Якщо U виразити в кіловольтах і врахувати співвідношення між іншими величинами, то формула має вигляд: l к = 1,24/U (нм) або l к =1,24/U (Å) (1Å = 10 -10 м).

З наведених вище графіків можна встановити, що довжина хвилі l m , на яку припадає максимум енергії випромінювання, знаходиться у постійному співвідношенні з граничною довжиною хвилі l до:

.

Довжина хвилі характеризує енергію фотона, від якої залежить здатність випромінювання, що проникає, при взаємодії його з речовиною.

Короткохвильове рентгенівське випромінювання зазвичай має велику проникаючу здатність і називається жорстким, а довгохвильове - м'яким. Як видно з наведеної вище формули, довжина хвилі, на яку припадає максимум енергії випромінювання, обернено пропорційна напрузі між анодом і катодом трубки. Збільшуючи напругу на аноді рентгенівської трубки, змінюють спектральний склад випромінювання та збільшують його жорсткість.

При зміні напруги розжарювання (змінюється температура розжарювання катода) змінюється кількість електронів, що випускаються катодом в одиницю часу, або відповідно сила струму в ланцюзі анода трубки. При цьому потужність випромінювання змінюється пропорційно до першого ступеня сили струму. Спектральний склад випромінювання не зміниться.

Загальний потік (потужність) випромінювання, розподіл енергії по довжинах хвиль, а також межа спектру з боку коротких довжин хвиль залежить від трьох причин: напруги U, що прискорює електрони і прикладеного між анодом і катодом трубки; кількості електронів, що у освіті випромінювання, тобто. сили струму розжарювання трубки; атомного номера Z речовини анода, де відбувається гальмування електрона.

Потік гальмівного рентгенівського випромінювання обчислюється за такою формулою: , де ,

Z-порядковий номер атома речовини (атомний номер).

Збільшуючи напругу на рентгенівській трубці, можна побачити і натомість суцільного гальмівного рентгенівського випромінювання поява окремих ліній (лінійчастий спектр), що відповідає характеристичного рентгенівського випромінювання. Воно виникає під час переходу електронів між внутрішніми оболонками атомів у речовині (оболонки До, L, М). Лінійчастий характер спектру характеристичного випромінювання виникає внаслідок того, що прискорені електрони проникають углиб атомів і з внутрішніх шарів вибивають електрони за межі атома. На вільні місця переходять електрони (рис.2) з верхніх шарів, у результаті випромінюються фотони рентгенівського випромінювання з частотою, що відповідає різниці рівнів енергії переходу. Лінії в спектрі характеристичного випромінювання поєднуються в серії, що відповідають переходам електронів з більш високим рівнем на рівні К, L, М.

Зовнішній вплив, в результаті якого електрон вибивається з внутрішніх шарів, має бути досить сильним. На відміну від оптичних спектрів, характеристичні рентгенівські спектри різних атомів однотипні. p align="justify"> Однотипність цих спектрів обумовлена ​​тим, що внутрішні шари у різних атомів однакові і відрізняються лише енергетично, т.к. силова дія з боку ядра збільшується в міру зростання порядкового номера елемента. Це призводить до того, що характеристичні спектри зсуваються у бік високих частот зі збільшенням заряду ядер. Така залежність відома як закон Мозлі: , де А та В-постійні; Z-порядковий номер елемент.

Є ще одна відмінність між рентгенівськими та оптичними спектрами. Характеристичний спектр атома залежить від хімічної сполуки, куди атом входить. Так, наприклад, рентгенівський спектр атома кисню однаковий для, О 2 , Н 2 О, в той час як оптичні спектри цих сполук істотно різні. Ця особливість рентгенівських спектрів атомів і стала підставою для назви «характеристичні».

Характеристичне випромінювання виникає завжди, коли є вільні місця у внутрішніх шарах атома незалежно від причин, що його викликали. Наприклад, воно супроводжує один із видів радіоактивного розпаду, який полягає у захопленні ядром електрона з внутрішнього шару.

2. Влаштування рентгенівських трубок і найпростішого

рентгенівського апарату.

Найбільш поширеним джерелом рентгенівського випромінювання є рентгенівська трубка – двоелектродний вакуумний прилад (рис.3). Вона є скляним балоном (p = 10 -6 – 10 -7 мм. рт. ст.) з двома електродами – анодом А і катодом К, між якими створюється висока напруга. Підігрітий катод (К) випромінює електрони. Анод А часто називають антикатодом. Він має похилу поверхню для того, щоб направити рентгенівське випромінювання, що виникає під кутом до осі трубки. Анод виготовляється з металу з гарною теплопровідністю (мідь) для відведення тепла, що утворюється під час удару електронів. На скошеному торці анода є пластинка З тугоплавкого металу (вольфрам) з високим атомним номером, звана дзеркалом анода. В окремих випадках анод спеціально охолоджують водою чи олією. Для діагностичних трубок важливою є точковість джерела рентгенівських променів, що можна досягти, сфокусувавши електрони в одному місці анода. Тому конструктивно доводиться враховувати два протилежні завдання: з одного боку електрони повинні потрапляти на одне місце анода, з іншого боку, щоб не допускати перегріву, бажано розподіл електронів по різних ділянках анода. У зв'язку з цим деякі рентгенівські трубки виготовляються з анодом, що обертається.

