Хоча вчені відкрили ефект рентгена тільки з 1890-х, застосування рентгенівського випромінювання в медицині для цієї природної сили пройшло швидко. Сьогодні на благо людства рентгенівське електромагнітне випромінювання використовується у медицині, наукових колах та промисловості, а також для генерації електроенергії.

Крім того випромінювання має корисні програми в таких областях, як сільське господарство, археологія, космос, робота на правоохоронні органи, геологія (включаючи гірничодобувну промисловість) та багато інших видів діяльності, навіть розробляються автомобілі із застосуванням явища ядерного поділу.

Медичне використання рентгенівського випромінювання

У медичних закладах лікарі та стоматологи використовують різні ядерні матеріали та процедури для діагностики, моніторингу та лікування широкого асортименту метаболічних процесів та захворювань в організмі людини. В результаті медичні процедури з використанням променів врятували тисячі життів шляхом виявлення та лікування захворювань, починаючи від гіперфункції щитовидної залози до раку кістки.

Найбільш поширені з цих медичних процедур включають використання променів, які можуть пройти через шкіру. Коли виконується знімок, наші кістки та інші структури ніби відкидають тіні, тому що вони щільніші за нашу шкіру, і ці тіні можуть бути виявлені на плівці або екрані монітора. Ефект схожий на розміщення олівця між аркушем паперу та світлом. Тінь від олівця буде видно на аркуші паперу. Різниця полягає в тому, що промені невидимі, так що необхідний елемент, що реєструє, щось типу фотоплівки. Це дозволяє лікарям та стоматологам оцінити застосування рентгенівського випромінювання побачивши зламані кістки чи проблеми із зубами.

Застосування рентгенівського випромінювання з лікувальною метою

Застосування рентгенівського випромінювання цільовим чином лікувальних цілях як виявлення пошкоджень. При спеціалізованому використанні воно призначене, щоб убити ракові тканини, зменшити розмір пухлини або зменшити біль. Наприклад, радіоактивний йод (зокрема йод-131) часто використовується для лікування раку щитовидної залози, від захворювання від якої страждає багато людей.

Апарати, що використовують цю властивість, також підключаються до комп'ютерів і сканують, називаючись: комп'ютерна осьова томографія або комп'ютерна томографія.

Ці інструменти забезпечують лікарям кольорове зображення, що показує контури та деталі внутрішніх органів. Це допомагає лікарям виявляти та ідентифікувати пухлини, розмір аномалій чи інші проблеми фізіологічних чи функціональних органів.
Крім того, лікарні та радіологічні центри виконують мільйони процедур щорічно. У таких процедурах лікарі запускають радіоактивні речовини в тіло пацієнтів, щоб подивитися деякі внутрішні органи, наприклад, підшлункову залозу, нирки, щитовидну залозу, печінку або головний мозок, для діагностики клінічних умов.

лекція

РЕНТГЕНІВСЬКЕ ВИМИКАННЯ

Природа рентгенівського випромінювання

Гальмівне рентгенівське випромінювання, його спектральні властивості.

Характеристичне рентгенівське випромінювання (для ознайомлення).

Взаємодія рентгенівського випромінювання із речовиною.

Фізичні основи використання рентгенівського випромінювання у медицині.

Рентгенівське випромінювання (X – промені) відкриті К. Рентгеном, який у 1895 р. став першим Нобелівським лауреатом з фізики.

Природа рентгенівського випромінювання

Рентгенівське випромінювання - Електромагнітні хвилі з довжиною від 80 до 10-5 нм. Довгохвильове рентгенівське випромінювання перекривається короткохвильовим УФ випромінюванням, короткохвильове - довгохвильовим-випромінюванням.

Рентгенівське випромінювання одержують у рентгенівських трубках. рис.1.

К – катод

1 – пучок електронів

2-рентгенівське випромінювання

Рис. 1. Влаштування рентгенівської трубки.

Трубка є скляною колбою (з можливо високим вакуумом: тиск у ній близько 10 –6 мм.рт.ст.) з двома електродами: анодом А і катодом К, до яких прикладена висока напруга U (кілька тисяч вольт). Катод є джерелом електронів (з допомогою явища термоелектронної емісії). Анод – металевий стрижень, має похилу поверхню для того, щоб спрямовувати рентгенівське випромінювання під кутом до осі трубки. Він виготовляється з добре теплопровідного матеріалу для відведення теплоти, що утворюється під час бомбардування електронів. На скошеному торці є платівка з тугоплавкого металу (наприклад, вольфраму).

Сильний розігрів анода обумовлений тим, що основна кількість електронів у катодному пучку, потрапивши на анод, зазнає численних зіткнень з атомами речовини і передає їм велику енергію.

Під впливом високої напруги електрони, випущені розжареною ниткою катода, прискорюються до величезних енергій. Кінетична енергія електрона дорівнює mv2/2. Вона дорівнює енергії, яку він набуває, рухаючись в електростатичному полі трубки:

mv 2 /2 = eU (1)

де m, e – маса та заряд електрона, U – прискорююча напруга.

Процеси, що призводять до виникнення гальмівного рентгенівського випромінювання, зумовлені інтенсивним гальмуванням електронів у речовині анода електростатичним полем атомного ядра та атомарних електронів.

Механізм виникнення можна уявити так. Електрони, що рухаються - це деякий струм, що утворює своє магнітне поле. Уповільнення електронів – зниження сили струму і, зміна індукції магнітного поля, що викликає виникнення змінного електричного поля, тобто. поява електромагнітної хвилі.

Таким чином, коли заряджена частка влітає в речовину, вона гальмується, втрачає свою енергію і швидкість і випромінює електромагнітні хвилі.

Спектральні властивості гальмівного рентгенівського випромінювання .

Отже, у разі гальмування електрона в речовині анода виникає гальмівне рентгенівське випромінювання.

Спектр гальмівного рентгенівського випромінювання є суцільним. Причина цього у наступному.

При гальмуванні електронів у кожного частина енергії йде на нагрівання анода (Е 1 = Q), інша частина створення фотона рентгенівського випромінювання (Е 2 = hv), інакше, eU = hv + Q. Співвідношення між цими частинами випадкове.

Таким чином, безперервний спектр гальмівного рентгенівського випромінювання утворюється завдяки гальмування множини електронів, кожен з яких випускає один квант рентгенівського випромінювання hv (h) строго певної величини. Розмір цього кванта різна для різних електронів. p align="justify"> Залежність потоку енергії рентгенівського випромінювання від довжини хвилі , тобто. Спектр рентгенівського випромінювання представлений на рис.2.

Рис.2. Спектр гальмівного рентгенівського випромінювання: а) при різній напрузі U в трубці; б) за різної температури Т катода.

Короткохвильове (жорстке) випромінювання має більшу проникаючу здатність, ніж довгохвильове (м'яке). М'яке випромінювання сильніше поглинається речовиною.

З боку коротких довжин хвиль спектр різко обривається певної довжині хвилі  m i n . Таке короткохвильове гальмівне випромінювання виникає тоді, коли енергія, придбана електроном у полі, що прискорює, повністю переходить в енергію фотона (Q = 0):

eU = hv max = hc/ min ,  min = hc/(eU), (2)

 min (нм) = 1,23/UкВ

Спектральний склад випромінювання залежить від величини напруги на рентгенівській трубці, зі збільшенням напруги значення  m i n зміщується у бік коротких довжин хвиль (рис. 2a).

При зміні температури Т напруження катода зростає емісія електронів. Отже, збільшується струм I трубці, але спектральний склад випромінювання не змінюється (рис. 2б).

Потік енергії Ф гальмівного випромінювання прямо пропорційний квадрату напруги U між анодом і катодом, силі струму I в трубці і атомному номеру Z речовини анода:

Ф = kZU 2 I. (3)

де k = 10 -9 Вт / (В 2 А).

Характеристичне рентгенівське випромінювання (для ознайомлення).

Збільшення напруги на рентгенівській трубці призводить до того, що на тлі суцільного спектра з'являється лінійний, який відповідає характеристичного рентгенівського випромінювання. Це випромінювання специфічне матеріалу анода.

Механізм його виникнення такий. При великій напрузі прискорені електрони (з великою енергією) проникають у глиб атома і вибивають із внутрішніх шарів електрони. На вільні місця переходять електрони з верхніх рівнів, у результаті висвітлюються фотони характеристичного випромінювання.

Спектри характеристичного рентгенівського випромінювання від оптичних спектрів.

– Однотипність.

Однотипність характеристичних спектрів обумовлена ​​тим, що внутрішні електронні шари у різних атомів однакові і відрізняються лише енергетично через силову дію з боку ядер, яка збільшується зі зростанням порядкового номера елемента. Тому характеристичні спектри зрушуються у бік високих частот зі збільшенням заряду ядра. Досвідчено це було підтверджено співробітником Рентгену. Мозліякий виміряв частоти рентгенівських переходів для 33 елементів. Ним було встановлено закон.

ЗАКОН МОЗЛІ – квадратний корінь з частоти характеристичного випромінювання є лінійна функція порядкового номера елемента:

= A  (Z – B), (4)

де v – частота спектральної лінії, Z – атомний номер випромінюючого елемента. А, В – константи.

Важливість закону Мозлі полягає в тому, що за цією залежністю можна виміряти частоту рентгенівської лінії точно дізнатися атомний номер досліджуваного елемента. Це відіграло велику роль у розміщенні елементів у періодичній системі.

Незалежність від хімічної сполуки.

Характеристичні рентгенівські спектри атома не залежать від хімічної сполуки, до якої входить атом елемента. Наприклад, рентгенівський спектр атома кисню однаковий для О2, Н2О, тоді як оптичні спектри цих сполук відрізняються. Ця особливість рентгенівського спектру атома послужила основою назви " характеристичне випромінювання".

Взаємодія рентгенівського випромінювання з речовиною

Вплив рентгенівського випромінювання на об'єкти визначається первинними процесами взаємодії рентгенівського фотона з електронамиатомів та молекул речовини.

Рентгенівське випромінювання в речовині поглинаєтьсяабо розсіюється. При цьому можуть відбуватися різні процеси, що визначаються співвідношенням енергії рентгенівського фотона hv та енергії іонізації А і (енергія іонізації А і - енергія, необхідна для видалення внутрішніх електронів за межі атома або молекули).

а) Когерентне розсіювання(розсіювання довгохвильового випромінювання) відбувається тоді, коли виконується співвідношення

У фотонів внаслідок взаємодії з електронами змінюється лише напрямок руху (рис.3а), але енергія hv і довжина хвилі не змінюються (тому це розсіювання називається когерентним). Оскільки енергія фотона і атома не змінюються, то когерентне розсіювання впливає біологічні об'єкти, але за створенні захисту від рентгенівського випромінювання слід враховувати можливість зміни первинного напрями пучка.

б) Фотоефектвідбувається тоді, коли

При цьому можуть бути реалізовані два випадки.

Фотон поглинається, електрон відривається від атома (рис. 3б). Відбувається іонізація. Електрон, що відірвався, набуває кінетичної енергії: E до = hv – A і. Якщо кінетична енергія велика, то електрон може іонізувати сусідні атоми шляхом зіткнення, утворюючи нові вторинніелектрони.

Фотон поглинається, але його енергії мало для відриву електрона, і може відбуватися збудження атома чи молекули(Рис.3в). Це часто призводить до подальшого випромінювання фотона в області видимого випромінювання (рентгенолюмінесценція), а в тканинах – активації молекул і фотохімічних реакцій. Фотоефект відбувається, переважно, на електронах внутрішніх оболонок атомів із високим Z.

в) Некогерентне розсіювання(ефект Комптон, 1922 р.) відбувається тоді, коли енергія фотона набагато більше енергії іонізації

При цьому електрон відривається від атома (такі електрони називаються електронами віддачі), набуває деяку кінетичну енергію E до, енергія самого фотона зменшується (рис. 4г):

hv = hv" + А та + Е к. (5)

Випромінювання, що утворюється таким чином, із зміненою частотою (довжиною) називається вторинним, Воно розсіюється по всіх напрямках.

Електрони віддачі, якщо вони мають достатню кінетичну енергію, можуть іонізувати сусідні атоми шляхом зіткнення. Таким чином, в результаті некогерентного розсіювання утворюється вторинне розсіяне рентгенівське випромінювання та відбувається іонізація атомів речовини.

Зазначені (а,б,в) процеси можуть викликати ради наступних. Наприклад (рис. 3д), якщо при фотоефект відбувається відрив від атома електронів на внутрішніх оболонках, то на їх місце можуть переходити електрони з більш високих рівнів, що супроводжується вторинним характеристичним рентгенівським випромінюванням даної речовини. Фотони вторинного випромінювання, взаємодіючи з електронами сусідніх атомів, можуть, своєю чергою, викликати вторинні явища.

когерентне розсіювання

е нергія та довжина хвилі залишаються незмінними

фотоефект

фотон поглинається, е – відривається від атома – іонізація

hv = А та + Е до

атом А збуджується при поглинанні фотону, R – рентгенолюмінесценція

некогерентне розсіювання

hv = hv"+А та +Е до

вторинні процеси при фотоефекті

Рис. 3 Механізми взаємодія рентгенівського випромінювання з речовиною

Фізичні основи використання рентгенівського випромінювання у медицині

При падінні рентгенівського випромінювання на тіло воно трохи відбивається від його поверхні, а в основному проходить углиб, при цьому частково поглинається і розсіюється, частково проходить наскрізь.

Закон ослаблення.

Потік рентгенівського випромінювання послаблюється у речовині за законом:

Ф = Ф 0 е –   х (6)

де  – лінійний коефіцієнт ослаблення,який істотно залежить від густини речовини. Він дорівнює сумі трьох доданків, що відповідають когерентному розсіюванню  1, некогерентному  2 та фотоефекту  3:

 =  1 +  2 +  3 . (7)

Вклад кожного доданка визначається енергією фотона. Нижче наведено співвідношення цих процесів для м'яких тканин (води).

