Einige Wirkungen der Wechselwirkung von Röntgenstrahlen mit Materie

Wie oben erwähnt, können Röntgenstrahlen die Atome und Moleküle der Materie anregen. Dadurch kann es bei bestimmten Substanzen (z. B. Zinksulfat) zu einer Fluoreszenz kommen. Wenn ein paralleler Röntgenstrahl auf undurchsichtige Objekte gerichtet wird, dann kann beobachtet werden, wie die Strahlen durch das Objekt hindurchtreten, indem ein mit einer fluoreszierenden Substanz beschichteter Schirm platziert wird.

Der Fluoreszenzschirm kann durch einen fotografischen Film ersetzt werden. Röntgenstrahlen haben die gleiche Wirkung auf fotografische Emulsionen wie Licht. Beide Methoden werden in der praktischen Medizin eingesetzt.

Eine weitere wichtige Wirkung von Röntgenstrahlen ist ihre ionisierende Fähigkeit. Sie hängt von ihrer Wellenlänge und Energie ab. Dieser Effekt stellt ein Verfahren zum Messen der Röntgenstrahlintensität bereit. Wenn Röntgenstrahlen die Ionisationskammer passieren, wird ein elektrischer Strom erzeugt, dessen Größe proportional zur Intensität der Röntgenstrahlen ist.

Wenn Röntgenstrahlen Materie durchdringen, nimmt ihre Energie aufgrund von Absorption und Streuung ab. Die Abschwächung der Intensität eines parallelen Röntgenstrahls, der durch eine Substanz geht, wird durch das Bouguersche Gesetz bestimmt: , wobei ich 0- Anfangsintensität der Röntgenstrahlung; ICH ist die Intensität der Röntgenstrahlen, die die Materieschicht durchdringen, D- Dicke der absorbierenden Schicht , - Linearer Dämpfungskoeffizient. Sie ist gleich der Summe zweier Größen: T- linearer Absorptionskoeffizient und S- linearer Streukoeffizient: m = t+S

In Experimenten wurde festgestellt, dass der lineare Absorptionskoeffizient von der Ordnungszahl der Substanz und der Wellenlänge von Röntgenstrahlen abhängt:

Wo ist der Koeffizient der direkten Proportionalität, ist die Dichte der Substanz, Z- Ordnungszahl des Elements, - Wellenlänge von Röntgenstrahlen.

Die Abhängigkeit von Z ist aus praktischer Sicht sehr wichtig. Beispielsweise ist der Absorptionskoeffizient von Knochen, die aus Kalziumphosphat bestehen, fast 150-mal höher als der Absorptionskoeffizient von Weichgeweben ( Z=20 für Kalzium und Z=15 für Phosphor). Beim Durchgang von Röntgenstrahlen durch den menschlichen Körper heben sich die Knochen deutlich vom Hintergrund von Muskeln, Bindegewebe etc. ab.

Es ist bekannt, dass die Verdauungsorgane den gleichen Absorptionskoeffizienten haben wie andere Weichteile. Der Schatten von Speiseröhre, Magen und Darm kann jedoch unterschieden werden, wenn der Patient ein Kontrastmittel einnimmt - Bariumsulfat ( Z= 56 für Barium). Bariumsulfat ist für Röntgenstrahlen sehr undurchlässig und wird häufig für Röntgenuntersuchungen des Magen-Darm-Traktes verwendet. Bestimmte undurchsichtige Gemische werden in die Blutbahn injiziert, um den Zustand der Blutgefäße, Nieren und dergleichen zu untersuchen. In diesem Fall wird Jod als Kontrastmittel verwendet, dessen Ordnungszahl 53 beträgt.

Abhängigkeit der Röntgenabsorption von Z auch zum Schutz vor den möglichen schädlichen Auswirkungen von Röntgenstrahlen. Dazu wird Blei verwendet, der Wert Z dafür ist 82.

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Vortrag 10

Wechselwirkung von Röntgenstrahlung mit einem Festkörper (Photoeffekt, Compton-Effekt). Der Querschnitt des photoelektrischen Effekts und seine Beziehung zum linearen Absorptionskoeffizienten von Röntgenstrahlen. Berechnung des Massenabsorptionskoeffizienten für mehratomige Proben.

Eine nützliche Beziehung, wenn man von der Photonenenergie zur Wellenlänge geht

Das Produkt aus Energie und Wellenlänge = hc= 12,4 keVÅ

(10.1)
Beim Durchgang eines Photonenstrahls durch einen Festkörper sind folgende Prozesse möglich, die zu einer Schwächung der Strahlintensität führen:

• 
  die Geburt von Photoelektronen als Ergebnis des photoelektrischen Effekts;
• 
  Compton-Streuung;
• 
  die Bildung von Elektron-Positron-Paaren.

Der letzte dieser Prozesse, der in der Absorption eines Photons unter Bildung eines Elektron-Positron-Paares besteht, kann nur ablaufen, wenn die Photonenenergie  2 M e C 2 = 1,02 MeV. In den Methoden der Element- und Strukturanalyse werden Photonen mit solchen Energien nicht verwendet, daher wird dieser Prozess nicht betrachtet.

Compton-Streuung führt im Prinzip nicht zur Absorption eines Photons, sondern zu einer Richtungsänderung seiner Bewegung (Streuung um den Winkel ) bei gleichzeitiger Vergrößerung seiner Wellenlänge um  = ( H/M e C)(1 – cos), wobei H/M e C = 0,0243 Å - Compton-Elektronenwellenlänge. Die in Analyseverfahren verwendeten Energien von Photonen überschreiten üblicherweise 10 keV nicht, was einer Wellenlänge  = 1,24 Å entspricht. Daher ist auch für den maximalen Streuwinkel  = 90 o relative Wellenlängenänderung durch Compton-Streuung /  210 -2 . Außerdem ist bei den angegebenen Energien die Wahrscheinlichkeit des Compton-Streuprozesses viel geringer als die Wahrscheinlichkeit der Erzeugung eines Photoelektrons. Der überwiegende Beitrag zur Schwächung des Photonenstrahls (Röntgenquanten) wird also durch den photoelektrischen Effekt geleistet.

Erinnern Sie sich daran, dass beim photoelektrischen Effekt ein Röntgenquant mit Energie vorhanden ist ħ  überträgt alle Energie an ein Atomelektron, wodurch dieses mit Energie aus dem Atom herausfliegt

E e = ħ  – E st,

(10.2)
Wo E sv ist die Bindungsenergie eines Elektrons in einem Atom.

Damit der photoelektrische Effekt auftritt, ist die Bedingung ħ   E sv, daher kann der photoelektrische Effekt bei einer festen Quantenenergie auf einigen Schalen (Unterschalen) stattfinden und auf anderen fehlen.

Wenn eine Probe gemäß Ausdruck (10.2) mit Röntgenquanten fester Energie (monochromatische Röntgenstrahlung) bestrahlt wird, fliegen Photoelektronen mit unterschiedlichen Energien aus der Probe heraus, entsprechend unterschiedlichen Bindungsenergien. Gemessen haben E e und wissen ħ , es ist möglich zu definieren E sv und stellen Sie fest, welches Atom ein Photoelektron emittiert hat. Diese Möglichkeit liegt der als Rönbezeichneten Analysemethode zugrunde.

Eine quantenmechanische Rechnung ergibt folgenden Ausdruck für die Abhängigkeit des Wirkungsquerschnitts des photoelektrischen Effekts auf einer Schale (Unterschale) von der Bindungsenergie E St.

Als e 2 ħ /M e C= 5,5610 -2 keVÅ 2, dann erhalten wir durch Kombinieren aller Konstanten den folgenden Ausdruck

Å 2 wenn ħ  in keV.

(10.3)
Wenn Sie eintreten ħ  0 = hc/ 0 = E sv, dann erhalten wir die Abhängigkeit des Wirkungsquerschnitts des photoelektrischen Effekts von der Röntgenwellenlänge in der Form

 0 wird als Absorptionskantenwellenlänge bezeichnet(Wenn ZU-Schale, dann ZU- Absorptionskante, ggf L 1 dann L 1 - Absorptionskante).

