Характеристическое рентгеновское излучение

Рентгеновское излучение. Что это и как его можно использовать

Характеристическое рентгеновское излучение

Рентгеновские лучи являются формой электромагнитного излучения, как и радиоволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение и микроволны. Одним из наиболее распространенных и полезных применений рентгеновских лучей является медицинская визуализация — рентген. Рентгеновские лучи также используется для лечения рака и изучения космоса. 

Электромагнитное излучение передается волнами или частицами на разных длинах волн и частотах. Этот широкий диапазон длин волн известен как электромагнитный спектр, который делится на семь областей в порядке уменьшения длины волны и увеличения энергии и частоты.

Рентгеновские лучи делятся на два типа — мягкие рентгеновские лучи и жесткие рентгеновские лучи. Мягкие рентгеновские лучи попадают в диапазон спектра между УФ светом и гамма-лучами. Мягкие рентгеновские лучи имеют сравнительно высокие частоты — около 3*10 16 Герц до 10 18 Герц, и относительно короткие длины волны — около 10 нанометров до 100 пикометров.

Нанометр — одна миллиардная часть метра. Пикометр — одна триллионная часть метра.

У жестких рентгеновских лучей частоты от 10 18 Гц до более 10 20 Гц, а длины волн около 100 пм до 1 пм.

Жесткие рентгеновские лучи занимают ту же область спектра, что и гамма-лучи.

Единственное различие между ними, это их источник — рентгеновские лучи создаются ускоряющимися электронами, а гамма-лучи атомными ядрами. 

История рентгеновских лучей

Рентгеновские снимки были обнаружены в 1895 году Вильгельмом Конрадом Рентгеном, профессором Вюрцбургского университета в Германии. Ученый заметил кристаллы вблизи высоковольтной электронно-лучевой трубки, имеющей флуоресцентное свечение, даже при экранировании их темной бумагой.

Некоторая форма энергии вырабатывалась трубкой, и она проникала в бумагу и заставляла кристаллы светиться. Тогда Рентген дал имя неизвестной форме энергии — рентгеновское излучение.

Дальнейшие эксперименты показали, что это излучение может проникать в мягкие ткани, но не в кости, а также создавать теневые изображения на фотографических пластинках.

За это открытие Рентген был удостоен первой Нобелевской премии по физике в 1901 году. А во время Первой Мировой Войны рентгеновские снимки уже вовсю использовались в медицинских целях.

Источники и эффекты

Рентгеновские лучи возникают, когда электроны ударяются о металлическую мишень. Электроны освобождаются от нагретой нити накала и ускоряются высоким напряжением в направлении металлической мишени. Когда электроны ударяют по мишени, их энергия преобразуется в рентгеновское излучение.

Рентгеновские лучи могут также создаваться синхротроном — ускорителем частиц, который заставляет заряженные частицы двигаться по замкнутому кругу. Когда высокоскоростные электроны вынуждены двигаться по круговой траектории в магнитном поле, то угловое ускорение заставляет частицы испускать фотоны. Если энергия достаточно велика, электроны будут излучать рентгеновские лучи. 

Синхротронное излучение впервые было обнаружено в США в 1947 году. Это излучение считалось помехой, поскольку оно заставляло частицы терять энергию.

Но позже, в 1960-х годах, оно было признано как свет с исключительными свойствами, который преодолел недостатки рентгеновских трубок.

Одна интересная особенность синхротронного излучения состоит в том, что он поляризован — электрическое и магнитное поля фотонов колеблются в одном направлении, которое может быть либо линейным либо круговым.

Рентгеновский снимок

Из-за способности рентгеновских лучей проникать в некоторые материалы, им нашлось ряд применений, в частности для выявления дефектов или трещин в структурных компонентах.

Рентгеновские снимки также необходимы для проверки безопасности, время перевозки грузов или багажа, а также пассажиров. Электронные детекторы позволяют в режиме реального времени визуализировать содержимое чемоданов и предметов, которые могут перевозить пассажиры.

Первоначальное использование рентгеновских лучей предназначалось для визуализации костей, которые были легко отличимы от мягкой ткани на пленке, которая была доступна в то время.

Однако более точные системы фокусировки и более чувствительные методы обнаружения, такие, как улучшенные фотопленки и электронные датчики изображения, позволили различать все более мелкие детали и тонкие различия в плотности ткани.

Компьютерная томография объединяет несколько рентгеновских снимков в трехмерную модель. Рентгенографические исследования это ценный медицинский инструмент для широкого спектра исследований и процедур.

