ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА
на тему:
ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕРЕНОСНОГО РЕНТГЕНОВСКОГО АППАРАТА

 

Содержание

 

Введение 4
Глава 1. Общие сведения о рентгеновском излучении и его приме-нении.
Рентгеновское излучение. Получение рентгеновского излучения 5
Обнаружение рентгеновского излучения 9
Рентгеновская и гамма-дефектоскопия 10
Дифракция рентгеновского излучения 11
Методы дифракционного анализа 17
Спектрохимический рентгеновский анализ 21
Медицинская рентгенодиагностика 24
Биологическое действие рентгеновского излучения 25
Опасные факторы рентгеновского излучения 27
Поглощение рентгеновского излучения в веществе 27
Глава 2. Описание экспериментальной установки.
Аппарат рентгеновский импульсный переносной диагностический Ди-на-2 33
Технические данные 34
Состав аппарата 34
Устройство и принцип работы 35
Глава 3. Проведение лабораторных исследований.
Аппаратура, материалы. 38
Методика проведения наблюдения и измерений 40
Опыт №1 Оценка шумовых характеристик 42
Опыт №2 Исследование алюминиевой пластины 44
Опыт №3 Исследование жестяной пластины 48
Опыт №4 Оценка влияния рентгеновского излучения на сигнал, принимаемый камерой, прямое излучение 52
Опыт №5 Оценка влияния рентгеновского излучения на сигнал, принимаемый камерой, излучение под углом 45° 66
Опыт №6 Оценка влияния рентгеновского излучения на сигнал, принимаемый камерой, излучение под углом 45° 69
Вывод 72
Литература 73
Приложение 74

  

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Цель работы: Изучение физико-технических характеристик перенос-ного рентгеновского аппарата «Дина-2». Рассмотреть на практике возможности изучения рентгеновского излучения.
Задачи:
• Провести литературный обзор по теории рентгеновского излучения, его свойствах и особенностях, методиках применения.
• Рассмотреть технические возможности переносного диагностического рентгеновского аппарата «Дина-2».
• Определить физико-технические характеристики аппарата «Дина-2»
• Провести анализ полученных данных.
Актуальность работы
Актуальность работы заключается в том, чтобы в ограниченных лабораторных условиях разработать систему изучения рентгеновского излучения переносного диагностического рентгеновского аппарата «Дина 2». Так как данное излучение является невидимым для человека и его практическое изучение является затруднительным, то с помощью данной работы будет показана методика получения и обработки результатов, показывающих свойства и влияние x-лучей.

 

ГЛАВА 1.
Рентгеновское излучение
Получение рентгеновского излучения

 

Рентгеновское излучение возникает при взаимодействии электронов, движущихся с большими скоростями с веществом. Когда электроны соударяются с атомами какого-либо вещества, они быстро теряют свою кинетическую энергию. При этом большая ее часть переходит в тепло, а небольшая доля, обычно менее 1%, преобразуется в энергию рентгеновского излучения. Эта энергия высвобождается в форме квантов – частиц, называемых фотонами, которые обладают энергией, но масса покоя которых равна нулю. Рентгеновские фотоны различаются своей энергией, обратно пропорциональной их длине волны. При обычном способе получения рентгеновского излучения получают широкий диапазон длин волн, который называют рентгеновским спектром. В спектре присутствуют ярко выраженные компоненты, как это показано на рис. 1.

(Рис. 1. ОБЫЧНЫЙ РЕНТГЕНОВСКИЙ СПЕКТР состоит из непрерывного спектра (континуума) и характеристических линий (острые пики). Линии К\ia и К\ib возникают вследствие взаимодействий ускоренных электронов с электронами внутренней К-оболочки.)

 

Широкий «континуум» называют непрерывным спектром или белым излучением. Налагающиеся на него острые пики называются характеристическими рентгеновскими линиями испускания. Хотя весь спектр есть результат столкновений электронов с веществом, механизмы возникновения его широкой части и линий разные. Вещество состоит из большого числа атомов, каждый из которых имеет ядро, окруженное элек-тронными оболочками, причем каждый электрон в оболочке атома данного элемента занимает некоторый дискретный уровень энергии. Обычно эти оболочки, или энергетические уровни, обозначают символами K, L, M и т.д., начиная от ближайшей к ядру оболочки. Когда налетающий электрон, обладающий достаточно большой энергией, соударяется с одним из связанных с атомом электронов, он выбивает этот электрон с его оболочки. Опустевшее место занимает другой электрон с оболочки, которой соответствует большая энергия. Этот последний отдает избыток энергии, испуская рентгеновский фотон. Поскольку электроны оболочек имеют дискретные значения энергии, возникающие рентгеновские фотоны тоже обладают дискретным спектром. Этому соответствуют острые пики для определенных длин волн, конкретные значения которых зависят от элемента-мишени. Характеристические линии образуют K-, L- и M-серии, в зависимости от того, с какой оболочки (K, L или M) был удален электрон. Соотношение между длиной волны рентгеновского излучения и атомным номером называется законом Мозли (рис. 2).

(Рис. 2. ДЛИНА ВОЛНЫ ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКОГО РЕНТГЕНОВ-СКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, испускаемого химическими элементами, зависит от атомного номера элемента. Кривая соответствует закону Мозли: чем больше атомный номер элемента, тем меньше длина волны характеристической линии.)

 

Если электрон наталкивается на относительно тяжелое ядро, то он тормозится, а его кинетическая энергия выделяется в виде рентгеновского фотона примерно той же энергии. Если же он пролетит мимо ядра, то потеряет лишь часть своей энергии, а остальную будет передавать попадающимся на его пути другим атомам. Каждый акт потери энергии ведет к излучению фотона с какой-то энергией. Возникает непрерывный рентгеновский спектр, верхняя граница которого соответствует энергии самого быстрого электрона. Таков механизм образования непрерывного спектра, а максимальная энергия (или минимальная длина волны), фиксирующая границу непрерывного спектра, пропорциональна ускоряющему напряжению, которым определяется скорость налетающих электронов. Спектральные линии характеризуют материал бом-бардируемой мишени, а непрерывный спектр определяется энергией элек-тронного пучка и практически не зависит от материала мишени.
Рентгеновское излучение можно получать не только электронной бом-бардировкой, но и облучением мишени рентгеновским же излучением от другого источника. В этом случае, однако, большая часть энергии падающего пучка переходит в характеристический рентгеновский спектр и очень малая ее доля приходится на непрерывный. Очевидно, что пучок падающего рентгеновского излучения должен содержать фотоны, энергия которых достаточна для возбуждения характеристических линий бомбардируемого элемента. Высокий процент энергии, приходящейся на характеристический спектр, делает такой способ возбуждения рентгеновского излучения удобным для научных исследований.
Рентгеновские трубки. Чтобы получать рентгеновское излучение за счет взаимодействия электронов с веществом, нужно иметь источник электронов, средства их ускорения до больших скоростей и мишень, способную выдерживать электронную бомбардировку и давать рент-геновское излучение нужной интенсивности. Устройство, в котором все это есть, называется рентгеновской трубкой. Ранние исследователи пользовались «глубоко вакуумированными» трубками типа современных газоразрядных. Вакуум в них был не очень высоким.
В газоразрядных трубках содержится небольшое количество газа, и когда на электроды трубки подается большая разность потенциалов, атомы газа превращаются в положительные и отрицательные ионы. Положительные движутся к отрицательному электроду (катоду) и, падая на него, выбивают из него электроны, а они, в свою очередь, движутся к положительному электроду (аноду) и, бомбардируя его, создают поток рентгеновских фотонов.
В современной рентгеновской трубке, разработанной Кулиджем (рис. 3), источником электронов является вольфрамовый катод, нагреваемый до высокой температуры. Электроны ускоряются до больших скоростей высокой разностью потенциалов между анодом (или антикатодом) и катодом. Поскольку электроны должны достичь анода без столкновений с атомами, необходим очень высокий вакуум, для чего нужно хорошо откачать трубку. Этим также снижаются вероятность ионизации оставшихся атомов газа и обусловленные ею побочные токи.