UND
Aus den obigen Ausdrücken folgt, dass wenn ħ   E sv (   0) Der Wirkungsquerschnitt des photoelektrischen Effekts geht gegen unendlich. Tatsächlich steigt der Wert von  ph stark auf einen bestimmten Wert an, wonach der Querschnitt des photoelektrischen Effekts auf einer bestimmten Schale (Unterschale) gleich Null wird ( ħ   E St.). In diesem Fall ist natürlich der Wirkungsquerschnitt des photoelektrischen Effekts auf der Schale mit geringerer Bindungsenergie ungleich Null. Auf Abb. 10.1a zeigt die Abhängigkeit des Wirkungsquerschnitts des photoelektrischen Effekts von der Photonenenergie, und in Abb. 10.1b - auf der Wellenlänge nahe der Absorptionskante.

Der Gesamtwirkungsquerschnitt des photoelektrischen Effekts im Atom  ph ist die Summe der Wirkungsquerschnitte des photoelektrischen Effekts auf jedem von ihnen S Schalen/Unterschalen , die davon abhängen ћ  und E sv der gegebenen Shell/Subshell.

Ist der Querschnitt des photoelektrischen Effekts eines Röntgenquants mit Energie ћ  auf einer Schale/Unterschale in einer monoatomaren Probe mit atomarer Konzentration N 0 gleich , dann die mittlere freie Weglänge eines Quants vor seiner Absorption unter Freisetzung eines Photoelektrons mit S Schalen/Unterschalen

, (10.5)

Wo N S ist die Anzahl der Elektronen pro S Schale/Unterschale.

Lassen Sie innerhalb der Probe die Intensität des Flusses von Röntgenquanten gleich sein ICH vor Eingabe der Schichtdicke dx, dann ist der Anteil des absorbierten Strahls aufgrund des photoelektrischen Effekts in dieser Schicht

,

wo  S = N 0 N S .

Aus dieser Differentialgleichung folgt das die Intensität des Röntgenquantenflusses nach Durchdringen der Probe mit einer Dickel bezogen auf die Durchflussrate am ProbeneinlassICH 0 folgendes Verhältnis:

,

Wo
–linearer Absorptionskoeffizient. Maßeinheit  - cm -1.

Manchmal wird der Begriff verwendet Dämpfungslänge ist der Abstand entlang der Normalen zur Probenoberfläche, bei dem die Röntgenintensität abnimmt e einmal. Die Dämpfungslänge wird normalerweise in µm gemessen.

Aktuelle Berechnungsmodelle , insbesondere bei Quantenenergie ћ  in der Nähe E s, stimmen nicht gut mit experimentellen Daten überein, daher ist es in der Praxis vorzuziehen, experimentell bestimmte Werte des linearen Absorptionskoeffizienten von Röntgenphotonen verschiedener Energien in monoatomischen Materialien zu verwenden, die durch die Änderung bestimmt werden die Intensität des Röntgenphotonenflusses nach dem Durchgang durch eine Probe bekannter Dicke.

Nachschlagewerke geben normalerweise Werte an Massenabsorptionskoeffizient /  , wobei  die Dichte des Absorbers ist, die Maßeinheit / ist cm 2 /g. Die Verwendung des Massenabsorptionskoeffizienten ist erstens darauf zurückzuführen, dass zur Bestimmung des linearen Absorptionskoeffizienten die Dicke eines dünnen (in der Größenordnung eines Mikrometers) Absorbers mit hoher Genauigkeit gemessen werden muss; fertig mit viel größerer Genauigkeit. Bei bekannter Absorberdichte  ist offensichtlich  = (/).

Zweitens können Sie mit dem Massenabsorptionskoeffizienten / für eine Verbindung aus verschiedenen Elementen aus bekannten Werten (/) berechnen. ich jedes der Elemente, aus denen die Verbindung besteht. Dies geschieht auf folgende Weise.

Lassen
ist der Gesamtwirkungsquerschnitt (über alle Schalen und Unterschalen) des photoelektrischen Effekts auf ein Atom ich te Komponente der Verbindung. Dann kann der lineare Absorptionskoeffizient in der Verbindung geschrieben werden als

,

Wo N ich Und M ich– Atomkonzentration und Atommasse ich-te Komponente in der Verbindung, N 0 ich ist die atomare Konzentration einer Monoelementprobe, die nur aus besteht ich-te Komponente, M 0 - atomare Masseneinheit (1,6610 -24 g). Das Produkt in Klammern ist gleich dem linearen Absorptionskoeffizienten ich- te Komponente; das Produkt im Nenner ist die Dichte ich-ten Komponente, sodass der lineare Absorptionskoeffizient dargestellt werden kann als

.

Die Verbindungsdichte kann dargestellt werden als
und der Massenabsorptionskoeffizient wird geschrieben als

,

wobei  die Atomdichte der Verbindung ist.

Wenn die stöchiometrische Zusammensetzung einer Verbindung bekannt ist, dann die jeweiligen relativen Konzentrationen ich-te Komponente MIT ich. Als MIT ich = N ich /N, dann endlich, zusammengesetzter Massenabsorptionskoeffizient sieht aus wie:

.

Manchmal wird der Massenabsorptionskoeffizient in Gewichtsanteilen angegeben R ich ich te Komponente der Verbindung (
).

H und Abb. 10.2 ist beispielhaft die Abhängigkeit des Massenabsorptionskoeffizienten in Nickel von der Wellenlänge der Röntgenstrahlung dargestellt. Die starke Abhängigkeit / folgt aus der Energieabhängigkeit des photoelektrischen Wirkungsquerschnitts von der Energie des Röntgenquants (Wellenlänge). Bei Wellenlängen kleiner ZU ist die Absorptionskante, definiert als HMit/(bzw. bei ћ  > ), werden die Quanten hauptsächlich von absorbiert ZU Hülse (
). Bei einer größeren Wellenlänge ZU– Absorptionskante, an der dieser Prozess stattfindet L- Unterschalen, bei denen für den Massenabsorptionskoeffizienten jeweils auch Kanten beobachtet werden L 1 , L 2 Und L 3 - Absorption.

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Der Durchgang von Röntgenstrahlung durch die Substanz der Probe geht mit einer Wechselwirkung von Strahlung mit dieser Substanz einher. Drei Arten dieser Wechselwirkung sind bekannt: (Folie 17)

1. Streuung von Röntgenstrahlung (ohne Änderung und mit Änderung der Wellenlänge);

2. Photoelektrischer Effekt;

3. Bildung von Elektron-Positron-Paaren (dieser Effekt tritt nur bei Photonenenergien größer als 1 MeV auf).

Streuung von Röntgenstrahlen. Ein Stoff, der Röntgenstrahlen ausgesetzt wird, sendet Sekundärstrahlung aus, deren Wellenlänge entweder gleich der Wellenlänge der einfallenden Strahlen ist (kohärente Streuung) oder geringfügig davon abweicht. Im ersten Fall bewirkt ein von einem Röntgenstrahl erzeugtes elektromagnetisches Wechselfeld eine oszillierende Bewegung der Elektronen der bestrahlten Substanz und sie werden zu Quellen kohärenter Strahlung. Aufgrund der Kohärenz können von verschiedenen Atomen gestreute Strahlen interferieren. Die Abstände zwischen Atomebenen in kristallinen Substanzen sind vergleichbar mit den Wellenlängen von Röntgenstrahlen. Der Kristall dient daher als Beugungsgitter für solche kohärenten Röntgenstrahlen.

Compton-Effekt. Bei der Compton-Streuung kollidiert das einfallende Quant elastisch mit den Elektronen der Substanz. Dadurch wird ein Teil der Energie zur Erhöhung der kinetischen Energie des Elektrons aufgewendet und die Strahlungswellenlänge nimmt zu. Daher ist die Compton-Streuung inkohärent und die gestreute Strahlung kann nicht stören. Wir gehen daher nicht näher darauf ein, zumal diese Streuung für relativ weiche Strahlung, die in der Struktur- und Phasenanalyse verwendet wird, unbedeutend ist.

Photoelektrischer Effekt. Dieser Vorgang findet nur bei harter Primärstrahlung statt. In diesem Fall können Röntgenstrahlen durch Wechselwirkung mit den Materieatomen Elektronen aus dem Atom schlagen und es ionisieren. Bei einer hohen kinetischen Energie der ausgestoßenen Elektronen können diese selbst eine Quelle uncharakteristischer Röntgenstrahlung sein. Das heißt, diese Art von Strahlung trägt nur zu kontinuierlicher (weißer) Strahlung bei.

Gesamtabsorption von Röntgenstrahlung durch einen Stoff.

Beim Durchgang durch Materie bewirken Röntgenstrahlen die Ionisierung von Atomen, die Anregung von Fluoreszenzstrahlung in ihnen und die Bildung von Auger-Elektronen. Diese Prozesse sind für die Absorption von Röntgenstrahlen verantwortlich. Außerdem nimmt die Intensität der den Stoff in Richtung des einfallenden Strahls durchdringenden Strahlen aufgrund seiner Streuung an den Elektronen des Stoffes in alle Richtungen ab. Schließlich verursachen Röntgenquanten mit sehr hoher Energie (mehr als 1 MeV), die in der Nähe der Kerne fliegen, das Auftreten von Elektron-Positron-Paaren. All dies reduziert die Intensität des gesendeten Strahls umso mehr, je dicker die Materieschicht ist.

Das allgemeine Gesetz, das die Dämpfung beliebiger homogener Strahlen in einem absorbierenden Stoff quantitativ bestimmt, lässt sich wie folgt formulieren:

„In gleicher Dicke derselben homogenen Substanz werden gleiche Anteile der Energie derselben Strahlung absorbiert.“

Bezeichnet man die Intensität der auf den Stoff einfallenden Strahlen mit I 0 und ihre Intensität nach dem Durchgang durch die Platte des absorbierenden Stoffes mit I, so lässt sich dieses Gesetz in folgender Form ausdrücken:

Nehmen wir einen dünnen homogenen Schirm, durch den ein monochromatischer Strahl mit einem Querschnitt gleich Eins Energie dI verliert. Sie ist proportional zur Schirmdicke dx und Strahlintensität I 0 . Wir bekommen das:

dI = - μ ich 0 dx

wobei: dx die Dicke der Substanzschicht ist;

Der konstante Wert μ ist der natürliche Logarithmus der Zahl, die die Intensitätsabnahme während des Durchgangs von Strahlen durch eine Schicht einer bestimmten Substanz mit Einheitsdicke charakterisiert:

μ \u003d ln (I 0 / I) (für dx \u003d 1).

Dieser Koeffizient wird als μ bezeichnet - der lineare Absorptionskoeffizient für eine bestimmte Substanz oder der lineare Dämpfungskoeffizient der Strahlen.

Lösen wir diese Gleichung, erhalten wir:

Ich \u003d Ich 0 exp (-μ x)

Wobei x die Dicke der Absorptionsschicht ist.

Der Absorptionskoeffizient kann als Summe der intrinsischen Absorptionskoeffizienten τ und des Streukoeffizienten σ betrachtet werden.

μ = τ + σ

Es ist bequemer, Massenabsorptionskoeffizienten zu verwenden, da die linearen Absorptionskoeffizienten proportional zur Dichte der Probensubstanz sind.

μ/ρ = τ/ρ + σ/ρ

In dem für uns interessanten Wellenlängenbereich ist der Massenstreuungskoeffizient viel kleiner als der Eigenabsorptionskoeffizient τ/ρ, daher wird ungefähr angenommen, dass:

Ist die Zusammensetzung der Probensubstanz bekannt, so kann dafür μ/ρ errechnet werden, wenn man den Gehalt der Komponenten in Gewichts- (Massen-) Prozent kennt.

Die betrachteten Absorptionskoeffizienten hängen von der Ordnungszahl der Substanz und von der Röntgenwellenlänge ab. Es gibt spezielle Tische. Diese Daten werden beispielsweise benötigt, um bei gegebener Geometrie der Röntgenbildgebung die Eindringtiefe von Röntgenstrahlung in die Prüfsubstanz zu bestimmen.

Lassen Sie uns nun sehen, warum dies erforderlich ist. Folie 26 zeigt das Röntgenabsorptionsspektrum in Nickel (Abhängigkeit des Absorptionskoeffizienten μ/ρ von der Röntgenwellenlänge). Es ist ersichtlich, dass sich bei bestimmten Wellenlängen der Wert des Absorptionskoeffizienten stark ändert.

Im Intervall zwischen den Sprüngen steigt der Absorptionskoeffizient mit zunehmender Wellenlänge gemäß der ungefähren Abhängigkeit:

wobei: k der Proportionalitätskoeffizient und Z die Ordnungszahl des Elements ist.

Die den Sprüngen im Absorptionskoeffizienten entsprechenden Wellenlängen werden genannt die Kanten der Absorptionsbanden. Sie haben eine feine Struktur, die wir nicht berücksichtigen werden.

Wie bereits erwähnt, beruht die Absorption von Röntgenstrahlen hauptsächlich auf dem Herausschlagen von Elektronen aus den inneren oder äußeren Elektronenhüllen von Atomen. Wenn die Strahlungsenergie größer oder gleich der Energie ist, die erforderlich ist, um ein Elektron aus einer gegebenen Hülle zu entfernen, tritt aufgrund dieses Prozesses eine Absorption auf. Ist die Strahlungsenergie geringer, erfolgt die Absorption nur auf Kosten von mehr Außenhüllen. Daher werden K-, L-, M- usw. unterschieden. Kanten der Absorptionsbanden.

Der Koeffizient k in der obigen Gleichung ist ungefähr gleich 7 × 10 –3 für Wellenlängen kleiner als die K-Kante der Absorptionsbande der untersuchten Substanz. Im Intervall zwischen den K- und L-Kanten der Absorptionsbanden beträgt er etwa 9x10 -4 . Das heißt, beim Durchgang durch die K-Kante des Absorptionsbandes ändert sich der Absorptionskoeffizient um etwa das 8-fache. Dies verursacht den Sprung im Spektrum.

Das Vorhandensein dieser Sprünge wird bei der Auswahl der Strahlung zum Aufnehmen von Röntgenaufnahmen berücksichtigt. Sekundäre Röntgenstrahlenemission von den Rändern der Absorptionsbanden verursacht eine deutliche Erhöhung des Hintergrunds auf den Röntgenstrahlenmustern und ist daher unerwünscht. Daher wird zum Aufnehmen Strahlung entweder mit einer Wellenlänge ausgewählt, die deutlich kleiner als λ edge oder größer als λ edge ist. (Folie 28 a und b).

Das Vorhandensein von Absorptionsbandkanten wird auch verwendet, um β-Strahlung abzuschwächen. Dazu wird eine dünne Materialplatte, deren Rand des Absorptionsbandes zwischen den α- und β-Linien der verwendeten Strahlung liegt, auf den Weg des Strahlungsbündels der K-Reihe gelegt. (Folie 28d).

Typischerweise kann eine Folie eines Elements mit einer um eins kleineren Seriennummer als die Anodenseriennummer als Filter verwendet werden.

Aber in Wirklichkeit ist nicht alles so einfach. Um beispielsweise Titandioxid TiO 2 zu röntgen, kann Strahlung aus einer Molybdänröhre verwendet werden, da die Wellenlänge von Röntgenstrahlen in diesem Fall 0,709 Å beträgt, dh viel kleiner als der Rand der Absorptionsbande aus Titan (2,50 A). Das heißt, wir implementieren die Situation von Position (a) auf der Folie. Die Verwendung dieser Röhre zur Phasenanalyse von Strahlung ist jedoch unerwünscht. Aufgrund der kleinen Wellenlänge ist die Auflösung und Genauigkeit der Bestimmung von interplanaren Abständen gering. Strahlung mit längerer Wellenlänge sollte bevorzugt werden. Zum Beispiel aus einem Kupferrohr. Die CuKα-Wellenlänge ist 1,54 Å, ebenfalls kürzer als die Kante der Titan-Absorptionsbande. Als Filter wird Nickelfolie verwendet. Die Seriennummer von Kupfer ist 29 und die von Nickel ist 28. Um die Sekundärstrahlung von Titan zu dämpfen, wird zusätzlich eine Aluminiumfolie auf das Nickel gelegt. Weichere Titanstrahlung wird wesentlich stärker absorbiert als härtere Kupferstrahlung. Das heißt, der Prozess der Auswahl der Wellenlänge und des Filtermaterials ist nicht sehr einfach.

2. QUELLEN DER RÖNTGENSTRAHLUNG

Die wichtigsten Methoden zur Gewinnung von Röntgenstrahlen für Strukturuntersuchungen sind mit der Verwendung eines Stroms schnell fliegender Elektronen verbunden. Elektronenbeschleuniger - Betatrons und Linearbeschleuniger - werden zur Erzeugung von kurzwelliger Röntgenstrahlung hoher Leistung verwendet, die hauptsächlich zur Fehlersuche verwendet wird.

