WYKŁAD
PROMIENIOWANIE RTG
Natura promieni rentgenowskich
Rentgen Bremsstrahlung, jego właściwości spektralne.
Charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie (do wglądu).
Oddziaływanie promieniowania rentgenowskiego z materią.
Fizyczne podstawy wykorzystania promieni rentgenowskich w medycynie.
Promieniowanie rentgenowskie (promienie rentgenowskie) odkrył K. Roentgen, który w 1895 roku został pierwszym laureatem Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki.
Natura promieni rentgenowskich
promieniowanie rentgenowskie - fale elektromagnetyczne o długości od 80 do 10 -5 nm. Promieniowanie długofalowe rentgenowskie jest objęte krótkofalowym promieniowaniem UV, a krótkofalowe promieniowaniem długofalowym .
Promienie rentgenowskie są wytwarzane w lampach rentgenowskich. rys.1.
K - katoda
1 - wiązka elektronów
2 - Promieniowanie rentgenowskie
Ryż. 1. Aparat rentgenowski.
Rura jest szklaną kolbą (o możliwie wysokiej próżni: ciśnienie w niej wynosi około 10–6 mm Hg) z dwiema elektrodami: anodą A i katodą K, do których przykładane jest wysokie napięcie U (kilka tysięcy woltów) . Katoda jest źródłem elektronów (ze względu na zjawisko emisji termojonowej). Anoda to metalowy pręt o nachylonej powierzchni w celu skierowania powstałego promieniowania rentgenowskiego pod kątem do osi lampy. Wykonany jest z materiału silnie przewodzącego ciepło, który usuwa ciepło generowane podczas bombardowania elektronami. Na ukośnym końcu znajduje się płyta wykonana z metalu ogniotrwałego (na przykład wolframu).
Silne nagrzewanie się anody wynika z faktu, że główna liczba elektronów w wiązce katodowej, uderzając w anodę, doświadcza licznych zderzeń z atomami substancji i przekazuje im dużą ilość energii.
Pod działaniem wysokiego napięcia elektrony emitowane przez żarnik z gorącą katodą są przyspieszane do wysokich energii. Energia kinetyczna elektronu jest równa mv 2 /2. Jest równa energii, którą uzyskuje, poruszając się w polu elektrostatycznym lampy:
śr 2 /2 = UE(1)
gdzie m, e to masa i ładunek elektronu, U to napięcie przyspieszające.
Procesy prowadzące do pojawienia się promieni rentgenowskich są spowodowane intensywnym hamowaniem elektronów w materiale anodowym przez pole elektrostatyczne jądra atomowego i elektronów atomowych.
Mechanizm pochodzenia można przedstawić w następujący sposób. Poruszające się elektrony to pewien rodzaj prądu, który tworzy własne pole magnetyczne. Spowolnienie elektronów to spadek natężenia prądu i odpowiednio zmiana indukcji pola magnetycznego, co spowoduje pojawienie się przemiennego pola elektrycznego, tj. pojawienie się fali elektromagnetycznej.
Tak więc, kiedy naładowana cząstka wlatuje w materię, zwalnia, traci energię i prędkość oraz emituje fale elektromagnetyczne.
Właściwości spektralne promieni rentgenowskich bremsstrahlung .
Tak więc w przypadku spowolnienia elektronów w materiale anodowym, promieniowanie bremsstrahlung.
Widmo bremsstrahlung jest ciągłe. Powód tego jest następujący.
Kiedy elektrony zwalniają, każdy z nich ma część energii użytej do ogrzania anody (E 1 \u003d Q), druga część do wytworzenia fotonu rentgenowskiego (E 2 \u003d hv), w przeciwnym razie eU \u003d hv + Q. Stosunek między tymi częściami jest losowy.
W ten sposób ciągłe widmo promieniowania rentgenowskiego powstaje w wyniku spowolnienia wielu elektronów, z których każdy emituje jeden kwant promieniowania rentgenowskiego hv (h) o ściśle określonej wartości. Wartość tego kwantu różne dla różnych elektronów. Zależność strumienia energii promieniowania rentgenowskiego od długości fali , tj. widmo rentgenowskie pokazano na rys.2.
Rys.2. Widmo Bremsstrahlung: a) przy różnych napięciach U w rurze; b) w różnych temperaturach T katody.
Promieniowanie krótkofalowe (twarde) ma większą siłę przenikania niż promieniowanie długofalowe (miękkie). Promieniowanie miękkie jest silniej pochłaniane przez materię.
Od strony krótkich fal widmo kończy się nagle przy pewnej długości fali m i n . Takie krótkofalowe bremsstrahlung występuje, gdy energia pobierana przez elektron w przyspieszającym polu jest całkowicie zamieniana na energię fotonu (Q = 0):
eU = hv max = hc/ min , min = hc/(eU), (2)
min (nm) = 1,23/UkV
Skład spektralny promieniowania zależy od napięcia na lampie rentgenowskiej, wraz ze wzrostem napięcia wartość m i n przesuwa się w kierunku fal krótkich (rys. 2a).
Gdy zmienia się temperatura T żarzenia katody, wzrasta emisja elektronów. W konsekwencji prąd I w rurze wzrasta, ale skład spektralny promieniowania nie ulega zmianie (rys. 2b).
Strumień energii Ф bremsstrahlung jest wprost proporcjonalny do kwadratu napięcia U między anodą a katodą, natężenia prądu I w rurze i liczby atomowej Z substancji anodowej:
Ф = kZU 2 I. (3)
gdzie k \u003d 10 -9 W / (V 2 A).
Charakterystyczne promienie rentgenowskie (do zapoznania się).
Zwiększenie napięcia na lampie rentgenowskiej prowadzi do tego, że na tle widma ciągłego pojawia się linia, która odpowiada charakterystycznemu promieniowaniu rentgenowskiemu. To promieniowanie jest charakterystyczne dla materiału anodowego.
Mechanizm jego występowania jest następujący. Przy wysokim napięciu przyspieszone elektrony (o dużej energii) wnikają głęboko w atom i wybijają elektrony z jego wewnętrznych warstw. Elektrony z wyższych poziomów przechodzą do wolnych miejsc, w wyniku czego emitowane są fotony o charakterystycznym promieniowaniu.
Widma charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego różnią się od widm optycznych.
- Jednolitość.
Jednorodność charakterystycznych widm wynika z faktu, że wewnętrzne warstwy elektronowe różnych atomów są takie same i różnią się tylko energetycznie, dzięki działaniu siły od jąder, która wzrasta wraz ze wzrostem liczby pierwiastków. Dlatego charakterystyczne widma przesuwają się w kierunku wyższych częstotliwości wraz ze wzrostem ładunku jądrowego. Zostało to eksperymentalnie potwierdzone przez pracownika Rentgena - Moseley, który zmierzył częstotliwości przejścia promieniowania rentgenowskiego dla 33 pierwiastków. Stworzyli prawo.
PRAWO MOJŻESZOWEGO – pierwiastek kwadratowy z częstotliwości promieniowania charakterystycznego jest funkcją liniową liczby porządkowej elementu:
= A (Z - B), (4)
gdzie v jest częstotliwością linii widmowej, Z jest liczbą atomową elementu emitującego. A, B są stałymi.
Znaczenie prawa Moseleya polega na tym, że tę zależność można wykorzystać do dokładnego określenia liczby atomowej badanego pierwiastka na podstawie zmierzonej częstotliwości linii rentgenowskiej. Odegrało to dużą rolę w rozmieszczeniu pierwiastków w układzie okresowym.
Niezależność od związku chemicznego.
Charakterystyczne widma rentgenowskie atomu nie zależą od związku chemicznego, w który wchodzi atom pierwiastka. Na przykład widmo rentgenowskie atomu tlenu jest takie samo dla O 2, H 2 O, podczas gdy widma optyczne tych związków różnią się. Ta cecha widma rentgenowskiego atomu była podstawą nazwy „ charakterystyczne promieniowanie".
Oddziaływanie promieniowania rentgenowskiego z materią
Wpływ promieniowania rentgenowskiego na obiekty jest determinowany przez pierwotne procesy oddziaływania promieniowania rentgenowskiego. foton z elektronami atomy i cząsteczki materii.
Promieniowanie rentgenowskie w materii zaabsorbowany lub rozprasza się. W takim przypadku mogą zachodzić różne procesy, które są determinowane stosunkiem energii fotonu rentgenowskiego hv do energii jonizacji Аu (energia jonizacji Аu to energia wymagana do usunięcia elektronów wewnętrznych z atomu lub cząsteczki).
a) Spójne rozpraszanie(rozpraszanie promieniowania długofalowego) występuje, gdy relacja
Dla fotonów, na skutek oddziaływania z elektronami, zmienia się tylko kierunek ruchu (rys. 3a), ale energia hv i długość fali nie zmieniają się (dlatego rozpraszanie to nazywa się zgodny). Ponieważ energie fotonu i atomu się nie zmieniają, rozpraszanie koherentne nie wpływa na obiekty biologiczne, jednak tworząc ochronę przed promieniowaniem rentgenowskim należy brać pod uwagę możliwość zmiany pierwotnego kierunku wiązki.
b) efekt fotoelektryczny dzieje się, gdy
W takim przypadku można zrealizować dwa przypadki.
Foton zostaje zaabsorbowany, elektron odrywa się od atomu (rys. 3b). Następuje jonizacja. Odłączony elektron uzyskuje energię kinetyczną: E k \u003d hv - A i. Jeśli energia kinetyczna jest duża, elektron może zjonizować sąsiednie atomy w wyniku zderzenia, tworząc nowe. wtórny elektrony.
Foton jest pochłaniany, ale jego energia nie wystarcza do oderwania elektronu i wzbudzenie atomu lub cząsteczki(rys. 3c). Prowadzi to często do późniejszej emisji fotonu w obszarze promieniowania widzialnego (luminescencja rentgenowska), a w tkankach do aktywacji cząsteczek i reakcji fotochemicznych. Efekt fotoelektryczny występuje głównie na elektronach wewnętrznych powłok atomów o wysokim Z.
w) Niespójne rozpraszanie(efekt Comptona, 1922) występuje, gdy energia fotonu jest znacznie większa niż energia jonizacji
W tym przypadku elektron jest oderwany od atomu (takie elektrony są nazywane odrzut elektronów), uzyskuje pewną energię kinetyczną E k, energia samego fotonu maleje (ryc. 4d):
hv=hv” + A i + E k. (5)
Powstałe promieniowanie o zmienionej częstotliwości (długości) nazywa się wtórny, rozprasza się we wszystkich kierunkach.
Elektrony odrzutowe, jeśli mają wystarczającą energię kinetyczną, mogą jonizować sąsiednie atomy w wyniku zderzenia. Tak więc w wyniku niespójnego rozpraszania powstaje wtórne rozproszone promieniowanie rentgenowskie, a atomy substancji ulegają jonizacji.
Te (a, b, c) procesy mogą powodować szereg kolejnych. Na przykład (ryc. 3d), jeśli podczas efektu fotoelektrycznego elektrony zostaną oderwane od atomu na wewnętrznych powłokach, to elektrony z wyższych poziomów mogą przejść w ich miejsce, czemu towarzyszy wtórne charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie tej substancji. Fotony promieniowania wtórnego, oddziałując z elektronami sąsiednich atomów, mogą z kolei powodować zjawiska wtórne.
spójne rozpraszanie
uh 
energia i długość fali pozostają bez zmian
efekt fotoelektryczny
foton jest zaabsorbowany, e - oderwany od atomu - jonizacja
hv \u003d A i + E do
atom A jest wzbudzany po absorpcji fotonu, R jest luminescencją rentgenowską
niespójne rozpraszanie
hv \u003d hv „+ A i + E do
procesy wtórne w efekcie fotoelektrycznym
Ryż. 3 Mechanizmy oddziaływania promieniowania rentgenowskiego z materią
Fizyczne podstawy wykorzystania promieni rentgenowskich w medycynie
Kiedy promieniowanie rentgenowskie pada na ciało, jest ono lekko odbijane od jego powierzchni, ale głównie przechodzi w głąb, podczas gdy jest częściowo pochłaniane i rozpraszane, a częściowo przechodzi.
Prawo osłabienia.
