Рентгеновское излучение. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Рентгеновское излучение (рентгеновские лучи) - электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между УФ- и гамма-излучением в пределах длин волн

от 10² до 10^-3 нм (или энергий фотонов hv от 10 эВ до неск. МэВ;

- частота излучения). Открыто в 1895 В. К. Рентгеном (W. К. Roentgen). Р. и. с

нм обладает значит, проницающей способностью и наз. жёстким; при

нм Р. и. сильно поглощается веществом и наз. мягким.

Источники рентгеновского излучения. Наиб. распространённый источник Р. и.- рентг. трубка, в к-рой электроны, вырывающиеся из катода в результате термоэлектронной или автоэлектронной эмиссии, ускоряются алектрич. полем и бомбардируют металлич. анод. Атомы анода, возбуждаемые электронным ударом, и электроны, теряющие кинетич. энергию при торможении в веществе, испускают Р. и. Излучение рентг. трубки наз. первичным и состоит из двух частей: линейчатой (характеристическое Р. и.) и непрерывной (тормозное Р. и.; см. Рентгеновские спектры ).При действии первичного Р. и. на вещество последнее испускает флуоресцентное (вторичное) Р. и., состоящее только из линейчатой части. Если мишень бомбардировать протонами,

-частицами или более тяжёлыми ионами с энергией неск. МэВ на нуклон, то мишень будет испускать Р. и. линейчатого спектра с очень слабым непрерывным излучением (контрастность характеристич. линий такого Р. и. очень высокая). Для ускорения ионов используют электростатич. генераторы или циклотроны.

В качестве источников Р. и. могут служить также нек-рые радиоактивные изотопы; одни из них непосредственно испускают Р. и. (напр., атом ⁵⁵Fe в результате К-захвата превращается в ⁵⁵Мn и испускает K-спектр Мn), ядра др. радиоактивных элементов (напр., ²¹⁰Ро) испускают электроны или

-частицы, бомбардирующие мишень, к-рая испускает Р. и. Интенсивность излучения изотопных источников на неск. порядков ниже интенсивности излучения рентг. трубки, а их габариты, вес и стоимость значительно меньше, чем у установки с рентг. трубкой.

Излучение рентг. диапазона присутствует и в синхротронном излучении. Это Р. и. можно выделить монохроматором и использовать для разл. целей. Оно на неск. порядков величины превосходит по интенсивности излучение рентг. трубки. Ещё более интенсивную рентг. составляющую содержит ондуляторное излучение, к-рое на неск. порядков превосходит по интенсивности рентг. составляющую синхротронного излучения; в этих случаях энергия Р. и. столь велика, что кристалл-анализатор, используемый в рентгеновской спектральной аппаратуре, нагревается до неск. сотен °С и разрушается, если не приняты спец. меры защиты. Очень высокой интенсивностью обладает также рентг. составляющая переходного излучения. Естеств. источники Р. и.- Солнце и др. космич. объекты, в т. ч. Луна, поверхность к-рой бомбардируют частицы высокой энергии, испущенные Солнцем.

Характеристич. Р. и. поликристаллич. анода рентг. трубки распространяется в пространстве изотропно, тогда как распространение тормозного Р. и. анизотропно. При малых напряжениях на рентг. трубке (до 20-30 кВ) тормозное Р. и. имеет макс. интенсивность в направлениях, лежащих в плоскости, перпендикулярной направлению движения электронов, возбуждающих Р. и. При очень высоких напряжениях на рентг. трубке (более неск. сотен тысяч кВ) почти всё излучение распространяется в направлении движения пучка электронов и выходит наружу через пластинку анода. Рентг. составляющая синхротронного излучения поляризована и распространяется только в плоскости кольца синхротрона. Вертикальная расходимость этого излучения очень мала.

Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом. Существуют два осн. типа взаимодействия Р. и. с веществом: фотоэффект и рассеяние Р. и. При фотоэффекте атом поглощает фотон Р. и. и испускает электрон одной из своих внутр. оболочек. Такое возбуждённое состояние атома неустойчиво, и через 10^-16-10^-15 с он совершает переход в состояние с меньшей энергией; при этом электрон одной из более удалённых от ядра оболочек заполняет вакансию во внутр. оболочке. Избыток энергии либо испускается в виде рентг. фотона характеристич. излучения атома (излучат. переход), либо атом испускает ещё один электрон (безызлучат. переход, напр. при оже-эффекте)и становится дважды ионизованным. Переход атома в осн. состояние после его внутр. ионизации сопровождается испусканием фотонов характеристич. излучения и оже-электронов. (О зависимости вероятности поглощения Р. и. от энергии фотонов hv и ат. номера Z атомов вещества см. в ст. Рентгеновские спектры.)

В отличие от поглощения, при рассеянии Р. и. фотоны изменяют направление движения и могут потерять лишь часть своей энергии. При когерентном (упругом) рассеянии Р. и. энергия фотонов не изменяется, но после рассеяния они движутся в др. направлении (рэлеевское рассеяние ).Некогерентное (неупругое) рассеяние с уменьшением энергии фотонов Р. и. может быть двух типов: корпускулярное (см. Номптона эффект)и комбинационное. При корпускулярном рассеянии происходит обмен импульсами между электроном атома и фотоном, в результате чего энергия фотона уменьшается на величину, зависящую от угла рассеяния, а из атома вылетает электрон отдачи. При комбинац. рассеянии за счёт части энергии фотона атом испускает электрон. Потеря энергии фотона в этом процессе от угла рассеяния не зависит. Обычно вероятность комбинац. рассеяния значительно меньше вероятности корпускулярного рассеяния; однако если комбинац. рассеяние происходит на одном из электронов L-оболочки, а энергия фотона совпадает с энергией электронов K-оболочки (с точностью до ширины К-уровня), то наблюдается резонансное комбинационное рассеяние Р. и., вероятность к-рого повышается на неск. порядков величины и значительно превосходит вероятность корпускулярного рассеяния. В области малых hv и Z преобладает когерентное рассеяние, при больших hv и Z - некогерентное рассеяние. В результате интерференции когерентно рассеянного атомами кристалла Р. и. наблюдается дифракция рентгеновских лучей - рентг. пучок расщепляется, возникают дифракц. пучки (в направлениях, определяемых Брэгга - Вулъфа условием). На этом явлении основан рентгеновский структурный анализ.

Р. и. на границе раздела двух сред разл. диэлектрической проницаемости преломляется. Вследствие малости длины волны Р. и. показатель преломления вещества в рентг. области спектра очень близок к единице (меньше единицы на ~10^-5-10^-6). В результате этого фазовая скорость Р. и. в веществе превосходит скорость света в вакууме. При точных измерениях углов дифракции Р. и. отличие показателя преломления от единицы приводит к усложнению вида условия Брэгга - Вульфа, к-рое установлено в предположении, что зависимостью показателя преломления от

можно пренебречь. Однако вблизи краёв поглощения атомов кристалла-анализатора наблюдается аномальная дисперсия, при к-рой отступления от условия Брэгга - Вульфа становятся значительными (см. Дисперсионная поверхность ).В связи с тем, что для Р. и. показатель преломления меньше единицы и вакуум (или воздух) является оптически наиб. плотной средой, при падении рентг. луча под малым углом скольжения из вакуума на гладкую поверхность вещества происходит полное внешнее отражение этого луча. С возрастанием угла скольжения оно исчезает при нек-ром критич. значении угла

. С возрастанием

этот угол увеличивается. На явлении полного внеш. отражения основано устройство рентг. телескопов (см. Рентгеновская астрономия)и нек-рых рентгеновских микроскопов. Для отражения Р. и. под большими углами (до угла скольжения ~90°) используют спец. многослойные микроструктуры (зеркала); коэф. отражения такого зеркала достигает неск. десятков процентов.

Применение оптич. линз в рентг. области спектра невозможно вследствие большого поглощения Р. и. в материале линз и незначит. отличия показателя преломления от единицы. Для фокусировки Р. и. могут быть использованы зонные пластинки (см. Рентгеновская оптика] .Однако в связи с малыми значениями длины волны Р. и. размеры этих пластинок также очень малы (от 20 мкм до неск. мм); число их колец - неск. сотен, расстояние между соседними внеш. кольцами - десятые доли мкм. Такие пластинки изготавливают с помощью рентгеновской литографии.

Рентгеновский интерферометр также отличается от всех видов оптич. интерферометров. Он представляет собой параллелепипед из монокристалла Si с двумя углублениями одинаковой ширины, параллельными двум противоположным сторонам параллелепипеда, т. е. образует 3 параллельные пластинки Si на общей основе (в виде буквы Ш), атомные плоскости к-рых строго параллельны, в частности перпендикулярны их поверхностям. Если под углом Брэгга к этим плоскостям направить на ниж. пластинку узкий луч Р. и., то он частично пройдёт эту пластинку в осн. направлении, частично дифрагирует в ней, изменяя направление, т. е. первичный луч разделится на два (пластинка наз. делителем лучей). Оба луча затем попадут на ср. пластинку (зеркало) и дифрагируют в ней; на третьей же пластинке (т. н. анализаторе) лучи сойдутся в одну точку. Один из этих лучей проходит через анализатор, не изменяя своего направления, другой - дифрагирует в нём, после чего оба луча получают одно направление, интерферируют один с другим и регистрируются детектором. Если на пути одного из расщеплённых лучей поставить пластинку из исследуемого материала, то число длин волн этого луча внутри пластинки изменится, что скажется на числе максимумов интерференции выходящего луча. Таким методом можно измерить отличие показателя преломления от единицы с точностью до 4 значащих цифр. С помощью двух связанных между собой интерферометров - рентгеновского и интерферометра Фабри - Перо было найдено значение 1-й усл. единицы измерения длины волны Р. и.- т. н. Х-единицы (1 X = 1,0020802*10^-4 нм). Реитг. интерферометр позволяет выполнять особо точные измерения параметров кристаллич. структуры, определять малые механич. напряжения в кристаллах, показатели преломления Р. и. в разл. веществах.

