Содержание статьи
ПОГЛОЩЕНИЕ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ВЕЩЕСТВЕ. При исследовании взаимодействия рентгеновских лучей с веществом (твердым, жидким или газообразным) регистрируется интенсивность прошедшего или дифрагированного излучения. Эта интенсивность интегральна и связана с различными процессами взаимодействия. Чтобы отделить друг от друга эти процессы, используют их зависимости от условий эксперимента и физических характеристик исследуемого объекта.
Эффект рассеяния рентгеновских лучей связан с тем, что силы переменного электромагнитного поля, создаваемого пучком рентгеновских лучей, приводят в колебательное движение электроны в исследуемом материале. Колеблющиеся электроны испускают рентгеновские лучи той же длины волны, что и первичные, при этом отношение мощности лучей, рассеянных 1 г вещества, к интенсивности падающего излучения приближенно составляет 0,2. Этот коэффициент несколько увеличивается для рентгеновских лучей с большой длиной волны (мягкое излучение) и уменьшается для лучей с малой длиной волны (жесткое излучение). При этом сильнее всего рассеиваются лучи в направлении падающего пучка рентгеновских лучей (и в обратном направлении) и слабее всего (в 2 раза) в направлении, перпендикулярном первичному.
Фотоэффект возникает, когда поглощение падающего рентгеновского излучения сопровождается выбросом электронов. После выброса внутреннего электрона происходит возврат к стационарному состоянию. Этот процесс может происходить либо без излучения с выбросом второго электрона (эффект Оже), либо сопровождаться характеристическим рентгеновским излучением атомов материала (см . РЕНТГЕНОВСКИЕ ЛУЧИ). По своей природе это явление аналогично флюоресценции. Рентгеновская флюоресценция может происходить только при воздействии характеристического рентгеновского излучения какого-либо элемента на преграду из более легкого элемента (с меньшим атомным номером).
Суммарное поглощение рентгеновских лучей определяется суммированием всеми видами взаимодействия, ослабляющими интенсивность рентгеновского излучения. Для оценки ослабления интенсивности рентгеновского излучения при прохождении через вещество используют линейный коэффициент ослабления, характеризующий уменьшение интенсивности излучения при прохождении через 1 см вещества и равный натуральному логарифму отношения интенсивностей падающего и прошедшего излучения. Кроме того, как характеристику способности вещества поглощать падающее излучение используют толщину слоя половинного поглощения, т.е. толщина слоя, при прохождении через который интенсивность излучения уменьшается вдвое.
Физические механизмы рассеяния рентгеновского излучения и возникновения вторичного характеристического излучения различны, но во всех случаях зависят от количества атомов вещества, взаимодействующих с рентгеновским излучением, т.е. от плотности вещества, поэтому универсальной характеристикой поглощения является массовый коэффициент поглощения истинный коэффициент поглощения, отнесенный к плотности вещества.
Коэффициент поглощения в одном и том же веществе падает с уменьшением длины волны рентгеновского излучения, однако при некоторой длине волны происходит резкое увеличение (скачок) коэффициента поглощения, после чего продолжается его уменьшение (рис.). При скачке коэффициент поглощения увеличивается в несколько раз (иногда на порядок) и на разную величину для различных веществ. Возникновение скачка поглощения связано с тем, что при определенной длине волны возбуждается характеристическое рентгеновское излучение облучаемого вещества, что резко увеличивает потери энергии при прохождении излучения. В пределах каждого участка кривой зависимости коэффициента поглощения от длины волны (до и после скачка поглощения) массовый коэффициент поглощения меняется пропорционально кубу длины волны рентгеновского излучения и атомного номера химического элемента (материала преграды).
Когда через вещество проходит немонохроматическое рентгеновское излучение, например, излучение со сплошным спектром, возникает спектр коэффициентов поглощения, при этом коротковолновое излучение поглощается слабее длинноволнового и по мере увеличения толщины преграды результирующий коэффициент поглощения приближается к величине, характерной для коротковолнового излучения. Если вещество состоит из нескольких химических элементов, то суммарный коэффициент поглощения зависит от атомного номера каждого элемента и количества этого элемента в веществе.
Расчеты поглощения рентгеновского излучения в веществе имеют большое значение для рентгенодефектоскопии. При наличии дефекта (например, поры или раковины) в металлической пластине интенсивность прошедшего излучения увеличивается, а при включении из более тяжелого элемента уменьшается. Зная величину коэффициента поглощения, можно рассчитать геометрические размеры внутреннего дефекта.
Рентгеновские фильтры.
При исследовании материалов с помощью рентгеновского излучения интерпретация результатов усложняется из-за наличия нескольких длин волн. Для выделения отдельных длин волн применяют рентгеновские фильтры, изготовленные из веществ с различным коэффициентом поглощения для различных длин волн, при этом используется тот факт, что рост длины волны излучения сопровождается увеличением коэффициента поглощения. Например, для алюминия коэффициент поглощения рентгеновского излучения К-серии от железного анода (l = 1,932 А), больше, чем для излучения К-серии от молибденового анода (l = 0,708 А) и при толщине алюминиевого фильтра 0,1 мм ослабление излучения от железного анода в 10 раз больше, чем для излучения молибдена.
Наличие скачка поглощения на кривой зависимости коэффициента поглощения от длины волны дает возможность получить селективно- поглощающие фильтры, если длина волны фильтруемого излучения, лежит непосредственно за скачком поглощения. Этот эффект используется для того, чтобы отфильтровать b -составляющую К-серии излучения, которая по интенсивности в 5 раз слабее a -составляющей. Если подобрать соответствующий материал фильтра так, чтобы a и b -составляющие были по разные стороны скачка поглощения, то интенсивность b -составляющей уменьшается еще в несколько раз. Примером может служить задача о фильтрации b -излучения меди, в которой длина волны a -излучения К-серии составляет 1,539, а b -излучения 1,389 А. В то же время на кривой зависимости коэффициента поглощения от длины волны скачок поглощения соответствует длине волны 1,480 А, т.е. находится между длинами волн a и b -излучений меди, в районе скачка поглощения коэффициент поглощения увеличивается в 8 раз, поэтому интенсивность b -излучения оказывается меньше интенсивности a -излучения в десятки раз.