Енергія, кеВ	Фотоефект	Комптон - ефект

Користуються масовим коефіцієнтом ослаблення,який не залежить від щільності речовини :

 m = /. (8)

Масовий коефіцієнт ослаблення залежить від енергії фотона та від атомного номера речовини – поглинача:

 m = k 3 Z 3 . (9)

Масові коефіцієнти ослаблення кістки та м'якої тканини (води) відрізняються: m кістки /m води = 68.

Якщо по дорозі рентгенівських променів помістити неоднорідне тіло і поставити флуоресцирующий екран, це тіло, поглинаючи і послаблюючи випромінювання, утворює на екрані тінь. За характером цієї тіні можна судити про форму, щільність, структуру, а в багатьох випадках і про природу тіл. Тобто. Значна відмінність поглинання рентгенівського випромінювання різними тканинами дозволяє у тіньової проекції бачити зображення внутрішніх органів.

Якщо досліджуваний орган та оточуючі тканини однаково послаблюють рентгенівське випромінювання, то застосовують контрастні речовини. Так, наприклад, наповнивши шлунок та кишечник кашоподібною масою сульфату барію (BaS0 4), можна бачити їх тіньове зображення (співвідношення коефіцієнтів ослаблення дорівнює 354).

Використання у медицині.

У медицині використовується рентгенівське випромінювання з енергією фотонів від 60 до 100-120 кеВ при діагностиці та 150-200 кеВ при терапії.

Рентгенодіагностика – розпізнавання захворювань з допомогою просвічування тіла рентгенівським випромінюванням.

Рентгенодіагностику використовують у різних варіантах, які наведені нижче.

При рентгеноскопіїрентгенівська трубка розташована за пацієнтом. Перед ним розташовується флуоресцентний екран. На екрані спостерігається тіньове (позитивне) зображення. У кожному окремому випадку підбирається відповідна жорсткість випромінювання, щоб воно проходило через м'які тканини, але досить поглиналося щільними. В іншому випадку виходить однорідна тінь. На екрані серце, ребра видно темними, легені – світлими.

При рентгенографіїоб'єкт розміщується на касеті, в яку вкладена плівка зі спеціальною фотоемульсією. Рентгенівська трубка знаходиться над об'єктом. Отримувана рентгенограма дає негативне зображення, тобто. зворотне за контрастом з картиною, що спостерігається при просвічуванні. У цьому методі має місце більша чіткість зображення, ніж (1), тому спостерігаються деталі, які важко розглянути при просвічуванні.

Перспективним варіантом даного методу є рентгенівська томографіята "машинний варіант" - комп'ютерна томографія.

3. При флюорографії,на чутливій малоформатній плівці фіксується зображення великого екрана. Під час розгляду знімки розглядаються на спеціальному збільшувачі.

Рентгенотерапія- Використання рентгенівського випромінювання для знищення злоякісних утворень.

Біологічна дія випромінювання полягає в порушенні життєдіяльності, особливо клітин, що швидко розмножуються.

КОМП'ЮТЕРНА ТОМОГРАФІЯ (КТ)

p align="justify"> Метод рентгенівської комп'ютерної томографії заснований на реконструкції зображення певного перерізу тіла пацієнта шляхом реєстрації великої кількості рентгенівських проекцій цього перерізу, виконаних під різними кутами. Інформація від датчиків, що реєструють ці проекції, надходить у комп'ютер, який за спеціальною програмою обчислюєрозподіл щільности зразкау досліджуваному перерізі та відображає його на екрані дисплея. Отримане таким чином зображення перерізу тіла пацієнта характеризується чудовою чіткістю та високою інформативністю. Програма дозволяє за необхідності збільшити контраст зображенняв десятки і навіть сотні разів. Це розширює діагностичні можливості методу.

Відеографи (апарати із цифровою обробкою рентгенівського зображення) у сучасній стоматології.

У стоматології саме рентгенологічне дослідження є основним діагностичним методом. Однак низка традиційних організаційно-технічних особливостей рентгенодіагностики роблять її не цілком комфортною як для пацієнта, так і для стоматологічних клінік. Це насамперед необхідність контакту пацієнта з іонізуючим випромінюванням, що створює часто значне променеве навантаження на організм, це також необхідність фотопроцесу, а отже, необхідність фотореактивів, у тому числі токсичних. Це нарешті громіздкий архів, важкі папки та конверти з рентгенівськими плівками.

Крім того, сучасний рівень розвитку стоматології робить недостатньою суб'єктивну оцінку рентгенограм людським оком. Як виявилося, з різноманіття відтінків сірого тону, що міститься в рентгенівському зображенні, сприймає око лише 64.

Очевидно, що для отримання чіткого та докладного зображення твердих тканин зубощелепної системи при мінімальному променевому навантаженні потрібні інші рішення. Пошук призвів до створення так званих радіографічних систем, відеографів – систем цифрової рентгенографії.

Без технічних подробиць принцип дії таких систем ось у чому. Рентгенівське випромінювання надходить через об'єкт не так на фоточутливу плівку, але в спеціальний внутриоральный датчик (спеціальну електронну матрицю). Відповідний сигнал від матриці передається на перетворююче його в цифрову форму цифровий перетворювач (аналого-цифровий перетворювач, АЦП), пов'язане з комп'ютером. Спеціальне програмне забезпечення будує на екрані комп'ютера рентгенівське зображення і дозволяє обробити його, зберігати на жорсткому чи гнучкому носії інформації (вінчестері, дискетах), як файла роздруковувати його як картинку.

У цифровій системі рентгенівське зображення є сукупністю точок, що мають різні цифрові значення градації сірого тону. Передбачена програмою оптимізація відображення інформації дає можливість отримати оптимальний за яскравістю та контрастністю кадр при відносно малій дозі опромінення.

У сучасних системах, створеними, наприклад, фірмами Trophy (Франція) або Schick (США) при формуванні кадру використовується 4096 відтінків сірого, час експозиції залежить від об'єкта дослідження і, в середньому, становить соті – десяті частки секунди, зниження променевого навантаження по відношенню до плівці – до 90% для внутрішньооральних систем, до 70% для панорамних відеографів.

При обробці зображень відеографи дозволяють:

Отримувати позитивні та негативні зображення, зображення у псевдоцвіті, рельєфні зображення.

Підвищувати контраст і збільшувати цікавий фрагмент зображення.

Оцінювати зміну щільності зубних тканин та кісткових структур, контролювати однорідність заповнення каналів.

В ендодонтії визначатиме довжину каналу будь-якої кривизни, а в хірургії підбирати розмір імплантату з точністю 0,1 мм.

Унікальна система Caries detector з елементами штучного інтелекту при аналізі знімка дозволяє виявити карієс у стадії плями, карієс кореня та прихований карієс.

«Ф» у формулі (3) відноситься до всього інтервалу випромінюваних довжин хвиль і часто називається «Інтегральний потік енергії».

РЕНТГЕНІВСЬКЕ ВИМИКАННЯ
невидиме випромінювання, здатне проникати, хоч і по-різному, у всі речовини. Є електромагнітним випромінюванням з довжиною хвилі близько 10-8 см. Як і видиме світло, рентгенівське випромінювання викликає почорніння фотоплівки. Ця його властивість має важливе значення для медицини, промисловості та наукових досліджень. Проходячи крізь досліджуваний об'єкт і падаючи на фотоплівку, рентгенівське випромінювання зображує на ній його внутрішню структуру. Оскільки проникаюча здатність рентгенівського випромінювання різна для різних матеріалів, менш прозорі для нього частини об'єкта дають світліші ділянки на фотознімку, ніж ті, через які випромінювання добре проникає. Так, кісткові тканини менш прозорі для рентгенівського випромінювання, ніж тканини, з яких складається шкіра та внутрішні органи. Тому на рентгенограмі кістки позначаться як світліші ділянки і прозоріше для випромінювання місце перелому може бути досить легко виявлено. Рентгенівська зйомка використовується також у стоматології для виявлення карієсу та абсцесів у корінні зубів, а також у промисловості для виявлення тріщин у лиття, пластмасах та гумах. Рентгенівське випромінювання використовується в хімії для аналізу сполук та у фізиці для дослідження структури кристалів. Пучок рентгенівського випромінювання, проходячи через хімічну сполуку, викликає характерне вторинне випромінювання, спектроскопічний аналіз якого дозволяє хіміку встановити склад сполуки. При падінні на кристалічну речовину пучок рентгенівських променів розсіюється атомами кристала, даючи чітку правильну картину плям і смуг на фотопластинці, що дозволяє встановити внутрішню структуру кристала. Застосування рентгенівського випромінювання при лікуванні раку ґрунтується на тому, що воно вбиває ракові клітини. Однак воно може вплинути і на нормальні клітини. Тому при такому використанні рентгенівського випромінювання повинна бути дотримана крайня обережність. Рентгенівське випромінювання було відкрито німецьким фізиком Ст Рентгеном (1845-1923). Його ім'я увічнено й у деяких інших фізичних термінах, пов'язаних із цим випромінюванням: рентгеном називається міжнародна одиниця дози іонізуючого випромінювання; знімок, зроблений у рентгенівському апараті, називається рентгенограмою; область радіологічної медицини, в якій використовуються рентгенівські промені для діагностики та лікування захворювань, називається рентгенологією. Рентген відкрив випромінювання в 1895 році, будучи професором фізики Вюрцбурзького університету. Проводячи експерименти з катодними променями (потоками електронів у розрядних трубках), він помітив, що розташований поблизу вакуумної трубки екран, покритий кристалічним ціаноплатінітом барію, яскраво світиться, хоча сама трубка закрита чорним картоном. Далі Рентген встановив, що проникаюча здатність виявлених невідомих променів, які він назвав Х-променями, залежить від складу поглинаючого матеріалу. Він отримав також зображення кісток власної руки, помістивши її між розрядною трубкою з катодним промінням і екраном з покриттям з ціаноплатініту барію. Після відкриття Рентгена пішли експерименти інших дослідників, які виявили багато нових властивостей і можливостей застосування цього випромінювання. Великий внесок зробили М.Лауе, В.Фрідріх і П.Кніппінг, які продемонстрували в 1912 р. дифракцію рентгенівського випромінювання при проходженні його через кристал; У.Кулідж, який у 1913 винайшов високовакуумну рентгенівську трубку з підігрітим катодом; Г.Мозлі, який встановив у 1913 залежність між довжиною хвилі випромінювання та атомним номером елемента; Г. і Л. Бреггі, які отримали в 1915 р. Нобелівську премію за розробку основ рентгеноструктурного аналізу.
ОТРИМАННЯ РЕНТГЕНІВСЬКОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ
Рентгенівське випромінювання виникає при взаємодії електронів, що рухаються з більшими швидкостями, з речовиною. Коли електрони стикаються з атомами будь-якої речовини, вони швидко втрачають свою кінетичну енергію. При цьому більша її частина переходить у тепло, а невелика частка, зазвичай менше 1%, перетворюється на енергію рентгенівського випромінювання. Ця енергія вивільняється у формі квантів - частинок, званих фотонами, які мають енергію, але маса спокою яких дорівнює нулю. Рентгенівські фотони відрізняються своєю енергією, обернено пропорційною їх довжині хвилі. При звичайному способі одержання рентгенівського випромінювання одержують широкий діапазон довжин хвиль, який називають рентгенівським спектром. У спектрі є яскраво виражені компоненти, як це показано на рис. 1. Широкий "континуум" називають безперервним спектром чи білим випромінюванням. Гострі піки, що накладаються на нього, називаються характеристичними рентгенівськими лініями випромінювання. Хоча весь спектр є результатом зіткнень електронів з речовиною, механізми виникнення його широкої частини і ліній різні. Речовина складається з великої кількості атомів, кожен з яких має ядро, оточене електронними оболонками, причому кожен електрон в оболонці атома даного елемента займає певний дискретний рівень енергії. Зазвичай, ці оболонки, або енергетичні рівні, позначають символами K, L, M і т.д., починаючи від найближчої до ядра оболонки. Коли електрон, що налітає, володіє досить великою енергією, співударюється з одним із пов'язаних з атомом електронів, він вибиває цей електрон з його оболонки. Спустілі місце займає інший електрон з оболонки, якій відповідає велика енергія. Цей останній дає надлишок енергії, випускаючи рентгенівський фотон. Оскільки електрони оболонок мають дискретні значення енергії, рентгенівські фотони, що виникають, теж мають дискретний спектр. Цьому відповідають гострі піки для певних довжин хвиль, конкретні значення яких залежить від елемента-мишени. Характеристичні лінії утворюють K-, L- та M-серії, залежно від того, з якої оболонки (K, L або M) був видалений електрон. Співвідношення між довжиною хвилі рентгенівського випромінювання та атомним номером називається законом Мозлі (рис. 2).

Якщо електрон наштовхується на відносно важке ядро, він гальмується, яке кінетична енергія виділяється як рентгенівського фотона приблизно тієї ж енергії. Якщо ж він пролетить повз ядро, то втратить лише частину своєї енергії, а решту буде передавати іншим атомам, що трапляються на його шляху. Кожен акт втрати енергії веде до випромінювання фотону з якоюсь енергією. Виникає безперервний рентгенівський спектр, верхня межа якого відповідає енергії найшвидшого електрона. Такий механізм утворення безперервного спектру, а максимальна енергія (або мінімальна довжина хвилі), що фіксує межу безперервного спектру, пропорційна прискорювальної напруги, яким визначається швидкість електронів, що налітають. Спектральні лінії характеризують матеріал мішені, що бомбардується, а безперервний спектр визначається енергією електронного пучка і практично не залежить від матеріалу мішені. Рентгенівське випромінювання можна отримувати не тільки електронним бомбардуванням, а й опроміненням мішені рентгенівським випромінюванням від іншого джерела. У цьому випадку, проте, більшість енергії падаючого пучка перетворюється на характеристичний рентгенівський діапазон і дуже мала її частка посідає безперервний. Очевидно, що пучок падаючого рентгенівського випромінювання повинен містити фотони, енергія яких достатня для збудження характеристичних ліній елемента, що бомбардується. Високий відсоток енергії, що припадає на характеристичний спектр робить такий спосіб збудження рентгенівського випромінювання зручним для наукових досліджень.
Рентгенівські трубки.Щоб отримувати рентгенівське випромінювання з допомогою взаємодії електронів з речовиною, необхідно мати джерело електронів, засоби прискорення до високих швидкостей і мета, здатну витримувати електронну бомбардування і давати рентгенівське випромінювання необхідної інтенсивності. Пристрій, де все це є, називається рентгенівською трубкою. Ранні дослідники користувалися "глибоко вакуумованими" трубками типу сучасних газорозрядних. Вакуум у них був не дуже високий. У газорозрядних трубках міститься невелика кількість газу, і коли на електроди трубки подається велика різниця потенціалів, атоми газу перетворюються на позитивні та негативні іони. Позитивні рухаються до негативного електрода (катода) і, падаючи на нього, вибивають з нього електрони, а вони, у свою чергу, рухаються до позитивного електрода (анода) і, бомбардуючи його, створюють потік рентгенівських фотонів. У сучасній рентгенівській трубці, розробленій Куліджем (рис. 3), джерелом електронів є вольфрамовий катод, що нагрівається до високої температури. Електрони прискорюються до великих швидкостей високою різницею потенціалів між анодом (або антикатодом) та катодом. Оскільки електрони мають досягти анода без зіткнень з атомами, необхідний дуже високий вакуум, для чого потрібно добре відкачати трубку. Цим також знижуються ймовірність іонізації атомів газу, що залишилися, і зумовлені нею побічні струми.

