История на откриването и приложението на рентгеновите лъчи. Рентгенови лъчи в медицината, приложение

ЛЕКЦИЯ

РЕНГЕНОВО ЛЪЧЕНИЕ

Природата на рентгеновите лъчи

Рентгеново лъчение на спирачно лъчение, неговите спектрални свойства.

Характерно рентгеново лъчение (за преглед).

Взаимодействие на рентгеновото лъчение с материята.

Физическа основа за използването на рентгеновите лъчи в медицината.

Рентгеновите лъчи (X - лъчи) са открити от К. Рентген, който през 1895 г. става първият Нобелов лауреат по физика.

Природата на рентгеновите лъчи

рентгеново лъчение - електромагнитни вълни с дължина от 80 до 10 -5 nm. Дълговълновото рентгеново лъчение се покрива от късовълново UV лъчение, а късовълновото – от дълговълново  лъчение.

Рентгеновите лъчи се произвеждат в рентгенови тръби. Фиг. 1.

K - катод

1 - електронен лъч

2 - Рентгеново лъчение

Ориз. 1. Устройство с рентгенова тръба.

Тръбата представлява стъклена колба (с възможно висок вакуум: налягането в нея е около 10–6 mm Hg) с два електрода: анод A и катод K, към които се прилага високо напрежение U (няколко хиляди волта). . Катодът е източник на електрони (поради явлението термионна емисия). Анодът е метален прът, който има наклонена повърхност, за да насочи полученото рентгеново лъчение под ъгъл спрямо оста на тръбата. Изработен е от материал с висока топлопроводимост, за да отстрани топлината, генерирана по време на електронно бомбардиране. На скосения край има плоча, изработена от огнеупорен метал (например волфрам).

Силното нагряване на анода се дължи на факта, че основният брой електрони в катодния лъч, ударил анода, изпитват многобройни сблъсъци с атомите на веществото и им предават голямо количество енергия.

Под действието на високо напрежение електроните, излъчвани от нишката с горещ катод, се ускоряват до високи енергии. Кинетичната енергия на електрона е равна на mv 2 /2. Тя е равна на енергията, която придобива при движение в електростатичното поле на тръбата:

mv 2 /2 = eU(1)

където m, e са масата и заряда на електрона, U е ускорителното напрежение.

Процесите, водещи до появата на спирачно рентгеново лъчение, се дължат на интензивното забавяне на електроните в анодния материал от електростатичното поле на атомното ядро ​​и атомните електрони.

Механизмът на произход може да бъде представен по следния начин. Движещите се електрони са някакъв вид ток, който образува свое собствено магнитно поле. Електронното забавяне е намаляване на силата на тока и съответно промяна в индукцията на магнитното поле, което ще предизвика появата на променливо електрическо поле, т.е. появата на електромагнитна вълна.

По този начин, когато заредена частица лети в материята, тя се забавя, губи своята енергия и скорост и излъчва електромагнитни вълни.

Спектрални свойства на рентгеновото спирачно лъчение .

Така че, в случай на забавяне на електрони в анодния материал, спирачно излъчване.

Спектърът на спирачното лъчение е непрекъснат. Причината за това е следната.

Когато електроните се забавят, всеки от тях има част от енергията, използвана за нагряване на анода (E 1 = Q), другата част за създаване на рентгенов фотон (E 2 = hv), в противен случай, eU = hv + В. Съотношението между тези части е произволно.

По този начин непрекъснатият спектър на рентгеновото спирачно лъчение се образува поради забавянето на много електрони, всеки от които излъчва един рентгенов квант hv (h) със строго определена стойност. Стойността на този квант различни за различните електрони.Зависимост на рентгеновия енергиен поток от дължината на вълната , т.е. рентгеновият спектър е показан на фиг.2.

Фиг.2. Спектър на спирачно лъчение: а) при различни напрежения U в тръбата; б) при различни температури Т на катода.

Късовълновото (твърдо) лъчение има по-голяма проникваща способност от дълговълновото (меко) излъчване. Меката радиация се поглъща по-силно от материята.

От страната на късите дължини на вълната, спектърът завършва рязко при определена дължина на вълната  m i n . Такова спирачно лъчение с къса вълна възниква, когато енергията, придобита от електрон в ускоряващо поле, се преобразува напълно в енергия на фотон (Q = 0):

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

 min (nm) = 1,23/UkV

Спектралният състав на лъчението зависи от напрежението на рентгеновата тръба, като с увеличаване на напрежението стойността на  m i n се измества към къси дължини на вълната (фиг. 2а).

Когато температурата T на нажежаемостта на катода се промени, електронната емисия се увеличава. Следователно токът I в тръбата се увеличава, но спектралният състав на излъчването не се променя (фиг. 2b).

Енергийният поток Ф  на спирачното лъчение е право пропорционален на квадрата на напрежението U между анода и катода, силата на тока I в тръбата и атомния номер Z на анодното вещество:

Ф = kZU 2 I. (3)

където k \u003d 10 -9 W / (V 2 A).

Характерни рентгенови лъчи (за запознаване).

Увеличаването на напрежението върху рентгеновата тръба води до факта, че на фона на непрекъснат спектър се появява линия, която съответства на характерното рентгеново лъчение. Това излъчване е специфично за материала на анода.

Механизмът на възникването му е следният. При високо напрежение ускорените електрони (с висока енергия) проникват дълбоко в атома и избиват електроните от вътрешните му слоеве. Електроните от горните нива преминават към свободни места, в резултат на което се излъчват фотони с характерно излъчване.

Спектрите на характеристичното рентгеново лъчение се различават от оптичните спектри.

- Еднородност.

Еднородността на характеристичните спектри се дължи на факта, че вътрешните електронни слоеве на различните атоми са еднакви и се различават само енергийно поради силовото действие от ядрата, което нараства с увеличаване на елементния брой. Следователно, характерните спектри се изместват към по-високи честоти с увеличаване на ядрен заряд. Това беше експериментално потвърдено от служител на Roentgen - Мозли, който измерва честотите на преход на рентгенови лъчи за 33 елемента. Те създадоха закона.

ЗАКОН НА МОЗЛИ – корен квадратен от честотата на характеристичното излъчване е линейна функция на порядковия номер на елемента:

= A  (Z - B), (4)

където v е честотата на спектралната линия, Z е атомният номер на излъчващия елемент. A, B са константи.

Значението на закона на Мозли се състои във факта, че тази зависимост може да се използва за точно определяне на атомния номер на изследвания елемент от измерената честота на рентгеновата линия. Това изигра голяма роля при разположението на елементите в периодичната таблица.

Независимост от химично съединение.

Характерните рентгенови спектри на атома не зависят от химичното съединение, в което влиза атомът на елемента. Например, рентгеновият спектър на кислороден атом е еднакъв за O 2, H 2 O, докато оптичните спектри на тези съединения се различават. Тази характеристика на рентгеновия спектър на атома е в основата на името " характерно излъчване".

Взаимодействие на рентгеновото лъчение с материята

Въздействието на рентгеновите лъчения върху обектите се определя от първичните процеси на рентгеново взаимодействие. фотон с електрониатоми и молекули на материята.

Рентгеново лъчение в материята абсорбираили се разсейва. В този случай могат да възникнат различни процеси, които се определят от съотношението на енергията на рентгеновия фотон hv и йонизационната енергия Аu (йонизационната енергия Аu е енергията, необходима за отстраняване на вътрешните електрони от атома или молекулата).

а) Кохерентно разсейване(разсейване на дълговълнова радиация) възниква, когато релацията

За фотоните поради взаимодействие с електрони се променя само посоката на движение (фиг. 3а), но енергията hv и дължината на вълната не се променят (следователно това разсейване се нарича съгласуван). Тъй като енергиите на фотон и атом не се променят, кохерентното разсейване не засяга биологичните обекти, но при създаване на защита срещу рентгеново лъчение трябва да се вземе предвид възможността за промяна на първичната посока на лъча.

б) фотоелектричен ефектсе случва, когато

В този случай могат да се реализират два случая.

Фотонът се абсорбира, електронът се отделя от атома (фиг. 3б). Настъпва йонизация. Отделеният електрон придобива кинетична енергия: E k \u003d hv - A и. Ако кинетичната енергия е голяма, тогава електронът може да йонизира съседни атоми чрез сблъсък, образувайки нови. вториелектрони.

Фотонът се абсорбира, но енергията му не е достатъчна, за да отдели електрона и възбуждане на атом или молекула(фиг. 3в). Това често води до последващо излъчване на фотон във видимата радиационна област (рентгенова луминесценция), а в тъканите до активиране на молекули и фотохимични реакции. Фотоелектричният ефект възниква главно върху електроните на вътрешните обвивки на атоми с високо Z.

в) Некохерентно разсейване(Ефектът на Комптън, 1922) възниква, когато енергията на фотоните е много по-голяма от енергията на йонизация

В този случай електронът се отделя от атома (такива електрони се наричат откатни електрони), придобива някаква кинетична енергия E k, енергията на самия фотон намалява (фиг. 4г):

hv=hv" + A и + E k. (5)

Полученото излъчване с променена честота (дължина) се нарича втори, той се разпръсква във всички посоки.

Електроните на откат, ако имат достатъчна кинетична енергия, могат да йонизират съседни атоми чрез сблъсък. Така в резултат на некохерентно разсейване се образува вторично разсеяно рентгеново лъчение и атомите на веществото се йонизират.

Тези (a, b, c) процеси могат да причинят редица последващи. Например (фиг. 3d), ако по време на фотоелектричния ефект електроните се отделят от атома върху вътрешните обвивки, тогава на тяхно място могат да преминат електрони от по-високи нива, което е придружено от вторично характерно рентгеново лъчение на това вещество. Фотоните на вторичната радиация, взаимодействащи с електрони на съседни атоми, могат от своя страна да причинят вторични явления.

кохерентно разсейване

ъъъ енергията и дължината на вълната остават непроменени

фотоелектричен ефект

фотонът се абсорбира, е - отделя се от атома - йонизация

hv \u003d A и + E до

атом А се възбужда при поглъщане на фотон, R е рентгенова луминесценция

некохерентно разсейване

hv \u003d hv "+ A и + E до

вторични процеси във фотоелектричния ефект

Ориз. 3 Механизми на взаимодействие на рентгеновите лъчи с материята

Физическа основа за използването на рентгеновите лъчи в медицината

Когато рентгеновите лъчи попаднат върху тяло, те се отразяват леко от повърхността му, но основно преминават дълбоко, докато частично се абсорбират и разсейват, и частично преминават.

Законът за отслабването.

