Röntgenové žiarenie a zdroj RTG s diódou DY87

Jednoduchý improvizovaný zdroj slabého röntgenového žiarenia s vákuových vysokonapäťových diód z TV. Plus nejaký teoretický základ o RTG žiarení.

      Röntgenové lúče alebo staršie X-ray, je elektromagnetické nepriamo ionizujúce žiarenie s vlnovou dĺžkou 10nm – 1pm. Vzhľadom ku kvantovej dualite sa na to žiarenie tiež môžeme pozerať, ako na fotóny s energiou 5 – 200keV dostačujúcej k vyrazeniu elektrónu z atómového obalu (ionizácia). Vzniká prudkým zabrzdením urýchlených elektrónov (brzdné žiarenie) alebo prechodom elektrónov na nižšie energetické hladiny v atóme (charakteristické žiarenie).

Brzdné röntgenové žiarenie:

      Rýchlo letiaci elektrón od katódy k anóde sa pri náraze do anódy dostáva do silného poľa, kde dochádza k zakriveniu jeho dráhy a k zabrzdeniu. Kinetická energia, ktorú elektrón stratil je vyžiarená vo forme fotónu RTG žiarenia. Pri tomto procese sú vyžarované fotóny o rôznych vlnových dĺžkach. Čím viac sa elektrón priblíži k jadru a čím väčšia je jeho energia, tým väčšia je energia vznikajúceho kvanta RTG žiarenia. Energia brzdného röntgenového žiarenia závisí na protónovom čísle anódy a na rýchlosti elektrónov, teda na veľkosti napätia medzi katódou a anódou. Toto žiarenie sa vyznačuje širokým spojitým energetickým spektrom, pretože rýchlosť elektrónov emitovaných z katódy nie je jednotná. Brzdné RTG žiarenie vytvára spojité spektrum.

Charakteristické röntgenové žiarenie

      Charakteristické RTG žiarenie sa líši podľa materiálu z ktorého je zhotovené anóda. Elektróny dopadajúce na anódu (v prípade röntgenovej elektrónky je to volfrám) predávajú svoju energiu elektrónom v atómoch anódy, tieto elektróny sú excitované (vyrazené do vyššej energetickej hladiny) alebo úplne ionizované (vytrhnuté z obalu). Ak bol elektrón iba excitovaný, následne sa vracia spať do pôvodného základného stavu. Pokiaľ bol vyrazený, potom sa jeho miesto zaplní elektrónom z jednej z energetický bohatších hladín vzdialenejších od jadra. Pri oboch variantoch sa uvoľní značné množstvo energie vo forme RTG žiarenia. Energia fotónov žiarenia je rovná energetickému rozdielu medzi elektrónovými hladinami, medzi ktorými došlo k presunutiu elektrónu. Rozdiel energie medzi jednotlivými hladinami je stále rovnaký, preto vzniká RTG žiarenie iba o určitých vlnových dĺžkach. Odtiaľ plynie názov charakteristické žiarenie, pretože energetický rozdiel, ktorý určuje vlnovú dĺžku žiarenia závisí na materiálu z ktorého je anóda vyrobená. Získame teda RTG žiarenie charakteristické pre určitý konkrétny prvok (materiál anódy), jeho energia je tým vyššia, čím vyššie je protónové číslo prvku tvoriaceho anódu. Vzniknuté žiarenie tvorí tzv. diskrétne – čiarové spektrum.

Výsledné žiarenie reálneho zdroja RTG je súčtom brzdného a charakteristického žiarenia. Pri brzdení elektrónov na anóde vzniká RTG žiarenie iba z 1% pohybovej energie elektrónov. Zvyšok sa premieňa na teplo.

      U originál röntgenky je možné nezávisle na sebe regulovať napätie medzi katódou a anódou (anódové napätie) a intenzitu resp. veľkosť žeraviaceho prúdu katódy (katódový prúd). Pri röntgenke sa nažeravenie katódy využíva na reguláciu katódového prúdu na rozdiel od klasickej elektrónky, kde je žeraviace napätie pevné. Zvyčajne má röntgenka žeraviace napätie v nejakom rozsahu jednotiek voltov pri nejakom prúde v jednotkách ampér. Dôležitý je prúd, ktorý rozžeraví vlákno na určitú teplotu pri ktorej emituje nejaké množstvo elektrónov. Tieto uvoľnené elektróny sú potom urýchľované anódovým napätím.