У трубці будь-якої конструкції електрони, прискорені напругою між анодом і катодом, потрапляють на дзеркало анода і проникають углиб речовини, взаємодіють із атомами і гальмуються полем атомів. У цьому виникає гальмівне рентгенівське випромінювання. Одночасно з гальмівним утворюється невелика кількість (кілька відсотків) характеристичного випромінювання. Тільки 1-2% електронів, які потрапляють на анод, викликають гальмівне випромінювання, а решта – тепловий ефект. Для концентрації електронів катод має спрямовуючий ковпачок. Частина вольфрамового дзеркала, яку падає основний потік електронів, називається фокусом трубки. Від його площі (гострота фокусу) залежить ширина пучка випромінювання.

Для живлення трубки потрібно два джерела: джерело високої напруги для анодного ланцюга та низького (6-8 В) для живлення ланцюга розжарення. Обидва джерела повинні мати незалежне регулювання. Шляхом зміни анодної напруги регулюється жорсткість рентгенівського випромінювання, а зміною напруження – струм вихідного ланцюга та, відповідно, потужність випромінювання.

Принципова електрична схема найпростішого рентгенівського апарату наведено на рис.4. У схемі є два трансформатори Тр.1 високої напруги та Тр.2 для живлення розжарення. Висока напруга на трубці регулюється автотрансформатор Тр.3, підключеним до первинної обмотки трансформатора Тр.1. Перемикачем К регулюється кількість витків обмотки автотрансформатора. У зв'язку з цим змінюється напруга вторинної обмотки трансформатора, подане на анод трубки, тобто. регулюється жорсткість.

Струм напруження трубки регулюється реостатом R, включеним у ланцюг первинної обмотки трансформатора Тр.2. Струм анодного ланцюга вимірюється міліамперметром. Подається на електроди трубки напруга вимірюється кіловольтметром кV або про величину напруги в анодному ланцюгу можна судити за становищем перемикача К. Величина струму розжарення, регульована реостатом, вимірюється амперметром А. У схемі, що розглядається, рентгенівська трубка одночасно випрямляє високу змінну.

Неважко помітити, що така трубка випромінює лише один півперіод змінного струму. Отже, її потужність буде невеликою. З метою збільшення випромінюваної потужності у багатьох апаратах використовують високовольтні двонапівперіодні рентгенівські випрямлячі. Для цієї мети використовуються 4 спеціальні кенотрони, які включені за бруківкою. В одну діагональ моста вмикається рентгенівська трубка.

3. Взаємодія рентгенівського випромінювання з речовиною

(Когерентне розсіювання, некогерентне розсіювання, фотоефект).

При падінні рентгенівського випромінювання якесь тіло воно у невеликій кількості відбивається від нього, а переважно проходить вглиб. У масі тіла випромінювання частково поглинається, частково розсіюється, а частково проходить наскрізь. Проходячи через тіло, фотони рентгенівського випромінювання взаємодіють в основному з електронами атомів і молекул речовини. Реєстрація та використання рентгенівського випромінювання, а також вплив його на біологічні об'єкти визначається первинними процесами взаємодії рентгенівського фотона з електронами. Залежно від співвідношення енергії Е фотону та енергії іонізації А І мають місце три основні процеси.

а)Когерентне розсіювання.

Розсіяння довгохвильового рентгенівського випромінювання відбувається переважно без зміни довжини хвилі, і його називають когерентним. Взаємодія фотона з електронами внутрішніх оболонок, міцно пов'язаних з ядром, змінює тільки його напрямок, не змінюючи енергії, отже довжини хвилі (рис.5).

Когерентне розсіювання виникає, якщо енергія фотона менше енергії іонізації: Е = hn<А И. Так как энергия фотона и энергия атома не изменяется, то когерентное рассеяние не вызывает биологического действия. Однако при создании защиты от рентгеновского излучения следует учитывать возможность изменения направления первичного пучка.

б)Некогерентне розсіювання (ефект Комптон).

У 1922 році А. Комптон, спостерігаючи розсіювання жорстких рентгенівських променів, виявив зменшення проникаючої здатності розсіяного пучка порівняно з падаючим. Розсіювання рентгенівського випромінювання із зміною довжини хвилі називається ефектом Комптону. Він виникає при взаємодії фотона будь-яких енергій із слабо пов'язаними з ядром електронами зовнішніх оболонок атомів (рис.6). Електрон відривається від атома (такі електрони називають електронами віддачі). Енергія фотона зменшується (довжина хвилі відповідно збільшується), а також змінюється напрямок його руху. Ефект Комптон виникає, якщо енергія фотона рентгенівського випромінювання більше енергії іонізації: , . При цьому з'являються електрони віддачі з кінетичною енергією ЕК. Атоми та молекули стають іонами. Якщо ЕК значна, то електрони можуть іонізувати сусідні атоми шляхом зіткнення, утворюючи нові (вторинні) електрони.

