Unele efecte ale interacțiunii razelor X cu materia
După cum am menționat mai sus, razele X sunt capabile să excite atomii și moleculele materiei. Acest lucru poate cauza fluorescența anumitor substanțe (de exemplu sulfat de zinc). Dacă un fascicul paralel de raze X este îndreptat către obiecte opace, atunci se poate observa că razele trec prin obiect prin plasarea unui ecran acoperit cu o substanță fluorescentă.
Ecranul fluorescent poate fi înlocuit cu folie fotografică. Razele X au același efect asupra emulsiei fotografice ca și lumina. Ambele metode sunt utilizate în medicina practică.
Un alt efect important al razelor X este capacitatea lor de ionizare. Depinde de lungimea de undă și de energia lor. Acest efect oferă o metodă de măsurare a intensității razelor X. Când razele X trec prin camera de ionizare, se generează un curent electric, a cărui mărime este proporțională cu intensitatea razelor X.
Când razele X trec prin materie, energia lor scade din cauza absorbției și împrăștierii. Atenuarea intensității unui fascicul paralel de raze X care trece printr-o substanță este determinată de legea lui Bouguer: , unde eu 0- intensitatea inițială a radiațiilor X; eu este intensitatea razelor X care trec prin stratul de materie, d- grosimea stratului absorbant , - coeficient liniar de atenuare. Este egal cu suma a două mărimi: t- coeficientul de absorbţie liniar şi s- coeficient de împrăștiere liniar: m = t+s
În experimente, s-a descoperit că coeficientul de absorbție liniar depinde de numărul atomic al substanței și de lungimea de undă a razelor X:
Unde este coeficientul de proporționalitate directă, este densitatea substanței, Z- numărul atomic al elementului, - lungimea de undă a razelor X.
Dependența de Z este foarte importantă din punct de vedere practic. De exemplu, coeficientul de absorbție al oaselor, care sunt compuse din fosfat de calciu, este de aproape 150 de ori mai mare decât coeficientul de absorbție al țesuturilor moi ( Z=20 pentru calciu și Z=15 pentru fosfor). Când razele X trec prin corpul uman, oasele ies în evidență clar pe fundalul mușchilor, țesutului conjunctiv etc.
Se știe că organele digestive au același coeficient de absorbție ca și alte țesuturi moi. Dar umbra esofagului, stomacului și intestinelor poate fi distinsă dacă pacientul ingeră un agent de contrast - sulfat de bariu ( Z= 56 pentru bariu). Sulfatul de bariu este foarte opac la raze X și este adesea folosit pentru examinările cu raze X ale tractului gastrointestinal. Anumite amestecuri opace sunt injectate în fluxul sanguin pentru a examina starea vaselor de sânge, a rinichilor și altele asemenea. În acest caz, iodul este folosit ca agent de contrast, al cărui număr atomic este 53.
Dependența absorbției de raze X de Z folosit și pentru a proteja împotriva posibilelor efecte nocive ale razelor X. În acest scop, se utilizează plumb, valoarea Z pentru care este 82.
Pagina 1
Cursul 10
Interacțiunea radiațiilor X cu un corp solid (efect fotoelectric, efect Compton). Secțiunea transversală a efectului fotoelectric și relația acestuia cu coeficientul liniar de absorbție a radiației X. Calculul coeficientului de absorbție de masă pentru probe poliatomice.
O relație utilă atunci când treceți de la energia fotonului la lungimea de undă
Produsul energiei și lungimii de undă = hc= 12,4 keVÅ
(10.1)
Când un fascicul de fotoni trece printr-un corp solid, sunt posibile următoarele procese, ducând la o slăbire a intensității fasciculului:
nașterea fotoelectronilor ca urmare a efectului fotoelectric;
împrăștiere Compton;
formarea perechilor electron-pozitron.
Imprăștirea Compton duce, în principiu, nu la absorbția unui foton, ci la o schimbare a direcției de mișcare a acestuia (împrăștiere cu un unghi ) cu o creștere simultană a lungimii de undă cu = ( h/m e c)(1 – cos), unde h/m e c = 0,0243 Å - lungimea de undă a electronului Compton. Energiile fotonilor utilizați în metodele de analiză nu depășesc de obicei 10 keV, ceea ce corespunde unei lungimi de undă = 1,24 Å. Prin urmare, chiar și pentru unghiul maxim de împrăștiere = 90 o modificare relativă a lungimii de undă ca urmare a împrăștierii Compton / 210 -2 . În plus, la energiile indicate, probabilitatea procesului de împrăștiere Compton este mult mai mică decât probabilitatea producerii unui fotoelectron. Astfel, contribuția predominantă la atenuarea fasciculului de fotoni (cuante de raze X) este făcută de efectul fotoelectric.
Amintiți-vă că în efectul fotoelectric, o cuantă de raze X cu energie ħ transmite toate energie către un electron atomic, în urma căruia acesta din urmă zboară din atom cu energie
E e = ħ – E Sf,
(10.2)
Unde E sv este energia de legare a unui electron dintr-un atom.
Pentru ca efectul fotoelectric să apară, condiția ħ E sv, prin urmare, la o energie cuantică fixă, efectul fotoelectric poate avea loc pe unele învelișuri (subînvelișuri) și poate fi absent pe altele.
În conformitate cu expresia (10.2), atunci când o probă este iradiată cu cuante de raze X de o energie fixă (radiație de raze X monocromatice), fotoelectroni cu energii diferite vor zbura din eșantion, corespunzând diferitelor energii de legare. După ce am măsurat E eși știind ħ , se poate defini E sv și stabiliți ce atom a emis un fotoelectron. Această posibilitate stă la baza metodei de analiză numită spectroscopie fotoelectronică cu raze X.
Un calcul mecanic cuantic oferă următoarea expresie pentru dependența secțiunii transversale a efectului fotoelectric de pe o înveliș (subînveliș) de energia de legare E Sf.
Deoarece e 2 ħ /m e c= 5,5610 -2 keVÅ 2, apoi, combinând toate constantele, obținem următoarea expresie
Å 2 dacă ħ
în keV.
(10.3)
Dacă intri ħ
0 = hc/ 0 = E sv, atunci obținem dependența secțiunii transversale a efectului fotoelectric de lungimea de undă a razelor X sub forma
0 numită lungime de undă a muchiei de absorbție(Dacă LA- coajă, atunci LA- marginea de absorbtie, daca L 1, atunci L 1 - marginea de absorbție).
ȘI 
Din expresiile de mai sus rezultă că atunci când ħ
E sv ( 0) secţiunea transversală a efectului fotoelectric tinde spre infinit. De fapt, are loc o creștere bruscă a valorii lui ph până la o anumită valoare, după care secțiunea transversală a efectului fotoelectric asupra unui înveliș dat (subînveliș) devine egală cu zero ( ħ
E Sf.). În acest caz, desigur, secțiunea transversală a efectului fotoelectric asupra carcasei cu o energie de legare mai mică nu este egală cu zero. Pe fig. 10.1a arată dependența secțiunii transversale a efectului fotoelectric de energia fotonului, iar în fig. 10.1b - pe lungimea de undă din apropierea muchiei de absorbție.
