Mặc dù các nhà khoa học mới chỉ phát hiện ra tác dụng của tia X từ những năm 1890, nhưng việc sử dụng tia X trong y học đối với lực lượng tự nhiên này đã trôi qua nhanh chóng. Ngày nay, vì lợi ích của nhân loại, bức xạ điện từ tia X được sử dụng trong y học, học thuật và công nghiệp, cũng như để sản xuất điện.

Ngoài ra, bức xạ còn có những ứng dụng hữu ích trong các lĩnh vực như nông nghiệp, khảo cổ học, vũ trụ, thực thi pháp luật, địa chất (bao gồm cả khai thác mỏ) và nhiều hoạt động khác, thậm chí cả ô tô cũng đang được phát triển nhờ hiện tượng phân hạch hạt nhân.

Sử dụng tia X trong y tế

Trong các cơ sở chăm sóc sức khỏe, các bác sĩ và nha sĩ sử dụng nhiều loại vật liệu và quy trình hạt nhân để chẩn đoán, theo dõi và điều trị một loạt các quá trình trao đổi chất và bệnh tật trong cơ thể con người. Kết quả là, các thủ thuật y tế sử dụng tia đã cứu sống hàng nghìn người bằng cách xác định và điều trị các tình trạng từ tuyến giáp hoạt động quá mức đến ung thư xương.

Phổ biến nhất của các thủ thuật y tế này liên quan đến việc sử dụng các tia có thể đi qua da của chúng ta. Khi một bức ảnh được chụp, xương và các cấu trúc khác của chúng ta dường như đổ bóng vì chúng đặc hơn da của chúng ta và những bóng này có thể được phát hiện trên phim hoặc trên màn hình. Hiệu ứng tương tự như đặt bút chì giữa mảnh giấy và đèn. Bóng từ bút chì sẽ hiện rõ trên tờ giấy. Sự khác biệt là các tia này không nhìn thấy được, vì vậy cần phải có một phần tử ghi lại, một thứ giống như phim chụp ảnh. Điều này cho phép các bác sĩ và nha sĩ đánh giá việc áp dụng tia X bằng cách nhìn thấy xương bị gãy hoặc các vấn đề về răng miệng.

Việc sử dụng tia X cho mục đích y học

Việc sử dụng bức xạ tia X một cách có mục tiêu cho các mục đích y tế, không chỉ để phát hiện thiệt hại. Khi được sử dụng đặc biệt, nó nhằm mục đích tiêu diệt mô ung thư, giảm kích thước khối u hoặc giảm đau. Ví dụ, iốt phóng xạ (cụ thể là iốt-131) thường được sử dụng để điều trị ung thư tuyến giáp, một tình trạng mà nhiều người mắc phải.

Các thiết bị sử dụng thuộc tính này cũng được kết nối với máy tính và quét, được gọi là: chụp cắt lớp vi tính trục hoặc chụp cắt lớp vi tính.

Những dụng cụ này cung cấp cho bác sĩ một hình ảnh màu hiển thị các đường nét và chi tiết của các cơ quan nội tạng. Điều này giúp các bác sĩ phát hiện và xác định các khối u, kích thước bất thường, hoặc các vấn đề sinh lý hoặc cơ quan chức năng khác.
Ngoài ra, các bệnh viện và trung tâm X quang thực hiện hàng triệu ca phẫu thuật hàng năm. Trong các thủ tục như vậy, các bác sĩ bắn các chất phóng xạ nhẹ vào cơ thể bệnh nhân để xem xét một số cơ quan nội tạng, chẳng hạn như tuyến tụy, thận, tuyến giáp, gan hoặc não, để chẩn đoán tình trạng lâm sàng.

BÀI HỌC

X-RAY BỨC XẠ

Bản chất của tia X

Tia X Bremsstrahlung, tính chất quang phổ của nó.

Bức xạ tia X đặc trưng (để xem xét).

Tương tác của bức xạ tia X với vật chất.

Cơ sở vật lý cho việc sử dụng tia X trong y học.

Tia X (tia X) được phát hiện bởi K. Roentgen, người vào năm 1895, người đầu tiên đoạt giải Nobel vật lý.

Bản chất của tia X

bức xạ tia x - sóng điện từ có độ dài từ 80 đến 10 -5 nm. Bức xạ tia X sóng dài bị che phủ bởi bức xạ UV sóng ngắn và bức xạ sóng ngắn bị che phủ bởi bức xạ  sóng dài.

Tia X được tạo ra trong các ống tia X. Hình 1.

K - cực âm

1 - chùm điện tử

2 - Bức xạ tia X

Cơm. 1. Thiết bị ống tia X.

Ống là một bình thủy tinh (có thể có chân không cao: áp suất trong đó khoảng 10–6 mm Hg) với hai điện cực: cực dương A và cực âm K, đặt vào đó một hiệu điện thế cao U (vài nghìn vôn). Cực âm là nguồn cung cấp các êlectron (do hiện tượng phát xạ nhiệt điện tử). Anôt là một thanh kim loại có mặt nghiêng để hướng bức xạ tia X thu được một góc so với trục của ống. Nó được làm bằng vật liệu dẫn nhiệt cao để loại bỏ nhiệt sinh ra trong quá trình bắn phá điện tử. Trên đầu vát có một tấm làm bằng kim loại chịu lửa (ví dụ, vonfram).

Anôt bị đốt nóng mạnh là do số electron chính trong chùm tia âm cực va chạm vào anôt, trải qua nhiều va chạm với các nguyên tử của chất đó và truyền một lượng lớn năng lượng cho chúng.

Dưới tác dụng của hiệu điện thế cao, các êlectron do dây tóc làm catốt nóng phát ra được gia tốc thành năng lượng cao. Động năng của êlectron bằng mv 2/2. Năng lượng mà nó thu được khi chuyển động trong trường tĩnh điện của ống:

mv 2/2 = eU (1)

trong đó m, e là khối lượng electron và điện tích, U là hiệu điện thế gia tốc.

Các quá trình dẫn đến sự xuất hiện của tia X vi rút là do sự giảm tốc mạnh của các điện tử trong vật liệu anốt bởi trường tĩnh điện của hạt nhân nguyên tử và các điện tử nguyên tử.

Cơ chế nguồn gốc có thể được biểu diễn như sau. Các electron chuyển động là một loại dòng điện nào đó tạo thành từ trường riêng của nó. Sự giảm tốc độ electron là sự giảm cường độ dòng điện và do đó, sự thay đổi trong cảm ứng từ trường, điều này sẽ gây ra sự xuất hiện của điện trường xoay chiều, tức là sự xuất hiện của một sóng điện từ.

Do đó, khi một hạt tích điện bay vào vật chất, nó sẽ chậm lại, mất năng lượng và tốc độ, đồng thời phát ra sóng điện từ.

Tính chất quang phổ của tia X .

Vì vậy, trong trường hợp giảm tốc điện tử trong vật liệu anốt, bức xạ bremsstrahlung.

Quang phổ bremsstrahlung là liên tục. Lý do cho điều này là như sau.

Khi các electron giảm tốc, mỗi electron trong số chúng có một phần năng lượng được sử dụng để đốt nóng anot (E 1 \ u003d Q), phần còn lại để tạo ra một photon tia X (E 2 \ u003d hv), ngược lại, eU \ u003d hv + Q. Tỷ lệ giữa các phần này là ngẫu nhiên.

Do đó, quang phổ liên tục của tia X được hình thành do sự giảm tốc của nhiều điện tử, mỗi điện tử phát ra một lượng tử tia X hv (h) có giá trị xác định nghiêm ngặt. Giá trị của lượng tử này khác nhau đối với các electron khác nhau. Sự phụ thuộc của thông lượng năng lượng tia X vào bước sóng , tức là quang phổ tia X được thể hiện trong Hình 2.

Hình 2. Phổ Bremsstrahl: a) ở các hiệu điện thế U khác nhau trong ống; b) ở các nhiệt độ khác nhau T của catot.

Bức xạ sóng ngắn (cứng) có sức xuyên lớn hơn bức xạ sóng dài (mềm). Bức xạ mềm bị vật chất hấp thụ mạnh hơn.

Từ phía có bước sóng ngắn, quang phổ kết thúc đột ngột ở một bước sóng  m i n nào đó. Sự vi phạm bước sóng ngắn như vậy xảy ra khi năng lượng thu được bởi một điện tử trong trường gia tốc được chuyển hoàn toàn thành năng lượng photon (Q = 0):

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

 phút (nm) = 1,23 / UkV

Thành phần quang phổ của bức xạ phụ thuộc vào hiệu điện thế trên ống tia X; khi điện áp tăng dần, giá trị của  m i n dịch chuyển theo bước sóng ngắn (Hình 2a).

Khi nhiệt độ T của sợi đốt catốt thay đổi thì công suất phát êlectron tăng lên. Do đó, dòng điện I trong ống tăng lên, nhưng thành phần quang phổ của bức xạ không thay đổi (Hình 2b).

Thông lượng Ф  của hiđro tỷ lệ thuận với bình phương hiệu điện thế U giữa anôt và catôt, cường độ dòng điện I trong ống và số hiệu nguyên tử Z của chất làm anôt:

Ф = kZU 2 I. (3)

trong đó k \ u003d 10 -9 W / (V 2 A).

Tia X đặc trưng (để làm quen).

Tăng hiệu điện thế trên ống tia X dẫn đến hiện tượng trên nền của quang phổ liên tục xuất hiện một vạch tương ứng với bức xạ tia X đặc trưng. Bức xạ này đặc trưng cho vật liệu cực dương.

Cơ chế xuất hiện của nó như sau. Ở điện áp cao, các điện tử được gia tốc (có năng lượng cao) xuyên sâu vào nguyên tử và đánh bật các điện tử ra khỏi các lớp bên trong của nó. Các electron từ các tầng cao hơn đi đến những nơi tự do, do đó các photon của bức xạ đặc trưng được phát ra.

Quang phổ của bức xạ tia X đặc trưng khác với quang phổ.

- Tính đồng nhất.

Sự đồng nhất của quang phổ đặc trưng là do các lớp electron bên trong của các nguyên tử khác nhau giống nhau và chỉ khác nhau về mặt năng lượng do tác dụng của lực từ các hạt nhân tăng lên khi số nguyên tố tăng dần. Do đó, các phổ đặc trưng dịch chuyển về phía tần số cao hơn với sự gia tăng điện tích hạt nhân. Điều này đã được xác nhận bằng thực nghiệm bởi một nhân viên của Roentgen - Moseley, người đã đo tần số chuyển đổi tia X cho 33 phần tử. Họ đã làm luật.

LUẬT CỦA MOSELY – căn bậc hai của tần số của bức xạ đặc trưng là một hàm tuyến tính của số thứ tự của phần tử:

= A  (Z - B), (4)

với v là tần số của vạch quang phổ, Z là số hiệu nguyên tử của nguyên tố phát ra. A, B là hằng số.

Tầm quan trọng của định luật Moseley nằm ở chỗ sự phụ thuộc này có thể được sử dụng để xác định chính xác số nguyên tử của nguyên tố đang nghiên cứu từ tần số đo được của vạch tia X. Điều này đóng một vai trò lớn trong vị trí của các nguyên tố trong bảng tuần hoàn.

Độc lập với một hợp chất hóa học.

Quang phổ tia X đặc trưng của nguyên tử không phụ thuộc vào hợp chất hóa học mà nguyên tử của nguyên tố đó đi vào. Ví dụ, quang phổ tia X của nguyên tử oxy đối với O 2, H 2 O giống nhau, trong khi quang phổ của các hợp chất này khác nhau. Đặc điểm này của phổ tia X của nguyên tử là cơ sở cho tên gọi " bức xạ đặc trưng".

Tương tác của bức xạ tia X với vật chất

Tác động của bức xạ tia X lên các vật thể được xác định bởi các quá trình chính của tương tác tia X. photon với các electron nguyên tử và phân tử vật chất.

Bức xạ tia X trong vật chất hấp thụ hoặc tiêu tan. Trong trường hợp này, các quá trình khác nhau có thể xảy ra, được xác định bằng tỷ số giữa năng lượng photon tia X hv và năng lượng ion hóa Аu (năng lượng ion hóa Аu là năng lượng cần thiết để loại bỏ các điện tử bên trong nguyên tử hoặc phân tử).

một) Sự phân tán mạch lạc(sự tán xạ của bức xạ sóng dài) xảy ra khi quan hệ

Đối với photon, do tương tác với các electron, chỉ có hướng chuyển động thay đổi (Hình 3a), nhưng năng lượng hv và bước sóng không thay đổi (do đó, sự tán xạ này được gọi là mạch lạc). Vì năng lượng của photon và nguyên tử không thay đổi nên tán xạ kết hợp không ảnh hưởng đến các đối tượng sinh học, nhưng khi tạo ra lớp bảo vệ chống lại bức xạ tia X, người ta nên tính đến khả năng thay đổi hướng chính của chùm tia.

b) hiệu ứng quang điện xảy ra khi

Trong trường hợp này, có thể nhận ra hai trường hợp.

Photon bị hấp thụ, electron bị tách ra khỏi nguyên tử (Hình 3b). Sự ion hóa xảy ra. Electron tách ra thu được động năng: E ​​k \ u003d hv - A và. Nếu động năng lớn thì electron có thể ion hóa các nguyên tử lân cận do va chạm, tạo thành các nguyên tử mới. sơ trung các electron.

Photon bị hấp thụ, nhưng năng lượng của nó không đủ để tách electron ra, và sự kích thích của một nguyên tử hoặc phân tử(Hình 3c). Điều này thường dẫn đến sự phát xạ tiếp theo của một photon trong vùng bức xạ nhìn thấy (phát quang tia X), và trong các mô - dẫn đến sự hoạt hóa của các phân tử và các phản ứng quang hóa. Hiệu ứng quang điện xảy ra chủ yếu đối với các êlectron của các lớp vỏ bên trong của nguyên tử có Z cao.

Trong) Tán xạ cố hữu(Hiệu ứng Compton, 1922) xảy ra khi năng lượng photon lớn hơn nhiều so với năng lượng ion hóa

Trong trường hợp này, điện tử bị tách ra khỏi nguyên tử (các điện tử như vậy được gọi là giật điện tử), thu được một số động năng E k thì năng lượng của phôtôn tự giảm (Hình 4d):

hv = hv " + A và + E k. (5)

Bức xạ thu được với tần số (độ dài) thay đổi được gọi là sơ trung, nó phân tán theo mọi hướng.

Các electron giật lại, nếu chúng có đủ động năng, có thể ion hóa các nguyên tử lân cận do va chạm. Do đó, kết quả của sự tán xạ không kết hợp, bức xạ tia X tán xạ thứ cấp được hình thành và các nguyên tử của chất bị ion hóa.

Các quá trình (a, b, c) này có thể gây ra một số quá trình tiếp theo. Ví dụ (Hình 3d), Nếu trong quá trình hiệu ứng quang điện, các điện tử tách ra khỏi nguyên tử ở các lớp vỏ bên trong, thì các điện tử từ các tầng cao hơn có thể đi đến vị trí của chúng, kèm theo bức xạ tia X đặc trưng thứ cấp của chất này. Các photon của bức xạ thứ cấp, tương tác với các electron của các nguyên tử lân cận, đến lượt nó, có thể gây ra các hiện tượng thứ cấp.

phân tán mạch lạc

uh năng lượng và bước sóng không đổi

hiệu ứng quang điện

photon bị hấp thụ, e - tách ra khỏi nguyên tử - ion hóa

hv \ u003d A và + E tới

nguyên tử A bị kích thích khi hấp thụ một photon, R là sự phát quang tia X.

phân tán không mạch lạc

hv \ u003d hv "+ A và + E tới

quá trình thứ cấp trong hiệu ứng quang điện

Cơm. 3 Cơ chế tương tác của tia X với vật chất

Cơ sở vật lý cho việc sử dụng tia X trong y học

Khi tia X rơi vào một cơ thể, nó sẽ bị phản xạ một chút từ bề mặt của nó, nhưng chủ yếu đi sâu vào bên trong, trong khi một phần bị hấp thụ và phân tán, và một phần đi qua.

Quy luật suy yếu.

Thông lượng tia X bị suy giảm trong vật chất theo quy luật:

F \ u003d F 0 e -   x (6)

trong đó  là tuyến tính hệ số suy giảm, mà về cơ bản phụ thuộc vào khối lượng riêng của chất. Nó bằng tổng của ba số hạng tương ứng với tán xạ kết hợp  1, không kết hợp  2 và hiệu ứng quang điện  3:

 =  1 +  2 +  3 . (7)

Sự đóng góp của mỗi số hạng được xác định bởi năng lượng photon. Dưới đây là tỷ lệ của các quá trình này đối với các mô mềm (nước).

Năng lượng, keV	hiệu ứng quang điện	Compton - hiệu ứng

vui thích hệ số suy giảm khối lượng, mà không phụ thuộc vào khối lượng riêng của chất :

m =  / . (tám)

Hệ số suy giảm khối lượng phụ thuộc vào năng lượng của phôtôn và số nguyên tử của chất hấp thụ:

 m = k 3 Z 3. (9)

Hệ số suy giảm khối lượng của xương và mô mềm (nước) là khác nhau:  m xương /  m nước = 68.