Elektronenbeschleuniger sind jedoch sperrig, schwer einzustellen und werden hauptsächlich in stationären Anlagen eingesetzt. Die häufigste Röntgenquelle ist die Röntgenröhre.

Nach dem Prinzip der Elektronenstrahlgewinnung werden Röntgenröhren in Röhren mit heißer Kathode (durch thermionische Emission entstehen freie Elektronen (Abb. 3)) und Röhren mit kalter Kathode (dadurch entstehen freie Elektronen) unterteilt der Feldemission). Röntgenröhren beider Typen können mit konstantem Vakuum versiegelt und zerlegt, durch Vakuumpumpen evakuiert werden.

Am gebräuchlichsten sind versiegelte Glühkathoden-Röntgenröhren. Sie bestehen aus einem Glaskolben und zwei Elektroden - einer Kathode und einer Anode (Abb. 5). Im Kolben wird ein Hochvakuum (10-7 - 10-8 mm Hg) erzeugt, das die freie Bewegung der Elektronen von der Kathode zur Anode sowie die thermische, chemische und elektrische Isolierung der Glühkathode gewährleistet.

Die Kathode einer Röntgenröhre besteht aus einem Glühfaden und einer Fokussierkappe. Die Form des Glühfadens und der Kappe wird durch die vorgegebene Form des Brennflecks auf der Anode der Röhre bestimmt – rund oder liniert. Ein Filament aus einer Wolframspirale wird durch elektrischen Strom auf 2000 - 2200 C erhitzt; Zur Verbesserung der Abstrahlcharakteristik wird die Wendel häufig mit Thoriumverbindungen beschichtet.

Die Abmessungen des Brennflecks bestimmen die optischen Eigenschaften der Röntgenröhre. Die Schärfe des Bildes bei der Transmission sowie die Genauigkeit der Röntgenbeugungsanalyse ist umso höher, je kleiner die Fokusgröße ist. Röntgenröhren mit kleiner Fokusgröße werden scharfe Fokusröhren genannt.

Die Anode einer Röntgenröhre ist ein Kupferzylinder, in dessen Ende ein Anodenspiegel eingepresst ist – eine Platte aus einem Material, in dem Elektronen abbremsen. Bei Röntgenröhren für die Transmission besteht der Spiegel aus Wolfram, für die Röntgenbeugungsanalyse aus dem Metall, dessen charakteristische Strahlung verwendet wird. Das Anodenende in Röntgenröhren für die Strukturanalyse wird in einem bestimmten Winkel zur Anodenachse (Elektronenstrahl) geschnitten. Dies wird gemacht, um den Strahl zu erhalten, der die Röhre mit maximaler Intensität verlässt.

Wenn Elektronen auf den Anodenspiegel treffen, werden etwa 96 % ihrer Energie in Wärme umgewandelt, sodass der Anodenzylinder durch fließendes Wasser oder Öl gekühlt wird.

Die Anode ist durch einen speziellen Kupfermantel geschützt, um von der Anode reflektierte Elektronen einzufangen und vor ungenutzten Röntgenstrahlen zu schützen. Dieses Gehäuse hat ein oder mehrere Röntgenaustrittsfenster, in die dünne Platten aus Beryllium eingesetzt sind, die in der Röhre erzeugte Röntgenstrahlen praktisch nicht absorbieren.

Die Grenzleistung der Röntgenröhre P wird durch die Leistung des durch sie fließenden elektrischen Stroms bestimmt:

wobei U die maximale an die Röntgenröhre angelegte Spannung ist; I ist der maximale Strom, der durch die Röntgenröhre fließt.

Die tatsächliche Leistungsgrenze hängt von der Fläche des Brennflecks (also der Leistungsdichte), dem Anodenmaterial und der Dauer der Röhre ab. Kurzfristige Belastungen können zehnmal höher sein als langfristige Belastungen.

Ein praktisch messbarer Strom durch die Röntgenröhre tritt nur auf, wenn der Filamentstrom einen bestimmten Wert erreicht, der der Heiztemperatur des Filaments 2000–2100 C entspricht (Abb. 6 a); eine Erhöhung des Filamentstroms erhöht stark die Temperatur und die Anzahl der vom Filament emittierten Elektronen (Emissionsstrom). Bei konstantem Heizstrom und bei niedrigen Spannungen fallen nicht alle Emissionselektronen auf die Anode, sondern nur ein Teil davon, je größer die Anodenspannung ist. Bei einer bestimmten Spannung, die vom Heizstrom abhängt, fallen alle Emissionselektronen auf die Anode (Sättigungsmodus), daher erhöht eine weitere Erhöhung der Anodenspannung den Anodenstrom nicht (er ist gleich dem Emissionsstrom). Dieser Grenzwert des Anodenstroms wird als Sättigungsstrom bezeichnet und ist umso höher, je größer der Heizstrom ist (Abb. 6 b). Röntgenröhren arbeiten im Sättigungsmodus bei Spannungen, die 3- bis 4-mal höher sind als die Nennspannung, d. h. notwendig, um den Sättigungsstrom aufzubauen. Daher wird der Anodenstrom über einen weiten Bereich geregelt, wodurch der Filamentstrom leicht verändert wird.

In den Bezeichnungen von Röntgenröhren für die Strukturanalyse wird anstelle der Anodenspannung das Material des Anodenspiegels angegeben, das als Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Ag, W und einige andere verwendet wird reine Metalle. (Jeder hat natürlich seine eigene Wellenlänge der charakteristischen Strahlung). Die Röhre 0,7BSV-2-Co beispielsweise hat eine Dauerleistung von 0,7 kW, ist sicher, ausgelegt für Statik, Wasserkühlung, Typ 2, Kobaltanode.

REGISTRIERUNG VON RÖNTGENSTRAHLUNG.

Zur Registrierung von Röntgenstrahlen werden fotografische, lumineszierende, szintillatorische, elektrofotografische und ionisierende Verfahren verwendet.

Historisch gesehen war die erste und bis vor kurzem am häufigsten verwendete die fotografische Methode.

Das fotografische Verfahren zum Aufzeichnen von Röntgenstrahlen ist gegenwärtig weit verbreitet. Es hat eine hohe Empfindlichkeit und Dokumentation, erfordert jedoch die Verwendung spezieller Fotomaterialien und deren aufwändige Verarbeitung. Röntgenfilme haben eine doppelseitige Emulsionsschicht, die deutlich mehr Silberbromid enthält als herkömmliche Fotomaterialien. Die fotografische Emulsion besteht aus winzigen (~ 1 µm) AgBr-Kristallen mit Zusätzen von geringen Mengen an Schwefel, was zu strukturellen Defekten führt. Daher gibt es Erregungszentren des latenten Bildes. Bei der Absorption von Röntgenquanten mit der Energie ν = ε h in der Emulsion sowie unter Einwirkung von sichtbarem Licht laufen die Prozesse nach dem Schema ab:

AgBr + hv → Ag + Br.

Die Anhäufung von 20-100 Ag-Atomen bildet ein stabiles Zentrum des latenten Bildes, das unter Einwirkung eines Photoreagenz-Entwicklers entwickelt werden kann. Kristalle, die latente Bildzentren enthalten, werden zu metallischem Silber reduziert. AgBr-Kristalle, die solche Zentren nicht enthalten und durch den Entwickler nicht reduziert werden, werden mit einer Fixierlösung aus der Emulsion ausgewaschen. Dadurch verbleiben nur metallische Silberkörner auf der Folie. Die Anzahl solcher Körner bestimmt die Schwärzungsdichte der fotografischen Emulsion, die proportional zur Belichtung ist - dem Produkt aus der Strahlungsintensität und der Belichtungszeit.

Die Beurteilung der Schwärzungsdichte auf Röntgenbildern erfolgt visuell oder genauer mit Mikrophotometern, mit denen Sie die Schwärzungsdichteverteilungskurve aufnehmen und berechnen können.

Das Lumineszenzverfahren zum Betrachten eines Bildes auf einem Leuchtschirm (Fluoroskopie) hat eine sehr hohe Produktivität und erfordert nicht die Kosten für fotografische Materialien. Diese Methode basiert auf der Lumineszenz bestimmter Substanzen unter Einwirkung von Röntgenstrahlen, insbesondere von Phosphoren - Substanzen, die eine hohe Leistung sichtbarer Strahlung (Fluoreszenz) abgeben.