(Рис. 3. РЕНТГЕНОВСКАЯ ТРУБКА КУЛИДЖА. При бомбардировке электронами вольфрамовый антикатод испускает характеристическое рентгеновское излучение. Поперечное сечение рентгеновского пучка меньше реально облучаемой площади. 1 – электронный пучок; 2 – катод с фокусирующим электродом; 3 – стеклянная оболочка (трубка); 4 – вольфрамовая мишень (антикатод); 5 – нить накала катода; 6 – реально облучаемая площадь; 7 – эффективное фокальное пятно; 8 – медный анод; 9 – окно; 10 – рассеянное рентгеновское излучение.)

 

Электроны фокусируются на аноде с помощью электрода особой формы, окружающего катод. Этот электрод называется фокусирующим и вместе с катодом образует «электронный прожектор» трубки. Подвергаемый электронной бомбардировке анод должен быть изготовлен из тугоплавкого материала, поскольку бульшая часть кинетической энергии бомбардирующих электронов превращается в тепло. Кроме того, желательно, чтобы анод был из материала с большим атомным номером, т.к. выход рентгеновского излучения растет с увеличением атомного номера. В качестве материала анода чаще всего выбирается вольфрам, атомный номер которого равен 74.
Конструкция рентгеновских трубок может быть разной в зависимости от условий применения и предъявляемых требований.

 

Обнаружение рентгеновского излучения

 

Все методы обнаружения рентгеновского излучения основаны на их взаимодействии с веществом. Детекторы могут быть двух видов: те, которые дают изображение, и те, которые его не дают. К первым относятся устройства рентгеновской флюорографии и рентгеноскопии, в которых пучок рентгеновского излучения проходит через исследуемый объект, а прошедшее излучение попадает на люминесцентный экран или фотопленку. Изображение возникает благодаря тому, что разные части исследуемого объекта поглощают излучение по-разному – в зависимости от толщины вещества и его состава. В детекторах с люминесцентным экраном энергия рентгеновского излучения превращается в непосредственно наблюдаемое изображение, а в рентгенографии оно регистрируется на чувствительной эмульсии и его можно наблюдать лишь после проявления пленки.
Ко второму типу детекторов относятся самые разнообразные устройства, в которых энергия рентгеновского излучения преобразуется в электрические сигналы, характеризующие относительную интенсивность излучения. Сюда входят ионизационные камеры, счетчик Гейгера, пропорциональный счетчик, сцинтилляционный счетчик и некоторые специальные детекторы на основе сульфида и селенида кадмия. В настоящее время наиболее эффективными детекторами можно считать сцинтилляционные счетчики, хорошо работающие в широком диапазоне энергий.
Детектор выбирается с учетом условий задачи. Например, если нужно точно измерить интенсивность дифрагированного рентгеновского излучения, то применяются счетчики, позволяющие произвести измерения с точностью до долей процента. Если же нужно зарегистрировать очень много дифрагированных пучков, то целесообразно пользоваться рентгеновской пленкой, хотя в этом случае определить интенсивность с той же точностью невозможно.

 

Рентгеновская и гамма-дефектоскопия

 

Одно из наиболее распространенных применений рентгеновского излучения в промышленности – контроль качества материалов и дефектоскопия. Рентгеновский метод является неразрушающим, так что проверяемый материал, если он найден удовлетворяющим необходимым требованиям, может затем использоваться по назначению.
И рентгеновская, и гамма-дефектоскопия основаны на проникающей способности рентгеновского излучения и особенностях его поглощения в материалах. Проникающая способность определяется энергией рентгеновских фотонов, которая зависит от ускоряющего напряжения в рентгеновской трубке. Поэтому толстые образцы и образцы из тяжелых металлов, таких, например, как золото и уран, требуют для их исследования рентгеновского источника с более высоким напряжением, а для тонких образцов достаточно источника и с более низким напряжением. Для гамма-дефектоскопии очень крупных отливок и крупного проката применяются бетатроны и линейные ускорители, ускоряющие частицы до энергий 25 МэВ и более.
Поглощение рентгеновского излучения в материале зависит от толщины поглотителя d и коэффициента поглощения m и определяется формулой I = I0e-md, где I – интенсивность излучения, прошедшего через поглотитель, I0 – интенсивность падающего излучения, а e = 2,718 – основание натуральных логарифмов.
Для данного материала при данной длине волны (или энергии) рентге-новского излучения коэффициент поглощения является константой. Но излучение рентгеновского источника не является монохроматичным, а содержит широкий спектр длин волн, вследствие чего поглощение при одной и той же толщине поглотителя зависит от длины волны (частоты) излучения.
Рентгеновское излучение широко применяется во всех отраслях промышленности, связанных с обработкой металлов давлением. Оно также применяется для контроля артиллерийских стволов, пищевых продуктов, пластмасс, для проверки сложных устройств и систем в электронной технике. (Для аналогичных целей применяется и нейтронография, в которой вместо рентгеновского излучения используются нейтронные пучки.) Рентгеновское излучение применяется и для других задач, например, для исследования полотен живописи с целью установления их подлинности или для обнаружения добавочных слоев краски поверх основного слоя.

