Röntgenikiirguse kasutamine. Kristalli struktuuri puuduste analüüs. Röntgenikiirgus rasedatele naistele

VENEMAA FÖDERAATSIOONI FÖDERAALNE HARIDUSAMET

RIIKLIK HARIDUSASUTUS

KÕRGHARIDUS

MOSKVA RIIKLIK TERASE JA SULAMITE INSTITUUT

(TEHNOLOOGIAÜLIKOOL)

NOVOTROITSKI HARU

OEND osakond

KURSUSETÖÖ

Distsipliin: füüsika

Teema: Röntgen

Õpilane: Nedorezova N.A.

Rühm: EiU-2004-25, nr З.К.: 04Н036

Kontrollis: Ozhegova S.M.

Sissejuhatus

1. peatükk

1.1 Roentgen Wilhelm Conradi elulugu

1.2 Röntgenikiirguse avastamine

2. peatükk

2.1 Röntgenikiirguse allikad

2.2 Röntgenikiirguse omadused

2.3 Röntgenikiirguse registreerimine

2.4 Röntgenikiirguse kasutamine

3. peatükk

3.1 Kristallstruktuuri puuduste analüüs

3.2 Spektri analüüs

Järeldus

Kasutatud allikate loetelu

Rakendused

Sissejuhatus

Harv inimene pole röntgenikabinetist läbi käinud. Röntgenpildis tehtud pildid on kõigile tuttavad. 1995. aastal oli see avastus 100 aastat vana. Raske on ette kujutada, kui suurt huvi see sajand tagasi äratas. Mehe käes osutus aparaat, millega oli võimalik näha nähtamatut.

Seda nähtamatut kiirgust, mis on võimeline tungima, ehkki erineval määral, kõigisse ainetesse, mis on umbes 10–8 cm lainepikkusega elektromagnetkiirgus, nimetati selle avastanud Wilhelm Roentgeni auks röntgenkiirguseks.

Nagu nähtav valgus, põhjustab röntgenikiirgus fotofilmi mustaks muutumist. See omadus on meditsiini, tööstuse ja teadusuuringute jaoks väga oluline. Uuritavat objekti läbides ja seejärel filmile langedes kujutab röntgenkiirgus sellel oma sisemist struktuuri. Kuna röntgenikiirguse läbitungimisvõime on erinevate materjalide puhul erinev, annavad sellele vähem läbipaistvad objekti osad fotol heledamad alad kui need, millest kiirgus hästi läbi tungib. Seega on luukoed röntgenikiirgusele vähem läbipaistvad kui naha ja siseorganite kuded. Seetõttu on röntgenpildil näha luud heledamate piirkondadena ja kiirgusele vähem läbipaistev murdekoht on üsna hõlpsasti tuvastatav. Röntgenpilti kasutatakse ka hambaravis hambajuurte kaariese ja abstsesside avastamiseks, samuti tööstuses valandite, plastide ja kummide pragude tuvastamiseks, keemias ühendite analüüsimiseks ning füüsikas kristallide struktuuri uurimiseks. .

Röntgeni avastamisele järgnesid teiste teadlaste katsed, kes avastasid palju uusi omadusi ja võimalusi selle kiirguse rakendamiseks. Suure panuse andsid M. Laue, W. Friedrich ja P. Knipping, kes 1912. aastal demonstreerisid röntgenkiirte difraktsiooni kristalli läbimisel; W. Coolidge, kes 1913. aastal leiutas kuumutatud katoodiga kõrgvaakumröntgentoru; G. Moseley, kes tegi 1913. aastal kindlaks seose kiirguse lainepikkuse ja elemendi aatomnumbri vahel; G. ja L. Braggy, kes said 1915. aastal Nobeli preemia röntgendifraktsioonianalüüsi põhialuste väljatöötamise eest.

Selle kursusetöö eesmärk on uurida röntgenkiirguse nähtust, avastamise ajalugu, omadusi ja teha kindlaks selle rakendusala.

1. peatükk

1.1 Roentgen Wilhelm Conradi elulugu

Wilhelm Conrad Roentgen sündis 17. märtsil 1845 Saksamaa piirialal Hollandiga Lenepe linnas. Tehnilise hariduse omandas ta Zürichis samas Kõrgemas Tehnikakoolis (Polütehnikumis), kus Einstein hiljem õppis. Kirg füüsika vastu sundis teda pärast kooli lõpetamist 1866. aastal kehalist kasvatust jätkama.

1868. aastal kaitses ta väitekirja filosoofiadoktori kraadi saamiseks, töötas füüsikaosakonna assistendina algul Zürichis, seejärel Giessenis ja seejärel Strasbourgis (1874-1879) Kundti juures. Siin läbis Roentgen hea eksperimentaalkooli ja temast sai esmaklassiline eksperimenteerija. Osa olulisest uurimistööst viis Röntgen läbi koos oma õpilase, nõukogude füüsika ühe rajaja A.F. Ioff.

Teaduslikud uuringud on seotud elektromagnetismi, kristallfüüsika, optika ja molekulaarfüüsikaga.

1895. aastal avastas ta ultraviolettkiirte (röntgenikiirte) lainepikkusest lühema lainepikkusega kiirguse, mida hiljem nimetati röntgenkiirteks, ning uuris nende omadusi: võimet peegelduda, neelata, ioniseerida õhku jne. Ta pakkus välja röntgenikiirte saamiseks toru õige konstruktsiooni - kaldus plaatina antikatoodi ja nõgusa katood: ta oli esimene, kes pildistas röntgenikiirgust kasutades. 1885. aastal avastas ta elektriväljas liikuva dielektriku magnetvälja (nn "röntgenivool"), tema kogemused näitasid selgelt, et magnetväli tekib laengute liikumisel ja see oli oluline elektriväljas liikuva dielektriku loomisel. X. Lorentzi elektroonikateooria.Märkimisväärne hulk Röntgeni töid on pühendatud vedelike, gaaside, kristallide, elektromagnetiliste nähtuste omaduste uurimisele, avastas elektriliste ja optiliste nähtuste seose kristallides.Tema nime kandvate kiirte avastamiseks Roentgen oli 1901. aastal esimene füüsikute seas, kellele anti Nobeli preemia.

Aastast 1900 kuni oma elu viimaste päevadeni (suri 10. veebruaril 1923) töötas ta Müncheni ülikoolis.

1.2 Röntgenikiirguse avastamine

19. sajandi lõpp iseloomustas suurenenud huvi elektri gaaside kaudu liikumise nähtuste vastu. Isegi Faraday uuris neid nähtusi tõsiselt, kirjeldas erinevaid tühjenemise vorme, avastas helendavas gaasisambas tumeda ruumi. Faraday tume ruum eraldab sinaka katoodhõõgu roosakast anoodihõõgust.

Gaasi haruldase edasine suurenemine muudab märkimisväärselt hõõgumise olemust. Matemaatik Plücker (1801-1868) avastas 1859. aastal piisavalt tugeva harvendamise korral katoodist lähtuva nõrgalt sinaka kiirtekiire, mis jõudis anoodini ja pani toru klaasi hõõguma. Plückeri õpilane Gittorf (1824-1914) jätkas 1869. aastal oma õpetaja uurimistööd ja näitas, et kui katoodi ja selle pinna vahele asetada tahke keha, tekib toru fluorestseeruvale pinnale selge vari.

Goldstein (1850-1931), uurides kiirte omadusi, nimetas neid katoodkiirteks (1876). Kolm aastat hiljem tõestas William Crookes (1832-1919) katoodkiirte materiaalset olemust ja nimetas neid "kiirgusaineks" - aineks erilises neljandas olekus. Tema tõendid olid veenvad ja selged. "Crookesi toruga" tehti katseid hiljem. demonstreeritud kõigis kehalistes klassides . Katoodkiire kõrvalekaldumine magnetvälja mõjul Crookesi torus on muutunud klassikaliseks kooliesitluseks.

Katoodkiirte elektrilise läbipainde katsed ei olnud aga nii veenvad. Hertz sellist kõrvalekallet ei tuvastanud ja jõudis järeldusele, et katoodkiir on eetris võnkuv protsess. Katoodkiirtega katsetades näitas Hertzi õpilane F. Lenard 1893. aastal, et need läbivad alumiiniumfooliumiga kaetud akna ja tekitavad aknataguses ruumis kuma. Hertz pühendas oma viimase 1892. aastal avaldatud artikli katoodkiirte läbimise nähtusele läbi õhukeste metallkehade. See algas sõnadega:

"Katoodkiired erinevad valgusest märkimisväärselt oma võime poolest tahkeid aineid läbistada." Kirjeldades katsete tulemusi katoodkiirte läbimise kohta läbi kulla, hõbeda, plaatina, alumiiniumi jne lehtede, märgib Hertz, et ta ei teinud seda. jälgige nähtuste erilisi erinevusi Kiired ei läbi lehti sirgjooneliselt, vaid hajuvad difraktsiooni teel.Katoodkiirte olemus oli endiselt ebaselge.

Just selliste Crookesi, Lenardi ja teiste torudega katsetas Würzburgi professor Wilhelm Konrad Roentgen 1895. aasta lõpus. Ükskord pärast katse lõppu sulges ta toru musta papist kaanega, kustutas tule, kuid ei lülitanud välja toru toitavat induktiivpooli, ta märkas toru lähedal asuva baariumtsüanogeeni ekraani sära. Sellest asjaolust rabatuna hakkas Roentgen ekraaniga katsetama. Oma esimeses aruandes "Uut tüüpi kiirtest", 28. detsembril 1895, kirjutas ta nendest esimestest katsetest: "Baariumplaatinatsüaniidiga kaetud paberitükk torule lähenedes, suletud õhukese musta kattega. papp, mis sobib selle külge piisavalt tihedalt, iga tühjenemisega vilgub see ereda valgusega: see hakkab fluorestseerima. Fluorestsents on nähtav piisava tumenemise korral ja ei sõltu sellest, kas toome paberi, mille külg on kaetud baariumsünerogeeniga või mitte. Fluorestsents on märgatav isegi kahe meetri kaugusel torust.

Hoolikas uurimine näitas Roentgenile, et "musta pappi, mis ei ole läbipaistev ei päikese nähtavale ja ultraviolettkiirgusele ega ka elektrikaare kiirtele, tungib läbi mingi fluorestseeruv aine." Röntgen uuris selle "aine" läbitungimisvõimet. , mida ta nimetas lühiduseks "röntgenikiirguseks", erinevate ainete jaoks.Ta leidis, et kiired läbivad vabalt paberit, puitu, eboniiti, õhukesi metallikihte, kuid plii mõjub tugevalt edasi.

Seejärel kirjeldab ta sensatsioonilist kogemust:

"Kui hoiate oma kätt väljalasketoru ja ekraani vahel, näete luude tumedaid varje käe enda varju nõrkades piirjoontes." See oli esimene inimkeha röntgenuuring. Röntgen sai ka esimesed röntgenipildid need käe külge kinnitades.

Need kaadrid jätsid tohutu mulje; avastus polnud veel lõppenud ja röntgendiagnostika oli juba oma teekonda alustanud. "Minu labor oli üle ujutatud arstidega, kes tõid kohale patsiente, kes kahtlustasid, et neil on nõelad erinevates kehaosades," kirjutas inglise füüsik Schuster.

Juba pärast esimesi katseid tegi Roentgen kindlalt kindlaks, et röntgenikiirgus erineb katoodkiirtest, nad ei kanna laengut ega kaldu magnetvälja poolt kõrvale, kuid neid ergastab katoodkiired. "Röntgenikiirgus ei ole katoodiga identne. kiirtega, kuid nad erutavad neid väljalasketoru klaasseintes, ”kirjutas Roentgen.

Ta tuvastas ka, et nad ei eruta mitte ainult klaasist, vaid ka metallidest.

Mainides Hertz-Lenardi hüpoteesi, et katoodkiired "on eetris esinev nähtus", märgib Roentgen, et "me võime öelda midagi sarnast oma kiirte kohta". Siiski ei õnnestunud tal tuvastada kiirte lainelisi omadusi, need „käituvad teisiti kui seni tuntud ultraviolett-, nähtavad, infrapunakiired. , väljendas ta hiljem jäänud oletust, et need võivad olla eetris olevad pikilained.