При взаимодействии рентгеновского излучения с твердым телом могут возникать радиационные повреждения структуры, связанные с перемещением атомов. В ионных кристаллах возникают центры окраски, аналогичные явления наблюдаются в стеклах, в полимерах меняются механические свойства. Эти эффекты связаны с выбиванием атомов из равновесных положений в кристаллической решетке. В результате образуются вакансии отсутствие атомов в равновесных положениях в кристаллической решетке и внедренные атомы, находящиеся в равновесном положении в решетке. Эффект окрашивания кристаллов и стекла под действием рентгеновского излучения является обратимым и в большинстве случаев исчезает при нагреве или длительной выдержке. Изменение механических свойств полимеров при рентгеновском облучении связано с разрывом межатомных связей.
Основным направлением изучения взаимодействия рентгеновского излучения с твердым телом является рентгеноструктурный анализ, с помощью которого исследуют расположение атомов в твердом теле и его изменения при внешних воздействиях.
Помимо непосредственного возбуждения атомов определяемого элемента первичным рентгеновским излучением, может наблюдаться ряд других эффектов, нарушающих линейную зависимость интенсивности характеристической линии от концентрации элемента. Интенсивность зависит не только от содержания в образце анализируемых атомов, но и от процессов поглощения и рассеяния этого вещества, которые вместе взятые дают так называемое ослабление.
ОСЛАБЛЕНИЕ
Если направленный пучок рентгеновского излучения проходит через слой вещества толщиной D и плотностью с, то его интенсивность уменьшается по экспоненциальному закону:
I = I0e-µD
где µ - коэффициент ослабления, который является параметром материала и зависит, кроме того, от длины волны рентгеновского излучения. Коэффициент µ пропорционален с и быстро возрастает с увеличением порядкового номера элемента и длины волны рентгеновского излучения. Отношение µ/с называется массовым коэффициентом ослабления. См. рис.2
Как говорилось ранее, ослабление складывается из двух физических процессов - поглощение и рассеяние, т.е. коэффициент ослабления равен:
где ф - коэффициент поглощения; у - коэффициент рассеяния.
Главным является то, что доля ф возрастает с увеличением Z и л, и что эта составляющая доминирует над у в области длин волн, типичной для рентгенофлуоресцентного анализа (за исключением самых легких элементов, таких как углерод). Поэтому в практике рентгенофлуоресцентного анализа ослабление идентично поглощению.
ПОГЛОЩЕНИЕ
Поглощение происходит в том случае, когда кванты внешнего излучения, падающие на материал, выбивают электроны из атомной оболочки.
При этом энергия квантов излучения расходуется, с одной стороны, на вырывание (работу выхода) электронов из атомов и, с другой стороны, на сообщение им кинетической энергии.
Введенный ранее коэффициент ф является функцией длины волны излучения. На рис.3 в качестве примера приведена зависимость массового коэффициента поглощения ф от л, или так называемый спектр поглощения.
Ход кривой не плавный. На спектре имеются скачки, называемые краями поглощения, которые возникают из-за квантового характера поглощения, и говорят, что спектр поглощения имеет линейчатую форму.
Краем поглощения называется индивидуальная характеристика атомов, соответствующая значению энергии, при которой происходит скачкообразное изменение коэффициента поглощения. Такая особенность поглощения имеет простое физическое объяснение. При энергиях квантов, превышающих энергию связи электронов на K - оболочке, сечение поглощения для электронов на L - оболочке имеет величину по крайней мере на порядок меньшую, чем для K - оболочки.
По мере уменьшения энергии рентгеновских квантов и приближении ее к энергии отрыва электрона с K - оболочки поглощение растет в соответствии с формулой, где коэффициент C задается для K - оболочки.
фм = CNZ4лn/A
где N - число Авогадро, Z - атомный номер поглощающего элемента, A - его атомный вес, л - длина волны, n - показатель степени, принимающий значения между 2,5 и 3,0, а C - постоянная, скачкообразно уменьшающаяся при переходе через край поглощения.
При уменьшении энергии рентгеновских квантов ниже энергии связи электрона на K - оболочке (~ 20 кэВ), происходит скачкообразное уменьшение поглощения. т. к. рентгеновское излучение с меньшей энергией может взаимодействовать только с электронами на L- и M- оболочках. В процессе дальнейшего уменьшения энергии поглощение вновь возрастает в соответствии с формулой, в которой коэффициент С задается уже для L- оболочки. Этот рост продолжается вплоть до скачков, соответствующих энергиям связи электронов на L- оболочках. Далее этот процесс происходит для электронов на M- оболочках и т.д.
РАССЕЯНИЕ
Явление, когда рентгеновский луч при взаимодействии с веществом изменяет направление, называется рассеянием. Если рассеянное излучение имеет ту же длину волны, что и первичное, то процесс называется упругим или рэлеевским рассеянием. Упругое рассеяние происходит на связанных электронах, его используют для установления кристаллической структуры вещества с помощью методов рентгеновской дифракции. Если длина волны рассеянного излучения больше длины волны первичного излучения, то процесс называют неупругим или комптоновским рассеянием. Неупругое рассеяние является результатом взаимодействия рентгеновского излучения со слабо связанными внешними электронами.