Strumień rentgenowski jest tłumiony w materii zgodnie z prawem:
F \u003d F 0 e - x (6)
gdzie jest liniowe współczynnik tłumienia, co zasadniczo zależy od gęstości substancji. Jest równa sumie trzech wyrazów odpowiadających rozproszeniu koherentnemu 1, niespójnemu 2 i efektowi fotoelektrycznemu 3:
= 1 + 2 + 3 . (7)
Wkład każdego członu jest określony przez energię fotonów. Poniżej znajdują się proporcje tych procesów dla tkanek miękkich (woda).
|
Energia, keV |
efekt fotoelektryczny |
Compton - efekt |
smacznego współczynnik tłumienia masy, która nie zależy od gęstości substancji :
m = /. (osiem)
Współczynnik tłumienia masy zależy od energii fotonu i liczby atomowej substancji pochłaniającej:
m = k 3 Z 3 . (dziewięć)
Współczynniki tłumienia masy kości i tkanki miękkiej (woda) są różne: m kości / m wody = 68.
Jeżeli na drodze promieniowania rentgenowskiego znajduje się ciało niejednorodne, a przed nim ekran fluorescencyjny, to ciało to, pochłaniając i tłumiąc promieniowanie, tworzy na ekranie cień. Z natury tego cienia można ocenić kształt, gęstość, strukturę, aw wielu przypadkach naturę ciał. Tych. znaczna różnica w absorpcji promieniowania rentgenowskiego przez różne tkanki pozwala zobaczyć obraz narządów wewnętrznych w rzucie cienia.
Jeśli badany narząd i otaczające tkanki w równym stopniu tłumią promieniowanie rentgenowskie, stosuje się środki kontrastowe. Na przykład wypełniając żołądek i jelita papkowatą masą siarczanu baru (BaSO 4 ), widać ich obraz cienia (stosunek współczynników tłumienia wynosi 354).
Zastosowanie w medycynie.
W medycynie do diagnostyki stosuje się promieniowanie rentgenowskie o energii fotonów od 60 do 100-120 keV, a do terapii 150-200 keV.
Diagnostyka rentgenowska – Rozpoznawanie chorób poprzez naświetlanie ciała promieniami rentgenowskimi.
Diagnostyka rentgenowska jest stosowana w różnych opcjach, które podano poniżej.
Z fluoroskopią lampa rentgenowska znajduje się za pacjentem. Z przodu znajduje się ekran fluorescencyjny. Na ekranie pojawia się cień (pozytywny) obraz. W każdym indywidualnym przypadku dobierana jest odpowiednia twardość promieniowania, aby przeszło przez tkanki miękkie, ale było wystarczająco pochłaniane przez gęste. W przeciwnym razie uzyskuje się jednolity cień. Na ekranie serce, żebra są ciemne, a płuca jasne.
Kiedy radiografia przedmiot umieszczony jest na kasecie, w której znajduje się film ze specjalną emulsją fotograficzną. Lampa rentgenowska jest umieszczana nad obiektem. Otrzymany radiogram daje obraz negatywowy, tj. przeciwieństwo w przeciwieństwie do obrazu obserwowanego podczas transiluminacji. W tej metodzie obraz jest wyraźniejszy niż w (1), dlatego obserwowane są szczegóły, które są trudne do zauważenia w świetle przechodzącym.
Obiecującym wariantem tej metody jest rentgen tomografia oraz „wersja maszynowa” - komputer tomografia.
3. Z fluoroskopią, Na czułym filmie małoformatowym obraz z dużego ekranu jest utrwalony. Oglądane zdjęcia są oglądane na specjalnej lupie.
Terapia rentgenowska- wykorzystanie promieni rentgenowskich do niszczenia nowotworów złośliwych.
Biologicznym efektem promieniowania jest zakłócenie aktywności życiowej, zwłaszcza szybko namnażających się komórek.
TOMOGRAFIA KOMPUTEROWA (CT)
Metoda rentgenowskiej tomografii komputerowej polega na rekonstrukcji obrazu określonego odcinka ciała pacjenta poprzez rejestrację dużej liczby rzutów rentgenowskich tego odcinka, wykonanych pod różnymi kątami. Informacje z czujników rejestrujących te projekcje trafiają do komputera, który zgodnie ze specjalnym programem oblicza dystrybucja ciasnowielkość próbki w badanej części i wyświetla ją na ekranie wyświetlacza. Uzyskany w ten sposób obraz wycinka ciała pacjenta charakteryzuje się doskonałą wyrazistością i wysoką zawartością informacji. Program pozwala zwiększyć kontrast obrazu w dziesiątki, a nawet setki razy. Rozszerza to możliwości diagnostyczne metody.
Filmowcy (urządzenia z cyfrową obróbką zdjęć RTG) we współczesnej stomatologii.
W stomatologii główną metodą diagnostyczną jest badanie rentgenowskie. Jednak szereg tradycyjnych cech organizacyjnych i technicznych diagnostyki rentgenowskiej powoduje, że nie jest ona do końca wygodna zarówno dla pacjenta, jak i dla gabinetów stomatologicznych. To przede wszystkim konieczność kontaktu pacjenta z promieniowaniem jonizującym, które często powoduje znaczne obciążenie radiacyjne organizmu, to także potrzeba fotoprocesu, a w konsekwencji potrzeba fotoodczynników, m.in. toksyczne. To wreszcie obszerne archiwum, ciężkie teczki i koperty z kliszami rentgenowskimi.
Ponadto obecny poziom rozwoju stomatologii sprawia, że subiektywna ocena radiogramów przez oko ludzkie jest niewystarczająca. Jak się okazało, z różnorodności odcieni szarości zawartych na zdjęciu rentgenowskim oko dostrzega tylko 64.
Oczywiście, aby uzyskać wyraźny i szczegółowy obraz twardych tkanek układu zębodołowego przy minimalnej ekspozycji na promieniowanie, potrzebne są inne rozwiązania. Poszukiwania doprowadziły do powstania tzw. systemów radiografii, kamerzyści – systemów radiografii cyfrowej.
Bez szczegółów technicznych zasada działania takich systemów jest następująca. Promieniowanie rentgenowskie przechodzi przez obiekt nie na błonie światłoczułej, ale na specjalnym czujniku wewnątrzustnym (specjalna matryca elektroniczna). Odpowiedni sygnał z matrycy jest przesyłany do urządzenia digitalizującego (przetwornika analogowo-cyfrowego, ADC), który przetwarza go na postać cyfrową i jest podłączony do komputera. Specjalne oprogramowanie buduje obraz rentgenowski na ekranie komputera i umożliwia jego obróbkę, zapisanie na twardym lub elastycznym nośniku danych (dysk twardy, dyskietki), wydrukowanie go jako obrazka w postaci pliku.
W systemie cyfrowym obraz rentgenowski to zbiór punktów o różnych wartościach cyfrowej skali szarości. Zapewniona przez program optymalizacja wyświetlania informacji umożliwia uzyskanie optymalnego kadru pod względem jasności i kontrastu przy stosunkowo niskiej dawce promieniowania.
W nowoczesnych systemach, tworzonych na przykład przez Trophy (Francja) lub Schick (USA), przy formowaniu ramy stosuje się 4096 odcieni szarości, czas ekspozycji zależy od przedmiotu badań i średnio wynosi setne - dziesiąte części po drugie, zmniejszenie narażenia na promieniowanie w stosunku do filmu - do 90% dla systemów wewnątrzustnych, do 70% dla filmowców panoramicznych.
Podczas przetwarzania obrazów filmowcy zezwalają na:
Uzyskaj obrazy pozytywowe i negatywowe, obrazy w fałszywych kolorach, obrazy wytłoczone.
Zwiększ kontrast i powiększ obszar zainteresowania obrazu.
Oceniaj zmiany gęstości tkanek zęba i struktur kostnych, kontroluj równomierność wypełnienia kanałów.
W endodoncji określić długość kanału o dowolnej krzywiźnie, a w chirurgii dobrać rozmiar implantu z dokładnością do 0,1 mm.
Unikalny system wykrywania próchnicy z elementami sztucznej inteligencji podczas analizy obrazu pozwala na wykrycie próchnicy na etapie plam, próchnicy korzeni oraz próchnicy ukrytej.
„F” we wzorze (3) odnosi się do całego zakresu promieniowanych długości fal i jest często określany jako „całkowity strumień energii”.
Są emitowane z udziałem elektronów, w przeciwieństwie do promieniowania gamma, które ma charakter jądrowy. Sztuczne promienie rentgenowskie powstają w wyniku silnego przyspieszania naładowanych cząstek i przenoszenia elektronów z jednego poziomu energii na drugi, uwalniając dużą ilość energii. Urządzenia, które można uzyskać to lampy rentgenowskie i akceleratory cząstek. Jego naturalnymi źródłami są radioaktywnie niestabilne atomy i obiekty kosmiczne.
Historia odkryć
Został wykonany w listopadzie 1895 roku przez Roentgena, niemieckiego naukowca, który odkrył efekt fluorescencji cyjanku platyny baru podczas pracy lampy katodowej. Szczegółowo opisał właściwości tych promieni, w tym zdolność przenikania żywej tkanki. Naukowiec nazwał je promieniami rentgenowskimi, nazwa „promieniowanie rentgenowskie” zakorzeniła się później w Rosji.
Co charakteryzuje ten rodzaj promieniowania
Logiczne jest, że cechy tego promieniowania wynikają z jego natury. Fala elektromagnetyczna to właśnie promieniowanie rentgenowskie. Jego właściwości są następujące:
Promieniowanie rentgenowskie - szkoda
Oczywiście w momencie odkrycia i przez wiele lat później nikt nie wyobrażał sobie, jakie to niebezpieczne.
Gdzie są używane promienie rentgenowskie?
- Medycyna. Diagnostyka rentgenowska - „przenoszenie” organizmów żywych. Terapia promieniami rentgenowskimi - wpływ na komórki nowotworowe.
- Nauka. Krystalografia, chemia i biochemia wykorzystują je do odkrywania struktury materii.
- Przemysł. Wykrywanie wad w częściach metalowych.
- Bezpieczeństwo. Sprzęt rentgenowski służy do wykrywania niebezpiecznych przedmiotów w bagażu na lotniskach iw innych miejscach.
W 1895 r. niemiecki fizyk Roentgen, przeprowadzając eksperymenty z przepływem prądu między dwiema elektrodami w próżni, odkrył, że ekran pokryty substancją luminescencyjną (sól baru) świeci, chociaż rura wyładowcza jest zamknięta czarnym kartonowym ekranem - w ten sposób odkryto promieniowanie, które przenika przez nieprzezroczyste bariery, zwane promieniami rentgenowskimi. Stwierdzono, że promienie X, niewidoczne dla człowieka, są pochłaniane w nieprzezroczystych obiektach im silniejsze, im większa jest liczba atomowa (gęstość) bariery, dzięki czemu promienie X łatwo przechodzą przez tkanki miękkie ludzkiego ciała, ale są zatrzymywane przez kości szkieletu. Zaprojektowano źródła silnych promieni rentgenowskich, które umożliwiły prześwitywanie części metalowych i znajdowanie w nich wad wewnętrznych.
Niemiecki fizyk Laue zasugerował, że promienie rentgenowskie są tym samym promieniowaniem elektromagnetycznym, co widzialne promienie świetlne, ale mają krótszą długość fali i wszystkie prawa optyki mają do nich zastosowanie, w tym możliwa jest dyfrakcja. W optyce światła widzialnego dyfrakcję na poziomie elementarnym można przedstawić jako odbicie światła od układu rowków - siatki dyfrakcyjnej, występującej tylko pod pewnymi kątami, natomiast kąt odbicia promieni jest powiązany z kątem padania, odległość między rowkami siatki dyfrakcyjnej a długością fali padającego promieniowania. W przypadku dyfrakcji konieczne jest, aby odległość między pociągnięciami była w przybliżeniu równa długości fali padającego światła.
Laue zasugerował, że promienie rentgenowskie mają długość fali zbliżoną do odległości między poszczególnymi atomami w kryształach, tj. atomy w krysztale tworzą siatkę dyfrakcyjną dla promieni rentgenowskich. Promienie rentgenowskie skierowane na powierzchnię kryształu odbijały się od płyty fotograficznej, zgodnie z przewidywaniami teorii.
Wszelkie zmiany położenia atomów wpływają na obraz dyfrakcyjny, a badając dyfrakcję promieni rentgenowskich, można poznać układ atomów w krysztale i zmianę tego układu pod każdym fizycznym, chemicznym i mechanicznym wpływem na kryształ .