Secțiunea transversală totală a efectului fotoelectric în atomul ph este suma secțiunilor transversale ale efectului fotoelectric asupra fiecăruia dintre s scoici/subcochilii 
, care depind de ћ
și E sv al shell-ului/subshell-ului dat.
Dacă secțiunea transversală a efectului fotoelectric al unui cuantum de raze X cu energie ћ
pe un înveliș/subînveliș într-o probă monoatomică cu o concentrație atomică n 0 este egal , apoi calea liberă medie a unui cuantic înainte de absorbția sa cu eliberarea unui fotoelectron cu s scoici/subcochilii
, (10.5)
Unde n s este numărul de electroni pe s shell/subshell.
Fie ca în interiorul probei intensitatea fluxului de cuante de raze X este egală cu euînainte de a intra în grosimea stratului dx, atunci fracția fasciculului absorbit datorită efectului fotoelectric din acest strat este
,
unde s = n 0 n s .
Din această ecuație diferențială rezultă că intensitatea fluxului cuante de raze X după trecerea prin proba cu o grosimel raportat la debitul la intrarea probeieu 0 urmatorul raport:
,
Unde
–coeficientul de absorbție liniar. Unitate de măsură - cm -1. Uneori se folosește termenul lungime de atenuare este distanța de-a lungul normalei până la suprafața probei la care intensitatea razelor X scade în e o singura data. Lungimea de atenuare este de obicei măsurată în µm.
Modele de calcul curente , mai ales la energia cuantică ћ
aproape de E s, nu sunt de acord cu datele experimentale, prin urmare, în practică, este de preferat să se utilizeze valori determinate experimental ale coeficientului de absorbție liniară a fotonilor de raze X de diferite energii în materiale monoatomice, care sunt determinate de modificarea intensitatea fluxului de fotoni de raze X după trecerea printr-o probă de grosime cunoscută.
Cărțile de referință dau de obicei valori coeficientul de absorbție în masă / , unde este densitatea absorbantului, unitatea de măsură / este cm 2 /g. Utilizarea coeficientului de absorbție în masă se datorează, în primul rând, faptului că, pentru a determina coeficientul de absorbție liniar, este necesară măsurarea grosimii unui absorbant subțire (de ordinul unui micron) cu mare precizie; cu o precizie mult mai mare. Cu o densitate de absorbant cunoscută , este evident că = (/).
În al doilea rând, utilizarea coeficientului de absorbție a masei vă permite să calculați / pentru un compus format din diferite elemente din valori cunoscute (/) i fiecare dintre elementele care alcătuiesc compusul. Acest lucru se face în felul următor.
Lăsa 
este secțiunea transversală totală (pe toate învelișurile și subînvelișurile) a efectului fotoelectric asupra unui atom i a-a componentă a conexiunii. Atunci coeficientul liniar de absorbție în compus poate fi scris ca
,
Unde n iȘi M i– concentrația atomică și masa atomică i-a-a componentă din compus, n 0 i este concentrația atomică a unei probe de monoelement constând numai din i-a componenta, m 0 - unitate de masă atomică (1,6610 -24 g). Produsul dintre paranteze este egal cu coeficientul liniar de absorbție i- a componenta; produsul din numitor este densitatea i-a componentă, deci coeficientul liniar de absorbție poate fi reprezentat ca
.
Densitatea conexiunii poate fi reprezentată ca 
iar coeficientul de absorbție a masei se scrie ca
,
unde este densitatea atomică a compusului.
Dacă este cunoscută compoziția stoechiometrică a unui compus, atunci concentrațiile relative ale fiecăruia i-a componenta CU i. Deoarece CU i = n i /n, apoi in sfarsit, coeficientul de absorbție al masei compuse se pare ca:
.
Uneori, coeficientul de absorbție a masei este scris în termeni de fracții de greutate R i i a-a componentă a conexiunii (
).
H 
iar fig. 10.2, ca exemplu, este prezentată dependența coeficientului de absorbție a masei în nichel de lungimea de undă a razelor X. Dependența puternică / rezultă din dependența energetică a secțiunii transversale a efectului fotoelectric de energia cuantumului de raze X (lungimea de undă). La lungimi de undă mai puțin LA este marginea de absorbție, definită ca hCu/
(respectiv la ћ
> ), cuantele sunt absorbite în principal de LA coajă ( 
). La o lungime de undă mai mare LA– marginea de absorbție, acest proces are loc la L- subcopii, unde pentru coeficientul de absorbție a masei se observă și margini, respectiv L 1 ,
L 2
Și L 3 - absorbție.
Pagina 1
Trecerea radiațiilor X prin substanța probei este însoțită de interacțiunea radiațiilor cu această substanță. Sunt cunoscute trei tipuri de această interacțiune: (Diapozitivul 17)
1. Difuzarea radiațiilor X (fără modificare și cu modificare a lungimii de undă);
2. Efect fotoelectric;
3. Formarea perechilor electron-pozitron (acest efect are loc numai la energii fotonice mai mari de 1 MeV).
Difuzarea razelor X. O substanță care este expusă razelor X emite radiații secundare, a căror lungime de undă este fie egală cu lungimea de undă a razelor incidente (difuzare coerentă), fie ușor diferită. În primul caz, un câmp electromagnetic alternant creat de un fascicul de raze X determină o mișcare oscilativă a electronilor substanței iradiate, iar aceștia devin surse de radiație coerentă. Datorită coerenței, razele împrăștiate de diferiți atomi pot interfera. Distanțele dintre planurile atomice în substanțele cristaline sunt comparabile cu lungimile de undă ale razelor X. Prin urmare, cristalul servește drept rețea de difracție pentru astfel de raze X coerente.
Efectul Compton. În împrăștierea Compton, cuantumul incident se ciocnește elastic cu electronii substanței. Ca rezultat, o parte din energie este cheltuită pentru creșterea energiei cinetice a electronului, iar lungimea de undă a radiației crește. Prin urmare, împrăștierea Compton este incoerentă și radiația împrăștiată nu poate interfera. Prin urmare, nu ne vom opri asupra ei, mai ales că această împrăștiere este nesemnificativă pentru radiația relativ moale utilizată în analiza structurală și de fază.
Efect fotoelectric. Acest proces are loc numai în cazul radiațiilor primare dure. În acest caz, interacționând cu atomii materiei, razele X pot scoate electroni din atom, ionizându-l. Cu o energie cinetică mare a electronilor ejectați, ei înșiși pot fi o sursă de radiații cu raze X necaracteristice. Adică, acest tip de radiație contribuie doar la radiația continuă (albă).
Absorbția totală a radiațiilor X de către o substanță.