Хотя рассеяние мало по сравнению с поглощением, оно происходит во всех случаях, в том числе и при рентгенофлуоресцентном анализе. Вместе с возникающим при флуоресцентном возбуждении характеристическим рентгеновским излучением рассеянное излучение образует поле вторичного излучения, которые и фиксирует спектрометр. Однако при рентгенофлуоресцентном анализе используется главным образом характеристическое флуоресцентное излучение, рассеянное чаще всего является помехой, образующей фон, блики в спектре. Рассеянное излучение желательно иметь на возможно более низком уровне.
Прохождение рентгеновского излучения через вещество образца сопровождается взаимодействием излучения с этим веществом. Известны три вида этого взаимодействия: (Слайд 17)
1. Рассеяние рентгеновского излучения (без изменения и с изменением длины волны);
2. Фотоэлектрический эффект;
3. Образование электрон-позитронных пар (этот эффект имеет место только при энергии квантов больше 1 Мэв).
Рассеяние рентгеновского излучения. Вещество, которое подвергается действию рентгеновского излучения, испускает вторичное излучение, длина волны которого либо равна длине волны падающих лучей (когерентное рассеяние), либо незначительно отличается. В первом случае, переменное электромагнитное поле, создаваемое пучком рентгеновских лучей, вызывает колебательное движение электронов облучаемого вещества, и они становятся источниками когерентного излучения. Ввиду когерентности лучи, рассеиваемые различными атомами, могут интерферировать. Расстояния же между атомными плоскостями в кристаллических веществах сравнимы с длинами волн рентгеновских лучей. Поэтому кристалл служит дифракционной решеткой для таких когерентных рентгеновских лучей.
Эффект Комптона. При комптоновском рассеянии падающий квант упруго соударяется с электронами вещества. В результате часть энергии затрачивается на увеличение кинетической энергии электрона и длина волны излучения увеличивается. Поэтому комптоновское рассеяние некогерентно, и рассеянное излучение не может интерферировать. Поэтому мы не будем на нем останавливаться, тем более, что это рассеяние незначительно для сравнительно мягкого излучения, используемого в структурном и фазовом анализе.
Фотоэффект. Этот процесс имеет место только в случае жесткого первичного излучения. В этом случае, взаимодействуя с атомами вещества, рентгеновские лучи могут выбивать электроны за пределы атома, ионизируя его. При большой кинетической энергии выбитых электронов они сами могут являться источником нехарактеристического рентгеновского излучения. То есть этот вид излучения вносит вклад только в сплошное (белое) излучение.
Суммарное поглощение рентгеновского излучения веществом.
Проходя через вещество, рентгеновские лучи вызывают ионизацию атомов, возбуждение в них флуоресцентного излучения и образование Оже-электронов. Эти процессы ответственны за поглощение рентгеновских лучей. Кроме того, интенсивность лучей, проходящих через вещество в направлении падающего пучка, уменьшается из-за рассеяния его электронами вещества по всем направлениям. Наконец, рентгеновские кванты очень большой энергии (больше 1 МэВ), пролетая около ядер, вызывают появление электронно-позитронных пар. Все это уменьшает интенсивность проходящего пучка тем больше, чем толще слой вещества.
Общий закон, количественно определяющий ослабление любых однородных лучей в поглощающем веществе можно сформулировать следующим образом:
«В равных толщинах одного и того же однородного вещества поглощаются равные доли энергии одного и того же излучения».
Если интенсивность лучей, падающих на вещество, обозначить через I 0 , а их интенсивность после прохождения через пластинку из поглощающего вещества как I, то этот закон можно выразить в следующем виде:
Возьмем тонкий однородный экран, проходя через который монохроматический пучок с сечением, равным единице, теряет энергию dI. Она пропорциональна толщине экрана dx и интенсивности пучка I 0 . Получим, что:
dI = - μ I 0 dx
где: dx – толщина слоя вещества;
Постоянна величина μ предствляет собой натуральный логарифм числа, характеризующего уменьшение интенсивности при прохождении лучей через слой данного вещества единичной толщины:
μ = ln (I 0 /I) (при dх =1).
Называется этот коэффициент μ –линейным коэффициентом поглощения для данного вещества, или линейным коэффициентом ослабления лучей.
Решая это уравнение, получим:
I = I 0 exp (-μ x)
Где х – толщина слоя поглощения.
Коэффициент поглощения можно рассматривать как сумму коэффициентов собственного поглощения τ и коэффициента рассеяния σ.
μ = τ + σ
Удобнее пользоваться массовыми коэффициентами поглощения, т. к. коэффициенты линейного поглощения пропорциональны плотности вещества образца.
μ/ρ = τ/ρ + σ/ρ
В интересующем нас интервале длин волн массовый коэффициент рассеяния много меньше коэффициента собственного поглощения τ/ρ, поэтому приближенно принимают что:
Если известен состав вещества образца, то можно вычислить для него μ/ρ, зная содержание компонентов в весовых (массовых) процентах.
Рассматриваемые коэффициенты поглощения зависят от порядкового номера вещества и от длины волны рентгеновского излучения. Существуют специальные таблицы. Эти данные необходимы, например, для определения глубины проникновения рентгеновского излучения в исследуемое вещество при заданной геометрии съемки рентгенограммы.
Теперь давайте посмотрим, зачем это нужно. На слайде 26 показан спектр поглощения рентгеновского излучения в никеле (зависимость коэффициента поглощения μ/ρ от длины волны рентгеновского излучения). Видно, что при определенных значениях длин волн происходит резкое изменение величины коэффициента поглощения.
В интервале между скачками коэффициент поглощения увеличивается с увеличением длины волны по приближенной зависимости:
где: k – коэффициент пропорциональности, а Z – порядковый номер элемента.
