tác động lên phim ảnhcũng yếu hơn Làm ion hóa không khí

+ Đo mức độ ion hóa của không khí có thể suy ra được liều lượng tia X Rọi vàocác vật chất, đặc biệt là kim loại, tia X cũng bứt được electron ra khỏi vật

+ Khi đi qua cơ thể, tùy thuộc năng lượng còn lại mạnh hay yếu, tia X sẽ làm biếnđổi muối bạc trên phim nhiều hay ít khác nhau để tạo nên hình ảnh Đặc tính này đượcứng dụng trong chụp phim X quang

+ Người ta có thể phân tích bức xạ tia X thành phổ khi đi qua các tinh thể Tinh thểbao gồm các nguyên tử sắp xếp trong không gian theo một trật tự hoàn toàn xác định Doảnh hưởng của điện trường của tia X điện tử của nguyên tử trở thành các tâm phát sóngcầu với bước sóng bằng với bước sóng của tia sơ cấp Các sóng cầu do các nguyên tửphát ra giao thoa nhau: chúng triệt tiêu nhau theo hướng này nhưng lại tăng cường nhautheo hướng khác

- Tia X có tác dụng làm phát quang nhiều chất Tia X làm phát sáng chất huỳnhquang đặt trong buồng tối

- Tia X có tác dụng sinh lí mạnh

2 CƠ CHẾ PHÁT XẠ CỦA TIA X

2.1 ĐỊNH NGHĨA

Tia X hay tia Rơnghen là một dạng của sóng điện từ, nó có bước sóng trong khoảng

từ 0,01 đến 10 nanômét tương ứng với dãy tần số từ 3.1016 Hz đến 3.1019 Hz và nănglượng từ 120 eV đến 120 keV Bước sóng của nó ngắn hơn tia tử ngoại nhưng dài hơn tiagamma

ra sau với electron ngoài cùng với một năng lượng nhỏ hơn năng lượng mất ở các vachạm này Tuy nhiên, thỉnh thoảng một electron ở trong di chuyển ra khỏi quỹ đạo của nónhư là kết quả của một va chạm, vì thế nguyên tử biến thành ion Ngay sau đó chỗ trốngtrên quỹ đạo electron được lấp đầy, đồng thời phát ra một lượng tử đó là tia X

2.3 CẤU TẠO CÁC THÀNH PHẦN CỦA ỐNG TIA X

2.3.1 Cathode và anode

Ống phát tia X bao gồm 1 cathode và 1 anode đựng trong một bình chân không cao(10-6 Torr) Ống này cũng có thể được bịt kín hoặc tiếp tục được rút hơi Cathode là dâytóc được nung nóng (thường là Vofram) cung cấp dòng electron phát ra và anode thường

được làm bằng kim loại: crom, đồng, môlipđen, vonfram, bạc, sắt, colban,

Cathode

Bộ phát-W

Vỏ thủy tinh Cửa sổ tia X

Hầu hết các ống phát tia X thiết kế tương tự với diode minh họa như hình 2.1 choống cố định ứng dụng trong ngành nha khoa Một electron phát ra do nung nóng được tậptrung trong điện cực Wehnelt (phát minh bởi nhà khoa học người Đức A.Wehnelt năm1908), nó có khả năng tập trung electron vào bia anode Bia này là đĩa Vonfram hoặc mạtrên khối đồng để hấp thụ nhiệt trên bia Những electron phát xạ được gia tốc trong điệntrường giữa cathode và anode Trong thực tế, trường này được tạo ra bằng cách cung cấpđiện thế âm cho cathode và giữ anode tiếp đất, làm anode nguội dễ dàng hơn (như sự lưuthông nước) Vỏ bọc thủy tinh của ống phải đáp ứng nhu cầu cách ly trong chân khôngcũng như cao thế Tia X được phát ra trực tiếp từ anode từ đó được chuyển ra ngoài quacửa sổ đặc biệt Cửa sổ này được đặt sao cho tia X ra ngoài vuông góc với trục ống gọi là

bề mặt cửa sổ hình học Trong ngành y, cửa sổ lối ra có thể là một phần của mặt kính baoquanh như hình 2.1

