その結果、X線が発生します。特性 X 線放射: 説明、動作、特徴

X線放射線

X線照射 ガンマ線と紫外線の間の電磁スペクトルの領域を占め、波長 10 -14 ～ 10 -7 m の電磁放射です。波長 5 x 10 -12 ～ 2.5 x 10 -10 の X 線放射が使用されます。医学ではm、つまり0.05〜2.5オングストローム、実際にはX線診断では0.1オングストロームです。放射線は、光の速度 (300,000 km/s) で直線的に伝播する量子 (光子) の流れです。これらの量子には電荷がありません。量子の質量は、原子質量単位の重要な部分ではありません。

量子エネルギージュール (J) で測定されますが、実際にはオフシステム単位が使用されることがよくあります。 「電子ボルト」(eV) 。 1電子ボルトは、1個の電子が電界内で1ボルトの電位差を通過するときに取得するエネルギーです。 1 eV \u003d 1.6 10 ~ 19 J。導関数は、1000 eV に等しいキロ電子ボルト (keV) と 100 万 eV に等しいメガ電子ボルト (MeV) です。

X 線は、X 線管、線形加速器、ベータトロンを使用して取得されます。 X 線管では、陰極とターゲット陽極間の電位差 (数十キロボルト) により、陽極に衝突する電子が加速されます。 X線放射は、陽極物質の原子の電場内で高速電子が減速するときに発生します。 (制動放射) または原子の内殻を再配置するとき (特性放射線) . 特性X線 は離散的な性質を持ち、外部電子または放射線量子の影響下でアノード物質の原子の電子が 1 つのエネルギーレベルから別のエネルギーレベルに移動するときに発生します。 制動放射 X 線 X 線管の陽極電圧に応じて連続スペクトルを持ちます。陽極材料内で減速するとき、電子はエネルギーの大部分 (99%) を陽極の加熱に費やし、ごく一部 (1%) だけが X 線エネルギーに変換されます。 X 線診断では、制動放射が最もよく使用されます。

X 線の基本的な性質はすべての電磁放射線の特徴ですが、いくつかの特徴があります。 X 線には次のような性質があります。

- 不可視 - 人間の網膜の敏感な細胞は、X 線の波長が可視光の数千分の 1 であるため、X 線には反応しません。

- 直進伝播 - 光線は、可視光と同様に、屈折、偏光 (特定の平面内を伝播)、回折します。屈折率は単一とほとんど変わりません。

- 浸透力 - 可視光に対して不透明な物質の重要な層を、顕著な吸収なしに透過します。波長が短いほど、X 線の透過力は大きくなります。

- 吸収性 - 体の組織に吸収される能力があり、これがすべての X 線診断の基礎となります。吸収能力は組織の比重に依存します (比重が大きいほど吸収が大きくなります)。物体の厚さについて。放射線の硬さについて。

- 写真アクション - 写真乳剤に含まれる化合物を含むハロゲン化銀化合物を分解し、X 線の取得を可能にします。

- 発光効果 - 多数の化合物 (蛍光体) の発光を引き起こします。これは X 線透過技術の基礎です。グローの強度は、蛍光物質の構造、その量、および X 線源からの距離によって異なります。蛍光体は、蛍光透視スクリーン上で研究対象の画像を取得するためだけでなく、放射線撮影でも使用され、増感スクリーンの使用によりカセット内の放射線写真フィルムへの放射線被曝を増加させることができます。表面層が蛍光体からなる。

- イオン化作用 - 中性原子を正および負に帯電した粒子に崩壊させる能力があり、線量測定はこれに基づいています。あらゆる媒体のイオン化の影響は、その中で正および負のイオンが形成されることと、物質の中性の原子および分子からの自由電子が形成されることです。 X 線管の動作中に X 線室の空気がイオン化すると、空気の導電率が増加し、キャビネット内の物体の静電荷が増加します。 X線室ではこれらの悪影響を排除するために、強制給排気装置が設けられています。

- 生物学的作用 - 生物学的対象物に影響を与えます。ほとんどの場合、この影響は有害です。

- 逆二乗の法則 - X 線放射の点源の場合、強度は線源までの距離の 2 乗に比例して減少します。

現代医学では、診断と治療に多くの医師が使用されています。それらの中には比較的最近使用されたものもありますが、十数年、場合によっては数百年以上にわたって実践されているものもあります。また、110 年前、ウィリアムコンラッドレントゲンは驚くべき X 線を発見し、科学界と医学界に大きな反響を引き起こしました。そして今、世界中の医師が診療でそれらを使用しています。今日の会話のテーマは医療における X 線であり、その応用についてもう少し詳しく説明します。

X 線は電磁放射線の一種です。それらは、放射線の波長、照射された材料の密度と厚さに依存する顕著な透過性を特徴としています。さらに、X 線は多くの物質の発光を引き起こし、生物に影響を与え、原子をイオン化し、また一部の光化学反応の触媒としても作用します。

医療におけるX線の使用

現在まで、X 線の特性により、X 線診断や X 線治療に広く使用されています。

X線診断

X 線診断は、以下を実行するときに使用されます。

X線（透過）。
- X線撮影（写真）;
- 蛍光撮影;
- X線およびコンピューター断層撮影。

透視検査

このような研究を行うには、患者は X 線管と特殊な蛍光スクリーンの間に位置する必要があります。専門の放射線科医は、肋骨だけでなく内臓の画像を画面上に受け取り、必要なX線の硬さを選択します。

X線撮影

この研究では、患者は特殊なフィルムが入ったカセットの上に置かれます。 X 線装置は対象物の真上に設置されます。その結果、フィルム上には内臓のネガ画像が表示され、透視検査よりも詳細な多数の微細なディテールが含まれます。

透視撮影

この研究は、結核の検出を含む集団健康診断の際に実施されます。同時に大型スクリーンの映像を特殊フィルムに投影します。

断層撮影

断層撮影を行う場合、コンピュータビームは、組織の特別に選択された横断面など、複数の場所の臓器の画像を一度に取得するのに役立ちます。この一連の X 線写真は断層像と呼ばれます。

コンピュータ断層像

このような研究では、X 線スキャナーを使用して人体のセクションを登録することができます。データをコンピュータに入力すると、1枚の断面写真が得られます。

列挙された各診断方法は、フィルムを照射する X 線ビームの特性と、人間の組織と骨骨格の影響に対する透過性が異なるという事実に基づいています。

X線治療

X 線の影響力特別な方法で組織上の腫瘍形成の治療に使用されます。同時に、この放射線の電離特性は、急速な分裂が可能な細胞に曝露された場合に特に顕著に顕著になります。悪性腫瘍形成の細胞を区別するのはこれらの性質です。

ただし、X 線治療は多くの重篤な症状を引き起こす可能性があることは注目に値します。副作用。このような影響は造血系、内分泌系、免疫系の状態に積極的に影響を及ぼし、それらの細胞も非常に早く分裂します。それらに対する攻撃的な影響は、放射線障害の兆候を引き起こす可能性があります。

X線放射線の人体への影響

X線写真の研究中に、医師らはX線写真が日焼けに似た皮膚の変化を引き起こす可能性があることを発見しましたが、それは皮膚へのより深い損傷を伴うものでした。このような潰瘍は非常に長期間治癒します。科学者らは、放射線照射の時間と線量を減らし、特別な遮蔽や遠隔制御方法を使用することで、このような病変を回避できることを発見しました。

X 線の攻撃的な影響は、血液組成の一時的または永続的な変化、白血病への感受性、早期老化など、長期的に現れる場合もあります。

X 線が人に与える影響は、どの臓器にどのくらいの時間照射されるかなど、多くの要因によって異なります。造血器への放射線照射は血液疾患を引き起こす可能性があり、生殖器への放射線照射は不妊症を引き起こす可能性があります。

体系的な放射線照射の実行には、体内の遺伝的変化の発生が伴います。

X 線診断における X 線の実際の害

検査中、医師は最小限の X 線量を使用します。すべての放射線量は特定の許容基準を満たしており、人に害を及ぼすことはありません。 X 線診断は、それを実行する医師にのみ重大な危険をもたらします。そして、最新の保護方法により、光線の攻撃性を最小限に抑えることができます。

