Возбуждение при внешнем облучении

Общая схема, зарисованная на рис. 1.8. может также использоваться для генерирования характеристического рентгеновского излучения. Здесь внешний источник излучения (рентгеновское, электроны, альфа частицы и т.д.) вызывает соударения с мишенью, при этом образуются возбужденные или ионизированные атомы мишени, благодаря процессам детально описанным в Гл.2. Т.к. многие из возбужденных атомов или ионов впоследствии релаксируют, переходя в основное состояние через генерирование характеристического рентгеновского излучения, то мишень может служить локализованным источником этого рентгеновского излучения.

Энергия рентгеновского излучения зависит от выбора вещества мишени. Мишени с низким атомным номером приводят к мягкому характеристическому рентгеновскому излучению, а мишени с высоким Z образуют жесткое или высокоэнергетическое рентгеновское излучение. Падающее излучение должно иметь энергию большую, чем максимальная энергия фотона, испущенного мишенью, т.к. возбужденные состояния, приводящие к соответствующим переходам в атоме, должны быть заполнены благодаря энергии падающего излучения.

Как один из примеров, падающее излучение может состоять из рентгеновского, сгенерированного общепринятой рентгеновской трубкой. Это рентгеновское излучение может тогда провзаимодействовать с ядрами мишени через фотоэлектрическое поглощение, последующая релаксация ионов мишени создает их характеристический спектр рентгеновского излучения. В этом случае данный процесс называют рентгеновской флюоресценцией. Хотя спектр характеристического рентгеновского излучения может быть «загрязнен» рассеянными квантами падающего рентгеновского пучка, обусловленная этим компонента может составлять 10 или 20% общего выхода при выборе подходящей мишени и геометрии.

Рис. 1.8. Общий метод генерирования характеристического рентгеновского излучения с поверхности мишени, состоящей из определенного вещества. К возбуждающему излучению относится: рентгеновское излучение, электроны, альфа частиц или любое другое ионизирующее изучение.

Как альтернатива громоздким рентгеновским трубкам, в качестве источников возбуждения могут использоваться радиоизотопы, которые излучают низкоэнергетические фотоны. Например, ²⁴¹Am излучает гамма кванты с энергией 60 кэВ в 36% распадов. Источникам характеристического рентгеновского излучения, использующим этот изотоп для возбуждения атомов мишени при реализации геометрии изображенной на рис. 1.9, в настоящее время доступно использование до 10 мКu активности ²⁴¹Am.

Другой метод возбуждения атомов мишени – использование внешнего электронного пучка. Для мишеней с низким атомным номером, требуется ускоряющая разность потенциалов в несколько тысяч вольт, так что может быть изобретен относительно компактный источник электронов. В случае возбуждения электронным пучком, спектр характеристического рентгеновского излучения мишени будет «загрязнен» непрерывным спектром тормозного излучения, генерируемого при взаимодействии внешних электронов с атомами мишени. Для тонких мишеней, однако, кванты тормозного излучения генерируются в прямом направлении, тогда как рентгеновские излучение изотропно. Если поместить выходное окно под большим углом (120-180⁰) к направлению падающего электронного пучка, это минимизирует наложение тормозного излучения.

Падающее излучение на рис. 1.8. может также состоять из тяжелых заряженных частиц. Опять взаимодействие этих частиц с атомами мишени приведет к их возбуждению, необходимому для генерирования характеристического рентгеновского излучения. Радиоизотопные источники тяжелых частиц наиболее удобные компактные и портативные источники.

Рис. 1.9. Вид поперечного сечения компактного источника характеристического рентгеновского излучения, в качестве возбуждающего излучения используются альфа частицы.

Из всего разнообразия потенциальных альфа излучателей наиболее используемыми являются ²¹⁰Po и ²⁴⁴Cm, т.к. они обладают удобным периодом полураспада и являются относительно свободными от «загрязняющего» электромагнитного излучения (см. Табл. 1.5). Возбуждение альфа частицами, избегает трудностей, связанных с тормозным излучением при возбуждении электронами и поэтому появляется способность генерирования относительно «чистого» характеристического рентгеновского излучения. Поперечное сечение обычного источника данного типа изображено на рис. 1.9. Выход рентгеновского излучения в пределах телесного угла равного одному стерадиану на мКu (37 Бк) для ²⁴⁴Cm лежит в диапазоне от 1.7*10⁵ фотонов/сек для бериллиевой мишени до 10⁴ фотонов/сек для мишеней с большим Z (приложение 17).