През 1895 г. немският физик Рентген, провеждайки експерименти за преминаване на ток между два електрода във вакуум, открива, че екран, покрит с луминисцентно вещество (бариева сол), свети, въпреки че изпускателната тръба е покрита с черен картонен екран - това така е открита радиация, която прониква през непрозрачни препятствия, наречени рентгенови рентгенови лъчи. Установено е, че рентгеновите лъчи, които са невидими за хората, се абсорбират в непрозрачни предмети, колкото по-силен, по-голям е атомният номер (плътността) на препятствието, така че рентгеновите лъчи лесно преминават през меките тъкани на човешкото тяло, но се задържат от костите на скелета. Източниците на рентгенови лъчи с висока мощност са проектирани да блестят през метални части и да откриват вътрешни дефекти в тях.

Германският физик Лауе предполага, че рентгеновите лъчи са същото електромагнитно излъчване като лъчите на видимата светлина, но с по-къса дължина на вълната и всички закони на оптиката са приложими за тях, включително възможната дифракция. В оптиката на видимата светлина дифракцията на елементарно ниво може да бъде представена 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 ударите на дифракционната решетка и дължината на вълната на падащото излъчване. За дифракция разстоянието между ударите трябва да бъде приблизително равно на дължината на вълната на падащата светлина.

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

Всякакви промени в положението на атомите влияят върху дифракционната картина и чрез изучаване на рентгеновата дифракция може да се установи подреждането на атомите в кристала и промяната в това разположение при всякакви физически, химични и механични въздействия 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.

Появата и свойствата на рентгеновото лъчение

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

Когато електрон излита от катода, електрическото поле го кара да лети към анода, докато скоростта му непрекъснато се увеличава, електронът носи магнитно поле, чиято сила се увеличава със скоростта на електрона. Достигайки анодната повърхност, електронът рязко се забавя и се появява електромагнитен импулс с дължини на вълните в определен интервал (тормозно излъчване). Разпределението на интензитета на излъчване по дължини на вълните зависи от материала на анода на рентгеновата тръба и приложеното напрежение; в този случай от страната на късите вълни тази крива започва от определен праг на минимална дължина на вълната, в зависимост от приложено напрежение. Събирането на лъчи с всички възможни дължини на вълните 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 атомите с високоенергийни електрони и квантите на първичните рентгенови лъчи. Атомът съдържа вътрешни електронни обвивки (енергийни нива), чийто брой зависи от атомния номер (означен с буквите K, L, M и т.н.) Електроните и първичните рентгенови лъчи чукат електрони от едно енергийно ниво на друго. Възниква метастабилно състояние и за преминаване в стабилно състояние е необходим скок на електрони в обратна посока. Този скок е придружен от отделянето на квант енергия и появата на рентгеново излъчване. За разлика от рентгеновите лъчи с непрекъснат спектър, това излъчване има много тесен диапазон на дължините на вълните и висок интензитет (характерно излъчване) ( 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 и ток от 15 mA за 1 s, характерното излъчване дава 10 14-10 15 атома. Тази стойност се изчислява като съотношение на общата мощност на рентгеновото лъчение към енергията на рентгенов квант от K-обвивката (K-серия с характерно рентгеново излъчване). В този случай общата мощност на рентгеновото лъчение е само 0,1% от консумираната мощност, останалата част се губи, главно поради прехода към топлина.

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

В допълнение към рентгеновата тръба, рентгеновите източници могат да бъдат радиоактивни изотопи, някои могат директно да излъчват рентгенови лъчи, докато други излъчват електрони и а-частици, които генерират рентгенови лъчи, когато металните цели са бомбардирани. Интензитетът на рентгеновото лъчение от радиоактивни източници обикновено е много по-малък от този на рентгеновата тръба (с изключение на радиоактивния кобалт, използван при откриване на дефекти и излъчващ радиация с много къса дължина на вълната-g-радиация), те са малки -размери и не изискват електричество. Синхротронното рентгеново излъчване се получава в електронни ускорители, дължината на вълната на това излъчване е много по-висока от тази, получена в рентгеновите тръби (меко рентгеново излъчване), интензитетът му е с няколко порядъка по-висок от интензитета на излъчване на рентгеновото лъчение лъчеви тръби. Има и естествени източници на рентгенови лъчи. Радиоактивни примеси се намират в много минерали, записани са рентгенови лъчи от космически обекти, включително звезди.

Взаимодействие на рентгенови лъчи с кристали

При рентгеновото изследване на материали с кристална структура се анализират интерференционните картини в резултат на разсейването на рентгеновите лъчи върху електрони, принадлежащи на атомите на кристалната решетка. Атомите се считат за неподвижни, техните топлинни вибрации не се вземат предвид и всички електрони на същия атом се считат за концентрирани в една точка - място на кристалната решетка.

За да се получат основните уравнения на рентгеновата дифракция в кристал, се разглежда интерференцията на лъчите, разпръснати от атоми, разположени по права линия в кристалната решетка. Равна вълна от монохроматично рентгеново лъчение пада върху тези атоми под ъгъл, чийто косинус е равен на 0. Законите на интерференция на лъчи, разпръснати от атоми, са подобни на съществуващите за дифракционна решетка, която разсейва светлината във видимия диапазон на дължините на вълните. За да се амплитудите на всички трептения се съберат на голямо разстояние от атомния ред, е необходимо и достатъчно разликата в пътищата на лъчите, идващи от всяка двойка съседни атоми, да съдържа цял брой дължини на вълните. На разстояние между атомите атова условие има формата:

а(а – а 0) = h l,

където а е косинус на ъгъла между атомния ред и отклонения лъч, h -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. Следите от конусите в равнината, успоредна на атомния ред, са хиперболи, а в равнината, перпендикулярна на реда, има кръгове.

Когато лъчите попадат под постоянен ъгъл, полихроматичната (бяла) радиация се разлага на спектър от лъчи, отклонени под фиксирани ъгли. По този начин атомната серия е рентгенов спектрограф.

Обобщаването на двуизмерна (плоска) атомна решетка и след това на триизмерна обемна (пространствена) кристална решетка дава още две подобни уравнения, които включват ъглите на падане и отражение на рентгеновото лъчение и разстоянието между атомите в три посоки. Тези уравнения се наричат ​​уравнения на Лауе и са в основата на рентгеновия структурен анализ.

Амплитудите на лъчите, отразени от паралелните атомни равнини, се събират и оттогава броят на атомите е много голям, отразената радиация може да бъде открита експериментално. Условието на отражение се описва от уравнението на Улф - Браг 2d sinq = nl, където d е разстоянието между съседни атомни равнини, q е ъгълът на пашата между посоката на падащия лъч и тези равнини в кристала, l е X- дължина на вълната на лъча, n е цяло число, наречено ред на отражение. Ъгълът q е ъгълът на падане по отношение на атомните равнини, които не е задължително да съвпадат по посока с повърхността на изследваната проба.

Разработени са няколко метода за рентгенов структурен анализ, като се използва както излъчване с непрекъснат спектър, така и монохроматично излъчване. В този случай обектът, който се изследва, може да бъде неподвижен или въртящ се, може да се състои от един кристал (монокристален) или много (поликристален), дифракционната радиация може да бъде записана с помощта на плосък или цилиндричен рентгенов филм или рентгенов детектор придвижвайки се по обиколката, обаче, във всички случаи по време на експеримента и тълкуването на резултатите използва уравнението на Улф - Браг.

