1. Открытие рентгеновского излучения

Тема 1. Открытие рентгеновского излучения.
Опыт Вильгельма Конрада Рентгена
Применение рентгеновских аппаратов
Виды рентгеновских установок

Опыт Вильгельма Конрада Рентгена и главнейшие свойства рентгеновских лучей: в ходе систематических исследований явлений, происходящих в разрядной трубке, Рентген сделал в 1895 г, одно из важнейших открытий конца XIX века. Он обнаружил, что если через стеклянную трубку с двумя впаянными электродами, из которой выкачан воздух до давления около 10^-3 мм рт. ст., пропустить электрический ток, то из нее выходят особые, невидимые глазом лучи. Оказалось, что эти лучи обладают замечательными свойствами. Большинство свойств этих лучей, названных впоследствии рентгеновскими, было изучено самим Рентгеном и описано в его первых трех работах в 1895-1897 гг. Им же были указаны те непосредственные практические приложения, которые эти лучи могут иметь. Главнейшие свойства рентгеновских лучей следующие:

1. Сильная проникающая способность. Все тела оказались прозрачными для рентгеновских лучей. Прозрачность различных тел для этих лучей различна и для одного и того же тела зависит от его толщины. Ни одно тело не является для рентгеновских лучей вполне прозрачным: часть энергии рентгеновских лучей при прохождении слоя тела любой толщины поглощается им, и пучок лучей, прошедший через такой слой, обладает меньшей интенсивностью, чем падающий на этот слой. Благодаря этому свойству рентгеновские лучи нашли широкое применение в медицине для просвечивания больных с целью выявления изменений строения внутренних органов человеческого тела, вызванных заболеваниями или травмами, а также в промышленности для обнаружения внутренних дефектов материалов и изделий.
2. Способность вызывать свечение некоторых тел. Например, картон, покрытый двойной Цианистой солью бария и платины PtBa(CN)₄4H₂0, светится под действием рентгеновских лучей желтовато-зеленым светом. Если между рентгеновской трубкой и экраном поместить какое-либо неоднородное тело, например руку, то кости руки задержат лучи сильнее, а мышцы — слабее и на экране получится тень скелета кисти руки, потому что в тех местах экрана, куда падает меньше энергии лучей, свечение будет слабее.
3. Способность вызывать почернение фотоэмульсии, подобно лучам видимого света, позволяет фото­графировать ту теневую картину, которая получается при просвечивании исследуемых тел.
4. Способность ионизировать газы позволяет не только обнаруживать лучи, но и судить об их интенсивности, измеряя, например, ионизационный ток в газе.
5. Б и о х и м и ч е с к о е действие на ж и п о й организм. На этом свойстве рентгеновских лучей основано применение их в медицине для лечения различных заболеваний, и его необходимо учитывать при работе с рентгеновскими лучами, так как продолжительное действие их на организм чрезвычайно вредно.
Кроме того, оказалось, что проникающая способность рент­геновских лучен п зависимости or условии их возбуждения различна. Сильно проникающие лучи условились называть жесткими лучами, а сильно поглощаемые — м я г к и м и.
Рентгеновские лучи представляют собой коротковолновое элект­ромагнитное излучение, длины волн которого занимают на шкале электромагнитных колебаний широкий участок, примерно 1010^-5 нм. Для их генерирования наряду с ускорителями электронов при­меняют специальные электровакуумные приборы, называемые рентгеновскими. Возбуждение излучения в этих приборах осущест­вляется путем бомбардировки твердой мишени потоком электронов, прошедших большую разность потенциалов. Рентгеновские приборы находят широкое применение во многих сферах научной и производственной деятельности человека. Также так и ускорители заряженных частиц, их используют для дефектоскопии промышленных изделий, облучения полимеров и корнеплодов, стерилизации пищевых продуктов и медикаментов, лучевой терапии. Другими важными областями применения рентгеновских приборов являются медицинская диагностика, рентгеновский (структурный и спектральный) анализ, теневая микроскопия.
Рентгенодиагностика заключается в изучении теневой картины просвечивания внутренних органов человека с целью определения их заболеваний. Это один из наиболее эффективных способов выявления заболеваний легких, желудка, сердца и других органов, а также обнаружения трещин и переломов костей.
Для исследования атомного строения кристаллических тел - металлов, сплавов, полупроводников - широко используют рентгеноструктурный анализ. Он основан на изучении дифракционной картины, возникающей при прохождении рентгеновского излучения через кристаллы. Современные методы анализа позволяют опреде­лять различные характеристики структуры веществ: форму и размеры элементарной кристаллической ячейки, размеры и ориента­цию кристаллитов, деформации решетки и т. д.
Сведения, получен­ные в результате рентгеноструктурного анализа, используют для выбора оптимальных процессов получения и обработки материалов. Рентгеновские лаборатории структурного анализа имеются на всех машиностроительных, металлургических, горнодобывающих заводах и комбинатах.