Hình 2.1: Mô hình cửa sổ một bên của ống tia X cho ngành răng

Anode hình học đối ngẫu có thể thấy rõ trong những ống có cửa sổ một bên Đó làlớp mỏng của nguyên tố nhẹ bao phủ tấm bì làm từ nguyên tố nặng Phụ thuộc vào giá trịcủa điện thế cao, có 2 loại quang phổ có thể được quan sát với cùng một loại ống Khiđiện thế gia tốc chậm, sự thâm nhập sâu của electron cũng ít nên tia X phần lớn phát ratrên lớp nguyên tố nhẹ Khi electron được gia tốc với cao thế, nó thâm nhập sâu vào lớpthứ 2 của bia, quang phổ do nguyên tố nặng trong trường hợp này trội hơn

Cửa sổ ra có thể được sắp xếp kiểu khác như trong hình 2.2 Ở đây, cathode có hìnhvòng, góc tới 900 và cửa sổ thoát ra tương tự như ống trục Thông thường, giống như cửa

sổ hình học cuối cho phép khoảng cách anode và cửa sổ nhỏ hơn (mẫu anode tương ứng)

Hơn nữa, cathode và cửa sổ thường được tiếp đất trong khi anode có một điện thế dươngcao Và kết quả là, electron tới anode đập vào cửa sổ sẽ bị triệt tiêu mạnh mẽ Tuy nhiên

111.Chùm tia X 6 Bộ vỏ ống

việc thu hẹp khoảng cách giữa anode và cửa sổ vẫn còn hạn chế vì sự nguy hiểm của sựphóng điện giữa anode và cửa sổ Khi góc hấp thụ rộng sẽ hạn chế tối đa sự tự hấp thụ tia

X trên bia Do đó ống kiểu này đặc biệt ứng dụng ở mức năng lượng thấp Hơn nữa,những ống này cho ra sự bức xạ quang phổ đẳng hướng Mặt khác, khoảng cách nhỏ giữaanode và cathode đặc trưng cho thiết kế ống cửa sổ cuối sẽ giới hạn giá trị cao thế,thường không quá 60kV

Trong bộ truyền qua anode của ống tia X bia là lớp mỏng hướng vào cửa sổ ra làmbằng màng Beri Electron phát tới đập thẳng góc bia rồi phát photon tới cửa số Beri theocùng một hướng Thông thường, quang phổ liên tục phát ra bởi anode thì bị triệt tiêuphần nào đó do sự hấp thụ ở lớp ngoài bia, đặc biệt là ở năng lượng thấp và trên mép hấpthụ của dòng bị kích thích, vì vậy có thể đánh giá những ống này bằng sự chiếm bức xạbên trong, sự đóng góp thấp của bức xạ liên tục dẫn đến sự giảm nền bức xạ và do đó đểtăng giới hạn dò tìm trong ống phân tích huỳnh quang Bia trong ống tia X gắn vào nguồn

có công suất thấp (<100W) bởi vì lá mỏng anode không thể chịu được tải nhiệt lớn

2 Cửa sổ

electron 4.Cathode vòng

5 Anode

7 Ống cách ly cho việc làm nguội

8 Phần kết nối với bộ phận làm nguội

9 Phần kết nối với cao thế

Hình 2.2: Sơ đồ lối ra của một ống tia X trong phân tích huỳnh quang

Sự tản nhiệt trên anode là vấn đề chính trong việc thực hiện những ống điều tiêu(ống điều khiển diện tích nhận được chùm điện tử) nhỏ khi giữ công suất lớn của ống Tạilần va chạm xiên đầu tiên, chỉ có thể tìm được vết điều tiêu nhỏ ở giá trị công suất nhỏ

Có 2 phương pháp chuẩn để khắc phục:

- Phương pháp đầu tiên dựa trên sự điều tiêu quang học khác với điều tiêu điện trênanode (hình 2.3) Trong hầu hết các ứng dụng (như chụp ảnh tia X, tổ hợp phù hợp vớiquang học) chỉ có điều tiêu quang học là quan trọng nhất Khi góc anode khoảng 60,

riêng cho từng vật liệu nghiên cứu do đó cho phép tiếp tục hoạt động ở công suất cao.

