Введение в рентгеновские лучи: происхождение, свойства и применение
Рентгеновские трубки: структура и принцип работы
Рентгеновские трубки (Р.т.) являются электровакуумными приборами, состоящими из нескольких основных компонентов:
Ключевые компоненты Рентгеновской трубки:
- Анод (C, керамика) – иногда называемый антикатодом, который является местом удара электронов и преобразует их кинетическую энергию.
- Катод (керамика) – источник электронов, испускаемых на анод.
- Ускоряющее напряжение (Ua) – напряжение между анодом и катодом, ускоряющее электроны.
- Теплоотвод (C) – обеспечивает равновесие в температуре анода при высокой энергии электронов.
- Напряжение накала катода (Uh) – обеспечивает нагрев катода для эмиссии электронов.
- Впуск и выпуск водяного охлаждения (Win, Wout) – обеспечивают охлаждение анода для предотвращения перегрева.
Рентгеновское излучение в Р.т. возникает при торможении электронов и их ударе об анод, в результате чего часть энергии преобразуется в рентгеновское излучение.
Излучение рентгеновских лучей:
- Характеристическое излучение при ударе электронов о анод
- Энергетический спектр рентгеновского излучения определяется законом Мозли, где Z – атомный номер элемента анода, A и B – константы для главного квантового числа n.
- Аноды изготавливаются из керамики, чаще всего из молибдена или меди.
Излучение и взаимодействие:
- Около 1% кинетической энергии электрона преобразуется в рентгеновское излучение, остальное идет на тепло.
- Мягкое рентгеновское излучение используется в синхротронах и других радиационных источниках.
Взаимодействие с веществом:
- Рентгеновские лучи проникают сквозь вещество и поглощаются различными материалами.
- Поглощение рентгеновских лучей определяется их энергией, атомным номером элемента и толщиной поглотителя.
Рентгеновские трубки играют важную роль в медицине, науке и промышленности, обеспечивая доступ к изображениям и анализу различных материалов.
Рентгеновское излучение: механизмы взаимодействия
Рентгеновское излучение является энергетически высокими фотонами, и их взаимодействие с веществом может привести к различным эффектам. Давайте рассмотрим основные механизмы взаимодействия:
Фотоэффект
Фотоэффект наблюдается при поглощении рентгеновского фотона атомом, что может привести к выбросу внутренних электронов. Этот процесс может сопровождаться либо излучательным переходом, либо безызлучательным переходом.
Рентгеновские экситоны
Под действием рентгеновского излучения на неметаллические кристаллы могут появляться ионы с дополнительным положительным зарядом, что приводит к нарушениям структуры кристаллов, называемым рентгеновскими экситонами.
Спектры рентгеновского излучения
Рентгеновское излучение может быть непрерывным или линейчатым. Непрерывный спектр обусловлен торможением быстрых частиц, а линейчатое излучение возникает после ионизации атома.
Фотопоглощение
При фотопоглощении атом может испустить фотон определенной частоты после выбивания электрона из оболочки. Этот процесс сопровождается флюоресценцией.
Рассеяние рентгеновского излучения
Рассеяние рентгеновского излучения может происходить в различных областях. Например, комптоновское рассеяние в области малых значений Z и λ называется некогерентным рассеянием.
Интерактивное взаимодействие рентгеновского излучения с веществом позволяет получить важную информацию о его структуре и свойствах. Понимание этих механизмов является ключевым для многих научных и технических областей.
Рентгеновское рассеяние и комптон-эффект
За счёт частично потерянной рентгеновским фотоном энергии из оболочки атома вылетает электрон отдачи, при этом уменьшается энергия фотона и изменяется его направление; изменение λ зависит от угла рассеяния.
По квантовой теории световая волна представляет собой поток световых квантов — фотонов. Каждый фотон имеет определённую энергию E у = hυ = hcl λ и импульс p у = ( h/ λ) n ,
где λ — длина волны падающего света,
υ — его частота света,
с — скорость света,
h — постоянная Планка,
n — единичный вектор в направлении распространения волны,
индекс у означает фотон.
