Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ (рентгеновские лучи) - электромагнитноеизлучение, занимающее спектральную область между УФ- и гамма-излучениемв пределах длин волн от 10² до 10^-3 нм (или энергий фотонов hv от10 эВ до неск. МэВ;- частота излучения). Открыто в 1895 В. К. Рентгеном (W. К. Roentgen).Р. и. с нмобладает значит, проницающей способностью и наз. жёстким; при нм Р. и. сильно поглощается веществом и наз. мягким.

Источники рентгеновского излучения. Наиб. распространённый источникР. и.- рентг. трубка, в к-рой электроны, вырывающиеся из катода в результатетермоэлектронной или автоэлектронной эмиссии, ускоряются алектрич. полеми бомбардируют металлич. анод. Атомы анода, возбуждаемые электронным ударом, <и электроны, теряющие кинетич. энергию при торможении в веществе, испускаютР. 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 веществопоследнее испускает флуоресцентное (вторичное) Р. и., состоящее толькоиз линейчатой части. Если мишень бомбардировать протонами, -частицамиили более тяжёлыми ионами с энергией неск. МэВ на нуклон, то мишень будетиспускать 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 радиоактивныеизотопы; одни из них непосредственно испускают Р. и. (напр., атом ⁵⁵Feв результате К -захвата превращается в ⁵⁵ Мn и испускает K -спектр Мn), ядра др. радиоактивных элементов (напр., ²¹⁰ Ро)испускают электроны или -частицы, <бомбардирующие мишень, к-рая испускает Р. и. Интенсивность излучения изотопныхисточников 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 ондуляторноеизлучение, к-рое на неск. порядков превосходит по интенсивности рентг. <составляющую синхротронного излучения; в этих случаях энергия Р. и. стольвелика, что кристалл-анализатор, используемый в рентгеновской спектральнойаппаратуре, нагревается до неск. сотен °С и разрушается, если не принятыспец. 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 распространяетсяв пространстве изотропно, тогда как распространение тормозного Р. и. анизотропно. <При малых напряжениях на рентг. трубке (до 20-30 кВ) тормозное Р. и. имеетмакс. интенсивность в направлениях, лежащих в плоскости, перпендикулярнойнаправлению движения электронов, возбуждающих Р. и. При очень высоких напряженияхна рентг. трубке (более неск. сотен тысяч кВ) почти всё излучение распространяетсяв направлении движения пучка электронов и выходит наружу через пластинкуанода. Рентг. составляющая синхротронного излучения поляризована и распространяетсятолько в плоскости кольца синхротрона. Вертикальная расходимость этогоизлучения очень мала.

Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом. Существуют дваосн. типа взаимодействия Р. и. с веществом: фотоэффект и рассеяние Р. и. <При фотоэффекте атом поглощает фотон Р. и. и испускает электрон одной изсвоих внутр. оболочек. Такое возбуждённое состояние атома неустойчиво, <и через 10^-16-10^-15 с он совершает переход в состояниес меньшей энергией; при этом электрон одной из более удалённых от ядраоболочек заполняет вакансию во внутр. оболочке. Избыток энергии либо испускаетсяв 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 послеего 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 направлениедвижения и могут потерять лишь часть своей энергии. При когерентном (упругом)рассеянии Р. и. энергия фотонов не изменяется, но после рассеяния они движутсяв 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 рассеяниипроисходит обмен импульсами между электроном атома и фотоном, в результатечего энергия фотона уменьшается на величину, зависящую от угла рассеяния, <а из атома вылетает электрон отдачи. При комбинац. рассеянии за счёт частиэнергии фотона атом испускает электрон. Потеря энергии фотона в этом процессеот угла рассеяния не зависит. Обычно вероятность комбинац. рассеяния значительноменьше вероятности корпускулярного рассеяния; однако если комбинац. рассеяниепроисходит на одном из электронов L-оболочки, а энергия фотона совпадаетс 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 . преобладает когерентное рассеяние, при больших hv и Z - некогерентноерассеяние. В результате интерференции когерентно рассеянного атомами кристаллаР. и. наблюдается дифракция рентгеновских лучей - рентг. пучок расщепляется, <возникают дифракц. пучки (в направлениях, определяемых Брэгга - Вулъфаусловием). 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 преломлениявещества в рентг. области спектра очень близок к единице (меньше единицына ~10^-5-10^-6). В результате этого фазовая скоростьР. и. в веществе превосходит скорость света в вакууме. При точных измеренияхуглов дифракции Р. и. отличие показателя преломления от единицы приводитк усложнению вида условия Брэгга - Вульфа, к-рое установлено в предположении, <что зависимостью показателя преломления от можно пренебречь. Однако вблизи краёв поглощения атомов кристалла-анализаторанаблюдается аномальная дисперсия, при к-рой отступления от условия Брэгга- Вульфа становятся значительными (см. Дисперсионная поверхность). Всвязи 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 веществапроисходит полное внешнее отражение этого луча. С возрастанием угла скольженияоно исчезает при нек-ром критич. значении угла .С возрастанием этот угол увеличивается. На явлении полного внеш. отражения основано устройстворентг. телескопов (см. Рентгеновская астрономия )и нек-рых рентгеновскихмикроскопов. Для отражения Р. и. под большими углами (до угла скольжения~90°) используют спец. многослойные микроструктуры (зеркала); коэф. отражениятакого зеркала достигает неск. десятков процентов.

Применение оптич. линз в рентг. области спектра невозможно вследствиебольшого поглощения Р. и. в материале линз и незначит. отличия показателяпреломления от единицы. Для фокусировки Р. и. могут быть использованы зонныепластинки (см. Рентгеновская оптика]. Однако в связи с малыми значениямидлины волны Р. и. размеры этих пластинок также очень малы (от 20 мкм донеск. мм); число их колец - неск. сотен, расстояние между соседними внеш. <кольцами - десятые доли мкм. Такие пластинки изготавливают с помощью рентгеновскойлитографии.

Рентгеновский интерферометр также отличается от всех видов оптич. интерферометров. <Он представляет собой параллелепипед из монокристалла Si с двумя углублениямиодинаковой ширины, параллельными двум противоположным сторонам параллелепипеда, <т. е. образует 3 параллельные пластинки Si на общей основе (в виде буквыШ), атомные плоскости к-рых строго параллельны, в частности перпендикулярныих 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. первичныйлуч разделится на два (пластинка наз. делителем лучей). Оба луча затемпопадут на ср. пластинку (зеркало) и дифрагируют в ней; на третьей же пластинке(т. н. анализаторе) лучи сойдутся в одну точку. Один из этихлучей 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 расщеплённыхлучей поставить пластинку из исследуемого материала, то число длин волнэтого луча внутри пластинки изменится, что скажется на числе максимумовинтерференции выходящего луча. Таким методом можно измерить отличие показателяпреломления от единицы с точностью до 4 значащих цифр. С помощью двух связанныхмежду собой интерферометров - рентгеновского и интерферометра Фабри- Перо было найдено значение 1-й усл. единицы измерения длины волныР. 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, показателипреломления Р. и. в разл. веществах.

Для получения рентг. спектров используют дифракцию Р. и. от монокристаллов;причём, согласно условию Брэгга - Вульфа, может быть получен рентг. спектрпри (где d - межплоскостное расстояние; применяемые в рентг. спектроскопиикристаллы имеют разл. значения 2d2,6 нм); при < < 100 нм служат дифракционные решётки со скользящим падением Р. и. под углом в неск. градусов. Такие решётки обычно изготовляют нарезаниемштрихов профилиров. алмазным резцом, причём число штрихов доходит до 1200на 1 мм. Резец передвигается от штриха к штриху с помощью прецизионныхвинтов, что неизбежно накладывает на решётку дополнит. периодичность, врезультате чего в спектре появляются ложные линии, называемые духами. Этогонедостатка избегают решётки, изготовленные литографич. методами; с их помощьюполучают дифракц. решётки с числом, штрихов до 6000 на 1 мм.

Характеристич. Р. и. рентг. трубки не поляризовано, тормозное - частичнополяризовано, причём вблизи квантовой границы его спектра коэф. поляризацииприближается к 100%. При дифракции характеристич. Р. и. в кристалле возникаетполяризация, 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. используютчаще всего спец. рентг. фотоплёнку (см. Рентгенограмма). Т. к. жёсткоеР. и. обладает значит. проницаемостью, фотоплёнка содержит повыш. кол-воAgBr и выполняется двусторонней. Для определения отношения интенсивностейлиний спектра или распределений интенсивностей в дифракц. картине по ихфотоснимку используют микрофотометры и сенситометрич. кривую зависимостилогарифмич. фотоплотности от интенсивности Р. и. При больших интенсивностяхих измеряют с помощью ионизационной камеры, при средних и малыхинтенсивностях - с помощью к.-л. пропорционального детектора. Амплитударегистрируемого сигнала в последних пропорциональна энергии фотона, чтопозволяет использовать эти приборы в сочетании с многоканальным амплитудныманализатором импульсов в качестве ронтг. спектрометров. Для регистрацииР. 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 открытоготипа с входным фотокатодом (при 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-чувствнтельныедетекторы типа микроканальных пластин или приборов с зарядовой связью, <с помощью к-рых линейчатый спектр можно зарегистрировать на ленте самописцав 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-рыхзаболеваний), дефектоскопии металлич. изделий и сварных швов, рентгенографииматериалов, рентг. структурном анализе (для исследования атомной решёткикристаллов, фазового анализа сплавов, в частности сталей, определения внутр. <механич. напряжений, выявления размеров частиц нек-рых материалов, в частностикатализаторов с частицами коллоидного размера), в рентгеновской топографии, рентг. микроскопии, спектроскопии твёрдых тел и молекул, рентгеноспектральноманализе элементного состава материалов (например, поверхности Луны и планет),рентг. астрономии.

Лит.: Xараджа Ф., Общий курс рентгенотехники, 3 изд., М.-Л., 1966; Блохин М. А., Физика рентгеновских Лучей, 2 изд., М., 1957;его же, Методы рентгеноспектральных исследований, М., 1959; Рентгеновскиелучи, пер. с нем. и англ., М., 1960; М и р к и н Л. И., Рентгеноструктурныйанализ. Справочное руководство, М., 1976; Рентгенотехника. Справочник, <под ред. В. В. Клюева, кн. 1-2, М., 1980; Б л о х и н М. А., Швейцер И. <Г., Рентгеноспектральный справочник, М., 1982; Рентгеновская оптика и микроскопия, <под ред. Г. Шмаля, Д. Рудольфа, пер. с англ., М., 1987.

М. А. Блохин.