Рентгенов анализ в науката и технологиите

С откриването на рентгеновата дифракция изследователите разполагат с метод, който позволява, без микроскоп, да изследва подреждането на отделните атоми и промените в това разположение при външни влияния.

Основното приложение на рентгеновите лъчи в фундаменталната наука е структурният анализ, т.е. установяване на пространственото подреждане на отделни атоми в кристал. За тази цел се отглеждат монокристали 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 структурите на хиляди минерали са определени чрез метода на ретгеноанализ и са разработени експресни методи за анализ на минерални суровини.

Металите имат сравнително проста кристална структура и рентгеновият метод позволява да се изследват промените му по време на различни технологични обработки и да се създадат физическите основи на новите технологии.

Положението на линиите върху рентгеновите дифракционни картини определя фазовия състав на сплавите, според тяхната ширина - броя, размера и формата на кристалите, според разпределението на интензитета в дифракционния конус - ориентацията на кристалите ( текстура).

Тези техники се използват за изследване на процесите по време на 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).

Рентгеновият анализ на сплавите определя състава и концентрацията на твърди разтвори. Когато се появи твърд разтвор, междуатомните разстояния се променят и съответно разстоянията между атомните равнини. Тези промени са малки; затова са разработени специални прецизни методи за измерване на периодите на кристалната решетка с точност с два порядъка по-висока от точността на измерване за конвенционалните методи за рентгеново изследване. Комбинацията от прецизни измервания на периодите на кристалната решетка и фазов анализ прави възможно начертаването на границите на фазовите области във фазовата диаграма. Рентгеновият метод може също да открива 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 в триизмерен ред, както в химичните съединения. На рентгеновите дифракционни картини на подредени твърди разтвори има допълнителни линии; интерпретацията на рентгеновите дифракционни картини показва, че примесните атоми заемат определени места в кристалната решетка, например във върховете на куб.

При охлаждане на сплав, която не претърпява фазови трансформации, може да се появи пренаситен твърд разтвор, а при по -нататъшно нагряване или дори задържане при стайна температура, твърдият разтвор се разлага с отделянето на частици от химично съединение. Това е ефектът на стареене и той се проявява на рентгенографиите като промяна в позицията и ширината на линиите. Изследванията на стареенето са особено важни за цветните сплави, например стареенето превръща меката, закалена алуминиева сплав в здрав структурен материал, дуралуминий.

Рентгеновите изследвания на термичната обработка на стомана имат най-голямо технологично значение. По време на закаляване (бързо охлаждане) на стомана се получава бездифузен фазов преход от аустенит - мартензит, който води до промяна в структурата от кубична към тетрагонална, т.е. единичната клетка приема формата на правоъгълна призма. На рентгенографиите това се проявява като разширяване на линиите и разделяне на някои линии на две. Причините за този ефект са не само промяна в кристалната структура, но и появата на големи вътрешни напрежения поради термодинамичното неравновесие на мартензитната структура и рязкото охлаждане. По време на закаляването (нагряване на закалена стомана) линиите в рентгеновите дифракционни картини 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; те изискват нови техники и дават нови рентгенови ефекти. Например, под действието на лазерни лъчи върху метали, нагряването и охлаждането настъпват толкова бързо, че при охлаждане кристалите имат време да нараснат само до размер на няколко единични клетки (нанокристали) или нямат време да се появят при всичко. След охлаждане такъв метал прилича на обикновен метал, но не дава ясни линии на рентгеновата дифракционна картина, а отразените рентгенови лъчи се разпределят по целия диапазон на ъглите на паша.

След облъчване с неутрон на рентгеновите дифракционни картини се появяват допълнителни петна (дифузни максимуми). Радиоактивното разпадане също причинява специфични рентгенови ефекти, свързани със структурни промени, както и факта, че самата изследвана проба става източник на рентгеново лъчение.

Рентгеновото лъчение се отнася до електромагнитни вълни с дължина на вълната приблизително 80 до 10 -5 nm. Рентгеновото лъчение с най-дълги вълни се блокира от късо вълново ултравиолетово излъчване, а късо вълновото от дълги вълни γ-лъчение. Според метода на възбуждане, рентгеновото лъчение се разделя на тормозно излъчване и характерно.

31.1. Рентгеново тръбно устройство. РЕНТГЕНОВО ИЗЛЪЧВАНЕ НА СПОРМАТА

Най-често срещаният рентгенов източник е рентгеновата тръба, която е двуелектродна вакуумна единица (Фигура 31.1). Отопляем катод 1 излъчва електрони 4. Анод 2, често наричан антикатод, има наклонена повърхност, за да насочи полученото рентгеново лъчение 3 под ъгъл спрямо оста на тръбата. Анодът е направен от добър топлопроводим материал за отстраняване на топлината, генерирана от електронен удар. Повърхността на анода е направена от огнеупорни материали с голям атомен номер в периодичната таблица, например волфрам. В някои случаи анодът се охлажда специално с вода или масло.

За диагностичните тръби е важен точката на източника на рентгенови лъчи, което може да се постигне чрез фокусиране на електрони на едно място на антикатода. Следователно конструктивно е необходимо да се вземат предвид два противоположни проблема: от една страна, електроните трябва да паднат на едно място на анода, от друга страна, за да се предотврати прегряване, е желателно електроните да се разпределят върху различни части на анода. Едно от интересните технически решения е рентгеновата тръба с въртящ се анод (фиг. 31.2).

В резултат на забавяне на електрона (или друга заредена частица) от електростатичното поле на атомното ядро ​​и атомните електрони на веществото от антикатода, рентгеново излъчване на тормозно излъчване.

Механизмът му може да се обясни по следния начин. Движещият се електрически заряд е свързан с магнитно поле, чиято индукция зависи от скоростта на електрона. При спиране магнитното

индукция и в съответствие с теорията на Максуел се появява електромагнитна вълна.

Когато електроните се забавят, само част от енергията отива за създаване на рентгенов фотон, другата част се изразходва за нагряване на анода. Тъй като връзката между тези части е случайна, тогава когато голям брой електрони се забавят, се образува непрекъснат рентгенов спектър. В тази връзка тормозното излъчване се нарича още непрекъснато. На фиг. 31.3 показва зависимостите на рентгеновия поток от дължината на вълната λ (спектри) при различни напрежения в рентгеновата тръба: U 1< U 2 < U 3 .

Във всеки от спектрите най-късо вълновото тормозно излъчване е λ ηίη възниква, когато енергията, придобита от електрон в ускоряващо поле, се преобразува напълно в енергията на фотон:

Имайте предвид, че въз основа на (31.2) е разработен един от най -точните методи за експериментално определяне на константата на Планк.

Късо вълновите рентгенови лъчи обикновено са по-проникващи от дълго вълновите и се наричат трудени дълги вълни - мека.

Чрез увеличаване на напрежението в рентгеновата тръба, спектралният състав на радиацията се променя, както се вижда от фиг. 31.3 и формули (31.3) и увеличават твърдостта.