放射線診断の最も安全な方法には、歯科用 X 線だけでなく、四肢の X 線撮影も含まれます。この評価の次の位はマンモグラフィーであり、その次がコンピューター断層撮影法、その次がレントゲン検査です。

医療におけるX線の使用が人に利益だけをもたらすためには、適応症に従ってのみX線の助けを借りて研究を行う必要があります。

X 線は、高エネルギー電磁放射線の一種です。医学のさまざまな分野で積極的に使用されています。

X 線は電磁波であり、その電磁波のスケールでの光子エネルギーは紫外線とガンマ線 (~10 eV ～ ~1 MeV) の間であり、~10^3 から ~10^-2 オングストロームの波長に相当します ( ~10^−7 から ~10^−12 m)。つまり、紫外線と赤外線（「熱」）線の間のスケールに相当する可視光線よりも比較にならないほど硬い放射線です。

X線とガンマ線の境界は条件付きで区別されます。それらの範囲は交差し、ガンマ線は1 keVのエネルギーを持つことができます。それらは起源が異なります。ガンマ線は原子核内で発生するプロセス中に放出されますが、X 線は電子（自由原子と原子の電子殻内の電子の両方）が関与するプロセス中に放出されます。同時に、光子自体からそれがどの過程で発生したかを判断することは不可能です。つまり、X 線領域とガンマ領域への分割はほとんど恣意的です。

X線の照射範囲は「軟X線」と「硬X線」に分けられます。それらの間の境界は、2オングストロームの波長レベルと6 keVのエネルギーにあります。

X 線発生器は、内部が真空になる管です。電極には、負の電荷が印加されるカソードと、正に帯電するアノードがあります。それらの間の電圧は数十から数百キロボルトです。 X 線光子の生成は、電子が陰極から「離脱」し、高速で陽極表面に衝突するときに発生します。結果として生じるX線放射は「制動放射」と呼ばれ、その光子は異なる波長を持っています。

同時に、特徴的なスペクトルの光子が生成されます。アノード物質の原子内の電子の一部が励起され、つまりより高い軌道に上がり、その後通常の状態に戻り、特定の波長の光子を放出します。どちらのタイプの X 線も標準的な発生装置で生成されます。

発見の歴史

1895 年 11 月 8 日、ドイツの科学者ヴィルヘルムコンラートレントゲンは、「陰極線」、つまり陰極線管によって生成される電子の流れの影響下で一部の物質が発光し始めることを発見しました。彼はこの現象を特定の X 線の影響によって説明しました。そのため、この放射線は現在多くの言語で「X 線」と呼ばれています。その後、V.K. レントゲンは自分が発見した現象を研究しました。 1895 年 12 月 22 日、彼はヴュルツブルク大学でこのテーマに関する講義を行いました。

後に、X線放射が以前にも観察されていたことが判明しましたが、その後、それに関連する現象はあまり重要視されていませんでした。ブラウン管はずっと前に発明されましたが、V.K. が発明するよりも前に発明されました。 X線、その近くの写真乾板の黒ずみなどには誰もあまり注意を払いませんでした。現象。透過放射線によってもたらされる危険性も不明でした。

種類と体への影響

「X線」は透過性放射線の中で最も穏やかな種類です。軟 X 線への過度の曝露は紫外線曝露と似ていますが、より深刻な形態になります。皮膚に火傷が生じますが、病変はより深くなり、治癒が非常に遅くなります。

硬 X 線は、放射線障害を引き起こす可能性がある本格的な電離放射線です。 X線量子は、人体の組織を構成するタンパク質分子やゲノムのDNA分子を破壊する可能性があります。しかし、たとえ X 線量子が水分子を破壊したとしても、それは問題ではありません。この場合、化学的に活性なフリーラジカル H と OH が形成され、それ自体がタンパク質や DNA に作用することができます。放射線障害は、造血器官への影響が大きくなり、より重篤な状態に進行します。

X線には変異原性と発がん性があります。これは、放射線照射中に細胞の自然突然変異が発生する確率が増加し、場合によっては健康な細胞ががん性の細胞に変性する可能性があることを意味します。悪性腫瘍の可能性が高まるのは、X 線を含むあらゆる被ばくの標準的な結果です。 X 線は透過性放射線の中で最も危険性が低いものですが、それでも危険な場合があります。

X 線放射: アプリケーションとその仕組み

X 線放射線は医療だけでなく、人間の活動の他の分野でも使用されます。

透視検査とコンピューター断層撮影

X 線の最も一般的な用途は透視検査です。人体の「透過照明」を使用すると、骨（最もはっきりと見える）と内臓の両方の詳細な画像を取得できます。

X線における体組織の透明度の違いは、その化学組成に関連しています。骨の構造の特徴は、カルシウムとリンが多く含まれていることです。他の組織は主に炭素、水素、酸素、窒素で構成されています。リン原子は酸素原子のほぼ2倍、カルシウム原子の2.5倍の重さを超えています（炭素、窒素、水素は酸素よりもさらに軽い）。この点において、骨における X 線光子の吸収ははるかに高くなります。

2 次元の「写真」に加えて、X 線撮影では臓器の 3 次元画像を作成することができます。このタイプの X 線撮影はコンピュータ断層撮影と呼ばれます。これらの目的には軟X線が使用されます。 1 枚の画像で受ける露出量は少なく、高度 10 km の飛行機で 2 時間の飛行中に受ける露出量にほぼ等しいです。

X線探傷により、製品の小さな内部欠陥を検出できます。多くの材料 (金属など) は、構成物質の原子量が大きいために「半透明」に乏しいため、硬 X 線が使用されます。

X線回折および蛍光X線分析

X線には、個々の原子を詳細に検査できる特性があります。 X 線回折分析は、化学 (生化学を含む) や結晶学で積極的に使用されています。その動作原理は、結晶または複雑な分子の原子による X 線の回折散乱です。 X線回折分析を使用して、DNA分子の構造を決定しました。

蛍光X線分析により、迅速な判定が可能化学組成物質。

放射線治療には多くの形式がありますが、それらはすべて電離放射線の使用を伴います。放射線治療は粒子線治療と波動治療の2種類に分けられます。微粒子は、アルファ粒子 (ヘリウム原子の核)、ベータ粒子 (電子)、中性子、陽子、重イオンの流れを使用します。 Wave は電磁スペクトルの光線、つまり X 線とガンマ線を使用します。

放射線療法は主に腫瘍性疾患の治療に使用されます。実際のところ、放射線は主に活発に分裂している細胞に影響を及ぼします。そのため、造血器官はこのような影響を受けます（細胞は絶えず分裂し、新しい赤血球がどんどん生成されます）。がん細胞も常に分裂しており、健康な組織よりも放射線に対して脆弱です。

がん細胞の活動を抑制し、健康な細胞には適度な影響を与えるレベルの放射線が使用されます。放射線の影響下では、細胞自体が破壊されるのではなく、そのゲノム、つまりDNA分子が損傷されます。ゲノムが破壊された細胞はしばらく存在する可能性がありますが、分裂できなくなり、腫瘍の増殖が停止します。

放射線療法は放射線療法の中で最も穏やかな方法です。波動放射は粒子線よりも柔らかく、X 線はガンマ線よりも柔らかくなります。

妊娠中の

妊娠中に電離放射線を使用するのは危険です。 X線には変異原性があり、胎児に異常を引き起こす可能性があります。 X 線治療は妊娠とは両立しません。X 線治療は、すでに中絶することが決定されている場合にのみ使用できます。透視検査に対する制限はより緩やかですが、最初の数か月間は厳しく禁止されています。

緊急の場合には、X線検査に代わって磁気共鳴画像検査が行われます。しかし、妊娠初期にはそれを避けようとします（この方法は最近登場しており、有害な結果がないことを絶対的に確信しています）。

少なくとも1mSv（旧単位では100mR）の総線量にさらされると、明白な危険が生じます。単純 X 線撮影 (たとえば、透視撮影時) では、患者が受ける放射線量は約 50 分の 1 になります。一度にこのような線量を受けるには、詳細なコンピューター断層撮影検査を受ける必要があります。