 

Дифракция рентгеновского излучения

 

Дифракция рентгеновского излучения дает важную информацию о твердых телах – их атомной структуре и форме кристаллов, а также о жидкостях, аморфных телах и больших молекулах. Дифракционный метод применяется также для точного (с погрешностью менее 10–5) определения межатомных расстояний, выявления напряжений и дефектов и для определения ориентации монокристаллов. По дифракционной картине можно идентифицировать неизвестные материалы, а также обнаружить присутствие в образце примесей и определить их состав. Значение рентгеновского дифракционного метода для прогресса современной физики трудно переоценить, поскольку современное понимание свойств материи основано в конечном счете на данных о расположении атомов в различных химических соединениях, о характере связей между ними и о дефектах структуры. Главным инструментом получения этой информации является дифракционный рентгеновский метод. Рентгеновская дифракционная кристаллография крайне важна для определения структур сложных больших молекул, таких, как молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) – генетического материала живых организмов.
Сразу после открытия рентгеновского излучения научный и медицинский интерес был сконцентрирован как на способности этого из-лучения проникать сквозь тела, так и на его природе. Эксперименты по дифракции рентгеновского излучения на щелях и дифракционных решетках показывали, что оно относится к электромагнитному излучению и имеет длину волны порядка 10–8–10–9 см. Еще раньше ученые, в частности У.Барлоу, догадывались, что правильная и симметричная форма естественных кристаллов обусловлена упорядоченным размещением атомов, образующих кристалл. В некоторых случаях Барлоу удалось правильно предсказать структуру кристалла. Величина предсказываемых межатомных расстояний составляла 10–8 см. То, что межатомные рас-стояния оказались порядка длины волны рентгеновского излучения, в принципе позволяло наблюдать их дифракцию. В результате возник замысел одного из самых важных экспериментов в истории физики. М.Лауэ организовал экспериментальную проверку этой идеи, которую провели его коллеги В.Фридрих и П.Книппинг. В 1912 они втроем опубликовали свою работу о результатах дифракции рентгеновского излучения.
Принципы дифракции рентгеновского излучения. Чтобы понять явление дифракции рентгеновского излучения, нужно рассмотреть по порядку: во-первых, спектр рентгеновского излучения, во-вторых, природу кристаллической структуры и, в-третьих, само явление дифракции.
Как уже говорилось выше, характеристическое рентгеновское излучение состоит из серий спектральных линий высокой степени монохроматичности, определяемых материалом анода. С помощью фильтров можно выделить наиболее интенсивные из них. Поэтому, выбрав соответствующим образом материал анода, можно получить источник почти монохроматического излучения с очень точно определенным значением длины волны. Длины волн характеристического излучения обычно лежат в диапазоне от 2,285 для хрома до 0,558 для серебра (значения для различных элементов известны с точностью до шести значащих цифр). Характеристический спектр накладывается на не-прерывный «белый» спектр значительно меньшей интенсивности, обуслов-ленный торможением в аноде падающих электронов. Таким образом, от каждого анода можно получить два типа излучения: характеристическое и тормозное, каждое из которых играет по-своему важную роль.
Атомы в кристаллической структуре располагаются с правильной периодичностью, образуя последовательность одинаковых ячеек – пространственную решетку. Некоторые решетки (например, для большинства обычных металлов) довольно просты, а другие (например, для молекул белков) весьма сложны.
Для кристаллической структуры характерно следующее: если от некоторой заданной точки одной ячейки сместиться к соответствующей точке соседней ячейки, то обнаружится точно такое же атомное окружение. И если некоторый атом расположен в той или иной точке одной ячейки, то в эквивалентной ей точке любой соседней ячейки будет находиться такой же атом. Этот принцип строго справедлив для совершенного, идеально упорядоченного кристалла. Однако многие кристаллы (например, металлические твердые растворы) являются в той или иной степени неупорядоченными, т.е. кристаллографически эквивалентные места могут быть заняты разными атомами. В этих случаях определяется не положение каждого атома, а лишь положение атома, «статистически усредненного» по большому количеству частиц (или ячеек).
Если волны (например, звук, свет, рентгеновское излучение) проходят через небольшую щель или отверстие, то последние могут рассматриваться как вторичный источник волн, а изображение щели или отверстия состоит из чередующихся светлых и темных полос. Далее, если имеется периодическая структура из отверстий или щелей, то в результате усиливающей и ослабляющей интерференции лучей, идущих от разных отверстий, возникает четкая дифракционная картина. Дифракция рентгеновского излучения – это коллективное явление рассеяния, при котором роль отверстий и центров рассеяния играют периодически расположенные атомы кристаллической структуры. Взаимное усиление их изображений при определенных углах дает дифракционную картину, аналогичную той, которая возникла бы при дифракции света на трехмерной дифракционной решетке.
Рассеяние происходит благодаря взаимодействию падающего рентгеновского излучения с электронами в кристалле. Вследствие того, что длина волны рентгеновского излучения того же порядка, что и размеры атома, длина волны рассеянного рентгеновского излучения та же, что и падающего. Этот процесс является результатом вынужденных колебаний электронов под действием падающего рентгеновского излучения.
Рассмотрим теперь атом с облаком связанных электронов (окружающих ядро), на который падает рентгеновское излучение. Электроны во всех направлениях одновременно рассеивают падающее и испускают собственное рентгеновское излучение той же длины волны, хотя и разной интенсивности. Интенсивность рассеянного излучения связана с атомным номером элемента, т.к. атомный номер равен числу орбитальных электронов, которые могут участвовать в рассеянии. (Эта зависимость интенсивности от атомного номера рассеивающего элемента и от направления, в котором измеряется интенсивность, характеризуется атомным фактором рассеяния, который играет чрезвычайно важную роль в анализе структуры кристаллов.)
Выберем в кристаллической структуре линейную цепочку атомов, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга, и рассмотрим их дифракционную картину. Уже отмечалось, что рентгеновский спектр складывается из непрерывной части («континуума») и набора более интенсивных линий, характеристических для того элемента, который является материалом анода. Допустим, мы отфильтровали непрерывный спектр и получили почти монохроматический пучок рентгеновского излучения, направленный на нашу линейную цепочку атомов. Условие усиления (усиливающей интерференции) выполняется, если разность хода волн, рассеянных соседними атомами, кратна длина волны. Если пучок падает под углом α0 к линии атомов, разделенных интервалами a (период), то для угла дифракции a разность хода, соответствующая усилению, запи-шется в виде

 

a(cosα – cosα0) = nλ,

 

где λ– длина волны, а n – целое число (рис. 4 и 5).

(Рис. 4. УСИЛЕНИЕ РЕНТГЕНОВСКОГО ПУЧКА происходит, когда разность хода волн, рассеянных соседними атомами, равна целому кратному длины волны. Здесь α0 – угол падения, α – угол дифракции, d – расстояние между атомами.)