Obecnie analiza rentgenowska jest wykorzystywana w wielu dziedzinach nauki i techniki, z jej pomocą poznali rozmieszczenie atomów w istniejących materiałach i stworzyli nowe materiały o określonej strukturze i właściwościach. Ostatnie postępy w tej dziedzinie (nanomateriały, metale amorficzne, materiały kompozytowe) tworzą pole działania dla następnych pokoleń naukowców.
Występowanie i właściwości promieni rentgenowskich
Źródłem promieni rentgenowskich jest lampa rentgenowska, która ma dwie elektrody - katodę i anodę. Gdy katoda jest podgrzewana, następuje emisja elektronów, elektrony emitowane z katody są przyspieszane przez pole elektryczne i uderzają w powierzchnię anody. Lampa rentgenowska różni się od konwencjonalnej lampy radiowej (diody) głównie wyższym napięciem przyspieszającym (ponad 1 kV).
Kiedy elektron wylatuje z katody, pole elektryczne sprawia, że leci w kierunku anody, podczas gdy jego prędkość stale rośnie, elektron przenosi pole magnetyczne, którego siła wzrasta wraz z prędkością elektronu. Docierając do powierzchni anody, elektron zostaje gwałtownie wyhamowany i powstaje impuls elektromagnetyczny o długości fali w pewnym zakresie (bremsstrahlung). Rozkład natężenia promieniowania na długości fal zależy od materiału anody lampy rentgenowskiej i przyłożonego napięcia, natomiast po stronie fal krótkich krzywa ta zaczyna się od pewnej progowej minimalnej długości fali, która zależy od przyłożonego napięcia. Zbiór promieni o wszystkich możliwych długościach fal tworzy widmo ciągłe, a długość fali odpowiadająca maksymalnemu natężeniu jest 1,5 razy większa od długości fali minimalnej.
Wraz ze wzrostem napięcia widmo promieniowania rentgenowskiego zmienia się dramatycznie z powodu interakcji atomów z elektronami o wysokiej energii i kwantami pierwotnych promieni rentgenowskich. Atom zawiera wewnętrzne powłoki elektronowe (poziomy energetyczne), których liczba zależy od liczby atomowej (oznaczonej literami K, L, M itd.) Elektrony i pierwotne promienie rentgenowskie wybijają elektrony z jednego poziomu energetycznego na drugi . Powstaje stan metastabilny, a do przejścia do stanu stabilnego konieczny jest przeskok elektronów w przeciwnym kierunku. Skokowi temu towarzyszy uwolnienie kwantu energii i pojawienie się promieni rentgenowskich. W przeciwieństwie do promieniowania rentgenowskiego o widmie ciągłym, promieniowanie to ma bardzo wąski zakres długości fal i dużą intensywność (promieniowanie charakterystyczne) ( cm. Ryż.). Liczba atomów determinujących natężenie promieniowania charakterystycznego jest bardzo duża, na przykład dla lampy rentgenowskiej z miedzianą anodą przy napięciu 1 kV prąd 15 mA, 10 14–10 15 atomów daje promieniowanie charakterystyczne przez 1 sekundę. Wartość ta jest obliczana jako stosunek całkowitej mocy promieniowania rentgenowskiego do energii kwantu promieniowania rentgenowskiego z powłoki K (seria K promieniowania rentgenowskiego charakterystycznego). Całkowita moc promieniowania rentgenowskiego w tym przypadku wynosi tylko 0,1% zużytej mocy, reszta jest tracona, głównie z powodu przejścia na ciepło.
Ze względu na duże natężenie i wąski zakres długości fal, charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie jest głównym rodzajem promieniowania stosowanym w badaniach naukowych i kontroli procesów. Równolegle z wiązkami serii K generowane są wiązki serii L i M, które mają znacznie dłuższe fale, ale ich zastosowanie jest ograniczone. Seria K składa się z dwóch składników o zbliżonych długościach fal aib, podczas gdy intensywność składnika b jest 5 razy mniejsza niż a. Z kolei składnik a charakteryzuje się dwiema bardzo zbliżonymi długościami fal, z których intensywność jednej jest 2 razy większa od drugiej. Aby uzyskać promieniowanie o pojedynczej długości fali (promieniowanie monochromatyczne), opracowano specjalne metody, które wykorzystują zależność absorpcji i dyfrakcji promieni rentgenowskich od długości fali. Wzrost liczby atomowej pierwiastka wiąże się ze zmianą właściwości powłok elektronowych, a im większa liczba atomowa materiału anody lampy rentgenowskiej, tym krótsza długość fali serii K. Najczęściej stosowane lampy z anodami z pierwiastków o liczbie atomowej od 24 do 42 (Cr, Fe, Co, Cu, Mo) i długościach fali od 2,29 do 0,712 A (0,229 - 0,712 nm).
Oprócz lampy rentgenowskiej źródłem promieniowania rentgenowskiego mogą być izotopy radioaktywne, niektóre mogą bezpośrednio emitować promieniowanie rentgenowskie, inne emitują elektrony i cząstki a, które generują promieniowanie rentgenowskie podczas bombardowania celów metalowych. Natężenie promieniowania rentgenowskiego źródeł promieniotwórczych jest zwykle znacznie mniejsze niż lampy rentgenowskiej (z wyjątkiem radioaktywnego kobaltu, który jest używany w defektoskopii i daje promieniowanie o bardzo małej długości fali - promieniowanie g), są one małe rozmiary i nie wymagają energii elektrycznej. Promieniowanie synchrotronowe uzyskuje się w akceleratorach elektronów, długość fali tego promieniowania jest znacznie większa niż uzyskiwana w lampach rentgenowskich (miękkie promieniowanie rentgenowskie), jego natężenie jest o kilka rzędów wielkości wyższe niż natężenie lamp rentgenowskich. Istnieją również naturalne źródła promieniowania rentgenowskiego. Zanieczyszczenia radioaktywne zostały znalezione w wielu minerałach, a promienie rentgenowskie z obiektów kosmicznych, w tym gwiazd, zostały zarejestrowane.
Oddziaływanie promieni rentgenowskich z kryształami
W badaniach rentgenowskich materiałów o strukturze krystalicznej analizowane są wzory interferencyjne wynikające z rozpraszania promieni rentgenowskich przez elektrony należące do atomów sieci krystalicznej. Atomy są uważane za nieruchome, ich drgania termiczne nie są brane pod uwagę, a wszystkie elektrony tego samego atomu są uważane za skupione w jednym punkcie - węźle sieci krystalicznej.
Aby wyprowadzić podstawowe równania dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego w krysztale, rozważa się interferencję promieni rozproszonych przez atomy znajdujące się wzdłuż linii prostej w sieci krystalicznej. Na te atomy pada płaska fala monochromatycznego promieniowania rentgenowskiego pod kątem, którego cosinus jest równy 0 . Prawa interferencji promieni rozpraszanych przez atomy są podobne do tych istniejących dla siatki dyfrakcyjnej, która rozprasza promieniowanie świetlne w widzialnym zakresie długości fal. Aby amplitudy wszystkich drgań sumowały się w dużej odległości od szeregu atomowego, konieczne i wystarczające jest, aby różnica w drodze promieni wychodzących z każdej pary sąsiednich atomów zawierała całkowitą liczbę długości fal. Kiedy odległość między atomami a ten stan wygląda następująco:
a(a – a0) = h ja ,
gdzie a jest cosinusem kąta między szeregiem atomowym a odchyloną wiązką, h- liczba całkowita. We wszystkich kierunkach, które nie spełniają tego równania, promienie nie rozchodzą się. W ten sposób rozproszone wiązki tworzą układ współosiowych stożków, których wspólną osią jest rząd atomowy. Śladami czopków na płaszczyźnie równoległej do rzędu atomów są hiperbole, a na płaszczyźnie prostopadłej do rzędu okręgi.
Kiedy promienie padają pod stałym kątem, promieniowanie polichromatyczne (białe) rozkłada się na widmo promieni odchylone pod stałymi kątami. Tak więc seria atomowa jest spektrografem dla promieni rentgenowskich.
Uogólnienie na dwuwymiarową (płaską) sieć atomową, a następnie trójwymiarową wolumetryczną (przestrzenną) sieć krystaliczną daje jeszcze dwa podobne równania, które obejmują kąty padania i odbicia promieni rentgenowskich oraz odległości między atomami w trzech wskazówki. Równania te nazywane są równaniami Lauego i leżą u podstaw analizy dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego.
Amplitudy promieni odbitych od równoległych płaszczyzn atomowych sumują się, a ponieważ liczba atomów jest bardzo duża, promieniowanie odbite można ustalić eksperymentalnie. Warunek odbicia jest opisany równaniem Wulffa-Bragga2d sinq = nl, gdzie d to odległość między sąsiednimi płaszczyznami atomowymi, q to kąt spojrzenia między kierunkiem wiązki padającej a tymi płaszczyznami w krysztale, l to promieniowanie rentgenowskie długość fali, a n jest liczbą całkowitą zwaną porządkiem odbicia. Kąt q to kąt padania w odniesieniu do płaszczyzn atomowych, które niekoniecznie pokrywają się w kierunku z powierzchnią badanej próbki.
Opracowano kilka metod analizy dyfrakcyjnej promieniowania rentgenowskiego, wykorzystujących zarówno promieniowanie o widmie ciągłym, jak i promieniowanie monochromatyczne. W tym przypadku badany obiekt może być nieruchomy lub obracający się, może składać się z jednego kryształu (pojedynczy kryształ) lub wielu (polikryształ), promieniowanie ugięte można rejestrować za pomocą płaskiej lub cylindrycznej kliszy rentgenowskiej lub ruchomego detektora rentgenowskiego na obwodzie, jednak we wszystkich przypadkach podczas eksperymentu i interpretacji wyników stosuje się równanie Wulfa-Bragga.
Analiza rentgenowska w nauce i technice
Wraz z odkryciem dyfrakcji rentgenowskiej naukowcy mają do dyspozycji metodę, która pozwala bez mikroskopu badać ułożenie poszczególnych atomów i zmiany tego ułożenia pod wpływem czynników zewnętrznych.
Głównym zastosowaniem promieni rentgenowskich w naukach podstawowych jest analiza strukturalna, tj. ustalenie przestrzennego układu poszczególnych atomów w krysztale. W tym celu hoduje się monokryształy i przeprowadza analizę rentgenowską, badając zarówno lokalizację, jak i intensywność odbić. Teraz określono struktury nie tylko metali, ale także złożonych substancji organicznych, w których komórki elementarne zawierają tysiące atomów.
W mineralogii określono struktury tysięcy minerałów za pomocą analizy rentgenowskiej i stworzono ekspresowe metody analizy surowców mineralnych.
Metale mają stosunkowo prostą strukturę krystaliczną, a metoda rentgenowska umożliwia badanie ich zmian podczas różnych zabiegów technologicznych oraz tworzenie fizycznych podstaw nowych technologii.
Skład fazowy stopów determinowany jest układem linii na obrazach rentgenowskich, liczba, wielkość i kształt kryształów jest determinowana ich szerokością, orientacja kryształów (tekstura) jest determinowana rozkładem natężenia w stożku dyfrakcyjnym.
Techniki te służą do badania procesów zachodzących podczas odkształceń plastycznych, w tym kruszenia kryształów, występowania naprężeń wewnętrznych i niedoskonałości w strukturze kryształu (dyslokacji). Podczas podgrzewania odkształconych materiałów bada się odprężenie i wzrost kryształów (rekrystalizacja).
Gdy analiza rentgenowska stopów określa skład i stężenie roztworów stałych. Kiedy pojawia się roztwór stały, zmieniają się odległości międzyatomowe, aw konsekwencji odległości między płaszczyznami atomowymi. Zmiany te są niewielkie, dlatego opracowano specjalne precyzyjne metody pomiaru okresów sieci krystalicznej z dokładnością o dwa rzędy wielkości wyższą niż dokładność pomiaru konwencjonalnymi metodami rentgenowskimi. Połączenie precyzyjnych pomiarów okresów sieci krystalicznej i analizy fazowej pozwala na skonstruowanie granic obszarów fazowych na diagramie stanów. Metodą rentgenowską można również wykryć stany pośrednie między roztworami stałymi a związkami chemicznymi - uporządkowanymi roztworami stałymi, w których atomy zanieczyszczeń nie są ułożone losowo, jak w roztworach stałych, a jednocześnie nie uporządkowane trójwymiarowo, jak w chemicznym związki. Na obrazach rentgenowskich uporządkowanych roztworów stałych znajdują się dodatkowe linie, interpretacja obrazów rentgenowskich pokazuje, że atomy zanieczyszczeń zajmują określone miejsca w sieci krystalicznej, na przykład na wierzchołkach sześcianu.