Röntgeni avastus äratas teadusmaailmas suurt huvi. Tema katseid korrati peaaegu kõigis maailma laborites. Moskvas kordas neid P.N. Lebedev. Peterburis leidis raadio A.S. Popov katsetas röntgenikiirgust, demonstreeris neid avalikel loengutel, saades erinevaid röntgenikiirgusid. Cambridge'is D.D. Thomson rakendas kohe röntgenkiirte ioniseerivat toimet, et uurida elektri läbipääsu gaasidest. Tema uurimistöö viis elektroni avastamiseni.

2. peatükk

Röntgenkiirgus – elektromagnetiline ioniseeriv kiirgus, mis hõivab gamma- ja ultraviolettkiirguse vahelise spektripiirkonna lainepikkustel 10 -4 kuni 10 3 (10 -12 kuni 10 -5 cm).R. l. lainepikkusega λ< 2 условно называются жёсткими, с λ >2 - pehme.

2.1 Röntgenikiirguse allikad

Kõige tavalisem röntgenikiirguse allikas on röntgenitoru. - elektrovaakumseade toimib röntgenikiirguse allikana. Selline kiirgus tekib siis, kui katoodi poolt emiteeritud elektronid aeglustuvad ja tabavad anoodi (antikatoodi); sel juhul muundub anoodi ja katoodi vahelises ruumis tugeva elektrivälja toimel kiirendatud elektronide energia osaliselt röntgenienergiaks. Röntgentoru kiirgus on röntgenikiirguse superpositsioon anoodimaterjali iseloomulikule kiirgusele. Röntgentorusid eristatakse: elektronivoolu saamise meetodi järgi - termilise (kuumutatud) katoodiga, väljaemissiooniga (otsaga) katoodiga, positiivsete ioonidega pommitatud katoodiga ja radioaktiivse (β) elektroniallikaga; tolmuimemismeetodi järgi - suletud, kokkupandav; vastavalt kiirgusajale - pidev toime, impulss; vastavalt anoodjahutuse tüübile - veega, õliga, õhuga, kiirgusjahutusega; vastavalt fookuse suurusele (kiirgusala anoodil) - makrofookus, terav fookus ja mikrofookus; kuju järgi - rõngas, ümmargune, joonitud; vastavalt elektronide anoodile fokuseerimise meetodile - elektrostaatilise, magnetilise, elektromagnetilise fokuseerimisega.

Röntgenikiirte struktuurianalüüsis kasutatakse röntgentorusid (Lisa 1), röntgenspektraalanalüüs, vigade tuvastamine (Lisa 1), röntgendiagnostika (Lisa 1), kiiritusravi , röntgenmikroskoopia ja mikroradiograafia. Kõigis valdkondades kasutatakse kõige laialdasemalt suletud röntgentorusid, millel on termioonkatoodi, vesijahutusega anoodi ja elektrostaatilise elektronide teravustamise süsteem (lisa 2). Röntgentorude termokatoodiks on tavaliselt elektrivooluga kuumutatud volframtraadi spiraalne või sirge hõõgniit. Anoodi töölõik - metallist peegelpind - asub elektronide voolu suhtes risti või mingi nurga all. Suure energia ja intensiivsusega röntgenkiirguse pideva spektri saamiseks kasutatakse Au, W anoode; Struktuurianalüüsis kasutatakse Ti, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Ag anoodidega röntgentorusid.

Röntgentorude põhiomadused on maksimaalne lubatud kiirenduspinge (1-500 kV), elektrooniline vool (0,01 mA - 1A), anoodi poolt hajutatud erivõimsus (10-10 4 W / mm 2), koguvõimsustarve (0,002 W – 60 kW) ja fookuse suurused (1 µm – 10 mm). Röntgentoru efektiivsus on 0,1-3%.

Mõned radioaktiivsed isotoobid võivad olla ka röntgenikiirguse allikad. : mõned neist kiirgavad otse röntgenikiirgust, teiste tuumakiirgus (elektronid või λ-osakesed) pommitab metallist sihtmärki, mis kiirgab röntgenikiirgust. Isotoopallikate röntgenikiirguse intensiivsus on mitu suurusjärku väiksem kui röntgentoru kiirgusintensiivsus, kuid isotoopallikate mõõtmed, kaal ja maksumus on võrreldamatult väiksemad kui röntgentoruga.

Mitme GeV energiaga sünkrotronid ja elektronide salvestamise rõngad võivad olla pehmete röntgenikiirte allikad, mille λ suurus on kümneid ja sadu. Intensiivsuselt ületab sünkrotronide röntgenikiirgus röntgentoru kiirgust spektri määratud piirkonnas 2-3 suurusjärku.

Looduslikud röntgenikiirguse allikad - Päike ja muud kosmoseobjektid.

2.2 Röntgenikiirguse omadused

Olenevalt röntgenkiirte tekkemehhanismist võivad nende spektrid olla pidevad (bremsstrahlung) või joonelised (karakteristikud). Kiiresti laetud osakesed kiirgavad pidevat röntgenikiirguse spektrit nende aeglustumise tulemusena, kui nad suhtlevad sihtaatomitega; see spekter saavutab märkimisväärse intensiivsuse ainult siis, kui sihtmärki pommitatakse elektronidega. Bremsstrahlung röntgenkiirte intensiivsus jaotub kõikidele sagedustele kuni kõrgsageduspiirini 0, mille juures footoni energia h 0 (h on Plancki konstant ) võrdub pommitavate elektronide energiaga eV (e on elektronide laeng, V on nendest läbitava kiirendusvälja potentsiaalide erinevus). See sagedus vastab spektri lühilainepikkusele 0 = hc/eV (c on valguse kiirus).

Joonkiirgus tekib pärast aatomi ioniseerimist elektronide väljutamisega ühest selle sisekestest. Selline ionisatsioon võib tuleneda aatomi kokkupõrkest kiire osakese, näiteks elektroniga (primaarne röntgenikiirgus) või footoni neeldumine aatomi poolt (fluorestseeruv röntgenikiirgus). Ioniseeritud aatom satub algkvantolekusse ühel kõrgel energiatasemel ja läheb 10 -16 -10 -15 sekundi pärast madalama energiaga lõppolekusse. Sel juhul võib aatom eraldada liigse energia teatud sagedusega footoni kujul. Sellise kiirguse spektrijoonte sagedused on iseloomulikud iga elemendi aatomitele, seepärast nimetatakse joonröntgeni spektrit iseloomulikuks. Selle spektri joonsageduse sõltuvus aatomarvust Z määratakse Moseley seadusega.

Moseley seadus, seadus, mis seob keemilise elemendi iseloomuliku röntgenkiirguse spektrijoonte sagedust selle seerianumbriga. G. Moseley katseliselt paigaldatud aastal 1913. Moseley seaduse järgi on elemendi iseloomuliku kiirguse spektrijoone sageduse  ruutjuur lineaarfunktsioon selle järjekorranumbrist Z:

kus R on Rydbergi konstant , S n - sõelumiskonstant, n - peamine kvantarv. Moseley diagrammil (lisa 3) on sõltuvus Z-st sirgjoonte jada (K-, L-, M- jne seeriad, mis vastavad väärtustele n = 1, 2, 3,.).

Moseley seadus oli ümberlükkamatu tõestus elementide õigest paigutusest elementide perioodilises tabelis DI. Mendelejev ja aitas kaasa Z füüsilise tähenduse selgitamisele.

Kooskõlas Moseley seadusega ei näita röntgenikiirguse iseloomulikud spektrid optilistele spektritele omaseid perioodilisi mustreid. See näitab, et kõigi iseloomulikes röntgenispektrites esinevate elementide aatomite sisemised elektronkestad on sarnase struktuuriga.

Hilisemad katsed näitasid mõningaid kõrvalekaldeid lineaarsest sõltuvusest elementide üleminekurühmade puhul, mis on seotud väliste elektronkihtide täitumise järjekorra muutumisega, aga ka raskete aatomite puhul, mis ilmnesid relativistlike mõjude tulemusena (tinglikult seletatav asjaolu, et sisemiste kiirused on võrreldavad valguse kiirusega).

Olenevalt mitmetest teguritest – tuumas olevate nukleonide arvust (isotooniline nihe), väliste elektronkihtide olekust (keemiline nihe) jne – võib spektrijoonte asend Moseley diagrammil mõnevõrra muutuda. Nende nihete uurimine võimaldab saada üksikasjalikku teavet aatomi kohta.

Väga õhukeste sihtmärkide poolt kiiratavad Bremsstrahlung-röntgenikiirgus on nulli lähedal täielikult polariseeritud; kui 0 väheneb, väheneb polarisatsiooniaste. Iseloomulik kiirgus ei ole reeglina polariseeritud.

Kui röntgenikiirgus ainega suhtleb, võib tekkida fotoelektriline efekt. , millega kaasneb röntgenkiirte neeldumine ja hajumine, täheldatakse fotoelektrilist efekti siis, kui röntgenfootoni neelav aatom paiskab välja ühe oma siseelektroni, misjärel võib see teha kiirgusülemineku, kiirgades iseloomuliku footoni. kiirgust või eraldavad mittekiirgusliku ülemineku ajal teise elektroni (Auger elektron). Röntgenikiirguse mõjul mittemetallilistele kristallidele (näiteks kivisoolale) ilmuvad aatomvõre mõnes sõlmes täiendava positiivse laenguga ioonid ja nende lähedale ilmuvad liigsed elektronid. Selliseid häireid kristallide struktuuris nimetatakse röntgenikiirguse eksitoniteks , on värvikeskused ja kaovad ainult temperatuuri olulise tõusuga.

Kui röntgenikiirgus läbib ainekihi paksusega x, väheneb nende esialgne intensiivsus I 0 väärtuseni I = I 0 e - μ x, kus μ on sumbumiskoefitsient. I sumbumine toimub kahe protsessi tõttu: röntgenfootonite neeldumine aine poolt ja nende suuna muutumine hajumise käigus. Spektri pika lainepikkusega piirkonnas on ülekaalus röntgenkiirte neeldumine, lühikese lainepikkusega piirkonnas nende hajumine. Neeldumisaste suureneb Z ja λ suurenedes kiiresti. Näiteks kõva röntgenikiirgus tungib vabalt läbi õhukihi ~ 10 cm; 3 cm paksune alumiiniumplaat nõrgendab röntgenikiirgust λ = 0,027 poole võrra; pehmed röntgenikiirgused neelduvad oluliselt õhus ning nende kasutamine ja uurimine on võimalik ainult vaakumis või nõrgalt neelduvas gaasis (näiteks He). Röntgenikiirguse neeldumisel aine aatomid ioniseeritakse.

Röntgenikiirguse mõju elusorganismidele võib olla kasulik või kahjulik, olenevalt nende poolt kudedes tekitatavast ionisatsioonist. Kuna röntgenikiirguse neeldumine sõltub λ-st, ei saa nende intensiivsus olla röntgenikiirte bioloogilise mõju mõõt. Röntgenikiirguse mõju mõõtmiseks ainele kasutatakse röntgenikiirguse mõõtmisi. , mõõtühikuks on röntgen

Röntgenikiirguse hajumine suurte Z ja λ piirkonnas toimub peamiselt ilma λ muutumiseta ja seda nimetatakse koherentseks hajumiseks, samas kui väikeste Z ja λ piirkonnas see reeglina suureneb (ebaühtlane hajumine). Röntgenikiirguse ebaühtlast hajumist on kahte tüüpi – Comptoni ja Ramani. Comptoni hajumises, millel on mitteelastse korpuskulaarse hajumise iseloom, lendab röntgenfootoni poolt osaliselt kaotatud energia tõttu aatomi kestast välja tagasilöögielektron. Sel juhul footoni energia väheneb ja selle suund muutub; λ muutus sõltub hajumise nurgast. Suure energiaga röntgenfootoni Ramani hajumisel valgusaatomi poolt kulub väike osa selle energiast aatomi ioniseerimisele ja footoni liikumise suund muutub. Selliste footonite muutumine ei sõltu hajumise nurgast.