Nếu một vật thể không đồng nhất được đặt trong đường đi của tia X và đặt một màn hình huỳnh quang ở phía trước nó, thì vật thể này, hấp thụ và làm suy giảm bức xạ, sẽ tạo thành một cái bóng trên màn hình. Theo bản chất của bóng này, người ta có thể phán đoán hình dạng, mật độ, cấu trúc, và trong nhiều trường hợp là bản chất của các vật thể. Những thứ kia. sự khác biệt đáng kể trong việc hấp thụ bức xạ tia X của các mô khác nhau cho phép bạn nhìn thấy hình ảnh của các cơ quan nội tạng trong hình chiếu bóng.

Nếu cơ quan được nghiên cứu và các mô xung quanh làm suy giảm tia X bằng nhau, thì chất cản quang sẽ được sử dụng. Vì vậy, ví dụ, lấp đầy dạ dày và ruột bằng một khối lượng bari sulfat (BaSO 4) nhão, người ta có thể nhìn thấy hình ảnh bóng của chúng (tỷ lệ của hệ số suy giảm là 354).

Sử dụng trong y học.

Trong y học, bức xạ tia X có năng lượng photon từ 60 đến 100-120 keV được sử dụng để chẩn đoán và 150-200 keV để trị liệu.

Chẩn đoán bằng tia X – Nhận biết bệnh tật bằng cách chiếu tia X vào cơ thể.

Chẩn đoán bằng tia X được sử dụng trong các tùy chọn khác nhau, được đưa ra dưới đây.

Với phương pháp soi huỳnh quangống tia X nằm phía sau bệnh nhân. Trước mặt nó là một màn hình huỳnh quang. Có một hình ảnh bóng mờ (dương bản) trên màn hình. Trong mỗi trường hợp riêng biệt, độ cứng thích hợp của bức xạ được chọn để nó đi qua các mô mềm, nhưng được hấp thụ đủ bởi các mô dày đặc. Nếu không, sẽ thu được một bóng đồng nhất. Trên màn hình, tim, xương sườn có màu tối, phổi sáng.

Khi chụp X quangđối tượng được đặt trên một cuộn băng, trong đó có một bộ phim với một loại nhũ ảnh đặc biệt. Ống tia X được đặt trên vật thể. Kết quả chụp X quang cho hình ảnh âm tính, tức là ngược lại so với hình ảnh quan sát được trong quá trình xuyên thấu. Trong phương pháp này, hình ảnh có độ rõ nét hơn trong (1), do đó, các chi tiết được quan sát thấy rất khó khi được chiếu sáng.

Một biến thể đầy hứa hẹn của phương pháp này là tia X chụp cắt lớp và "phiên bản máy" - máy tính chụp cắt lớp.

3. Với phương pháp soi huỳnh quang, Trên phim định dạng nhỏ nhạy cảm, hình ảnh từ màn hình lớn được cố định. Khi xem, hình ảnh được xem xét trên một kính lúp đặc biệt.

Liệu pháp tia X- việc sử dụng tia X để tiêu diệt các khối u ác tính.

Tác dụng sinh học của bức xạ là làm gián đoạn hoạt động sống, đặc biệt là các tế bào nhân lên nhanh chóng.

TOMOGRAPHY MÁY TÍNH (CT)

Phương pháp chụp cắt lớp vi tính tia X dựa trên việc tái tạo lại hình ảnh của một bộ phận nào đó trên cơ thể bệnh nhân bằng cách đăng ký một số lượng lớn các phép chiếu tia X của bộ phận này, được thực hiện ở các góc độ khác nhau. Thông tin từ các cảm biến đăng ký các phép chiếu này đi vào máy tính, theo một chương trình đặc biệt tính toán phân bổ chặtcỡ mẫu trong phần điều tra và hiển thị nó trên màn hình hiển thị. Hình ảnh của bộ phận cơ thể bệnh nhân thu được theo cách này có đặc điểm là rõ ràng tuyệt vời và hàm lượng thông tin cao. Chương trình cho phép bạn tăng độ tương phản hình ảnh Trong hàng chục và thậm chí hàng trăm lần. Điều này mở rộng khả năng chẩn đoán của phương pháp.

Máy quay phim (thiết bị xử lý hình ảnh X-quang kỹ thuật số) trong nha khoa hiện đại.

Trong nha khoa, kiểm tra bằng tia X là phương pháp chẩn đoán chính. Tuy nhiên, một số đặc điểm tổ chức và kỹ thuật truyền thống của chẩn đoán bằng tia X khiến nó không hoàn toàn thoải mái cho cả bệnh nhân và phòng khám nha khoa. Trước hết, đây là nhu cầu để bệnh nhân tiếp xúc với bức xạ ion hóa, thường tạo ra một tải bức xạ đáng kể trên cơ thể, đó cũng là nhu cầu về một quá trình quang học, và do đó, nhu cầu về chất phản quang, bao gồm những cái độc hại. Cuối cùng, đây là một kho lưu trữ cồng kềnh, các thư mục và phong bì nặng với phim x-quang.

Ngoài ra, trình độ phát triển của nha khoa hiện nay khiến cho việc đánh giá X quang bằng mắt thường của con người là không đủ. Hóa ra, trong số nhiều sắc độ xám có trong hình ảnh X-quang, mắt chỉ nhận biết được 64.

Rõ ràng, để có được hình ảnh rõ ràng và chi tiết về các mô cứng của hệ thống răng hàm mặt với mức phơi nhiễm bức xạ tối thiểu, cần có các giải pháp khác. Cuộc tìm kiếm đã dẫn đến việc tạo ra cái gọi là hệ thống chụp ảnh phóng xạ, máy quay phim - hệ thống chụp ảnh phóng xạ kỹ thuật số.

Nếu không có chi tiết kỹ thuật, nguyên tắc hoạt động của các hệ thống như sau. Bức xạ tia X đi qua vật thể không phải trên phim cảm quang, mà trên một cảm biến nội nhãn đặc biệt (ma trận điện tử đặc biệt). Tín hiệu tương ứng từ ma trận được truyền đến thiết bị số hóa (bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số, ADC) để chuyển nó thành dạng số và được kết nối với máy tính. Phần mềm đặc biệt xây dựng một hình ảnh X-quang trên màn hình máy tính và cho phép bạn xử lý, lưu nó trên phương tiện lưu trữ cứng hoặc linh hoạt (ổ cứng, đĩa mềm), in ra dưới dạng ảnh dưới dạng tệp.

Trong hệ thống kỹ thuật số, hình ảnh tia X là tập hợp các điểm có các giá trị thang độ xám kỹ thuật số khác nhau. Tính năng tối ưu hóa hiển thị thông tin do chương trình cung cấp giúp bạn có thể có được khung hình tối ưu về độ sáng và độ tương phản với liều bức xạ tương đối thấp.

Trong các hệ thống hiện đại, chẳng hạn, do Trophy (Pháp) hoặc Schick (Mỹ) tạo ra, 4096 sắc độ xám được sử dụng khi tạo khung, thời gian phơi sáng phụ thuộc vào đối tượng nghiên cứu và trung bình là một phần trăm - phần mười của thứ hai, giảm phơi nhiễm bức xạ liên quan đến phim - lên đến 90% đối với hệ thống trong miệng, lên đến 70% đối với các nhà quay phim toàn cảnh.

Khi xử lý hình ảnh, các nhà quay phim cho phép:

Nhận hình ảnh âm bản và dương bản, hình ảnh màu sắc sai lệch, hình ảnh nổi.

Tăng độ tương phản và phóng đại vùng quan tâm trong hình ảnh.

Đánh giá sự thay đổi mật độ của mô răng và cấu trúc xương, kiểm soát độ đồng đều của việc trám bít ống tủy.

Trong nội nha, xác định chiều dài của ống tủy của bất kỳ độ cong nào, và trong phẫu thuật, chọn kích thước của mô cấy với độ chính xác 0,1 mm.

Hệ thống phát hiện sâu răng độc đáo với các yếu tố trí tuệ nhân tạo trong quá trình phân tích hình ảnh cho phép bạn phát hiện sâu răng ở giai đoạn vết, sâu răng gốc và sâu răng ẩn.

 "F" trong công thức (3) đề cập đến toàn bộ dải bước sóng bức xạ và thường được gọi là "Thông lượng năng lượng tích hợp".

X-RAY BỨC XẠ
bức xạ vô hình có khả năng xuyên qua, mặc dù ở mức độ khác nhau, tất cả các chất. Nó là bức xạ điện từ có bước sóng khoảng 10-8 cm, giống như ánh sáng nhìn thấy, tia X gây ra hiện tượng đen phim ảnh. Tính chất này có tầm quan trọng lớn đối với y học, công nghiệp và nghiên cứu khoa học. Đi qua đối tượng đang nghiên cứu và sau đó rơi trên phim, bức xạ tia X mô tả cấu trúc bên trong của nó trên đó. Vì sức xuyên của bức xạ tia X là khác nhau đối với các vật liệu khác nhau, các phần của vật thể ít trong suốt hơn đối với nó sẽ cho các vùng sáng hơn trong ảnh so với các phần mà bức xạ xuyên qua tốt. Do đó, các mô xương ít trong suốt đối với tia X hơn các mô tạo nên da và các cơ quan nội tạng. Do đó, trên phim X quang, xương sẽ được chỉ định là những vùng nhẹ hơn và vị trí gãy xương, nơi có bức xạ trong suốt hơn, có thể được phát hiện khá dễ dàng. Chụp X-quang cũng được sử dụng trong nha khoa để phát hiện sâu răng và áp xe ở chân răng, cũng như trong công nghiệp để phát hiện các vết nứt trên vật đúc, nhựa và cao su. Tia X được sử dụng trong hóa học để phân tích các hợp chất và trong vật lý để nghiên cứu cấu trúc của tinh thể. Một chùm tia X đi qua một hợp chất hóa học gây ra một bức xạ thứ cấp đặc trưng, ​​phép phân tích quang phổ cho phép nhà hóa học xác định thành phần của hợp chất. Khi rơi vào một chất tinh thể, một chùm tia X bị phân tán bởi các nguyên tử của tinh thể, tạo ra một mô hình rõ ràng và đều đặn của các đốm và sọc trên tấm ảnh, giúp thiết lập cấu trúc bên trong của tinh thể. Việc sử dụng tia X trong điều trị ung thư dựa trên thực tế là nó tiêu diệt các tế bào ung thư. Tuy nhiên, nó cũng có thể có tác dụng không mong muốn đối với các tế bào bình thường. Do đó, phải hết sức thận trọng trong việc sử dụng tia X này. Bức xạ tia X được phát hiện bởi nhà vật lý người Đức W. Roentgen (1845-1923). Tên của ông được bất tử trong một số thuật ngữ vật lý khác gắn với bức xạ này: đơn vị quốc tế của liều bức xạ ion hóa được gọi là roentgen; một bức ảnh được chụp bằng máy X quang được gọi là một bức ảnh chụp X quang; Lĩnh vực y học phóng xạ sử dụng tia X để chẩn đoán và điều trị bệnh được gọi là X quang. Roentgen phát hiện ra bức xạ vào năm 1895 khi là giáo sư vật lý tại Đại học Würzburg. Trong khi tiến hành thí nghiệm với tia âm cực (dòng điện tử chạy trong ống phóng điện), ông nhận thấy rằng một màn chắn nằm gần ống chân không, được bao phủ bởi bari cyanoplatinit tinh thể, phát sáng rực rỡ, mặc dù bản thân ống được phủ bằng bìa cứng màu đen. Roentgen tiếp tục khẳng định rằng sức mạnh xuyên thấu của các tia chưa biết mà ông phát hiện ra, mà ông gọi là tia X, phụ thuộc vào thành phần của vật liệu hấp thụ. Ông cũng chụp ảnh xương của chính tay mình bằng cách đặt nó giữa ống phóng tia âm cực và một màn hình phủ bari cyanoplatinite. Khám phá của Roentgen được theo sau bởi các thí nghiệm của các nhà nghiên cứu khác, những người đã khám phá ra nhiều đặc tính và khả năng mới để sử dụng bức xạ này. Một đóng góp lớn đã được thực hiện bởi M. Laue, W. Friedrich và P. Knipping, những người đã chứng minh vào năm 1912 sự nhiễu xạ của tia X khi nó đi qua một tinh thể; W. Coolidge, người vào năm 1913 đã phát minh ra ống tia X chân không cao với cực âm được nung nóng; G. Moseley, người đã thiết lập vào năm 1913 mối quan hệ giữa bước sóng của bức xạ và số nguyên tử của một nguyên tố; G. và L. Braggi, người nhận giải Nobel năm 1915 vì đã phát triển các nguyên tắc cơ bản của phân tích nhiễu xạ tia X.
ĐƯA RA BỨC XẠ X-RAY
Bức xạ tia X xảy ra khi các electron chuyển động với tốc độ cao tương tác với vật chất. Khi các electron va chạm với nguyên tử của bất kỳ chất nào, chúng sẽ nhanh chóng mất đi động năng. Trong trường hợp này, hầu hết nó được chuyển thành nhiệt, và một phần nhỏ, thường nhỏ hơn 1%, được chuyển thành năng lượng tia X. Năng lượng này được giải phóng dưới dạng lượng tử - các hạt được gọi là photon có năng lượng nhưng có khối lượng nghỉ bằng không. Các photon tia X khác nhau về năng lượng, tỷ lệ nghịch với bước sóng của chúng. Với phương pháp thu tia X thông thường, người ta thu được một dải bước sóng rộng, được gọi là quang phổ tia X. Quang phổ chứa các thành phần rõ rệt, như thể hiện trong Hình. 1. Một "liên tục" rộng được gọi là một quang phổ liên tục hoặc bức xạ trắng. Các đỉnh nhọn xếp chồng lên nó được gọi là vạch phát tia X đặc trưng. Mặc dù toàn bộ quang phổ là kết quả của sự va chạm của các electron với vật chất, nhưng cơ chế xuất hiện các vạch và phần rộng của nó là khác nhau. Một chất bao gồm một số lượng lớn các nguyên tử, mỗi nguyên tử có một hạt nhân được bao quanh bởi các lớp vỏ electron, và mỗi electron trong lớp vỏ của nguyên tử của một nguyên tố nhất định chiếm một mức năng lượng rời rạc nhất định. Thông thường các lớp vỏ này hay còn gọi là mức năng lượng được ký hiệu bằng các ký hiệu K, L, M, v.v., bắt đầu từ lớp vỏ gần hạt nhân nhất. Khi một điện tử tới có năng lượng đủ lớn va chạm với một trong các điện tử liên kết với nguyên tử, nó đánh bật điện tử đó ra khỏi lớp vỏ của nó. Không gian trống bị chiếm bởi một electron khác từ vỏ, tương ứng với một năng lượng cao hơn. Điều này sau đó tạo ra năng lượng dư thừa bằng cách phát ra một photon tia X. Vì các electron ở lớp vỏ có giá trị năng lượng rời rạc, nên các photon tia X thu được cũng có phổ rời rạc. Điều này tương ứng với các đỉnh sắc nét đối với các bước sóng nhất định, các giá trị cụ thể của chúng phụ thuộc vào phần tử mục tiêu. Các đường đặc tính tạo thành chuỗi K-, L- và M, tùy thuộc vào lớp vỏ (K, L hoặc M) mà electron đã bị loại bỏ. Mối quan hệ giữa bước sóng của tia X và số hiệu nguyên tử được gọi là định luật Moseley (Hình 2).

Nếu một electron va chạm với một hạt nhân tương đối nặng, thì nó chuyển động chậm lại và động năng của nó được giải phóng dưới dạng một photon tia X có năng lượng xấp xỉ bằng nhau. Nếu anh ta bay ngang qua hạt nhân, anh ta sẽ chỉ mất một phần năng lượng, và phần còn lại sẽ được chuyển sang các nguyên tử khác rơi theo cách của anh ta. Mỗi hành động tiêu hao năng lượng dẫn đến việc phát ra một photon với một số năng lượng. Phổ tia X liên tục xuất hiện, giới hạn trên của nó tương ứng với năng lượng của electron nhanh nhất. Đây là cơ chế hình thành quang phổ liên tục, và năng lượng cực đại (hoặc bước sóng cực tiểu) cố định ranh giới của quang phổ liên tục tỷ lệ với điện áp gia tốc, quyết định tốc độ của các electron tới. Các vạch phổ đặc trưng cho vật liệu của mục tiêu bị bắn phá, trong khi quang phổ liên tục được xác định bởi năng lượng của chùm điện tử và thực tế không phụ thuộc vào vật liệu mục tiêu. Có thể thu được tia X không chỉ bằng cách bắn phá điện tử, mà còn bằng cách chiếu tia X vào mục tiêu từ một nguồn khác. Tuy nhiên, trong trường hợp này, phần lớn năng lượng của chùm tia tới đi vào quang phổ tia X đặc trưng, ​​và một phần rất nhỏ của nó rơi vào quang phổ liên tục. Rõ ràng, chùm tia X tới phải chứa các photon có năng lượng đủ để kích thích các đường đặc tính của phần tử bị bắn phá. Phần trăm năng lượng trên phổ đặc trưng cao làm cho phương pháp kích thích tia X này trở nên thuận tiện cho nghiên cứu khoa học.
Ống tia X.Để thu được bức xạ tia X do tương tác của các electron với vật chất, cần có nguồn electron, phương tiện gia tốc chúng lên tốc độ cao và mục tiêu có khả năng chịu được sự bắn phá của electron và tạo ra bức xạ tia X của cường độ yêu cầu. Thiết bị có tất cả những điều này được gọi là ống tia X. Các nhà thám hiểm ban đầu đã sử dụng các ống "chân không sâu" như ống phóng điện ngày nay. Chân không trong chúng không cao lắm. Các ống phóng điện chứa một lượng nhỏ khí, và khi một hiệu điện thế lớn được đặt vào các điện cực của ống, các nguyên tử khí chuyển thành các ion âm và dương. Các điện cực dương di chuyển về phía điện cực âm (cực âm) và rơi vào nó, đánh bật các electron ra khỏi nó, và lần lượt, chúng di chuyển về phía điện cực dương (cực dương) và bắn phá nó, tạo ra một dòng photon tia X. . Trong ống tia X hiện đại do Coolidge phát triển (Hình 3), nguồn electron là một catốt vonfram được nung nóng đến nhiệt độ cao. Các electron được tăng tốc đến tốc độ cao bởi sự chênh lệch điện thế cao giữa cực dương (hoặc cực âm) và cực âm. Vì các điện tử phải đến được cực dương mà không va chạm với các nguyên tử, nên cần phải có chân không rất cao, ống này phải được hút chân không tốt. Điều này cũng làm giảm xác suất ion hóa của các nguyên tử khí còn lại và các dòng bên liên quan.