Trecând prin materie, razele X provoacă ionizarea atomilor, excitarea radiațiilor fluorescente în ei și formarea electronilor Auger. Aceste procese sunt responsabile pentru absorbția razelor X. În plus, intensitatea razelor care trec prin substanță în direcția fasciculului incident scade datorită împrăștierii sale de către electronii substanței în toate direcțiile. În cele din urmă, cuante de raze X de energie foarte mare (mai mult de 1 MeV), care zboară în apropierea nucleelor, provoacă apariția perechilor electron-pozitron. Toate acestea reduc intensitatea fasciculului transmis cu atât mai mult, cu atât stratul de materie este mai gros.
Legea generală care determină cantitativ atenuarea oricăror raze omogene dintr-o substanță absorbantă poate fi formulată după cum urmează:
„În grosimi egale ale aceleiași substanțe omogene, sunt absorbite părți egale din energia aceleiași radiații.”
Dacă intensitatea razelor incidente asupra substanței se notează cu I 0, iar intensitatea lor după trecerea prin placa substanței absorbante ca I, atunci această lege poate fi exprimată în următoarea formă:
Să luăm un ecran subțire omogen, prin care un fascicul monocromatic cu secțiune transversală egală cu unitatea pierde energie dI. Este proporțională cu grosimea ecranului dx și cu intensitatea fasciculului I 0 . Primim ca:
dI = - μ I 0 dx
unde: dx este grosimea stratului de substanță;
Valoarea constantă μ este logaritmul natural al numărului care caracterizează scăderea intensității în timpul trecerii razelor printr-un strat al unei substanțe date de grosime unitară:
μ \u003d ln (I 0 / I) (pentru dx \u003d 1).
Acest coeficient se numește μ - coeficientul liniar de absorbție pentru o substanță dată sau coeficientul liniar de atenuare a razelor.
Rezolvând această ecuație, obținem:
I \u003d I 0 exp (-μ x)
Unde x este grosimea stratului de absorbție.
Coeficientul de absorbție poate fi considerat ca suma dintre coeficienții intrinseci de absorbție τ și coeficientul de împrăștiere σ.
μ = τ + σ
Este mai convenabil să se utilizeze coeficienți de absorbție în masă, deoarece coeficienții de absorbție liniari sunt proporționali cu densitatea substanței eșantionului.
μ/ρ = τ/ρ + σ/ρ
În intervalul de lungimi de undă care ne interesează, coeficientul de împrăștiere a masei este mult mai mic decât coeficientul intrinsec de absorbție τ/ρ, prin urmare, se presupune că:
Dacă se cunoaște compoziția substanței eșantion, atunci se poate calcula μ/ρ pentru aceasta, cunoscând conținutul componentelor în procente de greutate (masă).
Coeficienții de absorbție luați în considerare depind de numărul atomic al substanței și de lungimea de undă a razelor X. Sunt mese speciale. Aceste date sunt necesare, de exemplu, pentru a determina adâncimea de penetrare a radiațiilor X în substanța de testat pentru o anumită geometrie a imaginii cu raze X.
Acum să vedem de ce este nevoie de acest lucru. Slide 26 prezintă spectrul de absorbție a razelor X în nichel (dependența coeficientului de absorbție μ/ρ de lungimea de undă a razelor X). Se poate observa că la anumite lungimi de undă are loc o schimbare bruscă a valorii coeficientului de absorbție.
În intervalul dintre salturi, coeficientul de absorbție crește odată cu creșterea lungimii de undă în funcție de dependența aproximativă:
unde: k este coeficientul de proporționalitate, iar Z este numărul ordinal al elementului.
Se numesc lungimile de undă corespunzătoare salturilor în coeficientul de absorbție marginile benzilor de absorbtie. Au o structură fină, pe care nu o vom lua în considerare.
După cum sa menționat deja, absorbția razelor X se datorează în principal scoaterii electronilor din învelișurile de electroni interioare sau exterioare ale atomilor. Dacă energia radiației este mai mare sau egală cu energia necesară pentru a îndepărta un electron dintr-un înveliș dat, atunci absorbția are loc datorită acestui proces. Dacă energia radiației este mai mică, atunci absorbția are loc numai în detrimentul mai multor învelișuri exterioare. Prin urmare, se disting K-, L-, M- etc. marginile benzilor de absorbtie.
Coeficientul k din ecuația de mai sus este aproximativ egal cu 7x10 -3 pentru lungimi de undă mai mici decât marginea K a benzii de absorbție a substanței studiate. În intervalul dintre marginile K- și L- ale benzilor de absorbție, este de aproximativ 9x10 -4 . Adică, la trecerea prin marginea K a benzii de absorbție, coeficientul de absorbție se modifică de aproximativ 8 ori. Acesta este ceea ce provoacă saltul în spectru.
Prezența acestor salturi este luată în considerare la alegerea radiațiilor pentru realizarea fotografiilor cu raze X. Emisia secundară de raze X de la marginile benzilor de absorbție determină o creștere semnificativă a fundalului pe modelele de raze X și, prin urmare, este nedorită. Prin urmare, radiația este aleasă pentru filmare fie cu o lungime de undă semnificativ mai mică decât muchia λ, fie mai mare decât muchia λ. (diapozitivul 28 a și b).
Prezența marginilor benzii de absorbție este, de asemenea, utilizată pentru a atenua radiația β. Pentru a face acest lucru, o placă subțire de material cu marginea benzii de absorbție situată între liniile α și β ale radiației utilizate este plasată pe calea fasciculului de radiații din seria K. (Diapozitivul 28 d).
De obicei, o folie a unui element cu un număr de serie cu un număr mai mic decât numărul de serie al anodului poate fi utilizată ca filtru.
Dar, în realitate, nu totul este atât de simplu. De exemplu, pentru a lua o radiografie cu dioxid de titan TiO 2, se poate folosi radiația dintr-un tub de molibden, deoarece lungimea de undă a razelor X în acest caz este de 0,709 A, adică mult mai mică decât marginea benzii de absorbție. de titan (2,50 A). Adică implementăm situația poziției (a) pe tobogan. Cu toate acestea, utilizarea acestui tub pentru analiza de fază a radiațiilor este nedorită. Datorită lungimii de undă mici, rezoluția și acuratețea determinării distanțelor interplanare vor fi scăzute. Ar trebui să se acorde preferință radiațiilor cu o lungime de undă mai mare. De exemplu, dintr-un tub de cupru. Lungimea de undă CuK α este de 1,54 A, de asemenea mai scurtă decât marginea benzii de absorbție a titanului. Folia de nichel este folosită ca filtru. Numărul de serie al cuprului este 29, iar cel al nichelului este 28. Pentru a atenua radiația secundară de titan, deasupra nichelului este plasată și o folie de aluminiu. Radiațiile de titan mai moale vor fi absorbite mult mai puternic decât radiațiile de cupru mai dure. Adică, procesul de alegere a lungimii de undă și a materialului de filtrare nu este foarte simplu.