Podczas hartowania stopu, który nie ulega przemianom fazowym, może wystąpić przesycony roztwór stały, a po dalszym ogrzewaniu lub nawet przetrzymaniu w temperaturze pokojowej, roztwór stały rozkłada się z uwolnieniem cząstek związku chemicznego. Jest to efekt starzenia, który pojawia się na zdjęciach radiologicznych jako zmiana położenia i szerokości linii. Badanie starzenia jest szczególnie ważne w przypadku stopów metali nieżelaznych, na przykład starzenie zamienia miękki utwardzony stop aluminium w mocny materiał konstrukcyjny duraluminium.
Największe znaczenie technologiczne mają badania rentgenowskie obróbki cieplnej stali. Podczas hartowania (szybkiego chłodzenia) stali następuje bezdyfuzyjne przejście fazowe austenit-martenzyt, które prowadzi do zmiany struktury z sześciennej na czworokątną, tj. komórka elementarna ma postać prostopadłościanu. Na radiogramach objawia się to jako rozszerzenie linii i rozdzielenie niektórych linii na dwie. Przyczyną tego efektu jest nie tylko zmiana struktury krystalicznej, ale również występowanie dużych naprężeń wewnętrznych na skutek nierównowagi termodynamicznej struktury martenzytycznej i gwałtownego chłodzenia. Podczas odpuszczania (nagrzewania hartowanej stali) linie na obrazach rentgenowskich zwężają się, jest to spowodowane powrotem do struktury równowagi.
W ostatnich latach duże znaczenie nabrały rentgenowskie badania obróbki materiałów o skoncentrowanych przepływach energii (wiązki laserowe, fale uderzeniowe, neutrony, impulsy elektronowe), które wymagały nowych technik i dawały nowe efekty rentgenowskie. Na przykład pod wpływem działania wiązek laserowych na metale nagrzewanie i chłodzenie zachodzą tak szybko, że w metalu po schłodzeniu kryształy mają czas, aby urosnąć tylko do rozmiaru kilku komórek elementarnych (nanokryształów) lub nie mają czasu na uformowanie się w ogóle. Taki metal po schłodzeniu wygląda jak zwykły, ale nie daje wyraźnych linii na obrazie rentgenowskim, a odbite promienie rentgenowskie są rozłożone w całym zakresie kątów patrzenia.
Po napromieniowaniu neutronami na obrazach rentgenowskich pojawiają się dodatkowe plamki (maksima rozproszone). Rozpad promieniotwórczy powoduje również określone efekty rentgenowskie związane ze zmianą struktury, a także fakt, że badana próbka sama staje się źródłem promieniowania rentgenowskiego.
Radiologia to dział radiologii, który zajmuje się badaniem skutków promieniowania rentgenowskiego na organizm zwierząt i ludzi wynikających z tej choroby, ich leczenia i zapobiegania, a także metod diagnozowania różnych patologii za pomocą promieni rentgenowskich (diagnostyka rentgenowska) . Typowy rentgenowski aparat diagnostyczny obejmuje zasilacz (transformatory), prostownik wysokiego napięcia, który zamienia prąd przemienny sieci elektrycznej na prąd stały, panel sterowania, statyw i lampę rentgenowską.
Promienie rentgenowskie to rodzaj oscylacji elektromagnetycznych, które powstają w lampie rentgenowskiej podczas gwałtownego hamowania przyspieszanych elektronów w momencie ich zderzenia z atomami substancji anodowej. Obecnie powszechnie przyjmuje się, że promieniowanie rentgenowskie, ze względu na swoją fizyczną naturę, jest jednym z rodzajów energii promienistej, której widmo obejmuje również fale radiowe, podczerwone, widzialne, ultrafioletowe i gamma pierwiastki promieniotwórcze. Promieniowanie rentgenowskie można scharakteryzować jako zbiór jego najmniejszych cząstek - kwantów lub fotonów.
Ryż. 1 - mobilny aparat rentgenowski:
A - lampa rentgenowska;
B - zasilanie;
B - regulowany statyw.
Ryż. 2 - Panel sterowania aparatu RTG (mechaniczny - po lewej i elektroniczny - po prawej): A - panel do regulacji ekspozycji i twardości;
B - przycisk zasilania wysokiego napięcia.
Ryż. 3 to schemat blokowy typowej maszyny rentgenowskiej 1 - sieć;
2 - autotransformator;
3 - transformator podwyższający;
4 - lampa rentgenowska;
5 - anoda;
6 - katoda;
7 - transformator obniżający napięcie.
Mechanizm produkcji rentgenowskiej
Promienie rentgenowskie powstają w momencie zderzenia strumienia przyspieszonych elektronów z materiałem anodowym. Kiedy elektrony wchodzą w interakcję z celem, 99% ich energii kinetycznej zamienia się w energię cieplną, a tylko 1% w promieniowanie rentgenowskie.
Lampa rentgenowska składa się ze szklanego pojemnika, w którym wlutowane są 2 elektrody: katoda i anoda. Ze szklanego cylindra wypompowywane jest powietrze: ruch elektronów z katody do anody jest możliwy tylko w warunkach próżni względnej (10 -7 -10 -8 mm Hg). Na katodzie znajduje się włókno, które jest mocno skręconym włóknem wolframowym. Kiedy do żarnika zostanie przyłożony prąd elektryczny, następuje emisja elektronów, w której elektrony są oddzielane od spirali i tworzą chmurę elektronów w pobliżu katody. Ta chmura jest skoncentrowana w ognisku katody, który wyznacza kierunek ruchu elektronów. Kubek - małe zagłębienie w katodzie. Anoda z kolei zawiera metalową płytkę z wolframu, na której skupiają się elektrony - jest to miejsce powstawania promieni rentgenowskich.
Ryż. 4 - Lampa rentgenowska: A - katoda; 
B - anoda;
B - włókno wolframowe;
G - miseczka skupiająca katody;
D - strumień przyspieszonych elektronów;
E - cel wolframowy;
G - szklana kolba;
З - okno z berylu;
I - uformowane zdjęcia rentgenowskie;
K - filtr aluminiowy.
Do lampy elektronowej podłączone są 2 transformatory: step-down i step-up. Transformator obniżający napięcie podgrzewa żarnik wolframowy niskim napięciem (5-15 V), co powoduje emisję elektronów. Transformator podwyższający napięcie lub wysokonapięciowy trafia bezpośrednio do katody i anody, które są zasilane napięciem 20–140 kilowoltów. Oba transformatory są umieszczone w bloku wysokiego napięcia aparatu rentgenowskiego, który jest wypełniony olejem transformatorowym, który zapewnia chłodzenie transformatorów i ich niezawodną izolację.
Po utworzeniu chmury elektronowej za pomocą transformatora obniżającego napięcie, transformator podwyższający napięcie jest włączany, a na oba bieguny obwodu elektrycznego podawane jest napięcie wysokiego napięcia: dodatni impuls do anody i ujemny impuls do katody. Ujemnie naładowane elektrony są odpychane od ujemnie naładowanej katody i dążą do dodatnio naładowanej anody - dzięki takiej różnicy potencjałów osiąga się dużą prędkość ruchu - 100 tys. km / s. Przy tej prędkości elektrony bombardują płytkę anody wolframowej, zamykając obwód elektryczny, co powoduje promieniowanie rentgenowskie i energię cieplną.
Promieniowanie rentgenowskie jest podzielone na bremsstrahlung i charakterystyczne. Bremsstrahlung występuje z powodu gwałtownego zmniejszenia prędkości elektronów emitowanych przez żarnik wolframowy. Promieniowanie charakterystyczne występuje w momencie przegrupowania powłok elektronowych atomów. Oba te typy powstają w lampie rentgenowskiej w momencie zderzenia przyspieszonych elektronów z atomami materiału anodowego. Widmo emisyjne lampy rentgenowskiej jest superpozycją promieni rentgenowskich i charakterystycznych promieni rentgenowskich.
Ryż. 5 - zasada powstawania promieni rentgenowskich bremsstrahlung.
Ryż. 6 - zasada powstawania charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego.
Podstawowe właściwości promieni rentgenowskich
- Promienie rentgenowskie są niewidoczne dla percepcji wzrokowej.
- Promieniowanie rentgenowskie ma dużą siłę przenikania przez narządy i tkanki żywego organizmu, a także gęste struktury przyrody nieożywionej, które nie przepuszczają widzialnych promieni świetlnych.
- Promienie rentgenowskie powodują świecenie niektórych związków chemicznych, nazywanych fluorescencją.
- Siarczki cynku i kadmu fluoryzują na żółto-zielono,
- Kryształy wolframianu wapnia - fioletowo-niebieskie.
Skala oscylacji elektromagnetycznych
Promienie rentgenowskie mają określoną długość fali i częstotliwość oscylacji. Długość fali (λ) i częstotliwość drgań (ν) są powiązane zależnością: λ ν = c, gdzie c jest prędkością światła zaokrągloną do 300 000 km na sekundę. Energię promieni rentgenowskich określa wzór E = h ν, gdzie h jest stałą Plancka, uniwersalną stałą równą 6,626·10-34 J⋅s. Długość fali promieni (λ) jest związana z ich energią (E) zależnością: λ = 12,4/E.
Promieniowanie rentgenowskie różni się od innych rodzajów oscylacji elektromagnetycznych długością fali (patrz tabela) i energią kwantową. Im krótsza długość fali, tym wyższa jej częstotliwość, energia i moc penetracji. Długość fali promieniowania rentgenowskiego mieści się w zakresie
. Zmieniając długość fali promieniowania rentgenowskiego można kontrolować jego siłę przenikania. Promienie rentgenowskie mają bardzo krótką długość fali, ale wysoką częstotliwość oscylacji, dzięki czemu są niewidoczne dla ludzkiego oka. Ze względu na swoją ogromną energię kwanty mają dużą moc penetracji, co jest jedną z głównych właściwości zapewniających wykorzystanie promieni rentgenowskich w medycynie i innych naukach.Charakterystyka rentgenowska
Intensywność- charakterystyka ilościowa promieniowania rentgenowskiego, wyrażona liczbą promieni emitowanych przez lampę w jednostce czasu. Intensywność promieni rentgenowskich jest mierzona w miliamperach. Porównując to z natężeniem światła widzialnego z konwencjonalnej żarówki, możemy wyciągnąć analogię: na przykład lampa 20-watowa będzie świecić z jednym natężeniem lub mocą, a lampa 200-watowa będzie świecić z inną, podczas gdy jakość samego światła (jego widma) jest taka sama. Natężenie promieniowania rentgenowskiego jest w rzeczywistości jego wielkością. Każdy elektron wytwarza jeden lub więcej kwantów promieniowania na anodzie, dlatego ilość promieni rentgenowskich podczas naświetlania obiektu regulowana jest poprzez zmianę liczby elektronów dążących do anody oraz liczby oddziaływań elektronów z atomami tarczy wolframowej , co można zrobić na dwa sposoby:
- Zmieniając stopień żarzenia spirali katodowej za pomocą transformatora obniżającego napięcie (liczba elektronów generowanych podczas emisji będzie zależeć od tego, jak gorąca jest spirala wolframowa, a liczba kwantów promieniowania będzie zależeć od liczby elektronów);
- Zmieniając wartość wysokiego napięcia dostarczanego przez transformator podwyższający na bieguny lampy - katodę i anodę (im wyższe napięcie przyłożone jest do biegunów lampy, tym więcej energii kinetycznej otrzymują elektrony, co , ze względu na swoją energię, mogą kolejno oddziaływać z kilkoma atomami substancji anodowej - patrz ryc. Ryż. 5; elektrony o niskiej energii będą mogły wejść w mniejszą liczbę oddziaływań).
