Promienie rentgenowskie w medycynie, zastosowanie. promieniowanie rentgenowskie
Chociaż naukowcy odkryli działanie promieni rentgenowskich dopiero od lat 90. XIX wieku, zastosowanie promieni rentgenowskich w medycynie do tej naturalnej siły szybko minęło. Dzisiaj, z korzyścią dla ludzkości, promieniowanie elektromagnetyczne rentgenowskie jest wykorzystywane w medycynie, środowisku akademickim i przemysłowym, a także do wytwarzania energii elektrycznej.
Ponadto promieniowanie ma przydatne zastosowania w takich dziedzinach, jak rolnictwo, archeologia, przestrzeń kosmiczna, organy ścigania, geologia (w tym górnictwo) i wiele innych działań, nawet samochody są opracowywane z wykorzystaniem zjawiska rozszczepienia jądrowego.
Medyczne zastosowania promieni rentgenowskich
W placówkach opieki zdrowotnej lekarze i dentyści wykorzystują różnorodne materiały i procedury jądrowe do diagnozowania, monitorowania i leczenia szerokiego zakresu procesów metabolicznych i chorób w ludzkim ciele. W rezultacie terapie medyczne wykorzystujące promienie uratowały tysiące istnień ludzkich, identyfikując i lecząc schorzenia, od nadczynności tarczycy po raka kości.
Najczęstsze z tych procedur medycznych polegają na wykorzystaniu promieni, które mogą przenikać przez naszą skórę. Podczas robienia zdjęcia nasze kości i inne struktury wydają się rzucać cienie, ponieważ są gęstsze niż nasza skóra, a cienie te można wykryć na kliszy lub ekranie monitora. Efekt jest podobny do umieszczenia ołówka między kartką papieru a światłem. Cień z ołówka będzie widoczny na kartce papieru. Różnica polega na tym, że promienie są niewidoczne, więc potrzebny jest element rejestrujący, coś w rodzaju kliszy fotograficznej. Pozwala to lekarzom i dentystom na ocenę zastosowania promieni rentgenowskich, widząc złamane kości lub problemy z zębami.
Wykorzystanie promieni rentgenowskich do celów leczniczych
Wykorzystanie promieniowania rentgenowskiego w sposób ukierunkowany do celów medycznych, nie tylko do wykrywania uszkodzeń. Stosowany konkretnie ma na celu zabicie tkanki nowotworowej, zmniejszenie rozmiaru guza lub złagodzenie bólu. Na przykład radioaktywny jod (w szczególności jod-131) jest często stosowany w leczeniu raka tarczycy, schorzenia, na które cierpi wiele osób.
Urządzenia korzystające z tej właściwości są również podłączane do komputerów i skanowane, zwane: tomografią komputerową osiową lub tomografią komputerową.
Instrumenty te zapewniają lekarzom kolorowy obraz, który pokazuje zarysy i szczegóły narządów wewnętrznych. Pomaga to lekarzom wykrywać i identyfikować guzy, nieprawidłowy rozmiar lub inne problemy fizjologiczne lub funkcjonalne narządów.
Ponadto szpitale i ośrodki radiologiczne wykonują rocznie miliony zabiegów. W takich procedurach lekarze wystrzeliwują lekko radioaktywne substancje do ciała pacjentów, aby przyjrzeć się określonym narządom wewnętrznym, takim jak trzustka, nerki, tarczyca, wątroba czy mózg, aby zdiagnozować stany kliniczne.
WYKŁAD
PROMIENIOWANIE RTG
Natura promieni rentgenowskich
Rentgen Bremsstrahlung, jego właściwości spektralne.
Charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie (do wglądu).
Oddziaływanie promieniowania rentgenowskiego z materią.
Fizyczne podstawy wykorzystania promieni rentgenowskich w medycynie.
Promienie rentgenowskie (promienie rentgenowskie) odkrył K. Roentgen, który w 1895 roku został pierwszym laureatem Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki.
Natura promieni rentgenowskich
promieniowanie rentgenowskie - fale elektromagnetyczne o długości od 80 do 10 -5 nm. Promienie długofalowe są objęte krótkofalowym promieniowaniem UV, a krótkofalowe promienie rentgenowskie są objęte promieniowaniem długofalowym .
Promienie rentgenowskie są wytwarzane w lampach rentgenowskich. rys.1.
K - katoda
1 - wiązka elektronów
2 - Promieniowanie rentgenowskie
Ryż. 1. Aparat rentgenowski.
Rura jest szklaną kolbą (o możliwie wysokiej próżni: ciśnienie w niej wynosi około 10–6 mm Hg) z dwiema elektrodami: anodą A i katodą K, do których przykładane jest wysokie napięcie U (kilka tysięcy woltów) . Katoda jest źródłem elektronów (ze względu na zjawisko emisji termojonowej). Anoda to metalowy pręt o nachylonej powierzchni w celu skierowania powstałego promieniowania rentgenowskiego pod kątem do osi lampy. Wykonany jest z materiału silnie przewodzącego ciepło, który usuwa ciepło generowane podczas bombardowania elektronami. Na ukośnym końcu znajduje się płyta wykonana z metalu ogniotrwałego (na przykład wolframu).
Silne nagrzewanie anody wynika z faktu, że główna liczba elektronów w wiązce katodowej, po uderzeniu w anodę, doświadcza licznych zderzeń z atomami substancji i przekazuje im dużą ilość energii.
Pod działaniem wysokiego napięcia elektrony emitowane przez żarnik z gorącą katodą są przyspieszane do wysokich energii. Energia kinetyczna elektronu jest równa mv 2 /2. Jest równa energii, którą uzyskuje, poruszając się w polu elektrostatycznym lampy:
śr 2 /2 = UE(1)
gdzie m, e to masa i ładunek elektronu, U to napięcie przyspieszające.
Procesy prowadzące do pojawienia się promieni rentgenowskich są spowodowane intensywnym hamowaniem elektronów w materiale anodowym przez pole elektrostatyczne jądra atomowego i elektronów atomowych.
Mechanizm pochodzenia można przedstawić w następujący sposób. Poruszające się elektrony to pewien rodzaj prądu, który tworzy własne pole magnetyczne. Spowolnienie elektronów to spadek natężenia prądu i odpowiednio zmiana indukcji pola magnetycznego, co spowoduje pojawienie się przemiennego pola elektrycznego, tj. pojawienie się fali elektromagnetycznej.
Tak więc, kiedy naładowana cząstka wlatuje w materię, zwalnia, traci energię i prędkość oraz emituje fale elektromagnetyczne.
Właściwości spektralne promieni rentgenowskich bremsstrahlung .
Tak więc w przypadku spowolnienia elektronów w materiale anodowym, promieniowanie bremsstrahlung.
Widmo bremsstrahlung jest ciągłe. Powód tego jest następujący.
Kiedy elektrony zwalniają, każdy z nich ma część energii użytej do ogrzania anody (E 1 \u003d Q), druga część do wytworzenia fotonu rentgenowskiego (E 2 \u003d hv), w przeciwnym razie eU \u003d hv + Q. Stosunek między tymi częściami jest losowy.
W ten sposób ciągłe widmo promieniowania rentgenowskiego powstaje w wyniku spowolnienia wielu elektronów, z których każdy emituje jeden kwant promieniowania rentgenowskiego hv (h) o ściśle określonej wartości. Wartość tego kwantu różne dla różnych elektronów. Zależność strumienia energii promieniowania rentgenowskiego od długości fali , tj. widmo rentgenowskie pokazano na rys.2.
Rys.2. Widmo Bremsstrahlung: a) przy różnych napięciach U w rurze; b) w różnych temperaturach T katody.
Promieniowanie krótkofalowe (twarde) ma większą siłę przenikania niż promieniowanie długofalowe (miękkie). Promieniowanie miękkie jest silniej pochłaniane przez materię.
Od strony krótkich długości fal widmo kończy się nagle przy pewnej długości fali m i n . Takie krótkofalowe bremsstrahlung występuje, gdy energia pobierana przez elektron w przyspieszającym polu jest całkowicie przekształcana w energię fotonu (Q = 0):
eU = hv max = hc/ min , min = hc/(eU), (2)
min (nm) = 1,23/UkV
Skład widmowy promieniowania zależy od napięcia na lampie rentgenowskiej, wraz ze wzrostem napięcia wartość m in przesuwa się w kierunku fal krótkich (rys. 2a).
Gdy zmienia się temperatura T żarzenia katody, wzrasta emisja elektronów. W konsekwencji prąd I w rurze wzrasta, ale skład spektralny promieniowania nie zmienia się (rys. 2b).
Strumień energii Ф bremsstrahlung jest wprost proporcjonalny do kwadratu napięcia U między anodą a katodą, natężenia prądu I w rurze i liczby atomowej Z substancji anodowej:
Ф = kZU 2 I. (3)
gdzie k \u003d 10 -9 W / (V 2 A).
Charakterystyczne promienie rentgenowskie (do zapoznania się).
Zwiększenie napięcia na lampie rentgenowskiej prowadzi do tego, że na tle widma ciągłego pojawia się linia, która odpowiada charakterystycznemu promieniowaniu rentgenowskiemu. To promieniowanie jest specyficzne dla materiału anodowego.
Mechanizm jego występowania jest następujący. Przy wysokim napięciu przyspieszone elektrony (o dużej energii) wnikają głęboko w atom i wybijają elektrony z jego wewnętrznych warstw. Elektrony z wyższych poziomów przechodzą do wolnych miejsc, w wyniku czego emitowane są fotony o charakterystycznym promieniowaniu.
Widma charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego różnią się od widm optycznych.
- Jednolitość.
Jednorodność charakterystycznych widm wynika z faktu, że wewnętrzne warstwy elektronowe różnych atomów są takie same i różnią się tylko energetycznie dzięki działaniu siły z jąder, która wzrasta wraz ze wzrostem liczby pierwiastków. Dlatego charakterystyczne widma przesuwają się w kierunku wyższych częstotliwości wraz ze wzrostem ładunku jądrowego. Zostało to eksperymentalnie potwierdzone przez pracownika Rentgena - Moseley, który zmierzył częstotliwości przejścia promieniowania rentgenowskiego dla 33 pierwiastków. Stworzyli prawo.
PRAWO MOJŻESZOWEGO – pierwiastek kwadratowy częstotliwości promieniowania charakterystycznego jest funkcją liniową liczby porządkowej elementu:
= A (Z - B), (4)
gdzie v jest częstotliwością linii widmowej, Z jest liczbą atomową elementu emitującego. A, B są stałymi.
Znaczenie prawa Moseleya polega na tym, że tę zależność można wykorzystać do dokładnego określenia liczby atomowej badanego pierwiastka na podstawie zmierzonej częstotliwości linii rentgenowskiej. Odegrało to dużą rolę w rozmieszczeniu pierwiastków w układzie okresowym.
Niezależność od związku chemicznego.
Charakterystyczne widma rentgenowskie atomu nie zależą od związku chemicznego, w który wchodzi atom pierwiastka. Na przykład widmo rentgenowskie atomu tlenu jest takie samo dla O 2, H 2 O, podczas gdy widma optyczne tych związków różnią się. Ta cecha widma rentgenowskiego atomu była podstawą nazwy „ charakterystyczne promieniowanie".
Oddziaływanie promieniowania rentgenowskiego z materią
Wpływ promieniowania rentgenowskiego na obiekty jest determinowany przez pierwotne procesy oddziaływania promieniowania rentgenowskiego. foton z elektronami atomy i cząsteczki materii.
Promieniowanie rentgenowskie w materii zaabsorbowany lub rozprasza się. W tym przypadku mogą zachodzić różne procesy, które są determinowane stosunkiem energii fotonu rentgenowskiego hv do energii jonizacji Аu (energia jonizacji Аu to energia potrzebna do usunięcia elektronów wewnętrznych z atomu lub cząsteczki).
a) Spójne rozpraszanie(rozpraszanie promieniowania długofalowego) występuje, gdy relacja
Dla fotonów, na skutek oddziaływania z elektronami, zmienia się tylko kierunek ruchu (rys. 3a), ale energia hv i długość fali nie zmieniają się (dlatego rozpraszanie to nazywa się zgodny). Ponieważ energie fotonu i atomu się nie zmieniają, rozpraszanie koherentne nie wpływa na obiekty biologiczne, ale tworząc ochronę przed promieniowaniem rentgenowskim należy brać pod uwagę możliwość zmiany pierwotnego kierunku wiązki.
b) efekt fotoelektryczny dzieje się, gdy
W takim przypadku można zrealizować dwa przypadki.
Foton zostaje zaabsorbowany, elektron odrywa się od atomu (rys. 3b). Następuje jonizacja. Odłączony elektron uzyskuje energię kinetyczną: E k \u003d hv - A i. Jeśli energia kinetyczna jest duża, elektron może zjonizować sąsiednie atomy w wyniku zderzenia, tworząc nowe. wtórny elektrony.
Foton jest pochłaniany, ale jego energia nie wystarcza do oderwania elektronu i wzbudzenie atomu lub cząsteczki(rys. 3c). Prowadzi to często do późniejszej emisji fotonu w obszarze promieniowania widzialnego (luminescencja rentgenowska), a w tkankach do aktywacji cząsteczek i reakcji fotochemicznych. Efekt fotoelektryczny występuje głównie na elektronach wewnętrznych powłok atomów o wysokim Z.
w) Rozproszenie niespójne(efekt Comptona, 1922) występuje, gdy energia fotonu jest znacznie większa niż energia jonizacji
W tym przypadku elektron jest oderwany od atomu (takie elektrony są nazywane odrzut elektronów), uzyskuje pewną energię kinetyczną E k, energia samego fotonu maleje (ryc. 4d):
hv=hv” + A i + E k. (5)
Powstające promieniowanie o zmienionej częstotliwości (długości) nazywa się wtórny, rozprasza się we wszystkich kierunkach.
Elektrony odrzutowe, jeśli mają wystarczającą energię kinetyczną, mogą jonizować sąsiednie atomy w wyniku zderzenia. Tak więc w wyniku niespójnego rozpraszania powstaje wtórne rozproszone promieniowanie rentgenowskie, a atomy substancji ulegają jonizacji.
Te (a, b, c) procesy mogą powodować szereg kolejnych. Na przykład (ryc. 3d), jeśli podczas efektu fotoelektrycznego elektrony zostaną oderwane od atomu na wewnętrznych powłokach, to elektrony z wyższych poziomów mogą przejść w ich miejsce, czemu towarzyszy wtórne charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie tej substancji. Fotony promieniowania wtórnego, oddziałując z elektronami sąsiednich atomów, mogą z kolei powodować zjawiska wtórne.
spójne rozpraszanie
uh 
energia i długość fali pozostają bez zmian
efekt fotoelektryczny
foton jest zaabsorbowany, e - oderwany od atomu - jonizacja
hv \u003d A i + E do
atom A jest wzbudzany po absorpcji fotonu, R jest luminescencją rentgenowską
niespójne rozpraszanie
hv \u003d hv „+ A i + E do
procesy wtórne w efekcie fotoelektrycznym
Ryż. 3 Mechanizmy oddziaływania promieniowania rentgenowskiego z materią
Fizyczne podstawy wykorzystania promieni rentgenowskich w medycynie
Kiedy promieniowanie rentgenowskie pada na ciało, jest ono lekko odbijane od jego powierzchni, ale głównie przechodzi w głąb, podczas gdy jest częściowo pochłaniane i rozpraszane, a częściowo przechodzi.