Они используются в качестве неинвазивного и безболезненного метода диагностики болезней, контрольной терапии и поддержки планирования медицинского и хирургического лечения. Также они используются медицинским персоналом во время ввода катетеров или других устройств, обработки опухолей, удаления сгустков крови и во время множества других процедур.

Рентгеновская терапия

Лучевая терапия использует высокоэнергетическое излучение для уничтожения раковых клеток путем повреждения их ДНК. Однако, такое лечение может повредить и нормальные клетки. Поэтому данный вид терапии должен быть тщательно спланирован, чтобы свести к минимуму побочные эффекты.

Ионизирующее излучение рентгеновских лучей вкладывает большое количество энергии на небольшую площадь. Этой энергии достаточно, чтобы полностью отделить электроны от атомов, тем самым изменяя их химические свойства и нарушая молекулярные связи.

В достаточных дозах это может повредить или даже уничтожить клетки. С одной стороны такое повреждение может спровоцировать рак, но с другой оно может быть использовано и для борьбы с ним — направляя рентгеновские лучи на раковые опухоли можно убить аномальные клетки.

Проблема заключается и в том, что лучи убивают здоровые клетки вдоль своего пути. Чтобы умения этого эффекта пациент во время лечения лежит на столе и облучается радиацией из нескольких направлений.

Воздействие на окружающие ткани сводится к минимуму, поскольку здоровая ткань получает одну небольшую дозу от движущегося луча, в то время как опухоль получает дозы со всех сторон. 

Рентгеновская астрономия

Небесные источники рентгеновского излучения включают в себя бинарные системы, содержащие в себе черные дыры или нейтронные звезды. В таких системах более массивный и компактный звездный остаток может отделить материю от своей звезды-спутника.

В следствии чего образуется диск чрезвычайно горячего рентгеновского излучения, закручивающегося в спираль.

Кроме того, сверхмассивные черные дыры в центрах спиральных галактик могут излучать рентгеновские лучи, поглощая звезды и газовые облака, попадающих в из зону гравитационного воздействия.

Рентгеновские телескопы используют малый угол отражения. В противном случае высокоэнергетические фотоны проходили бы через обычные зеркала телескопа. Поскольку атмосфера Земли блокирует большинство рентгеновских лучей, то поэтому наблюдения обычно проводятся на большой высоте или орбитальными телескопами. 

Источник: https://zen.yandex.ru/media/id/5ae194d5bcf1bc97d58f4283/5b2123aa799d9dc354bbe14a

Интенсивность характеристического рентгеновского излучения меди

Характеристическое рентгеновское излучение

Лабораторный практикум НИЯУ МИФИ

  Цель: Исследование характеристического рентгеновского излучения меди, изучение зависимостей интенсивности характеристических линий CuKα и CuKβ от тока и напряжения на аноде рентгеновской трубки.

ТЕОРИЯ

     В данной работе изучается рентгеновское излучение, возни-кающее при столкновении электронов высоких энергий с металли-ческим анодом рентгеновской трубки, устройство которой схема-тически показано на рис. 1. В простейшем случае в стеклянном баллоне с высоким вакуумом расположены два металлических электрода: катод — К, представляющий собой нагреваемую током вольфрамовую нить, и анод (антикатод) — А в виде массивного ме-таллического стержня. За счет термоэлектронной эмиссии с катода создается поток электронов, который ускоряется в межэлектродном пространстве и бомбардирует анод. Для того чтобы возникло рент-геновское излучение, напряжение в межэлектродном пространстве трубки должно быть порядка нескольких десятков киловольт.

Рис. 1      При торможении на атомах мишени электроны движутся с ус-корением, что приводит к излучению электромагнитных волн в рентгеновском диапазоне. Такой вид излучения, называемый тор-мозным, обладает непрерывным спектром и его свойства совер-шенно не зависят от материала анода.

     При сравнительно небольших энергиях бомбардирующих анод электронов, обусловленных невысоким напряжением на трубке, наблюдается только тормозное излучение. Но по мере увеличения напряжения кинетическая энергия электронов возрастает до значе-ний достаточных для ионизации атомов материала анода. В том числе оказываются возможными процессы выбивания электронов из заполненных внутренних электронных оболочек атомов. Время жизни возбуждённого состояния иона очень мало, поскольку для электронов, находящихся на более высоких оболочках, становится энергетически выгодным переход на освободившееся место. Таким образом, вакансии во внутренних оболочках, возникающие вслед-ствие ионизации, заполняются за счет серии (каскада) переходов электронов из внешних оболочек атомов. Возбужденные атомы (точнее, ионы), переходящие в основное энергетическое состояние, испускают несколько рентгеновских квантов. В результате возни-кает линейчатый спектр, называемый характеристическим, длины волн которого зависят от структуры энергетических уровней ато-мов, из которых состоит вещества анода. Для наблюдения характе-ристического излучения необходимо, чтобы напряжение на рентге-новской трубке превосходило некоторое определенное значение, зависящее от материала анода.     Зависимости интенсивности рентгеновского излучения от энер-гии квантов, т.е. рентгеновские спектры, наблюдаемые экспери-ментально, являются суперпозицией сплошного спектра тормозно-го излучения и линейчатого спектра характеристического излуче-ния, который проявляется в виде отдельных пиков.

     Структура энергетических уровней ионизованного атома, отвечающих характеристическому рентгеновскому излучению, приведена в работе 5-19а на рис. 19а.2. Если выбивается электрон с К-оболочки атома, то образуется вакансия, которая затем может быть заполнена электронами из L-, M- и других оболочек.

Энергетиче-ские уровни этих оболочек расщеплены, поэтому испускаемое при переходах между уровнями энергии излучение образует линии К-серии характеристического излучения элемента материала анода (в первом случае возникает линия , во втором — линия ), частоты ν которых определяются соотношением:

hν=Ek-EL(M),

где h=6,6256*10-34Дж*с постоянная Планка; Ek , EL(M) , энергии соответствующих электронных оболочек.     Энергия испускаемого рентгеновского фотона может быть рас-считана по формуле:

E=hν=hc/λ

     Из всех возможных переходов на К-оболочку наибольшую вероятность осуществления имеют переходы из L-оболочки. Переходы из удаленных оболочек (M, N и т.д.) менее вероятны и поэтому в К-серии наибольшую интенсивность имеют -линии. Интенсивность линии составляет не более 25% от интенсивности — линии. Остальные линии этой серии имею незначительную интенсивность.
Согласно эмпирической формуле интенсивность R характеристического излучения K-серии зависит от величины анодного тока IA и анодного напряжения UA по следующему закону:

R=BIA(UA-UK)1,5

где коэффициент пропорциональности B постоянная величина, характерная для каждого вида рентгеновских трубок и определяемая экспериментальным путём; UK ионизирующий потенциал К-оболочки, который является порогом возбуждения К-серии.     Спектральный состав рентгеновского излучения можно проанализировать с помощью дифракции излучения на монокристалле. При падении рентгеновского излучения на монокристалл, который можно рассматривать как систему параллельных и равноотстоящих атомных плоскостей (рис. 2), взаимное усиление рассеянных волн происходит в направлениях, для которых разность хода δ=AB+BC волн, отраженных от соседних параллельных атомных плоскостей решетки, составляет одну или несколько длин волн.     Данное условие описывается уравнением Брэгга — Вульфа:
где d — межплоскостное расстояние; θ — угол скольжения падаю-щего и отраженного рентгеновского излучения; λ — длина волны рентгеновского излучения; n=1,2… — порядок дифракции.
     Для используемого в данной работе монокристалла LiF, вырезанного вдоль кристаллографической плоскости (100), межплоскостное расстояние d=201,4 пм.
     На рисунке 3 показаны результаты регистрации интенсивности рентгеновского излучения меди R (в данном случае это величина, пропорциональная количеству квантов рентгеновского излуче-ния, попавших в окно датчика в единицу времени) в зависимости от угла скольжения θ . Видно, что отчетливо выраженные пики характеристического излучения меди наложены на сплошное тормозное излучение. Первая пара пиков отвечает K-серии излучения в первом порядке дифракции (n=1) . Углу скольжения 20° соответствует линия , углу 23° — линия . Вторая пара пиков (углы скольжения Θ приблизительно 44° и 50°) отвечает второму порядку дифракции (n=2).

Рис. 3

Источник: https://mephi.ru/physlab/labs/lab_5-20/

Характеристическое рентгеновское излучение

Характеристическое рентгеновское излучение

Баркла в своих опытах установил, что рентгеновское излучение, которое исходит из антикатода рентгеновской трубки, состоит из двух частей. Одна из таких частей — тормозное излучение, которое возникает при торможении электронов в антикатоде. Свойство данного типа излучения совершенно не зависят от материала антикатода.

Спектр тормозного излучения при разложении по длинам волн является сплошным. По аналогии с белым светом его также называют белым рентгеновским излучением.

В направлении длинных волн интенсивность тормозного излучения падает полого и по асимптоте стремится к нулю. Со стороны коротких длин волн сплошной спектр резко обрывается.

Данная особенность сплошного рентгеновского спектра объясняется его квантовой природой. Граница коротких длин волн сплошного рентгеновского спектра определена выражением:

где $U$ — напряжение на рентгеновской трубке. Коротковолновая граница не зависит от материала антикатода. Она определена напряжением на трубке. Относительное распределение энергии по длинам волн в спектре тормозного рентгеновского излучения от материала анода (антикатода) не зависит. Он влияет только на интегральную интенсивность излучения.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Если увеличивать напряжение выше некоторого определенного предела, то на сплошной спектр рентгеновского излучения накладывается система узких спектральных линий, которые относятся ко второму типу рентгеновского излучения — характеристическому рентгеновскому излучению. И в этом случае коротковолновая граница рентгеновского спектра имеется, и она определена формулой (1). Существование данной границы является существенным проявлением корпускулярных свойств рентгеновского излучения.

Итак, характеристическое рентгеновское излучение обладает линейчатым спектром. Это значит, его спектр состоит из расположенных по определенному закону узких линий спектра. Длины волн данных линий зависят только от материала антикатода. В данном отношении линейчатый спектр характеристического рентгеновского излучения сравнивают со спектром газов в оптической области.

Электронная бомбардировка анода порождает и сплошное и характеристическое излучения. Бомбардировка $\alpha \ $— частицами или протонами антикатода возбуждает исключительно характеристическое излучение.

Рентгеновские лучи, которые испускает вещество при воздействии других рентгеновских лучей, составлены фрагментарно из рассеянного первичного пучка, частично из характеристического излучения самого вещества.

Характеристическое излучение возникает только тогда, когда напряжение на рентгеновской трубке становится выше, чем некоторое определенное значение, которое зависит только от материала анода.

Замечание 1

Характеристическим рассматриваемое рентгеновское излучение было названо потому, что в отличие от тормозного излучения характеризует вещество антикатода.

Любая линия характеристического рентгеновского излучения появляется как результат перехода атома с одного энергоуровня на другой. Линия такой частоты определена правилом частот Бора:

Рентгеновское излучение является излучением с очень короткими волнами, следовательно, разность энергий в начальном и конечном состояниях атома большая.

Если мы имеем дело с тяжелыми элементами, то она может в сотни тысяч раз превосходить соответствующую разность в оптической части спектра.

Данный факт указывает на то, что в рассматриваемом нами излучении квантовые переходы осуществляют внутренние, а не валентные атомные электроны.

Для появления возможности внутренних переходов надо чтобы внутри электронной оболочки атома имелись места незаполненные электронами. На эти места смогли бы перейти электроны из других квантовых состояний атома. Подобные вакантные места возникают, если на атом воздействовать при помощи быстрых электронов, фотонов, обладающих высокой энергией или другими быстрыми частицами.

Характеристический спектр рентгеновского излучения состоит из серий линий. Серии обозначают латинскими буквами, начиная с $K$ ($K,L,M$,…). Серия $K$ появляется в результате перехода возбужденного атома с уровня $K$ на находящиеся ниже подуровни слоев $L,M$,…. Серия $L$ возникает при переходе с подуровней слоя $L$ и т.д.

Линии серии $K$ имеют дублетную структуру. Компоненты дублетов обозначают как $K_{{\alpha }_1},\ K_{{\alpha }_2};K_{{\beta }_1},\ K_{{\beta }_2};\dots $ Серии $L,M,N$ имеют мультиплетную структуру.

Для обозначения линий мультиплетов используют греческие буквы и цифровыми индексами. Буква $\alpha $ означает, что переход был сделан с ближайшего слоя, буква $\beta $ говорит о том, что переход совершился со следующего за ближайшим слоя и т.д.

Индексы из цифр при греческих буквах указывают нумерацию линий в порядке уменьшения длин волн.

Отличие характеристических рентгеновских секторов состоит в том, что они для разных элементов просты и однообразны в отличие от оптических линейчатых спектров.

Это объясняется тем, что при переходе от одного элемента к следующему структура внутренних оболочек атома мало изменяется. При увеличении $Z$ элемента на один рентгеновский характеристический спектр сохраняет свой вид.

При этом возникает только несущественное смещение всех рентгеновских линий в направлении коротких длин волн.

Характеристические спектры рентгеновского излучения дают возможность однозначно определять номера элементов в периодической системе. Что позволяет судить о полноте заполнения мест в периодической системе или есть еще неоткрытые элементы.

Длины волн характеристических рентгеновских лучей зависят исключительно от внутренней структуры атомных электронных оболочек. Что является атомным свойством элемента.

Отсюда становится понятным, почему в сплавах и химических соединениях каждый элемент дает такой же характеристический спектр, какой был бы у него одного.

Спектр соединения элементов является простым наложением спектров составляющих его компонент.

Мозли эмпирическим путем установил, что:

где $u $ — частота колебаний линии $K$ — серии, $Z$ — атомный номер элемента, $\sigma $ — некоторая постоянная экранирования, $M$ постоянная. Выражение (3) показывает, что $\sqrt{u }$ представляется в виде плавной кривой, близкой к прямой линии. Формула (3) будет справедлива для других серий $(L,M,L…

)$, но с другими численными значениями величин $M\ {\rm и}\ у$. Выражение (3) называется законом Мозли. Данное выражение определяет смещение характеристических спектров при переходе от одного элемента к другому.

Более точные исследования обнаружили, что отступления от линейной зависимости (3) для серий $K$ и $L$ крайне не существенны и становятся заметны только для последующих серий.

Примеры задач

Пример 1

Сформулируйте самые значимые отличительные черты спектров характеристического рентгеновского излучения.

Решение:

  1. Линейчатые спектры характеристического рентгеновского излучения просты и однообразны в сравнении с оптическими линейчатыми спектрами.
  2. Если атомный номер элемента увеличивается, то линейчатые спектры рентгеновского излучения монотонно смещаются в коротковолновую сторону.
  3. Длины волн характеристических рентгеновских лучей зависят исключительно от внутренней структуры атомных электронных оболочек. Линейчатые рентгеновские спектры различных элементов не изменяются, если изучаемый элемент соединяется с другим элементом.
  4. Линейчатые рентгеновские спектры имеют несколько серий, которые называют: $K,L,M,…$ сериями. Каждая серия составлена из небольшого количества линий, например: $K_{\alpha },\ K_{\beta },K_{\gamma },\dots ,L_{\alpha },\ L_{\beta },L_{\gamma },\dots $. При этом длины волн линий убывают.

Пример 2

Объясните, в чем принципиальное отличие оптических линейчатых спектров от спектра характеристического рентгеновского излучения.

Решение:

Оптические линейчатые спектры атомов определены поведением валентных электронов. Так, при образовании химических связей состояние внешних электронов изменяется, что не может не сказаться на оптическом спектре.

Рентгеновские линейчатые спектры являются индивидуальной характеристикой атома, которая показывает природу характеристического рентгеновского излучения.

Оно возникает при процессах, которые происходят во внутренних заполненных слоях атомов, которые не изменяются при вступлении элементов в химические реакции.

Так, в сплавах и химических соединениях каждый элемент дает такой же характеристический спектр, какой был бы у него одного. Спектр соединения элементов является простым наложением спектров составляющих его компонент.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/predmet_i_zadachi_atomnoy_fiziki/harakteristicheskoe_rentgenovskoe_izluchenie/

Vetstudy — эволюция неизбежна!

Характеристическое рентгеновское излучение

Рентгенология — раздел радиологии, изучающий воздействие на организм животных и человека рентгеновского излучения, возникающие от этого заболевания, их лечение и профилактику, а также методы диагностики различных патологий при помощи рентгеновских лучей (рентгенодиагностика). В состав типового рентгенодиагностического аппарата входит питающее устройство (трансформаторы), высоковольтный выпрямитель, преобразующий переменный ток электрической сети в постоянный, пульт управления, штатив и рентгеновская трубка.

Рентгеновские лучи — это вид электромагнитных колебаний, которые образуются в рентгеновской трубке при резком торможении ускоренных электронов в момент их столкновения с атомами вещества анода.

В настоящее время общепризнанной считается точка зрения, что рентгеновские лучи по своей физической природе являются одним из видов лучистой энергии, спектр которых включает также радиоволны, инфракрасные лучи, видимый свет, ультрафиолетовые лучи и гамма-лучи радиоактивных элементов.

Рентгеновское излучение можно характеризовать как совокупность его наименьших частиц — квантов или фотонов.

Рис. 1 — передвижной рентгеновский аппарат:

A — рентгеновская трубка;Б — питающее устройство;

В — регулируемый штатив.

Рис. 2 — пульт управления рентгеновским аппаратом (механический — слева и электронный — справа):

A — панель для регулирования экспозиции и жёсткости;
Б — кнопка подачи высокого напряжения.

Рис. 3 — блок-схема типичного рентгенаппарата

1 — сеть;2 — автотрансформатор;3 — повышающий трансформатор;4 — рентгеновская трубка;5 — анод;6 — катод;

7 — понижающий трансформатор.

Рентгеновские лучи образуются в момент столкновения потока ускоренных электронов с веществом анода. При взаимодействии электронов с мишенью 99% их кинетической энергии превращается в тепловую энергию и только 1% — в рентгеновское излучение.

Рентгеновская трубка состоит из стеклянного баллона, в который впаяны 2 электрода: катод и анод. Из стеклянного баллона выкачен воздух: движение электронов от катода к аноду возможно лишь в условиях относительного вакуума (10-7–10-8 мм. рт. ст.).

На катоде имеется нить накала, являющаяся плотно скрученной вольфрамовой спиралью. При подаче электрического тока на нить накала происходит электронная эмиссия, при которой электроны отделяются от спирали и образуют рядом с катодом электронное облачко.

Это облачко концентрируется у фокусирующей чашечки катода, задающей направление движения электронов. Чашечка — небольшое углубление в катоде.

Анод, в свою очередь, содержит вольфрамовую металлическую пластину, на которую фокусируются электроны, — это и есть место образования рентгеновских лучей.

Рис. 4 — устройство рентгеновской трубки:А — катод;Б — анод;В — вольфрамовая нить накала;Г — фокусирующая чашечка катода;Д — поток ускоренных электронов;Е — вольфрамовая мишень;Ж — стеклянная колба;З — окно из бериллия;И — образованные рентгеновские лучи;

К — алюминиевый фильтр.

К электронной трубке подключены 2 трансформатора: понижающий и повышающий. Понижающий трансформатор раскаляет вольфрамовую спираль низким напряжением (5—15 вольт), в результате чего возникает электронная эмиссия.

Повышающий, или высоковольтный, трансформатор подходит непосредственно к катоду и аноду, на которые подаётся напряжение 20–140 киловольт.

Оба трансформатора помещаются в высоковольтный блок рентгеновского аппарата, который наполнен трансформаторным маслом, обеспечивающим охлаждение трансформаторов и их надёжную изоляцию.

После того как при помощи понижающего трансформатора образовалось электронное облачко, включается повышающий трансформатор, и на оба полюса электрической цепи подаётся высоковольтное напряжение: положительный импульс — на анод, и отрицательный — на катод.

Отрицательно заряженные электроны отталкиваются от отрицательно заряженного катода и стремятся к положительно заряженному аноду — за счёт такой разности потенциалов достигается высокая скорость движения — 100 тыс. км/с.

С этой скоростью электроны бомбардируют вольфрамовую пластину анода, замыкая электрическую цепь, в результате чего возникает рентгеновское излучение и тепловая энергия.

Рентгеновское излучение подразделяется на тормозное и характеристическое. Тормозное излучение возникает из-за резкого замедления скорости электронов, испускаемых вольфрамовой спиралью.

Характеристическое излучение возникает в момент перестройки электронных оболочек атомов. Оба этих вида образуются в рентгеновской трубке в момент столкновения ускоренных электронов с атомами вещества анода.

Спектр излучения рентгеновской трубки представляет собой наложение тормозного и характеристического рентгеновских излучений.

Рис. 5 — принцип образования тормозного рентгеновского излучения. Рис. 6 — принцип образования характеристического рентгеновского излучения.

  1. Рентгеновские лучи невидимы для визуального восприятия.
  2. Рентгеновское излучение обладает большой проникающей способностью сквозь органы и ткани живого организма, а также плотные структуры неживой природы, не пропускающие лучи видимого света.
  3. Рентгеновские лучи вызывают свечение некоторых химических соединений, называемое флюоресценцией.
    • Сульфиды цинка и кадмия флюоресцируют жёлто-зелёным цветом,
    • Кристаллы вольфрамата кальция — фиолетово-голубым.
  4. Рентгеновские лучи обладают фотохимическим действием: разлагают соединения серебра с галогенами и вызывают почернение фотографических слоёв, формируя изображение на рентгеновском снимке.
  5. Рентгеновские лучи передают свою энергию атомам и молекулам окружающей среды, через которую они проходят, проявляя ионизирующее действие.
  6. Рентгеновское излучение оказывает выраженное биологическое действие в облучённых органах и тканях: в небольших дозах стимулирует обмен веществ, в больших — может привести к развитию лучевых поражений, а также острой лучевой болезни. Биологическое свойство позволяет примененять рентгеновское излучение для лечения опухолевых и некоторых неопухолевых заболеваний.
радиоволныинфракрасное излучениевидимый светультрафиолетовое излучениерентгеновское излучениеγ-излучение (гамма)космическое излучение
30 км–0,15 см0,15 см–700 нм700–400 нм400–1,5 нм1,5–3×10-3 нм3×10-3–1×10-3 нм1×10-3–5×10-5 нм

Рентгеновские лучи имеют определённую длину волны и частоту колебаний. Длина волны (λ) и частота колебаний (ν) связаны соотношением: λ • ν = c, где c — скорость света, округлённо равная 300 000 км в секунду.

Энергия рентгеновских лучей определяется формулой E = h • ν, где h — постоянная Планка, универсальная постоянная, равная 6,626 • 10-34 Дж⋅с.

Длина волны лучей (λ) связана с их энергией (E) соотношением: λ = 12,4 / E.

Рентгеновское излучение отличается от других видов электромагнитных колебаний длиной волны (см. таблицу) и энергией кванта. Чем короче длина волны, тем выше её частота, энергия и проникающая способность. Длина волны рентгеновского излучения находится в интервале

1,5–3×10-3 нм

.

Изменяя длину волны рентгеновского излучения, можно регулировать его проникающую способность. Рентгеновские лучи имеют очень малую длину волны, но большую частоту колебаний, поэтому невидимы человеческим глазом.

Благодаря огромной энергии кванты обладают большой проникающей способностью, что является одним из главных свойств, обеспечивающих использование рентгеновского излучения в медицине и других науках.

Характеристики рентгеновского излучения

Интенсивность — количественная характеристика рентгеновского излучения, которая выражается количеством лучей, испускаемых трубкой в единицу времени. Интенсивность рентгеновского излучения измеряется в миллиамперах.

Сравнивая её с интенсивностью видимого света от обычной лампы накаливания, можно провести аналогию: так, лампа на 20 Ватт будет светить с одной интенсивностью, или силой, а лампа на 200 Ватт — с другой, при этом качество самого света (его спектр) является одинаковым.

Интенсивность рентгеновского излучения, по сути, это его количество.

Каждый электрон создаёт на аноде один или несколько квантов излучения, следовательно, количество рентгеновских лучей при экспонировании объекта регулируется путём изменения количества электронов, стремящихся к аноду, и количества взаимодействий электронов с атомами вольфрамовой мишени, что можно осуществить двумя путями:

  1. Изменяя степень накала спирали катода при помощи понижающего трансформатора (количество электронов, образующихся при эмиссии, будет зависеть от того, насколько сильно раскалена вольфрамовая спираль, а количество квантов излучения будет зависеть от количества электронов);
  2. Изменяя величину высокого напряжения, подводимого повышающим трансформатором к полюсам трубки — кадоду и аноду (чем выше напряжение подаётся на полюса трубки, тем большую кинетическую энергию получают электроны, которые за счёт своей энергии могут взаимодействовать с несколькими атомами вещества анода поочерёдно — см. рис. 5; электроны с низкой энергией смогут вступить в меньшее число взаимодействий).

Интенсивность рентгеновского излучения (анодный ток), помноженная на выдержку (время работы трубки), соответствует экспозиции рентгеновского излучения, которая измеряется в мАс (миллиамперах в секунду). Экспозиция — это параметр, который, также как и интенсивность, характеризует количество лучей, испускаемых рентгеновской трубкой.

Разница состоит лишь в том, что экспозиция учитывает ещё и время работы трубки (так, например, если трубка работает 0,01 сек., то количество лучей будет одним, а если 0,02 сек, то количество лучей будет другим — в два раза больше).

Экспозиция излучения устанавливается рентгенологом на контрольной панели рентгеновского аппарата в зависимости от вида исследования, размеров исследуемого объекта и диагностической задачи.

Жёсткость — качественная характеристика рентгеновского излучения. Измеряется величиной высокого напряжения на трубке — в киловольтах. Определяет проникающую способность рентгеновских лучей. Регулируется величиной высокого напряжения, подводимого к рентгеновской трубке повышающим трансформатором.

Чем выше разность потенциалов создаётся на электродах трубки, тем с большей силой электроны отталкиваются от катода и устремляются к аноду и тем сильнее их столкновение с анодом.

Чем сильнее их столкновение, тем короче длина волны у возникающего рентгеновского излучения и выше проникающая способность данной волны (или жёсткость излучения, которая, так же как и интенсивность, регулируется на контрольной панели параметром напряжением на трубке — киловольтажем).

Рис. 7 — Зависимость длины волны от энергии волны:

λ — длина волны;E — энергия волны

  • Чем выше кинетическая энергия движущихся электронов, тем сильнее их удар об анод и меньше длина волны образующегося рентгеновского излучения. Рентгеновское излучение с большой длиной волны и малой проникающей способностью называется «мягким», с малой длиной волны и высокой проникающей способностью — «жёстким».

Рис. 8 — Соотношение напряжения на рентгеновской трубке и длины волны образующегося рентгеновского излучения:

  • Чем выше напряжение подаётся на полюса трубки, тем сильнее на них возникает разность потенциалов, следовательно, кинетическая энергия движущихся электронов будет выше. Напряжение на трубке определяет скорость движения электронов и силу их столкновения с веществом анода, следовательно, напряжение определяет длину волны возникающего рентгеновского излучения.
  1. По назначению
    1. Диагностические
    2. Терапевтические
    3. Для структурного анализа
    4. Для просвечивания
  2. По конструкции
    1. По фокусности
      • Однофокусные (на катоде одна спираль, а на аноде одно фокусное пятно)
      • Двухфокусные (на катоде две спирали разного размера, а на аноде два фокусных пятна)
    1. По типу анода
      • Стационарный (неподвижный)
      • Вращающийся

Рентгеновские лучи применяются не только в рентгенодиагностических целях, но также и в терапевтических. Как было отмечено выше, способноcть рентгеновского излучения подавлять рост опухолевых клеток позволяет использовать его в лучевой терапии онкологических заболеваний.

Помимо медицинской области применения, рентгеновское излучение нашло широкое применение в инженерно-технической сфере, материаловедении, кристаллографии, химии и биохимии: так, например, возможно выявление структурных дефектов в различных изделиях (рельсах, сварочных швах и пр.) с помощью рентгеновского излучения. Вид такого исследования называется дефектоскопией. А в аэропортах, на вокзалах и других местах массового скопления людей активно применяются рентгенотелевизионные интроскопы для просвечивания ручной клади и багажа в целях безопасности.

В зависимости от типа анода, рентгеновские трубки различаются по конструкции.

В силу того, что 99% кинетической энергии электронов переходит в тепловую энергию, во время работы трубки происходит значительное нагревание анода — чувствительная вольфрамовая мишень часто сгорает.

Охлаждение анода осуществляется в современных рентгеновских трубках при помощи его вращения. Вращающийся анод имеет форму диска, который распределяет тепло по всей своей поверхности равномерно, препятствуя локальному перегреву вольфрамовой мишени.

Конструкция рентгеновских трубок различается также по фокусности. Фокусное пятно — участок анода, на котором происходит генерирование рабочего пучка рентгеновского излучения. Подразделяется на реальное фокусное пятно и эффективное фокусное пятно (рис. 12). Из-за того, что анод расположен под углом, эффективное фокусное пятно меньше, чем реальное.

Различные размеры фокусного пятна используются в зависимости от величины области снимка. Чем больше область снимка, тем шире должно быть фокусное пятно, чтобы покрыть всю площадь снимка. Однако меньшее фокусное пятно формирует лучшую чёткость изображения.

Поэтому при производстве небольших снимков используется короткая нить накала и электроны направляются на небольшую область мишени анода, создавая меньшее фокусное пятно.

Рис. 9 — рентгеновская трубка со стационарным анодом. Рис. 10 — рентгеновская трубка с вращающимся анодом. Рис. 11 — устройство рентгеновской трубки с вращающимся анодом. Рис. 12 — схема образования реального и эффективного фокусного пятна.

Функция печати недоступна из системного меню вашего браузера. Для того чтобы распечатать эту страницу, нажмите на ссылку «Версия для печати» в заголовке статьи.

Охраняется законом РФ «Об авторском праве».
Размещение материалов на сторонних ресурсах возможно только с разрешения редакции портала.

Источник: https://vetstudy.ru/%D1%80%D0%B5%D0%BD%D1%82%D0%B3%D0%B5%D0%BD%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D0%B8%D1%8F/%D0%BF%D1%80%D0%B8%D0%BD%D1%86%D0%B8%D0%BF%D1%8B/%D1%84%D0%B8%D0%B7%D0%B8%D0%BA%D0%B0-%D1%80%D0%B5%D0%BD%D1%82%D0%B3%D0%B5%D0%BD%D0%BE%D0%B2%D1%81%D0%BA%D0%B8%D1%85-%D0%BB%D1%83%D1%87%D0%B5%D0%B9

Booksm
Добавить комментарий