  • Na katódovom prúde závisí intenzita RTG žiarenia. Čím bude vyšší katódový prúd, tým bude vyššia intenzita žiarenia.

  • Na anódovom napätí závisí tvrdosť, penetrácia, absorpcia a vlnová dĺžka RTG žiarenia. S rastúcim anódovým napätím porastie tvrdosť a penetrácia žiarenia, naopak bude klesať absorpcia a vlnová dĺžka. Čím je potenciál medzi katódou a anódou väčší, tým väčšie je urýchlenie elektrónov a tým kratšiu vlnovú dĺžku má vznikajúce RTG žiarenie.     

Zdroj: Rentgenové záření - wikiskripta


Zdroj RTG žiarenia s diódou DY87

      Ako jednoduchý zdroj slabého RTG žiarenia sa dá použiť takmer akákoľvek banka s vákuom. Od elektrónok cez sodíkové výbojky po pripojení vysokého napätia okolo 20 – 40kV alebo aj položením na vrch Teslovho transformátora (sodíková výbojka). Podmienka je, aby banka zniesla vysoké napätie, nevznikali výboje vo vnútri banky a ani po povrchu skla banky medzi elektródami. RTG žiarenie bude vznikať aj pri nižšom napätí, ale bude tak mäkké, že neprejde ani cez samotné sklo elektrónky. V súvislosti s týmto zároveň aj pozor, aké banky dávate k Teslovmu transformátoru !

      Najvhodnejšie sú VN usmerňovacie diódy zo starých televízií DY86 a DY87 alebo aj niektoré iné VN diódy. Zapája sa naopak v závernom smere, pretože v priepustnom smere by ňou tiekol veľký prúd a mohla by sa zničiť. Na katódu DY86 sa pripojí kladný pól VN zdroja (30 - 40kV) a anóda sa uzemní. Pripojením vysokého napätia za studena sa začnú vytrhávať elektróny z anódy, urýchľujú sa a vysokou rýchlosťou dopadajú na katódu. Na katóde sa dopadom elektróny zabrzdia, energia vynaložená na zabrzdenie elektrónov sa časťou premení na teplo a zvyšok sa vyžiari kvantami fotónov, ako RTG žiarenie. Čím bude vyššie napätie, tým vyššia energia fotónov v keV. V tomto prípade VN usmerňovacej elektrónkovej diódy by ešte ani žiadne charakteristické žiarenie vznikať nemalo.

      Dole niekoľko fotiek zapojenej DY86 na VN zdroj v závernom a priepustnom smere. Prvé dva fotky sú v závernom smere a zvyšné štyri v priepustnom, kedy RTG žiarenie ani nevznikalo. No nie je to záruka, že vznikať nebude !



      Takýto jednoduchý zdroj RTG žiarenia som raz aj praktický použil pri difúznej hmlovej komore, kedy som potreboval posvietiť niečím slabým do hmlovej komory pre experiment s fotoelektrickým a comptonovým javom. Viac o tomto sa dočítate v odseku interakcia elektromagnetického žiarenia v článku o difúznej hmlovej komore.



      Potom príklad sodíkovej výbojky položenej na vrchol elektrónkového Teslovho transformátora VTTC III, kedy vznikalo merateľné RTG žiarenie. Takto rozhodne výbojky s vákuom a iné vákuové banky na vrchol Teslových transformátorov nedávajte a nepozerajte sa na to, ako to pekne svieti. Už vzniká merateľné RTG žiarenie, pokus bol realizovaný za cieľom overenia vzniku RTG žiarenia a pre fotografie namodrastého skla výbojky od dopadu urýchlených elektrónov v banke. Meranie RTG žiarenia prebiehalo s rádiometrom RGBT62a, ktorý je celokovový a dá sa odtieniť pred rušením z Teslovho transformátora.

Danyk - Sodíková výbojka vyzařuje RTG záření