Андрей Смирнов
Время чтения: ~8 мин.
Просмотров: 4

Истина

ВВЕДЕНИЕ

Как известно, поверхность твердого тела имеет особые физико-химические свойства, которые
отличаются от объемных характеристик вещества и предопределяют многие процессы, в
том числе взаимодействие с заряженными частицами и электромагнитным излучением. Эти
свойства в значительной степени обусловлены технологией формирования приповерхностных
слоев, взаимодействием с атмосферой и другими факторами, имеющими место в процессе
получения, хранения и транспортировки образцов. Особый интерес представляет исследование
взаимодействия с рентгеновским излучением материалов, имеющих технологически модифицированную
слоистую поверхность , обладающую специальными свойствами и особыми характеристиками, определяемыми изменяющейся
по глубине диэлектрической проницаемостью.

Микроканальные пластины используются в вакууме как многоканальные вторично-электронные
преобразователи, детекторы и усилители потоков заряженных частиц []. Они представляют собой поликапиллярные системы, содержащие стеклянные полые микроканалы.
Кроме того, их применяют для фильтрации рентгеновского излучения, формирования профилей
пучков .

Как известно, микроканальная пластина – изделие, в котором стекло выполняет не только
конструкционные функции, но также является активным материалом, поверхность которого
взаимодействует с заряженными частицами и излучением. Благодаря ряду уникальных свойств
(компактности, пространственному разрешению, высокому быстродействию) микроканальные
пластины находят все возрастающее применение в различных областях науки и техники.

Микрорентгенофлуоресцентный анализ (микроРФА) является одним из неразрушающих методов
исследования элементного состава микрообластей и анализа распределения химических
элементов на поверхности, что достигается фокусировкой первичного рентгеновского излучения
с помощью поликапиллярной линзы []. МикроРФА позволяет также исследовать степень неоднородности (гетерогенности) элементного
состава поверхности.

Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом порождает многочисленные вторичные
процессы, в том числе упругое и неупругое рассеяние. Интерес представляют методики
скользящего падения, основанные на регистрации вторичного рентгеновского излучения,
выходящего из приповерхностного слоя исследуемого вещества. Резонансное рассеяние
рентгеновских лучей
вблизи краев поглощения еще называют аномальным рассеянием. Флуоресцентное
излучение появляется как результат резонансного рассеяния, происходящего в случае,
когда энергия фотонов падающего излучения близка к энергии ионизации остовных оболочек
атомов, входящих в состав вещества. Энергия поглощенного фотона необходима для перехода
электрона с внутреннего уровня в незанятые состояния внешних оболочек атома или в
непрерывный спектр.

Бизнес и финансы

БанкиБогатство и благосостояниеКоррупция(Преступность)МаркетингМенеджментИнвестицииЦенные бумагиУправлениеОткрытые акционерные обществаПроектыДокументыЦенные бумаги — контрольЦенные бумаги — оценкиОблигацииДолгиВалютаНедвижимость(Аренда)ПрофессииРаботаТорговляУслугиФинансыСтрахованиеБюджетФинансовые услугиКредитыКомпанииГосударственные предприятияЭкономикаМакроэкономикаМикроэкономикаНалогиАудитМеталлургияНефтьСельское хозяйствоЭнергетикаАрхитектураИнтерьерПолы и перекрытияПроцесс строительстваСтроительные материалыТеплоизоляцияЭкстерьерОрганизация и управление производством

История

Получение рентгеновского изображения, XIX век

История рентгенологии начинается в 1895 году, когда Вильгельм Конрад Рентген впервые зарегистрировал затемнение фотопластинки под действием рентгеновского излучения. Им же было обнаружено, что при прохождении рентгеновских лучей через ткани кисти на фотопластинке формируется изображение костного скелета. Это открытие стало первым в мире методом медицинской визуализации, до этого нельзя было прижизненно, не инвазивно получить изображение органов и тканей. Рентгенография очень быстро распространилась по всему миру. В 1896 году в России был сделан первый рентгеновский снимок.

В 1918 году в России была создана первая рентгенологическая клиника. Рентгенография используется для диагностики все большего числа заболеваний. Активно развивается рентгенография легких. В 1921 году в Петрограде был открыт первый рентген стоматологический кабинет. Активно ведутся исследования, совершенствуются рентгеновские аппараты. Советское правительство выделяет средства на развертывание производства рентгеновского оборудования в России. Рентгенология и производство оборудования выходят на мировой уровень.

Сейчас рентген грудной клетки часто используется для диагностики заболеваний, вызванных инфекциями легких. Однако этот метод оказался малоэффективен для обнаружения ранних стадий вирусных пневмоний, вызванных COVID-19.

Американские исследователи во главе с профессором Университета штата Огайо изучили рентгеновские снимки 630 пациентов с подтвержденным коронавирусом и выраженными симптомами. В 89 процентах случаев на рентгене не было заметно никаких отклонений, или они были незначительными. Практика врачей ГКБ №40 в поселке Коммунарка, которые первыми приняли на себя удар пандемии в России, также подтвердила эти выводы. Тем не менее, на более поздних этапах с помощью рентгенографии можно получить точные и качественные результаты. Именно поэтому в текущей ситуации особенно актуальны портативные аппараты, которые можно применять в палатах пациентов в тяжелом состоянии.

В настоящее время рентгенография остается основным методом диагностики поражений костно-суставной системы. Важную роль играет при обследовании легких, особенно в качестве скринингового метода. Методы контрастной рентгенографии позволяют оценить состояние внутреннего рельефа полых органов, распространённость свищевых ходов и др.

13 июля 2018 года новозеландскими учёными в Женеве был представлен рентгеновский аппарат, который способен делать трёхмерные цветные снимки.

ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Для одиночного волновода рассчитывали комплексные постоянные распространения волноводных
мод. Для теоретического моделирования и анализа свойств собственных мод полых капиллярных
систем использована модель [] многослойного цилиндрического оптического волновода. Предполагалось, что параметры
мод во всех капиллярах поликапиллярной системы такие же, как и в одиночном волноводе.
Методом Кирхгофа–Гюйгенса рассчитывали амплитуды мод на входе микроканалов. С помощью
найденных постоянных усиления (затухания) рассчитывали амплитуды мод на выходе капилляров.
Методом Кирхгофа–Гюйгенса на удаленном расстоянии рассчитывали диаграмму направленности
излучения, вышедшего из каналов поликапиллярной системы.

По угловому положению и интенсивностям максимумов результаты теоретических расчетов
(б, 5б) хорошо соответствуют эксперименту. В используемой теоретической модели процесс
затухания или возбуждения излучения, распространяющегося внутри волновода, определялся
знаком мнимой части диэлектрической проницаемости (затуханию соответствует ), а процесс распространения возбуждаемого излучения моделировали как распространение
поля внутри канала с

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 бо́льшая экспозиция (то есть доза). Преимуществом этого метода (известного под названием безэкранная рентгенография) является бо́льшая резкость изображения.
  • В полупроводниковых детекторах рентгеновские лучи создают 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.).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По измеренным интенсивностям рентгеновской флуоресценции определены концентрации химических
элементов, входящих в состав поверхности микроканальной пластины. Рассчитаны статистические
характеристики, исследованы различия в химическом составе поверхности основных компонентов
образцов черных и белых пластин. МикроРФА, дополненный методами математической статистики,
позволил охарактеризовать степень химической однородности (гомогенности), дал возможность
статистически сравнить средние концентрации химических элементов на поверхности образцов.
Установлено, что в случае черных пластин, полученных в результате термоводородного
восстановления, в приповерхностном слое, соответствующем глубине выхода флуоресценции,
по сравнению с белыми заготовками возрастает массовая доля свинца и, соответственно,
уменьшается содержание кремния. Предполагалось, что для этих химических элементов
диффузионные процессы в приповерхностных слоях, связанные с термоводородным восстановлением,
протекают аналогичным образом, как на торцевых поверхностях, так и внутри микроканалов.

Для энергии 110 эВ (λ = 11.3 нм) и пластины с шагом структуры 4.2 мкм экспериментально
наблюдается дифракционная картина при прохождении излучения через микроканалы. Очевидно,
наблюдение дифракции в этой области длин волн, когда длина волны много меньше периода
решетки, возможно благодаря когерентным свойствам синхротронного излучения. Таким
образом, микроканальную пластину можно рассматривать как дифракционную рентгеновскую
решетку в ультрадлинноволновом диапазоне излучения.

С использованием математического моделирования процессов возбуждения и распространения
рентгеновской флуоресценции в полых стеклянных волноводах получены угловые распределения
интенсивности излучения на выходе поликапиллярных структур, которые соответствуют
данным эксперимента. Обнаружено направленное рентгеновское флуоресцентное излучение
атомов кремния, находящихся в поверхностном слое толщиной 500 Å. Показано, что когерентно
возбужденная SiL-флуоресценция распространяется преимущественно в направлении, близком к оси микроканалов,
и, следовательно, именно в этом направлении возможна передача большей части энергии
вторичного излучения.

Перспективны экспериментальные и теоретические исследования микроканальных пластин,
модифицированных путем нанесения тонких покрытий (слоев) на внутренние поверхности
волноводных структур (микроканалов) с целью формирования на выходе рентгеновского
флуоресцентного излучения требуемого спектрального состава. Для этих целей может быть
использован метод атомно-слоевого осаждения [], один из методов осаждения из газовой фазы химических элементов на поверхности микроканалов.
Выбор материалов покрытия позволит возбудить и получить на выходе микроканальной пластины
флуоресцентное рентгеновское излучение с заданной энергией квантов в диапазоне 100–2000
эВ.

Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Максим Иванов
Наш эксперт
Написано статей
129
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации