دانلود  مقالات برق

 داستان اشعه ایکس (X) بیشتر از یکصد سال پیش آغاز شد. درنیمه سده ی نزدهم مردی به نام هاینریش گایسلر کشف کرد که اگر لوله ای که فاقد هواست تحت ولتاژ بالا تخلیه ی الکتریکی شود نورهای زیبایی درون لوله تولید خواهد شد. مدتی پس از آن ویلیلم کروس اثبات کرد که علت درخشندگی ذرات الکتریکی است. پس از آن هاینریش هرتز نشان داد که این اشعه می تواند از لایه های نازک طلا و یا پلاتین عبور کند. شاگرد وی به نام لنارد پنجره هایی از مواد ساخت بطوری که اشعه توانست از راه پنجره باز لوله خارج شود. اکنون به کشف اشعه ایکس می پردازیم :

در سال 1895 ویلهم رونتگن با یکی از این لوله ها که بدون پنجره بود آزمایشی انجام می داد وی متوجه شد که بلورهای نزدیک لوله درخشیدند.چون او می دانست اشعه ای که قبلا کشف شد (اشعه کاتدی ) از شیشه عبور نمی کند تا چنین اثری داشته باشد. گمان برد باید نوع دیگری از اشعه وجود داشته باشد. چون این اشعه نامرئی که از نور و اشعه دیگر بسیار متفاوت بود قابل تشریح نبود. آن را اشعه ایکس ( به معنی اشعه مجهول ) نامید. بعد ها دانشمندان آن را اشعه رونتگن نام نهادند و اکنون نیز این نام را بسیاری از دانشمندان به کار می برند.

اشعه x چيست؟

اشعه x شبيه همان نوري است كه ما مي بينيم. هر دو انرژي الكترومغناطيس را توسط فوتونها حمل مي كنند . فوتونها با تغيير مكان الكترونها در اتم توليد مي شوند. تنها تفاوت اشعه x و نور قابل رؤيت در طول موج آنهاست. اشعه x داراي طول موجي است كه چشم ما قادر به ديدن آن نيست . همانطور كه مي دانيد الكترونها در مدارهاي مختلفي دور هسته اتم گردش مي كنند. هرگاه يك الكترون به مدار پائين تري سقوط كند، مجبور مي شود تا مقداري از انرژي خود را بصورت فوتون نوري آزاد كند.

هنگامي كه يك فوتون با يك اتم برخورد كند ، اتم ممكن است انرژي فوتون را با فرستادن يك الكترون به سطح بالاتر جذب كند ، البته به شرط اينكه اين انرژي براي تغيير سطح الكترون كافي باشد.امواج راديويي چون انرژي زيادي براي جابجايي الكترونهاي اتم ها را ندارند ،‌ از بسياري اجسام عبور مي كنند. فوتونهاي اشعه x هم از بسياري اجسام عبور مي كنند ولي با يك دليل كاملا متفاوت :فوتونهاي اشعه x انرژي بسيار زيادي دارند اتم هاي بزرگ چون داراي سطوح انرژي بالايي در مدارات خود هستند، بيشتر مايلند تا انرژي فوتونها را جذب كنند و برعكس اتم هاي كوچك تمايل چنداني به جذب انرژي ندارند.

دستگاه اشعه x :

قلب اين دستگاه از دو الكترود (كاتد و آند) تشكيل شده كه داخل لوله خلاء شيشه اي قرار دارند. كاتد يك رشته بسيار داغي است( شبيه آنچه در لامپ هاي مهتابي يا فلورسنت ديده ايد.)

با عبور جريان اكتريكي، كاتد به حدي ملتهب مي شود كه الكترونها از سطح آن به خارج پرتاب مي شوند. در آن سو يك صفحه مسطح بنام آند (قطب مثبت) از جنس فلز تنگستن وجود دارد.

اختلاف ولتاژ بالاي بين كاتد و آند باعث مي شود تا الكترونها از سطح آند بطرف كاتد پرتاب شوند و با برخورد الكترونها به اتم هاي تنگستن (بخاطر انرژي فوق العاده زيادي كه دارند )،اتم تنگستن يكي از الكترونهاي سطح پايين خود (نزديك به هسته) را از دست مي دهد. سپس هسته اتم مجبور مي شود تا يكي از الكترونهاي سطح بالا را بطرف خود جذب كند و اين الكترون با افتادن از سطح بالاتر به پايين تر مجبور مي شود تا انرژي اضافي خود را بصورت فوتونهاي نور آزاد كند. اين فوتونها همان اشعه x هستند. الكترونهاي آزاد بدون اصابت به اتم نيز مي توانند فوتون توليد كنند. در اين روش الكتروني كه از مركز اتم عبور مي كند به طرف هسته جذب مي شود. اين نزديكي باعث مي شود تا سرعت عبور الكترون كم شود ، تغيير مسير دهد و بعلاوه مقداري از انرژي خود را بصورت فوتون آزاد كند. برخورد الكترونها به سطح تنگستن گرماي زيادي توليد مي كند. موتور الكتريكي صفحه تنگستن را مي چرخاند تا از ذوب شدن بخشي از آن جلوگيري كند. روغن خنكي هم دور تا دور لوله خلاء وظيفه خنك كردن سيستم را برعهده دارد. كل دستگاه در يك محفظه ضخيم قرار دارند تا از خروج و پخش اشعه x به اطراف جلوگيري شود . يك سوراخ فيلتردار هم براي هدايت اشعه توليد شده بطرف بدن بيمار تعبيه شده است. در طرف ديگر يك صفحه مثل فيلم عكاسي، اشعه ها را ضبط مي كند (نحوه كار مثل دوربين هاي عكاسي است). پزشكان به اين صفحه نگاتيو مي گويند. روي نگاتيو، بافتهاي سخت مثل استخوان به رنگ سفيد و بافتهاي نرم به رنگ سياه ديده مي شوند و پزشكان با بررسي اين نگاتيو محل دقيق و نوع شكستكي استخوان را پيدا مي كنند.