Рентгеновият поток се отслабва в материята съгласно закона:

F \u003d F 0 e -   x (6)

където  е линейно коефициент на затихване,което по същество зависи от плътността на веществото. Той е равен на сбора от три члена, съответстващи на кохерентно разсейване  1, некохерентно  2 и фотоелектричен ефект  3:

 =  1 +  2 +  3 . (7)

Приносът на всеки член се определя от енергията на фотона. По-долу са дадени съотношенията на тези процеси за меките тъкани (вода).

Енергия, keV	фотоелектричен ефект	Комптън - ефект

наслади се масов коефициент на затихване,което не зависи от плътността на веществото :

m = /. (осем)

Коефициентът на затихване на масата зависи от енергията на фотона и от атомния номер на поглъщащото вещество:

 m = k 3 Z 3 . (9)

Коефициентите на затихване на масата на костите и меките тъкани (вода) са различни:  m кост /  m вода = 68.

Ако по пътя на рентгеновите лъчи се постави нехомогенно тяло и пред него се постави флуоресцентен екран, то това тяло, поглъщайки и отслабвайки излъчването, образува сянка върху екрана. По естеството на тази сянка може да се съди за формата, плътността, структурата и в много случаи естеството на телата. Тези. значителна разлика в поглъщането на рентгеново лъчение от различни тъкани ви позволява да видите изображението на вътрешните органи в проекцията на сянка.

Ако изследваният орган и околните тъкани еднакво отслабват рентгеновите лъчи, тогава се използват контрастни вещества. Така например, напълвайки стомаха и червата с кашеста маса от бариев сулфат (BaSO 4 ), може да се види тяхното изображение на сянка (съотношението на коефициентите на затихване е 354).

Използване в медицината.

В медицината за диагностика се използва рентгеново лъчение с фотонна енергия от 60 до 100-120 keV, а за терапия 150-200 keV.

Рентгенова диагностика – Разпознаване на заболявания чрез просветляване на тялото с рентгенови лъчи.

Рентгеновата диагностика се използва в различни варианти, които са дадени по-долу.

С флуороскопиярентгеновата тръба се намира зад пациента. Пред него има флуоресцентен екран. На екрана има сянка (положително) изображение. Във всеки отделен случай се избира подходящата твърдост на излъчването, така че да преминава през меките тъкани, но да се абсорбира достатъчно от плътните. В противен случай се получава еднаква сянка. На екрана сърцето, ребрата се виждат тъмни, белите дробове са светли.

Когато рентгенографияобектът се поставя върху касета, която съдържа филм със специална фотографска емулсия. Рентгеновата тръба се поставя върху обекта. Получената рентгенова снимка дава отрицателен образ, т.е. обратното за разлика от картината, наблюдавана по време на трансилюминация. При този метод има по-голяма яснота на изображението, отколкото в (1), следователно се наблюдават детайли, които е трудно да се видят при просветление.

Обещаващ вариант на този метод е рентгеновата снимка томографияи "машинна версия" - компютър томография.

3. С флуороскопия,Върху чувствителен филм с малък формат изображението от големия екран е фиксирано. Когато се гледат, снимките се разглеждат на специална лупа.

Рентгенова терапия- използването на рентгенови лъчи за унищожаване на злокачествени тумори.

Биологичният ефект на радиацията е да наруши жизнената дейност, особено бързо размножаващите се клетки.

КОМПЮТЪРНА ТОМОГРАФИЯ (КТ)

Методът на рентгеновата компютърна томография се основава на реконструкция на изображение на определен участък от тялото на пациента чрез регистриране на голям брой рентгенови проекции на този участък, направени под различни ъгли. Информацията от сензорите, които регистрират тези проекции, влиза в компютъра, който според специална програма изчисляваразпределение плътноразмер на извадкатав изследваната секция и го извежда на екрана на дисплея. Полученото по този начин изображение на участъка от тялото на пациента се характеризира с отлична яснота и високо информационно съдържание. Програмата ви позволява да нараства контраст на изображениетов десетки и дори стотици пъти. Това разширява диагностичните възможности на метода.

Видеооператори (апарати с цифрова обработка на рентгенови изображения) в съвременната стоматология.

В стоматологията рентгеновото изследване е основният диагностичен метод. Въпреки това, редица традиционни организационни и технически характеристики на рентгеновата диагностика я правят неудобна както за пациента, така и за денталните клиники. Това е на първо място необходимостта пациентът да влезе в контакт с йонизиращо лъчение, което често създава значително радиационно натоварване на тялото, също така е необходимостта от фотопроцес и следователно необходимостта от фотореактиви, в т.ч. токсични такива. Това е най-накрая обемист архив, тежки папки и пликове с рентгенови филми.

Освен това, сегашното ниво на развитие на стоматологията прави недостатъчна субективната оценка на рентгеновите снимки от човешкото око. Както се оказа, от разнообразието от нюанси на сивото, съдържащи се в рентгеновото изображение, окото възприема само 64.

Очевидно е, че за получаване на ясен и детайлен образ на твърдите тъкани на дентоалвеоларната система с минимално излагане на радиация са необходими други решения. Търсенето доведе до създаването на така наречените радиографски системи, видеооператори - цифрови радиографски системи.

Без технически подробности принципът на работа на такива системи е следният. Рентгеновото лъчение навлиза през обекта не върху фоточувствителен филм, а върху специален интраорален сензор (специална електронна матрица). Съответният сигнал от матрицата се предава на дигитализиращо устройство (аналогово-цифров преобразувател, ADC), което го преобразува в цифрова форма и е свързано към компютъра. Специален софтуер изгражда рентгеново изображение на екрана на компютъра и ви позволява да го обработите, да го запишете на твърд или гъвкав носител за съхранение (твърд диск, флопи дискове), да го отпечатате като картина като файл.

В цифрова система рентгеновото изображение е колекция от точки с различни цифрови стойности на сивата скала. Оптимизацията на информационния дисплей, осигурена от програмата, позволява да се получи оптимален кадър по отношение на яркостта и контраста при относително ниска доза радиация.

В съвременните системи, създадени например от Trophy (Франция) или Schick (САЩ), при оформянето на рамката се използват 4096 нюанса на сивото, времето на експозиция зависи от обекта на изследване и средно е стотни - десети от второ, намаляване на излагането на радиация по отношение на филма - до 90% за интраоралните системи, до 70% за панорамните видеооператори.

Когато обработват изображения, видеооператорите позволяват:

Вземете положителни и отрицателни изображения, изображения с фалшиви цветове, релефни изображения.

Увеличете контраста и увеличете зоната на интерес в изображението.

Оценява промените в плътността на зъбните тъкани и костни структури, контролира равномерността на запълване на канала.

В ендодонтията определете дължината на канала с всяка кривина, а в хирургията изберете размера на импланта с точност до 0,1 мм.

Уникалната система за детектор на кариес с елементи на изкуствен интелект по време на анализа на изображението ви позволява да откриете кариес в етапа на петна, коренов кариес и скрит кариес.

"F" във формула (3) се отнася до целия диапазон на излъчените дължини на вълната и често се нарича "интегрален енергиен поток".

Те се излъчват с участието на електрони, за разлика от гама-лъчението, което е ядрено. Изкуствените рентгенови лъчи се създават чрез силно ускоряване на заредените частици и чрез преместване на електрони от едно енергийно ниво на друго, освобождавайки голямо количество енергия. Устройствата, които могат да бъдат получени, са рентгенови тръби и ускорители на частици. Неговите естествени източници са радиоактивно нестабилни атоми и космически обекти.

История на откритията

Той е направен през ноември 1895 г. от Рентген, немски учен, който открива флуоресцентния ефект на бариево-платиновия цианид по време на работа на електронно-лъчева тръба. Той описва характеристиките на тези лъчи в някои подробности, включително способността им да проникват в жива тъкан. Те са наречени от учения рентгенови лъчи, името "рентген" се вкоренява в Русия по-късно.

Какво характеризира този вид радиация

Логично е, че особеностите на това излъчване се дължат на неговата природа. Електромагнитната вълна е това, което представляват рентгеновите лъчи. Неговите свойства са следните:

Рентгеново лъчение - вреда

Разбира се, по време на откриването и много години след това никой не си е представял колко опасно е това.

В допълнение, примитивните устройства, които произвеждат тези електромагнитни вълни, поради незащитената си конструкция, създават високи дози. Вярно е, че още тогава учените излагат предположения за опасността за хората от тази радиация. Преминавайки през живи тъкани, рентгеновите лъчи имат биологичен ефект върху тях. Основното влияние е йонизацията на атомите на веществата, които изграждат тъканите. Този ефект става най-опасният по отношение на ДНК на жива клетка. Последиците от излагането на рентгенови лъчи са мутации, тумори, лъчеви изгаряния и лъчева болест.

Къде се използват рентгенови лъчи?

1. Лекарството. Рентгенова диагностика - "предаване" на живи организми. Рентгенова терапия - ефектът върху туморните клетки.
2. Науката. Кристалографията, химията и биохимията ги използват, за да разкрият структурата на материята.
3. индустрия. Откриване на дефекти в метални части.
4. Безопасност. Рентгеновата апаратура се използва за откриване на опасни предмети в багажа на летищата и на други места.

През 1895 г. немският физик Рентген, докато провежда експерименти за преминаване на ток между два електрода във вакуум, открива, че екран, покрит с луминисцентно вещество (бариева сол), свети, въпреки че разрядната тръба е затворена с черен картонен екран - така е открита радиация, която прониква през непрозрачни бариери, наречени рентгенови рентгенови лъчи. Установено е, че рентгеновите лъчи, невидими за хората, се абсорбират в непрозрачни обекти, толкова по-силно е, колкото по-голям е атомният номер (плътността) на бариерата, така че рентгеновите лъчи лесно преминават през меките тъкани на човешкото тяло, но се задържат от костите на скелета. Проектирани са източници на мощни рентгенови лъчи, които позволяват да се блести през метални части и да се открият вътрешни дефекти в тях.

Германският физик Лауе предполага, че рентгеновите лъчи са същото електромагнитно излъчване като видимите светлинни лъчи, но с по-къса дължина на вълната и всички закони на оптиката са приложими към тях, включително дифракцията е възможна. В оптиката на видимата светлина дифракцията на елементарно ниво може да се представи като отражение на светлината от система от канали - дифракционна решетка, възникваща само под определени ъгли, докато ъгълът на отражение на лъчите е свързан с ъгъла на падане, разстоянието между жлебовете на дифракционната решетка и дължината на вълната на падащото лъчение. За дифракция е необходимо разстоянието между щрихите да бъде приблизително равно на дължината на вълната на падащата светлина.

Лауе предполага, че рентгеновите лъчи имат дължина на вълната, близка до разстоянието между отделните атоми в кристалите, т.е. атомите в кристала създават дифракционна решетка за рентгенови лъчи. Рентгеновите лъчи, насочени към повърхността на кристала, се отразяват върху фотографската плоча, както е предвидено от теорията.