Các electron được tập trung vào anot bởi một điện cực có hình dạng đặc biệt bao quanh catot. Điện cực này được gọi là điện cực hội tụ và cùng với cực âm tạo thành "đèn rọi điện tử" của ống. Cực dương chịu sự bắn phá của điện tử phải được làm bằng vật liệu chịu lửa, vì phần lớn động năng của các điện tử bắn phá được chuyển thành nhiệt. Ngoài ra, điều mong muốn là cực dương được làm bằng vật liệu có số nguyên tử cao, vì hiệu suất tia x tăng khi số nguyên tử tăng. Vonfram, có số hiệu nguyên tử là 74, thường được chọn làm vật liệu cực dương nhất. Thiết kế của ống tia X có thể khác nhau tùy thuộc vào điều kiện và yêu cầu ứng dụng.
PHÁT HIỆN X-RAY
Tất cả các phương pháp phát hiện tia X đều dựa trên sự tương tác của chúng với vật chất. Máy dò có thể có hai loại: loại cung cấp hình ảnh và loại không cung cấp. Loại thứ nhất bao gồm các thiết bị đo lưu lượng tia X và nội soi huỳnh quang, trong đó chùm tia X đi qua vật thể được nghiên cứu và bức xạ truyền đi vào màn hình hoặc phim phát quang. Hình ảnh xuất hiện do thực tế là các phần khác nhau của đối tượng đang nghiên cứu hấp thụ bức xạ theo những cách khác nhau - tùy thuộc vào độ dày của chất và thành phần của nó. Trong các máy dò có màn hình phát quang, năng lượng tia X được chuyển đổi thành hình ảnh có thể quan sát trực tiếp được, trong khi trong chụp X quang, nó được ghi lại trên một nhũ tương nhạy cảm và chỉ có thể quan sát được sau khi phim đã được chế tạo. Loại máy dò thứ hai bao gồm nhiều loại thiết bị trong đó năng lượng tia X được chuyển đổi thành tín hiệu điện đặc trưng cho cường độ tương đối của bức xạ. Chúng bao gồm buồng ion hóa, máy đếm Geiger, máy đếm tỷ lệ, máy đếm ánh sáng và một số máy dò đặc biệt dựa trên cadmium sulfide và selenide. Hiện nay, máy đếm xạ hình có thể được coi là máy dò hiệu quả nhất, hoạt động tốt trong dải năng lượng rộng.
Xem thêm NGƯỜI PHÁT HIỆN ĐỐI TÁC. Máy dò được chọn có tính đến các điều kiện của vấn đề. Ví dụ, nếu cần đo chính xác cường độ của bức xạ tia X nhiễu xạ, thì các bộ đếm được sử dụng cho phép thực hiện các phép đo với độ chính xác đến từng phần trăm. Nếu cần đăng ký nhiều chùm tia nhiễu xạ thì nên sử dụng phim X-quang, mặc dù trong trường hợp này không thể xác định được cường độ với độ chính xác như nhau.
X-RAY VÀ GAMMA DEFECTOSCOPY
Một trong những ứng dụng phổ biến nhất của tia X trong công nghiệp là kiểm soát chất lượng vật liệu và phát hiện lỗ hổng. Phương pháp tia X không phá hủy, do đó vật liệu được kiểm tra, nếu được thấy là đáp ứng các yêu cầu cần thiết, thì có thể được sử dụng cho mục đích đã định của nó. Cả việc phát hiện lỗ hổng bằng tia X và tia gamma đều dựa trên sức mạnh xuyên thấu của tia X và các đặc tính của sự hấp thụ của nó trong vật liệu. Năng lượng xuyên thấu được xác định bởi năng lượng của các photon tia X, năng lượng này phụ thuộc vào điện áp gia tốc trong ống tia X. Do đó, các mẫu dày và mẫu từ kim loại nặng, chẳng hạn như vàng và uranium, yêu cầu nguồn tia X có điện áp cao hơn để nghiên cứu và đối với các mẫu mỏng, nguồn có điện áp thấp hơn là đủ. Để phát hiện lỗ hổng tia gamma của các vật đúc rất lớn và các sản phẩm cán lớn, betatron và máy gia tốc tuyến tính được sử dụng, gia tốc các hạt đến năng lượng 25 MeV và hơn thế nữa. Sự hấp thụ tia X trong vật liệu phụ thuộc vào độ dày của chất hấp thụ d và hệ số hấp thụ m và được xác định theo công thức I = I0e-md, trong đó I là cường độ bức xạ truyền qua chất hấp thụ, I0 là cường độ của bức xạ tới, và e = 2,718 là cơ số của logarit tự nhiên. Đối với một vật liệu nhất định, tại một bước sóng (hoặc năng lượng) tia X cho trước, hệ số hấp thụ là một hằng số. Nhưng bức xạ của nguồn tia X không phải là bức xạ đơn sắc mà chứa nhiều bước sóng, do đó sự hấp thụ ở cùng độ dày của chất hấp thụ phụ thuộc vào bước sóng (tần số) của bức xạ. Bức xạ tia X được sử dụng rộng rãi trong tất cả các ngành công nghiệp liên quan đến xử lý kim loại bằng áp suất. Nó cũng được sử dụng để kiểm tra thùng pháo, thực phẩm, chất dẻo, để kiểm tra các thiết bị và hệ thống phức tạp trong kỹ thuật điện tử. (Thuật ngữ trung tính cũng được sử dụng cho các mục đích tương tự, sử dụng chùm neutron thay vì tia X.) Tia X cũng được sử dụng cho các mục đích khác, chẳng hạn như kiểm tra các bức tranh để xác định tính xác thực của chúng hoặc để phát hiện các lớp sơn bổ sung trên lớp chính.
PHÂN BIỆT X-RAY
Sự nhiễu xạ tia X cung cấp thông tin quan trọng về chất rắn - cấu trúc nguyên tử và dạng tinh thể của chúng - cũng như về chất lỏng, vật thể vô định hình và các phân tử lớn. Phương pháp nhiễu xạ cũng được sử dụng để xác định chính xác (với sai số nhỏ hơn 10-5) khoảng cách giữa các nguyên tử, phát hiện ứng suất và khuyết tật, và để xác định hướng của các đơn tinh thể. Mẫu nhiễu xạ có thể xác định các vật liệu chưa biết, cũng như phát hiện sự hiện diện của các tạp chất trong mẫu và xác định chúng. Tầm quan trọng của phương pháp nhiễu xạ tia X đối với sự tiến bộ của vật lý hiện đại khó có thể được đánh giá quá cao, vì sự hiểu biết hiện đại về các đặc tính của vật chất cuối cùng dựa trên dữ liệu về sự sắp xếp của các nguyên tử trong các hợp chất hóa học khác nhau, về bản chất của các liên kết. giữa chúng và các khuyết tật về cấu trúc. Công cụ chính để thu được thông tin này là phương pháp nhiễu xạ tia X. Tinh thể học nhiễu xạ tia X rất cần thiết để xác định cấu trúc của các phân tử lớn phức tạp, chẳng hạn như cấu trúc của axit deoxyribonucleic (DNA), vật chất di truyền của các sinh vật sống. Ngay sau khi phát hiện ra bức xạ tia X, sự quan tâm của giới khoa học và y tế đã tập trung vào khả năng của bức xạ này xuyên qua các cơ thể và bản chất của nó. Các thí nghiệm về sự nhiễu xạ của bức xạ tia X trên các khe và cách tử nhiễu xạ cho thấy rằng nó thuộc về bức xạ điện từ và có bước sóng theo bậc 10-8-10-9 cm. Thậm chí trước đó, các nhà khoa học, đặc biệt là W. Barlow, đã phỏng đoán. rằng hình dạng đều đặn và đối xứng của tinh thể tự nhiên là do sự sắp xếp có trật tự của các nguyên tử tạo thành tinh thể. Trong một số trường hợp, Barlow có thể dự đoán chính xác cấu trúc của một tinh thể. Giá trị của khoảng cách giữa các nguyên tử được dự đoán là 10-8 cm. Thực tế là các khoảng cách giữa các nguyên tử hóa ra theo thứ tự của bước sóng tia X nên về nguyên tắc có thể quan sát được sự nhiễu xạ của chúng. Kết quả là ý tưởng cho một trong những thí nghiệm quan trọng nhất trong lịch sử vật lý. M. Laue đã tổ chức một cuộc thử nghiệm thực nghiệm ý tưởng này do các đồng nghiệp của ông là W. Friedrich và P. Knipping thực hiện. Năm 1912, ba người trong số họ đã công bố công trình của họ về kết quả của nhiễu xạ tia X. Nguyên lý của nhiễu xạ tia X. Để hiểu được hiện tượng nhiễu xạ tia X, người ta phải xem xét theo thứ tự: thứ nhất là phổ của tia X, thứ hai là bản chất của cấu trúc tinh thể và thứ ba là bản thân hiện tượng nhiễu xạ. Như đã đề cập ở trên, bức xạ tia X đặc trưng bao gồm một loạt các vạch quang phổ có độ đơn sắc cao, được xác định bởi vật liệu anốt. Với sự trợ giúp của các bộ lọc, bạn có thể chọn cường độ cao nhất trong số chúng. Do đó, bằng cách chọn vật liệu làm anốt một cách thích hợp, có thể thu được nguồn bức xạ gần như đơn sắc với giá trị bước sóng xác định rất chính xác. Bước sóng của bức xạ đặc trưng thường nằm trong khoảng từ 2,285 đối với crom đến 0,558 đối với bạc (giá trị của các nguyên tố khác nhau được biết đến với sáu con số quan trọng). Phổ đặc trưng được chồng lên trên một phổ "trắng" liên tục có cường độ thấp hơn nhiều, do sự giảm tốc của các điện tử tới trong anốt. Do đó, hai loại bức xạ có thể thu được từ mỗi cực dương: đặc trưng và bức xạ, mỗi loại đều đóng một vai trò quan trọng theo cách riêng của nó. Các nguyên tử trong cấu trúc tinh thể nằm cách nhau đều đặn, tạo thành một dãy các ô giống hệt nhau - một mạng tinh thể không gian. Một số mạng tinh thể (ví dụ, đối với hầu hết các kim loại thông thường) khá đơn giản, trong khi những mạng khác (ví dụ, đối với các phân tử protein) thì khá phức tạp. Cấu trúc tinh thể được đặc trưng bởi những điều sau: nếu một người dịch chuyển từ một số điểm nhất định của ô này sang điểm tương ứng của ô lân cận, thì chính xác môi trường nguyên tử sẽ được tìm thấy. Và nếu một số nguyên tử nằm ở điểm này hoặc điểm khác của một ô, thì nguyên tử đó sẽ nằm ở điểm tương đương của bất kỳ ô lân cận nào. Nguyên tắc này hoàn toàn có giá trị đối với một tinh thể hoàn hảo, có trật tự lý tưởng. Tuy nhiên, nhiều tinh thể (ví dụ, dung dịch rắn kim loại) bị rối loạn ở một mức độ nào đó; các vị trí tương đương về mặt tinh thể có thể bị chiếm bởi các nguyên tử khác nhau. Trong những trường hợp này, vị trí của từng nguyên tử không được xác định, mà chỉ là vị trí của nguyên tử được "thống kê trung bình" trên một số lượng lớn các hạt (hoặc ô). Hiện tượng nhiễu xạ được thảo luận trong bài QUANG HỌC và người đọc có thể tham khảo bài viết này trước khi chuyển sang bài viết. Nó chỉ ra rằng nếu sóng (ví dụ, âm thanh, ánh sáng, tia X) truyền qua một khe hoặc lỗ nhỏ, thì sóng sau có thể được coi là nguồn sóng thứ cấp và hình ảnh của khe hoặc lỗ bao gồm ánh sáng xen kẽ. và sọc tối. Hơn nữa, nếu có một cấu trúc tuần hoàn của các lỗ hoặc khe, thì do sự giao thoa khuếch đại và suy giảm của các tia đến từ các lỗ khác nhau, một hình ảnh nhiễu xạ rõ ràng sẽ hình thành. Nhiễu xạ tia X là một hiện tượng tán xạ tập thể, trong đó vai trò của lỗ trống và tâm tán xạ được thực hiện bởi các nguyên tử được sắp xếp theo chu kỳ của cấu trúc tinh thể. Sự khuếch đại lẫn nhau của các hình ảnh của chúng ở những góc nhất định tạo ra một dạng nhiễu xạ tương tự như dạng nhiễu xạ sẽ tạo ra từ sự nhiễu xạ ánh sáng trên cách tử nhiễu xạ ba chiều. Sự tán xạ xảy ra do sự tương tác của bức xạ tia X tới với các electron trong tinh thể. Do bước sóng của bức xạ tia X cùng thứ tự với kích thước của nguyên tử, nên bước sóng của bức xạ tia X bị tán xạ cũng giống như bước sóng tới. Quá trình này là kết quả của dao động cưỡng bức của các electron dưới tác dụng của tia X tới. Bây giờ hãy xem xét một nguyên tử với một đám mây các electron liên kết (bao quanh hạt nhân) mà tia X tới. Các êlectron theo mọi hướng đồng thời tán xạ sự cố và phát ra bức xạ tia X có cùng bước sóng, mặc dù cường độ khác nhau. Cường độ của bức xạ tán xạ liên quan đến số nguyên tử của nguyên tố, vì số hiệu nguyên tử bằng số electron quỹ đạo có thể tham gia tán xạ. (Sự phụ thuộc của cường độ vào số nguyên tử của nguyên tố tán xạ và hướng đo cường độ được đặc trưng bởi hệ số tán xạ nguyên tử, yếu tố này đóng một vai trò cực kỳ quan trọng trong việc phân tích cấu trúc của tinh thể.) chọn trong cấu trúc tinh thể một chuỗi nguyên tử tuyến tính nằm ở cùng một khoảng cách với nhau, và xem xét hình ảnh nhiễu xạ của chúng. Người ta đã lưu ý rằng phổ tia X bao gồm một phần liên tục ("liên tục") và một tập hợp các vạch cường độ cao hơn đặc trưng của nguyên tố là vật liệu anốt. Giả sử chúng ta đã lọc ra quang phổ liên tục và nhận được một chùm tia X gần như đơn sắc hướng vào chuỗi nguyên tử tuyến tính của chúng ta. Điều kiện khuếch đại (khuếch đại giao thoa) được thỏa mãn nếu sự khác biệt giữa các đường đi của sóng bị phân tán bởi các nguyên tử lân cận là bội số của bước sóng. Nếu chùm tia tới ở góc a0 so với dòng nguyên tử cách nhau một khoảng a (chu kỳ), thì đối với góc nhiễu xạ a, hiệu số đường đi tương ứng với độ lợi sẽ được viết là a (cos a - cosa0) = hl, trong đó l là bước sóng và h là số nguyên (Hình 4 và 5).