(Рис. 5. РЕШЕНИЕ УРАВНЕНИЙ ЛАУЭ при каждом значении n можно представить в виде семейства конусов, общая ось которых направлена по кристаллографической оси (для двух других осей можно нарисовать сходные картины). На уравнениях Лауэ основан эффективный метод исследования кристаллических структур.)

 

Чтобы распространить этот подход на трехмерный кристалл, необходимо лишь выбрать ряды атомов по двум другим направлениям в кристалле и решить совместно полученные таким образом три уравнения для трех кристаллических осей с периодами a, b и c. Два других уравнения имеют вид

Это – три фундаментальных уравнения Лауэ для дифракции рентгенов-ского излучения, причем числа n, k и λ – индексы Миллера для плоскости дифракции.
Рассматривая любое из уравнений Лауэ, например первое, можно заме-тить, что, поскольку α, α0, l – константы, а n = 0, 1, 2, ..., его решение можно представить в виде набора конусов с общей осью a (рис. 5). То же самое верно для направлений b и c.
В общем случае трехмерного рассеяния (дифракция) три уравнения Лауэ должны иметь общее решение, т.е. три дифракционных конуса, расположенных на каждой из осей, должны пересекаться; общая линия пересечения показана на рис. 6. Совместное решение уравнений приводит к закону Брэгга – Вульфа:

Рис. 6. ОБЩЕЕ РЕШЕНИЕ УРАВНЕНИЙ ЛАУЭ соответствует пересечению трех конусов с осями a, b, c, имеющих общую прямую R.

 

λ = 2(a/n)sinq,
где d – расстояние между плоскостями с индексами n, k и c (период), n = 1, 2, ... – целые числа (порядок дифракции), а q – угол, образуемый падающим пучком (а также и дифрагирующим) с плоскостью кристалла, в которой происходит дифракция.
Анализируя уравнение закона Брэгга – Вульфа для монокристалла, расположенного на пути монохроматического пучка рентгеновского излучения, можно заключить, что дифракцию непросто наблюдать, т.к. величины λ и q фиксированы, а sinq < λ. При таких условиях, чтобы имела место дифракция для рентгеновского излучения с длиной волны λ, плоскость кристалла с периодом d должна быть повернута на правильный угол q. Для того чтобы реализовать это маловероятное событие, применяются различные методики.

 

Методы дифракционного анализа

 

Метод Лауэ. В методе Лауэ применяется непрерывный «белый» спектр рентгеновского излучения, которое направляется на неподвижный монокристалл. Для конкретного значения периода d из всего спектра автоматически выбирается соответствующее условию Брэгга – Вульфа значение длины волны. Получаемые таким образом лауэграммы дают возможность судить о направлениях дифрагированных пучков и, следовательно, об ориентациях плоскостей кристалла, что позволяет также сделать важные выводы относительно симметрии, ориентации кристалла и наличия в нем дефектов. При этом, однако, утрачивается информация о пространственном периоде d. На рис. 7 приводится пример лауэграммы. Рентгеновская пленка располагалась со стороны кристалла, противоположной той, на которую падал рентгеновский пучок из ис-точника.

(Рис. 7. ЛАУЭГРАММА. Через неподвижный кристалл пропускается рентгеновское излучение широкого спектрального диапазона. Дифракцион-ным пучкам соответствуют пятна на лауэграмме.)

 

Метод Дебая – Шеррера (для поликристаллических образцов). В отличие от предыдущего метода, здесь используется монохроматическое излучение (λ=const), а варьируется угол q. Это достигается использованием поликристаллического образца, состоящего из многочисленных мелких кристаллитов случайной ориентации, среди которых имеются и удовлетворяющие условию Брэгга – Вульфа. Дифрагированные пучки образуют конусы, ось которых направлена вдоль пучка рентгеновского излучения. Для съемки обычно используется узкая полоска рентгеновской пленки в цилиндрической кассете, а рентгеновские лучи распространяются по диаметру через отверстия в пленке. Полученная таким образом дебаеграмма (рис. 8) содержит точную информацию о периоде d, т.е. о структуре кристалла, но не дает информации, которую содержит лауэграмма. Поэтому оба метода взаимно дополняют друг друга. Рас-смотрим некоторые применения метода Дебая – Шеррера.

(Рис. 8. ДЕБАЕГРАММА получается путем пропускания рентгеновского излучения через поликристаллический образец. Каждая линия обусловлена дифракцией рентгеновского излучения на одной конкретной плоскости атомов образца.)

 

Идентификация химических элементов и соединений. По определенному из дебаеграммы углу q можно вычислить характерное для данного элемента или соединения межплоскостное расстояние d. В настоящее время составлено множество таблиц значений d, позволяющих идентифицировать не только тот или иной химический элемент или соединение, но и различные фазовые состояния одного и того же вещества, что не всегда дает химический анализ. Можно также в сплавах замещения с высокой точностью определять содержание второго компонента по зависимости периода d от концентрации.
Анализ напряжений. По измеренной разнице межплоскостных расстоя-ний для разных направлений в кристаллах можно, зная модуль упругости материала, с высокой точностью вычислять малые напряжения в нем.
Исследования преимущественной ориентации в кристаллах. Если малые кристаллиты в поликристаллическом образце ориентированы не совсем случайным образом, то кольца на дебаеграмме будут иметь разную интенсивность. При наличии резко выраженной преимущественной ориентации максимумы интенсивности концентрируются в отдельных пятнах на снимке, который становится похож на снимок для монокристалла. Например, при глубокой холодной прокатке металлический лист приобретает текстуру – выраженную ориентацию кристаллитов. По дебаеграмме можно судить о характере холодной обработки материала.
Исследование размеров зерен. Если размер зерен поликристалла более 10–3 см, то линии на дебаеграмме будут состоять из отдельных пятен, по-скольку в этом случае число кристаллитов недостаточно для того, чтобы перекрыть весь диапазон значений углов q. Если же размер кристаллитов менее 10–5 см, то дифракционные линии становятся шире. Их ширина обратно пропорциональна размеру кристаллитов. Уширение происходит по той же причине, по которой при уменьшении числа щелей уменьшается разрешающая способность дифракционной решетки. Рентгеновское излучение позволяет определять размеры зерен в диапазоне 10–7–10–6 см.
Методы для монокристаллов. Чтобы дифракция на кристалле давала информацию не только о пространственном периоде, но и об ориентации каждой совокупности дифрагирующих плоскостей, используются методы вращающегося монокристалла. На кристалл падает монохроматический пучок рентгеновского излучения. Кристалл вращается вокруг главной оси, для которой выполняются уравнения Лауэ. При этом изменяется угол q, входящий в формулу Брэгга – Вульфа. Дифракционные максимумы располагаются в месте пересечения дифракционных конусов Лауэ с цилиндрической поверхностью пленки (рис. 9). В результате получается дифракционная картина типа представленной на рис. 10. Однако возможны осложнения из-за перекрытия разных дифракционных порядков в одной точке. Метод может быть значительно усовершенствован, если одновременно с вращением кристалла перемещать определенным образом и пленку.

(Рис. 9. МЕТОД ВРАЩАЮЩЕГОСЯ МОНОКРИСТАЛЛА дает дифракционные максимумы (пятна) различных порядков вдоль линии, соответствующей данному атомному слою. Максимумы возникают на пересечении конусов Лауэ с цилиндрической поверхностью фотопленки.)

(Рис. 10. СНИМОК, ПОЛУЧЕННЫЙ МЕТОДОМ КАЧАЮЩЕГОСЯ КРИСТАЛЛА (монокристалла теллура). Видны линии слоев для нулевого порядка (средняя горизонтальная линия) и высших порядков (+1, +2, +3 – от линии нулевого порядка вверх; -1, -2, -3 – вниз).

 

Исследования жидкостей и газов. Известно, что жидкости, газы и аморфные тела не обладают правильной кристаллической структурой. Но и здесь между атомами в молекулах существует химическая связь, благодаря которой расстояние между ними остается почти постоянным, хотя сами молекулы в пространстве ориентированы случайным образом. Такие материалы тоже дают дифракционную картину с относительно небольшим числом размытых максимумов. Обработка такой картины современными методами позволяет получить информацию о структуре даже таких некристаллических материалов.

 

Спектрохимический рентгеновский анализ

 

Уже через несколько лет после открытия рентгеновских лучей Ч.Баркла (1877–1944) обнаружил, что при воздействии потока рентгеновского излучения высокой энергии на вещество возникает вторичное флуоресцентное рентгеновское излучение, характеристическое для ис-следуемого элемента. Вскоре после этого Г.Мозли в серии своих экспериментов измерил длины волн первичного характеристического рентгеновского излучения, полученного электронной бомбардировкой различных элементов, и вывел соотношение между длиной волны и атомным номером. Эти эксперименты, а также изобретение Брэггом рентгеновского спектрометра заложили основу для спектрохимического рентгеновского анализа.
Возможности рентгеновского излучения для химического анализа были сразу осознаны. Были созданы спектрографы с регистрацией на фотопластинке, в которых исследуемый образец выполнял роль анода рентгеновской трубки. К сожалению, такая техника оказалась очень трудоемкой, а потому применялась лишь тогда, когда были неприменимы обычные методы химического анализа. Выдающимся примером новаторских исследований в области аналитической рентгеноспектроскопии стало открытие в 1923 Г.Хевеши и Д.Костером нового элемента – гафния. Разработка мощных рентгеновских трубок для рентгенографии и чувствительных детекторов для радиохимических измерений во время Второй мировой войны в значительной степени обусловила быстрый рост рентгеновской спектрографии в последующие годы.
Этот метод получил широкое распространение благодаря быстроте, удобству, неразрушающему характеру анализа и возможности полной или частичной автоматизации. Он применим в задачах количественного и качественного анализа всех элементов с атомным номером более 11 (натрий). И хотя рентгеновский спектрохимический анализ обычно используется для определения важнейших компонентов в образце (с содержанием 0,1–100%), в некоторых случаях он пригоден для концентра-ций 0,005% и даже ниже.
Рентгеновский спектрометр. Современный рентгеновский спектрометр состоит из трех основных систем (рис. 11): системы возбуждения, т.е. рентгеновской трубки с анодом из вольфрама или другого тугоплавкого материала и блоком питания; системы анализа, т.е. кристалла-анализатора с двумя многощелевыми коллиматорами, а также спектрогониометра для точной юстировки; и системы регистрации со счетчиком Гейгера либо пропорциональным или сцинтилляционным счетчиком, а также выпрямителем, усилителем, пересчетными устройствами и самописцем или другим регистрирующим устройством.

Рис. 11. РЕНТГЕНОВСКИЙ СПЕКТРОМЕТР (блок-схема) с кристаллом-анализатором. Основные блоки прибора: блок возбуждения образца (с рентгеновской трубкой), блок анализа с плоским кристаллом-анализатором и коллиматорами и блок регистрации с электронным детектором.

 

Рентгеновский флуоресцентный анализ. Анализируемый образец располагается на пути возбуждающего рентгеновского излучения. Исследуемая область образца обычно выделяется маской с отверстием нужного диаметра, а излучение проходит через коллиматор, формирующий параллельный пучок. За кристаллом-анализатором щелевой коллиматор выделяет дифрагированное излучение для детектора. Обычно максимальный угол q ограничивается значениями 80–85°, так что дифрагировать на кристалле-анализаторе может только то рентгеновское излучение, длина волны λ которого связана с межплоскостным расстоянием d неравенством λ < 1,95d. Максимальной же разрешающей способности можно добиться, уменьшая величину d. Наилучшие результаты получены с кристаллами-анализаторами из топаза, фторида лития, хлорида натрия, кварца и др. Кроме того, в спектрометрах с изогнутыми кристаллами, о которых говорится ниже, иногда используются кристаллы слюды и гипса.
Рентгеновский микроанализ. Описанный выше спектрометр с плоским кристаллом-анализатором может быть приспособлен для микроанализа. Это достигается сужением либо первичного пучка рентгеновского излучения, либо вторичного пучка, испускаемого образцом. Однако уменьшение эффективного размера образца или апертуры излучения приводит к уменьшению интенсивности регистрируемого дифрагированного излучения. Улучшение этого метода может быть достигнуто применением спектрометра с изогнутым кри-сталлом, позволяющего регистрировать конус расходящегося излучения, а не только излучение, параллельное оси коллиматора. При помощи такого спектрометра можно идентифицировать частицы размером менее 25 мкм. Еще большее уменьшение размера анализируемого образца достигается в электронно-зондовом рентгеновском микроанализаторе, изобретенном Р.Кастэном. Здесь остросфокусированным электронным лучом возбуждается характеристическое рентгеновское излучение образца, которое затем анализируется спектрометром с изогнутым кристаллом. С помощью такого прибора удается обнаруживать количества вещества порядка 10–14 г в образце диаметром 1 мкм. Были также разработаны установки с электроннолучевым сканированием образца, с помощью которых можно получить двумерную картину распределения по образцу того элемента, на характеристическое излучение которого настроен спектрометр.