Der beste Leuchtstoff mit gelbgrünem Schimmer ist eine Mischung aus 50 % ZnS + 50 % CdS. Ähnliche Luminophore werden zur Herstellung von Bildschirmen zur visuellen Betrachtung von Bildern in Röntgenstrahlen (Transmissionsbildschirme in der Fehlererkennung und medizinischen Diagnostik) verwendet. Auf kleinen Bildschirmen werden Röntgenkameras aufgestellt und die Goniometer von Röntgendiffraktometern ausgerichtet. Phosphor CaWO4 (mit einem blau-violetten Schimmer) wird verwendet, um die fotografische Wirkung von Röntgenstrahlen zu verstärken. Dazu wird das Sieb fest gegen die Emulsion des fotografischen Films gedrückt, was es ermöglicht, die Belichtung während der Übertragung (Fluorografie) stark zu reduzieren.

Der Szintillationszähler ist eine Kombination aus einem Leuchtkristall (NaI dotiert mit einem Aktivator aus Thallium Tl) und einem Photomultiplier (PMT).

Beim Eindringen in den Szintillator wird das Röntgenquant vom Leuchtstoff absorbiert, wodurch ein Photoelektron entsteht. Beim Durchgang durch die Kristallsubstanz ionisiert dieses Elektron eine große Anzahl von Atomen. Ionisierte Atome, die in einen stabilen Zustand zurückkehren, emittieren Photonen von ultraviolettem Licht. Diese Photonen, die auf die PMT-Fotokathode fallen, schlagen Elektronen daraus heraus, die im elektrischen Feld des Fotovervielfachers beschleunigt werden und auf den ersten Emitter fallen. Jedes Elektron schlägt mehrere Elektronen aus dem Emitter-Beschichtungsmaterial heraus, und der gesamte Vorgang wiederholt sich beim nächsten Emitter und so weiter. Moderne PMTs bestehen aus 8 - 15 Stufen, ihre Gesamtverstärkung erreicht 10 7 - 10 8 .

An jede Stufe wird eine Spannung von 150-200 Volt angelegt. Die Gesamtspannung am PMT 600 beträgt 2000 V. Am PMT-Ausgang erscheint ein Spannungsimpuls, der proportional zur Energie des detektierten Quants ist. Beispielsweise beträgt die Amplitude dieses Impulses für Kα-Kupfer 0,01 V. Um solche Impulse zu registrieren, werden daher Verstärker mit einer Verstärkung in der Größenordnung von tausend verwendet.

Das elektrophotographische Verfahren (Xerographie) behält viele der Vorteile des Photoverfahrens bei, ist aber wirtschaftlicher. Das Prinzip ist das gleiche wie bei Multiplikationsgeräten. Dieses Verfahren hat in der Praxis der Strukturuntersuchungen noch keine breite Anwendung gefunden, aber es beginnt, zur Lösung von Fehlererkennungsproblemen eingesetzt zu werden, insbesondere in der Mikrodefektoskopie auf der Basis sogenannter Röntgenmikroskope.

Das Ionisationsverfahren ermöglicht eine genaue Messung der Intensität von Röntgenstrahlen, die Messung erfolgt jedoch über einen kleinen Bereich, der durch die Größe des Eingangsfensters und der Messschlitze des Zählers bestimmt wird. Um die räumliche Verteilung der Intensität von Röntgenstrahlen zu messen, ist daher ein Scannen erforderlich, bei dem der Zähler über den gesamten Bereich der Streuwinkel bewegt wird.

Dies schränkt die Anwendung des Verfahrens in der Fehlersuche ein, wo es weithin nur zur Dickenmessung verwendet wird, in der Röntgenbeugungsanalyse ersetzt dieses Verfahren jedoch praktisch alle anderen, trotz der Notwendigkeit, teure elektronische Geräte zu verwenden.

Das Ionisationsverfahren beruht auf der Ionisation von Atomen eines Stoffes bei der Wechselwirkung mit Röntgenquanten. Tritt im Feld eines Flachkondensators eine Gasionisation auf, so wandern die gebildeten Ionen zu den entsprechenden Elektroden und es entsteht ein Ionisationsstrom. Mit zunehmender elektrischer Feldstärke an den Kondensatorplatten steigt die Geschwindigkeit der Ionen, daher nimmt die Wahrscheinlichkeit ihrer Neutralisierung ab, wenn gegenüberliegende Ionen kollidieren, daher steigt der Ionisationsstrom (Abb. 7). Bei Spannung U > U 1 wird die Neutralisation vernachlässigbar und der Ionisationsstrom geht in Sättigung.

Bei weiterer Erhöhung der Spannung auf U = U 2 steigt der Ionisationsstrom nicht an, sondern nur die Ionengeschwindigkeit. Bei U > U 2 wird die Ionengeschwindigkeit so hoch, dass es zur Stoßionisation von Gasmolekülen kommt. Photoelektronen, die während der Wechselwirkung von Strahlung mit Gasatomen gebildet werden und bei Kollisionen ihre Geschwindigkeit verloren haben, rekombinieren nicht, sondern werden wieder beschleunigt und erhalten kinetische Energie, die ausreicht, um das Gas zu ionisieren und neue Ionen-Elektronen-Paare zu erzeugen. Als Folge dieser Prozesse kommt es immer wieder zu Stoßionisationen und die Zahl der Elektronen wächst wie eine Lawine. Durch die sogenannte Gasverstärkung beginnt der Strom mit steigender Spannung linear anzusteigen. Die Verstärkung bei Spannungen bis U ≤ U 3 kann 10 2 -10 4 (Bereich voller Proportionalität) erreichen.

In diesem Bereich gibt es zwei Arten von Entladungen: abhängig und unabhängig. Im Bereich U 2 - U 3 klingen die Elektronenlawinen schnell ab und die Entladung stoppt, sobald alle Ionen und Elektronen die Kathode und Anode erreichen. Die Entladung besteht nur so lange, wie Strahlung in den Zähler eintritt. Dies ist eine eigenständige Kategorie.

Ein weiterer Spannungsanstieg bewirkt eine Selbstentladung.

Für U > U 3 ist die Linearität der Gasverstärkung verletzt (ein Bereich unvollständiger Proportionalität). Bei U > U 4 kommt es zu einer Lawinenentladung. Lawinenbildung tritt auch unter Einwirkung von Photoelektronen auf, die aufgrund des photoelektrischen Effekts an der Kathode gebildet werden. Die Kathode wird mit ultravioletter Strahlung bestrahlt, die während der Rekombination von Ionen entsteht. Die Entladung breitet sich sofort durch das gesamte Volumen des Gases aus und es sind keine neuen Strahlungsquanten erforderlich, um sie aufrechtzuerhalten.

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ABSORPTION VON RÖNTGENSTRAHLUNG IN SUBSTANZ. Bei der Untersuchung der Wechselwirkung von Röntgenstrahlen mit einem Stoff (fest, flüssig oder gasförmig) wird die Intensität der durchgelassenen oder gebeugten Strahlung erfasst. Diese Intensität ist integral und mit verschiedenen Interaktionsprozessen verbunden. Um diese Prozesse voneinander zu trennen, werden ihre Abhängigkeiten von den experimentellen Bedingungen und den physikalischen Eigenschaften des Untersuchungsobjekts genutzt.

Die Wirkung der Röntgenstreuung beruht darauf, dass die Kräfte des vom Röntgenstrahl erzeugten elektromagnetischen Wechselfeldes die Elektronen im untersuchten Material zum Schwingen bringen. Oszillierende Elektronen senden Röntgenstrahlen gleicher Wellenlänge wie die Primärelektronen aus, während das Verhältnis der Leistung der von 1 g der Substanz gestreuten Strahlen zur Intensität der einfallenden Strahlung etwa 0,2 beträgt. Dieser Koeffizient nimmt für langwellige Röntgenstrahlen (weiche Strahlung) etwas zu und für kurzwellige Strahlen (harte Strahlung) ab. In diesem Fall werden die Strahlen am stärksten in Richtung des einfallenden Röntgenstrahls (und in die entgegengesetzte Richtung) und am schwächsten (um Faktor 2) in der Richtung senkrecht zum Primärstrahl gestreut.