Длины волн, соответствующие скачкам коэффициента поглощения, называются краями полос поглощения. Они имеют тонкую структуру, которую мы не будем рассматривать.
Как уже указывалось, поглощение рентгеновского излучения, в основном, обусловлено выбиванием электронов с внутренних или внешних электронных оболочек атомов. Если энергия излучения больше или равна энергии, необходимой для удаления электрона с данной оболочки, то происходит поглощение, вызванное этим процессом. Если же энергия излучения меньше, то поглощение происходит только за счет более внешних оболочек. Поэтому различают K-, L-, M- и т.д. края полос поглощения.
Коэффициент k в приведенном уравнении приблизительно равен 7х10 -3 для длин волн, меньших К-края полосы поглощения исследуемого вещества. В интервале между K- и L- краями полос поглощения он равен примерно 9х10 -4 . То есть, при переходе через К- край полосы поглощения коэффициента поглощения меняется примерно в 8 раз. Это и вызывает скачок на спектре.
Наличие этих скачков учитывается при выборе излучения для съемки рентгенограмм. Вторичное рентгеновское излучение краев полос поглощения вызывает значительное увеличение фона на рентгенограммах, и поэтому нежелательно. Поэтому для съемки выбирают излучение или с длинй волны, значительно меньшей λ края, или большей λ края. (слайд 28 а и б).
Наличие краев полос поглощения используется и для ослабления β – излучения. Для этого на пути пучка излучения К – серии ставится тонкая пластинка из материала с краем полосы поглощения, лежащим между α и β -линиями используемого излучения. (Слайд 28 г).
Обычно в качестве фильтра может быть использована фольга элемента с порядковым номером на единицу меньше порядкового номера анода.
Но в реальности не все так просто. Например, для съемки рентгенограммы двуокиси титана TiO 2 можно использовать излучение от молибденовой трубки, так как длина волны рентгеновского излучения в этом случае равна 0,709 А, то есть много меньше края полосы поглощения титана (2,50 А). То есть, мы реализуем ситуацию положения (а) на слайде. Однако использование для фазового анализа излучения этой трубки нежелательно. Из-за малой длины волны разрешающая способность и точность определения межплоскостных расстояний будет невысокой. Предпочтение следует отдать излучению с большей длиной волны. Например, - от медной трубки. Длина волны CuK α равна 1,54А, также меньше края полосы поглощения титана. В качестве фильтра ставят никелевую фольгу. Порядковый номер меди 29, а у никеля 28. Для ослабления вторичного титанового излучения поверх никеля помещают еще алюминиевую фольгу. Более мягкое титановое излучение будет поглощаться значительно сильнее, чем более жесткое медное. То есть, процесс выбора длины волны и материала фильтра не очень прост.
2. ИСТОЧНИКИ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Основные способы получения рентгеновских лучей для структурных исследований связаны с использованием потока быстро летящих электронов. Ускорители электронов – бетатроны и линейные – используются для получения мощного коротковолнового рентгеновского излучения, применяемого, главным образом, в дефектоскопии.
Но ускорители электронов громоздки, сложны в настройке и используются преимущественно в стационарных установках. Наиболее распространенным источником рентгеновских лучей является рентгеновская трубка.
По принципу получения электронных пучков рентгеновские трубки делятся на трубки с горячим катодом, (свободные электроны возникают в результате термоэлектронной эмиссии (рис. 3)) и трубки с холодным катодом (свободные электроны возникают в результате автоэлектронной эмиссии). Рентгеновские трубки обоих типов могут быть запаянными с постоянным вакуумом и разборными, откачиваемыми вакуумными насосами.
Наиболее распространены запаянные рентгеновские трубки с горячим катодом. Они состоят из стеклянной колбы и двух электродов – катода и анода (рис. 5). В колбе создается высокий вакуум (10-7 – 10-8 мм рт. ст.), обеспечивающий свободное движение электронов от катода к аноду, тепловую, химическую и электрическую изоляцию раскаленного катода.
Катод рентгеновской трубки состоит из нити накала и фокусирующего колпачка. Форма нити и колпачка определяется заданной формой фокусного пятна на аноде трубки – круглой или линейчатой. Нить из вольфрамовой спирали разогревается электрическим током до 2000 – 2200 С; для повышения эмиссионных характеристик нить часто покрывают соединениями тория.
Размеры фокусного пятна определяют оптические свойства рентгеновской трубки. Резкость изображения при просвечивании, а также точность рентгеноструктурного анализа тем выше, чем меньше размеры фокуса. Рентгеновские трубки с малым размером фокуса называются острофокусными.
Анод рентгеновской трубки представляет собой медный цилиндр, в торец которого впрессовано зеркало анода – пластинка из материала, в котором происходит торможение электронов. В рентгеновских трубках для просвечивания зеркало изготовлено из вольфрама, для рентгеноструктурного анализа – из того металла, характеристическое излучение которого будет использовано. Торец анода в рентгеновских трубках для структурного анализа срезан под определенным углом к оси анода (пучку электронов). Это делается с целью получить выходящий из трубки пучок с максимальной интенсивностью.
При ударе электронов о зеркало анода приблизительно 96% их энергии превращается в тепло, поэтому анодный цилиндр охлаждается протекающими водой или маслом.
Анод защищен специальным медным чехлом для задержания отраженных от анода электронов и защиты от неиспользуемых рентгеновских лучей. В этом чехле есть одно или несколько окошек для выхода рентгеновских лучей, в которые вставляются тонкие пластинки из бериллия, который практически не поглощает рентгеновское излучение, генерируемое в трубке.
Предельная мощность рентгеновской трубки P определяется мощностью проходящего через нее электрического тока:
где U – максимальное напряжение, прилагаемое к рентгеновской трубке; I – максимальный ток, идущий через рентгеновскую трубку.