Röntgenikiirguse murdumisnäitaja n erineb 1-st väga väikese koguse δ = 1-n ≈ 10 -6 -10 -5 võrra. Röntgenikiirguse faasikiirus keskkonnas on suurem kui valguse kiirus vaakumis. Röntgenikiirguse kõrvalekalle üleminekul ühest keskkonnast teise on väga väike (mõned kaareminutid). Kui röntgenikiirgus langeb vaakumist keha pinnale väga väikese nurga all, toimub nende täielik välispeegeldus.

2.3 Röntgenikiirguse registreerimine

Inimese silm ei ole röntgenikiirguse suhtes tundlik. röntgen

kiired salvestatakse spetsiaalse röntgenfilmi abil, mis sisaldab suurenenud kogust Ag, Br. Piirkonnas λ<0,5 чувствительность этих плёнок быстро падает и может быть искусственно повышена плотно прижатым к плёнке флуоресцирующим экраном. В области λ>5, on tavalise positiivse filmi tundlikkus üsna kõrge ja selle terad on palju väiksemad kui röntgenkile terad, mis suurendab eraldusvõimet. λ suurusjärgus kümneid ja sadu toimib röntgenikiirgus ainult fotograafilise emulsiooni kõige õhemale pinnakihile; kile tundlikkuse suurendamiseks sensibiliseeritakse see luminestsentsõlidega. Röntgendiagnostikas ja vigade tuvastamisel kasutatakse mõnikord röntgenikiirte salvestamiseks elektrofotograafiat. (elektroradiograafia).

Suure intensiivsusega röntgenikiirgust saab salvestada ionisatsioonikambri abil (4. lisa), keskmise ja madala intensiivsusega röntgenikiirgus λ juures< 3 - сцинтилляционным счётчиком NaI (Tl) kristalliga (5. lisa), 0,5 juures< λ < 5 - счётчиком Гейгера - Мюллера (lisa 6) ja joodetud proportsionaalse loenduri (Lisa 7), 1< λ < 100 - проточным пропорциональным счётчиком, при λ < 120 - полупроводниковым детектором (Lisa 8). Väga suure λ piirkonnas (kümnetest 1000-ni) saab röntgenikiirguse salvestamiseks kasutada avatud tüüpi sekundaarseid elektronkordistiid, mille sisendis on erinevad fotokatoodid.

2.4 Röntgenikiirguse kasutamine

Röntgenikiirgust kasutatakse meditsiinis kõige laialdasemalt röntgendiagnostikas. ja kiiritusravi . Röntgenikiirguse vigade tuvastamine on oluline paljude tehnoloogiaharude jaoks. , näiteks valandite sisemiste defektide (kestad, räbu lisandid), rööbaste pragude, keevisõmbluste defektide tuvastamiseks.

Röntgeni struktuurianalüüs võimaldab määrata aatomite ruumilise paigutuse mineraalide ja ühendite kristallvõres, anorgaanilistes ja orgaanilistes molekulides. Arvukate juba dešifreeritud aatomistruktuuride põhjal saab lahendada ka pöördprobleemi: röntgeni mustri järgi polükristalliline aine, näiteks legeerteras, sulam, maak, kuumuld, saab kindlaks teha selle aine kristalse koostise, s.t. viidi läbi faasianalüüs. Arvukad rakendused R. l. tahkete ainete omaduste uurimiseks kasutatakse materjalide radiograafiat .

Röntgenmikroskoopia võimaldab näiteks saada kujutist rakust, mikroorganismist, näha nende sisemist struktuuri. Röntgenspektroskoopia röntgenspektrite abil uurib ta elektrooniliste olekute tiheduse energiajaotust erinevates ainetes, uurib keemilise sideme olemust ning leiab ioonide efektiivse laengu tahketes ainetes ja molekulides. Spektraalne röntgenikiirguse analüüs iseloomuliku spektri joonte asukoha ja intensiivsuse järgi võimaldab teil määrata aine kvalitatiivse ja kvantitatiivse koostise ning seda kasutatakse materjalide koostise ekspressiivseks mittepurustavaks kontrolliks metallurgia- ja tsemenditehastes ning töötlemisettevõtetes. Nende ettevõtete automatiseerimisel kasutatakse aine koostise anduritena röntgenspektromeetreid ja kvantomeetreid.

Kosmosest tulev röntgenikiirgus kannab teavet kosmiliste kehade keemilise koostise ja ruumis toimuvate füüsikaliste protsesside kohta. Röntgenastronoomia tegeleb kosmilise röntgenikiirte uurimisega . Võimsat röntgenikiirgust kasutatakse kiirguskeemias teatud reaktsioonide, materjalide polümerisatsiooni ja orgaaniliste ainete pragunemise stimuleerimiseks. Röntgenikiirgust kasutatakse ka hilise maalikihi alla peidetud iidsete maalide tuvastamiseks, toiduainetööstuses kogemata toiduainetesse sattunud võõrkehade tuvastamiseks, kohtuekspertiisi, arheoloogia jm.

3. peatükk

Röntgendifraktsioonanalüüsi üks peamisi ülesandeid on materjali materjali või faasikoostise määramine. Röntgendifraktsioonimeetod on otsene ja seda iseloomustab kõrge töökindlus, kiirus ja suhteline odavus. Meetod ei nõua suurt kogust ainet, analüüsi saab läbi viia detaili hävitamata. Kvalitatiivse faasianalüüsi rakendusalad on väga mitmekesised nii teadusuuringute kui ka tootmise kontrollimise jaoks. Saate kontrollida metallurgilise tootmise tooraine koostist, sünteesitooteid, töötlemist, faasimuutuste tulemust termilise ja keemilis-termilise töötlemise käigus, analüüsida erinevaid katteid, õhukesi kilesid jne.

Iga faasi, millel on oma kristallstruktuur, iseloomustab teatud tasanditevaheliste kauguste d / n diskreetsete väärtuste kogum maksimaalsest ja allapoole, mis on omane ainult sellele faasile. Nagu Wulf-Braggi võrrandist järeldub, vastab iga tasanditevahelise kauguse väärtus polükristallilise proovi röntgendifraktsioonimustri joonele teatud nurga θ all (lainepikkuse λ antud väärtuse juures). Seega vastab teatud joonte süsteem (difraktsioonimaksimumid) röntgendifraktsioonimustri iga faasi teatud tasanditevaheliste kauguste komplektile. Nende joonte suhteline intensiivsus röntgenpildis sõltub eelkõige faasi struktuurist. Seega, määrates röntgenpildil joonte asukoha (selle nurga θ) ja teades röntgenpildi tegemise aluseks oleva kiirguse lainepikkust, on võimalik määrata tasanditevaheliste kauguste väärtused. d/n, kasutades Wulf-Braggi valemit:

/n = λ/ (2sin θ). (üks)

Määrates uuritava materjali d/n hulga ja võrreldes seda varem tuntud puhaste ainete, nende erinevate ühendite d/n andmetega, on võimalik kindlaks teha, millise faasi see materjal moodustab. Tuleb rõhutada, et määratakse kindlaks faasid, mitte keemiline koostis, kuid viimast saab mõnikord järeldada, kui on olemas lisaandmeid konkreetse faasi elementaarse koostise kohta. Kvalitatiivse faasianalüüsi ülesannet hõlbustab oluliselt see, kui on teada uuritava materjali keemiline koostis, sest siis on võimalik teha esialgseid eeldusi antud juhul võimalike faaside kohta.

Faasianalüüsi võtmeks on d/n ja joone intensiivsuse täpne mõõtmine. Kuigi seda on difraktomeetriga põhimõtteliselt lihtsam saavutada, on kvalitatiivse analüüsi fotomeetodil mõned eelised, eeskätt tundlikkuse (võime tuvastada väikese koguse faasi olemasolu proovis) ja ka analüüsi lihtsuse osas. eksperimentaalne tehnika.

D/n arvutamine röntgeni mustri põhjal tehakse Wulf-Braggi võrrandi abil.

λ väärtusena selles võrrandis kasutatakse tavaliselt λ α cf K-seeriat:

λ α cf = (2λ α1 + λ α2) /3 (2)

Mõnikord kasutatakse K α1 rida. Kõigi röntgenikiirte joonte difraktsiooninurkade θ määramine võimaldab arvutada d / n vastavalt võrrandile (1) ja eraldada β-jooned (kui (β-kiirte) filtrit ei olnud).

3.1 Kristallstruktuuri puuduste analüüs

Kõik tõelised ühekristallilised ja veelgi enam polükristallilised materjalid sisaldavad teatud struktuurilisi ebatäiuslikkust (punktdefektid, dislokatsioonid, erinevat tüüpi liidesed, mikro- ja makropinged), millel on väga tugev mõju kõikidele struktuuritundlikele omadustele ja protsessidele.

Struktuursed ebatäiuslikkused põhjustavad erineva iseloomuga kristallvõre moonutusi ja sellest tulenevalt erinevat tüüpi muutusi difraktsioonimustris: aatomitevaheliste ja tasanditevaheliste kauguste muutumine põhjustab difraktsioonimaksimumide nihke, mikropinged ja alamstruktuuri dispersioon põhjustavad alamstruktuuri laienemist. difraktsioonimaksimumidest, võre mikromoonutustest - kuni nende maksimumide intensiivsuse muutumiseni põhjustavad dislokatsioonide esinemine röntgenikiirte läbimisel anomaalseid nähtusi ja sellest tulenevalt lokaalseid kontrasti ebahomogeensusi röntgeni topogrammidel jne.

Sellest tulenevalt on röntgendifraktsioonanalüüs üks kõige informatiivsemaid meetodeid struktuursete puuduste, nende tüübi ja kontsentratsiooni ning nende jaotuse olemuse uurimiseks.

Traditsiooniline otsene röntgendifraktsiooni meetod, mida rakendatakse statsionaarsetel difraktomeetritel, võimaldab nende konstruktsiooniomaduste tõttu pingeid ja deformatsioone kvantitatiivselt määrata ainult osadest või esemetest lõigatud väikestel proovidel.

Seetõttu on praegu käimas üleminek statsionaarsetelt väikesemõõtmelistelt kaasaskantavatele röntgendifraktomeetritele, mis annavad hinnangu osade või esemete materjali pingetele nende valmistamise ja töötamise etappides purunemata.

DRP * 1 seeria kaasaskantavad röntgendifraktomeetrid võimaldavad kontrollida jääk- ja efektiivseid pingeid suurtes osades, toodetes ja konstruktsioonides ilma neid hävitamata.

Windowsi keskkonnas olev programm võimaldab mitte ainult pingeid reaalajas "sin 2 ψ" meetodil määrata, vaid jälgida ka faasikompositsiooni ja tekstuuri muutumist. Lineaarkoordinaatide detektor tagab samaaegse registreerimise difraktsiooninurkade 2θ = 43° juures. Seadme kiirgusohutuse tagavad väikesemõõtmelised suure heledusega ja väikese võimsusega (5 W) "Fox" tüüpi röntgentorud, milles kiiritatud alast 25 cm kaugusel on kiirgustase võrdne loomuliku fooni tase. DRP-seeria seadmeid kasutatakse pingete määramiseks metalli vormimise, lõikamise, lihvimise, kuumtöötlemise, keevitamise, pinnakarastamise erinevates etappides, et optimeerida neid tehnoloogilisi toiminguid. Kontrollimine indutseeritud jääksurvepingete taseme languse üle eriti kriitilistes toodetes ja konstruktsioonides nende töö ajal võimaldab toote kasutusest kõrvaldada enne selle hävimist, vältides võimalikke õnnetusi ja katastroofe.

3.2 Spektri analüüs

Koos materjali aatomi kristallstruktuuri ja faasilise koostise määramisega on selle täielikuks iseloomustamiseks kohustuslik määrata selle keemiline koostis.

Üha enam kasutatakse nendel eesmärkidel praktikas erinevaid nn instrumentaalseid spektraalanalüüsi meetodeid. Igal neist on oma eelised ja rakendused.

Üks oluline nõue on paljudel juhtudel, et kasutatav meetod tagaks analüüsitava objekti ohutuse; Just neid analüüsimeetodeid käsitletakse selles osas. Järgmiseks kriteeriumiks, mille järgi selles osas kirjeldatud analüüsimeetodid valiti, on nende asukoht.