Електрони фокусуються на аноді за допомогою електрода особливої ​​форми, що оточує катод. Цей електрод називається фокусуючим і разом із катодом утворює "електронний прожектор" трубки. Анод, що піддається електронному бомбардуванню, повинен бути виготовлений з тугоплавкого матеріалу, оскільки більша частина кінетичної енергії бомбардуючих електронів перетворюється на тепло. З іншого боку, бажано, щоб анод був із матеріалу з великим атомним номером, т.к. Вихід рентгенівського випромінювання зростає зі збільшенням атомного номера. В якості матеріалу анода найчастіше вибирається вольфрам, атомний номер якого дорівнює 74. Конструкція рентгенівських трубок може бути різною залежно від умов застосування та вимог.
Виявлення РЕНТГЕНІВСЬКОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ
Усі методи виявлення рентгенівського випромінювання ґрунтуються на їх взаємодії з речовиною. Детектори можуть бути двох видів: ті, що дають зображення, і ті, що його не дають. До перших відносяться пристрої рентгенівської флюорографії та рентгеноскопії, в яких пучок рентгенівського випромінювання проходить через об'єкт, що досліджується, а минуле випромінювання потрапляє на люмінесцентний екран або фотоплівку. Зображення виникає завдяки тому, що різні частини об'єкта, що досліджується, поглинають випромінювання по-різному - в залежності від товщини речовини і його складу. У детекторах з люмінесцентним екраном енергія рентгенівського випромінювання перетворюється на безпосередньо спостережуване зображення, а рентгенографії воно реєструється на чутливої ​​емульсії і його можна спостерігати лише після прояву плівки. До другого типу детекторів відносяться найрізноманітніші пристрої, в яких енергія рентгенівського випромінювання перетворюється на електричні сигнали, що характеризують відносну інтенсивність випромінювання. Сюди входять іонізаційні камери, лічильник Гейгера, пропорційний лічильник, сцинтиляційний лічильник та деякі спеціальні детектори на основі сульфіду та селеніду кадмію. Нині найефективнішими детекторами вважатимуться сцинтиляційні лічильники, добре працюють у широкому діапазоні енергій.
Див. такожДЕТЕКТОРИ ЧАСТОК . Детектор вибирається з урахуванням умов завдання. Наприклад, якщо потрібно точно виміряти інтенсивність дифрагованого рентгенівського випромінювання, то застосовуються лічильники, що дозволяють виміряти з точністю до часткою відсотка. Якщо потрібно зареєструвати дуже багато дифрагованих пучків, то доцільно користуватися рентгенівської плівкою, хоча в цьому випадку визначити інтенсивність з тією ж точністю неможливо.
РЕНТГЕНІВСЬКА ТА ГАММА-ДЕФЕКТОСКОПІЯ
Одне з найпоширеніших застосувань рентгенівського випромінювання у промисловості - контроль якості матеріалів та дефектоскопія. Рентгенівський метод є неруйнівним, так що матеріал, що перевіряється, якщо він знайдений задовольняючим необхідним вимогам, може потім використовуватися за призначенням. І рентгенівська, і гамма-дефектоскопія засновані на здатності рентгенівського випромінювання і особливостях його поглинання в матеріалах. Проникаюча здатність визначається енергією рентгенівських фотонів, яка залежить від напруги, що прискорює, в рентгенівській трубці. Тому товсті зразки та зразки з важких металів, таких, наприклад, як золото і уран, вимагають для дослідження рентгенівського джерела з більш високою напругою, а для тонких зразків достатньо джерела і з нижчою напругою. Для гамма-дефектоскопії дуже великих виливків та великого прокату застосовуються бетатрони та лінійні прискорювачі, що прискорюють частки до енергій 25 МеВ та більше. Поглинання рентгенівського випромінювання в матеріалі залежить від товщини поглинача d і коефіцієнта поглинання m і визначається формулою I = I0e-md, де I - інтенсивність випромінювання, що пройшло через поглинач, I0 - інтенсивність падаючого випромінювання, а e = 2718 - основа натуральних логарифмів. Для даного матеріалу за даної довжини хвилі (або енергії) рентгенівського випромінювання коефіцієнт поглинання є константою. Але випромінювання рентгенівського джерела перестав бути монохроматичным, а містить широкий спектр довжин хвиль, унаслідок чого поглинання за однієї й тієї ж товщині поглинача залежить від довжини хвилі (частоти) випромінювання. Рентгенівське випромінювання широко застосовується у всіх галузях промисловості, пов'язаних із обробкою металів тиском. Воно також застосовується для контролю артилерійських стволів, харчових продуктів, пластмас, для перевірки складних пристроїв та систем в електронній техніці. (Для аналогічних цілей застосовується і нейтронографія, в якій замість рентгенівського випромінювання використовуються нейтронні пучки.) Рентгенівське випромінювання застосовується і для інших завдань, наприклад, для дослідження полотен живопису з метою встановлення їх справжності або виявлення додаткових шарів фарби поверх основного шару.
ДИФРАКЦІЯ РЕНТГЕНІВСЬКОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ
Дифракція рентгенівського випромінювання дає важливу інформацію про тверді тіла - їх атомну структуру і форму кристалів, а також про рідини, аморфні тіла і великі молекули. Дифракційний метод застосовується також для точного (з похибкою менше 10-5) визначення міжатомних відстаней, виявлення напружень та дефектів та визначення орієнтації монокристалів. За дифракційною картиною можна ідентифікувати невідомі матеріали, а також виявити присутність у зразку домішок та визначити їх. p align="justify"> Значення рентгенівського дифракційного методу для прогресу сучасної фізики важко переоцінити, оскільки сучасне розуміння властивостей матерії засноване в кінцевому рахунку на даних про розташування атомів у різних хімічних сполуках, про характер зв'язків між ними і про дефекти структури. Головним інструментом одержання цієї інформації є дифракційний рентгенівський метод. Рентгенівська дифракційна кристалографія вкрай важлива визначення структур складних великих молекул, таких, як молекули дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК) - генетичного матеріалу живих організмів. Відразу після відкриття рентгенівського випромінювання науковий і медичний інтерес було сконцентровано як у можливості цього випромінювання проникати крізь тіла, і з його природі. Експерименти з дифракції рентгенівського випромінювання на щілинах та дифракційних ґратах показували, що воно відноситься до електромагнітного випромінювання і має довжину хвилі порядку 10-8-10-9 см. Ще раніше вчені, зокрема У. Барлоу, здогадувалися, що правильна та симетрична форма природних кристалів обумовлена ​​впорядкованим розміщенням атомів, що утворюють кристал. У деяких випадках Барлоу вдалося правильно передбачити структуру кристала. Розмір передбачуваних міжатомних відстаней становила 10-8 див. Те, що міжатомні відстані виявилися порядку довжини хвилі рентгенівського випромінювання, у принципі дозволяло спостерігати їх дифракцію. В результаті виник задум одного з найважливіших експериментів в історії фізики. М.Лауе організував експериментальну перевірку цієї ідеї, яку провели його колеги В. Фрідріх та П. Кніпінг. У 1912 році вони втрьох опублікували свою роботу про результати дифракції рентгенівського випромінювання. Принципи дифракції рентгенівського випромінювання Щоб зрозуміти явище дифракції рентгенівського випромінювання, слід розглянути по порядку: по-перше, спектр рентгенівського випромінювання, по-друге, природу кристалічної структури і, по-третє, саме явище дифракції. Як говорилося вище, характеристичне рентгенівське випромінювання складається з серій спектральних ліній високого ступеня монохроматичності, визначених матеріалом анода. За допомогою фільтрів можна виділити найінтенсивніші з них. Тому, обравши відповідним чином матеріал анода, можна отримати джерело майже монохроматичного випромінювання з точно визначеним значенням довжини хвилі. Довжини хвиль характеристичного випромінювання зазвичай лежать у діапазоні від 2,285 для хрому до 0,558 для срібла (значення для різних елементів відомі з точністю до шести цифр). Характеристичний спектр накладається на безперервний "білий" спектр значно меншої інтенсивності, зумовлений гальмуванням в аноді електронів, що падають. Таким чином, від кожного анода можна отримати два типи випромінювання: характеристичне та гальмівне, кожне з яких відіграє важливу роль. Атоми в кристалічній структурі розташовуються з правильною періодичністю, утворюючи послідовність однакових осередків - просторові ґрати. Деякі грати (наприклад, більшість звичайних металів) досить прості, інші (наприклад, для молекул білків) дуже складні. Для кристалічної структури характерно наступне: якщо від певної заданої точки одного осередку зміститися до відповідної точки сусіднього осередку, то виявиться таке саме атомне оточення. І якщо деякий атом розташований у тій чи іншій точці одного осередку, то в еквівалентній їй точці будь-якого сусіднього осередку буде знаходитися такий самий атом. Цей принцип суворо справедливий для ідеального, ідеально впорядкованого кристала. Однак багато кристалів (наприклад, металеві тверді розчини) є тією чи іншою мірою невпорядкованими, тобто. кристалографічно еквівалентні місця можуть бути зайняті різними атомами. У цих випадках визначається не положення кожного атома, а лише положення атома, "статистично усередненого" за великою кількістю частинок (або осередків). Явище дифракції у статті ОПТИКА, і читач може звернутися до цієї статті, як рухатися далі. Там показано, що якщо хвилі (наприклад, звук, світло, рентгенівське випромінювання) проходять через невелику щілину або отвір, то останні можуть розглядатися як вторинне джерело хвиль, а зображення щілини або отвори складається з світлих і темних смуг, що чергуються. Далі, якщо є періодична структура з отворів або щілин, то в результаті посилюючої та послаблюючої інтерференції променів, що йдуть від різних отворів, виникає чітка дифракційна картина. Дифракція рентгенівського випромінювання - це колективне явище розсіювання, у якому роль отворів і центрів розсіювання грають періодично розташовані атоми кристалічної структури. Взаємне посилення їх зображень при певних кутах дає дифракційну картину, аналогічну до тієї, яка виникла б при дифракції світла на тривимірній дифракційній решітці. Розсіювання відбувається завдяки взаємодії падаючого рентгенівського випромінювання з електронами кристалі. Внаслідок того, що довжина хвилі рентгенівського випромінювання того ж порядку, що і розміри атома, довжина хвилі розсіяного рентгенівського випромінювання та сама, що і падаючого. Цей процес є результатом вимушених коливань електронів під дією рентгенівського випромінювання. Розглянемо тепер атом із хмарою зв'язаних електронів (навколишніх ядро), який падає рентгенівське випромінювання. Електрони у всіх напрямках одночасно розсіюють падаюче і випускають власне рентгенівське випромінювання тієї ж довжини хвилі, хоч і різної інтенсивності. Інтенсивність розсіяного випромінювання пов'язані з атомним номером елемента, т.к. атомний номер дорівнює числу орбітальних електронів, які можуть брати участь у розсіянні. (Ця залежність інтенсивності від атомного номера розсіюючого елемента і від напрямку, в якому вимірюється інтенсивність, характеризується атомним фактором розсіювання, який відіграє надзвичайно важливу роль в аналізі структури кристалів.) Виберемо в кристалічній структурі лінійний ланцюжок атомів, розташованих на однаковій відстані один від одного, і розглянемо їхню дифракційну картину. Вже зазначалося, що рентгенівський спектр складається з безперервної частини ("континууму") та набору інтенсивніших ліній, характерних для того елемента, який є матеріалом анода. Припустимо, ми відфільтрували безперервний спектр і отримали майже монохроматичний пучок рентгенівського випромінювання, спрямований на наш лінійний ланцюг атомів. Умова посилення (що посилює інтерференції) виконується, якщо різниця ходу хвиль, розсіяних сусідніми атомами, кратна довжини хвилі. Якщо пучок падає під кутом a0 до лінії атомів, розділених інтервалами a (період), то для кута дифракції a різниця ходу, що відповідає посиленню, запишеться у вигляді a(cos a - cosa0) = hl де l - довжина хвилі, а h - ціле число (рис. 4 та 5).