Natężenie promieniowania rentgenowskiego (prąd anodowy) pomnożone przez ekspozycję (czas lampy) odpowiada ekspozycji na promieniowanie rentgenowskie, mierzonej w mAs (miliamperach na sekundę). Ekspozycja to parametr, który podobnie jak intensywność charakteryzuje ilość promieni emitowanych przez lampę rentgenowską. Jedyna różnica polega na tym, że naświetlenie uwzględnia również czas pracy lampy (np. jeżeli lampa pracuje przez 0,01 s, to liczba promieni będzie wynosić jeden, a jeśli 0,02 s, to liczba promieni będzie wynosić inny - jeszcze dwa razy). Narażenie na promieniowanie jest ustawiane przez radiologa na panelu sterowania aparatu RTG w zależności od rodzaju badania, wielkości badanego obiektu i zadania diagnostycznego.
Sztywność- charakterystyka jakościowa promieniowania rentgenowskiego. Jest mierzony wysokim napięciem na lampie - w kilowoltach. Określa przenikliwość promieni rentgenowskich. Jest regulowany przez wysokie napięcie dostarczane do lampy rentgenowskiej przez transformator podwyższający napięcie. Im wyższa różnica potencjałów powstaje na elektrodach rury, tym większa siła elektronów odpycha się od katody i pędzą do anody oraz tym silniejsze ich zderzenie z anodą. Im silniejsze ich zderzenie, tym krótsza długość fali powstałego promieniowania rentgenowskiego i większa przenikliwość tej fali (lub twardość promieniowania, która podobnie jak intensywność regulowana jest na panelu sterującym parametrem napięciowym na rura - kilowolt).
λ - długość fali; 
Ryż. 7 - Zależność długości fali od energii fali:
E - energia fali 
Ryż. 8 - Stosunek napięcia na lampie rentgenowskiej do długości fali powstałego promieniowania rentgenowskiego:
Klasyfikacja lamp rentgenowskich
- Po wcześniejszym umówieniu
- Diagnostyczny
- Terapeutyczny
- Do analizy strukturalnej
- Do transiluminacji
- Przez projekt
- Przez skupienie
- Jednoogniskowe (jedna spirala na katodzie i jedna ogniskowa na anodzie)
- Dwuogniskowe (dwie spirale o różnych rozmiarach na katodzie i dwa ogniska na anodzie)
- Według rodzaju anody
- Stacjonarny (stały)
- Obracanie
Promienie rentgenowskie są wykorzystywane nie tylko do celów radiodiagnostycznych, ale także terapeutycznych. Jak wspomniano powyżej, zdolność promieniowania rentgenowskiego do hamowania wzrostu komórek nowotworowych umożliwia zastosowanie go w radioterapii chorób onkologicznych. Oprócz zastosowania w medycynie promieniowanie rentgenowskie znalazło szerokie zastosowanie w dziedzinie inżynierii i techniki, materiałoznawstwa, krystalografii, chemii i biochemii: na przykład można zidentyfikować wady strukturalne w różnych produktach (szyny, spoiny itp.) za pomocą promieniowania rentgenowskiego. Rodzaj takich badań nazywa się defektoskopią. A na lotniskach, dworcach kolejowych i innych zatłoczonych miejscach introskopy telewizyjne rentgenowskie są aktywnie wykorzystywane do skanowania bagażu podręcznego i bagażu w celach bezpieczeństwa.
W zależności od rodzaju anody lampy rentgenowskie różnią się konstrukcją. Ze względu na to, że 99% energii kinetycznej elektronów zamieniane jest na energię cieplną, podczas pracy lampy anoda ulega znacznemu nagrzaniu - czuły cel wolframowy często się wypala. Anoda jest chłodzona w nowoczesnych lampach rentgenowskich poprzez jej obracanie. Obrotowa anoda ma kształt dysku, który równomiernie rozprowadza ciepło na całej swojej powierzchni, zapobiegając miejscowemu przegrzaniu tarczy wolframowej.
Konstrukcja lamp rentgenowskich również różni się w skupieniu. Ognisko - odcinek anody, na którym generowana jest pracująca wiązka promieniowania rentgenowskiego. Jest podzielony na rzeczywistą ogniskową i efektywną ogniskową ( Ryż. 12). Ze względu na kąt anody efektywna ogniskowa jest mniejsza od rzeczywistej. W zależności od rozmiaru obszaru obrazu stosowane są różne rozmiary ogniska. Im większy obszar obrazu, tym szersza musi być ogniskowa, aby pokryć cały obszar obrazu. Jednak mniejsza ogniskowa zapewnia lepszą wyrazistość obrazu. Dlatego przy wytwarzaniu małych obrazów stosuje się krótkie włókno i elektrony są kierowane na niewielki obszar tarczy anodowej, tworząc mniejszą ogniskową.
Ryż. 9 - lampa rentgenowska ze stacjonarną anodą.
Ryż. 10 - Lampa rentgenowska z obrotową anodą.
Ryż. 11 - Urządzenie z lampą rentgenowską z obrotową anodą.
Ryż. 12 to schemat powstawania rzeczywistego i skutecznego ogniska.
PROMIENIOWANIE RTG
promieniowanie niewidzialne zdolne do przenikania, choć w różnym stopniu, wszystkich substancji. Jest to promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali około 10-8 cm, które podobnie jak światło widzialne powoduje zaczernienie kliszy fotograficznej. Ta właściwość ma ogromne znaczenie dla medycyny, przemysłu i badań naukowych. Przechodząc przez badany obiekt, a następnie padając na błonę, promieniowanie rentgenowskie przedstawia na nim jego wewnętrzną strukturę. Ponieważ zdolność przenikania promieniowania rentgenowskiego jest różna dla różnych materiałów, części obiektu, które są dla niego mniej przezroczyste, dają jaśniejsze obszary na zdjęciu niż te, przez które promieniowanie dobrze przenika. Tym samym tkanki kostne są mniej przezroczyste dla promieni rentgenowskich niż tkanki, z których składa się skóra i narządy wewnętrzne. Dlatego na radiogramie kości zostaną wskazane jako jaśniejsze obszary, a miejsce złamania, które jest bardziej przezroczyste dla promieniowania, można dość łatwo wykryć. Obrazowanie rentgenowskie jest również wykorzystywane w stomatologii do wykrywania próchnicy i ropni w korzeniach zębów, a także w przemyśle do wykrywania pęknięć w odlewach, tworzywach sztucznych i gumach. Promienie rentgenowskie są wykorzystywane w chemii do analizy związków oraz w fizyce do badania struktury kryształów. Wiązka promieniowania rentgenowskiego przechodząca przez związek chemiczny powoduje charakterystyczne promieniowanie wtórne, którego analiza spektroskopowa pozwala chemikowi określić skład związku. Padając na substancję krystaliczną, wiązka promieniowania rentgenowskiego jest rozpraszana przez atomy kryształu, dając wyraźny, regularny wzór plam i pasków na kliszy fotograficznej, co pozwala na ustalenie wewnętrznej struktury kryształu. Zastosowanie promieni rentgenowskich w leczeniu raka opiera się na tym, że zabija komórki rakowe. Może jednak mieć również niepożądany wpływ na normalne komórki. Dlatego przy korzystaniu z promieni rentgenowskich należy zachować szczególną ostrożność. Promieniowanie rentgenowskie odkrył niemiecki fizyk W. Roentgen (1845-1923). Jego nazwisko jest uwiecznione w kilku innych terminach fizycznych związanych z tym promieniowaniem: międzynarodowa jednostka dawki promieniowania jonizującego nazywana jest rentgenem; zdjęcie wykonane aparatem rentgenowskim nazywa się radiogramem; Dziedzina medycyny radiologicznej, która wykorzystuje promieniowanie rentgenowskie do diagnozowania i leczenia chorób, nazywa się radiologią. Roentgen odkrył promieniowanie w 1895 roku jako profesor fizyki na Uniwersytecie w Würzburgu. Prowadząc eksperymenty z promieniami katodowymi (przepływ elektronów w lampach wyładowczych) zauważył, że ekran umieszczony w pobliżu lampy próżniowej, pokryty krystalicznym cyjanoplatynitem baru, świeci jasno, chociaż sama lampka jest pokryta czarnym kartonem. Roentgen ustalił dalej, że przenikliwa moc odkrytych przez niego nieznanych promieni, które nazwał promieniami X, zależała od składu materiału pochłaniającego. Sfotografował również kości własnej ręki, umieszczając je między lampą wyładowania katodowego a ekranem pokrytym cyjanoplatynitem baru. Po odkryciu Roentgena rozpoczęły się eksperymenty innych badaczy, którzy odkryli wiele nowych właściwości i możliwości wykorzystania tego promieniowania. Wielki wkład wnieśli M. Laue, W. Friedrich i P. Knipping, którzy w 1912 r. wykazali dyfrakcję promieni rentgenowskich podczas przechodzenia przez kryształ; W. Coolidge, który w 1913 r. wynalazł wysokopróżniową lampę rentgenowską z podgrzewaną katodą; G. Moseley, który ustalił w 1913 r. zależność między długością fali promieniowania a liczbą atomową pierwiastka; G. i L. Braggi, którzy otrzymali Nagrodę Nobla w 1915 za opracowanie podstaw analizy dyfrakcyjnej promieniowania rentgenowskiego.
UZYSKIWANIE PROMIENIOWANIA RENTGENOWSKIEGO
Promieniowanie rentgenowskie występuje, gdy elektrony poruszające się z dużą prędkością oddziałują z materią. Gdy elektrony zderzają się z atomami dowolnej substancji, szybko tracą swoją energię kinetyczną. W tym przypadku większość jest zamieniana na ciepło, a niewielka część, zwykle mniej niż 1%, zamieniana jest na energię rentgenowską. Energia ta jest uwalniana w postaci kwantów - cząstek zwanych fotonami, które mają energię, ale mają zerową masę spoczynkową. Fotony rentgenowskie różnią się energią, która jest odwrotnie proporcjonalna do ich długości fali. Dzięki konwencjonalnej metodzie uzyskiwania promieni rentgenowskich uzyskuje się szeroki zakres długości fal, który nazywa się widmem rentgenowskim. Widmo zawiera wyraźne składniki, jak pokazano na ryc. 1. Szerokie „kontinuum” nazywane jest ciągłym widmem lub białym promieniowaniem. Nałożone na nią ostre piki nazywane są charakterystycznymi liniami emisyjnymi promieniowania rentgenowskiego. Chociaż całe widmo jest wynikiem zderzeń elektronów z materią, mechanizmy pojawiania się jego szerokiej części i linii są różne. Substancja składa się z dużej liczby atomów, z których każdy ma jądro otoczone powłokami elektronowymi, a każdy elektron w powłoce atomu danego pierwiastka zajmuje pewien dyskretny poziom energii. Zwykle te powłoki lub poziomy energetyczne są oznaczane symbolami K, L, M itd., zaczynając od powłoki znajdującej się najbliżej jądra. Kiedy padający elektron o wystarczająco dużej energii zderza się z jednym z elektronów związanych z atomem, wybija ten elektron z powłoki. Pustą przestrzeń zajmuje inny elektron z powłoki, co odpowiada wyższej energii. Ten ostatni oddaje nadmiar energii, emitując foton rentgenowski. Ponieważ elektrony powłoki mają dyskretne wartości energii, powstałe fotony rentgenowskie również mają dyskretne widmo. Odpowiada to ostrym pikom dla pewnych długości fal, których konkretne wartości zależą od elementu docelowego. Charakterystyczne linie tworzą serie K-, L- i M-w zależności od tego, z której powłoki (K, L lub M) usunięto elektron. Zależność między długością fali promieniowania rentgenowskiego a liczbą atomową nazywa się prawem Moseleya (ryc. 2).