Рентгеновские приборы применяют также для качественного и количественного спектрального анализа. Рентгеноспектральный анализ основан на том, что каждый химический элемент обладает индивидуальным линейчатым рентгеновским спектром, который называется характеристическим. Поэтому химический состав исследуемой пробы можно определить путем изучения ее характе­ристического спектра.
Рентгеноспектральный анализ является необходимым дополне­нием к оптическому и химическому методам изучения состава ве­ществ. В отличие от химического анализа он позволяет надежно и быстро разделить элементы, близкие по своим химическим свойст­вам. При этом количество вещества, необходимого для проведения опыта, невелико. Рентгеноспектральный анализ (что очень ценно!) может быть выполнен без уничтожения исследуемого препарата.
В последние годы разработаны рентгеновские приборы, позво­ляющие осуществить элементный анализ в микрообъемах. Они но­сят название рентгеновских микро анализаторов. Для изучения микроскопического строения объектов, непрозрач­ных для видимого света и электронов, с успехом используют методы рентгеновской микроскопии. Они позволяют определять микродефекты, элементный и фазовый составы металлических срезов, изу­чать процессы диффузии и коррозии, а также строение биологиче­ских и ботанических образцов. Один из наиболее совершенных методов микроскопии заключается в получении увеличенной теневой проекции тонкослойного объекта в расходящемся пучке излучения от точечного источника. Такие проекции могут быть получены помощью теневых рентгеновских микроскопов.
Значение рентгеновских приборов в различных областях наук и техники непрерывно возрастает. Одновременно повышаются требования, предъявляемые к приборам и аппаратуре, в которой они работают. Созданы новые конструкции приборов с улучшенными параметрами и повышенной надежностью.
В настоящее время существует большое число рентгеновских приборов различного типа. Условно их можно разделить на две основные группы:
I) рентгеновские трубки;
2) специализированные приборы.
Трубки — наиболее обширный класс рентгеновских приборов. Первые образцы электронных рентгеновских трубок были созданы в 1912—1913 гг. В последующие десятилетия трубки существенно усовершенствовались, в- их конструировании и технологии накоплен богатый практический опыт. Трубки являются объектом крупносе­рийного промышленного производства.
Промышленностью выпускаются рентгеновские трубки следую­щих типов:
1) для просвечивания материалов;
2) для структурного анализа;
3) для спектрального анализа;
4) диагностические;
5) терапевтические.
Группу специализированных составляют приборы, существенно отличающиеся от «обычных» рентгеновских трубок конструктивным исполнением и назначением. К ним относятся разработанные сравнительно недавно микроанализаторы с электронным зондом, рас­тровые электронные микроскопы — микроанализаторы и некоторые другие генераторы рентгеновского излучения. Названные приборы, в частности, отличаются от рентгеновских трубок наличием слож­ной электронно-оптической системы формирования тонкого элек­тронного луча (зонда). Кроме того, мишенью в них служит непо­средственно исследуемый объект.
Основными элементами любого рентгеновского прибора являют­ся источник электронов (катод), вакуумная оболочка и устройство, воспринимающее электронную бомбардировку (мишень или анод).
Наряду с рентгеновскими приборами в промышленности и ме­дицине в качестве источника проникающего фотонного излучения находят применение радиоактивные изотопы. Гамма-лучи радиоактивных веществ используют в дефектоскопии, спектральном анали­зе, терапии.
Аппараты с радиоактивными изотопами просты по конструкции, имеют небольшие габариты, вес и стоимость. Они незаменимы при выполнении работ в полевых условиях (например, просвечивание мостовых ферм), так как не требуют для питания электроэнергии. В зависимости от назначения аппараты снабжают различными ра­диоактивными препаратами. Для дефектоскопии массивных изде­лий из металла необходимо гамма-излучение, фотоны которого имеют большую энергию. Здесь используют изотопы кобальта Со⁶⁰ (энергия фотонов 1,17 и 1,33 МэВ; период полураспада 5,3 года) и цезия Cs¹³⁷ (0,66 МэВ; 33 года). При просвечивании небольших объектов из легкоатомных материалов применяют изотопы европия Eu¹⁵⁵ (энергия фотоной 0,085—0,11 МэВ; период полураспада 1,7 года) и тулия Ти¹⁷⁰ (0,084 МэВ; 127 дней). Для проведения радиоизотопного спектрального анализа необходимы источники мягкого гам­ма-излучения с энергией фотонов от нескольких единиц до несколь­ких десятков килоэлектронвольт. Обычно применяют изотопы же­леза Fe⁵⁵, кадмия Cd¹⁰⁹ и др. В лучевой терапии чаще всего исполь­зуют радиоактивный кобальт Со⁶⁰.
Круг задач, решаемых с помощью радиоизотопных источников, ограничен. Аппараты с радиоактивными препаратами не могут пол­ностью заменить более универсальные и удобные в эксплуатации рентгеновские установки даже в указанных случаях. Во многих дру­гих областях — структурном анализе, теневой микроскопий, диагностике применяют только рентгеновские приборы.