Лекция 17

Излучения

В
1895 г., исследуя катодные лучи, немецкий
ученый Вильгельм Конрад Рентген
обнаружил, что флуоресцирующий экран,
поднесенный к установке, закрытой
плотным непрозрачным для света чехлом,
ярко вспыхивает. Был сделан вывод, что
существует какое-то неизвестное
излучение, для которого материал чехла
является прозрачным. Это излучение
Рентген назвал X-лучами.

Исследуя
причины появления этого излучения,
Рентген установил, что оно появляется
в том месте, где пучок летящих электронов
ударяется о стенку катодной трубки.
Исходя из этого обстоятельства, Рентген
сконструировал и построил первую,
предназначенную специально для полученияX-излучения,
трубку, существенные черты конструкции
которой сохранились до наших дней.
Рентгеновская трубка (рис.1) представляет
собой стеклянный баллон с двумя впаянными
основными электродами: анодом (А) и
катодом (К). Катод выполнен в виде спирали
из тугоплавкого металла (W,
Pt),
через которую пропускают ток. При этом,
вследствие термоэлектронной эмиссии,
нагретая спираль испускает электроны.
Анод представляет собой цилиндр, торец
которого срезан под углом. В скошенную
поверхность торца анода впаяна пластинка
из тугоплавкого металла (W,
Pt,
Cu,
Ag
и т.д.) – «зеркало» (З). В баллоне создается
высокое разряжение Р =10-6-10-7
мм.рт.ст. Между анодом и катодом приложено
высокое напряжение – 40÷200 кВ, а в некоторых
случаях даже до I000
кВ. Электроны, испускаемые нитью накала,
ускоряются электрическим полем до
скоростей ~2·108
м/с. Узкий
пучок электронов и направляется на
анод, который, благодаря косому срезу,
направляет возникающее на «зеркале»
рентгеновское излучение в выходное
окно трубки. К.п.д. рентгеновской трубки
составляет всего 1-5 %, а остальная энергия
электронного пучка превращается во
внутреннюю энергию. По этой причине
тело анода изготавливают из хорошо
проводящих тепло материалов (Сu)
и часто полым для подвода охлаждающей
жидкости.

Уже
первые опыты обнаружили целый ряд
свойств рентгеновского излучения: лучи
обладают значительной проникающей
способностью; ионизируют вещество;
обладают химическим действием; засвечивают
фотопленку и вызывают образование
перекиси водорода в воде; влияют на
протекание биологических процессов;
распространяются прямолинейно и не
отклоняются ни в электрическом, ни в
магнитном полях; вызывают явление
люминесценции. В дальнейшем установили,
что рентгеновское излучение представляет
собой электромагнитные волны с длиной
от 10-5 до
80 нм (10-14
÷ 10-7
м).

В
природе рентгеновское излучение
присутствует в космическом излучении,
его испускает солнечная корона, а на
земле
практически все радиоактивные элементы.

По
механизму возбуждения рентгеновское
излучение подразделяется на тормозное
и характеристическое.

Свойства рентгеновского излучения

Рентгеновские лучи – это составная часть общего спектра электромагнитного излучения. Длина волны расположена между гамма- и ультрафиолетовым лучами. Для Х-лучей характерны все обычные волновые свойства:

• дифракция;
• преломление;
• интерференция;
• скорость распространения (она равна световой).

Для искусственного генерирования потока рентгеновских лучей применяют специальные приборы – рентгеновские трубки. Рентген-излучение возникает из-за контакта быстрых электронов вольфрама с веществами, испаряющимися из раскалённого анода. На фоне взаимодействия возникают электромагнитные волны малой длины, находящиеся в спектре от 100 до 0,01 нм и в энергетическом диапазоне 100-0,1 МэВ. Если длина волны лучей меньше чем 0,2 нм – это жёсткое излучение, если длина волны больше указанной величины, их называют мягкими рентгеновскими лучами.

Рентгеновское излучение – тормозное и характеристическое

Х-излучение представляет собой наложение двух видов лучей – тормозных и характеристических. Они генерируются в трубке одновременно. Поэтому облучение рентгеном и характеристика каждой конкретной рентгеновской трубки – спектр её излучения, зависит от этих показателей, и представляет собой их наложение.

Тормозные или непрерывные рентгеновские лучи – это результат торможения электронов, испаряемых из вольфрамовой спирали.

Характеристические или линейчатые лучи рентгена образуются в момент перестройки атомов вещества анода рентгеновской трубки. Длина волны характеристических лучей непосредственно зависит от атомного номера химического элемента, применяемого для изготовления анода трубки.

Перечисленные свойства рентгеновских лучей позволяют применять их на практике:

• невидимость для обычного взгляда;
• высокая проникающая способность сквозь живые ткани и неживые материалы, которые не пропускают лучи видимого спектра;
• ионизационное воздействие на молекулярные структуры.

Принципы получения рентген-изображения

Свойства рентгеновских лучей, на которых основано получение изображения – это способность либо разлагать, либо вызвать свечение некоторых веществ.

Рентген облучение вызывает флуоресцентное свечение у сульфидов кадмия и цинка – зелёным, а у вольфрамата кальция – голубым цветом. Это свойство используется в методике медицинского рентгенологического просвечивания, а также повышает функциональность рентгенологических экранов.

Фотохимическое воздействие рентгеновских лучей на светочувствительные галогенсеребряные материалы (засвечивание) позволяет осуществлять диагностику – делать рентгенологические снимки. Это свойство также используется при измерении величины суммарной дозы, которую получают лаборанты в рентген-кабинетах. В нательных дозиметрах вставлены специальные чувствительные ленты и индикаторы. Ионизирующее действие рентгеновского излучения позволяет определять и качественную характеристику полученных рентген-лучей.

Фотоэлектрический эффект.

Фотоэлектрический
эффект (фотоэффект)- это
испускание электронов веществом
под действием света.

Схема
экспериментальной установки для
исследования фотоэффекта.

В
экспериментах использовался стеклянный
вакуумный баллон с двумя металлическими
электродами, поверхность которых была
тщательно очищена. К электродам
прикладывалось некоторое напряжение U,
полярность которого можно было изменять
с помощью двойного ключа. Один из
электродов (катод K) через кварцевое
окошко освещался монохроматическим
светом некоторой длины волны λ. При
неизменном световом потоке снималась
зависимость силы фототока I от
приложенного напряжения. 

Экспериментальные
закономерности, выраженные графиками,
можно сформулировать в виде законов
внешнего фотоэффекта:

1. Существует граничная
частота света
,
ниже которой для данного материала
катода фотоэффект отсутствует, независимо
от интенсивности

и продолжительности облучения катода
(см. рис. 1). Эта частота соответствует
длине волны ,
которая называется красной границей
фотоэффекта.

2. Электроны покидают
поверхность катода с различными
энергиями, от нуля до максимальной:

,
(
запирающая разность потенциалов между
катодом и анодом, при которой фототок
прекращается), причем
значение максимальной кинетической
энергии эмитируемых электронов не
зависит от интенсивности
(см.
рис.2) и линейно зависит от частоты
(см. рис. 3).

3. При фиксированной частоте
излучения число электронов, выбитых из
катода в единицу времени, прямо
пропорционально интенсивности падающего
излучения (см. рис. 2, 4).

Законы фотоэффекта находятся
в противоречии с классическими
представлениями о волновой природе
света. В рамках волновых представлений
о свете фотоэффект может быть объяснен
следующим образом. В электрическом поле
световой волны электрон приходит в
колебания. Когда энергия колебаний
сделается достаточно большой, электрон
может преодолеть задерживающее поле
на границе металла и уйти за его пределы,
т. е. происходит внешний фотоэффект.
Амплитуда вынужденных колебаний
электрона пропорциональна амплитуде
колебаний вектора напряженности
электрического поля падающей на катод
электромагнитной волны. Интенсивность
падающего света пропорциональна квадрату
амплитуды колебаний напряженности
электрического поля волны. Следовательно,
максимальная скорость покидающих катод
электронов должна увеличиваться с
возрастанием интенсивности.

В
действительности же максимальная
скорость фотоэлектронов от нее не
зависит. Наличие граничной частоты
(красной границы фотоэффекта) также
несовместимо с волновыми представлениями
о природе света.

Для
объяснения фотоэффекта Эйнштейн
предположил (1905г.), что поток световой
энергии не является непрерывным, а
представляет собой поток дискретных
порций энергии, называемых квантами
или фотонами.

Энергия фотона, соответствующая
свету с частотой ,
равна
,(1),
где
.

Фотон,
столкнувшись с электроном в металле,
передает ему всю свою энергию. При
столкновении фотона со свободным
электроном, передача последнему всей
энергии фотона невозможна. Свободный
электрон не может поглотить или испустить
фотон, потому что при этом не могут быть
одновременно соблюдены законы сохранения
энергии и импульса.

В металле электроны,
обеспечивающие электропроводность,
называются свободными, однако они
взаимодействуют между собой и ионами
кристаллической решетки, поэтому они
не могут выйти за пределы объема металла
и могут полностью поглотить всю энергию
фотона. Если эта энергия достаточно
велика, то электрон может преодолеть
удерживающие его в металле силы и выйти
из металла. Поскольку интенсивность
падающего излучения пропорциональна
числу фотонов, то от интенсивности
излучения зависит число вылетающих
электронов. В
этом процессе для электронов, вылетающих
с максимальной энергией, соблюдается
закон сохранения энергии, который можно
записать в виде
, (2),
где

– максимальная кинетическая энергия
электрона непосредственно после выхода
за пределы объема; А
–работа выхода –
минимальная энергия, которую необходимо
передать электрону, находящемуся на
поверхности, чтобы он стал свободным.
Соотношение
(2) называется уравнением
Эйнштейна для фотоэффекта.

Тормозное рентгеновское излучение

Тормозное рентгеновское излучение появляется с тем большей энергией, чем больше энергия р-частиц и чем больше порядковый номер Z поглотителя.
 

Почему тормозное рентгеновское излучение имеет сплошной спектр, а характеристическое линейчатый.
 

Почему тормозное рентгеновское излучение имеет сплошной спектр, а характеристическое — линейчатый.
 

Интенсивность тормозного рентгеновского излучения определяется выражением.
 

Спектр тормозного рентгеновского излучения является сплошным. Причина этого в следующем. Разные электроны, взаимодействуя с отдельными атомами — мишенями анода, теряют разное количество энергии. Соотношение между этими частями случайное.
 

Непрерывное или тормозное рентгеновское излучение возникает при торможении заряженных частиц в результате их взаимодействия с полем атомов вещества. При торможении заряженной частицы с начальной скоростью PQ возникает излучение с граничной частотой V0 тг / 5 / 2 / г eV / h, где V — приложенная разность потенциалов. Кпд рентгеновской трубки — 1 %, остальные 99 % кинетич.
 

Как возникает характеристическое и тормозное рентгеновское излучение.
 

Для получения тормозного рентгеновского излучения применяют специальные трубки ( рис. 4), представляющие собой стеклянный баллон, из которого выкачан воздух.
 

Для получения тормозного рентгеновского излучения применяются рентгеновские трубки, представляющие собой стеклянный баллон, из которого выкачан воздух. С противоположных концов в баллон впаяны два электрода: катод и анод. Анод представляет собой вольфрамовый диск, расположенный под углом 45 к оси трубки.
 

Органическое стекло препятствует возникновению тормозного рентгеновского излучения. Число отсчетов при измерении активности каждого образца определяется суммой отсчетов, вызываемых образцом и фоном. Поэтому для нахождения активности образца фон следует вычесть.
 

Кроме рассмотренного в § 7 тормозного рентгеновского излучения существует еще одно рентгеновское излучение, называемое характеристическим. При не слишком больших энергиях бомбардирующих антикатод электронов наблюдается лишь тормозное излучение, обладающее сплошным спектром и не зависящее от материала антикатода. Когда энергия бомбардирующих электронов становится достаточной для вырывания электронов из внутренних оболочек атома, на фоне тормозного излучения появляются резкие линии характеристического излучения.
 

Найти наиболее вероятную длину волны тормозного рентгеновского излучения со спектральным распределением / ш / 4 ( сома1

В общем случае интенсивность / тормозного рентгеновского излучения зависит от следующих факторов: анодного напряжения U; силы тока / в рентгеновской трубке; атомного номера Z элемента, из которого сделан анод-мишень.
 

Задачи по теме для ответов у доски и самостоятельного решения .

1. Почему тормозное рентгеновское излучение
   имеет сплошной спектр?

2. Почему спектр тормозного рентгеновского
   излучения имеет резкую границу со
   стороны корот­ких длин волн?

3. Почему увеличение напряжения,
   приклады­ваемого к рентгеновской
   трубке, приводит к умень­шению
   граничной длины волны спектра тормозного
   рентгеновского излучения?

4. В сплошном спектре тормозною
   рентгенов­ского излучения
   характеристические линии К-серии для
   вольфрама появляются только при
   напряжении на аноде примерно равном
   70 кВ Чем это обуслов­лено?

5. Определить скорость электронов, падающих
   на антикатод рентгеновской трубки,
   если минимальная длина волны в сплошном
   спектре рентгеновских лучей 0,01 нм.

6. Энергия фотонов, соответствующих
   гранич­ной длине волны спектра
   тормозного рентгеновского излучения,
   0,25 МэВ. Определить напряжение, при­ложенное
   к аноду трубки, и длину волны, на кото­рую
   приходится максимум интенсивности в
   рентге­новском спектре.