Всяка промяна в позицията на атомите влияе върху дифракционната картина и чрез изучаване на дифракцията на рентгеновите лъчи може да се установи разположението на атомите в кристала и промяната в това разположение при всякакви физични, химични и механични влияния върху кристала. .

Сега рентгеновият анализ се използва в много области на науката и технологиите, с негова помощ те научиха подреждането на атомите в съществуващите материали и създадоха нови материали с дадена структура и свойства. Последните постижения в тази област (наноматериали, аморфни метали, композитни материали) създават поле за дейност за следващите научни поколения.

Възникването и свойствата на рентгеновите лъчи

Източникът на рентгенови лъчи е рентгенова тръба, която има два електрода - катод и анод. Когато катодът се нагрява, възниква електронна емисия, електроните, излъчени от катода, се ускоряват от електрическото поле и удрят повърхността на анода. Рентгеновата тръба се отличава от конвенционалната радиолампа (диод) главно с по-високо ускорително напрежение (повече от 1 kV).

Когато един електрон излети от катода, електрическото поле го кара да лети към анода, докато скоростта му непрекъснато нараства, електронът носи магнитно поле, чиято сила се увеличава със скоростта на електрона. Достигайки до повърхността на анода, електронът рязко се забавя и възниква електромагнитен импулс с дължини на вълната в определен диапазон (тормозно излъчване). Разпределението на интензитета на излъчване по дължини на вълната зависи от материала на анода на рентгеновата тръба и приложеното напрежение, докато от страната на късите вълни тази крива започва с определен праг на минимална дължина на вълната, който зависи от приложеното напрежение. Наборът от лъчи с всички възможни дължини на вълната образува непрекъснат спектър, а дължината на вълната, съответстваща на максималния интензитет, е 1,5 пъти минималната дължина на вълната.

С увеличаване на напрежението рентгеновият спектър се променя драстично поради взаимодействието на атоми с високоенергийни електрони и кванти на първични рентгенови лъчи. Атомът съдържа вътрешни електронни обвивки (енергийни нива), чийто брой зависи от атомния номер (означава се с буквите K, L, M и др.) Електроните и първичните рентгенови лъчи изхвърлят електрони от едно енергийно ниво на друго . Възниква метастабилно състояние и за прехода към стабилно състояние е необходим скок на електрони в обратна посока. Този скок е придружен от освобождаване на енергиен квант и появата на рентгенови лъчи. За разлика от рентгеновите лъчи с непрекъснат спектър, това лъчение има много тесен диапазон на дължина на вълната и висок интензитет (характерно лъчение) ( см. ориз.). Броят на атомите, които определят интензитета на характерното излъчване, е много голям, например за рентгенова тръба с меден анод при напрежение 1 kV, ток от 15 mA, 10 14–10 15 атома дават характерно излъчване за 1 сек. Тази стойност се изчислява като съотношението на общата мощност на рентгеновите лъчи към енергията на рентгеновия квант от K-обвивката (K-серия на рентгеново-характерно излъчване). Общата мощност на рентгеновото лъчение в този случай е само 0,1% от консумираната мощност, останалата част се губи, главно поради прехода към топлина.

Поради високия си интензитет и тесния диапазон на дължина на вълната, характерното рентгеново лъчение е основният вид лъчение, използвано в научните изследвания и контрола на процесите. Едновременно с лъчите от серия K се генерират лъчи от серия L и M, които имат много по-дълги дължини на вълната, но тяхното приложение е ограничено. K-серията има два компонента с близки дължини на вълната a и b, докато интензитетът на b-компонента е 5 пъти по-малък от a. От своя страна a-компонентът се характеризира с две много близки дължини на вълната, интензитетът на едната от които е 2 пъти по-голяма от другата. За получаване на лъчение с една дължина на вълната (монохроматично лъчение) са разработени специални методи, които използват зависимостта на абсорбцията и дифракцията на рентгеновите лъчи от дължината на вълната. Увеличаването на атомния номер на елемента е свързано с промяна в характеристиките на електронните обвивки и колкото по-голям е атомният номер на анодния материал на рентгеновата тръба, толкова по-къса е дължината на вълната на К-серията. Най-широко използваните тръби с аноди от елементи с атомен номер от 24 до 42 (Cr, Fe, Co, Cu, Mo) и дължини на вълната от 2,29 до 0,712 A (0,229 - 0,712 nm).

В допълнение към рентгеновата тръба, радиоактивните изотопи могат да бъдат източници на рентгенови лъчи, някои могат директно да излъчват рентгенови лъчи, други излъчват електрони и a-частици, които генерират рентгенови лъчи при бомбардиране на метални цели. Рентгеновият интензитет на радиоактивните източници обикновено е много по-малък от този на рентгеновата тръба (с изключение на радиоактивния кобалт, който се използва при откриване на дефекти и дава излъчване с много малка дължина на вълната - g-лъчение), те са малки по размер и не изискват електричество. Синхротронните рентгенови лъчи се получават в електронни ускорители, дължината на вълната на това излъчване е много по-висока от тази, получена в рентгеновите тръби (меки рентгенови лъчи), интензитетът му е с няколко порядъка по-висок от интензитета на рентгеновите тръби. Има и естествени източници на рентгенови лъчи. В много минерали са открити радиоактивни примеси и са записани рентгенови лъчи от космически обекти, включително звезди.

Взаимодействие на рентгенови лъчи с кристали

При рентгеново изследване на материали с кристална структура се анализират интерференционните модели, получени в резултат на разсейването на рентгеновите лъчи от електрони, принадлежащи на атомите на кристалната решетка. Атомите се считат за неподвижни, техните топлинни вибрации не се вземат предвид и всички електрони на един и същи атом се считат за концентрирани в една точка - възел на кристалната решетка.

За да се изведат основните уравнения на рентгеновата дифракция в кристал, се разглежда интерференцията на лъчите, разпръснати от атоми, разположени по права линия в кристалната решетка. Плоска вълна от монохроматично рентгеново лъчение пада върху тези атоми под ъгъл, чийто косинус е равен на 0 . Законите на интерференцията на лъчите, разпръснати от атоми, са подобни на тези, съществуващи за дифракционна решетка, която разпръсква светлинно лъчение във видимия диапазон на дължината на вълната. За да се сумират амплитудите на всички вибрации на голямо разстояние от атомната серия, е необходимо и достатъчно разликата в пътя на лъчите, идващи от всяка двойка съседни атоми, да съдържа цял брой дължини на вълната. Когато разстоянието между атомите атова състояние изглежда така:

а(а – а0) = hл ,

където a е косинусът на ъгъла между атомната серия и отклонения лъч, ч-цяло число. Във всички посоки, които не отговарят на това уравнение, лъчите не се разпространяват. Така разпръснатите лъчи образуват система от коаксиални конуси, чиято обща ос е атомният ред. Следи от конуси в равнина, успоредна на атомния ред, са хиперболи, а в равнина, перпендикулярна на реда, окръжности.

Когато лъчите падат под постоянен ъгъл, полихроматичното (бяло) излъчване се разлага на спектър от лъчи, отклонени под фиксирани ъгли. По този начин, атомната серия е спектрограф за рентгенови лъчи.

Обобщението към двуизмерна (плоска) атомна решетка и след това към триизмерна обемна (пространствена) кристална решетка дава още две подобни уравнения, които включват ъглите на падане и отражение на рентгеновите лъчи и разстоянията между атомите в три посоки. Тези уравнения се наричат ​​уравнения на Лауе и са в основата на рентгенов дифракционен анализ.

Амплитудите на лъчите, отразени от успоредни атомни равнини, се сумират и след това броят на атомите е много голям, отразеното лъчение може да се фиксира експериментално. Състоянието на отражение се описва с уравнението на Wulff-Bragg2d sinq = nl, където d е разстоянието между съседни атомни равнини, q е ъгълът на поглед между посоката на падащия лъч и тези равнини в кристала, l е рентгеновото лъчение дължина на вълната, а n е цяло число, наречено ред на отражение. Ъгълът q е ъгълът на падане спрямо атомните равнини, които не съвпадат непременно по посока с повърхността на изследваната проба.

Разработени са няколко метода за рентгенов дифракционен анализ, като се използва както лъчение с непрекъснат спектър, така и монохроматично лъчение. В този случай изследваният обект може да бъде неподвижен или въртящ се, може да се състои от един кристал (единичен кристал) или много (поликристали), дифрактираното лъчение може да бъде регистрирано с помощта на плосък или цилиндричен рентгенов филм или рентгенов детектор, който се движи около обиколката обаче във всички случаи по време на експеримента и интерпретацията на резултатите се използва уравнението на Wulf-Braggg.

Рентгенов анализ в науката и технологиите

С откриването на дифракцията на рентгенови лъчи, изследователите имат на разположение метод, който им позволява да изследват подреждането на отделните атоми и промените в това подреждане при външни влияния без микроскоп.

Основното приложение на рентгеновите лъчи във фундаменталната наука е структурният анализ, т.е. установяване на пространственото подреждане на отделните атоми в кристала. За целта се отглеждат единични кристали и се извършва рентгенов анализ, изучаващ както местоположението, така и интензитета на отраженията. Сега са определени структурите не само на метали, но и на сложни органични вещества, в които елементарните клетки съдържат хиляди атоми.

В минералогията чрез рентгенов анализ са определени структурите на хиляди минерали и са създадени експресни методи за анализ на минерални суровини.

Металите имат сравнително проста кристална структура и рентгеновият метод дава възможност да се изследват промените му при различни технологични обработки и да се създадат физически основи на новите технологии.

Фазовият състав на сплавите се определя от разположението на линиите върху рентгеновите модели, броят, размерът и формата на кристалите се определят от тяхната ширина, ориентацията на кристалите (текстурата) се определя от разпределението на интензитета в дифракционен конус.

Тези техники се използват за изследване на процесите при пластична деформация, включително раздробяване на кристали, възникване на вътрешни напрежения и несъвършенства в кристалната структура (дислокации). При нагряване на деформирани материали се изследва облекчаването на напрежението и растежа на кристалите (рекристализация).

Когато рентгенов анализ на сплави определя състава и концентрацията на твърди разтвори. Когато се появи твърд разтвор, междуатомните разстояния и следователно разстоянията между атомните равнини се променят. Тези промени са малки, поради което са разработени специални прецизни методи за измерване на периодите на кристалната решетка с точност от два порядъка по-висока от точността на измерване с конвенционалните рентгенови методи. Комбинацията от прецизни измервания на периодите на кристалната решетка и фазовия анализ дава възможност да се конструират границите на фазовите области на диаграмата на състоянието. Рентгеновият метод може също да открие междинни състояния между твърди разтвори и химични съединения - подредени твърди разтвори, в които примесните атоми не са подредени произволно, както в твърдите разтвори, и в същото време не с триизмерен ред, както в химически съединения. На рентгеновите модели на подредени твърди разтвори има допълнителни линии; интерпретацията на рентгеновите модели показва, че примесните атоми заемат определени места в кристалната решетка, например във върховете на куб.