 

Медицинская рентгенодиагностика

 

Развитие техники рентгеновских исследований позволило значительно сократить время экспозиции и улучшить качество изображений, позволяющих изучать даже мягкие ткани.
Флюорография. Этот метод диагностики заключается в фотографировании теневого изображения с просвечивающего экрана. Пациент находится между источником рентгеновского излучения и плоским экраном из люминофора (обычно иодида цезия), который под действием рентгеновского излучения светится. Биологические ткани той или иной сте-пени плотности создают тени рентгеновского излучения, имеющие разную степень интенсивности. Врач-рентгенолог исследует теневое изображение на люминесцентном экране и ставит диагноз.
В прошлом рентгенолог, анализируя изображение, полагался на зрение. Сейчас имеются разнообразные системы, усиливающие изображение, выводящие его на телевизионный экран или записывающие данные в памяти компьютера.
Рентгенография. Запись рентгеновского изображения непосредственно на фотопленке называется рентгенографией. В этом случае исследуемый ор-ган располагается между источником рентгеновского излучения и фотопленкой, которая фиксирует информацию о состоянии органа в данный момент времени. Повторная рентгенография дает возможность судить о его дальнейшей эволюции.
Рентгенография позволяет весьма точно исследовать целостность кост-ных тканей, которые состоят в основном из кальция и непрозрачны для рентгеновского излучения, а также разрывы мышечных тканей. С ее помощью лучше, чем стетоскопом или прослушиванием, анализируется состояние легких при воспалении, туберкулезе или наличии жидкости. При помощи рентгенографии определяются размер и форма сердца, а также динамика его изменений у пациентов, страдающих сердечными забо-леваниями.
Контрастные вещества. Прозрачные для рентгеновского излучения части тела и полости отдельных органов становятся видимыми, если их заполнить контрастным веществом, безвредным для организма, но позволяющим визуализировать форму внутренних органов и проверить их функционирование. Контрастные вещества пациент либо принимает внутрь (как, например, бариевые соли при исследовании желудочно-кишечного тракта), либо они вводятся внутривенно (как, например, иодсодержащие растворы при исследовании почек и мочевыводящих путей). В последние годы, однако, эти методы вытесняются методами диагностики, основанными на применении радиоактивных атомов и ультразвука.
Компьютерная томография. В 1970-х годах был развит новый метод рентгеновской диагностики, основанный на полной съемке тела или его час-тей. Изображения тонких слоев («срезов») обрабатываются компьютером, и окончательное изображение выводится на экран монитора. Такой метод называется компьютерной рентгеновской томографией. Он широко применяется в современной медицине для диагностики инфильтратов, опухолей и других нарушений мозга, а также для диагностики заболеваний мягких тканей внутри тела. Эта методика не требует введения инородных контрастных веществ и потому является быстрой и более эффективной, чем традиционные методики.

 

Биологическое действие рентгеновского излучения

 

Вредное биологическое действие рентгеновского излучения обнаружи-лось вскоре после его открытия Рентгеном. Оказалось, что новое излучение может вызвать что-то вроде сильного солнечного ожога (эритему), сопровождающееся, однако, более глубоким и стойким повреждением кожи. Появлявшиеся язвы нередко переходили в рак. Во многих случаях приходилось ампутировать пальцы или руки. Случались и летальные исходы.
Было установлено, что поражения кожи можно избежать, уменьшив время и дозу облучения, применяя экранировку (например, свинец) и средства дистанционного управления. Но постепенно выявились и другие, более долговременные последствия рентгеновского облучения, которые были затем подтверждены и изучены на подопытных животных. К эффектам, обусловленным действием рентгеновского излучения, а также других ионизирующих излучений (таких, как гамма-излучение, испускаемое радиоактивными материалами) относятся: 1) временные изменения в составе крови после относительно небольшого избыточного облучения; 2) необратимые изменения в составе крови (гемолитическая ане-мия) после длительного избыточного облучения; 3) рост заболеваемости раком (включая лейкемию); 4) более быстрое старение и ранняя смерть; 5) возникновение катаракт. Ко всему прочему, биологические эксперименты на мышах, кроликах и мушках (дрозофилах) показали, что даже малые дозы систематического облучения больших популяций вследствие уве-личения темпа мутации приводят к вредным генетическим эффектам. Боль-шинство генетиков признает применимость этих данных и к человеческому организму. Что же касается биологического воздействия рентгеновского из-лучения на человеческий организм, то оно определяется уровнем дозы облучения, а также тем, какой именно орган тела подвергался облучению. Так, например, заболевания крови вызываются облучением кроветворных органов, главным образом костного мозга, а генетические последствия – облучением половых органов, могущим привести также и к стерильности.
Накопление знаний о воздействии рентгеновского излучения на организм человека привело к разработке национальных и международных стандартов на допустимые дозы облучения, опубликованных в различных справочных изданиях.
Кроме рентгеновского излучения, которое целенаправленно используется человеком, имеется и так называемое рассеянное, побочное излучение, возникающее по разным причинам, например вследствие рассеяния из-за несовершенства свинцового защитного экрана, который это излучение не поглощает полностью. Кроме того, многие электрические приборы, не предназначенные для получения рентгеновского излучения, тем не менее генерируют его как побочный продукт. К таким приборам относятся электронные микроскопы, высоковольтные выпрямительные лампы (кенотроны), а также кинескопы устаревших цветных телевизоров. Производство современных цветных кинескопов во многих странах находится сейчас под правительственным контролем.

 

Опасные факторы рентгеновского излучения

 

Виды и степень опасности рентгеновского облучения для людей зависят от контингента лиц, подверженных облучению.
Профессионалы, работающие с рентгеновской аппаратурой. Эта категория охватывает врачей-рентгенологов, стоматологов, а также научно-технических работников и персонал, обслуживающий и использующий рентгеновскую аппаратуру. Принимаются эффективные меры по снижению уровня радиации, с которым им приходится иметь дело.
Пациенты. Строгих критериев здесь не существует, и безопасный уро-вень облучения, который получают пациенты во время лечения, определяется лечащими врачами. Врачам не рекомендуется без необходимости подвергать пациентов рентгеновскому обследованию. Особую осторожность следует проявлять при обследовании беременных женщин и детей. В этом случае принимаются специальные меры.
Методы контроля. Здесь имеются в виду три аспекта: 1) наличие адек-ватного оборудования, 2) контроль за соблюдением правил техники безопасности, 3) правильное использование оборудования.
При рентгеновском обследовании воздействию облучения должен под-вергаться только нужный участок, будь то стоматологические обследования или обследование легких. Заметим, что сразу после выключения рентгенов-ского аппарата исчезает как первичное, так и вторичное излучение; отсутствует также и какое-либо остаточное излучение, о чем не всегда знают даже те, кто по своей работе с ним непосредственно связан.