Fluorestsentsröntgeni spektraalanalüüsi meetod põhineb küllaltki kõva röntgenkiirguse (röntgentorust) tungimisel analüüsitavasse objekti, mis tungib mitme mikromeetri suurusjärku paksusesse kihti. Sel juhul objektil tekkiv iseloomulik röntgenkiirgus võimaldab saada keskmisi andmeid selle keemilise koostise kohta.

Aine elemendilise koostise määramiseks võib kasutada röntgentoru anoodile asetatud ja elektronpommitatud proovi iseloomuliku röntgenispektri analüüsi - emissioonimeetodit või sekundaarse analüüsi. Röntgentoru või muu allika kõva röntgenkiirgusega kiiritatud proovi (fluorestsents) röntgenspekter - fluorestsentsmeetod.

Emissioonimeetodi puuduseks on esiteks vajadus asetada proov röntgentoru anoodile, millele järgneb evakueerimine vaakumpumpadega; ilmselgelt ei sobi see meetod sulavate ja lenduvate ainete jaoks. Teine puudus on seotud asjaoluga, et isegi tulekindlaid objekte kahjustab elektronpommitamine. Fluorestseeruv meetod on nendest puudustest vaba ja seetõttu on sellel palju laiem rakendus. Fluorestsentsmeetodi eeliseks on ka bremsstrahlungi puudumine, mis parandab analüüsi tundlikkust. Mõõdetud lainepikkuste võrdlemine keemiliste elementide spektrijoonte tabelitega on kvalitatiivse analüüsi aluseks ning prooviainet moodustavate erinevate elementide spektrijoonte suhtelised intensiivsused on kvantitatiivse analüüsi aluseks. Iseloomuliku röntgenikiirguse ergastusmehhanismi vaagimisel on selge, et ühe või teise seeria kiirgused (K või L, M jne) tekivad samaaegselt ning joonte intensiivsuste suhe seeria sees on alati konstantne. Seetõttu ei määra selle või selle elemendi olemasolu mitte üksikute ridade, vaid ridade kui terviku abil (välja arvatud kõige nõrgemad, võttes arvesse selle elemendi sisu). Suhteliselt kergete elementide puhul kasutatakse K-seeria liinide analüüsi, raskete elementide puhul L-seeria liine; erinevates tingimustes (olenevalt kasutatavast seadmest ja analüüsitavatest elementidest) võivad iseloomuliku spektri erinevad piirkonnad olla kõige mugavamad.

Röntgenkiirguse spektraalanalüüsi põhijooned on järgmised.

Röntgenikiirguse iseloomulike spektrite lihtsus isegi raskete elementide puhul (võrreldes optiliste spektritega), mis lihtsustab analüüsi (väike joonte arv; sarnasus nende omavahelises paigutuses; järgarvu suurenemisel spektri regulaarne nihe esineb lühikese lainepikkusega piirkond; kvantitatiivse analüüsi võrdlev lihtsus).

Lainepikkuste sõltumatus analüüsitava elemendi aatomite olekust (vabalt või keemilises ühendis). See on tingitud asjaolust, et iseloomuliku röntgenkiirguse esinemine on seotud sisemiste elektrooniliste tasemete ergastamisega, mis enamikul juhtudel praktiliselt ei muutu aatomite ionisatsiooniastmega.

Eraldamise võimalus haruldaste muldmetallide ja mõnede teiste elementide analüüsimisel, mille spektrites on optilises vahemikus väikesed erinevused väliskestade elektroonilise struktuuri sarnasuse tõttu ja mis erinevad väga vähe oma keemiliste omaduste poolest.

XRF-meetod on "mittepurustav", seega on sellel õhukeste proovide - õhuke metallleht, foolium jne - analüüsimisel eelis tavapärase optilise spektroskoopia ees.

Röntgenikiirguse fluorestsentsspektromeetrid, sealhulgas mitmekanalilised spektromeetrid või kvantomeetrid, mis pakuvad elementide ekspress-kvantitatiivset analüüsi (Na-st või Mg-st U-ni), mille viga on väiksem kui 1% määratud väärtusest, tundlikkuslävi on 10-3 ... 10-4%.

röntgenikiir

Röntgenikiirguse spektraalse koostise määramise meetodid

Spektromeetrid jagunevad kahte tüüpi: kristalldifraktsiooniga ja kristallideta.

Röntgenkiirte lammutamine spektriks, kasutades looduslikku difraktsioonvõre – kristalli – on sisuliselt sarnane tavaliste valguskiirte spektri saamisega kunstliku difraktsioonivõre abil klaasil perioodiliste löökide kujul. Difraktsioonimaksimumi moodustumise tingimuseks võib kirjutada "peegelduse" tingimuseks paralleelsete aatomitasandite süsteemist, mida eraldab vahemaa d hkl .

Kvalitatiivse analüüsi läbiviimisel saab elemendi olemasolu proovis hinnata ühe joone järgi – tavaliselt antud analüsaatori kristallile sobiva spektrirea kõige intensiivsema joone järgi. Kristallide difraktsioonispektromeetrite eraldusvõime on piisav, et eraldada iseloomulikud jooned isegi perioodilisustabelis külgnevate elementide puhul. Arvestada tuleb aga ka erinevate elementide erinevate joonte superpositsiooniga, samuti eri järku peegelduste superpositsiooniga. Seda asjaolu tuleks analüüsiliinide valimisel arvesse võtta. Samal ajal on vaja kasutada instrumendi lahutusvõime parandamise võimalusi.

Järeldus

Seega on röntgenikiirgus nähtamatu elektromagnetkiirgus lainepikkusega 10 5 - 10 2 nm. Röntgenikiirgus võib tungida läbi teatud materjalide, mis on nähtavale valgusele läbipaistmatud. Need eralduvad aine kiirete elektronide aeglustumise ajal (pidev spekter) ja elektronide üleminekul aatomi välistelt elektronkihtidelt sisemistele (lineaarspekter). Röntgenkiirguse allikad on: röntgenitoru, mõned radioaktiivsed isotoobid, elektronide kiirendid ja akumulaatorid (sünkrotronkiirgus). Vastuvõtjad - kile, luminestsentsekraanid, tuumakiirguse detektorid. Röntgenikiirgust kasutatakse röntgendifraktsioonanalüüsis, meditsiinis, vigade tuvastamisel, röntgenspektraalanalüüsis jne.

Võttes arvesse V. Roentgeni avastuse positiivseid külgi, tuleb märkida selle kahjulikku bioloogilist mõju. Selgus, et röntgenikiirgus võib tekitada midagi tugeva päikesepõletuse (erüteemi) taolist, millega kaasneb aga sügavam ja püsivam nahakahjustus. Ilmuvad haavandid muutuvad sageli vähiks. Paljudel juhtudel tuli amputeerida sõrmed või käed. Oli ka surmajuhtumeid.

On leitud, et nahakahjustusi saab vältida kokkupuuteaja ja doosi vähendamise, varjestuse (nt plii) ja kaugjuhtimispultide kasutamisega. Kuid järk-järgult ilmnesid röntgenkiirgusega kokkupuute muud pikaajalisemad mõjud, mida seejärel kinnitati ja uuriti katseloomadel. Röntgenikiirguse ja muu ioniseeriva kiirguse (näiteks radioaktiivsete materjalide gammakiirguse) mõjud hõlmavad järgmist:

) ajutised muutused vere koostises pärast suhteliselt väikest liigset kokkupuudet;

) pöördumatud muutused vere koostises (hemolüütiline aneemia) pärast pikaajalist liigset kokkupuudet;

) vähktõve (sh leukeemia) esinemissageduse suurenemine;

) kiirem vananemine ja varajane surm;

) katarakti esinemine.

Röntgenikiirguse bioloogilise mõju inimkehale määrab kiirgusdoosi tase, samuti see, milline keha konkreetne organ kiirgusega kokku puutus.

Teadmiste kogunemine röntgenikiirguse mõju kohta inimkehale on viinud riigisiseste ja rahvusvaheliste standardite väljatöötamiseni lubatud kokkupuutedooside kohta, mis on avaldatud erinevates teatmeväljaannetes.

Röntgenikiirguse kahjulike mõjude vältimiseks kasutatakse kontrollimeetodeid:

) piisava varustuse olemasolu,

) ohutuseeskirjade järgimise jälgimine,

) seadmete õiget kasutamist.

Kasutatud allikate loetelu

1) Blokhin M.A., Physics of X-rays, 2. väljaanne, M., 1957;

) Blokhin M.A., Methods of X-ray spectral studies, M., 1959;

) röntgenikiirgus. laup. toim. M.A. Blokhin, trans. temaga. ja inglise keel, M., 1960;

) Kharaja F., Röntgenitehnika üldkursus, 3. väljaanne, M. - L., 1966;

) Mirkin L.I., Handbook of X-ray diffraction analysis of polycrystals, M., 1961;

) Weinstein E.E., Kakhana M.M., Röntgenspektroskoopia võrdlustabelid, M., 1953.

) Röntgen- ja elektronoptiline analüüs. Gorelik S.S., Skakov Yu.A., Rastorguev L.N.: Proc. Toetus ülikoolidele. - 4. väljaanne Lisama. Ja ümbertöötaja. - M.: "MISiS", 2002. - 360 lk.

Rakendused

Lisa 1

Röntgentorude üldvaade

Lisa 2

Struktuurianalüüsi röntgentoru skeem

Struktuurianalüüsi röntgentoru skeem: 1 - metalli anoodklaas (tavaliselt maandatud); 2 - berülliumist aknad röntgenikiirguse väljundiks; 3 - termokatood; 4 - klaaspirn, mis isoleerib toru anoodiosa katoodist; 5 - katoodklemmid, millele rakendatakse hõõgniidi pinget, samuti kõrge (anoodi suhtes) pinge; 6 - elektrostaatiline süsteem elektronide fokuseerimiseks; 7 - anood (antikatood); 8 - harutorud anoodiklaasi jahutava jooksva vee sisendiks ja väljundiks.

Lisa 3

Moseley diagramm

Moseley diagramm iseloomulike röntgenikiirguste K-, L- ja M-seeria jaoks. Abstsiss näitab elemendi Z seerianumbrit, ordinaati - ( Koos on valguse kiirus).

4. lisa

Ionisatsioonikamber.

Joonis 1. Silindrilise ionisatsioonikambri sektsioon: 1 - kambri silindriline korpus, mis toimib negatiivse elektroodina; 2 - silindriline varras, mis toimib positiivse elektroodina; 3 - isolaatorid.

Riis. 2. Voolu ionisatsioonikambri sisselülitamise skeem: V - pinge kambri elektroodidel; G on galvanomeeter, mis mõõdab ionisatsioonivoolu.

Riis. 3. Ionisatsioonikambri voolu-pinge karakteristikud.

Riis. 4. Impulssionisatsioonikambri sisselülitamise skeem: C - kogumiselektroodi mahtuvus; R on vastupanu.

Lisa 5

Stsintillatsiooniloendur.

Stsintillatsiooniloenduri skeem: valguskvandid (footonid) "löövad" fotokatoodilt elektronid välja; dünoodilt dünoodile liikudes elektronide laviin mitmekordistub.

6. lisa

Geiger-Mülleri loendur.

Riis. 1. Klaasist Geiger-Mülleri loenduri skeem: 1 - hermeetiliselt suletud klaastoru; 2 - katood (õhuke vasekiht roostevabast terasest torul); 3 - katoodi väljund; 4 - anood (õhuke venitatud niit).

Riis. 2. Geigeri-Mülleri loenduri sisselülitamise skeem.

Riis. 3. Geigeri-Mülleri loenduri loenduskarakteristikud.

Lisa 7

proportsionaalne loendur.

Proportsionaalse loenduri skeem: a - elektronide triivi piirkond; b - gaasi võimenduse ala.

Lisa 8

Pooljuhtdetektorid

Pooljuhtdetektorid; tundlik piirkond on esile tõstetud koorumisega; n - elektroonilise juhtivusega pooljuhi piirkond, p - auguga, i - sisejuhtivusega; a - räni pinnatõkkedetektor; b - triivi germaanium-liitium tasapinnaline detektor; c - germaanium-liitium koaksiaaldetektor.