Jeśli elektron zderza się ze stosunkowo ciężkim jądrem, to zwalnia, a jego energia kinetyczna jest uwalniana w postaci fotonu rentgenowskiego o mniej więcej takiej samej energii. Jeśli przeleci obok jądra, straci tylko część swojej energii, a reszta zostanie przeniesiona na inne atomy, które staną mu na drodze. Każdy akt utraty energii prowadzi do emisji fotonu o pewnej energii. Pojawia się ciągłe widmo rentgenowskie, którego górna granica odpowiada energii najszybszego elektronu. Jest to mechanizm powstawania widma ciągłego, a maksymalna energia (lub minimalna długość fali), która wyznacza granicę widma ciągłego, jest proporcjonalna do napięcia przyspieszającego, które określa prędkość padających elektronów. Linie spektralne charakteryzują materiał bombardowanego celu, natomiast widmo ciągłe zależy od energii wiązki elektronów i praktycznie nie zależy od materiału celu. Promienie rentgenowskie można uzyskać nie tylko przez bombardowanie elektronami, ale także naświetlając cel promieniami rentgenowskimi z innego źródła. W tym przypadku jednak większość energii wiązki padającej trafia do charakterystycznego widma rentgenowskiego, a bardzo mała część przypada na widmo ciągłe. Oczywiście padająca wiązka promieniowania rentgenowskiego musi zawierać fotony, których energia jest wystarczająca do wzbudzenia charakterystycznych linii bombardowanego elementu. Wysoki procent energii przypadający na widmo charakterystyczne sprawia, że ta metoda wzbudzania promieniami rentgenowskimi jest wygodna do badań naukowych.
Lampy rentgenowskie. Aby uzyskać promieniowanie rentgenowskie w wyniku oddziaływania elektronów z materią, konieczne jest posiadanie źródła elektronów, środków do przyspieszania ich do dużych prędkości oraz tarczy zdolnej wytrzymać bombardowanie elektronami i wytworzyć promieniowanie rentgenowskie o wymagana intensywność. Urządzenie, które ma to wszystko, nazywa się lampą rentgenowską. Wcześni odkrywcy używali lamp „głębokiej próżni”, takich jak dzisiejsze lampy wyładowcze. Próżnia w nich nie była zbyt duża. Rurki wyładowcze zawierają niewielką ilość gazu, a gdy do elektrod rury przyłożona zostanie duża różnica potencjałów, atomy gazu zamieniają się w jony dodatnie i ujemne. Dodatnie poruszają się w kierunku elektrody ujemnej (katody) i padając na nią wybijają z niej elektrony, a te z kolei zbliżają się do elektrody dodatniej (anody) i bombardując ją, tworzą strumień fotonów rentgenowskich . We współczesnej lampie rentgenowskiej opracowanej przez Coolidge'a (rys. 3) źródłem elektronów jest podgrzana do wysokiej temperatury katoda wolframowa. Elektrony są przyspieszane do dużych prędkości dzięki dużej różnicy potencjałów między anodą (lub antykatodą) a katodą. Ponieważ elektrony muszą dotrzeć do anody bez zderzenia z atomami, wymagana jest bardzo wysoka próżnia, dla której rura musi być dobrze opróżniona. Zmniejsza to również prawdopodobieństwo jonizacji pozostałych atomów gazu i związanych z nimi prądów bocznych.
Elektrony są skupiane na anodzie przez specjalnie ukształtowaną elektrodę otaczającą katodę. Elektroda ta nazywana jest elektrodą skupiającą i wraz z katodą tworzy „elektroniczny reflektor” lampy. Anoda poddawana bombardowaniu elektronami musi być wykonana z materiału ogniotrwałego, ponieważ większość energii kinetycznej bombardujących elektronów jest zamieniana na ciepło. Ponadto pożądane jest, aby anoda była wykonana z materiału o dużej liczbie atomowej, ponieważ wydajność promieniowania rentgenowskiego wzrasta wraz ze wzrostem liczby atomowej. Jako materiał anodowy najczęściej wybierany jest wolfram, którego liczba atomowa wynosi 74. Konstrukcja lamp rentgenowskich może się różnić w zależności od warunków i wymagań aplikacji.
WYKRYWANIE RTG
Wszystkie metody wykrywania promieni rentgenowskich opierają się na ich interakcji z materią. Detektory mogą być dwojakiego rodzaju: te, które dają obraz, i te, które nie dają. Te pierwsze obejmują urządzenia do fluorografii rentgenowskiej i fluoroskopii, w których wiązka promieniowania rentgenowskiego przechodzi przez badany obiekt, a przepuszczane promieniowanie wchodzi do ekranu lub filmu luminescencyjnego. Obraz pojawia się dzięki temu, że różne części badanego obiektu pochłaniają promieniowanie w różny sposób – w zależności od grubości substancji i jej składu. W detektorach z ekranem luminescencyjnym energia promieniowania rentgenowskiego jest przekształcana w obraz bezpośrednio obserwowalny, natomiast w radiografii jest rejestrowana na czułej emulsji i może być obserwowana dopiero po wywołaniu filmu. Drugi typ detektorów obejmuje szeroką gamę urządzeń, w których energia promieniowania rentgenowskiego jest przetwarzana na sygnały elektryczne charakteryzujące względną intensywność promieniowania. Należą do nich komory jonizacyjne, licznik Geigera, licznik proporcjonalny, licznik scyntylacyjny oraz niektóre specjalne detektory oparte na siarczku i selenku kadmu. Obecnie liczniki scyntylacyjne można uznać za najbardziej wydajne detektory, które sprawdzają się w szerokim zakresie energii.
Zobacz też DETEKTORY CZĄSTEK . Detektor dobierany jest z uwzględnieniem warunków problemu. Na przykład, jeśli konieczne jest dokładne zmierzenie natężenia ugiętego promieniowania rentgenowskiego, stosuje się liczniki, które pozwalają na pomiary z dokładnością do ułamków procentowych. Jeżeli konieczne jest zarejestrowanie dużej ilości ugiętych wiązek, wskazane jest użycie kliszy rentgenowskiej, chociaż w tym przypadku niemożliwe jest określenie natężenia z taką samą dokładnością.
DEFEKTOSKOPIA RTG I GAMMA
Jednym z najczęstszych zastosowań promieni rentgenowskich w przemyśle jest kontrola jakości materiałów i wykrywanie wad. Metoda rentgenowska jest nieniszcząca, dzięki czemu badany materiał, jeśli okaże się, że spełnia wymagane wymagania, może być używany zgodnie z jego przeznaczeniem. Zarówno defektoskopia rentgenowska, jak i gamma opierają się na penetracji promieniowania rentgenowskiego i charakterystyce jego absorpcji w materiałach. Moc penetracji zależy od energii fotonów promieniowania rentgenowskiego, która zależy od napięcia przyspieszającego w lampie rentgenowskiej. Dlatego grube próbki i próbki z metali ciężkich, takich jak złoto i uran, wymagają do badania źródła promieniowania rentgenowskiego o wyższym napięciu, a dla cienkich próbek wystarczające jest źródło o niższym napięciu. Do wykrywania wad w promieniowaniu gamma bardzo dużych odlewów i wyrobów walcowanych stosuje się betatrony i akceleratory liniowe, które przyspieszają cząstki do energii 25 MeV i więcej. Absorpcja promieniowania rentgenowskiego w materiale zależy od grubości absorbera d oraz współczynnika absorpcji m i jest określona wzorem I = I0e-md, gdzie I to natężenie promieniowania przechodzącego przez absorber, I0 to natężenie promieniowania natężenie promieniowania padającego, a e = 2,718 jest podstawą logarytmów naturalnych. Dla danego materiału, przy danej długości fali (lub energii) promieniowania rentgenowskiego, współczynnik absorpcji jest stały. Jednak promieniowanie źródła promieniowania rentgenowskiego nie jest monochromatyczne, lecz zawiera szerokie spektrum długości fal, w wyniku czego absorpcja przy tej samej grubości absorbera zależy od długości fali (częstotliwości) promieniowania. Promieniowanie rentgenowskie jest szeroko stosowane we wszystkich gałęziach przemysłu związanych z ciśnieniową obróbką metali. Służy również do testowania luf artyleryjskich, artykułów spożywczych, tworzyw sztucznych, do testowania złożonych urządzeń i systemów w inżynierii elektronicznej. (Neutronografia, która wykorzystuje wiązki neutronów zamiast promieni rentgenowskich, jest wykorzystywana do podobnych celów). .
DYFRAKCJA RENTGENOWSKA
Dyfrakcja rentgenowska dostarcza ważnych informacji o ciałach stałych — ich strukturze atomowej i formie krystalicznej — a także o cieczach, ciałach amorficznych i dużych cząsteczkach. Metodę dyfrakcji wykorzystuje się również do dokładnego (z błędem mniejszym niż 10-5) wyznaczania odległości międzyatomowych, wykrywania naprężeń i defektów oraz do określania orientacji monokryształów. Dyfraktogram pozwala zidentyfikować nieznane materiały, a także wykryć obecność zanieczyszczeń w próbce i je określić. Trudno przecenić znaczenie metody dyfrakcji rentgenowskiej dla postępu współczesnej fizyki, ponieważ współczesne rozumienie właściwości materii opiera się ostatecznie na danych o rozmieszczeniu atomów w różnych związkach chemicznych, o naturze wiązań między nimi oraz na wadach konstrukcyjnych. Głównym narzędziem do uzyskania tych informacji jest metoda dyfrakcji rentgenowskiej. Krystalografia dyfrakcji rentgenowskiej jest niezbędna do określenia struktury złożonych dużych cząsteczek, takich jak kwas dezoksyrybonukleinowy (DNA), materiał genetyczny organizmów żywych. Bezpośrednio po odkryciu promieni rentgenowskich zainteresowanie naukowe i medyczne koncentrowało się zarówno na zdolności tego promieniowania do przenikania przez ciała, jak i na jego naturze. Eksperymenty z dyfrakcją promieni rentgenowskich na szczelinach i siatkach dyfrakcyjnych wykazały, że należy ono do promieniowania elektromagnetycznego i ma długość fali rzędu 10-8-10-9 cm Jeszcze wcześniej naukowcy, w szczególności W. Barlow, domyślili się, że regularny i symetryczny kształt naturalnych kryształów wynika z uporządkowanego układu atomów tworzących kryształ. W niektórych przypadkach Barlow był w stanie poprawnie przewidzieć strukturę kryształu. Wartość przewidywanych odległości międzyatomowych wynosiła 10-8 cm, a fakt, że odległości międzyatomowe okazały się rzędu długości fali promieniowania rentgenowskiego, umożliwiał w zasadzie obserwację ich dyfrakcji. W rezultacie powstał pomysł na jeden z najważniejszych eksperymentów w historii fizyki. M. Laue zorganizował eksperymentalny test tego pomysłu, który przeprowadzili jego koledzy W. Friedrich i P. Knipping. W 1912 wszyscy trzej opublikowali swoją pracę na temat wyników dyfrakcji promieni rentgenowskich. Zasady dyfrakcji rentgenowskiej. Aby zrozumieć zjawisko dyfrakcji promieni rentgenowskich, należy wziąć pod uwagę kolejno: po pierwsze widmo promieni rentgenowskich, po drugie, naturę struktury krystalicznej i po trzecie, samo zjawisko dyfrakcji. Jak wspomniano powyżej, charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie składa się z szeregu linii widmowych o wysokim stopniu monochromatyczności, określanym przez materiał anodowy. Za pomocą filtrów możesz wybrać najbardziej intensywne z nich. Dlatego dobierając w odpowiedni sposób materiał anodowy, można uzyskać źródło promieniowania niemal monochromatycznego o bardzo precyzyjnie określonej wartości długości fali. Długości fal charakterystycznego promieniowania wahają się zazwyczaj od 2,285 dla chromu do 0,558 dla srebra (wartości poszczególnych pierwiastków są znane do sześciu cyfr znaczących). Charakterystyczne widmo