ماهیت رادیواکتیویته

هنری بکرل (Henri Beequerel) در سال 1896 بطور اتفاقی کشف کرد که ترکیبات اورانیوم ، تشعشعاتی که ماهیت آن شبیه اشعه ایکس می‌باشد، منتشر می‌کنند. به عناصری از قبیل اورانیوم که بطور خود به خود بدون آنکه انرژی جذب نمایند، انرژی صادر می‌کنند، مواد رادیواکتیو طبیعی گفته می‌شود. آزمایشهایی که در آنها از میدانهای الکتریکی یا مغناطیسی استفاده می‌گردد، نشان داده‌اند که اشعه انتشار یافته از نوع متمایز تشکیل شده است. یک میدان الکتریکی که بر یک پرتو باریک اشعه موازی اشعه انتشار یافته از یک منبع رادیواکتیو طبیعی اعمال شده است، آنرا به سه دسته جدا می‌سازند که با آلفا (α) ، بتا (β) و گاما (γ) علامت گذاری شده است.

• پرتو α: این پرتو که به طرف منفی صفحه فلزی منحرف می‌شود، باید از ذرات با بار مثبت تشکیل شده باشد. ذره آلفا که به صورت ⁴₂He⁺² نیز شناخته می‌شود، دو واحد بار مثبت حل نموده و دارای جرم یک هسته هلیوم می‌باشد.
  
• پرتو β: این پرتو که دارای انحراف شدیدتری به طرف صفحه فلزی مثبت می‌باشد، باید از ذرات سبکتری با بار منفی تشکیل شده باشند. بار الکتریکی و جرم یک ذره بتا همانند بار یک الکترون بود.
  
• پرتو γ: خواص اشعه گاما مشابه خواص اشعه X می‌باشد ما با این تفاوت که طول موج آنها از طول موج اشعه X کوتاهترند. اشعه گاما فوتونهایی هستند که فرکانسهای آنها چندین میلیون برابر فرکانسهای نور مرئی می‌باشد.

علت رادیواکتیویته

همچنین کشف گردید که ایزوتوپهای رادیواکتیو (رادیو ایزوتوپها) به کرات عناصر دیگر را تولید می‌نمایند به عنوان مثال ، "رادرفورد" دریافت که رادیم ، ذرات α و رادون ، که یک گاز رادیواکتیو می‌باشد، را بطور خود به خود منتشر می‌نماید. برای توجیه این مشاهدات ، "رادرفورد" و "فردریک ساری" در سال 1902 فرض نمودند که رادیواکتیویته نتیجه یک تغییر خود به خود در اتمهای یک عنصر می‌باشد که به اتمهای عنصر دیگر تبدیل می‌گردند. این واکنشهای هسته‌ای (تغییرات و تبدیلات) مشمول یک تغییر در عدد اتمی یا عدد جرمی (یا هر دو) ، رادیو ایزوتوپها می‌باشد.

واکنشهای شیمیایی و واکنشهای هسته‌ای

در واکنشهای شیمیایی ، اتمها ، نظم جدید پیدا می‌کنند. آنها بوجود نمی‌آیند و از بین نمی‌روند و منهدم نمی‌گردند. از اینجاست که در واکنشهای هسته‌ای ، اعداد جرمی ثابت باقی می‌مانند. مجموع اعداد جرمی هسته‌ها و ذرات واکنش دهنده باید با مجموع اعداد جرمی هسته‌ها و ذرات واکنش دهنده باید با مجموع اعداد جرمی هسته‌ها و ذراتی که حاصل می‌گردند، برابر باشد. بقای بار ایجاب می‌کند که مجموع اعداد اتمی هسته‌ها و ذرات واکنش دهنده با مجموع اعداد اتمی هسته‌های محصولات برابر باشد.

نوترون

اگر چه نوترونها در خارج از هسته ، به پروتونها و نوترونها تجزیه می‌گردند، لیکن از پروتونها و الکترونها تشکیل نشده‌اند. آزمایشاتی که توسط رابرت هافزتادتر Robert Hafstodter در مورد پخش الکترونی بوسیله پروتونها و نوترونها انجام پذیرفته ، مشابه آنچه که توسط رادرفورد در مورد پخش ذرات α بوسیله هسته انجام گرفت، چنین پیشنهاد می‌نماید که پروتون از یک هسته خنثی که توسط دو ابر با بار مثبت احاطه شده تشکیل گردیده است و یک نوترون دارای ساختمان مشابه می‌باشد، با این تفاوت که ابر داخلی منفی است.

در یکی ، هر دو ابر الکترونی با یکدیگر جمع شده یک واحد بار مثبت را تشکیل می‌دهند، در دیگری دو برابر از یونها ذرات فرعی فرضی با خواصی که به آنها نسبت داده شده‌اند می‌باشند. این مدل پیش بینی می‌کند که پروتون ترکیبی است از یک دیون با بار و دو دیون ، هر یک با بار که بار خالص را ایجاد می‌نماید. نوترون باید از دو دیون هر یک با بار و یک دیون با بار
تشکیل شده باشد که باهم یک بار خالص را ایجاد نماید.