Щоб поширити цей підхід на тривимірний кристал, необхідно лише вибрати ряди атомів за двома іншими напрямками в кристалі і вирішити спільно отримані таким чином три рівняння трьох кристалічних осей з періодами a, b і c. Два інші рівняння мають вигляд

Це - три фундаментальні рівняння Лауе для дифракції рентгенівського випромінювання, причому числа h, k і c - індекси Міллера для площини дифракції.
Див. такожКРИСТАЛИ І КРИСТАЛОГРАФІЯ. Розглядаючи будь-яке з рівнянь Лауе, наприклад перше, можна помітити, що оскільки a, a0, l - константи, а h = 0, 1, 2, ..., його рішення можна подати у вигляді набору конусів із загальною віссю a (рис 5). Те саме вірно для напрямків b і c. У випадку тривимірного розсіювання (дифракція) три рівняння Лауе повинні мати загальне рішення, тобто. три дифракційні конуси, розташовані на кожній з осей, повинні перетинатися; загальна лінія перетину показано на рис. 6. Спільне рішення рівнянь призводить до закону Брегга – Вульфа:

l = 2(d/n)sinq, де d - відстань між площинами з індексами h, k і c (період), n = 1, 2, ... - цілі числа (порядок дифракції), а q - кут, що утворюється падаючим пучком (а також і дифрагіруючим) з площиною кристала, в якій відбувається дифракція. Аналізуючи рівняння закону Брегга - Вульфа для монокристалу, розташованого шляху монохроматичного пучка рентгенівського випромінювання, можна зробити висновок, що дифракцію непросто спостерігати, т.к. величини l і q фіксовані, а sinq МЕТОДИ ДИФРАКЦІЙНОГО АНАЛІЗУ
Метод Лауе.У методі Лауе застосовується безперервний "білий" спектр рентгенівського випромінювання, яке прямує на нерухомий монокристал. Для конкретного значення періоду d зі всього спектра автоматично вибирається відповідне умові Брегга - Вульфа значення довжини хвилі. Отримувані таким чином лауеграми дають можливість судити про напрями дифрагованих пучків і, отже, про орієнтації площин кристала, що дозволяє зробити важливі висновки щодо симетрії, орієнтації кристала і наявності в ньому дефектів. Однак, втрачається інформація про просторовий період d. На рис. 7 наводиться приклад лауеграми. Рентгенівська плівка розташовувалась з боку кристала, протилежної тій, на яку падав рентгенівський пучок із джерела.

Метод Дебая – Шеррера (для полікристалічних зразків).На відміну від попереднього методу тут використовується монохроматичне випромінювання (l = const), а варіюється кут q. Це досягається використанням полікристалічного зразка, що складається з численних дрібних кристалітів випадкової орієнтації, серед яких є такі, що задовольняють умові Брегга - Вульфа. Дифраговані пучки утворюють конуси, вісь яких спрямована вздовж пучка рентгенівського випромінювання. Для зйомки зазвичай використовується вузька смужка рентгенівської плівки в циліндричній касеті, а рентгенівські промені поширюються діаметром через отвори в плівці. Отримана в такий спосіб дебаеграма (рис. 8) містить точну інформацію періоді d, тобто. про структуру кристала, але не дає інформації, яку містить лауеграма. Тому обидва методи взаємно доповнюють одне одного. Розглянемо деякі застосування методу Дебая – Шеррера.

Ідентифікація хімічних елементів та сполук. За певним з дебаеграми куті q можна обчислити характерну для даного елемента або з'єднання міжплощинну відстань d. Нині складено безліч таблиць значень d, дозволяють ідентифікувати як той чи інший хімічний елемент чи сполуку, а й різні фазові стану однієї й тієї ж речовини, що дає хімічний аналіз. Можна також у сплавах заміщення з високою точністю визначати вміст другого компонента залежно від періоду d від концентрації.
Аналіз напруги.По виміряній різниці міжплощинних відстаней для різних напрямків в кристалах можна, знаючи модуль пружності матеріалу, з високою точністю обчислювати малі напруги в ньому.
Дослідження переважної орієнтації у кристалах.Якщо малі кристаліти в полікристалічному зразку орієнтовані не випадковим чином, то кільця на дебаеграмі матимуть різну інтенсивність. За наявності різко вираженої переважної орієнтації максимуми інтенсивності концентруються в окремих плямах на знімку, який стає схожим на знімок монокристалу. Наприклад, при глибокій холодній прокатці металевий лист набуває текстури - вираженої орієнтації кристалітів. За дебаеграмою можна будувати висновки про характер холодної обробки матеріалу.
Вивчення розмірів зерен.Якщо розмір зерен полікристалу більше 10-3 см, то лінії на дебаеграмі будуть складатися з окремих плям, оскільки в цьому випадку кількість кристалітів недостатньо для того, щоб перекрити весь діапазон значень кутів q. Якщо розмір кристалітів менше 10-5 див, то дифракційні лінії стають ширше. Їх ширина обернено пропорційна розміру кристаллітів. Поширення відбувається з тієї ж причини, через яку при зменшенні числа щілин зменшується роздільна здатність дифракційної решітки. Рентгенівське випромінювання дозволяє визначати розміри зерен у діапазоні 10-7-10-6 см.
Методи монокристалів.Щоб дифракція на кристалі давала інформацію не тільки про просторовий період, але і про орієнтацію кожної сукупності дифрагирующих площин, використовуються методи монокристалу, що обертається. На кристал падає монохроматичний пучок рентгенівського випромінювання. Кристал обертається навколо головної осі, на яку виконуються рівняння Лауе. При цьому змінюється кут q, що входить у формулу Брегга – Вульфа. Дифракційні максимуми розташовуються на місці перетину дифракційних конусів Лауе з циліндричною поверхнею плівки (рис. 9). В результаті виходить дифракційна картина типу, представленої на рис. 10. Однак можливі ускладнення через перекриття різних порядків дифракції в одній точці. Метод може бути значно вдосконалений, якщо одночасно з обертанням кристала переміщати певним чином плівку.

Дослідження рідин та газів.Відомо, що рідини, гази і аморфні тіла не мають правильної кристалічної структури. Але тут між атомами в молекулах існує хімічна зв'язок, завдяки якій відстань з-поміж них залишається майже постійним, хоча самі молекули у просторі орієнтовані випадковим чином. Такі матеріали теж дають дифракційну картину із відносно невеликою кількістю розмитих максимумів. Обробка такої картини сучасними методами дозволяє отримати інформацію про структуру таких некристалічних матеріалів.
СПЕКТРОХІМІЧНИЙ РЕНТГЕНІВСЬКИЙ АНАЛІЗ
Вже через кілька років після відкриття рентгенівських променів Ч. Баркла (1877-1944) виявив, що при впливі рентгенівського потоку випромінювання високої енергії на речовину виникає вторинне флуоресцентне рентгенівське випромінювання, характеристичне для досліджуваного елемента. Невдовзі після цього Г.Мозлі у серії своїх експериментів виміряв довжини хвиль первинного характеристичного рентгенівського випромінювання, отриманого електронним бомбардуванням різних елементів, і вивів співвідношення між довжиною хвилі та атомним номером. Ці експерименти, а також винахід Брегг рентгенівського спектрометра заклали основу для спектрохімічного рентгенівського аналізу. Можливості рентгенівського випромінювання для хімічного аналізу були одразу усвідомлені. Були створені спектрографи з реєстрацією на фотопластинці, в яких зразок, що досліджувався, виконував роль анода рентгенівської трубки. На жаль, така техніка виявилася дуже трудомісткою, а тому застосовувалася лише тоді, коли були застосовні звичайні методи хімічного аналізу. Визначним прикладом новаторських досліджень у галузі аналітичної рентгеноспектроскопії стало відкриття в 1923 р. Хевеші та Д. Багаттям нового елемента - гафнія. Розробка потужних рентгенівських трубок для рентгенографії та чутливих детекторів для радіохімічних вимірювань під час Другої світової війни значною мірою зумовила швидке зростання рентгенівської спектрографії у наступні роки. Цей метод набув широкого поширення завдяки швидкості, зручності, характеру аналізу, що не руйнує, і можливості повної або часткової автоматизації. Він застосовується у завданнях кількісного та якісного аналізу всіх елементів з атомним номером більше 11 (натрій). І хоча рентгенівський спектрохімічний аналіз зазвичай використовується для визначення найважливіших компонентів у зразку (з вмістом 0,1-100%), у деяких випадках він придатний для концентрацій 0,005% і навіть нижче.
Рентгенівський спектрометр.Сучасний рентгенівський спектрометр складається із трьох основних систем (рис. 11): системи збудження, тобто. рентгенівської трубки з анодом з вольфраму або іншого тугоплавкого матеріалу та блоком живлення; системи аналізу, тобто. кристала-аналізатора з двома багатощілинними коліматорами, а також спектрогоніометра для точного юстування; та системи реєстрації з лічильником Гейгера або пропорційним або сцинтиляційним лічильником, а також випрямлячем, підсилювачем, перерахунковими пристроями та самописцем або іншим пристроєм, що реєструє.

Рентгенівський флуоресцентний аналіз.Аналізований зразок розташовується на шляху збуджуючого рентгенівського випромінювання. Досліджувана область зразка зазвичай виділяється маскою з отвором потрібного діаметра, а випромінювання проходить через коліматор, що формує паралельний пучок. За кристалом-аналізатором щілинний коліматор виділяє дифраговане випромінювання для детектора. Зазвичай максимальний кут q обмежується значеннями 80-85°, так що дифрагувати на кристалі-аналізаторі може тільки рентгенівське випромінювання, довжина хвилі l якого пов'язана з міжплощинною відстанню d нерівністю l Рентгенівський мікроаналіз.Описаний спектрометр з плоским кристалом-аналізатором може бути пристосований для мікроаналізу. Це досягається звуженням первинного пучка рентгенівського випромінювання, або вторинного пучка, що випускається зразком. Однак зменшення ефективного розміру зразка або апертури випромінювання призводить до зменшення інтенсивності дифрагованого випромінювання, що реєструється. Поліпшення цього методу може бути досягнуто застосуванням спектрометра з вигнутим кристалом, що дозволяє реєструвати конус випромінювання, що розходиться, а не тільки випромінювання, паралельне осі коліматора. За допомогою такого спектрометра можна ідентифікувати частинки розміром менше ніж 25 мкм. Ще більше зменшення розміру зразка, що аналізується, досягається в електронно-зондовому рентгенівському мікроаналізаторі, винайденому Р. Кастеном. Тут гостросфокусованим електронним променем порушується характеристичне рентгенівське випромінювання зразка, яке потім аналізується спектрометром із вигнутим кристалом. За допомогою такого приладу вдається виявляти кількість речовини близько 10-14 г у зразку діаметром 1 мкм. Були також розроблені установки з електроннопроменевим скануванням зразка, за допомогою яких можна отримати двовимірну картину розподілу за зразком того елемента, на випромінювання якого характерний спектрометр.
МЕДИЧНА РЕНТГЕНОДІАГНОСТИКА
Розвиток техніки рентгенівських досліджень дозволив значно скоротити час експозиції та покращити якість зображень, що дозволяють вивчати навіть м'які тканини.
Флюорографія.Цей метод діагностики полягає у фотографуванні тіньового зображення з екрана, що просвічує. Пацієнт знаходиться між джерелом рентгенівського випромінювання та плоским екраном з люмінофора (зазвичай іодиду цезію), який під дією рентгенівського випромінювання світиться. Біологічні тканини того чи іншого ступеня густини створюють тіні рентгенівського випромінювання, що мають різний ступінь інтенсивності. Лікар-рентгенолог досліджує тіньове зображення на люмінесцентному екрані та ставить діагноз. У минулому рентгенолог, аналізуючи зображення, покладався на зір. Зараз є різноманітні системи, що підсилюють зображення, що виводять його на екран або записують дані в пам'яті комп'ютера.
Рентгенографія.Запис рентгенівського зображення безпосередньо на фотоплівці називається рентгенографією. У цьому випадку досліджуваний орган знаходиться між джерелом рентгенівського випромінювання і фотоплівкою, яка фіксує інформацію про стан органу в даний момент часу. Повторна рентгенографія дає можливість будувати висновки про його подальшої еволюції. Рентгенографія дозволяє дуже точно дослідити цілісність кісткових тканин, які складаються в основному з кальцію та непрозорі для рентгенівського випромінювання, а також розриви м'язових тканин. З її допомогою краще, ніж стетоскопом чи прослуховуванням, аналізується стан легень при запаленні, туберкульозі чи наявності рідини. За допомогою рентгенографії визначаються розмір і форма серця, а також динаміка його змін у пацієнтів, які страждають на серцеві захворювання.
Контрастні речовини.Прозорі для рентгенівського випромінювання частини тіла та порожнини окремих органів стають видимими, якщо їх заповнити контрастною речовиною, нешкідливою для організму, але що дозволяє візуалізувати форму внутрішніх органів та перевірити їх функціонування. Контрастні речовини пацієнт або приймає внутрішньо (як, наприклад, барієві солі при дослідженні шлунково-кишкового тракту), або вони вводяться внутрішньовенно (як, наприклад, йодовмісні розчини при дослідженні нирок і сечовивідних шляхів). Останніми роками, проте, ці методи витісняються методами діагностики, заснованими на застосуванні радіоактивних атомів та ультразвуку.
Комп'ютерна томографія.У 1970-х роках розвинуто новий метод рентгенівської діагностики, заснований на повній зйомці тіла або його частин. Зображення тонких шарів ("зрізів") обробляються комп'ютером, і остаточне зображення виводиться екран монітора. Такий метод називається комп'ютерною рентгенівською томографією. Він широко застосовується у сучасній медицині для діагностики інфільтратів, пухлин та інших порушень мозку, а також для діагностики захворювань м'яких тканин усередині тіла. Ця методика не вимагає введення сторонніх контрастних речовин і тому є швидкою та ефективнішою, ніж традиційні методики.
БІОЛОГІЧНА ДІЯ РЕНТГЕНІВСЬКОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ
Шкідлива біологічна дія рентгенівського випромінювання виявилося невдовзі після відкриття Рентгеном. Виявилося, що нове випромінювання може викликати щось на кшталт сильного сонячного опіку (еритему), що супроводжується глибшим і стійким ушкодженням шкіри. Виразки, що з'являлися, нерідко переходили в рак. У багатьох випадках доводилося ампутувати пальці чи руки. Траплялися і смерті. Було встановлено, що ураження шкіри можна уникнути, зменшивши час та дозу опромінення, застосовуючи екранування (наприклад, свинець) та засоби дистанційного керування. Але поступово виявилися й інші, більш довготривалі наслідки рентгенівського опромінення, які потім підтверджені і вивчені на піддослідних тварин. До ефектів, зумовлених дією рентгенівського випромінювання, а також інших іонізуючих випромінювань (таких, як гамма-випромінювання, що випускається радіоактивними матеріалами) відносяться: 1) тимчасові зміни у складі крові після невеликого надмірного опромінення; 2) незворотні зміни у складі крові (гемолітична анемія) після тривалого надмірного опромінення; 3) зростання захворюваності на рак (включаючи лейкемію); 4) швидше старіння і рання смерть; 5) виникнення катаракт. До того ж, біологічні експерименти на мишах, кроликах і мушках (дрозофілах) показали, що навіть малі дози систематичного опромінення великих популяцій внаслідок збільшення темпу мутації призводять до шкідливих генетичних ефектів. Більшість генетиків визнає застосування цих даних і до людського організму. Що ж до біологічного впливу рентгенівського випромінювання на людський організм, воно визначається рівнем дози опромінення, і навіть тим, який саме орган тіла піддавався опромінення. Так, наприклад, захворювання крові викликаються опроміненням кровотворних органів, головним чином кісткового мозку, а генетичні наслідки - опроміненням статевих органів, які можуть призвести також і до стерильності. Накопичення знань про вплив рентгенівського випромінювання на організм людини призвело до розробки національних та міжнародних стандартів на допустимі дози опромінення, опублікованих у різних довідкових виданнях. Крім рентгенівського випромінювання, яке цілеспрямовано використовується людиною, є і так зване розсіяне, побічне випромінювання, що виникає з різних причин, наприклад внаслідок розсіювання через недосконалість свинцевого захисного екрану, який це випромінювання повністю не поглинає. Крім того, багато електричних приладів, не призначені для отримання рентгенівського випромінювання, генерують його як побічний продукт. До таких приладів відносяться електронні мікроскопи, високовольтні лампи випрямлення (кенотрони), а також кінескопи застарілих кольорових телевізорів. Виробництво сучасних кольорових кінескопів у багатьох країнах зараз перебуває під урядовим контролем.
НЕБЕЗПЕЧНІ ФАКТОРИ РЕНТГЕНІВСЬКОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ
Види та ступінь небезпеки рентгенівського опромінення для людей залежать від контингенту осіб, схильних до опромінення.
Професіонали, які працюють із рентгенівською апаратурою.Ця категорія охоплює лікарів-рентгенологів, стоматологів, а також науково-технічних працівників та персонал, який обслуговує та використовує рентгенівську апаратуру. Вживаються ефективні заходи щодо зниження рівня радіації, з яким їм доводиться мати справу.
Пацієнти.Суворих критеріїв тут не існує, і безпечний рівень опромінення, який отримують пацієнти під час лікування, визначається лікарями. Лікарям не рекомендується без необхідності піддавати пацієнтам рентгенівське обстеження. Особливу обережність слід виявляти під час обстеження вагітних жінок та дітей. І тут вживаються спеціальні заходи.
Методи контролю.Тут маються на увазі три аспекти:
1) наявність адекватного обладнання; 2) контроль за дотриманням правил техніки безпеки; 3) правильне використання обладнання. При рентгенівському обстеженні впливу опромінення має піддаватися лише потрібна ділянка, чи це стоматологічні обстеження чи обстеження легень. Зауважимо, що відразу після вимкнення рентгенівського апарату зникає як первинне, так і вторинне випромінювання; відсутня також і якесь залишкове випромінювання, про що не завжди знають навіть ті, хто по своїй роботі з ним безпосередньо пов'язаний.
Див. також
АТОМА БУДОВА;