2. SURSE DE RADIAȚII X
Principalele metode de obținere a razelor X pentru studiile structurale sunt asociate cu utilizarea unui flux de electroni care zboară rapid. Acceleratoarele de electroni - betatroni și cele liniare - sunt utilizate pentru a produce radiații cu raze X cu undă scurtă de mare putere, care sunt utilizate în principal în detectarea defectelor.
Cu toate acestea, acceleratoarele de electroni sunt voluminoase, greu de reglat și sunt utilizate în principal în instalații staționare. Cea mai comună sursă de raze X este tubul cu raze X.
Conform principiului obținerii fasciculelor de electroni, tuburile cu raze X sunt împărțite în tuburi cu catod fierbinte (electronii liberi apar ca urmare a emisiei termoionice (Fig. 3)) și tuburi cu catod rece (catod liber apar ca rezultat). de emisie de câmp). Tuburile cu raze X de ambele tipuri pot fi sigilate cu vid constant si demontabile, evacuate de pompe de vid.
Cele mai comune sunt tuburile cu raze X cu catod fierbinte sigilate. Ele constau dintr-un bec de sticlă și doi electrozi - un catod și un anod (Fig. 5). În balon se creează un vid înalt (10-7 - 10-8 mm Hg), care asigură mișcarea liberă a electronilor de la catod la anod, izolarea termică, chimică și electrică a catodului fierbinte.
Catodul unui tub cu raze X este format dintr-un filament și un capac de focalizare. Forma filamentului și a capacului este determinată de forma dată a punctului focal de pe anodul tubului – rotund sau riglat. Un filament dintr-o spirală de wolfram este încălzit cu curent electric până la 2000 - 2200 C; pentru a îmbunătăți caracteristicile de emisie, filamentul este adesea acoperit cu compuși de toriu.
Dimensiunile spotului focal determină proprietățile optice ale tubului cu raze X. Claritatea imaginii în timpul transmisiei, precum și acuratețea analizei difracției cu raze X, este cu cât este mai mare, cu atât dimensiunea focalizării este mai mică. Tuburile cu raze X cu o dimensiune mică de focalizare se numesc tuburi de focalizare ascuțită.
Anodul unui tub cu raze X este un cilindru de cupru, în capătul căruia este presată o oglindă anodica - o placă dintr-un material în care electronii decelerează. În tuburile de raze X pentru transmisie, oglinda este realizată din wolfram, pentru analiza difracției de raze X - din metalul a cărui radiație caracteristică va fi folosită. Capătul anodului din tuburile cu raze X pentru analiza structurală este tăiat la un anumit unghi față de axa anodului (fascicul de electroni). Acest lucru se face pentru a obține fasciculul care părăsește tubul cu intensitate maximă.
Când electronii lovesc oglinda anodică, aproximativ 96% din energia lor este convertită în căldură, astfel încât cilindrul anodului este răcit prin curgerea apei sau a uleiului.
Anodul este protejat de o manta speciala de cupru pentru a capta electronii reflectati de anod si pentru a proteja impotriva razelor X neutilizate. Acest caz are una sau mai multe ferestre de ieșire cu raze X, în care sunt introduse plăci subțiri de beriliu, care practic nu absoarbe razele X generate în tub.
Puterea de limitare a tubului cu raze X P este determinată de puterea curentului electric care trece prin acesta:
unde U este tensiunea maximă aplicată tubului cu raze X; I este curentul maxim care curge prin tubul cu raze X.
Limita reală de putere depinde de zona punctului focal (adică densitatea de putere), materialul anodului și durata tubului. Sarcinile pe termen scurt pot fi de zece ori mai mari decât sarcinile pe termen lung.
Curentul practic măsurabil prin tubul cu raze X apare numai atunci când curentul filamentului atinge o anumită valoare, corespunzătoare temperaturii de încălzire a filamentului 2000–2100 C (Fig. 6 a); o creștere a curentului de filament crește brusc temperatura și numărul de electroni emiși de filament (curent de emisie). La un curent de filament constant și la tensiuni joase, nu toți electronii de emisie cad pe anod, ci doar o parte dintre ei, cu cât este mai mare, cu atât este mai mare tensiunea anodului. La o anumită tensiune, care depinde de curentul filamentului, toți electronii de emisie cad pe anod (modul de saturație), prin urmare, o creștere suplimentară a tensiunii anodului nu crește curentul anodului (este egal cu curentul de emisie). Această valoare limită a curentului anodic se numește curent de saturație și este cu cât este mai mare, cu atât este mai mare curentul de filament (Fig. 6 b). Tuburile cu raze X funcționează în modul de saturație la tensiuni de 3-4 ori mai mari decât tensiunea nominală, adică necesară pentru a stabili curentul de saturație. Prin urmare, curentul anodului este reglat pe o gamă largă, modificând ușor curentul filamentului.
În denumirile tuburilor cu raze X pentru analiza structurală, în loc de tensiunea anodului, este indicat materialul oglinzii anodice, care este utilizat ca Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Ag, W și alte câteva altele. metale pure. (Fiecare, desigur, are propria lungime de undă a radiației caracteristice). De exemplu, tubul 0.7BSV-2-Co are o putere continua de 0.7 kW, este sigur, proiectat pentru analiza structurala, racire cu apa, tip 2, anod de cobalt.
ÎNREGISTRAREA RADIAȚIILOR X.
Pentru înregistrarea razelor X se folosesc metode fotografice, luminiscente, scintilatoare, electrofotografice și de ionizare.
Din punct de vedere istoric, prima, și până de curând, cea mai folosită a fost metoda fotografică.
Metoda fotografică de înregistrare a razelor X este utilizată pe scară largă în prezent. Are sensibilitate și documentare ridicate, dar necesită utilizarea unor materiale fotografice speciale și prelucrarea lor laborioasă. Filmele cu raze X au un strat de emulsie cu două fețe care conține mult mai multă bromură de argint decât materialele fotografice convenționale. Emulsia fotografică constă din cristale minuscule (~ 1 µm) AgBr cu aditivi din cantități mici de sulf, care creează defecte structurale. Prin urmare, există centre de excitare a imaginii latente. În timpul absorbției cuantelor de raze X cu energie ν = ε h în emulsie, precum și sub acțiunea luminii vizibile, procesele decurg conform schemei:
AgBr + hv → Ag + Br.
Acumularea a 20-100 de atomi Ag formează un centru stabil al imaginii latente, care poate fi dezvoltat sub acțiunea unui fotoreactiv - revelator. Cristalele care conțin centre de imagine latenți sunt reduse la argint metalic. Cristalele de AgBr care nu conțin astfel de centre și nu sunt reduse de revelator sunt spălate din emulsie cu o soluție de fixare. Ca urmare, pe film rămân doar granule de argint metalic. Numărul de astfel de granule determină densitatea de înnegrire a emulsiei fotografice, care este proporțională cu expunerea - produsul intensității radiației și timpul de expunere.
Evaluarea densității de înnegrire pe radiografii se realizează vizual sau mai precis folosind microfotometre, care vă permit să înregistrați și să calculați curba de distribuție a densității de înnegrire.
Metoda luminiscentă de observare a unei imagini pe un ecran luminos (fluoroscopie) are o productivitate foarte mare și nu necesită costul materialelor fotografice. Această metodă se bazează pe luminescența sub acțiunea razelor X a anumitor substanțe, și în special a fosforilor - substanțe care dau un randament ridicat de radiație vizibilă (fluorescență).
Cel mai bun fosfor cu o strălucire galben-verde este un amestec de 50% ZnS + 50% CdS. Luminofori similari sunt utilizați pentru fabricarea de ecrane pentru observarea vizuală a imaginilor în raze X (ecrane pentru transmiterea în detectarea defectelor și diagnosticarea medicală). Ecranele mici sunt folosite pentru a instala camere cu raze X și pentru a alinia goniometrele difractometrelor cu raze X. Fosforul CaWO4 (cu o strălucire albastru-violet) este utilizat pentru a îmbunătăți acțiunea fotografică a razelor X. Pentru a face acest lucru, ecranul este apăsat strâns pe emulsia de peliculă fotografică, ceea ce face posibilă reducerea bruscă a expunerii în timpul transmisiei (fluorografie).
Contorul de scintilație este o combinație între un cristal luminiscent (NaI dopat cu un activator din taliu Tl) și un tub fotomultiplicator (PMT).
Pătrunzând în scintilator, cuanta de raze X este absorbită de fosfor, rezultând formarea unui fotoelectron. Trecând prin substanța cristalului, acest electron ionizează un număr mare de atomi. Atomii ionizați, revenind la o stare stabilă, emit fotoni de lumină ultravioletă. Acești fotoni, căzând pe fotocatodul PMT, scot electroni din acesta, care, accelerând în câmpul electric al fotomultiplicatorului, cad pe primul emițător. Fiecare electron scoate mai mulți electroni din materialul de acoperire al emițătorului, iar întregul proces se repetă pe următorul emițător și așa mai departe. PMT-urile moderne constau din 8 - 15 etape, câștigul lor total ajunge la 10 7 - 10 8 .
Pentru fiecare treaptă se aplică o tensiune de 150-200 volți. Tensiunea totală pe PMT 600 este de 2000V. La ieșirea PMT apare un impuls de tensiune, proporțional cu energia cuantumului detectat. De exemplu, pentru cuprul Kα, amplitudinea acestui impuls este de 0,01 V. Prin urmare, pentru a înregistra astfel de impulsuri, se folosesc amplificatoare cu un câștig de ordinul a o mie.
Metoda electrofotografică (xerografia) păstrează multe dintre avantajele fotometodei, dar este mai economică. Principiul său este același cu cel al dispozitivelor de multiplicare. Această metodă nu și-a găsit încă aplicație largă în practica studiilor structurale, dar începe să fie folosită pentru rezolvarea problemelor de detectare a defectelor, în special în microdefectoscopie bazată pe așa-numitele microscoape cu raze X.
Metoda de ionizare face posibilă măsurarea cu precizie a intensității razelor X, dar măsurarea se efectuează pe o zonă mică, determinată de dimensiunea ferestrei de intrare a contorului și a fantelor de măsurare. Prin urmare, pentru a măsura distribuția spațială a intensității razelor X, este necesară scanarea - deplasarea contorului pe întreaga regiune a unghiurilor de împrăștiere.
Acest lucru limitează aplicarea metodei în detectarea defectelor, unde este utilizată pe scară largă doar pentru măsurarea grosimii; totuși, în analiza difracției cu raze X, această metodă le înlocuiește practic pe toate celelalte, în ciuda necesității de a utiliza echipamente electronice costisitoare.
Metoda de ionizare se bazează pe ionizarea atomilor unei substanțe atunci când interacționează cu cuante de raze X. Dacă ionizarea gazului are loc în câmpul unui condensator plat, atunci ionii formați se deplasează la electrozii corespunzători și apare un curent de ionizare. Odată cu creșterea intensității câmpului electric pe plăcile condensatorului, viteza ionilor crește, prin urmare, probabilitatea neutralizării lor scade atunci când ionii opuși se ciocnesc, prin urmare, curentul de ionizare crește (Fig. 7). La tensiunea U > U 1 neutralizarea devine neglijabilă, iar curentul de ionizare ajunge la saturație.
Cu o creștere suplimentară a tensiunii la U = U 2, curentul de ionizare nu crește, doar viteza ionului crește. La U > U 2, viteza ionului devine atât de mare încât are loc ionizarea de impact a moleculelor de gaz. Fotoelectronii formați în timpul interacțiunii radiației cu atomii de gaz și și-au pierdut viteza în timpul coliziunilor nu se recombină, ci sunt accelerați din nou, primind energie cinetică suficientă pentru a ioniza gazul și a crea noi perechi ion-electron. Ca urmare a acestor procese, ionizarea de impact are loc din nou și din nou, iar numărul de electroni crește ca o avalanșă. Curentul începe să crească liniar odată cu creșterea tensiunii datorită așa-numitei amplificari cu gaz. Câștigul la tensiuni de până la U ≤ U 3 poate ajunge la 10 2 -10 4 (zona de proporționalitate deplină).
În această zonă, există două tipuri de descărcări: dependente și independente. În regiunea U 2 - U 3, avalanșele de electroni se estompează rapid și descărcarea se oprește imediat ce toți ionii și electronii ajung la catod și anod. Descărcarea există doar atâta timp cât radiația intră în contor. Aceasta este o categorie independentă.
O creștere suplimentară a tensiunii determină o autodescărcare.
Pentru U > U 3 liniaritatea amplificării gazului este încălcată (o regiune de proporționalitate incompletă). La U > U 4 are loc o descărcare de avalanșă. Formarea avalanșei are loc și sub acțiunea fotoelectronilor formați datorită efectului fotoelectric la catod. Catodul este iradiat cu radiații ultraviolete formate în timpul recombinării ionilor. Descărcarea se propagă instantaneu în întregul volum al gazului și nu sunt necesare noi cuante de radiație pentru a-l menține.
Conținutul articolului
ABSORȚIA RADIAȚIILOR X ÎN SUBSTANȚĂ. La studierea interacțiunii razelor X cu o substanță (solidă, lichidă sau gazoasă), se înregistrează intensitatea radiației transmise sau difractate. Această intensitate este integrală și este asociată cu diferite procese de interacțiune. Pentru a separa aceste procese unele de altele, se folosesc dependențele lor de condițiile experimentale și de caracteristicile fizice ale obiectului studiat.
Efectul împrăștierii razelor X se datorează faptului că forțele câmpului electromagnetic alternativ creat de fasciculul de raze X fac ca electronii din materialul studiat să oscileze. Electronii oscilanți emit raze X de aceeași lungime de undă ca și cei primari, în timp ce raportul dintre puterea razelor împrăștiate de 1 g de substanță și intensitatea radiației incidente este de aproximativ 0,2. Acest coeficient crește oarecum pentru razele X cu lungime de undă lungă (radiație moale) și scade pentru razele cu lungime de undă scurtă (radiație tare). În acest caz, razele sunt împrăștiate cel mai puternic în direcția fasciculului de raze X incident (și în direcția opusă) și cel mai slab (cu un factor de 2) în direcția perpendiculară pe cea primară.