 

Поглощение рентгеновского излучения в веществе

 

При исследовании взаимодействия рентгеновских лучей с веществом (твер-дым, 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 рентге-новским излучением атомов материала. 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. 12). 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 интер-претация 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 (λ = 1,932 ), больше, чем для излучения К-серии от молибденового анода (λ = 0,708 ) 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 . В то же время на кривой зависимости коэффициента поглощения от длины волны скачок поглощения соответствует длине волны 1,480 , 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.

 

ГЛАВА 2.
Аппарат рентгеновский импульсный переносной диагностический Дина-2

 

(Рис.13 1-излучатель. 2-пульт управления, 3-штатив, 4-укладочный ящик)

 

Назначение

Аппарат рентгеновский импульсный переносной диагностический пред-назначен для рентгенографии больных и раненых в нестационарных условиях.

 

Технические данные

• Экспозиционная доза рентгеновского излучения в прямом пучке на расстоянии (900 10) мм от торца конуса рентгеновского блока на установке 1 с, не менее 4,64 (18) мкКл/кг (мР)
• Аппарат имеет установки времени выдержки, обеспечиваемые элек-тромашинным реле времени ЭМРВ-27Б-1 от 0,2 до 1,0 с через 0,05 с и от 1,0 до 5,0 через 0,1 с.
• Питание аппарата осуществляется от сети переменного тока частотой 50 1 Гц и напряжением 220 22 В.
• Мощность, потребляемая аппаратом, не более 2,5 кВт.
• Масса аппарата не более 30 кг.
• Габаритные размеры аппарата в собранном виде не более 550х420х150 мм.
• Амплитуда напряжения на рентгеновской трубке 100 10 кВт.

 

Состав аппарата

В состав аппарата входят:
Блок высоковольтный – 1шт.
Блок питания и управления – 1шт.
Кнопка управления – 1шт.
Кабель сетевой – 1 шт.
Рама – 1шт.
Опора – 1шт.
Кабель высковольтный – 1 шт.
Комплект запасных частей – 1 компл.
Комплект сменных частей – 1 компл.
Комплект инструмента и принадлежностей 1 – компл.
Укладочный ящик 1 – шт.

 

Устройство и принцип работы аппарата

 

Принцип действия аппарата заключается в следующем. Под действием короткого импульса высокого напряжения, формируемого с помощью раз-рядника-обстрителя и катушки индуктивности, возникает вспышка рентге-новского излучения в двухэлектродной рентгеновской трубке. Напряжение к разряднику-обострителю поступает со вторичной обмотки импульсного трансформатора в момент разряда накопительных конденсаторов через его первичную обмотку и разрядник. Заряжаются конденсаторы с помощью выпрямителя и зарядного трансформатора, повышающего напряжение сети до 9 кВ. При работе разрядника во вторичной обмотке трансформатора возникает импульс положительной полярности длительности 2-3 мкс амплитудой 150 кВ. Разрядник-обостритель преобразует этот импульс в импульс длительностью 10-8с, который подается на анод рентгеновской трубки. Амплитуда высокого напряжения на трубке составляет 100 кВ.
Управление аппаратом осуществляется дистанционно с помощью вы-носной кнопки управления и двух элекромашинных реле времени типа ЭМРВ-27Б-1 с диапазонам от 0,2 до 1с и от 1 до 5с, расположенных в блоке управления.

(Рис.14 блок питания и управления, лицевая панель)

 

Переключение управления с одного реле на другое копкой «х5» (рис. 14, поз. 2), расположенной на передней панели блока питания и управления. При отпущенной кнопке «х5» работает реле со шкалой от 0,2 до 1с, цена деления которого 0,05с. При нажатии кнопки «х5» реле со школой 0,2 до 1с отключается, а подключается реле со школой от 1 до 5с с ценой деления 0,1с.
Любое время выдержки в пределах шкалы устанавливается следующим образом: нужно оттянуть в направлении лимба зубчатое колесо, на торце этого колеса совместить риску с соответствующим требуемой экспозиции делением шкалы.
Питание электромагнитных реле времени осуществляется при помощи источника питания, состоящего из трансформатора, выпрямителя с удвоением напряжения на диодах и конденсаторах.
После включения тумблера S1 посредствам ключа, вставленного в замок безопасности, загорается лампа V1, служащая индикатором наличия электрического питания, поданного на аппарат. Дальнейшее управление аппаратом осуществляется от выносной кнопки управления, в которую встроена лампа V66 для индикации наличия рентгеновского излучения.
Конструктивно аппарат выполнен в виде переносного чемодана, в котором (рис. 2) размещается высоковольтный блок с тубусом , штатив , блок питания и управления и кнопки управления. Штатив состоит из вертикальных труб и горизонтальной трубы. Гайки служат для фиксации штатива в рабочем положении и регулировки высоты высоковольтного блока.
Блок питания и управления (рис. 14) содержит в себе электромашинное реле времени, выпрямитель V 6...V21, зарядный трансформатор Т2, тумблер безопасности 1, конденсаторы С3...С14 и коммутирующий разрядник V67.
На лицевой панели блока питания и управления (рис. 14) расположены: лимбы электромашинного реле 1 ВЫДЕРЖКА, сигнальная лампа 4, два предохранителя 5, замок безопасности 3, высоковольтный разъем 6 ВЫСОКОЕ, разъем кнопки управления 7 ПУСК, сетевой разъем 8 220В, кнопка множителя «х5» (рис. 14 поз. 2).
Маркировочные схемы блока управления высоковольтного и блока пи-тания приведены на рис. 15.

(Рис.15 блок питания и управления. схема маркировочная.)

 

ГЛАВА 3.
Практическая часть. Проведение лабораторных исследований.
Аппаратура, материалы.

 

1. Аппарат рентгеновский импульсный переносной диагностический Дина-2. (рис. 16)
2. Флюоресцентный экран (рис 18)
3. Персональный компьютер с установленной на нем программой для записи изображения. (рис. 16)
4. Web-камера «Look 315FS» (рис. 17)
5. Алюминиевая пластина (рис. 19)
6. Жестяная пластина (рис. 20)

(Рис.16 установка в сборе)

(Рис.17 Web-камера расположенная в светонепроницаемой камере)

(Рис.18 Флюоресцентный экран)

(Рис.19 Алюминиевая пластина. Ширина 3 см, длина 12 см, шаг между пластинами 1 см.)

(Рис. 20 Жестяная пластина. Ширина 2,5 см, длина 9 см, шаг между пластинами 1 см.)

 

Проведение измерений

 

1 часть.
В первой части лабораторных исследований мы с помощью металлических пластин рассмотрим излучающие возможности рентгеновской установки «Дина 2» и пропускающие и поглощающие свойства металлических пластин.