Chùm tia electron

Vết tiêuQuỹ đạo vết tiêu

Anode

chiều dài của điều tiêu xấp xỉ nhỏ hơn 10 lần chiều dài thật của điều tiêu điện trên anode

Ví dụ, ống tiêu điểm tốt có vết điều tiêu quang học khoảng 0.4mm x 0.8 mm, trong khikích thước vết tiêu thật trên anode vào khoảng 0.4mm x 8mm Công suất của ống tiêuđiểm này có thể đạt tới 3kW Tổng độ mở của tia X đi ra không vượt quá 10-120

Electron beam: chùm electron

Optical spot: hội tụ quang

Electron beam spot: hội tụ chùm electron

Hình 2.3: Electron và vết tiêu quang học của 1 cực anode có góc 

- Để có thể hoạt động ở công suất cao hơn cần phải sử dụng một mô hình với anodequay (hình 2.4) Một anode dạng đĩa được gắn vào một roto mang một hệ thống quayphụ Một stato điều khiển roto bằng điện qua một trường quay được đặt bên ngoài ốngchân không Quỹ đạo đường cong của dòng electron trên anode khi nó quay là đườngtròn, do đó tải nhiệt được phân phối ra ngoài nhiều hơn đáng kể so với ống điều tiêu Tảnnhiệt ra ngoài từ anode được thực hiện hầu như bằng bức xạ và được phụ thêm bằng bộlàm lạnh khí Mật độ năng lượng đặc trưng cho các vết tiêu dạng thẳng cỡ khoảng 1mm x10mm là 5-10 kW/mm2, của vết tiêu với diện tích nhỏ hơn 1mm2 là 25 kW/mm2 với tần

số quay là 17000 vòng/phút Nước được làm lạnh ở anode quay thoát ra trong hệ thống

Loại dây Vonfram Loại dải Vonfram

Dạng lò xo Xoắn

ốc

Dạngsợi tóc

Vòngtròn

Lá phẳng ngoằn ngoèo

Dòngđiện anode IA

Dòng điện dây tóc IH

2.3.2 Công nghệ và thiết kế cathode

Thông thường, dòng phát ra trong ống tia X được điều khiển bởi nhiệt độ của cathode, nó phụ thuộc giá trị của dòng trong dây tóc Điều quan trọng đó là kích cỡ của chuẩn trực không phụ thuộc vào dòng anode trên khoảng 500:1 và điện thế gia tốc vượt quá tỉ lệ 3:1

Việc điều khiển dòng phát ra thông qua nhiệt độ cathode đòi hỏi bức xạ với tải nhiệtthấp trong khoảng thời gian không đổi trong giới hạn mili giây (ms) Điều này có thểđược thực hiện theo cách đơn giản là dùng dây và lá Vonfram mỏng Phụ thuộc vào kíchthước của chuẩn trực mà nguồn phát được dùng là dạng cuộn, xoắn ốc, ống sợi tóc, vòng,hoặc lá phẳng ngoằn ngoèo (hình 2.5)

Như đã thấy ở hình 2.6, hoạt động của nguồn bức xạ chỉ có thể ở vài giới hạn nào

đó Khi dòng qua dây tóc nhỏ (dưới ngưỡng giá trị ) thì không có sự phát xạ Khi dòngqua dây tóc lớn thì dòng phát ra tới anode bị bão hòa Giá trị bão hòa phụ thuộc vào caothế được cung cấp Nhiệt độ của nguồn phát có thể đạt được dưới giới hạn cho phép là

23000C Ở nhiệt độ này thì hiệu ứng bay hơi kim loại có thể xảy ra, vì vậy thời gian hoạtđộng tốt nhất giới hạn từ 30-50h Đây là lý do mà cathode được bật lên chỉ trong vài giây

ở nhiệt độ cao như vậy Dòng anode cũng phụ thuộc vào giá trị cao thế do hiệu ứng chechắn cục bộ của không gian điện tích

Hình 2.5: Các loại nguồn phát bức xạ khác nhau của cathode

Hình 2.6: Dòng anode là hàm của dòng qua dây tóc với tham số là hiệu điện thế anode.

