RÖNTGEN
Röntgenstrålning upptar området av det elektromagnetiska spektrumet mellan gamma- och ultraviolett strålning och är elektromagnetisk strålning med en våglängd från 10 -14 till 10 -7 m. Inom medicin, röntgenstrålning med en våglängd från 5 x 10 -12 till 2,5 x 10 - 10 används m, det vill säga 0,05 - 2,5 ångström, och för själva röntgendiagnostik - 0,1 ångström. Strålning är en ström av kvanta (fotoner) som fortplantar sig linjärt med ljusets hastighet (300 000 km/s). Dessa kvanta har ingen elektrisk laddning. Massan av ett kvantum är en obetydlig del av en atommassaenhet.
Kvanternas energi mätt i Joule (J), men i praktiken använder de ofta en icke-systemisk enhet "elektron-volt" (eV) . En elektronvolt är den energi som en elektron får när den passerar genom en potentialskillnad på 1 volt i ett elektriskt fält. 1 eV = 1,6 10~ 19 J. Derivaterna är kiloelektronvolt (keV), lika med tusen eV, och megaelektronvolt (MeV), lika med en miljon eV.
Röntgenstrålar produceras med hjälp av röntgenrör, linjäracceleratorer och betatroner. I ett röntgenrör accelererar potentialskillnaden mellan katoden och målanoden (tiotals kilovolt) elektronerna som bombarderar anoden. Röntgenstrålning uppstår när snabba elektroner bromsas in i det elektriska fältet hos atomerna i anodämnet (bremsstrahlung) eller under omstruktureringen av atomernas inre skal (karakteristisk strålning) . Karakteristisk röntgenstrålning har en diskret natur och uppstår när elektronerna i atomerna i anodämnet överförs från en energinivå till en annan under påverkan av externa elektroner eller strålningskvanter. Bremsstrahlung röntgen har ett kontinuerligt spektrum beroende på anodspänningen på röntgenröret. Vid inbromsning av anodämnet spenderar elektroner det mesta av sin energi på att värma anoden (99 %) och endast en liten bråkdel (1 %) omvandlas till röntgenenergi. Inom röntgendiagnostik används oftast bremsstrahlung strålning.
Röntgenstrålningens grundläggande egenskaper är karakteristiska för all elektromagnetisk strålning, men det finns några speciella egenskaper. Röntgenstrålar har följande egenskaper:
- osynlighet - känsliga celler i den mänskliga näthinnan svarar inte på röntgenstrålar, eftersom deras våglängd är tusentals gånger kortare än för synligt ljus;
- rak fortplantning – strålar bryts, polariseras (fortplantas i ett visst plan) och diffrakteras, som synligt ljus. Brytningsindexet skiljer sig mycket lite från enhet;
- genomträngande kraft - penetrera utan betydande absorption genom betydande lager av ämnen som är ogenomskinliga för synligt ljus. Ju kortare våglängd, desto större penetrerande kraft hos röntgenstrålar;
- absorptionsförmåga - har förmågan att absorberas av kroppsvävnader; all röntgendiagnostik baseras på detta. Absorptionskapaciteten beror på vävnadens specifika vikt (ju högre, desto större absorption); på föremålets tjocklek; på strålningshårdheten;
- fotografisk handling - sönderdela silverhalogenidföreningar, inklusive de som finns i fotografiska emulsioner, vilket gör det möjligt att erhålla röntgenbilder;
- självlysande effekt - orsaka luminescens av ett antal kemiska föreningar (luminoforer), röntgengenomlysningstekniken bygger på detta. Intensiteten av glöden beror på strukturen hos det fluorescerande ämnet, dess mängd och avstånd från röntgenkällan. Fosforer används inte bara för att erhålla bilder av föremål som studeras på en fluoroskopisk skärm, utan också vid radiografi, där de gör det möjligt att öka strålningsexponeringen för den radiografiska filmen i kassetten på grund av användningen av förstärkande skärmar, ytskiktet som är gjord av fluorescerande ämnen;
- joniseringseffekt - har förmågan att orsaka sönderfall av neutrala atomer till positivt och negativt laddade partiklar, dosimetri baseras på detta. Effekten av jonisering av vilket medium som helst är bildandet i det av positiva och negativa joner, såväl som fria elektroner från neutrala atomer och molekyler av ämnet. Jonisering av luften i röntgenrummet under drift av röntgenröret leder till en ökning av luftens elektriska ledningsförmåga och en ökning av statiska elektriska laddningar på skåpobjekt. För att eliminera sådana oönskade effekter tillhandahålls forcerad tillförsel och frånluftsventilation i röntgenrum;
- biologisk effekt - har en inverkan på biologiska föremål, i de flesta fall är denna påverkan skadlig;
- omvänd kvadratisk lag - för en punktkälla för röntgenstrålning minskar intensiteten i proportion till kvadraten på avståndet till källan.
Modern medicin använder många läkare för diagnos och terapi. Vissa av dem har använts relativt nyligen, medan andra har använts i dussintals eller till och med hundratals år. Också för hundra och tio år sedan upptäckte William Conrad Roentgen fantastiska röntgenstrålar, som orsakade betydande resonans i den vetenskapliga och medicinska världen. Och nu använder läkare över hela världen dem i sin praktik. Ämnet för vårt samtal idag kommer att vara röntgenstrålar inom medicin; vi kommer att diskutera deras användning lite mer i detalj.
Röntgenstrålar är en typ av elektromagnetisk strålning. De kännetecknas av betydande penetrerande egenskaper, som beror på strålningens våglängd, såväl som på densiteten och tjockleken hos de bestrålade materialen. Dessutom kan röntgenstrålar få ett antal ämnen att glöda, påverka levande organismer, jonisera atomer och även katalysera vissa fotokemiska reaktioner.
Tillämpning av röntgenstrålar inom medicin
Idag gör röntgenstrålningens egenskaper att de kan användas i stor utsträckning inom röntgendiagnostik och röntgenterapi.
Röntgendiagnostik
Röntgendiagnostik används vid utförande av:
röntgen (radioskopi);
- radiografi (bild);
- fluorografi;
- Röntgen och datortomografi.
Röntgen
För att genomföra en sådan studie måste patienten placera sig mellan röntgenröret och en speciell lysrörsskärm. En specialistradiolog väljer den erforderliga styvheten av röntgenstrålarna och får på skärmen en bild av de inre organen, såväl som revbenen.
Radiografi
För att genomföra denna studie placeras patienten på en kassett som innehåller en speciell fotografisk film. Röntgenapparaten placeras direkt ovanför föremålet. Som ett resultat av detta dyker en negativ bild av de inre organen upp på filmen, som innehåller ett antal små detaljer, mer detaljerade än vid en fluoroskopisk undersökning.
Fluorografi
Denna studie genomförs under massmedicinska undersökningar av befolkningen, inklusive för att upptäcka tuberkulos. I det här fallet projiceras en bild från en stor skärm på en speciell film.
Tomografi
När du utför tomografi hjälper datorstrålar till att få bilder av organ på flera ställen samtidigt: i speciellt utvalda tvärsnitt av vävnad. Denna serie av röntgenstrålar kallas ett tomogram.
Dator tomogram
Denna studie låter dig spela in delar av människokroppen med hjälp av en röntgenskanner. Efteråt läggs data in i en dator, vilket resulterar i en tvärsnittsbild.
Var och en av de listade diagnostiska metoderna är baserade på egenskaperna hos en röntgenstråle för att belysa fotografisk film, såväl som på det faktum att mänskliga vävnader och ben skiljer sig åt i olika permeabilitet för deras effekter.
Röntgenterapi
Röntgenstrålningens förmåga att påverka på ett speciellt sätt på vävnad används för behandling av tumörbildningar. Dessutom är de joniserande egenskaperna hos denna strålning särskilt märkbara när de påverkar celler som är kapabla till snabb delning. Det är just dessa egenskaper som särskiljer cellerna i maligna onkologiska formationer.
Det är dock värt att notera att röntgenbehandling kan orsaka mycket allvarliga bieffekter. Denna effekt har en aggressiv effekt på tillståndet hos det hematopoetiska, endokrina och immunsystemet, vars celler också delar sig mycket snabbt. Aggressiv påverkan på dem kan orsaka tecken på strålsjuka.
Effekten av röntgenstrålning på människor
Medan de studerade röntgenstrålar fann läkarna att de kan leda till förändringar i huden som liknar en solbränna, men som åtföljs av djupare skador på huden. Sådana sår tar extremt lång tid att läka. Forskare har funnit att sådana skador kan undvikas genom att minska tiden och dosen av strålning, samt använda speciella skärmnings- och fjärrkontrollmetoder.
De aggressiva effekterna av röntgenstrålar kan också visa sig på lång sikt: tillfälliga eller permanenta förändringar i blodets sammansättning, mottaglighet för leukemi och tidigt åldrande.