Để mở rộng cách tiếp cận này cho một tinh thể ba chiều, chỉ cần chọn các hàng nguyên tử ở hai hướng khác nhau trong tinh thể và giải ba phương trình do đó thu được chung cho ba trục tinh thể với chu kỳ a, b và c. Hai phương trình còn lại là

Đây là ba phương trình Laue cơ bản cho nhiễu xạ tia X, với các số h, k và c là chỉ số Miller cho mặt phẳng nhiễu xạ.
Xem thêm TINH THỂ VÀ TINH THỂ. Xem xét bất kỳ phương trình Laue nào, ví dụ phương trình đầu tiên, người ta có thể nhận thấy rằng vì a, a0, l là các hằng số và h = 0, 1, 2, ..., nghiệm của nó có thể được biểu diễn dưới dạng một tập hợp các hình nón với một trục chung a (Hình. 5). Điều này cũng đúng cho các hướng b và c. Trong trường hợp tổng quát của tán xạ ba chiều (nhiễu xạ), ba phương trình Laue phải có một nghiệm chung, tức là ba hình nón nhiễu xạ nằm trên mỗi trục phải cắt nhau; đường giao nhau chung được thể hiện trong hình. 6. Nghiệm chung của các phương trình dẫn đến định luật Bragg-Wulf:

l = 2 (d / n) sinq, trong đó d là khoảng cách giữa các mặt phẳng với các chỉ số h, k và c (chu kỳ), n = 1, 2, ... là các số nguyên (thứ tự nhiễu xạ) và q là góc được hình thành bởi chùm tia tới (cũng như nhiễu xạ) với mặt phẳng của tinh thể trong đó xảy ra hiện tượng nhiễu xạ. Phân tích phương trình của định luật Bragg - Wolfe cho một đơn tinh thể nằm trên đường truyền của chùm tia X đơn sắc, chúng ta có thể kết luận rằng hiện tượng nhiễu xạ không dễ quan sát, bởi vì l và q là cố định, và sinq CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH KHOẢNG CÁCH
Phương pháp Laue. Phương pháp Laue sử dụng quang phổ "trắng" liên tục của tia X, hướng tới một đơn tinh thể đứng yên. Đối với một giá trị cụ thể của chu kỳ d, bước sóng tương ứng với điều kiện Bragg-Wulf được tự động chọn từ toàn bộ quang phổ. Các mẫu Laue thu được theo cách này giúp ta có thể phán đoán hướng của các chùm nhiễu xạ và do đó, hướng của các mặt phẳng tinh thể, điều này cũng có thể đưa ra các kết luận quan trọng về tính đối xứng, hướng của tinh thể và sự hiện diện. khuyết tật trong đó. Tuy nhiên, trong trường hợp này, thông tin về chu kỳ không gian d bị mất. Trên hình. 7 cho thấy một ví dụ về Lauegram. Phim tia X nằm ở mặt bên của tinh thể đối diện với mặt mà chùm tia X tới từ nguồn.

Phương pháp Debye-Scherrer (đối với mẫu đa tinh thể). Không giống như phương pháp trước, bức xạ đơn sắc (l = const) được sử dụng ở đây, và góc q thay đổi. Điều này đạt được bằng cách sử dụng một mẫu đa tinh thể bao gồm nhiều tinh thể nhỏ định hướng ngẫu nhiên, trong số đó có những tinh thể thỏa mãn điều kiện Bragg-Wulf. Các chùm nhiễu xạ tạo thành các hình nón, trục của chúng hướng dọc theo chùm tia X. Đối với hình ảnh, một dải phim tia X hẹp thường được sử dụng trong một băng hình trụ, và tia X được truyền dọc theo đường kính qua các lỗ trên phim. Biểu đồ tạm thời thu được theo cách này (Hình 8) chứa thông tin chính xác về chu kỳ d, tức là về cấu trúc của tinh thể, nhưng không cung cấp thông tin mà Lauegram chứa. Do đó, cả hai phương pháp đều bổ sung cho nhau. Chúng ta hãy xem xét một số ứng dụng của phương pháp Debye-Scherrer.

Nhận dạng các nguyên tố và hợp chất hóa học. Từ góc q xác định từ Debyegram, người ta có thể tính toán khoảng cách giữa các mặt phẳng d đặc trưng của một nguyên tố hoặc hợp chất nhất định. Hiện nay, nhiều bảng giá trị d đã được biên soạn, giúp xác định không chỉ một hoặc một nguyên tố hoặc hợp chất hóa học khác, mà còn cả các trạng thái pha khác nhau của cùng một chất, không phải lúc nào cũng đưa ra được một phân tích hóa học. Cũng có thể xác định hàm lượng của thành phần thứ hai trong hợp kim thay thế với độ chính xác cao từ sự phụ thuộc của chu kỳ d vào nồng độ.
Phân tích ứng suất. Từ sự khác biệt đo được trong khoảng cách giữa các mặt phẳng đối với các hướng khác nhau trong tinh thể, biết được mô đun đàn hồi của vật liệu, có thể tính toán các ứng suất nhỏ trong đó với độ chính xác cao.
Các nghiên cứu về định hướng ưu đãi trong tinh thể. Nếu các tinh thể nhỏ trong một mẫu đa tinh thể không hoàn toàn được định hướng ngẫu nhiên, thì các vòng trên Debyegram sẽ có cường độ khác nhau. Khi có định hướng ưu tiên rõ rệt, cường độ cực đại tập trung ở các điểm riêng lẻ trong hình ảnh, trở nên tương tự như hình ảnh của một tinh thể đơn lẻ. Ví dụ, trong quá trình cán nguội sâu, một tấm kim loại có được kết cấu - một định hướng rõ rệt của các chất kết tinh. Theo đồ thị, người ta có thể đánh giá bản chất của sự gia công nguội của vật liệu.
Nghiên cứu kích thước hạt. Nếu kích thước hạt của đa tinh thể lớn hơn 10-3 cm, thì các đường trên Debyegram sẽ bao gồm các điểm riêng lẻ, vì trong trường hợp này, số lượng tinh thể không đủ để bao phủ toàn bộ phạm vi giá trị của các góc. q. Nếu kích thước tinh thể nhỏ hơn 10-5 cm, thì các vạch nhiễu xạ trở nên rộng hơn. Chiều rộng của chúng tỷ lệ nghịch với kích thước của các tinh thể. Sự mở rộng xảy ra vì lý do tương tự là sự giảm số lượng khe làm giảm độ phân giải của cách tử nhiễu xạ. Bức xạ tia X giúp xác định kích thước hạt trong khoảng 10-7-10-6 cm.
Các phương pháp cho đơn tinh thể.Để nhiễu xạ bởi một tinh thể cung cấp thông tin không chỉ về chu kỳ không gian mà còn về hướng của mỗi tập hợp các mặt phẳng nhiễu xạ, các phương pháp quay đơn tinh thể được sử dụng. Một chùm tia X đơn sắc tới tinh thể. Tinh thể quay quanh trục chính, theo đó các phương trình Laue được thỏa mãn. Trong trường hợp này, góc q, có trong công thức Bragg-Wulf, thay đổi. Các cực đại nhiễu xạ nằm ở giao điểm của các nón nhiễu xạ Laue với bề mặt hình trụ của phim (Hình 9). Kết quả là một mẫu nhiễu xạ thuộc loại được hiển thị trong Hình. 10. Tuy nhiên, các biến chứng có thể xảy ra do sự chồng chéo của các lệnh nhiễu xạ khác nhau tại một điểm. Phương pháp này có thể được cải thiện đáng kể nếu đồng thời với sự quay của tinh thể, màng cũng được chuyển động theo một cách nhất định.

Các nghiên cứu về chất lỏng và chất khí. Người ta biết rằng chất lỏng, chất khí và các vật thể vô định hình không có cấu trúc tinh thể chính xác. Nhưng ở đây, có một liên kết hóa học giữa các nguyên tử trong phân tử, do đó khoảng cách giữa chúng hầu như không đổi, mặc dù bản thân các phân tử được định hướng ngẫu nhiên trong không gian. Những vật liệu như vậy cũng tạo ra một dạng nhiễu xạ với một số lượng cực đại bị bôi nhọ tương đối nhỏ. Việc xử lý một bức tranh như vậy bằng các phương pháp hiện đại giúp chúng ta có thể thu được thông tin về cấu trúc của ngay cả những vật liệu không kết tinh như vậy.
PHÂN TÍCH X-RAY HÓA HỌC
Vài năm sau khi phát hiện ra tia X, Ch. Barkla (1877-1944) đã phát hiện ra rằng khi dòng tia X năng lượng cao tác dụng lên một chất, tia X huỳnh quang thứ cấp xuất hiện, đó là đặc trưng của nguyên tố dưới nghiên cứu. Ngay sau đó, G. Moseley, trong một loạt thí nghiệm của mình, đã đo bước sóng của bức xạ tia X đặc trưng cơ bản thu được khi bắn phá electron vào các nguyên tố khác nhau, và suy ra mối quan hệ giữa bước sóng và số nguyên tử. Những thí nghiệm này và sự phát minh ra máy quang phổ tia X của Bragg đã đặt nền móng cho phép phân tích tia X bằng phương pháp quang phổ. Khả năng phân tích hóa học của tia X ngay lập tức được công nhận. Máy quang phổ được tạo ra với sự đăng ký trên một tấm ảnh, trong đó mẫu được nghiên cứu đóng vai trò là cực dương của ống tia X. Thật không may, kỹ thuật này hóa ra rất tốn công sức, và do đó chỉ được sử dụng khi các phương pháp phân tích hóa học thông thường không thể áp dụng được. Một ví dụ nổi bật về nghiên cứu sáng tạo trong lĩnh vực phân tích quang phổ tia X là việc G. Hevesy và D. Coster phát hiện ra một nguyên tố mới, hafnium vào năm 1923. Sự phát triển của các ống tia X công suất cao dùng để chụp ảnh phóng xạ và các máy dò nhạy cho các phép đo phóng xạ trong Chiến tranh thế giới thứ hai đã góp phần lớn vào sự phát triển nhanh chóng của phương pháp quang phổ tia X trong những năm tiếp theo. Phương pháp này đã trở nên phổ biến do tốc độ, sự tiện lợi, tính chất không phá hủy của phân tích và khả năng tự động hóa toàn bộ hoặc một phần. Nó có thể áp dụng trong các bài toán phân tích định lượng và định tính của tất cả các nguyên tố có số nguyên tử lớn hơn 11 (natri). Và mặc dù phân tích quang phổ tia X thường được sử dụng để xác định các thành phần quan trọng nhất trong mẫu (từ 0,1-100%), trong một số trường hợp, nó phù hợp với nồng độ 0,005% và thậm chí thấp hơn.
Máy quang phổ tia X. Một máy quang phổ tia X hiện đại bao gồm ba hệ thống chính (Hình 11): hệ thống kích thích, tức là ống tia X có cực dương làm bằng vonfram hoặc vật liệu chịu lửa khác và nguồn điện; hệ thống phân tích, tức là một tinh thể phân tích với hai ống chuẩn trực nhiều khe, cũng như một máy đo quang phổ để điều chỉnh tốt; và hệ thống đăng ký với Geiger hoặc bộ đếm tỷ lệ hoặc soi chiếu, cũng như bộ chỉnh lưu, bộ khuếch đại, bộ đếm và máy ghi biểu đồ hoặc thiết bị ghi khác.

Phân tích huỳnh quang tia X. Mẫu được phân tích nằm trong đường đi của tia X thú vị. Vùng mẫu cần kiểm tra thường được cách ly bằng mặt nạ có lỗ có đường kính mong muốn, và bức xạ đi qua ống chuẩn trực tạo thành chùm song song. Phía sau tinh thể máy phân tích, một ống chuẩn trực có khe phát ra bức xạ nhiễu xạ cho máy dò. Thông thường, góc lớn nhất q được giới hạn trong 80-85 °, để chỉ các tia X có bước sóng l liên quan đến khoảng cách giữa các mặt phẳng d theo bất đẳng thức l Phân tích vi tia X. Máy đo phổ tinh thể phân tích phẳng được mô tả ở trên có thể được điều chỉnh cho phép phân tích vi mô. Điều này đạt được bằng cách làm co chùm tia X sơ cấp hoặc chùm tia thứ cấp do mẫu phát ra. Tuy nhiên, sự giảm kích thước hiệu dụng của mẫu hoặc khẩu độ bức xạ dẫn đến giảm cường độ bức xạ nhiễu xạ ghi được. Một cải tiến đối với phương pháp này có thể đạt được bằng cách sử dụng một máy quang phổ tinh thể cong, giúp ghi lại một hình nón của bức xạ phân kỳ và không chỉ bức xạ song song với trục của ống chuẩn trực. Với một quang phổ kế như vậy, các hạt có kích thước nhỏ hơn 25 µm có thể được xác định. Kích thước của mẫu phân tích còn giảm đi nhiều hơn nữa trong máy vi phân tích đầu dò điện tử tia X do R. Kasten phát minh. Tại đây, một chùm điện tử hội tụ cao kích thích sự phát tia X đặc trưng của mẫu, sau đó được phân tích bằng một máy quang phổ tinh thể uốn cong. Sử dụng thiết bị như vậy, có thể phát hiện lượng chất có kích thước từ 10–14 g trong mẫu có đường kính 1 μm. Các cài đặt với tính năng quét chùm tia điện tử của mẫu cũng đã được phát triển, với sự trợ giúp của nó có thể thu được mẫu phân bố hai chiều trên mẫu của nguyên tố mà máy đo phổ được điều chỉnh bức xạ đặc trưng.
CHẨN ĐOÁN X-RAY Y TẾ
Sự phát triển của công nghệ tia X đã làm giảm đáng kể thời gian phơi sáng và cải thiện chất lượng hình ảnh, cho phép kiểm tra ngay cả các mô mềm.
Khí tượng học. Phương pháp chẩn đoán này bao gồm chụp ảnh bóng mờ từ màn hình mờ. Bệnh nhân được đặt giữa nguồn tia X và một màn hình phẳng chứa phosphor (thường là cesium iodide), chất này phát sáng khi được chiếu tia X. Các mô sinh học có mật độ khác nhau sẽ tạo ra bóng của bức xạ tia X với cường độ khác nhau. Bác sĩ X quang kiểm tra hình ảnh bóng mờ trên màn hình huỳnh quang và đưa ra chẩn đoán. Trong quá khứ, một bác sĩ X quang dựa vào thị lực để phân tích một hình ảnh. Hiện nay có nhiều hệ thống khuếch đại hình ảnh, hiển thị trên màn hình tivi hoặc ghi dữ liệu vào bộ nhớ của máy tính.
Chụp X quang. Việc ghi lại hình ảnh tia X trực tiếp trên phim ảnh được gọi là chụp ảnh phóng xạ. Trong trường hợp này, cơ quan đang được nghiên cứu nằm giữa nguồn tia X và phim, nơi ghi lại thông tin về trạng thái của cơ quan tại một thời điểm nhất định. Chụp X quang lặp đi lặp lại giúp chúng ta có thể đánh giá được quá trình tiến hóa tiếp theo của nó. Chụp X quang cho phép bạn kiểm tra rất chính xác tính toàn vẹn của mô xương, bao gồm chủ yếu là canxi và không rõ ràng khi chụp X-quang, cũng như các vết vỡ mô cơ. Với sự trợ giúp của nó, tốt hơn cả ống nghe hoặc ống nghe, tình trạng của phổi được phân tích trong trường hợp bị viêm, bệnh lao hoặc sự hiện diện của chất lỏng. Với sự trợ giúp của chụp X quang, kích thước và hình dạng của tim, cũng như động thái của những thay đổi của nó ở những bệnh nhân bị bệnh tim, được xác định.
chất tương phản. Các bộ phận của cơ thể và các khoang của các cơ quan riêng lẻ trong suốt đối với tia X sẽ có thể nhìn thấy được nếu chúng chứa đầy chất cản quang không gây hại cho cơ thể, nhưng cho phép người ta hình dung ra hình dạng của các cơ quan nội tạng và kiểm tra hoạt động của chúng. Bệnh nhân hoặc dùng thuốc cản quang bằng đường uống (chẳng hạn như muối bari trong nghiên cứu đường tiêu hóa), hoặc chúng được tiêm tĩnh mạch (chẳng hạn như các dung dịch chứa iốt trong nghiên cứu về thận và đường tiết niệu). Tuy nhiên, trong những năm gần đây, các phương pháp này đã được thay thế bởi các phương pháp chẩn đoán dựa trên việc sử dụng các nguyên tử phóng xạ và siêu âm.
Chụp cắt lớp. Vào những năm 1970, một phương pháp chẩn đoán bằng tia X mới đã được phát triển, dựa trên một bức ảnh hoàn chỉnh của cơ thể hoặc các bộ phận của nó. Hình ảnh của các lớp mỏng ("lát cắt") được máy tính xử lý và hình ảnh cuối cùng được hiển thị trên màn hình điều khiển. Phương pháp này được gọi là chụp cắt lớp x-quang điện toán. Nó được sử dụng rộng rãi trong y học hiện đại để chẩn đoán thâm nhiễm, khối u và các rối loạn não khác, cũng như chẩn đoán các bệnh của các mô mềm bên trong cơ thể. Kỹ thuật này không yêu cầu đưa chất cản quang nước ngoài vào và do đó nhanh hơn và hiệu quả hơn các kỹ thuật truyền thống.
HOẠT ĐỘNG SINH HỌC CỦA BỨC XẠ XẠ
Tác dụng sinh học có hại của bức xạ tia X được phát hiện ngay sau khi Roentgen phát hiện ra nó. Hóa ra là bức xạ mới có thể gây ra một cái gì đó như cháy nắng nghiêm trọng (ban đỏ), tuy nhiên, kèm theo đó là tổn thương sâu hơn và lâu dài hơn trên da. Xuất hiện các vết loét thường biến chứng thành ung thư. Trong nhiều trường hợp, ngón tay hoặc bàn tay phải bị cắt cụt. Cũng có người chết. Người ta thấy rằng có thể tránh được tổn thương da bằng cách giảm thời gian và liều lượng tiếp xúc, sử dụng vật che chắn (ví dụ: chì) và điều khiển từ xa. Nhưng dần dần những ảnh hưởng khác, lâu dài hơn của việc tiếp xúc với tia X đã được tiết lộ, sau đó được xác nhận và nghiên cứu trên động vật thí nghiệm. Các tác động do tác động của tia X, cũng như các bức xạ ion hóa khác (chẳng hạn như bức xạ gamma do vật liệu phóng xạ phát ra) bao gồm: 1) những thay đổi tạm thời trong thành phần của máu sau khi tiếp xúc quá mức tương đối nhỏ; 2) những thay đổi không thể phục hồi trong thành phần của máu (thiếu máu tán huyết) sau khi tiếp xúc quá nhiều trong thời gian dài; 3) sự gia tăng tỷ lệ mắc bệnh ung thư (bao gồm cả bệnh bạch cầu); 4) lão hóa nhanh hơn và chết sớm; 5) sự xuất hiện của bệnh đục thủy tinh thể. Ngoài ra, các thí nghiệm sinh học trên chuột, thỏ và ruồi (Drosophila) đã chỉ ra rằng ngay cả những liều lượng nhỏ chiếu xạ có hệ thống đối với các quần thể lớn, do sự gia tăng tỷ lệ đột biến, đều dẫn đến các tác động di truyền có hại. Hầu hết các nhà di truyền học đều công nhận khả năng ứng dụng của những dữ liệu này đối với cơ thể con người. Đối với tác dụng sinh học của bức xạ tia X đối với cơ thể con người, nó được xác định bởi mức liều bức xạ, cũng như cơ quan cụ thể nào của cơ thể đã bị nhiễm bức xạ. Ví dụ, các bệnh về máu là do chiếu xạ các cơ quan tạo máu, chủ yếu là tủy xương, và hậu quả di truyền - do chiếu xạ các cơ quan sinh dục, cũng có thể dẫn đến vô sinh. Việc tích lũy kiến ​​thức về ảnh hưởng của bức xạ tia X đối với cơ thể con người đã dẫn đến việc xây dựng các tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế về liều bức xạ cho phép, được xuất bản trong nhiều sách tham khảo khác nhau. Ngoài tia X, được con người sử dụng có mục đích, còn có cái gọi là bức xạ bên, tán xạ, xảy ra vì nhiều lý do khác nhau, ví dụ, do tán xạ do sự không hoàn hảo của màn chắn bảo vệ chì, không hấp thụ hoàn toàn bức xạ này. Ngoài ra, nhiều thiết bị điện không được thiết kế để tạo ra tia X nhưng lại tạo ra tia X như một sản phẩm phụ. Các thiết bị như vậy bao gồm kính hiển vi điện tử, đèn chỉnh lưu điện áp cao (kenotron), cũng như kính hiển vi của ti vi màu lỗi thời. Việc sản xuất kính màu hiện đại ở nhiều quốc gia hiện nằm trong sự kiểm soát của chính phủ.
CÁC YẾU TỐ NGUY HIỂM CỦA BỨC XẠ XẠ
Các loại và mức độ nguy hiểm của việc tiếp xúc với tia X đối với con người phụ thuộc vào đội ngũ những người tiếp xúc với bức xạ.
Các chuyên gia làm việc với thiết bị X-quang. Danh mục này bao gồm bác sĩ X quang, nha sĩ, cũng như nhân viên khoa học kỹ thuật và nhân viên bảo trì và sử dụng thiết bị X-quang. Các biện pháp hữu hiệu đang được thực hiện để giảm mức độ bức xạ mà họ phải đối phó.
Người bệnh. Không có tiêu chí nghiêm ngặt nào ở đây, và mức độ bức xạ an toàn mà bệnh nhân nhận được trong quá trình điều trị được xác định bởi các bác sĩ chăm sóc. Các bác sĩ được khuyến cáo không để bệnh nhân tiếp xúc với tia X một cách không cần thiết. Cần đặc biệt thận trọng khi khám cho phụ nữ có thai và trẻ em. Trong trường hợp này, các biện pháp đặc biệt được thực hiện.
Các phương pháp kiểm soát. Có ba khía cạnh của điều này:
1) sự sẵn có của thiết bị đầy đủ, 2) việc thực thi các quy định an toàn, 3) sử dụng thiết bị thích hợp. Khi kiểm tra bằng tia X, chỉ nên tiếp xúc với khu vực mong muốn của bức xạ, có thể là khám răng hoặc kiểm tra phổi. Lưu ý rằng ngay sau khi tắt thiết bị tia X, cả bức xạ sơ cấp và thứ cấp đều biến mất; cũng không có bức xạ dư, mà không phải lúc nào cũng được biết đến ngay cả những người trực tiếp kết nối với nó trong công việc của họ.
Xem thêm
CẤU TRÚC ATOM;