اشعه ایکس در لوله ی اشعه ایکس و بدین روش تولید می شود :

1- هوای درون لوله باید به مقداری زیادی تخلیه شود.

2- دو قطب الکتریکی در دو سر لوله تعبیه می کنند

3- یکی از قطب ها به شدت جریان مثبت و آن دیگری به جریان منفی وصل می شود

4- الکترون ها میان دو قطب حرکت می کنند

5- بیشترین مقدار انرژی الکترو نها به گرما تبدیل می شود ولی بخشی هم به اشعه ایکس تبدیل می شود

اشعه ایکس می تواند از جامدات عبور کند چون طول موج آن بسیار کوتاه است هر چه طول موج اشعه کوتاهتر باشد قدرت نفوذ آن در اشیا بیشتر است

انواع پرتو ایکس:

   پرتو ایکس تکفام (تک رنگ): پرتو ایکسی که فقط دارای یک طول موج خاص است را پرتو ایکس تکفام می‌نامند.

  پرتو ایکس سفید (پیوسته): پرتو ایکسی که تکفام نیست.

روش‌های تولید:

در هنگام برخورد الکترونهای با سرعت بالا به فلزات، الکترون‌های لایه‌های پایین‌تر به لایه‌های بالاتر منتقل شده (اتم‌ها برانگیخته می‌شوند) و در هنگام برگشت الکترون‌ها به حالت پایه انرژی مازاد را به صورت پرتو ایکس گسیل می‌کنند. بنابراین هر لامپ تولید اشعه ایکس باید شامل:

منبع الکترون

میدان شتاب‌دهنده به الکترونها

هدف فلزی

باشد. بعلاوه از آنجایی که قسمت عمده‌ی انرژی جنبشی الکترونها هنگام برخورد به فلز هدف، به حرارت تبدیل می‌شود، معمولاً فلز هدف را با آب خنک می‌کنند تا ذوب نشود.

لامپ های مورد استفاده در اشعه ایکس

مشخصه‌های بارز اشعه ایکس

بزرگی جریان لامپ بر پخش طول موج اشعه ایکس تولید شده تأثیر 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 می‌یابد. 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 می‌کند.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 می‌توان 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 چشمه‌های پرانرژی در خصوص فولاد نیز دیده می‌شود. باید توجه کرد که بیشترین ضخامتهای استفاده از زمانهای پرتودهی چند دقیقه‌ای و فیلمی با سرعت متوسط می‌توان مورد بررسی قرار داد. مقاطع ضعیفتر را با استفاده از زمانهای پرتودهی طولانی و فیلمی با سرعت زیاد می‌توان بازرسی کرد.

امروزه اشعه ایکس سه کاربرد مهم دارد که عبارتند از:

1- راديوگرافي اشعه x براي تهيه تصوير از مواد اپک- شفاف. اساس اين روش بر پايه ارتباط بين چگالي مواد و جذب X-ray مي‌باشد. از اين روش در پزشکي و کاربردهاي صنعتي استفاده مي‌شود.

2- کريستالوگرافي اشعه x که بر پايه ماهيت دوگانه ذره- موج اشعه‌ x عمل کرده و اطلاعاتي درباره ساختار مواد کريستالين ارائه مي‌دهد.

3-  اسپکترومتري فلوئورسانس اشعه x که براساس تشعشع ثانويه ويژه ساطع شده از موادي که توسط يک منبع اشعه x داراي انرژي بالا برانگيخته شده‌اند، عمل مي‌کند و کاربرد اصلي آن اندازه‌گيري مقادير عناصر ويژه در مواد مي‌باشد .

لامپ اشعه ایکس:

ساختمان لامپ اشعه ایکس:

 پرتوهای ایکس را بوسیله بمباران هدفی فلزی با باریکه‌ای از الکترونهای سریع تولید می‌کنند. قطعات اصلی لامپ اشعه ایکس شامل کاتد برای گسیل الکترونها و آندی در نقش هدف می‌باشند، که هر دو درون لامپ خلا جای گرفته‌اند. کاتد پیچه‌ای رشته‌ای 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 می‌کنند.