ФЕДЕРАЛЬНЕ АГЕНТСТВО З ОСВІТИ РФ

ДЕРЖАВНИЙ ОСВІТНИЙ УСТАНОВА

ВИЩОЇ ПРОФЕСІЙНОЇ ОСВІТИ

МОСКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ІНСТИТУТ СТАЛИ І СПЛАВІВ

(ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ)

НОВОТРОЇЦЬКА ФІЛІЯ

Кафедра ОЕНД

КУРСОВА РОБОТА

Дисципліна: Фізика

Тема: РЕНТГЕНІВСЬКЕ ВИМИКАННЯ

Студент: Недорезова Н.О.

Група: ЕіУ-2004-25 № З. К.: 04Н036

Перевірив: Ожегова С.М.

Вступ

Розділ 1. Відкриття рентгенівського випромінювання

1.1 Біографія Рентгена Вільгельма Конрада

1.2 Відкриття рентгенівського випромінювання

Розділ 2. Рентгенівське випромінювання

2.1 Джерела рентгенівських променів

2.2 Властивості рентгенівських променів

2.3 Реєстрація рентгенівських променів

2.4 Застосування рентгенівських променів

Глава 3. Застосування рентгенівського випромінювання у металургії

3.1 Аналіз недосконалостей кристалічної структури

3.2 Спектральний аналіз

Висновок

Список використаних джерел

Програми

Вступ

Рідкісна людина не проходила через рентгенівський кабінет. Знімки, зроблені в рентгенівському промені, знайомі кожному. 1995 року виповнилося сто років цього відкриття. Важко уявити, який величезний інтерес викликало воно століття тому. У руках людини опинився апарат, за допомогою якого вдалося побачити невидиме.

Це невидиме випромінювання, здатне проникати, хоча й різною мірою, у всі речовини, що є електромагнітним випромінюванням з довжиною хвилі порядку 10 -8 см назвали рентгенівським випромінюванням, на честь Вільгельма Рентгена, що відкрив його.

Як і видиме світло, рентгенівське випромінювання викликає почорніння фотоплівки. Ця його властивість має важливе значення для медицини, промисловості та наукових досліджень. Проходячи крізь досліджуваний об'єкт і падаючи на фотоплівку, рентгенівське випромінювання зображує на ній його внутрішню структуру. Оскільки проникаюча здатність рентгенівського випромінювання різна для різних матеріалів, менш прозорі для нього частини об'єкта дають світліші ділянки на фотознімку, ніж ті, через які випромінювання добре проникає. Так, кісткові тканини менш прозорі для рентгенівського випромінювання, ніж тканини, з яких складається шкіра та внутрішні органи. Тому на рентгенограмі кістки позначаться як світліші ділянки та менш прозоре для випромінювання місце перелому може бути досить легко виявлено. Рентгенівська зйомка використовується також у стоматології для виявлення карієсу та абсцесів у коренях зубів, а також у промисловості для виявлення тріщин у лиття, пластмасах та гумах, у хімії для аналізу сполук та у фізиці для дослідження структури кристалів.

Після відкриття Рентгена пішли експерименти інших дослідників, які виявили багато нових властивостей і можливостей застосування цього випромінювання. Великий внесок зробили М. Лауе, В. Фрідріх і П. Кніпінг, що продемонстрували в 1912 р. дифракцію рентгенівського випромінювання при проходженні його через кристал; У. Кулідж, який у 1913 винайшов високовакуумну рентгенівську трубку з підігрітим катодом; Г. Мозлі, що встановив у 1913 залежність між довжиною хвилі випромінювання та атомним номером елемента; Г. і Л. Бреггі, які отримали в 1915 р. Нобелівську премію за розробку основ рентгеноструктурного аналізу.

Метою даної курсової є вивчення явища рентгенівського випромінювання, історії відкриття, властивостей і виявлення сфери його застосування.

Розділ 1. Відкриття рентгенівського випромінювання

1.1 Біографія Рентгена Вільгельма Конрада

Вільгельм Конрад Рентген народився 17 березня 1845 р. у прикордонній з Голландією області Німеччини, у місті Ленепі. Він здобув технічну освіту в Цюріху в тій Вищій технічній школі (політехнікумі), в якій пізніше навчався Ейнштейн. Захоплення фізикою змусило його після закінчення школи 1866 р. продовжити фізичну освіту.

Захистивши 1868 р. дисертацію на ступінь доктора філософії, він працював асистентом на кафедрі фізики спочатку в Цюріху, потім у Гісені, а потім у Страсбурзі (1874-1879) у Кундта. Тут Рентген пройшов хорошу експериментальну школу та став першокласним експериментатором. Частину важливих досліджень Рентген виконав зі своїм учнем, одним із засновників радянської фізики А.Ф. Іоффе.

Наукові дослідження відносяться до електромагнетизму, фізики кристалів, оптики, молекулярної фізики.

У 1895 відкрив випромінювання з довжиною хвилі, більш короткої, ніж довжина хвилі ультрафіолетових променів (X-промені), назване надалі рентгенівськими променями, і досліджував їх властивості: здатність відбиватися, поглинатися, іонізувати повітря тощо. Запропонував правильну конструкцію трубки для отримання Х-променів - платиновий похилий антикатод і увігнутий катод: перший зробив фотознімки за допомогою рентгенівських променів. Відкрив у 1885 магнітне поле діелектрика, що рухається в електричному полі (так званий "рентгенів струм"). Його досвід наочно показав, що магнітне поле створюється рухливими зарядами, і мав важливе значення для створення X. Лоренцем електронної теорії. Значна кількість робіт Рентгена присвячена дослідженню властивостей рідин, газів, кристалів, електромагнітних явищ відкрив взаємозв'язок електричних і оптичних явищ у кристалах.За відкриття променів, що носять його ім'я, Рентгену в 1901 першому серед фізиків була присуджена Нобелівська премія.

З 1900 і до останніх днів життя (помер він 10 лютого 1923) він працював у Мюнхенському університеті.

1.2 Відкриття рентгенівського випромінювання

Кінець ХІХ ст. ознаменувався підвищеним інтересом до явищ проходження електрики через гази. Ще Фарадей серйозно займався цими явищами, описав різноманітні форми розряду, відкрив темний простір у стовпі розрідженого газу, що світився. Фарадеєво чорний простір відокремлює синювате, катодне свічення від рожевого, анодного.

Подальше збільшення розрідження газу суттєво змінює характер світіння. Математик Плюкер (1801-1868) виявив у 1859 р., при досить сильному розрідженні слабо блакитний пучок променів, що виходить з катода, що доходить до анода і змушує світитися скло трубки. Учень Плюкера Гітторф (1824-1914) у 1869 р. продовжив дослідження вчителя і показав, що на флюоресцентній поверхні трубки з'являється чітка тінь, якщо між катодом і цією поверхнею помістити тверде тіло.

Гольдштейн (1850-1931), вивчаючи властивості променів, назвав їх катодними променями (1876). Через три роки Вільям Крукс (1832-1919) довів матеріальну природу катодних променів і назвав їх "променистою матерією"-речовиною, що знаходиться в особливому четвертому стані. Його докази були переконливі і наочні. Досліди з "трубкою Крукса" демонструвалися пізніше у всіх фізичних кабін . Відхилення катодного пучка магнітним полем у трубці Крукса стало класичною шкільною демонстрацією.

Проте досліди з електричного відхилення катодних променів були настільки переконливими. Герц не виявив такого відхилення і дійшов висновку, що катодний промінь – це коливальний процес в ефірі. Учень Герца Ф. Ленард, експериментуючи з катодним промінням, в 1893 р. показав, що вони проходять через віконце, закрите алюмінієвою фольгою, і викликають свічення в просторі за віконцем. Яві проходження катодних променів через тонкі металеві тіла Герц присвятив свою останню статтю, опубліковану в 1892 р. Вона починалася словами:

"Катодні промені відрізняються від світла істотним чином щодо здатності проникати через тверді тіла". Описуючи результати дослідів з проходження катодних променів через золоті, срібні, платинові, алюмінієві і т.д. Промені проходять через листочки не прямолінійно, а дифракційно розсіюються.Природа катодних променів все ще залишалася неясною.

Ось із такими трубками Крукса, Ленарда та інших і експериментував Вюрцбурзький професор Вільгельм Конрад Рентген наприкінці 1895 р. Якось після закінчення досвіду, закривши трубку чохлом із чорного картону, вимкнувши світло, але не вимкнувши ще індуктор, який живить трубку, він помітив свічення екрану синьородистого барію, що знаходиться поблизу трубки. Вражений цією обставиною Рентген почав експериментувати з екраном. У своєму першому повідомленні "Про новий род променів", датоване 28 грудня 1895 р., він писав про ці перші досліди: "Шматок паперу, покритої платиносинеродистим барієм, при наближенні до трубки, закритої чохлом, що щільно прилягає до неї, з тонкого чорного картону, при кожному розряді спалахує яскравим світлом: починає флюоресціювати. Флюоресценція видна при достатньому затемненні і не залежить від того, чи підносимо папір стороною, покритою синьородистим барієм або не покритою синьородистим барієм. Флюоресценція помітна на відстані двох метрів від трубки”.

Ретельне дослідження показало Рентгену, що чорний картон, не прозорий ні для видимих ​​і ультрафіолетових променів сонця, ні для променів електричної дуги, пронизується якимось агентом, що викликає флюоресценцію. "Х-промені" для різних речовин. Він виявив, що промені вільно проходять через папір, дерево, ебоніт, тонкі шари металу, але сильно затримуються свинцем.

Потім він описує сенсаційний досвід:

"Якщо тримати між розрядною трубкою і екраном руку, то видно темні тіні кісток у слабких контурах тіні самої руки". Це було перше рентгеноскопічне дослідження людського тіла. Рентген отримав і перші рентгенівські знімки, приклавши їх до своєї руки.

Ці знімки справили величезне враження; відкриття ще не було завершено, а вже розпочала свій шлях рентгенодіагностика. "Моя лабораторія була наповнена лікарями, які наводили пацієнтів, які підозрювали, що вони мають голки у різних частинах тіла", - писав англійський фізик Шустер.

Вже після перших дослідів Рентген твердо встановив, що Х-промені відрізняються від катодних, вони не несуть заряду і не відхиляються магнітним полем, однак збуджуються катодними променями. ”, – писав Рентген.

Він встановив також, що вони порушуються не лише у склі, а й у металах.