Cấu trúc nguồn phát phẳng và mỏng được ghép uốn khúc được dùng cho những ống

có điện thế anode thấp và chuẩn trực nhỏ (<0.3mm) Lý do là nó sẽ có tính chất điều tiêutốt hơn so với bề mặt phẳng Hơn nữa, có thể cho ra dòng phát xạ tương đối cao ở nhiệt

độ cathode thấp

Điện cực Wehnelt được sử dụng để điều khiển những electron ở lân cận dây tóc và phát electron theo đúng hướng Hiện nay loại điện cực Wehnelt nói chung được xác định thông qua tính toán thích hợp của máy tính

2.3.3 Công nghệ và thiết kế anode

Như đã đề cập ở trên, một anode chuẩn gồm 1 bia mỏng được gắn vào trong mộtkhối đồng lớn (hình 2.1), bia thường làm bằng đồng, môlipđen, vonfram cũng có thểdùng những kim loại khác như: Mg, Al, Cr, Fe, Ni, Rh, Ag

Helical emitter: phát xoắn ốc

Wehnelt electronic: điện cực Wehnelt (Wehnelt tên nhà khoa học người Đức),

có điện thế bằng điện thế cathode

Hình 2.7 : Sơ đồ thiết kế cathode Liều lượng phân phối theo bề rộng vết tiêu.

Công nghệ anode quay ngày càng phức tạp Anode quay Vonfram thì được sản xuấttrên cơ sở chuẩn luyện kim bột Hạn chế của công nghệ này là sự mài mòn bề mặt do sựnén cơ nhiệt cao Hiệu ứng này dẫn đến sự sụt giảm nhanh chóng cường độ tia X và gâynên cái gọi là hiệu ứng mặt nghiêng Ở đây, một phần bức xạ trong những lớp sâu hơncủa anode bị hấp thụ trước khi rời khỏi anode Thêm vào đó là sự biến dạng cơ học xảy ra

có thể phá hủy anode Vì đặc trưng nhiệt của Vonfram tương đối thấp, khả năng lưu trữ

Công nghệ nâng cao dựa trên nguyên liệu hỗn hợp Reni(Re)-Vofram-Môlipđen(RTM) Sơ đồ cắt ngang của anode RTM biểu diễn trong hình 2.8 Ở đây ta có hỗn hợp10% Re trong W bề dày 1-2mm bao phủ được gắn vào Điều này cải thiện hiệu quả tínhchất đàn hồi của anode và làm giảm đáng kể tính chất cọ xát Trộn lẫn vài phần trăm Ti

và Zr (anode TZM) trong thanh Mo+W gần như gấp đôi khả năng tích trữ nhiệt củaanode, với trọng lượng và momen quán tính đã cho

Một giải pháp tối ưu để điều khiển khả năng tích trữ nhiệt và bức xạ nhiệt có thể đạtđược trong một anode giới nội với tấm than chì (hình 2.9) Với anode nhiệt, tấm RTMđược hàn vào chất tải nhiệt than chì, ống được sản xuất với trọng tải lớn hơn 3.106 J hoạtđộng tại công suất nhiệt trung bình 4 kW

Hình 2.8: Mặt cắt của một anode RTM

Hình 2.9: Mặt cắt của một anode RTM – than chì

2.3.4 Vỏ chân không của ống tia X

Các thành phần nêu trên của một ống tia X được đặt trong một vỏ ống với hai mụcđích chính: cách ly chân không và cách điện Các vật liệu thường được sử dụng để làm vỏống là thủy tinh, kim loại và gốm

Ống thủy tinh

Các vật liệu chủ yếu được sử dụng để làm ống là thủy tinh Các yêu cầu chính củacác loại thủy tinh phù hợp là điện trở đặc biệt cao, nồng độ chất điện môi tốt và khả năngchịu được sự thay đổi nhiệt độ Thủy tinh borosilicat có đủ những yêu cầu này Ngoài ra,

thủy tinh này có thể được trộn với hợp kim Ni-CO-Fe (Vacon hoặc Kovar) để đảm bảochỗ tiếp xúc điện là cần thiết Vì thủy tinh bọc ngoài là chất cách ly điện áp cao giữaanode và cathode, nó phẳng và dễ dàng làm sạch bề mặt cũng là một lợi thế quan trọng.