つまり、妊娠の初期段階で1〜2回の「X線検査」を受けるだけでは、重大な結果を招く恐れはありません（ただし、危険を冒さない方が良いです）。

それによる治療

X 線は主に悪性腫瘍との闘いに使用されます。この方法が優れているのは、腫瘍を殺す効果が非常に高いためです。健康な組織はあまり改善されず、多くの副作用があるため、これは悪いことです。造血器官は特に危険にさらされています。

実際には、健康な組織に対する X 線の影響を軽減するためにさまざまな方法が使用されています。ビームは、腫瘍が交差するゾーンに現れるような角度で照射されます（このため、エネルギーの主な吸収はちょうどそこで発生します）。場合によっては、この処置は動きながら行われます。患者の身体は、腫瘍を通過する軸の周りを放射線源に対して回転します。同時に、健康な組織は時々のみ照射ゾーンにあり、病気の組織は常に照射ゾーンにあります。

X 線は、皮膚疾患だけでなく、特定の関節症や類似の疾患の治療にも使用されます。この場合、疼痛症候群は50〜90％軽減されます。この場合に使用される放射線はより柔らかいため、腫瘍の治療のような副作用は観察されません。

X 線放射 (X 線と同義) の波長は広範囲 (8・10 -6 ～ 10 -12 cm) です。 X 線放射は、荷電粒子 (ほとんどの場合は電子) が物質の原子の電場内で減速するときに発生します。結果として生じる量子は異なるエネルギーを持ち、連続スペクトルを形成します。このようなスペクトルの最大光子エネルギーは、入射電子のエネルギーに等しくなります。 (参照) では、キロ電子ボルトで表される X 線量子の最大エネルギーは、キロボルトで表される管に印加される電圧の大きさに数値的に等しくなります。 X 線は物質を通過するときに、その原子の電子と相互作用します。最大 100 keV のエネルギーを持つ X 線量子の場合、最も特徴的なタイプの相互作用は光電効果です。このような相互作用の結果、量子エネルギーは原子殻から電子を引き出し、それに運動エネルギーを与えるために完全に費やされます。 X線量子のエネルギーが増加すると、光電効果の確率が減少し、自由電子上で量子が散乱するプロセス、いわゆるコンプトン効果が支配的になります。このような相互作用の結果、二次電子も生成され、さらに一次量子のエネルギーよりも小さなエネルギーを持った量子が飛び出すことになります。 X線量子のエネルギーが1メガ電子ボルトを超えると、電子と陽電子が形成される、いわゆるペアリング効果が発生する可能性があります(参照)。したがって、物質を通過すると、X 線放射のエネルギーが減少します。つまり、その強度が減少します。この場合、低エネルギー量子は吸収される可能性が高いため、X 線放射には高エネルギー量子が豊富になります。 X 線放射のこの特性は、量子の平均エネルギーを増加させる、つまりその剛性を増加させるために使用されます。 X 線放射の硬度の増加は、特別なフィルターを使用して達成されます (参照)。 X 線放射線は、X 線診断 (「参照」) および (「参照」) に使用されます。電離放射線も参照してください。

X 線放射 (同義語: X 線、X 線) - 波長 250 ～ 0.025 A (または 5 10 -2 ～ 5 10 2 keV のエネルギー量子) の量子電磁放射。 1895年にV.K.レントゲンによって発見されました。 X 線に隣接する電磁放射線のスペクトル領域は、そのエネルギー量子が 500 keV を超え、ガンマ放射線と呼ばれます (参照)。エネルギー量子が 0.05 keV 未満の放射線は紫外線です (参照)。

したがって、電波と可視光の両方を含む電磁放射線の広大なスペクトルの比較的小さな部分を表すX線放射線は、他の電磁放射線と同様に、光の速度（真空中では約30万km/秒）で伝播します。 ) であり、波長 λ (振動の 1 周期で放射線が伝播する距離) によって特徴付けられます。 X 線放射には他にも多くの波動特性 (屈折、干渉、回折) がありますが、それらを観察することは、可視光や電波などのより長波長の放射よりもはるかに困難です。

X 線スペクトル: a1 - 310 kV での連続制動放射スペクトル。 a - 250 kV での連続制動放射スペクトル、a1 - 1 mm Cu でフィルター処理されたスペクトル、a2 - 2 mm Cu でフィルター処理されたスペクトル、b - K シリーズのタングステン線。

X 線を発生するには、X 線管が使用されます (参照)。高速電子が陽極物質の原子と相互作用するときに放射線が発生します。 X 線には、制動放射と特性 X 線の 2 種類があります。制動放射 X 線放射は連続スペクトルを持ち、通常の白色光に似ています。波長に応じた強度の分布（図）は、最大値を持つ曲線で表されます。長波の方向では曲線は緩やかに下降し、短波の方向では急峻になり、連続スペクトルの短波長境界と呼ばれる特定の波長 (λ0) で途切れます。 λ0 の値は管の電圧に反比例します。制動放射は、高速電子と原子核の相互作用から発生します。制動放射強度は、アノード電流の強度、管電圧の二乗、およびアノード材料の原子番号 (Z) に直接比例します。

X 線管内で加速された電子のエネルギーが陽極物質の臨界値 (このエネルギーは、この物質にとって臨界である管電圧 Vcr によって決まります) を超えると、特性放射線が発生します。特徴的なスペクトルは線であり、そのスペクトル線は文字 K、L、M、N で示される系列を形成します。

K シリーズは最も短い波長で、L シリーズはより長い波長で、M および N シリーズは重元素でのみ観察されます (K シリーズのタングステンの Vcr は 69.3 kv、L シリーズの場合は 12.1 kv)。特性放射線は次のように発生します。高速電子は原子電子を内殻から叩き出します。原子は励起されてから基底状態に戻ります。この場合、結合の少ない外側の殻からの電子が内側の殻に空いた空間を埋め、励起状態と基底状態の原子のエネルギーの差に等しいエネルギーを持つ特性放射の光子が放出されます。この差 (したがって光子のエネルギー) には、各元素に特有の特定の値があります。この現象は、元素の X 線スペクトル分析の基礎となります。この図は、制動放射の連続スペクトルを背景にしたタングステンの線スペクトルを示しています。

X線管内で加速された電子のエネルギーは、ほぼ完全に熱エネルギーに変換され（この場合、陽極は強く加熱されます）、制動放射エネルギーに変換されるのはわずかな部分（100 kVに近い電圧で約1％）だけです。。

医療における X 線の使用は、物質による X 線の吸収の法則に基づいています。 X 線の吸収は、吸収材の光学特性には完全に依存しません。 X 線室で人員を保護するために使用される無色透明の鉛ガラスは、X 線をほぼ完全に吸収します。対照的に、光を通さない紙は X 線を減衰させません。

均一な（つまり、特定の波長の）X 線放射の強度は、吸収層を通過すると、指数法則 (e-x) に従って減少します。ここで、e は自然対数の底 (2.718)、指数 x 製品と等しい質量減衰係数 (μ / p) cm 2 /g 吸収体の厚さ (g / cm 2 単位) あたり (ここで p は物質の密度 (g / cm 3 単位))。 X線は散乱と吸収の両方によって減衰します。したがって、質量減衰係数は質量吸収係数と散乱係数の合計です。質量吸収係数は、吸収体の原子番号 (Z) の増加 (Z3 または Z5 に比例)、および波長の増加 (λ3 に比例) とともに急激に増加します。この波長への依存は吸収バンド内で観察され、その境界で係数がジャンプを示します。

質量散乱係数は、物質の原子番号が増加するにつれて増加します。 λ≧0.3Åの場合、散乱係数は波長に依存しません。<0,ЗÅ он уменьшается с уменьшением λ.