в)Фотоефект.

Якщо енергія фотона hn є достатньою для відриву електрона, то при взаємодії з атомом фотон поглинається, а електрон відривається від нього. Це називається фотоефектом. Атом іонізується (фотоіноізація). При цьому електрон набуває кінетичної енергії і, якщо остання значна, він може іонізувати сусідні атоми шляхом зіткнення, утворюючи нові (вторинні) електрони. Якщо енергія фотона недостатня для іонізації, то фотоефект може проявлятися у збудженні атома або молекули. У деяких речовин це призводить до подальшого випромінювання фотонів в області видимого випромінювання (рентгенолюмінесценція), а в тканинах – активації молекул і фотохімічних реакцій.

Фотоефект притаманний фотонів з енергією порядку 0,5-1 МеВ.

Три основні процеси взаємодії, розглянуті вище, є первинними, вони призводять до наступних вторинних, третинних і т.д. явищ. При попаданні рентгенівського випромінювання речовина може відбуватися низку процесів, як енергія рентгенівського фотона перетвориться на енергію теплового руху.

Внаслідок зазначених вище процесів первинний потік рентгенівського випромінювання послаблюється. Цей процес підпорядковується закону Бугера. Запишемо його у вигляді: Ф = Ф 0 е - mх, де m-лінійний коефіцієнт ослаблення, що залежить від природи речовини (головним чином від густини та атомного номера) і від довжини хвилі випромінювання (енергія фотона). Його можна уявити, що складається з трьох доданків, що відповідають когерентному розсіюванню, некогерентному розсіюванню та фотоефекту: .

Так як лінійний коефіцієнт поглинання залежить від густини речовини, то воліють користуватися масовим коефіцієнтом ослаблення, який дорівнює відношенню лінійного коефіцієнта ослаблення до густини поглинача і не залежить від густини речовини . Залежність потоку (інтенсивність) рентгенівського випромінювання від товщини фільтра, що поглинає, представлена ​​на рис.7 для Н 2 Про, Al, і Cu. Розрахунки показують, що шар води товщиною 36 мм, алюмінію 15 мм та міді 1,6 мм зменшують інтенсивність рентгенівського випромінювання у 2 рази. Цю товщину називають товщиною половинного шару d. Якщо речовина послаблює рентгенівське випромінювання наполовину, тоді , або , ; ; . Знаючи товщину половинного шару завжди можна визначити m. Розмірність.

4. Використання рентгенівського випромінювання у медицині

(Рентгеноскопія, рентгенографія, рентгенівська томографія, флюорографія, рентгенотерапія).

Одним із найпоширеніших застосувань рентгенівського випромінювання в медицині є просвічування внутрішніх органів з діагностичною метою – рентгенодіагностика.

Для діагностики використовують фотони з енергією 60-120 кеВ. При цьому масовий коефіцієнт поглинання визначається переважно фотоефектом. Його значення пропорційно l 3 (у чому проявляється велика проникаюча здатність жорсткого випромінювання) і пропорційно до третього ступеня номера атомів речовини – поглинача: , де К–коефіцієнт пропорційності.

Тіло людини складається з тканин та органів, що мають різну поглинаючу здатність по відношенню до рентгенівського випромінювання. Тому при просвічуванні його рентгенівськими променями виходить неоднорідне тіньове зображення на екрані, яке дає картину розташування внутрішніх органів та тканин. Найбільш щільні поглинаюче випромінювання тканини (серце, великі судини, кістки) видно темними, а мало поглинаючі тканини (легкі) – світлими.

У багатьох випадках можна при цьому судити про їхній нормальний або патологічний стан. Рентгенодіагностика використовує два основні методи: рентгеноскопію (просвічування) та рентгенографію (знімок). Якщо досліджуваний орган і навколишні тканини приблизно однаково поглинають потік рентгенівського випромінювання, застосовують спеціальні контрастні речовини. Так, наприклад, дають напередодні рентгенівського дослідження шлунка або кишківника кашеподібну масу сульфату барію, в цьому випадку можна бачити їхнє тіньове зображення. При рентгеноскопії та рентгенографії рентгенівське зображення є сумарним зображенням усієї товщини об'єкта, через який проходять рентгенівські промені. Найбільш чітко окреслюються ті деталі, які ближче до екрану або плівки, а віддалені стають нечіткими та розмитими. Якщо в якомусь органі є патологічно змінена ділянка, наприклад, руйнування легеневої тканини всередині великого вогнища запалення, то в ряді випадків ця ділянка на рентгенограмі в сумі тіней може втратитися. Щоб зробити його видимим застосовують спеціальний метод - томографію (пошаровий запис), яка дозволяє отримати знімки окремих шарів області, що вивчається. Такі пошарові знімки-томограми отримують за допомогою спеціального апарату, званого томографом, в якому періодично, спільно, в протифазі переміщують рентгенівську трубку (РТ) і фотоплівку (Фп) щодо області дослідження. При цьому рентгенівські промені при будь-якому положенні РТ проходитимуть через ту саму точку об'єкта (змінена ділянка), що є центром, щодо якого відбувається періодичний рух РТ і Фп. Тіньове зображення ділянки буде зафіксовано на плівці. Змінюючи положення центру гойдання, можна отримати пошарові зображення об'єкта. Використовуючи тонкий пучок рентгенівського випромінювання, спеціальний екран (замість Фп), що складається з напівпровідникових детекторів іонізуючого випромінювання, можна за допомогою ЕОМ обробити зображення при томографії. Такий сучасний варіант томографії називається комп'ютерною томографією. Томографія широко застосовується для дослідження легень, нирок, жовчного міхура, шлунка, кісток тощо.