По време на закаляване на сплав, която не претърпява фазови трансформации, може да се получи пренаситен твърд разтвор и при по-нататъшно нагряване или дори задържане при стайна температура, твърдият разтвор се разлага с освобождаването на частици от химично съединение. Това е ефектът от стареенето и се появява на рентгенови снимки като промяна в позицията и ширината на линиите. Изследването на стареенето е особено важно за цветните сплави, например, стареенето превръща меката втвърдена алуминиева сплав в здрав структурен материал дуралуминий.

Най-голямо технологично значение имат рентгеновите изследвания на топлинната обработка на стоманата. При втвърдяване (бързо охлаждане) на стоманата възниква бездифузионен фазов преход аустенит-мартензит, което води до промяна на структурата от кубична към тетрагонална, т.е. единичната клетка приема формата на правоъгълна призма. На рентгенови снимки това се появява като разширяване на линиите и разделяне на някои линии на две. Причините за този ефект са не само промяна в кристалната структура, но и възникването на големи вътрешни напрежения поради термодинамичното неравновесие на мартензитната структура и бързото охлаждане. При закаляване (нагряване на закалена стомана) линиите на рентгеновите модели се стесняват, това се дължи на връщането към равновесната структура.

През последните години рентгеновите изследвания на обработката на материали с концентрирани енергийни потоци (лазерни лъчи, ударни вълни, неутрони, електронни импулси) придобиха голямо значение, изискваха нови техники и дадоха нови рентгенови ефекти. Например, под действието на лазерни лъчи върху метали, нагряването и охлаждането се случват толкова бързо, че в метала, когато се охладят, кристалите имат време да нараснат само до размер от няколко единични клетки (нанокристали) или нямат време да се образуват изобщо. Такъв метал след охлаждане изглежда като обикновен, но не дава ясни линии на рентгеновата картина, а отразените рентгенови лъчи се разпределят в целия диапазон от ъгли на поглед.

След неутронно облъчване на рентгеновите лъчи се появяват допълнителни петна (дифузни максимуми). Радиоактивният разпад причинява и специфични рентгенови ефекти, свързани с промяна в структурата, както и факта, че самата изследвана проба става източник на рентгенови лъчи.

Рентгенологията е раздел на радиологията, който изучава ефектите на рентгеновите лъчи върху тялото на животните и хората, произтичащи от това заболяване, тяхното лечение и превенция, както и методи за диагностициране на различни патологии с помощта на рентгенови лъчи (рентгенова диагностика) . Типичният апарат за рентгенова диагностика включва захранване (трансформатори), токоизправител с високо напрежение, който преобразува променливия ток на електрическата мрежа в постоянен, контролен панел, статив и рентгенова тръба.

Рентгеновите лъчи са вид електромагнитни трептения, които се образуват в рентгенова тръба при рязко забавяне на ускорени електрони в момента на сблъсъка им с атомите на анодното вещество. Понастоящем е общоприета гледната точка, че рентгеновите лъчи по своята физическа природа са един от видовете лъчиста енергия, чийто спектър включва също радиовълни, инфрачервени лъчи, видима светлина, ултравиолетови лъчи и гама лъчи на радиоактивни елементи. Рентгеновото лъчение може да се характеризира като съвкупност от най-малките му частици – кванти или фотони.

Ориз. 1 - мобилен рентгенов апарат:

А - рентгенова тръба;
B - захранване;
B - регулируем статив.

Ориз. 2 - контролен панел на рентгенов апарат (механичен - отляво и електронен - ​​отдясно):

A - панел за регулиране на експозицията и твърдостта;
B - бутон за захранване с високо напрежение.

Ориз. 3 е блокова схема на типичен рентгенов апарат

1 - мрежа;
2 - автотрансформатор;
3 - повишаващ трансформатор;
4 - рентгенова тръба;
5 - анод;
6 - катод;
7 - понижаващ трансформатор.

Механизъм за производство на рентгенови лъчи

Рентгеновите лъчи се образуват в момента на сблъсък на поток от ускорени електрони с материала на анода. Когато електроните взаимодействат с мишена, 99% от тяхната кинетична енергия се превръща в топлинна енергия и само 1% в рентгенови лъчи.

Рентгеновата тръба се състои от стъклен съд, в който са запоени 2 електрода: катод и анод. Въздухът се изпомпва от стъкления цилиндър: движението на електроните от катода към анода е възможно само при условия на относителен вакуум (10 -7 -10 -8 mm Hg). На катода има нишка, която е плътно усукана волфрамова нишка. Когато върху нишката се приложи електрически ток, възниква електронна емисия, при която електроните се отделят от спиралата и образуват електронен облак близо до катода. Този облак е концентриран в фокусиращата чаша на катода, която задава посоката на движение на електроните. Чаша - малка вдлъбнатина в катода. Анодът от своя страна съдържа волфрамова метална пластина, върху която са фокусирани електроните - това е мястото на образуване на рентгенови лъчи.

Ориз. 4 - Устройство с рентгенова тръба:

А - катод;
B - анод;
B - волфрамова нишка;
G - фокусираща чаша на катода;
D - поток от ускорени електрони;
E - волфрамова мишена;
G - стъклена колба;
З - прозорец от берилий;
И - образувани рентгенови лъчи;
K - алуминиев филтър.

Към електронната тръба са свързани 2 трансформатора: понижаващ и повишаващ. Понижаващ трансформатор нагрява волфрамовата нишка с ниско напрежение (5-15 волта), което води до електронна емисия. Повишаващ или високоволтов трансформатор отива директно към катода и анода, които се захранват с напрежение 20–140 киловолта. И двата трансформатора са поставени във високоволтовия блок на рентгеновия апарат, който е напълнен с трансформаторно масло, което осигурява охлаждане на трансформаторите и тяхната надеждна изолация.

След като се образува електронен облак с помощта на понижаващ трансформатор, повишаващият трансформатор се включва и напрежението с високо напрежение се прилага към двата полюса на електрическата верига: положителен импулс към анода и отрицателен импулс към катода. Отрицателно заредените електрони се отблъскват от отрицателно зареден катод и се стремят към положително зареден анод - поради такава потенциална разлика се постига висока скорост на движение - 100 хиляди km / s. При тази скорост електроните бомбардират волфрамовата анодна плоча, завършвайки електрическа верига, което води до рентгенови лъчи и топлинна енергия.

Рентгеновото лъчение се подразделя на спирачно и характерно. Спирачното лъчение възниква поради рязко забавяне на скоростта на електроните, излъчвани от волфрамова нишка. Характерното излъчване възниква в момента на пренареждане на електронните обвивки на атомите. И двата вида се образуват в рентгенова тръба в момента на сблъсък на ускорени електрони с атоми от анодния материал. Спектърът на излъчване на рентгенова тръба е суперпозиция на спирачно лъчение и характерни рентгенови лъчи.

Ориз. 5 - принципът на образуване на спирачно излъчване на рентгенови лъчи.
Ориз. 6 - принципът на образуване на характерните рентгенови лъчи.

Основни свойства на рентгеновите лъчи

1. Рентгеновите лъчи са невидими за зрителното възприятие.
2. Рентгеновото лъчение има голяма проникваща сила през органите и тъканите на живия организъм, както и плътни структури от нежива природа, които не пропускат видими светлинни лъчи.
3. Рентгеновите лъчи предизвикват светене на определени химически съединения, наречени флуоресценция.

• Цинк и кадмиев сулфиди флуоресцират жълто-зелено,
• Кристали от калциев волфрамат - виолетово-сини.

Рентгеновите лъчи имат фотохимичен ефект: разграждат сребърните съединения с халогени и причиняват почерняване на фотографските слоеве, образувайки изображение на рентгенова снимка.

Рентгеновите лъчи пренасят своята енергия към атомите и молекулите на околната среда, през която преминават, проявявайки йонизиращ ефект.

Рентгеновото лъчение има изразен биологичен ефект в облъчените органи и тъкани: в малки дози стимулира метаболизма, в големи дози може да доведе до развитие на лъчеви увреждания, както и остра лъчева болест. Биологичното свойство позволява използването на рентгенови лъчи за лечение на туморни и някои нетуморни заболявания.

Скала на електромагнитните трептения

Рентгеновите лъчи имат специфична дължина на вълната и честота на трептене. Дължината на вълната (λ) и честотата на трептене (ν) са свързани чрез връзката: λ ν = c, където c е скоростта на светлината, закръглена до 300 000 km в секунда. Енергията на рентгеновите лъчи се определя по формулата E = h ν, където h е константата на Планк, универсална константа, равна на 6,626 10 -34 J⋅s. Дължината на вълната на лъчите (λ) е свързана с тяхната енергия (E) чрез съотношението: λ = 12,4 / E.

Рентгеновото лъчение се различава от другите видове електромагнитни трептения по дължина на вълната (виж таблицата) и квантова енергия. Колкото по-къса е дължината на вълната, толкова по-висока е нейната честота, енергия и проникваща сила. Рентгеновата дължина на вълната е в диапазона

. Чрез промяна на дължината на вълната на рентгеновото лъчение е възможно да се контролира неговата проникваща сила. Рентгеновите лъчи имат много къса дължина на вълната, но висока честота на трептене, така че са невидими за човешкото око. Поради огромната си енергия, квантите имат висока проникваща способност, което е едно от основните свойства, които осигуряват използването на рентгеновите лъчи в медицината и други науки.

Рентгенови характеристики

Интензивност- количествена характеристика на рентгеновото лъчение, която се изразява с броя на лъчите, излъчвани от тръбата за единица време. Интензитетът на рентгеновите лъчи се измерва в милиампери. Сравнявайки го с интензитета на видимата светлина от обикновена лампа с нажежаема жичка, можем да направим аналогия: например 20-ватова лампа ще свети с един интензитет или мощност, а 200-ватова лампа ще свети с друга, докато качеството на самата светлина (нейният спектър) е същото. Интензитетът на рентгеновата радиация всъщност е нейното количество. Всеки електрон създава един или повече радиационни кванта на анода, следователно количеството рентгенови лъчи по време на експозиция на обекта се регулира чрез промяна на броя на електроните, стремящи се към анода, и броя на взаимодействията на електроните с атомите на волфрамова цел , което може да се направи по два начина:

1. Чрез промяна на степента на нажежаване на катодната спирала с помощта на понижаващ трансформатор (броят на електроните, генерирани по време на емисия, ще зависи от това колко гореща е волфрамовата спирала, а броят на квантите на излъчване ще зависи от броя на електроните);
2. Чрез промяна на стойността на високото напрежение, подавано от повишаващия трансформатор към полюсите на тръбата - катода и анода (колкото по-високо напрежение се прилага към полюсите на тръбата, толкова повече кинетична енергия получават електроните, които , поради своята енергия, могат да взаимодействат с няколко атома на анодното вещество на свой ред - виж фиг. ориз. 5; електрони с ниска енергия ще могат да влязат в по-малък брой взаимодействия).

