§ 51. Торможение электронного потока. Рентгеновы трубки

Среди разнообразных применений электронного потока, испускаемого накаленным катодом и ускоряемого действием электрического поля, особое место занимает использование явлений, возникающих при внезапном торможении быстро двигавшихся электронов.

Эти явления были открыты в 1895 г. Рентгеном, который, экспериментируя с катодными лучами, заметил, что из тех мест вакуум-трубки, на которые падают катодные лучи, исходят лучи иной природы (некорпускулярные -лучи»), невидимые глазом, но действующие на фотографическую пластинку и вызывающие флуоресценцию некоторых веществ (например, сернистого цинка, платино-синеродистого бария и т. п.). Лучи эти проходят через стекло и через многие вещества, непрозрачные для лучей видимого света (например, через картон, дерево, через органические ткани). Различными веществами эти лучи поглощаются тем сильнее, чем больше, атомный номер элементов, из которых состоит вещество.

Лучи эти (называемые ныне лучами Рентгена) ионизируют газы, делая их электропроводящими. В магнитном и электрическом полях лучи Рентгена не отклоняются.

Наиболее интенсивное рентгеновское излучение можно получить, поставив на пути катодного пучка пластинку, изготовленную из тяжелого металла, например из вольфрама или платины,— так называемый антикатод.

Рентгеновы лучи, подобно лучам видимого света, представляют собой электромагнитные волны, но с очень малой длиной волны. Самые короткие волны видимого спектра имеют длину см. Длина волны самых длинных («мягких») рентгеновых лучей измеряется несколькими ангстремами, а самых коротких («жестких») — долями ангстрема (1 ангстрем равен см).

Рентгеново излучение возникает при внезапной остановке электронов у поверхности анода (антикатода). Каждый движущийся электрон, подобно электрическому току, несет за собой магнитное поле. Резкая остановка электрона приводит к быстрому уничтожению сопровождающего его магнитного поля; при этом в соседних точках индуцируется по законам электродинамики электрическое поле, которое, исчезая, возбуждает вноь магнитное поле, и т. д.; таким образом, возникает и распространяется короткий электромагнитный импульс. Чем быстрее электрон, тем резче его остановка у анода, тем меньше длина волн образующегося при этом рентгенового излучения торможения, тем излучение это, как говорят, «жестче».

Следует, однако, отметить, что такая трактовка возникновения сплошного рентгенова спектра недостаточна для объяснения особенностей распределения в нем энергии по длинам волн. В частности, с точки зрения классических представлений необъяснимо существование границы сплошного спектра со стороны малых длин волн, определяемой формулой

где V — разность потенциалов между электродами трубки, выраженная в вольтах.

Существование этой границы сплошного спектра объясняется тем, что при торможении наиболее быстрых электронов, получивших в электрическом поле энергию излучаются фотоны

Кроме излучения торможения, вещество антикатода испускает (при достаточно больших скоростях электронов) еще так называемое характеристическое излучение, вся энергия которого падает на определенные характерные для данного вещества антикатода длины волн (линейчатый рентгеновский спектр). Полная теория рентгеновского спектра создана на основе квантовых представлений о природе рентгеновых лучей (т. III, § 61).

Рентгеновы лучи нашли широкое применение в медицине и в технике. В связи с этим чрезвычайно развилась техника получения рентгеновых лучей и их использования — рентгенотехника. В то же время изучение свойств рентгеновых лучей дало ценнейший материал для теоретической физики.

Рис. 188. Рентгенова трубка

Установка для получения рентгеновых лучей состоит из аппарата, дающего постоянный по направлению «выпрямленный» ток высокого напряжения, и рентгеновой трубки (рис. 188). Рентгенова трубка имеет накаляемый катод. В стеклянном баллоне, из которого выкачан воздух до вакуума ртутного столба, находится заключенная в металлический цилиндр плоская вольфрамовая спираль являющаяся катодом; эта спираль накаливается током от специального трансформатора накала. Анодом (или, иначе, «антикатодом») служит вольфрамовая или платиновая пластинка А (в некоторых специальных трубках пластинка из молибдена, серебра, меди или железа), впаянная в основание пустотелого медного цилиндра. Анод нагревается падающим на него потоком электронов; его охлаждают водой.

Если повышать температуру накала нити катода, увеличивая ток накала, то электронная эмиссия спирали возрастает и соответственно увеличивает интенсивность рентгенова излучения при неизменном «качестве» лучей.

При увеличении напряжения, приложенного к трубке, также увеличивается интенсивность рентгенова излучения, но при этом возрастает «жесткость» лучей, т. е. способность их проходить сквозь вещество — «проникающая способность».

Как было упомянуто, питание рентгеновых трубок производится выпрямленным током высокого напряжения. Для выпрямления

тока, получаемого от трансформатора, чаще всего служат электровакуумные трубки особого устройства — кенотроны. Кенотрон представляет собой откачанную до крайних пределов разрежения трубку с накаленным катодом. Катодом кенотрона служит накаливаемая посторонним током вольфрамовая спираль, анодом служит танталовый кружок или шарик. Прохождение тока через такую трубку обусловлено эмиссией электронов от раскаленного катода к аноду; если анод не нагрет, то в обратном направлении ток проходить не может. Ток не проходит в обратном направлении даже при напряжении в сотни тысяч вольт. (Подробнее о кенотронах сказано в следующем параграфе.)

Рис. 189. Схема рентгеновой установки.

На рис. 189 показана простейшая схема питания рентгеновой трубку током. На схеме: 1— трансформатор высокого напряжения, 2 и 3 — трансформаторы накала рентгеновой трубки и кенотронов, рентгенова трубка.

В медицине применяют для диагностики рентгеновы трубки на напряжения около в при величине тока от 10 до (величину тока соразмеряют со временем просвечивания; когда пользуются током то производят включение только на 5—10 сек.). В технике пользуются установками и трубками двух типов: на большие напряжения до 250 000 в и на сравнительно малые напряжения 30 000—80 000 в.