LOENG

Röntgenikiirgus

Röntgenikiirguse olemus

Bremsstrahlung röntgen, selle spektraalsed omadused.

Iseloomulik röntgenikiirgus (ülevaatamiseks).

Röntgenikiirguse koostoime ainega.

Röntgenikiirguse kasutamise füüsikalised alused meditsiinis.

Röntgenikiirgus (röntgenikiirgus) avastas K. Roentgen, kellest 1895. aastal sai esimene Nobeli füüsikapreemia laureaat.

Röntgenikiirguse olemus

röntgenikiirgus - elektromagnetlained pikkusega 80 kuni 10 -5 nm. Pikalainelised röntgenikiirgused on kaetud lühilainelise UV-kiirgusega, lühilainelised aga pikalainelise  kiirgusega.

Röntgenikiirgust toodetakse röntgenitorudes. joon.1.

K - katood

1 - elektronkiir

2 - röntgenikiirgus

Riis. 1. Röntgentoru seade.

Toru on klaaskolb (võimalik kõrgvaakumiga: rõhk selles on umbes 10–6 mm Hg), millel on kaks elektroodi: anood A ja katood K, millele on rakendatud kõrgepinge U (mitu tuhat volti). . Katood on elektronide allikas (termioonilise emissiooni nähtuse tõttu). Anood on metallvarras, millel on kaldpind, et suunata tekkiv röntgenikiirgus toru telje suhtes nurga all. See on valmistatud väga soojust juhtivast materjalist, et eemaldada elektronpommitamisel tekkiv soojus. Kaldus otsas on tulekindlast metallist (näiteks volframist) valmistatud plaat.

Anoodi tugev kuumenemine on tingitud asjaolust, et katoodikiire peamine elektronide arv, olles tabanud anoodi, kogeb arvukalt kokkupõrkeid aine aatomitega ja kannab neile palju energiat.

Kõrgepinge toimel kiirendatakse kuuma katoodi hõõgniidi poolt kiiratavad elektronid suure energiani. Elektroni kineetiline energia on võrdne mv 2 /2. See võrdub energiaga, mille ta omandab toru elektrostaatilises väljas liikudes:

mv 2 /2 = eU(1)

kus m, e on elektroni mass ja laeng, U on kiirenduspinge.

Protsessid, mis viivad bremsstrahlung röntgenkiirte ilmnemiseni, on tingitud elektronide intensiivsest aeglustumisest anoodimaterjalis aatomituuma ja aatomi elektronide elektrostaatilise välja toimel.

Päritolumehhanismi saab kujutada järgmiselt. Liikuvad elektronid on mingi vool, mis moodustab oma magnetvälja. Elektronide aeglustumine on voolutugevuse vähenemine ja vastavalt ka magnetvälja induktsiooni muutus, mis põhjustab vahelduva elektrivälja ilmnemise, s.o. elektromagnetlaine välimus.

Seega, kui laetud osake lendab ainesse, siis see aeglustub, kaotab energia ja kiiruse ning kiirgab elektromagnetlaineid.

Röntgenikiirguse spektriomadused .

Niisiis, elektronide aeglustumise korral anoodiaines, bremsstrahlung kiirgus.

Bremsstrahlungi spekter on pidev. Selle põhjus on järgmine.

Kui elektronid aeglustuvad, kulub igaühel osa anoodi soojendamiseks kuluvast energiast (E 1 = Q), teine ​​osa röntgenfootoni loomiseks (E 2 = hv), vastasel juhul eU = hv + Q. nende osade suhe on juhuslik.

Seega moodustub röntgenikiirguse katkematu spekter paljude elektronide aeglustumise tõttu, millest igaüks kiirgab ühe rangelt määratletud väärtusega röntgenikiirguse kvantkvanti hv (h). Selle kvanti väärtus erinevate elektronide jaoks erinev. Röntgenkiirguse energiavoo sõltuvus lainepikkusest , s.o. röntgenikiirguse spekter on näidatud joonisel 2.

Joonis 2. Bremsstrahlung spekter: a) erinevatel pingetel U torus; b) katoodi erinevatel temperatuuridel T.

Lühilaineline (kõva) kiirgus on läbitungimisvõimega suurem kui pikalaineline (pehme) kiirgus. Pehme kiirgus neeldub aines tugevamalt.

Lühikeste lainepikkuste poolelt lõpeb spekter järsult teatud lainepikkusel  m i n . Selline lühikese lainepikkusega katkestus tekib siis, kui elektroni poolt kiirenevas väljas omandatud energia muundatakse täielikult footoni energiaks (Q = 0):

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

 min (nm) = 1,23/UkV

Kiirguse spektraalne koostis sõltub röntgentoru pingest, pinge tõustes nihkub  m i n väärtus lühikeste lainepikkuste suunas (joonis 2a).

Kui katoodi hõõgumise temperatuur T muutub, suureneb elektronide emissioon. Järelikult vool I torus suureneb, kuid kiirguse spektraalne koostis ei muutu (joonis 2b).

Bremsstrahlungi energiavoog Ф  on otseselt võrdeline anoodi ja katoodi vahelise pinge U ruuduga, voolutugevusega I torus ja anoodi aine aatomarvuga Z:

Ф = kZU 2 I. (3)

kus k \u003d 10 -9 W / (V 2 A).

Iseloomulikud röntgenikiirgused (tutvumiseks).

Röntgentoru pinge suurendamine toob kaasa asjaolu, et pideva spektri taustal ilmub joon, mis vastab iseloomulikule röntgenikiirgusele. See kiirgus on spetsiifiline anoodi materjalile.

Selle esinemise mehhanism on järgmine. Kõrge pinge korral tungivad kiirendatud elektronid (suure energiaga) sügavale aatomisse ja löövad elektronid selle sisemistest kihtidest välja. Ülemiste tasandite elektronid liiguvad vabadesse kohtadesse, mille tulemusena kiirguvad iseloomuliku kiirguse footonid.

Iseloomuliku röntgenikiirguse spektrid erinevad optilistest spektritest.

- Ühtsus.

Iseloomulike spektrite ühtlus tuleneb sellest, et erinevate aatomite sisemised elektronkihid on ühesugused ja erinevad ainult energeetiliselt tuumadest lähtuva jõu mõju tõttu, mis elementide arvu suurenedes suureneb. Seetõttu nihkuvad iseloomulikud spektrid tuumalaengu suurenedes kõrgemate sageduste suunas. Seda kinnitas eksperimentaalselt Röntgeni töötaja - Moseley, kes mõõtis 33 elemendi röntgenikiirguse ülemineku sagedusi. Nemad tegid seaduse.

MOSELY SEADUS – iseloomuliku kiirguse sageduse ruutjuur on elemendi järgarvu lineaarfunktsioon:

= A  (Z - B), (4)

kus v on spektrijoone sagedus, Z on kiirgava elemendi aatomnumber. A, B on konstandid.

Moseley seaduse tähtsus seisneb selles, et selle sõltuvuse abil saab täpselt määrata uuritava elemendi aatomnumbri röntgenikiirte joone mõõdetud sageduse järgi. See mängis suurt rolli elementide paigutamisel perioodilisustabelisse.

Sõltumatus keemilisest ühendist.

Aatomile iseloomulikud röntgenispektrid ei sõltu keemilisest ühendist, millesse elemendi aatom sisaldub. Näiteks hapnikuaatomi röntgenispekter on O 2, H 2 O puhul sama, samas kui nende ühendite optilised spektrid erinevad. See aatomi röntgenispektri omadus oli nime aluseks " iseloomulik kiirgus".

Röntgenikiirguse koostoime ainega

Röntgenikiirguse mõju objektidele määravad röntgenkiirguse interaktsiooni esmased protsessid. footon elektronidega aine aatomid ja molekulid.

Röntgenkiirgus aines imendunud või hajub. Sel juhul võivad toimuda mitmesugused protsessid, mis määratakse röntgenkiirguse footoni energia hv ja ionisatsioonienergia Аu suhtega (ionisatsioonienergia Аu on energia, mis on vajalik siseelektronide eemaldamiseks aatomist või molekulist).

a) koherentne hajumine(pikalainekiirguse hajumine) tekib siis, kui seos

Footonite puhul muutub elektronidega interaktsiooni tõttu ainult liikumise suund (joon. 3a), kuid energia hv ja lainepikkus ei muutu (seetõttu nimetatakse seda hajumist nn. sidus). Kuna footoni ja aatomi energiad ei muutu, siis koherentne hajumine bioloogilisi objekte ei mõjuta, kuid röntgenkiirguse vastase kaitse loomisel tuleks arvestada kiire esmase suuna muutmise võimalusega.

b) fotoelektriline efekt juhtub siis, kui

Sel juhul saab realiseerida kaks juhtumit.

Footon neeldub, elektron eraldub aatomist (joonis 3b). Toimub ionisatsioon. Eraldunud elektron omandab kineetilise energia: E k \u003d hv - A ja. Kui kineetiline energia on suur, võib elektron ioniseerida naaberaatomeid kokkupõrkel, moodustades uusi. teisejärguline elektronid.

Footon neeldub, kuid selle energiast ei piisa elektroni eraldumiseks ja aatomi või molekuli ergastamine(joonis 3c). See põhjustab sageli järgneva footoni emissiooni nähtavas kiirguspiirkonnas (röntgenikiirguse luminestsents) ja kudedes - molekulide ja fotokeemiliste reaktsioonide aktiveerimiseni. Fotoelektriline efekt ilmneb peamiselt kõrge Z-ga aatomite sisekesta elektronidel.

sisse) Ebaühtlane hajumine(Comptoni efekt, 1922) tekib siis, kui footoni energia on palju suurem kui ionisatsioonienergia

Sel juhul on elektron aatomist eraldunud (sellisi elektrone nimetatakse tagasilöögi elektronid), omandab mingi kineetilise energia E k, footoni enda energia väheneb (joon. 4d):

hv=hv" + A ja + E k. (5)

Saadud muutunud sagedusega (pikkusega) kiirgust nimetatakse teisejärguline, see hajub igas suunas.

Tagasilöögi elektronid, kui neil on piisav kineetiline energia, võivad kokkupõrkel ioniseerida naaberaatomeid. Seega tekib ebajärjekindla hajumise tulemusena sekundaarne hajutatud röntgenkiirgus ja aine aatomid ioniseeritakse.

Need (a, b, c) protsessid võivad põhjustada mitmeid järgnevaid. Näiteks (joonis 3d), kui fotoelektrilise efekti käigus eralduvad sisekestadel olevad aatomist elektronid, siis võivad nende asemele minna kõrgematelt tasanditelt pärit elektronid, millega kaasneb selle aine sekundaarne iseloomulik röntgenkiirgus. Sekundaarse kiirguse footonid, mis interakteeruvad naaberaatomite elektronidega, võivad omakorda põhjustada sekundaarseid nähtusi.

koherentne hajumine

uh energia ja lainepikkus jäävad muutumatuks

fotoelektriline efekt

footon neeldub, e - aatomist eraldunud - ionisatsioon

hv \u003d A ja + E kuni

aatom A on footoni neeldumisel ergastatud, R on röntgenkiirguse luminestsents

ebajärjekindel hajumine

hv \u003d hv "+ A ja + E kuni

sekundaarsed protsessid fotoelektrilises efektis

Riis. 3 Röntgenikiirguse ainega interaktsiooni mehhanismid

Röntgenikiirguse kasutamise füüsikalised alused meditsiinis

Kui röntgenikiirgus langeb kehale, peegeldub see veidi selle pinnalt, kuid tungib peamiselt sügavale, samas neeldub ja hajub osaliselt ning läbib osaliselt.

Nõrgenemise seadus.