Prawo osłabienia.
Strumień rentgenowski jest tłumiony w materii zgodnie z prawem:
F \u003d F 0 e - x (6)
gdzie jest liniowe współczynnik tłumienia, co zasadniczo zależy od gęstości substancji. Jest równa sumie trzech wyrazów odpowiadających rozproszeniu koherentnemu 1, niespójnemu 2 i efektowi fotoelektrycznemu 3:
= 1 + 2 + 3 . (7)
Wkład każdego członu jest określony przez energię fotonów. Poniżej znajdują się proporcje tych procesów dla tkanek miękkich (woda).
|
Energia, keV |
efekt fotoelektryczny |
Compton - efekt |
smacznego współczynnik tłumienia masy, która nie zależy od gęstości substancji :
m = /. (osiem)
Współczynnik tłumienia masy zależy od energii fotonu i liczby atomowej substancji pochłaniającej:
m = k 3 Z 3 . (9)
Współczynniki tłumienia masy kości i tkanki miękkiej (woda) są różne: m kości / m wody = 68.
Jeżeli na drodze promieniowania rentgenowskiego znajduje się ciało niejednorodne, a przed nim ekran fluorescencyjny, to ciało to, pochłaniając i tłumiąc promieniowanie, tworzy na ekranie cień. Z natury tego cienia można ocenić kształt, gęstość, strukturę, aw wielu przypadkach naturę ciał. Tych. znaczna różnica w absorpcji promieniowania rentgenowskiego przez różne tkanki pozwala zobaczyć obraz narządów wewnętrznych w rzucie cienia.
Jeśli badany narząd i otaczające tkanki w równym stopniu tłumią promieniowanie rentgenowskie, stosuje się środki kontrastowe. Na przykład wypełniając żołądek i jelita papkowatą masą siarczanu baru (BaSO 4 ), widać ich obraz cienia (stosunek współczynników tłumienia wynosi 354).
Zastosowanie w medycynie.
W medycynie do diagnostyki stosuje się promieniowanie rentgenowskie o energii fotonów od 60 do 100-120 keV, a do terapii 150-200 keV.
Diagnostyka rentgenowska – Rozpoznawanie chorób poprzez naświetlanie ciała promieniami rentgenowskimi.
Diagnostyka rentgenowska jest wykorzystywana w różnych opcjach, które podano poniżej.
Z fluoroskopią lampa rentgenowska znajduje się za pacjentem. Przed nim znajduje się ekran fluorescencyjny. Na ekranie pojawia się cień (pozytywny) obraz. W każdym indywidualnym przypadku dobiera się odpowiednią twardość promieniowania, aby przeszło ono przez tkanki miękkie, ale było wystarczająco pochłaniane przez gęste. W przeciwnym razie uzyskuje się jednolity cień. Na ekranie serce, żebra są ciemne, a płuca jasne.
Kiedy radiografia obiekt umieszczony jest na kasecie, w której znajduje się film ze specjalną emulsją fotograficzną. Lampa rentgenowska jest umieszczana nad obiektem. Otrzymany radiogram daje obraz negatywowy, tj. przeciwieństwo w przeciwieństwie do obrazu obserwowanego podczas transiluminacji. W tej metodzie obraz jest wyraźniejszy niż w (1), dlatego obserwowane są szczegóły, które są trudne do zauważenia w świetle przechodzącym.
Obiecującym wariantem tej metody jest rentgen tomografia oraz „wersja maszynowa” - komputer tomografia.
3. Z fluoroskopią, Na czułym filmie małoformatowym obraz z dużego ekranu jest utrwalony. Oglądane zdjęcia są oglądane na specjalnej lupie.
Terapia rentgenowska- wykorzystanie promieni rentgenowskich do niszczenia nowotworów złośliwych.
Biologicznym efektem promieniowania jest zakłócenie aktywności życiowej, zwłaszcza szybko namnażających się komórek.
TOMOGRAFIA KOMPUTEROWA (CT)
Metoda rentgenowskiej tomografii komputerowej polega na rekonstrukcji obrazu określonego odcinka ciała pacjenta poprzez rejestrację dużej liczby rzutów rentgenowskich tego odcinka, wykonanych pod różnymi kątami. Informacje z czujników rejestrujących te projekcje trafiają do komputera, który zgodnie ze specjalnym programem oblicza dystrybucja obcisływielkość próbki w badanej części i wyświetla ją na ekranie wyświetlacza. Uzyskany w ten sposób obraz wycinka ciała pacjenta charakteryzuje się doskonałą wyrazistością i wysoką zawartością informacji. Program pozwala zwiększać kontrast obrazu w dziesiątki, a nawet setki razy. Rozszerza to możliwości diagnostyczne metody.
Filmowcy (urządzenia z cyfrową obróbką zdjęć RTG) we współczesnej stomatologii.
W stomatologii główną metodą diagnostyczną jest badanie rentgenowskie. Jednak szereg tradycyjnych cech organizacyjnych i technicznych diagnostyki rentgenowskiej powoduje, że nie jest ona do końca wygodna zarówno dla pacjenta, jak i dla gabinetów stomatologicznych. To przede wszystkim konieczność kontaktu pacjenta z promieniowaniem jonizującym, które często powoduje znaczne obciążenie radiacyjne organizmu, to także potrzeba fotoprocesu, a w konsekwencji potrzeba fotoodczynników, w tym m.in. toksyczne. To wreszcie obszerne archiwum, ciężkie teczki i koperty z kliszami rentgenowskimi.
Ponadto obecny poziom rozwoju stomatologii sprawia, że subiektywna ocena radiogramów przez oko ludzkie jest niewystarczająca. Jak się okazało, z różnorodności odcieni szarości zawartych na zdjęciu rentgenowskim oko dostrzega tylko 64.
Oczywiście, aby uzyskać wyraźny i szczegółowy obraz twardych tkanek układu zębodołowego przy minimalnej ekspozycji na promieniowanie, potrzebne są inne rozwiązania. Poszukiwania doprowadziły do powstania tzw. systemów radiografii, kamerzyści – systemów radiografii cyfrowej.
Bez szczegółów technicznych zasada działania takich systemów jest następująca. Promieniowanie rentgenowskie przechodzi przez obiekt nie na błonie światłoczułej, ale na specjalnym czujniku wewnątrzustnym (specjalna matryca elektroniczna). Odpowiedni sygnał z matrycy jest przesyłany do urządzenia digitalizującego (przetwornika analogowo-cyfrowego, ADC), który przetwarza go na postać cyfrową i jest podłączony do komputera. Specjalne oprogramowanie buduje obraz rentgenowski na ekranie komputera i pozwala na jego obróbkę, zapisanie na twardym lub elastycznym nośniku danych (dysk twardy, dyskietki), wydrukowanie go jako obrazka jako pliku.
W systemie cyfrowym obraz rentgenowski to zbiór punktów o różnych wartościach cyfrowej skali szarości. Zapewniona przez program optymalizacja wyświetlania informacji umożliwia uzyskanie optymalnego kadru pod względem jasności i kontrastu przy stosunkowo niskiej dawce promieniowania.
W nowoczesnych systemach, stworzonych na przykład przez Trophy (Francja) lub Schick (USA), przy formowaniu ramy stosuje się 4096 odcieni szarości, czas ekspozycji zależy od przedmiotu badań i średnio wynosi setne - dziesiąte części po drugie, zmniejszenie narażenia na promieniowanie w stosunku do filmu - do 90% dla systemów wewnątrzustnych, do 70% dla filmowców panoramicznych.
Podczas przetwarzania obrazów filmowcy zezwalają na:
Uzyskaj obrazy pozytywne i negatywne, obrazy w fałszywych kolorach, obrazy wytłoczone.
Zwiększ kontrast i powiększ obszar zainteresowania obrazu.
Oceniaj zmiany gęstości tkanek zęba i struktur kostnych, kontroluj równomierność wypełnienia kanałów.
W endodoncji określić długość kanału o dowolnej krzywiźnie, a w chirurgii dobrać rozmiar implantu z dokładnością do 0,1 mm.
Unikalny system wykrywania próchnicy z elementami sztucznej inteligencji podczas analizy obrazu pozwala na wykrycie próchnicy na etapie plam, próchnicy korzeni oraz próchnicy ukrytej.
„F” we wzorze (3) odnosi się do całego zakresu promieniowanych długości fal i jest często określany jako „całkowity strumień energii”.
PROMIENIOWANIE RTG
promieniowanie niewidzialne zdolne do przenikania, choć w różnym stopniu, wszystkich substancji. Jest to promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali około 10-8 cm, które podobnie jak światło widzialne powoduje zaczernienie kliszy fotograficznej. Ta właściwość ma ogromne znaczenie dla medycyny, przemysłu i badań naukowych. Przechodząc przez badany obiekt, a następnie padając na błonę, promieniowanie rentgenowskie przedstawia na nim jego wewnętrzną strukturę. Ponieważ zdolność przenikania promieniowania rentgenowskiego jest różna dla różnych materiałów, części obiektu, które są dla niego mniej przezroczyste, dają jaśniejsze obszary na zdjęciu niż te, przez które promieniowanie dobrze przenika. Dzięki temu tkanki kostne są mniej przezroczyste dla promieni rentgenowskich niż tkanki, z których składa się skóra i narządy wewnętrzne. Dlatego na radiogramie kości zostaną wskazane jako jaśniejsze obszary, a miejsce złamania, które jest bardziej przezroczyste dla promieniowania, można dość łatwo wykryć. Obrazowanie rentgenowskie jest również wykorzystywane w stomatologii do wykrywania próchnicy i ropni w korzeniach zębów, a także w przemyśle do wykrywania pęknięć w odlewach, tworzywach sztucznych i gumach. Promienie rentgenowskie są wykorzystywane w chemii do analizy związków oraz w fizyce do badania struktury kryształów. Wiązka promieniowania rentgenowskiego przechodząca przez związek chemiczny powoduje charakterystyczne promieniowanie wtórne, którego analiza spektroskopowa pozwala chemikowi określić skład związku. Padając na substancję krystaliczną, wiązka rentgenowska jest rozpraszana przez atomy kryształu, dając wyraźny, regularny wzór plamek i pasków na kliszy fotograficznej, co pozwala na ustalenie wewnętrznej struktury kryształu. Zastosowanie promieni rentgenowskich w leczeniu raka opiera się na fakcie, że zabija komórki rakowe. Może jednak mieć również niepożądany wpływ na normalne komórki. Dlatego przy korzystaniu z promieni rentgenowskich należy zachować szczególną ostrożność. Promieniowanie rentgenowskie odkrył niemiecki fizyk W. Roentgen (1845-1923). Jego nazwisko jest uwiecznione w kilku innych terminach fizycznych związanych z tym promieniowaniem: międzynarodowa jednostka dawki promieniowania jonizującego nazywana jest rentgenem; zdjęcie wykonane aparatem rentgenowskim nazywa się radiogramem; Dziedzina medycyny radiologicznej, która wykorzystuje promieniowanie rentgenowskie do diagnozowania i leczenia chorób, nazywa się radiologią. Roentgen odkrył promieniowanie w 1895 roku jako profesor fizyki na Uniwersytecie w Würzburgu. Prowadząc eksperymenty z promieniami katodowymi (przepływ elektronów w lampach wyładowczych) zauważył, że ekran umieszczony w pobliżu lampy próżniowej, pokryty krystalicznym cyjanoplatynitem baru, świeci jasno, chociaż sama lampka jest pokryta czarnym kartonem. Roentgen ustalił dalej, że przenikliwa moc odkrytych przez niego nieznanych promieni, które nazwał promieniami X, zależała od składu materiału pochłaniającego. Sfotografował również kości własnej ręki, umieszczając je między lampą wyładowania katodowego a ekranem pokrytym cyjanoplatynitem baru. Po odkryciu Roentgena rozpoczęły się eksperymenty innych badaczy, którzy odkryli wiele nowych właściwości i możliwości wykorzystania tego promieniowania. Wielki wkład wnieśli M. Laue, W. Friedrich i P. Knipping, którzy zademonstrowali w 1912 roku dyfrakcję promieni rentgenowskich podczas przechodzenia przez kryształ; W. Coolidge, który w 1913 r. wynalazł wysokopróżniową lampę rentgenowską z podgrzewaną katodą; G. Moseley, który ustalił w 1913 r. zależność między długością fali promieniowania a liczbą atomową pierwiastka; G. i L. Braggi, którzy otrzymali Nagrodę Nobla w 1915 roku za opracowanie podstaw analizy dyfrakcyjnej promieniowania rentgenowskiego.
UZYSKANIE PROMIENIOWANIA RENTGENOWSKIEGO
Promieniowanie rentgenowskie występuje, gdy elektrony poruszające się z dużą prędkością oddziałują z materią. Gdy elektrony zderzają się z atomami dowolnej substancji, szybko tracą swoją energię kinetyczną. W tym przypadku większość zamieniana jest na ciepło, a niewielka część, zwykle mniej niż 1%, zamieniana jest na energię rentgenowską. Energia ta jest uwalniana w postaci kwantów - cząstek zwanych fotonami, które mają energię, ale mają zerową masę spoczynkową. Fotony rentgenowskie różnią się energią, która jest odwrotnie proporcjonalna do ich długości fali. W konwencjonalnej metodzie uzyskiwania promieni rentgenowskich uzyskuje się szeroki zakres długości fal, który nazywa się widmem rentgenowskim. Widmo zawiera wyraźne składniki, jak pokazano na ryc. 1. Szerokie „kontinuum” nazywane jest ciągłym widmem lub białym promieniowaniem. Nałożone na nią ostre piki nazywane są charakterystycznymi liniami emisyjnymi promieniowania rentgenowskiego. Chociaż całe widmo jest wynikiem zderzeń elektronów z materią, mechanizmy pojawiania się jego szerokiej części i linii są różne. Substancja składa się z dużej liczby atomów, z których każdy ma jądro otoczone powłokami elektronowymi, a każdy elektron w powłoce atomu danego pierwiastka zajmuje pewien dyskretny poziom energii. Zwykle te powłoki lub poziomy energetyczne są oznaczane symbolami K, L, M itd., zaczynając od powłoki znajdującej się najbliżej jądra. Kiedy padający elektron o wystarczająco dużej energii zderza się z jednym z elektronów związanych z atomem, wybija ten elektron z powłoki. Pustą przestrzeń zajmuje inny elektron z powłoki, co odpowiada wyższej energii. Ten ostatni oddaje nadmiar energii, emitując foton rentgenowski. Ponieważ elektrony powłoki mają dyskretne wartości energii, powstałe fotony rentgenowskie również mają dyskretne widmo. Odpowiada to ostrym pikom dla pewnych długości fal, których konkretne wartości zależą od elementu docelowego. Charakterystyczne linie tworzą serie K-, L- i M-w zależności od tego, z której powłoki (K, L lub M) usunięto elektron. Zależność między długością fali promieniowania rentgenowskiego a liczbą atomową nazywa się prawem Moseleya (ryc. 2).