Яскравість зображення на екрані та час експозиції на фотоплівці залежить від інтенсивності рентгенівського випромінювання. При використанні його для діагностики інтенсивність не може бути великою, щоб не викликати небажаного біологічного ефекту. Тому є ряд технічних пристосувань, що виключають яскравість зображення за малих інтенсивностей рентгенівського випромінювання. Одним з таких пристроїв є електронно-оптичний перетворювач.

Інший приклад – флюорографія, при якому на чутливій малоформатній плівці виходить зображення з великого рентгенолюмінесцентного екрану. Під час зйомки використовують лінзу великої світлосили, готові знімки розглядають на спеціальному збільшувачі.

Флюорографія поєднує в собі велику можливість виявлення потайних захворювань (захворювання органів грудної клітини, шлунково-кишкового тракту, придаткових пазух носа і т.д.) зі значною пропускною здатністю, у зв'язку з чим є дуже ефективним методом масового (поточного) дослідження.

Оскільки фотографування рентгенівського зображення при флюорографії здійснюється за допомогою фотографічної оптики, зображення на флюорограмі порівняно з рентгенівським є зменшеним. У зв'язку з цим роздільна здатність флюорограми (тобто розрізнення дрібних деталей) менше, ніж звичайної рентгенограми, проте більше, ніж при рентгеноскопії.

Сконструйовано апарат – томофлюорограф, що дозволяє отримувати флюорограми частин тіла та окремих органів на заданій глибині – так звані пошарові знімки (зрізи) – томофлюорограми.

Рентгенівське випромінювання також використовується для лікувальних цілей (рентгенотерапія). Біологічна дія випромінювання полягає в порушенні життєдіяльності клітин, що особливо швидко розвиваються. У зв'язку з цим рентгенотерапія застосовується для на злоякісні пухлини. Можна підібрати дозу випромінювання достатню для повного руйнування пухлини при відносно незначному пошкодженні здорових тканин, що оточують, які внаслідок подальшої регенерації відновлюються.

Дія рентгенівського випромінювання на речовину визначається первинними процесами взаємодії рентгенівського фотону з електронами атомів та молекул речовини.

3. Рентгенівська комп'ютерна томографія.

p align="justify"> Метод рентгенівської комп'ютерної томографії заснований на реконструкції зображення певного перерізу (зрізу) тіла пацієнта шляхом реєстрації великої кількості рентгенівських проекцій цього перерізу, виконаних під різними кутами (рис. 5). Інформація від датчиків, що реєструють ці проекції, надходить у комп'ютер, який за спеціальною програмою обчислюєрозподіл щільності зразкау досліджуваному перерізі та відображає його на екрані дисплея. Отримане таким чином зображення перерізу тіла пацієнта характеризується чудовою чіткістю та високою інформативністю. Програма дозволяє за необхідності збільшити контраст зображенняу десятки і навіть сотні разів. Це розширює діагностичні можливості методу.

Мал. 5. Схема рентгенівського просвічування зрізу досліджуваного органу (точка 1 і точка 2 - два послідовні положення джерела рентгенівського випромінювання)

4. При флюорографіїна чутливій малоформатній плівці фіксується зображення великого екрана (рис.6). Під час аналізу знімки розглядаються на спеціальному збільшувачі.

Цей метод застосовується масового обстеження населення. У цьому випадку радіаційне навантаження на пацієнта набагато менше, ніж у традиційній рентгеноскопії.

Рентгенотерапія- Використання рентгенівського випромінювання для руйнування злоякісних утворень.

Біологічна дія випромінювання полягає в порушенні життєдіяльності пухлинних клітин, що швидко розмножуються. У цьому енергія R - фотонів становить 150-200 кеВ.

Візіографи (апарати з цифровою обробкою рентгенівського зображення) у сучасній стоматології

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

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

Очевидно, що для отримання чіткого та докладного зображення твердих тканин зубощелепної системи при мінімальному променевому навантаженні потрібні інші рішення. Сьогодні пошук призвів до створення так званих радіографічних систем, відеографів - систем цифрової рентгенографії (1987 р., фірма Trophy).

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

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

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

При обробці зображень відеографи дозволяють:

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

2. Підвищувати контраст і збільшувати цікавий фрагмент зображення.

