Рентгеновская трубка ее устройство, характеристическое излучение.

Рентгеновская трубка представляет собой запаянную вакуумированную стеклянную трубку, в которой находятся электроды (рис.2). При наложении разности потенциалом между электродами (порядка 10-50 кВ) электроны отрываются от катода и с огромной скоростью начинают двигаться по направлению к аноду. При столкновении с анодом электроны останавливаются, при этом основная часть их энергии идет на нагрев анода, и очень небольшая часть (порядка 1%) трансформируется в излучение, которое выходит из трубки через бериллиевое окошко. Энергия излучения hν равна работе по перемещению электрона с зарядом e в электрическом поле с разностью потенциалов V: eV = hν = hc/λ

При допущении о переходе всей энергии электрона в излучение можно рассчитать минимальную длину волны возникающего излучения: λmin = hc/eV, а с учетом значений физических констант (h, c, e) эта формула принимает вид: λmin (Ǻ)= 12,4/V(кэВ). Из данной зависимости следует, что с повышением разности потенциалов между катодом и анодом минимально возможное значение длины волны λmin будет уменьшаться (рис.)Поскольку большая часть энергии электронов идет на нагрев анода, то в спектре рентгеновской трубки появляются волны с длинами λ > λmin, причем их образование более вероятно, чем λmin.

Эти процессы характеризуют так называемую тормозную област ь спектра рентгеновской трубки (рис.). При дальнейшем повышении разности потенциалов в спектре рентгеновской трубки появляются интенсивные узкие пики. Их происхождение объясняется следующими процессами. Электроны приобретают энергию, которой оказывается достаточно, чтобы выбить электроны с внутренних оболочек атомов металла, из которого сделан анод. Далее электроны с вышележащих уровней переходят на вакантное место. Этот переход сопровождается испусканием излучения с длиной волны λ = hc/ΔE, где ΔE – разница в энергии между электронными уровнями. Поскольку величины ΔE имеют характерные значения для любого сорта атомов, то и линии в спектре рентгеновской трубки, возникающие в результате этого процесса, называются характеристическими, а соответствующая область спектра – характеристической областью
Направления применения рентгеновской дифрактометрии.

Рентгеновская дифрактометрия является важным неразрушающим методом анализа веществ в твердом, порошковом или кристаллическом виде: металлы, минералы, полимеры, катализаторы, синтетические материалы, фармацевтические продукты, тонкие пленки и слои, керамика, а также полупроводники. Изучение свойств материалов и контроль качества в науке и на производстве невозможен без рентгеновской дифрактометрии.

Рентгенографические методы анализа щироко используются для изучения структуры, состава и свойств различных материалов, и в том числе, строительных. Широкому распространению рентгенографического анализа способствовала его объективность, универсальность, быстрота многих его методов, точность и возможность решения разнообразных задач, часто не доступных для других методов исследования. С помощью рентгенографического анализа исследуют качественный и количественный минералогический и фазовый состав материалов (рентгенофазовый анализ) тонкую структуру кристаллических веществ — форму, размер и тип элементарной ячейки, симметрию кристалла. Координаты атомов в пространстве (рентгеноструктурный анализ) степень совершенства кристаллов и наличие в них зональных напряжений размер мозаичных блоков в монокристаллах тип твердых растворов, степень их упорядоченности и границы растворимости размер и ориентировку частиц в дисперсных системах текстуру веществ и состояние поверхностных слоев различных материалов плотность, коэффициент термического расширения, толщину листовых материалов и покрытий внутренние микродефекты в изделиях (дефектоскопия) поведение веществ при низких и высоких температурах и давлениях и т. д.

 

Билет 4.

Рентгенограмма (синоним рентгеновский снимок) — постоянное негативное изображение исследуемого объекта, полученное на специальной (рентгеновской) пленке или фотобумаге при помощи рентгеновского излучения.
Для получения рентгенограммы используют одно из основных свойств рентгеновского излучения (см.) — проникать через различные среды и ткани организма и поглощаться ими в различной степени в зависимости от их физико-химических свойств. Важнейшее значение при этом имеет порядковый номер элементов (по таблице Менделеева), составляющих те или иные ткани, толщина слоя снимаемого объекта и его плотность, а также длина волны рентгеновского излучения, практически определяемая жесткостью, выраженной в киловольтах.
Установлено, что поглощение рентгеновского излучения пропорционально четвертой степени порядкового номера элемента (Z) и третьей степени длины волны. Следовательно, атомы кальция (Z = 20), составляющие в основном костную ткань, по сравнению с атомами кислорода (Z=8), входящими в состав так называемых мягких тканей, поглощают рентгеновское излучение сильнее: 204:84 =160 000: 4096=40, т. е. приблизительно в 40 раз. Отсюда понятно, почему кости по сравнению с мягкими тканями дают на рентгенограмме гораздо более интенсивную тень. На этой же закономерности основано применение контрастных веществ, таких как барий (Z=56), йод (Z=53) и других, там, где естественные условия контрастности недостаточны или отсутствуют. Так как рентгенографический эффект, кроме свойств объекта, зависит от качества (жесткости) и количества (в миллиамперсекундах) рентгеновского излучения, прошедшего через объект исследования и достигшего усиливающих экранов и пленки, ясно, что чем жестче будет излучение, иначе говоря, чем больше его проникающая способность и чем больше экспозиция, т. е. количество излучения, тем сильнее будет процесс фотохимического воздействия на светочувствительный слой и тем выраженнее будет степень почернения пленки после ее фотообработки.
Основными наиболее важными критериями оценки рентгенограммы, определяющими ее пригодность для целей рентгенодиагностики, являются: 1) оптическая контрастность; 2) резкость изображения и 3) отсутствие артефактов.

 

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.