Jeśli elektron zderza się ze stosunkowo ciężkim jądrem, to zwalnia, a jego energia kinetyczna jest uwalniana w postaci fotonu rentgenowskiego o mniej więcej takiej samej energii. Jeśli przeleci obok jądra, straci tylko część swojej energii, a reszta zostanie przekazana innym atomom, które padną na jego drodze. Każdy akt utraty energii prowadzi do emisji fotonu o pewnej energii. Pojawia się ciągłe widmo rentgenowskie, którego górna granica odpowiada energii najszybszego elektronu. Jest to mechanizm powstawania widma ciągłego, a maksymalna energia (lub minimalna długość fali), która wyznacza granicę widma ciągłego, jest proporcjonalna do napięcia przyspieszającego, które określa prędkość padających elektronów. Linie widmowe charakteryzują materiał bombardowanego celu, natomiast widmo ciągłe jest określone energią wiązki elektronów i praktycznie nie zależy od materiału celu. Promienie rentgenowskie można uzyskać nie tylko przez bombardowanie elektronami, ale także naświetlając cel promieniami rentgenowskimi z innego źródła. W tym przypadku jednak większość energii wiązki padającej trafia do charakterystycznego widma rentgenowskiego, a bardzo mała część przypada na widmo ciągłe. Oczywiście padająca wiązka promieniowania rentgenowskiego musi zawierać fotony, których energia jest wystarczająca do wzbudzenia charakterystycznych linii bombardowanego elementu. Wysoki procent energii przypadający na widmo charakterystyczne sprawia, że ta metoda wzbudzania promieniami rentgenowskimi jest wygodna do badań naukowych.
Lampy rentgenowskie. Aby uzyskać promieniowanie rentgenowskie w wyniku oddziaływania elektronów z materią, konieczne jest posiadanie źródła elektronów, środków do przyspieszania ich do dużych prędkości oraz celu zdolnego do wytrzymania bombardowania elektronami i wytworzenia promieniowania rentgenowskiego o wymagana intensywność. Urządzenie, które ma to wszystko, nazywa się lampą rentgenowską. Wcześni odkrywcy używali lamp „głębokiej próżni”, takich jak dzisiejsze lampy wyładowcze. Próżnia w nich nie była zbyt duża. Rurki wyładowcze zawierają niewielką ilość gazu, a gdy do elektrod rury przyłożona jest duża różnica potencjałów, atomy gazu zamieniają się w jony dodatnie i ujemne. Dodatnie poruszają się w kierunku elektrody ujemnej (katody) i padając na nią wybijają z niej elektrony, a te z kolei zbliżają się do elektrody dodatniej (anody) i bombardując ją tworzą strumień fotonów rentgenowskich . W nowoczesnej lampie rentgenowskiej opracowanej przez Coolidge'a (rys. 3) źródłem elektronów jest podgrzana do wysokiej temperatury katoda wolframowa. Elektrony są przyspieszane do dużych prędkości dzięki dużej różnicy potencjałów między anodą (lub antykatodą) a katodą. Ponieważ elektrony muszą dotrzeć do anody bez zderzenia z atomami, wymagana jest bardzo wysoka próżnia, dla której rura musi być dobrze opróżniona. Zmniejsza to również prawdopodobieństwo jonizacji pozostałych atomów gazu i związanych z nimi prądów bocznych.
Elektrony są skupiane na anodzie przez specjalnie ukształtowaną elektrodę otaczającą katodę. Elektroda ta nazywana jest elektrodą ogniskującą i wraz z katodą tworzy „elektroniczny reflektor” lampy. Anoda poddawana bombardowaniu elektronami musi być wykonana z materiału ogniotrwałego, ponieważ większość energii kinetycznej bombardujących elektronów jest zamieniana na ciepło. Ponadto pożądane jest, aby anoda była wykonana z materiału o wysokiej liczbie atomowej, ponieważ wydajność promieniowania rentgenowskiego wzrasta wraz ze wzrostem liczby atomowej. Jako materiał anodowy najczęściej wybierany jest wolfram, którego liczba atomowa wynosi 74. Konstrukcja lamp rentgenowskich może się różnić w zależności od warunków i wymagań aplikacji.
WYKRYWANIE RTG
Wszystkie metody wykrywania promieni rentgenowskich opierają się na ich interakcji z materią. Detektory mogą być dwojakiego rodzaju: te, które dają obraz, i te, które nie dają. Te pierwsze obejmują urządzenia do fluorografii rentgenowskiej i fluoroskopii, w których wiązka promieniowania rentgenowskiego przechodzi przez badany obiekt, a przepuszczane promieniowanie wchodzi do ekranu lub filmu luminescencyjnego. Obraz pojawia się dzięki temu, że różne części badanego obiektu pochłaniają promieniowanie w różny sposób – w zależności od grubości substancji i jej składu. W detektorach z ekranem luminescencyjnym energia promieniowania rentgenowskiego jest przekształcana w obraz bezpośrednio obserwowalny, natomiast w radiografii jest rejestrowana na czułej emulsji i może być obserwowana dopiero po wywołaniu filmu. Drugi typ detektorów obejmuje szeroką gamę urządzeń, w których energia promieniowania rentgenowskiego jest przetwarzana na sygnały elektryczne charakteryzujące względną intensywność promieniowania. Należą do nich komory jonizacyjne, licznik Geigera, licznik proporcjonalny, licznik scyntylacyjny oraz niektóre specjalne detektory oparte na siarczku i selenku kadmu. Obecnie liczniki scyntylacyjne można uznać za najbardziej wydajne detektory, które sprawdzają się w szerokim zakresie energii.
Zobacz też DETEKTORY CZĄSTEK . Detektor dobierany jest z uwzględnieniem warunków problemu. Na przykład, jeśli konieczne jest dokładne zmierzenie natężenia ugiętego promieniowania rentgenowskiego, to stosuje się liczniki, które umożliwiają pomiary z dokładnością do ułamków procentowych. Jeżeli konieczne jest zarejestrowanie dużej ilości ugiętych wiązek, wskazane jest użycie kliszy rentgenowskiej, choć w tym przypadku niemożliwe jest określenie natężenia z taką samą dokładnością.
DEFEKTOSKOPIA RTG I GAMMA
Jednym z najczęstszych zastosowań promieni rentgenowskich w przemyśle jest kontrola jakości materiałów i wykrywanie wad. Metoda rentgenowska jest nieniszcząca, dzięki czemu badany materiał, jeśli okaże się, że spełnia wymagane wymagania, może być używany zgodnie z jego przeznaczeniem. Zarówno defektoskopia rentgenowska, jak i gamma opierają się na penetracji promieniowania rentgenowskiego i charakterystyce jego absorpcji w materiałach. Moc penetracji zależy od energii fotonów promieniowania rentgenowskiego, która zależy od napięcia przyspieszającego w lampie rentgenowskiej. Dlatego grube próbki i próbki z metali ciężkich, takich jak złoto i uran, wymagają do ich badania źródła promieniowania rentgenowskiego o wyższym napięciu, a dla cienkich próbek wystarczające jest źródło o niższym napięciu. Do wykrywania wad w promieniowaniu gamma bardzo dużych odlewów i dużych produktów walcowanych stosuje się betatrony i akceleratory liniowe, przyspieszające cząstki do energii 25 MeV i więcej. Absorpcja promieniowania rentgenowskiego w materiale zależy od grubości absorbera d oraz współczynnika absorpcji m i jest określona wzorem I = I0e-md, gdzie I to natężenie promieniowania przechodzącego przez absorber, I0 to natężenie promieniowania natężenie promieniowania padającego, a e = 2,718 jest podstawą logarytmów naturalnych. Dla danego materiału, przy danej długości fali (lub energii) promieniowania rentgenowskiego, współczynnik absorpcji jest stały. Jednak promieniowanie źródła promieniowania rentgenowskiego nie jest monochromatyczne, ale zawiera szeroki zakres długości fal, w wyniku czego absorpcja przy tej samej grubości absorbera zależy od długości fali (częstotliwości) promieniowania. Promieniowanie rentgenowskie jest szeroko stosowane we wszystkich gałęziach przemysłu związanych z ciśnieniową obróbką metali. Służy również do testowania luf artyleryjskich, artykułów spożywczych, tworzyw sztucznych, do testowania złożonych urządzeń i systemów w inżynierii elektronicznej. (Neutronografia, która wykorzystuje wiązki neutronów zamiast promieni rentgenowskich, jest wykorzystywana do podobnych celów). .
DYFRAKCJA RENTGENOWSKA
Dyfrakcja rentgenowska dostarcza ważnych informacji o ciałach stałych — ich strukturze atomowej i formie krystalicznej — a także o cieczach, ciałach amorficznych i dużych cząsteczkach. Metoda dyfrakcyjna służy również do dokładnego (z błędem mniejszym niż 10-5) wyznaczania odległości międzyatomowych, wykrywania naprężeń i defektów oraz określania orientacji monokryształów. Obraz dyfrakcyjny może zidentyfikować nieznane materiały, a także wykryć obecność zanieczyszczeń w próbce i je określić. Trudno przecenić znaczenie metody dyfrakcji rentgenowskiej dla postępu współczesnej fizyki, ponieważ współczesne rozumienie właściwości materii opiera się ostatecznie na danych o rozmieszczeniu atomów w różnych związkach chemicznych, o naturze wiązań między nimi oraz na wadach konstrukcyjnych. Głównym narzędziem do uzyskania tych informacji jest metoda dyfrakcji rentgenowskiej. Krystalografia dyfrakcji rentgenowskiej jest niezbędna do określenia struktury złożonych dużych cząsteczek, takich jak kwas dezoksyrybonukleinowy (DNA), materiał genetyczny organizmów żywych. Bezpośrednio po odkryciu promieniowania rentgenowskiego zainteresowanie naukowe i medyczne koncentrowało się zarówno na zdolności tego promieniowania do przenikania przez ciała, jak i na jego naturze. Eksperymenty z dyfrakcją promieni rentgenowskich na szczelinach i siatkach dyfrakcyjnych wykazały, że należy ono do promieniowania elektromagnetycznego i ma długość fali rzędu 10-8-10-9 cm Jeszcze wcześniej naukowcy, w szczególności W. Barlow, domyślili się, że regularny i symetryczny kształt naturalnych kryształów wynika z uporządkowanego układu atomów tworzących kryształ. W niektórych przypadkach Barlow był w stanie poprawnie przewidzieć strukturę kryształu. Wartość przewidywanych odległości międzyatomowych wynosiła 10-8 cm, a fakt, że odległości międzyatomowe okazały się rzędu długości fali promieniowania rentgenowskiego, umożliwiał w zasadzie obserwację ich dyfrakcji. W rezultacie powstał pomysł na jeden z najważniejszych eksperymentów w historii fizyki. M. Laue zorganizował eksperymentalny test tego pomysłu, który przeprowadzili jego koledzy W. Friedrich i P. Knipping. W 1912 wszyscy trzej opublikowali swoją pracę na temat wyników dyfrakcji promieni rentgenowskich. Zasady dyfrakcji rentgenowskiej. Aby zrozumieć zjawisko dyfrakcji promieni rentgenowskich, należy wziąć pod uwagę kolejno: po pierwsze widmo promieni rentgenowskich, po drugie, naturę struktury krystalicznej i po trzecie, samo zjawisko dyfrakcji. Jak wspomniano powyżej, charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie składa się z szeregu linii widmowych o wysokim stopniu monochromatyczności, określanym przez materiał anodowy. Za pomocą filtrów możesz wybrać najbardziej intensywne z nich. Dlatego dobierając w odpowiedni sposób materiał anodowy można uzyskać źródło promieniowania niemal monochromatycznego o bardzo precyzyjnie określonej wartości długości fali. Długości fal charakterystycznego promieniowania wahają się zazwyczaj od 2,285 dla chromu do 0,558 dla srebra (wartości dla poszczególnych pierwiastków są znane do sześciu cyfr znaczących). Charakterystyczne widmo nakłada się na ciągłe „białe” widmo o znacznie mniejszej intensywności, ze względu na spowolnienie elektronów padających w anodzie. W ten sposób z każdej anody można uzyskać dwa rodzaje promieniowania: charakterystyczne i bremsstrahlung, z których każdy odgrywa ważną rolę na swój sposób. Atomy w strukturze krystalicznej rozmieszczone są w regularnych odstępach, tworząc ciąg identycznych komórek – sieć przestrzenną. Niektóre sieci (na przykład dla większości zwykłych metali) są dość proste, podczas gdy inne (na przykład dla cząsteczek białek) są dość złożone. Strukturę krystaliczną charakteryzuje się tym, że jeśli przesunie się z danego punktu jednej komórki do odpowiadającego mu punktu komórki sąsiedniej, to zostanie znalezione dokładnie to samo środowisko atomowe. A jeśli jakiś atom znajduje się w jednym lub drugim punkcie jednej komórki, to ten sam atom będzie znajdował się w równoważnym punkcie dowolnej sąsiedniej komórki. Ta zasada obowiązuje ściśle dla idealnego, idealnie uporządkowanego kryształu. Jednak wiele kryształów (na przykład stałych roztworów metalicznych) jest do pewnego stopnia nieuporządkowanych; Krystalograficznie równoważne miejsca mogą zajmować różne atomy. W takich przypadkach nie jest określana pozycja każdego atomu, ale tylko pozycja atomu „uśredniona statystycznie” w dużej liczbie cząstek (lub komórek). Zjawisko dyfrakcji zostało omówione w artykule OPTYKA i czytelnik może zapoznać się z tym artykułem przed przejściem dalej. Pokazuje, że jeśli fale (na przykład dźwięk, światło, promienie rentgenowskie) przechodzą przez małą szczelinę lub otwór, to ten ostatni można uznać za wtórne źródło fal, a obraz szczeliny lub otworu składa się z naprzemiennego światła i ciemne paski. Ponadto, jeśli występuje okresowa struktura dziur lub szczelin, to w wyniku wzmacniania i tłumienia interferencji promieni pochodzących z różnych dziur powstaje wyraźny obraz dyfrakcyjny. Dyfrakcja rentgenowska jest zjawiskiem kolektywnego rozpraszania, w którym rolę dziur i centrów rozpraszania pełnią okresowo ułożone atomy o strukturze krystalicznej. Wzajemne wzmacnianie ich obrazów pod pewnymi kątami daje wzór dyfrakcyjny podobny do tego, który wynikałby z dyfrakcji światła na trójwymiarowej siatce dyfrakcyjnej. Rozpraszanie następuje w wyniku oddziaływania padającego promieniowania rentgenowskiego z elektronami w krysztale. Ze względu na to, że długość fali promieniowania rentgenowskiego jest tego samego rzędu co wymiary atomu, długość fali rozproszonego promieniowania rentgenowskiego jest taka sama jak w przypadku zdarzenia. Proces ten jest wynikiem wymuszonych oscylacji elektronów pod działaniem padającego promieniowania rentgenowskiego. Rozważmy teraz atom z chmurą związanych elektronów (otaczających jądro), na które padają promienie rentgenowskie. Elektrony we wszystkich kierunkach jednocześnie rozpraszają incydent i emitują własne promieniowanie rentgenowskie o tej samej długości fali, chociaż o różnym natężeniu. Natężenie promieniowania rozproszonego jest związane z liczbą atomową pierwiastka, ponieważ liczba atomowa jest równa liczbie elektronów orbitalnych, które mogą uczestniczyć w rozpraszaniu. (Tę zależność intensywności od liczby atomowej pierwiastka rozpraszającego i od kierunku, w którym mierzy się intensywność, charakteryzuje się współczynnikiem rozpraszania atomowego, który odgrywa niezwykle ważną rolę w analizie struktury kryształów.) wybierz w strukturze krystalicznej liniowy łańcuch atomów znajdujących się w tej samej odległości od siebie i rozważ ich wzór dyfrakcyjny. Zauważono już, że widmo rentgenowskie składa się z części ciągłej („continuum”) oraz zestawu bardziej intensywnych linii charakterystycznych dla pierwiastka, jakim jest materiał anodowy. Powiedzmy, że odfiltrowaliśmy widmo ciągłe i otrzymaliśmy niemal monochromatyczną wiązkę promieniowania rentgenowskiego skierowaną na nasz liniowy łańcuch atomów. Warunek wzmocnienia (wzmocnienie interferencji) jest spełniony, jeśli różnica drogi fal rozproszonych przez sąsiednie atomy jest wielokrotnością długości fali. Jeżeli wiązka pada pod kątem a0 do linii atomów oddzielonej przedziałami a (okres), to dla kąta dyfrakcji a różnica ścieżki odpowiadająca wzmocnieniu zostanie zapisana jako a(cos a - cosa0) = hl, gdzie l to długość fali, a h to liczba całkowita (rys. 4 i 5).
Aby rozszerzyć to podejście na trójwymiarowy kryształ, wystarczy wybrać rzędy atomów w dwóch innych kierunkach w krysztale i rozwiązać trzy otrzymane w ten sposób równania łącznie dla trzech osi kryształu z okresami a, b i c. Pozostałe dwa równania to
Są to trzy podstawowe równania Laue dla dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego, gdzie liczby h, k i c są wskaźnikami Millera dla płaszczyzny dyfrakcji.
Zobacz też KRYSZTAŁY I KRYSTALOGRAFIA. Rozpatrując dowolne z równań Lauego, na przykład pierwsze, można zauważyć, że skoro a, a0, l są stałymi, a h = 0, 1, 2, ..., jego rozwiązanie można przedstawić jako zbiór stożków o wspólna oś a (ryc. 5). To samo dotyczy kierunków b i c. W ogólnym przypadku trójwymiarowego rozpraszania (dyfrakcja) trzy równania Lauego muszą mieć wspólne rozwiązanie, tj. trzy stożki dyfrakcyjne znajdujące się na każdej z osi muszą się przecinać; wspólną linię przecięcia pokazano na ryc. 6. Łączne rozwiązanie równań prowadzi do prawa Bragga-Wulfa:
l = 2(d/n)sinq, gdzie d jest odległością między płaszczyznami o indeksach h, k i c (okres), n = 1, 2, ... są liczbami całkowitymi (rząd dyfrakcji), a q jest kątem utworzony przez wiązkę padającą (a także dyfrakcję) z płaszczyzną kryształu, w której zachodzi dyfrakcja. Analizując równanie prawa Bragga - Wolfe'a dla pojedynczego kryształu znajdującego się na drodze monochromatycznej wiązki rentgenowskiej, możemy stwierdzić, że dyfrakcja nie jest łatwa do zaobserwowania, ponieważ l i q są ustalone, a sinq METODY ANALIZY DYFRAKCYJNEJ
Metoda Lauego. Metoda Laue wykorzystuje ciągłe „białe” widmo promieni rentgenowskich, które kierowane jest na nieruchomy monokryształ. Dla określonej wartości okresu d długość fali odpowiadająca warunkom Bragga-Wulfa jest automatycznie wybierana z całego widma. Uzyskane w ten sposób wzory Lauego umożliwiają ocenę kierunków ugiętych wiązek, a w konsekwencji orientacji płaszczyzn krystalicznych, co również pozwala na wyciągnięcie ważnych wniosków na temat symetrii, orientacji kryształu i obecności wad w nim. W tym przypadku jednak informacja o okresie przestrzennym d zostaje utracona. Na ryc. 7 przedstawia przykład Lauegramu. Film rentgenowski znajdował się po stronie kryształu przeciwnej do tej, na którą padała wiązka promieniowania rentgenowskiego ze źródła.
Metoda Debye-Scherrera (dla próbek polikrystalicznych). W przeciwieństwie do poprzedniej metody stosuje się tutaj promieniowanie monochromatyczne (l = const), a kąt q jest zmienny. Osiąga się to za pomocą próbki polikrystalicznej składającej się z wielu małych krystalitów o losowej orientacji, wśród których są takie, które spełniają warunek Bragga-Wulfa. Wiązki ugięte tworzą stożki, których oś jest skierowana wzdłuż wiązki rentgenowskiej. Do obrazowania wąski pasek kliszy rentgenowskiej jest zwykle używany w cylindrycznej kasecie, a promienie rentgenowskie są rozprowadzane wzdłuż średnicy przez otwory w kliszy. Uzyskany w ten sposób debyegram (rys. 8) zawiera dokładne informacje o okresie d, tj. o strukturze kryształu, ale nie podaje informacji, które zawiera Lauegram. Dlatego obie metody wzajemnie się uzupełniają. Rozważmy niektóre zastosowania metody Debye-Scherrera.
Identyfikacja pierwiastków i związków chemicznych. Z wyznaczonego z Debyegramu kąta q można obliczyć odległość międzypłaszczyznową d charakterystyczną dla danego pierwiastka lub związku. Obecnie opracowano wiele tabel wartości d, które umożliwiają identyfikację nie tylko jednego lub drugiego pierwiastka lub związku chemicznego, ale także różnych stanów fazowych tej samej substancji, co nie zawsze daje analizę chemiczną. Możliwe jest również określenie z dużą dokładnością zawartości drugiego składnika w stopach substytucyjnych z zależności okresu d od stężenia.
Analiza naprężeń. Ze zmierzonej różnicy odstępów międzypłaszczyznowych dla różnych kierunków w kryształach, znając moduł sprężystości materiału, można z dużą dokładnością obliczyć w nim małe naprężenia.
Badania preferencyjnej orientacji w kryształach. Jeśli małe krystality w próbce polikrystalicznej nie są całkowicie zorientowane losowo, pierścienie na Debyegramie będą miały różną intensywność. W obecności wyraźnej preferowanej orientacji maksima intensywności koncentrują się w poszczególnych punktach obrazu, co upodabnia się do obrazu dla pojedynczego kryształu. Na przykład podczas głębokiego walcowania na zimno blacha nabiera tekstury - wyraźnej orientacji krystalitów. Zgodnie z debaygramem można ocenić charakter zimnej obróbki materiału.
Badanie wielkości ziaren. Jeśli wielkość ziarna polikryształu jest większa niż 10-3 cm, to linie na Debyegramie będą składać się z pojedynczych plamek, ponieważ w tym przypadku liczba krystalitów nie wystarczy, aby pokryć cały zakres wartości kątów q. Jeśli wielkość krystalitów jest mniejsza niż 10-5 cm, linie dyfrakcyjne stają się szersze. Ich szerokość jest odwrotnie proporcjonalna do wielkości krystalitów. Poszerzenie następuje z tego samego powodu, dla którego zmniejszenie liczby szczelin zmniejsza rozdzielczość siatki dyfrakcyjnej. Promieniowanie rentgenowskie umożliwia określenie wielkości ziaren w zakresie 10-7-10-6 cm.
Metody dla monokryształów. Aby dyfrakcja na krysztale dostarczała informacji nie tylko o okresie przestrzennym, ale także o orientacji każdego zestawu płaszczyzn dyfrakcyjnych, stosuje się metody rotującego monokryształu. Na kryształ pada monochromatyczna wiązka promieniowania rentgenowskiego. Kryształ obraca się wokół głównej osi, dla której spełnione są równania Lauego. W tym przypadku zmienia się kąt q, który jest zawarty we wzorze Bragga-Wulfa. Maksima dyfrakcyjne znajdują się na przecięciu stożków dyfrakcyjnych Laue z cylindryczną powierzchnią filmu (rys. 9). Wynikiem jest wzór dyfrakcyjny typu pokazanego na ryc. 10. Jednak możliwe są komplikacje ze względu na nakładanie się różnych rzędów dyfrakcji w jednym punkcie. Metodę można znacznie usprawnić, jeśli jednocześnie z obrotem kryształu film zostanie również przesunięty w określony sposób.
Badania cieczy i gazów. Wiadomo, że ciecze, gazy i ciała amorficzne nie mają prawidłowej struktury krystalicznej. Ale i tutaj istnieje wiązanie chemiczne między atomami w cząsteczkach, dzięki czemu odległość między nimi pozostaje prawie stała, chociaż same cząsteczki są losowo zorientowane w przestrzeni. Takie materiały dają również obraz dyfrakcyjny ze stosunkowo niewielką liczbą rozmazanych maksimów. Obróbka takiego obrazu nowoczesnymi metodami umożliwia uzyskanie informacji o strukturze nawet takich niekrystalicznych materiałów.
ANALIZA SPEKTROCHEMICZNA RTG
Kilka lat po odkryciu promieni rentgenowskich Ch Barkla (1877-1944) odkrył, że gdy na substancję oddziałuje strumień promieniowania rentgenowskiego o wysokiej energii, generowane jest wtórne fluorescencyjne promieniowanie rentgenowskie, charakterystyczne dla pierwiastka w trakcie studiów. Niedługo potem G. Moseley w serii swoich eksperymentów zmierzył długości fal podstawowego charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego uzyskanego przez bombardowanie elektronami różnych pierwiastków i wywnioskował związek między długością fali a liczbą atomową. Eksperymenty te oraz wynalezienie przez Bragga spektrometru rentgenowskiego położyły podwaliny pod spektrochemiczną analizę rentgenowską. Natychmiast dostrzeżono możliwości promieni rentgenowskich do analizy chemicznej. Spektrografy wykonano z rejestracją na płycie fotograficznej, w której badana próbka służyła jako anoda lampy rentgenowskiej. Niestety technika ta okazała się bardzo pracochłonna i dlatego była stosowana tylko wtedy, gdy zwykłe metody analizy chemicznej nie dały się zastosować. Znakomitym przykładem nowatorskich badań w dziedzinie analitycznej spektroskopii rentgenowskiej było odkrycie w 1923 roku przez G. Hevesy'ego i D. Costera nowego pierwiastka, hafnu. Rozwój lamp rentgenowskich dużej mocy do radiografii i czułych detektorów do pomiarów radiochemicznych podczas II wojny światowej w dużej mierze przyczynił się do szybkiego rozwoju spektrografii rentgenowskiej w kolejnych latach. Metoda ta stała się powszechna ze względu na szybkość, wygodę, nieniszczący charakter analizy oraz możliwość pełnej lub częściowej automatyzacji. Ma zastosowanie w problemach analizy ilościowej i jakościowej wszystkich pierwiastków o liczbie atomowej większej niż 11 (sód). I chociaż analiza spektrochemiczna rentgenowska jest zwykle wykorzystywana do oznaczania najważniejszych składników w próbce (od 0,1-100%), w niektórych przypadkach jest odpowiednia dla stężeń 0,005%, a nawet niższych.
Spektrometr rentgenowski. Nowoczesny spektrometr rentgenowski składa się z trzech głównych układów (rys. 11): układów wzbudzenia, tj. lampa rentgenowska z anodą wykonaną z wolframu lub innego materiału ogniotrwałego oraz zasilaczem; systemy analityczne, tj. kryształ analizatora z dwoma wieloszczelinowymi kolimatorami oraz spektrogoniometrem do precyzyjnej regulacji; oraz systemy rejestracji z licznikiem Geigera lub proporcjonalnym lub scyntylacyjnym, a także prostownik, wzmacniacz, liczniki i rejestrator wykresów lub inne urządzenie rejestrujące.
Rentgenowska analiza fluorescencyjna. Analizowana próbka znajduje się na drodze ekscytujących promieni rentgenowskich. Badany obszar próbki jest zwykle izolowany maską z otworem o pożądanej średnicy, a promieniowanie przechodzi przez kolimator, który tworzy wiązkę równoległą. Za kryształem analizatora, szczelinowy kolimator emituje promieniowanie ugięte do detektora. Zwykle maksymalny kąt q jest ograniczony do 80–85°, tak więc tylko promienie rentgenowskie, których długość fali l jest związana z odległością międzypłaszczyznową d przez nierówność l, mogą uginać się na krysztale analizatora. Mikroanaliza rentgenowska. Opisany powyżej spektrometr z płaskim analizatorem krystalicznym może być przystosowany do mikroanalizy. Osiąga się to poprzez zwężenie pierwotnej wiązki promieniowania rentgenowskiego lub wiązki wtórnej emitowanej przez próbkę. Jednak zmniejszenie efektywnej wielkości próbki lub apertury radiacyjnej prowadzi do zmniejszenia natężenia rejestrowanego promieniowania dyfrakcyjnego. Udoskonalenie tej metody można osiągnąć stosując zakrzywiony spektrometr krystaliczny, który umożliwia rejestrację stożka promieniowania rozbieżnego, a nie tylko promieniowania równoległego do osi kolimatora. Za pomocą takiego spektrometru można zidentyfikować cząstki mniejsze niż 25 µm. Jeszcze większe zmniejszenie wielkości analizowanej próbki uzyskuje się w mikroanalizatorze rentgenowskiej sondy elektronowej wynalezionej przez R. Kastena. Tutaj silnie skupiona wiązka elektronów wzbudza charakterystyczną emisję promieniowania rentgenowskiego próbki, która jest następnie analizowana przez spektrometr z wygiętym kryształem. Za pomocą takiego urządzenia można wykryć ilości substancji rzędu 10-14 g w próbce o średnicy 1 μm. Opracowano również instalacje ze skanowaniem próbki wiązką elektronów, za pomocą których można uzyskać dwuwymiarowy wzór rozkładu na próbce pierwiastka, którego charakterystyczne promieniowanie jest dostrojone do spektrometru.
MEDYCZNA DIAGNOSTYKA RTG
Rozwój technologii rentgenowskiej znacznie skrócił czas naświetlania i poprawił jakość obrazów, umożliwiając badanie nawet tkanek miękkich.
Fluorografia. Ta metoda diagnostyczna polega na sfotografowaniu obrazu cienia z półprzezroczystego ekranu. Pacjent jest umieszczony pomiędzy źródłem promieniowania rentgenowskiego a płaskim ekranem luminoforu (zwykle jodku cezu), który świeci pod wpływem promieni rentgenowskich. Tkanki biologiczne o różnym stopniu gęstości tworzą cienie promieniowania rentgenowskiego o różnym natężeniu. Radiolog bada obraz cienia na ekranie fluorescencyjnym i stawia diagnozę. W przeszłości radiolog analizował obraz za pomocą wzroku. Obecnie istnieją różne systemy, które wzmacniają obraz, wyświetlają go na ekranie telewizora lub zapisują dane w pamięci komputera.
