РЕНТГЕНІВСЬКЕ ВИМИКАННЯ
Рентгенівське випромінювання займає область електромагнітного спектру між гамма-і ультрафіолетовим випромінюваннями і є електромагнітним випромінюванням з довжиною хвилі від 10 -14 до 10 -7 м. У медицині використовується рентгенівське випромінювання з довжиною хвилі від 5 х 10 -12 до 2,5 х 10 -10 м, тобто 0,05 – 2,5 ангсмтрему, а власне для рентгенодіагностики – 0,1 ангстрему. Випромінювання є потік квантів (фотонів), що поширюються прямолінійно зі швидкістю світла (300 000 км/с). Ці кванти немає електричного заряду. Маса кванта становить незначну частину атомної одиниці маси.
Енергію квантіввимірюють у Джоулях (Дж), але на практиці часто користуються позасистемною одиницею "електрон-вольт" (еВ) . Один електрон-вольт - це енергія, яку набуває один електрон, пройшовши в електричному полі різницю потенціалів 1 вольт. 1 еВ = 1,6 10~ 19 Дж. Похідними є кілоелектрон-вольт (кеВ), рівний тисячі еВ, і мегаелектрон-вольт (МеВ), рівний мільйону еВ.
Рентгенівські промені одержують за допомогою рентгенівських трубок, лінійних прискорювачів та бетатронів. У рентгенівській трубці різниця потенціалів між катодом і анодом-мішенню (десятки кіловольт) прискорює електрони, що бомбардують анод. Рентгенівське випромінювання виникає при гальмуванні швидких електронів в електричному полі атомів речовини анода (гальмівне випромінювання) або при перебудові внутрішніх оболонок атомів (характеристичне випромінювання) . Характеристичне рентгенівське випромінювання має дискретний характер і виникає під час переходу електронів атомів речовини анода з одного енергетичного рівня в інший під впливом зовнішніх електронів чи квантів випромінювання. Гальмівне рентгенівське випромінювання має безперервний спектр, що залежить від анодної напруги на рентгенівській трубці. При гальмуванні в речовині анода електрони більшу частину своєї енергії витрачають на нагрівання анода (99%) і лише мала частка (1%) перетворюється на енергію рентгенівського випромінювання. У рентгенодіагностиці найчастіше використовується гальмівне випромінювання.
Основні властивості рентгенівських променів характерні всім електромагнітних випромінювань, проте є деякі особливості. Рентгенівські промені мають такі властивості:
- невидимість - чутливі клітини сітківки ока людини не реагують на рентгенівські промені, оскільки довжина їхньої хвилі у тисячі разів менша, ніж у видимого світла;
- прямолінійне поширення – промені заломлюються, поляризуються (поширюються у певній площині) та дифрагують, як і видиме світло. Коефіцієнт заломлення дуже мало відрізняється від одиниці;
- проникаюча здатність - проникають без суттєвого поглинання через значні шари речовини, непрозорої для видимого світла. Чим коротша довжина хвилі, тим більшою проникною здатністю має рентгенівське випромінювання;
- здатність до поглинання - мають здатність поглинатися тканинами організму, на цьому заснована вся рентгенодіагностика. Здатність до поглинання залежить від частки тканин (що більше, тим більше поглинання); від товщини об'єкта; від жорсткості випромінювання;
- фотографічна дія - розкладають галоїдні сполуки срібла, у тому числі що знаходяться у фотоемульсіях, що дозволяє отримувати рентгенівські знімки;
- люмінесцентна дія - Викликають люмінесценцію ряду хімічних сполук (люмінофорів), на цьому заснована методика рентгенівського просвічування. Інтенсивність світіння залежить від будови флюоресцентної речовини, її кількості та відстані від джерела рентгенівського випромінювання. Люмінофори використовують не тільки для отримання зображення досліджуваних об'єктів на рентгеноскопічному екрані, але і при рентгенографії, де вони дозволяють збільшити променеву дію на рентгенографічну плівку в касеті завдяки застосуванню підсилюючих екранів, поверхневий шар яких виконаний з речовин, що флюоресціюють;
- іонізаційна дія - мають здатність викликати розпад нейтральних атомів на позитивно і негативно заряджені частинки, на цьому заснована дозиметрія. Ефект іонізації будь-якого середовища полягає в утворенні в ній позитивних та негативних іонів, а також вільних електронів із нейтральних атомів та молекул речовини. Іонізація повітря в рентгенівському кабінеті під час роботи рентгенівської трубки призводить до збільшення електричної провідності повітря, посилення статичних електричних зарядів на предметах кабінету. З метою усунення такого небажаного впливу їх у рентгенівських кабінетах передбачено примусову припливно-витяжну вентиляцію;
- біологічна дія - впливають на біологічні об'єкти, в більшості випадків цей вплив є шкідливим;
- закон зворотних квадратів - для точкового джерела рентгенівського випромінювання інтенсивність зменшується пропорційно квадрату відстані джерела.
Сучасна медицина використовує безліч медиків діагностики та терапії. Деякі з них застосовують порівняно недавно, інші ж практикують протягом одного десятка і навіть сотні років. Також ще сто десять років тому Вільям Конрад Рентген виявив дивовижні Х-промені, які викликали значний резонанс у науковому та медичному світі. І зараз медики всього планети використовують їх у своїй практиці. Темою нашої сьогоднішньої розмови стануть рентгенівські промені в медицині, обговоримо їх застосування трохи докладніше.
Рентгенівські промені є одним з різновидів електромагнітного випромінювання. Вони характеризуються значними проникними якостями, які залежать довжини хвилі випромінювання, а також від щільності і товщини матеріалів, що опромінюються. Крім того, рентгенівські промені здатні викликати свічення ряду речовин, впливати на живі організми, іонізувати атоми, а також каталізувати деякі фотохімічні реакції.
Застосування променів Рентгена у медицині
На сьогоднішній день властивості рентгенівських променів дозволяють широко застосовувати їх у рентгенодіагностиці та рентгенотерапії.
Рентгенодіагностика
До рентгенодіагностики вдаються під час проведення:
Рентгеноскопії (просвічування);
- рентгенографії (знімка);
- флюорографії;
- рентгенівської та комп'ютерної томографії.
Рентгеноскопія
Для проведення такого дослідження пацієнту необхідно розташуватися між трубкою рентгену та особливим флуоресціюючим екраном. Спеціаліст-рентгенолог підбирає необхідну жорсткість Х-променів, отримуючи на екрані картинку внутрішніх органів, а також ребер.
Рентгенографія
Для проведення даного дослідження пацієнта укладають на касету, де знаходиться спеціальна фотоплівка. Рентгенівський апарат при цьому мають безпосередньо над об'єктом. В результаті на плівці з'являється негативне зображення внутрішніх органів, яке містить ряд дрібних деталей, більш докладних, ніж під час проведення рентгеноскопічного обстеження.
Флюорографія
Дане дослідження здійснюють під час проведення масових медоглядів населення, зокрема і виявлення туберкульозу. При цьому на особливу плівку проектують зображення з великого екрану.
Томографія
Під час проведення томографії комп'ютерні промені допомагають отримати знімки органів відразу у кількох місцях: у спеціально підібраних поперечних зрізах тканини. Така серія рентгенівських знімків зветься томограми.
Комп'ютерна томограма
Таке дослідження дозволяє реєструвати зрізи тіла шляхом застосування рентгенівського сканера. Після цього заносять в комп'ютер, отримуючи одну картинку в поперечному перерізі.
Кожен із перерахованих методів діагностики заснований на властивостях рентгенівського променя засвічувати фотоплівку, а також на тому, що тканини та кістковий скелет людини відрізняються різною проникністю до їх дії.
Рентгенотерапія
Здатність рентгенівських променів впливати особливим чиномна тканині застосовується для терапії пухлинних формувань. При цьому іонізуючі властивості даного випромінювання особливо активно помітні при дії на клітини, які здатні до швидкого поділу. Саме цими якостями відрізняються клітини злоякісних онкологічних формувань.
Тим не менш, варто зазначити, що рентгенотерапія здатна викликати масу серйозних побічних ефектів. Така дія агресивно позначається на стані кровотворної, ендокринної та імунної системи, клітини яких також дуже швидко діляться. Агресивний вплив на них здатний викликати ознаки променевої хвороби.
Вплив рентгенівського випромінювання на людину
Під час дослідження рентгенівських променів медики з'ясували, що вони можуть призводити до змін у шкірному покриві, які нагадують сонячний опік, проте супроводжуються глибшими ушкодженнями шкіри. Подібні виразки гояться вкрай довго. Вчені з'ясували, що таких поразок можна уникнути шляхом зниження часу та дози опромінення, а також за допомогою спеціального екранування та методів дистанційного керування.
Агресивний вплив рентгенівських променів може виявлятися і в довгостроковій перспективі: тимчасовими чи постійними змінами у складі крові, схильністю до лейкемії та раннього старіння.
Вплив рентгена на людину залежить від багатьох факторів: від того, який орган опромінюють і як довго. Опромінення органів кровотворення може призвести до хвороб крові, а вплив на статеві органи – до безпліддя.
Проведення систематичного опромінення загрожує розвитком генетичних змін в організмі.
Реальна шкода рентгенівських променів при рентгенодіагностиці
Під час проведення обстеження лікарі застосовують мінімально можливу кількість рентгенівських променів. Усі дози опромінення відповідають певним допустимим стандартам і не можуть зашкодити людині. Значну небезпеку рентгенодіагностика становить лише лікарів, які її проводять. І то сучасні методи захисту допомагають зменшити агресію променів до мінімуму.
До безпечних методів рентгенодіагностики відносять рентгенографію кінцівок, а також стоматологічний рентген. На наступному місці цього рейтингу знаходиться мамографія, за нею комп'ютерна томографія, а потім рентгенографія.
Щоб застосування рентгенівських променів у медицині приносило лише користь людині, необхідно проводити дослідження з допомогою лише за показаннями.
Рентгенівське випромінювання – різновид високоенергетичного електромагнітного випромінювання. Воно активно використовується у різних галузях медицини.
Рентгенівські промені є електромагнітними хвилями, енергія фотонів яких на шкалі електромагнітних хвиль знаходиться між ультрафіолетовим випромінюванням і гамма-випромінюванням (від ~10 еВ до ~1 МеВ), що відповідає довжинам хвиль від ~10^3 до ~10^-2 ангстрем ( від ~10^-7 до ~10^-12 м). Тобто це незрівнянно більш жорстке випромінювання, ніж видиме світло, яке знаходиться на цій шкалі між ультрафіолетом та інфрачервоними (тепловими) променями.
Кордон між рентгеном та гамма-випромінюванням виділяється умовно: їх діапазони перетинаються, гамма-промені можуть мати енергію від 1 кев. Розрізняються вони за походженням: гамма-промені випускаються в ході процесів, що відбуваються в атомних ядрах, рентгенівські ж - при процесах, що йдуть за участю електронів (як вільних, так і в електронних оболонках атомів). При цьому по самому фотону неможливо встановити, в ході якого процесу він виник, тобто поділ на рентгенівський та гамма-діапазон багато в чому умовний.
Рентгенівський діапазон ділять на "м'який рентген" та "жорсткий". Кордон між ними пролягає на рівні довжини хвилі 2 ангстреми та 6 кев енергії.
Генератор рентгенівського випромінювання є трубкою, в якій створений вакуум. Там розташовані електроди – катод, який подається негативний заряд, і позитивно заряджений анод. Напруга між ними становить десятки-сотні кіловольт. Генерація рентгенівських фотонів відбувається тоді, коли електрони зриваються з катода і з високою швидкістю врізаються в поверхню анода. Рентгенівське випромінювання, що виникає при цьому, називається “гальмівним”, його фотони мають різну довжину хвилі.
Одночасно відбувається генерація фотонів характеристичного спектру. Частина електронів в атомах речовини анода порушується, тобто переходить більш високі орбіти, та був повертається у нормальний стан, випромінюючи фотони певної довжини хвилі. У стандартному генераторі виникають обидва типи рентгенівського випромінювання.
8 листопада 1895 року німецький учений Вільгельм Конрад Рентген виявив, деякі речовини під впливом “катодних променів”, тобто потоку електронів, генерованого катодно-променевої трубкою, починають світитися. Він пояснив це явище впливом деяких X-променів – так (“ікс-промені”) це випромінювання і тепер називається багатьма мовами. Пізніше В.К. Рентген вивчив відкрите їм явище. 22 грудня 1895 року він зробив доповідь на цю тему у Вюрцбурзькому університеті.
Пізніше з'ясувалося, що рентгенівське випромінювання спостерігалося і раніше, але тоді пов'язаним із ним феноменам не надали великого значення. Катодно-променеву трубку було винайдено вже давно, але до В.К. Рентгена ніхто не звертав особливої уваги на почорніння фотопластинок поблизу неї тощо. явища. Невідома була і небезпека, яка походить від проникаючої радіації.
"Рентген" - м'який тип проникаючої радіації. Надмірна дія м'якого рентгена нагадує вплив ультрафіолетового опромінення, але у більш тяжкій формі. На шкірі утворюється опік, але поразка виявляється глибшим, а гоїться він набагато повільніше.
Жорсткий рентген є повноцінною іонізуючою радіацією, здатною призвести до променевої хвороби. Рентгенівські кванти можуть розривати молекули білків, у тому числі складаються тканини людського тіла, і навіть молекули ДНК геному. Але навіть якщо рентгенівський квант розбиває молекулу води, все одно: при цьому утворюються хімічно активні вільні радикали H і OH, які здатні самі впливати на білки і ДНК. Променева хвороба протікає в більш важкій формі, чим більше уражаються органи кровотворення.
Рентгенівські промені мають мутагенну і канцерогенну активність. Це означає, що ймовірність спонтанних мутацій у клітинах при опроміненні зростає, інколи ж здорові клітини можуть перероджуватися в ракові. Підвищення ймовірності появи злоякісних пухлин – стандартний наслідок будь-якого опромінення, зокрема рентгенівського. Рентген є найменш небезпечним видом проникаючої радіації, але він все одно може бути небезпечним.
Рентгенівське випромінювання застосовується у медицині, соціальній та інших сферах людської діяльності.
Найчастіше застосування рентгенівського випромінювання – рентгеноскопія. "Просвічування" людського тіла дозволяє отримати детальне зображення як кісток (вони видно найчіткіше), так і зображення внутрішніх органів.
Різна прозорість тканин тіла в рентгенівських променях пов'язана з їх хімічним складом. Особливості будови кісток у тому, що вони містять багато кальцію та фосфору. Інші тканини складаються в основному з вуглецю, водню, кисню і азоту. Атом фосфору перевищує за вагою атом кисню майже вдвічі, а атом кальцію – у 2,5 рази (вуглець, азот та водень – ще легший за кисень). У зв'язку з цим поглинання рентгенівських фотонів у кістках виявляється набагато вищим.
Крім двовимірних "знімків" рентгенографія дає можливість створити тривимірне зображення органу: цей різновид рентгенографії називається комп'ютерною томографією. Для цього застосовується м'який рентген. Об'єм опромінення, отриманий при одному знімку, невеликий: він приблизно дорівнює опроміненню, що отримується при 2-годинному польоті літаком на висоті 10 км.
Рентгенівська дефектоскопія дозволяє виявляти дрібні внутрішні дефекти виробах. Для неї використовується жорсткий рентген, так як багато матеріалів (метал наприклад) погано просвічуються через високу атомну масу складової їх речовини.
У рентгенівських променів властивості дозволяють з допомогою детально розглядати окремі атоми. Рентгеноструктурний аналіз активно застосовується в хімії (у тому числі біохімії) та кристалографії. Принцип роботи – дифракційне розсіювання рентгенівських променів на атомах кристалів чи складних молекул. За допомогою рентгеноструктурного аналізу було визначено структуру молекули ДНК.
Рентгенофлуоресцентний аналіз дозволяє швидко визначити хімічний складречовини.
Існує безліч форм радіотерапії, але всі вони мають на увазі використання іонізуючої радіації. Радіотерапія ділиться на 2 типи: корпускулярний та хвильовий. Корпускулярний використовує потоки альфа-часток (ядер атомів гелію), бета-часток (електронів), нейтронів, протонів, важких іонів. Хвильовий використовує промені електромагнітного спектру – рентгенівські та гамма.
Використовуються радіотерапевтичні методи насамперед лікування онкологічних захворювань. Справа в тому, що радіація вражає в першу чергу клітини, що активно діляться, тому так страждають органи кровотворення (їх клітини постійно діляться, виробляючи все нові еритроцити). Ракові клітини теж постійно діляться і вразливіші для радіації, ніж здорова тканина.
Використовується рівень опромінення, що пригнічує активність ракових клітин, помірно впливаючи на здорові. Під впливом радіації відбувається не руйнація клітин як таке, а поразка їхнього геному – молекул ДНК. Клітина з зруйнованим геномом може деякий час існувати, але не може ділитися, тобто зростання пухлини припиняється.
Рентгенотерапія – найм'якша форма радіотерапії. Хвильова радіація м'якша за корпускулярну, а рентген – м'якша за гамма-випромінювання.