Ống kim loại thủy tinh

Giữa anode và cathode là chất tải cao Lớp kim loại mỏng trên ống thủy tinh ảnhhưởng đến khả năng của chất điện môi Để tránh hiện tượng này và tăng tuổi thọ của ống,các bộ phận trong ống thủy tinh được làm bằng kim loại để tạo ra điện thế xác định.Ngoài ra, một phần nhỏ trong số các điện tử thứ cấp từ anode có thể được bỏ qua phầngiữa anode và cathode Bằng cách này, một phần bức xạ vượt ra ngoài tiêu điểm có thểđược giảm

Ống kim loại - gốm

Ống tia X kim loại - gốm đã được sử dụng từ những năm 1960 Những đặc trưng đểphân biệt chúng là ở chỗ sử dụng vật liệu gốm thay thế cho thủy tinh vì là chất cách điệncao Ống kim loại - gốm có một số ưu thế hơn ống thủy tinh chuẩn Nói cụ thể, gốm chophép xử lý cơ học dễ dàng hơn: cắt và khoan là có thể Vỏ gốm có thể được sản xuất với

độ chính xác cao hình dạng của chúng Kết quả là vỏ chân không có hình dạng tự do Các

bộ phận kim loại của ống có thể được nối chặt trong chân không bằng chất cách điện làgốm Độ dẫn điện mặt ngoài của gốm thấp, với khoảng cách ngắn không cho điện áp cao

đi qua Gốm cách điện đã cải thiện được vị trí của vết tiêu Đặc và thiết kế vững chắc,giảm khối lượng, tăng tuổi thọ là những lợi ích của ống tia X bằng gốm

2.4 CƠ CHẾ TẠO THÀNH TIA X

Tia X được tạo ra do các electron chuyển động có động năng lớn khi đập vào đối

âm cực của một kim loại có khối lượng riêng lớn, nó dễ xuyên vào bên trong của vỏnguyên tử Điều này không thể thực hiện đối với những kim loại nhẹ, electron tới tươngtác với hạt nhân và các electron ở lớp vỏ nguyên tử Sự tương tác này làm xuất hiện daođộng của hạt các hạt mang điện trong nguyên tử Dao động của hạt các hạt mang điệntrong nguyên tử tạo ra điện trường biến thiên, từ đó sinh ra sóng điện từ lan truyền trongkhông gian Sóng này có tính chất giống sóng ánh sáng (một chùm tia sáng của dòng hạtphoton), vì thế ta gọi sóng đó là sóng Rơnghen

- Anode là điện cực dương ở phía đối diện với cathode ở thành bình bên kia.

- Đối cathode là một điện cực (thường được nối với anode) Ở bề mặt của đối cathode là một kim loại có nguyên tử lượng lớn và khó nóng chảy

- Anode là điện cực dương Bề mặt của anode là một lớp kim loại có nguyên tửlượng lớn và khó nóng chảy Để giải nhiệt cho anode người ta đôi khi cũng chế tạo saocho có thể đưa một dòng nước chảy luồn bên trong anode

 Hoạt động

Khi đặt một hiệu điện thế (xoay chiều hoặc một chiều) vào hai cực của ốngCoolidge thì electron được tăng tốc mạnh và đến đập vào anode, xuyên sâu vào lớp vỏnguyên tử của chất làm anode, tương tác với các lớp electron ở các lớp trong cùng làmphát ra tia X Hiệu điện thế ở hai cực của ống Coolidge từ vài chục kV đến khoảng120kV

Hình 2.11: Ống Coolidge