Згадавши про гіпотезу Герца - Ленарда, що катодні промені є явище, що відбувається в ефірі”, Рентген вказує, що “щось подібне ми можемо сказати і про наші промені”. Однак йому не вдалося виявити хвильові властивості променів, вони "поводяться інакше, ніж відомі досі ультрафіолетові, видимі, інфрачервоні промені". За своїми хімічними та люмінесцентними діями вони, на думку Рентгена, подібні до ультрафіолетових променів. У першому повідомленні він висловив залишене потім припущення, що можуть бути поздовжніми хвилями в ефірі.

Відкриття Рентгена викликало величезний інтерес у науковому світі. Його досліди були повторені майже у всіх лабораторіях світу. У Москві їх повторив П.М. Лебедєв. У Петербурзі винахідник радіо А.С. Попов експериментував з X-променями, демонстрував їх у публічних лекціях, отримуючи різні рентгенограми. У Кембриджі Д.Д. Томсон негайно застосував іонізуючу дію рентгенівських променів вивчення проходження електрики через гази. Його дослідження призвели до відкриття електрона.

Розділ 2. Рентгенівське випромінювання

Рентгенівське випромінювання - електромагнітне іонізуюче випромінювання, що займає спектральну область між гамма - та ультрафіолетовим випромінюванням в межах довжин хвиль від 10 -4 до 10 3 (від 10 -12 до 10 -5 см). л. з довжиною хвилі λ< 2 условно называются жёсткими, с λ >2 – м'якими.

2.1 Джерела рентгенівських променів

Найбільш поширене джерело рентгенівських променів – рентгенівська трубка - електровакуумний прилад , що є джерелом рентгенівського випромінювання. Таке випромінювання виникає при гальмуванні електронів, що випускаються катодом, та їх ударі про анод (антикатод); при цьому енергія електронів, прискорених сильним електричним полем у просторі між анодом та катодом, частково перетворюється на енергію рентгенівського випромінювання. Випромінювання рентгенівської трубки є накладенням гальмівного рентгенівського випромінювання на характеристичне випромінювання речовини анода. Рентгенівські трубки розрізняють: за способом отримання потоку електронів - з термоемісійним (підігрівним) катодом, автоемісійним (гострийним) катодом, катодом, що піддається бомбардуванню позитивними іонами та з радіоактивним (β) джерелом електронів; за способом вакуумування - відпаяні, розбірні; за часом випромінювання – безперервної дії, імпульсні; за типом охолодження анода - з водяним, олійним, повітряним, радіаційним охолодженням; за розмірами фокусу (області випромінювання на аноді) - макрофокусні, гострофокусні та мікрофокусні; за його формою – кільцевою, круглою, лінійчастою форми; за способом фокусування електронів на анод - з електростатичного, магнітного, електромагнітного фокусування.

Рентгенівські трубки застосовують у рентгенівському структурному аналізі (Додаток 1), рентгенівському спектральному аналізі, дефектоскопії (Додаток 1), рентгенодіагностики (Додаток 1), рентгенотерапії рентгенівської мікроскопії та мікрорентгенографії. Найбільше застосування у всіх областях знаходять відпаяні рентгенівські трубки з термоемісійним катодом, анодом, що водоохолоджується, електростатичною системою фокусування електронів (Додаток 2). Термоемісійний катод рентгенівських трубок зазвичай є спіраль або пряму нитку з вольфрамового дроту, що розжарюється електричним струмом. Робоча ділянка анода – металева дзеркальна поверхня – розташована перпендикулярно або під деяким кутом до потоку електронів. Для отримання суцільного спектра рентгенівського випромінювання високих енергій та інтенсивності використовують аноди Au, W; у структурному аналізі користуються рентгенівські трубки з анодами Ti, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Ag.

Основні характеристики рентгенівських трубок - гранично допустима напруга, що прискорює (1-500 кВ), електронний струм (0,01 мА - 1А), питома потужність, що розсіюється анодом (10-10 4 вт/мм 2), загальна споживана потужність (0,002 вт - 60 квт) та розміри фокусу (1 мкм - 10 мм). ККД рентгенівської трубки становить 0,1-3%.

Як джерела рентгенівських променів можуть служити також деякі радіоактивні ізотопи : одні з них безпосередньо випромінюють рентгенівські промені, ядерні випромінювання інших (електрони або λ-частинки) бомбардують металеву мішень, яка випромінює рентгенівські промені. Інтенсивність рентгенівського випромінювання ізотопних джерел на кілька порядків менша за інтенсивність випромінювання рентгенівської трубки, але габарити, вага і вартість ізотопних джерел незрівнянно менша, ніж установки з рентгенівською трубкою.

Джерелами м'яких рентгенівських променів з близько десятків і сотень можуть служити синхротрони і накопичувачі електронів з енергіями в кілька Гев. За інтенсивністю рентгенівське випромінювання синхротронів перевищує у зазначеній області спектра випромінювання рентгенівської трубки на 2-3 порядки.

Природні джерела рентгенівських променів – Сонце та інші космічні об'єкти.

2.2 Властивості рентгенівських променів

Залежно від механізму виникнення рентгенівських променів, їх спектри можуть бути безперервними (гальмівними) або лінійчастими (характеристичними). Безперервний рентгенівський спектр випромінюють швидкі заряджені частинки в результаті їх гальмування при взаємодії з атомами мішені; цей спектр досягає значної інтенсивності лише за бомбардуванні мішені електронами. Інтенсивність гальмівних рентгенівських променів розподілена по всіх частотах до високочастотної межі 0 , на якій енергія фотонів h 0 (h - постійна Планка ) дорівнює енергії eV електронів, що бомбардують (е - заряд електрона, V - різниця потенціалів прискорюючого поля, пройдена ними). Цій частоті відповідає короткохвильова межа спектру 0 = hc/eV (з - швидкість світла).

Лінійчасте випромінювання виникає після іонізації атома з викиданням електрона однієї з внутрішніх оболонок. Така іонізація може бути результатом зіткнення атома зі швидкою часткою, наприклад електроном (первинні рентгенівські промені), або поглинання атомом фотону (флуоресцентні рентгенівські промені). Іонізований атом виявляється в початковому квантовому стані на одному з високих рівнів енергії і через 10 -16 -10 -15 с переходить в кінцевий стан з меншою енергією. При цьому надлишок енергії атом може опустити у вигляді фотона певної частоти. Частоти ліній спектра такого випромінювання характерні атомів кожного елемента, тому лінійний рентгенівський спектр називається характеристическим. Залежність частоти ліній цього діапазону від атомного номера Z визначається законом Мозлі.

Закон Мозлі, закон, що пов'язує частоту спектральних ліній характеристичного рентгенівського випромінювання хімічного елемента з його порядковим номером Експериментально встановлено Г. Мозлі 1913. Відповідно до закону Мозлі, корінь квадратний із частоти  спектральної лінії характеристичного випромінювання елемента є лінійна функція його порядкового номера Z:

де R - Рідберга постійна , S n – постійна екранування, n – головне квантове число. На діаграмі Мозлі (Додаток 3) залежність від Z є рядом прямих (К-, L-, М - і т.д. серії, відповідні значенням n = 1, 2, 3,.).

Закон Мозлі став незаперечним доказом правильності розміщення елементів у періодичній системі елементів Д.І. Менделєєва і сприяв з'ясовуванню фізичного сенсу Z.

Відповідно до закону Мозлі, рентгенівські характеристичні спектри не виявляють періодичних закономірностей, властивих оптичним спектрам. Це вказує на те, що внутрішні електронні оболонки атомів всіх елементів, що виявляються в характеристичних рентгенівських спектрах, мають аналогічну будову.

Пізніші експерименти виявили деякі відхилення від лінійної залежності для перехідних груп елементів, пов'язані зі зміною порядку заповнення зовнішніх електронних оболонок, а також для важких атомів, що з'являються в результаті релятивістських ефектів (що умовно пояснюються тим, що швидкості внутрішніх можна порівняти зі швидкістю світла).

Залежно від ряду факторів - від числа нуклонів в ядрі (ізотонічний зсув), стану зовнішніх електронних оболонок (хімічний зсув) та ін - положення спектральних ліній на діаграмі Мозлі може дещо змінюватися. Вивчення цих зрушень дозволяє отримувати детальні відомості про атом.

Гальмівне рентгенівське випромінювання, що випромінюється дуже тонкими мішенями, повністю поляризовано поблизу 0; із зменшенням 0 ступінь поляризації падає. Характеристичне випромінювання, зазвичай, не поляризовано.

При взаємодії рентгенівських променів із речовиною може відбуватися фотоефект. , що супроводжує його поглинання рентгенівських променів та їх розсіювання, фотоефект спостерігається у тому випадку, коли атом, поглинаючи рентгенівський фотон, викидає один зі своїх внутрішніх електронів, після чого може зробити або випромінювальний перехід, випустивши фотон характеристичного випромінювання, або викинути другий електрон при безвипромінювальному переході (Оже-електрон). Під дією рентгенівських променів на неметалеві кристали (наприклад, на кам'яну сіль) у деяких вузлах атомних ґрат з'являються іони з додатковим позитивним зарядом, а поблизу них виявляються надлишкові електрони. Такі порушення структури кристалів звані рентгенівськими екситонами. , є центрами фарбування і зникають лише за значного підвищення температури.

При проходженні рентгенівських променів через шар речовини товщиною їх початкова інтенсивність I 0 зменшується до величини I = I 0 e - μ x де μ - коефіцієнт ослаблення. Ослаблення I відбувається рахунок двох процесів: поглинання рентгенівських фотонів речовиною і їх напрями при розсіянні. У довгохвильовій ділянці спектра переважає поглинання рентгенівських променів, короткохвильовій - їх розсіювання. Ступінь поглинання швидко зростає зі збільшенням Z та λ. Наприклад, жорсткі рентгенівські промені вільно проникають через шар повітря ~ 10 см; алюмінієва пластинка в 3 см завтовшки послаблює рентгенівські промені з λ = 0,027 удвічі; м'які рентгенівські промені значно поглинаються в повітрі і їх використання і дослідження можливе лише у вакуумі або в газі, що слабо поглинає (наприклад, Не). При поглинанні рентгенівських променів атоми речовини іонізуються.

Вплив рентгенівських променів на живі організми може бути корисним та шкідливим залежно від викликаної ними іонізації у тканинах. Оскільки поглинання рентгенівських променів залежить від λ, інтенсивність їх не може бути мірою біологічної дії рентгенівських променів. Кількісним врахуванням дії рентгенівських променів на речовину займається рентгенометрія одиницею його вимірювання служить рентген

Розсіяння рентгенівських променів в області великих Z і λ відбувається в основному без зміни λ і носить назву когерентного розсіювання, а в області малих Z і λ, як правило, зростає (некогерентне розсіювання). Відомо 2 види некогерентного розсіювання рентгенівських променів - комптонівське та комбінаційне. При комптонівському розсіюванні, що носить характер непружного корпускулярного розсіювання, рахунок частково втраченої рентгенівським фотоном енергії з оболонки атома вилітає електрон віддачі. При цьому зменшується енергія фотона та змінюється його напрямок; зміна залежить від кута розсіювання. При комбінаційному розсіюванні рентгенівського фотона високої енергії на легкому атомі невелика частина його енергії витрачається на іонізацію атома і змінюється напрямок руху фотона. Зміна таких фотонів не залежить від кута розсіювання.

Показник заломлення n для рентгенівських променів відрізняється від 1 на дуже малу величину = 1-n ≈ 10 -6 -10 -5 . Фазова швидкість рентгенівських променів у середовищі більша за швидкість світла у вакуумі. Відхилення рентгенівських променів при переході з одного середовища до іншого дуже мало (кілька кутових хвилин). При падінні рентгенівських променів із вакууму на поверхню тіла під дуже малим кутом відбувається їхнє повне зовнішнє відображення.

2.3 Реєстрація рентгенівських променів

Око людини до рентгенівських променів не чутливе. Рентгенівські

промені реєструють за допомогою спеціальної рентгенівської фотоплівки, що містить підвищену кількість Ag, Br. В області λ<0,5 чувствительность этих плёнок быстро падает и может быть искусственно повышена плотно прижатым к плёнке флуоресцирующим экраном. В области λ>5 чутливість звичайної позитивної фотоплівки досить велика, а її зерна значно менше зерен рентгенівської плівки, що підвищує роздільну здатність. При порядку десятків і сотень рентгенівські промені діють тільки на найтонший поверхневий шар фотоемульсії; для підвищення чутливості плівки її сенсибілізують люмінесцентними оліями. У рентгенодіагностиці та дефектоскопії для реєстрації рентгенівських променів іноді застосовують електрофотографію (Електрорентгенографію).

Рентгенівські промені великих інтенсивностей можна реєструвати за допомогою іонізаційної камери (Додаток 4), рентгенівські промені середніх та малих інтенсивностей при λ< 3 - сцинтилляционным счётчиком з кристалом NaI (Tl) (Додаток 5), при 0,5< λ < 5 - счётчиком Гейгера - Мюллера (Додаток 6) та відпаяним пропорційним лічильником (Додаток 7), при 1< λ < 100 - проточным пропорциональным счётчиком, при λ < 120 - полупроводниковым детектором (Додаток 8). В області дуже великих (від десятків до 1000) для реєстрації рентгенівських променів можуть бути використані вторинно-електронні помножувачі відкритого типу з різними фотокатодами на вході.

2.4 Застосування рентгенівських променів

Найбільш широке застосування рентгенівські промені знайшли в медицині для рентгенодіагностики та рентгенотерапії . Важливе значення для багатьох галузей техніки має рентгенівська дефектоскопія наприклад, для виявлення внутрішніх вад виливків (раковин, включень шлаку), тріщин у рейках, дефектів зварних швів.

Рентгенівський структурний аналіз дозволяє встановити просторове розташування атомів у кристалічній решітці мінералів та сполук, у неорганічних та органічних молекулах. На основі численних вже розшифрованих атомних структур може бути вирішена і обернена задача: по рентгенограмі полікристалічної речовини, наприклад, легованої сталі, сплаву, руди, місячного грунту, може бути встановлений кристалічний склад цієї речовини, тобто. виконано фазовий аналіз. Численними застосуваннями Р. л. для вивчення властивостей твердих тіл займається рентгенографія матеріалів .