انرژی هسته‌ای

انرژی واکنشها هسته‌ای ، E∆ که از اختلاف بین جرم محصولات و واکنش دهندگان طبق قانون "انیشتین" محاسبه شده است، با مقادیر اندازه گیری شده مطابقت دارد. در تبدیل Ra به Rn جرم اتمها عبارتند از:


Ra = 226.0254 و پس He + Rn = 4.0026 + 22.0176 = 226.0202 بطوریکه m∆ اختلاف جرم بین محصولات و واکنش دهندگان اولیه عبارتست از مول/گرم m = -0.0052∆ و E = ∆mC² , ∆E = -1.1x10⁸ kcal/mol
انرژیی که از هسته‌های رادیواکتیو صادر می‌گردد، حین عبور از ماده ، صرف یونیزاسیون یا تحریک اتمها یا مولکولها یا یونها شده و یا بوسیله شکستن پیوندهای شیمیایی مصرف می‌گردد. ذرات α معمولا نمی‌توانند به ضخامتی بیش از چند ورق کاغذ نفوذ نمایند. جدارهای یک ظرف شیشه‌ای معمولی می‌توانند معمولا ذرات β را متوقف سازند. پرتوهای ایکس و گاما قابلیت نفوذپذیری زیادی داشته و تنها بوسیله لایه‌های ضخیم سربی یا بتونی متوقف می‌شوند. فاصله از منبع نیز در به مینیمم رساندن اثر تشعشع مهم است. چون تغییرات شدت با عکس مربع فاصله متناسب می‌باشد.

ساختمان هسته

ساختمان هسته از نقطه نظرهای معینی مشابه ساختمان الکترونی اتمها است. مکانیک کوانتومی نشان می‌دهد که انرژی حالات (سطوح) یک ذره موجود در هسته کوانتیده بوده و بوسیله چهار عدد کوانتومی مشخص شده است. اصل طرد پاولی نیز در مورد ذرات موجود در هسته صادق است: دو پروتون و دو نوترون نمی‌تواند دارای چهار عدد کوانتومی یکسان باشند.

هسته‌ای که بعد از نشر یک ذره α یا β باقی می‌ماند، غالبا یک پرتو گاما (فوتون) منتشر می‌کند. بر حسب مدل سطح انرژی هسته ، هسته در یک حالت تحریک شده قرار داشته و یک فوتون به صورتی مشابه با نشر یک فوتون بوسیله یک اتم هیدروژن تحریک شده ، انتشار می‌یابد.

پایداری هسته

انرژی لازم جهت تجزیه یک مولکول در حالت گازی به اتمهای تشکیل دهنده آن برابر است با انرژی که در هنگام ترکیب مجدد این اتمها در همان درجه حرارت ایجاد می‌گردد. بطور مشابه ، انرژی پیوند یک هسته مقدار انرژی است که برای تجزیه هسته به ذرات تشکیل دهنده آن لازم است یا انرژی که در هنگام ترکیب مجدد نوکلئونها برای تشکیل هسته ایجاد می‌گردد. به هر حال ، گرمای واکنشهای هسته‌ای تقریبا یک میلیون برابر حرارتی است که از واکنشهای شیمیایی حاصل می‌گردند. ماهیت نیرویی که نوکلئونها را به یکدیگر نگه می‌دارد باید از نظر اصولی با نیروی الکتروستاتیکی که در پیوند اتمی (پیوند شیمیایی) دخالت دارد متفاوت باشد.

همانند پیوند شیمیایی ، جاذبه ثقل و نیروهای مغناطیسی ضعیف تر از آنند که قابل ملاحظه باشند. به علاوه، نیرو نمی تواند الکتریکی باشد. برای مثال ، دو ترون که از ک نوع ذره باردار (پروتون) و یک ذره خنثی تشکیل شده است، نمی‌تواند بوسیله نیروهای الکتریکی به یکدیگر نگهداری گردد. نمایش حتی بارزتر از آن پایداری زیاد هسته sup>4₂He> می‌باشد که در آن ، برخورد الکتروستاتیکی دو پروتون دفع کننده است. در 1935 ، "هیدکی یوکاوا" Hideki Yukava پیشنهاد کرد که یک ذره به خصوص که عملا با سرعت نور بین نوکلئونها در حال نوسان است، نیرویی است که نوکلئونها را به یکدیگر نگه می‌دارد.

او مضافا پیشنهاد نمود که این ذره باید دارای جرمی تقریبا 25±275 مرتبه بزرگتر از جرم الکترون بوده و می‌تواند از نظر الکتریکی خنثی ، مثبت یا منفی باشد. این ذرات که بعدا کشف گردیدند "پای- مزونها" یا "پیونها" نامیده می‌شوند. در نتیجه انتقال دائمی پیون ، پروتونها به نوترونها به پروتونها تغییر می‌یابند.