Efectul fotoelectric apare atunci când absorbția razelor X incidente este însoțită de emisia de electroni. După ejecția electronului interior, are loc o revenire la starea staționară. Acest proces poate avea loc fie fără radiație cu ejecția unui al doilea electron (efect Auger), fie poate fi însoțit de emisia caracteristică de raze X a atomilor materiale ( cm. razele X). Prin natura sa, acest fenomen este similar cu fluorescența. Fluorescența cu raze X poate apărea numai atunci când radiația caracteristică de raze X a unui element este expusă la o barieră de la un element mai ușor (cu un număr atomic mai mic).
Absorbția totală a razelor X este determinată prin însumarea tuturor tipurilor de interacțiuni care slăbesc intensitatea razelor X. Pentru a evalua atenuarea intensității razelor X la trecerea printr-o substanță, se utilizează un coeficient de atenuare liniar, care caracterizează scăderea intensității radiației la trecerea prin 1 cm de substanță și este egal cu logaritmul natural al raportului dintre intensitățile radiațiilor incidente și transmise. În plus, ca caracteristică a capacității unei substanțe de a absorbi radiația incidentă, se utilizează grosimea stratului de semiabsorbție, adică. grosimea stratului prin care se înjumătăţeşte intensitatea radiaţiei.
Mecanismele fizice ale împrăștierii razelor X și apariția radiațiilor caracteristice secundare sunt diferite, dar în toate cazurile depind de numărul de atomi ai substanței care interacționează cu razele X, adică. pe densitatea substanței, deci caracteristica universală a absorbției este coeficientul de absorbție în masă coeficientul de absorbție adevărat, raportat la densitatea substanței.
Coeficientul de absorbție în aceeași substanță scade odată cu scăderea lungimii de undă a razelor X, totuși, la o anumită lungime de undă, are loc o creștere (salt) bruscă a coeficientului de absorbție, după care acesta continuă să scadă (Fig.). Cu un salt, coeficientul de absorbție crește de mai multe ori (uneori cu un ordin de mărime) și cu valori diferite pentru diferite substanțe. Apariția unui salt de absorbție se datorează faptului că, la o anumită lungime de undă, radiația caracteristică de raze X a substanței iradiate este excitată, ceea ce crește brusc pierderea de energie în timpul trecerii radiației. În cadrul fiecărei secțiuni a curbei de dependență a coeficientului de absorbție de lungimea de undă (înainte și după saltul de absorbție), coeficientul de absorbție în masă se modifică proporțional cu cubul lungimii de undă a razelor X și cu numărul atomic al elementului chimic (obstacol material).
Când radiația cu raze X nemonocromatice, de exemplu, radiația cu spectru continuu, trece printr-o substanță, apare un spectru de coeficienți de absorbție, în timp ce radiația cu undă scurtă este absorbită mai slab decât radiația cu undă lungă și, pe măsură ce grosimea barierei crește , coeficientul de absorbție rezultat se apropie de valoarea caracteristică radiației cu unde scurte. Dacă o substanță constă din mai multe elemente chimice, atunci coeficientul total de absorbție depinde de numărul atomic al fiecărui element și de cantitatea acestui element din substanță.
Calculele absorbției de raze X într-o substanță sunt de mare importanță pentru detectarea defectelor cu raze X. În prezența unui defect (de exemplu, un por sau o înveliș) într-o placă metalică, intensitatea radiației transmise crește, iar atunci când este pornită de la un element mai greu, aceasta scade. Cunoscând valoarea coeficientului de absorbție, se pot calcula dimensiunile geometrice ale defectului intern.
Filtre cu raze X.
La examinarea materialelor folosind raze X, interpretarea rezultatelor este complicată din cauza prezenței mai multor lungimi de undă. Pentru izolarea lungimilor de undă individuale se folosesc filtre de raze X, realizate din substanțe cu coeficienți de absorbție diferiți pentru lungimi de undă diferite, folosindu-se de faptul că o creștere a lungimii de undă a radiației este însoțită de o creștere a coeficientului de absorbție. De exemplu, pentru aluminiu, coeficientul de absorbție al radiației cu raze X a seriei K de la un anod de fier (l = 1,932 A) este mai mare decât pentru radiația din seria K de la un anod de molibden (l = 0,708 A) iar cu o grosime a filtrului de aluminiu de 0,1 mm, atenuarea radiației de la anodul de fier este de 10 ori mai mare decât pentru radiația de molibden.
Prezența unui salt de absorbție pe curba dependenței coeficientului de absorbție de lungimea de undă face posibilă obținerea unor filtre absorbante selective dacă lungimea de undă a radiației filtrate se află direct în spatele saltului de absorbție. Acest efect este folosit pentru a filtra componenta b a radiațiilor din seria K, care este de 5 ori mai slabă ca intensitate decât componenta a. Dacă alegeți materialul de filtrare adecvat, astfel încât componentele a și b să fie pe părțile opuse ale saltului de absorbție, atunci intensitatea componentei b scade de câteva ori mai mult. Un exemplu este problema de filtrare a radiației b a cuprului, în care lungimea de undă a radiației a din seria K este de 1,539, iar radiația b este de 1,389 A. În același timp, de dependența coeficientului de absorbție de lungimea de unda, saltul de absorbtie corespunde unei lungimi de unda de 1,480 A , i.e. se află între lungimile de undă ale radiației a și b ale cuprului, în regiunea saltului de absorbție, coeficientul de absorbție crește cu un factor de 8, deci intensitatea radiației b este de zece ori mai mică decât intensitatea unei radiații.
Atunci când razele X interacționează cu un corp solid, deteriorarea radiațiilor asupra structurii poate apărea din cauza mișcării atomilor. Centrii de culoare apar în cristale ionice, fenomene similare sunt observate în ochelari, iar proprietățile mecanice se modifică în polimeri. Aceste efecte sunt asociate cu eliminarea atomilor din pozițiile lor de echilibru în rețeaua cristalină. Ca urmare, se formează locuri vacante - absența atomilor în poziții de echilibru în rețeaua cristalină și a atomilor interstițiali care se află într-o poziție de echilibru în rețea. Efectul colorării cristalelor și sticlei sub acțiunea razelor X este reversibil și în majoritatea cazurilor dispare la încălzire sau la expunere prelungită. Modificarea proprietăților mecanice ale polimerilor sub iradiere cu raze X este asociată cu ruperea legăturilor interatomice.
Direcția principală în studiul interacțiunii radiațiilor X cu un corp solid este analiza de difracție a razelor X, care este utilizată pentru a studia aranjarea atomilor într-un corp solid și modificările acestuia sub influențe externe.
