Kamil Styś III IN Opisz mechanizmy otrzymywania promieni

Kamil Styś
III IN
Opisz mechanizmy otrzymywania promieni rentgenowskich, wykaż właściwości tych promieni
i ich zastosowanie.
Źródła Promieniowania Rentgenowskiego
Promieniowanie rentgenowskie uzyskuje się w praktyce (np. w lampie rentgenowskiej) poprzez
wyhamowywanie rozpędzonych elektronów na materiale o dużej (powyżej 20) liczbie atomowej
(promieniowanie hamowania), efektem czego jest powstanie promieniowania o charakterystyce
ciągłej, na którym widoczne są również piki pochodzące od promieniowania charakterystycznego
anody (rozpędzone elektrony wybijają elektrony z atomów anody). Luki po wybitych elektronach
na dolnych powłokach elektronowych pozostają puste do czasu, aż zapełnią je elektrony z wyższej
powłoki. Elektron przechodząc z wyższego stanu emituje kwant promieniowania rentgenowskiego następuje emisja charakterystycznego promieniowania X. Promieniowanie X powstaje także w
wyniku wychwytu elektronu, tj. gdy jądro przechwytuje elektron znajdujący się na powłoce K, w
wyniku czego powstaje wolne miejsce, na które spadają elektrony z wyższych powłok i następuje
emisja kwantu X. Przykładem źródła promieniowania X działającego w oparciu o wychwyt
elektronu jest 55Fe, emitujące 80% kwantów o energii ok. 5,9 keV (linia Kα) oraz 20% o energii
6,2 keV (linia Kβ).
Obecnie są budowane także efektywniejsze źródła promieniowania X, promieniowanie wytwarzane
jest przez poruszające się po okręgu elektrony w synchrotronach, stąd promieniowanie to nazywa
się promieniowaniem synchrotronowym. Pierwsze źródła promieniowania synchrotronowego
należące do tzw. I i II generacji były stosunkowo mało wydajne. Dopiero źródła promieniowania
synchrotronowego nowszej konstrukcji, należące do III generacji, pozwoliły na osiąganie
większych natężeń promieniowania, a przede wszystkim umożliwiły w miarę ciągłą bezawaryjną
pracę. Synchrotrony III generacji zaopatrywano też z reguły w tzw. "urządzenia wstawkowe" (ang.
insertion devices) - wigglery i undulatory. W urządzeniach tych elektrony poruszają się w
periodycznym polu magnetycznym po trajektorii zbliżonej do sinusoidy, dzięki czemu natężenie
emitowanego promieniowania znacznie się zwiększa (nawet o kilka rzędów wielkości) w stosunku
do natężenia promieniowania wytwarzanego w polu magnesów zakrzywiających synchrotronu bez
urządzeń wstawkowych. Przykładem źródeł synchrotronowych mogą być: BESSY II (Berlin),
DORIS III (II generacji, Hasylab, Hamburg), ESRF (III generacji, Grenoble). Obecnie działają już
źródła kolejnej, IV. generacji promieniowania synchrotronowego, lasery rentgenowskie (lasery na
elektronach swobodnych, FEL - ang. Free Electron Laser). Najsilniejszy z nich, laser FLASH w
DESY (Hamburg) wytwarza impulsy monochromatycznego promieniowania w zakresie XUV-SX
(skrajnego ultrafioletu próżniowego do miękkiego promieniowania rentgenowskiego), o czasie
trwania około 25 femtosekund i mocy szczytowej w impulsie dochodzącej do 1 GW. Lasery FEL są
przestrajalne, a emitowane przez nie promieniowanie jest spójne i spolaryzowane liniowo.
Szczytowe natężenie w impulsie osiągać może wartości ponad 9 rzędów wielkości większe niż
otrzymywane z najpotężniejszych synchrotronów III generacji. W lutym 2007 w tym samym
ośrodku w Hamburgu rozpoczęto budowę europejskiego lasera X-FEL działającego w
rentgenowskim zakresie długości fali 6 nm - 0,1 nm. Przewiduje się, że pełną operacyjną zdolność
działania laser ten osiągnie w roku 2013.