7. Какое излучение будет более жестким:
   рент­геновское, возникающее при
   напряжении 150 кВ, или у-излучение туллия
   (.Еу = 0,074 МэВ)?

8. Определить минимальную длину волны
   в спектре излучения, возникающего в
   результате торможения на мишени
   электронов, ускоренных в ка­мере
   бетатрона до энергии 60 МэВ..

9. Электроны в катодном луче телевизионной
   трубки, достигнув экрана, внезапно
   останавливают­ся. Возникает ли при
   этом опасность поражения рентгеновскими
   лучами при просмотре телевизион­ных
   передач? Напряжение, подаваемое на
   трубку, считать равным 16 кВ.

10. Мощность тормозного рентгеновского
    излу­чения можно приближенно рассчитать
    по формуле: Р≈ IU2Z,10-6 где I— ток в
    миллиамперах; U — на­пряжение в
    киловольтах; Z — атомный номер веще­ства
    анода. Определить коэффициент полезного
    дей­ствия рентгеновской трубки при
    напряжении 100кВ, если ее анод изготовлен
    из вольфрама.

11. Найдите границу тормозного рентгеновского
    излучения (час­тоту и длину волны)
    для напряжений U1 = 2 кВ и U2= 20 кВ. Во сколько
    раз энергия фотонов этих излучений
    больше энергии фотона, соответствующего
    λ = 760нм (красный цвет)?

12. В каком случае произойдет большее
    увеличение потока рент­геновского
    излучения: при увеличении вдвое силы
    тока, но сохранении напряжения или,
    наоборот, при увеличении вдвое напряжения,
    но сохранении силы тока? Как можно
    увеличить силу тока, не изменяя напряжения
    в рентгенов­ской трубке? Проанализируйте
    процессы, которые происхо­дят при
    изменении силы тока, при изменении
    напряжения.

13. Найдите поток рентгеновского излучения
    при U=10кВ, I = 1 мА. Анод изготовлен из
    вольфрама. Скольким фотонам в секунду
    соответствует этот поток, если допустить,
    что излучается электромагнитная волна,
    длина которой равна 3/2 oт длины волны,
    соответствующей границе спектра
    тор­мозного рентгеновского излучения.

14. Считая, ч то поглощение рентгеновского
    излучения не зави­сит от того, в каком
    соединении атом представлен в вещест­ве,
    определите, во сколко раз массовый
    коэффициент ос­лабления кости (Ca(РO4
    )2) больше массового коэффициента
    ослабления воды.

15. Для рентгенодиагностики мягких тканей
    применяют контрастные вещества.
    Например, желудок и кишечник заполня­ют
    кашеобразной массой сульфата бария
    BaSO4. Сравните массовые коэффициенты
    ослабления сульфата бария и мягких
    тканей (воды).

16. Почему при глубинных облучениях
    орга­низма на пути рентгеновских
    лучей ставят фильтры?

17. Одинаково ли будет ослаблено по всему
    диапазону длин волн неоднородное
    (немонохрома­тическое) рентгеновское
    излучение, прошедшее че­рез
    металлическую пластинку?

18. Вычислить толщину слоя половинного
    ослабления параллельного пучка γ-лучей
    Для воды, если линейный коэффициент
    ослабления равен 0,047 см-1.

19. Бетонная плита толщиной 20 см уменьша­ет
    интенсивность узкого пучка γ-лучей
    кобальта (27Со60) в 16,5 раза. Определить
    линейный коэффи­циент ослабления
    и толщину слоя половинного ослабления
    для бетона.

20. Передняя стенка сейфа типа ССП,
    предна­значенного для хранения
    γ-активных веществ, име­ет толщину
    защитной свинцовой плиты 50 мм. Опре­делить,
    во сколько раз ослабляется γ
    –излучение с энергией фотонов 1,8 Мэв
    после прохождения этой свинцовой плиты.

21. На пути γ-лучей ставятся поочередно
    два свинцовых фильтра толщиной 3 и 5 см,
    интенсивнос­ти γ-лучей после фильтров
    соответственно относятся как 13:3,6.
    Определить коэффициент поглощения
    свинца и энергию γ-излучения.

22. Определить, сколько необходимо взять
    сло­ев половинного ослабления,
    чтобы интенсивность рентгеновского
    излучения уменьшилась в 100 раз.

23. Для защиты от γ-лучей с энергией фото­нов
    2,4 Мэв использовался свинцовый экран
    толщи­ной 5 см. Какова должна быть
    толщина алюминие­вого экрана,
    обеспечивающего ту же эффективность
    защиты?