Effekten av röntgenstrålar på en person beror på många faktorer: vilket organ som bestrålas och hur länge. Bestrålning av de hematopoetiska organen kan leda till blodsjukdomar, och exponering för könsorganen kan leda till infertilitet.
Att utföra systematisk bestrålning är fyllt med utvecklingen av genetiska förändringar i kroppen.
Den verkliga skadan av röntgenstrålar i röntgendiagnostik
När de genomför en undersökning använder läkare minsta möjliga antal röntgenstrålar. Alla stråldoser uppfyller vissa acceptabla standarder och kan inte skada en person. Röntgendiagnostik utgör en betydande fara endast för de läkare som utför dem. Och då hjälper moderna skyddsmetoder till att minska strålarnas aggression till ett minimum.
De säkraste metoderna för röntgendiagnostik inkluderar radiografi av extremiteterna, såväl som tandröntgen. Nästa plats i denna ranking är mammografi, följt av datortomografi och sedan röntgen.
För att användningen av röntgenstrålar i medicin endast ska ge fördelar för människor, är det nödvändigt att bedriva forskning med deras hjälp endast när indikerat.
Röntgenstrålar är en typ av högenergisk elektromagnetisk strålning. Det används aktivt i olika grenar av medicin.
Röntgenstrålar är elektromagnetiska vågor vars fotonenergi på den elektromagnetiska vågskalan ligger mellan ultraviolett strålning och gammastrålning (från ~10 eV till ~1 MeV), vilket motsvarar våglängder från ~10^3 till ~10^−2 ångström (från ~10 eV till ~1 MeV). ~10^−7 till ~10^−12 m). Det vill säga, det är ojämförligt hårdare strålning än synligt ljus, som ligger på denna skala mellan ultravioletta och infraröda ("termiska") strålar.
Gränsen mellan röntgenstrålning och gammastrålning särskiljs villkorligt: deras intervall skär varandra, gammastrålar kan ha en energi på 1 keV. De skiljer sig i ursprung: gammastrålar emitteras under processer som sker i atomkärnor, medan röntgenstrålar emitteras under processer som involverar elektroner (både fria och de som finns i atomernas elektronskal). Samtidigt är det omöjligt att avgöra från fotonen själv under vilken process den uppstod, det vill säga uppdelningen i röntgen- och gammaområdena är i stort sett godtycklig.
Röntgenområdet är uppdelat i "mjuk röntgen" och "hård". Gränsen mellan dem ligger vid en våglängd på 2 ångström och 6 keV energi.
En röntgengenerator är ett rör där ett vakuum skapas. Det finns elektroder placerade där - en katod, till vilken en negativ laddning appliceras, och en positivt laddad anod. Spänningen mellan dem är tiotals till hundratals kilovolt. Genereringen av röntgenfotoner uppstår när elektroner "bryts av" från katoden och kraschar in i anodens yta med hög hastighet. Den resulterande röntgenstrålningen kallas "bremsstrahlung"; dess fotoner har olika våglängder.
Samtidigt genereras fotoner av det karakteristiska spektrumet. Några av elektronerna i anodämnets atomer är exciterade, det vill säga de flyttar till högre banor och återgår sedan till sitt normala tillstånd och sänder ut fotoner med en viss våglängd. I en standardgenerator produceras båda typerna av röntgenstrålning.
Den 8 november 1895 upptäckte den tyske vetenskapsmannen Wilhelm Conrad Roentgen att vissa ämnen började glöda när de exponerades för "katodstrålar", det vill säga en ström av elektroner som genereras av ett katodstrålerör. Han förklarade detta fenomen med påverkan av vissa röntgenstrålar - det är så denna strålning nu kallas på många språk. Senare har V.K. Röntgen studerade fenomenet han upptäckte. Den 22 december 1895 gav han en rapport om detta ämne vid universitetet i Würzburg.
Senare visade det sig att röntgenstrålning hade observerats tidigare, men då tillmäts fenomenen förknippade med den inte någon större betydelse. Katodstråleröret uppfanns för länge sedan, men innan V.K. Ingen ägnade mycket uppmärksamhet åt röntgenstrålar om svärtning av fotografiska plattor nära den, etc. fenomen. Faran med penetrerande strålning var också okänd.
"röntgen" är den mildaste typen av penetrerande strålning. Överdriven exponering för mjuka röntgenstrålar liknar effekterna av ultraviolett strålning, men i en mer allvarlig form. En brännskada bildas på huden, men skadan är djupare och den läker mycket långsammare.
Hård röntgen är en fullfjädrad joniserande strålning som kan leda till strålsjuka. Röntgenkvanta kan bryta isär proteinmolekylerna som utgör människokroppens vävnader, såväl som genomets DNA-molekyler. Men även om röntgenkvantumet bryter upp en vattenmolekyl gör det ingen skillnad: i det här fallet bildas kemiskt aktiva fria radikaler H och OH, som själva kan påverka proteiner och DNA. Strålningssjuka förekommer i en svårare form, ju mer de hematopoetiska organen påverkas.
Röntgenstrålar har mutagen och cancerframkallande aktivitet. Detta innebär att sannolikheten för spontana mutationer i celler under bestrålning ökar, och ibland kan friska celler degenerera till cancer. En ökad sannolikhet för maligna tumörer är en standardkonsekvens av all strålningsexponering, inklusive röntgen. Röntgenstrålar är den minst farliga typen av penetrerande strålning, men de kan fortfarande vara farliga.
Röntgenstrålning används inom medicin, såväl som inom andra områden av mänsklig verksamhet.
Den vanligaste användningen av röntgen är fluoroskopi. Med "röntgen" av människokroppen kan du få en detaljerad bild av både ben (de syns tydligast) och bilder av inre organ.
Den olika transparensen hos kroppsvävnader i röntgenstrålar är förknippad med deras kemiska sammansättning. De strukturella egenskaperna hos ben är att de innehåller mycket kalcium och fosfor. Övriga vävnader består huvudsakligen av kol, väte, syre och kväve. En fosforatom väger nästan dubbelt så mycket som en syreatom och en kalciumatom 2,5 gånger (kol, kväve och väte är till och med lättare än syre). I detta avseende är absorptionen av röntgenfotoner i ben mycket högre.
Förutom tvådimensionella "bilder" gör radiografi det möjligt att skapa en tredimensionell bild av ett organ: denna typ av radiografi kallas datortomografi. För dessa ändamål används mjuka röntgenstrålar. Mängden strålning som tas emot från ett foto är liten: den är ungefär lika med strålningen som tas emot under en 2-timmars flygning i ett flygplan på en höjd av 10 km.
Detektering av röntgenfel gör att du kan upptäcka mindre interna defekter i produkter. Den använder hårda röntgenstrålar, eftersom många material (till exempel metall) är dåligt "transparenta" på grund av den höga atommassan av deras ingående substans.
Röntgenstrålar har egenskaper som gör att de kan undersöka enskilda atomer i detalj. Röntgendiffraktionsanalys används aktivt inom kemi (inklusive biokemi) och kristallografi. Principen för dess funktion är diffraktionsspridning av röntgenstrålar på atomer av kristaller eller komplexa molekyler. Med hjälp av röntgendiffraktionsanalys bestämdes strukturen för DNA-molekylen.
Röntgenfluorescensanalys gör att du snabbt kan avgöra kemisk sammansättningämnen.
Det finns många former av strålbehandling, men de involverar alla användningen av joniserande strålning. Strålbehandling är indelad i 2 typer: corpuskulär och våg. Corpuscular använder flöden av alfapartiklar (kärnor av heliumatomer), beta-partiklar (elektroner), neutroner, protoner och tunga joner. Wave använder strålar av det elektromagnetiska spektrumet - röntgenstrålar och gamma.
Strålbehandlingsmetoder används främst för behandling av cancer. Faktum är att strålning främst påverkar aktivt delande celler, vilket är anledningen till att de hematopoetiska organen lider så mycket (deras celler delar sig hela tiden och producerar fler och fler nya röda blodkroppar). Cancerceller delar sig också hela tiden och är mer känsliga för strålning än frisk vävnad.
En strålningsnivå används som undertrycker cancercellernas aktivitet samtidigt som den har en måttlig effekt på friska celler. Under påverkan av strålning är det inte förstörelsen av celler som sådana som sker, utan skadan på deras genom - DNA-molekyler. En cell med ett förstört genom kan existera en tid, men kan inte längre dela sig, det vill säga att tumörtillväxten stannar.
Röntgenbehandling är den mildaste formen av strålbehandling. Vågstrålning är mjukare än corpuskulär strålning och röntgenstrålning är mjukare än gammastrålning.
Att använda joniserande strålning under graviditeten är farligt. Röntgen är mutagen och kan orsaka problem hos fostret. Röntgenbehandling är oförenlig med graviditet: den kan endast användas om man redan har beslutat att göra abort. Restriktionerna för fluoroskopi är mildare, men under de första månaderna är det också strängt förbjudet.