Röntgenikiirgus nõrgeneb aines vastavalt seadusele:

F \u003d F 0 e -   x (6)

kus  on lineaarne sumbumistegur, mis oleneb sisuliselt aine tihedusest. See võrdub kolme liikme summaga, mis vastavad koherentsele hajumisele  1, ebajärjekindlale  2 ja fotoelektrilisele efektile  3:

 =  1 +  2 +  3 . (7)

Iga termini panuse määrab footoni energia. Allpool on toodud nende protsesside suhted pehmete kudede (vee) puhul.

naudi massi sumbumise koefitsient, mis ei sõltu aine tihedusest :

m = /. (kaheksa)

Massi sumbumise koefitsient sõltub footoni energiast ja neelava aine aatomarvust:

 m = k 3 Z 3 . (9)

Luu ja pehmete kudede (vee) massi nõrgenemise koefitsiendid on erinevad:  m luu /  m vett = 68.

Kui röntgenkiirte teele asetada ebahomogeenne keha ja selle ette fluorestseeruv ekraan, siis see kiirgust neelates ja summutades moodustab ekraanile varju. Selle varju olemuse järgi saab hinnata kehade kuju, tihedust, struktuuri ja paljudel juhtudel ka olemust. Need. märkimisväärne erinevus röntgenkiirguse neeldumises erinevates kudedes võimaldab näha siseorganite kujutist varjuprojektsioonis.

Kui uuritav elund ja ümbritsevad kuded nõrgendavad röntgenikiirgust võrdselt, kasutatakse kontrastaineid. Näiteks täites magu ja soolestikku baariumsulfaadi (BaSO 4 ) pudruse massiga, võib näha nende varjupilti (summutuskoefitsientide suhe on 354).

Kasutamine meditsiinis.

Meditsiinis kasutatakse röntgenikiirgust footonite energiaga 60 kuni 100-120 keV diagnostikaks ja 150-200 keV teraapiaks.

Röntgendiagnostika – Haiguste äratundmine keha läbivalgustamisel röntgenikiirgusega.

Röntgendiagnostikat kasutatakse erinevates valikutes, mis on toodud allpool.

Fluoroskoopiaga röntgenitoru asub patsiendi taga. Selle ees on fluorestseeruv ekraan. Ekraanil on varju (positiivne) pilt. Igal üksikjuhul valitakse sobiv kiirguse kõvadus nii, et see läbiks pehmeid kudesid, kuid neelduks piisavalt tihedalt. Vastasel juhul saadakse ühtlane vari. Ekraanil on süda, ribid näha tumedad, kopsud heledad.

Kui radiograafia objekt asetatakse kassetile, mis sisaldab spetsiaalse fotograafilise emulsiooniga filmi. Röntgentoru asetatakse objekti kohale. Saadud röntgenülesvõte annab negatiivse pildi, s.t. vastupidiselt läbivalgustamisel täheldatud pildile. Selle meetodi puhul on kujutis suurem selgus kui (1) puhul, seetõttu täheldatakse detaile, mida läbivalgustamisel on raske näha.

Selle meetodi paljutõotav variant on röntgenikiirgus tomograafia ja "masinaversioon" - arvuti tomograafia.

3. Fluoroskoopiaga, Tundlikul väikeseformaadilisel filmil on pilt suurelt ekraanilt fikseeritud. Vaadates uuritakse pilte spetsiaalse luubiga.

Röntgenteraapia- röntgenikiirguse kasutamine pahaloomuliste kasvajate hävitamiseks.

Kiirguse bioloogiline toime seisneb elutegevuse, eriti kiiresti paljunevate rakkude häirimises.

ARVUTUTOMOGRAAFIA (CT)

Röntgeni-kompuutertomograafia meetod põhineb patsiendi keha teatud lõigu kujutise rekonstrueerimisel, registreerides selle lõigu suure hulga erinevate nurkade all tehtud röntgenprojektsioone. Neid projektsioone registreerivate andurite teave siseneb arvutisse, mis vastavalt spetsiaalsele programmile arvutab levitamine tihedaltnäidissuurus uuritud jaotises ja kuvab selle kuvaril. Sel viisil saadud patsiendi kehalõigu kujutist iseloomustab suurepärane selgus ja kõrge teabesisaldus. Programm võimaldab teil suurendama pildi kontrastsus sisse kümneid ja isegi sadu kordi. See laiendab meetodi diagnostilisi võimalusi.

Videograafid (digitaalse röntgenpilditöötlusega seadmed) kaasaegses hambaravis.

Hambaravis on peamine diagnostiline meetod röntgenuuring. Kuid mitmed traditsioonilised röntgendiagnostika korralduslikud ja tehnilised omadused muudavad selle nii patsiendile kui ka hambaravikliinikule mitte just mugavaks. See on eelkõige patsiendi vajadus kokku puutuda ioniseeriva kiirgusega, mis sageli tekitab organismile olulise kiirguskoormuse, see on ka vajadus fotoprotsessi järele ning sellest tulenevalt vajadus fotoreaktiivide, sh. mürgised. See on lõpuks mahukas arhiiv, rasked kaustad ja röntgenfilmidega ümbrikud.

Lisaks muudab hambaravi praegune arengutase inimsilma poolt radiograafide subjektiivse hindamise ebapiisavaks. Nagu selgus, tajub silm röntgenpildil sisalduvatest erinevatest hallidest varjunditest vaid 64.

Ilmselgelt on vaja teisi lahendusi, et saada selge ja üksikasjalik pilt dentoalveolaarsüsteemi kõvadest kudedest minimaalse kiirgusega. Otsingud viisid nn radiograafiasüsteemide, videograafide – digitaalsete radiograafiasüsteemide loomiseni.

Ilma tehniliste üksikasjadeta on selliste süsteemide tööpõhimõte järgmine. Röntgenkiirgus ei sisene läbi objekti mitte valgustundlikul kilel, vaid spetsiaalsel intraoraalsel anduril (spetsiaalne elektrooniline maatriks). Vastav maatriksi signaal edastatakse digiteerimisseadmesse (analoog-digitaalmuundur, ADC), mis teisendab selle digitaalseks ja ühendatakse arvutiga. Spetsiaalne tarkvara ehitab arvutiekraanile röntgenpildi ja võimaldab seda töödelda, salvestada kõvale või paindlikule andmekandjale (kõvaketas, disketid), printida pildina failina.

Digitaalses süsteemis on röntgenipilt punktide kogum, millel on erinevad digitaalsed halltoonid. Programmi pakutav infoekraani optimeerimine võimaldab suhteliselt väikese kiirgusdoosi juures saada heleduse ja kontrastsuse osas optimaalse kaadri.

Kaasaegsetes süsteemides, mille on loonud näiteks Trophy (Prantsusmaa) või Schick (USA), kasutatakse kaadri moodustamisel 4096 halli varjundit, säriaeg sõltub uuritavast objektist ja on keskmiselt sajandik-kümnendik teiseks, kiirgusega kokkupuute vähenemine võrreldes filmiga – kuni 90% intraoraalsete süsteemide puhul, kuni 70% panoraamvideograafide puhul.

Piltide töötlemisel lubavad videograafid:

Hankige positiivseid ja negatiivseid pilte, valevärvilisi pilte, reljeefseid pilte.

Suurendage kontrasti ja suurendage pildil huvipakkuvat ala.

Hinnake muutusi hambakudede ja luustruktuuride tiheduses, kontrollige kanalitäite ühtlust.

Endodontias määrake mistahes kumerusega kanali pikkus ja kirurgias valige implantaadi suurus 0,1 mm täpsusega.

Ainulaadne tehisintellekti elementidega kaariesedetektori süsteem pildi analüüsi käigus võimaldab tuvastada kaariest plekkide staadiumis, juurekaariest ja varjatud kaariest.

"F" valemis (3) viitab kogu kiirguse lainepikkuste vahemikule ja seda nimetatakse sageli "integraalseks energiavooguks".

Röntgenikiirguse põhiomaduste uurimise avastus ja teened kuuluvad õigustatult saksa teadlasele Wilhelm Conrad Roentgenile. Tema avastatud röntgenikiirte hämmastavad omadused said teadusmaailmas kohe tohutu vastukaja. Kuigi siis, aastal 1895, ei osanud teadlane isegi ette kujutada, millist kasu ja mõnikord ka kahju võib röntgenikiirgus tuua.

Sellest artiklist uurime, kuidas seda tüüpi kiirgus inimeste tervist mõjutab.

Mis on röntgenikiirgus

Esimene küsimus, mis teadlast huvitas, oli, mis on röntgenikiirgus? Mitmed katsed võimaldasid veenduda, et tegemist on 10–8 cm lainepikkusega elektromagnetkiirgusega, mis asub ultraviolett- ja gammakiirguse vahepealsel positsioonil.

Röntgenikiirguse rakendamine

Kõik need salapäraste röntgenikiirte hävitava mõju aspektid ei välista nende rakendamise üllatavalt ulatuslikke aspekte. Kus kasutatakse röntgenikiirgust?

1. Molekulide ja kristallide struktuuri uurimine.
2. Röntgenvigade tuvastamine (tööstuses, toodete defektide tuvastamine).
3. Meditsiiniliste uuringute ja ravi meetodid.

Röntgenikiirguse olulisemad rakendused on saanud võimalikuks tänu nende lainete kogu ulatuse väga lühikestele lainepikkustele ja nende ainulaadsetele omadustele.

Kuna meid huvitab röntgenikiirguse mõju inimestele, kes nendega kokku puutuvad ainult arstliku läbivaatuse või ravi ajal, siis käsitleme ainult seda röntgenikiirte rakendusvaldkonda.

Röntgenikiirguse kasutamine meditsiinis

Vaatamata oma avastuse erilisele tähtsusele ei võtnud Roentgen selle kasutamiseks patenti, muutes selle hindamatuks kingituseks kogu inimkonnale. Juba Esimeses maailmasõjas hakati kasutama röntgeniseadmeid, mis võimaldasid haavatuid kiiresti ja täpselt diagnoosida. Nüüd saame eristada kahte peamist röntgenikiirte kasutusvaldkonda meditsiinis:

• röntgendiagnostika;
• röntgenteraapia.

Röntgendiagnostika

Röntgendiagnostikat kasutatakse mitmel viisil:

Vaatame nende meetodite erinevust.

Kõik need diagnostikameetodid põhinevad röntgenikiirte võimel valgustada filmi ning nende erineval läbilaskvusel kudedele ja luuskeletile.

Röntgenteraapia

Röntgenikiirguse võimet avaldada bioloogilist mõju kudedele kasutatakse meditsiinis kasvajate raviks. Selle kiirguse ioniseeriv toime avaldub kõige aktiivsemalt toimes kiiresti jagunevatele rakkudele, mis on pahaloomuliste kasvajate rakud.

Siiski peaksite olema teadlik kõrvalmõjudest, mis kiiritusraviga paratamatult kaasnevad. Fakt on see, et vereloome-, endokriin- ja immuunsüsteemi rakud jagunevad samuti kiiresti. Negatiivne mõju neile põhjustab kiiritushaiguse tunnuseid.

Röntgenikiirguse mõju inimesele

Vahetult pärast tähelepanuväärset röntgenikiirte avastamist avastati, et röntgenikiirtel on inimestele mõju.

Need andmed saadi katseloomadega tehtud katsetes, kuid geneetikud viitavad sellele, et sarnased mõjud võivad kehtida ka inimkehale.

Röntgenkiirguse mõjude uurimine on viinud vastuvõetavate kiirgusdooside rahvusvaheliste standardite väljatöötamiseni.

Röntgenikiirguse doosid röntgendiagnostikas

Paljud patsiendid on pärast röntgenikabineti külastamist mures – kuidas mõjutab saadud kiirgusdoos nende tervist?

Keha üldise kiiritamise annus sõltub protseduuri iseloomust. Mugavuse huvides võrdleme saadud annust loomuliku kokkupuutega, mis saadab inimest kogu tema elu jooksul.

1. Röntgenipilt: rindkere – saadud kiirgusdoos võrdub 10-päevase taustkiirgusega; ülemine mao ja peensool - 3 aastat.
2. Kõhuõõne ja vaagna, aga ka kogu keha kompuutertomograafia - 3 aastat.
3. Mammograafia - 3 kuud.
4. Jäsemete radiograafia on praktiliselt kahjutu.
5. Hambaröntgenikiirguse puhul on kiirgusdoos minimaalne, kuna patsient puutub kokku kitsa kiirituskiirgusega lühikese kiirgusega.