nakłada się na ciągłe „białe” widmo o znacznie mniejszej intensywności, ze względu na spowolnienie elektronów padających w anodzie. W ten sposób z każdej anody można uzyskać dwa rodzaje promieniowania: charakterystyczne i bremsstrahlung, z których każdy odgrywa ważną rolę na swój sposób. Atomy w strukturze krystalicznej rozmieszczone są w regularnych odstępach, tworząc ciąg identycznych komórek – sieć przestrzenną. Niektóre sieci (na przykład dla większości zwykłych metali) są dość proste, podczas gdy inne (na przykład dla cząsteczek białek) są dość złożone. Strukturę krystaliczną charakteryzuje się tym, że: jeśli przesuniemy się z danego punktu jednej komórki do odpowiadającego mu punktu komórki sąsiedniej, to zostanie znalezione dokładnie to samo środowisko atomowe. A jeśli jakiś atom znajduje się w jednym lub drugim punkcie jednej komórki, to ten sam atom będzie znajdował się w równoważnym punkcie dowolnej sąsiedniej komórki. Ta zasada obowiązuje ściśle dla idealnego, idealnie uporządkowanego kryształu. Jednak wiele kryształów (na przykład stałych roztworów metalicznych) jest do pewnego stopnia nieuporządkowanych; Krystalograficznie równoważne miejsca mogą zajmować różne atomy. W takich przypadkach nie jest określana pozycja każdego atomu, ale tylko pozycja atomu „uśredniona statystycznie” w dużej liczbie cząstek (lub komórek). Zjawisko dyfrakcji zostało omówione w artykule OPTYKA i czytelnik może zapoznać się z tym artykułem przed przejściem dalej. Pokazuje, że jeśli fale (na przykład dźwięk, światło, promienie rentgenowskie) przechodzą przez małą szczelinę lub otwór, to ten ostatni można uznać za wtórne źródło fal, a obraz szczeliny lub otworu składa się z naprzemiennego światła i ciemne paski. Ponadto, jeśli występuje okresowa struktura dziur lub szczelin, to w wyniku wzmacniania i tłumienia interferencji promieni pochodzących z różnych dziur powstaje wyraźny obraz dyfrakcyjny. Dyfrakcja rentgenowska jest zjawiskiem kolektywnego rozpraszania, w którym rolę dziur i centrów rozpraszania odgrywają okresowo ułożone atomy o strukturze krystalicznej. Wzajemne wzmacnianie ich obrazów pod pewnymi kątami daje wzór dyfrakcyjny podobny do tego, który wynikałby z dyfrakcji światła na trójwymiarowej siatce dyfrakcyjnej. Rozpraszanie następuje w wyniku oddziaływania padającego promieniowania rentgenowskiego z elektronami w krysztale. Ze względu na to, że długość fali promieniowania rentgenowskiego jest tego samego rzędu co wymiary atomu, długość fali rozproszonego promieniowania rentgenowskiego jest taka sama jak w przypadku zdarzenia. Proces ten jest wynikiem wymuszonych oscylacji elektronów pod działaniem padającego promieniowania rentgenowskiego. Rozważmy teraz atom z chmurą związanych elektronów (otaczających jądro), na które padają promienie rentgenowskie. Elektrony we wszystkich kierunkach jednocześnie rozpraszają incydent i emitują własne promieniowanie rentgenowskie o tej samej długości fali, chociaż o różnym natężeniu. Natężenie promieniowania rozproszonego jest związane z liczbą atomową pierwiastka, ponieważ liczba atomowa jest równa liczbie elektronów orbitalnych, które mogą uczestniczyć w rozpraszaniu. (Tę zależność intensywności od liczby atomowej pierwiastka rozpraszającego i kierunku, w którym mierzy się intensywność, charakteryzuje się współczynnikiem rozpraszania atomowego, który odgrywa niezwykle ważną rolę w analizie budowy kryształów.) wybierz w strukturze krystalicznej liniowy łańcuch atomów znajdujących się w tej samej odległości od siebie i rozważ ich wzór dyfrakcyjny. Zauważono już, że widmo rentgenowskie składa się z części ciągłej ("continuum") oraz zestawu bardziej intensywnych linii charakterystycznych dla pierwiastka, jakim jest materiał anodowy. Powiedzmy, że odfiltrowaliśmy widmo ciągłe i otrzymaliśmy niemal monochromatyczną wiązkę promieniowania rentgenowskiego skierowaną na nasz liniowy łańcuch atomów. Warunek wzmocnienia (zakłócenia wzmacniające) jest spełniony, jeśli różnica między drogami fal rozproszonych przez sąsiednie atomy jest wielokrotnością długości fali. Jeżeli wiązka pada pod kątem a0 do linii atomów oddzielonej przedziałami a (okres), to dla kąta dyfrakcji a różnica ścieżki odpowiadająca wzmocnieniu zostanie zapisana jako a(cos a - cosa0) = hl, gdzie l to długość fali, a h to liczba całkowita (ryc. 4 i 5).
Aby rozszerzyć to podejście na kryształ trójwymiarowy, wystarczy wybrać rzędy atomów w dwóch innych kierunkach w krysztale i rozwiązać trzy otrzymane w ten sposób równania łącznie dla trzech osi kryształu z okresami a, b i c. Pozostałe dwa równania to
Są to trzy podstawowe równania Lauego dla dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego, gdzie liczby h, k i c są wskaźnikami Millera dla płaszczyzny dyfrakcji.
Zobacz też KRYSZTAŁY I KRYSTALOGRAFIA. Rozpatrując dowolne z równań Lauego, na przykład pierwsze, można zauważyć, że skoro a, a0, l są stałymi, a h = 0, 1, 2, ..., jego rozwiązanie można przedstawić jako zbiór stożków o wspólna oś a (ryc. 5). To samo dotyczy kierunków b i c. W ogólnym przypadku trójwymiarowego rozpraszania (dyfrakcji) trzy równania Lauego muszą mieć wspólne rozwiązanie, tj. trzy stożki dyfrakcyjne znajdujące się na każdej z osi muszą się przecinać; wspólną linię przecięcia pokazano na ryc. 6. Łączne rozwiązanie równań prowadzi do prawa Bragga-Wulfa:
l = 2(d/n)sinq, gdzie d jest odległością między płaszczyznami o indeksach h, k i c (okres), n = 1, 2, ... są liczbami całkowitymi (rząd dyfrakcji), a q jest kątem utworzony przez wiązkę padającą (a także dyfrakcję) z płaszczyzną kryształu, w której zachodzi dyfrakcja. Analizując równanie prawa Bragga - Wolfe'a dla pojedynczego kryształu znajdującego się na drodze monochromatycznej wiązki rentgenowskiej, możemy stwierdzić, że dyfrakcja nie jest łatwa do zaobserwowania, ponieważ l i q są ustalone, a sinq METODY ANALIZY DYFRAKCYJNEJ
Metoda Lauego. Metoda Laue wykorzystuje ciągłe „białe” widmo promieni rentgenowskich, które kierowane jest na nieruchomy monokryształ. Dla określonej wartości okresu d długość fali odpowiadająca warunkom Bragga-Wulfa jest automatycznie wybierana z całego widma. Uzyskane w ten sposób wzory Lauego umożliwiają ocenę kierunków ugiętych wiązek, a w konsekwencji orientacji płaszczyzn kryształu, co również pozwala na wyciągnięcie ważnych wniosków na temat symetrii, orientacji kryształu i obecności wad w nim. W tym przypadku jednak traci się informację o okresie przestrzennym d. Na ryc. 7 przedstawia przykład Lauegramu. Film rentgenowski znajdował się po stronie kryształu przeciwnej do tej, na którą padała wiązka promieniowania rentgenowskiego ze źródła.
Metoda Debye-Scherrera (dla próbek polikrystalicznych). W przeciwieństwie do poprzedniej metody stosuje się tutaj promieniowanie monochromatyczne (l = const), a kąt q jest zmienny. Osiąga się to za pomocą próbki polikrystalicznej składającej się z wielu małych krystalitów o losowej orientacji, wśród których są takie, które spełniają warunek Bragga-Wulfa. Wiązki ugięte tworzą stożki, których oś jest skierowana wzdłuż wiązki rentgenowskiej. Do obrazowania wąski pasek kliszy rentgenowskiej jest zwykle używany w cylindrycznej kasecie, a promienie rentgenowskie są rozprowadzane wzdłuż średnicy przez otwory w kliszy. Uzyskany w ten sposób debyegram (rys. 8) zawiera dokładne informacje o okresie d, tj. o strukturze kryształu, ale nie podaje informacji, które zawiera Lauegram. Dlatego obie metody wzajemnie się uzupełniają. Rozważmy niektóre zastosowania metody Debye-Scherrera.
Identyfikacja pierwiastków i związków chemicznych. Z wyznaczonego z Debyegramu kąta q można obliczyć odległość międzypłaszczyznową d charakterystyczną dla danego pierwiastka lub związku. Obecnie opracowano wiele tabel wartości d, które umożliwiają identyfikację nie tylko jednego lub drugiego pierwiastka lub związku chemicznego, ale także różnych stanów fazowych tej samej substancji, co nie zawsze daje analizę chemiczną. Możliwe jest również określenie z dużą dokładnością zawartości drugiego składnika w stopach substytucyjnych z zależności okresu d od stężenia.
Analiza naprężeń. Ze zmierzonej różnicy odstępów międzypłaszczyznowych dla różnych kierunków w kryształach, znając moduł sprężystości materiału, można z dużą dokładnością obliczyć w nim małe naprężenia.
Badania preferencyjnej orientacji w kryształach. Jeśli małe krystality w próbce polikrystalicznej nie są całkowicie zorientowane losowo, pierścienie na Debyegramie będą miały różną intensywność. W obecności wyraźnej preferowanej orientacji maksima intensywności koncentrują się w poszczególnych punktach obrazu, co upodabnia się do obrazu dla pojedynczego kryształu. Na przykład podczas głębokiego walcowania na zimno blacha nabiera tekstury - wyraźnej orientacji krystalitów. Według debaygramu można ocenić charakter zimnej obróbki materiału.
Badanie wielkości ziaren. Jeśli wielkość ziarna polikryształu jest większa niż 10-3 cm, to linie na Debyegramie będą składać się z oddzielnych plamek, ponieważ w tym przypadku liczba krystalitów nie wystarczy, aby pokryć cały zakres wartości kątów q. Jeśli wielkość krystalitów jest mniejsza niż 10-5 cm, linie dyfrakcyjne stają się szersze. Ich szerokość jest odwrotnie proporcjonalna do wielkości krystalitów. Poszerzenie następuje z tego samego powodu, dla którego zmniejszenie liczby szczelin zmniejsza rozdzielczość siatki dyfrakcyjnej. Promieniowanie rentgenowskie umożliwia określenie wielkości ziaren w zakresie 10-7-10-6 cm.
Metody dla monokryształów. Aby dyfrakcja na krysztale dostarczała informacji nie tylko o okresie przestrzennym, ale także o orientacji każdego zestawu płaszczyzn dyfrakcyjnych, stosuje się metody rotującego monokryształu. Na kryształ pada monochromatyczna wiązka promieniowania rentgenowskiego. Kryształ obraca się wokół głównej osi, dla której spełnione są równania Lauego. W tym przypadku zmienia się kąt q, który jest zawarty we wzorze Bragga-Wulfa. Maksima dyfrakcyjne znajdują się na przecięciu stożków dyfrakcyjnych Laue z cylindryczną powierzchnią filmu (ryc. 9). Wynikiem jest wzór dyfrakcyjny typu pokazanego na ryc. 10. Jednak możliwe są komplikacje ze względu na nakładanie się różnych rzędów dyfrakcji w jednym punkcie. Metodę można znacznie poprawić, jeśli jednocześnie z obrotem kryształu film porusza się również w określony sposób.
Badania cieczy i gazów. Wiadomo, że ciecze, gazy i ciała amorficzne nie mają prawidłowej struktury krystalicznej. Ale i tutaj istnieje wiązanie chemiczne między atomami w cząsteczkach, dzięki czemu odległość między nimi pozostaje prawie stała, chociaż same cząsteczki są losowo zorientowane w przestrzeni. Takie materiały dają również obraz dyfrakcyjny ze stosunkowo niewielką liczbą rozmazanych maksimów. Obróbka takiego obrazu nowoczesnymi metodami umożliwia uzyskanie informacji o strukturze nawet takich niekrystalicznych materiałów.