Використовувати іонізуючу радіацію при вагітності небезпечно. Рентгенівські промені мають мутагенну активність і можуть викликати порушення у плода. Рентгенотерапія несумісна з вагітністю: вона може застосовуватися тільки в тому випадку, якщо вже вирішено аборт. Обмеження на рентгеноскопію м'якше, але у перші місяці вона також суворо заборонена.
У разі нагальної потреби рентгенологічне дослідження замінюють магніторезонансною томографією. Але в перший триместр намагаються уникати і її (цей метод з'явився нещодавно і з абсолютною впевненістю говорити про відсутність шкідливих наслідків).
Однозначна небезпека виникає при опроміненні сумарною дозою щонайменше 1 мЗв (у старих одиницях – 100 мР). При простому рентгенівському знімку (наприклад, при проходженні флюорографії) пацієнтка отримує приблизно 50 разів менше. Для того, щоб отримати таку дозу за 1 раз, потрібно зазнати детальної комп'ютерної томографії.
Тобто сам собою факт 1-2-кратного “рентгена” на ранній стадії вагітності не загрожує важкими наслідками (але краще не ризикувати).
Рентгенівські промені застосовують передусім боротьби з злоякісними пухлинами. Цей метод хороший тим, що є високоефективним: він вбиває пухлину. Поганий він тим, що здоровим тканинам доводиться трохи краще, є численні побічні ефекти. Особливою небезпекою є органи кровотворення.
Насправді застосовуються різні методи, дозволяють знизити вплив рентгену на здорові тканини. Промені прямують під кутом таким чином, щоб у зоні їх перехрещення виявилася пухлина (завдяки цьому основне поглинання енергії відбувається саме там). Іноді процедура проводиться в русі: тіло пацієнта щодо джерела випромінювання обертається навколо осі через пухлину. При цьому здорові тканини опиняються в зоні опромінення лише іноді, а хворі – постійно.
Рентген використовується при лікуванні деяких артрозів та подібних захворювань, а також шкірних хвороб. У цьому больовий синдром знижується на 50-90%. Так як випромінювання при цьому використовується м'якше, побічних ефектів, аналогічних тим, що виникають при лікуванні пухлин, не спостерігається.
Рентгенівське випромінювання (синонім рентгенівські промені) - з широким діапазоном довжин хвиль (від 8·10 -6 до 10 -12 див). Рентгенівське випромінювання виникає при гальмуванні заряджених частинок, найчастіше електронів, в електричному полі атомів речовини. Кванти, що при цьому утворюються, мають різну енергію і утворюють безперервний спектр. Максимальна енергія квантів у такому спектрі дорівнює енергії електронів, що налітають. В максимальна енергія квантів рентгенівського випромінювання, виражена в кілоелектрон-вольтах, чисельно дорівнює величині прикладеного до трубки напруги, вираженого в кіловольтах. При проходженні речовини рентгенівське випромінювання взаємодіє з електронами його атомів. Для квантів рентгенівського випромінювання з енергією до 100 кев найбільш характерним видом взаємодії є фотоефект. Внаслідок такої взаємодії енергія кванта повністю витрачається на виривання електрона з атомної оболонки та повідомлення йому кінетичної енергії. Зі зростанням енергії кванта рентгенівського випромінювання ймовірність фотоефекту зменшується і переважає процес розсіювання квантів на вільних електронах - так званий комптон-ефект. В результаті такої взаємодії також утворюється вторинний електрон і, крім того, вилітає квант з меншою енергією, ніж енергія первинного кванта. Якщо енергія кванта рентгенівського випромінювання перевищує один мегаелектрон-вольт, може місце так званий ефект утворення пар, при якому утворюються електрон і позитрон (див. ). Отже, при проходженні через речовину відбувається зменшення рентгенівського енергії випромінювання, тобто зменшення його інтенсивності. Оскільки при цьому з більшою ймовірністю відбувається поглинання квантів низької енергії, має місце збагачення рентгенівського випромінювання квантами вищої енергії. Цю властивість рентгенівського випромінювання використовують збільшення середньої енергії квантів, т. е. збільшення його жорсткості. Досягається збільшення жорсткості рентгенівського випромінювання за допомогою спеціальних фільтрів (див. ). Рентгенівське випромінювання застосовують для рентгенодіагностики (див.) та (див.). також Випромінювання іонізуючі.
Рентгенівське випромінювання (синонім: рентгенівські промені, рентгенові промені) - квантове електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі від 250 до 0,025 А (або квантів анергії від 5 10 -2 до 5 10 2 кев). У 1895 р. відкрито В. К. Рентгеном. Сумежну з рентгенівським випромінюванням спектральну область електромагнітного випромінювання, кванти енергії якого перевищують 500 кев, називають гамма-випромінюванням (див.); випромінювання, кванти енергії якого нижче значень 0,05 кев, становить ультрафіолетове випромінювання (див.).
Таким чином, представляючи відносно невелику частину великого спектру електромагнітних випромінювань, до якого входять і радіохвилі і видиме світло, рентгенівське випромінювання, як і будь-яке електромагнітне випромінювання, поширюється зі швидкістю світла (в порожнечі близько 300 тис. км/сек) і характеризується довжиною хвилі ( відстань, на яку випромінювання поширюється за один період коливання). Рентгенівське випромінювання має також ряд інших хвильових властивостей (заломлення, інтерференція, дифракція), проте спостерігати їх значно складніше, ніж у більш довгохвильового випромінювання: видимого світла, радіохвиль.
Спектри рентгенівського випромінювання: а1 – суцільний гальмівний спектр при 310 кв; а – суцільний гальмівний спектр при 250 кв, а1 – спектр, фільтрований 1 мм Cu, а2 – спектр, фільтрований 2 мм Cu, б – К-серія лінії вольфраму.
Для генерування рентгенівського випромінювання застосовують рентгенівські трубки, в яких випромінювання виникає при взаємодії швидких електронів з атомами речовини анода. Розрізняють рентгенівські випромінювання двох видів: гальмівне та характеристичне. Гальмівне рентгенівське випромінювання, що має суцільний спектр, подібно до звичайного білого світла. Розподіл інтенсивності в залежності від довжини хвилі (рис.) представляється кривою з максимумом; у бік довгих хвиль крива спадає порожнього, а бік коротких - круто і обривається за певної довжини хвилі (λ0), званої короткохвильовою межею суцільного спектра. Величина λ0 обернено пропорційна напрузі на трубці. Гальмівне випромінювання виникає при взаємодії швидких електронів із ядрами атомів. Інтенсивність гальмівного випромінювання прямо пропорційна силі анодного струму, квадрату напруги на трубці та атомному номеру (Z) речовини анода.
Якщо енергія прискорених у рентгенівській трубці електронів перевищує критичну для речовини анода величину (ця енергія визначається критичним для цієї речовини напругою на трубці Vкр), виникає характеристичне випромінювання. Характеристичний спектр - лінійний, його спектральні лінії утворюють серії, що позначаються буквами К, L, М, N.
Серія К - найбільш короткохвильова, серія L - більш довгохвильова, серії М і N спостерігаються тільки у важких елементів (Vкр вольфраму для К-серії - 69,3 кв, для L-серії - 12,1 кв). Характеристичне випромінювання виникає в такий спосіб. Швидкі електрони вибивають атомні електрони із внутрішніх оболонок. Атом збуджується, а потім повертається до основного стану. При цьому електрони із зовнішніх, менш пов'язаних оболонок заповнюють місця, що звільнилися у внутрішніх оболонках, і випромінюються фотони характеристичного випромінювання з енергією, що дорівнює різниці енергій атома в збудженому і основному стані. Ця різниця (а отже, і енергія фотона) має певне значення, характерне для кожного елемента. Це явище є основою рентгеноспектрального аналізу елементів. На малюнку видно лінійний спектр вольфраму і натомість суцільного спектра гальмівного випромінювання.
Енергія прискорених у рентгенівській трубці електронів перетворюється майже повністю на теплову (анод у своїй сильно нагрівається), лише незначна частина (близько 1% при напрузі, близькому до 100 кв) перетворюється на енергію гальмівного випромінювання.
Застосування рентгенівського випромінювання в медицині ґрунтується на законах поглинання рентгенових променів речовиною. Поглинання рентгенівського випромінювання не залежить від оптичних властивостей речовини поглинача. Безбарвне та прозоре свинцеве скло, яке використовується для захисту персоналу рентгенівських кабінетів, практично повністю поглинає рентгенівське випромінювання. Навпаки, аркуш паперу, не прозорий світла, не послаблює рентгенівського випромінювання.