Need kiirgusdoosid vastavad vastuvõetavatele normidele, kuid kui patsient tunneb enne röntgenipilti ärevust, on tal õigus nõuda spetsiaalset kaitsepõlle.

Röntgenikiirgus rasedatele naistele

Iga inimene peab korduvalt läbima röntgenuuringu. Kuid on reegel - seda diagnostilist meetodit ei saa rasedatele naistele määrata. Arenev embrüo on äärmiselt haavatav. Röntgenikiirgus võib põhjustada kromosoomianomaaliaid ja selle tulemusena väärarengutega laste sündi. Sellega seoses on kõige haavatavam rasedusaeg kuni 16 nädalat. Veelgi enam, tulevase lapse jaoks on kõige ohtlikum lülisamba, vaagna ja kõhu piirkondade röntgenuuring.

Teades röntgenikiirte kahjulikku mõju rasedusele, väldivad arstid selle kasutamist igal võimalikul viisil sellel naise elu olulisel perioodil.

Siiski on röntgenikiirguse kõrvalallikaid:

• elektronmikroskoobid;
• värviteleri kineskoobid jne.

Lapseootel emad peaksid olema teadlikud nendest tulenevast ohust.

Imetavatele emadele ei ole radiodiagnostika ohtlik.

Mida teha pärast röntgenuuringut

Röntgenkiirgusega kokkupuute isegi minimaalsete mõjude vältimiseks võib järgida mõningaid lihtsaid samme:

• pärast röntgenikiirgust jooge klaas piima - see eemaldab väikesed kiirgusdoosid;
• väga mugav võtta klaasi kuiva veini või viinamarjamahla;
• mõnda aega pärast protseduuri on kasulik suurendada suure joodisisaldusega toiduainete (mereannid) osakaalu.

Kuid pärast röntgenikiirgust kiirguse eemaldamiseks pole meditsiinilisi protseduure ega erimeetmeid vaja!

Vaatamata röntgenkiirgusega kokkupuute kahtlemata tõsistele tagajärgedele ei tohiks arstliku läbivaatuse käigus nende ohtu üle hinnata - need viiakse läbi ainult teatud kehapiirkondades ja väga kiiresti. Nendest saadav kasu ületab mitu korda selle protseduuri riski inimkehale.

Röntgenikiirgus (sünonüüm röntgenkiirtele) on laia lainepikkuste vahemikuga (8·10-6 kuni 10-12 cm). Röntgenkiirgus tekib siis, kui laetud osakesed, enamasti elektronid, aeglustuvad aine aatomite elektriväljas. Saadud kvantidel on erinev energia ja nad moodustavad pideva spektri. Maksimaalne footoni energia sellises spektris on võrdne langevate elektronide energiaga. In (vt) röntgenkvantide maksimaalne energia, väljendatuna kiloelektronvoltides, on arvuliselt võrdne torule rakendatud pinge suurusega, väljendatuna kilovoltides. Aine läbimisel interakteerub röntgenikiirgus selle aatomite elektronidega. Kuni 100 keV energiaga röntgenkvantide puhul on kõige iseloomulikum interaktsiooni tüüp fotoelektriline efekt. Sellise interaktsiooni tulemusena kulutatakse kvantenergia täielikult elektroni aatomi kestast väljatõmbamiseks ja sellele kineetilise energia edastamiseks. Röntgenikiirguse kvanti energia suurenemisega väheneb fotoelektrilise efekti tõenäosus ja valdavaks saab kvantide hajumise protsess vabadel elektronidel - nn Comptoni efekt. Sellise interaktsiooni tulemusena tekib ka sekundaarne elektron ja lisaks lendab välja primaarse kvanti energiast väiksema energiaga kvant. Kui röntgenkvanti energia ületab ühe megaelektronvoldi, võib toimuda nn paaristumisefekt, mille käigus tekivad elektron ja positroon (vt.). Järelikult aine läbimisel röntgenkiirguse energia väheneb, s.t selle intensiivsus väheneb. Kuna sel juhul toimub madala energiaga kvantide neeldumine suurema tõenäosusega, rikastatakse röntgenkiirgust kõrgema energiaga kvantidega. Seda röntgenkiirguse omadust kasutatakse kvantide keskmise energia suurendamiseks, st selle jäikuse suurendamiseks. Röntgenikiirguse kõvaduse suurenemine saavutatakse spetsiaalsete filtrite abil (vt.). Röntgenikiirgust kasutatakse röntgendiagnostika jaoks (vt) ja (vt). Vaata ka Ioniseeriv kiirgus.

Röntgenkiirgus (sünonüüm: röntgenikiirgus, röntgenikiirgus) - kvantelektromagnetkiirgus lainepikkusega 250 kuni 0,025 A (või energiakvandid 5 10 -2 kuni 5 10 2 keV). 1895. aastal avastas selle V. K. Roentgen. Röntgenkiirgusega külgnevat elektromagnetilise kiirguse spektraalpiirkonda, mille energiakvant ületab 500 keV, nimetatakse gammakiirguseks (vt); kiirgus, mille energiakvandid on alla 0,05 keV, on ultraviolettkiirgus (vt.).

Seega, moodustades suhteliselt väikese osa suurest elektromagnetilise kiirguse spektrist, mis hõlmab nii raadiolaineid kui ka nähtavat valgust, levib röntgenkiirgus nagu iga elektromagnetkiirgus valguse kiirusel (vaakumis umbes 300 tuhat km/s). ) ja seda iseloomustab lainepikkus λ (kaugus, mille ulatuses kiirgus levib ühel võnkeperioodil). Röntgenkiirgusel on ka mitmeid muid laineomadusi (murdumine, interferents, difraktsioon), kuid neid on palju keerulisem jälgida kui pikema lainepikkusega kiirguse puhul: nähtav valgus, raadiolained.

Röntgenikiirguse spektrid: a1 - pidev bremsstrahlung-spekter 310 kV juures; a - pidev bremsstrahlung spekter 250 kV juures, a1 - spekter filtreeritud 1 mm Cu, a2 - spekter filtreeritud 2 mm Cu, b - K-seeria volframliinil.

Röntgenikiirguse tekitamiseks kasutatakse röntgentorusid (vt), milles kiirete elektronide interaktsiooni anoodaine aatomitega tekib kiirgus. Röntgenikiirgust on kahte tüüpi: bremsstrahlung ja iseloomulikud. Bremsstrahlung röntgenkiirgus, millel on pidev spekter, sarnaneb tavalise valge valgusega. Intensiivsuse jaotus sõltuvalt lainepikkusest (joonis) on kujutatud kõvera abil maksimumiga; pikkade lainete suunas langeb kõver õrnalt, lühikeste lainete suunas aga järsult ja katkeb teatud lainepikkusel (λ0), mida nimetatakse pideva spektri lühilainepikkuse piiriks. λ0 väärtus on pöördvõrdeline toru pingega. Bremsstrahlung tekib kiirete elektronide vastasmõjul aatomituumadega. Bremsstrahlungi intensiivsus on otseselt võrdeline anoodivoolu tugevusega, toru pinge ruuduga ja anoodimaterjali aatomarvuga (Z).

Kui röntgentorus kiirendatud elektronide energia ületab anoodaine kriitilise väärtuse (selle energia määrab toru pinge Vcr, mis on selle aine jaoks kriitiline), siis tekib iseloomulik kiirgus. Iseloomulik spekter on joon, selle spektrijooned moodustavad jada, mida tähistatakse tähtedega K, L, M, N.

K-seeria on lühima lainepikkusega, L-seeria pikema lainepikkusega, M- ja N-seeriaid täheldatakse ainult rasketes elementides (K-seeria volframi Vcr on 69,3 kv, L-seeria puhul 12,1 kv). Iseloomulik kiirgus tekib järgmiselt. Kiired elektronid löövad aatomi elektronid sisekestast välja. Aatom ergastab ja naaseb seejärel põhiolekusse. Sel juhul täidavad väliste, vähem seotud kestade elektronid sisemistes kestades vabanevad ruumid ja kiirguvad iseloomuliku kiirguse footonid, mille energia on võrdne aatomi ergastatud ja põhiseisundi energiate erinevusega. Sellel erinevusel (ja seega ka footoni energial) on teatud väärtus, mis on iseloomulik igale elemendile. See nähtus on elementide röntgenspektraalanalüüsi aluseks. Joonisel on kujutatud volframi joonspekter pideva bremsstrahlungi spektri taustal.

Röntgentorus kiirendatud elektronide energia muundatakse peaaegu täielikult soojusenergiaks (anoodi kuumeneb sel juhul tugevalt), ainult tühine osa (umbes 1% 100 kV lähedasel pingel) muundatakse bremsstrahlungi energiaks. .

Röntgenikiirguse kasutamine meditsiinis põhineb röntgenikiirguse ainesse neeldumise seadustel. Röntgenikiirguse neeldumine on täielikult sõltumatu neelduva materjali optilistest omadustest. Röntgeniruumide personali kaitsmiseks kasutatav värvitu ja läbipaistev pliiklaas neelab röntgenikiirgust peaaegu täielikult. Seevastu paberileht, mis ei ole valgusele läbipaistev, röntgenikiirgust ei nõrgenda.

Homogeense (st teatud lainepikkusega) röntgenkiire intensiivsus neeldumiskihi läbimisel väheneb vastavalt eksponentsiaalseadusele (e-x), kus e on naturaallogaritmide alus (2,718) ja eksponent x on võrdne massi sumbumise koefitsiendi (μ / p) korrutisega cm 2 /g absorbendi paksuse kohta g / cm 2 (siin p on aine tihedus g / cm 3). Röntgenikiirgust nõrgendavad nii hajumine kui ka neeldumine. Vastavalt sellele on massi sumbumise koefitsient massi neeldumis- ja hajumistegurite summa. Massi neeldumistegur suureneb järsult neelduja aatomarvu (Z) suurenemisega (proportsionaalselt Z3 või Z5-ga) ja lainepikkuse suurenemisega (proportsionaalselt λ3-ga). Seda sõltuvust lainepikkusest täheldatakse neeldumisribades, mille piiridel koefitsient hüppab.

Massi hajumise koefitsient suureneb aine aatomarvu suurenedes. λ≥0,3Å puhul ei sõltu hajumistegur lainepikkusest, λ korral<0,ЗÅ он уменьшается с уменьшением λ.

Neeldumis- ja hajumistegurite vähenemine lainepikkuse kahanemisel põhjustab röntgenikiirguse läbitungimisvõime suurenemist. Luude massineeldumistegur [neeldumine on peamiselt tingitud Ca 3 (PO 4) 2 ] on peaaegu 70 korda suurem kui pehmete kudede puhul, kus neeldumine toimub peamiselt vee tõttu. See seletab, miks luude vari jääb röntgenülesvõtetel pehmete kudede taustal nii teravalt esile.

Ebahomogeense röntgenkiire levimisega läbi mis tahes keskkonna koos intensiivsuse vähenemisega kaasneb spektraalse koostise muutumine, kiirguse kvaliteedi muutus: spektri pikalaineline osa neeldub suuremal määral kui lühilaineline osa, muutub kiirgus ühtlasemaks. Spektri pika lainepikkuse osa välja filtreerimine võimaldab parandada sügaval inimkehas paiknevate koldete röntgenteraapia käigus süva- ja pinnadoosi suhet (vt röntgenifiltrid). Ebahomogeense röntgenkiire kvaliteedi iseloomustamiseks kasutatakse mõistet "poolne sumbuskiht (L)" - ainekiht, mis nõrgendab kiirgust poole võrra. Selle kihi paksus sõltub toru pingest, filtri paksusest ja materjalist. Poolsummutuskihtide mõõtmiseks kasutatakse tsellofaani (energiaga kuni 12 keV), alumiiniumi (20–100 keV), vaske (60–300 keV), pliid ja vaske (>300 keV). Pingetel 80–120 kV tekitatud röntgenikiirguse puhul võrdub 1 mm vase filtreerimisvõimega 26 mm alumiiniumiga, 1 mm pliid võrdub 50,9 mm alumiiniumiga.

Röntgenikiirguse neeldumine ja hajumine on tingitud selle korpuskulaarsetest omadustest; Röntgenikiirgus interakteerub aatomitega kehakeste (osakeste) voona - footonitena, millest igaühel on teatud energia (pöördvõrdeline röntgenikiirte lainepikkusega). Röntgeni footonite energiavahemik on 0,05-500 keV.