Radiația cu raze X (sinonim cu raze X) are o gamă largă de lungimi de undă (de la 8·10 -6 la 10 -12 cm). Radiația cu raze X apare atunci când particulele încărcate, cel mai adesea electroni, decelerează în câmpul electric al atomilor unei substanțe. Quantele rezultate au energii diferite și formează un spectru continuu. Energia maximă a fotonului într-un astfel de spectru este egală cu energia electronilor incidenti. În (vezi) energia maximă a cuantelor de raze X, exprimată în kiloelectron-volți, este numeric egală cu mărimea tensiunii aplicate tubului, exprimată în kilovolți. Când trec printr-o substanță, razele X interacționează cu electronii atomilor acesteia. Pentru cuante de raze X cu energii de până la 100 keV, cel mai caracteristic tip de interacțiune este efectul fotoelectric. Ca rezultat al unei astfel de interacțiuni, energia cuantică este cheltuită complet pentru a scoate un electron din învelișul atomic și pentru a-i oferi energie cinetică. Odată cu creșterea energiei unui cuantum de raze X, probabilitatea efectului fotoelectric scade și procesul de împrăștiere a cuantelor pe electronii liberi devine predominant - așa-numitul efect Compton. Ca urmare a unei astfel de interacțiuni, se formează și un electron secundar și, în plus, zboară un cuantic cu o energie mai mică decât energia cuantumului primar. Dacă energia unui cuantum de raze X depășește un megaelectron-volt, poate apărea un așa-numit efect de împerechere, în care se formează un electron și un pozitron (vezi). În consecință, la trecerea printr-o substanță, energia radiației cu raze X scade, adică intensitatea acesteia scade. Deoarece cuantele cu energie scăzută sunt mai susceptibile de a fi absorbite în acest caz, radiația de raze X este îmbogățită cu cuante de energie mai mare. Această proprietate a radiației cu raze X este utilizată pentru a crește energia medie a cuantelor, adică pentru a crește rigiditatea acesteia. O creștere a durității radiațiilor cu raze X se realizează folosind filtre speciale (vezi). Radiația cu raze X este utilizată pentru diagnosticarea cu raze X (vezi) și (vezi). Vezi și radiații ionizante.
Radiație cu raze X (sinonim: raze X, raze X) - radiație electromagnetică cuantică cu o lungime de undă de 250 până la 0,025 A (sau cuante de energie de la 5 10 -2 la 5 10 2 keV). În 1895, a fost descoperit de V.K. Roentgen. Regiunea spectrală a radiațiilor electromagnetice adiacentă razelor X, ale căror cuante de energie depășesc 500 keV, se numește radiație gamma (vezi); radiația, ale cărei quante de energie sunt sub 0,05 keV, este radiație ultravioletă (vezi).
Astfel, reprezentând o parte relativ mică din spectrul vast de radiații electromagnetice, care include atât unde radio, cât și lumina vizibilă, radiația de raze X, ca orice radiație electromagnetică, se propagă cu viteza luminii (aproximativ 300 mii km/s în vid). ) și se caracterizează printr-o lungime de undă λ (distanța pe care se propagă radiația într-o perioadă de oscilație). Radiația de raze X are și o serie de alte proprietăți de undă (refracție, interferență, difracție), dar este mult mai dificil de observat decât pentru radiația cu lungime de undă mai mare: lumină vizibilă, unde radio.
Spectre de raze X: a1 - spectru bremsstrahlung continuu la 310 kV; a - spectru bremsstrahlung continuu la 250 kV, a1 - spectru filtrat cu 1 mm Cu, a2 - spectru filtrat cu 2 mm Cu, b - seria K a liniei de tungsten.
Pentru a genera raze X, se folosesc tuburi cu raze X (vezi), în care radiația apare atunci când electronii rapizi interacționează cu atomii substanței anodice. Există două tipuri de raze X: bremsstrahlung și caracteristice. Radiația de raze X Bremsstrahlung, care are un spectru continuu, este similară cu lumina albă obișnuită. Distribuția intensității în funcție de lungimea de undă (Fig.) este reprezentată de o curbă cu un maxim; în direcția undelor lungi, curba cade ușor, iar în direcția undelor scurte, se rupe abrupt și se rupe la o anumită lungime de undă (λ0), numită limita de lungime de undă scurtă a spectrului continuu. Valoarea lui λ0 este invers proporțională cu tensiunea de pe tub. Bremsstrahlungul apare din interacțiunea electronilor rapizi cu nucleele atomice. Intensitatea bremsstrahlung este direct proporțională cu puterea curentului anodului, pătratul tensiunii tubului și numărul atomic (Z) al materialului anodului.
Dacă energia electronilor accelerați în tubul cu raze X depășește valoarea critică pentru substanța anodică (această energie este determinată de tensiunea tubului Vcr, care este critică pentru această substanță), atunci apare radiația caracteristică. Spectrul caracteristic este linia, liniile sale spectrale formează o serie, notate cu literele K, L, M, N.
Seria K este cea mai scurtă lungime de undă, seria L are lungimea de undă mai mare, seria M și N se observă numai în elemente grele (Vcr de wolfram pentru seria K este de 69,3 kv, pentru seria L - 12,1 kv). Radiația caracteristică apare după cum urmează. Electronii rapizi scot electronii atomici din învelișurile interioare. Atomul este excitat și apoi revine la starea fundamentală. În acest caz, electronii din învelișurile exterioare, mai puțin legate umple spațiile libere în învelișurile interioare, și sunt emiși fotoni de radiație caracteristică cu o energie egală cu diferența dintre energiile atomului în stările excitate și fundamentale. Această diferență (și deci energia fotonului) are o anumită valoare, caracteristică fiecărui element. Acest fenomen stă la baza analizei spectrale cu raze X a elementelor. Figura arată spectrul de linii de wolfram pe fundalul unui spectru continuu de bremsstrahlung.
Energia electronilor accelerați în tubul de raze X este convertită aproape în întregime în energie termică (anodul este puternic încălzit în acest caz), doar o parte nesemnificativă (aproximativ 1% la o tensiune apropiată de 100 kV) este convertită în energie bremsstrahlung. .
Utilizarea razelor X în medicină se bazează pe legile absorbției razelor X de către materie. Absorbția razelor X este complet independentă de proprietățile optice ale materialului absorbant. Sticla cu plumb incoloră și transparentă folosită pentru a proteja personalul din camerele cu raze X absoarbe razele X aproape complet. În schimb, o foaie de hârtie care nu este transparentă la lumină nu atenuează razele X.
Intensitatea unui fascicul de raze X omogen (adică o anumită lungime de undă), când trece printr-un strat absorbant, scade conform unei legi exponențiale (e-x), unde e este baza logaritmilor naturali (2.718), iar exponentul x este egal cu produsul coeficientului de atenuare a masei (μ / p) cm 2 /g per grosimea absorbantului în g / cm 2 (aici p este densitatea substanței în g / cm 3). Razele X sunt atenuate atât prin împrăștiere, cât și prin absorbție. În consecință, coeficientul de atenuare a masei este suma coeficienților de absorbție a masei și de împrăștiere. Coeficientul de absorbție în masă crește brusc odată cu creșterea numărului atomic (Z) al absorbantului (proporțional cu Z3 sau Z5) și cu creșterea lungimii de undă (proporțional cu λ3). Această dependență de lungimea de undă se observă în cadrul benzilor de absorbție, la limitele cărora coeficientul prezintă salturi.