Для получения рентг. спектров используют дифракцию Р. и. от монокристаллов; причём, согласно условию Брэгга - Вульфа, может быть получен рентг. спектр при

(где d - межплоскостное расстояние; применяемые в рентг. спектроскопии кристаллы имеют разл. значения 2d 2,6 нм); при

> 2,6 нм могут быть использованы многослойные микроструктуры, к-рые, однако, обеспечивают лишь сравнительно незначит. разрешение. Диспергирующим элементом для получения спектров с Р. и. в области 1 <

< < 100 нм служат дифракционные решётки со скользящим падением Р. и. под углом в неск. градусов. Такие решётки обычно изготовляют нарезанием штрихов профилиров. алмазным резцом, причём число штрихов доходит до 1200 на 1 мм. Резец передвигается от штриха к штриху с помощью прецизионных винтов, что неизбежно накладывает на решётку дополнит. периодичность, в результате чего в спектре появляются ложные линии, называемые духами. Этого недостатка избегают решётки, изготовленные литографич. методами; с их помощью получают дифракц. решётки с числом, штрихов до 6000 на 1 мм.

Характеристич. Р. и. рентг. трубки не поляризовано, тормозное - частично поляризовано, причём вблизи квантовой границы его спектра коэф. поляризации приближается к 100%. При дифракции характеристич. Р. и. в кристалле возникает поляризация, зависящая от угла Брэгга

и приближающаяся к 100% при

= 45°, т. е. когда угол между падающим н дифрагированным лучами равен 90°.

Регистрация рентгеновского излучения. Для регистрации Р. и. используют чаще всего спец. рентг. фотоплёнку (см. Рентгенограмма ).Т. к. жёсткое Р. и. обладает значит. проницаемостью, фотоплёнка содержит повыш. кол-во AgBr и выполняется двусторонней. Для определения отношения интенсивностей линий спектра или распределений интенсивностей в дифракц. картине по их фотоснимку используют микрофотометры и сенситометрич. кривую зависимости логарифмич. фотоплотности от интенсивности Р. и. При больших интенсивностях их измеряют с помощью ионизационной камеры, при средних и малых интенсивностях - с помощью к--л. пропорционального детектора. Амплитуда регистрируемого сигнала в последних пропорциональна энергии фотона, что позволяет использовать эти приборы в сочетании с многоканальным амплитудным анализатором импульсов в качестве ронтг. спектрометров. Для регистрации Р. и. служат сцинтилляц. счётчики [при

< 0,3 нм; кристаллы Nal(Tl), относит. разрешение ~50% (в области

нм)], пропорциональные счётчики отпаянного или проточного типа [при 0,1 <

< 10 нм; относит. разрешение ~15% (в области

нм)], вторично-электронные или каналовые электронные умножители открытого типа с входным фотокатодом (при

> 1 нм), полупроводниковые детекторы [при

< 1 нм; кристаллы Si(Li) или Ge(Li), относит, разрешение ~2,5% (в области

~ 0,15 нм)]; см. Детекторы частиц. Используют также координатно-чувствнтельные детекторы типа микроканальных пластин или приборов с зарядовой связью, с помощью к-рых линейчатый спектр можно зарегистрировать на ленте самописца в виде записи с правильным относит. расположением линий и правильными относит. амплитудами этих линий.

Применение рентгеновского излучения. Наиб. широкое использование Р. и. нашло в медицине (для рентгенодиагностики и рентгенотерапии нек-рых заболеваний), дефектоскопии металлич. изделий и сварных швов, рентгенографии материалов, рентг. структурном анализе (для исследования атомной решётки кристаллов, фазового анализа сплавов, в частности сталей, определения внутр. механич. напряжений, выявления размеров частиц нек-рых материалов, в частности катализаторов с частицами коллоидного размера), в рентгеновской топографии, рентг. микроскопии, спектроскопии твёрдых тел и молекул, рентгеноспектральном анализе элементного состава материалов (например, поверхности Луны и планет), рентг. астрономии.

Литература по рентгеновскому излучению

Знаете ли Вы, что в 1965 году два американца Пензиас (эмигрант из Германии) и Вильсон заявили, что они открыли излучение космоса. Через несколько лет им дали Нобелевскую премию, как-будто никто не знал работ Э. Регенера, измерившего температуру космического пространства с помощью запуска болометра в стратосферу в 1933 г.? Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.