Таким образом, при классическом рассеянии, по теории Дж. Дж. Томсона длина световой волны не меняется.
Комптон-эффект
Комптон-эффект, упругое рассеяние электромагнитного излучения на свободных электронах, сопровождающееся увеличением длины волны; наблюдается при рассеянии излучения малых длин волн — рентгеновского и гамма-излучения.
Рассеянные в парафине рентгеновские лучи имеют большую длину волны, чем падающие.
Влияние рентгеновского излучения
- Показатель преломления n для Рентгеновских лучей отличается от 1 на очень малую величину δ = 1— n ≈ 10^-6 — 10^-5
- Фазовая скорость Рентгеновских лучей в среде больше скорости света в вакууме
- Отклонение Рентгеновских лучей при переходе из одной среды в другую очень мало (несколько угловых минут)
- При падении Рентгеновских лучей из вакуума на поверхность тела под очень малым углом происходит их полное внешнее отражение
- Влияние Рентгеновских лучей на живые организмы может быть полезным и вредным в зависимости от вызванной ими ионизации в тканях
Рентгеновское излучение в медицине
Рентгеновские лучи способны вызывать у некоторых веществ свечение (флюоресценцию). Этот эффект используется в медицинской диагностике при рентгеноскопии (наблюдение изображения на флюоресцирующем экране) и рентгеновской съёмке (рентгенографии).
Метод получения изображения в натуральную величину называется рентгенографией. При флюорографии изображение получается в уменьшенном масштабе.
Медицинские фотоплёнки применяются в комбинации с усиливающими экранами, в состав которых входят рентгенолюминофоры , которые светятся под действием рентгеновского излучения и засвечивает светочувствительную фотоэмульсию .
Фотоплёнка — фотоматериал на гибкой прозрачной основе представляющий собой лист пластика (лавсан, нитрат или ацетат целлюлозы), на который нанесена фотоэмульсия, содержащая зерна галогенидов серебра , определяющие светочувствительность, контраст и оптическое разрешение фотоплёнки .
После воздействия света (или других форм электромагнитного излучения, например рентгеновского) на фотоплёнке формируется скрытое изображение . С помощью химических реакций получают видимое изображение.
Рентгенолюминофоры преобразовывают рентгеновского излучения в видимый свет, это порошковые материалы, состоящие из сульфидов цинка, цинк-кадмия и вольфрамата кальция со специальной поверхностной обработкой.
Фотографический эффект. Рентгеновские лучи, также как и обычный свет, способны напрямую засвечивать фотографическую эмульсию . Однако без флюоресцирующего слоя для этого требуется в 30—100 раз большая экспозиция (то есть доза).
Преимуществом этого метода (известного под названием безэкранна рентгенография) является бо́льшая резкость изображения.
Фотоэмульсия – Очень тонкие желатиновые слои на подложке пленки, в которых взвешены светочувствительные кристаллы . Под воздействием света в фотоэмульсии происходят химические реакции, в результате чего формируется скрытое (латентное) фотографическое изображение .
Р. л. больших интенсивностей можно регистрировать с помощью ионизационной камеры.
Ионизационная камера – прибор для исследования и регистрации ядерных частиц и излучении, действие которого основано на способности быстрых заряженных частиц вызывать ионизацию газа.
Р. л. средних и малых интенсивностей при λ
С.с . Визуальные наблюдения световых вспышек (сцинтилляций) под действием ионизирующих частиц (α-частиц, осколков деления ядер)
Г-М с . – газоразрядный прибор для обнаружения и исследования различного рода радиоактивных и др. ионизирующих излучений: α – и β -частиц, γ -kвантов, световых и рентгеновских квантов, частиц высокой энергии в космических лучах
При помощи рентгеновских лучей можно «просветить» человеческое тело , в результате чего можно получить изображение костей , а в современных приборах и внутренних органов .
Кроме обычных приборов, которые дают двумерную проекцию исследуемого объекта, существуют компьютерные томографы, которые позволяют получать объёмное изображение внутренних органов.
Рентгенотерапия — раздел лучевой терапии , охватывающий теорию и практику лечебного применения рентгеновских лучей, генерируемых при напряжении на рентгеновской трубке 20—60 кв и кожно-фокусном расстоянии 3—7 см (короткодистанционная рентгенотерапия) или при напряжении 180—400 кв и кожно-фокусном расстоянии 30—150 см (дистанционная рентгенотерапия).
Рентгенотерапию проводят преимущественно при поверхностно расположенных опухолях и при некоторых других заболеваниях, в том числе заболеваниях кожи (ультрамягкие рентгеновские лучи Букки).
Показаниями к применению лучей Букки являются : вульгарные угри, гидраденит, нейродермит, экзема хроническая и себорейная, келоид, псориаза и экземы волосистой части головы (без выпадения волос, как при других типах лучевой терапии). Под влияним лучей Букки исчезает чувство кожного зуда.
Однако, в настоящее время от применения этого вида лучевой терапии в дерматологии практически отказались в пользу различных видов ультрафиолетового облучения , вследствие частых осложнений, вызываемых лучами Букки.
В материаловедении, кристаллографии, химии и биохимии рентгеновские лучи используются для выяснения структуры веществ на атомном уровне при помощи дифракционного рассеяния рентгеновского излучения (рентгеноструктурный анализ). Известным примером является определение структуры ДНК.
Кроме того, при помощи р.л. может быть определён химический состав вещества . В электронно-лучевом микрозонде (либо же в электронном микроскопе) анализируемое вещество облучается электронами , при этом атомы ионизируются и излучают характеристическое рентгеновское излучение . Вместо электронов может использоваться рентгеновское излучение. Этот аналитический метод называется рентгенофлуоресцентным анализом .
Выявление дефектов в изделиях (рельсах, сварочных швах и т. д.) с помощью рентгеновского излучения называется рентгеновской дефектоскопией.
В аэропортах активно применяются рентгенотелевизионные интроскопы , позволяющие просматривать содержимое ручной клади и багажа в целях визуального обнаружения на экране монитора предметов, представляющих опасность.
Спектральный анализ рентгеновский по положению и интенсивности линий характеристического спектра позволяет установить качественный и количественный состав вещества и служит для экспрессного неразрушающего контроля состава материалов на металлургических и цементных заводах , обогатительных фабриках.
Р. л., приходящие из космоса, несут информацию о химическом составе космических тел и о физических процессах , происходящих в космосе. Исследованием космических Р. л. занимается Рентгеновская астрономия .
Мощные Р. л. используют в радиационной химии для стимулирования некоторых реакций, полимеризации материалов, крекинга органических веществ.
Р. л. применяют также для обнаружения старинной живописи , скрытой под слоем поздней росписи, в пищевой промышленности для выявления инородных предметов , случайно попавших в пищевые продукты, в криминалистике, археологии и др.
Общий вид рентгеновских трубок для структурного анализа (а), дефектоскопии (б) и медицинской рентгенодиагностики (в).
Спасибо за внимание !
Ультразвук. Основы теории распространения ультразвуковых волн
Ультразвук – механические колебания, находящиеся выше области частот, слышимых человеческим ухом (обычно 20 кГц). Ультразвуковые колебания перемещаются в форме волны, подобно распространению света. Однако в отличие от световых волн, которые могут распространяться в вакууме, ультразвук требует упругую среду такую как газ, жидкость или твердое тело.
Основные параметры ультразвука
Основными параметрами волны являются длина волны и период. Число циклов совершенных за одну секунду называется частотой и измеряется в Герцах (Гц). Время, требуемое чтобы совершить полный цикл, называется периодом и измеряется в секундах. Взаимосвязь между частотой и периодом волны приведено в формуле:
Рисунок 1 – Основные параметры ультразвуковой волны
Скорость звука в идеальном упругом материале при заданной температуре и давлении является постоянной. Связь между скоростью ультразвука и длиной волны следующая:
Для поперечных волн она определяется по формуле
Дисперсия звука — зависимость фазовой скорости монохроматических звуковых волн от их частоты. Дисперсия скорости звука может быть обусловлена как физическими свойствами среды, так и присутствием в ней посторонних включений и наличием границ тела, в котором звуковая волна распространяется.
Разновидности ультразвуковых волн
Большинство методов ультразвукового исследования использует либо продольные, либо поперечные волны. Также существуют и другие формы распространения ультразвука, включая поверхностные волны и волны Лэмба.
Продольные ультразвуковые волны – волны, направление распространения которых совпадает с направлением смещений и скоростей частиц среды.
Рисунок 2 – Движение частиц в продольных и поперечных ультразвуковых волнах
Волна Лэмба — упругая волна, распространяющиеся в твёрдой пластине (слое) со свободными границами, в которой колебательное смещение частиц происходит как в направлении распространения волны, так и перпендикулярно плоскости пластины. Лэмба волны представляют собой один из типов нормальных волн в упругом волноводе – в пластине со свободными границами. Т.к. эти волны должны удовлетворять не только уравнениям теории упругости, но и граничным условиям на поверхности пластины, картина движения в них и их свойства более сложны, чем у волн в неограниченных твёрдых телах.
Интенсивность и мощность ультразвука
Для плоской синусоидальной бегущей волны интенсивность ультразвука I определяется по формуле
В сферической бегущей волне интенсивность ультразвука обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника. В стоячей волне I = 0, т. е. потока звуковой энергии в среднем нет. Интенсивность ультразвука в гармонической плоской бегущей волне равна плотности энергии звуковой волны, умноженной на скорость звука. Поток звуковой энергии характеризуют так называемым вектором Умова — вектором плотности потока энергии звуковой волны, который можно представить как произведение интенсивности ультразвука на вектор волновой нормали, т. е. единичный вектор, перпендикулярный фронту волны. Если звуковое поле представляет собой суперпозицию гармонических волн различной частоты, то для вектора средней плотности потока звуковой энергии имеет место аддитивность составляющих.
Для излучателей, создающих плоскую волну, говорят об интенсивности излучения, понимая под этим удельную мощность излучателя, т. е. излучаемую мощность звука, отнесённую к единице площади излучающей поверхности.
Интенсивность звука измеряется в системе единиц СИ в Вт/м2. В ультразвуковой технике интервал изменения интенсивности ультразвука очень велик — от пороговых значений ~ 10-12 Вт/м2 до сотен кВт/м2 в фокусе ультразвуковых концентраторов.
Материал Плотность, кг/м3 Скорость продольной волны, м/c Скорость поперечной волны, м/c Акустический импеданс, 103 кг/(м2*с)
Акрил 1180 2670 – 3,15
Воздух 0,1 330 – 0,00033
Алюминий 2700 6320 3130 17,064
Латунь 8100 4430 2120 35,883
Медь 8900 4700 2260 41,830
Стекло 3600 4260 2560 15,336
Никель 8800 5630 2960 49,544
Полиамид (нейлон) 1100 2620 1080 2,882
Сталь (низколегированный сплав) 7850 5940 3250 46,629
Титан 4540 6230 3180 26,284
Вольфрам 19100 5460 2620 104,286
Вода (293К) 1000 1480 – 1,480
Затухание ультразвука
Одной из основных характеристик ультразвука является его затухание. Затухание ультразвука – это уменьшение амплитуды и, следовательно, интенсивности звуковой волны по мере ее распространения. Затухание ультразвука происходит из-за ряда причин. Основными из них являются:
Первая из этих причин связана с тем, что по мере распространения волны от точечного или сферического источника энергия, излучаемая источником, распределяется на все увеличивающуюся поверхность волнового фронта и соответственно уменьшается поток энергии через единицу поверхности, т.е. интенсивность звука. Для сферической волны, волновая поверхность которой растёт с расстоянием r от источника как r2, амплитуда волны убывает пропорционально r -1, а для цилиндрической волны — пропорционально r -1/2.
Рассеяние ультразвука происходит из-за резкого изменения свойств среды – её плотности и модулей упругости — на границе неоднородностей, размеры которых сравнимы с длиной волны. В газах это могут быть, например, жидкие капли, в водной среде — пузырьки воздуха, в твёрдых телах — различные инородные включения или отдельные кристаллиты в поликристаллах и т. п. Особый интерес представляет рассеяние на хаотически распределённых в пространстве неоднородностях.
Поглощение ультразвука может быть обусловлено различными механизмами. Большую роль играет вязкость и теплопроводность среды, взаимодействие волны с различными молекулярными процессами вещества, с тепловыми колебаниями кристаллической решётки и др.
Коэффициент затухания выражают либо в децибелах на метр (дБ/м), либо в неперах на метр (Нп/м).
Для измерения коэффициента также используют единицу дБ/м, в этом случае
Тогда связь между единицами измерения (дБ/м) и (1/м) будет:
Коэффициент затухания выражается либо в децибелах на метр (дб/м), либо в неперах на метр (Нп/м) или что тоже самое м-1. Затухание в 1 Нп/м означает, что на расстоянии 1м амплитуда волны уменьшается в e раз (e =2,71 – основание натуральных логарифмов или число непера).
1 Нп/м = 8,68 дБ/м
Отражение ультразвука от границы раздела сред
При падении звуковой волны на границу раздела сред, часть энергии будет отражаться в первую среду, а остальная энергия будет проходить во вторую среду. Соотношение между отраженной энергией и энергией, проходящей во вторую среду, определяется волновыми сопротивлениями первой и второй среды. При отсутствии дисперсии скорости звука волновое сопротивление не зависит от формы волны и выражается формулой:
Коэффициенты отражения и прохождения будут определяться следующим образом
Коэффициент пропускания энергии τ из одной среды в другую определяется отношением интенсивности волны, проходящей во вторую среду, к интенсивности падающей волны
Интерференция и дифракция ультразвуковых волн
Интерференция звука — неравномерность пространственного распределения амплитуды результирующей звуковой волны в зависимости от соотношения между фазами волн, складывающихся в той или иной точке пространства. При сложении гармонических волн одинаковой частоты результирующее пространственное распределение амплитуд образует не зависящую от времени интерференционную картину, которая соответствует изменению разности фаз составляющих волн при переходе от точки к точке. Для двух интерферирующих волн эта картина на плоскости имеет вид чередующихся полос усиления и ослабления амплитуды величины, характеризующей звуковое поле (например, звукового давления). Для двух плоских волн полосы прямолинейны с амплитудой, меняющейся поперёк полос соответственно изменению разности фаз. Важный частный случай интерференции — сложение плоской волны с её отражением от плоской границы; при этом образуется стоячая волна с плоскостями узлов и пучностей, расположенными параллельно границе.
Дифракция звука — отклонение поведения звука от законов геометрической акустики, обусловленное волновой природой звука. Результат дифракции звука — расхождение ультразвуковых пучков при удалении от излучателя или после прохождения через отверстие в экране, загибание звуковых волн в область тени позади препятствий, больших по сравнению с длиной волны, отсутствие тени позади препятствий, малых по сравнению с длиной волны, и т. п. Звуковые поля, создаваемые дифракцией исходной волны на препятствиях, помещённых в среду, на неоднородностях самой среды, а также на неровностях и неоднородностях границ среды, называются рассеянными полями. Для объектов, на которых происходит дифракция звука, больших по сравнению с длиной волны λ, степень отклонений от геометрической картины зависит от значения волнового параметра
Излучатели ультразвука
Излучатели ультразвука – устройства, применяемые для возбуждения ультразвуковых колебаний и волн в газообразных, жидких и твердых средах. Излучатели ультразвука преобразуют в энергию звукового поля энергию какого-либо другого вида.
Наибольшее распространение в качестве излучателей ультразвука получили электроакустические преобразователи. В подавляющем большинстве излучателей ультразвука этого типа, а именно в пьезоэлектрических преобразователях, магнитострикционных преобразователях, электродинамических излучателях, электромагнитных и электростатических излучателях, электрическая энергия преобразуется в энергию колебаний какого-либо твердого тела (излучающей пластинки, стержня, диафрагмы и т.п.), которое и излучает в окружающую среду акустические волны. Все перечисленные преобразователи, как правило, линейны, и, следовательно, колебания излучающей системы воспроизводят по форме возбуждающий электрический сигнал; лишь при очень больших амплитудах колебаний вблизи верхней границы динамического диапазона излучателя ультразвука могут возникнуть нелинейные искажения.
Характеристики излучателя ультразвука
К основным характеристикам излучателей ультразвука относятся их частотный спектр, излучаемая мощность звука, направленность излучения. В случае моночастотного излучения основными характеристиками являются рабочая частота излучателя ультразвука и его частотная полоса, границы которой определяются падением излучаемой мощности в два раза по сравнению с её значением на частоте максимального излучения. Для резонансных электроакустических преобразователей рабочей частотой является собственная частота f0 преобразователя, а ширина полосы Δf определяется его добротностью Q.
Излучатели ультразвука (электроакустические преобразователи) характеризуются чувствительностью, электроакустическим коэффициентом полезного действия и собственным электрическим импедансом.
Чувствительность излучателя ультразвука – отношение звукового давления в максимуме характеристики направленности на определённом расстоянии от излучателя (чаще всего на расстоянии 1 м) к электрическому напряжению на нём или к протекающему в нём току. Эта характеристика применяется к излучателям ультразвука, используемым в системах звуковой сигнализации, в гидролокации и в других подобных устройствах. Для излучателей технологического назначения, применяемых, например, при ультразвуковых очистке, коагуляции, воздействии на химические процессы, основной характеристикой является мощность. Наряду с общей излучаемой мощностью, оцениваемой в Вт, излучатели ультразвука характеризуют удельной мощностью, т. е. средней мощностью, приходящейся на единицу площади излучающей поверхности, или усреднённой интенсивностью излучения в ближнем поле, оцениваемой в Вт/м2.
Эффективность электроакустических преобразователей, излучающих акустическую энергию в озвучиваемую среду, характеризуют величиной их электроакустического коэффициента полезного действия, представляющего собой отношение излучаемой акустической мощности к затрачиваемой электрической. В акустоэлектронике для оценки эффективности излучателей ультразвука используют так называемый коэффициент электрических потерь, равный отношению (в дБ) электрической мощности к акустической. Эффективность ультразвуковых инструментов, используемых при ультразвуковой сварке, механической обработке и тому подобное, характеризуют так называемым коэффициентом эффективности, представляющим собой отношение квадрата амплитуды колебательного смещения на рабочем конце концентратора к электрической мощности, потребляемой преобразователем. Иногда для характеристики преобразования энергии в излучателях ультразвука используют эффективный коэффициент электромеханической связи.
Звуковое поле излучателя
Рисунок 3 – Звуковое поле круглого излучателя
Положение последнего максимума N на акустической оси в свою очередь зависит от диаметра и длины волны и для дискового круглого излучателя выражается формулой
Однако поскольку D обычно значительно больше λ, уравнение можно упростить и привести к виду
Рисунок 4 – Ближняя и дальняя зоны звукового поля
Характеристики звукового поля определяются конструкцией ультразвукового преобразователя. Следовательно, от его формы зависит распространение звука в исследуемой области и чувствительность датчика.
Применение ультразвука
Многообразные применения ультразвука, при которых используются различные его особенности, можно условно разбить на три направления. Первое связано с получением информации посредством ультразвуковых волн, второе — с активным воздействием на вещество и третье — с обработкой и передачей сигналов (направления перечислены в порядке их исторического становления). При каждом конкретном применении используется ультразвук определённого частотного диапазона.
Получение информации с помощью ультразвуковых методов. Ультразвуковые методы широко используются в научных исследованиях для изучения свойств и строения веществ, для выяснения проходящих в них процессов на макро- и микроуровнях. Эти методы основаны главным образом на зависимости скорости распространения и затухания акустических волн от свойств веществ и от процессов, в них происходящих.
Воздействие ультразвука на вещество. Активное воздействие ультразвука на вещество, приводящее к необратимым изменениям в нём, или воздействие ультразвука на физические процессы, влияющее на их ход, обусловлено в большинстве случаев нелинейными эффектами в звуковом поле. Такое воздействие широко используется в промышленной технологии; при этом решаемые с помощью ультразвуковой технологии задачи, а также и сам механизм ультразвукового воздействия различны для разных сред.