波長の減少に伴う吸収係数と散乱係数の減少により、X 線の透過力が増加します。骨の質量吸収係数 [吸収は主に Ca 3 (PO 4) 2 によるもの] は、吸収が主に水による軟組織よりもほぼ 70 倍大きくなります。これは、軟組織を背景にしたレントゲン写真で骨の影が非常にはっきりと目立つ理由を説明します。

不均一な X 線ビームが媒質中を伝播すると、強度の低下とともに、スペクトル組成の変化、つまり放射線の質の変化が伴います。スペクトルの長波長部分は吸収されます。短波部分よりも大幅に放射が均一になります。スペクトルの長波長部分をフィルターで除去することにより、人体の深部に位置する病巣の X 線治療中の深部線量と表面線量の比率を改善することができます (X 線フィルターを参照)。不均一な X 線ビームの品質を特徴付けるために、放射線を半分に減衰させる物質の層である「半減衰層 (L)」の概念が使用されます。この層の厚さは、チューブの電圧、フィルターの厚さと材質によって異なります。半減衰層の測定には、セロハン (最大 12 keV のエネルギー)、アルミニウム (20 ～ 100 keV)、銅 (60 ～ 300 keV)、鉛、および銅 (>300 keV) が使用されます。 80 ～ 120 kV の電圧で生成される X 線の場合、1 mm の銅は 26 mm のアルミニウムに相当し、1 mm の鉛は 50.9 mm のアルミニウムに相当します。

X 線の吸収と散乱は、その粒子特性によるものです。 X 線は、微粒子 (粒子)、つまり光子の流れとして原子と相互作用し、それぞれが特定のエネルギー (X 線の波長に反比例) を持ちます。 X線光子のエネルギー範囲は0.05～500keVです。

X 線放射の吸収は光電効果によるもので、電子殻による光子の吸収には電子の放出が伴います。原子は励起され、基底状態に戻ると、特有の放射線を放射します。放出された光電子は、光子のすべてのエネルギー (原子内の電子の結合エネルギーを差し引いたもの) を運び去ります。

X 線放射の散乱は、散乱媒体の電子によるものです。古典的な散乱 (放射線の波長は変化しないが、伝播方向が変化する) と、波長の変化を伴う散乱 - コンプトン効果 (散乱放射線の波長は入射波長よりも長い) があります。後者の場合、光子は動くボールのように振る舞い、コムトンの比喩表現によれば、光子と電子によるビリヤードのゲームのように光子の散乱が起こります。電子と衝突すると、光子はそのエネルギーの一部を伝達します。すでにエネルギーが少なくなって散乱し（それぞれ、散乱放射線の波長が増加します）、電子は反動エネルギーで原子から飛び出します（これらの電子はコンプトン電子、または反跳電子と呼ばれます）。 X 線エネルギーの吸収は、二次電子 (コンプトンおよび光電子) の形成とそれらへのエネルギーの移動中に発生します。物質の単位質量に伝達される X 線のエネルギーによって、X 線の吸収線量が決まります。この線量の単位 1 rad は 100 erg/g に相当します。吸収体の物質に吸収されたエネルギーにより、X 線線量測定にとって重要な多くの二次プロセスが発生します。これは、X 線測定方法がそれに基づいているためです。 (線量測定を参照)。

すべての気体、多くの液体、半導体、誘電体は、X 線の作用により導電率が増加します。導電性は、パラフィン、マイカ、ゴム、琥珀などの最高の絶縁材料によって見出されます。導電率の変化は、媒体のイオン化、つまり中性分子が正イオンと負イオンに分離されることによるものです (イオン化は二次電子によって生成されます)。空気中の電離は、レントゲンで測定される X 線放射線の被ばく線量 (空気中の線量) を決定するために使用されます (電離放射線線量を参照)。線量が 1 r の場合、空気中での吸収線量は 0.88 rad です。

X 線の作用下では、物質の分子の励起 (およびイオンの再結合中) の結果として、多くの場合、物質の目に見える輝きが励起されます。高強度の X 線放射では、空気、紙、パラフィンなどの目に見える輝きが観察されます (金属は例外です)。可視光の収率が最も高いのは、Zn・CdS・Agリンなどの結晶性蛍光体や、蛍光透視検査のスクリーンに使用されるその他の蛍光体です。

X 線の作用下では、物質内でさまざまな化学プロセスが発生することもあります。ハロゲン化銀の分解 (X 線で使用される写真効果)、水および過酸化水素水溶液の分解、物質の変化などです。セルロイドの特性（曇りおよび樟脳の放出）、パラフィン（曇りおよび漂白）。

完全な変換の結果、化学的に不活性な物質によって吸収されたすべての X 線エネルギーが熱に変換されます。微量の熱の測定には高感度の方法が必要ですが、X 線の絶対測定ではこれが主な方法です。

X 線への曝露による二次的な生物学的影響は、医療放射線療法の基礎です (参照)。 X 線の量子は 6 ～ 16 keV (有効波長は 2 ～ 5 Å) で、人体の組織の皮膚外皮にほぼ完全に吸収されます。それらは境界光線、またはブッカ光線と呼ばれることもあります (ブッカ光線を参照)。深部 X 線治療の場合、100 ～ 300 keV の有効エネルギー量子を持つハードフィルターされた放射線が使用されます。

X 線放射線の生物学的影響は、X 線治療だけでなく、X 線診断や、放射線防護の使用が必要な X 線に接触する他のすべてのケースでも考慮される必要があります (見る）。

ロシア連邦教育庁

州立教育機関

高等専門教育

モスクワ国立鉄鋼合金研究所

（工科大学）

ノヴォトロイツキー支店

OEND部門

コースワーク

専門分野: 物理学

トピック: X 線

学生: ネドロゾワ N.A.

グループ:EiU-2004-25、No.З.К.: 04Н036

チェック者: Ozhegova S.M.

序章

第1章

1.1 レントゲン・ヴィルヘルム・コンラッドの伝記

1.2 X線の発見

第2章

2.1 X線源

2.2 X線の性質

2.3 X線の登録

2.4 X線の使用

第3章

3.1 結晶構造欠陥の解析

3.2 スペクトル解析

結論

使用したソースのリスト

アプリケーション

序章

X線検査室を通過していない人はまれです。 X線写真は誰もがよく知っています。 1995 年、この発見は 100 周年を迎えました。 1世紀前にそれがどれほど大きな関心を呼んだか想像するのは困難です。男の手には、目に見えないものを見ることができる装置があることが判明しました。

この目に見えない放射線は、程度の差はあってもあらゆる物質に浸透することができ、波長約 10 -8 cm の電磁放射線であり、それを発見したヴィルヘルム・レントゲンにちなんで X 線放射線と呼ばれました。

可視光線と同様に、X 線も写真フィルムを黒く変色させます。この特性は、医学、産業、科学研究にとって非常に重要です。 X 線放射は、研究対象の物体を通過してフィルム上に落ち、その内部構造をフィルム上に描写します。 X 線放射線の透過力は物質ごとに異なるため、放射線がよく浸透する物体よりも透明度の低い部分のほうが写真内で明るくなります。したがって、骨組織は、皮膚や内臓を構成する組織よりも X 線に対する透過性が低くなります。したがって、X線写真では、骨は明るい領域として示され、放射線に対して透過性が低い骨折部位を非常に簡単に検出できます。 X 線イメージングは、歯の根の虫歯や膿瘍を検出するために歯科でも使用されます。また、産業では鋳物、プラスチック、ゴムの亀裂を検出するために、化学では化合物を分析するために、物理学では結晶の構造を研究するために使用されます。。

レントゲンの発見に続いて、他の研究者による実験が行われ、この放射線を使用するための多くの新しい特性と可能性が発見されました。主要な貢献は M. ラウエ、W. フリードリッヒ、および P. クニッピングによって行われ、1912 年に X 線が結晶を通過する際の回折を実証しました。 W. クーリッジ、1913 年に加熱陰極を備えた高真空 X 線管を発明。 G. モーズリーは 1913 年に放射線の波長と元素の原子番号の関係を確立しました。 G. ブラッジと L. ブラッジは、X 線回折分析の基礎を開発した功績で 1915 年にノーベル賞を受賞しました。

このコースの目的は、X 線放射の現象、発見の歴史、特性を研究し、その応用範囲を特定することです。

第1章

1.1 レントゲン・ヴィルヘルム・コンラッドの伝記

ヴィルヘルム・コンラート・レントゲンは、1845年3月17日にドイツとオランダの国境地域のレネペ市で生まれました。彼は、後にアインシュタインが学んだチューリッヒの高等工業学校（ポリテクニック）で技術教育を受けました。物理学への情熱により、彼は 1866 年に学校を卒業した後も体育を続けることを余儀なくされました。