Der photoelektrische Effekt tritt auf, wenn die Absorption einfallender Röntgenstrahlen von der Emission von Elektronen begleitet wird. Nach dem Ausstoß des inneren Elektrons erfolgt eine Rückkehr in den stationären Zustand. Dieser Vorgang kann entweder ohne Strahlung unter Ausstoß eines zweiten Elektrons (Auger-Effekt) ablaufen oder von der charakteristischen Röntgenemission materieller Atome begleitet werden ( cm. RÖNTGEN). Dieses Phänomen ähnelt naturgemäß der Fluoreszenz. Röntgenfluoreszenz kann nur auftreten, wenn die charakteristische Röntgenstrahlung eines Elements auf eine Barriere eines leichteren Elements (mit niedrigerer Ordnungszahl) trifft.

Die Gesamtabsorption von Röntgenstrahlen wird bestimmt, indem alle Arten von Wechselwirkungen summiert werden, die die Intensität von Röntgenstrahlen schwächen. Zur Beurteilung der Schwächung der Röntgenintensität beim Durchgang durch eine Substanz wird ein linearer Schwächungskoeffizient verwendet, der die Abnahme der Strahlungsintensität beim Durchgang durch 1 cm der Substanz charakterisiert und gleich dem natürlichen Logarithmus des Verhältnisses von ist die Intensitäten der einfallenden und der durchgelassenen Strahlung. Außerdem wird als Merkmal für die Fähigkeit einer Substanz, einfallende Strahlung zu absorbieren, die Dicke der Halbabsorptionsschicht verwendet, d. h. die Dicke der Schicht, durch die die Strahlungsintensität halbiert wird.

Die physikalischen Mechanismen der Röntgenstreuung und des Auftretens sekundärer charakteristischer Strahlung sind unterschiedlich, hängen jedoch in allen Fällen von der Anzahl der Atome der Substanz ab, die mit Röntgenstrahlen wechselwirken, d.h. von der Dichte des Stoffes, also ist das universelle Merkmal der Absorption der Massenabsorptionskoeffizient der wahre Absorptionskoeffizient, bezogen auf die Dichte des Stoffes.

Der Absorptionskoeffizient in der gleichen Substanz nimmt mit abnehmender Röntgenwellenlänge ab, jedoch steigt (sprunghaft) der Absorptionskoeffizient ab einer bestimmten Wellenlänge stark an und nimmt danach weiter ab (Abb.). Mit einem Sprung steigt der Absorptionskoeffizient um ein Vielfaches (manchmal um eine Größenordnung) und um unterschiedliche Werte für verschiedene Substanzen. Das Auftreten eines Absorptionssprungs ist darauf zurückzuführen, dass bei einer bestimmten Wellenlänge die charakteristische Röntgenstrahlung der bestrahlten Substanz angeregt wird, was den Energieverlust beim Strahlendurchgang stark erhöht. Innerhalb jedes Abschnitts der Abhängigkeitskurve des Absorptionskoeffizienten von der Wellenlänge (vor und nach dem Absorptionssprung) ändert sich der Massenabsorptionskoeffizient proportional zur Potenz der Röntgenwellenlänge und der Ordnungszahl des chemischen Elements (Hindernis Material).

Beim Durchtritt von nicht monochromatischer Röntgenstrahlung, beispielsweise Strahlung mit kontinuierlichem Spektrum, entsteht ein Spektrum von Absorptionskoeffizienten, während kurzwellige Strahlung schwächer absorbiert wird als langwellige Strahlung und mit zunehmender Barrierendicke nähert sich der resultierende Absorptionskoeffizient dem für kurzwellige Strahlung charakteristischen Wert. Besteht ein Stoff aus mehreren chemischen Elementen, dann hängt der Gesamtabsorptionskoeffizient von der Ordnungszahl jedes Elements und der Menge dieses Elements in dem Stoff ab.

Berechnungen der Röntgenabsorption in einem Stoff sind für die Röntgenfehlererkennung von großer Bedeutung. Bei Vorhandensein eines Defekts (z. B. einer Pore oder Schale) in einer Metallplatte nimmt die Intensität der durchgelassenen Strahlung zu, und wenn sie von einem schwereren Element eingeschaltet wird, nimmt sie ab. Wenn man den Wert des Absorptionskoeffizienten kennt, ist es möglich, die geometrischen Abmessungen des inneren Defekts zu berechnen.

Röntgenfilter.

Bei der Untersuchung von Materialien mit Röntgenstrahlen ist die Interpretation der Ergebnisse aufgrund des Vorhandenseins mehrerer Wellenlängen kompliziert. Zur Isolierung einzelner Wellenlängen werden Röntgenfilter eingesetzt, die aus Stoffen mit unterschiedlichen Absorptionskoeffizienten für unterschiedliche Wellenlängen bestehen, wobei man sich zunutze macht, dass eine Erhöhung der Strahlungswellenlänge mit einer Erhöhung des Absorptionskoeffizienten einhergeht. Beispielsweise ist für Aluminium der Absorptionskoeffizient der Röntgenstrahlung der K-Reihe von einer Eisenanode (l = 1,932 A) größer als für die Strahlung der K-Reihe von einer Molybdänanode (l = 0,708 A) und bei einer Aluminiumfilterdicke von 0,1 mm ist die Strahlungsdämpfung der Eisenanode 10-mal höher als bei Molybdänstrahlung.

Das Vorhandensein eines Absorptionssprungs auf der Kurve der Abhängigkeit des Absorptionskoeffizienten von der Wellenlänge ermöglicht es, selektiv absorbierende Filter zu erhalten, wenn die Wellenlänge der gefilterten Strahlung direkt hinter dem Absorptionssprung liegt. Dieser Effekt wird verwendet, um die b-Komponente der K-Strahlungsreihe herauszufiltern, deren Intensität fünfmal schwächer ist als die a-Komponente. Wählt man das entsprechende Filtermaterial so, dass die a- und b-Komponente auf gegenüberliegenden Seiten des Absorptionssprungs liegen, dann nimmt die Intensität der b-Komponente um ein Vielfaches ab. Ein Beispiel ist das Problem der Filterung von b-Strahlung von Kupfer, bei dem die Wellenlänge der a-Strahlung der K-Reihe 1,539 und die b-Strahlung 1,389 A beträgt. Gleichzeitig wird von der Abhängigkeit des Absorptionskoeffizienten auf der Wellenlänge entspricht der Absorptionssprung einer Wellenlänge von 1,480 A , also liegt zwischen den Wellenlängen von a- und b-Strahlung von Kupfer, im Bereich des Absorptionssprungs erhöht sich der Absorptionskoeffizient um den Faktor 8, die Intensität der b-Strahlung ist also zehnmal geringer als die Intensität einer a-Strahlung.

Wenn Röntgenstrahlen auf einen Festkörper einwirken, kann es aufgrund der Bewegung von Atomen zu Strahlenschäden an der Struktur kommen. Farbzentren treten in Ionenkristallen auf, ähnliche Phänomene werden in Gläsern beobachtet und mechanische Eigenschaften ändern sich in Polymeren. Diese Effekte sind mit dem Herausschlagen von Atomen aus ihren Gleichgewichtspositionen im Kristallgitter verbunden. Als Ergebnis werden Leerstellen gebildet - das Fehlen von Atomen in Gleichgewichtspositionen im Kristallgitter und Zwischengitteratomen, die sich in einer Gleichgewichtsposition im Gitter befinden. Der Effekt der Färbung von Kristallen und Glas unter Einwirkung von Röntgenstrahlen ist reversibel und verschwindet in den meisten Fällen bei Erwärmung oder längerer Exposition. Die Veränderung der mechanischen Eigenschaften von Polymeren unter Röntgenbestrahlung ist mit dem Aufbrechen interatomarer Bindungen verbunden.

Die Hauptrichtung bei der Untersuchung der Wechselwirkung von Röntgenstrahlung mit einem Festkörper ist die Röntgenbeugungsanalyse, mit der die Anordnung von Atomen in einem Festkörper und ihre Änderungen unter äußeren Einflüssen untersucht werden.

