физические основы применения рентгеновского излучения в медицине. Рентгеновское излучение
 Скачать 364.89 Kb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФГБОУ ВПО «УРАЛЬСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ВЕТЕ- РИНАРНОЙ МЕДИЦИНЫ» Кафедра физики РЕФЕРАТ На тему: «Рентгеновское излучение» Выполнили студентки 5курса Факультета ветеринарной медицины 51, 53 «Б» группы Колина Т.Ю., Тямчик О.Е. г.Троицк – 2015г. 2 Содержание: Введение……………………………………………………………………………...3 1. Получение рентгеновского излучения…………………………..…………..4 2. Обнаружение рентгеновского излучения………………………...………….6 3. Рентгеновская и гамма-дефектоскопия……………………………...………7 4. Дифракция рентгеновского излучения………………………………...…….8 5. Методы дифракционного анализа……………………………………….....11 6. Спектрохимический рентгеновский анализ……………………………......14 7. Медицинская рентгенодиагностика……………………………………...…16 8. Биологическое действие рентгеновского излучения……………………...16 9. Опасные факторы рентгеновского излучения……………………………..17 Заключение……………………………………………………………………….....18 Список использованных источников……………………………………………...19 3 Введение Рентгеновское излучение, невидимое излучение, способное проникать, хотя и в раз- ной степени, во все вещества. Представляет собой электромагнитное излучение с длиной волны порядка 10–8 см. Как и видимый свет, рентгеновское излучение вызывает почернение фотопленки. Это его свойство имеет важное значение для медицины, промышленности и научных исследова- ний. Проходя сквозь исследуемый объект и падая затем на фотопленку, рентгеновское излу- чение изображает на ней его внутреннюю структуру. Поскольку проникающая способность рентгеновского излучения различна для разных материалов, менее прозрачные для него ча- сти 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 сто- матологии 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 кристал- лическое вещество пучок рентгеновских лучей рассеивается атомами кристалла, давая чет- кую правильную картину пятен и полос на фотопластинке, позволяющую установить внут- реннюю 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. Рентгеновское излучение было открыто немецким физиком В.Рентгеном (1845–1923). Его имя увековечено и в некоторых других физических терминах, связанных с этим излуче- нием: рентгеном называется международная единица дозы ионизирующего излучения; сни- мок, сделанный в рентгеновском аппарате, называется рентгенограммой; область радиологи- ческой медицины, в которой используются рентгеновские лучи для диагностики и лечения заболеваний, называется рентгенологией. Рентген открыл излучение в 1895, будучи профессором физики Вюрцбургского уни- верситета. Проводя эксперименты с катодными лучами (потоками электронов в разрядных трубках), он заметил, что расположенный вблизи вакуумной трубки экран, покрытый кри- сталлическим цианоплатинитом бария, ярко светится, хотя сама трубка закрыта черным кар- тоном. Далее Рентген установил, что проникающая способность обнаруженных им неизвест- ных лучей, которые он назвал Х-лучами, зависит от состава поглощающего материала. Он получил также изображение костей собственной руки, поместив ее между разрядной трубкой с катодными лучами и экраном с покрытием из цианоплатинита бария. За открытием Рентге- на последовали эксперименты других исследователей, обнаруживших много новых свойств и возможностей применения этого излучения. Большой вклад внесли М.Лауэ, В.Фридрих и П.Книппинг, продемонстрировавшие в 1912 дифракцию рентгеновского излучения при про- хождении его через кристалл; У.Кулидж, который в 1913 изобрел высоковакуумную рентге- новскую трубку с подогретым катодом; Г.Мозли, установивший в 1913 зависимость между длиной волны излучения и атомным номером элемента; Г. и Л.Брэгги, получившие в 1915 Нобелевскую премию за разработку основ рентгеноструктурного анализа. 4 1. 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 пере- ходит 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 спо- собе получения рентгеновского излучения получают широкий диапазон длин волн, который называют рентгеновским спектром. В спектре присутствуют ярко выраженные компоненты, как это показано на рис. 1. Рис. 1. Обычный рентгеновский спектр Обычный рентгеновский спектр – состоит из непрерывного спектра (континуума) и характеристических линий (острые пики). Линии К\ia и К\ib возникают вследствие взаимо- действий ускоренных электронов с электронами внутренней К-оболочки. Широкий «континуум» называют непрерывным спектром или белым излучением. Налагающиеся на него острые пики называются характеристическими рентгеновскими лини- ями испускания. Хотя весь спектр есть результат столкновений электронов с веществом, ме- ханизмы возникновения его широкой части и линий разные. Вещество состоит из большого числа атомов, каждый из которых имеет ядро, окруженное электронными оболочками, при- чем каждый электрон в оболочке атома данного элемента занимает некоторый дискретный уровень энергии. Обычно эти оболочки, или энергетические уровни, обозначают символами K, L, M и т.