1868年、彼は哲学博士号取得のための博士論文を擁護し、最初はチューリッヒ、次にギーセン、そしてストラスブール（1874年から1879年）でクントのもとで物理学科の助手として働いた。ここでレントゲンは優れた実験学校を卒業し、一流の実験者になった。レントゲンは、ソビエト物理学の創始者の一人である彼の学生、A.F. レントゲンとともに重要な研究の一部を実行しました。イオッフェ。

科学研究は、電磁気学、結晶物理学、光学、分子物理学に関連します。

1895 年に、彼は紫外線 (X 線) の波長よりも短い波長の放射線 (後に X 線と呼ばれるようになりました) を発見し、その性質 (空気の反射、吸収、イオン化など) を研究しました。彼は、傾斜した白金対陰極と凹面陰極という、X 線を取得するための管の正しい設計を提案しました。彼は、X 線を使用して写真を撮影した最初の人物でした。彼は 1885 年に、電界中を移動する誘電体の磁界 (いわゆる「レントゲン電流」) を発見しました。彼の経験は、磁界が電荷の移動によって生成されることを明確に示し、X. ローレンツの理論の創造にとって重要でした。電子理論。レントゲンの著作のかなりの数は、液体、気体、結晶、電磁現象の研究特性に当てられており、結晶における電気現象と光学現象の関係を発見しました。彼の名前を冠した光線の発見については、1901 年にレントゲンが行いました。物理学者としては初めてノーベル賞を受賞した。

1900 年から晩年（1923 年 2 月 10 日に死去）まで、彼はミュンヘン大学で働きました。

1.2 X線の発見

19世紀末ガス中を電気が通過する現象への関心の高まりが特徴でした。ファラデーでさえこれらの現象を真剣に研究し、さまざまな形の放電を記述し、希ガスの発光柱の中に暗い空間を発見しました。ファラデー暗空間は、青みがかった陰極の輝きとピンクがかった陽極の輝きを分離します。

ガスの希薄化がさらに増加すると、グローの性質が大きく変化します。数学者のプリュッカー (1801-1868) は 1859 年に、十分に強い希薄化により、陰極から発せられた弱く青みがかった光線が陽極に到達し、管のガラスを発光させることを発見しました。 1869 年にプリュッカーの弟子ギトルフ (1824-1914) は先生の研究を継続し、固体が陰極と蛍光管の表面の間に置かれると蛍光管の表面に明確な影が現れることを示しました。

ゴールドスタイン (1850-1931) は、光線の性質を研究し、それらを陰極線と呼びました (1876 年)。 3 年後、ウィリアムクルックス (1832-1919) は陰極線の物質的性質を証明し、それを特別な 4 番目の状態にある物質である「放射物質」と呼びました。彼の証拠は説得力があり明確でした。「クルックス管」を使った実験が実証されました。その後、すべての物理的な教室で行われます。クルックス管内の磁場による陰極ビームの偏向は、学校での古典的なデモンストレーションとなっています。

しかし、陰極線の電気的偏向に関する実験はそれほど説得力のあるものではありませんでした。ヘルツはそのような逸脱を検出できず、陰極線はエーテル内の振動過程であるという結論に達しました。ハーツの学生である F. レナードは、陰極線を実験し、陰極線がアルミ箔で覆われた窓を通過し、窓の後ろの空間に輝きを引き起こすことを 1893 年に示しました。ハーツは 1892 年に発表した最後の論文を、陰極線が薄い金属体を通過する現象に捧げました。

「陰極線は、固体を透過する能力という点で、光とは大きく異なります。」金、銀、プラチナ、アルミニウムなどの葉を陰極線が通過する実験の結果を説明しながら、ハーツ氏はそうではなかったと述べています。現象に特別な違いがないか観察する光線は葉をまっすぐに通過せず、回折によって散乱します。陰極線の性質はまだ不明でした。

1895年末にヴュルツブルク教授のヴィルヘルム・コンラート・レントゲンが実験したのは、クルックスやレナードらのこうした真空管を使った実験であった。一度、実験終了後、彼は黒いボール紙のカバーで管を閉じ、明かりを消したが、彼は管に電力を供給するインダクタをオフにしなかったが、管の近くにあるバリウムシアンからスクリーンが光っていることに気づいた。この状況に衝撃を受けたレントゲンは、スクリーンの実験を始めました。 1895 年 12 月 28 日付の最初の報告書「新しい種類の光線について」で、彼はこれらの最初の実験について次のように書いています。「シアン化バリウムプラチナでコーティングされた紙が管に近づくと、薄い黒いボール紙のカバーで閉じられた」ぴったりとフィットし、放電するたびに明るい光で点滅し、蛍光を発し始めます。蛍光は十分に暗くなると見えますが、紙の片面にバリウムシネロゲンがコーティングされているか、バリウムシネロゲンがコーティングされていないかには依存しません。蛍光灯は管から2メートル離れていても目立ちます。」

注意深く検査した結果、レントゲンは、「太陽の可視光線も紫外線も、電気アークの光線も通さない黒いボール紙には、ある種の蛍光剤が浸透している」ことを示し、この「薬剤」の浸透力を調査した。彼は、さまざまな物質について、簡潔にするために「X 線」と呼んだのですが、この線は紙、木材、エボナイト、金属の薄い層を自由に通過しますが、鉛によって大きく遅延されることを発見しました。

そして彼はそのセンセーショナルな体験について次のように説明しています。

「放電管とスクリーンの間に手をかざすと、手自体の影のかすかな輪郭の中に骨の暗い影が見えます。」これが人体の最初のX線検査でした。

これらのショットは大きな印象を与えました。発見はまだ完了しておらず、X 線診断はすでに始まっていました。「私の研究室には、体のさまざまな部分に針が刺さっているのではないかと疑う患者を連れてくる医師が殺到した」と英国の物理学者シュスターは書いている。

最初の実験の後、レントゲンは、X 線が陰極線とは異なること、電荷を持たず、磁場によって偏向されないが、陰極線によって励起されることをしっかりと確立しました。しかし、それらは放電管のガラス壁の中で光線によって励起される」とレントゲンは書いた。

彼はまた、ガラスだけでなく金属でも興奮することを確立しました。

レントゲンは、陰極線は「エーテル内で起こる現象である」というヘルツ・レナード仮説に触れ、「陰極線についても同様のことが言える」と指摘している。しかし、彼は光線の波動特性を検出できず、「これまでに知られている紫外線、可視光線、赤外線とは異なる振る舞いをする。」レントゲンによれば、その化学的作用と発光作用において、それらは紫外線に似ているという。メッセージで、彼はそれらがエーテル内の縦波である可能性があるという後に残された仮定を表明しました。

レントゲンの発見は科学界に大きな関心を呼び起こしました。彼の実験は世界中のほぼすべての研究所で繰り返されました。モスクワでは、それらはP.N.によって繰り返されました。レベデフ。サンクトペテルブルクでは、ラジオの発明者であるA.S. ポポフはX線を実験し、公開講演会でそれを実演し、さまざまなX線を受けました。ケンブリッジD.D. トムソンはすぐに X 線の電離効果を利用して、ガス中の電気の通過を研究しました。彼の研究は電子の発見につながりました。

第2章

X 線放射線 - 10 -4 ～ 10 3 (10 -12 ～ 10 -5 cm) の波長内のガンマ放射線と紫外線の間のスペクトル領域を占める電磁電離放射線。R. l. 波長λで< 2 условно называются жёсткими, с λ >2 - 柔らかい。

2.1 X線源

最も一般的な X 線源は X 線管です。 - 電気真空装置 X線源として機能します。このような放射線は、陰極から放出された電子が減速して陽極 (対陰極) に衝突するときに発生します。この場合、陽極と陰極の間の空間で強い電場によって加速された電子のエネルギーの一部がX線エネルギーに変換されます。 X 線管放射は、陽極材料の特性放射に X 線制動放射を重ね合わせたものです。 X線管は、電子の流れを得る方法に従って区別されます。熱電子（加熱）陰極、電界放出（尖った）陰極、陽イオンが照射された陰極、および放射性（β）電子源を備えています。真空引きの方法によると、密閉されており、折りたたみ可能です。放射時間に応じて - 連続動作、パルス; アノード冷却の種類に応じて - 水、油、空気、放射冷却による。焦点（アノード上の放射領域）のサイズに応じて - マクロフォーカス、シャープフォーカス、マイクロフォーカス。その形状によると、リング、丸、罫線が入っています。静電集束、磁気集束、電磁集束によって電子を陽極に集束させる方法による。