Röntgenstrahlung (synonym mit Röntgenstrahlen) hat einen weiten Wellenlängenbereich (von 8·10 -6 bis 10 -12 cm). Röntgenstrahlung entsteht, wenn geladene Teilchen, meist Elektronen, im elektrischen Feld der Atome einer Substanz abgebremst werden. Die resultierenden Quanten haben unterschiedliche Energien und bilden ein kontinuierliches Spektrum. Die maximale Photonenenergie in einem solchen Spektrum ist gleich der Energie einfallender Elektronen. In (siehe) ist die maximale Energie von Röntgenquanten, ausgedrückt in Kiloelektronenvolt, numerisch gleich der Größe der an die Röhre angelegten Spannung, ausgedrückt in Kilovolt. Beim Durchgang durch eine Substanz treten Röntgenstrahlen in Wechselwirkung mit den Elektronen ihrer Atome. Für Röntgenquanten mit Energien bis 100 keV ist die charakteristischste Art der Wechselwirkung der photoelektrische Effekt. Als Ergebnis einer solchen Wechselwirkung wird die Quantenenergie vollständig dafür aufgewendet, ein Elektron aus der Atomhülle herauszuziehen und ihm kinetische Energie zu verleihen. Mit zunehmender Energie eines Röntgenquants nimmt die Wahrscheinlichkeit des photoelektrischen Effekts ab und der Vorgang der Streuung von Quanten an freien Elektronen überwiegt - der sogenannte Compton-Effekt. Als Ergebnis einer solchen Wechselwirkung wird auch ein Sekundärelektron gebildet und außerdem fliegt ein Quant mit einer Energie heraus, die niedriger ist als die Energie des Primärquants. Übersteigt die Energie eines Röntgenquants ein Megaelektronenvolt, kann es zu einem sogenannten Paarungseffekt kommen, bei dem ein Elektron und ein Positron entstehen (siehe). Beim Durchgang durch eine Substanz nimmt folglich die Energie der Röntgenstrahlung ab, d.h. ihre Intensität nimmt ab. Da hier eher niederenergetische Quanten absorbiert werden, wird Röntgenstrahlung mit höherenergetischen Quanten angereichert. Diese Eigenschaft der Röntgenstrahlung wird genutzt, um die mittlere Energie von Quanten zu erhöhen, also ihre Steifigkeit zu erhöhen. Eine Erhöhung der Härte der Röntgenstrahlung wird durch spezielle Filter erreicht (siehe). Röntgenstrahlung wird für die Röntgendiagnostik verwendet (siehe) und (siehe). Siehe auch Ionisierende Strahlung.

Röntgenstrahlung (Synonym: Röntgenstrahlen, Röntgenstrahlen) - quantenelektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von 250 bis 0,025 A (oder Energiequanten von 5 10 -2 bis 5 10 2 keV). 1895 wurde es von V. K. Roentgen entdeckt. Der an Röntgenstrahlen angrenzende Spektralbereich elektromagnetischer Strahlung, dessen Energiequanten 500 keV überschreiten, wird als Gammastrahlung bezeichnet (siehe); Strahlung, deren Energiequanten unter 0,05 keV liegen, ist ultraviolette Strahlung (siehe).

Röntgenstrahlung, die einen relativ kleinen Teil des riesigen Spektrums elektromagnetischer Strahlung darstellt, das sowohl Radiowellen als auch sichtbares Licht umfasst, breitet sich wie jede elektromagnetische Strahlung mit Lichtgeschwindigkeit aus (etwa 300.000 km / s im Vakuum). ) und ist durch eine Wellenlänge λ gekennzeichnet (die Entfernung, über die sich die Strahlung in einer Schwingungsperiode ausbreitet). Röntgenstrahlung hat noch eine Reihe weiterer Welleneigenschaften (Brechung, Interferenz, Beugung), die aber viel schwieriger zu beobachten sind als langwellige Strahlung: sichtbares Licht, Radiowellen.

Röntgenspektren: a1 - kontinuierliches Bremsstrahlungsspektrum bei 310 kV; a - kontinuierliches Bremsstrahlungsspektrum bei 250 kV, a1 - Spektrum gefiltert durch 1 mm Cu, a2 - Spektrum gefiltert durch 2 mm Cu, b - K-Reihe der Wolframlinie.

Zur Erzeugung von Röntgenstrahlen werden Röntgenröhren verwendet (siehe), in denen Strahlung entsteht, wenn schnelle Elektronen mit Atomen der Anodensubstanz wechselwirken. Es gibt zwei Arten von Röntgenstrahlen: Bremsstrahlung und charakteristische. Bremsstrahlung Röntgenstrahlung, die ein kontinuierliches Spektrum hat, ähnelt gewöhnlichem weißem Licht. Die Intensitätsverteilung in Abhängigkeit von der Wellenlänge (Abb.) ist durch eine Kurve mit Maximum dargestellt; in Richtung langer Wellen fällt die Kurve sanft ab, in Richtung kurzer Wellen steil und bricht bei einer bestimmten Wellenlänge (λ0), der kurzwelligen Grenze des kontinuierlichen Spektrums, ab. Der Wert von λ0 ist umgekehrt proportional zur Spannung an der Röhre. Bremsstrahlung entsteht durch die Wechselwirkung schneller Elektronen mit Atomkernen. Die Bremsstrahlungsintensität ist direkt proportional zur Stärke des Anodenstroms, dem Quadrat der Röhrenspannung und der Ordnungszahl (Z) des Anodenmaterials.

Übersteigt die Energie der in der Röntgenröhre beschleunigten Elektronen den für die Anodensubstanz kritischen Wert (diese Energie wird durch die für diese Substanz kritische Röhrenspannung Vcr bestimmt), so entsteht charakteristische Strahlung. Das charakteristische Spektrum ist eine Linie, ihre Spektrallinien bilden eine Reihe, die mit den Buchstaben K, L, M, N bezeichnet wird.

Die K-Serie hat die kürzeste Wellenlänge, die L-Serie hat eine längere Wellenlänge, die M- und N-Serien werden nur in schweren Elementen beobachtet (Vcr von Wolfram für die K-Serie beträgt 69,3 kV, für die L-Serie - 12,1 kV). Charakteristische Strahlung entsteht wie folgt. Schnelle Elektronen schlagen Atomelektronen aus den inneren Schalen heraus. Das Atom wird angeregt und kehrt dann in den Grundzustand zurück. In diesem Fall füllen Elektronen aus den äußeren, weniger gebundenen Schalen die in den inneren Schalen frei gewordenen Räume, und Photonen charakteristischer Strahlung mit einer Energie, die gleich der Differenz zwischen den Energien des Atoms im angeregten Zustand und im Grundzustand ist, werden emittiert. Dieser Unterschied (und damit die Energie des Photons) hat einen bestimmten Wert, der für jedes Element charakteristisch ist. Dieses Phänomen liegt der Röntgenspektralanalyse von Elementen zugrunde. Die Abbildung zeigt das Linienspektrum von Wolfram vor dem Hintergrund eines kontinuierlichen Bremsstrahlungsspektrums.

Die Energie der in der Röntgenröhre beschleunigten Elektronen wird fast vollständig in thermische Energie umgewandelt (hier wird die Anode stark erhitzt), nur ein unbedeutender Teil (ca. 1 % bei einer Spannung nahe 100 kV) wird in Bremsstrahlungsenergie umgewandelt .

Die Anwendung von Röntgenstrahlen in der Medizin basiert auf den Absorptionsgesetzen von Röntgenstrahlen durch Materie. Die Absorption von Röntgenstrahlen ist völlig unabhängig von den optischen Eigenschaften des Absorbermaterials. Das farblose und transparente Bleiglas, das zum Schutz des Personals in Röntgenräumen verwendet wird, absorbiert Röntgenstrahlen fast vollständig. Im Gegensatz dazu schwächt ein lichtundurchlässiges Blatt Papier Röntgenstrahlen nicht ab.

Die Intensität eines homogenen (d. h. einer bestimmten Wellenlänge) Röntgenstrahls nimmt beim Durchgang durch eine Absorberschicht nach einem Exponentialgesetz (e-x) ab, wobei e die Basis des natürlichen Logarithmus (2,718) und der Exponent x ist ist gleich dem Produkt des Massenschwächungskoeffizienten (μ / p) cm 2 /g pro Absorberdicke in g / cm 2 (hier ist p die Dichte der Substanz in g / cm 3 ). Röntgenstrahlen werden sowohl durch Streuung als auch durch Absorption geschwächt. Dementsprechend ist der Massenschwächungskoeffizient die Summe der Massenabsorptions- und -streuungskoeffizienten. Der Massenabsorptionskoeffizient steigt mit zunehmender Ordnungszahl (Z) des Absorbers (proportional zu Z3 bzw. Z5) und mit zunehmender Wellenlänge (proportional zu λ3) stark an. Diese Abhängigkeit von der Wellenlänge wird innerhalb der Absorptionsbanden beobachtet, an deren Grenzen der Koeffizient Sprünge aufweist.