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

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

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

Розв'яжіть завдання:

1. У скільки разів максимальна енергія кванта рентгенівського гальмівного випромінювання, що виникає при напрузі на трубці 80 кВ, більша за енергію фотона, що відповідає зеленому світлу з довжиною хвилі 500 нм?

2. Визначте мінімальну довжину хвилі у спектрі випромінювання, що виникає внаслідок гальмування на мішені електронів, прискорених у бетатроні до енергії 60 МеВ.

3. Шар половинного ослаблення монохроматичного рентгенівського випромінювання у деякій речовині становить 10 мм. Знайдіть показник ослаблення цього випромінювання у цій речовині.

[*] Φ l - відношення енергії, що випромінюється у вузькому інтервалі довжин хвиль за 1с. до ширини цього інтервалу

* "Ф" у формулі (4) відноситься до всього інтервалу випромінюваних довжин хвиль і часто називається "Інтегральний потік енергії".

Рентгенівським випромінюванням називають електромагнітні хвилі із довжиною приблизно від 80 до 10 -5 нм. Найбільш довгохвильове рентгенівське випромінювання перекривається короткохвильовим ультрафіолетовим, короткохвильове - довгохвильовим γ-випромінюванням. За способом збудження рентгенівське випромінювання поділяють на гальмівне та характеристичне.

31.1. ПРИСТРІЙ РЕНТГЕНІВСЬКОЇ ТРУБКИ. ГАЛЬМОВЕ РЕНТГЕНІВСЬКЕ ВИМИКАННЯ

Найбільш поширеним джерелом рентгенівського випромінювання є рентгенівська трубка, яка є дво-електродним ваккумним приладом (рис. 31.1). Підігрівний катод 1 випускає електрони 4. Анод 2, званий часто антикатодом, має похилу поверхню, для того щоб направити рентгенівське випромінювання, що виникає. 3 під кутом до осі трубки. Анод виготовлений з добре теплопровідного матеріалу для відведення теплоти, що утворюється при ударі електронів. Поверхня анода виконана з тугоплавких матеріалів, що мають великий порядковий номер атома таблиці Менделєєва, наприклад з вольфраму. В окремих випадках анод спеціально охолоджують водою чи олією.

Для діагностичних трубок важливою є точковість джерела рентгенівських променів, чого можна досягти, фокусуючи електрони в одному місці антикатода. Тому конструктивно доводиться враховувати дві протилежні завдання: з одного боку, електрони повинні потрапляти на одне місце анода, з іншого боку, щоб не допустити перегріву, бажано розподіл електронів по різних ділянках анода. Як один з цікавих технічних рішень є рентгенівська трубка з анодом, що обертається (рис. 31.2).

Внаслідок гальмування електрона (або іншої зарядженої частинки) електростатичним полем атомного ядра та атомарних електронів речовини антикатода виникає гальмівне рентгенівське випромінювання.

Механізм його можна пояснити так. З електричним зарядом, що рухається, пов'язане магнітне поле, індукція якого залежить від швидкості електрона. При гальмуванні зменшується магнітна

індукція та відповідно до теорії Максвелла з'являється електромагнітна хвиля.

При гальмуванні електронів лише частина енергії йде створення фотона рентгенівського випромінювання, інша частина витрачається нагрівання анода. Оскільки співвідношення між цими частинами випадково, то при гальмуванні великої кількості електронів утворюється безперервний спектр рентгенівського випромінювання. У зв'язку з цим гальмівне випромінювання називають суцільним. На рис. 31.3 представлені залежності потоку рентгенівського випромінювання від довжини хвилі (спектри) при різних напругах в рентгенівській трубці: U 1< U 2 < U 3 .

У кожному спектрі найбільш короткохвильове гальмівне випромінювання λ ηίη виникає тоді, коли енергія, придбана електроном у полі, що прискорює, повністю переходить в енергію фотона:

Зауважимо, що на основі (31.2) розроблено один з найбільш точних способів експериментального визначення постійної Планки.

Короткохвильове рентгенівське випромінювання зазвичай має більшу проникаючу здатність, ніж довгохвильове, і називається жорстким,а довгохвильове - м'яким.

Збільшуючи напругу на рентгенівській трубці, змінюють спектральний склад випромінювання, як видно з рис. 31.3 та формули (31.3), і збільшують жорсткість.

Якщо збільшити температуру розжарення катода, то зростуть емісія електронів та сила струму в трубці. Це призведе до збільшення кількості фотонів рентгенівського випромінювання, що випускаються кожну секунду. Спектральний склад його зміниться. На рис. 31.4 показані спектри гальмівного рентгенівського випромінювання при одному напрузі, але при різній силі струму розжарення катода: / н1< / н2 .

Потік рентгенівського випромінювання обчислюється за такою формулою:

де Uі I -напруга та сила струму в рентгенівській трубці; Z- Порядковий номер атома речовини анода; k- Коефіцієнт пропорційності. Спектри, отримані від різних антикатодів за однакових Uта I H , зображені на рис. 31.5.