Ако увеличите температурата на нажежаема жичка на катода, тогава излъчването на електрони и токът в тръбата ще се увеличат. Това ще увеличи броя на рентгеновите фотони, излъчвани всяка секунда. Спектралният му състав няма да се промени. На фиг. 31.4 показва спектрите на рентгеновото излъчване на тормозно излъчване при едно напрежение, но при различна интензивност на тока на катодната нишка: / h1< / н2 .

Рентгеновият поток се изчислява по формулата:

където Uи Аз -Напрежение и ток на рентгенова тръба; Z- сериен номер на атома на анодното вещество; к- коефициент на пропорционалност. Спектри, получени от различни антикатоди едновременно Uи I H са показани на фиг. 31.5.

31.2. ХАРАКТЕРИСТИЧНО Рентгеново излъчване. АТОМНИ РЕНТГЕНОВИ СПЕКТРИ

Чрез увеличаване на напрежението в рентгеновата тръба може да се забележи появата на линия, подобна на линия на фона на непрекъснатия спектър, което съответства на

характерно рентгеново излъчване(фиг. 31.6). Възниква поради факта, че ускорените електрони проникват дълбоко в атома и избиват електрони от вътрешните слоеве. Електроните от горните нива се пренасят на свободни места (фиг. 31.7), в резултат на което се излъчват фотони с характерно излъчване. Както може да се види от фигурата, характерното рентгеново лъчение се състои от серии К, Л, Ми др., чието име служи за обозначаване на електронните слоеве. Тъй като излъчването на K-серията освобождава места във висшите слоеве, линиите на други серии също се излъчват едновременно.

За разлика от оптичните спектри, характерните рентгенови спектри на различни атоми са от един и същи тип. На фиг. 31.8 показва спектрите на различни елементи. Хомогенността на тези спектри се дължи на факта, че вътрешните слоеве на различните атоми са еднакви и се различават само енергийно, тъй като силовият ефект от страната на ядрото се увеличава с увеличаване на порядъчния номер на елемента. Това обстоятелство води до факта, че характеристичните спектри се изместват към по -високи честоти с увеличаване на ядрения заряд. Този модел може да се види от фиг. 31.8 и е известен като Законът на Мозли:

където v -честота на спектралната линия; Z-атомният номер на излъчващия елемент; Аи V- постоянен.

Има още една разлика между оптичния и рентгеновия спектър.

Характерният рентгенов спектър на атом не зависи от химичното съединение, към което е включен този атом. Например, рентгеновият спектър на кислородния атом е еднакъв за O, O 2 и H 2 O, докато оптичните спектри на тези съединения са значително различни. Тази характеристика на рентгеновия спектър на атома послужи като основа за името Характеристика.

Характерното излъчване винаги възниква, когато във вътрешните слоеве на атома има свободно пространство, независимо от причината, която го е причинила. Така например, характерното излъчване придружава един от видовете радиоактивен разпад (виж 32.1), който се състои в улавяне на електрона от ядрото от вътрешния слой.

31.3. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НА Рентгеновото излъчване със субстанция

Регистрацията и използването на рентгеново лъчение, както и неговият ефект върху биологичните обекти се определят от първичните процеси на взаимодействие на рентгенов фотон с електрони на атоми и молекули на вещество.

В зависимост от енергийното съотношение hvенергия на фотона и йонизация 1 А и има три основни процеса.

Кохерентно (класическо) разсейване

Разсейването на рентгенови лъчи с дълги вълни става главно без промяна на дължината на вълната и се нарича съгласуван.Това се случва, ако енергията на фотона е по -малка от енергията на йонизацията: hv< А и.

Тъй като в този случай енергията на рентгеновия фотон и атома не се променя, тогава кохерентното разсейване само по себе си не предизвиква биологичен ефект. Въпреки това, когато се създава защита срещу рентгеново лъчение, трябва да се вземе предвид възможността за промяна на посоката на първичния лъч. Този тип взаимодействие е важно за рентгеновия структурен анализ (вж. 24.7).

Некохерентно разсейване (комптонов ефект)

През 1922 г. А.Х. Комптън, наблюдавайки разсейването на твърди рентгенови лъчи, установява намаляване на проникващата сила на разсеяния лъч в сравнение с падащия. Това означаваше, че дължината на вълната на разпръснатото рентгеново лъчение е по-голяма от тази на падащото. Разсейването на рентгенови лъчи с промяна в дължината на вълната се нарича несвързан nym, а самият феномен - ефекта на Комптън.Това се случва, ако енергията на рентгеновия фотон е по-голяма от енергията на йонизацията: hv> A и.

Това явление се дължи на факта, че при взаимодействие с атом енергията hvфотон се изразходва за образуването на нов разсеян рентгенов фотон с енергия hv ",за отделяне на електрон от атом (йонизационна енергия A u) и придаване на кинетична енергия на електрона E до:

hv = hv " + A и + E k.(31.6)

1 Тук енергията на йонизация се разбира като енергията, необходима за отстраняване на вътрешните електрони извън атома или молекулата.

Тъй като в много случаи hv>> И ефектът на Комптън възниква върху свободните електрони, тогава можем да напишем приблизително:

hv = hv "+ E K.(31.7)

Съществено е, че при това явление (фиг. 31.9), заедно с вторичното рентгеново излъчване (енергия hvфотон), се появяват електрони на откат (кинетична енергия Е доелектрон). След това атомите или молекулите стават йони.

Фото ефект

Във фотоефекта рентгеновите лъчи се абсорбират от атома, което води до бягство на електрона и атома се йонизира (фотоионизация).

Трите основни процеса на взаимодействие, обсъдени по -горе, са първични, те водят до последващи вторични, третични и т.н. явления. Например йонизираните атоми могат да излъчват характерен спектър, възбудените атоми могат да станат източници на видима светлина (рентгенова луминесценция) и т.н.

На фиг. 31.10 показва диаграма на възможните процеси, които се случват, когато рентгеновото лъчение удари вещество. Няколко десетки процеси, подобни на показания, могат да възникнат преди енергията на рентгеновия фотон да се превърне в енергията на молекулно-топлинното движение. В резултат на това ще настъпят промени в молекулярния състав на веществото.

Процесите, представени от диаграмата на фиг. 31.10, са в основата на явленията, наблюдавани, когато рентгеновите лъчи действат върху материята. Нека изброим някои от тях.

Рентгенова луминесценция- сиянието на редица вещества при рентгеново облъчване. Тази луминесценция на платиново-цианиден барий позволи на Рентген да открие лъчите. Това явление се използва за създаване на специални светещи екрани за визуално наблюдение на рентгеновите лъчи, понякога за засилване на ефекта на рентгеновите лъчи върху фотографска плоча.

Химичното действие на рентгеновите лъчи е известно, например образуването на водороден пероксид във вода. Практически важен пример е въздействието върху фотографска плоча, което прави възможно фиксирането на такива лъчи.

Йонизиращият ефект се проявява в увеличаване на електрическата проводимост под въздействието на рентгенови лъчи. Този имот се използва

в дозиметрията за количествено определяне на ефектите от този вид радиация.

В резултат на много процеси първичният рентгенов лъч се отслабва в съответствие със закона (29.3). Нека го напишем във формата:

I = I 0 e- / ", (31.8)

където μ е коефициентът на линейно затихване. Тя може да бъде представена като състояща се от три члена, съответстващи на кохерентно разсейване μ κ, некохерентно μ ΗΚ и фотоелектричен ефект μ f:

μ = μ k + μ hk + μ f. (31,9)

Интензитетът на рентгеновото лъчение се намалява пропорционално на броя на атомите на веществото, през което преминава този поток. Ако компресирате веществото по оста Х,например в бпъти, увеличавайки се с бведнъж неговата плътност, тогава

31.4. ФИЗИЧНИ ОСНОВИ НА ПРИЛОЖЕНИЕТО НА Рентгеновото излъчване в медицината

Едно от най-важните медицински приложения на рентгеновите лъчи е сканирането на вътрешните органи за диагностични цели. (Рентгенова диагностика).

За диагностика се използват фотони с енергии от порядъка на 60-120 keV. При тази енергия коефициентът на затихване на масата се определя главно от фотоелектричния ефект. Стойността му е обратно пропорционална на третата степен на енергията на фотона (пропорционална на λ 3), при която се проявява високата проникваща сила на твърдото излъчване, и е пропорционална на третата степен на атомния номер на абсорбиращото вещество:

Значителна разлика в абсорбцията на рентгеново лъчение от различни тъкани дава възможност да се видят изображения на вътрешните органи на човешкото тяло в проекцията на сянка.

Рентгеновата диагностика се използва по два начина: флуороскопия - изображението се гледа на рентгенов луминесцентен екран, рентгенография - изображението е фиксирано върху фотографски филм.

Ако изследваният орган и околните тъкани затихват рентгеновото лъчение приблизително еднакво, тогава се използват специални контрастни вещества. Така например, напълвайки стомаха и червата с кашаста маса бариев сулфат, можете да видите тяхното изображение в сянка.

Яркостта на изображението на екрана и времето на експозиция на филма зависят от интензивността на рентгеновото лъчение. Ако се използва за диагностика, тогава интензивността не може да бъде висока, за да не предизвика нежелани биологични последствия. Следователно съществуват редица технически устройства, които подобряват изображението при ниска интензивност на рентгеновото лъчение. Пример за такова устройство е конвертор на изображения (вж. 27.8). При масово изследване на населението широко се използва вариант на рентгенография-флуорография, при която изображение от голям рентгенов луминесцентен екран се записва на чувствителен малоформатен филм. При снимане се използва обектив с висока бленда, готовите изображения се разглеждат със специална лупа.

Интересен и обещаващ вариант за рентгенография е метод, наречен Рентгенова томография, и неговата "машинна версия" - CT сканиране.

Нека разгледаме този въпрос.

Типичната рентгенография обхваща голяма площ от тялото, като различни органи и тъкани се затъмняват взаимно. Това може да се избегне, ако периодично заедно (фиг. 31.11) в антифаза премествате рентгеновата тръба RTи филм FPспрямо обекта относноизследвания. Тялото съдържа редица включвания, които са непрозрачни за рентгеновите лъчи; те са показани с кръгове на фигурата. Както можете да видите, рентгеновите лъчи във всяка позиция на рентгеновата тръба (1, 2 и др.) преминават през

изрежете същата точка на обекта, която е центърът, спрямо който се извършва периодичното движение RTи FP.Тази точка, или по -скоро малко непрозрачно включване, е показано с тъмен кръг. Нейното изображение в сянка се движи с FP,последователно заемащи позиции 1, 2 и т.н. Останалите включвания в тялото (кости, уплътнения и т.н.) са създадени на FPнякакъв общ фон, тъй като рентгеновите лъчи не се затъмняват постоянно от тях. Чрез промяна на положението на люлеещия се център може да се получи послойно рентгеново изображение на тялото. Оттук и името - томография(запис по слой).

Възможно е, като се използва тънък рентгенов лъч, екран (вместо Фп),състоящ се от полупроводникови детектори на йонизиращо лъчение (вж. 32.5) и компютър за обработка на рентгеновото изображение в сянка по време на томография. Тази модерна версия на томографията (изчислителна или компютърна рентгенова томография) ви позволява да получавате слоеви изображения на тялото на екрана на електронно-лъчева тръба или на хартия с детайли по-малки от 2 mm с разлика в X -поглъщане на лъчите до 0,1%. Това дава възможност например да се прави разлика между сиво и бяло вещество в мозъка и да се видят много малки туморни образувания.

Рентгеново излъчване
невидима радиация, способна да проникне, макар и в различна степен, във всички вещества. Това е електромагнитно излъчване с дължина на вълната от порядъка на 10-8 см. Подобно на видимата светлина, рентгеновите лъчи предизвикват почерняване на фотографския филм. Това свойство е важно за медицината, промишлеността и научните изследвания. Преминавайки през обекта, който се изследва и след това пада върху фотографския филм, рентгеновото лъчение изобразява неговата вътрешна 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-светли участъци на снимката от тези, през които радиацията прониква добре. По този начин костната тъкан е по-малко прозрачна за рентгеновите лъчи от тъканта, която изгражда кожата и вътрешните органи. Следователно, на рентгенографията костите ще бъдат посочени като по -светли участъци и мястото на фрактурата, което е по -прозрачно за радиация, може да бъде лесно открито. Рентгеновите лъчи също се използват в стоматологията за откриване на кариеси и абсцеси в корените на зъбите, а в промишлеността за откриване на пукнатини в корнизи, пластмаси и гуми. Рентгеновите лъчи се използват в химията за анализ на съединенията и във физиката за изследване на структурата на кристалите. Лъч от рентгенови лъчи, преминаващ през химическо съединение, причинява характерно вторично излъчване, чийто спектроскопски анализ позволява на химика да определи състава на съединението. При падане върху кристално вещество рентгеновият лъч се разпръсква от атомите на кристала, давайки ясен и правилен модел на петна и ивици върху фотографската плоча, което прави възможно установяването на вътрешната структура на кристала. Използването на рентгенови лъчи при лечение на рак се основава на факта, че убива раковите клетки. Въпреки това, той може да има нежелани ефекти и върху нормалните клетки. Следователно, когато се използват рентгенови лъчи по този начин, трябва да се внимава изключително. Рентгеновите лъчи са открити от немския физик У. Рентген (1845-1923). Името му е увековечено и в някои други физически термини, свързани с тази радиация: рентгенът е международната единица за доза йонизираща радиация; снимка, направена в рентгенов апарат, се нарича рентгенова; областта на радиологичната медицина, която използва рентгенови лъчи за диагностициране и лечение на заболяване, се нарича радиология. Рентген открива радиацията през 1895 г., когато е професор по физика във Вюрцбургския университет. Докато експериментира с катодни лъчи (потоци електрони в изпускателните тръби), той забелязва, 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 непознатите лъчи, които е открил, които той нарече рентгенови лъчи, зависи от състава на абсорбиращия материал. Той също така получи изображение на костите на собствената си ръка, като го постави между изпускателна тръба с катодни лъчи и екран, покрит с бариев цианоплатинит. Откриването на Рентген беше последвано от експерименти на други изследователи, които откриха много нови свойства и приложения на тази радиация. Голям принос направиха М. Лауе, В. Фридрих и П. Книпп, които демонстрираха през 1912 г. дифракцията на рентгеновото лъчение, когато то преминава през кристал; У. Кулидж, който през 1913 г. изобретил рентгеновата тръба с висок вакуум с нагрет катод; Г. Мозли, който установява през 1913 г. връзката между дължината на вълната на радиацията и атомния номер на елемент; Г. и Л. Браги, получили Нобелова награда през 1915 г. за разработването на основите на рентгеновия структурен анализ.
ПОЛУЧАВАНЕ Рентгеново излъчване
Рентгеновото лъчение възниква, когато електроните, движещи се с висока скорост, взаимодействат с материята. Когато електроните се сблъскат с атоми на всяко 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 рентгенова енергия. Тази енергия се освобождава под формата на кванти - частици, наречени фотони, които имат енергия, но чиято маса на покой е нула. Рентгеновите фотони се различават по своята енергия, която е обратно пропорционална на дължината на вълната им. Конвенционалният метод за производство на рентгенови лъчи произвежда широк диапазон от дължини на вълните, който се нарича рентгенов спектър. Спектърът съдържа изразени компоненти, както е показано на фиг. 1. Широк "континуум" се нарича непрекъснат спектър или бяло излъчване. Наложените върху него остри върхове се наричат ​​характерни рентгенови емисионни линии. Въпреки че целият спектър е резултат от сблъсъци на електрони с материята, механизмите за възникване 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 от даден елемент заема определено ниво на дискретна енергия. Обикновено тези обвивки или енергийни нива се обозначават със символите K, L, M и т.н., започвайки от черупката, най -близка до ядрото. Когато падащ електрон с достатъчно висока енергия се сблъска с един от електроните, свързани с атома, той избива този електрон от черупката си. Празното място е заето от друг електрон от черупката, който съответства на голяма енергия. Последният се отказва от излишната енергия чрез излъчване на рентгенов фотон. Тъй като електроните на черупките имат дискретни енергийни стойности, нововъзникващите рентгенови фотони също имат дискретен спектър. Това съответства на резки пикове за определени дължини на вълните, чиито специфични стойности зависят от целевия елемент. Характерните линии образуват K-, L- и M-сериите, в зависимост от коя обвивка (K, L или M) е отстранен електронът. Връзката между дължината на вълната на рентгеновите лъчи и атомния номер се нарича закон на Мозли (фиг. 2).