W 2008 r. w czasopiśmie Nature ukazała się publikacja informująca, że źródłem nanosekundowych
błysków promieniowania rentgenowskiego jest rozwijana w próżni standardowa taśma klejąca.
Promieniowanie z taśmy jest wystarczająco silne do wykonania zdjęcia rentgenowskiego.
Właściwości promieni rentgenowskich
-wszelkie substancja są dla promieni X w mniejszym lub większym stopniu przejrzyste, na przykład
w kolejności zmniejszającej się przejrzystości są drewno, aluminium, szkło ołowiowe
-są niewidzialne, ale wywołują fluorescencję
-wywołują jonizację powietrza
-wiele substancji (np. platynocyjanek baru, związki wapnia, szkło uranowe, sól kamienna)
fosforyzuje przy naświetlaniu promieniami X.
-emulsje fotograficzne są czułe na promienie X, powoduje zaczernienie kliszy
-w próżni mają prędkość światła
-promienie X nie są odbijane i załamywane przez znane substancje, nie można ich skupić za
pomocą soczewek.
-promienie X, rozchodzą się po liniach prostych, a ich tor nie zakrzywia się w polu magnetycznym
(jak tor promieni katodowych) ani w polu elektrycznym
-promienie X, padając na ciało naelektryzowane (obojętnie dodatnio czy ujemnie), powodują, że
ciało to traci ładunek elektryczny
-promienie X powstają, gdy promienie katodowe z lampy wyładowczej padają na ciało stałe.
Dwa ostatnie spostrzeżenia szybko zaowocowały nowymi rozwiązaniami technologicznymi. W
ciągu miesięcy J. J. Thomson wskazał, że zdolność promieni X do rozładowywania ciał
naładowanych elektrycznie może być wykorzystywana do określania natężenia promieniowania.
Następnie stwierdzono, że płyta wykonana z ciężkiego pierwiastka emituje promienie X znacznie
efektywniej niż płyta wykonana z pierwiastka lekkiego, np. platyna jest znacznie wydajniejsza niż
aluminium. Herbert Jackson zastąpił wkrótce lampę Crooksa swą konstrukcją, w której promienie
katodowe były ogniskowane przed uderzeniem w odpowiednią metalową anodę.
Zastosowanie promieni rentgenowskich
-pierwszą dziedziną, w której promieniowanie Röntgena znalazły praktyczne zastosowanie, była
medycyna.
-lotniska są wyposażone w aparaturę rentgenowską służącą do prześwietlania bagażu. Ruchoma
taśma przesuwa bagaże przed źródłem promieni X. Po prześwietleniu walizki promienie X są
wychwytywane przez detektory. Wykorzystując te promienie, komputer wyświetla na ekranie obraz
zawartości walizki, który obserwują pracownicy lotniska. Dzięki temu zawczasu można
przechwycić przemyt, np. broni lub zorientować się, czy na pokład samolotu nie zostanie wniesiona
bomba.
- promienie X znalazły również zastosowanie w defektoskopii. Defektoskopia rentgenowska polega
na nieniszczących badaniach metali, które mają na celu wykrycie wewnętrznych wad materiału
(pęknięć, pęcherzy, zanieczyszczeń itp.).
--budownictwie - promieniowanie stosuje się przy
spawaniu rurociągów a zwłaszcza przy budowie konstrukcji stalowych gdzie istotna jest
wytrzymałość. Prześwietlenie konstrukcji pozwala zaobserwować, czy jest rura szczelna i
jednorodna.
- naukowcy korzystają z nich, badając np. strukturę cząsteczkową takich materiałów jak plastyk,
inżynierowie prześwietlają kadłub samolotu w poszukiwaniu pęknięć, które mogłyby spowodować
wypadek.
-każdy odbiornik telewizyjny jest źródłem promieniowania X, o małej energii, która nie przedostaje
się przez szybę odbiornika.
-promieniowanie X stosowane jest w różnych rodzajach reaktorów, np. reaktorach doświadczalnych
(za pomocą których przeprowadza się doświadczenia naukowe), reaktorach przemysłowych (do
produkcji energii elektrycznej)
-w mikroskopach elektronowych, cyklotronach, akcelatorach, które są wykorzystywane w fizyce
jądrowej.