Рентгеновият интензитет (аноден ток), умножен по експозицията (времето на тръбата), съответства на рентгеновата експозиция, която се измерва в mAs (милиампера в секунда). Експозицията е параметър, който, подобно на интензитета, характеризира количеството лъчи, излъчвани от рентгенова тръба. Единствената разлика е, че експозицията отчита и времето за работа на тръбата (например, ако тръбата работи за 0,01 сек, тогава броят на лъчите ще бъде един, а ако 0,02 сек, тогава броят на лъчите ще бъде различни - още два пъти). Радиационната експозиция се задава от рентгенолога на контролния панел на рентгеновия апарат в зависимост от вида на изследването, големината на изследвания обект и диагностичната задача.

твърдост- качествена характеристика на рентгеновото лъчение. Измерва се чрез високото напрежение на тръбата - в киловолти. Определя проникващата сила на рентгеновите лъчи. Той се регулира от високото напрежение, подавано към рентгеновата тръба от покачващ трансформатор. Колкото по-висока потенциална разлика се създава върху електродите на тръбата, толкова по-силна е силата на отблъскване на електроните от катода и се втурват към анода и толкова по-силен е сблъсъкът им с анода. Колкото по-силен е техният сблъсък, толкова по-къса е дължината на вълната на полученото рентгеново лъчение и толкова по-висока е проникващата мощност на тази вълна (или твърдостта на излъчването, която, както и интензитета, се регулира на контролния панел от параметъра на напрежението на тръбата - киловолтаж).

Ориз. 7 - Зависимост на дължината на вълната от енергията на вълната:

λ - дължина на вълната;
E - енергия на вълната

• Колкото по-висока е кинетичната енергия на движещите се електрони, толкова по-силно е тяхното въздействие върху анода и по-къса е дължината на вълната на полученото рентгеново лъчение. Рентгеновото лъчение с дълга дължина на вълната и ниска проникваща способност се нарича "меко", с къса дължина на вълната и висока проникваща сила - "твърдо".

Ориз. 8 - Съотношението на напрежението върху рентгеновата тръба и дължината на вълната на полученото рентгеново лъчение:

• Колкото по-високо е напрежението, приложено към полюсите на тръбата, толкова по-силна е потенциалната разлика върху тях, следователно, кинетичната енергия на движещите се електрони ще бъде по-висока. Напрежението върху тръбата определя скоростта на електроните и силата на сблъсъка им с анодния материал, следователно напрежението определя дължината на вълната на полученото рентгеново лъчение.

Класификация на рентгеновите тръби

1. По уговорка
1. Диагностична
2. Терапевтични
3. За структурен анализ
4. За трансилюминация
2. По дизайн
1. По фокус

• Единичен фокус (една спирала на катода и едно фокусно място на анода)
• Бифокални (две спирали с различни размери на катода и две фокални точки на анода)

1. По вид анод

• Неподвижно (фиксирано)
• Въртящ се

Рентгеновите лъчи се използват не само за лъчедиагностични цели, но и за терапевтични цели. Както беше отбелязано по-горе, способността на рентгеновото лъчение да потиска растежа на туморните клетки прави възможно използването му при лъчева терапия на онкологични заболявания. В допълнение към медицинската област на приложение, рентгеновото лъчение намери широко приложение в инженерната и техническата област, материалознанието, кристалографията, химията и биохимията: например е възможно да се идентифицират структурни дефекти в различни продукти (релси, заварки и др.) с помощта на рентгеново лъчение. Видът на такова изследване се нарича дефектоскопия. А на летища, гари и други претъпкани места, рентгеновите телевизионни интроскопи се използват активно за сканиране на ръчен багаж и багаж за целите на сигурността.

В зависимост от вида на анода, рентгеновите тръби се различават по дизайн. Поради факта, че 99% от кинетичната енергия на електроните се превръща в топлинна енергия, по време на работа на тръбата анодът се нагрява значително - чувствителната волфрамова цел често изгаря. Анодът се охлажда в съвременните рентгенови тръби чрез завъртане. Въртящият се анод има формата на диск, който разпределя топлината равномерно по цялата си повърхност, предотвратявайки локалното прегряване на волфрамовата цел.

Дизайнът на рентгеновите тръби също се различава във фокуса. Фокално петно ​​- участъкът от анода, върху който се генерира работният рентгенов лъч. Подразделя се на реално фокусно петно ​​и ефективно фокусно петно ​​( ориз. 12). Поради ъгъла на анода, ефективното фокусно петно ​​е по-малко от реалното. Използват се различни размери на фокусното петно ​​в зависимост от размера на зоната на изображението. Колкото по-голяма е площта на изображението, толкова по-широко трябва да бъде фокусното петно, за да покрие цялата област на изображението. Въпреки това, по-малко фокусно петно ​​осигурява по-добра яснота на изображението. Следователно, когато се произвеждат малки изображения, се използва къса нишка и електроните се насочват към малка площ от анодната цел, създавайки по-малко фокусно петно.

Ориз. 9 - рентгенова тръба със стационарен анод.
Ориз. 10 - Рентгенова тръба с въртящ се анод.
Ориз. 11 - Уред за рентгенова тръба с въртящ се анод.
Ориз. 12 е диаграма на формирането на реално и ефективно фокусно петно.

РЕНГЕНОВО ЛЪЧЕНИЕ
невидима радиация, способна да проникне, макар и в различна степен, във всички вещества. Това е електромагнитно излъчване с дължина на вълната около 10-8 см. Подобно на видимата светлина, рентгеновите лъчи причиняват почерняване на фотографския филм. Това свойство е от голямо значение за медицината, индустрията и научните изследвания. Преминавайки през изследвания обект и след това попадайки върху филма, рентгеновото лъчение изобразява вътрешната му структура върху него. Тъй като проникващата сила на рентгеновото лъчение е различна за различните материали, части от обекта, които са по-малко прозрачни за него, дават по-ярки области на снимката от тези, през които излъчването прониква добре. По този начин костните тъкани са по-малко прозрачни за рентгенови лъчи, отколкото тъканите, които изграждат кожата и вътрешните органи. Следователно на рентгеновата снимка костите ще бъдат обозначени като по-светли зони и мястото на фрактурата, което е по-прозрачно за радиация, може да бъде открито доста лесно. Рентгеновите изображения се използват и в стоматологията за откриване на кариеси и абсцеси в корените на зъбите, както и в индустрията за откриване на пукнатини в отливки, пластмаси и гуми. Рентгеновите лъчи се използват в химията за анализ на съединения и във физиката за изследване на структурата на кристалите. Рентгенов лъч, преминаващ през химично съединение, предизвиква характерно вторично лъчение, чийто спектроскопски анализ позволява на химика да определи състава на съединението. При падане върху кристално вещество, рентгенов лъч се разсейва от атомите на кристала, давайки ясен, правилен модел на петна и ивици върху фотографска плоча, което дава възможност да се установи вътрешната структура на кристала. Използването на рентгенови лъчи при лечението на рак се основава на факта, че убива раковите клетки. Въпреки това, той може да има нежелан ефект върху нормалните клетки. Ето защо трябва да се внимава с това използване на рентгенови лъчи. Рентгеновото лъчение е открито от немския физик В. Рентген (1845-1923). Името му е увековечено в някои други физически термини, свързани с това излъчване: международната единица за доза йонизиращо лъчение се нарича рентген; снимка, направена с рентгенов апарат, се нарича рентгенография; Областта на радиологичната медицина, която използва рентгенови лъчи за диагностициране и лечение на заболявания, се нарича радиология. Рентген открива радиацията през 1895 г., докато е професор по физика в университета във Вюрцбург. Докато провеждал експерименти с катодни лъчи (електронни потоци в разрядните тръби), той забелязал, че екран, разположен близо до вакуумната тръба, покрит с кристален бариев цианоплатинит, свети ярко, въпреки че самата тръба е покрита с черен картон. Освен това Рентген установява, че проникващата сила на неизвестните от него лъчи, които той нарича рентгенови лъчи, зависи от състава на абсорбиращия материал. Той също така изобразява костите на собствената си ръка, като я поставя между електронно-лъчева разрядна тръба и екран, покрит с бариев цианоплатинит. Откритието на Рентген е последвано от експерименти на други изследователи, които откриват много нови свойства и възможности за използване на това излъчване. Голям принос имат M. Laue, W. Friedrich и P. Knipping, които демонстрират през 1912 г. дифракцията на рентгеновите лъчи, когато те преминават през кристал; У. Кулидж, който през 1913 г. изобретява високовакуумна рентгенова тръба с нагрят катод; G. Moseley, който установява през 1913 г. връзката между дължината на вълната на радиацията и атомния номер на елемента; G. и L. Braggi, които получават Нобелова награда през 1915 г. за разработване на основите на рентгеновия дифракционен анализ.
ПОЛУЧАВАНЕ НА РЕНТГЕНОВО ЛЪЧЕНИЕ
Рентгеновото лъчение възниква, когато електроните, движещи се с висока скорост, взаимодействат с материята. Когато електроните се сблъскат с атоми на което и да е вещество, те бързо губят кинетичната си енергия. В този случай по-голямата част от него се превръща в топлина, а малка част, обикновено по-малко от 1%, се превръща в енергия на рентгенови лъчи. Тази енергия се освобождава под формата на кванти - частици, наречени фотони, които имат енергия, но имат нулева маса на покой. Рентгеновите фотони се различават по своята енергия, която е обратно пропорционална на дължината на вълната им. С конвенционалния метод за получаване на рентгенови лъчи се получава широк диапазон от дължини на вълните, който се нарича рентгенов спектър. Спектърът съдържа ясно изразени компоненти, както е показано на фиг. 1. Широк "континуум" се нарича непрекъснат спектър или бяло излъчване. Острите върхове, насложени върху него, се наричат ​​характерни рентгенови емисионни линии. Въпреки че целият спектър е резултат от сблъсъци на електрони с материя, механизмите за появата на широката му част и линии са различни. Веществото се състои от голям брой атоми, всеки от които има ядро, заобиколено от електронни обвивки, и всеки електрон в обвивката на атом на даден елемент заема определено дискретно енергийно ниво. Обикновено тези обвивки или енергийни нива се обозначават със символите K, L, M и т.н., започвайки от най-близката до ядрото обвивка. Когато падащ електрон с достатъчно висока енергия се сблъска с един от електроните, свързани с атома, той избива този електрон от неговата обвивка. Празното пространство е заето от друг електрон от черупката, което съответства на по-висока енергия. Последният отделя излишна енергия чрез излъчване на рентгенов фотон. Тъй като обвивните електрони имат дискретни енергийни стойности, получените рентгенови фотони също имат дискретен спектър. Това съответства на остри пикове за определени дължини на вълната, чиито специфични стойности зависят от целевия елемент. Характерните линии образуват K-, L- и M-серия, в зависимост от това от коя обвивка (K, L или M) е отстранен електронът. Връзката между дължината на вълната на рентгеновите лъчи и атомното число се нарича закон на Мозли (фиг. 2).

Ако един електрон се сблъска с относително тежко ядро, тогава той се забавя и неговата кинетична енергия се освобождава под формата на рентгенов фотон с приблизително същата енергия. Ако прелети покрай ядрото, той ще загуби само част от енергията си, а останалата част ще бъде прехвърлена на други атоми, които попадат на пътя му. Всеки акт на загуба на енергия води до излъчване на фотон с известна енергия. Появява се непрекъснат рентгенов спектър, чиято горна граница съответства на енергията на най-бързия електрон. Това е механизмът за образуване на непрекъснат спектър, а максималната енергия (или минималната дължина на вълната), която фиксира границата на непрекъснатия спектър, е пропорционална на ускоряващото напрежение, което определя скоростта на падащите електрони. Спектралните линии характеризират материала на бомбардираната цел, докато непрекъснатият спектър се определя от енергията на електронния лъч и практически не зависи от материала на мишената. Рентгеновите лъчи могат да бъдат получени не само чрез електронно бомбардиране, но и чрез облъчване на целта с рентгенови лъчи от друг източник. В този случай обаче по-голямата част от енергията на падащия лъч отива в характерния рентгенов спектър, а много малка част от нея попада в непрекъснатия спектър. Очевидно падащият рентгенов лъч трябва да съдържа фотони, чиято енергия е достатъчна, за да възбуди характерните линии на бомбардирания елемент. Високият процент енергия на характерен спектър прави този метод на рентгеново възбуждане удобен за научни изследвания.
Рентгенови тръби.За да се получи рентгеново лъчение, дължащо се на взаимодействието на електрони с материята, е необходимо да има източник на електрони, средства за ускоряването им до високи скорости и мишена, способна да издържи на бомбардиране с електрони и да произвежда рентгеново лъчение на необходимата интензивност. Устройството, което има всичко това, се нарича рентгенова тръба. Ранните изследователи са използвали "дълбоко вакуумни" тръби като днешните разрядни тръби. Вакуумът в тях не беше много голям. Разрядните тръби съдържат малко количество газ и когато се приложи голяма потенциална разлика към електродите на тръбата, атомите на газа се превръщат в положителни и отрицателни йони. Положителните се движат към отрицателния електрод (катод) и, падайки върху него, избиват електрони от него, а те от своя страна се движат към положителния електрод (анод) и, бомбардирайки го, създават поток от рентгенови фотони . В съвременната рентгенова тръба, разработена от Кулидж (фиг. 3), източникът на електрони е волфрамов катод, нагрят до висока температура. Електроните се ускоряват до високи скорости от високата потенциална разлика между анода (или антикатода) и катода. Тъй като електроните трябва да достигнат до анода, без да се сблъскват с атоми, е необходим много висок вакуум, за което тръбата трябва да бъде добре вакуумирана. Това също така намалява вероятността от йонизация на останалите газови атоми и свързаните странични токове.

Електроните са фокусирани върху анода чрез специално оформен електрод, обграждащ катода. Този електрод се нарича фокусиращ електрод и заедно с катода образува "електронния прожектор" на тръбата. Анодът, подложен на бомбардиране с електрони, трябва да бъде направен от огнеупорен материал, тъй като по-голямата част от кинетичната енергия на бомбардиращите електрони се превръща в топлина. Освен това е желателно анодът да бъде направен от материал с висок атомен номер, т.к добивът на рентгенови лъчи се увеличава с увеличаване на атомния номер. За аноден материал най-често се избира волфрам, чийто атомен номер е 74. Конструкцията на рентгеновите тръби може да бъде различна в зависимост от условията на приложение и изискванията.
Рентгенова детекция
Всички методи за откриване на рентгенови лъчи се основават на тяхното взаимодействие с материята. Детекторите могат да бъдат два вида: тези, които дават изображение, и тези, които не го правят. Първите включват апарати за рентгенова флуорография и флуороскопия, при които рентгеновият лъч преминава през изследвания обект, а предаденото лъчение навлиза в луминесцентния екран или филм. Изображението се появява поради факта, че различните части на изследвания обект поглъщат радиацията по различни начини - в зависимост от дебелината на веществото и неговия състав. При детектори с луминесцентен екран енергията на рентгеновите лъчи се преобразува в директно наблюдавано изображение, докато при радиографията се записва върху чувствителна емулсия и може да се наблюдава само след проявяване на филма. Вторият тип детектори включва голямо разнообразие от устройства, в които енергията на рентгеновите лъчи се преобразува в електрически сигнали, характеризиращи относителния интензитет на излъчването. Те включват йонизационни камери, брояч на Гайгер, пропорционален брояч, сцинтилационен брояч и някои специални детектори на базата на кадмиев сулфид и селенид. В момента сцинтилационните броячи могат да се считат за най-ефективните детектори, които работят добре в широк енергиен диапазон.
Вижте същоДЕТЕКТОРИ ЗА ЧАСТИЦИ . Детекторът се избира, като се вземат предвид условията на проблема. Например, ако е необходимо точно да се измери интензитета на дифрактираното рентгеново лъчение, тогава се използват броячи, които позволяват да се правят измервания с точност до части от процента. Ако е необходимо да се регистрират много дифрагирани лъчи, тогава е препоръчително да се използва рентгенов филм, въпреки че в този случай е невъзможно да се определи интензитета със същата точност.
РЕНТГЕН И ГАМА ДЕФЕКТОСКОПИЯ
Едно от най-често срещаните приложения на рентгеновите лъчи в индустрията е контролът на качеството на материала и откриването на дефекти. Рентгеновият метод е безразрушителен, така че изпитваният материал, ако се установи, че отговаря на изискваните изисквания, може да се използва по предназначение. И рентгеновата, и гама откриването на дефекти се основават на проникващата сила на рентгеновите лъчи и характеристиките на тяхното поглъщане в материалите. Проникващата мощност се определя от енергията на рентгеновите фотони, която зависи от ускоряващото напрежение в рентгеновата тръба. Следователно дебели проби и проби от тежки метали, като злато и уран, изискват източник на рентгенови лъчи с по-високо напрежение за тяхното изследване, а за тънки проби е достатъчен източник с по-ниско напрежение. За гама-лъчева дефектоскопия на много големи отливки и валцувани продукти се използват бетатрони и линейни ускорители, които ускоряват частиците до енергии от 25 MeV и повече. Поглъщането на рентгенови лъчи в материал зависи от дебелината на абсорбера d и коефициента на поглъщане m и се определя по формулата I = I0e-md, където I е интензитетът на излъчването, пропуснато през абсорбера, I0 е интензитет на падащото лъчение, а e = 2,718 е основата на естествените логаритми. За даден материал, при дадена дължина на вълната (или енергия) на рентгеновите лъчи, коефициентът на поглъщане е константа. Но излъчването на рентгенов източник не е монохроматично, а съдържа широк спектър от дължини на вълните, в резултат на което поглъщането при една и съща дебелина на абсорбера зависи от дължината на вълната (честотата) на излъчването. Рентгеновото лъчение се използва широко във всички индустрии, свързани с обработката на метали под налягане. Използва се и за тестване на артилерийски цеви, хранителни продукти, пластмаси, за тестване на сложни устройства и системи в електронното инженерство. (Неутронографията, която използва неутронни лъчи вместо рентгенови лъчи, се използва за подобни цели.) Рентгеновите лъчи се използват и за други цели, като например изследване на картини за определяне на тяхната автентичност или откриване на допълнителни слоеве боя върху основния слой .
РЕНГЕНОВА ДИФРАКЦИЯ
Рентгеновата дифракция предоставя важна информация за твърдите тела - тяхната атомна структура и кристална форма - както и за течности, аморфни тела и големи молекули. Дифракционният метод се използва и за точно (с грешка под 10-5) определяне на междуатомни разстояния, откриване на напрежения и дефекти и за определяне на ориентацията на монокристалите. Дифракционният модел може да идентифицира неизвестни материали, както и да открие наличието на примеси в пробата и да ги определи. Значението на метода на рентгенова дифракция за напредъка на съвременната физика трудно може да бъде надценено, тъй като съвременното разбиране за свойствата на материята в крайна сметка се основава на данни за подреждането на атомите в различни химични съединения, за естеството на връзките между тях и върху структурни дефекти. Основният инструмент за получаване на тази информация е методът на рентгенова дифракция. Рентгеновата дифракционна кристалография е от съществено значение за определяне на структурите на сложни големи молекули, като тези на дезоксирибонуклеиновата киселина (ДНК), генетичния материал на живите организми. Непосредствено след откриването на рентгеновите лъчи научният и медицински интерес се концентрира както върху способността на тази радиация да прониква през телата, така и върху нейната природа. Експерименти за дифракция на рентгенови лъчи върху процепи и дифракционни решетки показаха, че то принадлежи към електромагнитното излъчване и има дължина на вълната от порядъка на 10-8-10-9 см. Още по-рано учените, по-специално У. Барлоу, предположиха, че правилната и симетрична форма на естествените кристали се дължи на подреденото подреждане на атомите, които образуват кристала. В някои случаи Барлоу успява правилно да предскаже структурата на кристала. Стойността на предвидените междуатомни разстояния беше 10-8 см. Фактът, че междуатомните разстояния се оказаха от порядъка на дължината на вълната на рентгеновите лъчи, направи възможно по принцип да се наблюдава тяхната дифракция. Резултатът е идеята за един от най-важните експерименти в историята на физиката. М. Лауе организира експериментална проверка на тази идея, която е извършена от неговите колеги В. Фридрих и П. Книпинг. През 1912 г. тримата публикуват своя труд върху резултатите от рентгеновата дифракция. Принципи на рентгеновата дифракция. За да се разбере феноменът на рентгеновата дифракция, трябва да се разгледа по ред: първо, спектърът на рентгеновите лъчи, второ, естеството на кристалната структура и, трето, самият феномен на дифракция. Както бе споменато по-горе, характерното рентгеново лъчение се състои от поредица от спектрални линии с висока степен на монохроматичност, определени от материала на анода. С помощта на филтри можете да изберете най-интензивния от тях. Следователно, като се избере аноден материал по подходящ начин, е възможно да се получи източник на почти монохроматично излъчване с много точно определена стойност на дължината на вълната. Дължините на вълната на характерното излъчване обикновено варират от 2,285 за хром до 0,558 за сребро (стойностите за различните елементи са известни до шест значими цифри). Характерният спектър се наслагва върху непрекъснат "бял" спектър с много по-нисък интензитет, поради забавянето на падащите електрони в анода. Така от всеки анод могат да се получат два вида излъчване: характеристично и спирачно лъчение, всеки от които играе важна роля по свой начин. Атомите в кристалната структура са разположени на равни интервали, образувайки последователност от еднакви клетки – пространствена решетка. Някои решетки (например за повечето обикновени метали) са доста прости, докато други (например за протеинови молекули) са доста сложни. Кристалната структура се характеризира със следното: ако се измести от дадена точка на една клетка към съответната точка на съседната клетка, тогава ще бъде намерена точно същата атомна среда. И ако някакъв атом се намира в една или друга точка на една клетка, тогава същият атом ще бъде разположен в еквивалентната точка на всяка съседна клетка. Този принцип е строго валиден за перфектен, идеално подреден кристал. Въпреки това, много кристали (например метални твърди разтвори) са неуредени до известна степен; кристалографски еквивалентни места могат да бъдат заети от различни атоми. В тези случаи не се определя позицията на всеки атом, а само позицията на атом, „усреднена статистически“ върху голям брой частици (или клетки). Феноменът на дифракцията се обсъжда в статията ОПТИКА и читателят може да се обърне към тази статия, преди да продължи. Там е показано, че ако вълните (например звук, светлина, рентгенови лъчи) преминават през малък процеп или дупка, то последният може да се разглежда като вторичен източник на вълни, а изображението на процепа или дупката се състои от редуващи се светли и тъмни ивици. Освен това, ако има периодична структура на дупки или процепи, тогава в резултат на усилващата и затихващата интерференция на лъчите, идващи от различни дупки, възниква ясна дифракционна картина. Рентгеновата дифракция е колективно явление на разсейване, при което ролята на дупки и центрове на разсейване играят периодично подредени атоми от кристалната структура. Взаимното усилване на техните изображения под определени ъгли дава дифракционна картина, подобна на тази, която би била резултат от дифракцията на светлината върху триизмерна дифракционна решетка. Разсейването възниква поради взаимодействието на падащото рентгеново лъчение с електрони в кристала. Поради факта, че дължината на вълната на рентгеновото лъчение е от същия порядък като размерите на атома, дължината на вълната на разсеяното рентгеново лъчение е същата като тази на падащото. Този процес е резултат от принудителни трептения на електрони под действието на падащи рентгенови лъчи. Помислете сега за атом с облак от свързани електрони (заобикалящи ядрото), върху който падат рентгенови лъчи. Електроните във всички посоки едновременно разпръскват инцидента и излъчват свои собствени рентгенови лъчи със същата дължина на вълната, макар и с различен интензитет. Интензитетът на разсеяното лъчение е свързан с атомния номер на елемента, тъй като атомният номер е равен на броя на орбиталните електрони, които могат да участват в разсейването. (Тази зависимост на интензитета от атомния номер на разсейващия елемент и от посоката, в която се измерва интензитета, се характеризира с коефициента на атомно разсейване, който играе изключително важна роля при анализа на структурата на кристалите.) изберете в кристалната структура линейна верига от атоми, разположени на същото разстояние един от друг, и разгледайте тяхната дифракционна картина. Вече беше отбелязано, че рентгеновият спектър се състои от непрекъсната част („континуум“) и набор от по-интензивни линии, характерни за елемента, който е анодният материал. Да кажем, че филтрирахме непрекъснатия спектър и получихме почти монохроматичен рентгенов лъч, насочен към нашата линейна верига от атоми. Условието за усилване (усилваща интерференция) е изпълнено, ако разликата в пътя на вълните, разпръснати от съседни атоми, е кратна на дължината на вълната. Ако лъчът пада под ъгъл a0 на линия от атоми, разделени от интервали a (период), тогава за ъгъла на дифракция a разликата в пътя, съответстваща на усилването, ще бъде записана като a(cos a - cosa0) = hl, където l е дължината на вълната, а h е цяло число (фиг. 4 и 5).

