РИ. Курсач. Курсовая работа по модулю "Электроника" Анализ и моделирование спектров рентгеновского поглощения
 Скачать 0.77 Mb.
|
|
ФГБОУ ВО Сыктывкарский государственный университет имени Питирима Сорокина Факультет РАДИОФИЗИКИ Курсовая работа по модулю "Электроника" Анализ и моделирование спектров рентгеновского поглощения. Выполнил: Студент гр. 131-Рфо Швецов Кирилл Александрович Проверил: Ласёк Михаил Петрович г. Сыктывкар 2021г 1865 год. Вильгельм Конрад Рентген открывает рентгеновские лучи. Рентгеновские лучи были получены Рентгеном в установке приблизительно вот такого устройства - стеклянная трубка с разреженным газом, в этой трубке два электрода: один из них подключен к отрицательному полюсу источника минус, а второй к положительному. В этом электроде отверстие. Напряжение здесь десятки тысяч вольт. Из отрицательно заряженного электрода - катода летят какие-то лучи. И они еще не получили своего названия - поток электронов, их называли катодные лучи, так как электрон был открыт позже через два года. Эти лучи пролетают через отверстие в аноде и заставляют стекло (стеклянный баллон) светиться зеленым светом. Сейчас мы называем такое свечение «Катодолюминесценция», стекло светится под действием пучка электронов. И попутно, Рентген делает самое важное открытие и обнаруживает, что трубка излучает какие-то таинственные лучи, которые получили название x-лучи. Теперь, мы их называем рентгеновское излучение. Оно обладает феноменальной проникающей способностью, например, они проходят через ткани биологические, Рентген видел скелет собственной руки. Если они попадают на люминесцирующий экран, например, сернистый цинк или на фотопластинку, то они засвечивают фотопластинку. 1. Рентгеновское излучение и его свойства. Рентгеновское излучение – это один из видов электромагнитного излучения длины волн которого расположены в области спектра от 0.01 до 100 нм. Согласно квантовым представлениям – РИ(Рентгеновское Излучение) – поток фотонов, энергии ε которых обратно пропорциональны длинам волн λ : ε = 1.24 λ (1) где λ выражена в нм, а ε в Кэв Первичное рентгеновское излучение происходит при бомбардировке атомов твёрдого тела заряженными элементарными частицами. Наиболее распространённым источником первичного излучения является «Рентгеновская трубка». В ней накалённая нить катода выделяет электроны, ускоряемые в сторону анода электрическим полем, приложенным к трубке. Для Рентгеновской спектроскопии используют напряжения на трубке от 10 Кв до 70 Кв. Возбуждение рентгеновских лучей бомбардировкой твёрдого тела протонами и более тяжёлыми ионами возможно при ускорении этих частиц до очень высоких энергий (порядка нескольких Мэв), для чего в качестве ускорителей применяют электростатические генераторы или циклотроны. Очень удобными источниками РИ являются некоторые радиоактивные изотопы, которые либо сами испускают рентгеновское излучение, либо выбрасывают электроны, или α-частицы, бомбардируя которыми различные твёрдые мишени, можно получить РИ. Основные свойства рентгеновского излучения При бомбардировке мишени электронами они тормозятся и при этом испускают рентгеновское излучение, непрерывно распределённое по длинам волн и называемое тормозным. Кроме того, бомбардирующие электроны могут выбрасывать из атомов мишени внутренние электроны, после чего атомы испускают линейчатое рентгеновское излучение, характеристическое. Тормозное излучение – поляризовано, а характеристическое – нет. При вхождении рентгеновского излучения из вакуума в твёрдое тело происходит преломление лучей и они отклоняются от первоначального направления. Однако преломление ничтожно малою Прохождение РИ через вещество сопровождается его рассеянием и поглощением. При рассеянии фотоны не исчезают, а меняют своё направление движения. При поглощении фотоны отдают атому свою энергию и полностью исчезают. За счёт этой энергией из атома выбрасывается внутренний электрон и атом превращается в положительный ион, отличающийся от нейтрального атома наличием вакансии «Дырки» в электронной оболочке. Ионизирующий атом неустойчив и через очень короткий промежуток времени (10 −16 − 10 −15 с) уменьшает свою энергию путём заполнения внутренней вакансии более удалённым от ядра атома электроном. За счёт освободившейся энергии атом испускает фотон характеристического излучения. Выходит что, фотоэффект, поглощение фотона и ионизация – разные стороны одного общего процесса. 1. Спектральное распределение интенсивности характеристического излучения. Электроны атома располагаются по нескольким оболочкам. Самая внутренняя из них – K-оболочка, затем идёт L, M, N, O, P-оболочки. Они делятся на подоболочки, из которых самую внутреннюю отмечают индексом I, а следующие – II, III, IV и.т.д. ε 1−2 = 𝐸 1 − 𝐸 2 (2) Переход атома с уровня большей энергии 𝐸 1 на уровень меньшей энергии 𝐸 2 конечного состояния с одновременным излучением фотона с энергией ε 1−2 При разложении РИ в спектр такие фотоны образуют одну из линий этого спектра. Вакансия, возникшая в одной из оболочек, может быть заполнена электронами различных подоболочек атома. Все линии спектра, появляющиеся при таких переходах, образуют одну серию линий, обозначаемую так же, как и оболочка начального состояния. Линии K-серии – наиболее коротковолновые, далее в порядке длин возрастания расположены линии L, M, N – серий. Линии высокой интенсивности обозначаются α, затем β и γ- линии. Когда возрастает индекс, интенсивность убывает. Но стоит учесть, что строгой закономерности здесь не имеется, к примеру 𝐿 α − линия слабее 𝐿 β − линии. С помощью методов квантовой механики можно определить вероятность определённых переходов у интенсивности линий. Если происходит нулевая вероятность, то переход не может произойти, а значит линий в нём нет. Благодаря таким расчётам удалось установить, когда могут возникать линии спектра. Их назвали правилами отбора. Если все линии одной серии разложить в порядке возрастания энергии ε 1−2 их фотонов, то в этом ряду энергии 𝐸 2 конечных состояний атома будут убывать. Линия, которая возникнет при 𝐸 2 = 0, может появиться, если вакансия начального состояния заполнится свободным электроном вблизи атома. Тогда ε 1−2 = 𝐸 1 , но такой точки в действительности нет, её называют границей серии. На нашей диаграмме, мы можем увидеть два типа уровней : одиночные (K, 𝐿 𝐼 , 𝑀 𝐼 , 𝑁 𝐼 ) и близкие пары (𝐿 𝐼𝐼 и 𝐿 𝐼𝐼𝐼 , 𝑀 𝐼𝑉 и 𝑀 𝑉 и.т.д ) Данные близкие пары называют дублетными уровнями. Переходы с начального одиночного на конечные дублетные уровни или переход с начальных дублетных уровней на общий конечный дают в спектре две близкие линии, называемые дублетом. Характерными дублетами РС являются (𝐾 𝛼1𝛼2 , 𝐾 𝛽1𝛽3 , 𝐿 𝛼1𝛼2 , 𝐿 𝛼2𝛽1 – линии. Для того, чтобы возбудить линию одной серии некоторого элемента, нужно чтобы энергия eV бомбардирующих электронов (e – заряд электрона, V – напряжение в рентгеновской трубке) была меньше уровня энергии 𝐸 1 начального состояния. Если eV < 𝐸 1 линий этой серии нет. Если eV > 𝐸 1 , то линии появляются. Потенциал напряжения 𝑉 0 где eV = 𝐸 1 , определяет потенциал 𝑉 0 возбуждения данной серии линий. С возрастание заряда Z потенциалы возбуждения одной и той же серии очень быстро возрастают. Если напряжение V на рентгеновской трубке превышает 𝑉 0 , интенсивность линий будет возрастать по формуле 𝐼 ≈ (𝑉 − 𝑉 0 ) 2 (3) до V = 3𝑉 0 , и затем с ростом напряжения скорость интенсивности замедляется. В целом, взаимное расположение линий одной серии и их относительные интенсивности у разных элементов особо не отличаются. Но с возрастанием Z эти линии систематически сдвигаются по спектру в сторону возрастания энергий 𝜀 фотонов. Для разных элементов положение спектральных линий определяется законом Мозли: √ε 1,2 = aZ – b (4) , где a и b – некоторые постоянные, имеющие одинаковые значения для одноимённых линий одной серии, но другие постоянные значения для других линий. 2. Спектральное распределение интенсивности тормозного излучения При торможении электронов в аноде рентгеновской трубки их энергия уменьшается за счёт испускания тормозного излучения. Поскольку потерянная электроном энергия не может превосходить некоторого значения ε 0 равного ε 0 = 𝜀𝑉 (5) Соответственно, тормозное излучение имеет высокочастотную или коротковолновую границу спектра, длина волны λ 0 которой обратно пропорциональна напряжению V на трубке : λ 0 = 12.4 𝑉 (6) , где λ 0 измеряется в нм, а V – кВ. При удалении от этой границы в сторону больших длин волн λ > λ 0 интенсивность тормозного спектра сначала возрастает, проходит максимум при длине волны λ 𝑚 = 1.5 λ 0 , а затем уменьшается. Обозначим I λ интенсивность тормозного спектра в точке с длиной волны λ. Спектральная интенсивность определяется приближёнными формулами : I λ = CZ ( ε 0 – 𝜀) = CZ (Ev – 𝜀) = 𝐶 1 𝑍 λ−λ 0 λ 0 λ 3 (7) Полную интенсивность тормозного излучения при всех длинах волн от λ 0 до ∞ называют интегральной интенсивностью I 𝑖 , которая зависит от Z И V: I 𝑖 = 𝑎𝑍𝑉 2 (8) где a – некоторая постоянная. Когда масса бомбардирующей частицы возрастает интенсивность тормозного излучения быстро падает. Если РИ возбуждается протонами у которых энергия ≈ 1МэВ, то интенсивность характеристического спектра атомов мишени будет достаточно велика, а интенсивность тормозного излучения на несколько порядков меньше, чем при возбуждении электронами. 3. Рассеяние РИ. Когда фото проходит через электронную оболочку атома, он может изменить своё направление. Имеют место быть два случая. Либо фотон не изменяет энергии электронов атома, сохраняя свою энергию, либо фотон передаёт небольшую часть своей энергии одному из электронов, уменьшая часть своей энергии. В первом случае длина волны рассеянного излучения не изменяется, такое рассеяние называют когерентным. Во втором случае длина волны излучения при рассеяние возрастает, это некогерентное рассеяние. При рассеяние на кристаллическом веществе падающее излучение может интерферировать только с когерентной составляющей рассеянного излучения. Будет возникать дифракция, в результате которой когерентное рассеяние разбивается на отдельные пучки, направление распространения и интенсивность зависят не только от химического (элементного) состава рассеивающего вещества, но и от его кристаллической структуры и крупности частиц. Некогерентное рассеяние, длина волны которого отличается от длины волны падающего излучения, не может с ним интерферировать, в связи этого дифракции быть не может. В результате этого при рассеянии на кристаллическом веществе некогерентное рассеянное излучение распространяется во всех направлениях, а интенсивность его зависит только от химического состава вещества. Возрастание длины волны Δ λ некогерентного рассеянного излучения по сравнению с длиной волны падающего излучения зависит от угла α между направлениями этих излучений: Δ λ = 𝚫 λ ∗ (1 − cos α) (9) Где 𝚫 λ ∗ - это значение 𝚫 λ при α = 90, 𝚫 λ ∗ = 0.243 нм С уменьшением угла рассеяния Δ λ уменьшается. Наибольшего значения Δ λ достигает при обратном рассеянии, когда α = 180 . В этом случае Δ λ = 0.00486 нм Из предыдущего раздела следует, что ослабление излучения за счёт рассеяния следует по формуле : 𝐼 = 𝐼 0 𝑒 −𝜎𝑑 = 𝐼 0 𝑒 −𝜎 𝑚𝑚 (10) Где, 𝜎 𝑚 - массовый коэффициент рассеяния. Поскольку рассеяние происходит на электронах атома, то коэффициенты σ и 𝜎 𝑚 растут с увеличением числа этих электронов, т.е с возрастанием Z. Если рассеяние происходит на атоме, расположенном на некоторой глубине под поверхностью вещества, то интенсивность падающего излучения на пути к этому ослабляется. Это ослабление характеризуется коэффициентом Рассеянное излучение возникнув на том же атоме, так же ослабевает при выходе наружу по пути к поверхности вещества. Поскольку коэффициент поглощения возрастает с атомным номером Z быстрее, чем коэффициент рассеяния, то чаще всего интенсивность рассеянного излучения падает с возрастанием Z. Интенсивность рассеянного излучения зависит от интенсивности падающего излучения по приближённой формуле 𝐼 = 𝑘𝐼 𝜎 𝑚 𝜇 𝑚 (11) Где k – постоянный коэффициент пропорциональности. 4. Области применения РИ. В наше время сфера применения рентгеновских лучей – в самых разных областях науки и техники. Искусствоведы могут точно определить подлинность картин и возраст древних артефактов, геологи и ювелиры отличают драгоценные камни от подделок, таможенникам стало легче задерживать контрабандистов и преступников Большую роль РИ сыграло в медицине. Рентгеноскопия (синоним просвечивание) — один из основных методов рентгенологического исследования, состоящий в получении на просвечивающем (флюоресцирующем) экране плоскостного позитивного изображения исследуемого объекта. При рентгеноскопии исследуемый находится между просвечивающим экраном и рентгеновской трубкой. На современных рентгеновских просвечивающих экранах изображение возникает в момент включения рентгеновской трубки и исчезает сразу же после ее выключения. Рентгеноскопия дает возможность изучить функцию органа - пульсацию сердца, дыхательные движения ребер, легких, диафрагмы, перистальтику органов пищеварительного тракта и т.д. Рентгеноскопия используется при лечении заболеваний желудка, желудочно- кишечного тракта, 12-перстной кишки, заболеваний печени, желчного пузыря и желчевыводящих путей. При этом медицинский зонд и манипуляторы вводят без повреждения тканей, а действия в процессе операции контролируются рентгеноскопией и видны на мониторе. Рентгенография - метод рентгенодиагностики с регистрацией неподвижного изображения на светочувствительном материале - спец. фотоплёнке (рентгеновской плёнке) или фотобумаге с последующей фотообработкой; при цифровой рентгенографии изображение фиксируется в памяти компьютера. Выполняется на рентгенодиагностических аппаратах - стационарных, установленных в специально оборудованных рентгеновских кабинетах, или передвижных и переносных - у постели больного или в операционной. На рентгенограммах значительно отчетливей, чем на флюоресцирующем экране, отображаются элементы структур различных органов. Рентгенографию выполняют в целях выявления и профилактики различных заболеваний, основная цель её помочь врачам разных специальностей правильно и быстро поставить диагноз. Рентгеновский снимок фиксирует состояние органа или ткани лишь в момент съемки. Однако однократная рентгенограмма фиксирует только анатомические изменения в определенный момент, она дает статику процесса; посредством серии рентгенограмм, произведенных через определенные промежутки времени, можно изучить динамику процесса, то есть функциональные изменения. Томография. Слово томография можно перевести с греческого как «изображение среза». Это означает, что назначение томографии – получение послойного изображения внутренней структуры объекта исследования. Компьютерная томогарфия характеризуется высоким разрешением, которое дает возможность различать тонкие изменения мягких тканей. КТ позволяет обнаружить такие патологические процессы, которые не могут быть обнаружены другими методами. Кроме того, использование КT позволяет уменьшить дозу рентгеновского излучения, получаемого в процессе диагностики пациентами. Флюорография – диагностический метод, позволяющий получить изображение органов и тканей, был разработан еще в конце 20-го столетия, спустя год после того, как были обнаружены рентгеновские лучи. На снимках можно разглядеть склероз, фиброз, инородные предметы, новообразования, воспаления, имеющие развитую степень, присутствие в полостях газов и инфильтрата, абсцессы, кисты и так далее. Чаще всего производится флюорография грудной клетки, позволяющая выявить туберкулез, злокачественную опухоль в легких или груди и иные патологии. Рентгенотерапия — это современный метод, с помощью которого производится лечение некоторых патологий суставов. Основными направлениями лечения ортопедических заболеваний данным методом, являются: Хронические. Воспалительные процессы суставов (артрит, полиартрит); Дегенеративные (остеоартроз, остеохондроз, деформирующий спондилез). Целью рентгенотерапии является угнетение жизнедеятельности клеток патологически изменённых тканей или полное их разрушение. При неопухолевых заболеваниях рентгенотерапия направлена на подавление воспалительной реакции, угнетение пролиферативных процессов, снижение болевой чувствительности и секреторной активности желёз. Следует учитывать, что наиболее чувствительны к рентгеновским лучам половые железы, кроветворные органы, лейкоциты, клетки злокачественных опухолей. Дозу облучения в каждом конкретном случае определяют индивидуально. Рентгеновский флуоресцентный анализ. Анализируемый образец располагается на пути возбуждающего рентгеновского излучения. Исследуемая область образца обычно выделяется маской с отверстием нужного диаметра, а излучение проходит через коллиматор, формирующий параллельный пучок. За кристаллом-анализатором щелевой коллиматор выделяет дифрагированное излучение для детектора. Обычно максимальный угол q ограничивается значениями 80–85°, так что дифрагировать на кристалле-анализаторе может только то рентгеновское излучение, длина волны l которого связана с межплоскостным расстоянием d неравенством l < 1,95d. Максимальной же разрешающей способности можно добиться, уменьшая величину d. Наилучшие результаты получены с кристаллами- анализаторами из топаза, фторида лития, хлорида натрия, кварца и др. Рентгеновский микроанализ. Описанный выше спектрометр с плоским кристалломанализатором может быть приспособлен для микроанализа. Это достигается сужением либо первичного пучка рентгеновского излучения, либо вторичного пучка, испускаемого образцом. Однако уменьшение эффективного размера образца или апертуры излучения приводит к уменьшению интенсивности регистрируемого дифрагированного излучения. Улучшение этого метода может быть достигнуто применением спектрометра с изогнутым кристаллом, позволяющего регистрировать конус расходящегося излучения, а не только излучение, параллельное оси коллиматора. При помощи такого спектрометра можно идентифицировать частицы размером менее 25 мкм. Еще большее уменьшение размера анализируемого образца достигается в электронно-зондовом рентгеновском микроанализаторе, изобретенном Р.Кастэном. Здесь остросфокусированным электронным лучом возбуждается характеристическое рентгеновское излучение образца, которое затем анализируется спектрометром с изогнутым кристаллом. С помощью такого прибора удается обнаруживать количества вещества порядка 10–14 г в образце диаметром 1 мкм. Были также разработаны установки с электроннолучевым сканированием образца, с помощью которых можно получить двумерную картину распределения по образцу того элемента, на характеристическое излучение которого настроен спектрометр Заключение Таким образом, рентгеновские лучи представляют собой невидимое электромагнитное излучение с длиной волны 105 – 102 нм. Рентгеновские лучи могут проникать через некоторые непрозрачные для видимого света материалы. Испускаются они при торможении быстрых электронов в веществе (непрерывный спектр) и при переходах электронов с внешних электронных оболочек атома на внутренние (линейчастый спектр). Источниками рентгеновского излучения являются: рентгеновская трубка, некоторые радиоактивные изотопы, ускорители и накопители электронов (синхротронное излучение). Приемники – фотопленка, люминисцентные экраны, детекторы ядерных излучений. Рентгеновские лучи применяют в рентгеноструктурном анализе, медицине, дефектоскопии, рентгеновском спектральном анализе и т. п. |