Інтенсивність однорідного (тобто певної довжини хвилі) пучка рентгенівського випромінювання при проходженні через шар поглинача зменшується за експоненційним законом (е-х), де е - основа натуральних логарифмів (2,718), а показник експоненти х дорівнює творумасового коефіцієнта ослаблення (μ/р) см 2 /г на товщину поглинача в г/см 2 (тут р - густина речовини в г/см 3). Ослаблення рентгенівського випромінювання відбувається за рахунок розсіювання, і з допомогою поглинання. Відповідно масовий коефіцієнт ослаблення є сумою масових коефіцієнтів поглинання та розсіювання. Масовий коефіцієнт поглинання різко зростає зі збільшенням атомного номера (Z) поглинача (пропорційно Z3 або Z5) та зі збільшенням довжини хвилі (пропорційно λ3). Зазначена залежність від довжини хвилі спостерігається в межах смуг поглинання, на межах яких коефіцієнт виявляє стрибки.
Масовий коефіцієнт розсіювання зростає із збільшенням атомного номера речовини. При λ≥0,ЗÅ коефіцієнт розсіювання від довжини хвилі не залежить, при λ<0,ЗÅ он уменьшается с уменьшением λ.
Зменшення коефіцієнтів поглинання та розсіювання зі зменшенням довжини хвилі зумовлює зростання проникаючої здатності рентгенівського випромінювання. Масовий коефіцієнт поглинання для кісток майже в 70 разів більше, ніж для м'яких тканин, де поглинання в основному обумовлено водою. Це пояснює, чому рентгенограмах так різко виділяється тінь кісток і натомість м'яких тканин.
Поширення неоднорідного пучка рентгенівського випромінювання через будь-яке середовище поряд із зменшенням інтенсивності супроводжується зміною спектрального складу, зміною якості випромінювання: довгохвильова частина спектра поглинається більшою мірою, ніж короткохвильова, випромінювання стає одноріднішим. Відфільтрування довгохвильової частини спектра дозволяє при рентгенотерапії вогнищ, глибоко розташованих у тілі людини, покращити співвідношення між глибинною та поверхневою дозами (див. Рентгенівські фільтри). Для характеристики якості неоднорідного пучка рентгенових променів використовується поняття шар половинного ослаблення (Л) - шар речовини, що послаблює випромінювання наполовину. Товщина цього шару залежить від напруги на трубці, товщині та матеріалу фільтра. Для вимірювання шарів половинного ослаблення використовують целофан (до енергії 12 кев), алюміній (20-100 кев), мідь (60-300 кев), свинець та мідь (>300 кев). Для рентгенових променів, що генеруються при напругах 80-120 кв, 1 мм міді по фільтруючій здатності еквівалентний 26 мм алюмінію, 1 мм свинцю - 50,9 мм алюмінію.
Поглинання та розсіювання рентгенівського випромінювання обумовлено його корпускулярними властивостями; рентгенівське випромінювання взаємодіє з атомами як потік корпускул (часток) - фотонів, кожен із яких має певну енергію (назад пропорційну довжині хвилі рентгенівського випромінювання). Інтервал енергії рентгенівських фотонів 0,05-500 кев.
Поглинання рентгенівського випромінювання обумовлено фотоелектричним ефектом: поглинання фотона електронною оболонкою супроводжується вириванням електрона. Атом збуджується і, повертаючись до основного стану, випромінює характеристичне випромінювання. Вилітаючий фотоелектрон забирає всю енергію фотона (за вирахуванням енергії зв'язку електрона в атомі).
Розсіювання рентгенівського випромінювання обумовлено електронами розсіюючого середовища. Розрізняють класичне розсіювання (довжина хвилі випромінювання не змінюється, але змінюється напрямок поширення) та розсіювання зі зміною довжини хвилі – комптон-ефект (довжина хвилі розсіяного випромінювання більше, ніж падаючого). В останньому випадку фотон поводиться як кулька, що рухається, а розсіювання фотонів відбувається, за образним висловом Комнтона, на кшталт гри на більярді фотонами і електронами: стикаючись з електроном, фотон передає йому частину своєї енергії і розсіюється, володіючи вже меншою енергією (відповідно довжина хвилі розсіяний випромінювання збільшується), електрон вилітає з атома з енергією віддачі (ці електрони називають комптон-електронами, або електронами віддачі). Поглинання енергії рентгенівського випромінювання відбувається при утворенні вторинних електронів (комптон - та фотоелектронів) та передачі їм енергії. Енергія рентгенівського випромінювання, передана одиниці маси речовини, визначає поглинену дозу рентгенівського випромінювання. Одиниця цієї дози 1 рад відповідає 100 ерг/г. За рахунок поглиненої енергії в речовині поглинача протікає ряд вторинних процесів, що мають важливе значення для дозиметрії рентгенівського випромінювання, оскільки саме на них ґрунтуються методи вимірювання рентгенівського випромінювання. (Див. Дозиметрія).
Усі гази та багато рідини, напівпровідники та діелектрики під дією рентгенівського випромінювання збільшують електричну провідність. Провідність виявляють найкращі ізоляційні матеріали: парафін, слюда, гума, бурштин. Зміна провідності обумовлена іонізацією середовища, тобто поділом нейтральних молекул на позитивні та негативні іони (іонізацію виробляють вторинні електрони). Іонізація у повітрі використовується для визначення експозиційної дози рентгенівського випромінювання (дози у повітрі), яка вимірюється в рентгенах (див. Дози іонізуючих випромінювань). При дозі 1 р поглинена доза повітря становить 0,88 рад.
Під дією рентгенівського випромінювання внаслідок збудження молекул речовини (і за рекомбінації іонів) збуджується у часто видиме світіння речовини. При більших інтенсивностях рентгенівського випромінювання спостерігається видиме світіння повітря, паперу, парафіну тощо (виняток становлять метали). Найбільший вихід видимого світіння дають такі кристалічні люмінофори, як ZnCdSAg-фосфор та інші, що застосовуються для екранів при рентгеноскопії.
Під дією рентгенівського випромінювання в речовині можуть проходити також різні хімічні процеси: розкладання галоїдних сполук срібла (фотографічний ефект, що використовується при рентгенографії), розкладання води та водних розчинів перекису водню, зміна властивостей целулоїду (помутніння та виділення камфори), парафіну (помутніння) .
В результаті повного перетворення вся поглинена хімічно інертною речовиною енергія рентгенівське випромінювання перетворюється на теплоту. Вимір дуже малих кількостей теплоти вимагає високочутливих методів, зате є основним способом абсолютних вимірів рентгенівського випромінювання.
Побічні біологічні ефекти від впливу рентгенівського випромінювання є основою медичної рентгенотерапії (див.). Рентгенівські випромінювання, кванти яких становлять 6-16 кев (ефективні довжини хвиль від 2 до 5 Å), практично повністю поглинаються шкірним покривом тканини людського тіла; вони називаються прикордонними променями, або іноді променями Буккі (див. Буккі промені). Для глибокої рентгенотерапії застосовується фільтроване жорстке випромінювання з ефективними квантами енергії від 100 до 300 кев.
Біологічна дія рентгенівського випромінювання повинна враховуватися не тільки при рентгенотерапії, а й при рентгенодіагностиці, а також у всіх інших випадках контакту з рентгенівським випромінюванням, які потребують протипроменевого захисту (див.).
ФЕДЕРАЛЬНЕ АГЕНТСТВО З ОСВІТИ РФ
ДЕРЖАВНИЙ ОСВІТНИЙ УСТАНОВА
ВИЩОЇ ПРОФЕСІЙНОЇ ОСВІТИ
МОСКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ІНСТИТУТ СТАЛИ І СПЛАВІВ
(ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ)
НОВОТРОЇЦЬКА ФІЛІЯ
Кафедра ОЕНД
КУРСОВА РОБОТА
Дисципліна: Фізика
Тема: РЕНТГЕНІВСЬКЕ ВИМИКАННЯ
Студент: Недорезова Н.О.
Група: ЕіУ-2004-25 № З. К.: 04Н036
Перевірив: Ожегова С.М.
Вступ
Розділ 1. Відкриття рентгенівського випромінювання
1.1 Біографія Рентгена Вільгельма Конрада
1.2 Відкриття рентгенівського випромінювання
Розділ 2. Рентгенівське випромінювання
2.1 Джерела рентгенівських променів
2.2 Властивості рентгенівських променів
2.3 Реєстрація рентгенівських променів
2.4 Застосування рентгенівських променів
Глава 3. Застосування рентгенівського випромінювання у металургії
3.1 Аналіз недосконалостей кристалічної структури
3.2 Спектральний аналіз
Висновок
Список використаних джерел
Програми
Рідкісна людина не проходила через рентгенівський кабінет. Знімки, зроблені в рентгенівському промені, знайомі кожному. 1995 року виповнилося сто років цьому відкриття. Важко уявити, який величезний інтерес викликало воно століття тому. У руках людини опинився апарат, за допомогою якого вдалося побачити невидиме.
Це невидиме випромінювання, здатне проникати, хоча й різною мірою, у всі речовини, що є електромагнітним випромінюванням з довжиною хвилі порядку 10 -8 см назвали рентгенівським випромінюванням, на честь Вільгельма Рентгена, що відкрив його.
Як і видиме світло, рентгенівське випромінювання викликає почорніння фотоплівки. Ця його властивість має важливе значення для медицини, промисловості та наукових досліджень. Проходячи крізь досліджуваний об'єкт і падаючи на фотоплівку, рентгенівське випромінювання зображує на ній його внутрішню структуру. Оскільки проникаюча здатність рентгенівського випромінювання різна для різних матеріалів, менш прозорі для нього частини об'єкта дають світліші ділянки на фотознімку, ніж ті, через які випромінювання добре проникає. Так, кісткові тканини менш прозорі для рентгенівського випромінювання, ніж тканини, з яких складається шкіра та внутрішні органи. Тому на рентгенограмі кістки позначаться як світліші ділянки та менш прозоре для випромінювання місце перелому може бути досить легко виявлено. Рентгенівська зйомка використовується також у стоматології для виявлення карієсу та абсцесів у коренях зубів, а також у промисловості для виявлення тріщин у лиття, пластмасах та гумах, у хімії для аналізу сполук та у фізиці для дослідження структури кристалів.
За відкриттям Рентгена пішли експерименти інших дослідників, які виявили багато нових властивостей та можливостей застосування цього випромінювання. Великий внесок зробили М. Лауе, В. Фрідріх і П. Кніпінг, які продемонстрували в 1912 р. дифракцію рентгенівського випромінювання при проходженні його через кристал; У. Кулідж, який у 1913 винайшов високовакуумну рентгенівську трубку з підігрітим катодом; Г. Мозлі, що встановив у 1913 залежність між довжиною хвилі випромінювання та атомним номером елемента; Г. і Л. Бреггі, які отримали в 1915 Нобелівську премію за розробку основ рентгеноструктурного аналізу.
Метою даної курсової є вивчення явища рентгенівського випромінювання, історії відкриття, властивостей і виявлення сфери його застосування.
Вільгельм Конрад Рентген народився 17 березня 1845 р. у прикордонній з Голландією області Німеччини, у місті Ленепі. Він здобув технічну освіту в Цюріху в тій Вищій технічній школі (політехнікумі), в якій пізніше навчався Ейнштейн. Захоплення фізикою змусило його після закінчення школи 1866 р. продовжити фізичну освіту.
Захистивши 1868 р. дисертацію на ступінь доктора філософії, він працював асистентом на кафедрі фізики спочатку в Цюріху, потім у Гісені, а потім у Страсбурзі (1874-1879) у Кундта. Тут Рентген пройшов хорошу експериментальну школу та став першокласним експериментатором. Частину важливих досліджень Рентген виконав зі своїм учнем, одним із засновників радянської фізики А.Ф. Іоффе.
Наукові дослідження відносяться до електромагнетизму, фізики кристалів, оптики, молекулярної фізики.
У 1895 відкрив випромінювання з довжиною хвилі, більш короткою, ніж довжина хвилі ультрафіолетових променів (X-промені), назване надалі рентгенівськими променями, і досліджував їх властивості: здатність відбиватися, поглинатися, іонізувати повітря тощо. Запропонував правильну конструкцію трубки для отримання Х-променів - платиновий похилий антикатод і увігнутий катод: перший зробив фотознімки за допомогою рентгенівських променів. Відкрив у 1885 магнітне поле діелектрика, що рухається в електричному полі (так званий "рентгенів струм"). Його досвід наочно показав, що магнітне поле створюється рухливими зарядами, і мав важливе значення для створення X. Лоренцем електронної теорії. Значна кількість робіт Рентгена присвячена дослідженню властивостей рідин, газів, кристалів, електромагнітних явищ відкрив взаємозв'язок електричних і оптичних явищ у кристалах.За відкриття променів, що носять його ім'я, Рентгену в 1901 першому серед фізиків була присуджена Нобелівська премія.
З 1900 і до останніх днів життя (помер він 10 лютого 1923) він працював у Мюнхенському університеті.
Кінець ХІХ ст. ознаменувався підвищеним інтересом до явищ проходження електрики через гази. Ще Фарадей серйозно займався цими явищами, описав різноманітні форми розряду, відкрив темний простір у стовпі розрідженого газу, що світився. Фарадеєво чорний простір відокремлює синювате, катодне свічення від рожевого, анодного.
Подальше збільшення розрідження газу суттєво змінює характер світіння. Математик Плюкер (1801-1868) виявив у 1859 р., при досить сильному розрідженні слабо блакитний пучок променів, що виходить з катода, що доходить до анода і змушує світитися скло трубки. Учень Плюкера Гітторф (1824-1914) в 1869 р. продовжив дослідження вчителя і показав, що на поверхні флюоресцирующей трубки з'являється чітка тінь, якщо між катодом і цією поверхнею помістити тверде тіло.
Гольдштейн (1850-1931), вивчаючи властивості променів, назвав їх катодними променями (1876). Через три роки Вільям Крукс (1832-1919) довів матеріальну природу катодних променів і назвав їх "променистою матерією"-речовиною, що знаходиться в особливому четвертому стані. Його докази були переконливі і наочні. Досліди з "трубкою Крукса" демонструвалися пізніше у всіх фізичних кабін . Відхилення катодного пучка магнітним полем у трубці Крукса стало класичною шкільною демонстрацією.
Проте досліди з електричного відхилення катодних променів були настільки переконливими. Герц не виявив такого відхилення і дійшов висновку, що катодний промінь – це коливальний процес в ефірі. Учень Герца Ф. Ленард, експериментуючи з катодним промінням, в 1893 р. показав, що вони проходять через віконце, закрите алюмінієвою фольгою, і викликають свічення в просторі за віконцем. Яві проходження катодних променів через тонкі металеві тіла Герц присвятив свою останню статтю, опубліковану в 1892 р. Вона починалася словами:
"Катодні промені відрізняються від світла істотним чином щодо здатності проникати через тверді тіла". Описуючи результати дослідів з проходження катодних променів через золоті, срібні, платинові, алюмінієві і т.д. Промені проходять через листочки не прямолінійно, а дифракційно розсіюються.Природа катодних променів все ще залишалася неясною.
Ось із такими трубками Крукса, Ленарда та інших і експериментував Вюрцбурзький професор Вільгельм Конрад Рентген наприкінці 1895 р. Якось після закінчення досвіду, закривши трубку чохлом із чорного картону, вимкнувши світло, але не вимкнувши ще індуктор, що живить трубку, він помітив свічення екрану синьородистого барію, що знаходиться поблизу трубки. Вражений цією обставиною Рентген почав експериментувати з екраном. У своєму першому повідомленні "Про новий род променів", датоване 28 грудня 1895 р., він писав про ці перші досліди: "Шматок паперу, покритої платиносинеродистим барієм, при наближенні до трубки, закритої чохлом, що щільно прилягає до неї, з тонкого чорного картону, при кожному розряді спалахує яскравим світлом: починає флюоресціювати. Флюоресценція видна при достатньому затемненні і не залежить від того, чи підносимо папір стороною, покритою синьородистим барієм або не покритою синьородистим барієм. Флюоресценція помітна на відстані двох метрів від трубки”.
Ретельне дослідження показало Рентгену, що чорний картон, не прозорий ні для видимих і ультрафіолетових променів сонця, ні для променів електричної дуги, пронизується якимось агентом, що викликає флюоресценцію. "Х-промені" для різних речовин. Він виявив, що промені вільно проходять через папір, дерево, ебоніт, тонкі шари металу, але сильно затримуються свинцем.
Потім він описує сенсаційний досвід:
"Якщо тримати між розрядною трубкою і екраном руку, то видно темні тіні кісток у слабких контурах тіні самої руки". Це було перше рентгеноскопічне дослідження людського тіла. Рентген отримав і перші рентгенівські знімки, приклавши їх до своєї руки.
Ці знімки справили величезне враження; відкриття ще не було завершено, а вже розпочала свій шлях рентгенодіагностика. "Моя лабораторія була наповнена лікарями, які наводили пацієнтів, які підозрювали, що вони мають голки у різних частинах тіла", - писав англійський фізик Шустер.
Вже після перших дослідів Рентген твердо встановив, що Х-промені відрізняються від катодних, вони не несуть заряду і не відхиляються магнітним полем, проте збуджуються катодними променями. ”, – писав Рентген.
Він встановив також, що вони порушуються не лише у склі, а й у металах.
Згадавши про гіпотезу Герца - Ленарда, що катодні промені є явище, що відбувається в ефірі”, Рентген вказує, що “щось подібне ми можемо сказати і про наші промені”. Однак йому не вдалося виявити хвильові властивості променів, вони "поводяться інакше, ніж відомі досі ультрафіолетові, видимі, інфрачервоні промені". За своїми хімічними та люмінесцентними діями вони, на думку Рентгена, подібні до ультрафіолетових променів. У першому повідомленні він висловив залишене потім припущення, що можуть бути поздовжніми хвилями в ефірі.
Відкриття Рентгена викликало величезний інтерес у науковому світі. Його досліди були повторені майже у всіх лабораторіях світу. У Москві їх повторив П.М. Лебедєв. У Петербурзі винахідник радіо А.С. Попов експериментував з X-променями, демонстрував їх у публічних лекціях, отримуючи різні рентгенограми. У Кембриджі Д.Д. Томсон негайно застосував іонізуючу дію рентгенівських променів вивчення проходження електрики через гази. Його дослідження призвели до відкриття електрона.
Рентгенівське випромінювання - електромагнітне іонізуюче випромінювання, що займає спектральну область між гамма - та ультрафіолетовим випромінюванням в межах довжин хвиль від 10 -4 до 10 3 (від 10 -12 до 10 -5 см). л. з довжиною хвилі λ< 2 условно называются жёсткими, с λ >2 – м'якими.
Найбільш поширене джерело рентгенівських променів – рентгенівська трубка
Рентгенівські трубки застосовують у рентгенівському структурному аналізі
Основні характеристики рентгенівських трубок - гранично допустима напруга, що прискорює (1-500 кВ), електронний струм (0,01 мА - 1А), питома потужність, що розсіюється анодом (10-10 4 вт/мм 2), загальна споживана потужність (0,002 вт - 60 квт) та розміри фокусу (1 мкм - 10 мм). ККД рентгенівської трубки становить 0,1-3%.
Як джерела рентгенівських променів можуть служити також деякі радіоактивні ізотопи
Джерелами м'яких рентгенівських променів з близько десятків і сотень можуть служити синхротрони і накопичувачі електронів з енергіями в кілька Гев. За інтенсивністю рентгенівське випромінювання синхротронів перевищує у зазначеній області спектра випромінювання рентгенівської трубки на 2-3 порядки.
Природні джерела рентгенівських променів – Сонце та інші космічні об'єкти.
Залежно від механізму виникнення рентгенівських променів, їх спектри можуть бути безперервними (гальмівними) або лінійчастими (характеристичними). Безперервний рентгенівський спектр випромінюють швидкі заряджені частинки в результаті їх гальмування при взаємодії з атомами мішені; цей спектр досягає значної інтенсивності лише за бомбардуванні мішені електронами. Інтенсивність гальмівних рентгенівських променів розподілена по всіх частотах до високочастотної межі 0 , на якій енергія фотонів h 0 (h - постійна Планка
Лінійчасте випромінювання виникає після іонізації атома з викиданням електрона однієї з внутрішніх оболонок. Така іонізація може бути результатом зіткнення атома зі швидкою часткою, наприклад електроном (первинні рентгенівські промені), або поглинання атомом фотону (флуоресцентні рентгенівські промені). Іонізований атом виявляється в початковому квантовому стані на одному з високих рівнів енергії і через 10 -16 -10 -15 с переходить в кінцевий стан з меншою енергією. При цьому надлишок енергії атом може опустити у вигляді фотона певної частоти. Частоти ліній спектра такого випромінювання характерні атомів кожного елемента, тому лінійний рентгенівський спектр називається характеристическим. Залежність частоти ліній цього діапазону від атомного номера Z визначається законом Мозлі.
Закон Мозлі, закон, що пов'язує частоту спектральних ліній характеристичного рентгенівського випромінювання хімічного елемента з його порядковим номером Експериментально встановлено Г. Мозлі
де R - Рідберга постійна
Закон Мозлі став незаперечним доказом правильності розміщення елементів у періодичній системі елементів
Відповідно до закону Мозлі, рентгенівські характеристичні спектри не виявляють періодичних закономірностей, властивих оптичним спектрам. Це вказує на те, що внутрішні електронні оболонки атомів всіх елементів, що виявляються в характеристичних рентгенівських спектрах, мають аналогічну будову.
Пізніші експерименти виявили деякі відхилення від лінійної залежності для перехідних груп елементів, пов'язані зі зміною порядку заповнення зовнішніх електронних оболонок, а також для важких атомів, що з'являються в результаті релятивістських ефектів (що умовно пояснюються тим, що швидкості внутрішніх можна порівняти зі швидкістю світла).
Залежно від низки факторів - від числа нуклонів в ядрі (ізотонічний зсув), стану зовнішніх електронних оболонок (хімічний зсув) та ін. - Положення спектральних ліній на діаграмі Мозлі може дещо змінюватися. Вивчення цих зрушень дозволяє отримувати детальні відомості про атом.
Гальмівне рентгенівське випромінювання, що випромінюється дуже тонкими мішенями, повністю поляризовано поблизу 0; із зменшенням 0 ступінь поляризації падає. Характеристичне випромінювання, зазвичай, не поляризовано.
При взаємодії рентгенівських променів із речовиною може відбуватися фотоефект.
При проходженні рентгенівських променів через шар речовини товщиною їх початкова інтенсивність I 0 зменшується до величини I = I 0 e - μ x де μ - коефіцієнт ослаблення. Ослаблення I відбувається за рахунок двох процесів: поглинання рентгенівських фотонів речовиною та зміни їхнього напрямку при розсіянні. У довгохвильовій ділянці спектра переважає поглинання рентгенівських променів, короткохвильовій - їх розсіювання. Ступінь поглинання швидко зростає зі збільшенням Z та λ. Наприклад, жорсткі рентгенівські промені вільно проникають через шар повітря ~ 10 см; алюмінієва пластинка в 3 см завтовшки послаблює рентгенівські промені з λ = 0,027 удвічі; м'які рентгенівські промені значно поглинаються в повітрі і їх використання і дослідження можливе лише у вакуумі або в газі, що слабо поглинає (наприклад, Не). При поглинанні рентгенівських променів атоми речовини іонізуються.
Вплив рентгенівських променів на живі організми може бути корисним та шкідливим залежно від викликаної ними іонізації у тканинах. Оскільки поглинання рентгенівських променів залежить від λ, інтенсивність їх не може бути мірою біологічної дії рентгенівських променів. Кількісним врахуванням дії рентгенівських променів на речовину займається рентгенометрія
Розсіяння рентгенівських променів в області великих Z і λ відбувається в основному без зміни λ і носить назву когерентного розсіювання, а в області малих Z і λ, як правило, зростає (некогерентне розсіювання). Відомо 2 види некогерентного розсіювання рентгенівських променів - комптонівське та комбінаційне. При комптонівському розсіюванні, що носить характер непружного корпускулярного розсіювання, рахунок частково втраченої рентгенівським фотоном енергії з оболонки атома вилітає електрон віддачі. При цьому зменшується енергія фотона та змінюється його напрямок; зміна залежить від кута розсіювання. При комбінаційному розсіюванні рентгенівського фотона високої енергії на легкому атомі невелика частина його енергії витрачається на іонізацію атома і змінюється напрямок руху фотона. Зміна таких фотонів не залежить від кута розсіювання.
Показник заломлення n для рентгенівських променів відрізняється від 1 на дуже малу величину = 1-n ≈ 10 -6 -10 -5 . Фазова швидкість рентгенівських променів у середовищі більша за швидкість світла у вакуумі. Відхилення рентгенівських променів при переході з одного середовища до іншого дуже мало (кілька кутових хвилин). При падінні рентгенівських променів із вакууму на поверхню тіла під дуже малим кутом відбувається їхнє повне зовнішнє відображення.