За да се разшири този подход до триизмерен кристал, е необходимо само да се изберат редове от атоми в две други посоки в кристала и да се решат трите уравнения, получени по този начин, заедно за три кристални оси с периоди a, b и c. Другите две уравнения са

Това са трите основни уравнения на Лауе за дифракция на рентгенови лъчи, като числата h, k и c са индексите на Милър за дифракционната равнина.
Вижте същоКРИСТАЛИ И КРИСТАЛОГРАФИЯ. Като се има предвид някое от уравненията на Лауе, например първото, може да се забележи, че тъй като a, a0, l са константи и h = 0, 1, 2, ..., неговото решение може да бъде представено като набор от конуси с обща ос а (фиг. 5). Същото важи и за направления b и c. В общия случай на триизмерно разсейване (дифракция) трите уравнения на Лауе трябва да имат общо решение, т.е. три дифракционни конуса, разположени на всяка от осите, трябва да се пресичат; общата пресечна линия е показана на фиг. 6. Съвместното решение на уравненията води до закона на Браг-Вулф:

l = 2(d/n)sinq, където d е разстоянието между равнините с индекси h, k и c (период), n = 1, 2, ... са цели числа (дифракционен ред), а q е ъгълът образуван от падащ лъч (както и дифракциониращ) с равнината на кристала, в която се получава дифракция. Анализирайки уравнението на закона на Браг – Улф за единичен кристал, разположен по пътя на монохроматичен рентгенов лъч, можем да заключим, че дифракцията не е лесна за наблюдение, т.к. l и q са фиксирани, а sinq МЕТОДИ ЗА ДИФРАКЦИОНЕН АНАЛИЗ
Метод на Лауе.Методът на Laue използва непрекъснат "бял" спектър от рентгенови лъчи, който е насочен към стационарен монокристал. За конкретна стойност на периода d дължината на вълната, съответстваща на условието на Bragg-Wulf, се избира автоматично от целия спектър. Така получените модели на Laue позволяват да се преценят посоките на дифрагираните лъчи и следователно ориентациите на кристалните равнини, което също дава възможност да се направят важни заключения за симетрията, ориентацията на кристала и наличието на дефекти в него. В този случай обаче информацията за пространствения период d се губи. На фиг. 7 показва пример за Lauegram. Рентгеновият филм е разположен от страната на кристала, противоположна на тази, върху която пада рентгеновият лъч от източника.

Метод на Debye-Scherrer (за поликристални проби).За разлика от предишния метод, тук се използва монохроматично излъчване (l = const) и ъгълът q се променя. Това се постига чрез използване на поликристална проба, състояща се от множество малки кристалити с произволна ориентация, сред които има и такива, които удовлетворяват условието на Браг-Улф. Дифрагираните лъчи образуват конуси, чиято ос е насочена по протежение на рентгеновия лъч. За изобразяване обикновено се използва тясна лента от рентгенов филм в цилиндрична касета и рентгеновите лъчи се разпространяват по диаметъра през отвори във филма. Така получената дебиеграма (фиг. 8) съдържа точна информация за периода d, т.е. за структурата на кристала, но не дава информацията, която съдържа Lauegram. Следователно и двата метода се допълват взаимно. Нека разгледаме някои приложения на метода на Дебай-Шерер.

Идентифициране на химични елементи и съединения. От ъгъла q, определен от Дебайеграмата, може да се изчисли междупланарното разстояние d, характерно за даден елемент или съединение. В момента са съставени много таблици със стойности на d, които позволяват да се идентифицират не само един или друг химичен елемент или съединение, но и различни фазови състояния на едно и също вещество, което не винаги дава химичен анализ. Също така е възможно да се определи съдържанието на втория компонент в заместващи сплави с висока точност от зависимостта на периода d от концентрацията.
Анализ на стреса.От измерената разлика в междуплоските разстояния за различни посоки в кристалите, като се знае модулът на еластичност на материала, е възможно да се изчислят малки напрежения в него с висока точност.
Изследвания на преференциална ориентация в кристали.Ако малките кристалити в поликристална проба не са напълно произволно ориентирани, тогава пръстените на Debyegram ще имат различен интензитет. При наличие на ясно изразена предпочитана ориентация, максимумите на интензитета се концентрират в отделни петна в изображението, което става подобно на изображението за единичен кристал. Например, при дълбоко студено валцуване металният лист придобива текстура - изразена ориентация на кристалити. По дебайграмата може да се прецени естеството на студената обработка на материала.
Изследване на размера на зърната.Ако размерът на зърното на поликристала е повече от 10-3 cm, тогава линиите на Debyegram ще се състоят от отделни петна, тъй като в този случай броят на кристалите не е достатъчен, за да покрие целия диапазон от стойности на ъглите q. Ако размерът на кристалите е по-малък от 10-5 cm, тогава дифракционните линии стават по-широки. Ширината им е обратно пропорционална на размера на кристалите. Разширяването се случва по същата причина, поради която намаляването на броя на процепите намалява разделителната способност на дифракционната решетка. Рентгеновото лъчение дава възможност да се определят размерите на зърната в диапазона от 10-7-10-6 cm.
Методи за монокристали.За да може дифракцията от кристал да предостави информация не само за пространствения период, но и за ориентацията на всеки набор от дифракционни равнини, се използват методи на въртящ се монокристал. Върху кристала пада монохроматичен рентгенов лъч. Кристалът се върти около главната ос, за което уравненията на Лауе са изпълнени. В този случай ъгълът q, който е включен във формулата на Bragg-Wulf, се променя. Дифракционните максимуми са разположени в пресечната точка на дифракционните конуси на Laue с цилиндричната повърхност на филма (фиг. 9). Резултатът е дифракционна картина от типа, показан на фиг. 10. Възможни са обаче усложнения поради припокриването на различни дифракционни порядки в една точка. Методът може да бъде значително подобрен, ако едновременно с въртенето на кристала филмът също се движи по определен начин.

Изследвания на течности и газове.Известно е, че течностите, газовете и аморфните тела нямат правилната кристална структура. Но и тук има химическа връзка между атомите в молекулите, поради което разстоянието между тях остава почти постоянно, въпреки че самите молекули са произволно ориентирани в пространството. Такива материали също така дават дифракционна картина с относително малък брой размазани максимуми. Обработката на такава картина чрез съвременни методи дава възможност да се получи информация за структурата дори на такива некристални материали.
СПЕКТРОХИМИЧЕН РЕНТГЕНОВ АНАЛИЗ
Няколко години след откриването на рентгеновите лъчи Ч. Баркла (1877-1944) открива, че когато високоенергиен рентгенов поток въздейства върху вещество, се генерира вторично флуоресцентно рентгеново лъчение, което е характерно за елемента в процес на проучване. Скоро след това Г. Мозли, в поредица от своите експерименти, измерва дължините на вълната на първичното характерно рентгеново лъчение, получено чрез електронно бомбардиране на различни елементи, и извежда връзката между дължината на вълната и атомния номер. Тези експерименти, както и изобретението на Браг на рентгеновия спектрометър, положиха основата на спектрохимичния рентгенов анализ. Възможностите на рентгеновите лъчи за химичен анализ бяха веднага разпознати. Създадени са спектрографи с регистрация върху фотографска плака, в която изследваната проба служи като анод на рентгенова тръба. За съжаление тази техника се оказа много трудоемка и затова се използва само когато обичайните методи за химичен анализ са неприложими. Изключителен пример за новаторски изследвания в областта на аналитичната рентгенова спектроскопия е откриването през 1923 г. от Г. Хевеси и Д. Костър на нов елемент, хафний. Разработването на рентгенови тръби с висока мощност за радиография и чувствителни детектори за радиохимични измервания по време на Втората световна война до голяма степен допринесе за бързия растеж на рентгеновата спектрография през следващите години. Този метод стана широко разпространен поради бързината, удобството, неразрушителния характер на анализа и възможността за пълна или частична автоматизация. Приложим е в задачите за количествен и качествен анализ на всички елементи с атомен номер по-голям от 11 (натрий). И въпреки че рентгеновият спектрохимичен анализ обикновено се използва за определяне на критичните компоненти в пробата (от 0,1-100%), в някои случаи е подходящ за концентрации от 0,005% и дори по-ниски.
Рентгенов спектрометър.Съвременният рентгенов спектрометър се състои от три основни системи (фиг. 11): системи за възбуждане, т.е. рентгенова тръба с анод от волфрам или друг огнеупорен материал и захранване; системи за анализ, т.е. кристал анализатор с два многопрорезни колиматора, както и спектрогониометър за фина настройка; и регистрационни системи с Гайгеров или пропорционален или сцинтилационен брояч, както и токоизправител, усилвател, броячи и записващо устройство за диаграми или друго записващо устройство.

Рентгенов флуоресцентен анализ.Анализираната проба се намира по пътя на вълнуващите рентгенови лъчи. Областта на изследваната проба обикновено се изолира от маска с отвор с желания диаметър и излъчването преминава през колиматор, който образува паралелен лъч. Зад кристала на анализатора прорезен колиматор излъчва дифрагирано лъчение за детектора. Обикновено максималният ъгъл q е ограничен до 80–85°, така че само рентгенови лъчи, чиято дължина на вълната l е свързана с междупланарното разстояние d чрез неравенството l, могат да дифрагират върху кристала на анализатора. Рентгенов микроанализ.Описаният по-горе кристален спектрометър с плосък анализатор може да бъде адаптиран за микроанализ. Това се постига чрез свиване или на първичния рентгенов лъч, или на вторичния лъч, излъчван от пробата. Въпреки това, намаляването на ефективния размер на пробата или на радиационната апертура води до намаляване на интензитета на регистрираното дифрагирано лъчение. Подобрение на този метод може да се постигне чрез използване на извит кристален спектрометър, който дава възможност да се регистрира конус от дивергентно излъчване, а не само излъчване, успоредно на оста на колиматора. С такъв спектрометър могат да бъдат идентифицирани частици по-малки от 25 µm. Още по-голямо намаляване на размера на анализираната проба се постига при изобретения от Р. Кастен рентгенов електронен сондов микроанализатор. Тук характерното рентгеново излъчване на пробата се възбужда от силно фокусиран електронен лъч, който след това се анализира от спектрометър с огънати кристали. С помощта на такова устройство е възможно да се открият количества от вещество от порядъка на 10–14 g в проба с диаметър 1 μm. Разработени са и инсталации с електронно-лъчево сканиране на пробата, с помощта на които е възможно да се получи двуизмерен модел на разпределението върху пробата на елемента, чието характерно излъчване е настроено на спектрометъра.
МЕДИЦИНСКА РЕНГЕНОВА ДИАГНОСТИКА
Развитието на рентгеновата технология значително намали времето на експозиция и подобри качеството на изображенията, позволявайки да се изследват дори меките тъкани.
Флуорография.Този диагностичен метод се състои в заснемане на изображение в сянка от полупрозрачен екран. Пациентът се поставя между източник на рентгенови лъчи и плосък екран от фосфор (обикновено цезиев йодид), който свети, когато е изложен на рентгенови лъчи. Биологични тъкани с различна степен на плътност създават сенки на рентгеново лъчение с различна степен на интензитет. Радиолог изследва изображение в сянка на флуоресцентен екран и поставя диагноза. В миналото рентгенологът разчиташе на зрението, за да анализира изображение. Сега има различни системи, които усилват изображението, показват го на телевизионен екран или записват данни в паметта на компютъра.
Рентгенография.Записването на рентгеново изображение директно върху фотографски филм се нарича радиография. В този случай изследваният орган се намира между източника на рентгенови лъчи и филма, който улавя информация за състоянието на органа в даден момент. Повтарящата се рентгенография дава възможност да се прецени по-нататъшната му еволюция. Рентгенографията ви позволява много точно да изследвате целостта на костната тъкан, която се състои главно от калций и е непрозрачна за рентгенови лъчи, както и разкъсвания на мускулната тъкан. С негова помощ, по-добре от стетоскоп или слушане, се анализира състоянието на белите дробове при възпаление, туберкулоза или наличие на течност. С помощта на рентгенография се определят размера и формата на сърцето, както и динамиката на промените му при пациенти, страдащи от сърдечни заболявания.
контрастни вещества.Части от тялото и кухини на отделни органи, които са прозрачни за рентгеново лъчение, стават видими, ако се напълнят с безвреден за тялото контрастен агент, но позволяващ да се визуализира формата на вътрешните органи и да се провери тяхното функциониране. Пациентът или приема орално контрастни вещества (като бариеви соли при изследване на стомашно-чревния тракт), или те се прилагат интравенозно (като йодсъдържащи разтвори при изследване на бъбреците и пикочните пътища). През последните години обаче тези методи бяха изместени от диагностични методи, базирани на използването на радиоактивни атоми и ултразвук.
CT сканиране.През 70-те години на миналия век е разработен нов метод за рентгенова диагностика, базиран на пълна снимка на тялото или неговите части. Изображенията на тънки слоеве („резени“) се обработват от компютър, а крайното изображение се извежда на екрана на монитора. Този метод се нарича компютърна рентгенова томография. Той се използва широко в съвременната медицина за диагностициране на инфилтрати, тумори и други мозъчни заболявания, както и за диагностициране на заболявания на меките тъкани в тялото. Тази техника не изисква въвеждането на чужди контрастни вещества и поради това е по-бърза и по-ефективна от традиционните техники.
БИОЛОГИЧНО ДЕЙСТВИЕ НА РЕНТГЕНОВО ЛЪЧЕНИЕ
Вредният биологичен ефект на рентгеновата радиация е открит малко след откриването му от Рентген. Оказа се, че новата радиация може да причини нещо като тежко слънчево изгаряне (еритема), придружено обаче от по-дълбоко и трайно увреждане на кожата. Появяващите се язви често се превръщат в рак. В много случаи трябваше да се ампутират пръсти или ръце. Имаше и смъртни случаи. Установено е, че увреждането на кожата може да бъде избегнато чрез намаляване на времето на експозиция и дозата, като се използват екраниращи (напр. олово) и дистанционни управления. Но постепенно се разкриват други, по-дългосрочни ефекти от излагането на рентгенови лъчи, които след това са потвърдени и изследвани при опитни животни. Ефектите, дължащи се на действието на рентгеновите лъчи, както и на други йонизиращи лъчения (като гама лъчение, излъчвано от радиоактивни материали) включват: 1) временни промени в състава на кръвта след относително малка прекомерна експозиция; 2) необратими промени в състава на кръвта (хемолитична анемия) след продължителна прекомерна експозиция; 3) увеличаване на заболеваемостта от рак (включително левкемия); 4) по-бързо стареене и ранна смърт; 5) поява на катаракта. Освен това, биологични експерименти върху мишки, зайци и мухи (Drosophila) показват, че дори малки дози системно облъчване на големи популации, поради увеличаване на скоростта на мутации, водят до вредни генетични ефекти. Повечето генетици признават приложимостта на тези данни за човешкото тяло. Що се отнася до биологичния ефект на рентгеновото лъчение върху човешкото тяло, той се определя от нивото на дозата на радиация, както и от това кой отделен орган на тялото е бил изложен на радиация. Например кръвните заболявания се причиняват от облъчване на кръвотворни органи, главно костен мозък, а генетичните последици - от облъчване на половите органи, което също може да доведе до стерилитет. Натрупването на знания за въздействието на рентгеновите лъчения върху човешкия организъм доведе до разработването на национални и международни стандарти за допустими дози на облъчване, публикувани в различни справочни издания. В допълнение към рентгеновите лъчи, които се използват целенасочено от хората, има и така нареченото разсеяно, странично лъчение, което възниква по различни причини, например поради разсейване поради несъвършенството на оловния защитен екран, което не напълно абсорбира тази радиация. В допълнение, много електрически устройства, които не са предназначени да произвеждат рентгенови лъчи, въпреки това генерират рентгенови лъчи като страничен продукт. Такива устройства включват електронни микроскопи, високоволтови изправителни лампи (кенотрони), както и кинескопи на остарели цветни телевизори. Производството на съвременни цветни кинескопи в много страни вече е под правителствен контрол.
ОПАСНИ ФАКТОРИ НА РЕНТГЕНОВО ЛЪЧЕНИЕ
Видовете и степента на опасност от облъчване с рентгенови лъчи за хората зависят от контингента на хората, изложени на радиация.
Професионалисти, работещи с рентгеново оборудване.Тази категория включва рентгенолози, зъболекари, както и научни и технически работници и персонал, поддържащ и използващ рентгеново оборудване. Предприемат се ефективни мерки за намаляване на нивата на радиация, с която трябва да се справят.
Пациенти.Тук няма строги критерии, а безопасното ниво на радиация, което пациентите получават по време на лечението, се определя от лекуващите лекари. Лекарите се съветват да не излагат ненужно пациентите на рентгенови лъчи. Особено внимание трябва да се внимава при изследване на бременни жени и деца. В този случай се вземат специални мерки.
Методи за контрол.Има три аспекта на това:
1) наличие на подходящо оборудване, 2) прилагане на правилата за безопасност, 3) правилно използване на оборудването. При рентгеновото изследване само желаната зона трябва да бъде изложена на радиация, било то стоматологични прегледи или белодробни прегледи. Имайте предвид, че веднага след изключване на рентгеновия апарат изчезват както първичното, така и вторичното излъчване; липсва и остатъчна радиация, която не винаги е известна дори на тези, които са пряко свързани с нея в работата си.
Вижте също
СТРУКТУРА НА АТОМ;