31.2. ХАРАКТЕРИСТИЧНЕ РЕНТГЕНІВСЬКЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ. АТОМНІ РЕНТГЕНІВСЬКІ СПЕКТРИ

Збільшуючи напругу на рентгенівській трубці, можна помітити на тлі суцільного спектра поява лінійчастого, який відповідає

характеристичного рентгенівського випромінювання(Рис. 31.6). Він виникає внаслідок того, що прискорені електрони проникають у глиб атома та з внутрішніх шарів вибивають електрони. На вільні місця переходять електрони з верхніх рівнів (рис. 31.7), внаслідок чого висвічуються фотони характеристичного випромінювання. Як видно з малюнка, характеристичне рентгенівське випромінювання складається із серій K, L, Мі т.д., найменування яких і послужило позначення електронних шарів. Так як при випромінюванні K-серії звільняються місця у більш високих шарах, одночасно випускаються і лінії інших серій.

На відміну від оптичних спектрів, характеристичні рентгенівські спектри різних атомів однотипні. На рис. 31.8 показано спектри різних елементів. Однотипність цих спектрів обумовлена ​​тим, що внутрішні шари у різних атомів однакові і відрізняються лише енергетично, оскільки силова дія з боку ядра збільшується зі зростанням порядкового номера елемента. Ця обставина призводить до того, що характеристичні спектри зрушуються у бік високих частот зі збільшенням заряду ядра. Така закономірність видно з рис. 31.8 і відома як закон Мозлі:

де v -частота спектральної лінії; Z-атомний номер випромінюючого елемента; Аі У- Постійні.

Є ще одна різниця між оптичними та рентгенівськими спектрами.

Характеристичний рентгенівський спектр атома залежить від хімічної сполуки, куди цей атом входить. Так, наприклад, рентгенівський спектр атома кисню однаковий для, O 2 і Н 2 Про, в той час як оптичні спектри цих сполук істотно різні. Ця особливість рентгенівського спектру атома стала підставою для назви характеристичне.

Характеристичне випромінювання виникає завжди за наявності вільного місця у внутрішніх шарах атома незалежно від причини, що його викликала. Так, наприклад, характеристичне випромінювання супроводжує один із видів радіоактивного розпаду (див. 32.1), який полягає у захопленні ядром електрона з внутрішнього шару.

31.3. ВЗАЄМОДІЯ РЕНТГЕНІВСЬКОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ З РЕЧОВИНОЮ

Реєстрація та використання рентгенівського випромінювання, а також вплив його на біологічні об'єкти визначаються первинними процесами взаємодії рентгенівського фотона з електронами атомів та молекул речовини.

Залежно від співвідношення енергії hvфотона та енергії іонізації 1 А і мають місце три головні процеси.

Когерентне (класичне) розсіювання

Розсіяння довгохвильового рентгенівського випромінювання відбувається переважно без зміни довжини хвилі, і його називають когерентним.Воно виникає, якщо енергія фотона менше енергії іонізації: hv< А в.

Так як в цьому випадку енергія фотона рентгенівського випромінювання та атома не змінюється, то когерентне розсіювання саме по собі не викликає біологічної дії. Однак при створенні захисту від рентгенівського випромінювання слід враховувати можливість зміни напряму первинного пучка. Цей вид взаємодії має значення рентгеноструктурного аналізу (див. 24.7).

Некогерентне розсіювання (ефект Комптону)

У 1922 р. А.Х. Комптон, спостерігаючи розсіювання жорстких рентгенівських променів, виявив зменшення проникаючої здатності розсіяного пучка порівняно з падаючим. Це означало, що довжина хвилі розсіяного рентгенівського випромінювання більша, ніж падаючого. Розсіяння рентгенівського випромінювання із зміною довжини хвилі називають некогерентним, а саме явище - ефектом комптону.Він виникає, якщо енергія фотона рентгенівського випромінювання більше енергії іонізації: hv > А в.

Це зумовлено тим, що з взаємодії з атомом енергія hvфотона витрачається на утворення нового розсіяного фотона рентгенівського випромінювання з енергією hv",на відрив електрона від атома (енергія іонізації А і) та повідомлення електрону кінетичної енергії Є до:

hv = hv "+ А і + Е до.(31.6)

1 Тут під енергією іонізації розуміють енергію, необхідну видалення внутрішніх електронів межі атома чи молекули.

Так як у багатьох випадках hv>> А та й ефект Комптону відбувається на вільних електронах, то можна записати приблизно:

hv = hv" + EK .(31.7)

Істотно, що у цьому явищі (рис. 31.9) поряд із вторинним рентгенівським випромінюванням (енергія hvфотона) з'являються електрони віддачі (кінетична енергія Є доелектрону). Атоми чи молекули у своїй стають іонами.

Фотоефект

При фотоефекті рентгенівське випромінювання поглинається атомом, у результаті вилітає електрон, а атом іонізується (фотоіонізація).

Три основні процеси взаємодії, розглянуті вище, є первинними, вони призводять до наступних вторинних, третинних і т.д. явищ. Так, наприклад, іонізовані атоми можуть випромінювати характеристичний спектр, збуджені атоми можуть стати джерелами видимого світла (рентгенолюмінесценція) тощо.

На рис. 31.10 наводиться схема можливих процесів, що виникають у разі потрапляння рентгенівського випромінювання в речовину. Може відбуватися кілька десятків процесів, подібних до зображеного, перш ніж енергія рентгенівського фотона перейде в енергію молекулярно-теплового руху. Через війну відбудуться зміни молекулярного складу речовини.

Процеси представлені схемою рис. 31.10 лежать в основі явищ, що спостерігаються при дії рентгенівського випромінювання на речовину. Перелічимо деякі з них.

Рентгенолюмінесценція- Світіння ряду речовин при рентгенівському опроміненні. Таке свічення платиносинеродистого барію дозволило Рентгену відкрити промені. Це явище використовують для створення спеціальних екранів, що світяться з метою візуального спостереження рентгенівського випромінювання, іноді для посилення дії рентгенівських променів на фотопластинку.

Відома хімічна дія рентгенівського випромінювання, наприклад утворення перекису водню у воді. Практично важливий приклад – вплив на фотопластинку, що дозволяє фіксувати такі промені.

Іонізуюча дія проявляється у збільшенні електропровідності під впливом рентгенівських променів. Цю властивість використовують

у дозиметрії для кількісної оцінки дії цього виду випромінювання.

Внаслідок багатьох процесів первинний пучок рентгенівського випромінювання послаблюється відповідно до закону (29.3). Запишемо його у вигляді:

I = I 0 е-/", (31.8)

де μ – лінійний коефіцієнт ослаблення. Його можна уявити, що складається з трьох доданків, що відповідають когерентному розсіюванню μ κ , некогерентному μ ΗΚ і фотоефекту μ ф:

μ = μ до + μ hk + μ ф. (31.9)

Інтенсивність рентгенівського випромінювання послаблюється пропорційно числу атомів речовини, якою цей потік проходить. Якщо стиснути речовину вздовж осі X,наприклад, в bраз, збільшивши в bраз його щільність, то

31.4. ФІЗИЧНІ ОСНОВИ ЗАСТОСУВАННЯ РЕНТГЕНІВСЬКОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ У МЕДИЦИНІ

Одне з найважливіших медичних застосувань рентгенівського випромінювання - просвічування внутрішніх органів із діагностичною метою (Рентгенодіагностика).

Для діагностики використовують фотони з енергією близько 60-120 кев. При цій енергії масовий коефіцієнт ослаблення переважно визначається фотоефектом. Його значення обернено пропорційно третьому ступеню енергії фотона (пропорційно λ 3), в чому проявляється велика проникаюча здатність жорсткого випромінювання, і пропорційно третьому ступеню атомного номера речовини-поглинача:

Істотна відмінність поглинання рентгенівського випромінювання різними тканинами дозволяє у тіньовій проекції бачити зображення внутрішніх органів тіла людини.

Рентгенодіагностику використовують у двох варіантах: рентгеноскопія - зображення розглядають на рентгенолюмінесцентному екрані, рентгенографія - Зображення фіксується на фотоплівці.

Якщо досліджуваний орган і навколишні тканини приблизно однаково послаблюють рентгенівське випромінювання, застосовують спеціальні контрастні речовини. Так, наприклад, наповнивши шлунок та кишечник кашоподібною масою сульфату барію, можна бачити їх тіньове зображення.

Яскравість зображення на екрані та час експозиції на фотоплівці залежить від інтенсивності рентгенівського випромінювання. Якщо його використовують для діагностики, інтенсивність не може бути великою, щоб не викликати небажаних біологічних наслідків. Тому є ряд технічних пристосувань, що покращують зображення за малих інтенсивностей рентгенівського випромінювання. Як приклад такого пристрою можна вказати електронно-оптичні перетворювачі (див. 27.8). При масовому обстеженні населення широко використовується варіант рентгенографії - флюорографія, при якій на чутливій плівці малоформатної фіксується зображення з великого рентгенолюмінесцентного екрану. Під час зйомки використовують лінзу великої світлосили, готові знімки розглядають на спеціальному збільшувачі.

Цікавим та перспективним варіантом рентгенографії є ​​метод, званий рентгенівською томографією, та його «машинний варіант» - Комп'ютерна томографія.

Розглянемо це питання.

