czwartek, 16 marca 2017

Promienie katodowe i rentgenowskie

Promieniowanie rentgenowskie, zwane też na zachodzie promieniami X (X-ray), odkryto przez przypadek, podczas badania wyładowań w rozrzedzonych gazach. Po przyłożeniu wysokiego napięcia do elektrod w tzw. rurze Crookesa powstawał strumień elektronów emitowanych przez katodę i uderzających z dużą prędkością w anodę. Część elektronów, które nie trafiły w katodę, tylko w szkło bańki, powodowała świecenie szkła na skutek wzbudzenia jego atomów. 

Świecenie lampy elektronowej - prostowniczej diody próżniowej EY-86) na skutek promieniowania katodowego.
Wkrótce okazało się, że w rurach Crookesa powstaje jeszcze inne, wysoko przenikliwe promieniowanie, zdolne do pokonania szkła bańki i innych przeszkód. Odkryto je przez przypadek, dzięki luminescencji przypadkowo rozsypanego luminoforu podczas pracy lampy zasłoniętej czarnym papierem (warto mieć czasem bałagan w warsztacie!). Wiedziano, że przyczyną nie mogą być promienie katodowe ani światło, gdyż lampa była osłonięta. Nowe promienie początkowo nazwano "X" - od matematycznego symbolu niewiadomej, później nadano im imię jednego z odkrywców, W.K. Roentgena (nad promieniowaniem pracowali też inni uczeni, m.in. Nikola Tesla, Iwan Puluj i wspomniany już Crookes, który jednak nie zwrócił szczególnej uwagi na dużą przenikliwość promieni towarzyszących emisji katodowej).

Promienie katodowe wykorzystywane są m.in. w lampach elektronowych i kineskopach. W lampach elektronowych strumień elektronów między katodą a anodą jest regulowany przez napięcie przykładane do trzeciej elektrody, tzw. siatki sterującej, co pozwala na pracę lampy np. jako wzmacniacza, tak jak pracują obecnie tranzystory. W lampach dwuelektrodowych (diodach) przewodzenie możliwe jest tylko w jednym kierunku (od katody do anody), zatem nadają się do prostowania prądu zmiennego oraz detekcji sygnału radiowego, analogicznie jak późniejsze diody półprzewodnikowe (krzemowe, germanowe). W kineskopie strumień przyspieszonych elektronów jest odchylany w polu magnetycznym, rysując linia po linii obraz na warstwie luminoforu, którą pokryty jest od wewnątrz ekran. W lampach próżniowych (kineskopy) przyspieszeniu ulegają elektrony emitowane przez katodę, w lampach gazowanych (część lamp elektronowych) przyspieszane są jony gazu wypełniającego lampę.
Promieniowanie rentgenowskie powstaje niejako przy okazji, na skutek hamowania rozpędzonych elektronów na atomach ciężkich pierwiastków, z których wykonana jest anoda (w przypadku kineskopu - ekran). Zderzenie z atomami anody powoduje powstanie promieniowania hamowania (Bremmstrahlung), lecz większa część energii przetwarzana jest na ciepło. Dlatego też lampy rentgenowskie wymagają wydajnego chłodzenia (wodne albo przez stały obrót anody, by elektrony zawsze uderzały w inny jej punkt).
Promieniowanie rentgenowskie najprościej można otrzymać podłączając lampę elektronową do źródła wysokiego napięcia - może to być powielacz napięcia z telewizora, albo, gdy chcemy być tradycjonalistami - induktor Ruhmkorffa ze szkolnej pracowni. Świecenie szkła oznacza emisję promieni katodowych, a więc i promieni rentgenowskich. 


Do eksperymentu nadaje się każda lampa elektronowa mająca wyprowadzenie anody na czubku bańki (brak ryzyka zwarcia), szczególnie diody prostownicze EY-86 i DY-86. Zwykłe lampy grożą przebiciem między nóżkami cokołu (napięcie używane przy eksperymencie jest rzędu dziesiątek kV!). Moc dawki zależy bezpośrednio od napiecia i natężenia prądu na lampie, tabele można znaleźć w podręcznikach radiologii (np. S. Zgliczyński, Radiologia) i ochrony radiologicznej.

Należy też mieć na względzie, że praca induktora Ruhmkorffa generuje zmienne pole elektromagnetyczne, które powoduje indukowanie impulsów w tubie Geigera, a co za tym idzie - fałszywe wskazania. W tym wypadku może wydawać się, że mamy promieniowanie X, podczas gdy faktycznie go nie będzie. Przy użyciu odgromników iskrowych ze sprzętów wojskowych (typ R-35, R-350), albo neonówki na gwint E-14  osiąga się "wyniki": od neonówki do 3 mR/h, od odgromników 0,12-0.4. Wpływ induktora na dozymetr Radiatex MRD-2 widać na tym filmie:

Jak widać, zarówno z tubą metalową STS-5, jak i szklaną BOB-33A wynik mocno skacze, choć faktyczne promieniowanie utrzymuje się na poziomie tła naturalnego (0.1µSv/h).

Odgromnik iskrowy typ R-35 z radzieckiego demobilu, typ R-350 ma 2 elektrody bez środkowej, ale też działa.

UWAGA. Lampę należy osłonić  z boków kawałkami ołowiu, a w bezpośrednim sąsiedztwie umieścić dozymetr (może być i Biełła, jej ekranowanie nie jest zbyt grube i wykryje nawet słabą emisję RTG). Źródło zasilania włączać z odległości, najlepiej z sąsiedniego pokoju, a przebieg eksperymentu nagrywać kamerą lub aparatem na statywie. Unikać patrzenia na lampę (często występują wyładowana emitujące ultrafiolet - ryzyko zaćmy w przyszłości, poza tym po prostu bolą oczy jak od patrzenia na spawanie łukowe lub lampę kwarcową). Szczególnie chronić okolice narządów rozrodczych, mających największą wrażliwość na promieniowanie.  Drugi dozymetr warto mieć przy sobie dla upewnienia się, że jesteśmy poza zasięgiem promieniowania. EKSPERYMENTUJESZ NA WŁASNĄ ODPOWIEDZIALNOŚĆ

2 komentarze:

  1. Witam.
    Przy okazji tego artykułu warto wspomnieć o TV Rubin 707 i jego skłonnościach do promieniowania.
    Przy źle ustawionym napięciu w prostowniku na lampie GP5 to "prześwietlał" bez przeróbek :)
    A same kineskopy były tak źle ekranowane, że bolały oczy od normalnego oglądania.
    Sam już nie naprawiałem tego typu telewizorów (zostały tylko niedobitki 714 jak zaczynałem) ale opowieści starszych kolegów zawsze budziły niepokój napotkania takiego promiennika ;)
    Pozdrawiam.

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Bardzo dziękuję za informację! Ja miałem do czynienia tylko z czarno-białymi polskimi telewizorami Ametyst i Fregata oraz turystycznymi "Elektronika", przy których nie udało mi się zmierzyć promieniowania z żadnej strony :(

      Jakbym miał takiego Rubina to chętnie bym zmierzył :)

      Usuń

Jeśli znajdziesz błąd lub chcesz podzielić się opinią, zapraszam!