CƠ QUAN LIÊN BANG GIÁO DỤC LIÊN BANG NGA

CÁCH MẠNG GIÁO DỤC NHÀ NƯỚC

GIÁO DỤC CHUYÊN NGHIỆP CAO HƠN

VIỆN THÉP VÀ HỢP KIM NHÀ NƯỚC MOSCOW

(ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ)

CHI NHÁNH NOVOTROITSKY

Cục OEND

CÔNG VIỆC KHÓA HỌC

Môn học: Vật lý

Chủ đề: X-RAY

Sinh viên: Nedorezova N.A.

Nhóm: EiU-2004-25, Số З.К: 04Н036

Kiểm tra bởi: Ozhegova S.M.

Giới thiệu

Chương 1

1.1 Tiểu sử của Roentgen Wilhelm Conrad

1.2 Khám phá tia X

chương 2

2.1 Nguồn tia X

2.2 Tính chất của tia X

2.3 Đăng ký chụp X-quang

2.4 Sử dụng tia X

Chương 3

3.1 Phân tích sự không hoàn hảo của cấu trúc tinh thể

3.2 Phân tích phổ

Sự kết luận

Danh sách các nguồn được sử dụng

Các ứng dụng

Giới thiệu

Một người hiếm hoi chưa trải qua phòng chụp X-quang. Hình ảnh chụp x-quang quen thuộc với mọi người. Năm 1995, khám phá này đã tròn 100 năm tuổi. Thật khó để tưởng tượng nó đã khơi dậy mối quan tâm lớn lao nào cách đây một thế kỷ. Trong tay của một người đàn ông hóa ra là một bộ máy mà người ta có thể nhìn thấy những thứ vô hình.

Bức xạ vô hình này, có khả năng xuyên qua, mặc dù ở mức độ khác nhau, vào tất cả các chất, là bức xạ điện từ có bước sóng khoảng 10-8 cm, được gọi là bức xạ tia X, để vinh danh Wilhelm Roentgen, người đã phát hiện ra nó.

Giống như ánh sáng nhìn thấy, tia X gây ra hiện tượng đen phim ảnh. Tính chất này có tầm quan trọng lớn đối với y học, công nghiệp và nghiên cứu khoa học. Đi qua đối tượng đang nghiên cứu và sau đó rơi trên phim, bức xạ tia X mô tả cấu trúc bên trong của nó trên đó. Vì sức xuyên của bức xạ tia X là khác nhau đối với các vật liệu khác nhau, các phần của vật thể ít trong suốt hơn đối với nó sẽ cho các vùng sáng hơn trong ảnh so với các phần mà bức xạ xuyên qua tốt. Do đó, các mô xương ít trong suốt đối với tia X hơn các mô tạo nên da và các cơ quan nội tạng. Do đó, trên phim X quang, xương sẽ được chỉ định là những khu vực nhẹ hơn và vị trí gãy xương, nơi ít trong suốt hơn đối với bức xạ, có thể được phát hiện khá dễ dàng. Hình ảnh tia X cũng được sử dụng trong nha khoa để phát hiện sâu răng và áp xe ở chân răng, cũng như trong công nghiệp để phát hiện các vết nứt trên vật đúc, nhựa và cao su, trong hóa học để phân tích các hợp chất và trong vật lý để nghiên cứu cấu trúc của tinh thể. .

Khám phá của Roentgen được theo sau bởi các thí nghiệm của các nhà nghiên cứu khác, những người đã khám phá ra nhiều đặc tính và khả năng mới để sử dụng bức xạ này. Một đóng góp lớn đã được thực hiện bởi M. Laue, W. Friedrich và P. Knipping, người vào năm 1912 đã chứng minh sự nhiễu xạ của tia X khi chúng đi qua một tinh thể; W. Coolidge, người vào năm 1913 đã phát minh ra ống tia X chân không cao với cực âm được nung nóng; G. Moseley, người đã thiết lập vào năm 1913 mối quan hệ giữa bước sóng của bức xạ và số nguyên tử của một nguyên tố; G. và L. Braggi, người nhận giải Nobel năm 1915 vì đã phát triển các nguyên tắc cơ bản của phân tích nhiễu xạ tia X.

Mục đích của khóa học này là nghiên cứu hiện tượng bức xạ tia X, lịch sử phát hiện, tính chất và xác định phạm vi ứng dụng của nó.

Chương 1

1.1 Tiểu sử của Roentgen Wilhelm Conrad

Wilhelm Conrad Roentgen sinh ngày 17 tháng 3 năm 1845 tại vùng biên giới của Đức với Hà Lan, tại thành phố Lenepe. Ông đã học kỹ thuật ở Zurich tại cùng Trường Kỹ thuật Cao cấp (Bách khoa) nơi Einstein sau này theo học. Niềm đam mê đối với vật lý đã buộc ông sau khi rời trường học vào năm 1866 để tiếp tục giáo dục thể chất.

Năm 1868, ông bảo vệ luận án của mình để lấy bằng Tiến sĩ Triết học, ông làm trợ lý tại Khoa Vật lý, đầu tiên ở Zurich, sau đó ở Giessen, và sau đó ở Strasbourg (1874-1879) với Kundt. Tại đây Roentgen đã trải qua một trường học thực nghiệm tốt và trở thành một nhà thí nghiệm hạng nhất. Roentgen đã thực hiện một phần của nghiên cứu quan trọng cùng với học trò của mình, một trong những người sáng lập vật lý Liên Xô, A.F. Ioffe.

Nghiên cứu khoa học liên quan đến điện từ học, vật lý tinh thể, quang học, vật lý phân tử.

Năm 1895, ông phát hiện ra bức xạ có bước sóng ngắn hơn bước sóng của tia tử ngoại (tia X), sau này được gọi là tia X, và nghiên cứu các tính chất của chúng: khả năng phản xạ, hấp thụ, ion hóa không khí, v.v. Ông đã đề xuất thiết kế chính xác của ống để thu được tia X - một cực âm bằng platin nghiêng và một cực âm lõm: ông là người đầu tiên chụp ảnh bằng tia X. Năm 1885, ông phát hiện ra từ trường của một chất điện môi chuyển động trong một điện trường (cái gọi là "dòng điện roentgen"). Kinh nghiệm của ông cho thấy rõ ràng rằng từ trường được tạo ra bởi các điện tích chuyển động và rất quan trọng đối với việc tạo ra X. Lorentz's Lý thuyết điện tử. Một số công trình đáng kể của Roentgen được dành cho nghiên cứu các tính chất của chất lỏng, chất khí, tinh thể, các hiện tượng điện từ, phát hiện ra mối quan hệ giữa các hiện tượng điện và quang học trong tinh thể. là người đầu tiên trong số các nhà vật lý được trao giải Nobel.

Từ năm 1900 cho đến những ngày cuối cùng của cuộc đời (ông mất ngày 10 tháng 2 năm 1923) ông làm việc tại Đại học Munich.

1.2 Khám phá tia X

Cuối thế kỷ 19 được đánh dấu bởi sự quan tâm ngày càng tăng đối với các hiện tượng truyền điện qua chất khí. Thậm chí Faraday còn nghiên cứu một cách nghiêm túc các hiện tượng này, mô tả nhiều dạng phóng điện khác nhau, phát hiện ra một khoảng tối trong một cột phát sáng của khí hiếm. Không gian tối Faraday ngăn cách ánh sáng xanh lam, vùng cực âm với vùng cực dương, hơi hồng.

Sự gia tăng hơn nữa độ hiếm của khí làm thay đổi đáng kể bản chất của sự phát sáng. Nhà toán học Plücker (1801-1868) đã phát hiện ra vào năm 1859, ở độ hiếm đủ mạnh, một chùm tia hơi xanh yếu phát ra từ cực âm, tới cực dương và làm cho thủy tinh của ống này phát sáng. Sinh viên của Plücker là Gittorf (1824-1914) năm 1869 tiếp tục nghiên cứu của thầy mình và chỉ ra rằng một bóng rõ rệt xuất hiện trên bề mặt huỳnh quang của ống nếu một vật rắn được đặt giữa catốt và bề mặt này.

Goldstein (1850-1931), nghiên cứu tính chất của tia, gọi chúng là tia âm cực (1876). Ba năm sau, William Crookes (1832-1919) đã chứng minh được bản chất vật chất của tia âm cực và gọi chúng là "vật chất bức xạ" - một chất ở trạng thái đặc biệt thứ 4. Bằng chứng của ông rất thuyết phục và rõ ràng. Các thí nghiệm với "ống Crookes" đã được chứng minh sau đó ở tất cả các phòng học thể chất. Sự làm lệch chùm tia âm cực bởi từ trường trong ống Crookes đã trở thành một minh chứng kinh điển của trường phái.

Tuy nhiên, các thí nghiệm về sự lệch hướng điện của tia âm cực không thuyết phục như vậy. Hertz đã không phát hiện ra sự sai lệch như vậy và đi đến kết luận rằng tia âm cực là một quá trình dao động trong ête. Sinh viên của Hertz, F. Lenard, khi thử nghiệm với tia âm cực, đã cho thấy vào năm 1893 rằng chúng đi qua một cửa sổ được phủ bằng lá nhôm và gây ra sự phát sáng trong không gian phía sau cửa sổ. Hertz đã dành bài báo cuối cùng của mình, xuất bản năm 1892, về hiện tượng truyền tia âm cực qua các vật thể kim loại mỏng. Nó bắt đầu bằng những từ:

"Tia catốt khác với ánh sáng một cách đáng kể về khả năng xuyên qua chất rắn". Mô tả kết quả thí nghiệm về sự truyền tia catốt qua lá vàng, bạc, bạch kim, nhôm, v.v., Hertz lưu ý rằng ông không Quan sát sự khác biệt đặc biệt nào trong hiện tượng Các tia không đi qua lá theo đường thẳng mà bị tán xạ do nhiễu xạ. Bản chất của tia âm cực vẫn chưa rõ ràng.

Chính với những chiếc ống như vậy của Crookes, Lenard và những người khác mà giáo sư Wilhelm Konrad Roentgen ở Würzburg đã thử nghiệm vào cuối năm 1895. Một lần, sau khi kết thúc thí nghiệm, ông ấy đậy chiếc ống bằng bìa cứng màu đen, tắt đèn, nhưng không tắt cuộn cảm dẫn trong ống, ông nhận thấy một màn hình phát sáng từ bari xyanogen nằm gần ống. Bị mắc kẹt trong hoàn cảnh này, Roentgen bắt đầu thử nghiệm với màn hình. Trong báo cáo đầu tiên của mình "Về một loại tia mới", ngày 28 tháng 12 năm 1895, ông đã viết về những thí nghiệm đầu tiên này: "Một mảnh giấy được phủ bari platin-xyanua, khi đến gần một ống, được đóng lại bằng một bìa cứng màu đen mỏng. vừa khít với nó, với mỗi lần phóng điện, nó sẽ nhấp nháy một ánh sáng rực rỡ: nó bắt đầu phát huỳnh quang. Hiện tượng huỳnh quang có thể nhìn thấy với độ đậm nhạt vừa đủ và không phụ thuộc vào việc chúng ta đưa tờ giấy có mặt được phủ synerogen bari hay không tráng synerogen bari. Sự phát huỳnh quang có thể nhận thấy ngay cả khi ở khoảng cách hai mét từ ống ”.

Kiểm tra cẩn thận cho thấy Roentgen "bìa cứng màu đen, trong suốt, không nhìn thấy được và tia cực tím của mặt trời, cũng như tia của hồ quang điện, được thấm một số loại chất huỳnh quang." , mà ông gọi là "tia X" ngắn gọn, dùng cho nhiều chất khác nhau. Ông nhận thấy rằng các tia này tự do đi qua giấy, gỗ, ebonit, các lớp kim loại mỏng, nhưng bị trì hoãn mạnh bởi chì.

Sau đó, anh ấy mô tả trải nghiệm giật gân:

“Nếu bạn giữ tay giữa ống phóng điện và màn hình, bạn có thể nhìn thấy bóng đen của xương trong đường viền mờ của chính bóng bàn tay.” Đây là lần kiểm tra X-quang đầu tiên trên cơ thể người.

Những bức ảnh này đã tạo ra một ấn tượng rất lớn; khám phá vẫn chưa được hoàn thành, và chẩn đoán bằng tia X đã bắt đầu cuộc hành trình của nó. Nhà vật lý người Anh Schuster viết: “Phòng thí nghiệm của tôi tràn ngập các bác sĩ đưa những bệnh nhân nghi ngờ rằng họ có kim tiêm trong nhiều bộ phận khác nhau của cơ thể.

Ngay sau những thí nghiệm đầu tiên, Roentgen đã khẳng định chắc chắn rằng tia X khác với tia catốt, chúng không mang điện tích và không bị từ trường làm lệch hướng, nhưng chúng bị kích thích bởi tia catốt. "Tia X không giống với catốt Roentgen viết, nhưng chúng bị kích thích bởi chúng trong thành kính của ống phóng điện.