Звичайна рентгенограма охоплює велику ділянку тіла, причому різні органи та тканини затіняють один одного. Можна уникнути цього, якщо періодично спільно (рис. 31.11) у протифазі переміщувати рентгенівську трубку РТта фотоплівку Фпщодо об'єкта Продослідження. У тілі є ряд непрозорих для рентгенівських променів включень, вони показані кружальцями малюнку. Як видно, рентгенівські промені при будь-якому положенні рентгенівської трубки (1, 2 і т.д.) проходять че-

рез ту саму точку об'єкта, що є центром, щодо якого відбувається періодичний рух РТі Фп.Ця точка, точніше невелике непрозоре увімкнення, показана темним кружком. Його тіньове зображення переміщається разом із Фп,займаючи послідовно положення 1, 2 і т.д. Інші включення в тілі (кістки, ущільнення та ін) створюють на Фпдеяке загальне тло, оскільки рентгенівські промені який завжди затіняються ними. Змінюючи положення центру гойдання можна отримати пошарове рентгенівське зображення тіла. Звідси і назва томографія(Пошаровий запис).

Можна, використовуючи тонкий пучок рентгенівського випромінювання, екран (замість Фп),що складається з напівпровідникових детекторів іонізуючого випромінювання (див. 32.5), та ЕОМ обробити тіньове рентгенівське зображення при томографії. Такий сучасний варіант томографії (обчислювальна або комп'ютерна рентгенівська томографія) дозволяє отримувати шари зображення тіла на екрані електронно-променевої трубки або на папері з деталями менше 2 мм при відмінності поглинання рентгенівського випромінювання до 0,1%. Це дозволяє, наприклад, розрізняти сіру та білу речовину мозку та бачити дуже маленькі пухлинні утворення.

ФЕДЕРАЛЬНЕ АГЕНТСТВО З ОСВІТИ РФ

ДЕРЖАВНИЙ ОСВІТНИЙ УСТАНОВА

ВИЩОЇ ПРОФЕСІЙНОЇ ОСВІТИ

МОСКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ІНСТИТУТ СТАЛИ І СПЛАВІВ

(ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ)

НОВОТРОЇЦЬКА ФІЛІЯ

Кафедра ОЕНД

КУРСОВА РОБОТА

Дисципліна: Фізика

Тема: РЕНТГЕНІВСЬКЕ ВИМИКАННЯ

Студент: Недорезова Н.О.

Група: ЕіУ-2004-25 № З. К.: 04Н036

Перевірив: Ожегова С.М.

Вступ

Розділ 1. Відкриття рентгенівського випромінювання

1.1 Біографія Рентгена Вільгельма Конрада

1.2 Відкриття рентгенівського випромінювання

Розділ 2. Рентгенівське випромінювання

2.1 Джерела рентгенівських променів

2.2 Властивості рентгенівських променів

2.3 Реєстрація рентгенівських променів

2.4 Застосування рентгенівських променів

Глава 3. Застосування рентгенівського випромінювання у металургії

3.1 Аналіз недосконалостей кристалічної структури

3.2 Спектральний аналіз

Висновок

Список використаних джерел

Програми

Вступ

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

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

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

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

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

Розділ 1. Відкриття рентгенівського випромінювання

1.1 Біографія Рентгена Вільгельма Конрада

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

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

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

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

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

1.2 Відкриття рентгенівського випромінювання

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

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

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

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

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

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

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

Потім він описує сенсаційний досвід:

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

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

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

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

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

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

Розділ 2. Рентгенівське випромінювання

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

2.1 Джерела рентгенівських променів

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

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

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

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

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

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

2.2 Властивості рентгенівських променів

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

2.3 Реєстрація рентгенівських променів

Око людини до рентгенівських променів не чутливе. Рентгенівські

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

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

2.4 Застосування рентгенівських променів

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

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

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

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

Глава 3. Застосування рентгенівського випромінювання у металургії

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

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

/n = λ/ (2sin θ). (1)

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

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

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

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

λ α ср = (2λ α1 + λ α2) /3 (2)

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

3.1 Аналіз недосконалостей кристалічної структури

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

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

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

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

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

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

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

3.2 Спектральний аналіз

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

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

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

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

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

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

Основні особливості рентгеноспектрального аналізу такі.

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

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

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

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

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

рентгенівське випромінювання промінь

Способи визначення спектрального складу рентгенівського випромінювання

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

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

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

Висновок

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

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

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

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

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

) зростання захворюваності на рак (включаючи лейкемію);

) Швидше старіння і рання смерть;

) виникнення катаракт.

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

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

Щоб уникнути шкідливого впливу рентгенівського випромінювання застосовують методи контролю:

) наявність адекватного обладнання,

) контроль за дотриманням правил техніки безпеки,

) правильне використання обладнання.

Список використаних джерел

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

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

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

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

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

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

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

Програми

Додаток 1

Загальний вигляд рентгенівських трубок

Додаток 2

Схема рентгенівської трубки для структурного аналізу

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

Додаток 3

Діаграма Мозлі

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

Додаток 4

Іонізаційна камера.

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

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

Мал. 3. Вольтамперна характеристика іонізаційної камери.

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

Додаток 5

Сцинтиляційний лічильник.

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

Додаток 6

Лічильник Гейгера – Мюллера.

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

Мал. 2. Схема включення лічильника Гейгера – Мюллера.

Мал. 3. Рахункова характеристика лічильника Гейгера - Мюллера.

Додаток 7

Пропорційний лічильник.

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

Додаток 8

Напівпровідникові детектори

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