д., начиная от ближайшей к ядру оболочки. Когда налетающий электрон, обла- дающий достаточно большой энергией, соударяется с одним из связанных с атомом электро- нов, он выбивает этот электрон с его оболочки. Опустевшее место занимает другой электрон с оболочки, которой соответствует большая энергия. Этот последний отдает избыток энер- гии, испуская рентгеновский фотон. Поскольку электроны оболочек имеют дискретные зна- чения энергии, возникающие рентгеновские фотоны тоже обладают дискретным спектром. Этому соответствуют острые пики для определенных длин волн, конкретные значения кото- рых зависят от элемента-мишени. Характеристические линии образуют K-, L- и M-серии, в зависимости от того, с какой оболочки (K, L или M) был удален электрон. Соотношение между длиной волны рентгеновского излучения и атомным номером называется законом Мозли (рис. 2). 5 Рис. 2. Длина волны характеристического рентгеновского излучения Длина волны характеристического рентгеновского излучения, испускаемого химиче- скими элементами, зависит от атомного номера элемента. Кривая соответствует закону Моз- ли: чем больше атомный номер элемента, тем меньше длина волны характеристической ли- нии. Если электрон наталкивается на относительно тяжелое ядро, то он тормозится, а его кинетическая энергия выделяется в виде рентгеновского фотона примерно той же энергии. Если же он пролетит мимо ядра, то потеряет лишь часть своей энергии, а остальную будет передавать попадающимся на его пути другим атомам. Каждый акт потери энергии ведет к излучению фотона с какой-то энергией. Возникает непрерывный рентгеновский спектр, верхняя граница которого соответствует энергии самого быстрого электрона. Таков меха- низм образования непрерывного спектра, а максимальная энергия (или минимальная длина волны), фиксирующая границу непрерывного спектра, пропорциональна ускоряющему напряжению, которым определяется скорость налетающих электронов. Спектральные линии характеризуют материал бомбардируемой мишени, а непрерывный спектр определяется энергией электронного пучка и практически не зависит от материала мишени. Рентгеновское излучение можно получать не только электронной бомбардировкой, но и облучением мишени рентгеновским же излучением от другого источника. В этом случае, однако, бльшая часть энергии падающего пучка переходит в характеристический рентгенов- ский спектр и очень малая ее доля приходится на непрерывный. Очевидно, что пучок пада- ющего рентгеновского излучения должен содержать фотоны, энергия которых достаточна для возбуждения характеристических линий бомбардируемого элемента. Высокий процент энергии, приходящейся на характеристический спектр, делает такой способ возбуждения рентгеновского излучения удобным для научных исследований. Рентгеновские трубки. Чтобы получать рентгеновское излучение за счет взаимодей- ствия электронов с веществом, нужно иметь источник электронов, средства их ускорения до больших скоростей и мишень, способную выдерживать электронную бомбардировку и да- вать рентгеновское излучение нужной интенсивности. Устройство, в котором все это есть, называется рентгеновской трубкой. Ранние исследователи пользовались «глубоко вакууми- рованными» трубками типа современных газоразрядных. Вакуум в них был не очень высо- ким. В газоразрядных трубках содержится небольшое количество газа, и когда на электро- ды трубки подается большая разность потенциалов, атомы газа превращаются в положитель- ные и отрицательные ионы. Положительные движутся к отрицательному электроду (катоду) и, падая на него, выбивают из него электроны, а они, в свою очередь, движутся к положи- тельному электроду (аноду) и, бомбардируя его, создают поток рентгеновских фотонов. В современной рентгеновской трубке, разработанной Кулиджем (рис. 3), источником элек- 6 тронов является вольфрамовый катод, нагреваемый до высокой температуры. Электроны ускоряются до больших скоростей высокой разностью потенциалов между анодом (или ан- тикатодом) и катодом. Поскольку электроны должны достичь анода без столкновений с ато- мами, необходим очень высокий вакуум, для чего нужно хорошо откачать трубку. Этим так- же снижаются вероятность ионизации оставшихся атомов газа и обусловленные ею побоч- ные токи. Рис. 3. Рентгеновская трубка Кулиджа Рентгеновская трубка Кулиджа. При бомбардировке электронами вольфрамовой ан- тикатод испускает характеристическое рентгеновское излучение. Поперечное сечение рент- геновского 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 фо- кальное пятно; 8 – медный анод; 9 – окно; 10 – рассеянное рентгеновское излучение. Электроны фокусируются на аноде с помощью электрода особой формы, окружающе- го катод. Этот электрод называется фокусирующим и вместе с катодом образует «электрон- ный прожектор» трубки. Подвергаемый электронной бомбардировке анод должен быть изго- товлен из тугоплавкого материала, поскольку бульшая часть кинетической энергии бомбар- дирующих электронов превращается в тепло. Кроме того, желательно, чтобы анод был из материала с большим атомным номером, т.к. выход рентгеновского излучения растет с уве- личением 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. 