Електроните се фокусират върху анода чрез специално оформен електрод, който обгражда катода. Този електрод се нарича фокусиращ и заедно с катода образува „електронния прожектор“ на тръбата. Електронно бомбардираният анод 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, тъй като добивът на рентгенови лъчи се увеличава с увеличаване на атомния номер. Най-често като аноден материал се избира волфрам, чийто атомен номер е 74. Дизайнът на рентгеновите тръби може да бъде различен в зависимост от условията на използване и изискванията.
ОТКРИВАНЕ НА Рентгеновото излъчване
Всички методи за откриване на рентгенови лъчи се основават на взаимодействието им с материята. Детекторите могат да бъдат два вида: тези, които дават изображение, и тези, които не дават. Първите включват устройства за рентгенова флуорография и флуороскопия, при които рентгеновият лъч преминава през обекта, който се изследва, а предаваната радиация пада върху луминесцентен екран или фотографски филм. Изображението се появява поради факта, че различните части на обекта, който се изследва, абсорбират радиацията по различни начини - в зависимост от дебелината на веществото и неговия състав. В детекторите с луминисцентен екран енергията на рентгеновото лъчение се преобразува в директно наблюдавано изображение, докато при рентгеновата дифракция се записва върху чувствителна емулсия и може да се наблюдава едва след като филмът се е развил. Вторият тип детектори включва голямо разнообразие от устройства, в които енергията на рентгеновото лъчение се преобразува в електрически сигнали, характеризиращи относителната интензивност на излъчването. Това включва йонизационни камери, брояч на Гайгер, пропорционален брояч, сцинтилационен брояч и някои специални детектори на кадмиев сулфид и селенид. Понастоящем най -ефективните детектори могат да се считат за сцинтилационни броячи, които работят добре в широк диапазон от енергии.
Вижте същоДЕТЕКТОРИ НА ЧАСТИЦИ. Детекторът се избира, като се вземат предвид условията на проблема. Например, ако е необходимо точно да се измери интензитетът на дифракционната рентгенова радиация, тогава се използват броячи, които позволяват измерванията да се извършват с точност на проценти от процента. Ако е необходимо да се регистрира много голям брой дифракционни лъчи, тогава е препоръчително да се използва рентгенов филм, въпреки че в този случай е невъзможно да се определи интензивността със същата точност.
Рентгенова и гама дефектоскопия
Едно от най-често срещаните приложения на рентгеновите лъчи в промишлеността е контрол на качеството на материалите и неразрушителни тестове. Рентгеновият метод е неразрушителен, така че изпитваният материал, ако се установи, че отговаря на необходимите изисквания, може да се използва по предназначение. Както рентгеновото, така и гама лъчевото откриване на дефекти се основават на проникващата сила на рентгеновото лъчение и характеристиките на абсорбцията му в материали. Проникването 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 за тяхното изследване източник на рентгенови лъчи с по-високо напрежение, а за тънки проби е достатъчен източник с по-ниско напрежение. За откриване на дефекти с гама-лъчи на много големи отливки и големи валцувани продукти се използват бетатрони и линейни ускорители, които ускоряват частиците до енергии от 25 MeV и повече. Поглъщането на рентгеново лъчение в материал зависи от дебелината на абсорбера d и коефициента на поглъщане m и се определя по формулата I = I0e-md, където I е интензивността на радиацията, предавана през абсорбера, I0 е интензивността на падащото излъчване и e = 2.718 е основата на естествените логаритми. За даден материал при дадена дължина на вълната (или енергия) на рентгеновото излъчване коефициентът на поглъщане е постоянен. Излъчването на рентгенов източник обаче не е монохроматично, а съдържа широк спектър от дължини на вълните, в резултат на което абсорбцията при същата дебелина на абсорбера зависи от дължината на вълната (честотата) на излъчването. Рентгеновите лъчи се използват широко във всички металообработващи индустрии. Използва се и за проверка на артилерийски цеви, храни, пластмаси и за проверка на сложни устройства и системи в електронното инженерство. (За подобни цели се използва и неутронна дифракция, при която вместо рентгенови лъчи се използват неутронни лъчи.) Рентгеновите лъчи се използват и за други задачи, например за разглеждане на картини с цел установяване на тяхната автентичност или за откриване на допълнителни слоеве боя върху горния слой.
ДИФРАКЦИЯ НА Рентгеновото излъчване
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 по-малка от 10-5) определяне на междуатомните разстояния, откриване на напрежения и дефекти и за определяне на ориентацията на монокристалите. Дифракционната картина може да идентифицира неизвестни материали, както и да открие наличието на примеси в пробата и да ги определи. Значението на метода на рентгеновата дифракция за прогреса 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. Рентгеново-дифракционната кристалография е изключително важна за определяне на структурите на сложни големи молекули, като молекули на дезоксирибонуклеинова киселина (ДНК), генетичния материал на живите организми. Непосредствено след откриването на рентгеновото лъчение научният и медицинският интерес беше съсредоточен както върху способността на тази радиация да прониква в телата, така и върху нейната природа. Експериментите върху дифракцията на рентгеновото лъчение от процепи и дифракционни решетки показаха, че той 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 разположение на атомите, които образуват кристала. В някои случаи Барлоу успява правилно да предскаже кристалната структура. Величината на предвидените междуатомни разстояния беше 10–8 см. Фактът, че междуатомните разстояния бяха от порядъка на дължината на рентгеновата вълна, по принцип направи възможно наблюдението на тяхната дифракция. Резултатът беше идеята за един от най -важните експерименти в историята на физиката. М. Лауе организира експериментален тест на тази идея, който е извършен от неговите колеги У. Фридрих и П. Книпинг. През 1912 г. тримата публикуват работата си върху резултатите от рентгеновата дифракция. Принципи на рентгенова дифракция. За да се разбере явлението рентгенова дифракция, е необходимо да се разгледа по ред: първо, рентгеновият спектър, второ, естеството на кристалната структура и, трето, самото явление на дифракция. Както бе споменато по-горе, характерното рентгеново лъчение се състои от поредица от спектрални линии с висока степен на монохроматичност, определени от анодния материал. С помощта на филтри можете да изберете най -интензивните. Следователно, чрез подходящ избор на материала на анода, е възможно да се получи източник на почти монохроматично излъчване с много точно определена стойност на дължината на вълната. Характерните дължини на вълните на радиация обикновено варират от 2,285 за хром до 0,558 за сребро (стойностите за различните елементи са известни с точност до шест значими цифри). Характерният спектър се наслагва върху непрекъснатия "бял" спектър с много по -ниска интензивност, поради забавянето на падащите електрони в анода. По този начин от всеки анод могат да се получат два вида радиация: характеристика и тормозно излъчване, всеки от които играе важна роля по свой собствен начин. Атомите в кристалната структура са подредени с правилната периодичност, образувайки последователност от идентични клетки - пространствена решетка. Някои решетки (например за повечето обикновени метали) са доста прости, докато други (например за протеинови молекули) са доста сложни. За кристалната структура е характерно следното: ако човек се премести от дадена точка на една клетка в съответната точка на съседна клетка, тогава ще се намери точно същата атомна среда. И ако някой 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, перфектно подреден кристал. Въпреки това, много кристали (например метални твърди разтвори) са подредени в една или друга степен, т.е. кристалографски еквивалентни места могат да бъдат заети от различни атоми. В тези случаи не се определя позицията на всеки атом, а само позицията на атома, "статистически усреднена" за голям брой частици (или клетки). Явлението дифракция е обсъдено в статията OPTICS и читателят може да се обърне към тази статия, преди да продължи. Той показва, че ако вълните (например звук, светлина, рентгеново лъчение) преминават през малка цепка или дупка, последната може да се разглежда като вторичен източник на вълни, а изображението на цепката 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 усилване и намаляване на интерференцията на лъчите, идващи от различни дупки, възниква ясна дифракционна картина. Рентгеновата дифракция е явление за колективно разсейване, при което ролята на дупки и разсейващи центрове се играе от периодично разположени атоми на кристалната структура. Взаимното подобряване на техните изображения под определени ъгли дава дифракционен модел, подобен на този, който би възникнал при разсейване на светлината чрез триизмерна дифракционна решетка. Разсейването възниква поради взаимодействието на падащото рентгеново лъчение с електроните 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 колебания на електроните под въздействието на падащото рентгеново лъчение. Помислете сега за атом с облак от свързани електрони (заобикалящи ядрото), върху който се падат рентгенови лъчи. Електроните във всички посоки едновременно разсейват инцидента и излъчват свои собствени рентгенови лъчи със същата дължина на вълната, макар и с различна интензивност. Интензитетът на разсеяната радиация 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 интензивността се характеризира с атомния коефициент на разсейване, който играе изключително важна роля в анализа на структурата на кристалите.) Нека 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 материалът на анода. Да речем, че филтрирахме непрекъснатия спектър и получихме почти монохромен рентгенов лъч, насочен към нашата линейна верига от атоми. Условието за усилване (усилваща интерференция) е изпълнено, ако разликата в пътя между вълните, разпръснати от съседни атоми, е кратна на дължината на вълната. Ако лъчът пада под ъгъл a0 спрямо атомната линия, разделена с интервали a (период), тогава за ъгъла на дифракция a разликата в пътя, съответстваща на усилването, се записва като a (cos a - cosa0) = hl, където l е дължината на вълната, а h е цяло число (фиг. 4 и 5).

Това са трите основни уравнения на Лауе за рентгенова дифракция, като числата h, k и c са индексите на Милър за дифракционната равнина.
Вижте същоКРИСТАЛИ И КРИСТАЛОГРАФИЯ. Като се има предвид всяко 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 посоките 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 линия на пресичане е показана на фиг. 6. Съвместното решение на уравненията води до закона на Браг - Улф:

Съвременната медицинска диагностика и лечение на някои заболявания не могат да бъдат представени без апарати, които използват свойствата на рентгеновото лъчение. Откриването на рентгенови лъчи се е случило преди повече от 100 години, но дори и сега продължава работата по създаването на нови техники и устройства, които позволяват да се сведе до минимум отрицателното въздействие на радиацията върху човешкото тяло.

Кой и как е открил рентгенови лъчи

При естествени условия потокът от рентгенови лъчи е рядък и се излъчва само от някои радиоактивни изотопи. Рентгеновите лъчи или рентгеновите лъчи са открити едва през 1895 г. от немския учен Вилхелм Рьонтген. Това откритие се случи случайно, по време на експеримент за изследване на поведението на светлинните лъчи в условия, приближаващи се към вакуум. Експериментът включваше катодна газоразрядна тръба с намалено налягане и флуоресцентен екран, който започваше да свети всеки път, когато тръбата започне да работи.

Заинтригуван от странния ефект, Рентген провежда поредица от изследвания, които показват, че получената радиация, невидима за окото, може да проникне през различни препятствия: хартия, дърво, стъкло, някои метали и дори през човешкото тяло. Въпреки липсата на разбиране за самата природа на случващото се, независимо дали такова явление е причинено от генерирането на поток от неизвестни частици или вълни, бе отбелязан следният модел - радиацията лесно преминава през меките тъкани на тялото, а много по -тежки чрез твърди живи тъкани и неодушевени вещества.

Рентген не е първият, който изучава подобно явление. В средата на 19 век французинът Антоан Мейсън и англичанинът Уилям Крукс изучават подобни възможности. Независимо от това, Рентген е първият, който е изобретил катодната тръба и индикатора, които могат да се използват в медицината. Той е първият, който публикува научна работа, която му носи титлата първи лауреат на Нобелова награда сред физиците.

През 1901 г. започва плодотворно сътрудничество между трима учени, които стават основатели на радиологията и радиологията.

Рентгенови свойства

Рентгеновите лъчи са част от общия спектър на електромагнитно излъчване. Дължината на вълната се намира между гама и ултравиолетовите лъчи. Рентгеновите лъчи се характеризират с всички обичайни вълнови свойства:

• дифракция;
• пречупване;
• смущения;
• скоростта на разпространение (тя е равна на скоростта на светлината).

За изкуственото генериране на поток от рентгенови лъчи се използват специални устройства-рентгенови тръби. Рентгеновите лъчи възникват от контакта на бързи електрони на волфрам с вещества, изпаряващи се от горещ анод. На фона на взаимодействието се появяват електромагнитни вълни с малка дължина, които са в спектъра от 100 до 0,01 nm и в енергийния диапазон от 100 до 0,1 MeV. Ако дължината на вълната на лъчите е по-малка от 0,2 nm, това е твърда радиация, ако дължината на вълната е по-голяма от посочената стойност, те се наричат ​​меки рентгенови лъчи.

Показателно е, че кинетичната енергия, произтичаща от контакта на електрони и анодното вещество, се превръща в 99% в топлинна енергия и само 1% са рентгенови лъчи.

Рентгеново лъчение - тормозно излъчване и характеристика

Рентгеновото лъчение е суперпозиция от два вида лъчи - тормозно излъчване и характерни лъчи. Те се генерират в тръбата едновременно. Следователно рентгеновото облъчване и характеристиката на всяка конкретна рентгенова тръба-нейният радиационен спектър, зависи от тези показатели и представлява тяхното припокриване.

Спирането или непрекъснатите рентгенови лъчи са резултат от спирането на електрони, изпарени от волфрамовата намотка.

Характерни или линейни рентгенови лъчи се образуват в момента на пренареждане на атомите на анода на рентгеновата тръба. Дължината на вълната на характерните лъчи директно зависи от атомния номер на химичния елемент, използван за направата на тръбния анод.

Изброените свойства на рентгеновите лъчи правят възможно тяхното прилагане на практика:

• невидимост за обикновените очи;
• висока проникваща способност през живи тъкани и неодушевени материали, които не пропускат лъчите на видимия спектър;
• йонизационен ефект върху молекулярните структури.

Принципи за получаване на рентгеново изображение

Свойствата на рентгеновите лъчи, върху които се основава изобразяването, са способността или да се разлага, или да кара някои вещества да светят.

Рентгеновото облъчване причинява флуоресцентно сияние в кадмиеви и цинкови сулфиди - зелено, а в калциев волфстат - синьо. Това свойство се използва в техниката на медицинска рентгенова трансилуминация и също така увеличава функционалността на рентгеновите екрани.

Фотохимичният ефект на рентгеновите лъчи върху светлочувствителни сребърно-халогенни материали (експозиция) дава възможност за диагностика-правене на рентгенови изображения. Това свойство се използва и при измерване на стойността на общата доза, която лабораторните техници получават в рентгенови кабинети. Дозиметрите за носене на тялото имат специални чувствителни ленти и индикатори. Йонизиращият ефект на рентгеновите лъчи дава възможност да се определят качествените характеристики на получените рентгенови лъчи.

Еднократното излагане от конвенционалните рентгенови лъчи увеличава риска от рак само с 0,001%.

Области, където се използват рентгенови лъчи

Използването на рентгенови лъчи е приемливо в следните индустрии:

1. Сигурност. Стационарни и преносими устройства за откриване на опасни и забранени предмети на летища, митници или на места с много хора.
2. Химическа промишленост, металургия, археология, архитектура, строителство, възстановителни работи - за откриване на дефекти и химичен анализ на веществата.
3. Астрономия. Помага за наблюдение на космически тела и явления с помощта на рентгенови телескопи.
4. Военната индустрия. За развитието на лазерни оръжия.

Основното приложение на рентгеновите лъчи е в медицинската област. Днес разделът на медицинската рентгенология включва: радиодиагностика, лъчетерапия (рентгенова терапия), радиохирургия. Медицинските университети завършват специалисти с тесен профил - рентгенолози.

X -радиация - вреда и полза, ефект върху тялото

Високата проникваща способност и йонизиращият ефект на рентгеновите лъчи могат да причинят промяна в структурата на клетъчната ДНК, поради което е опасно за хората. Увреждането от рентгеновите лъчи е правопропорционално на получената доза радиация. Различните органи реагират на радиация в различна степен. Най -податливи са:

• костен мозък и костна тъкан;
• очна леща;
• щитовидната жлеза;
• млечни и полови жлези;
• белодробна тъкан.

Неконтролираното използване на рентгеново лъчение може да причини обратими и необратими патологии.

Последици от рентгеновото излагане:

• увреждане на костния мозък и възникване на патологии на хематопоетичната система - еритроцитопения, тромбоцитопения, левкемия;
• увреждане на лещата, с последващо развитие на катаракта;
• наследствени клетъчни мутации;
• развитието на онкологични заболявания;
• получаване на радиационни изгаряния;
• развитие на лъчева болест.

Важно! За разлика от радиоактивните вещества, рентгеновите лъчи не се натрупват в тъканите на тялото, което означава, че не е необходимо да се отстраняват рентгеновите лъчи от тялото. Вредният ефект на рентгеновите лъчи завършва, когато медицинското изделие е изключено.

Използването на рентгенови лъчи в медицината е допустимо не само за диагностика (травматология, стоматология), но и за терапевтични цели:

• малки дози рентгенови лъчи стимулират метаболизма в живите клетки и тъкани;
• определени граници на дозата се използват за лечение на онкологични и доброкачествени новообразувания.

Методи за диагностициране на патологии с помощта на рентгенови лъчи

Радиодиагностиката включва следните техники:

1. Флуороскопията е изследване, при което се получава изображение на флуоресцентен екран в реално време. Наред с класическото придобиване на изображение на част от тялото в реално време, днес съществуват технологии за рентгеново телевизионно предаване - изображението се прехвърля от флуоресцентен екран към телевизионен монитор, разположен в друга стая. Разработени са няколко цифрови метода за обработка на полученото изображение, последвано от прехвърлянето му от екрана на хартия.
2. Флуорографията е най -евтиният метод за изследване на органите на гръдния кош, който се състои в правене на намалена картина от 7x7 см. Въпреки вероятността от грешка, това е единственият начин за масово годишно изследване на населението. Методът не е опасен и не изисква отнемане на получената доза радиация от организма.
3. Рентгенография - получаване на обобщено изображение на филм или хартия, за да се изясни формата на орган, неговата позиция или тон. Може да се използва за оценка на перисталтиката и състоянието на лигавиците. Ако има избор, тогава сред съвременните рентгенови устройства трябва да се даде предимство или на цифрови устройства, където потокът от рентгенови лъчи може да бъде по-висок от този на стари устройства, и на рентгенови устройства с ниски дози с прави плоски полупроводникови детектори. Те могат да намалят натоварването на тялото 4 пъти.
4. Компютърната рентгенова томография е техника, която използва рентгенови лъчи за получаване на необходимия брой изображения на филийки на избран орган. Сред многото разновидности на съвременните CT машини нискодозовите компютърни томографи с висока разделителна способност се използват за поредица от повторни изследвания.

Лъчетерапия

Рентгеновата терапия е локално лечение. Най -често методът се използва за унищожаване на раковите клетки. Тъй като ефектът от експозицията е сравним с хирургичното отстраняване, този метод на лечение често се нарича радиохирургия.

Днес рентгеновото лечение се извършва по следните начини:

1. Външно (протонна терапия) - лъчът радиация навлиза в тялото на пациента отвън.
2. Вътрешна (брахиотерапия) - използването на радиоактивни капсули чрез имплантирането им в тялото, поставянето им по -близо до раковия тумор. Недостатъкът на този метод на лечение е, че докато капсулата не бъде отстранена от тялото, пациентът се нуждае от изолация.