X線管はX線構造解析に使用されます (付録1)、X線スペクトル分析、探傷 (付録 1)、X 線診断 (付録 1)、放射線療法、X線顕微鏡検査そしてマイクロラジオグラフィー。熱イオン陰極、水冷陽極、および静電電子集束システムを備えた密閉型 X 線管は、あらゆる分野で最も広く使用されています (付録 2)。 X 線管の熱電子陰極は、通常、電流によって加熱されるタングステンワイヤの螺旋状または直線状のフィラメントです。アノードの動作部分（金属鏡面）は、電子の流れに対して垂直またはある角度をなして配置されます。高エネルギーおよび強度の X 線放射の連続スペクトルを取得するには、Au、W の陽極が使用されます。 Ti、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Ag 陽極を備えた X 線管は構造解析に使用されます。

X 線管の主な特性は、最大許容加速電圧 (1 ～ 500 kV)、電子電流 (0.01 mA ～ 1A)、陽極によって消費される比電力 (10 ～ 10 4 W / mm 2)、総消費電力です。 (0.002 W ～ 60 kW) および焦点サイズ (1 μm ～ 10 mm)。 X線管の効率は0.1～3%です。

一部の放射性同位体は X 線源としても機能します。 : それらのうちのいくつかは X 線を直接放出し、他のものの核放射線 (電子または λ 粒子) は金属ターゲットに衝突し、X 線を放出します。同位体線源の X 線強度は X 線管の放射線強度よりも数桁小さいですが、同位体線源の寸法、重量、コストは X 線管に比べて比較にならないほど低くなります。

数 GeV のエネルギーを持つシンクロトロンと電子蓄積リングは、数十、数百のオーダーのλを持つ軟 X 線源として機能します。強度において、シンクロトロンの X 線放射は、スペクトルの指定された領域において X 線管の放射を 2 ～ 3 桁上回ります。

X 線の自然発生源 - 太陽およびその他の宇宙物体。

2.2 X線の性質

X 線の発生メカニズムに応じて、そのスペクトルは連続 (制動放射) または線 (特性) になります。連続 X 線スペクトルは、高速荷電粒子がターゲット原子と相互作用する際の減速の結果として放出されます。このスペクトルは、ターゲットに電子が衝突した場合にのみ顕著な強度に達します。制動放射 X 線の強度は、光子エネルギー h 0 (h はプランク定数) となる高周波境界 0 までのすべての周波数に分布します。 ) は、衝突する電子のエネルギー eV に等しい (e は電子の電荷、V は電子を通過する加速場の電位差)。この周波数は、スペクトル 0 = hc/eV (c は光の速度) の短波長端に対応します。

線放射は、内殻の 1 つから電子が放出されて原子がイオン化した後に発生します。このようなイオン化は、原子が電子 (一次 X 線) などの高速粒子と衝突したり、原子による光子の吸収 (蛍光 X 線) の結果として発生する可能性があります。イオン化された原子は、高エネルギーレベルの 1 つで初期量子状態になり、10 -16 ～ 10 -15 秒後に、より低いエネルギーの最終状態に移行します。この場合、原子は特定の周波数の光子の形で過剰なエネルギーを放出する可能性があります。このような放射線のスペクトルの線の周波数は各元素の原子に特有であるため、線 X 線スペクトルは特性と呼ばれます。このスペクトルの線周波数の原子番号 Z への依存性は、モーズリーの法則によって決まります。

モーズリーの法則、化学元素の特性 X 線放出のスペクトル線の周波数とそのシリアル番号を関連付ける法則。 G. モーズリーが試験的に設置されましたモーズリーの法則によれば、元素の特性放射のスペクトル線の周波数  の平方根は次のようになります。一次関数シリアル番号 Z:

ここで、R はリュードベリ定数です、S n - スクリーニング定数、n - 主量子数。モーズリー図 (付録 3) では、Z への依存性は一連の直線 (値 n = 1、2、3、に対応する K-、L-、M- などの系列) です。

モーズリーの法則は、元素の周期表における元素の配置が正しいことの反駁できない証拠でした DI. メンデレーエフの研究に貢献し、Z の物理的意味の解明に貢献しました。

モーズリーの法則に従って、X 線特性スペクトルは光学スペクトルに固有の周期パターンを示しません。これは、特性X線スペクトルに現れるすべての元素の原子の内部電子殻が類似した構造を持っていることを示しています。

その後の実験では、外側を埋める順序の変更に関連する要素の遷移グループの線形依存性からの逸脱が明らかになりました。電子殻、重い原子と同様に、相対論的効果の結果として現れます（内部速度が光の速度に匹敵するという事実によって条件付きで説明されます）。

核内の核子の数 (等張性シフト)、外側の電子殻の状態 (化学シフト) など、多くの要因に応じて、モーズリー図上のスペクトル線の位置は多少変化する可能性があります。これらのシフトを研究することで、原子に関する詳細な情報を得ることができます。

非常に薄いターゲットから放出される制動放射 X 線は、0 付近で完全に偏光します。 0 が減少すると、偏光度は減少します。特性放射は、原則として偏光されていません。

X 線が物質と相互作用すると、光電効果が発生することがあります。 X 線の吸収とその散乱に伴い、原子が X 線光子を吸収して内部電子の 1 つを放出するときに光電効果が観察され、その後原子は放射遷移を起こし、特徴的な光子を放出します。放射、または非放射遷移中に第 2 電子を放出します (オージェ電子)。非金属結晶（岩塩など）に対する X 線の作用下では、追加の正電荷を持ったイオンが原子格子のいくつかのノードに現れ、過剰な電子がその近くに現れます。このような結晶構造の乱れはX線励起子と呼ばれます、色中心であり、温度が大幅に上昇した場合にのみ消えます。

X 線が厚さ x の物質の層を通過すると、その初期強度 I 0 は値 I = I 0 e - μ x まで減少します。ここで、μ は減衰係数です。 I の減衰は、物質による X 線光子の吸収と散乱時の方向の変化という 2 つのプロセスによって発生します。スペクトルの長波長領域では X 線の吸収が、短波長領域では散乱が優勢になります。吸収の程度は、Z と λ が増加するにつれて急速に増加します。たとえば、硬 X 線は 10 cm 程度の空気層を自由に透過します。厚さ 3 cm のアルミニウム板は、λ = 0.027 の X 線を半分に減衰します。軟 X 線は空気中で大きく吸収されるため、その使用と研究は真空または弱い吸収ガス (He など) 中でのみ可能です。 X線が吸収されると、物質の原子がイオン化されます。

X 線が生体に及ぼす影響は、X 線が組織内で引き起こすイオン化に応じて、有益にも有害にもなりえます。 X 線の吸収は λ に依存するため、X 線の強度は X 線の生物学的影響の尺度として機能しません。 X 線測定は、物質に対する X 線の影響を測定するために使用されます。、測定単位はレントゲンです

Z と λ が大きい領域での X 線の散乱は、主に λ が変化せずに発生し、コヒーレント散乱と呼ばれますが、Z と λ が小さい領域では、原則として散乱が増加します (インコヒーレント散乱)。インコヒーレント X 線散乱には、コンプトンとラマンの 2 種類があります。非弾性微粒子散乱の性質を持つコンプトン散乱では、X 線光子によって部分的に失われたエネルギーにより反跳電子が原子殻から飛び出します。この場合、光子のエネルギーは減少し、その方向は変わります。 λ の変化は散乱角に依存します。軽い原子による高エネルギー X 線光子のラマン散乱中、そのエネルギーのごく一部が原子のイオン化に費やされ、光子の運動方向が変化します。このような光子の変化は散乱角に依存しません。