Ông cũng khẳng định rằng họ không chỉ hứng thú với thủy tinh mà còn cả kim loại.

Đề cập đến giả thuyết Hertz-Lenard rằng tia âm cực "là một hiện tượng xảy ra trong ête", Roentgen chỉ ra rằng "chúng ta có thể nói điều gì đó tương tự về tia của chúng ta." Tuy nhiên, ông đã không phát hiện được tính chất sóng của các tia, chúng “hoạt động khác với các tia tử ngoại, tia nhìn thấy được, tia hồng ngoại đã biết cho đến nay.” Trong các hoạt động hóa học và phát quang, chúng, theo Roentgen, tương tự như tia tử ngoại. thông báo, ông bày tỏ giả thiết còn lại sau này rằng chúng có thể là sóng dọc trong ête.

Khám phá của Roentgen đã khơi dậy sự quan tâm lớn trong giới khoa học. Các thí nghiệm của ông đã được lặp lại ở hầu hết các phòng thí nghiệm trên thế giới. Ở Matxcơva, chúng được lặp lại bởi P.N. Lebedev. Ở St.Petersburg, người phát minh ra đài phát thanh A.S. Popov đã thử nghiệm với tia X, trình diễn chúng tại các buổi thuyết trình trước công chúng, nhận được nhiều tia X khác nhau. Ở Cambridge D.D. Thomson ngay lập tức áp dụng hiệu ứng ion hóa của tia X để nghiên cứu sự truyền điện qua chất khí. Nghiên cứu của ông đã dẫn đến việc phát hiện ra electron.

chương 2

Bức xạ tia X - bức xạ ion hóa điện từ, chiếm vùng phổ giữa bức xạ gamma và tia tử ngoại có bước sóng từ 10 -4 đến 10 3 (từ 10 -12 đến 10 -5 cm) .R. l. với bước sóng λ< 2 условно называются жёсткими, с λ >2 - mềm mại.

2.1 Nguồn tia X

Nguồn phát tia X phổ biến nhất là ống tia X. - thiết bị điện chân không phục vụ như một nguồn tia X. Bức xạ như vậy xảy ra khi các electron do catốt phát ra giảm tốc và đập vào anốt (phản cực dương); trong trường hợp này, năng lượng của các electron được gia tốc bởi điện trường mạnh trong không gian giữa cực dương và cực âm được chuyển đổi một phần thành năng lượng tia X. Bức xạ ống tia X là sự chồng chất của tia X lên bức xạ đặc trưng của vật liệu anốt. Các ống tia X được phân biệt: theo phương pháp thu nhận dòng điện tử - với catốt nhiệt điện tử (nung nóng), catốt phát xạ trường (nhọn), catốt bắn phá bằng các ion dương và với nguồn điện tử phóng xạ (β); theo phương pháp hút chân không - kín, đóng mở; theo thời gian bức xạ - hành động liên tục, xung; theo kiểu làm mát cực dương - bằng nước, dầu, không khí, làm mát bằng bức xạ; theo kích thước của tiêu điểm (vùng bức xạ trên cực dương) - tiêu điểm vĩ mô, tiêu điểm sắc nét và tiêu điểm vi mô; theo hình dạng của nó - vòng, tròn, cai trị; theo phương pháp hội tụ êlectron về cực dương - có hội tụ tĩnh điện, từ trường, điện từ.

Ống tia X được sử dụng trong phân tích cấu trúc tia X (Phụ lục 1), Phân tích quang phổ tia X, phát hiện lỗ hổng (Phụ lục 1), chẩn đoán bằng tia X (Phụ lục 1), xạ trị , Kính hiển vi tia X và chụp ảnh vi mô. Các ống tia X kín với cực âm nhiệt, cực dương làm mát bằng nước và hệ thống tập trung điện tử tĩnh điện được sử dụng rộng rãi nhất trong tất cả các lĩnh vực (Phụ lục 2). Cực âm nhiệt của ống tia X thường là một dây tóc xoắn ốc hoặc thẳng của dây vonfram được đốt nóng bằng dòng điện. Phần làm việc của anốt - một mặt gương kim loại - nằm vuông góc hoặc ở một góc nào đó so với dòng electron. Để thu được bức xạ tia X quang phổ liên tục có năng lượng và cường độ lớn, người ta dùng các cực dương Au, W; Ống tia X có các cực dương Ti, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Ag dùng trong phân tích cấu tạo.

Các đặc điểm chính của ống tia X là điện áp gia tốc tối đa cho phép (1-500 kV), dòng điện tử (0,01 mA - 1A), công suất riêng do cực dương tiêu tán (10-10 4 W / mm 2), tổng công suất tiêu thụ (0,002 W - 60 kW) và kích thước tiêu điểm (1 µm - 10 mm). Hiệu suất của ống tia X là 0,1-3%.

Một số đồng vị phóng xạ cũng có thể dùng làm nguồn phát tia X. : một số trong số chúng trực tiếp phát ra tia X, bức xạ hạt nhân của những người khác (electron hoặc hạt λ) bắn phá mục tiêu kim loại, mục tiêu này phát ra tia X. Cường độ tia X của nguồn đồng vị nhỏ hơn cường độ bức xạ của ống tia X vài bậc, nhưng kích thước, trọng lượng và giá thành của nguồn đồng vị nhỏ hơn một cách tương đối so với cường độ bức xạ của ống tia X.

Synchrotron và vòng lưu trữ electron có năng lượng vài GeV có thể đóng vai trò là nguồn phát tia X mềm với λ theo thứ tự hàng chục và hàng trăm. Về cường độ, bức xạ tia X của các synctron vượt quá bức xạ của một ống tia X trong vùng xác định của quang phổ khoảng 2-3 bậc độ lớn.

Nguồn tự nhiên của tia X - Mặt trời và các vật thể không gian khác.

2.2 Tính chất của tia X

Tùy thuộc vào cơ chế xuất phát của tia X, quang phổ của chúng có thể là liên tục (phạm vi) hoặc vạch (đặc trưng). Phổ tia X liên tục được phát ra bởi các hạt mang điện nhanh do sự giảm tốc của chúng khi tương tác với các nguyên tử mục tiêu; quang phổ này chỉ đạt đến cường độ đáng kể khi mục tiêu bị bắn phá bằng các electron. Cường độ của tia X được phân bố trên tất cả các tần số cho đến ranh giới tần số cao 0, tại đó năng lượng photon h 0 (h là hằng số Planck ) bằng eV năng lượng của các electron bắn phá (e là điện tích electron, V là hiệu điện thế của trường gia tốc do chúng truyền qua). Tần số này tương ứng với cạnh bước sóng ngắn của quang phổ 0 = hc / eV (c là tốc độ ánh sáng).

Bức xạ dòng xảy ra sau quá trình ion hóa nguyên tử với sự phóng ra electron từ một trong các lớp vỏ bên trong của nó. Sự ion hóa như vậy có thể là kết quả của việc nguyên tử va chạm với một hạt nhanh, chẳng hạn như electron (tia X sơ cấp), hoặc sự hấp thụ photon của một nguyên tử (tia X huỳnh quang). Nguyên tử bị ion hóa tự thấy mình ở trạng thái lượng tử ban đầu ở một trong những mức năng lượng cao và sau 10 -16 -10 -15 giây chuyển sang trạng thái cuối cùng với mức năng lượng thấp hơn. Trong trường hợp này, một nguyên tử có thể phát ra năng lượng dư thừa dưới dạng một photon có tần số nhất định. Tần số của các vạch trong quang phổ của bức xạ như vậy là đặc trưng cho nguyên tử của mỗi nguyên tố, do đó phổ tia X vạch được gọi là đặc trưng. Sự phụ thuộc của tần số vạch của quang phổ này vào số hiệu nguyên tử Z được xác định bởi định luật Moseley.

Định luật Moseley, định luật liên hệ giữa tần số của các vạch quang phổ của sự phát tia X đặc trưng của một nguyên tố hóa học với số thứ tự của nó. G. Moseley đã được cài đặt thử nghiệm năm 1913. Theo định luật Moseley, căn bậc hai của tần số  của vạch quang phổ của bức xạ đặc trưng của một nguyên tố là một hàm tuyến tính của số thứ tự Z của nó:

trong đó R là hằng số Rydberg , S n - hằng số sàng lọc, n - số lượng tử chính. Trên giản đồ Moseley (Phụ lục 3), sự phụ thuộc vào Z là một chuỗi các đoạn thẳng (chuỗi K-, L-, M-, v.v. ứng với các giá trị n = 1, 2, 3,.).

Định luật Moseley là bằng chứng không thể chối cãi về vị trí chính xác của các nguyên tố trong bảng tuần hoàn các nguyên tố DI. Mendeleev và đã góp phần làm sáng tỏ ý nghĩa vật lý của Z.

Theo định luật Moseley, quang phổ đặc trưng của tia X không thể hiện các dạng tuần hoàn vốn có trong quang phổ. Điều này chỉ ra rằng các lớp vỏ electron bên trong của nguyên tử của tất cả các nguyên tố xuất hiện trong quang phổ tia X đặc trưng đều có cấu trúc giống nhau.

Các thí nghiệm sau đó cho thấy một số sai lệch so với sự phụ thuộc tuyến tính đối với các nhóm chuyển tiếp của các nguyên tố, liên quan đến sự thay đổi thứ tự lấp đầy của các lớp vỏ electron bên ngoài, cũng như đối với các nguyên tử nặng, xuất hiện do hiệu ứng tương đối tính (giải thích có điều kiện bởi thực tế là tốc độ của những cái bên trong có thể so sánh với tốc độ của ánh sáng).

Tùy thuộc vào một số yếu tố - vào số lượng nucleon trong hạt nhân (sự chuyển dịch đẳng tích), trạng thái của các lớp vỏ electron bên ngoài (sự chuyển dịch hóa học), v.v. - vị trí của các vạch quang phổ trên giản đồ Moseley có thể thay đổi phần nào. Việc nghiên cứu những thay đổi này cho phép người ta có được thông tin chi tiết về nguyên tử.

Tia X Bremsstrahlung phát ra bởi các mục tiêu rất mỏng hoàn toàn phân cực gần 0; khi 0 giảm, mức độ phân cực giảm. Theo quy luật, bức xạ đặc trưng không phân cực.

Khi tia X tương tác với vật chất, hiệu ứng quang điện có thể xảy ra. , cùng với sự hấp thụ tia X và sự tán xạ của chúng, hiệu ứng quang điện được quan sát thấy khi một nguyên tử, hấp thụ một photon tia X, phóng ra một trong các điện tử bên trong của nó, sau đó nó có thể tạo ra sự chuyển đổi bức xạ, phát ra một photon đặc trưng bức xạ, hoặc phóng ra một điện tử thứ hai trong quá trình chuyển đổi không theo thứ tự (điện tử Auger). Dưới tác dụng của tia X đối với tinh thể phi kim loại (ví dụ: muối mỏ), ở một số nút của mạng nguyên tử xuất hiện các ion mang điện tích dương, và các điện tử thừa xuất hiện gần chúng. Những xáo trộn như vậy trong cấu trúc của tinh thể, được gọi là exciton tia X , là các trung tâm màu và chỉ biến mất khi nhiệt độ tăng lên đáng kể.

Khi tia X đi qua một lớp chất có bề dày x thì cường độ ban đầu I 0 của chúng giảm đến giá trị I = I 0 e - μ x trong đó μ là hệ số suy giảm. Sự suy giảm I xảy ra do hai quá trình: sự hấp thụ của các photon tia X bởi vật chất và sự thay đổi hướng của chúng khi tán xạ. Trong vùng bước sóng dài của quang phổ, sự hấp thụ tia X chiếm ưu thế, trong vùng bước sóng ngắn, sự tán xạ của chúng. Mức độ hấp thụ tăng nhanh khi tăng Z và λ. Ví dụ, tia X cứng tự do xuyên qua một lớp không khí ~ 10 cm; một tấm nhôm dày 3 cm làm suy giảm một nửa tia X có λ = 0,027; Tia X mềm bị hấp thụ đáng kể trong không khí và việc sử dụng và nghiên cứu chúng chỉ có thể thực hiện được trong chân không hoặc trong khí hấp thụ yếu (ví dụ, He). Khi tia X bị hấp thụ, các nguyên tử của một chất bị ion hóa.

Tác động của tia X đối với cơ thể sống có thể có lợi hoặc có hại, tùy thuộc vào sự ion hóa mà chúng gây ra trong các mô. Vì sự hấp thụ của tia X phụ thuộc vào λ, nên cường độ của chúng không thể dùng làm thước đo tác dụng sinh học của tia X. Phép đo tia X được sử dụng để đo ảnh hưởng của tia X đối với vật chất. , đơn vị đo lường là roentgen

Sự tán xạ của tia X trong vùng Z lớn và λ chủ yếu xảy ra mà không thay đổi λ và được gọi là tán xạ kết hợp, trong khi ở vùng Z và λ nhỏ, theo quy luật, nó tăng lên (tán xạ không kết hợp). Có 2 loại tán xạ tia X không mạch lạc - Compton và Raman. Trong tán xạ Compton, có đặc điểm là tán xạ phân tử không đàn hồi, một điện tử giật bay ra khỏi vỏ nguyên tử do năng lượng bị mất một phần bởi photon tia X. Trong trường hợp này, năng lượng của photon giảm và hướng của nó thay đổi; sự thay đổi trong λ phụ thuộc vào góc tán xạ. Trong quá trình tán xạ Raman của một photon tia X năng lượng cao bởi một nguyên tử ánh sáng, một phần nhỏ năng lượng của nó được sử dụng cho quá trình ion hóa nguyên tử và hướng chuyển động của photon thay đổi. Sự thay đổi của các photon như vậy không phụ thuộc vào góc tán xạ.

Chiết suất n đối với tia x khác xa 1 một lượng rất nhỏ δ = 1-n ≈ 10 -6 -10 -5. Tốc độ pha của tia X trong môi trường lớn hơn tốc độ ánh sáng trong chân không. Độ lệch của tia X trong quá trình chuyển đổi từ môi trường này sang môi trường khác là rất nhỏ (vài phút vòng cung). Khi tia X rơi từ chân không vào bề mặt của một cơ thể với một góc rất nhỏ, thì hiện tượng phản xạ toàn phần ra bên ngoài xảy ra.

2.3 Đăng ký chụp X-quang

Mắt người không nhạy cảm với tia X. tia X

tia được ghi lại bằng cách sử dụng một phim x-quang đặc biệt có chứa một lượng Ag, Br tăng lên. Trong vùng λ<0,5 чувствительность этих плёнок быстро падает и может быть искусственно повышена плотно прижатым к плёнке флуоресцирующим экраном. В области λ>5, độ nhạy của phim dương bản thông thường khá cao, và các hạt của nó nhỏ hơn nhiều so với các hạt của phim X-quang, làm tăng độ phân giải. Tại λ bậc hàng chục và hàng trăm, tia X chỉ tác động lên lớp bề mặt mỏng nhất của nhũ ảnh; để tăng độ nhạy của màng, người ta tẩm dầu phát quang. Trong chẩn đoán bằng tia X và phát hiện lỗ hổng, chụp ảnh điện đôi khi được sử dụng để ghi lại tia X. (đo điện).

Các tia X có cường độ cao có thể được ghi lại bằng cách sử dụng một buồng ion hóa (Phụ lục 4), tia X có cường độ trung bình và thấp tại λ< 3 - сцинтилляционным счётчиком với tinh thể NaI (Tl) (Phụ lục 5), ở 0,5< λ < 5 - счётчиком Гейгера - Мюллера (Phụ lục 6) và bộ đếm tỷ lệ hàn (Phụ lục 7), tại 1< λ < 100 - проточным пропорциональным счётчиком, при λ < 120 - полупроводниковым детектором (Phụ lục 8). Trong vùng λ rất lớn (từ hàng chục đến 1000), các nhân electron thứ cấp loại mở với nhiều photocathode khác nhau ở đầu vào có thể được sử dụng để ghi lại tia X.

2.4 Sử dụng tia X

Tia X được sử dụng rộng rãi nhất trong y học để chẩn đoán bằng tia X. và xạ trị . Phát hiện lỗ hổng bằng tia X rất quan trọng đối với nhiều ngành công nghệ. , ví dụ, để phát hiện các khuyết tật bên trong vật đúc (vỏ, lẫn xỉ), vết nứt trên ray, khuyết tật trong mối hàn.

Phân tích cấu trúc tia X cho phép bạn thiết lập sự sắp xếp không gian của các nguyên tử trong mạng tinh thể của các khoáng chất và hợp chất, trong các phân tử vô cơ và hữu cơ. Trên cơ sở của nhiều cấu trúc nguyên tử đã được giải mã, bài toán nghịch đảo cũng có thể được giải quyết: theo mẫu tia X chất đa tinh thể, ví dụ, thép hợp kim, hợp kim, quặng, đất mặt trăng, thành phần tinh thể của chất này có thể được thiết lập, tức là phân tích pha đã được thực hiện. Nhiều ứng dụng của R. l. X quang của vật liệu được sử dụng để nghiên cứu các tính chất của chất rắn .