Radiografia. Zapis obrazu rentgenowskiego bezpośrednio na kliszy fotograficznej nazywa się radiografią. W tym przypadku badany narząd znajduje się pomiędzy źródłem promieni rentgenowskich a błoną, która przechwytuje informacje o stanie narządu w danym czasie. Powtarzana radiografia pozwala ocenić jej dalszą ewolucję. Radiografia pozwala bardzo dokładnie zbadać integralność tkanki kostnej, która składa się głównie z wapnia i jest nieprzezroczysta dla promieni rentgenowskich, a także pęknięć tkanki mięśniowej. Z jego pomocą, lepiej niż stetoskop lub słuchanie, analizowany jest stan płuc w przypadku zapalenia, gruźlicy lub obecności płynu. Za pomocą radiografii określa się wielkość i kształt serca, a także dynamikę jego zmian u pacjentów cierpiących na choroby serca.
środki kontrastowe. Przepuszczalne dla promieniowania rentgenowskiego części ciała i jamy poszczególnych narządów stają się widoczne, jeśli zostaną wypełnione nieszkodliwym dla organizmu środkiem kontrastowym, ale pozwalającym zobrazować kształt narządów wewnętrznych i sprawdzić ich funkcjonowanie. Pacjent albo przyjmuje doustnie środki kontrastowe (takie jak sole baru w badaniu przewodu żołądkowo-jelitowego), albo podaje się je dożylnie (takie jak roztwory zawierające jod w badaniu nerek i dróg moczowych). W ostatnich latach metody te zostały jednak wyparte przez metody diagnostyczne oparte na wykorzystaniu atomów promieniotwórczych i ultradźwięków.
Tomografia komputerowa. W latach 70. opracowano nową metodę diagnostyki rentgenowskiej, opartą na pełnej fotografii ciała lub jego części. Obrazy cienkich warstw („plastrów”) są przetwarzane przez komputer, a ostateczny obraz wyświetlany jest na ekranie monitora. Ta metoda nazywa się komputerową tomografią rentgenowską. Jest szeroko stosowany we współczesnej medycynie do diagnozowania nacieków, guzów i innych schorzeń mózgu, a także do diagnozowania chorób tkanek miękkich wewnątrz organizmu. Technika ta nie wymaga wprowadzania obcych środków kontrastowych i dlatego jest szybsza i skuteczniejsza niż techniki tradycyjne.
BIOLOGICZNE DZIAŁANIE PROMIENIOWANIA RENTGENOWSKIEGO
Szkodliwe działanie biologiczne promieniowania rentgenowskiego zostało odkryte wkrótce po jego odkryciu przez Roentgena. Okazało się, że nowe promieniowanie może wywołać coś w rodzaju silnego oparzenia słonecznego (rumienia), któremu jednak towarzyszy głębsze i trwalsze uszkodzenie skóry. Pojawiające się wrzody często zamieniały się w raka. W wielu przypadkach trzeba było amputować palce lub dłonie. Były też zgony. Stwierdzono, że uszkodzeniu skóry można uniknąć poprzez skrócenie czasu ekspozycji i dawki, stosując osłony (np. ołów) i piloty. Ale stopniowo ujawniono inne, bardziej długoterminowe skutki ekspozycji na promieniowanie rentgenowskie, które następnie zostały potwierdzone i zbadane na zwierzętach doświadczalnych. Efekty wywołane działaniem promieni rentgenowskich, a także innych promieni jonizujących (takich jak promieniowanie gamma emitowane przez materiały promieniotwórcze) obejmują: 1) przejściowe zmiany w składzie krwi po stosunkowo niewielkiej nadmiernej ekspozycji; 2) nieodwracalne zmiany w składzie krwi (niedokrwistość hemolityczna) po długotrwałej nadmiernej ekspozycji; 3) wzrost zachorowalności na nowotwory (w tym białaczki); 4) szybsze starzenie się i wczesna śmierć; 5) występowanie zaćmy. Ponadto eksperymenty biologiczne na myszach, królikach i muchach (Drosophila) wykazały, że nawet małe dawki systematycznego napromieniania dużych populacji, ze względu na wzrost szybkości mutacji, prowadzą do szkodliwych skutków genetycznych. Większość genetyków zdaje sobie sprawę z zastosowania tych danych do ludzkiego ciała. Jeśli chodzi o biologiczny wpływ promieniowania rentgenowskiego na organizm człowieka, to jest on determinowany przez poziom dawki promieniowania, a także przez jaki narząd ciała został napromieniowany. Na przykład choroby krwi są spowodowane napromienianiem narządów krwiotwórczych, głównie szpiku kostnego, a konsekwencje genetyczne - napromienianiem narządów płciowych, co również może prowadzić do bezpłodności. Nagromadzenie wiedzy o wpływie promieniowania rentgenowskiego na organizm człowieka doprowadziło do opracowania krajowych i międzynarodowych norm dopuszczalnych dawek promieniowania, publikowanych w różnych publikacjach referencyjnych. Poza promieniami rentgenowskimi, które są celowo wykorzystywane przez człowieka, występuje również tzw. rozproszone promieniowanie boczne, które występuje z różnych przyczyn, np. na skutek rozproszenia spowodowanego niedoskonałością ołowianego ekranu ochronnego, który nie całkowicie pochłaniają to promieniowanie. Ponadto wiele urządzeń elektrycznych, które nie są przeznaczone do wytwarzania promieni rentgenowskich, mimo to generuje promienie rentgenowskie jako produkt uboczny. Do takich urządzeń należą mikroskopy elektronowe, wysokonapięciowe lampy prostownicze (kenotrony), a także kineskopy przestarzałych telewizorów kolorowych. Produkcja nowoczesnych kineskopów kolorowych w wielu krajach jest obecnie pod kontrolą rządową.
NIEBEZPIECZNE CZYNNIKI PROMIENIOWANIA RENTGENOWSKIEGO
Rodzaje i stopień zagrożenia narażenia ludzi na promieniowanie rentgenowskie zależą od kontyngentu osób narażonych na promieniowanie.
Profesjonaliści pracujący ze sprzętem rentgenowskim. Do tej kategorii zaliczają się radiolodzy, stomatolodzy, a także pracownicy naukowo-techniczni oraz personel obsługujący i obsługujący sprzęt rentgenowski. Podejmowane są skuteczne środki w celu zmniejszenia poziomu promieniowania, z którym mają do czynienia.
Pacjenci. Nie ma tu ścisłych kryteriów, a bezpieczny poziom promieniowania, jaki otrzymują pacjenci podczas leczenia, określają lekarze prowadzący. Lekarzom zaleca się, aby niepotrzebnie nie narażali pacjentów na promieniowanie rentgenowskie. Szczególną ostrożność należy zachować podczas badania kobiet w ciąży i dzieci. W takim przypadku podejmowane są specjalne środki.
Metody kontroli. Są na to trzy aspekty:
1) dostępność odpowiedniego sprzętu, 2) egzekwowanie przepisów bezpieczeństwa, 3) właściwe użytkowanie sprzętu. W badaniu rentgenowskim na promieniowanie powinien być narażony tylko pożądany obszar, czy to badanie stomatologiczne, czy badanie płuc. Zauważ, że natychmiast po wyłączeniu aparatu rentgenowskiego znika zarówno promieniowanie pierwotne, jak i wtórne; nie ma też promieniowania szczątkowego, które nie zawsze jest znane nawet tym, którzy są z nim bezpośrednio związani w swojej pracy.
Zobacz też
STRUKTURA ATOMU;
FEDERALNA AGENCJA EDUKACJI FEDERACJI ROSYJSKIEJ
PAŃSTWOWA INSTYTUCJA EDUKACYJNA
WYŻSZE WYKSZTAŁCENIE ZAWODOWE
MOSKWA PAŃSTWOWY INSTYTUT STALI I STOPÓW
(POLITYKA TECHNOLOGICZNA)
ODDZIAŁ NOWOTROITSKI
Departament OEND
KURS PRACA
Dyscyplina: Fizyka
Temat: RTG
Student: Nedorezova N.A.
Grupa: EiU-2004-25, nr З.К.: 04Н036
Sprawdził: Ozhegova S.M.
Wstęp
Rozdział 1
1.1 Biografia Rentgena Wilhelma Conrada
1.2 Odkrycie promieni rentgenowskich
Rozdział 2
2.1 Źródła promieniowania rentgenowskiego
2.2 Właściwości promieni rentgenowskich
2.3 Rejestracja promieni rentgenowskich
2.4 Użycie promieni rentgenowskich
Rozdział 3
3.1 Analiza niedoskonałości struktury krystalicznej
3.2 Analiza widma
Wniosek
Lista wykorzystanych źródeł
Aplikacje
Wstęp
Rzadka osoba nie przeszła przez pracownię rentgenowską. Zdjęcia wykonane na zdjęciach rentgenowskich są znane każdemu. W 1995 roku odkrycie to miało 100 lat. Trudno sobie wyobrazić, jak wielkie zainteresowanie wzbudziła sto lat temu. W rękach mężczyzny okazał się aparat, za pomocą którego można było zobaczyć niewidzialne.
To niewidzialne promieniowanie, zdolne do wnikania, choć w różnym stopniu, we wszystkie substancje, czyli promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali około 10 -8 cm, nazwano promieniowaniem rentgenowskim na cześć Wilhelma Roentgena, który je odkrył.
Promienie rentgenowskie, podobnie jak światło widzialne, powodują zaczernienie kliszy fotograficznej. Ta właściwość ma ogromne znaczenie dla medycyny, przemysłu i badań naukowych. Przechodząc przez badany obiekt, a następnie padając na błonę, promieniowanie rentgenowskie przedstawia na nim jego wewnętrzną strukturę. Ponieważ zdolność przenikania promieniowania rentgenowskiego jest różna dla różnych materiałów, części obiektu, które są dla niego mniej przezroczyste, dają jaśniejsze obszary na zdjęciu niż te, przez które promieniowanie dobrze przenika. Dzięki temu tkanki kostne są mniej przezroczyste dla promieni rentgenowskich niż tkanki, z których składa się skóra i narządy wewnętrzne. Dlatego na radiogramie kości zostaną wskazane jako jaśniejsze obszary, a miejsce złamania, które jest mniej przezroczyste dla promieniowania, można dość łatwo wykryć. Obrazowanie rentgenowskie jest również wykorzystywane w stomatologii do wykrywania próchnicy i ropni w korzeniach zębów, a także w przemyśle do wykrywania pęknięć w odlewach, tworzywach sztucznych i gumach, w chemii do analizy związków oraz w fizyce do badania struktury kryształów .
Po odkryciu Roentgena rozpoczęły się eksperymenty innych badaczy, którzy odkryli wiele nowych właściwości i możliwości wykorzystania tego promieniowania. Duży wkład wnieśli M. Laue, W. Friedrich i P. Knipping, którzy w 1912 zademonstrowali dyfrakcję promieni rentgenowskich podczas przechodzenia przez kryształ; W. Coolidge, który w 1913 r. wynalazł wysokopróżniową lampę rentgenowską z podgrzewaną katodą; G. Moseley, który ustalił w 1913 r. zależność między długością fali promieniowania a liczbą atomową pierwiastka; G. i L. Braggi, którzy otrzymali Nagrodę Nobla w 1915 roku za opracowanie podstaw analizy dyfrakcyjnej promieniowania rentgenowskiego.
Celem zajęć jest zbadanie zjawiska promieniowania rentgenowskiego, historii odkrycia, właściwości oraz określenie zakresu jego zastosowania.
Rozdział 1
1.1 Biografia Rentgena Wilhelma Conrada
Wilhelm Conrad Roentgen urodził się 17 marca 1845 r. na pograniczu Niemiec z Holandią, w mieście Lenepe. Otrzymał wykształcenie techniczne w Zurychu w tej samej Wyższej Szkole Technicznej (Politechnika), gdzie później studiował Einstein. Zamiłowanie do fizyki zmusiło go po ukończeniu szkoły w 1866 roku do kontynuowania wychowania fizycznego.
W 1868 obronił rozprawę doktorską, pracował jako asystent na Wydziale Fizyki najpierw w Zurychu, potem w Giessen, a następnie w Strasburgu (1874-1879) u Kundta. Tutaj Roentgen przeszedł dobrą szkołę eksperymentalną i został pierwszorzędnym eksperymentatorem. Roentgen przeprowadził część ważnych badań ze swoim uczniem, jednym z twórców radzieckiej fizyki, A.F. Ioffe.
Badania naukowe dotyczą elektromagnetyzmu, fizyki kryształów, optyki, fizyki molekularnej.
W 1895 odkrył promieniowanie o długości fali krótszej niż długość fali promieni ultrafioletowych (promieni rentgenowskich), później nazwanych promieniami rentgenowskimi i zbadał ich właściwości: zdolność do odbijania, pochłaniania, jonizacji powietrza itp. Zaproponował poprawną konstrukcję tuby do pozyskiwania promieni rentgenowskich - pochylonej antykatody platynowej i katody wklęsłej: jako pierwszy wykonał zdjęcia promieniami rentgenowskimi. Odkrył on w 1885 roku pole magnetyczne dielektryka poruszającego się w polu elektrycznym (tzw. „prąd rentgenowy"). Jego doświadczenie jasno pokazało, że pole magnetyczne jest tworzone przez poruszające się ładunki i było ważne dla powstania X. Lorentza teoria elektroniczna Znaczna liczba prac Roentgena poświęcona jest badaniu właściwości cieczy, gazów, kryształów, zjawisk elektromagnetycznych, odkryto związek między zjawiskami elektrycznymi i optycznymi w kryształach. był pierwszym fizykiem, który otrzymał Nagrodę Nobla.
Od 1900 do ostatnich dni życia (zmarł 10 lutego 1923) pracował na Uniwersytecie Monachijskim.
1.2 Odkrycie promieni rentgenowskich
Koniec XIX wieku zaznaczył się zwiększonym zainteresowaniem zjawiskami przechodzenia elektryczności przez gazy. Nawet Faraday poważnie zbadał te zjawiska, opisał różne formy wyładowania, odkrył ciemną przestrzeń w świetlistej kolumnie rozrzedzonego gazu. Ciemna przestrzeń Faradaya oddziela niebieskawą poświatę katodową od różowawej poświaty anodowej.
Dalszy wzrost rozrzedzenia gazu znacząco zmienia charakter jarzenia. Matematyk Plücker (1801-1868) odkrył w 1859 r., przy wystarczająco silnym rozrzedzeniu, słabo niebieskawy strumień promieni wychodzący z katody, docierający do anody i powodujący świecenie szkła rury. Uczeń Plückera Gittorf (1824-1914) w 1869 kontynuował badania swojego nauczyciela i wykazał, że wyraźny cień pojawia się na fluorescencyjnej powierzchni rury, jeśli między katodą a tą powierzchnią znajduje się ciało stałe.
Goldstein (1850-1931), badając właściwości promieni, nazwał je promieniami katodowymi (1876). Trzy lata później William Crookes (1832-1919) udowodnił materialną naturę promieni katodowych i nazwał je „materią promienistą" – substancją w specjalnym czwartym stanie. Jego dowody były przekonujące i jasne. Eksperymenty z „rurą Crookesa" przeprowadzono później zademonstrowane we wszystkich klasach fizycznych. Odchylenie wiązki katodowej przez pole magnetyczne w rurze Crookesa stało się klasyczną demonstracją szkolną.