Der Massenstreukoeffizient steigt mit zunehmender Ordnungszahl der Substanz. Für λ≥0,3Å hängt der Streukoeffizient nicht von der Wellenlänge ab, für λ<0,ЗÅ он уменьшается с уменьшением λ.

Die Abnahme der Absorptions- und Streukoeffizienten mit abnehmender Wellenlänge bewirkt eine Erhöhung der Durchdringungskraft von Röntgenstrahlen. Der Massenabsorptionskoeffizient für Knochen [Absorption erfolgt hauptsächlich durch Ca 3 (PO 4 ) 2 ] ist fast 70-mal größer als für Weichgewebe, wo die Absorption hauptsächlich durch Wasser erfolgt. Dies erklärt, warum sich der Schatten der Knochen auf den Röntgenbildern so stark vom Hintergrund der Weichteile abhebt.

Die Ausbreitung eines inhomogenen Röntgenstrahls durch ein beliebiges Medium geht zusammen mit einer Intensitätsabnahme mit einer Änderung der spektralen Zusammensetzung einher, einer Änderung der Strahlungsqualität: Der langwellige Teil des Spektrums wird absorbiert größer als der kurzwellige Anteil, wird die Strahlung gleichmäßiger. Durch das Herausfiltern des langwelligen Teils des Spektrums kann das Verhältnis zwischen Tiefen- und Oberflächendosis bei der Röntgentherapie tief im menschlichen Körper liegender Herde verbessert werden (siehe Röntgenfilter). Um die Qualität eines inhomogenen Röntgenstrahls zu charakterisieren, wird das Konzept der „halben Dämpfungsschicht (L)“ verwendet – eine Schicht aus einer Substanz, die die Strahlung um die Hälfte schwächt. Die Dicke dieser Schicht hängt von der Spannung an der Röhre, der Dicke und dem Material des Filters ab. Cellophan (bis zu einer Energie von 12 keV), Aluminium (20–100 keV), Kupfer (60–300 keV), Blei und Kupfer (>300 keV) werden zur Messung von Halbdämpfungsschichten verwendet. Bei Röntgenstrahlen, die bei Spannungen von 80-120 kV erzeugt werden, entspricht 1 mm Kupfer in der Filterkapazität 26 mm Aluminium, 1 mm Blei entspricht 50,9 mm Aluminium.

Die Absorption und Streuung von Röntgenstrahlen ist auf ihre korpuskularen Eigenschaften zurückzuführen; Röntgenstrahlen interagieren mit Atomen als Strom von Korpuskeln (Partikeln) - Photonen, von denen jedes eine bestimmte Energie hat (umgekehrt proportional zur Wellenlänge von Röntgenstrahlen). Der Energiebereich von Röntgenphotonen beträgt 0,05–500 keV.

Die Absorption von Röntgenstrahlung beruht auf dem photoelektrischen Effekt: Die Absorption eines Photons durch die Elektronenhülle geht mit der Ausstoßung eines Elektrons einher. Das Atom wird angeregt und sendet bei der Rückkehr in den Grundzustand charakteristische Strahlung aus. Das emittierte Photoelektron trägt die gesamte Energie des Photons (abzüglich der Bindungsenergie des Elektrons im Atom) weg.

Die Streuung von Röntgenstrahlung ist auf die Elektronen des streuenden Mediums zurückzuführen. Es gibt die klassische Streuung (die Wellenlänge der Strahlung ändert sich nicht, aber die Ausbreitungsrichtung ändert sich) und die Streuung mit Wellenlängenänderung - der Compton-Effekt (die Wellenlänge der gestreuten Strahlung ist größer als die einfallende). Im letzteren Fall verhält sich das Photon wie eine sich bewegende Kugel, und die Streuung von Photonen geschieht, nach dem bildlichen Ausdruck von Comnton, wie ein Billardspiel mit Photonen und Elektronen: Beim Zusammenstoß mit einem Elektron überträgt das Photon einen Teil seiner Energie zu ihm und streut, da es bereits weniger Energie hat (bzw. die Wellenlänge der gestreuten Strahlung zunimmt), fliegt das Elektron mit einer Rückstoßenergie aus dem Atom (diese Elektronen werden Compton-Elektronen oder Rückstoßelektronen genannt). Die Absorption von Röntgenenergie erfolgt während der Bildung von Sekundärelektronen (Compton- und Photoelektronen) und der Übertragung von Energie auf diese. Die Energie der Röntgenstrahlen, die auf eine Masseneinheit einer Substanz übertragen wird, bestimmt die absorbierte Röntgenstrahlendosis. Die Einheit dieser Dosis 1 rad entspricht 100 erg/g. Durch die absorbierte Energie in der Substanz des Absorbers laufen eine Reihe von Sekundärprozessen ab, die für die Röntgendosimetrie wichtig sind, da auf ihnen Röntgenmessverfahren basieren. (siehe Dosimetrie).

Alle Gase und viele Flüssigkeiten, Halbleiter und Dielektrika erhöhen unter Einwirkung von Röntgenstrahlen die elektrische Leitfähigkeit. Leitfähigkeit wird von den besten Isoliermaterialien gefunden: Paraffin, Glimmer, Gummi, Bernstein. Die Änderung der Leitfähigkeit beruht auf der Ionisierung des Mediums, d. h. der Trennung neutraler Moleküle in positive und negative Ionen (Ionisierung wird durch Sekundärelektronen erzeugt). Die Ionisation in der Luft wird verwendet, um die Expositionsdosis der Röntgenstrahlung (Luftdosis) zu bestimmen, die in Röntgen gemessen wird (siehe Ionisierende Strahlendosen). Bei einer Dosis von 1 r beträgt die Energiedosis in der Luft 0,88 rad.

Unter Einwirkung von Röntgenstrahlen wird durch die Anregung der Moleküle eines Stoffes (und bei der Rekombination von Ionen) in vielen Fällen ein sichtbares Leuchten des Stoffes angeregt. Bei hohen Intensitäten der Röntgenstrahlung wird ein sichtbares Leuchten von Luft, Papier, Paraffin usw. beobachtet (Metalle sind eine Ausnahme). Die höchste Ausbeute an sichtbarem Licht liefern solche kristallinen Leuchtstoffe wie Zn·CdS·Ag-Phosphor und andere, die für Schirme in der Fluoroskopie verwendet werden.

Unter Einwirkung von Röntgenstrahlen können in einem Stoff auch verschiedene chemische Prozesse ablaufen: die Zersetzung von Silberhalogeniden (ein fotografischer Effekt, der bei Röntgenstrahlen genutzt wird), die Zersetzung von Wasser und wässrigen Lösungen von Wasserstoffperoxid, eine Veränderung der Eigenschaften von Zelluloid (Trübung und Freisetzung von Kampfer), Paraffin (Trübung und Bleichen) .

Durch die vollständige Umwandlung wird die gesamte von der chemisch inerten Substanz absorbierte Röntgenenergie in Wärme umgewandelt. Die Messung sehr kleiner Wärmemengen erfordert hochempfindliche Methoden, ist aber die Hauptmethode für absolute Messungen von Röntgenstrahlen.

Sekundäre biologische Wirkungen durch Röntgenstrahlen sind die Grundlage der medizinischen Strahlentherapie (siehe). Röntgenstrahlen, deren Quanten 6-16 keV (effektive Wellenlängen von 2 bis 5 Å) betragen, werden fast vollständig von der Haut des Gewebes des menschlichen Körpers absorbiert; Sie werden Grenzstrahlen oder manchmal auch Bucca-Rochen genannt (siehe Bucca-Rochen). Für die Tiefenröntgentherapie wird hart gefilterte Strahlung mit effektiven Energiequanten von 100 bis 300 keV verwendet.

Die biologische Wirkung von Röntgenstrahlung sollte nicht nur in der Röntgentherapie, sondern auch in der Röntgendiagnostik sowie in allen anderen Fällen des Kontakts mit Röntgenstrahlen, die den Einsatz eines Strahlenschutzes erfordern, berücksichtigt werden ( sehen).