Что представляет собой рентгеновское излучение. Возникновение и свойства рентгеновского излучения

Современная медицина использует множество медиков диагностики и терапии. Некоторые из них применяют сравнительно недавно, другие же практикуют на протяжении не одного десятка и даже сотни лет. Также еще сто десять лет назад Вильям Конрад Рентген обнаружил удивительные Х-лучи, которые вызвали значительный резонанс в научном и медицинском мире. И сейчас медики всего планеты используют их в своей практике. Темой нашего сегодняшнего разговора станут рентгеновские лучи в медицине, обсудим их применение чуть более подробно.

Рентгеновские лучи являются одной из разновидностей электромагнитного излучения. Они характеризуются значительными проникающими качествами, которые зависят длины волны излучения, а также от плотности и толщины облучаемых материалов. Кроме того рентгеновские лучи способны вызывать свечение ряда веществ, влиять на живые организмы, ионизировать атомы, а также катализировать некоторые фотохимические реакции.

Применение лучей Рентгена в медицине

На сегодняшний день свойства рентгеновских лучей позволяют широко применять их в рентгенодиагностике и рентгенотерапии.

Рентгенодиагностика

К рентгенодиагностике прибегают при проведении:

Рентгеноскопии (просвечивания);
- рентгенографии (снимка);
- флюорографии;
- рентгеновской и компьютерной томографии.

Рентгеноскопия

Для проведения такого исследования пациенту необходимо расположиться между трубкой рентгена и особенным флуоресцирующим экраном. Специалист-рентгенолог подбирает необходимую жесткость Х-лучей, получая на экране картинку внутренних органов, а также ребер.

Рентгенография

Для проведения данного исследования пациента укладывают на кассету, в которой находится специальная фотопленка. Рентгеновский аппарат при этом располагают непосредственно над объектом. В результате на пленке появляется негативное изображение внутренних органов, которое содержит ряд мелких деталей, более подробных, чем при проведении рентгеноскопического обследования.

Флюорография

Данное исследование осуществляют при проведении массовых медосмотров населения, в том числе и для выявления туберкулеза. При этом на особенную пленку проецируют картинку с крупного экрана.

Томография

При проведении томографии компьютерные лучи помогают получить снимки органов сразу в нескольких местах: в специально подобранных поперечных срезах ткани. Такая серия рентгеновских снимков носит название томограммы.

Компьютерная томограмма

Такое исследование позволяет регистрировать срезы тела человека путем применения рентгеновского сканера. После данные заносят в компьютер, получая одну картинку в поперечном сечении.

Каждый из перечисленных методов диагностики основан на свойствах рентгеновского луча засвечивать фотопленку, а также на том, что ткани и костный скелет человека отличаются различной проницаемостью к их воздействию.

Рентгенотерапия

Способность рентгеновских лучей влиять особенным образом на ткани применяется для терапии опухолевых формирований. При этом ионизирующие качества данного излучения особенно активно заметны при воздействии на клеточки, которые способны к быстрому делению. Как раз этими качествами отличаются клетки злокачественных онкологических формирований.

Тем не менее, стоит отметить, что рентгенотерапия способна вызывать массу серьезных побочных эффектов. Такое воздействие агрессивно сказывается на состоянии кроветворной, эндокринной и иммунной системы, клетки которых также очень быстро делятся. Агрессивное влияние на них способно вызывать признаки лучевой болезни.

Влияние рентгеновского излучения на человека

Во время исследования рентгеновских лучей, медики выяснили, что они могут приводить к изменениям в кожном покрове, которые напоминают солнечный ожог, однако сопровождаются более глубокими повреждениями кожи. Подобные изъязвления заживают крайне долго. Ученые выяснили, что таких поражений можно избежать путем снижения времени и дозы облучения, а также при помощи специальной экранировки и методов дистанционного управления.

Агрессивное влияние рентгеновских лучей может проявляться и в долгосрочной перспективе: временными либо постоянными изменениями в составе крови, подверженностью лейкемии и раннему старению.

Влияние рентгена на человека зависит от многих факторов: от того, какой орган облучают, и как долго. Облучение органов кроветворения может привести к недугам крови, а воздействие на половые органы – к бесплодию.

Проведение систематического облучения чревато развитием генетических изменений в организме.

Реальный вред рентгеновских лучей при рентгенодиагностике

При проведении обследования врачи применяют минимально возможное количество рентгеновских лучей. Все дозы облучения соответствуют определенным допустимым стандартам и не могут навредить человеку. Значительную опасность рентгенодиагностика представляет лишь для врачей, которые ее проводят. И то современные методы защиты помогают уменьшить агрессию лучей до минимума.

К самым безопасным методам рентгенодиагностики относят рентгенографию конечностей, а также стоматологический рентген. На следующем месте этого рейтинга находится маммография, за ней – компьютерная томография, а после – рентгенография.

Чтобы применение рентгеновских лучей в медицине приносило лишь пользу человеку, нужно проводить исследования с их помощью только по показаниям.

Министерство образования и науки РФ

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО ЮУрГУ

Кафедра физической химии

по курсу КСЕ: “Рентгеновское излучение”

Выполнил:

Наумова Дарья Геннадиевна

Проверил:

Доцент, К. Т.Н.

Танклевская Н.М.

Челябинск 2010 г.

Введение

Глава I. Открытие рентгеновского излучения

Получение

Взаимодействие с веществом

Биологическое воздействие

Регистрация

Применение

Как делают рентгеновский снимок

Естественное рентгеновское излучение

Глава II. Рентгентография

Применение

Метод получения изображения

Преимущества рентгенографии

Недостатки рентгенографии

Рентгеноскопия

Принцип получения

Преимущества рентгеноскопии

Недостатки рентгеноскопии

Цифровые технологии в рентгеноскопии

Многострочный сканирующий метод

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Рентге́новское излуче́ние - электромагнитные волны, энергия фотонов которых определяется диапазоном энергией от ультрафиолетовых до гамма-излучений, что соответствует интервалу длин волн от 10−4 до 10² Å (от 10−14 до 10−8 м).

Как и видимый свет, рентгеновское излучение вызывает почернение фотопленки. Это его свойство имеет важное значение для медицины, промышленности и научных исследований. Проходя сквозь исследуемый объект и падая затем на фотопленку, рентгеновское излучение изображает на ней его внутреннюю структуру. Поскольку проникающая способность рентгеновского излучения различна для разных материалов, менее прозрачные для него части объекта дают более светлые участки на фотоснимке, чем те, через которые излучение проникает хорошо. Так, костные ткани менее прозрачны для рентгеновского излучения, чем ткани, из которых состоит кожа и внутренние органы. Поэтому на рентгенограмме кости обозначатся как более светлые участки и более прозрачное для излучения место перелома может быть достаточно легко обнаружено. Рентгеновская съемка используется также в стоматологии для обнаружения кариеса и абсцессов в корнях зубов, а также в промышленности для обнаружения трещин в литье, пластмассах и резинах.

Рентгеновское излучение используется в химии для анализа соединений и в физике для исследования структуры кристаллов. Пучок рентгеновского излучения, проходя через химическое соединение, вызывает характерное вторичное излучение, спектроскопический анализ которого позволяет химику установить состав соединения. При падении на кристаллическое вещество пучок рентгеновских лучей рассеивается атомами кристалла, давая четкую правильную картину пятен и полос на фотопластинке, позволяющую установить внутреннюю структуру кристалла.

Применение рентгеновского излучения при лечении рака основано на том, что оно убивает раковые клетки. Однако оно может оказать нежелательное влияние и на нормальные клетки. Поэтому при таком использовании рентгеновского излучения должна соблюдаться крайняя осторожность.

Глава I. Открытие рентгеновского излучения

Открытие рентгеновского излучения приписывается Вильгельму Конраду Рентгену. Он был первым, кто опубликовал статью о рентгеновских лучах, которые он назвал икс-лучами (x-ray). Статья Рентгена под названием "О новом типе лучей" была опубликована 28-го декабря 1895 года в журнале Вюрцбургского физико-медицинского общества. Считается, однако, доказанным, что рентгеновские лучи были уже получены до этого. Катодолучевая трубка, которую Рентген использовал в своих экспериментах, была разработана Й. Хитторфом и В. Круксом. При работе этой трубки возникают рентгеновские лучи. Это было показано в экспериментах Крукса и с 1892 года в экспериментах Генриха Герца и его ученика Филиппа Ленарда через почернение фотопластинок. Однако никто из них не осознал значения сделанного ими открытия и не опубликовал своих результатов. Также Никола Тесла, начиная с 1897 года, экспериментировал с катодолучевыми трубками, получил рентгеновские лучи, но не опубликовал своих результатов.

По этой причине Рентген не знал о сделанных до него открытиях и открыл лучи, названные впоследствие его именем, независимо - при наблюдении флюоресценции, возникающей при работе катодолучевой трубки. Рентген занимался Х-лучами немногим более года (с 8 ноября 1895 года по март 1897 года) и опубликовал о них всего три сравнительно небольших статьи, но в них было дано столь исчерпывающее описание новых лучей, что сотни работ его последователей, опубликованных затем на протяжении 12 лет, не могли ни прибавить, ни изменить ничего существенного. Рентген, потерявший интерес к Х-лучам, говорил своим коллегам: "Я уже всё написал, не тратьте зря время". Свой вклад в известность Рентгена внесла также знаменитая фотография руки его жены, которую он опубликовал в своей статье (см. изображение справа). Подобная слава принесла Рентгену в 1901 году первую Нобелевскую премию по физике, причём нобелевский комитет подчёркивал практическую важность его открытия. В 1896 году впервые было употреблено название "рентгеновские лучи". В некоторых странах осталось старое название - X-лучи. В России лучи стали называть "рентгеновскими" с подачи ученика В.К. Рентгена - Абрама Фёдоровича Иоффе.

Положение на шкале электромагнитных волн

Энергетические диапазоны рентгеновского излучения и гамма-излучения перекрываются в широкой области энергий. Оба типа излучения являются электромагнитным излучением и при одинаковой энергии фотонов - эквивалентны. Терминологическое различие лежит в способе возникновения - рентгеновские лучи испускаются при участии электронов (либо в атомах, либо свободных) в то время как гамма-излучение испускается в процессах девозбуждения атомных ядер. Фотоны рентгеновского излучения имеют энергию от 100 эВ до 250 кэВ, что соответствует излучению с частотой от 3·1016 Гц до 6·1019 Гц и длиной волны 0,005 - 10 нм (общепризнанного определения нижней границы диапазона рентгеновских лучей в шкале длин волн не существует). Мягкий рентген характеризуется наименьшей энергией фотона и частотой излучения (и наибольшей длиной волны), а жёсткий рентген обладает наибольшей энергией фотона и частотой излучения (и наименьшей длиной волны).

(Рентгеновская фотография (рентгенограмма) руки своей жены, сделанная В.К. Рентгеном)

)

Получение

Рентгеновские лучи возникают при сильном ускорении заряженных частиц (в основном электронов) либо же при высокоэнергетичных переходах в электронных оболочках атомов или молекул. Оба эффекта используются в рентгеновских трубках, в которых электроны, испущенные раскалённым катодом, ускоряются (при этом рентгеновские лучи не испускаются, т.к ускорение слишком мало) и ударяются об анод, где они резко тормозятся (при этом испускаются рентгеновские лучи: т. н. тормозное излучение) и в то же время выбивают электроны из внутренних электронных оболочек атомов металла, из которого сделан анод. Пустые места в оболочках занимаются другими электронами атома. При этом испускается рентгеновское излучение с определённой, характерной для материала анода, энергией (характеристическое излучение, частоты определяются законом Мозли:

где Z - атомный номер элемента анода, A и B - константы для определённого значения главного квантового числа n электронной оболочки). В настоящее время аноды изготовляются главным образом из керамики, причём та их часть, куда ударяют электроны, - из молибдена. В процессе ускорения-торможения лишь 1% кинетической энергии электрона идёт на рентгеновское излучение, 99% энергии превращается в тепло.

Рентгеновское излучение можно получать также и на ускорителях заряженных частиц. Т.н. синхротронное излучение возникает при отклонении пучка частиц в магнитном поле, в результате чего они испытывают ускорение в направлении, перпендикулярном их движению. Синхротронное излучение имеет сплошной спектр с верхней границей. При соответствующим образом выбранных параметрах (величина магнитного поля и энергия частиц) в спектре синхротронного излучения можно получить и рентгеновские лучи.

Схематическое изображение рентгеновской трубки. X - рентгеновские лучи, K - катод, А - анод (иногда называемый антикатодом), С - теплоотвод, Uh - напряжение накала катода, Ua - ускоряющее напряжение, Win - впуск водяного охлаждения, Wout - выпуск водяного охлаждения (см. рентгеновская трубка).

Взаимодействие с веществом

Коэффициент преломления почти любого вещества для рентгеновских лучей мало отличается от единицы. Следствием этого является тот факт, что не существует материала, из которого можно было бы изготовить линзу для рентгеновских лучей. Кроме того, при перпендикулярном падении на поверхность рентгеновские лучи почти не отражаются. Несмотря на это, в рентгеновской оптике были найдены способы построения оптических элементов для рентгеновских лучей.

Рентгеновские лучи могут проникать сквозь вещество, причём различные вещества по-разному их поглощают. Поглощение рентгеновских лучей является важнейшим их свойством в рентгеновской съёмке. Интенсивность рентгеновских лучей экспоненциально убывает в зависимости от пройденного пути в поглощающем слое (I = I0e-kd, где d - толщина слоя, коэффициент k пропорционален Z3λ3, Z - атомный номер элемента, λ - длина волны).

Поглощение происходит в результате фотопоглощения и комптоновского рассеяния:

Под фотопоглощением понимается процесс выбивания фотоном электрона из оболочки атома, для чего требуется, чтобы энергия фотона была больше некоторого минимального значения. Если рассматривать вероятность акта поглощения в зависимости от энергии фотона, то при достижении определённой энергии она (вероятность) резко возрастает до своего максимального значения. Для более высоких значений энергии вероятность непрерывно уменьшается. По причине такой зависимости говорят, что существует граница поглощения. Место выбитого при акте поглощения электрона занимает другой электрон, при этом испускается излучение с меньшей энергией фотона, происходит т. н. процесс флюоресценции.

Ученого из Германии Вильгельма Конрада Рентгена по праву можно считать основоположником рентгенографии и первооткрывателем ключевых особенностей рентгеновских лучей.

Тогда в далеком 1895 году он даже не подозревал о широте применения и популярности, открытых им Х-излучений, хотя уже тогда они подняли широкий резонанс в мире науки.

Вряд ли изобретатель мог догадываться, какую пользу или вред принесет плод его деятельности. Но мы с вами сегодня попробуем выяснить, какое воздействие проявляет эта разновидность излучения на человеческое тело.

Х-излучение наделено огромной проникающей способностью, но она зависит от длины волны и плотности материала, который облучается;
под воздействием излучения некоторые предметы начинают светиться;
рентгеновский луч влияет на живых существ;
благодаря Х-лучам начинают протекать некоторых биохимические реакции;
рентгена луч может забирать у некоторых атомов электроны и тем самым ионизировать их.

Даже самого изобретателя в первую очередь волновал вопрос о том, что конкретно из себя представляют открытые им лучи.

После проведения целой серии экспериментальных исследований, ученый выяснил, что Х-лучи – это промежуточные волны между ультрафиолетом и гамма-излучением, длина которых составляет 10 -8 см.

Свойства рентгеновского луча, которые перечислены выше, обладают разрушительными свойствами, однако это не мешает применять их с полезными целями.

Так где же в современном мире можно использовать Х-лучи?

С их помощью можно изучать свойства многих молекул и кристаллических образований.
Для дефектоскопии, то есть проверять промышленные детали и приборы на предмет дефектов.
В медицинской отрасли и терапевтических исследованиях.

В силу малых длин всего диапазона данных волн и их уникальных свойств, стало возможным важнейшее применение излучения, открытого Вильгельмом Рентгеном.

Поскольку тема нашей статьи ограничена воздействием Х-лучей на организм человека, который сталкивается с ними лишь при походе в больницу, то далее мы будем рассматривать исключительно эту отрасль применения.

Ученый, изобретший рентгеновские лучи, сделал их бесценным даром для всего населения Земли, поскольку не стал патентовать свое детище для дальнейшего использования.

Начиная со времен Первой моровой войны портативные установки для рентгена спасли сотни жизней раненных. Сегодня рентгеновские лучи имеют два основных спектра применения:

Диагностика с его помощью.

Рентгенологическая диагностика применяется при различных вариантах:

рентгеноскопия или просвечивание;
рентгенография или снимок;
флюорографическое исследование;
томографирование при помощи рентгена.

Теперь нужно разобраться, чем эти методы отличаются друг от друга:

Первый метод предполагает, что обследуемый располагается между специальным экраном с флуоресцентным свойством и рентгеновской трубкой. Доктор на основе индивидуальных особенностей подбирает требуемую силу лучей и получает изображение костей и внутренних органов на экране.
При втором методе пациента кладут на специальную рентгеновскую пленку в кассете. При этом аппаратура размещается над человеком. Данная методика позволяет получить изображение в негативе, но с более мелкими деталями, чем при рентгеноскопии.
Массовые обследования населения на предмет заболевания легких позволяет провести флюорография. В момент процедуры с большого монитора изображение переноситься на специальную пленку.
Томография позволяет получить изображения внутренних органов в нескольких вариантах сечения. Производиться целая серия снимков, которые в дальнейшем называются томограммой.
Если к предыдущему методу подключить помощь компьютера, то специализированные программы создадут целостное изображение, сделанное при помощи рентгеновского сканера.

Все эти методики диагностики проблем со здоровьем основываются на уникальном свойстве Х-лучей засвечивать фотопленку. При этом проникающая способность у косных и других тканей нашего тела разная, что отображается на снимке.

После того, как было обнаружено еще одно свойство лучей рентгена влиять на ткани с биологической точки зрения, данная особенность стала активно применяться при терапии опухолей.

Клетки, особенно злокачественные, делятся очень быстро, а ионизирующее свойство излучения положительно сказывается при лечебной терапии и замедляет рост опухоли.

Но другой стороной медали является негативное влияние рентгена на клетки кроветворной, эндокринной и иммунной системы, которые также быстро делятся. В результате отрицательного влияния Х-луча проявляется лучевая болезнь.

Влияние рентгена на человеческий организм

Буквально сразу после такого громогласного открытия в научном мире, стало известно, что лучи Рентгена могут оказывать воздействие на тело человека:

В ходе исследований свойств Х-лучей выяснилось, что они способны вызывать ожоги на кожном покрове. Очень схожие на термические. Однако глубина поражения была куда больше, чем бытовые травмы, а заживали они хуже. Многие учены, занимающиеся этими коварными излучениями теряли пальцы на руках.
Методом проб и ошибок было установлено, что если уменьшить время и лозу облечения, то ожогов можно избежать. Позже стали применяться свинцовые экраны и дистанционный метод облучения пациентов.
Долгосрочная перспектива вредности лучей показывает, что изменения состава крови после облучения приводит к лейкемии и раннему старению.
Степень тяжести воздействия рентгеновских лучей на организм человека прямо зависит от облучаемого органа. Так, при рентгенографии малого таза может наступить бесплодие, а при диагностике кроветворных органов – болезни крови.
Даже самые незначительные облучения, но на протяжении долгого времени, могут привести к изменениям на генетическом уровне.

Конечно, все исследования проводились на животных, однако учеными доказано, что патологические изменения будут распространяться и на человека.

ВАЖНО! На основе полученных данных были разработаны стандарты рентгеновского облучения, которые едины на весь мир.

Дозы рентгеновских лучей при диагностике

Наверное, каждый, кто выходит из кабинета доктора после проведенного рентгена, задается вопросом о том, как эта процедура повлияет на дальнейшее здоровье?

Радиационной облучение в природе также существует и с ним мы сталкиваемся ежедневно. Чтобы было проще понять, как рентген влияет на наш организм, мы сравним эту процедуру с получаемым природным облучением:

при рентгенографии грудной клетки человек получает дозу радиации, приравниваемой к 10 дням фонового облучения, а желудка или кишечника – 3 годам;
томограмма на компьютере брюшной полости или всего тела – эквивалент 3 годам облучения;
обследование на рентгене груди – 3 месяца;
конечности облучается, практически не принося вредя здоровью;
стоматологический рентген в силу точной направленности лучевого пучка и минимального времени воздействия – также не является опасным.

ВАЖНО! Несмотря на то, что приведенные данные, как бы пугающе они не звучали, отвечают международным требованиям. Однако пациент имеет полное право попросить дополнительные средства защиты в случае сильного опасения за свое самочувствие.

Все мы сталкиваемся с рентгеновским обследованием, причем неоднократно. Однако одна категория людей вне положенных процедур – это беременные женщины.

Дело в том, что Х-лучи чрезвычайно сказываются здоровье будущего ребенка. Эти волны способны вызвать пороки внутриутробного развития в результате влияния на хромосомы.

ВАЖНО! Наиболее опасным периодом для проведения рентгена является беременность до 16 недели. В этот период самыми уязвимыми являются тазовая, брюшная и позвоночная область малыша.

Зная о таком отрицательном свойстве рентгена, доктора всего мира стараются избегать назначения его проведения у беременных.

Но существуют и другие источники излучения, с которыми может столкнуться беременная женщина:

микроскопы, работающие на электричестве;
мониторы цветных телевизоров.

Те, кто готовиться стать мамой обязательно должны знаю про подстерегающую их опасность. В период лактации рентгеновские лучи не несут угрозы для организма кормящей и малыша.

Как быть после рентгена?

Даже самые незначительные последствия рентгеновского облучения можно свести к минимуму, если выполнить несколько простых рекомендаций:

сразу после процедуры выпить молока. Как известно, оно способно выводить радиацию;
такими же свойствами обладает белое сухое вино или сок винограда;
желательно в первое время кушать больше продуктов, содержащих йод.

ВАЖНО! Не стоит прибегать ни к каким медицинским процедурам или использовать лечебные методы после посещения рентген-кабинета.

Какими бы негативными свойствами не обладали, некогда открытые Х-лучи, все равно польза от их применения значительно превышает наносимый вред. В медицинских учреждениях процедура просвечивания проводиться быстро и с минимальными дозами.

В 1895 немецкий физик Рентген , проводя опыты по прохождению тока между двумя электродами в вакууме, обнаружил, что экран, покрытый люминесцентным веществом (солью бария) светится, хотя разрядная трубка закрыта черным картонным экраном – так было открыто излучение, проникающее через непрозрачные преграды, названное Рентгеном Х-лучами. Было обнаружено, что рентгеновское излучение, невидимое для человека, поглощается в непрозрачных объектах тем сильнее, чем больше атомный номер (плотность) преграды, поэтому рентгеновские лучи легко проходят через мягкие ткани человеческого тела, но задерживаются костями скелета. Были сконструированы источники мощных рентгеновских лучей, позволяющие просвечивать металлические детали и находить в них внутренние дефекты.

Немецкий физик Лауэ предположил, что рентгеновские лучи являются таким же электромагнитным излучением, как лучи видимого света, но с меньшей длиной волны и к ним применимы все законы оптики, в том числе возможна дифракция. В оптике видимого света дифракция на элементарном уровне может быть представлена как отражение света от системы штрихов – дифракционной решетки, происходящее только под определенными углами, при этом угол отражения лучей связан с углом падения, расстоянием между штрихами дифракционной решетки и длиной волны падающего излучения. Для дифракции нужно, чтобы расстояние между штрихами было примерно равно длине волны падающего света.

Лауэ предположил, что рентгеновские лучи имеют длину волны, близкую к расстоянию между отдельными атомами в кристаллах, т.е. атомы в кристалле создают дифракционную решетку для рентгеновских лучей. Рентгеновские лучи, направленные на поверхность кристалла, отразились на фотопластинку, как предсказывалось теорией.

Любые изменения в положении атомов влияют на дифракционную картину, и, изучая дифракцию рентгеновских лучей,можно узнать расположение атомов в кристалле и изменение этого расположения при любых физических, химических и механических воздействиях на кристалл.

Сейчас рентгеноанализ используется во многих областях науки и техники, с его помощью узнали расположение атомов в существующих материалах и создали новые материалы с заданными структурой и свойствами. Последние достижения в этой области (наноматериалы, аморфные металлы, композитные материалы) создают поле деятельности для следующих научных поколений.

Возникновение и свойства рентгеновского излучения

Источником рентгеновских лучей является рентгеновская трубка, в которой есть два электрода – катод и анод. При нагреве катода происходит электронная эмиссия, электроны, вылетающие из катода, ускоряются электрическим полем и ударяются о поверхность анода. От обычной радиолампы (диода) рентгеновскую трубку отличает, в основном, более высокое ускоряющее напряжение (более 1 кВ).

Когда электрон вылетает из катода, электрическое поле заставляет его лететь по направлению к аноду, при этом скорость его непрерывно возрастает, электрон несет магнитное поле, напряженность которого растет с ростом скорости электрона. Достигая поверхности анода электрон резко тормозится, при этом возникает электромагнитный импульс с длинами волн в определенном интервале (тормозное излучение). Распределение интенсивности излучения по длинам волн зависит от материала анода рентгеновской трубки и приложенного напряжения, при этом со стороны коротких волн эта кривая начинается с некоторой пороговой минимальной длины волны, зависящей от приложенного напряжения. Совокупность лучей со всеми возможными длинами волн образует непрерывный спектр, и длина волны, соответствующая максимальной интенсивности, в 1,5 раза превышает минимальную длину волны.

При увеличении напряжения рентгеновский спектр резко меняется за счет взаимодействия атомов с высокоэнергетичными электронами и квантами первичных рентгеновских лучей. Атом содержит внутренние электронные оболочки (энергетические уровни), количество которых зависит от атомного номера (обозначаются буквами K, L, М и т.д.) Электроны и первичные рентгеновские лучи выбивают электроны из одних энергетических уровней на другие. Возникает метастабильное состояние и для перехода к стабильному состоянию необходим перескок электронов в обратном направлении. Этот скачок сопровождается выделением кванта энергии и возникновением рентгеновского излучения. В отличие от рентгеновских лучей с непрерывным спектром, у этого излучения очень узкий интервал длин волн и высокая интенсивность (характеристическое излучением) (см . рис.). Количество атомов, определяющих интенсивность характеристического излучения, очень велико, например, для рентгеновской трубки с медным анодом при напряжении 1 кВ токе 15 мА за 1 с характеристическое излучение дают 10 14 –10 15 атомов. Эта величина вычисляется как отношение общей мощности рентгеновского излучения к энергии кванта рентгеновского излучения из К-оболочки (К-серия рентгеновского характеристического излучения). Общая мощность рентгеновского излучения при этом составляет всего 0,1% от потребляемой мощности, остальная часть теряется, в основном, за счет перехода в тепло.

Вследствие высокой интенсивности и узкого интервала длин волн характеристическое рентгеновское излучение является основным типом излучения, используемым в научных исследованиях и при технологическом контроле. Одновременно с лучами К-серии генерируются лучи L и М-серий, имеющих значительно большие длины волн, но применение их ограничено. K-серия имеет две составляющие с близкими длинами волн a и b , при этом интенсивность b -составляющей в 5 раз меньше, чем a . В свою очередь a -составляющая характеризуется двумя очень близкими длинами волн, интенсивность одной из которых в 2 раза больше, чем другой. Чтобы получить излучение с одной длиной волны (монохроматическое излучение), разработаны специальные методы, использующие зависимость поглощения и дифракции рентгеновских лучей от длины волны. Увеличение атомного номера элемента связано с изменением характеристик электронных оболочек, при этом чем больше атомный номер материала анода рентгеновской трубки, тем меньше длина волны К-серии. Наиболее широко применяются трубки с анодами из элементов с атомными номерами от 24 до 42 (Cr, Fe, Co, Cu, Mo) и длинами волн от 2,29 до 0,712 А (0,229 – 0,712 нм).

Кроме рентгеновской трубки, источниками рентгеновского излучения могут быть радиоактивные изотопы, одни могут непосредственно испускать рентгеновское излучение, другие испускают электроны и a -частицы, генерирующие рентгеновское излучение при бомбардировке металлических мишеней. Интенсивность рентгеновского излучения радиоактивных источников обычно значительно меньше, чем рентгеновской трубки (за исключением радиоактивного кобальта, используемого в дефектоскопии и дающего излучение очень малой длины волны – g -излучение), они малогабаритны и не требуют электроэнергии. Синхротронное рентгеновское излучение получают в ускорителях электронов, длина волны этого излучения значительно превышает получаемую в рентгеновских трубках (мягкое рентгеновское излучение), интенсивность его на несколько порядков выше интенсивности излучения рентгеновских трубок. Есть и природные источники рентгеновского излучения. Радиоактивные примеси обнаружены во многих минералах, зарегистрировано рентгеновское излучение космических объектов, в том числе и звезд.

Взаимодействие рентгеновских лучей с кристаллами

При рентгенографическом исследовании материалов с кристаллической структурой анализируют интерференционные картины, возникающие в результате рассеяния рентгеновских лучей электронами, принадлежащими атомам кристаллической решетки. Атомы считаются неподвижными, их тепловые колебания не учитываются и все электроны одного и того же атом считаются сосредоточенными в одной точке – узле кристаллической решетки.

Для вывода основных уравнений дифракции рентгеновских лучей в кристалле рассматривается интерференция лучей, рассеянных атомами, расположенными вдоль прямой в кристаллической решетке. На эти атомы под углом, косинус которого равен a 0 , падает плоская волна монохроматического рентгеновского излучения. Законы интерференции лучей, рассеянных атомами, аналогичны существующим для дифракционной решетки, рассеивающей световое излучение в видимом диапазоне длин волн. Чтобы на большом расстоянии от атомного ряда амплитуды всех колебаний складывались, необходимо и достаточно, чтобы разность хода лучей, идущих от каждой пары соседних атомов, содержала целое число длин волн. При расстоянии между атомами а это условие имеет вид:

а (a – a 0) = h l ,

где a – косинус угла между атомным рядом и отклоненным лучом, h – целое число. Во всех направлениях, не удовлетворяющих этому уравнению, лучи не распространяются. Таким образом, рассеянные лучи образуют систему коаксиальных конусов, общей осью которых является атомный ряд. Следы конусов на плоскости, параллельной атомному ряду, – гиперболы, а на плоскости, перпендикулярной ряду, – круги.

При падении лучей под постоянным углом полихроматическое (белое) излучение разлагается в спектр лучей, отклоненных под фиксированными углами. Таким образом, атомный ряд является спектрографом для рентгеновского излучения.

Обобщение на двумерную (плоскую) атомную решетку, а затем на трехмерную объемную (пространственную) кристаллическую решетку дает еще два аналогичных уравнения, в которые входят углы падения и отражения рентгеновского излучения и расстояния между атомами по трем направлениям. Эти уравнения называются уравнениями Лауэ и лежат в основе рентгеноструктурного анализа.

Амплитуды лучей, отраженных от параллельных атомных плоскостей складываются и т.к. количество атомов очень велико, отраженное излучение можно зафиксировать экспериментально. Условие отражения описывается уравнением Вульфа – Брэгга2d sinq = nl , где d – расстояние между соседними атомными плоскостями, q – угол скольжения между направлением падающего луча и этими плоскостями в кристалле, l – длина волны рентгеновского излучения, n – целое число, названное порядком отражения. Угол q является углом падения по отношению именно к атомным плоскостям, которые не обязательно совпадают по направлению с поверхностью исследуемого образца.

Разработано несколько методов рентгеноструктурного анализа, использующих как излучение со сплошным спектром, так и монохроматическое излучение. Исследуемый объект при этом может быть неподвижным или вращающимся, может состоять из одного кристалла (монокристалл) или многих (поликристалл), дифрагированное излучение может регистрироваться с помощью плоской или цилиндрической рентгеновской пленки или перемещающегося по окружности детектора рентгеновского излучения, однако во всех случаях при проведении эксперимента и интерпретации результатов используется уравнение Вульфа – Брэгга.

Рентгеноанализ в науке и технике

С открытием дифракции рентгеновских лучей в распоряжении исследователей оказался метод, позволяющий без микроскопа изучить расположение отдельных атомов и изменения этого расположения при внешних воздействиях.

Основное применение рентгеновских лучей в фундаментальной науке – структурный анализ, т.е. установление пространственного расположения отдельных атомов в кристалле. Для этого выращивают монокристаллы и проводят рентгеноанализ, изучая как расположения, так и интенсивности рефлексов. Сейчас определены структуры не только металлов, но и сложных органических веществ, в которых элементарные ячейки содержат тысячи атомов.

В минералогии методом ретгеноанализа определены структуры тысяч минералов и созданы экспресс-методы анализа минерального сырья.

У металлов сравнительно простая кристаллическая структура и рентгеновский метод позволяет исследовать ее изменения при различных технологических обработках и создавать физические основы новых технологий.

По расположению линий на рентгенограммах определяют фазовый состав сплавов, по их ширине – число, величину и форму кристаллов, по распределению интенсивности в дифракционном конусе – ориентировку кристаллов (текстуру).

С помощью этих методик изучают процессы при пластической деформации, включающие в себя дробление кристаллов, возникновение внутренних напряжений и несовершенств кристаллической структуры (дислокаций). При нагреве деформированных материалов изучают снятие напряжений и рост кристаллов (рекристаллизация).

При рентгеноанализе сплавов определяют состав и концентрацию твердых растворов. При возникновении твердого раствора меняются межатомные расстояния и, следовательно, расстояния между атомными плоскостями. Эти изменения невелики, поэтому разработаны специальные прецизионные методы измерения периодов кристаллической решетки с точностью на два порядка превышающей точность измерения при обычных рентгеновских методах исследования. Сочетание прецизионных измерений периодов кристаллической решетки и фазового анализа позволяют построить границы фазовых областей на диаграмме состояния. Рентгеновским методом можно также обнаружить промежуточные состояния между твердыми растворами и химическими соединениями – упорядоченные твердые растворы, в которых атомы примеси расположены не хаотически, как в твердых растворах, и в то же время не с трехмерной упорядоченностью, как в химических соединениях. На рентгенограммах упорядоченных твердых растворов есть дополнительные линии, расшифровка рентгенограмм показывает, что атомы примеси занимают определенные места в кристаллической решетке, например, в вершинах куба.

При закалке сплава, не испытывающего фазовых превращений, может возникать пересыщенный твердый раствор и при дальнейшем нагреве или даже выдержке при комнатной температуре твердый раствор распадается с выделением частиц химического соединения. Это эффект старениея и проявляется он на рентгенограммах как изменение положения и ширины линий. Исследование старения особенно важно для сплавов цветных металлов, например, старение превращает мягкий закаленный алюминиевый сплав в прочный конструкционный материал дуралюмин.

Наибольшее технологическое значение имеют рентгеновские исследования термической обработки стали. При закалке (быстром охлаждении) стали происходит бездиффузионный фазовый переход аустенит – мартенсит, что приводит к изменению структуры от кубической к тетрагональной, т.е. элементарная ячейка приобретает форму прямоугольной призмы. На рентгенограммах это проявляется как расширение линий и разделение некоторых линий на две. Причины этого эффекта – не только изменение кристаллической структуры, но и возникновение больших внутренних напряжений из-за термодинамической неравновесности мартенситной структуры и резкого охлаждения. При отпуске (нагреве закаленной стали) линии на рентгенограммах сужаются, это связано с возвращением к равновесной структуре.

В последние годы большое значение приобрели рентгеновские исследования обработки материалов концентрированными потоками энергии (лучами лазера, ударными волнами, нейтронами, электронными импульсами), они потребовали новых методик и дали новые рентгеновские эффекты. Например, при действии лучей лазера на металлы нагрев и охлаждение происходят настолько быстро, что в металле при охлаждении кристаллы успевают вырасти только до размеров в несколько элементарных ячеек (нанокристаллы) или вообще не успевают возникнуть. Такой металл после охлаждения выглядит как обычный, но не дает четких линий на рентгенограмме, а отраженные рентгеновские лучи распределены по всему интервалу углов скольжения.

После нейтронного облучения на рентгенограммах возникают дополнительные пятна (диффузные максимумы). Радиоактивный распад также вызывает специфические рентгеновские эффекты, связанные с изменением структуры, а также с тем, что исследуемый образец сам становится источником рентгеновского излучения.

Рентгеновское излучение, невидимое излучение, способное проникать, хотя и в разной степени, во все вещества. Представляет собой электромагнитное излучение с длиной волны порядка 10-8 см.

Получение рентгеновского излучения

Рентгеновское излучение возникает при взаимодействии электронов, движущихся с большими скоростями, с веществом. Когда электроны соударяются с атомами какого-либо вещества, они быстро теряют свою кинетическую энергию. При этом большая ее часть переходит в тепло, а небольшая доля, обычно менее 1%, преобразуется в энергию рентгеновского излучения. Эта энергия высвобождается в форме квантов - частиц, называемых фотонами, которые обладают энергией, но масса покоя которых равна нулю. Рентгеновские фотоны различаются своей энергией, обратно пропорциональной их длине волны. При обычном способе получения рентгеновского излучения получают широкий диапазон длин волн, который называют рентгеновским спектром

Рентгеновские трубки. Чтобы получать рентгеновское излучение за счет взаимодействия электронов с веществом, нужно иметь источник электронов, средства их ускорения до больших скоростей и мишень, способную выдерживать электронную бомбардировку и давать рентгеновское излучение нужной интенсивности. Устройство, в котором все это есть, называется рентгеновской трубкой. Ранние исследователи пользовались «глубоко вакуумированными» трубками типа современных газоразрядных. Вакуум в них был не очень высоким.

В газоразрядных трубках содержится небольшое количество газа, и когда на электроды трубки подается большая разность потенциалов, атомы газа превращаются в положительные и отрицательные ионы. Положительные движутся к отрицательному электроду (катоду) и, падая на него, выбивают из него электроны, а они, в свою очередь, движутся к положительному электроду (аноду) и, бомбардируя его, создают поток рентгеновских фотонов.

В современной рентгеновской трубке, разработанной Кулиджем (рис. 11), источником электронов является вольфрамовый катод, нагреваемый до высокой температуры.

Рис. 11.

Электроны ускоряются до больших скоростей высокой разностью потенциалов между анодом (или антикатодом) и катодом. Поскольку электроны должны достичь анода без столкновений с атомами, необходим очень высокий вакуум, для чего нужно хорошо откачать трубку. Этим также снижаются вероятность ионизации оставшихся атомов газа и обусловленные ею побочные токи.

При бомбардировке электронами вольфрамовой антикатод испускает характеристическое рентгеновское излучение. Поперечное сечение рентгеновского пучка меньше реально облучаемой площади. 1 - электронный пучок; 2 - катод с фокусирующим электродом; 3 - стеклянная оболочка (трубка); 4 - вольфрамовая мишень (антикатод); 5 - нить накала катода; 6 - реально облучаемая площадь; 7 - эффективное фокальное пятно; 8 - медный анод; 9 - окно; 10 - рассеянное рентгеновское излучение.

Электроны фокусируются на аноде с помощью электрода особой формы, окружающего катод. Этот электрод называется фокусирующим и вместе с катодом образует «электронный прожектор» трубки. Подвергаемый электронной бомбардировке анод должен быть изготовлен из тугоплавкого материала, поскольку бульшая часть кинетической энергии бомбардирующих электронов превращается в тепло. Кроме того, желательно, чтобы анод был из материала с большим атомным номером, т.к. выход рентгеновского излучения растет с увеличением атомного номера. В качестве материала анода чаще всего выбирается вольфрам, атомный номер которого равен 74. Конструкция рентгеновских трубок может быть разной в зависимости от условий применения и предъявляемых требований.