Тези методи са щадящи и използването им е за предпочитане пред химиотерапията в някои случаи. Такава популярност се дължи на факта, че лъчите не се натрупват и не изискват отделяне от тялото; те имат селективен ефект, без да засягат други клетки и тъкани.

Безопасна степен на излагане на рентгенови лъчи

Този показател за допустимата годишна степен на експозиция има свое собствено име - генетично значима еквивалентна доза (GZD). Този показател няма ясни количествени стойности.

1. Този показател зависи от възрастта и желанието на пациента да има деца в бъдеще.
2. Зависи кои органи са изследвани или лекувани.
3. GZD се влияе от нивото на естествен радиоактивен фон в района на пребиваване на човека.

Днес са в сила следните усреднени стандарти за HDM:

• нивото на експозиция от всички източници, с изключение на медицинските, и без да се отчита естествената фонова радиация - 167 mRem годишно;
• нормата за годишен медицински преглед е не повече от 100 mReg годишно;
• общата безопасна стойност е 392 mRem годишно.

Рентгеновото лъчение не е необходимо да се отстранява от тялото и е опасно само в случай на интензивно и продължително излагане. Съвременното медицинско оборудване използва ниско енергийно излъчване с кратка продължителност, така че използването му се счита за относително безвредно.

Рентгеновото лъчение възниква, когато електроните, движещи се с висока скорост, взаимодействат с материята. Когато електроните се сблъскат с атоми на всяко 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 рентгенова енергия. Тази енергия се освобождава под формата на кванти - частици, наречени фотони, които имат енергия, но чиято маса на покой е нула. Рентгеновите фотони се различават по своята енергия, която е обратно пропорционална на дължината на вълната им. Конвенционалният метод за производство на рентгенови лъчи произвежда широк диапазон от дължини на вълните, който се нарича рентгенов спектър. Спектърът съдържа изразени компоненти, както е показано на фиг. 1.

Ориз. 1. РЕГУЛЕНТЕН РЕНТГЕНОВ СПЕКТР се състои от непрекъснат спектър (континуум) и характерни линии (остри пикове). Линиите Kia и Kib се появяват поради взаимодействие на ускорени електрони с електрони на вътрешната K-обвивка.

Широкият "континуум" се нарича непрекъснат спектър или бяло излъчване. Наложените върху него остри върхове се наричат ​​характерни рентгенови емисионни линии. Въпреки че целият спектър е резултат от сблъсъци на електрони с материята, механизмите за възникване 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 от даден елемент заема определено ниво на дискретна енергия. Обикновено тези обвивки или енергийни нива се обозначават със символите K, L, M и т.н., започвайки от черупката, най -близка до ядрото. Когато падащ електрон с достатъчно висока енергия се сблъска с един от електроните, свързани с атома, той избива този електрон от черупката си. Празното място е заето от друг електрон от черупката, който съответства на голяма енергия. Последният се отказва от излишната енергия чрез излъчване на рентгенов фотон. Тъй като електроните на черупките имат дискретни енергийни стойности, нововъзникващите рентгенови фотони също имат дискретен спектър. Това съответства на резки пикове за определени дължини на вълните, чиито специфични стойности зависят от целевия елемент. Характерните линии образуват K-, L- и M-сериите, в зависимост от коя обвивка (K, L или M) е отстранен електронът. Връзката между дължината на вълната на рентгеновите лъчи и атомния номер се нарича закон на Мозли (фиг. 2).

Ориз. 2. ДЪЛЖИНАТА НА ВЪЛНАТА НА ХАРАКТЕРНОТО Рентгеново излъчване, излъчвано от химични елементи, зависи от атомния номер на елемента. Кривата съответства на закона на Мозли: колкото по -висок е атомният номер на елемент, толкова по -къса е дължината на вълната на характерната линия.

Ако електрон удари относително тежко ядро, той се забавя и неговата кинетична енергия се освобождава под формата на рентгенов фотон с приблизително същата енергия. Ако прелети покрай ядрото, ще загуби само част от енергията си, а останалата част ще бъде прехвърлена на други атоми, които попаднат 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 минимална 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 мишена, а непрекъснатият спектър се определя от енергията на електронния лъч и е практически независим от материала на мишената.

Рентгеновите лъчи могат да бъдат получени не само чрез електронна бомбардировка, но и чрез облъчване на целта с рентгенови лъчи от друг източник. В този случай обаче по-голямата част от енергията на падащия лъч преминава в характерния рентгенов спектър и много малка част от него пада върху непрекъснатия. Очевидно падащият рентгенов лъч трябва да съдържа фотони, чиято енергия е достатъчна за възбуждане на характерните линии на бомбардирания елемент. Високият процент енергия в характерния спектър прави този метод на рентгеново възбуждане удобен за научни изследвания.

Рентгенови тръби. За да получите рентгеново лъчение поради взаимодействието на електроните с материята, трябва да имате източник на електрони, средства за ускоряването им до високи скорости и цел, която може да издържи електронна бомбардировка и да произведе рентгенови лъчи с необходимия интензитет. Устройството, което съдържа всичко това, се нарича рентгенова тръба. Първите изследователи са използвали „дълбоко евакуирани“ тръби от типа на съвременните газоразрядни тръби. Вакуумът в тях не беше много голям.

Газоразрядните тръби съдържат малко количество газ и когато се приложи голяма разлика в потенциала върху електродите на тръбата, газовите атоми се превръщат в положителни и отрицателни йони. Положителните се преместват към отрицателния електрод (катод) и, падайки върху него, избиват електрони от него, а те от своя страна се придвижват към положителния електрод (анод) и, бомбардирайки го, създават поток от рентгенови фотони.

В съвременната рентгенова тръба, разработена от Coolidge (фиг. 3), източникът на електрони е волфрамов катод, нагрят до висока температура. Електроните се ускоряват до високи скорости поради голямата потенциална разлика между анода (или антикатода) и катода. Тъй като електроните трябва да достигнат анода, без да се сблъскват с атомите, е необходим много висок вакуум, за който тръбата трябва да бъде добре евакуирана. Това също намалява вероятността от йонизация на останалите газови атоми и произтичащите странични токове.

Ориз. 3. ОХЛАЖДАЩА РЕНТГЕНОВА ТРУБА. Когато е бомбардиран с електрони, волфрамовият антикатод излъчва характерни рентгенови лъчи. Напречното сечение на рентгеновия лъч е по-малко от действителната облъчена площ. 1 - електронен лъч; 2 - катод с фокусиращ електрод; 3 - стъклена обвивка (тръба); 4 - волфрамова мишена (антикатод); 5 - нишка на катода; 6 - действително облъчена зона; 7 - ефективно фокусно петно; 8 - меден анод; 9 - прозорец; 10 - разпръснато рентгеново лъчение.

Електроните се фокусират върху анода чрез специално оформен електрод, който обгражда катода. Този електрод се нарича фокусиращ и заедно с катода образува „електронния прожектор“ на тръбата. Електронно бомбардираният анод 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, тъй като добивът на рентгенови лъчи се увеличава с увеличаване на атомния номер. Най -често като аноден материал се избира волфрам, чийто атомен номер е 74.

Дизайнът на рентгеновите тръби може да варира в зависимост от приложението и изискванията.