لامپ‌های گازی

این لامپ‌ها همانند لامپ پرتو ایکس اولیه‌ای هستند که رونتگن ساخته بود و امروزه چندان کاربردی ندارند. در این لامپ‌ها الکترون از یونش مقدار اندکی گاز موجود در لامپ تقریباً تخلیه شده به وجود می‌آید.

لامپ‌های رشته‌ای

لامپ‌های آند-چرخان

لامپ‌های ریزکانونی

لامپ‌های پالسی

لامپ‌های مینیاتوری

 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 kv50 تا Mv1 است.

فنجانک متمرکز کننده‌ای یا پیچه کانونی را نزدیک کاتد قرار می‌دهند که این پیچه به عنوان عدسی الکترومغناطیسی برای متمرکز کردن گسیل گرما یویی به صورت باریکه‌ای که به مرکز هدف آندی هدف گیری شده است، عمل می‌کند. 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 می‌برند، زیرا گسیل کننده بسیار مؤثر پرتوهای ایکس است و نقطه ذوب فوق العاده بالایی (3380 درجه سانتیگراد) دارد. از این رو دماهای بسیار بالایی را که بوسیله برخورد الکترونهای سریع ایجاد می‌شود، می‌تواند تحمل کند. قطعه تنگستن را درون مکعبی مسی که با آب یا روغن خنک می‌شود جای می‌دهند. بدین ترتیب انرژی گرمایی تولید شده را با رسانش از طریق مس می‌توانند 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 می‌شوند، ساختمانی از جنس سرامیک _ فلز دارند، که آنها را در مقایسه با لامپهای شیشه‌ای_ فلزی برای هر ولتاژ بخصوصی می‌توان 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 دریچه‌ای 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 3 تا 4 میلیمتر می‌سازند.اتصالات الکتریکی آند و کاتد به دیواره‌های کپسول جوش داده می‌شود. لامپ پرتو درون محفظه‌ای 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 می‌آورد.

طراحی لامپ اشعه ایکس :

دستگاههای قابل حمل اشعه ایکس که در کارگاهها بکار می‌روند، 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 می‌گذرد و با گرم کردن آن ابر الکترونی در پیرامون رشته با گسیل گرما یونی بوجود می‌آید.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 می‌گیرند. باریکه الکترونی طوری متمرکز می‌شود که تنها به سطح کوچکی از هدف برخورد می‌کند، که این سطح کوچک را نقطه کانونی می‌نامند. بیشتر انرژی باریکه الکترونی به انرژی گرمایی که ناگزیر از بین می‌رود، تبدیل می‌شود و مقداری از آن به اشعه ایکس تبدیل می‌شود.

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 می‌آید مانع استفاده از نقطه کانونی بسیار کوچک خواهد شد. طراحی آند و هدف بر مبنای شرایط بهینه‌ای از عمر طولانی هدف و پرتو نگاری بیشینه صورت می‌گیرد.در بسیاری از طراحیهای لامپ اشعه ایکس صفحه آند را نسبت به باریکه الکترون شیبدار می‌سازند. باریکه الکترونی طوری متمرکز می‌شود که نقطه کانونی مربع کوچکی بر روی صفحه عمود بر باریکه الکترونی بوجود می‌آورد. درحالی که این نقطه کانونی به صورت دراز و باریک بر روی صفحه شیبدار هدف بوجود می‌آید.

پارامترهای فیزیکی کنترل کننده باریکه :

متغیرهای مهم لامپ اشعه ایکس که مکانیزم عمل و کنترل باریکه حاصل را سبب می‌شوند، عبارتند از:

جریان الکتریکی رشته: تغییر در جریان رشته سبب تغییر در دمای رشته می‌شود 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 می‌شود (از جریان لامپ معمولا به عنوان میلی آمپراژ لامپ یاد می‌کنند). شدت باریکه اشعه تولید شده بوسیله لامپ تقریبا متناسب با میلی آمپراژ لامپ است.

پراش اشعه ایکس:

پراش (تفرق) اشعه ایکس روشی برای مطالعه ساختار مواد بلوری است که توسط فون لاوه کشف شد و توسط ویلیام هنری براگ و ویلیام لورنس براگ برای بررسی بلورها بکار گرفته شد.این روش بر پایه خاصیت موجی اشعه ایکس استوار است. هسته اتم‌ها در یک شبکه کریستالی به فاصله کمی (در حدود چند آنگستروم) از یکدیگر قرار گرفته‌اند. بازتابش اشعه ایکس از این صفحات متوالی منجر به تداخل سازنده یا ویرانگر امواج ایکس می‌شود. در صورتی که امواج تداخل سازنده داشته باشند، با استفاده از فرمول براگ می‌توان فاصله صفحات کریستالی و در نتیجه اندازه و نوع سلول واحد را بدست آورد.