X 線の屈折率 n は 1 とはわずかに異なります (δ = 1-n ≈ 10 -6 -10 -5 )。媒質中の X 線の位相速度は、真空中の光の速度よりも速くなります。ある媒質から別の媒質に移行する際の X 線の偏差は非常に小さいです (数分角)。 X 線が真空から非常に小さな角度で物体の表面に落ちると、X 線の外部全反射が発生します。

2.3 X線の登録

人間の目は X 線に対して敏感ではありません。 X線

銀、臭素を増量した特殊なX線フィルムを使用して放射線を記録します。領域λ内<0,5 чувствительность этих плёнок быстро падает и может быть искусственно повышена плотно прижатым к плёнке флуоресцирующим экраном. В области λ>図5に示すように、通常のポジフィルムの感度は非常に高く、その粒子はX線フィルムの粒子よりもはるかに小さいため、解像度が向上します。数十、数百のオーダーのλでは、X 線は写真乳剤の最も薄い表面層にのみ作用します。フィルムの感度を高めるために、発光オイルで増感されます。 X 線診断や探傷では、X 線の記録に電子写真が使用されることがあります。（電子放射線検査）。

電離箱を使用して高強度のX線を記録可能 (付録 4)、λ における中強度および低強度の X 線< 3 - сцинтилляционным счётчиком NaI (Tl) 結晶 (付録 5)、0.5 を使用< λ < 5 - счётчиком Гейгера - Мюллера (付録 6) および半田付けされた比例計数管 (付録 7)、1 で< λ < 100 - проточным пропорциональным счётчиком, при λ < 120 - полупроводниковым детектором (付録 8)。非常に大きな λ (数十から 1000) の領域では、入力にさまざまな光電陰極を備えたオープン型二次電子増倍管を使用して X 線を記録できます。

2.4 X線の使用

X 線は、X 線診断のために医療で最も広く使用されています。そして放射線療法。 X 線探傷は、さまざまな分野の技術にとって重要です。たとえば、鋳物の内部欠陥 (シェル、スラグ混入)、レールの亀裂、溶接の欠陥を検出します。

X線構造解析無機および有機分子の鉱物および化合物の結晶格子における原子の空間配置を確立できます。すでに解読されている多数の原子構造に基づいて、X 線パターンに従って逆問題も解くことができます。多結晶物質、例えば、合金鋼、合金、鉱石、月の土壌、この物質の結晶組成を確立することができます。相分析を行った。 R.l.の数多くの応用例材料のX線撮影は固体の特性を研究するために使用されます .

X線顕微鏡検査たとえば、細胞や微生物の画像を取得して、その内部構造を確認することができます。 X線分光法彼は、X 線スペクトルを使用して、さまざまな物質のエネルギーに対する電子状態密度の分布を研究し、化学結合の性質を調査し、固体および分子内のイオンの有効電荷を見つけます。スペクトルX線分析特徴的なスペクトルの線の位置と強度によって、物質の定性的および定量的な組成を決定することができ、冶金工場やセメント工場、加工工場での材料の組成の高速非破壊検査に使用されます。これらの企業を自動化する場合、X 線分光計と量計が物質の組成のセンサーとして使用されます。

宇宙から届く X 線には、宇宙体の化学組成や宇宙で起こっている物理的プロセスに関する情報が含まれています。 X線天文学は宇宙のX線の研究を扱います。強力な X 線は、特定の反応、材料の重合、有機物質の分解を刺激するために放射線化学で使用されます。 X 線は、後期絵画の層の下に隠された古代の絵画を検出したり、食品業界で食品に誤って混入した異物を検出したり、法医学や考古学などでも使用されます。

第3章

X 線回折分析の主なタスクの 1 つは、材料の実組成または相組成を決定することです。 X線回折法は直接法であり、信頼性が高く、迅速であり、比較的安価であるという特徴があります。この方法では必要ありません多数の部品を破壊することなく分析を行うことができます。定性相分析の応用分野は、科学研究と生産管理の両方で非常に多岐にわたります。冶金生産、合成製品、加工の原材料の組成、熱および化学熱処理中の相変化の結果を確認し、さまざまなコーティング、薄膜などを分析できます。

各相は、独自の結晶構造を持ち、この相にのみ固有の、最大以下からの面間距離 d/n の特定の一連の離散値によって特徴付けられます。ウルフ・ブラッグの式からわかるように、面間距離の各値は、特定の角度 θ (波長 λ の特定の値) における多結晶サンプルからの X 線パターン上の線に対応します。したがって、特定の線系 (回折極大) は、X 線回折パターンの各位相の特定の組の面間距離に対応します。 X 線パターンにおけるこれらの線の相対強度は、主に相の構造に依存します。したがって、X線写真上の線の位置（その角度θ）を決定し、X線写真が撮影された放射線の波長を知ることによって、Wulf法を使用して面間距離d/nの値を決定することができます。 -ブラッグ式:

/n = λ/ (2sin θ)。 (1)

研究対象の材料の d/n セットを決定し、それを純粋な物質やそのさまざまな化合物の既知の d/n データと比較すると、特定の材料がどの相を構成しているかを確立することができます。決定されるのは相であり、化学組成ではないことを強調しておく必要がありますが、特定の相の元素組成に関する追加データがあれば、化学組成を推定できる場合もあります。研究対象の材料の化学組成がわかっていれば、この場合に考えられる相について予備的な仮定を立てることができるため、定性的な相分析のタスクは非常に容易になります。

位相解析の鍵は、d/n と線強度を正確に測定することです。これは原理的には回折計を使用した方が簡単に実現できますが、定性分析用の光法には、主に感度 (サンプル中の少量の相の存在を検出できる能力) および分析の簡単さの点でいくつかの利点があります。実験的なテクニック。

X 線パターンからの d/n の計算は、Wulf-Bragg 式を使用して実行されます。

この式の λ の値として、通常、K シリーズの λ α が使用されます。

λ α cf = (2λ α1 + λ α2) /3 (2)

K α1 ラインが使用される場合もあります。すべての X 線線の回折角 θ を決定すると、式 (1) に従って d / n を計算し、β 線を分離することができます (β 線用のフィルターがなかった場合)。

3.1 結晶構造欠陥の解析

すべての実際の単結晶材料、さらには多結晶材料には特定の構造的欠陥 (点欠陥、転位、さまざまな種類の界面、ミクロおよびマクロ応力) が含まれており、構造に敏感な特性やプロセスのすべてに非常に強い影響を及ぼします。

構造的欠陥は、さまざまな性質の結晶格子の歪みを引き起こし、その結果、回折パターンにさまざまな種類の変化が生じます。原子間および面間距離の変化は回折最大値のシフトを引き起こし、下部構造の微小応力と分散は広がりを引き起こします。回折最大値、格子微小歪み - これらの最大値の強度の変化、転位の存在は、X 線の通過中に異常現象を引き起こし、その結果、X 線トポグラムなどの局所的なコントラストの不均一性を引き起こします。

その結果、X 線回折分析は、構造欠陥、その種類と濃度、分布の性質を研究するための最も有益な方法の 1 つとなります。

X 線回折の従来の直接法は、固定回折計で実行されますが、その設計上の特徴により、部品や物体から切り出した小さなサンプルでのみ応力とひずみを定量的に決定できます。

そのため現在では、部品や物体の材料の応力を製造段階や稼働段階で破壊することなく評価できる、据え置き型から可搬型の小型X線回折装置への移行が進んでいます。

ポータブルX線回折装置DRP※1シリーズにより、大型部品・製品・構造物の残留応力・有効応力を破壊することなく管理可能

Windows 環境のプログラムでは、「sin 2 ψ」法を使用して応力をリアルタイムで測定できるだけでなく、相組成や組織の変化を監視することもできます。線形座標検出器は、回折角 2θ = 43°での同時位置合わせを行います。高輝度かつ低出力（5 W）の「Fox」タイプの小型 X 線管により、装置の放射線学的安全性が確保されます。照射領域から 25 cm の距離で、放射線レベルは次のとおりです。自然なバックグラウンドレベル。 DRP シリーズの装置は、金属成形、切断、研削、熱処理、溶接、表面硬化のさまざまな段階での応力を測定し、これらの技術操作を最適化するために使用されます。動作中に特に重要な製品や構造物に誘発される残留圧縮応力のレベルの低下を制御することで、製品が破壊される前に使用を中止することができ、起こり得る事故や大災害を防ぐことができます。