Реальная предельная мощность зависит от площади фокусного пятна (т. е. удельной мощности), материала анода и продолжительности работы трубки. Кратковременные нагрузки могут быть в десятки раз выше длительных нагрузок.
Практически измеряемый ток через рентгеновскую трубку появляется лишь при достижении током накала определенной величины, соответствующей температуре нагрева нити 2000–2100 С (рис. 6 а); повышение тока накала резко увеличивает температуру и количество испускаемых нитью электронов (эмиссионный ток). При постоянном токе накала и при низких напряжениях на анод попадают не все электроны эмиссии, а лишь их часть, тем большая, чем больше анодное напряжение. При определенном напряжении, зависящем от тока накала, все электроны эмиссии попадают на анод (режим насыщения), поэтому дальнейшее увеличение анодного напряжения не увеличивает анодный ток (он равен эмиссионному). Это предельное значение анодного тока называют током насыщения, и он тем выше, чем больше ток накала (рис. 6 б). Рентгеновские трубки работают в режиме насыщения при напряжениях в 3–4 раза выше номинального, т. е. необходимого для установления тока насыщения. Поэтому анодный ток регулируют в широких пределах, незначительно изменяя ток накала.
В обозначениях рентгеновских трубок для структурного анализа вместо анодного напряжения указывается материал зеркала анода, в качестве которого используются Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Ag, W и некоторые другие чистые металлы. (Каждая, естественно, имеет свою длину волны характеристического излучения). Например, трубка 0,7БСВ-2-Со имеет длительную мощность 0,7 кВт, безопасна, предназначена для структурного анализа, водяное охлаждение, тип 2, кобальтовый анод.
РЕГИСТРАЦИЯ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.
Для регистрации рентгеновских лучей применяются фотографический, люминесцентный, сцинтилляционный, электрофотографический и ионизационный методы.
Исторически первым, и до недавнего времени наиболее используемым был фотографический метод.
Фотографический метод регистрации рентгеновских лучей широко распространен и в настоящее время. Он обладает высокой чувствительностью и документальностью, но требует использования специальных фотоматериалов и их трудоемкой обработки. Рентгеновские пленки имеют двухсторонний слой эмульсии, содержащий значительно больше бромистого серебра, чем обычные фотоматериалы. Фотоэмульсия состоит из мельчайших (~ 1 мкм) кристалликов AgBr с присадками небольших количеств серы, что создает структурные дефекты. Поэтому возникают центры возбуждения скрытого изображения. При поглощении квантов рентгеновских лучей с энергией ν = ε h в эмульсии, как и при действии видимого света, идут процессы по схеме:
AgBr + h ν → Ag + Br.
Скопление 20-100 атомов Ag образует устойчивый центр скрытого изображения, который способен проявляться под действием фотореагента – проявителя. Кристаллики, содержащие центры скрытого изображения, восстанавливаются до металлического серебра. Кристаллики AgBr, не содержащие таких центров и не восстановленные проявителем, вымываются из эмульсии закрепляющим раствором. В результате на фотопленке остаются только зерна металлического серебра. Число таких зерен и определяет плотность почернения фотоэмульсии, которое пропорционально экспозиции – произведению интенсивности излучения на время облучения.
Оценку плотности почернения на рентгенограммах производят визуально или более точно с помощью микрофотометров, которые позволяют записать и рассчитать кривую распределения плотности почернения.
Люминесцентный метод наблюдения изображения на светящемся экране (рентгеноскопия) обладает очень большой производительностью, не требует затрат на фотоматериалы. Этот метод основан на свечении под действием рентгеновских лучей некоторых веществ и особенно люминофоров – веществ, дающих большой выход видимого излучения (флуоресценцию).
Наилучшим люминофором с желто-зеленым свечением является смесь 50% ZnS+50% CdS. Подобные люминофоры используют для изготовления экранов визуального наблюдения изображений в рентгеновских лучах (экраны для просвечивания в дефектоскопии и медицинской диагностике). Небольшие экраны применяют для настройки рентгеновских камер и юстировки гониометров рентгеновских дифрактометров. Люминофор CaWO4 (с сине-фиолетовым свечением) применяют для усиления фотографического действия рентгеновских лучей. Для этого экран плотно прижимают к эмульсии фотографической пленки, что позволяет резко уменьшить экспозицию при просвечивании (флюорография).
Сцинтилляционный счетчик представляет собой сочетание люминесцентного кристалла (NaI с примесью активатора из талия Tl) и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ).
Проникая в сцинтиллятор, квант рентгеновского излучения поглощается люминофором, в результате чего образуется фотоэлектрон. Проходя через вещество кристалла этот электрон ионизирует большое количество атомов. Ионизированные атомы, возвращаясь в стабильное состояние, испускают фотоны ультрафиолетового света. Эти фотоны, попадая на фотокатод ФЭУ, выбивают из него электроны, котрые, ускоряясь в электрическом поле фотоумножителя, попадают на первый эмиттер. Каждый электрон выбивает из материала покрытия эмиттера несколько электронов, и весь процесс повторяется на следующем эмиттере и так далее. Современные ФЭУ состоят из 8 – 15 каскадов, их полное усиление доходит до 10 7 – 10 8 .
На каждый каскад подается напряжение 150-200 вольт. Общее напряжение на ФЭУ 600 – 2000В. На выходе ФЭУ возникает импульс напряжения, пропорциональный энергии регистрируемого кванта. Например, для Кα меди амплитуда этого импульса равна 0,01 В. Поэтому для регистрации таких импульсов используются усилители с усилением порядка тысячи.
Электрофотографический метод (ксерография) сохраняет многие преимущества фотометода, но более экономичен. Принцип его такой же, как у множительных аппаратов. Этот метод пока не нашел широкого применения в практике структурных исследований, но для решения задач дефектоскопии, особенно при микродефектоскопии на основе так называемых рентгеновских микроскопов, он начинает использоваться.