2. Обнаружение рентгеновского излучения Все методы обнаружения рентгеновского излучения основаны на их взаимодействии с веществом. Детекторы могут быть двух видов: те, которые дают изображение, и те, которые его не дают. К первым относятся устройства рентгеновской флюорографии и рентгеноско- пии, в которых пучок рентгеновского излучения проходит через исследуемый объект, а про- шедшее излучение попадает на люминесцентный экран или фотопленку. Изображение воз- никает благодаря тому, что разные части исследуемого объекта поглощают излучение по- разному – в зависимости от толщины вещества и его состава. В детекторах с люминесцент- ным экраном энергия рентгеновского излучения превращается в непосредственно наблюдае- мое изображение, а в рентгенографии оно регистрируется на чувствительной эмульсии и его можно наблюдать лишь после проявления пленки. Ко второму типу детекторов относятся самые разнообразные устройства, в которых 7 энергия рентгеновского излучения преобразуется в электрические сигналы, характеризую- щие относительную интенсивность излучения. Сюда входят ионизационные камеры, счетчик Гейгера, пропорциональный счетчик, сцинтилляционный счетчик и некоторые специальные детекторы на основе сульфида и селенида кадмия. В настоящее время наиболее эффектив- ными детекторами можно считать сцинтилляционные счетчики, хорошо работающие в ши- роком диапазоне энергий. Детектор выбирается с учетом условий задачи. Например, если нужно точно измерить интенсивность дифрагированного рентгеновского излучения, то применяются счетчики, поз- воляющие произвести измерения с точностью до долей процента. Если же нужно зареги- стрировать очень много дифрагированных пучков, то целесообразно пользоваться рентге- новской пленкой, хотя в этом случае определить интенсивность с той же точностью невоз- можно. 3. Рентгеновская и гамма-дефектоскопия Одно из наиболее распространенных применений рентгеновского излучения в про- мышленности – контроль качества материалов и дефектоскопия. Рентгеновский метод явля- ется неразрушающим, так что проверяемый материал, если он найден удовлетворяющим не- обходимым требованиям, может затем использоваться по назначению. И рентгеновская, и гамма-дефектоскопия основаны на проникающей способности рентгеновского излучения и особенностях его поглощения в материалах. Проникающая спо- собность определяется энергией рентгеновских фотонов, которая зависит от ускоряющего напряжения в рентгеновской трубке. Поэтому толстые образцы и образцы из тяжелых метал- лов, таких, например, как золото и уран, требуют для их исследования рентгеновского ис- точника с более высоким напряжением, а для тонких образцов достаточно источника и с бо- лее низким напряжением. Для гамма-дефектоскопии очень крупных отливок и крупного про- ката применяются бетатроны и линейные ускорители, ускоряющие частицы до энергий 25 МэВ и более. Поглощение рентгеновского излучения в материале зависит от толщины поглотителя d и коэффициента поглощения m и определяется формулой I = I0e-md, где I – интенсивность излучения, прошедшего через поглотитель, I0 – интенсивность падающего излучения, а e = 2,718 – основание натуральных логарифмов. Для данного материала при данной длине волны (или энергии) рентгеновского излу- чения коэффициент поглощения является константой. Но излучение рентгеновского источ- ника не является монохроматичным, а содержит широкий спектр длин волн, вследствие чего поглощение при одной и той же толщине поглотителя зависит от длины волны (частоты) из- лучения. Рентгеновское излучение широко применяется во всех отраслях промышленности, связанных с обработкой металлов давлением. Оно также применяется для контроля артилле- рийских стволов, пищевых продуктов, пластмасс, для проверки сложных устройств и систем в электронной технике. (Для аналогичных целей применяется и нейтронография, в которой вместо рентгеновского излучения используются нейтронные пучки.) Рентгеновское излуче- ние применяется и для других задач, например, для исследования полотен живописи с целью установления их подлинности или для обнаружения добавочных слоев краски поверх основ- ного слоя. 8 4. Дифракция рентгеновского излучения Дифракция рентгеновского излучения дает важную информацию о твердых телах – их атомной структуре и форме кристаллов, а также о жидкостях, аморфных телах и больших молекулах. Дифракционный метод применяется также для точного (с погрешностью менее 10–5) определения межатомных расстояний, выявления напряжений и дефектов и для опре- деления ориентации монокристаллов. По дифракционной картине можно идентифицировать неизвестные материалы, а также обнаружить присутствие в образце примесей и определить их. Значение рентгеновского дифракционного метода для прогресса современной физики трудно переоценить, поскольку современное понимание свойств материи основано в конеч- ном счете на данных о расположении атомов в различных химических соединениях, о харак- тере связей между ними и о дефектах структуры. Главным инструментом получения этой информации является дифракционный рентгеновский метод. Рентгеновская дифракционная кристаллография крайне важна для определения структур сложных больших молекул, таких, как молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) – генетического материала живых организмов. Сразу после открытия рентгеновского излучения научный и медицинский интерес был сконцентрирован как на способности этого излучения проникать сквозь тела, так и на его природе. Эксперименты по дифракции рентгеновского излучения на щелях и дифракци- онных решетках показывали, что оно относится к электромагнитному излучению и имеет длину волны порядка 10–8–10–9 см. Еще раньше ученые, в частности У.Барлоу, догадыва- лись, что правильная и симметричная форма естественных кристаллов обусловлена упорядо- ченным размещением атомов, образующих кристалл. В некоторых случаях Барлоу удалось правильно предсказать структуру кристалла. Величина предсказываемых межатомных рас- стояний составляла 10–8 см. То, что межатомные расстояния оказались порядка длины вол- ны рентгеновского излучения, в принципе позволяло наблюдать их дифракцию. В результате возник замысел одного из самых важных экспериментов в истории физики. М.Лауэ органи- зовал экспериментальную проверку этой идеи, которую провели его коллеги В.Фридрих и П.Книппинг. В 1912 они втроем опубликовали свою работу о результатах дифракции рентге- новского излучения. Принципы дифракции рентгеновского излучения. Чтобы понять явление дифракции рентгеновского излучения, нужно рассмотреть по порядку: во-первых, спектр рентгеновско- го излучения, во-вторых, природу кристаллической структуры и, в-третьих, само явление дифракции. Как уже говорилось выше, характеристическое рентгеновское излучение состоит из серий спектральных линий высокой степени монохроматичности, определяемых материалом анода. С помощью фильтров можно выделить наиболее интенсивные из них. Поэтому, вы- брав соответствующим образом материал анода, можно получить источник почти монохро- матического излучения с очень точно определенным значением длины волны. Длины волн характеристического излучения обычно лежат в диапазоне от 2,285 для хрома до 0,558 для серебра (значения для различных элементов известны с точностью до шести значащих цифр). Характеристический спектр накладывается на непрерывный «белый» спектр значительно меньшей интенсивности, обусловленный торможением в аноде падающих электронов. Таким образом, от каждого анода можно получить два типа излучения: характеристическое и тор- мозное, каждое из которых играет по-своему важную роль. Атомы в кристаллической структуре располагаются с правильной периодичностью, образуя последовательность одинаковых ячеек – пространственную решетку. Некоторые ре- шетки (например, для большинства обычных металлов) довольно просты, а другие (напри- мер, для молекул белков) весьма сложны. Для кристаллической структуры характерно следующее: если от некоторой заданной точки одной ячейки сместиться к соответствующей точке соседней ячейки, то обнаружится точно такое же атомное окружение. И если некоторый атом расположен в той или иной точке 9 одной ячейки, то в эквивалентной ей точке любой соседней ячейки будет находиться такой же атом. Этот принцип строго справедлив для совершенного, идеально упорядоченного кри- сталла. Однако многие кристаллы (например, металлические твердые растворы) являются в той или иной степени неупорядоченными, т.е. кристаллографически эквивалентные места могут быть заняты разными атомами. В этих случаях определяется не положение каждого атома, а лишь положение атома, «статистически усредненного» по большому количеству ча- стиц (или ячеек). Если волны (например, звук, свет, рентгеновское излучение) проходят через неболь- шую щель или отверстие, то последние могут рассматриваться как вторичный источник волн, а изображение щели или отверстия состоит из чередующихся светлых и темных полос. Далее, если имеется периодическая структура из отверстий или щелей, то в результате уси- ливающей и ослабляющей интерференции лучей, идущих от разных отверстий, возникает четкая дифракционная картина. Дифракция рентгеновского излучения – это коллективное явление рассеяния, при котором роль отверстий и центров рассеяния играют периодически расположенные атомы кристаллической структуры. Взаимное усиление их изображений при определенных углах дает дифракционную картину, аналогичную той, которая возникла бы при дифракции света на трехмерной дифракционной решетке. Рассеяние происходит благодаря взаимодействию падающего рентгеновского излуче- ния с электронами в кристалле. Вследствие того, что длина волны рентгеновского излучения того же порядка, что и размеры атома, длина волны рассеянного рентгеновского излучения та же, что и падающего. Этот процесс является результатом вынужденных колебаний элек- тронов под действием падающего рентгеновского излучения. Рассмотрим теперь атом с облаком связанных электронов (окружающих ядро), на ко- торый падает рентгеновское излучение. Электроны во всех направлениях одновременно рас- сеивают падающее и испускают собственное рентгеновское излучение той же длины волны, хотя и разной интенсивности. Интенсивность рассеянного излучения связана с атомным но- мером элемента, т.к. атомный номер равен числу орбитальных электронов, которые могут участвовать в рассеянии. (Эта зависимость интенсивности от атомного номера рассеивающе- го элемента и от направления, в котором измеряется интенсивность, характеризуется атом- ным фактором рассеяния, который играет чрезвычайно важную роль в анализе структуры кристаллов.) Выберем в кристаллической структуре линейную цепочку атомов, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга, и рассмотрим их дифракционную картину. Уже отме- чалось, что рентгеновский спектр складывается из непрерывной части («континуума») и набора более интенсивных линий, характеристических для того элемента, который является материалом анода. Допустим, мы отфильтровали непрерывный спектр и получили почти мо- нохроматический пучок рентгеновского излучения, направленный на нашу линейную цепоч- ку атомов. Условие усиления (усиливающей интерференции) выполняется, если разность хо- да волн, рассеянных соседними атомами, кратне длины волны. Если пучок падает под углом a0 к линии атомов, разделенных интервалами a (период), то для угла дифракции a разность хода, соответствующая усилению, запишется в виде a(cos a – cosa0) = hl, где l – длина волны, а h – целое число (рис. 4 и 5). 10 Рис. 4. Усиление рентгеновского пучка Усиление рентгеновского пучка происходит, когда разность хода волн, рассеянных соседними атомами, равна целому кратному длины волны. Здесь a0 – угол падения, a – угол дифракции, a – расстояние между атомами. Рис. 5. Решение уравнений Лауэ Решение уравнений Лауэ при каждом значении h можно представить в виде семейства конусов, общая ось которых направлена по кристаллографической оси (для двух других осей можно нарисовать сходные картины). На уравнениях Лауэ основан эффективный метод ис- следования кристаллических структур. Чтобы распространить этот подход на трехмерный кристалл, необходимо лишь вы- брать ряды атомов по двум другим направлениям в кристалле и решить совместно получен- ные таким образом три уравнения для трех кристаллических осей с периодами a, b и c. Два других уравнения имеют вид Это – три фундаментальных уравнения Лауэ для дифракции рентгеновского излуче- ния, причем числа h, k и c – индексы Миллера для плоскости дифракции. Рассматривая любое из уравнений Лауэ, например первое, можно заметить, что, поскольку a, a0, l – константы, а h = 0, 1, 2, ..., его решение можно представить в виде набора конусов с общей осью a (рис. 5). То же самое верно для направлений b и c. В общем случае трехмерного рассеяния (дифракция) три уравнения Лауэ должны иметь общее решение, т.е. три дифракционных конуса, расположенных на каждой из осей, должны пересекаться; общая линия пересечения показана на рис. 6. Совместное решение уравнений приводит к закону Брэгга – Вульфа: 11 Рис. 6. Общее решение уравнений Лауэ Общее решение уравнений Лауэ соответствует пересечению трех конусов с осями a, b, c, имеющих общую прямую R. l = 2(d/n)sinq, где d – расстояние между плоскостями с индексами h, k и c (период), n = 1, 2, ... – целые чис- ла (порядок дифракции), а q – угол, образуемый падающим пучком (а также и дифрагирую- щим) с плоскостью кристалла, в которой происходит дифракция. Анализируя уравнение закона Брэгга – Вульфа для монокристалла, расположенного на пути монохроматического пучка рентгеновского излучения, можно заключить, что ди- фракцию непросто наблюдать, т.к. величины l и q фиксированы, а sinq < 1. При таких усло- виях, чтобы имела место дифракция для рентгеновского излучения с длиной волны l, плос- кость кристалла с периодом d должна быть повернута на правильный угол q. Для того чтобы реализовать это маловероятное событие, применяются различные методики. 5. Методы дифракционного анализа Метод Лауэ. В методе Лауэ применяется непрерывный «белый» спектр рентгеновско- го излучения, которое направляется на неподвижный монокристалл. Для конкретного значе- ния периода d из всего спектра автоматически выбирается соответствующее условию Брэгга – Вульфа значение длины волны. Получаемые таким образом Лауэ граммы дают возмож- ность судить о направлениях дифрагированных пучков и, следовательно, об ориентациях плоскостей кристалла, что позволяет также сделать важные выводы относительно симмет- рии, ориентации кристалла и наличия в нем дефектов. При этом, однако, утрачивается ин- формация о пространственном периоде d. На рис. 7 приводится пример Лауэ граммы. Рент- геновская пленка располагалась со стороны кристалла, противоположной той, на которую падал рентгеновский пучок из источника. Рис. 7. Лауэ грамма 12 Лауэ грамма. Через неподвижный кристалл пропускается рентгеновское излучение широкого спектрального диапазона. Дифракционным пучкам соответствуют пятна на Лауэ грамме. Метод Дебая – Шеррера (для поликристаллических образцов). В отличие от преды- дущего метода, здесь используется монохроматическое излучение (l = const), а варьируется угол q. Это достигается использованием поликристаллического образца, состоящего из мно- гочисленных мелких кристаллитов случайной ориентации, среди которых имеются и удовле- творяющие условию Брэгга – Вульфа. Дифрагированные пучки образуют конусы, ось кото- рых направлена вдоль пучка рентгеновского излучения. Для съемки обычно используется узкая полоска рентгеновской пленки в цилиндрической кассете, а рентгеновские лучи рас- пространяются по диаметру через отверстия в пленке. Полученная таким образом Дебае грамма (рис. 8) содержит точную информацию о периоде d, т.е. о структуре кристалла, но не дает информации, которую содержит Лауэ грамма. Поэтому оба метода взаимно дополняют друг друга. Рассмотрим некоторые применения метода Дебая – Шеррера. Рис. 8. Дебае грамма Дебае грамма получается путем пропускания рентгеновского излучения через поли- кристаллический образец. Каждая линия обусловлена дифракцией рентгеновского излучения на одной конкретной плоскости атомов образца. Идентификация химических элементов и соединений. По определенному из Дебае граммы углу q можно вычислить характерное для данного элемента или соединения меж- плоскостное расстояние d. В настоящее время составлено множество таблиц значений d, поз- воляющих идентифицировать не только тот или иной химический элемент или соединение, но и различные фазовые состояния одного и того же вещества, что не всегда дает химиче- ский анализ. Можно также в сплавах замещения с высокой точностью определять содержа- ние второго компонента по зависимости периода d от концентрации. Анализ напряжений. По измеренной разнице межплоскостных расстояний для раз- ных направлений в кристаллах можно, зная модуль упругости материала, с высокой точно- стью вычислять малые напряжения в нем. Исследования преимущественной ориентации в кристаллах. Если малые кристал- литы в поликристаллическом образце ориентированы не совсем случайным образом, то кольца на дебаеграмме будут иметь разную интенсивность. При наличии резко выраженной преимущественной ориентации максимумы интенсивности концентрируются в отдельных пятнах на снимке, который становится похож на снимок для монокристалла. Например, при глубокой холодной прокатке металлический лист приобретает текстуру – выраженную ори- ентацию кристаллитов. По дебаеграмме можно судить о характере холодной обработки ма- териала. Исследование размеров зерен. Если размер зерен поликристалла более 10–3 см, то линии на дебаеграмме будут состоять из отдельных пятен, поскольку в этом случае число кристаллитов недостаточно для того, чтобы перекрыть весь диапазон значений углов q. Если же размер кристаллитов менее 10–5 см, то дифракционные линии становятся шире. Их ши- рина обратно пропорциональна размеру кристаллитов. Уширение происходит по той же при- чине, по которой при уменьшении числа щелей уменьшается разрешающая способность ди- фракционной решетки. Рентгеновское излучение позволяет определять размеры зерен в диа- пазоне 10–7–10–6 см. 13 Методы для монокристаллов. Чтобы дифракция на кристалле давала информацию не только о пространственном периоде, но и об ориентации каждой совокупности дифраги- рующих плоскостей, используются методы вращающегося монокристалла. На кристалл па- дает монохроматический пучок рентгеновского излучения. Кристалл вращается вокруг глав- ной оси, для которой выполняются уравнения Лауэ. При этом изменяется угол q, входящий в формулу Брэгга – Вульфа. Дифракционные максимумы располагаются в месте пересечения дифракционных конусов Лауэ с цилиндрической поверхностью пленки (рис. 9). В результате получается дифракционная картина типа представленной на рис. 10. Однако возможны осложнения из-за перекрытия разных дифракционных порядков в одной точке. Метод может быть значительно усовершенствован, если одновременно с вращением кристалла перемещать определенным образом и пленку. Рис. 9. Метод вращающегося монокристалла Метод вращающегося монокристалла дает дифракционные максимумы (пятна) раз- личных порядков вдоль линии, соответствующей данному атомному слою. Максимумы воз- никают на пересечении конусов Лауэ с цилиндрической поверхностью фотопленки. Рис. 10. Снимок, полученный методом качающегося кристалла (монокристалла теллура). Видны линии слоев для нулевого порядка (средняя горизонтальная линия) и высших поряд- ков (+1, +2, +3 – от линии нулевого порядка вверх; -1, -2, -3 – вниз). Исследования жидкостей и газов. Известно, что жидкости, газы и аморфные тела не обладают правильной кристаллической структурой. Но и здесь между атомами в молекулах существует химическая связь, благодаря которой расстояние между ними остается почти по- стоянным, хотя сами молекулы в пространстве ориентированы случайным образом. Такие 14 материалы тоже дают дифракционную картину с относительно небольшим числом размытых максимумов. Обработка такой картины современными методами позволяет получить инфор- мацию о структуре даже таких некристаллических материалов. 6. Спектрохимический рентгеновский анализ Уже через несколько лет после открытия рентгеновских лучей Ч.Баркла (1877–1944) обнаружил, что при воздействии потока рентгеновского излучения высокой энергии на ве- щество возникает вторичное флуоресцентное рентгеновское излучение, характеристическое для исследуемого элемента. Вскоре после этого Г.Мозли в серии своих экспериментов изме- рил длины волн первичного характеристического рентгеновского излучения, полученного электронной бомбардировкой различных элементов, и вывел соотношение между длиной волны и атомным номером. Эти эксперименты, а также изобретение Брэггом рентгеновского спектрометра заложили основу для спектрохимического рентгеновского анализа. Возможности рентгеновского излучения для химического анализа были сразу осозна- ны. Были созданы спектрографы с регистрацией на фотопластинке, в которых исследуемый образец выполнял роль анода рентгеновской трубки. К сожалению, такая техника оказалась очень трудоемкой, а потому применялась лишь тогда, когда были неприменимы обычные методы химического анализа. Выдающимся примером новаторских исследований в области аналитической рентгеноспектроскопии стало открытие в 1923 Г.Хевеши и Д.Костером ново- го элемента – гафния. Разработка мощных рентгеновских трубок для рентгенографии и чув- ствительных детекторов для радиохимических измерений во время Второй мировой войны в значительной степени обусловила быстрый рост рентгеновской спектрографии в последую- щие годы. Этот метод получил широкое распространение благодаря быстроте, удобству, нераз- рушающему характеру анализа и возможности полной или частичной автоматизации. Он применим в задачах количественного и качественного анализа всех элементов с атомным номером более 11 (натрий). И хотя рентгеновский спектрохимический анализ обычно ис- пользуется для определения важнейших компонентов в образце (с содержанием 0,1–100%), в некоторых случаях он пригоден для концентраций 0,005% и даже ниже. Рентгеновский спектрометр. Современный рентгеновский спектрометр состоит из трех ос- новных систем (рис. 11): системы возбуждения, т.е. рентгеновской трубки с анодом из воль- фрама или другого тугоплавкого материала и блоком питания; системы анализа, т.е. кри- сталла-анализатора с двумя многощелевыми коллиматорами, а также спектрогониометра для точной юстировки; и системы регистрации со счетчиком Гейгера либо пропорциональным или сцинтилляционным счетчиком, а также выпрямителем, усилителем, пересчетными устройствами и самописцем или другим регистрирующим устройством. 15 Рис. 11. Рентгеновский спектрометр (блок-схема) с кристаллом-анализатором. Основные блоки прибора: блок возбуждения образца (с рентгеновской трубкой), блок анализа с плос- ким кристаллом-анализатором и коллиматорами и блок регистрации с электронным детекто- ром. Рентгеновский флуоресцентный анализ. Анализируемый образец располагается на пути возбуждающего рентгеновского излучения. Исследуемая область образца обычно выде- ляется маской с отверстием нужного диаметра, а излучение проходит через коллиматор, формирующий параллельный пучок. За кристаллом-анализатором щелевой коллиматор вы- деляет дифрагированное излучение для детектора. Обычно максимальный угол q ограничи- вается 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. Кроме того, в спектрометрах с изогну- тыми кристаллами, о которых говорится ниже, иногда используются кристаллы слюды и гипса. Рентгеновский микроанализ. Описанный выше спектрометр с плоским кристаллом- анализатором может быть приспособлен для микроанализа. Это достигается сужением либо первичного пучка рентгеновского излучения, либо вторичного пучка, испускаемого образ- цом. Однако уменьшение эффективного размера образца или апертуры излучения приводит к уменьшению интенсивности регистрируемого дифрагированного излучения. Улучшение это- го метода может быть достигнуто применением спектрометра с изогнутым кристаллом, поз- воляющего регистрировать конус расходящегося излучения, а не только излучение, парал- лельное оси коллиматора. При помощи такого спектрометра можно идентифицировать ча- стицы размером менее 25 мкм. Еще большее уменьшение размера анализируемого образца достигается в электронно-зондовом рентгеновском микроанализаторе, изобретенном Р.Кастэном. Здесь остросфокусированным электронным лучом возбуждается характеристи- ческое рентгеновское излучение образца, которое затем анализируется спектрометром с изо- гнутым кристаллом. С помощью такого прибора удается обнаруживать количества вещества порядка 10–14 г в образце диаметром 1 мкм. Были также разработаны установки с электрон- нолучевым сканированием образца, с помощью которых можно получить двумерную карти- ну распределения по образцу того элемента, на характеристическое излучение которого настроен спектрометр. 16 7. Медицинская рентгенодиагностика Развитие техники рентгеновских исследований позволило значительно сократить вре- мя экспозиции и улучшить качество изображений, позволяющих изучать даже мягкие ткани. Флюорография. Этот метод диагностики заключается в фотографировании теневого изображения с просвечивающего экрана. Пациент находится между источником рентгенов- ского излучения и плоским экраном из люминофора (обычно иодида цезия), который под действием рентгеновского излучения светится. Биологические ткани той или иной степени плотности создают тени рентгеновского излучения, имеющие разную степень интенсивно- сти. Врач-рентгенолог исследует теневое изображение на люминесцентном экране и ставит диагноз. В прошлом рентгенолог, анализируя изображение, полагался на зрение. Сейчас име- ются разнообразные системы, усиливающие изображение, выводящие его на телевизионный экран или записывающие данные в памяти компьютера. Рентгенография. Запись рентгеновского изображения непосредственно на фотоплен- ке называется рентгенографией. В этом случае исследуемый орган располагается между ис- точником рентгеновского излучения и фотопленкой, которая фиксирует информацию о со- стоянии органа в данный момент времени. Повторная рентгенография дает возможность су- дить о его дальнейшей эволюции. Рентгенография позволяет весьма точно исследовать целостность костных тканей, ко- торые состоят в основном из кальция и непрозрачны для рентгеновского излучения, а также разрывы мышечных тканей. С ее помощью лучше, чем стетоскопом или прослушиванием, анализируется состояние легких при воспалении, туберкулезе или наличии жидкости. При помощи рентгенографии определяются размер и форма сердца, а также динамика его изме- нений у пациентов, страдающих сердечными заболеваниями. Контрастные вещества. Прозрачные для рентгеновского излучения части тела и по- лости отдельных органов становятся видимыми, если их заполнить контрастным веществом, безвредным для организма, но позволяющим визуализировать форму внутренних органов и проверить их функционирование. Контрастные вещества пациент либо принимает внутрь (как, например, бариевые соли при исследовании желудочно-кишечного тракта), либо они вводятся внутривенно (как, например, иодсодержащие растворы при исследовании почек и мочевыводящих путей). В последние годы, однако, эти методы вытесняются методами диа- гностики, основанными на применении радиоактивных атомов и ультразвука. Компьютерная томография. В 1970-х годах был развит новый метод рентгеновской диагностики, основанный на полной съемке тела или его частей. Изображения тонких слоев («срезов») обрабатываются компьютером, и окончательное изображение выводится на экран монитора. Такой метод называется компьютерной рентгеновской томографией. Он широко применяется в современной медицине для диагностики инфильтратов, опухолей и других нарушений мозга, а также для диагностики заболеваний мягких тканей внутри тела. Эта ме- тодика не требует введения инородных контрастных веществ и потому является быстрой и более эффективной, чем традиционные методики. 8. Биологическое действие рентгеновского излучения Вредное биологическое действие рентгеновского излучения обнаружилось вскоре по- сле его открытия Рентгеном. Оказалось, что новое излучение может вызвать что-то вроде сильного солнечного ожога (эритему), сопровождающееся, однако, более глубоким и стой- ким повреждением кожи. Появлявшиеся язвы нередко переходили в рак. Во многих случаях приходилось ампутировать пальцы или руки. Случались и летальные исходы. Было установлено, что поражения кожи можно избежать, уменьшив время и дозу об- лучения, применяя экранировку (например, свинец) и средства дистанционного управления. Но постепенно выявились и другие, более долговременные последствия рентгеновского об- 17 лучения, которые были затем подтверждены и изучены на подопытных животных. К эффек- там, обусловленным действием рентгеновского излучения, а также других ионизирующих излучений (таких, как гамма-излучение, испускаемое радиоактивными материалами) отно- сятся: 1) временные изменения в составе крови после относительно небольшого избыточного облучения; 2) необратимые изменения в составе крови (гемолитическая анемия) после дли- тельного избыточного облучения; 3) рост заболеваемости раком (включая лейкемию); 4) бо- лее быстрое старение и ранняя смерть; 5) возникновение катаракт. Ко всему прочему, биоло- гические эксперименты на мышах, кроликах и мушках (дрозофилах) показали, что даже ма- лые дозы систематического облучения больших популяций вследствие увеличения темпа му- тации приводят к вредным генетическим эффектам. Большинство генетиков признает при- менимость этих данных и к человеческому организму. Что же касается биологического воз- действия рентгеновского излучения на человеческий организм, то оно определяется уровнем дозы облучения, а также тем, какой именно орган тела подвергался облучению. Так, напри- мер, заболевания крови вызываются облучением кроветворных органов, главным образом костного мозга, а генетические последствия – облучением половых органов, могущим приве- сти также и к стерильности. Накопление знаний о воздействии рентгеновского излучения на организм человека привело к разработке национальных и международных стандартов на допустимые дозы об- лучения, опубликованных в различных справочных изданиях. Кроме рентгеновского излучения, которое целенаправленно используется человеком, имеется и так называемое рассеянное, побочное излучение, возникающее по разным причи- нам, например вследствие рассеяния из-за несовершенства свинцового защитного экрана, который это излучение не поглощает полностью. Кроме того, многие электрические прибо- ры, не предназначенные для получения рентгеновского излучения, тем не менее генерируют его как побочный продукт. К таким приборам относятся электронные микроскопы, высоко- вольтные выпрямительные лампы (кенотроны), а также кинескопы устаревших цветных те- левизоров. Производство современных цветных кинескопов во многих странах находится сейчас под правительственным контролем. 9. Опасные факторы рентгеновского излучения Виды и степень опасности рентгеновского облучения для людей зависят от контин- гента лиц, подверженных облучению. Профессионалы, работающие с рентгеновской аппаратурой. Эта категория охва- тывает врачей-рентгенологов, стоматологов, а также научно-технических работников и пер- сонал, обслуживающий и использующий рентгеновскую аппаратуру. Принимаются эффек- тивные меры по снижению уровня радиации, с которым им приходится иметь дело. Пациенты. Строгих критериев здесь не существует, и безопасный уровень облучения, который получают пациенты во время лечения, определяется лечащими врачами. Врачам не рекомендуется без необходимости подвергать пациентов рентгеновскому обследованию. Особую осторожность следует проявлять при обследовании беременных женщин и детей. В этом случае принимаются специальные меры. Методы контроля. Здесь имеются в виду три аспекта: 1) наличие адекватного обору- дования, 2) контроль за соблюдением правил техники безопасности, 3) правильное использо- вание оборудования. При рентгеновском обследовании воздействию облучения должен подвергаться толь- ко нужный участок, будь то стоматологические обследования или обследование легких. За- метим, что сразу после выключения рентгеновского аппарата исчезает как первичное, так и вторичное излучение; отсутствует также и какое-либо остаточное излучение, о чем не всегда знают даже те, кто по своей работе с ним непосредственно связан. 18 Заключение Таким образом, рентгеновские лучи представляют собой невидимое электромагнитное излучение с длиной волны 105 – 102 нм. Рентгеновские лучи могут проникать через некото- рые непрозрачные для видимого света материалы. Испускаются они при торможении быст- рых электронов в веществе (непрерывный спектр) и при переходах электронов с внешних электронных оболочек атома на внутренние (линейчастый спектр). Источниками рентгенов- ского излучения являются: рентгеновская трубка, некоторые радиоактивные изотопы, уско- рители и накопители электронов (синхротронное излучение). Приемники – фотопленка, лю- минисцентные экраны, детекторы ядерных излучений. Рентгеновские лучи применяют в рентгеноструктурном анализе, медицине, дефектоскопии, рентгеновском спектральном ана- лизе и т. п. 19 Список использованных источников: 1. Кудрявцев П.С. История физики. – М., 1956. 2. Кудрявцев П.С. Курс физики – М.: Просвещение, 1974. 3. Рукман Г.И. , Клименко И.С. Электронная микроскопия. – М.: Знание, 1968. 4. Савельев И.В. Курс физики. – М.: Наука, 1989. 5. Храмов Ю. А. Физика. – М.: Наука, 1983. 6. http://www.krugosvet.ru/ |