- wykorzystuje się także w badaniach pierwiastkowego składu chemicznego substancji (analiza
rentgenospektralna) oraz do badania struktur kryształów (krystalografia rentgenowska).
- umożliwiają również obserwowanie przyćmionych ciał, na przykład pulsarów.
-podczas I wojny światowej rentgenografia służyła do poszukiwania kul i odłamków w ciałach
zranionych żołnierzy
-w 1896 roku promienie X były wykorzystywane we Francji do diagnozowania gruźlicyw przemyśle -badanie i konserwacja artykułów spożywczych(działanie bakteriobójcze)
Promieniowanie rentgenowskie największe zastosowanie znalazło w medycynie:
- promieni rentgenowskich używa się przede wszystkim w medycynie do otrzymywania obrazu
organów wewnętrznych oraz leczenia schorzeń. W badaniach radiologicznych stosowane są
również związki kontrastowe, czyli substancje, które silnie
pochłaniają promienie X.
-dzięki tomografowi rentgenowskiemu uzyskuje się trójwymiarowy obraz wnętrza ciała. Sterowany
komputerem proces wykonywania kolejnych zdjęć badanego narządu (w różnych płaszczyznach i
pod różnym kątem) pozwala uzyskać warstwowy obraz, przedstawiający bardzo dokładnie nawet
niewielkie zmiany chorobowe.
- promienie rentgena nie nadają się do obrazowania tkanek miękkich, ponieważ przez nie
przenikają. Jednak dzięki jądrowemu rezonansowi magnetycznemu otrzymuje się obrazy tkanek
miękkich. Obecnie promienie Röntgena służą nie tylko do oglądania kości, ale też wykorzystywane
są do oglądania i leczenia serca, nerek, płuc, wątroby i innych narządów...
- ma również znaczenie w leczeniu nowotworów złośliwych oraz w niektórych schorzeniach skóry
(rentgenoterapia)
- tomografia komputerowa umożliwia neurochirurgom precyzyjne planowanie zabiegów
operacyjnych.
- dzięki promieniom rentgenowskim znacznie rozszerza się możliwość rozpoznawania i
różnicowania skutków urazów i wielu chorób- do najczęściej wykonywanych badań należą zdjęcia
rentgenowskie narządów klatki piersiowej i układu kostnego.
- wprowadzenie promieni X na przykład do układu naczyniowego pozwala na uwidocznienie
przebiegu i zarysu tętnic oraz żył.
- najnowszym osiągnięciem radiografii jest spiralna tomografia komputerowa. Dzięki odpowiednim
rozwiązaniom konstrukcyjnym umożliwia ona uzyskiwanie w stosunkowo krótkim czasie wielu
częściowo nakładających się na siebie warstw. Efekt nakładania bierze się stąd, że w stałym ruchu
jest nie tylko lampa rentgenowska, ale także stół, na którym leży pacjent.
- Spiralna tomografia komputerowa znalazła szczególne zastosowanie w badaniach układu
naczyniowego. Technika ta ma istotne znaczenie w rozpoznawaniu miażdżycy i w ocenie stopnia
zwężenia naczynia. Najczęściej bada się tętnice szyjne, aortę piersiową i brzuszną, tętnice płucne,
trzewne i nerkowe, a także układ wrotny. Podejmuje się też próby badania naczyń w kończynach
dolnych.
- radiografia cyfrowa znajduje coraz szersze zastosowanie w rutynowych badaniach
radiologicznych, np. układu kostnego i narządów klatki piersiowej. Radiografia cyfrowa ma wiele
zalet, przede wszystkim pacjent otrzymuje o 40-50% promieniowania jonizującego mniej.
Wielokierunkowe przetwarzanie obrazu otwiera nowe możliwości praktyczne i poznawcze.
- wykorzystanie w rentgenoterapii tj. dział radiologii obejmujący zastosowanie lecznicze
rentgenowskiego promieniowania. Może dotyczyć powierzchownych lub głębokich części ciała.
- obecnie z reguły zastosowanie promieniowania X jest ograniczone do chorób nowotworowych i
stanowi dziedzinę wyspecjalizowanych w tym kierunku onkologów.
- promienie X są wykorzystywane do niszczenia chorych komórek.