Ионизационный метод позволяет точно измерять интенсивность рентгеновских лучей, но измерение проводится на небольшой площади, определяемой размерами входного окна счетчика и измерительных щелей. Поэтому для измерения пространственного распределения интенсивности рентгеновских лучей необходимо сканирование – перемещение счетчика по всей области углов рассеяния.
Это ограничивает применение метода в дефектоскопии, где он широко используется только для измерения толщины, однако в рентгеноструктурном анализе этот метод практически вытесняет все остальные, несмотря на необходимость использования дорогостоящей электронной аппаратуры.
Ионизационный метод основан на ионизации атомов вещества при взаимодействии с квантами рентгеновских лучей. Если ионизация газа происходит в поле плоского конденсатора, то образовавшиеся ионы движутся к соответствующим электродам, и возникает ионизационный ток. При увеличении напряженности электрического поля на обкладках конденсатора скорость ионов увеличивается, поэтому уменьшается вероятность их нейтрализации при столкновении противоположных ионов, следовательно, возрастает ионизационный ток (рис. 7). При напряжении U > U 1 нейтрализация становится ничтожной, и ионизационный ток достигает насыщения.
При дальнейшем увеличении напряжения до U = U 2 ионизационный ток не увеличивается, возрастает лишь скорость ионов. При U > U 2 скорость ионов становится настолько большой, что происходит ударная ионизация молекул газа. Фотоэлектроны, образовавшиеся при взаимодействии излучения с атомами газа и потерявшие скорость при соударениях, не рекомбинируют, а вновь ускоряются, получая кинетическую энергию, достаточную для ионизации газа и создания новых пар ион – электрон. В результате этих процессов ударная ионизация происходит снова и снова и количество электронов лавинообразно растет. Ток начинает линейно возрастать с увеличением напряжения за счет так называемого газового усиления. Коэффициент усиления при напряжениях до U ≤ U 3 может достигать 10 2 -10 4 (область полной пропорциональности).
В этой области существуют два вида разрядов: несамостоятельный и самостоятельный. В области U 2 - U 3 лавины электронов быстро затухают и разряд прекращается, как только все ионы и электроны достигают катода и анода. Разряд существует только до тех пор, пока в счетчик попадает излучение. Это несамостоятельный разряд.
Дальнейшее повышение напряжения вызывает самостоятельный разряд.
При U > U 3 нарушается линейность газового усиления (область неполной пропорциональности). При U > U 4 возникает лавинный разряд. Лавинообразование идет также под действием фотоэлектронов, образующихся за счет фотоэффекта на катоде. Катод облучается ультрафиолетовым излучением, образующимся при рекомбинации ионов. Разряд мгновенно распространяется по всему объему газа и для его поддержания не требуется новых квантов излучения.
Рассеяние и поглощение рентгеновского излучения .
Рентгеновское излучение (Х–лучи , Рентген, 1895) возникает при бомбардировке быстрыми электронами металлической мишени – анода (антикатод )(рис. 3.16). В технических рентгеновских трубках ускоряющее напряжение между катодом и анодом около 100 кВ. Из опытов Баркла (1905) по двойному рассеянию рентгеновского излучения следовало, что это излучение поперечно поляризовано. Опыты Брэгга, Лауэ, Фридриха, Книппинга, а также Дебая и Шерера по дифракции рентгеновского излучения в кристаллах показали, что рентгеновское излучение, так же как свет, имеет электромагнитное происхождение. Однако рентгеновское излучение характеризуется гораздо меньшими длинами волн. Рентгеновское излучение занимает спектральную область между гамма и ультрафиолетовым излучением в диапазоне длин волн от до см.
Рис.3.16 Источники рентгеновского излучения - рентгеновские трубки,
некоторые радиоактивные изотопы, ускорители заряженных частиц, лазеры рентгеновского диапазона, Солнце и другие космические объекты.
Два типа рентгеновского излучения: тормозное ихарактеристическое .
Тормозное излучение (рис. 3.17) возникает вследствие замедления электронов в мишени и не зависит от вещества мишени. Спектр тормозного излучения сплошной, потому что переменный ток, связанный с тормозящимся электроном, изменяется монотонно, а не периодически. С увеличением длины волны интенсивность тормозного излучения после максимума монотонно ослабевает. Со стороны коротких длин волн интенсивность резко обрывается – коротковолновая граница (квантовый предел )тормозного излучения. По корпускулярным представлениям энергия кванта излучения будет максимальной, если вся энергия тормозящегося в мишени электрона eV тратится на излучение:
. (3.48)
Определение коротковолновой границы в эксперименте позволяет найти по формуле (3.48) очень точное значение комбинации постоянных hc/e .
С увеличением ускоряющего напряжения на фоне сплошного спектра, начиная с некоторого критического значения, возникают резкие максимумы. Их положение зависит от вещества мишени (рис. 3.17б). Эти максимумы связывают с характеристическим рентгеновским излучением.
Оно имеет линейчатый, дискретный спектр. В этом оно аналогично оптическому излучению атомов. Характеристическое излучение также группируется в спектральные серии (рис.3.18). Их обозначение: К–
серия, L–
серия, М–
серия и т.д. (Баркла,
1911). Однако свойства характеристического излучения существенно отличаются от свойств оптического излучения:
I. Характеристическое излучение имеет небольшое число линий;
II. Отсутствует периодичность в рентгеновских спектрах при последовательном прохождении периодической системы. Наблюдается монотонное смещение в коротковолновую часть спектра;
III. Характеристическое излучение является чисто атомным свойством вещества. Оно не зависит от того, находится ли
Рис.3.18 вещество в чистом виде или в каком-либо химическом
соединении. Это позволяет проводить анализ состава сложных химических соединений;
IV. Отсутствует обращение спектральных линий. В оптическом диапазоне спектры испускания и спектры поглощения данного атома взаимно обращаемы. Они характеризуются одними и теми же длинами волн. При этом спектры поглощения получаются при пропускании сплошного света сквозь холодные пары атомов. Если пропускать сплошное рентгеновское излучение через вещество, то наблюдаются не линии характеристического излучения, а полосы поглощения.
Механизм возникновения характеристического излучения связан не с периферийными электронами атома, как в случае оптического излучения, а с его внутренними электронами. По интерпретации Косселя (1917) характеристическое излучение происходит в два этапа:
1) бомбардирующий мишень электрон выбивает из атома электрон с какой-то внутренней оболочки. В результате этого атом становится возбужденным, а в оболочке образуется «дырка»;
2) электроны атома с верхних уровней переходят на уровень с «дыркой». Избыток энергии при этом освобождается в виде рентгеновского излучения - возникают K– , L– , M– , N– серии (рис.3.19).
Отдельные линии каждой спектральной серии обозначаются в порядке уменьшения длины волны: . К–
серия самая коротковолновая: 
. Все линии имеют тонкую структуру. Линии К–
серии являются дублеты: 
.
С увеличением энергии электронов, сталкивающихся с
Рис.3.19 мишенью, появляются линии длинноволновых серий,
и в последнюю очередь возникают линии К– серии. Наименьшее значение ускоряющей разности потенциалов, при котором в характеристическом спектре появляются линии некоторой серии - критический потенциал возбуждения этой серии для данного элемента. М– серия имеет 5 критических потенциалов возбуждения, L– серия – 3, К– серия – 1 (рис. 3.19). Потенциал возбуждения К– серии - потенциал ионизации атома. Если возбуждается К– серия, то одновременно возникают все остальные серии данного элемента.
Рентгеновские спектры атомов дают возможность точного определения заряда ядра (порядкового номера элемента в периодической системе Менделеева). Это показал Мозли (1913): частота линий рентгеновского излучения определяется формулой бальмеровского типа. В частности, частота линии равна:
. (3.49)
Z – 1 эффективный заряд ядра, который экранирован одним из электронов К– слоя. Аналогичная приближенная формула получена для линии , при этом эффективный заряд ядра определяется как Z – a , где a – постоянная экранирования. Закон Мозли (рис.3.20):
– постоянные.
При прохождении слоя вещества толщиной х интенсивность параллельного пучка рентгеновского излучения ослабляется по закону:
k – коэффициент ослабления . Ослабление излучения происходит по двум причинам: из-за рассеяния , в результате которого часть лучей изменяет свое первоначальное направление; из-за поглощения (абсорбции ) , в результате которого часть энергии излучения в конце концов переходит в тепло:
– коэффициент истинного поглощения, – коэффициент рассеяния рентгеновских лучей.
Часто пользуются массовыми коэффициентами:
, (3.50б)
– плотность вещества.
Используются также атомные коэффициенты:
, (3.50в)
– масса атома, А – масса моля вещества, – число Авогадро.
Рассеяние излучения вызывается неоднородностями cреды и флуктуациями ее плотности. В рентгеновском диапазоне неоднородности - атомы и электроны в атомах. В случае мягкого рентгеновского излучения , когда его длина волны достаточно велика и превосходит размеры атома, атом рассеивает как целое падающее излучение. Рассеяние когерентно - падающее и рассеянное излучения характеризуются одной и той же частотой (длиной волны). Это – томсоновское рассеяние , сечение которого определяется классическим радиусом электрона.
В случае жесткого рентгеновского излучения
(энергия более 10 кэВ)рассеяниестановится некогерентным
(Комптон,
1923). Схема установки Комптона (рис.3.21). Источник рентгеновского излучения трубка Т
с молибденовым антикатодом. С помощью диафрагм и фильтров выделялось излучение с длиной волны 0,71 (линия ), которое падало на
Рис.3.21 образец R (из графита). Анализ рассеянного излучения проводился
с помощью дифракционного спектрометра (кристалл К и фотопластинка Р ). Эксперименты Комптона показали, что наряду со смещенной линией рассеяния наблюдается несмещенная линия (рис.3.22). Ее возникновение связано с когерентным рассеянием излучения атомом как целого. При этом, чем более жестким является рентгеновское излучение, т.е. чем больше энергия рентгеновского кванта по сравнению с энергией связи электрона в атоме, тем более справедливо приближение свободного электрона, и тем меньше роль когерентного рассеяния рентгеновского излучения данным веществом. Однако Комптон–эффект играет преобладающую роль при энергии фотонов до 1 МэВ. При больших энергиях более существенным становится другой процесс - рождение пар. Это процесс превращения фотона в пару электрон–позитрон.
Спектр поглощения
рентгеновского излучения составляют полосы.
Этим он отличается от оптических спектров поглощения, которые состоят из отдельных линий. Поглощение рентгеновского излучения не зависит от оптических свойств вещества. Например, свинцовое стекло толщиной в несколько миллиметров прозрачно для света, но практически полностью поглощает рентгеновское излучение; алюминиевый листок совершенно не прозрачен для света, но не поглощает рентгеновские лучи. В пределах полосы поглощения коэффициент поглощения рентгеновских фотонов с энергией от до эВ монотонно убывает в соответствии с приближенной формулой (рис.3.23):
Рис.3.22 – эмпирическая постоянная. Резкие скачки - края полос поглощения. Они
соответствуют энергии, достаточной для выбивания электронов с М–, L–, K–слоев (критические потенциалы возбуждения М–, L–, K– серий). «Зазубренность» краев полосы: каждая серия, кроме К–серии, имеет несколько критических потенциалов. По значениям этих краев находят энергию связи электронов в слоях и оболочках атомов.