Рентгенівська мікроскопія дозволяє, наприклад, отримати зображення клітини, мікроорганізму, побачити їхню внутрішню будову. Рентгенівська спектроскопія за рентгенівськими спектрами вивчає розподіл щільності електронних станів за енергіями в різних речовинах, досліджує природу хімічного зв'язку, знаходить ефективний заряд іонів у твердих тілах та молекулах. Спектральний аналіз рентгенівський за становищем та інтенсивністю ліній характеристичного спектру дозволяє встановити якісний та кількісний склад речовини та служить для експресного неруйнівного контролю складу матеріалів на металургійних та цементних заводах, збагачувальних фабриках. При автоматизації цих підприємств застосовуються як датчики складу речовини рентгенівські спектрометри та квантометри.

Рентгенівські промені, що надходять з космосу, несуть інформацію про хімічний склад космічних тіл і про фізичні процеси, що відбуваються в космосі. Дослідженням космічних рентгенівських променів займається рентгенівська астрономія . Потужні рентгенівські промені використовують у радіаційній хімії для стимулювання деяких реакцій, полімеризації матеріалів, крекінгу органічних речовин. Рентгенівські промені застосовують також для виявлення старовинного живопису, прихованого під шаром пізнього розпису, в харчовій промисловості для виявлення сторонніх предметів, що випадково потрапили в харчові продукти, в криміналістиці, археології та ін.

Глава 3. Застосування рентгенівського випромінювання у металургії

Одне з основних завдань рентгеноструктурного аналізу – визначення речовинного чи фазового складу матеріалу. Рентгеноструктурний метод є прямим та характеризується високою достовірністю, експресністю та відносною дешевизною. Метод не потребує великої кількості речовини, аналіз можна проводити без руйнування деталі. Області застосування якісного фазового аналізу дуже різноманітні і для науково-дослідних робіт, і для контролю у виробництві. Можна перевіряти склад вихідних матеріалів металургійного виробництва, продуктів синтезу, переділу, результат фазових змін при термічній та хіміко-термічній обробці, вести аналіз різних покриттів, тонких плівок тощо.

Кожна фаза, володіючи своєю кристалічною структурою, характеризується певним, властивим лише даній фазі набором дискретних значень міжплощинних відстаней d/n від максимального та нижче. Як випливає з рівняння Вульфа-Брегга, кожному значення міжплощинної відстані відповідає лінія на рентгенограмі від полікристалічного зразка під певним кутом θ (при заданому значенні довжини хвилі λ). Таким чином, певному набору міжплощинних відстаней для кожної фази на рентгенограмі відповідатиме певна система ліній (дифракційних максимумів). Відносна інтенсивність цих ліній на рентгенограмі залежить насамперед від структури фази. Отже, визначивши розташування ліній на рентгенограмі (її кут θ) і знаючи довжину хвилі випромінювання, на якому була знята рентгенограма, можна визначити значення міжплощинних відстаней d/n за формулою Вульфа-Брегга:

/n = λ/ (2sin θ). (1)

Визначивши набір d/n для досліджуваного матеріалу та зіставивши його з відомими заздалегідь даними d/n для чистих речовин, різних сполук, можна встановити, яку фазу становить даний матеріал. Слід наголосити, що визначаються саме фази, а не хімічний склад, але останній іноді можна вивести, якщо існують додаткові дані про елементний склад тієї чи іншої фази. Завдання якісного фазового аналізу значно полегшується, якщо відомий хімічний склад досліджуваного матеріалу, тому що тоді можна зробити попередні припущення про можливі в даному випадку фази.

Головне для фазового аналізу – точно виміряти d/n та інтенсивність лінії. Хоча цього в принципі простіше досягти з використанням дифрактометра, фотометод для якісного аналізу має деякі переваги насамперед щодо чутливості (можливість помітити присутність у зразку малої кількості фази), а також простоту експериментальної техніки.

Розрахунок d/n по рентгенограмі проводиться за допомогою рівняння Вульфа-Брегга.

Як значення λ у цьому рівнянні зазвичай використовують λ α ср К-серії:

λ α ср = (2λ α1 + λ α2) /3 (2)

Іноді використовують лінію К1. Визначення кутів дифракції θ для всіх ліній рентгенограм дозволяє розрахувати d/n за рівнянням (1) та відокремити β-лінії (якщо не було фільтру для (β-променів).

3.1 Аналіз недосконалостей кристалічної структури

Всі реальні монокристалічні і тим більше полікристалічні матеріали містять ті чи інші структурні недосконалості (точкові дефекти, дислокації, різного типу межі розділу, мікро-і макронапруги), що дуже впливають на всі структурно-чутливі властивості і процеси.

Структурні недосконалості викликають різні за характером порушення кристалічної решітки і, як наслідок, різного типу зміни дифракційної картини: зміна міжатомних та міжплощинних відстаней викликає зміщення дифракційних максимумів, мікронапруги та дисперсність субструктури призводять до розширення дифракційних максимумів, мікроспотворення; дислокацій викликає аномальні явища під час проходження рентгенівських променів і, отже, локальні неоднорідності розмаїття на рентгенівських топограмах та інших.

Внаслідок цього рентгеноструктурний аналіз є одним із найбільш інформативних методів вивчення структурних недосконалостей, їх типу та концентрації, характеру розподілу.

Традиційний прямий метод рентгенівської дифракції, який реалізується на стаціонарних дифрактометрах, в силу їх конструктивних особливостей дозволяє здійснити кількісне визначення напруги та деформації тільки на малих зразках, вирізаних з деталей або об'єктів.

Тому в даний час відбувається перехід від стаціонарних до портативних малогабаритних рентгенівських дифрактометрів, які забезпечують оцінку напруги в матеріалі деталей або об'єктів без руйнування на стадіях їх виготовлення та експлуатації.

Портативні рентгенівські дифрактометри серії ДРП*1 дозволяють проводити контроль залишкових та діючих напруг у великогабаритних деталях, виробах та конструкціях без руйнування.

Програма серед Windows дозволяє у реальному часі як визначати напруги методом " sin 2 ψ " , а й стежити зміною фазового складу і текстури. Лінійно-координатний детектор забезпечує одночасну реєстрацію в кутах дифракції 2θ = 43°. малогабаритні рентгенівські трубки типу "Лиса" з високою світністю і малою потужністю (5 Вт) забезпечують радіологічну безпеку приладу, при якій на відстані 25 см від ділянки рівня, що опромінюється, рівень радіації дорівнює рівню природного фону. Прилади серії ДРП знаходять застосування щодо напруг на різних стадіях обробки металів тиском, при різанні, шліфуванні, термообробці, зварюванні, поверхневому зміцненні з метою оптимізації цих технологічних операцій. Контроль за падінням рівня наведених залишкових напруг стиснення в особливо відповідальних виробах і конструкціях при їх експлуатації дозволяє вивести виріб з експлуатації до його руйнування, запобігши можливим аваріям і катастрофам.

3.2 Спектральний аналіз

Поряд із визначенням атомної кристалічної структури та фазового складу матеріалу для його повної характеристики обов'язковим є визначення його хімічного складу.

Все частіше цих цілей практично використовують різні, звані інструментальні методи спектрального аналізу. Кожен з них має свої переваги та сфери застосування.

Однією з важливих вимог у часто є те, щоб використовуваний метод забезпечив збереження аналізованого об'єкта; саме такі методи аналізу розглядаються у цьому розділі. p align="justify"> Наступним критерієм, за яким були обрані методи аналізу, описані в цьому розділі, є їх локальність.

Метод флюоресцентного рентгеноспектрального аналізу заснований на проникненні в об'єкт, що аналізується, досить жорсткого рентгенівського випромінювання (від рентгенівської трубки), що проникає в шар товщиною порядку декількох мікрометрів. Характеристичне рентгенівське випромінювання, що виникає при цьому, в об'єкті дозволяє отримати усереднені дані про його хімічний склад.

Для визначення елементного складу речовини можна використовувати аналіз спектра характеристичного рентгенівського випромінювання проби, поміщеної на анод рентгенівської трубки і підданого бомбардування електронами - емісійний метод, або аналіз спектра вторинного (флюоресцентного) рентгенівського випромінювання проби, підданої опроміненню твердими флюоресцентний метод.

Недоліком емісійного методу є, по-перше, необхідність приміщення проби на анод рентгенівської трубки з наступним відкачуванням вакуумними насосами; очевидно, цей метод непридатний для легкоплавких та летких речовин. Другий недолік пов'язаний з тим, що навіть тугоплавкі об'єкти під впливом бомбардування електронами ушкоджуються. Флюоресцентний метод вільний від цих недоліків і тому має набагато ширше застосування. Перевагою флюоресцентного методу є відсутність гальмівного випромінювання, це сприяє поліпшенню чутливості аналізу. Порівняння виміряних довжин хвиль із таблицями спектральних ліній хімічних елементів становить основу якісного аналізу, а відносні значення інтенсивності спектральних ліній різних елементів, що утворюють речовину проби, становить основу кількісного аналізу. З розгляду механізму збудження характеристичного рентгенівського випромінювання ясно, що випромінювання тієї чи іншої серії (К або L, М тощо) виникають одночасно, причому співвідношення інтенсивностей ліній у межах серії завжди постійно. Тому наявність тієї чи іншої елемента встановлюється за окремими лініях, а, по серії ліній загалом (крім найслабших, з урахуванням змісту даного елемента). Для порівняно легких елементів використовують аналіз ліній K-серії, для важких – ліній L-серії; у різних умовах (залежно від використовуваної апаратури та від аналізованих елементів) можуть бути найбільш зручними різні області характеристичного спектру.

Основні особливості рентгеноспектрального аналізу такі.

Простота рентгенівських характеристичних спектрів навіть для важких елементів (порівняно з оптичними спектрами), що спрощує виконання аналізу (мала кількість ліній; подібність у їхньому взаємному розташуванні; зі збільшенням порядкового номера відбувається закономірне зміщення спектра в короткохвильову область, порівняльна простота проведення кількісного аналізу).

Незалежність довжин хвиль стану атомів аналізованого елемента (вільне чи хімічному соединении). Це пов'язано з тим, що виникнення характеристичного рентгенівського випромінювання пов'язані з порушенням внутрішніх електронних рівнів, що у більшості випадків практично змінюються від ступеня іонізації атомів.

Можливість поділу в аналізі рідкісноземельних та деяких інших елементів, які мають малі відмінності спектрів в оптичному діапазоні через подібність електронної будови зовнішніх оболонок і дуже мало відрізняються за своїми хімічними властивостями.

Метод рентгенівської флюоресцентної спектроскопії є "неруйнівним", тому має перевагу перед методом звичайної оптичної спектроскопії при аналізі тонких зразків - тонкий металевий лист, фольга і т.д.

Особливо широке застосування на металургійних підприємствах набули рентгенівські флюоресцентні спектрометри і серед них багатоканальні спектрометри або квантометри, що забезпечують експресний кількісний аналіз елементів (від Na або Mg до U) з помилкою менше 1% від величини, що визначається, поріг чутливості 10 -3 …10 -4 % .

рентгенівське випромінювання промінь

Способи визначення спектрального складу рентгенівського випромінювання

Спектрометри поділяються на два типи: кристал-дифракційні та безкристальні.

Розкладання рентгенівських променів у спектр за допомогою природних дифракційних ґрат - кристала - по суті аналогічно отриманню спектру променів звичайного світла за допомогою штучних дифракційних ґрат у вигляді періодичних штрихів на склі. Умову утворення дифракційного максимуму можна записати як умову "віддзеркалення" від системи паралельних атомних площин, розділених відстанню d hkl .

При проведенні якісного аналізу можна судити про присутність того чи іншого елемента в пробі по одній лінії - зазвичай інтенсивної лінії спектральної серії, придатної для даного кристал-аналізатора. Дозвіл кристал-дифракційних спектрометрів достатньо для поділу характеристичних ліній навіть сусідніх за становищем у періодичній таблиці елементів. Проте треба враховувати ще накладання різних ліній різних елементів, і навіть накладення відбитків різного порядку. Ця обставина має враховуватися під час виборів аналітичних ліній. Разом з тим треба використовувати можливості покращення роздільної здатності приладу.

Висновок

Таким чином, рентгенівські промені є невидимим електромагнітним випромінюванням з довжиною хвилі 10 5 - 10 2 нм. Рентгенівські промені можуть проникати через деякі непрозорі для видимого світла матеріали. Випускаються вони при гальмуванні швидких електронів у речовині (безперервний спектр) та при переходах електронів із зовнішніх електронних оболонок атома на внутрішні (лінійчастий спектр). Джерелами рентгенівського випромінювання є: рентгенівська трубка, деякі радіоактивні ізотопи, прискорювачі та накопичувачі електронів (синхротронне випромінювання). Приймачі – фотоплівка, люмінісцентні екрани, детектори ядерних випромінювань. Рентгенівські промені застосовують у рентгеноструктурному аналізі, медицині, дефектоскопії, рентгенівському спектральному аналізі тощо.

Розглянувши позитивні сторони відкриття У. Рентгена, слід зазначити та її шкідливе біологічне дію. Виявилося, що рентгенівське випромінювання може викликати щось на кшталт сильного сонячного опіку (еритему), що супроводжується глибшим і стійким ушкодженням шкіри. Виразки, що з'являлися, нерідко переходять у рак. У багатьох випадках доводилося ампутувати пальці чи руки. Траплялися і смерті.

Було встановлено, що ураження шкіри можна уникнути, зменшивши час та дозу опромінення, застосовуючи екранування (наприклад, свинець) та засоби дистанційного керування. Але поступово виявилися й інші, більш довготривалі наслідки рентгенівського опромінення, які потім підтверджені і вивчені на піддослідних тварин. До ефектів, зумовлених дією рентгенівського випромінювання, а також інших іонізуючих випромінювань (таких як гамма-випромінювання, що випускається радіоактивними матеріалами) відносяться:

) тимчасові зміни у складі крові після відносно невеликого надмірного опромінення;

) незворотні зміни у складі крові (гемолітична анемія) після тривалого надмірного опромінення;

) зростання захворюваності на рак (включаючи лейкемію);

) Швидше старіння і рання смерть;

) виникнення катаракт.