Око людини до рентгенівських променів не чутливе. Рентгенівські
промені реєструють за допомогою спеціальної рентгенівської фотоплівки, що містить підвищену кількість Ag, Br. В області λ<0,5 чувствительность этих плёнок быстро падает и может быть
искусственно повышена плотно прижатым к плёнке флуоресцирующим экраном. В
области λ>5 чутливість звичайної позитивної фотоплівки досить велика, а її зерна значно менше зерен рентгенівської плівки, що підвищує роздільну здатність. При порядку десятків і сотень рентгенівські промені діють тільки на найтонший поверхневий шар фотоемульсії; для підвищення чутливості плівки її сенсибілізують люмінесцентними оліями. У рентгенодіагностиці та дефектоскопії для реєстрації рентгенівських променів іноді застосовують електрофотографію
Рентгенівські промені великих інтенсивностей можна реєструвати за допомогою іонізаційної камери
Найбільш широке застосування рентгенівські промені знайшли в медицині для рентгенодіагностики
Рентгенівський структурний аналіз
Рентгенівська мікроскопія
Рентгенівські промені, що надходять з космосу, несуть інформацію про хімічний склад космічних тіл і про фізичні процеси, що відбуваються в космосі. Дослідженням космічних рентгенівських променів займається рентгенівська астрономія
Одне з основних завдань рентгеноструктурного аналізу – визначення речовинного чи фазового складу матеріалу. Рентгеноструктурний метод є прямим та характеризується високою достовірністю, експресністю та відносною дешевизною. Метод не вимагає великої кількостіречовини, аналіз можна проводити без руйнування деталі Області застосування якісного фазового аналізу дуже різноманітні й у науково-дослідних робіт, й у контролю у виробництві. Можна перевіряти склад вихідних матеріалів металургійного виробництва, продуктів синтезу, переділу, результат фазових змін при термічній та хіміко-термічній обробці, вести аналіз різних покриттів, тонких плівок тощо.
Кожна фаза, володіючи своєю кристалічною структурою, характеризується певним, властивим лише даній фазі набором дискретних значень міжплощинних відстаней d/n від максимального та нижче. Як випливає з рівняння Вульфа-Брегга, кожному значення міжплощинної відстані відповідає лінія на рентгенограмі від полікристалічного зразка під певним кутом θ (при заданому значенні довжини хвилі λ). Таким чином, певному набору міжплощинних відстаней для кожної фази на рентгенограмі відповідатиме певна система ліній (дифракційних максимумів). Відносна інтенсивність цих ліній на рентгенограмі залежить насамперед від структури фази. Отже, визначивши розташування ліній на рентгенограмі (її кут θ) і знаючи довжину хвилі випромінювання, на якому була знята рентгенограма, можна визначити значення міжплощинних відстаней d/n за формулою Вульфа-Брегга:
/n = λ/ (2sin θ). (1)
Визначивши набір d/n для досліджуваного матеріалу та зіставивши його з відомими заздалегідь даними d/n для чистих речовин, різних сполук, можна встановити, яку фазу становить даний матеріал. Слід наголосити, що визначаються саме фази, а не хімічний склад, але останній іноді можна вивести, якщо існують додаткові дані про елементний склад тієї чи іншої фази. Завдання якісного фазового аналізу значно полегшується, якщо відомий хімічний склад досліджуваного матеріалу, тому що тоді можна зробити попередні припущення про можливі в даному випадку фази.
Головне для фазового аналізу – точно виміряти d/n та інтенсивність лінії. Хоча цього в принципі простіше досягти з використанням дифрактометра, фотометод для якісного аналізу має деякі переваги насамперед щодо чутливості (можливість помітити присутність у зразку малої кількості фази), а також простоту експериментальної техніки.
Розрахунок d/n по рентгенограмі проводиться за допомогою рівняння Вульфа-Брегга.
Як значення λ у цьому рівнянні зазвичай використовують λ α ср К-серії:
λ α ср = (2λ α1 + λ α2) /3 (2)
Іноді використовують лінію К1. Визначення кутів дифракції θ для всіх ліній рентгенограм дозволяє розрахувати d/n за рівнянням (1) та відокремити β-лінії (якщо не було фільтру для (β-променів).
Всі реальні монокристалічні і тим більше полікристалічні матеріали містять ті чи інші структурні недосконалості (точкові дефекти, дислокації, різного типу межі розділу, мікро-і макронапруги), що дуже сильно впливають на всі структурно-чутливі властивості і процеси.
Структурні недосконалості викликають різні за характером порушення кристалічної решітки і, як наслідок, різного типу зміни дифракційної картини: зміна міжатомних та міжплощинних відстаней викликає зміщення дифракційних максимумів, мікронапруги та дисперсність субструктури призводять до розширення дифракційних максимумів, мікроспотворення; дислокацій викликає аномальні явища під час проходження рентгенівських променів і, отже, локальні неоднорідності розмаїття на рентгенівських топограмах та інших.
Внаслідок цього рентгеноструктурний аналіз є одним із найбільш інформативних методів вивчення структурних недосконалостей, їх типу та концентрації, характеру розподілу.
Традиційний прямий метод рентгенівської дифракції, який реалізується на стаціонарних дифрактометрах, в силу їх конструктивних особливостей дозволяє здійснити кількісне визначення напруги та деформації тільки на малих зразках, вирізаних з деталей або об'єктів.
Тому в даний час відбувається перехід від стаціонарних до портативних малогабаритних рентгенівських дифрактометрів, які забезпечують оцінку напруги в матеріалі деталей або об'єктів без руйнування на стадіях їх виготовлення та експлуатації.
Портативні рентгенівські дифрактометри серії ДРП*1 дозволяють проводити контроль залишкових та діючих напруг у великогабаритних деталях, виробах та конструкціях без руйнування.
Програма серед Windows дозволяє у реальному часі як визначати напруги методом " sin 2 ψ " , а й стежити зміною фазового складу і текстури. Лінійно-координатний детектор забезпечує одночасну реєстрацію в кутах дифракції 2θ = 43°. малогабаритні рентгенівські трубки типу "Лиса" з високою світністю і малою потужністю (5 Вт) забезпечують радіологічну безпеку приладу, при якій на відстані 25 см від ділянки рівня, що опромінюється, рівень радіації дорівнює рівню природного фону. Прилади серії ДРП знаходять застосування щодо напруг на різних стадіях обробки металів тиском, при різанні, шліфуванні, термообробці, зварюванні, поверхневому зміцненні з метою оптимізації цих технологічних операцій. Контроль за падінням рівня наведених залишкових напруг стиснення в особливо відповідальних виробах та конструкціях при їх експлуатації дозволяє вивести виріб з експлуатації до його руйнування, запобігши можливим аваріям і катастрофам.
Поряд з визначенням атомної кристалічної структури та фазового складу матеріалу для його повної характеристикиобов'язковим є визначення його хімічного складу.
Все частіше цих цілей практично використовують різні, звані інструментальні методи спектрального аналізу. Кожен з них має свої переваги та сфери застосування.
Однією з важливих вимог у часто є те, щоб використовуваний метод забезпечив збереження аналізованого об'єкта; саме такі методи аналізу розглядаються у цьому розділі. p align="justify"> Наступним критерієм, за яким були обрані методи аналізу, описані в цьому розділі, є їх локальність.
Метод флюоресцентного рентгеноспектрального аналізу заснований на проникненні в об'єкт, що аналізується, досить жорсткого рентгенівського випромінювання (від рентгенівської трубки), що проникає в шар товщиною порядку декількох мікрометрів. Характеристичне рентгенівське випромінювання, що виникає при цьому, в об'єкті дозволяє отримати усереднені дані про його хімічний склад.
Для визначення елементного складу речовини можна використовувати аналіз спектра характеристичного рентгенівського випромінювання проби, поміщеної на анод рентгенівської трубки і підданого бомбардування електронами - емісійний метод, або аналіз спектра вторинного (флюоресцентного) рентгенівського випромінювання проби, підданої опроміненню рентгенівської трубки флюоресцентний метод.
Недоліком емісійного методу є, по-перше, необхідність приміщення проби на анод рентгенівської трубки з наступним відкачуванням вакуумними насосами; очевидно, цей метод непридатний для легкоплавких та летких речовин. Другий недолік пов'язаний з тим, що навіть тугоплавкі об'єкти під впливом бомбардування електронами ушкоджуються. Флюоресцентний метод вільний від цих недоліків і тому має набагато ширше застосування. Перевагою флюоресцентного методу є відсутність гальмівного випромінювання, це сприяє поліпшенню чутливості аналізу. Порівняння виміряних довжин хвиль із таблицями спектральних ліній хімічних елементів становить основу якісного аналізу, а відносні значення інтенсивності спектральних ліній різних елементів, що утворюють речовину проби, становить основу кількісного аналізу. З розгляду механізму збудження характеристичного рентгенівського випромінювання ясно, що випромінювання тієї чи іншої серії (К або L, М тощо) виникають одночасно, причому співвідношення інтенсивностей ліній у межах серії завжди постійно. Тому наявність тієї чи іншої елемента встановлюється за окремими лініях, а, по серії ліній загалом (крім найслабших, з урахуванням змісту даного елемента). Для порівняно легких елементів використовують аналіз ліній K-серії, для важких – ліній L-серії; у різних умовах (залежно від використовуваної апаратури та від аналізованих елементів) можуть бути найбільш зручними різні області характеристичного спектру.
Основні особливості рентгеноспектрального аналізу такі.