Поглощение рентгеновского излучения может сопровождаться как ионизацией атомов (и появлением фотоэлектронов), так и испусканием излучения более низкой частоты (флуоресценцией). Согласно (3.53) с увеличением энергии фотонов (уменьшением длины волны) поглощение рентгеновского излучения ослабевает. Поэтому коротковолновое излучение обладает большой проникающей способностью (жесткое излучение).Мягкое рентгеновское излучение очень сильно поглощается почти всеми веществами.
Сильная зависимость коэффициента поглощения от частоты
Рис.3.23 используется для изготовления фильтров, отсекающих мягкую
часть спектра. Поглощение рентгеновского излучения - чисто атомное свойство вещества: молекулярный коэффициент поглощения аддитивно складывается из атомных коэффициентов поглощения элементов, входящих в состав данного вещества.
В 1925 г. Оже изучал процесс возникновения электронов при поглощении жесткого рентгеновского излучения атомами криптона. Фотографируя треки возникающих фотоэлектронов в камере Вильсона, Оже обнаружил, что иногда из одной точки выходят следы двух, а не одного электрона. Это Оже–эффект. Механизм возникновения второго, Оже–электрона: Воздействие кванта жесткого рентгеновского излучения на атом приводит к выбросу из него электрона из К-слоя, в котором образуется «дырка». Атом становится ионизованным и сильно возбужденным. Освобождение его энергии в виде рентгеновского излучения не единственный механизм. Энергия возбуждения атома столь высока, что возможен вылет из него второго электрона с L–слоя, причем без излучения кванта . Энергия Оже–электрона еV определяется законом сохранения энергии:
, (3.54)
– энергия фотона, который мог бы излучиться, –энергия ионизации L–электрона. В атоме происходит внутреннее перераспределение энергии, называемое внутренней конверсией, приводящее к выбросу из него Оже–электрона. Атом становится двукратно ионизованным. Оже–эффект рассматривается как проявление общего процесса автоионизации возбужденного атома, который происходит в результате внутренней конверсии. Особенно сильно этот эффект проявляется в случае запрещенных электромагнитных переходов, например, в 0–0 переходах.
Рентгеновское излучение широко используется в самых различных областях науки и техники: в исследованиях электронной структуры атомов, молекул и твердых тел, в медицине, минералогии, материаловедении и т.п. Разработаны разнообразные методы исследований: рентгеновская микроскопия, рентгеновская спектроскопия, рентгеновская топография, созданы многочисленные приборы, в том числе для исследований космических объектов (рентгеновский телескоп), а для исследования биологических объектов - безлинзовый жесткий рентгеновский микроскоп.
.Лекция 22. Эффект Зеемана. Эффект Пашена–Бака.
Некоторые эффекты взаимодействия рентгеновского излучения с веществом
Как было упомянуто выше, рентгеновские лучи способны возбуждать атомы и молекулы вещества. Это может вызывать флюоресценцию определенных веществ (например, сульфата цинка). Если параллельный пучок рентгеновских лучей направить на непрозрачные объекты, то можно наблюдать как лучи пройдут сквозь объект, поставив экран, покрытый флюоресцирующим веществом.
Флуоресцентный экран можно заменить фотографической пленкой. Рентгеновские лучи оказывают на фотографическую эмульсию такое же действие, как и свет. Оба метода используются в практической медицине.
Другим важным эффектом рентгеновского излучения является их ионизирующая способность. Это зависит от их длины волны и энергии. Этот эффект обеспечивает метод для измерения интенсивности рентгеновского излучения. Когда рентгеновские лучи проходят через ионизационную камеру, возникает электрический ток, величина которого пропорциональна интенсивности рентгеновского излучения.
При прохождении рентгеновских лучей через вещество их энергия уменьшается из-за поглощения и рассеяния. Ослабление интенсивности параллельного пучка рентгеновских лучей, проходящих через вещество, определяется законом Бугера: , где I 0 - начальная интенсивность рентгеновского излучения; I - интенсивность рентгеновских лучей, прошедших через слой вещества, d – толщина поглощающего слоя, - линейный коэффициент ослабления. Он равен сумме двух величин: t - линейного коэффициента поглощения и s - линейного коэффициента рассеяния: m = t +s
В экспериментах обнаружено, что линейный коэффициент поглощения зависит от атомного номера вещества и длины волны рентгеновских лучей:
Где - коэффициент прямой пропорциональности, - плотность вещества, Z – атомный номер элемента, - длина волны рентгеновских лучей.
Зависимость от Z очень важна с практической точки зрения. Например, коэффициент поглощения костей, которые состоят из фосфата кальция, почти в 150 раз превышает коэффициент поглощения мягких тканей (Z =20 для кальция и Z =15 для фосфора). При прохождении рентгеновских лучей через тело человека, кости четко выделяются на фоне мышц, соединительной ткани и т.п.
Известно, что пищеварительные органы имеют такую же величину коэффициента поглощения, как и другие мягкие ткани. Но тень пищевода, желудка и кишечника можно различить, если пациент примет внутрь контрастное вещество - сернокислый барий (Z= 56 для бария). Сернокислый барий очень непрозрачен для рентгеновских лучей и часто используется для рентгенологического обследования желудочно-кишечного тракта. Определенные непрозрачные смеси вводят в кровяное русло для того, чтобы исследовать состояние кровеносных сосудов, почек и т.п. Как контрастное вещество в этом случае используют йод, атомный номер которого составляет 53.
Зависимость поглощения рентгеновских лучей от Z используют также для защиты от возможного вредного действия рентгеновского излучения. Для этой цели применяют свинец, величина Z для которого равна 82.