3.2 スペクトル解析

材料の原子結晶構造と相組成を決定するとともに、完全な特性その化学組成を決定することが必須です。

これらの目的のために、スペクトル分析のさまざまないわゆる機器的方法がますます実際に使用されています。それぞれに独自の利点と用途があります。

多くの場合、重要な要件の 1 つは、使用される方法が分析対象の安全性を保証することです。このセクションで説明するのはこれらの分析方法です。このセクションで説明する分析方法が選択される次の基準は、その地域です。

蛍光 X 線スペクトル分析の方法は、(X 線管からの) かなり硬い X 線放射が分析対象物に浸透し、数マイクロメートル程度の厚さの層に浸透することに基づいています。この場合、物体内で発生する特性 X 線放射により、その化学組成に関する平均データを取得することが可能になります。

物質の元素組成を決定するには、X 線管の陽極に置かれ、電子衝撃を受けたサンプルの特性 X 線スペクトルの分析、つまり放射法、またはスペクトルの分析を使用できます。 X 線管またはその他の線源からの硬 X 線の照射を受けたサンプルの二次 (蛍光) X 線放射の測定 - 蛍光法。

この放射法の欠点は、第一に、サンプルを X 線管の陽極に置き、その後真空ポンプで排気する必要があることです。明らかに、この方法は可融性および揮発性の物質には適していません。 2 番目の欠点は、耐火物であっても電子衝撃によって損傷を受けるという事実に関連しています。蛍光法にはこれらの欠点がないため、より幅広い用途があります。蛍光法の利点は、制動放射がないことでもあり、これにより分析の感度が向上します。測定された波長と化学元素のスペクトル線の表との比較が定性分析の基礎となり、サンプル物質を構成するさまざまな元素のスペクトル線の相対強度が定量分析の基礎となります。特性 X 線放射の励起メカニズムを考慮すると、1 つまたは別の系列 (K または L、M など) の放射線が同時に発生し、系列内の線強度の比が常に一定であることは明らかです。絶え間ない。したがって、この要素またはその要素の存在は、個々の行によってではなく、一連の行全体によって確立されます（この要素の内容を考慮して、最も弱いものを除く）。比較的軽い元素の場合は K シリーズラインの分析が使用され、重い元素の場合は L シリーズラインの分析が使用されます。異なる条件下では (使用する機器および分析される元素に応じて)、特性スペクトルの異なる領域が最も便利な場合があります。

X線分光分析の主な特長は以下のとおりです。

重元素であっても X 線特性スペクトルが単純であるため (光学スペクトルと比較して)、分析が簡素化されます (ライン数が少ない、相互配置が類似している、シリアル番号が増加するとスペクトルが定期的にシフトする)短波長領域が発生、定量分析が比較的簡単）。

分析された元素の原子の状態 (遊離または化合物中) からの波長の独立性。これは、特性 X 線放射の発生が内部電子準位の励起に関連しており、ほとんどの場合、原子のイオン化の程度によって実際には変化しないという事実によるものです。

外殻の電子構造の類似性により光学範囲でのスペクトルの違いが小さく、化学的性質の違いがほとんどない希土類およびその他の元素の分析における分離の可能性。

蛍光 X 線分光法は「非破壊的」であるため、薄い金属シートや箔などの薄いサンプルを分析する場合、従来の光学分光法よりも優れています。

蛍光 X 線分光計、特にマルチチャンネル分光計または量子計は、測定値の 1% 未満の誤差、10 -3 の感度閾値で元素 (Na または Mg から U まで) の高速定量分析を提供します。 10 -4% 。

X線ビーム

X線のスペクトル組成を決定する方法

分光計は、結晶回折型と無結晶型の 2 つのタイプに分類されます。

天然の回折格子 (結晶) を使用して X 線をスペクトルに分解することは、ガラス上の周期的なストロークの形をした人工回折格子を使用して通常の光線のスペクトルを取得することと本質的に似ています。回折極大の形成条件は、距離 d hkl だけ離れた平行な原子面の系からの「反射」の条件として表すことができます。

定性分析を行う場合、サンプル中の元素の存在は 1 本の線 (通常は、特定のアナライザー結晶に適したスペクトル系列の最も強い線) によって判断できます。結晶回折分光計の分解能は、周期表上で隣接する位置にある元素であっても特性線を分離するのに十分です。ただし、さまざまな要素のさまざまな線の配置や、反射の配置も考慮する必要があります。順番が違う。分析ラインを選択するときは、この状況を考慮する必要があります。同時に、デバイスの解像度を向上させる可能性を利用する必要があります。

結論

したがって、X 線は、波長 10 5 ～ 10 2 nm の目に見えない電磁放射線です。 X 線は、可視光を通さない一部の物質を透過します。それらは、物質内の高速電子の減速中（連続スペクトル）、および原子の外側の電子殻から内側の電子殻への電子の遷移中に（線形スペクトル）放出されます。 X 線放射源には、X 線管、一部の放射性同位体、加速器および電子蓄積器 (シンクロトロン放射光) があります。受信機 - フィルム、発光スクリーン、核放射線検出器。 X線は、X線回折分析、医療、探傷、X線スペクトル分析などに利用されています。

V. レントゲンの発見の肯定的な側面を考慮した上で、その有害な生物学的影響に注意する必要があります。 X 線は重度の日焼け (紅斑) のような症状を引き起こす可能性があり、これに伴い皮膚にさらに深く永続的な損傷が生じることが判明しました。出現した潰瘍は癌に変化することがよくあります。多くの場合、指や手を切断しなければなりませんでした。死者も出た。

皮膚の損傷は、シールド（鉛など）やリモコンを使用して、暴露時間と線量を減らすことによって回避できることがわかっています。しかし、X 線被ばくによる別の、より長期的な影響が徐々に明らかになり、それが実験動物で確認および研究されました。 X 線やその他の電離放射線 (放射性物質から放出されるガンマ線など) による影響には次のものがあります。

）比較的少量の過剰暴露後の血液組成の一時的な変化。

）長期間にわたる過剰な暴露後の血液組成の不可逆的な変化（溶血性貧血）。

）癌（白血病を含む）の発生率の増加。

）老化が早まり、早期に死亡する。

）白内障の発生。

X 線の人体に対する生物学的影響は、放射線量のレベルと、体のどの臓器が放射線にさらされたかによって決まります。

X 線放射線の人体への影響に関する知識の蓄積により、許容放射線量に関する国内および国際基準が開発され、さまざまな参考書籍に掲載されています。

X 線の有害な影響を回避するために、次のような制御方法が使用されます。

）適切な設備の利用可能性、

) 安全規制への準拠を監視する、

) 機器の正しい使用。

使用したソースのリスト

1) Blokhin M.A.、X 線の物理学、第 2 版、M.、1957 年。

）Blokhin M.A.、X 線スペクトル研究の方法、M.、1959 年。

）X線。土曜日編 MA ブロヒン、トランス。彼と一緒に。およびイングリッシュ、M.、1960。

）Kharaja F.、X 線工学一般コース、第 3 版、M. - L.、1966 年。

）Mirkin L.I.、多結晶のX線回折分析ハンドブック、M.、1961年。

) Weinstein E.E.、Kakhana M.M.、X 線分光法に関する参考表、M.、1953 年。

) X 線および電子光学分析。ゴレリック S.S.、スカコフ Yu.A.、ラストルグエフ L.N.: Proc. 大学への手当。 - 第 4 版追加。そしてリワーカー。 - M.: 「MISiS」、2002年。 - 360 p。

アプリケーション

付録 1

X線管の全体図

付録 2

構造解析用X線管の仕組み

構造解析用の X 線管のスキーム: 1 - 金属陽極ガラス (通常は接地されている)。 2 - X線出力用のベリリウム製の窓。 3 - 熱イオン陰極。 4 - ガラス球、管の陽極部分を陰極から隔離します。 5 - フィラメント電圧および（アノードに対して）高電圧が印加されるカソード端子。 6 - 電子を集束させるための静電システム。 7 - アノード（対カソード）。 8 - アノードガラスを冷却する流水の入力および出力のための分岐パイプ。

付録 3

モーズリー図