Kính hiển vi tia X cho phép, ví dụ, thu được hình ảnh của một tế bào, một vi sinh vật, để xem cấu trúc bên trong của chúng. Quang phổ tia X sử dụng quang phổ tia X, ông nghiên cứu sự phân bố mật độ của trạng thái điện tử trên năng lượng trong các chất khác nhau, nghiên cứu bản chất của liên kết hóa học và tìm ra điện tích hiệu dụng của các ion trong chất rắn và phân tử. Phân tích quang phổ tia X bằng vị trí và cường độ của các vạch của quang phổ đặc trưng cho phép bạn xác định thành phần định tính và định lượng của chất và được sử dụng để kiểm tra nhanh không phá hủy thành phần của vật liệu tại các nhà máy luyện kim và xi măng, nhà máy chế biến. Khi tự động hóa các doanh nghiệp này, máy quang phổ và máy đo lượng tử tia X được sử dụng làm cảm biến cho thành phần của một chất.

Tia X đến từ không gian mang thông tin về thành phần hóa học của các thiên thể vũ trụ và về các quá trình vật lý diễn ra trong không gian. Thiên văn học tia X liên quan đến việc nghiên cứu tia X vũ trụ . Tia X mạnh được sử dụng trong hóa học bức xạ để kích thích một số phản ứng nhất định, sự trùng hợp của vật liệu và sự bẻ gãy các chất hữu cơ. Tia X cũng được sử dụng để phát hiện các bức tranh cổ ẩn dưới một lớp sơn muộn, trong công nghiệp thực phẩm để phát hiện các vật thể lạ vô tình lọt vào sản phẩm thực phẩm, trong khoa học pháp y, khảo cổ học, v.v.

Chương 3

Một trong những nhiệm vụ chính của phân tích nhiễu xạ tia X là xác định thành phần thực hoặc pha của vật liệu. Phương pháp nhiễu xạ tia X là trực tiếp và được đặc trưng bởi độ tin cậy cao, nhanh chóng và tương đối rẻ. Phương pháp không yêu cầu một lượng lớn chất, có thể tiến hành phân tích mà không cần phá hủy bộ phận. Các lĩnh vực ứng dụng của phân tích pha định tính rất đa dạng cho cả nghiên cứu khoa học và kiểm soát trong sản xuất. Bạn có thể kiểm tra thành phần nguyên liệu thô của sản xuất luyện kim, sản phẩm tổng hợp, chế biến, kết quả của sự thay đổi pha trong quá trình xử lý nhiệt và hóa chất, phân tích các lớp phủ khác nhau, màng mỏng, v.v.

Mỗi pha, có cấu trúc tinh thể riêng, được đặc trưng bởi một tập hợp các giá trị rời rạc nhất định của khoảng cách giữa các mặt phẳng d / n từ cực đại trở xuống, vốn chỉ có ở pha này. Như sau từ phương trình Wulf-Bragg, mỗi giá trị của khoảng cách giữa các mặt phẳng tương ứng với một đường trên mẫu tia x từ một mẫu đa tinh thể ở một góc θ nhất định (tại một giá trị nhất định của bước sóng λ). Do đó, một hệ thống các vạch nhất định (cực đại nhiễu xạ) sẽ tương ứng với một tập hợp các khoảng cách giữa các mặt phẳng nhất định cho mỗi pha trong mẫu nhiễu xạ tia X. Cường độ tương đối của các vạch này trong mẫu tia X phụ thuộc chủ yếu vào cấu trúc của pha. Do đó, bằng cách xác định vị trí của các vạch trên bức xạ (góc θ của nó) và biết bước sóng của bức xạ mà tại đó bức xạ được chụp, có thể xác định giá trị của khoảng cách giữa các mặt phẳng d / n bằng Wulf -Công thức kết hợp:

/ n = λ / (2sin θ). (một)

Sau khi xác định tập hợp d / n cho vật liệu đang nghiên cứu và so sánh nó với dữ liệu d / n đã biết trước đây cho các chất tinh khiết, các hợp chất khác nhau của chúng, có thể xác định được vật liệu đã cho bao gồm pha nào. Cần nhấn mạnh rằng đó là các pha được xác định, chứ không phải thành phần hóa học, nhưng đôi khi có thể suy ra được nếu có thêm dữ liệu về thành phần nguyên tố của một pha cụ thể. Nhiệm vụ của phân tích pha định tính được tạo thuận lợi rất nhiều nếu biết được thành phần hóa học của vật liệu đang nghiên cứu, vì khi đó có thể đưa ra các giả thiết sơ bộ về các pha có thể xảy ra trong trường hợp này.

Chìa khóa của phân tích pha là đo chính xác d / n và cường độ dòng. Mặc dù về nguyên tắc, điều này dễ đạt được hơn khi sử dụng máy đo nhiễu xạ, nhưng quang phổ để phân tích định tính có một số ưu điểm, chủ yếu về độ nhạy (khả năng phát hiện sự hiện diện của một lượng nhỏ pha trong mẫu), cũng như tính đơn giản của kỹ thuật thí nghiệm.

Việc tính toán d / n từ mẫu tia X được thực hiện bằng phương trình Wulf-Bragg.

Là giá trị của λ trong phương trình này, λ α cf-series K thường được sử dụng:

λ α cf = (2λ α1 + λ α2) / 3 (2)

Đôi khi dòng K α1 được sử dụng. Việc xác định góc nhiễu xạ θ cho tất cả các vạch tia X cho phép bạn tính d / n theo phương trình (1) và tách các vạch β (nếu không có bộ lọc cho (tia β).

3.1 Phân tích sự không hoàn hảo của cấu trúc tinh thể

Tất cả các vật liệu đơn tinh thể thực sự và thậm chí hơn thế nữa là các vật liệu đa tinh thể đều chứa một số khiếm khuyết về cấu trúc nhất định (khuyết tật điểm, lệch vị trí, nhiều loại giao diện khác nhau, các áp suất vi mô và vĩ mô), có ảnh hưởng rất mạnh đến tất cả các đặc tính và quá trình nhạy cảm với cấu trúc.

Sự không hoàn hảo của cấu trúc gây ra sự biến dạng của mạng tinh thể có bản chất khác nhau và kết quả là các dạng thay đổi khác nhau trong dạng nhiễu xạ: sự thay đổi trong khoảng cách giữa các nguyên tử và giữa các mặt phẳng gây ra sự thay đổi cực đại nhiễu xạ, các vi áp suất và sự phân tán của cấu trúc con dẫn đến mở rộng của cực đại nhiễu xạ, các vi điện trở mạng - đối với sự thay đổi cường độ của các cực đại này, sự sai lệch hiện diện gây ra các hiện tượng bất thường trong quá trình truyền tia X và do đó, sự tương phản cục bộ không đồng nhất trên các biểu đồ tia X, v.v.

Do đó, phân tích nhiễu xạ tia X là một trong những phương pháp có nhiều thông tin nhất để nghiên cứu sự không hoàn hảo của cấu trúc, dạng và nồng độ của chúng cũng như bản chất của sự phân bố của chúng.

Phương pháp nhiễu xạ tia X trực tiếp truyền thống, được thực hiện trên các máy đo nhiễu xạ tĩnh, do các tính năng thiết kế của chúng, cho phép xác định định lượng ứng suất và biến dạng chỉ trên các mẫu nhỏ được cắt ra từ các bộ phận hoặc vật thể.

Do đó, hiện nay, có sự chuyển đổi từ máy đo nhiễu xạ tia X cỡ nhỏ cố định sang dạng cầm tay, giúp đánh giá ứng suất trong vật liệu của các bộ phận hoặc vật thể mà không bị phá hủy ở các giai đoạn sản xuất và vận hành chúng.

Máy đo nhiễu xạ tia X di động của dòng DRP * 1 giúp kiểm soát ứng suất dư và hiệu quả trong các bộ phận, sản phẩm và cấu trúc có kích thước lớn mà không bị phá hủy

Chương trình trong môi trường Windows không chỉ cho phép xác định ứng suất bằng phương pháp "sin 2 ψ" trong thời gian thực, mà còn theo dõi sự thay đổi trong thành phần pha và kết cấu. Máy dò tọa độ tuyến tính cung cấp đăng ký đồng thời ở góc nhiễu xạ 2θ = 43 °. ống tia X cỡ nhỏ loại "Fox" có độ phát sáng cao và công suất thấp (5 W) đảm bảo an toàn bức xạ của thiết bị, trong đó ở khoảng cách 25 cm tính từ vùng chiếu xạ, mức bức xạ bằng mức nền tự nhiên. Các thiết bị thuộc dòng DRP được sử dụng để xác định ứng suất ở các giai đoạn khác nhau của quá trình tạo hình, cắt, mài kim loại, nhiệt luyện, hàn, làm cứng bề mặt nhằm tối ưu hóa các hoạt động công nghệ này. Kiểm soát sự sụt giảm của ứng suất nén dư gây ra trong các sản phẩm và cấu trúc đặc biệt quan trọng trong quá trình vận hành của chúng giúp sản phẩm có thể ngừng hoạt động trước khi tiêu hủy, ngăn ngừa các tai nạn và thảm họa có thể xảy ra.

3.2 Phân tích phổ

Cùng với việc xác định cấu trúc tinh thể nguyên tử và thành phần pha của vật liệu, để xác định đầy đủ đặc tính của nó, bắt buộc phải xác định thành phần hóa học của nó.

Ngày càng có nhiều cái gọi là phương pháp công cụ phân tích quang phổ được sử dụng trong thực tế cho những mục đích này. Mỗi người trong số họ có những ưu điểm và ứng dụng riêng.

Một trong những yêu cầu quan trọng trong nhiều trường hợp là phương pháp được sử dụng đảm bảo an toàn cho đối tượng được phân tích; Đó là những phương pháp phân tích được thảo luận trong phần này. Tiêu chí tiếp theo mà các phương pháp phân tích mô tả trong phần này được lựa chọn là địa phương của chúng.

Phương pháp phân tích phổ tia X huỳnh quang dựa trên sự xâm nhập của bức xạ tia X khá cứng (từ ống tia X) vào đối tượng được phân tích, xuyên thành một lớp có độ dày khoảng vài micromet. Bức xạ tia X đặc trưng phát sinh trong trường hợp này trong vật thể làm cho nó có thể thu được dữ liệu trung bình về thành phần hóa học của nó.

Để xác định thành phần nguyên tố của một chất, người ta có thể sử dụng phép phân tích phổ tia X đặc trưng của một mẫu đặt trên cực dương của ống tia X và chịu sự bắn phá của điện tử - phương pháp phát xạ, hoặc phân tích quang phổ. bức xạ tia X thứ cấp (huỳnh quang) của mẫu được chiếu xạ bằng tia X cứng từ ống tia X hoặc nguồn khác - phương pháp huỳnh quang.

Nhược điểm của phương pháp phát xạ trước hết là phải đặt mẫu lên cực dương của ống tia X, sau đó là hút chân không bằng bơm chân không; rõ ràng, phương pháp này không thích hợp với các chất dễ chảy và dễ bay hơi. Hạn chế thứ hai liên quan đến thực tế là ngay cả các vật thể chịu lửa cũng bị phá hủy bởi sự bắn phá của điện tử. Phương pháp huỳnh quang không tránh khỏi những thiếu sót này và do đó có ứng dụng rộng rãi hơn nhiều. Ưu điểm của phương pháp huỳnh quang cũng là không có hiện tượng đứt gãy, giúp cải thiện độ nhạy của phép phân tích. So sánh các bước sóng đo được với bảng quang phổ vạch của các nguyên tố hóa học là cơ sở của phép phân tích định tính, và cường độ tương đối của các vạch phổ của các nguyên tố khác nhau tạo thành mẫu chất là cơ sở của phép phân tích định lượng. Từ việc xem xét cơ chế kích thích của bức xạ tia X đặc trưng, ​​rõ ràng là các bức xạ của một hoặc một dãy khác (K hoặc L, M, v.v.) phát sinh đồng thời và tỷ số giữa các cường độ dòng trong dãy luôn là không thay đổi. Do đó, sự hiện diện của phần tử này hoặc phần tử kia được thiết lập không phải bởi các dòng riêng lẻ, mà bởi một loạt các dòng nói chung (trừ những dòng yếu nhất, có tính đến nội dung của phần tử này). Đối với các phần tử tương đối nhẹ, phép phân tích các đường dòng K được sử dụng, cho các phần tử nặng, các đường dòng L; trong các điều kiện khác nhau (tùy thuộc vào thiết bị được sử dụng và các nguyên tố được phân tích), các vùng khác nhau của phổ đặc trưng có thể thuận tiện nhất.

Các tính năng chính của phân tích quang phổ tia X như sau.

Tính đơn giản của phổ đặc trưng tia X ngay cả đối với các nguyên tố nặng (so với quang phổ), đơn giản hóa việc phân tích (số lượng vạch nhỏ; sự giống nhau trong cách sắp xếp lẫn nhau của chúng; với sự gia tăng số sê-ri, sự dịch chuyển đều đặn của quang phổ thành vùng bước sóng ngắn xảy ra; sự đơn giản so sánh của phân tích định lượng).

Sự độc lập của bước sóng với trạng thái của các nguyên tử của nguyên tố được phân tích (tự do hoặc trong một hợp chất hóa học). Điều này là do thực tế là sự xuất hiện của bức xạ tia X đặc trưng có liên quan đến sự kích thích các mức điện tử bên trong, mà trong hầu hết các trường hợp, thực tế không thay đổi theo mức độ ion hóa của nguyên tử.

Khả năng phân tách trong phân tích đất hiếm và một số nguyên tố khác có sự khác biệt nhỏ về phổ trong dải quang học do sự giống nhau về cấu trúc điện tử của các lớp vỏ bên ngoài và khác nhau rất ít về tính chất hóa học của chúng.

Quang phổ huỳnh quang tia X là "không phá hủy", vì vậy nó có lợi thế hơn so với quang phổ thông thường khi phân tích các mẫu mỏng - tấm kim loại mỏng, lá, v.v.

Máy quang phổ huỳnh quang tia X, trong đó có máy quang phổ hoặc máy đo lượng tử đa kênh, cung cấp phân tích định lượng nhanh các nguyên tố (từ Na hoặc Mg đến U) với sai số dưới 1% giá trị xác định, ngưỡng nhạy 10-3 ... 10 -4%.

chùm tia x

Phương pháp xác định thành phần quang phổ của tia X

Quang phổ kế được chia thành hai loại: tinh thể nhiễu xạ và không kết tinh.

Sự phân hủy tia X thành quang phổ bằng cách sử dụng cách tử nhiễu xạ tự nhiên - một tinh thể - về cơ bản tương tự như việc thu được quang phổ của các tia sáng thông thường bằng cách sử dụng cách tử nhiễu xạ nhân tạo dưới dạng các nét tuần hoàn trên thủy tinh. Điều kiện để hình thành cực đại nhiễu xạ có thể được viết là điều kiện "phản xạ" từ một hệ thống các mặt phẳng nguyên tử song song cách nhau một khoảng d hkl.

Khi tiến hành phân tích định tính, người ta có thể đánh giá sự có mặt của một nguyên tố trong mẫu bằng một vạch - thường là vạch có cường độ cao nhất của dãy quang phổ phù hợp với một tinh thể máy phân tích nhất định. Độ phân giải của máy quang phổ nhiễu xạ tinh thể đủ để tách các vạch đặc trưng ngay cả của các nguyên tố ở vị trí gần nhau trong bảng tuần hoàn. Tuy nhiên, cũng cần phải tính đến việc áp đặt các dòng khác nhau của các yếu tố khác nhau, cũng như việc áp đặt các phản ánh của các mệnh lệnh khác nhau. Trường hợp này cần được tính đến khi lựa chọn đường phân tích. Đồng thời, cần sử dụng các khả năng cải thiện độ phân giải của thiết bị.

Sự kết luận

Như vậy, tia X là bức xạ điện từ không nhìn thấy được có bước sóng 10 5 - 10 2 nm. Tia X có thể xuyên qua một số vật liệu không rõ ràng đối với ánh sáng nhìn thấy. Chúng được phát ra trong quá trình giảm tốc của các electron nhanh trong vật chất (quang phổ liên tục) và trong quá trình chuyển tiếp của các electron từ lớp vỏ electron bên ngoài của nguyên tử sang lớp bên trong (quang phổ tuyến tính). Nguồn phát ra bức xạ tia X là: ống tia X, một số đồng vị phóng xạ, máy gia tốc và bộ tích điện tử (bức xạ synctron). Máy thu - phim, màn hình phát quang, máy dò bức xạ hạt nhân. Tia X được sử dụng trong phân tích nhiễu xạ tia X, y học, phát hiện lỗ hổng, phân tích quang phổ tia X, v.v.

Sau khi xem xét những mặt tích cực của khám phá của V. Roentgen, cần phải ghi nhận tác dụng sinh học có hại của nó. Tuy nhiên, tia X có thể gây ra hiện tượng cháy nắng nghiêm trọng (ban đỏ), kèm theo đó là tổn thương sâu hơn và lâu dài hơn trên da. Xuất hiện các vết loét thường biến chứng thành ung thư. Trong nhiều trường hợp, ngón tay hoặc bàn tay phải bị cắt cụt. Cũng có người chết.

Người ta thấy rằng có thể tránh được tổn thương da bằng cách giảm thời gian và liều lượng tiếp xúc, sử dụng vật che chắn (ví dụ: chì) và điều khiển từ xa. Nhưng dần dần những ảnh hưởng khác, lâu dài hơn của việc tiếp xúc với tia X đã được tiết lộ, sau đó được xác nhận và nghiên cứu trên động vật thí nghiệm. Ảnh hưởng do tia X và các bức xạ ion hóa khác (chẳng hạn như tia gamma do chất phóng xạ phát ra) bao gồm:

) những thay đổi tạm thời trong thành phần của máu sau khi tiếp xúc với lượng dư thừa tương đối nhỏ;

) những thay đổi không thể phục hồi trong thành phần của máu (thiếu máu tán huyết) sau khi tiếp xúc quá nhiều trong thời gian dài;

) sự gia tăng tỷ lệ mắc bệnh ung thư (bao gồm cả bệnh bạch cầu);

) lão hóa nhanh hơn và chết sớm;

) sự xuất hiện của bệnh đục thủy tinh thể.

Tác động sinh học của tia X đối với cơ thể con người được xác định bởi mức độ liều bức xạ, cũng như cơ quan cụ thể nào của cơ thể đã tiếp xúc với bức xạ.

Việc tích lũy kiến ​​thức về ảnh hưởng của bức xạ tia X đối với cơ thể con người đã dẫn đến việc xây dựng các tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế về liều bức xạ cho phép, được xuất bản trong nhiều sách tham khảo khác nhau.

Để tránh tác hại của tia X, các phương pháp kiểm soát được sử dụng:

) sự sẵn có của thiết bị thích hợp,

) giám sát việc tuân thủ các quy định an toàn,

) sử dụng đúng thiết bị.

Danh sách các nguồn được sử dụng

1) Blokhin M.A., Vật lý tia X, xuất bản lần thứ 2, M., 1957;

) Blokhin M.A., Phương pháp nghiên cứu quang phổ tia X, M., 1959;

) Tia X. Đã ngồi. ed. M.A. Blokhin, trans. với anh ấy. và tiếng Anh, M., 1960;

) Kharaja F., Tổng quát về kỹ thuật tia X, xuất bản lần thứ 3, M. - L., 1966;

Mirkin L.I., Sổ tay phân tích nhiễu xạ tia X của các đa tinh thể, M., 1961;

) Weinstein E.E., Kakhana M.M., Các bảng tham chiếu về quang phổ tia X, M., 1953.

) Phân tích tia X và quang điện tử. Gorelik S.S., Skakov Yu.A., Rastorguev L.N: Proc. Phụ cấp cho các trường đại học. - ấn bản thứ 4. Cộng. Và một người làm lại. - M.: "MISiS", 2002. - 360 tr.

Các ứng dụng

Phần đính kèm 1

Nhìn chung về ống tia X

Phụ lục 2

Sơ đồ ống tia X để phân tích cấu trúc

Sơ đồ của một ống tia X để phân tích cấu trúc: 1 - thủy tinh anốt kim loại (thường được nối đất); 2 - cửa sổ làm bằng berili để xuất tia X; 3 - cực âm nhiệt; 4 - bầu thủy tinh, cách ly phần cực dương của ống với cực âm; 5 - các đầu nối cực âm, mà điện áp dây tóc được đặt vào, cũng như điện áp cao (so với cực dương); 6 - hệ thống tĩnh điện để tập trung các electron; 7 - cực dương (cực dương); 8 - ống nhánh cho đầu vào và đầu ra của nước chảy làm mát kính anốt.

PHỤ LỤC 3

Sơ đồ Moseley

Biểu đồ Moseley cho chuỗi tia X đặc trưng K-, L- và M. Hệ số hiển thị số thứ tự của nguyên tố Z, đơn vị - ( Với là tốc độ ánh sáng).

Phụ lục 4

Buồng ion hóa.

Hình 1. Mặt cắt của buồng ion hóa hình trụ: 1 - thân hình trụ của buồng, được dùng như một điện cực âm; 2 - thanh hình trụ đóng vai trò như một điện cực dương; 3 - chất cách điện.

Cơm. 2. Sơ đồ chuyển đổi trên buồng ion hóa hiện tại: V - điện áp trên các điện cực của buồng; G là điện kế đo cường độ dòng điện ion hóa.

Cơm. 3. Đặc tính dòng điện-điện áp của buồng ion hóa.

Cơm. 4. Sơ đồ chuyển đổi buồng ion hóa xung: C - điện dung của điện cực thu; R là điện trở.

Phụ lục 5

Máy đo tần số nháy.

Sơ đồ của một bộ đếm ánh sáng: các lượng tử ánh sáng (photon) "đánh bật" các điện tử ra khỏi photocathode; chuyển từ dynode sang dynode, tuyết lở điện tử nhân lên.

Phụ lục 6

Bộ đếm Geiger-Muller.

Cơm. 1. Sơ đồ của máy đếm Geiger-Muller bằng thủy tinh: 1 - ống thủy tinh kín; 2 - cực âm (một lớp đồng mỏng trên ống thép không gỉ); 3 - đầu ra của catốt; 4 - cực dương (sợi mỏng kéo dài).

Cơm. 2. Sơ đồ chuyển đổi trên bộ đếm Geiger-Muller.

Cơm. 3. Đặc tính đếm của bộ đếm Geiger-Muller.

Phụ lục 7

bộ đếm tỷ lệ.

Sơ đồ của bộ đếm tỷ lệ: a - vùng trôi electron; b - diện tích khuếch đại khí.

Phụ lục 8

Máy dò bán dẫn

Máy dò bán dẫn; khu vực nhạy cảm được làm nổi bật bằng cách nở ra; n - vùng của chất bán dẫn có tính dẫn điện tử, p - có lỗ trống, i - có tính dẫn nội tại; a - máy dò rào cản bề mặt silicon; b - detector phẳng germani-liti trôi; c - máy dò đồng trục germani-liti.

Bộ Giáo dục và Khoa học Liên bang Nga

Cơ quan Liên bang về Giáo dục

GOU VPO SUSU

Khoa Hóa lý

tại khóa học KSE: "Bức xạ tia X"

Hoàn thành:

Naumova Daria Gennadievna

Đã kiểm tra:

Phó giáo sư, K.T.N.

Tanklevskaya N.M.

Chelyabinsk 2010

Giới thiệu

Chương I. Khám phá tia X

Biên nhận

Tương tác với vật chất

Tác động sinh học

Sự đăng ký

Đăng kí

Cách chụp X-quang

tia X tự nhiên

Chương II. Chụp X quang

Đăng kí

Phương pháp thu nhận hình ảnh

Lợi ích của chụp X quang

Nhược điểm của chụp X quang

Soi huỳnh quang

Nguyên tắc nhận hàng

Lợi ích của phương pháp soi huỳnh quang

Nhược điểm của phương pháp soi huỳnh quang

Công nghệ kỹ thuật số trong soi huỳnh quang

Phương pháp quét đa dòng

Sự kết luận

Danh sách tài liệu đã sử dụng

Giới thiệu

Bức xạ tia X - sóng điện từ, năng lượng của photon được xác định bởi dải năng lượng từ bức xạ tử ngoại đến bức xạ gamma, tương ứng với dải bước sóng từ 10−4 đến 10² Å (từ 10−14 đến 10−8 m).

Giống như ánh sáng nhìn thấy, tia X gây ra hiện tượng đen phim ảnh. Tính chất này có tầm quan trọng lớn đối với y học, công nghiệp và nghiên cứu khoa học. Đi qua đối tượng đang nghiên cứu và sau đó rơi trên phim, bức xạ tia X mô tả cấu trúc bên trong của nó trên đó. Vì sức xuyên của bức xạ tia X là khác nhau đối với các vật liệu khác nhau, các phần của vật thể ít trong suốt hơn đối với nó sẽ cho các vùng sáng hơn trong ảnh so với các phần mà bức xạ xuyên qua tốt. Do đó, các mô xương ít trong suốt đối với tia X hơn các mô tạo nên da và các cơ quan nội tạng. Do đó, trên phim X quang, xương sẽ được chỉ định là những vùng nhẹ hơn và vị trí gãy xương, nơi có bức xạ trong suốt hơn, có thể được phát hiện khá dễ dàng. Chụp X-quang cũng được sử dụng trong nha khoa để phát hiện sâu răng và áp xe ở chân răng, cũng như trong công nghiệp để phát hiện các vết nứt trên vật đúc, nhựa và cao su.

Tia X được sử dụng trong hóa học để phân tích các hợp chất và trong vật lý để nghiên cứu cấu trúc của tinh thể. Một chùm tia X đi qua một hợp chất hóa học gây ra một bức xạ thứ cấp đặc trưng, ​​phép phân tích quang phổ cho phép nhà hóa học xác định thành phần của hợp chất. Khi rơi vào một chất tinh thể, một chùm tia X bị phân tán bởi các nguyên tử của tinh thể, tạo ra một mô hình rõ ràng và đều đặn của các đốm và sọc trên tấm ảnh, giúp thiết lập cấu trúc bên trong của tinh thể.

Việc sử dụng tia X trong điều trị ung thư dựa trên thực tế là nó tiêu diệt các tế bào ung thư. Tuy nhiên, nó cũng có thể có tác dụng không mong muốn đối với các tế bào bình thường. Do đó, phải hết sức thận trọng trong việc sử dụng tia X này.

Chương I. Khám phá tia X

Việc phát hiện ra tia X là do Wilhelm Conrad Roentgen. Ông là người đầu tiên xuất bản một bài báo về tia X, mà ông gọi là tia X (x-ray). Một bài báo của Roentgen có tiêu đề "Về một loại tia mới" được xuất bản vào ngày 28 tháng 12 năm 1895 trên tạp chí của Hiệp hội Y khoa Würzburg. Tuy nhiên, nó được coi là đã được chứng minh rằng tia X đã thu được trước đó. Ống tia âm cực mà Roentgen sử dụng trong các thí nghiệm của mình được phát triển bởi J. Hittorf và W. Kruks. Ống này tạo ra tia X. Điều này đã được thể hiện trong các thí nghiệm của Crookes và từ năm 1892 trong các thí nghiệm của Heinrich Hertz và học trò của ông là Philipp Lenard thông qua việc làm đen các tấm ảnh. Tuy nhiên, không ai trong số họ nhận ra tầm quan trọng của khám phá và không công bố kết quả của họ. Ngoài ra, Nikola Tesla, bắt đầu từ năm 1897, đã thử nghiệm với ống tia âm cực, nhận tia X, nhưng không công bố kết quả của mình.

Vì lý do này, Roentgen không biết về những khám phá được thực hiện trước ông và đã khám phá ra các tia, sau này được đặt theo tên ông, một cách độc lập - trong khi quan sát sự phát huỳnh quang xảy ra trong quá trình hoạt động của ống tia âm cực. Roentgen đã nghiên cứu tia X trong hơn một năm (từ ngày 8 tháng 11 năm 1895 đến tháng 3 năm 1897) và chỉ xuất bản ba bài báo tương đối nhỏ về chúng, nhưng chúng đã cung cấp một mô tả đầy đủ về các tia mới mà hàng trăm bài báo của những người theo ông, sau đó được xuất bản trong suốt 12 năm, không thể thêm hoặc thay đổi bất cứ điều gì cần thiết. Roentgen, người đã mất hứng thú với việc chụp X-quang, nói với các đồng nghiệp của mình: "Tôi đã viết tất cả mọi thứ rồi, đừng lãng phí thời gian của bạn." Cũng góp phần vào sự nổi tiếng của Roentgen là bức ảnh nổi tiếng về bàn tay của vợ mà anh đã đăng trong bài báo của mình (xem hình bên phải). Sự nổi tiếng đó đã mang lại cho Roentgen giải Nobel Vật lý đầu tiên vào năm 1901, và Ủy ban Nobel nhấn mạnh tầm quan trọng thực tế của khám phá của ông. Năm 1896, tên gọi "tia X" lần đầu tiên được sử dụng. Ở một số quốc gia, tên cũ vẫn còn - X-quang. Ở Nga, tia bắt đầu được gọi là "tia X" theo gợi ý của một sinh viên V.K. Roentgen - Abram Fedorovich Ioffe.

Vị trí trên thang sóng điện từ

Dải năng lượng của tia X và tia gamma trùng nhau trong một dải năng lượng rộng. Cả hai loại bức xạ đều là bức xạ điện từ và tương đương với cùng một năng lượng photon. Sự khác biệt về mặt thuật ngữ nằm ở phương thức xảy ra - Tia X được phát ra với sự tham gia của các electron (trong nguyên tử hoặc tự do), trong khi bức xạ gamma được phát ra trong quá trình khử kích thích của hạt nhân nguyên tử. Các photon tia X có năng lượng từ 100 eV đến 250 keV, tương ứng với bức xạ có tần số từ 3 1016 Hz đến 6 1019 Hz và bước sóng 0,005 - 10 nm (không có định nghĩa chung được chấp nhận về giới hạn dưới của X -dải tia trong thang bước sóng). Tia X mềm được đặc trưng bởi năng lượng photon và tần số bức xạ thấp nhất (và bước sóng dài nhất), trong khi tia X cứng có năng lượng photon và tần số bức xạ cao nhất (và bước sóng ngắn nhất).

(Ảnh chụp X-quang (roentgenogram) bàn tay của vợ, do V.K. Roentgen chụp)

)

Biên nhận

Tia X được tạo ra do gia tốc mạnh của các hạt mang điện (chủ yếu là electron) hoặc do sự chuyển dịch năng lượng cao trong lớp vỏ electron của nguyên tử hoặc phân tử. Cả hai hiệu ứng đều được sử dụng trong các ống tia X, trong đó các điện tử phát ra từ một catốt nóng được tăng tốc (không có tia X nào được phát ra, vì gia tốc quá thấp) và đập vào anôt, nơi chúng bị giảm tốc mạnh (trong trường hợp này, Tia X được phát ra: cái gọi là. Bremsstrahlung) và đồng thời đánh bật các electron ra khỏi lớp vỏ electron bên trong của nguyên tử kim loại mà từ đó anot được tạo ra. Các khoảng trống trong lớp vỏ bị chiếm bởi các điện tử khác của nguyên tử. Trong trường hợp này, bức xạ tia X được phát ra với một đặc tính năng lượng nhất định của vật liệu làm anốt (bức xạ đặc trưng, ​​tần số được xác định bởi định luật Moseley:

,

trong đó Z là số hiệu nguyên tử của nguyên tố anot, A và B là các hằng số đối với một giá trị nào đó của số lượng tử chính n của lớp vỏ electron). Hiện tại, cực dương được làm chủ yếu bằng gốm, và phần mà các điện tử va vào được làm bằng molypden. Trong quá trình tăng-giảm tốc, chỉ có 1% động năng của êlectron truyền tới tia X, 99% năng lượng chuyển thành nhiệt năng.

Tia X cũng có thể thu được trong máy gia tốc hạt. cái gọi là. Bức xạ synchrotron xảy ra khi một chùm hạt bị lệch trong từ trường, do đó chúng gặp gia tốc theo hướng vuông góc với chuyển động của chúng. Bức xạ synchrotron có phổ liên tục với giới hạn trên. Với các tham số được lựa chọn thích hợp (độ lớn của từ trường và năng lượng của các hạt), tia X cũng có thể thu được trong phổ của bức xạ synctron.

Biểu diễn giản đồ của một ống tia X. Tia X - tia X, K - cực âm, A - cực dương (đôi khi được gọi là cực âm), C - bộ tản nhiệt, Uh - điện áp dây tóc catốt, Ua - điện áp gia tốc, Win - đầu vào làm mát bằng nước, Wout - đầu ra làm mát bằng nước (xem x- ống tia).

Tương tác với vật chất

Chiết suất của hầu hết mọi chất đối với tia X rất khác biệt với sự thống nhất. Một hệ quả của điều này là thực tế là không có vật liệu nào có thể chế tạo thấu kính tia X. Ngoài ra, khi tia X tới vuông góc với bề mặt, chúng hầu như không bị phản xạ. Mặc dù vậy, trong quang học tia X, người ta đã tìm ra các phương pháp để xây dựng các phần tử quang học cho tia X.

Tia X có thể xuyên qua vật chất, và các chất khác nhau hấp thụ chúng theo cách khác nhau. Sự hấp thụ tia X là đặc tính quan trọng nhất của chúng trong chụp ảnh tia X. Cường độ tia X giảm dần theo cấp số nhân phụ thuộc vào đường truyền trong lớp hấp thụ (I = I0e-kd, trong đó d là chiều dày lớp, hệ số k tỉ lệ với Z3λ3, Z là số nguyên tử của nguyên tố, λ là bước sóng).

Sự hấp thụ xảy ra do quá trình quang hấp thụ và tán xạ Compton:

Hiện tượng quang hấp thụ được hiểu là quá trình một photon đẩy electron ra khỏi vỏ nguyên tử, đòi hỏi năng lượng photon phải lớn hơn một giá trị nhỏ nhất nào đó. Nếu chúng ta coi xác suất của hành động hấp thụ phụ thuộc vào năng lượng của photon, thì khi đạt đến một năng lượng nhất định, nó (xác suất) tăng mạnh đến giá trị cực đại của nó. Đối với năng lượng cao hơn, xác suất liên tục giảm. Bởi vì sự phụ thuộc này, người ta nói rằng có một giới hạn hấp thụ. Vị trí của điện tử bị loại ra trong quá trình hấp thụ bị chiếm bởi một điện tử khác, trong khi bức xạ có năng lượng photon thấp hơn được phát ra, cái gọi là. quá trình huỳnh quang.