Vid absolut behov ersätts röntgenundersökning med magnetröntgen. Men under den första trimestern försöker de också undvika det (denna metod dök upp nyligen, och vi kan med absolut säkerhet säga att det inte finns några skadliga konsekvenser).
En klar fara uppstår när den utsätts för en total dos på minst 1 mSv (i gamla enheter - 100 mR). Med en enkel röntgen (till exempel när han genomgår fluorografi) får patienten ungefär 50 gånger mindre. För att få en sådan dos på en gång måste du genomgå en detaljerad datortomografi.
Det vill säga faktumet av en 1-2 x "röntgen" i sig i ett tidigt skede av graviditeten hotar inte allvarliga konsekvenser (men det är bättre att inte riskera det).
Röntgenstrålar används främst i kampen mot maligna tumörer. Denna metod är bra eftersom den är mycket effektiv: den dödar tumören. Det är dåligt eftersom friska vävnader mår lite bättre och det finns många biverkningar. De hematopoetiska organen är särskilt farliga.
I praktiken används olika metoder för att minska röntgenstrålningens inverkan på frisk vävnad. Strålarna riktas i en vinkel så att tumören är i området för deras skärningspunkt (på grund av detta sker den huvudsakliga absorptionen av energi där). Ibland utförs proceduren i rörelse: patientens kropp roterar i förhållande till strålkällan runt en axel som passerar genom tumören. I det här fallet är friska vävnader i bestrålningszonen endast ibland, och sjuka vävnader exponeras ständigt.
Röntgenstrålar används vid behandling av vissa artroser och liknande sjukdomar, samt hudsjukdomar. I detta fall minskar smärtsyndromet med 50-90%. Eftersom strålningen som används är mjukare observeras inte biverkningar som liknar de som uppstår vid behandling av tumörer.
Röntgenstrålning (synonym röntgenstrålning) har ett brett spektrum av våglängder (från 8·10 -6 till 10 -12 cm). Röntgenstrålning uppstår när laddade partiklar, oftast elektroner, bromsas in i det elektriska fältet hos atomer i ett ämne. De kvanta som bildas i detta fall har olika energier och bildar ett kontinuerligt spektrum. Den maximala energin för kvanta i ett sådant spektrum är lika med energin hos infallande elektroner. I (cm.) är den maximala energin för röntgenstrålningskvanta, uttryckt i kiloelektronvolt, numeriskt lika med storleken på spänningen som appliceras på röret, uttryckt i kilovolt. När röntgenstrålar passerar genom ett ämne interagerar de med elektronerna i dess atomer. För röntgenkvanta med energier upp till 100 keV är den mest karakteristiska typen av interaktion den fotoelektriska effekten. Som ett resultat av en sådan växelverkan går kvantenergin fullständigt åt på att slita ut elektronen ur atomskalet och ge den kinetisk energi. När energin hos ett röntgenkvant ökar, minskar sannolikheten för den fotoelektriska effekten och processen för spridning av kvant med fria elektroner – den så kallade Compton-effekten – blir dominerande. Som ett resultat av en sådan interaktion bildas också en sekundär elektron och dessutom emitteras ett kvantum med en energi som är lägre än energin för det primära kvantet. Om energin i röntgenkvantumet överstiger en megaelektronvolt kan den så kallade parningseffekten uppstå, där en elektron och en positron bildas (se). Följaktligen, när den passerar genom ett ämne, minskar energin hos röntgenstrålning, d.v.s. dess intensitet minskar. Eftersom absorption av lågenergikvanta sker med större sannolikhet, anrikas röntgenstrålningen med högre energikvanter. Denna egenskap hos röntgenstrålning används för att öka den genomsnittliga energin hos kvanta, d.v.s. för att öka dess hårdhet. En ökning av hårdheten hos röntgenstrålning uppnås med hjälp av speciella filter (se). Röntgenstrålning används för röntgendiagnostik (se) och (se). Se även joniserande strålning.
Röntgenstrålning (synonym: röntgenstrålar, röntgenstrålar) är kvantelektromagnetisk strålning med en våglängd från 250 till 0,025 A (eller energikvanta från 5·10 -2 till 5·10 2 keV). 1895 upptäcktes den av V.K. Roentgen. Den spektrala regionen av elektromagnetisk strålning som gränsar till röntgenstrålning, vars energikvanta överstiger 500 keV, kallas gammastrålning (se); strålning vars energikvanta är under 0,05 kev utgör ultraviolett strålning (se).
Således, som representerar en relativt liten del av det stora spektrumet av elektromagnetisk strålning, som inkluderar både radiovågor och synligt ljus, fortplantar sig röntgenstrålning, precis som all elektromagnetisk strålning, med ljusets hastighet (i ett vakuum på cirka 300 tusen km/ sek) och kännetecknas av en våglängd λ (sträckan över vilken strålning färdas under en svängningsperiod). Röntgenstrålning har också en rad andra vågegenskaper (brytning, interferens, diffraktion), men de är mycket svårare att observera än längre våglängdsstrålning: synligt ljus, radiovågor.
Röntgenspektra: al - kontinuerligt bremsstrålningsspektrum vid 310 kV; a - kontinuerligt bromsspektrum vid 250 kV, a1 - spektrum filtrerat med 1 mm Cu, a2 - spektrum filtrerat med 2 mm Cu, b - K-seriens volframlinjer.
För att generera röntgenstrålning används röntgenrör (se) där strålning uppstår när snabba elektroner interagerar med atomer i anodämnet. Det finns två typer av röntgenstrålning: bremsstrålning och karakteristisk. Bremsstrahlung-röntgenstrålar har ett kontinuerligt spektrum, liknande vanligt vitt ljus. Intensitetsfördelningen beroende på våglängden (Fig.) representeras av en kurva med ett maximum; mot långa vågor faller kurvan platt, och mot korta vågor faller den brant och slutar vid en viss våglängd (λ0), kallad kortvågsgränsen för det kontinuerliga spektrumet. Värdet på λ0 är omvänt proportionellt mot spänningen på röret. Bremsstrahlung uppstår när snabba elektroner interagerar med atomkärnor. Bremsstrahlungs intensitet är direkt proportionell mot anodströmmens styrka, kvadraten på spänningen över röret och anodsubstansens atomnummer (Z).
Om energin hos elektronerna som accelereras i röntgenröret överstiger det kritiska värdet för anodämnet (denna energi bestäms av spänningen Vcr som är kritisk för detta ämne på röret), så uppstår karakteristisk strålning. Det karakteristiska spektrumet är linjerat; dess spektrallinjer bildar serier, betecknade med bokstäverna K, L, M, N.
K-serien är den kortaste våglängden, L-serien är längre våglängd, M- och N-serien observeras endast i tunga element (Vcr av volfram för K-serien är 69,3 kV, för L-serien - 12,1 kV). Karakteristisk strålning uppstår enligt följande. Snabba elektroner slår ut atomelektroner ur deras inre skal. Atomen exciteras och återgår sedan till grundtillståndet. I det här fallet fyller elektroner från de yttre, mindre bundna skalen utrymmena som är lediga i de inre skalen, och fotoner av karakteristisk strålning emitteras med en energi som är lika med skillnaden mellan atomens energier i exciterade och grundtillstånd. Denna skillnad (och därför fotonenergin) har ett visst värde som är karakteristiskt för varje element. Detta fenomen ligger till grund för röntgenspektralanalys av grundämnen. Figuren visar linjespektrumet för volfram mot bakgrund av ett kontinuerligt spektrum av bremsstrahlung.
Energin hos elektroner som accelereras i röntgenröret omvandlas nästan helt till termisk energi (anoden blir mycket varm), endast en liten del (ca 1 % vid en spänning nära 100 kV) omvandlas till bremsstrahlung energi.
Användningen av röntgenstrålar inom medicin baseras på lagarna för absorption av röntgenstrålar av materia. Absorptionen av röntgenstrålning är helt oberoende av absorbatorsubstansens optiska egenskaper. Färglöst och transparent blyglas, som används för att skydda personal i röntgenrum, absorberar nästan helt röntgenstrålar. Däremot dämpar ett pappersark som inte är genomskinligt för ljus inte röntgenstrålar.
Intensiteten hos en homogen (dvs en viss våglängd) röntgenstråle som passerar genom ett absorberande lager minskar enligt den exponentiella lagen (e-x), där e är basen för naturliga logaritmer (2,718), och exponenten x lika med produkten massdämpningskoefficient (μ/p) cm 2 /g per absorbatortjocklek i g/cm 2 (här är p ämnets densitet i g/cm 3). Dämpningen av röntgenstrålning uppstår på grund av både spridning och absorption. Följaktligen är massdämpningskoefficienten summan av massabsorptions- och spridningskoefficienterna. Massabsorptionskoefficienten ökar kraftigt med ökande atomnummer (Z) för absorbatorn (proportionell mot Z3 eller Z5) och med ökande våglängd (proportionell mot λ3). Detta beroende av våglängd observeras inom absorptionsbanden, vid vars gränser koefficienten uppvisar hopp.
Massspridningskoefficienten ökar med ökande atomnummer för ämnet. Vid λ≥0,3Å beror inte spridningskoefficienten på våglängden, vid λ<0,ЗÅ он уменьшается с уменьшением λ.
En minskning av absorptions- och spridningskoefficienterna med minskande våglängd orsakar en ökning av röntgenstrålningens penetrerande kraft. Massabsorptionskoefficienten för ben [upptaget beror främst på Ca 3 (PO 4) 2 ] är nästan 70 gånger större än för mjukvävnad, där upptaget främst beror på vatten. Detta förklarar varför skuggan av ben sticker ut så skarpt mot bakgrunden av mjuk vävnad på röntgenbilder.
Utbredningen av en olikformig röntgenstråle genom vilket medium som helst, tillsammans med en minskning av intensiteten, åtföljs av en förändring i den spektrala sammansättningen och en förändring i strålningskvaliteten: den långvågiga delen av spektrumet är absorberas i större utsträckning än kortvågsdelen blir strålningen mer homogen. Genom att filtrera bort långvågsdelen av spektrumet kan man under röntgenbehandling av lesioner som befinner sig djupt i människokroppen förbättra förhållandet mellan djup- och ytdoser (se röntgenfilter). För att karakterisera kvaliteten på en inhomogen stråle av röntgenstrålar används begreppet "halvdämpande skikt (L)" - ett skikt av ämne som dämpar strålningen med hälften. Tjockleken på detta lager beror på spänningen på röret, tjockleken och filtrets material. För att mäta halvdämpningsskikt används cellofan (upp till 12 keV energi), aluminium (20-100 keV), koppar (60-300 keV), bly och koppar (>300 keV). För röntgenstrålar som genereras vid spänningar på 80-120 kV motsvarar 1 mm koppar i filtreringskapacitet 26 mm aluminium, 1 mm bly motsvarar 50,9 mm aluminium.
Absorptionen och spridningen av röntgenstrålning beror på dess korpuskulära egenskaper; Röntgenstrålning interagerar med atomer som en ström av blodkroppar (partiklar) - fotoner, som var och en har en viss energi (omvänt proportionell mot röntgenstrålningens våglängd). Energiområdet för röntgenfotoner är 0,05-500 keV.
Absorptionen av röntgenstrålning beror på den fotoelektriska effekten: absorptionen av en foton av elektronskalet åtföljs av utstötningen av en elektron. Atomen är exciterad och när den återgår till grundtillståndet avger den karakteristisk strålning. Den emitterade fotoelektronen bär bort all energi från fotonen (minus bindningsenergin för elektronen i atomen).
Röntgenspridning orsakas av elektroner i spridningsmediet. Man skiljer på klassisk spridning (strålningens våglängd ändras inte, men utbredningsriktningen ändras) och spridning med en förändring i våglängd - Compton-effekten (våglängden på den spridda strålningen är större än den för den infallande strålningen ). I det senare fallet beter sig fotonen som en rörlig boll, och spridningen av fotoner sker, enligt Comtons figurativa uttryck, som att spela biljard med fotoner och elektroner: när den kolliderar med en elektron överför fotonen en del av sin energi till den och är spridd, med mindre energi (i enlighet därmed ökar våglängden för den spridda strålningen), flyger en elektron ut ur atomen med rekylenergi (dessa elektroner kallas Compton-elektroner, eller rekylelektroner). Absorption av röntgenenergi sker under bildandet av sekundära elektroner (Compton och fotoelektroner) och överföringen av energi till dem. Energin från röntgenstrålning som överförs till en massaenhet av ett ämne bestämmer den absorberade dosen av röntgenstrålning. Enheten för denna dos 1 rad motsvarar 100 erg/g. På grund av den absorberade energin sker ett antal sekundära processer i absorbatorsubstansen, som är viktiga för röntgendosimetri, eftersom det är på dem som metoderna för att mäta röntgenstrålning baseras. (se Dosimetri).
Alla gaser och många vätskor, halvledare och dielektrika ökar den elektriska ledningsförmågan när de utsätts för röntgenstrålar. Konduktivitet detekteras av de bästa isoleringsmaterialen: paraffin, glimmer, gummi, bärnsten. Förändringen i konduktivitet orsakas av jonisering av mediet, d.v.s. separationen av neutrala molekyler i positiva och negativa joner (jonisering produceras av sekundära elektroner). Jonisering i luft används för att bestämma röntgenexponeringsdos (dos i luft), som mäts i röntgener (se joniserande stråldoser). Vid en dos av 1 r är den absorberade dosen i luft 0,88 rad.
Under påverkan av röntgenstrålning, som ett resultat av excitation av molekyler av ett ämne (och under rekombination av joner), exciteras i många fall en synlig glöd av ämnet. Vid höga intensiteter av röntgenstrålning observeras ett synligt sken i luft, papper, paraffin etc. (med undantag för metaller). Det högsta utbytet av synlig luminescens tillhandahålls av kristallina fosforer såsom Zn·CdS·Ag-fosfor och andra som används för fluoroskopiskärmar.
Under påverkan av röntgenstrålning kan olika kemiska processer också ske i ett ämne: sönderdelning av silverhalogenidföreningar (en fotografisk effekt som används vid röntgenfotografering), sönderdelning av vatten och vattenlösningar av väteperoxid, förändringar i egenskaperna av celluloid (grumlighet och frisättning av kamfer), paraffin (grumlighet och blekning) .
Som ett resultat av fullständig omvandling omvandlas all energi som absorberas av det kemiskt inerta ämnet, röntgenstrålningen, till värme. Att mäta mycket små mängder värme kräver mycket känsliga metoder, men är huvudmetoden för absoluta mätningar av röntgenstrålning.
Sekundära biologiska effekter från exponering för röntgenstrålning är grunden för medicinsk röntgenterapi (se). Röntgenstrålning, vars kvanta är 6-16 keV (effektiva våglängder från 2 till 5 Å), absorberas nästan helt av människokroppens hudvävnad; dessa kallas gränsstrålar, eller ibland Buccas strålar (se Buccas strålar). För djupröntgenterapi används hårdfiltrerad strålning med effektiva energikvanta från 100 till 300 keV.
Den biologiska effekten av röntgenstrålning bör beaktas inte bara under röntgenterapi, utan även under röntgendiagnostik, såväl som i alla andra fall av kontakt med röntgenstrålning som kräver användning av strålskydd (ser).
RF:S FEDERAL UTBILDNINGSMYNDIGHET
STATLIG UTBILDNINGSINSTITUT
HÖGRE YRKESUTBILDNING
MOSKVA STATINSTITUTET FÖR STÅL OCH LEGERINGAR
(TEKNISKA UNIVERSITET)
NOVOTROITSKY GREEN
Institutionen för OED
KURSARBETE
Disciplin: Fysik
Ämne: RÖNTGEN
Elev: Nedorezova N.A.
Grupp: EiU-2004-25, nr Z.K.: 04N036
Kontrolleras av: Ozhegova S.M.
Introduktion
Kapitel 1. Upptäckt av röntgenstrålar
1.1 Biografi om Röntgen Wilhelm Conrad
1.2 Upptäckt av röntgenstrålar
Kapitel 2. Röntgenstrålning
2.1 Röntgenkällor
2.2 Röntgenstrålningens egenskaper
2.3 Detektion av röntgenstrålar
2.4 Användning av röntgenstrålar
Kapitel 3. Tillämpning av röntgenstrålning inom metallurgi
3.1 Analys av brister i kristallstrukturen
3.2 Spektralanalys
Slutsats
Lista över använda källor
Ansökningar
Det var en sällsynt person som inte gick igenom röntgenrummet. Röntgenbilder är bekanta för alla. 1995 markerade hundraårsdagen av denna upptäckt. Det är svårt att föreställa sig det enorma intresse det väckte för ett sekel sedan. I händerna på en man fanns en anordning med hjälp av vilken det var möjligt att se det osynliga.
Denna osynliga strålning, som kan penetrera, om än i varierande grad, i alla ämnen, representerande elektromagnetisk strålning med en våglängd på cirka 10 -8 cm, kallades röntgenstrålning, för att hedra Wilhelm Roentgen, som upptäckte den.
Liksom synligt ljus gör röntgenstrålar att fotografisk film blir svart. Denna egenskap är viktig för medicin, industri och vetenskaplig forskning. Genom att passera genom föremålet som studeras och sedan falla på den fotografiska filmen, visar röntgenstrålning dess inre struktur på den. Eftersom genomträngningsförmågan hos röntgenstrålning varierar för olika material, producerar delar av föremålet som är mindre genomskinliga för det ljusare områden på fotografiet än de som strålningen tränger igenom bra. Således är benvävnad mindre genomskinlig för röntgenstrålar än vävnaden som utgör huden och de inre organen. Därför kommer benen på en röntgen att framstå som ljusare områden och frakturstället, som är mindre genomskinligt för strålning, kan upptäckas ganska enkelt. Röntgenstrålar används även inom tandvården för att upptäcka karies och bölder i tändernas rötter, samt inom industrin för att upptäcka sprickor i gjutgods, plast och gummi, inom kemi för att analysera föreningar och inom fysik för att studera kristallers struktur.
Roentgens upptäckt följdes av experiment av andra forskare som upptäckte många nya egenskaper och tillämpningar av denna strålning. Ett stort bidrag gjordes av M. Laue, W. Friedrich och P. Knipping, som 1912 demonstrerade diffraktionen av röntgenstrålar som passerar genom en kristall; W. Coolidge, som 1913 uppfann ett högvakuumröntgenrör med en uppvärmd katod; G. Moseley, som 1913 fastställde förhållandet mellan strålningens våglängd och ett elements atomnummer; G. och L. Bragg, som fick Nobelpriset 1915 för att utveckla grunderna för röntgenstrukturanalys.
Syftet med detta kursarbete är att studera fenomenet röntgenstrålning, upptäcktshistoria, egenskaper och identifiera omfattningen av dess tillämpning.
Wilhelm Conrad Roentgen föddes den 17 mars 1845 i den tyska regionen som gränsar till Holland, i staden Lenepe. Han fick sin tekniska utbildning i Zürich vid samma Högre Tekniska Skola (Yrkeshögskola) där Einstein senare studerade. Hans passion för fysik tvingade honom, efter att ha tagit examen från skolan 1866, att fortsätta sin fysikutbildning.
Efter att ha disputerat för doktorsexamen i filosofi 1868, arbetade han som assistent vid institutionen för fysik, först i Zürich, sedan i Giessen och sedan i Strasbourg (1874-1879) under Kundt. Här gick Roentgen en bra experimentskola och blev en förstklassig experimenterare. Roentgen utförde en del av sin viktiga forskning tillsammans med sin student, en av grundarna av den sovjetiska fysiken A.F. Ioffe.
Vetenskaplig forskning relaterar till elektromagnetism, kristallfysik, optik, molekylär fysik.
1895 upptäckte han strålning med en våglängd som var kortare än den för ultravioletta strålar (röntgenstrålar), senare kallad röntgenstrålning, och studerade deras egenskaper: förmågan att reflekteras, absorberas, jonisera luft etc. Han föreslog den korrekta designen av ett rör för att producera röntgenstrålar - en lutande platinaantikatod och en konkav katod: han var den första som tog fotografier med röntgenstrålar. Han upptäckte 1885 magnetfältet hos ett dielektrikum som rörde sig i ett elektriskt fält (den så kallade "röntgenströmmen"). Hans erfarenhet visade tydligt att magnetfältet skapas av rörliga laddningar och var viktigt för skapandet av elektronisk teori av X. Lorentz. Ett betydande antal av Roentgens verk ägnas åt att studera egenskaperna hos vätskor, gaser, kristaller, elektromagnetiska fenomen, upptäckte sambandet mellan elektriska och optiska fenomen i kristaller.För upptäckten av strålarna som bär hans namn Roentgen var den första bland fysiker som tilldelades Nobelpriset 1901.
Från 1900 till de sista dagarna av sitt liv (han dog den 10 februari 1923) arbetade han vid universitetet i München.
Slutet av 1800-talet präglades av ett ökat intresse för fenomenet elektricitets passage genom gaser. Faraday studerade också på allvar dessa fenomen, beskrev olika former av urladdning och upptäckte ett mörkt utrymme i en lysande kolumn av förtärnad gas. Faradays mörka utrymme skiljer det blåaktiga katodglödet från det rosaaktiga, anodiska skenet.
En ytterligare ökning av gasförsämring förändrar avsevärt glödens natur. Matematikern Plücker (1801-1868) upptäckte 1859, vid ett tillräckligt starkt vakuum, en svagt blåaktig stråle av strålar som utgick från katoden, som nådde anoden och fick glaset i röret att glöda. Plückers elev Hittorf (1824-1914) 1869 fortsatte sin lärares forskning och visade att en distinkt skugga uppträder på rörets fluorescerande yta om en fast kropp placeras mellan katoden och denna yta.
Goldstein (1850-1931), som studerade strålarnas egenskaper, kallade dem katodstrålar (1876). Tre år senare bevisade William Crookes (1832-1919) katodstrålningens materiella natur och kallade dem "strålande materia", en substans i ett speciellt fjärde tillstånd. Hans bevis var övertygande och visuellt. Experiment med "Crookes-röret" gjordes senare demonstreras i alla fysikklassrum. Avböjningen av en katodstråle av ett magnetfält i ett Crookes-rör blev en klassisk skoldemonstration.
Experiment på den elektriska avböjningen av katodstrålar var dock inte så övertygande. Hertz upptäckte inte en sådan avvikelse och kom fram till att katodstrålen är en oscillerande process i etern. Hertz elev F. Lenard, som experimenterade med katodstrålar, visade 1893 att de passerar genom ett fönster täckt med aluminiumfolie och orsakar en glöd i utrymmet bakom fönstret. Hertz ägnade sin sista artikel, publicerad 1892, åt fenomenet katodstrålars passage genom tunna metallkroppar. Den började med orden:
"Katodstrålar skiljer sig från ljus på ett betydande sätt med avseende på deras förmåga att penetrera fasta kroppar." Beskriver resultaten av experiment på katodstrålars passage genom blad av guld, silver, platina, aluminium, etc., noterar Hertz att han gjorde det. inte observera några speciella skillnader i fenomenen. Strålarna passerar inte genom bladen rätlinjigt, utan sprids genom diffraktion. Katodstrålarnas natur var fortfarande oklar.
Det var med dessa tuber av Crookes, Lenard och andra som Würzburg-professorn Wilhelm Conrad Roentgen experimenterade i slutet av 1895. En gång, i slutet av experimentet, efter att ha täckt röret med ett svart kartongskydd, släckte ljuset, men inte men när han stängde av induktorn som driver röret, märkte han glöden från skärmen från bariumsynoxid som låg nära röret. Slås av denna omständighet började Roentgen experimentera med skärmen. I sin första rapport, "Om en ny sorts strålar", daterad den 28 december 1895, skrev han om dessa första experiment: "Ett papper belagt med bariumplatina svaveldioxid, när det närmade sig ett rör täckt med ett hölje tillverkat av tunn svart kartong som passar ganska tätt till den, med varje urladdning blinkar den med starkt ljus: den börjar fluorescera. Fluorescens är synlig när det är tillräckligt mörkt och beror inte på om papperet presenteras med sidan belagd med bariumblå oxid eller inte täckt med bariumblå oxid. Fluorescens märks även på ett avstånd av två meter från röret.”
Noggrann undersökning visade Roentgen "att svart kartong, varken genomskinlig för solens synliga och ultravioletta strålar eller för strålarna från en elektrisk ljusbåge, penetreras av något medel som orsakar fluorescens." Roentgen undersökte den penetrerande kraften hos detta "medel, ” som han kallade för korta ”röntgenstrålar”, för olika ämnen.Han upptäckte att strålarna passerar fritt genom papper, trä, hårt gummi, tunna lager av metall, men är kraftigt fördröjda av bly.
Han beskriver sedan den sensationella upplevelsen:
"Om du håller handen mellan urladdningsröret och skärmen kan du se de mörka skuggorna av benen i de svaga konturerna av själva handens skugga." Detta var den första fluoroskopiska undersökningen av människokroppen. Roentgen fick också de första röntgenbilderna genom att applicera dem på sin hand.
Dessa bilder gjorde ett enormt intryck; upptäckten var ännu inte avslutad och röntgendiagnostiken hade redan börjat sin resa. "Mitt laboratorium svämmade över av läkare som tog in patienter som misstänkte att de hade nålar i olika delar av kroppen", skrev den engelske fysikern Schuster.
Redan efter de första experimenten slog Roentgen fast att röntgenstrålar skiljer sig från katodstrålar, de bär ingen laddning och avböjes inte av ett magnetfält, utan exciteras av katodstrålar." Röntgenstrålar är inte identiska med katodstrålar. , men är upphetsad av dem i urladdningsrörets glasväggar”, skrev Roentgen.
Han konstaterade också att de är exalterade inte bara i glas, utan också i metaller.
Efter att ha nämnt Hertz-Lennards hypotes att katodstrålar "är ett fenomen som förekommer i etern", påpekar Roentgen att "vi kan säga något liknande om våra strålar." Han kunde dock inte upptäcka strålarnas vågegenskaper; de "uppför sig annorlunda än de hittills kända ultravioletta, synliga och infraröda strålarna." I sina kemiska och självlysande verkan, enligt Roentgen, liknar de ultravioletta strålar. I sitt första meddelande angav han att det senare antogs att de kunde vara longitudinella vågor i etern.
Roentgens upptäckt väckte stort intresse i den vetenskapliga världen. Hans experiment upprepades i nästan alla laboratorier i världen. I Moskva upprepades de av P.N. Lebedev. I S:t Petersburg har radiouppfinnaren A.S. Popov experimenterade med röntgenstrålar, visade dem vid offentliga föreläsningar och fick olika röntgenbilder. I Cambridge D.D. Thomson använde omedelbart den joniserande effekten av röntgenstrålar för att studera elektricitets passage genom gaser. Hans forskning ledde till upptäckten av elektronen.
Röntgenstrålning är elektromagnetisk joniserande strålning, som upptar spektralområdet mellan gamma- och ultraviolett strålning inom våglängder från 10 -4 till 10 3 (från 10 -12 till 10 -5 cm).R. l. med våglängd λ< 2 условно называются жёсткими, с λ >2 - mjuk.
Den vanligaste källan till röntgenstrålar är ett röntgenrör.
Röntgenrör används vid röntgenstrukturanalys
Huvudegenskaperna hos röntgenrör är den maximalt tillåtna accelerationsspänningen (1-500 kV), elektronström (0,01 mA - 1A), specifik effekt som avges av anoden (10-10 4 W/mm 2), total strömförbrukning (0,002 W - 60 kW) och fokusstorlekar (1 µm - 10 mm). Röntgenrörets effektivitet är 0,1-3%.
Vissa radioaktiva isotoper kan också fungera som källor till röntgenstrålar.
Synkrotroner och elektronlagringsringar med energier på flera GeV kan fungera som källor för mjuka röntgenstrålar med λ i storleksordningen tiotals och hundratals. Intensiteten av röntgenstrålning från synkrotroner överstiger den för ett röntgenrör i denna region av spektrumet med 2-3 storleksordningar.
Naturliga källor till röntgenstrålar är solen och andra rymdobjekt.
Beroende på mekanismen för röntgengenerering kan deras spektra vara kontinuerliga (bremsstrahlung) eller linje (karakteristisk). Ett kontinuerligt röntgenspektrum emitteras av snabbt laddade partiklar som ett resultat av deras retardation när de interagerar med målatomer; detta spektrum når betydande intensitet endast när målet bombarderas med elektroner. Intensiteten av bremsstrahlung röntgenstrålar är fördelad över alla frekvenser upp till högfrekvensgränsen 0, vid vilken fotonenergin h 0 (h är Plancks konstant
Linjestrålning uppstår efter jonisering av en atom med utstötning av en elektron från ett av dess inre skal. Sådan jonisering kan vara resultatet av en atoms kollision med en snabb partikel såsom en elektron (primära röntgenstrålar), eller absorptionen av en foton av atomen (fluorescerande röntgenstrålar). Den joniserade atomen befinner sig i det initiala kvanttillståndet vid en av de höga energinivåerna och efter 10 -16 -10 -15 sekunder övergår den till sluttillståndet med lägre energi. I detta fall kan atomen avge överskottsenergi i form av en foton med en viss frekvens. Frekvenserna för linjerna i spektrumet av sådan strålning är karakteristiska för atomerna i varje element, därför kallas linjeröntgenspektrumet karakteristiskt. Beroendet av frekvensen av linjerna i detta spektrum av atomnumret Z bestäms av Moseleys lag.
Moseleys lag, en lag som relaterar frekvensen av spektrallinjerna för den karakteristiska röntgenstrålningen av ett kemiskt element med dess atomnummer. Experimentellt etablerad av G. Moseley
där R är Rydbergskonstanten
Moseleys lag var ett obestridligt bevis på den korrekta placeringen av element i det periodiska systemet för grundämnen
I enlighet med Moseleys lag avslöjar inte röntgenkarakteristiska spektra de periodiska mönstren som är inneboende i optiska spektra. Detta indikerar att de inre elektronskalen av atomerna av alla element, som visas i de karakteristiska röntgenspektra, har en liknande struktur.
Senare experiment avslöjade vissa avvikelser från det linjära beroendet för övergångsgrupper av element associerade med en förändring i ordningen för att fylla den yttre elektroniska skal, såväl som för tunga atomer, som uppträder som ett resultat av relativistiska effekter (villkorligt förklarat av det faktum att inre hastigheter är jämförbara med ljusets hastighet).
Beroende på ett antal faktorer - antalet nukleoner i kärnan (isotonisk förskjutning), tillståndet för de yttre elektronskalen (kemisk förskjutning), etc. - kan positionen för spektrallinjerna på Moseley-diagrammet ändras något. Genom att studera dessa skift kan vi få detaljerad information om atomen.
Bremsstrahlung röntgenstrålar som sänds ut av mycket tunna mål är fullständigt polariserad nära 0; När 0 minskar, minskar graden av polarisering. Karakteristisk strålning är som regel inte polariserad.
När röntgenstrålar interagerar med materia kan en fotoelektrisk effekt uppstå.
När röntgenstrålar passerar genom ett skikt av substans med tjockleken x, minskar deras initiala intensitet I 0 till värdet I = I 0 e - μ x där μ är dämpningskoefficienten. Försvagningen av I uppstår på grund av två processer: absorptionen av röntgenfotoner av materia och en förändring i deras riktning under spridningen. I spektrats långvågsregion dominerar absorption av röntgenstrålar, i kortvågsområdet dominerar deras spridning. Absorptionsgraden ökar snabbt med ökande Z och λ. Till exempel tränger hårda röntgenstrålar fritt genom ett luftlager ~ 10 cm; en 3 cm tjock aluminiumplatta dämpar röntgenstrålar med λ = 0,027 med hälften; mjuka röntgenstrålar absorberas avsevärt i luft och deras användning och forskning är möjlig endast i ett vakuum eller i en svagt absorberande gas (till exempel He). När röntgenstrålar absorberas joniseras ämnets atomer.
Effekten av röntgenstrålar på levande organismer kan vara fördelaktig eller skadlig beroende på joniseringen de orsakar i vävnader. Eftersom absorptionen av röntgenstrålar beror på λ, kan deras intensitet inte tjäna som ett mått på den biologiska effekten av röntgenstrålar. Röntgenmätningar används för att kvantitativt mäta effekten av röntgenstrålar på materia.
Spridning av röntgenstrålar i området för stora Z och λ sker huvudsakligen utan att ändra λ och kallas koherent spridning, och i området för små Z och λ ökar den som regel (okoherent spridning). Det finns 2 kända typer av inkoherent spridning av röntgenstrålar - Compton och Raman. I Compton-spridning, som har karaktären av oelastisk korpuskulär spridning, på grund av den energi som delvis förloras av röntgenfotonen, flyger en rekylelektron ut ur atomens skal. I detta fall minskar fotonenergin och dess riktning ändras; förändringen i λ beror på spridningsvinkeln. Under Raman-spridning av en högenergiröntgenfoton på en lätt atom läggs en liten del av dess energi på att jonisera atomen och fotonens rörelseriktning ändras. Förändringen i sådana fotoner beror inte på spridningsvinkeln.
Brytningsindex n för röntgenstrålar skiljer sig från 1 med en mycket liten mängd δ = 1-n ≈ 10 -6 -10 -5. Fashastigheten för röntgenstrålar i ett medium är högre än ljusets hastighet i vakuum. Avböjningen av röntgenstrålar när den passerar från ett medium till ett annat är mycket liten (några minuters båge). När röntgenstrålar faller från ett vakuum till ytan av en kropp i en mycket liten vinkel, reflekteras de helt externt.
Det mänskliga ögat är inte känsligt för röntgenstrålar. Röntgen
Strålarna registreras med en speciell röntgenfilm som innehåller en ökad mängd Ag och Br. I regionen λ<0,5 чувствительность этих плёнок быстро падает и может быть
искусственно повышена плотно прижатым к плёнке флуоресцирующим экраном. В
области λ>5 är känsligheten hos vanlig positiv fotografisk film ganska hög, och dess korn är mycket mindre än kornen i röntgenfilm, vilket ökar upplösningen. Vid λ i storleksordningen tiotals och hundratal verkar röntgenstrålar endast på det tunnaste ytskiktet av fotoemulsionen; För att öka filmens känslighet sensibiliseras den med självlysande oljor. Vid röntgendiagnostik och feldetektering används ibland elektrofotografering för att registrera röntgenstrålar.
Röntgenstrålar med hög intensitet kan registreras med hjälp av en joniseringskammare
Röntgenstrålar används mest inom medicin för röntgendiagnostik.
Röntgenstrukturanalys
Röntgenmikroskopi
Röntgenstrålar som kommer från rymden bär information om den kemiska sammansättningen av kosmiska kroppar och de fysiska processer som sker i rymden. Röntgenastronomi studerar kosmisk röntgenstrålning.
En av huvuduppgifterna för röntgendiffraktionsanalys är att bestämma ett materials material eller fassammansättning. Röntgendiffraktionsmetoden är direkt och kännetecknas av hög tillförlitlighet, snabbhet och relativ billighet. Metoden kräver inte stor kvantitetämnen kan analys utföras utan att förstöra delen. Tillämpningsområdena för kvalitativ fasanalys är mycket olika, både för forskning och kontroll i produktionen. Du kan kontrollera sammansättningen av utgångsmaterialen för metallurgisk produktion, syntesprodukter, bearbetning, resultatet av fasförändringar under termisk och kemisk-termisk behandling, analysera olika beläggningar, tunna filmer etc.
Varje fas, som har sin egen kristallstruktur, kännetecknas av en viss uppsättning diskreta värden av interplanära avstånd d/n, som endast är inneboende i denna fas, från maximum och under. Som följer av Wulff-Bragg-ekvationen motsvarar varje värde på det interplanära avståndet en linje på röntgendiffraktionsmönstret från ett polykristallint prov vid en viss vinkel θ (för en given våglängd λ). Således kommer en viss uppsättning interplanära avstånd för varje fas i röntgendiffraktionsmönstret att motsvara ett visst system av linjer (diffraktionsmaxima). Den relativa intensiteten av dessa linjer i röntgendiffraktionsmönstret beror i första hand på fasens struktur. Därför, genom att bestämma platsen för linjerna på röntgenbilden (dess vinkel θ) och känna till våglängden för strålningen vid vilken röntgenbilden togs, kan vi bestämma värdena för de interplanära avstånden d/ n med Wulff-Bragg-formeln:
/n = X/ (2sin 6). (1)
Genom att bestämma en uppsättning av d/n för materialet som studeras och jämföra den med tidigare kända d/n-data för rena ämnen och deras olika föreningar, är det möjligt att avgöra vilken fas som utgör det givna materialet. Det bör betonas att det är faserna som bestäms, och inte den kemiska sammansättningen, men den senare kan ibland utläsas om ytterligare data finns om grundämnessammansättningen i en viss fas. Uppgiften med kvalitativ fasanalys förenklas avsevärt om den kemiska sammansättningen av materialet som studeras är känd, eftersom man då kan göra preliminära antaganden om möjliga faser i ett givet fall.
Huvudsaken för fasanalys är att noggrant mäta d/n och linjeintensitet. Även om detta i princip är lättare att uppnå med en diffraktometer, har fotometoden för kvalitativ analys vissa fördelar, främst när det gäller känslighet (förmågan att detektera närvaron av en liten mängd fas i ett prov), samt enkelheten i experimentell teknik.
Beräkning av d/n från ett röntgendiffraktionsmönster utförs med användning av Wulff-Bragg-ekvationen.
Värdet på λ i denna ekvation används vanligtvis λ α avg K-serien:
λ α av = (2λ α1 + λ α2) /3 (2)
Ibland används linje K α1. Genom att bestämma diffraktionsvinklarna θ för alla linjer av röntgenfotografier kan du beräkna d/n med hjälp av ekvation (1) och separata β-linjer (om det inte fanns något filter för (β-strålar).
Alla verkliga enkristallina och speciellt polykristallina material innehåller vissa strukturella imperfektioner (punktdefekter, dislokationer, olika typer av gränssnitt, mikro- och makrospänningar), som har ett mycket starkt inflytande på alla strukturkänsliga egenskaper och processer.
Strukturella ofullkomligheter orsakar störningar av kristallgittret av olika karaktär och, som en konsekvens, olika typer av förändringar i diffraktionsmönstret: förändringar i interatomära och interplanära avstånd orsakar en förskjutning av diffraktionsmaxima, mikrospänningar och substrukturdispersion leder till breddning av diffraktionsmaxima, gittermikrodistortioner leder till förändringar i intensiteten av dessa maxima, närvarodislokationer orsakar anomala fenomen under passagen av röntgenstrålar och följaktligen lokala inhomogeniteter i kontrast på röntgentopogram, etc.
Som ett resultat är röntgendiffraktionsanalys en av de mest informativa metoderna för att studera strukturella ofullkomligheter, deras typ och koncentration och fördelningens karaktär.
Den traditionella direkta metoden för röntgendiffraktion, som implementeras på stationära diffraktometrar, på grund av deras designegenskaper, möjliggör kvantitativ bestämning av spänningar och töjningar endast på små prover som är skurna från delar eller föremål.
Därför finns det för närvarande en övergång från stationära till bärbara små röntgendiffraktometrar, som ger bedömning av spänningar i materialet hos delar eller föremål utan att förstöras i stadierna av deras tillverkning och drift.
Bärbara röntgendiffraktometrar i DRP * 1-serien låter dig övervaka kvarvarande och effektiva spänningar i stora delar, produkter och strukturer utan att förstöras
Programmet i Windows-miljön tillåter inte bara att bestämma spänningar med "sin 2 ψ"-metoden i realtid, utan också att övervaka förändringar i fassammansättningen och texturen. Den linjära koordinatdetektorn ger samtidig registrering vid diffraktionsvinklar på 2θ = 43°. Små röntgenrör av typen "Fox" med hög ljusstyrka och låg effekt (5 W) säkerställer enhetens radiologiska säkerhet, där strålningsnivån på ett avstånd av 25 cm från det bestrålade området är lika med naturlig bakgrundsnivå. Enheter i DRP-serien används för att bestämma spänningar i olika stadier av metallformning, under skärning, slipning, värmebehandling, svetsning, ythärdning för att optimera dessa tekniska operationer. Genom att övervaka minskningen av nivån av inducerade kvarvarande tryckspänningar i särskilt kritiska produkter och strukturer under deras drift kan produkten tas ur drift innan den förstörs, vilket förhindrar möjliga olyckor och katastrofer.
Tillsammans med att bestämma den atomära kristallstrukturen och fassammansättningen av materialet för dess fullständiga egenskaper Det är obligatoriskt att bestämma dess kemiska sammansättning.
För dessa ändamål används i allt högre grad olika så kallade instrumentella metoder för spektralanalys i praktiken. Var och en av dem har sina egna fördelar och tillämpningar.
Ett av de viktiga kraven i många fall är att metoden som används säkerställer det analyserade objektets säkerhet; Det är just dessa analysmetoder som diskuteras i detta avsnitt. Nästa kriterium för valet av analysmetoderna som beskrivs i detta avsnitt är deras lokalisering.
Metoden för fluorescerande röntgenspektralanalys bygger på penetrering av ganska hård röntgenstrålning (från ett röntgenrör) in i det analyserade föremålet och tränger in i ett lager med en tjocklek av cirka flera mikrometer. Den karakteristiska röntgenstrålningen som uppträder i föremålet gör det möjligt att erhålla genomsnittliga data om dess kemiska sammansättning.
För att bestämma grundämnessammansättningen av ett ämne kan du använda analys av spektrumet av karakteristisk röntgenstrålning av ett prov placerat på anoden av ett röntgenrör och utsatt för bombardemang med elektroner - emissionsmetoden, eller analys av spektrum av sekundär (fluorescerande) röntgenstrålning av ett prov bestrålat med hårda röntgenstrålar från ett röntgenrör eller annan källa - fluorescerande metod.
Nackdelen med emissionsmetoden är för det första behovet av att placera provet på anoden på röntgenröret och sedan pumpa ut det med vakuumpumpar; Uppenbarligen är denna metod olämplig för smältbara och flyktiga ämnen. Den andra nackdelen är relaterad till det faktum att även eldfasta föremål skadas av elektronbombning. Den fluorescerande metoden är fri från dessa nackdelar och har därför en mycket bredare tillämpning. Fördelen med den fluorescerande metoden är också frånvaron av bremsstrahlung-strålning, vilket förbättrar analysens känslighet. Jämförelse av uppmätta våglängder med tabeller över spektrallinjer för kemiska element utgör grunden för kvalitativ analys, och de relativa värdena för intensiteten av spektrallinjerna för olika element som bildar provsubstansen utgör grunden för kvantitativ analys. Från en undersökning av mekanismen för excitation av karakteristisk röntgenstrålning är det tydligt att strålning av en eller annan serie (K eller L, M, etc.) uppstår samtidigt, och förhållandena mellan linjeintensiteter inom serien är alltid konstanta . Därför fastställs närvaron av ett eller annat element inte av enskilda linjer, utan av en serie linjer som helhet (förutom de svagaste, med hänsyn till innehållet i ett givet element). För relativt lätta element används analys av K-serielinjer, för tunga element - L-serielinjer; under olika förhållanden (beroende på utrustningen som används och de element som analyseras) kan olika regioner av det karakteristiska spektrumet vara mest lämpliga.
Huvuddragen för röntgenspektralanalys är följande.
Enkelheten hos röntgenkarakteristiska spektra även för tunga element (jämfört med optiska spektra), vilket förenklar analysen (litet antal linjer; likhet i deras relativa arrangemang; med en ökning av ordningsnumret sker en naturlig förskjutning av spektrumet till kortvågsområdet, jämförande enkelhet för kvantitativ analys).
Oberoende av våglängder från tillståndet för atomerna i det element som analyseras (fritt eller i en kemisk förening). Detta beror på det faktum att utseendet på karakteristisk röntgenstrålning är förknippat med exciteringen av interna elektroniska nivåer, som i de flesta fall praktiskt taget inte förändras beroende på graden av jonisering av atomer.
Förmågan att i analysen separera sällsynta jordartsmetaller och vissa andra element som har små skillnader i spektra i det optiska området på grund av likheten i den elektroniska strukturen hos de yttre skalen och skiljer sig mycket lite i deras kemiska egenskaper.
Röntgär "icke-förstörande", så den har en fördel jämfört med den konventionella optiska spektroskopimetoden vid analys av tunna prover - tunn metallplåt, folie, etc.
Röntgenfluorescensspektrometrar har blivit särskilt allmänt använda i metallurgiska företag, inklusive flerkanalsspektrometrar eller kvantometrar som ger snabb kvantitativ analys av grundämnen (från Na eller Mg till U) med ett fel på mindre än 1 % av det fastställda värdet, en känslighetströskel av 10 -3 ... 10 -4 % .
röntgenstråle
Metoder för att bestämma den spektrala sammansättningen av röntgenstrålning
Spektrometrar är indelade i två typer: kristalldiffraktion och kristallfria.
Nedbrytningen av röntgenstrålar till ett spektrum med hjälp av ett naturligt diffraktionsgitter - en kristall - liknar i huvudsak att erhålla spektrumet av vanliga ljusstrålar med ett artificiellt diffraktionsgitter i form av periodiska linjer på glas. Villkoret för bildandet av ett diffraktionsmaximum kan skrivas som villkoret för "reflektion" från ett system av parallella atomplan separerade med ett avstånd d hkl.
När man utför kvalitativ analys kan man bedöma närvaron av ett visst element i ett prov med en linje - vanligtvis den mest intensiva linjen i spektralserien som är lämplig för en given kristallanalysator. Upplösningen hos kär tillräcklig för att separera de karakteristiska linjerna för jämna element som är angränsande i position i det periodiska systemet. Men vi måste också ta hänsyn till överlappningen av olika linjer av olika element, såväl som överlappningen av reflektioner annan ordning. Denna omständighet måste beaktas vid val av analytiska linjer. Samtidigt är det nödvändigt att använda möjligheterna att förbättra enhetens upplösning.
Röntgenstrålar är således osynlig elektromagnetisk strålning med en våglängd på 10 5 - 10 2 nm. Röntgenstrålar kan penetrera vissa material som är ogenomskinliga för synligt ljus. De emitteras under retardationen av snabba elektroner i ett ämne (kontinuerligt spektrum) och under övergångar av elektroner från en atoms yttre elektronskal till de inre (linjespektrum). Källor till röntgenstrålning är: ett röntgenrör, några radioaktiva isotoper, acceleratorer och elektronlagringsenheter (synkrotronstrålning). Mottagare - fotografisk film, fluorescerande skärmar, detektorer för nukleär strålning. Röntgenstrålar används i röntgendiffraktionsanalys, medicin, feldetektering, röntgenspektralanalys, etc.
Efter att ha övervägt de positiva aspekterna av V. Roentgens upptäckt är det nödvändigt att notera dess skadliga biologiska effekt. Det visade sig att röntgenstrålning kan orsaka något som en allvarlig solbränna (erytem), dock åtföljd av djupare och mer permanenta skador på huden. De sår som uppstår förvandlas ofta till cancer. I många fall fick fingrar eller händer amputeras. Det fanns också dödsfall.
Det har visat sig att hudskador kan undvikas genom att minska exponeringstid och dos, med hjälp av avskärmning (t.ex. bly) och fjärrkontroller. Men andra, mer långsiktiga konsekvenser av röntgenbestrålning dök efter hand upp, som sedan bekräftades och studerades i försöksdjur. Effekter orsakade av röntgenstrålar och annan joniserande strålning (som gammastrålning som sänds ut av radioaktiva material) inkluderar:
) tillfälliga förändringar i blodsammansättningen efter relativt liten överskottsstrålning;
) irreversibla förändringar i blodets sammansättning (hemolytisk anemi) efter långvarig överdriven strålning;
) ökad förekomst av cancer (inklusive leukemi);
) snabbare åldrande och tidigare död;
) förekomsten av grå starr.
Den biologiska påverkan av röntgenstrålning på människokroppen bestäms av stråldosnivån, samt vilket organ i kroppen som utsattes för strålning.
Den samlade kunskapen om effekterna av röntgenstrålning på människokroppen har lett till utvecklingen av nationella och internationella standarder för tillåtna stråldoser, publicerade i olika referenspublikationer.
För att undvika de skadliga effekterna av röntgenstrålning används kontrollmetoder:
) tillgång till adekvat utrustning,
) övervaka efterlevnaden av säkerhetsföreskrifter,
) korrekt användning av utrustning.
1) Blokhin M.A., Physics of X-rays, 2:a upplagan, M., 1957;
) Blokhin M.A., Methods of X-ray spectral studies, M., 1959;
) Röntgen. lö. redigerad av M.A. Blokhina, per. med honom. och English, M., 1960;
) Kharaja F., Allmän kurs i röntgenteknik, 3:e uppl., M. - L., 1966;
) Mirkin L.I., Handbook on X-ray structural analysis of polycrystals, M., 1961;
) Vainshtein E.E., Kahana M.M., Referenstabeller för röntgenspektroskopi, M., 1953.
) Röntgen och elektronoptisk analys. Gorelik S.S., Skakov Yu.A., Rastorguev L.N.: Lärobok. En manual för universitet. - 4:e uppl. Lägg till. Och omarbetat. - M.: "MISiS", 2002. - 360 sid.
Bilaga 1
Allmän bild av röntgenrör
Bilaga 2
Röntgenrörsdiagram för strukturanalys
Diagram av ett röntgenrör för strukturell analys: 1 - metallanodkopp (vanligtvis jordad); 2 - berylliumfönster för röntgenstrålning; 3 - termionisk katod; 4 - glaskolv som isolerar anoddelen av röret från katoden; 5 - katodterminaler, till vilka glödtrådsspänningen tillförs, såväl som hög (i förhållande till anoden) spänning; 6 - elektrostatiskt elektronfokuseringssystem; 7 - anod (anti-katod); 8 - rör för inlopp och utlopp av rinnande vatten som kyler anodkoppen.
Bilaga 3
Moseley diagram
Moseley-diagram för K-, L- och M-serier av karakteristisk röntgenstrålning. Abskissaxeln visar serienumret för elementet Z, och ordinataaxeln visar ( Med- ljusets hastighet).
Bilaga 4
Joniseringskammare.
Figur 1. Tvärsnitt av en cylindrisk joniseringskammare: 1 - cylindrisk kammarkropp, som fungerar som en negativ elektrod; 2 - cylindrisk stav som fungerar som en positiv elektrod; 3 - isolatorer.
Ris. 2. Kretsschema för att slå på en strömjoniseringskammare: V - spänning vid kammarelektroderna; G - galvanometer som mäter joniseringsström.
Ris. 3. Strömspänningsegenskaper hos joniseringskammaren.
Ris. 4. Anslutningsschema för pulsjoniseringskammaren: C - kapacitet för uppsamlingselektroden; R - motstånd.
Bilaga 5
Scintillationsräknare.
Scintillationsräknarekrets: ljuskvanta (fotoner) "slår ut" elektroner från fotokatoden; rör sig från dynod till dynod, multiplicerar elektronlavinen.
Bilaga 6
Geiger-Muller disk.
Ris. 1. Diagram av en Geiger-Müller-disk i glas: 1 - hermetiskt tillslutet glasrör; 2 - katod (ett tunt lager av koppar på ett rostfritt stålrör); 3 - katodutgång; 4 - anod (tunn sträckt tråd).
Ris. 2. Kretsschema för anslutning av en Geiger-Müllerräknare.
Ris. 3. Räkneegenskaper hos en Geiger-Müllerräknare.
Bilaga 7
Proportionell räknare.
Schema för en proportionell räknare: a - elektrondriftregion; b - område av gasförstärkning.
Bilaga 8
Halvledardetektorer
Halvledardetektorer; Det känsliga området framhävs av skuggning; n - region av halvledaren med elektronisk ledningsförmåga, p - med hålledningsförmåga, i - med inneboende ledningsförmåga; a - kiselytbarriärdetektor; b - drift germanium-litium plan detektor; c - germanium-litium koaxialdetektor.