مفاهیم پایه لامپ پرتوی کاتدی

تفنگ الکترونی

طرز کار لامپ پرتوی کاتدی

نوسان نگار پرتو کاتدی

کاربردهای لامپ پرتوی کاتدی

تلویزیون

نگاه کلی

یک مولد یا ژنراتور اشعه ایکس وسیله‌ای است که انرژی الکتریکی را جهت لامپ اشعه ایکس فراهم می‌نماید. در واقع این وسیله انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌نماید. این ژنراتور با یک منبع انرژی الکتریکی شروع می‌شود و سپس این انرژی را به نحوی تغییر می‌دهد تا نیاز لامپ اشعه ایکس را مرتفع سازد. لامپ به دو منظور به انرژی الکتریکی نیازمند است. ابتدا برای ملتهب نمودن فیلمان (کاتد) و تابش الکترون از آن ، سپس شتاب دادن به این الکترونها از کاتد به سمت آند. ژنراتور اشعه ایکس برای هر کدام از این اعمال دارای یک مدار خاص می‌باشد که به ترتیب مدار فیلمان و مدار ولتاژ قوی نامیده می‌شوند.

قسمتهای مختلف ژنراتور اشعه ایکس

صفحه کنترل ژنراتور

صفحه کنترل شامل یک کلید اصلی جهت روشن نمودن دستگاه ، دو عدد وسیله اندازه گیری که میزان حقیقی MA وKVP را در خلال تولید اشعه ایکس اندازه گیری می‌نماید، است.

مجموعه مبدل

دومین جز ژنراتور اشعه ایکس یعنی مجموعه مبدلها یک جعبه فلزی با اتصال زمین پر شده از روغن است. این جعبه شامل یک مبدل کاهنده برای مدار فیلمان و یک مبدل افزاینده برای مدار ولتاژ قوی می‌باشد. بنابراین یک مبدل وسیله‌ای است که ولتاژ را در یک مدار افزایش یا کاهش می‌دهد. این قسمت شامل دو سیم پیچ می‌باشد که به دو طرف یک حلقه آهنی پیچیده شده است. هنگامیکه جریان از میان سیم پیچ اول عبور می‌نماید، یک میدان مغناطیسی در یک حلقه آهنی ایجاد شده و موجب القای یک جریان در سیم پیچ ثانویه می‌گردد. اما این نکته مهم است که یک جریان فقط هنگامی در مدار ثانویه عبور می‌نماید که میدان مغناطیسی افزایش و کاهش یابد.

هنگامیکه میدان مغناطیسی در حالت پایدار است، هیچ جریانی از مدار عبور نخواهد کرد. به این علت استفاده از یک جریان ثابت مستقیم (مانند جریان یک باتری) در سیم پیچ اولیه قادر به ایجاد یک جریان مداوم در سیم پیچ ثانویه نمی‌باشد. بکار گیری جریان متناوب در مبدلها به علت آن است که این نوع جریان بوسیله یک اختلاف پتانسیل تولید شده و بطور مداوم اندازه و به صورت متناوب جهت آن تغییر می‌نماید. یعنی مهمترین مشخصه جریان متناوب تغییر پیوسته ولتاژ آن می‌باشد که بدین ترتیب یک میدان مغناطیسی که دائما در حال تغییر است، ایجاد می‌نماید.

لامپ اشعه ایکس

انواع مبدل

یک مبدل با تعداد دور‌های بیشتر در سیم پیچ ثانویه نسبت به سیم پیچ اولیه موجب افزایش ولتاژ می‌گردد که بدین ترتیب آن را یک مبدل افزاینده می‌نامند. یک مبدل با دوره‌های کمتر در سیم پیچ ثانویه موجب پایین آوردن ولتاژ شده و به نام مبدل کاهنده نامیده می‌شود.

اتو ترانسفورماتور و وظایف آن

ولتاژ تحویلی به اتاق رادیوگرافی از طریق یک اتو ترانسفورماتور به ژنراتور اشعه ایکس متصل می‌گردد. اتو ترانسفورماتور دارای چندین وظیفه است که به شرح زیر می‌باشد.

1. فراهم آوردن ولتاژ لازم برای مدار فیلمان.
2. فراهم آوردن ولتاژ لازم برای مدار اولیه مبدل ولتاژ قوی.
3. فراهم آوردن یک محل مناسب برای قرار دادن وسیله نمایش KVP که نشانگر ولتاژ اعمال شده به دو سر لامپ است.

یک اتو ترانسفورماتور شامل یک سیم پیچ منفرد بر روی یک هسته آهنی لایه لایه بوده و بر اساس اصل خود القایی کار می‌کند. اعمال یک جریان متناوب ، یک میدان مغناطیسی در اطراف هسته القا خواهد نمود. که این میدان با تمام دورهایی که سیم پیچ را تشکیل می‌دهد، در ارتباط است و با انتخاب نقطه اتصال مناسب می‌توان تعداد دورهای لازم برای فراهم کردن ولتاژ مورد نیاز سایر اجزای ژنراتور اشعه ایکس را فراهم آورد. اتو ترانسفورماتور در یک محدوده بسیار کوچک می‌تواند عمل یک مبدل افزاینده یا کاهنده را انجام دهد.

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.

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.

چگونگی شکل گیری پرتوهای کاتدی

تابانی سبز شیشه را چگو نه می‌توان توضیح داد؟

ظهور و آشکار سازی پرتوهای کاتدی