ANALIZA SPEKTROCHEMICZNA RTG
Kilka lat po odkryciu promieni rentgenowskich Ch.Barkla (1877-1944) odkrył, że gdy na substancję oddziałuje strumień promieniowania rentgenowskiego o wysokiej energii, generowane jest wtórne fluorescencyjne promieniowanie rentgenowskie, charakterystyczne dla pierwiastka w trakcie studiów. Niedługo potem G. Moseley w serii swoich eksperymentów zmierzył długości fal podstawowego charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego uzyskanego przez bombardowanie elektronami różnych pierwiastków i wywnioskował związek między długością fali a liczbą atomową. Eksperymenty te oraz wynalezienie przez Bragga spektrometru rentgenowskiego położyły podwaliny pod spektrochemiczną analizę rentgenowską. Natychmiast dostrzeżono możliwości promieni rentgenowskich do analizy chemicznej. Spektrografy wykonano z rejestracją na płycie fotograficznej, w której badana próbka służyła jako anoda lampy rentgenowskiej. Niestety technika ta okazała się bardzo pracochłonna i dlatego była stosowana tylko wtedy, gdy zwykłe metody analizy chemicznej okazały się nie do zastosowania. Znakomitym przykładem nowatorskich badań w dziedzinie analitycznej spektroskopii rentgenowskiej było odkrycie w 1923 roku przez G. Hevesy'ego i D. Costera nowego pierwiastka, hafnu. Rozwój lamp rentgenowskich dużej mocy do radiografii i czułych detektorów do pomiarów radiochemicznych podczas II wojny światowej w dużej mierze przyczynił się do szybkiego rozwoju spektrografii rentgenowskiej w kolejnych latach. Metoda ta stała się powszechna ze względu na szybkość, wygodę, nieniszczący charakter analizy oraz możliwość pełnej lub częściowej automatyzacji. Ma zastosowanie w problemach analizy ilościowej i jakościowej wszystkich pierwiastków o liczbie atomowej większej niż 11 (sód). I chociaż analiza spektrochemiczna rentgenowska jest zwykle wykorzystywana do określenia najważniejszych składników w próbce (od 0,1-100%), w niektórych przypadkach jest odpowiednia dla stężeń 0,005%, a nawet niższych.
Spektrometr rentgenowski. Nowoczesny spektrometr rentgenowski składa się z trzech głównych układów (rys. 11): układów wzbudzenia, tj. lampa rentgenowska z anodą wykonaną z wolframu lub innego materiału ogniotrwałego oraz zasilaczem; systemy analityczne, tj. kryształ analizatora z dwoma wieloszczelinowymi kolimatorami, a także spektrogoniometr do precyzyjnej regulacji; oraz systemy rejestracji z licznikiem Geigera lub proporcjonalnym lub scyntylacyjnym, a także prostownik, wzmacniacz, liczniki i rejestrator wykresów lub inne urządzenie rejestrujące.
Rentgenowska analiza fluorescencyjna. Analizowana próbka znajduje się na drodze ekscytujących promieni rentgenowskich. Badany obszar próbki jest zwykle izolowany maską z otworem o pożądanej średnicy, a promieniowanie przechodzi przez kolimator, który tworzy wiązkę równoległą. Za kryształem analizatora, szczelinowy kolimator emituje promieniowanie ugięte do detektora. Zwykle maksymalny kąt q jest ograniczony do 80–85°, tak że tylko promienie rentgenowskie, których długość fali l jest związana z odległością międzypłaszczyznową d przez nierówność l, mogą uginać się na krysztale analizatora. Mikroanaliza rentgenowska. Opisany powyżej spektrometr płaskiego analizatora krystalicznego może być przystosowany do mikroanalizy. Osiąga się to poprzez zwężenie pierwotnej wiązki promieniowania rentgenowskiego lub wiązki wtórnej emitowanej przez próbkę. Jednak zmniejszenie efektywnej wielkości próbki lub apertury radiacyjnej prowadzi do zmniejszenia natężenia rejestrowanego promieniowania dyfrakcyjnego. Udoskonalenie tej metody można osiągnąć stosując zakrzywiony spektrometr krystaliczny, który umożliwia rejestrację stożka promieniowania rozbieżnego, a nie tylko promieniowania równoległego do osi kolimatora. Za pomocą takiego spektrometru można zidentyfikować cząstki mniejsze niż 25 µm. Jeszcze większe zmniejszenie wielkości analizowanej próbki uzyskuje się w mikroanalizatorze rentgenowskiej sondy elektronowej wynalezionej przez R. Kastena. Tutaj charakterystyczna emisja promieniowania rentgenowskiego próbki jest wzbudzana przez silnie skupioną wiązkę elektronów, która jest następnie analizowana przez spektrometr z giętym kryształem. Za pomocą takiego urządzenia można wykryć ilości substancji rzędu 10-14 g w próbce o średnicy 1 μm. Opracowano również instalacje ze skanowaniem próbki wiązką elektronów, za pomocą których można uzyskać dwuwymiarowy wzór rozkładu na próbce pierwiastka, którego charakterystyczne promieniowanie jest dostrojone do spektrometru.
MEDYCZNA DIAGNOSTYKA RTG
Rozwój technologii rentgenowskiej znacznie skrócił czas naświetlania i poprawił jakość obrazów, umożliwiając badanie nawet tkanek miękkich.
Fluorografia. Ta metoda diagnostyczna polega na sfotografowaniu obrazu cienia z półprzezroczystego ekranu. Pacjent jest umieszczony pomiędzy źródłem promieniowania rentgenowskiego a płaskim ekranem luminoforu (zwykle jodku cezu), który świeci pod wpływem promieni rentgenowskich. Tkanki biologiczne o różnym stopniu gęstości tworzą cienie promieniowania rentgenowskiego o różnym natężeniu. Radiolog bada obraz cienia na ekranie fluorescencyjnym i stawia diagnozę. W przeszłości radiolog analizował obraz za pomocą wzroku. Obecnie istnieją różne systemy, które wzmacniają obraz, wyświetlają go na ekranie telewizora lub zapisują dane w pamięci komputera.
Radiografia. Zapis obrazu rentgenowskiego bezpośrednio na kliszy fotograficznej nazywa się radiografią. W tym przypadku badany narząd znajduje się pomiędzy źródłem promieni rentgenowskich a błoną, która przechwytuje informacje o stanie narządu w danym czasie. Powtarzana radiografia pozwala ocenić jej dalszą ewolucję. Radiografia pozwala bardzo dokładnie zbadać integralność tkanki kostnej, która składa się głównie z wapnia i jest nieprzezroczysta dla promieni rentgenowskich, a także pęknięć tkanki mięśniowej. Z jego pomocą, lepiej niż stetoskopem lub słuchaniem, analizowany jest stan płuc w przypadku zapalenia, gruźlicy lub obecności płynu. Za pomocą radiografii określa się wielkość i kształt serca, a także dynamikę jego zmian u pacjentów cierpiących na choroby serca.
środki kontrastowe. Przepuszczalne dla promieniowania rentgenowskiego części ciała i jamy poszczególnych narządów stają się widoczne, jeśli zostaną wypełnione nieszkodliwym dla organizmu środkiem kontrastowym, ale pozwalającym zobrazować kształt narządów wewnętrznych i sprawdzić ich funkcjonowanie. Pacjent albo przyjmuje doustnie środki kontrastowe (takie jak sole baru w badaniu przewodu żołądkowo-jelitowego), albo podaje się je dożylnie (takie jak roztwory zawierające jod w badaniu nerek i dróg moczowych). W ostatnich latach metody te zostały jednak wyparte przez metody diagnostyczne oparte na wykorzystaniu atomów promieniotwórczych i ultradźwięków.
Tomografia komputerowa. W latach 70. opracowano nową metodę diagnostyki rentgenowskiej, opartą na pełnej fotografii ciała lub jego części. Obrazy cienkich warstw („plastrów”) są przetwarzane przez komputer, a ostateczny obraz wyświetlany jest na ekranie monitora. Ta metoda nazywa się komputerową tomografią rentgenowską. Znajduje szerokie zastosowanie we współczesnej medycynie do diagnozowania nacieków, guzów i innych schorzeń mózgu, a także do diagnozowania chorób tkanek miękkich wewnątrz organizmu. Technika ta nie wymaga wprowadzania obcych środków kontrastowych i dlatego jest szybsza i skuteczniejsza niż techniki tradycyjne.
BIOLOGICZNE DZIAŁANIE PROMIENIOWANIA RENTGENOWSKIEGO
Szkodliwe działanie biologiczne promieniowania rentgenowskiego zostało odkryte wkrótce po jego odkryciu przez Roentgena. Okazało się, że nowe promieniowanie może wywołać coś w rodzaju silnego oparzenia słonecznego (rumienia), któremu jednak towarzyszy głębsze i trwalsze uszkodzenie skóry. Pojawiające się wrzody często zamieniały się w raka. W wielu przypadkach trzeba było amputować palce lub dłonie. Były też zgony. Stwierdzono, że zmian skórnych można uniknąć, skracając czas ekspozycji i dawkę, stosując osłony (np. ołów) i piloty. Ale stopniowo ujawniono inne, bardziej długoterminowe skutki ekspozycji na promieniowanie rentgenowskie, które następnie zostały potwierdzone i zbadane na zwierzętach doświadczalnych. Skutki wynikające z działania promieni rentgenowskich, a także innych promieni jonizujących (takich jak promieniowanie gamma emitowane przez materiały promieniotwórcze) obejmują: 1) przejściowe zmiany składu krwi po stosunkowo niewielkiej nadmiernej ekspozycji; 2) nieodwracalne zmiany w składzie krwi (niedokrwistość hemolityczna) po długotrwałej nadmiernej ekspozycji; 3) wzrost zachorowalności na nowotwory (w tym białaczki); 4) szybsze starzenie się i wczesna śmierć; 5) występowanie zaćmy. Ponadto eksperymenty biologiczne na myszach, królikach i muchach (Drosophila) wykazały, że nawet małe dawki systematycznego napromieniania dużych populacji, ze względu na wzrost szybkości mutacji, prowadzą do szkodliwych skutków genetycznych. Większość genetyków zdaje sobie sprawę z zastosowania tych danych do organizmu ludzkiego. Jeśli chodzi o biologiczny wpływ promieniowania rentgenowskiego na organizm człowieka, to jest on determinowany przez poziom dawki promieniowania, a także przez jaki narząd ciała został napromieniowany. Na przykład choroby krwi są spowodowane napromienianiem narządów krwiotwórczych, głównie szpiku kostnego, a konsekwencje genetyczne - napromienianiem narządów płciowych, co również może prowadzić do bezpłodności. Nagromadzenie wiedzy o wpływie promieniowania rentgenowskiego na organizm człowieka doprowadziło do opracowania krajowych i międzynarodowych norm dopuszczalnych dawek promieniowania, publikowanych w różnych publikacjach referencyjnych. Poza promieniami rentgenowskimi, które są celowo wykorzystywane przez człowieka, istnieje również tzw. całkowicie pochłaniają to promieniowanie. Ponadto wiele urządzeń elektrycznych, które nie są przeznaczone do wytwarzania promieni rentgenowskich, mimo to generuje promienie rentgenowskie jako produkt uboczny. Do takich urządzeń należą mikroskopy elektronowe, wysokonapięciowe lampy prostownicze (kenotrony), a także kineskopy przestarzałych telewizorów kolorowych. Produkcja nowoczesnych kineskopów kolorowych w wielu krajach jest obecnie pod kontrolą rządową.
NIEBEZPIECZNE CZYNNIKI PROMIENIOWANIA RENTGENOWSKIEGO
Rodzaje i stopień zagrożenia narażenia ludzi na promieniowanie rentgenowskie zależą od kontyngentu osób narażonych na promieniowanie.
Profesjonaliści pracujący ze sprzętem rentgenowskim. Do tej kategorii należą radiolodzy, stomatolodzy, a także pracownicy naukowo-techniczni oraz personel obsługujący i obsługujący sprzęt rentgenowski. Podejmowane są skuteczne środki w celu zmniejszenia poziomów promieniowania, z jakim mają do czynienia.
Pacjenci. Nie ma tu ścisłych kryteriów, a bezpieczny poziom promieniowania, jaki otrzymują pacjenci podczas leczenia, określają lekarze prowadzący. Lekarzom zaleca się, aby niepotrzebnie nie narażali pacjentów na promieniowanie rentgenowskie. Szczególną ostrożność należy zachować podczas badania kobiet w ciąży i dzieci. W takim przypadku podejmowane są specjalne środki.
Metody kontroli. Są na to trzy aspekty:
1) dostępność odpowiedniego sprzętu, 2) egzekwowanie przepisów bezpieczeństwa, 3) właściwe użytkowanie sprzętu. W badaniu rentgenowskim na promieniowanie powinien być narażony tylko pożądany obszar, czy to badanie stomatologiczne, czy badanie płuc. Zauważ, że natychmiast po wyłączeniu aparatu rentgenowskiego znikają zarówno promieniowanie pierwotne, jak i wtórne; nie ma też promieniowania szczątkowego, które nie zawsze jest znane nawet tym, którzy są z nim bezpośrednio związani w swojej pracy.
Zobacz też
STRUKTURA ATOMU;