Röntgenkiirguse neeldumine on tingitud fotoelektrilisest efektist: footoni neeldumisega elektronkihi poolt kaasneb elektroni väljutamine. Aatom ergastab ja naastes põhiolekusse kiirgab iseloomulikku kiirgust. Kiirgav fotoelektron kannab endaga kaasa kogu footoni energia (miinus elektroni sidumisenergia aatomis).

Röntgenikiirguse hajumine on tingitud hajutava keskkonna elektronidest. On olemas klassikaline hajumine (kiirguse lainepikkus ei muutu, kuid levimise suund muutub) ja lainepikkuse muutumisega hajumine - Comptoni efekt (hajutatud kiirguse lainepikkus on suurem kui langeva lainepikkus). Viimasel juhul käitub footon nagu liikuv pall ja footonite hajumine toimub Comntoni kujundliku väljendi kohaselt nagu footonite ja elektronidega piljardit mängides: elektroniga põrkudes kannab footon osa oma energiast sellele üle. ja hajub, omades juba vähem energiat (vastavalt hajutatud kiirguse lainepikkus suureneb), lendab elektron aatomist välja tagasilöögienergiaga (neid elektrone nimetatakse Comptoni elektronideks ehk tagasilöögielektronideks). Röntgenikiirguse energia neeldumine toimub sekundaarsete elektronide (Comptoni ja fotoelektronide) moodustumisel ja neile energia ülekandmisel. Aine massiühikule ülekantud röntgenkiirguse energia määrab röntgenkiirguse neeldunud doosi. Selle annuse ühik 1 rad vastab 100 erg/g. Absorberi aines neeldunud energia tõttu toimuvad mitmed sekundaarsed protsessid, mis on röntgendosimeetria jaoks olulised, kuna just neil põhinevad röntgenikiirguse mõõtmismeetodid. (vt Dosimeetria).

Kõik gaasid ja paljud vedelikud, pooljuhid ja dielektrikud suurendavad röntgenikiirguse mõjul elektrijuhtivust. Juhtivuse leiavad parimad isoleermaterjalid: parafiin, vilgukivi, kumm, merevaik. Juhtivuse muutus on tingitud keskkonna ioniseerumisest, s.o neutraalsete molekulide eraldumisest positiivseteks ja negatiivseteks ioonideks (ionisatsiooni tekitavad sekundaarsed elektronid). Ionisatsiooni õhus kasutatakse röntgenkiirguse ekspositsioonidoosi (doos õhus) määramiseks, mida mõõdetakse röntgenikiirguse (vt Ioniseeriva kiirguse doosid). 1 r annuse korral on neeldunud doos õhus 0,88 rad.

Röntgenikiirguse toimel aine molekulide ergastamise tulemusena (ja ioonide rekombinatsiooni käigus) ergastub paljudel juhtudel aine nähtav kuma. Röntgenkiirguse suure intensiivsusega täheldatakse õhu, paberi, parafiini jms nähtavat kuma (metallid on erand). Suurima nähtava valguse saagise annavad sellised kristalsed fosforid nagu Zn·CdS·Ag-fosfor ja teised, mida kasutatakse fluoroskoopias ekraanide jaoks.

Röntgenikiirguse toimel võivad aines toimuda ka erinevad keemilised protsessid: hõbehalogeniidide lagunemine (röntgenikiirguses kasutatav fotoefekt), vee ja vesinikperoksiidi vesilahuste lagunemine, tselluloidi omadused (hägusus ja kampri vabanemine), parafiini (hägusus ja pleegitamine) .

Täieliku muundamise tulemusena muundub kogu keemiliselt inertses aines neeldunud röntgenkiirgus soojuseks. Väga väikese soojushulga mõõtmiseks on vaja ülitundlikke meetodeid, kuid see on peamine meetod röntgenikiirguse absoluutseks mõõtmiseks.

Röntgenkiirgusega kokkupuutest tulenevad sekundaarsed bioloogilised mõjud on meditsiinilise kiiritusravi aluseks (vt.). Röntgenikiirgus, mille kvantid on 6–16 keV (efektiivsed lainepikkused 2–5 Å), neelduvad peaaegu täielikult inimkeha kudede nahas; neid nimetatakse piirikiirteks või mõnikord ka Bucca kiirteks (vt Bucca rays). Sügava röntgenteraapia jaoks kasutatakse kõva filtreeritud kiirgust efektiivsete energiakvanditega 100 kuni 300 keV.

Röntgenkiirguse bioloogilist mõju tuleks arvesse võtta mitte ainult röntgenteraapias, vaid ka röntgendiagnostikas, aga ka kõigil muudel röntgenkiirgusega kokkupuutumise juhtudel, mis nõuavad kiirguskaitse kasutamist ( vaata).

Röntgenikiirgus
nähtamatu kiirgus, mis on võimeline läbima, kuigi erineval määral, kõiki aineid. Tegemist on elektromagnetkiirgusega, mille lainepikkus on umbes 10-8 cm.Nagu nähtav valgus, põhjustab röntgenikiirgus fotofilmi mustaks muutumist. See omadus on meditsiini, tööstuse ja teadusuuringute jaoks väga oluline. Uuritavat objekti läbides ja seejärel filmile langedes kujutab röntgenkiirgus sellel oma sisemist struktuuri. Kuna röntgenikiirguse läbitungimisvõime on erinevate materjalide puhul erinev, annavad sellele vähem läbipaistvad objekti osad fotol heledamad alad kui need, millest kiirgus hästi läbi tungib. Seega on luukoed röntgenikiirgusele vähem läbipaistvad kui naha ja siseorganite kuded. Seetõttu on röntgenpildil näha luud heledamate piirkondadena ja kiirgusele läbipaistvam murdekoht on üsna hõlpsasti tuvastatav. Röntgenpilti kasutatakse ka hambaravis kaariese ja abstsesside tuvastamiseks hambajuurtes, samuti tööstuses valude, plastide ja kummide pragude tuvastamiseks. Röntgenikiirgust kasutatakse keemias ühendite analüüsimiseks ja füüsikas kristallide struktuuri uurimiseks. Keemilist ühendit läbiv röntgenikiir põhjustab iseloomuliku sekundaarse kiirguse, mille spektroskoopiline analüüs võimaldab keemikul määrata ühendi koostist. Kristallilisele ainele langedes hajub röntgenikiir kristalli aatomite poolt, andes fotoplaadile selge korrapärase laikude ja triipude mustri, mis võimaldab kindlaks teha kristalli sisestruktuuri. Röntgenikiirguse kasutamine vähiravis põhineb sellel, et see tapab vähirakke. Siiski võib see avaldada soovimatut mõju normaalsetele rakkudele. Seetõttu tuleb röntgenikiirguse kasutamisel olla äärmise ettevaatusega. Röntgenkiirguse avastas saksa füüsik W. Roentgen (1845-1923). Tema nimi on jäädvustatud mõnes teises selle kiirgusega seotud füüsikalises terminis: ioniseeriva kiirguse doosi rahvusvahelist ühikut nimetatakse röntgeniks; röntgeniaparaadiga tehtud pilti nimetatakse radiograafiaks; Radioloogilise meditsiini valdkonda, mis kasutab haiguste diagnoosimiseks ja raviks röntgenikiirgust, nimetatakse radioloogiaks. Röntgen avastas kiirguse 1895. aastal Würzburgi ülikooli füüsikaprofessorina. Katoodkiirtega katseid tehes (elektronid voolavad lahendustorudes) märkas ta, et vaakumtoru lähedal asuv ekraan, mis on kaetud kristalse baariumtsüanoplatiniidiga, helendab eredalt, kuigi toru ise on kaetud musta papiga. Lisaks tegi Röntgen kindlaks, et tema avastatud tundmatute kiirte läbitungiv jõud, mida ta nimetas röntgenikiirteks, sõltus neelava materjali koostisest. Ta pildistas ka oma käe luid, asetades selle katoodkiirelahendustoru ja baariumtsüanoplatiniidiga kaetud ekraani vahele. Röntgeni avastamisele järgnesid teiste teadlaste katsed, kes avastasid palju uusi omadusi ja võimalusi selle kiirguse rakendamiseks. Suure panuse andsid M. Laue, W. Friedrich ja P. Knipping, kes demonstreerisid 1912. aastal röntgenikiirguse difraktsiooni, kui see läbib kristalli; W. Coolidge, kes 1913. aastal leiutas kuumutatud katoodiga kõrgvaakumröntgentoru; G. Moseley, kes tegi 1913. aastal kindlaks seose kiirguse lainepikkuse ja elemendi aatomnumbri vahel; G. ja L. Braggy, kes said 1915. aastal Nobeli preemia röntgendifraktsioonianalüüsi põhialuste väljatöötamise eest.
Röntgenikiirguse SAAMINE
Röntgenkiirgus tekib siis, kui suurel kiirusel liikuvad elektronid suhtlevad ainega. Kui elektronid põrkuvad mis tahes aine aatomitega, kaotavad nad kiiresti oma kineetilise energia. Sel juhul muundatakse suurem osa sellest soojuseks ja väike osa, tavaliselt alla 1%, muundatakse röntgenienergiaks. See energia vabaneb kvantidena – osakestena, mida nimetatakse footoniteks ja millel on energiat, kuid mille puhkemass on null. Röntgeni footonid erinevad oma energia poolest, mis on pöördvõrdeline nende lainepikkusega. Tavapärase röntgenikiirguse saamise meetodiga saadakse lai lainepikkuste vahemik, mida nimetatakse röntgenikiirguse spektriks. Spekter sisaldab väljendunud komponente, nagu on näidatud joonisel fig. 1. Laia "kontiinumi" nimetatakse pidevaks spektriks või valgeks kiirguseks. Selle peal asetsevaid teravaid piike nimetatakse iseloomulikeks röntgenikiirguse joonteks. Kuigi kogu spekter on elektronide kokkupõrgete tulemus ainega, on selle laia osa ja joonte ilmnemise mehhanismid erinevad. Aine koosneb suurest hulgast aatomitest, millest igaühel on elektronkihtidega ümbritsetud tuum ja iga elektron teatud elemendi aatomi kestas hõivab teatud diskreetse energiataseme. Tavaliselt on need kestad ehk energiatasemed tähistatud sümbolitega K, L, M jne, alustades tuumale lähimast kestast. Kui piisavalt suure energiaga langev elektron põrkab kokku ühe aatomiga seotud elektroniga, lööb see elektroni oma kestast välja. Tühja ruumi võtab enda alla teine ​​kesta elektron, mis vastab kõrgemale energiale. See viimane eraldab röntgenfootoni kiirgades liigset energiat. Kuna kesta elektronidel on diskreetsed energiaväärtused, on ka saadud röntgenfootonitel diskreetne spekter. See vastab teatud lainepikkuste teravatele tippudele, mille konkreetsed väärtused sõltuvad sihtelemendist. Iseloomulikud jooned moodustavad K-, L- ja M-seeria, olenevalt sellest, millisest kestast (K, L või M) elektron eemaldati. Röntgenikiirguse lainepikkuse ja aatomarvu vahelist seost nimetatakse Moseley seaduseks (joonis 2).

Need on kolm põhilist Laue võrrandit röntgendifraktsiooni jaoks, kusjuures numbrid h, k ja c on difraktsioonitasandi Milleri indeksid.
Vaata ka KRISTALLID JA KRISTALLOGRAAFIA. Arvestades mis tahes Laue võrrandit, näiteks esimest, võib märgata, et kuna a, a0, l on konstandid ja h = 0, 1, 2, ..., saab selle lahendit esitada koonuste hulgana ühine telg a (joon. 5). Sama kehtib ka suundade b ja c kohta. Üldise kolmemõõtmelise hajumise (difraktsiooni) puhul peab kolmel Laue võrrandil olema ühine lahend, s.t. kolm difraktsioonikoonust, mis asuvad kummalgi teljel, peavad ristuma; ühine ristumisjoon on näidatud joonisel fig. 6. Võrrandite ühislahendus viib Braggi-Wulfi seaduseni: