Отражение рентгеновских лучей

Взаимодействие с веществом

Длина волны рентгеновских лучей сравнима с размерами атомов, поэтому не существует материала, из которого можно было бы изготовить линзу для рентгеновских лучей. Кроме того, при перпендикулярном падении на поверхность рентгеновские лучи почти не отражаются. Несмотря на это, в рентгеновской оптике были найдены способы построения оптических элементов для рентгеновских лучей. В частности, выяснилось, что их хорошо отражает алмаз.

Рентгеновские лучи могут проникать сквозь вещество, причём различные вещества по-разному их поглощают. Поглощение рентгеновских лучей является важнейшим их свойством в рентгеновской съёмке. Интенсивность рентгеновских лучей экспоненциально убывает в зависимости от пройденного пути в поглощающем слое (I = Ie-kd, где d — толщина слоя, коэффициент k пропорционален Z³λ³, Z — атомный номер элемента, λ — длина волны).

Поглощение происходит в результате фотопоглощения (фотоэффекта) и комптоновского рассеяния:

• Под фотопоглощением понимается процесс выбивания фотоном электрона из оболочки атома, для чего требуется, чтобы энергия фотона была больше некоторого минимального значения. Если рассматривать вероятность акта поглощения в зависимости от энергии фотона, то при достижении определённой энергии она (вероятность) резко возрастает до своего максимального значения. Для более высоких значений энергии вероятность непрерывно уменьшается. По причине такой зависимости говорят, что существует граница поглощения. Место выбитого при акте поглощения электрона занимает другой электрон, при этом испускается излучение с меньшей энергией фотона, происходит т. н. процесс флуоресценции.
• Рентгеновский фотон может взаимодействовать не только со связанными электронами, но и со свободными, а также слабосвязанными электронами. Происходит рассеяние фотонов на электронах — т. н. комптоновское рассеяние. В зависимости от угла рассеяния, длина волны фотона увеличивается на определённую величину и, соответственно, энергия уменьшается. Комптоновское рассеяние, по сравнению с фотопоглощением, становится преобладающим при более высоких энергиях фотона.

Биологическое воздействие

Рентгеновское излучение является ионизирующим. Оно воздействует на ткани живых организмов и может быть причиной лучевой болезни, лучевых ожогов и злокачественных опухолей. По причине этого при работе с рентгеновским излучением необходимо соблюдать меры защиты. Считается, что поражение прямо пропорционально поглощённой дозе излучения. Рентгеновское излучение является мутагенным фактором.

Регистрация

• Эффект люминесценции. 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). Медицинские фотоплёнки, как правило, применяются в комбинации с усиливающими экранами, в состав которых входят рентгенолюминофоры, которые светятся под действием рентгеновского излучения и засвечивают светочувствительную фотоэмульсию. Метод получения изображения в натуральную величину называется рентгенографией. При флюорографии изображение получается в уменьшенном масштабе. Люминесцирующее вещество (сцинтиллятор) можно оптически соединить с электронным детектором светового излучения (фотоэлектронный умножитель, фотодиод и т. п.), полученный прибор называется сцинтилляционным детектором. Он позволяет регистрировать отдельные фотоны и измерять их энергию, поскольку энергия сцинтилляционной вспышки пропорциональна энергии поглощённого фотона.
• 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 безэкранная рентгенография) является бо́льшая резкость изображения.
• В полупроводниковых детекторах рентгеновские лучи производят пары электрон-дырка в p-n-переходе диода, включённого в запирающем направлении. При этом протекает небольшой ток, амплитуда которого пропорциональна энергии и интенсивности падающего рентгеновского излучения. В импульсном режиме возможна регистрация отдельных рентгеновских фотонов и измерение их энергии.
• Отдельные фотоны рентгеновского излучения могут быть также зарегистрированы при помощи газонаполненных детекторов ионизирующего излучения (счётчик Гейгера, пропорциональная камера и др.).

Принципы работы[править | править код]

Главная задача рентгеновской оптики — фокусировка рентгеновских лучей. Поэтому важнейшими характеристиками оптических систем является фокусное расстояние и ширина выходного пучка. Существует несколько типов оптических систем зависящих от принципа работы.

Отражательная рентгеновская оптикаправить | править код

Схема рентгеновского телескопа рентгеновской обсерватории космического аппарата XMM-Newton. Угол падения лучей очень близок к 90°.

Рентгеновское зеркалоправить | править код

Основная статья: Рентгеновское зеркало

Отражение электромагнитных волн от границы раздела двух сред описывается в оптике формулами Френеля. При падении рентгеновских лучей на зеркало при углах падения близких к нормальному коэффициент отражения оказывается слишком мал, то есть рентгеновские лучи практически не отражаются, а только поглощаются зеркалом или проходят сквозь него. Поэтому такие зеркала в рентгеновской оптике не используются. При увеличении угла падения коэффициент отражения растёт, что делает возможным использование зеркал «косого» падения (луч в них скользит вдоль поверхности зеркала), применяемых в рентгеновской астрономии (см. телескоп Вольтера).

Капиллярная оптикаправить | править код

Принцип работы капиллярного рентгеновского коллиматора

Многокапиллярная трубка для фокусировки рентгеновских лучей

Принцип работы рентгеновского коллиматора — пропускание потока рентгеновских лучей через поглощающее вещество со многими параллельными отверстиями — капиллярами.

Другое капиллярное устройство — фокусирующая капиллярная трубка, представляющее собой полую коническую трубку со сходящимися капиллярами. Вакуум для рентгеновских лучей является оптически более плотной средой, поэтому, если луч падает на гладкую поверхность капилляра под углом меньше некоторого критического, то он испытывает полное отражение. Этот принцип фокусировки реализован в оптике Кумахова.

Дифракционная оптикаправить | править код

Зонные пластинкиправить | править код

Основная статья: Зонная пластинка Френеля

Зонная пластинка Френеля также может использоваться для фокусировки рентгеновских лучей. Принцип её фокусировки основан на делении волнового фронта на волновые зоны таким образом, что излучение соседних зоны оказываются в фазе. Например, если закрыть (затемнить) все чётные волновые зоны, то оставшиеся открытыми нечётные зоны будут будут излучать dnjhbxtsr t волновые фронты в одной фазе. В результате интерференции интенсивность в фокусе будет многократно увеличена. Впервые рентгеновские зонные пластинки получены в 1988 году в Lawrence Livermore National Laboratory.

Брэгг-френелевская оптикаправить | править код

Основная статья: Брэгг-френелевская оптика

Ширина зон во френелевской пластинке зависит от длины волны излучения, поэтому чем оно более монохроматично, тем лучше фокусирует пластинка. Поэтому зонную пластинку напыляют на монокристалл и монохроматичность излучения обеспечивается дифракцией Брэгга на кристаллических плоскостях.

Рентгеновская оптика преломленияправить | править код

Составная преломляющая линза

Основная статья: Составная преломляющая линза

В рентгеновском диапазоне практически все материалы имеют показатель преломления, близкий к единице, причём вакуум для рентгеновских лучей является оптически более плотной средой, чем вещество, поэтому фокусирующие линзы должны быть выполнены в виде пустот в материале. Кроме того, отдельная линза имела бы чрезвычайно большое фокусное расстояние, что делает её непригодной для применения.

Проблема укорочения фокусного расстояния решается созданием в определённом материале, прозрачном для рентгеновских лучей пустот определённого размера и формы, которые ведут себя как стопка линз, а также, путём создания отдельных параболических линз, набор из которых имеет достаточно короткое фокусное расстояние. Такие устройства в англоязычной литературе получили название Compound refractive lens (составные преломляющие линзы).

Рентгеновские волноводыправить | править код

Такие устройства являются аналогом устройств, используемых в обычной оптике. Излучение транспортируется по изогнутым волноводам и собирается в точку.

• Коллиматоры
• Кодирующая апертура

Применение рентгеновского излучения

Все перечисленные аспекты разрушительного воздействия таинственных X-лучей вовсе не исключают удивительно обширные аспекты их применения. Где же применяется рентгеновское излучение?

1. Изучение структуры молекул и кристаллов.
2. Рентгеновская дефектоскопия (в промышленности обнаружение дефектов в изделиях).
3. Методы медицинского исследования и терапии.

Важнейшие применения рентгеновского излучения стали возможными, благодаря очень малым длинам всего диапазона этих волн и их уникальным свойствам.

Так как нас интересует влияние рентгеновского излучения на людей, которые сталкиваются с ним лишь во время медицинского обследования или лечения, то далее мы будем рассматривать только эту область применения рентгена.

Применение рентгеновского излучения в медицине

Несмотря на особую значимость своего открытия Рентген не стал брать патент на его использование, сделав бесценным подарком для всего человечества. Уже в Первой мировой войне стали использоваться рентгеновские установки, позволявшие быстро и точно ставить диагнозы раненным. Сейчас можно выделить две основные сферы применения рентгеновских лучей в медицине:

• рентгенодиагностика;
• рентгенотерапия.

Рентгенодиагностика

Рентгенодиагностика используется в различных вариантах:

• рентгеноскопия (просвечивание);

• рентгенография (снимок);
• флюорография;
• рентгеновская и компьютерная томография.

Разберёмся в отличии этих методов.

1. При рентгеноскопии пациент располагается между рентгеновской трубкой и специальным флуоресцирующим экраном. Рентгенолог подбирает нужную жёсткость лучей и получает на экране изображения внутренних органов и рёбер.
2. При рентгенографии пациент укладывается на кассету со специальной фотоплёнкой. Рентгеновский аппарат располагается над объектом. На плёнке получается негативное изображение внутренних органов, содержащее более мелкие детали, чем при рентгеноскопическом обследовании.

3. Флюорография используется при массовых медицинских осмотрах населения. На специальную плёнку проецируется изображение с большого экрана.

4. Томография использует рентгеновские лучи для получения снимков органов в нескольких выбранных поперечных срезах тканей. Полученная серия рентгеновских снимков называется томограммой.
5. Компьютерная томограмма регистрирует срезы человеческого тела с помощью рентгеновского сканера. Данные заносятся в компьютер и дают единое изображение в поперечном сечении.

Все перечисленные методы диагностики основаны на способности рентгеновых лучей засвечивать фотоплёнку и на различной проницаемости их для тканей и костного скелета.

Рентгенотерапия

Способность рентгеновых лучей оказывать биологическое действие на ткани, в медицине используют для терапии опухолей. Ионизирующее действие этого излучения наиболее активно проявляется в воздействии на быстро делящиеся клетки, каковыми и являются клетки злокачественных опухолей.

Однако, следует знать и о побочных эффектах, неизбежно сопровождающих рентгенотерапию. Дело в том, что быстро делящимися являются также клетки кроветворных, эндокринных, иммунных систем. Негативное воздействие на них порождает признаки лучевой болезни.

ПОЛИМОРФНЫЕ ОБРАЗЦЫ

В качестве стандартного образца (метод стандартных добавок) применяют вещество, коэффициент поглощения которого должен быть близким к коэффициенту поглощения определяемой фазы; исследуемая фаза и стандартный образец должны быть достаточно измельчены и тщательно перемешаны. Вещество, выбираемое в качестве стандартного, должно удовлетворять следующему требованию: давать интенсивные и резкие линии на рентгенограмме, в том числе интенсивную линию вблизи самой интенсивной линии определяемого компонента. Расчет количества фазы (F_a) в случае смеси двух полиморфных фаз (a, b) проводят по уравнению:

Расчет количества фазы

где

K – отношение абсолютных интенсивностей двух чистых полиморфных фаз которое определяется измерением интенсивностей стандартных образцов.

Рентгенографический метод позволяет определить не только содержание кристаллической, но и аморфной фазы.

Содержание аморфной фазы определяют либо по разности единицы и всех кристаллических фаз (в долях), либо независимым способом. При втором способе учитывают, что интенсивность когерентного рассеяния рентгеновского излучения аморфной фазы пропорциональна ее содержанию. Кривая рассеяния на рентгенограмме образца имеет один или несколько пологих максимумов, обычно в области небольших углов рассеяния. При определении содержания аморфной фазы (С_a) с помощью эталонов используют соотношение:

где , I_а– интенсивности рассеяния полностью аморфным (эталон) и исследуемым образцами под некоторым фиксированным углом 2θ;

I_b – интенсивность рассеяния смесью кристаллических фаз, имеющей аналогичный полностью аморфному образцу химический состав.

Более точной мерой интенсивности рассеяния аморфной фазой служит интегральная интенсивность одного или нескольких максимумов.

Безэталонный метод основан на выделении средней интенсивности рассеяния рентгеновского излучения аморфной фазой I_аиз средней интенсивности рассеяния образца I_n. Содержание аморфной фазы определяют по формуле:

Оба метода используют только для сравнительной оценки доли аморфной фазы (С_a). Основным недостатком является влияние изменений состава образца на результат определения.

Контрольные вопросы к теме «Дифракция света»

1. Какое явление в
оптике называется дифракцией света?

2.
В чем заключается принцип Гюйгенса–Френеля?
Какое дополнение ввел Френель в принцип
Гюйгенса?

3. Охарактеризуйте
дифракцию света в постановке Френеля.

4. Охарактеризуйте
дифракцию света в постановке Фраунгофера.

5. Опишите суть
метода зон Френеля.

6.
Из простых физических соображений
получите условие минимумов при дифракции
Фраунгофера на одной щели.

7.
Чем отличается при дифракции Фраунгофера
дифракционная картина на решетке от
дифракционной картины на одной щели?

8.
Из простых физических соображений
получите условие главных максимумов
при дифракции света на решетке в
постановке Фраунгофера.

9.
Поясните качественно, почему дифракционная
решетка разлагает падающий на нее белый
свет на цветные составляющие.

10.
Какими параметрами характеризуется
дифракционная решетка как спектральный
прибор? Что такое разрешающая способность
дифракционной решетки?

Другие волновые явления

Основная статья: Преломление звука

Демонстрация преломления, а значит и эффекта полного внутреннего отражения возможна, например, для звуковых волн на поверхности и в толще жидкости при переходе между зонами различной вязкости или плотности.

Основная статья: Нейтронная оптика

Явления, сходные с эффектом полного внутреннего отражения электромагнитного излучения, наблюдаются для пучков медленных нейтронов.

Основная статья: Полное преломление

Если на поверхность раздела падает вертикально поляризованная волна под углом Брюстера, то будет наблюдаться эффект полного преломления — отражённая волна будет отсутствовать.

Отражение упругих волн в твёрдом теле

Так как в твёрдом теле одновременно присутствуют продольные и поперечные волны, отражение на границе двух сред описывается законом Снеллиуса для каждого из типов волн. В соответствии с законом, выделяют не один, а три критических угла:

• Первый критический угол: наименьший угол падения продольной волны, при котором преломлённая продольная волна не будет проникать во вторую среду (возникновение головной волны).
• Второй критический угол: наименьший угол падения продольной волны, при котором преломлённая поперечная волна не будет проникать во вторую среду (появление поверхностной волны Рэлея).
• Третий критический угол: наименьший угол падения поперечной волны, при котором ещё отсутствует отражённая продольная волна.

8.Поляризация света. Закон Малюса. Поляризация света при отражении и преломлении. Угол Брюстера.

ПОЛЯРИЗАЦИЯ
СВЕТА
Свет,
у которого направления колебаний
вектора упорядочены
каким-то образом, называется поляризованным.
В зависимости от характера колебаний
векторов напряжённости электрического
и магнитного полей плоской монохроматической
электромагнитной волны поляризация
волны может быть линейной, круговой и
эллиптической. В линейно
поляризованной волне колебания
вектора напряжённости электрического
поля совершаются вдоль линии, расположенной
в плоскости, перпендикулярной направлению
распространения волны.Плоскость
поляризации,
обозначенная символом на
рис. 8.1a, определяется направлением
распространения волны и направлением
колебаний вектора напряжённости
электрического поля. В волне,
поляризованной по кругу,
вектор напряжённости электрического
поля вращается
по кругу в плоскости, перпендикулярной
направлению распространения волны,
которое совпадает с осью .
В эллиптически
поляризованной волне,
по мере распространения волны вектор
напряжённости электрического поля
перемещается по эллипсу (рис. 8.1c) в
плоскости, перпендикулярной направлению
волны, распространяющейся, в соответствии
с рис. 8.1c, вдоль оси .Круговую
или эллиптическую поляризацию
электромагнитной волны называют левой,
если вращение вектора напряжённости
электрического поля этой волны происходит
против часовой стрелки, если смотреть
с направления волны. Наоборот, если
вращение вектора напряжённости
электрического поля этой волны происходит
по часовой стрелке, если смотреть с
направления волны, то поляризация
электромагнитной волны называется
правой.
Состояние поляризации произвольной
электромагнитной волны задаётся степенью
поляризации.
Для определения степени поляризации
электромагнитной волы её пропускают
через поляризатор, в котором можно
менять ориентацию плоскости поляризатора,
например, с помощью поворота поляризатора
относительно направления распространения
исследуемой электромагнитной волны. В
двух взаимно ортогональных ориентациях
плоскости поляризатора будут дважды
отмечены максимальное и
минимальное значение
интенсивности проходящей поляризатор
электромагнитной волны. .
ЗАКОН
МАЛЮСА
Интенсивность прошедшей
поляризатор волны,
пропорциональная, как неоднократно
указывалось выше, квадрату модуля
вектора напряжённости её электрического
поля, может быть определена следующим
образом:

Поляризация
света при отражении и преломлении на
границе двух диэлектриков. Закон
Брюстера.

Если
естественный свет падает на границу
раздела двух диэлектриков (например,
воздуха и стекла), то часть его отражается,
а часть преломляется и распространяется
во второй среде. Устанавливая на пути
отраженного и преломленного лучей
анализатор (например, турмалин), убеждаемся
в том, что отраженный и преломленный
лучи частично поляризованы: при
поворачивании анализатора вокруг лучей
интенсивность света периодически
усиливается и ослабевает (полного
гашения не наблюдается!). Дальнейшие
исследования показали, что в отраженном
луче преобладают колебания, перпендикулярные
плоскости падения (на рис. 10.4 они
обозначены точками), в преломленном —
колебания, параллельные плоскости
падения (изображены стрелками).

Степень
поляризации (степень выделения световых
волн с определенной ориентацией
электрического (и магнитного) вектора)
зависит от угла падения лучей и показателя
преломления. Шотландский физик Д.
Брюстер (1781—1868)
установил закон,
согласно которому при угле падения i_B (угол
Брюстера), определяемого соотношением

(n₂₁ —
показатель преломления второй среды
относительно первой), отраженный
луч является плоскополяризованным (содержит
только колебания, перпендикулярные
плос­кости падения).

Оптическая схема

Из-за большой энергии рентгеновские кванты практически не преломляются в веществе (следовательно, тяжело изготовить линзы) и не отражаются при любых углах падения, кроме самых пологих (88-89 градусов к нормали).

Рентгеновские телескопы могут использовать несколько методов для фокусирования лучей. Наиболее часто используются телескопы Вольтера (с зеркалами скользящего падения), кодирование апертуры и модуляционные (качающиеся) коллиматоры. Ограниченные возможности рентгеновской оптики приводят к более узкому полю зрения по сравнению с телескопами, работающими в диапазонах УФ и видимого света.

Зеркала

Основная статья: Рентгеновское зеркало

Использование рентгеновских зеркал для внесолнечной астрономии требует одновременно:

• возможность определить исходное направление рентгеновского фотона по двум координатам и
• достаточную эффективность детектирования.

Зеркала могут быть изготовлены из керамики или металлической фольги. Наиболее часто для рентгеновских зеркал скользящего падения используются золото и иридий. Критический угол отражения сильно зависит от энергии фотонов. Для золота и энергии в 1 кэВ, критический угол составляет 3,72 °.

Кодирование апертуры

Основная статья: Кодирующая апертура

Многие рентгеновские телескопы используют кодирование апертуры для получения изображений. В этой технологии перед матричным детектором устанавливается маска в виде решетки из чередующихся особым образом прозрачных и непрозрачных элементов (например, квадратная маска в виде матрицы Адамара). Данный элемент для фокусировки и получения изображений весит меньше, чем другие варианты рентгеновской оптики (поэтому часто используется на спутниках), но при этом требует большей пост-обработки для получения изображения.

Области применения[править]

Макет телескопа XMM-Ньютона

В наиболее коротковолновой части диапазона 0,01-0,02 нм рентгеновские зеркала позволяют фокусировать излучение синхротронов или рентгеновских трубок на исследуемые объекты или формировать параллельные пучки. В частности, их применение увеличивает эффективность рентгеновских трубок в 30-100 раз, что делает возможным заменить синхротронное излучение в ряде биологических, структурных и материаловедческих исследований. Приблизительно в этом же диапазоне лежит излучение высокотемпературной плазмы (лазерной и ТОКАМАКов). Здесь зеркала нашли применение как дисперсионные элементы для спектральных исследований.

В диапазоне 0,6-6 нм лежит характеристическое излучение легких элементов (бора, фосфор). Здесь рентгеновские зеркала также используются для исследования спектров в приборах элементного анализа материалов.

Широкое применение роентгеновские зеркала находя в телескопах.
Рентгеновская многослойная оптика широко применяется для формирования фильтрации и управления поляризацией в синхротронных источниках. В области 10-60 нм лежат линии излучения солнечной плазмы. Объективы космических телескопов из рентгеновских зеркал и сейчас находятся на орбите и регулярно передают на Землю изображение Солнца на линиях Fe IX-Fe XI (17,5 нм) и Не II (30,4 нм).