Jednak eksperymenty dotyczące elektrycznego odchylania promieni katodowych nie były tak przekonujące. Hertz nie wykrył takiego odchylenia i doszedł do wniosku, że promień katodowy jest procesem oscylacyjnym w eterze. Uczeń Hertza F. Lenard, eksperymentując z promieniami katodowymi, wykazał w 1893 roku, że przechodzą one przez okno pokryte folią aluminiową i powodują poświatę w przestrzeni za oknem. Zjawisku przechodzenia promieni katodowych przez cienkie metalowe korpusy Hertz poświęcił swój ostatni artykuł, opublikowany w 1892 roku, od słów:
„Promienie katodowe znacznie różnią się od światła pod względem zdolności przenikania ciał stałych.” Opisując wyniki eksperymentów dotyczących przechodzenia promieni katodowych przez złote, srebrne, platynowe, aluminiowe itp., Hertz zauważa, że nie obserwować wszelkie szczególne różnice w zjawiskach Promienie nie przechodzą przez liście w linii prostej, ale są rozpraszane przez dyfrakcję. Natura promieni katodowych była nadal niejasna.
To właśnie z takimi tubami Crookesa, Lenarda i innych eksperymentował profesor z Würzburga Wilhelm Conrad Roentgen pod koniec 1895 roku. Kiedyś, po zakończeniu eksperymentu, zamknął tubę czarną tekturową osłoną, wyłączył światło, ale nie wyłączył cewki indukcyjnej zasilającej rurkę, zauważył poświatę ekranu od cyjanku barowego znajdującego się w pobliżu rurki. Uderzony tą okolicznością, Roentgen zaczął eksperymentować z ekranem. W swoim pierwszym raporcie „O nowym rodzaju promieni”, datowanym 28 grudnia 1895 r., pisał o tych pierwszych eksperymentach: przy każdym wyładowaniu błyska jasnym światłem: zaczyna fluoryzować. Fluorescencja jest widoczna przy wystarczającym zaciemnieniu i nie zależy od tego, czy dostarczamy papier stroną pokrytą synerogenem baru, czy nie pokrytą synerogenem baru. Fluorescencja jest zauważalna nawet z odległości dwóch metrów od tuby.”
Dokładne badanie wykazało, że Roentgen „że czarna tektura, nieprzezroczysta ani dla widzialnych i ultrafioletowych promieni słonecznych, ani dla promieni łuku elektrycznego, jest penetrowana przez jakiś rodzaj czynnika, który powoduje fluorescencję”. Roentgen zbadał penetrującą moc tego „ agenta”, którą nazwał zwięzłością „promienie rentgenowskie”, dla różnych substancji. Stwierdził, że promienie swobodnie przechodzą przez papier, drewno, ebonit, cienkie warstwy metalu, ale są silnie opóźnione przez ołów.
Następnie opisuje sensacyjne doświadczenie:
„Jeśli trzymasz rękę między rurką wyładowczą a ekranem, możesz zobaczyć ciemne cienie kości w słabych zarysach cienia samej ręki.” Było to pierwsze badanie rentgenowskie ludzkiego ciała. również otrzymał pierwsze prześwietlenia, przyczepiając je do ręki.
Te ujęcia zrobiły ogromne wrażenie; odkrycie nie zostało jeszcze zakończone, a diagnostyka rentgenowska już rozpoczęła swoją podróż. „Moje laboratorium było zalane lekarzami przyprowadzającymi pacjentów, którzy podejrzewali, że mają igły w różnych częściach ciała” – napisał angielski fizyk Schuster.
Już po pierwszych eksperymentach Roentgen mocno ustalił, że promienie X różnią się od katodowych, nie niosą ładunku i nie są odchylane przez pole magnetyczne, ale są wzbudzane przez promienie katodowe. Promienie X nie są identyczne z katodą promienie, ale są przez nie wzbudzane w szklanych ściankach rury wyładowczej ”, napisał Roentgen.
Ustalił również, że są podekscytowani nie tylko szkłem, ale także metalami.
Wspominając hipotezę Hertza-Lenarda, że promienie katodowe „są zjawiskiem zachodzącym w eterze”, Roentgen wskazuje, że „możemy powiedzieć coś podobnego o naszych promieniach”. Jednak nie udało mu się wykryć właściwości falowych promieni, które „zachowują się inaczej niż dotychczas znane promienie ultrafioletowe, widzialne i podczerwone". Według Roentgena w swoim działaniu chemicznym i luminescencyjnym są one podobne do promieni ultrafioletowych. , wyraził pozostawione później założenie, że mogą to być fale podłużne w eterze.
Odkrycie Roentgena wzbudziło duże zainteresowanie w świecie naukowym. Jego eksperymenty były powtarzane w prawie wszystkich laboratoriach na świecie. W Moskwie powtórzył je P.N. Lebiediew. W Petersburgu wynalazca radia A.S. Popow eksperymentował z promieniami rentgenowskimi, demonstrował je na publicznych wykładach, otrzymując różne promienie rentgenowskie. W Cambridge D.D. Thomson natychmiast zastosował jonizujące działanie promieni rentgenowskich, aby zbadać przechodzenie elektryczności przez gazy. Jego badania doprowadziły do odkrycia elektronu.
Rozdział 2
Promieniowanie rentgenowskie - elektromagnetyczne promieniowanie jonizujące, zajmujące obszar widmowy pomiędzy promieniowaniem gamma i ultrafioletowym w zakresie długości fal od 10 -4 do 10 3 (od 10 -12 do 10 -5 cm). l. o długości fali λ< 2 условно называются жёсткими, с λ >2 - miękkie.
2.1 Źródła promieniowania rentgenowskiego
Najczęstszym źródłem promieni rentgenowskich jest lampa rentgenowska.
Lampy rentgenowskie są używane w rentgenowskiej analizie strukturalnej
Główne cechy lamp rentgenowskich to maksymalne dopuszczalne napięcie przyspieszające (1-500 kV), prąd elektroniczny (0,01 mA - 1 A), moc właściwa rozpraszana przez anodę (10-10 4 W / mm 2), całkowity pobór mocy (0,002 W - 60 kW) i rozmiary ognisk (1 µm - 10 mm). Wydajność lampy rentgenowskiej wynosi 0,1-3%.
Niektóre izotopy promieniotwórcze mogą również służyć jako źródła promieni rentgenowskich.
Synchrotrony i pierścienie akumulacyjne elektronów o energiach kilku GeV mogą służyć jako źródła miękkiego promieniowania rentgenowskiego o λ rzędu dziesiątek i setek. Pod względem intensywności promieniowanie rentgenowskie synchrotronów przekracza promieniowanie lampy rentgenowskiej w określonym obszarze widma o 2-3 rzędy wielkości.
Naturalne źródła promieniowania rentgenowskiego - Słońce i inne obiekty kosmiczne.
2.2 Właściwości promieni rentgenowskich
W zależności od mechanizmu powstawania promieni rentgenowskich ich widma mogą być ciągłe (bremsstrahlung) lub liniowe (charakterystyczne). Ciągłe widmo rentgenowskie jest emitowane przez szybko naładowane cząstki w wyniku ich spowolnienia podczas interakcji z docelowymi atomami; widmo to osiąga znaczną intensywność tylko wtedy, gdy cel jest bombardowany elektronami. Intensywność promieni rentgenowskich jest rozłożona na wszystkie częstotliwości aż do granicy wysokiej częstotliwości 0 , przy której energia fotonu h 0 (h jest stałą Plancka
Promieniowanie liniowe występuje po jonizacji atomu z wyrzuceniem elektronu z jednej z jego wewnętrznych powłok. Taka jonizacja może być wynikiem zderzenia atomu z szybką cząstką, taką jak elektron (pierwotne promieniowanie rentgenowskie) lub absorpcji fotonu przez atom (fluorescencyjne promieniowanie rentgenowskie). Zjonizowany atom znajduje się w początkowym stanie kwantowym na jednym z wysokich poziomów energetycznych i po 10 -16 -10 -15 sekundach przechodzi w stan końcowy z niższą energią. W tym przypadku atom może emitować nadmiar energii w postaci fotonu o określonej częstotliwości. Częstotliwości linii widma takiego promieniowania są charakterystyczne dla atomów każdego pierwiastka, dlatego widmo rentgenowskie linii nazywa się charakterystycznym. Zależność częstotliwości linii tego widma od liczby atomowej Z jest określona przez prawo Moseleya.
Prawo Moseleya, prawo odnoszące się do częstotliwości linii widmowych charakterystycznej emisji rentgenowskiej pierwiastka chemicznego z jego numerem seryjnym. G. Moseley zainstalowany eksperymentalnie
gdzie R jest stałą Rydberga
Prawo Moseleya było niepodważalnym dowodem prawidłowego umieszczenia pierwiastków w układzie okresowym pierwiastków
Zgodnie z prawem Moseleya, charakterystyczne widma rentgenowskie nie wykazują okresowych wzorów właściwych widmom optycznym. Wskazuje to, że wewnętrzne powłoki elektronowe atomów wszystkich pierwiastków, które pojawiają się w charakterystycznych widmach rentgenowskich, mają podobną strukturę.
Późniejsze eksperymenty ujawniły pewne odchylenia od zależności liniowej dla grup przejściowych pierwiastków, związane ze zmianą kolejności wypełniania zewnętrznych powłok elektronowych, a także dla ciężkich atomów, wynikające z efektów relatywistycznych (warunkowo tłumaczone faktem, że prędkości wewnętrznych są porównywalne z prędkością światła).
W zależności od wielu czynników - od liczby nukleonów w jądrze (przesunięcie izotoniczne), stanu zewnętrznych powłok elektronowych (przesunięcie chemiczne) itp. - położenie linii widmowych na diagramie Moseleya może się nieco zmienić. Badanie tych przesunięć pozwala uzyskać szczegółowe informacje o atomie.
Promienie rentgenowskie Bremsstrahlung emitowane przez bardzo cienkie cele są całkowicie spolaryzowane w pobliżu 0; gdy 0 maleje, zmniejsza się stopień polaryzacji. Promieniowanie charakterystyczne z reguły nie jest spolaryzowane.
Kiedy promieniowanie rentgenowskie wchodzi w interakcję z materią, może wystąpić efekt fotoelektryczny.
Gdy promienie rentgenowskie przechodzą przez warstwę substancji o grubości x, ich początkowe natężenie I 0 spada do wartości I = I 0 e - μ x gdzie μ jest współczynnikiem tłumienia. Tłumienie I następuje na skutek dwóch procesów: absorpcji fotonów rentgenowskich przez materię oraz zmiany ich kierunku podczas rozpraszania. W zakresie długich fal widma absorpcja promieni rentgenowskich dominuje w zakresie fal krótkich ich rozpraszanie. Stopień absorpcji gwałtownie wzrasta wraz ze wzrostem Z i λ. Na przykład twarde promienie rentgenowskie swobodnie przenikają przez warstwę powietrza ~10 cm; płyta aluminiowa o grubości 3 cm tłumi promienie rentgenowskie o λ = 0,027 o połowę; miękkie promienie rentgenowskie są w znacznym stopniu pochłaniane w powietrzu, a ich wykorzystanie i badanie jest możliwe tylko w próżni lub w słabo absorbującym gazie (np. He). Kiedy promienie rentgenowskie są absorbowane, atomy substancji ulegają jonizacji.
Wpływ promieniowania rentgenowskiego na organizmy żywe może być korzystny lub szkodliwy, w zależności od jonizacji, jaką wywołują w tkankach. Ponieważ absorpcja promieni rentgenowskich zależy od λ, ich intensywność nie może służyć jako miara biologicznego wpływu promieni rentgenowskich. Pomiary rentgenowskie służą do pomiaru wpływu promieniowania rentgenowskiego na materię.
Rozpraszanie promieni rentgenowskich w obszarze dużych Z i λ zachodzi głównie bez zmiany λ i nazywa się rozpraszaniem koherentnym, natomiast w obszarze małych Z i λ z reguły wzrasta (rozpraszanie niespójne). Istnieją 2 rodzaje niekoherentnego rozpraszania promieniowania rentgenowskiego - Compton i Raman. W rozpraszaniu Comptona, które ma charakter nieelastycznego rozpraszania korpuskularnego, odrzut elektronu wylatuje z powłoki atomowej z powodu częściowej utraty energii przez foton promieniowania rentgenowskiego. W tym przypadku energia fotonu maleje i zmienia się jego kierunek; zmiana λ zależy od kąta rozproszenia. Podczas rozpraszania ramanowskiego wysokoenergetycznego fotonu rentgenowskiego przez lekki atom, niewielka część jego energii jest zużywana na jonizację atomu i zmienia się kierunek ruchu fotonu. Zmiana takich fotonów nie zależy od kąta rozpraszania.
Współczynnik załamania n dla promieni rentgenowskich różni się od 1 o bardzo małą wartość δ = 1-n ≈ 10 -6 -10 -5 . Prędkość fazowa promieni rentgenowskich w ośrodku jest większa niż prędkość światła w próżni. Odchylenie promieni rentgenowskich podczas przejścia z jednego ośrodka do drugiego jest bardzo małe (kilka minut łuku). Kiedy promienie rentgenowskie padają z próżni na powierzchnię ciała pod bardzo małym kątem, następuje ich całkowite odbicie zewnętrzne.
2.3 Rejestracja promieni rentgenowskich
Oko ludzkie nie jest wrażliwe na promieniowanie rentgenowskie. RTG
promienie rejestruje się za pomocą specjalnej kliszy rentgenowskiej zawierającej zwiększoną ilość Ag, Br. W regionie λ<0,5 чувствительность этих плёнок быстро падает и может быть
искусственно повышена плотно прижатым к плёнке флуоресцирующим экраном. В
области λ>5, czułość zwykłego filmu pozytywowego jest dość wysoka, a jego ziarna są znacznie mniejsze niż ziarna filmu rentgenowskiego, co zwiększa rozdzielczość. Przy λ rzędu dziesiątek i setek promieniowanie rentgenowskie działa tylko na najcieńszą warstwę powierzchniową emulsji fotograficznej; aby zwiększyć czułość filmu, uwrażliwia się go olejami luminescencyjnymi. W diagnostyce rentgenowskiej i wykrywaniu wad elektrofotografia jest czasami wykorzystywana do rejestrowania promieni rentgenowskich.
Promieniowanie rentgenowskie o dużej intensywności można rejestrować za pomocą komory jonizacyjnej
2.4 Użycie promieni rentgenowskich
Promieniowanie rentgenowskie jest najszerzej stosowane w medycynie do diagnostyki rentgenowskiej.
Rentgenowska analiza strukturalna
Mikroskopia rentgenowska
Promienie rentgenowskie pochodzące z kosmosu niosą informacje o składzie chemicznym ciał kosmicznych oraz o procesach fizycznych zachodzących w kosmosie. Astronomia rentgenowska zajmuje się badaniem kosmicznych promieni rentgenowskich
Rozdział 3
Jednym z głównych zadań analizy dyfrakcyjnej promieniowania rentgenowskiego jest określenie składu rzeczywistego lub fazowego materiału. Metoda dyfrakcji rentgenowskiej jest metodą bezpośrednią i charakteryzuje się dużą niezawodnością, szybkością i względną taniością. Metoda nie wymaga dużej ilości substancji, analizę można przeprowadzić bez niszczenia części. Obszary zastosowania jakościowej analizy fazowej są bardzo zróżnicowane zarówno w badaniach naukowych, jak i kontroli w produkcji. Można sprawdzić skład surowców do produkcji metalurgicznej, produkty syntezy, przetwórstwa, wynik przemian fazowych podczas obróbki cieplnej i chemiczno-termicznej, przeanalizować różne powłoki, cienkie warstwy itp.
Każda faza, posiadająca własną strukturę krystaliczną, charakteryzuje się pewnym zestawem dyskretnych wartości odległości międzypłaszczyznowych d/n od maksimum i poniżej, właściwych tylko tej fazie. Jak wynika z równania Wulfa-Bragga, każda wartość odległości międzypłaszczyznowej odpowiada linii na obrazie rentgenowskim próbki polikrystalicznej pod pewnym kątem θ (przy danej wartości długości fali λ). Zatem pewien układ linii (maksima dyfrakcyjne) będzie odpowiadał pewnemu zestawowi odległości międzypłaszczyznowych dla każdej fazy we wzorze dyfrakcji rentgenowskiej. Względna intensywność tych linii na obrazie rentgenowskim zależy przede wszystkim od struktury fazy. Dlatego wyznaczając położenie linii na zdjęciu RTG (jego kąt θ) oraz znając długość fali promieniowania, na którym wykonano zdjęcie RTG, można wyznaczyć wartości odległości międzypłaszczyznowych d/n za pomocą wzoru Wulfa-Bragga:
/n = λ/ (2sin θ). (jeden)
Po ustaleniu zbioru d/n dla badanego materiału i porównaniu go ze znanymi wcześniej danymi d/n dla czystych substancji, ich różnych związków, można ustalić, w jakiej fazie znajduje się dany materiał. Należy podkreślić, że to fazy są określane, a nie skład chemiczny, ale ten ostatni można czasem wywnioskować, jeśli istnieją dodatkowe dane dotyczące składu pierwiastkowego danej fazy. Zadanie jakościowej analizy faz jest znacznie ułatwione, jeśli znany jest skład chemiczny badanego materiału, ponieważ wówczas możliwe jest poczynienie wstępnych założeń co do możliwych faz w tym przypadku.
Kluczem do analizy faz jest dokładny pomiar d/n i natężenia linii. Chociaż jest to w zasadzie łatwiejsze do osiągnięcia za pomocą dyfraktometru, fotometoda do analizy jakościowej ma pewne zalety, przede wszystkim pod względem czułości (możliwość wykrycia obecności niewielkiej ilości fazy w próbce), a także prostoty technika eksperymentalna.
Obliczenie d/n ze wzoru rentgenowskiego przeprowadza się przy użyciu równania Wulfa-Bragga.
Jako wartość λ w tym równaniu zwykle stosuje się λ α cf serii K:
λ α cf = (2λ α1 + λ α2) /3 (2)
Czasami używana jest linia K α1. Wyznaczenie kątów dyfrakcji θ dla wszystkich linii rentgenowskich pozwala obliczyć d/n zgodnie z równaniem (1) i rozdzielić β-linie (jeśli nie było filtra dla (β-promieni).
3.1 Analiza niedoskonałości struktury krystalicznej
Wszystkie prawdziwe materiały monokrystaliczne, a tym bardziej polikrystaliczne zawierają pewne niedoskonałości strukturalne (defekty punktowe, dyslokacje, różnego rodzaju interfejsy, mikro i makronaprężenia), które mają bardzo silny wpływ na wszystkie właściwości i procesy wrażliwe na strukturę.
Niedoskonałości strukturalne powodują zniekształcenia sieci krystalicznej o różnym charakterze, a w efekcie różnego rodzaju zmiany obrazu dyfrakcyjnego: zmiana odległości międzyatomowych i międzypłaszczyznowych powoduje przesunięcie maksimów dyfrakcyjnych, mikronaprężenia i dyspersja podstruktury prowadzą do poszerzenia maksimów dyfrakcji, mikrozniekształceń sieci - do zmiany intensywności tych maksimów obecność dyslokacji powoduje anomalne zjawiska podczas przechodzenia promieni rentgenowskich, a w konsekwencji lokalne niejednorodności kontrastu na topogramach rentgenowskich itp.
W rezultacie analiza dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego jest jedną z najbardziej pouczających metod badania niedoskonałości strukturalnych, ich rodzaju i stężenia oraz charakteru ich rozkładu.
Tradycyjna bezpośrednia metoda dyfrakcji rentgenowskiej, która jest zaimplementowana na dyfraktometrach stacjonarnych, ze względu na swoje cechy konstrukcyjne, pozwala na ilościowe określenie naprężeń i odkształceń tylko na małych próbkach wyciętych z części lub przedmiotów.
Dlatego obecnie następuje przejście od stacjonarnych do przenośnych małych dyfraktometrów rentgenowskich, które zapewniają ocenę naprężeń w materiale części lub przedmiotów bez zniszczenia na etapach ich wytwarzania i eksploatacji.
Przenośne dyfraktometry rentgenowskie serii DRP*1 umożliwiają kontrolę naprężeń szczątkowych i efektywnych w dużych częściach, produktach i konstrukcjach bez zniszczenia
Program w środowisku Windows pozwala nie tylko określać naprężenia metodą „sin 2 ψ” w czasie rzeczywistym, ale także monitorować zmiany składu fazowego i tekstury. Liniowy detektor współrzędnych zapewnia jednoczesną rejestrację przy kątach dyfrakcji 2θ = 43°. małogabarytowe lampy RTG typu „Fox” o wysokiej jasności i małej mocy (5 W) zapewniają bezpieczeństwo radiologiczne urządzenia, w którym w odległości 25 cm od napromienianego obszaru poziom promieniowania jest równy naturalny poziom tła. Urządzenia serii DRP służą do wyznaczania naprężeń na różnych etapach obróbki plastycznej metali, cięcia, szlifowania, obróbki cieplnej, spawania, utwardzania powierzchni w celu optymalizacji tych operacji technologicznych. Kontrola spadku poziomu indukowanych szczątkowych naprężeń ściskających w szczególnie krytycznych wyrobach i konstrukcjach w trakcie ich eksploatacji umożliwia wycofanie wyrobu z eksploatacji przed jego zniszczeniem, zapobiegając ewentualnym wypadkom i katastrofom.
3.2 Analiza widma
Wraz z określeniem atomowej struktury krystalicznej i składu fazowego materiału, dla jego pełnej charakterystyki konieczne jest określenie jego składu chemicznego.
Coraz częściej do tych celów stosuje się w praktyce różne tzw. instrumentalne metody analizy spektralnej. Każdy z nich ma swoje zalety i zastosowania.
Jednym z ważnych wymagań w wielu przypadkach jest to, aby zastosowana metoda zapewniała bezpieczeństwo analizowanego obiektu; To właśnie te metody analizy omówiono w tej sekcji. Kolejnym kryterium, według którego wybrano metody analizy opisane w tym rozdziale, jest ich lokalizacja.
Metoda fluorescencyjnej analizy spektralnej promieniowania rentgenowskiego polega na wnikaniu dość twardego promieniowania rentgenowskiego (z lampy rentgenowskiej) do analizowanego obiektu, wnikającego w warstwę o grubości rzędu kilku mikrometrów. Charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie powstające w tym przypadku w obiekcie umożliwia uzyskanie uśrednionych danych o jego składzie chemicznym.
Do określenia składu pierwiastkowego substancji można wykorzystać analizę charakterystycznego widma rentgenowskiego próbki umieszczonej na anodzie lampy rentgenowskiej i poddanej bombardowaniu elektronami - metoda emisyjna, czyli analiza widma wtórnego (fluorescencyjnego) promieniowania rentgenowskiego próbki poddanej napromieniowaniu twardym promieniowaniem rentgenowskim z lampy rentgenowskiej lub innego źródła - metoda fluorescencyjna.
Wadą metody emisyjnej jest, po pierwsze, konieczność umieszczenia próbki na anodzie lampy rentgenowskiej, a następnie opróżnienie za pomocą pomp próżniowych; oczywiście ta metoda jest nieodpowiednia dla substancji topliwych i lotnych. Druga wada związana jest z faktem, że nawet obiekty ogniotrwałe są uszkadzane przez bombardowanie elektronami. Metoda fluorescencyjna jest wolna od tych wad i dlatego ma znacznie szersze zastosowanie. Zaletą metody fluorescencyjnej jest również brak bremsstrahlung, co poprawia czułość analizy. Porównanie zmierzonych długości fal z tabelami linii widmowych pierwiastków chemicznych jest podstawą analizy jakościowej, a względne natężenia linii widmowych różnych pierwiastków, które tworzą badaną substancję, stanowią podstawę analizy ilościowej. Biorąc pod uwagę mechanizm wzbudzania charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego, jasne jest, że promieniowanie jednej lub drugiej serii (K lub L, M itd.) powstaje jednocześnie, a stosunek natężeń linii w serii jest zawsze stały. Dlatego obecność tego lub innego elementu jest ustalana nie przez pojedyncze wiersze, ale przez serię wierszy jako całość (z wyjątkiem najsłabszych, biorąc pod uwagę zawartość tego elementu). Dla stosunkowo lekkich elementów stosuje się analizę linii serii K, dla ciężkich elementów linii serii L; w różnych warunkach (w zależności od użytego sprzętu i analizowanych elementów) najdogodniejsze mogą być różne obszary charakterystycznego widma.
Główne cechy analizy spektralnej promieniowania rentgenowskiego są następujące.
Prostota charakterystycznych widm rentgenowskich nawet dla ciężkich pierwiastków (w porównaniu do widm optycznych), co upraszcza analizę (mała liczba linii; podobieństwo w ich wzajemnym rozmieszczeniu; wraz ze wzrostem numeru seryjnego regularne przesunięcie widma do występuje region o krótkiej długości fali; porównawcza prostota analizy ilościowej).
Niezależność długości fal od stanu atomów analizowanego pierwiastka (wolnego lub w związku chemicznym). Wynika to z faktu, że występowanie charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego związane jest ze wzbudzeniem wewnętrznych poziomów elektronowych, które w większości przypadków praktycznie nie zmieniają się wraz ze stopniem jonizacji atomów.
Możliwość separacji w analizie pierwiastków ziem rzadkich i niektórych innych pierwiastków, które mają niewielkie różnice w widmach w zakresie optycznym ze względu na podobieństwo struktury elektronowej powłok zewnętrznych i różnią się bardzo nieznacznie właściwościami chemicznymi.
Spektroskopia fluorescencji rentgenowskiej jest „nieniszcząca”, ma więc przewagę nad konwencjonalną spektroskopią optyczną przy analizie cienkich próbek – cienkiej blachy, folii itp.
Spektrometry fluorescencji rentgenowskiej, w tym wielokanałowe spektrometry lub kwantometry, zapewniające ekspresową analizę ilościową pierwiastków (od Na lub Mg do U) z błędem mniejszym niż 1% wyznaczonej wartości, próg czułości 10 -3 ... 10 -4% .
wiązka rentgenowska
Metody określania składu spektralnego promieni rentgenowskich
Spektrometry dzielą się na dwa typy: dyfrakcyjny kryształ i bezkrystaliczny.
Rozkład promieni rentgenowskich na widmo przy użyciu naturalnej siatki dyfrakcyjnej - kryształu - jest zasadniczo podobny do uzyskiwania widma zwykłych promieni świetlnych przy użyciu sztucznej siatki dyfrakcyjnej w postaci okresowych uderzeń na szkle. Warunek powstania maksimum dyfrakcyjnego można zapisać jako warunek „odbicia” od układu równoległych płaszczyzn atomowych oddzielonych odległością d hkl .
Przeprowadzając analizę jakościową, obecność pierwiastka w próbce można ocenić po jednej linii - zwykle najintensywniejszej linii szeregu widmowego odpowiedniego dla danego kryształu analizatora. Rozdzielczość spektrometrów dyfrakcji kryształów jest wystarczająca do oddzielenia linii charakterystycznych nawet pierwiastków sąsiadujących ze sobą w układzie okresowym. Jednak należy również wziąć pod uwagę nałożenie różnych linii różnych elementów, a także nałożenie odbić różnych porządków. Tę okoliczność należy wziąć pod uwagę przy wyborze linii analitycznych. Jednocześnie konieczne jest wykorzystanie możliwości poprawy rozdzielczości urządzenia.
Wniosek
Tak więc promieniowanie rentgenowskie jest niewidzialnym promieniowaniem elektromagnetycznym o długości fali 105 - 102 nm. Promienie rentgenowskie mogą przenikać przez niektóre materiały nieprzezroczyste dla światła widzialnego. Są one emitowane podczas zwalniania szybkich elektronów w materii (widmo ciągłe) oraz podczas przechodzenia elektronów z zewnętrznych powłok elektronowych atomu do wewnętrznych (widmo liniowe). Źródłami promieniowania rentgenowskiego są: lampa rentgenowska, niektóre izotopy promieniotwórcze, akceleratory i akumulatory elektronów (promieniowanie synchrotronowe). Odbiorniki - klisze, ekrany luminescencyjne, detektory promieniowania jądrowego. Promienie rentgenowskie są wykorzystywane w analizie dyfrakcyjnej promieniowania rentgenowskiego, medycynie, wykrywaniu wad, analizie widmowej promieniowania rentgenowskiego itp.
Po rozważeniu pozytywnych aspektów odkrycia V. Roentgena należy zwrócić uwagę na jego szkodliwe działanie biologiczne. Okazało się, że promieniowanie rentgenowskie może wywołać coś w rodzaju silnego oparzenia słonecznego (rumienia), któremu jednak towarzyszy głębsze i trwalsze uszkodzenie skóry. Pojawiające się wrzody często zamieniają się w raka. W wielu przypadkach trzeba było amputować palce lub dłonie. Były też zgony.
Stwierdzono, że uszkodzeniu skóry można uniknąć poprzez skrócenie czasu ekspozycji i dawki, stosując osłony (np. ołów) i piloty. Ale stopniowo ujawniono inne, bardziej długoterminowe skutki ekspozycji na promieniowanie rentgenowskie, które następnie zostały potwierdzone i zbadane na zwierzętach doświadczalnych. Skutki wywołane promieniowaniem rentgenowskim i innym promieniowaniem jonizującym (takim jak promieniowanie gamma emitowane przez materiały radioaktywne) obejmują:
) tymczasowe zmiany w składzie krwi po stosunkowo niewielkim nadmiernym narażeniu;
) nieodwracalne zmiany w składzie krwi (niedokrwistość hemolityczna) po długotrwałym nadmiernym narażeniu;
) wzrost zachorowalności na raka (w tym białaczkę);
) szybsze starzenie się i wczesna śmierć;
) występowanie zaćmy.
Biologiczny wpływ promieni rentgenowskich na organizm człowieka determinowany jest poziomem dawki promieniowania, a także tym, jaki narząd ciała został napromieniowany.
Nagromadzenie wiedzy o wpływie promieniowania rentgenowskiego na organizm człowieka doprowadziło do opracowania krajowych i międzynarodowych norm dopuszczalnych dawek promieniowania, publikowanych w różnych publikacjach referencyjnych.
Aby uniknąć szkodliwego wpływu promieni rentgenowskich, stosuje się metody kontroli:
) dostępność odpowiedniego sprzętu,
) monitorowanie przestrzegania przepisów bezpieczeństwa,
) prawidłowe użytkowanie sprzętu.
Lista wykorzystanych źródeł
1) Mgr Błochin, Fizyka promieni rentgenowskich, wyd. 2, M., 1957;
) Błochin M.A., Metody badań spektralnych promieniowania rentgenowskiego, M., 1959;
) promienie rentgenowskie. sob. wyd. MAMA. Błochin, tłum. z nim. i angielski, M., 1960;
) Kharaja F., Ogólny kurs inżynierii rentgenowskiej, wyd. 3, M. - L., 1966;
) Mirkin L.I., Handbook of X-ray dyfraction analysis of polycrystals, M., 1961;
) Weinstein E.E., Kakhana M.M., Tabele referencyjne dotyczące spektroskopii rentgenowskiej, M., 1953.
) Analiza rentgenowska i elektronowo-optyczna. Gorelik SS, Skakov Yu.A., Rastorguev L.N.: Proc. Zasiłek dla uniwersytetów. - 4. ed. Dodać. I reworker. - M.: "MISiS", 2002. - 360 s.
Aplikacje
Załącznik 1
Ogólny widok lamp rentgenowskich
Załącznik 2
Schemat lampy rentgenowskiej do analizy strukturalnej
Schemat lampy rentgenowskiej do analizy strukturalnej: 1 - metalowa anoda szklana (zwykle uziemiona); 2 - okna wykonane z berylu do zdjęć rentgenowskich; 3 - katoda termionowa; 4 - bańka szklana, izolująca część anodową rury od katody; 5 - zaciski katodowe, do których przykładane jest napięcie żarzenia, a także wysokie (w stosunku do anody) napięcie; 6 - elektrostatyczny system do skupiania elektronów; 7 - anoda (antykatoda); 8 - odgałęzienia do wejścia i wyjścia bieżącej wody chłodzącej szkło anodowe.
Dodatek 3
Schemat Moseleya
Wykres Moseleya dla serii K, L i M charakterystycznych promieni rentgenowskich. Odcięta pokazuje numer seryjny elementu Z, rzędna - ( Z to prędkość światła).
Dodatek 4
Komora jonizacyjna.
Rys.1. Sekcja cylindrycznej komory jonizacyjnej: 1 - cylindryczny korpus komory, który pełni rolę elektrody ujemnej; 2 - cylindryczny pręt służący jako elektroda dodatnia; 3 - izolatory.
Ryż. 2. Schemat załączania aktualnej komory jonizacyjnej: V - napięcie na elektrodach komory; G to galwanometr mierzący prąd jonizacji.
Ryż. 3. Charakterystyka prądowo-napięciowa komory jonizacyjnej.
Ryż. 4. Schemat włączenia pulsacyjnej komory jonizacyjnej: C - pojemność elektrody zbiorczej; R to opór.
Załącznik 5
Licznik scyntylacyjny.
Schemat licznika scyntylacyjnego: kwanty światła (fotony) „wybijają” elektrony z fotokatody; przemieszczając się od dynody do dynody, lawina elektronowa mnoży się.
Dodatek 6
Licznik Geigera-Mullera.
Ryż. 1. Schemat szklanego licznika Geigera-Mullera: 1 - hermetycznie zamknięta rurka szklana; 2 - katoda (cienka warstwa miedzi na rurce ze stali nierdzewnej); 3 - wyjście katody; 4 - anoda (cienka rozciągnięta nić).
Ryż. 2. Schemat włączania licznika Geigera-Mullera.
Ryż. 3. Charakterystyka zliczania licznika Geigera-Mullera.
Dodatek 7
licznik proporcjonalny.
Schemat licznika proporcjonalnego: a - obszar dryfu elektronów; b - obszar wzmocnienia gazu.
Załącznik 8
Detektory półprzewodnikowe
Detektory półprzewodnikowe; wrażliwy obszar jest zaznaczony kreskowaniem; n - obszar półprzewodnika o przewodnictwie elektronicznym, p - z otworem, i - o przewodnictwie samoistnym; a - krzemowy detektor bariery powierzchniowej; b - dryfowy detektor planarny germanowo-litowy; c - detektor współosiowy germanowo-litowy.
Ministerstwo Edukacji i Nauki Federacji Rosyjskiej
Federalna Agencja ds. Edukacji
GOU VPO SUSU
Katedra Chemii Fizycznej
na kursie KSE: „Promieniowanie rentgenowskie”
Zakończony:
Naumova Daria Gennadievna
W kratę:
profesor nadzwyczajny, K.T.N.
Tanklevskaya N.M.
Czelabińsk 2010
Wstęp
Rozdział I. Odkrycie promieni rentgenowskich
Paragon fiskalny
Interakcja z materią
Wpływ biologiczny
Rejestracja
Aplikacja
Jak wykonuje się prześwietlenie?
naturalne promienie rentgenowskie
Rozdział II. Radiografia
Aplikacja
Metoda akwizycji obrazu
Korzyści z radiografii
Wady radiografii
Fluoroskopia
Zasada odbioru
Korzyści z fluoroskopii
Wady fluoroskopii
Technologie cyfrowe we fluoroskopii
Metoda skanowania wielowierszowego
Wniosek
Lista wykorzystanej literatury
Wstęp
Promieniowanie rentgenowskie - fale elektromagnetyczne, których energia fotonów jest określona przez zakres energii od ultrafioletu do promieniowania gamma, co odpowiada zakresowi długości fali od 10-4 do 10² Å (od 10-14 do 10-8 m).
Promienie rentgenowskie, podobnie jak światło widzialne, powodują zaczernienie kliszy fotograficznej. Ta właściwość ma ogromne znaczenie dla medycyny, przemysłu i badań naukowych. Przechodząc przez badany obiekt, a następnie padając na błonę, promieniowanie rentgenowskie przedstawia na nim jego wewnętrzną strukturę. Ponieważ zdolność przenikania promieniowania rentgenowskiego jest różna dla różnych materiałów, części obiektu, które są dla niego mniej przezroczyste, dają jaśniejsze obszary na zdjęciu niż te, przez które promieniowanie dobrze przenika. Dzięki temu tkanki kostne są mniej przezroczyste dla promieni rentgenowskich niż tkanki, z których składa się skóra i narządy wewnętrzne. Dlatego na radiogramie kości zostaną wskazane jako jaśniejsze obszary, a miejsce złamania, które jest bardziej przezroczyste dla promieniowania, można dość łatwo wykryć. Obrazowanie rentgenowskie jest również wykorzystywane w stomatologii do wykrywania próchnicy i ropni w korzeniach zębów, a także w przemyśle do wykrywania pęknięć w odlewach, tworzywach sztucznych i gumach.
Promienie rentgenowskie są wykorzystywane w chemii do analizy związków oraz w fizyce do badania struktury kryształów. Wiązka promieniowania rentgenowskiego przechodząca przez związek chemiczny powoduje charakterystyczne promieniowanie wtórne, którego analiza spektroskopowa pozwala chemikowi określić skład związku. Padając na substancję krystaliczną, wiązka rentgenowska jest rozpraszana przez atomy kryształu, dając wyraźny, regularny wzór plamek i pasków na kliszy fotograficznej, co pozwala na ustalenie wewnętrznej struktury kryształu.
Zastosowanie promieni rentgenowskich w leczeniu raka opiera się na fakcie, że zabija komórki rakowe. Może jednak mieć również niepożądany wpływ na normalne komórki. Dlatego przy korzystaniu z promieni rentgenowskich należy zachować szczególną ostrożność.
Rozdział I. Odkrycie promieni rentgenowskich
Odkrycie promieni rentgenowskich przypisuje się Wilhelmowi Conradowi Roentgenowi. Jako pierwszy opublikował artykuł na temat promieni rentgenowskich, które nazwał promieniami rentgenowskimi (x-ray). Artykuł Roentgena zatytułowany "O nowym typie promieni" został opublikowany 28 grudnia 1895 roku w czasopiśmie Towarzystwa Fizyko-Medycznego Würzburga. Uważa się jednak, że udowodniono, że promienie rentgenowskie zostały już wcześniej uzyskane. Lampa elektronopromieniowa, którą Roentgen użył w swoich eksperymentach, została opracowana przez J. Hittorfa i W. Kruksa. Ta tuba wytwarza promienie rentgenowskie. Zostało to pokazane w eksperymentach Crookesa, a od 1892 w eksperymentach Heinricha Hertza i jego ucznia Philippa Lenarda poprzez czernienie klisz fotograficznych. Jednak żaden z nich nie zdawał sobie sprawy ze znaczenia swojego odkrycia i nie opublikował wyników. Również Nikola Tesla, począwszy od 1897 roku, eksperymentował z lampami katodowymi, otrzymywał promieniowanie rentgenowskie, ale nie publikował swoich wyników.
Z tego powodu Roentgen nie wiedział o dokonanych przed nim odkryciach i odkrył promienie, nazwane później jego imieniem, niezależnie - obserwując fluorescencję zachodzącą podczas pracy lampy katodowej. Roentgen badał promienie rentgenowskie przez nieco ponad rok (od 8 listopada 1895 do marca 1897) i opublikował tylko trzy stosunkowo niewielkie artykuły na ich temat, ale dostarczyły one tak wyczerpującego opisu nowych promieni, że setki artykułów jego zwolenników, publikowane w ciągu 12 lat, nie mogły ani dodać, ani zmienić niczego istotnego. Roentgen, który stracił zainteresowanie promieniami rentgenowskimi, powiedział swoim kolegom: „Już wszystko napisałem, nie trać czasu”. Do sławy Roentgena przyczyniło się również słynne zdjęcie ręki jego żony, które opublikował w swoim artykule (patrz zdjęcie po prawej). Taka sława przyniosła Roentgenowi w 1901 roku pierwszą Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki, a Komitet Nobla podkreślił praktyczne znaczenie jego odkrycia. W 1896 roku po raz pierwszy użyto nazwy „promienie rentgenowskie”. W niektórych krajach pozostaje stara nazwa - zdjęcia rentgenowskie. W Rosji promienie zaczęto nazywać „promieniem rentgenowskim” na sugestię studenta V.K. Roentgen - Abram Fiodorowicz Ioffe.
Pozycja w skali fal elektromagnetycznych
Zakresy energii promieni rentgenowskich i gamma pokrywają się w szerokim zakresie energii. Oba rodzaje promieniowania są promieniowaniem elektromagnetycznym i są równoważne dla tej samej energii fotonów. Różnica terminologiczna polega na sposobie występowania – promienie X są emitowane z udziałem elektronów (albo w atomach, albo w postaci wolnych), natomiast promieniowanie gamma jest emitowane w procesach odwzbudzania jąder atomowych. Fotony rentgenowskie mają energie od 100 eV do 250 keV, co odpowiada promieniowaniu o częstotliwości 3 1016 Hz do 6 1019 Hz i długości fali 0,005 - 10 nm (nie ma ogólnie przyjętej definicji dolnej granicy X -zakres promieni w skali długości fal). Miękkie promienie X charakteryzują się najniższą energią fotonów i częstotliwością promieniowania (i najdłuższą długością fali), podczas gdy twarde promienie X mają najwyższą energię fotonów i częstotliwość promieniowania (i najkrótszą długość fali).
(Zdjęcie rentgenowskie (rentgenogram) ręki żony, wykonane przez V.K. Roentgena)
)Paragon fiskalny
Promienie rentgenowskie powstają w wyniku silnego przyspieszania naładowanych cząstek (głównie elektronów) lub wysokoenergetycznych przejść w powłokach elektronowych atomów lub cząsteczek. Oba efekty są stosowane w lampach rentgenowskich, w których elektrony emitowane z gorącej katody są przyspieszane (promienie X nie są emitowane, ponieważ przyspieszenie jest zbyt małe) i uderzają w anodę, gdzie są gwałtownie spowalniane (promienie X są bremsstrahlung) i jednocześnie wybijają elektrony z wewnętrznych powłok elektronowych atomów metalu, z którego wykonana jest anoda. Puste przestrzenie w muszlach zajmują inne elektrony atomu. W tym przypadku promieniowanie rentgenowskie jest emitowane z pewną charakterystyką energetyczną materiału anodowego (promieniowanie charakterystyczne, częstotliwości określa prawo Moseleya:
,gdzie Z jest liczbą atomową elementu anodowego, A i B są stałymi dla pewnej wartości głównej liczby kwantowej n powłoki elektronowej). Obecnie anody są wykonane głównie z ceramiki, a część, w którą trafiają elektrony, jest z molibdenu. W procesie przyspieszania-zwalniania tylko 1% energii kinetycznej elektronu trafia na promieniowanie rentgenowskie, 99% energii zamienia się w ciepło.
Promienie rentgenowskie można również uzyskać w akceleratorach cząstek. tak zwana. Promieniowanie synchrotronowe występuje, gdy wiązka cząstek jest odchylana w polu magnetycznym, w wyniku czego doświadczają one przyspieszenia w kierunku prostopadłym do ich ruchu. Promieniowanie synchrotronowe ma widmo ciągłe z górną granicą. Przy odpowiednio dobranych parametrach (wielkość pola magnetycznego i energia cząstek) promieniowanie rentgenowskie można uzyskać również w widmie promieniowania synchrotronowego.
Schematyczne przedstawienie lampy rentgenowskiej. X - promienie rentgenowskie, K - katoda, A - anoda (czasami nazywana anodą), C - radiator, Uh - napięcie żarnika katody, Ua - napięcie przyspieszające, Win - wlot chłodzenia wodą, Wout - wylot chłodzenia wodą (patrz x- rura promieniowa) .
Interakcja z materią
Współczynnik załamania prawie każdej substancji dla promieni rentgenowskich niewiele różni się od jedności. Konsekwencją tego jest fakt, że nie ma materiału, z którego można wykonać soczewkę rentgenowską. Ponadto, gdy promienie rentgenowskie padają prostopadle do powierzchni, prawie nie są odbijane. Mimo to w optyce rentgenowskiej znaleziono metody konstruowania elementów optycznych dla promieni rentgenowskich.
Promienie rentgenowskie mogą przenikać materię, a różne substancje w różny sposób je pochłaniają. Absorpcja promieni rentgenowskich jest ich najważniejszą właściwością w fotografii rentgenowskiej. Natężenie promieni rentgenowskich maleje wykładniczo w zależności od drogi przebytej w warstwie pochłaniającej (I = I0e-kd, gdzie d jest grubością warstwy, współczynnik k jest proporcjonalny do Z3λ3, Z jest liczbą atomową pierwiastka, λ jest długość fali).
Absorpcja występuje w wyniku fotoabsorpcji i rozpraszania Comptona:
Fotoabsorpcja rozumiana jest jako proces wybijania elektronu z powłoki atomu przez foton, co wymaga, aby energia fotonu była większa od pewnej wartości minimalnej. Jeśli weźmiemy pod uwagę prawdopodobieństwo aktu absorpcji w zależności od energii fotonu, to po osiągnięciu pewnej energii (prawdopodobieństwo) gwałtownie wzrasta do wartości maksymalnej. Przy wyższych energiach prawdopodobieństwo stale maleje. Z powodu tej zależności mówi się, że istnieje limit absorpcji. Miejsce elektronu wybitego podczas aktu absorpcji zajmuje inny elektron, podczas gdy emitowane jest promieniowanie o mniejszej energii fotonu, tzw. proces fluorescencji.