Простота рентгенівських характеристичних спектрів навіть для важких елементів (порівняно з оптичними спектрами), що спрощує виконання аналізу (мала кількість ліній; подібність у їхньому взаємному розташуванні; зі збільшенням порядкового номера відбувається закономірне зміщення спектра в короткохвильову область, порівняльна простота проведення кількісного аналізу).
Незалежність довжин хвиль стану атомів аналізованого елемента (вільне чи хімічному соединении). Це пов'язано з тим, що виникнення характеристичного рентгенівського випромінювання пов'язані з порушенням внутрішніх електронних рівнів, що у більшості випадків практично змінюються від ступеня іонізації атомів.
Можливість поділу в аналізі рідкісноземельних та інших елементів, які мають малі відмінності спектрів в оптичному діапазоні через подібність електронної будови зовнішніх оболонок і дуже мало різняться за своїми хімічними властивостями.
Метод рентгенівської флюоресцентної спектроскопії є "неруйнівним", тому має перевагу перед методом звичайної оптичної спектроскопії при аналізі тонких зразків - тонкий металевий лист, фольга і т.д.
Особливо широке застосування на металургійних підприємствах набули рентгенівські флюоресцентні спектрометри і серед них багатоканальні спектрометри або квантометри, що забезпечують експресний кількісний аналіз елементів (від Na або Mg до U) з помилкою менше 1% від величини, що визначається, поріг чутливості 10 -3 …10 -4 % .
рентгенівське випромінювання промінь
Способи визначення спектрального складу рентгенівського випромінювання
Спектрометри поділяються на два типи: кристал-дифракційні та безкристальні.
Розкладання рентгенівських променів у спектр за допомогою природних дифракційних ґрат - кристала - по суті аналогічно отриманню спектру променів звичайного світла за допомогою штучних дифракційних ґрат у вигляді періодичних штрихів на склі. Умову утворення дифракційного максимуму можна записати як умову "віддзеркалення" від системи паралельних атомних площин, розділених відстанню d hkl .
При проведенні якісного аналізу можна судити про присутність того чи іншого елемента в пробі по одній лінії - зазвичай інтенсивної лінії спектральної серії, придатної для даного кристал-аналізатора. Роздільна здатність кристал-дифракційних спектрометрів достатньо для поділу характеристичних ліній навіть сусідніх за становищем в періодичній таблиці елементів. Однак треба враховувати ще накладення різних ліній різних елементів, а також накладення відбитків різного порядку. Ця обставина має враховуватися під час виборів аналітичних ліній. Разом з тим треба використовувати можливості покращення роздільної здатності приладу.
Таким чином, рентгенівські промені є невидимим електромагнітним випромінюванням з довжиною хвилі 10 5 - 10 2 нм. Рентгенівські промені можуть проникати через деякі непрозорі для видимого світла матеріали. Випускаються вони при гальмуванні швидких електронів у речовині (безперервний спектр) та при переходах електронів із зовнішніх електронних оболонок атома на внутрішні (лінійчастий спектр). Джерелами рентгенівського випромінювання є: рентгенівська трубка, деякі радіоактивні ізотопи, прискорювачі та накопичувачі електронів (синхротронне випромінювання). Приймачі – фотоплівка, люмінісцентні екрани, детектори ядерних випромінювань. Рентгенівські промені застосовують у рентгеноструктурному аналізі, медицині, дефектоскопії, рентгенівському спектральному аналізі тощо.
Розглянувши позитивні сторони відкриття У. Рентгена, слід зазначити та її шкідливе біологічне дію. Виявилося, що рентгенівське випромінювання може викликати щось на кшталт сильного сонячного опіку (еритему), що супроводжується глибшим і стійким ушкодженням шкіри. Виразки, що з'являлися, нерідко переходять у рак. У багатьох випадках доводилося ампутувати пальці чи руки. Траплялися і смерті.
Було встановлено, що ураження шкіри можна уникнути, зменшивши час та дозу опромінення, застосовуючи екранування (наприклад, свинець) та засоби дистанційного керування. Але поступово виявилися й інші, більш довготривалі наслідки рентгенівського опромінення, які потім підтверджені і вивчені на піддослідних тварин. До ефектів, зумовлених дією рентгенівського випромінювання, а також інших іонізуючих випромінювань (таких як гамма-випромінювання, що випускається радіоактивними матеріалами) відносяться:
) тимчасові зміни у складі крові після відносно невеликого надмірного опромінення;
) незворотні зміни у складі крові (гемолітична анемія) після тривалого надмірного опромінення;
) зростання захворюваності на рак (включаючи лейкемію);
) Швидше старіння і рання смерть;
) виникнення катаракт.
Біологічного впливу рентгенівського випромінювання на організм людини визначається рівнем дози опромінення, і навіть тим, який саме орган тіла піддавався опромінення.
Накопичення знань про вплив рентгенівського випромінювання на організм людини призвело до розробки національних та міжнародних стандартів на допустимі дози опромінення, опублікованих у різних довідкових виданнях.
Щоб уникнути шкідливого впливу рентгенівського випромінювання застосовують методи контролю:
) наявність адекватного обладнання,
) контроль за дотриманням правил техніки безпеки,
) правильне використання обладнання.
1) Блохін М.А., Фізика рентгенівських променів, 2 видавництва, М., 1957;
) Блохін М.А., Методи рентгено-спектральних досліджень, М., 1959;
) Рентгенівські промені. Зб. за ред. М.А. Блохіна, пров. з ним. та англ., М., 1960;
) Хараджа Ф., Загальний курс рентгенотехніки, 3 видавництва, М. - Л., 1966;
) Міркін Л.І., Довідник з рентгено-структурного аналізу полікристалів, М., 1961;
) Вайнштейн Е.Є., Кахана М.М., Довідкові таблиці з рентгенівської спектроскопії, М., 1953.
) Рентгенографічний та елктронно-оптичний аналіз. Горелік С.С., Скаков Ю.А., Расторгуєв Л. Н.: Навч. Посібник для вузів. - 4-те вид. Дод. І перероб. - М.: "МІСіС", 2002. - 360 с.
Додаток 1
Загальний вигляд рентгенівських трубок
Додаток 2
Схема рентгенівської трубки для структурного аналізу
Схема рентгенівської трубки для структурного аналізу: 1 - металева анодна склянка (зазвичай заземляється); 2 - вікна з берилію для виходу рентгенівського випромінювання; 3 – термоемісійний катод; 4 - скляна колба, що ізолює анодну частину трубки від катодної; 5 - висновки катода, до яких підводиться напруга розжарення, а також висока (щодо анода) напруга; 6 – електростатична система фокусування електронів; 7 – анод (антикатод); 8 - патрубки для введення та виведення проточної води, що охолоджує анодну склянку.
Додаток 3
Діаграма Мозлі
Діаграма Мозлі для К-, L- та М-серій характеристичного рентгенівського випромінювання. По осі абсцис відкладено порядковий номер елемента Z, по осі ординат - ( з- швидкість світла).
Додаток 4
Іонізаційна камера.
Рис.1. Переріз циліндричної іонізаційної камери: 1 - циліндричний корпус камери, що служить негативним електродом; 2 - циліндричний стрижень, що служить позитивним електродом; 3 – ізолятори.
Мал. 2. Схема включення струмової іонізаційної камери: V – напруга на електродах камери; G - гальванометр, що вимірює іонізаційний струм.
Мал. 3. Вольтамперна характеристика іонізаційної камери.
Мал. 4. Схема включення імпульсної іонізаційної камери: С - ємність електрода, що збирає; R – опір.
Додаток 5
Сцинтиляційний лічильник.
Схема сцинтиляційного лічильника: кванти світла (фотони) "вибивають" електрони з фотокатода; рухаючись від динода до динода, електронна лавина розмножується.
Додаток 6
Лічильник Гейгера – Мюллера.
Мал. 1. Схема скляного лічильника Гейгера – Мюллера: 1 – герметично запаяна скляна трубка; 2 – катод (тонкий шар міді на трубці з нержавіючої сталі); 3 - виведення катода; 4 – анод (тонка натягнута нитка).
Мал. 2. Схема включення лічильника Гейгера – Мюллера.
Мал. 3. Рахункова характеристика лічильника Гейгера - Мюллера.
Додаток 7
Пропорційний лічильник.
Схема пропорційного лічильника: а – область дрейфу електронів; б – область газового посилення.
Додаток 8
Напівпровідникові детектори
Напівпровідникові детектори; штрихуванням виділена чутлива область; n - область напівпровідника з електронною провідністю, р - з дірочною, i - з власними провідностями; а – кремнієвий поверхнево-бар'єрний детектор; б – дрейфовий германій-літієвий планарний детектор; в – германій-літієвий коаксіальний детектор.