Coeficientul de împrăștiere a masei crește odată cu creșterea numărului atomic al substanței. Pentru λ≥0,3Å coeficientul de împrăștiere nu depinde de lungimea de undă, pentru λ<0,ЗÅ он уменьшается с уменьшением λ.
Scăderea coeficienților de absorbție și împrăștiere cu scăderea lungimii de undă determină o creștere a puterii de penetrare a razelor X. Coeficientul de absorbție în masă pentru oase [absorbția se datorează în principal Ca 3 (PO 4) 2 ] este de aproape 70 de ori mai mare decât pentru țesuturile moi, unde absorbția se datorează în principal apei. Așa se explică de ce umbra oaselor iese atât de clar pe radiografii pe fundalul țesuturilor moi.
Propagarea unui fascicul neomogen de raze X prin orice mediu, împreună cu o scădere a intensității, este însoțită de o modificare a compoziției spectrale, o modificare a calității radiației: partea de undă lungă a spectrului este absorbită la într-o măsură mai mare decât partea cu undă scurtă, radiația devine mai uniformă. Filtrarea părții cu lungime de undă lungă a spectrului face posibilă îmbunătățirea raportului dintre dozele profunde și cele de suprafață în timpul terapiei cu raze X a focarelor situate adânc în corpul uman (vezi filtrele cu raze X). Pentru a caracteriza calitatea unui fascicul de raze X neomogen, se folosește conceptul de „strat de atenuare jumătate (L)” - un strat al unei substanțe care atenuează radiația la jumătate. Grosimea acestui strat depinde de tensiunea de pe tub, de grosimea și materialul filtrului. Celofanul (până la o energie de 12 keV), aluminiul (20-100 keV), cuprul (60-300 keV), plumbul și cuprul (>300 keV) sunt utilizate pentru măsurarea straturilor de jumătate de atenuare. Pentru razele X generate la tensiuni de 80-120 kV, 1 mm de cupru este echivalent ca capacitate de filtrare cu 26 mm de aluminiu, 1 mm de plumb este echivalent cu 50,9 mm de aluminiu.
Absorbția și împrăștierea razelor X se datorează proprietăților sale corpusculare; Razele X interacționează cu atomii ca un flux de corpusculi (particule) - fotoni, fiecare dintre care are o anumită energie (invers proporțională cu lungimea de undă a razelor X). Intervalul de energie al fotonilor cu raze X este de 0,05-500 keV.
Absorbția radiațiilor X se datorează efectului fotoelectric: absorbția unui foton de către învelișul electronului este însoțită de ejecția unui electron. Atomul este excitat și, revenind la starea fundamentală, emite radiații caracteristice. Fotoelectronul emis duce toată energia fotonului (minus energia de legare a electronului din atom).
Difuzarea radiațiilor X se datorează electronilor mediului de împrăștiere. Există împrăștiere clasică (lungimea de undă a radiației nu se schimbă, dar direcția de propagare se schimbă) și împrăștiere cu modificarea lungimii de undă - efectul Compton (lungimea de undă a radiației împrăștiate este mai mare decât cea incidentă). În acest din urmă caz, fotonul se comportă ca o minge în mișcare, iar împrăștierea fotonilor are loc, conform expresiei figurative a lui Comnton, ca un joc de biliard cu fotoni și electroni: ciocnind cu un electron, fotonul transferă o parte din energia sa. la el și se împrăștie, având deja mai puțină energie (respectiv, lungimea de undă a radiației împrăștiate crește), electronul zboară din atom cu o energie de recul (acești electroni se numesc electroni Compton sau electroni de recul). Absorbția energiei cu raze X are loc în timpul formării electronilor secundari (Compton și fotoelectroni) și transferului de energie către aceștia. Energia razelor X transferată la o unitate de masă a unei substanțe determină doza absorbită de raze X. Unitatea acestei doze 1 rad corespunde la 100 erg/g. Datorită energiei absorbite în substanța absorbantului, au loc o serie de procese secundare care sunt importante pentru dozimetria cu raze X, deoarece pe acestea se bazează metodele de măsurare cu raze X. (vezi Dozimetrie).
Toate gazele și multe lichide, semiconductori și dielectrici, sub acțiunea razelor X, cresc conductivitatea electrică. Conductibilitatea o gasesc cele mai bune materiale izolante: parafina, mica, cauciuc, chihlimbar. Modificarea conductivității se datorează ionizării mediului, adică separării moleculelor neutre în ioni pozitivi și negativi (ionizarea este produsă de electroni secundari). Ionizarea în aer este utilizată pentru a determina doza de expunere la radiații X (doza în aer), care este măsurată în roentgens (vezi Doze de radiații ionizante). La o doză de 1 r, doza absorbită în aer este de 0,88 rad.
Sub acțiunea razelor X, ca urmare a excitării moleculelor unei substanțe (și în timpul recombinării ionilor), în multe cazuri este excitată o strălucire vizibilă a substanței. La intensități mari de radiații X se observă o strălucire vizibilă de aer, hârtie, parafină etc. (metalele sunt o excepție). Cel mai mare randament de lumină vizibilă este dat de fosfori cristalini precum Zn·CdS·Ag-fosfor și alții utilizați pentru ecrane în fluoroscopie.
Sub acțiunea razelor X, într-o substanță pot avea loc și diferite procese chimice: descompunerea halogenurilor de argint (un efect fotografic folosit în razele X), descompunerea apei și a soluțiilor apoase de peroxid de hidrogen, o modificare a proprietățile celuloidului (încețoșare și eliberare de camfor), parafinei (încețoșare și albire).
Ca rezultat al conversiei complete, toată energia de raze X absorbită de substanța inertă din punct de vedere chimic este transformată în căldură. Măsurarea cantităților foarte mici de căldură necesită metode foarte sensibile, dar este metoda principală pentru măsurători absolute ale razelor X.
Efectele biologice secundare de la expunerea la raze X stau la baza radioterapiei medicale (vezi). Razele X, ale căror cuante sunt de 6-16 keV (lungimi de undă efective de la 2 la 5 Å), sunt aproape complet absorbite de tegumentul cutanat al țesutului corpului uman; se numesc raze de frontieră, sau uneori raze Bucca (vezi raze Bucca). Pentru terapia cu raze X profunde, se utilizează radiații filtrate dur cu cuante de energie efectivă de la 100 la 300 keV.
Efectul biologic al radiațiilor cu raze X ar trebui luat în considerare nu numai în terapia cu raze X, ci și în diagnosticarea cu raze X, precum și în toate celelalte cazuri de contact cu raze X care necesită utilizarea protecției împotriva radiațiilor ( vedea).