Біологічного впливу рентгенівського випромінювання на організм людини визначається рівнем дози опромінення, і навіть тим, який саме орган тіла піддавався опромінення.

Накопичення знань про вплив рентгенівського випромінювання на організм людини призвело до розробки національних та міжнародних стандартів на допустимі дози опромінення, опублікованих у різних довідкових виданнях.

Щоб уникнути шкідливого впливу рентгенівського випромінювання застосовують методи контролю:

) наявність адекватного обладнання,

) контроль за дотриманням правил техніки безпеки,

) правильне використання обладнання.

Список використаних джерел

1) Блохін М.А., Фізика рентгенівських променів, 2 видавництва, М., 1957;

) Блохін М.А., Методи рентгено-спектральних досліджень, М., 1959;

) Рентгенівські промені. Зб. за ред. М.А. Блохіна, пров. з ним. та англ., М., 1960;

) Хараджа Ф., Загальний курс рентгенотехніки, 3 видавництва, М. - Л., 1966;

) Міркін Л.І., Довідник з рентгено-структурного аналізу полікристалів, М., 1961;

) Вайнштейн Е.Є., Кахана М.М., Довідкові таблиці з рентгенівської спектроскопії, М., 1953.

) Рентгенографічний та елктронно-оптичний аналіз. Горелік С.С., Скаков Ю.А., Расторгуєв Л. Н.: Навч. Посібник для вузів. - 4-те вид. Дод. І перероб. - М.: "МІСіС", 2002. - 360 с.

Програми

Додаток 1

Загальний вигляд рентгенівських трубок

Додаток 2

Схема рентгенівської трубки для структурного аналізу

Схема рентгенівської трубки для структурного аналізу: 1 - металева анодна склянка (зазвичай заземляється); 2 - вікна з берилію для виходу рентгенівського випромінювання; 3 – термоемісійний катод; 4 - скляна колба, що ізолює анодну частину трубки від катодної; 5 - висновки катода, до яких підводиться напруга розжарення, а також висока (щодо анода) напруга; 6 – електростатична система фокусування електронів; 7 – анод (антикатод); 8 - патрубки для введення та виведення проточної води, що охолоджує анодну склянку.

Додаток 3

Діаграма Мозлі

Діаграма Мозлі для К-, L- та М-серій характеристичного рентгенівського випромінювання. По осі абсцис відкладено порядковий номер елемента Z, по осі ординат - ( з- швидкість світла).

Додаток 4

Іонізаційна камера.

Рис.1. Переріз циліндричної іонізаційної камери: 1 - циліндричний корпус камери, що служить негативним електродом; 2 - циліндричний стрижень, що служить позитивним електродом; 3 – ізолятори.

Рис. 2. Схема включення струмової іонізаційної камери: V – напруга на електродах камери; G - гальванометр, що вимірює іонізаційний струм.

Рис. 3. Вольтамперна характеристика іонізаційної камери.

Рис. 4. Схема включення імпульсної іонізаційної камери: С - ємність електрода, що збирає; R – опір.

Додаток 5

Сцинтиляційний лічильник.

Схема сцинтиляційного лічильника: кванти світла (фотони) "вибивають" електрони з фотокатода; рухаючись від динода до динода, електронна лавина розмножується.

Додаток 6

Лічильник Гейгера – Мюллера.

Рис. 1. Схема скляного лічильника Гейгера – Мюллера: 1 – герметично запаяна скляна трубка; 2 – катод (тонкий шар міді на трубці з нержавіючої сталі); 3 - виведення катода; 4 – анод (тонка натягнута нитка).

Рис. 2. Схема включення лічильника Гейгера – Мюллера.

Рис. 3. Рахункова характеристика лічильника Гейгера - Мюллера.

Додаток 7

Пропорційний лічильник.

Схема пропорційного лічильника: а – область дрейфу електронів; б – область газового посилення.

Додаток 8

Напівпровідникові детектори

Напівпровідникові детектори; штрихуванням виділена чутлива область; n - область напівпровідника з електронною провідністю, р - з дірочною, i - з власними провідностями; а – кремнієвий поверхнево-бар'єрний детектор; б – дрейфовий германій-літієвий планарний детектор; в – германій-літієвий коаксіальний детектор.

Міністерство освіти та науки РФ

Федеральне агентство з освіти

ГОУ ВПО ЮУрГУ

Кафедра фізичної хімії

за курсом КСЄ: "Рентгенівське випромінювання"

Виконав:

Наумова Дар'я Геннадіївна

Перевірив:

Доцент, К. Т. н.

Танкльовська Н.М.

Челябінськ 2010 р.

Вступ

Глава I. Відкриття рентгенівського випромінювання

Отримання

Взаємодія з речовиною

Біологічний вплив

Реєстрація

Застосування

Як роблять рентгенівський знімок

Природне рентгенівське випромінювання

Розділ II. Рентгенографія

Застосування

Метод отримання зображення

Переваги рентгенографії

Недоліки рентгенографії

Рентгеноскопія

Принцип отримання

Переваги рентгеноскопії

Недоліки рентгеноскопії

Цифрові технології у рентгеноскопії

Багаторядковий метод сканування

Висновок

Список використаної літератури

Вступ

Рентгенівське випромінювання - електромагнітні хвилі, енергія фотонів яких визначається діапазоном енергією від ультрафіолетових до гамма-випромінювань, що відповідає інтервалу довжин хвиль від 10-4 до 10 Å (від 10-14 до 10-8 м).

Як і видиме світло, рентгенівське випромінювання викликає почорніння фотоплівки. Ця його властивість має важливе значення для медицини, промисловості та наукових досліджень. Проходячи крізь досліджуваний об'єкт і падаючи на фотоплівку, рентгенівське випромінювання зображує на ній його внутрішню структуру. Оскільки проникаюча здатність рентгенівського випромінювання різна для різних матеріалів, менш прозорі для нього частини об'єкта дають світліші ділянки на фотознімку, ніж ті, через які випромінювання добре проникає. Так, кісткові тканини менш прозорі для рентгенівського випромінювання, ніж тканини, з яких складається шкіра та внутрішні органи. Тому на рентгенограмі кістки позначаться як світліші ділянки і прозоріше для випромінювання місце перелому може бути досить легко виявлено. Рентгенівська зйомка використовується також у стоматології для виявлення карієсу та абсцесів у корінні зубів, а також у промисловості для виявлення тріщин у лиття, пластмасах та гумах.

Рентгенівське випромінювання використовується в хімії для аналізу сполук та у фізиці для дослідження структури кристалів. Пучок рентгенівського випромінювання, проходячи через хімічну сполуку, викликає характерне вторинне випромінювання, спектроскопічний аналіз якого дозволяє хіміку встановити склад сполуки. При падінні на кристалічну речовину пучок рентгенівських променів розсіюється атомами кристала, даючи чітку правильну картину плям і смуг на фотопластинці, що дозволяє встановити внутрішню структуру кристала.

Застосування рентгенівського випромінювання при лікуванні раку ґрунтується на тому, що воно вбиває ракові клітини. Однак воно може вплинути і на нормальні клітини. Тому при такому використанні рентгенівського випромінювання повинна бути дотримана крайня обережність.

Глава I. Відкриття рентгенівського випромінювання

Відкриття рентгенівського випромінювання приписується Вільгельм Конрад Рентгену. Він був першим, хто опублікував статтю про рентгенівські промені, які він назвав ікс-променями (x-ray). Стаття Рентгена під назвою "Про новий тип променів" була опублікована 28 грудня 1895 року в журналі Вюрцбурзького фізико-медичного товариства. Вважається, однак, доведеним, що рентгенівські промені вже були отримані до цього. Катодолучая трубка, яку Рентген використовував у своїх експериментах, була розроблена Й. Хітторфом та В. Круксом. Під час роботи цієї трубки виникають рентгенівські промені. Це було показано в експериментах Крукса і з 1892 року в експериментах Генріха Герца та його учня Філіпа Ленарда через почорніння фотопластинок. Однак ніхто з них не усвідомив значення зробленого ними відкриття та не опублікував своїх результатів. Також Нікола Тесла, починаючи з 1897 року, експериментував із катодолучовими трубками, отримав рентгенівське проміння, але не опублікував своїх результатів.

Тому Рентген не знав про зроблені до нього відкриття і відкрив промені, названі згодом його ім'ям, незалежно - при спостереженні флюоресценції, що виникає при роботі катодопроменевої трубки. Рентген займався Х-променями трохи більше року (з 8 листопада 1895 по березень 1897) і опублікував про них всього три порівняно невеликих статті, але в них було дано настільки вичерпний опис нових променів, що сотні робіт його послідовників, опублікованих потім протягом 12 років, не могли ні додати, ні змінити нічого суттєвого. Рентген, який втратив інтерес до Х-променів, говорив своїм колегам: "Я вже все написав, не витрачайте даремно час". Свій внесок до відома Рентгена зробила також знаменита фотографія руки його дружини, яку він опублікував у статті (див. зображення справа). Подібна слава принесла Рентгену в 1901 першу Нобелівську премію з фізики, причому нобелівський комітет підкреслював практичну важливість його відкриття. У 1896 році вперше було вжито назву "рентгенівські промені". У деяких країнах залишилася стара назва - X-промені. У Росії її промені стали називати " рентгенівськими " з подачі учня В.К. Рентгена – Абрама Федоровича Іоффе.

Положення на шкалі електромагнітних хвиль

Енергетичні діапазони рентгенівського випромінювання та гамма-випромінювання перекриваються у широкій області енергій. Обидва типи випромінювання є електромагнітним випромінюванням і за однакової енергії фотонів - еквівалентні. Термінологічна відмінність лежить у способі виникнення - рентгенівські промені випромінюються за участю електронів (або в атомах, або вільних) у той час як гамма-випромінювання випромінюється в процесах дезбудження атомних ядер. Фотони рентгенівського випромінювання мають енергію від 100 еВ до 250 кеВ, що відповідає випромінюванню з частотою від 3 · 1016 Гц до 6 · 1019 Гц і довжиною хвилі 0,005 - 10 нм (загальновизнаного визначення нижньої межі діапазону рентгенівських). М'який рентген характеризується найменшою енергією фотона та частотою випромінювання (і найбільшою довжиною хвилі), а жорсткий рентген має найбільшу енергію фотона та частоту випромінювання (і найменшу довжину хвилі).

(Рентгенівська фотографія (рентгенограма) руки своєї дружини, зроблена В.К. Рентгеном)

)

Отримання

Рентгенівські промені виникають при сильному прискоренні заряджених частинок (в основному електронів) або при високоенергетичних переходах в електронних оболонках атомів або молекул. Обидва ефекти використовуються в рентгенівських трубках, в яких електрони, випущені розжареним катодом, прискорюються (при цьому рентгенівські промені не випромінюються, тому що прискорення занадто мало) і ударяються об анод, де вони різко гальмуються (при цьому випромінюються рентгенівські промені: т.з. гальмівне випромінювання) і в той же час вибивають електрони з внутрішніх електронних оболонок атомів металу, з якого зроблений анод. Порожні місця в оболонках займаються іншими електронами атома. При цьому випромінюється рентгенівське випромінювання з певною, характерною для матеріалу анода, енергією (характеристичне випромінювання, частоти визначаються законом Мозлі:

,

де Z – атомний номер елемента анода, A та B – константи для певного значення головного квантового числа n електронної оболонки). В даний час аноди виготовляються головним чином з кераміки, причому та їх частина, куди вдаряють електрони - з молібдену. У процесі прискорення-гальмування лише 1% кінетичної енергії електрона йде на рентгенівське випромінювання, 99% енергії перетворюється на тепло.

Рентгенівське випромінювання можна також одержувати і на прискорювачах заряджених частинок. Т.зв. синхротронне випромінювання виникає при відхиленні пучка частинок у магнітному полі, в результаті чого вони відчувають прискорення в напрямку, перпендикулярному їхньому руху. Синхротронне випромінювання має суцільний спектр з верхнім кордоном. При відповідним чином вибраних параметрах (величина магнітного поля та енергія частинок) у спектрі синхротронного випромінювання можна отримати рентгенівські промені.

Схематичне зображення рентгенівської трубки. X - рентгенівські промені, K - катод, А - анод (іноді званий антикатодом), С - тепловідведення, Uh - напруга розжарення катода, Ua - прискорююча напруга, Win - впуск водяного охолодження, Wout - випуск водяного охолодження (див. рентгенівська трубка) .

Взаємодія з речовиною

Коефіцієнт заломлення майже будь-якої речовини для рентгенівських променів мало відрізняється від одиниці. Наслідком цього є той факт, що немає матеріалу, з якого можна було б виготовити лінзу для рентгенівських променів. Крім того, при перпендикулярному падінні на поверхню рентгенівські промені майже не відображаються. Незважаючи на це, у рентгенівській оптиці було знайдено способи побудови оптичних елементів для рентгенівських променів.

Рентгенівські промені можуть проникати крізь речовину, причому різні речовини по-різному їх поглинають. Поглинання рентгенівських променів є найважливішою їх властивістю у рентгенівській зйомці. Інтенсивність рентгенівських променів експоненційно зменшується в залежності від пройденого шляху в поглинаючому шарі (I = I0e-kd, де d – товщина шару, коефіцієнт k пропорційний Z3λ3, Z – атомний номер елемента, λ – довжина хвилі).

Поглинання відбувається в результаті фотопоглинання та комптонівського розсіювання:

Під фотопоглинанням розуміється процес вибивання фотоном електрона з оболонки атома, для чого потрібно, щоб енергія фотона була більшою за деяке мінімальне значення. Якщо розглядати ймовірність акта поглинання в залежності від енергії фотона, то при досягненні певної енергії вона різко зростає до свого максимального значення. Для більш високих значень енергії можливість безперервно зменшується. Через таку залежність кажуть, що існує межа поглинання. Місце вибитого при акті поглинання електрона займає інший електрон, при цьому випромінюється випромінювання з меншою енергією фотона, відбувається т.з. процес флюоресценції.