Рентгеновская установка приводится в рабочее состояние, устанавливается выдержка излучения 3 секунды. Персональный компьютер и Web-камера включаются и подготавливаются к работе. Флюоресцентный экран располагается между рентгеновской установкой и Web-камерой, а перед экраном располагается алюминиевая или жестяная пластина (рис. 19, 20).
Включаем запись видеоизображения и отходим от рентгеновского аппарата на безопасное расстояние более 2,5 м, с помощью выносной кнопки управления включаем излучение. В момент излучения испускаемые кванты попадают на флюоресцентный экран, в этот момент специальное покрытие флюоресцентного экрана, которое располагается перед web-камерой, начинает светиться. В месте, где располагаются металлические пластины свечение будет менее интенсивным и интенсивность зависит от слоя пластины. Весь момент излучения снимается камерой, а затем сохраняется на ПК. Затем производится обработка отснятого изображения и его раскадровка. Выбирается кадр, на котором в момент излучения наиболее четко видна разница между слоями пластины (рис. 22). Из этого изображения вырезаются одинаковые участки с каждого слоя пластины. Затем через программу «Mathcad.7.0» изображение преобразовывается в матрицу и по ней считается среднее значение цветового фона этого участка и среднеквадратическое значение. С помощью этих данных мы экспериментальным путем можем посмотреть на технические характеристики рентген аппарата «Дина 2» и наблюдать за свойствами по-глощения и пропускаемости квантов излучения металлическими пластина-ми.

(Рис. 21 установка пластины между излучателем и экраном)

(Рис. 22 кадр полученного изображения).

 

Опыт №1. Оценка шумовых характеристик.

 

Для начала сделаем оценку всех фоновых значение и уровней шумов создаваемых при излучении.
Шум создаваемый web-камерой без излучения.
Съемка производится без попадания света на web-камеру, без металлических пластин и без рентгеновского излучения.

Здесь, R – это матрица полученного изображения. Каждому цвету присваивается свое значение. Цветовой диапазон составляет от 255- белый цвет, до 0-черный цвет.
stdev(R) – среднеквадратическое отклонение.
mean (R) – среднее значение.
Обработка всех последующих изображений их матриц будет проводиться аналогично.
Наблюдается небольшая разница между значениями полученным в матри-це, которая объясняется помехами и шумом, создаваемыми самой web-камерой.

Фоновое значение флюоресцентного экрана при рентгеновском излучении (расстояние излучателя от флюоресцентного экрана составляет 25 см.).
Между web-камерой и излучателем устанавливается флюоресцентный экран. Съемка изображения ведется без попадания света, без металлических пластин. Время продолжительности излучения составляет 3 секунды.

Среднее значение в полученной матрице составляет (78,3), если сравнить его с полученным предыдущим значением фона создаваемого камерой без излучения (41,5), мы увидим значительную разницу, которая показывает свечение флюоресцентного экрана в момент излучения.
Так же возросло значение среднеквадратического отклонения, это объясняется тем, что к тем помехам, которые создает web-камера, добавились помехи, которые создаются при рентгеновском излучении.

Фоновое значение флюоресцентного экрана при рентгеновском излучении (расстояние излучателя от флюоресцентного экрана составляет 50 см.).
Весь процесс съемки производится так же как и в предыдущем опыте.

По сравнению с предыдущим опытом мы изменили расстояние от излучателя до флюоресцентного экрана. И это объясняет то, что среднее значение матрицы стало меньшие, а то есть меньшее число фотонов попадает на экран, большее рассеивается и экран дает меньшее свечение.

 

Опыт №2. Исследование алюминиевой пластины.

 

Устанавливаем алюминиевую пластину (рис 7) перед флюоресцентным экраном.
Пластина: ширина 3 см, длина 12 см, шаг между пластинами 1 см, толщина одной пластины 0,95 мм.
Расстояние между пластиной и излучателем 25 см.
Время экспозиции излучения 3 сек.

Обработка полученных изображений в программе Mathcad.7.0.

1) Алюминиевая пластина толщиной 0,95 мм (1 слой пластины).

2) Алюминиевая пластина толщиной 1,9 мм (2 слоя пластины).

3) Алюминиевая пластина толщиной 2,85 мм (3 слоя пластины).

4) Алюминиевая пластина толщиной 3,8 мм (4 слоя пластины).

5) Алюминиевая пластина толщиной 4,75 мм (5 слоев пластины).

6) Алюминиевая пластина толщиной 5,7 мм (6 слоев пластины)

7) Алюминиевая пластина толщиной 6,65 мм (7 слоев пластины)

8) Алюминиевая пластина толщиной 6,65 мм (7 слоев пластины)

 

График зависимости среднего значения и среднеквадратического отклонения от толщины пластины.

Исходя из полученного графика, можно сказать, в том месте, где излучаемые фотоны проходящий через малое количество слоев пластины пропускаются через нее и попадают на флюоресцентный экран, изображение получается более светлым. С увеличением числа пластин проникающая способность квантов частиц затрудняется и на флюоресцентный экран попадает меньше фотонов, что в итоге дает более темное изображение. Разница между средним значением цвета одной пластины (99,2) и восьми пластин (53,4) дает нам визуальное представление о проникающих возможностях излучаемых фотонов, их поглощением алюминиевыми пластинами.

Опыт №3. Исследование жестяной пластины.
Жестяная пластина (рис 8)
Пластина: ширина 2,5 см, длина 9 см, шаг между пластинами 1 см, толщина одной пластины 0,55 мм.
Расстояние между пластиной и излучателем 25 см.
Время экспозиции излучения 3 сек.
1) Жестяная пластина толщиной 0,55 мм (1 слой пластины).

2) Жестяная пластина толщиной 1,1 мм (2 слоя пластины).

3) Жестяная пластина толщиной 1,65 мм (3 слоя пластины).

4) Жестяная пластина толщиной 2,2 мм (4 слоя пластины).

5) Жестяная пластина толщиной 2,75 мм (5 слоев пластины).

6) Жестяная пластина толщиной 3,3 мм (5 слоев пластины).

7) Жестяная пластина толщиной 3,85 мм (5 слоев пластины).

8) Жестяная пластина толщиной 4,4 мм (8 слоев пластины)

График зависимости среднего значения и среднеквадратического отклонения от толщины пластины.

Как и в первом опыте, было получено наглядное представление о проникающих возможностях излучаемых фотонов, их поглощением алюминиевыми пластинами.
Исходя из полученного графика можно сказать, что в том месте, где излучаемые фотоны, проходящий через малое количество слоев пластины, пропускаются через нее и попадают на флюоресцентный экран, изображение получается более светлым. С увеличением числа пластин проникающая способность квантов частиц затрудняется и на флюоресцентный экран попадает меньше фотонов, что в итоге дает более темное изображение.

 

2 часть

В этой части мы пронаблюдаем те помехи, создаваемые рентгеновским излучением, действующие на сигнал принимающий web-камерой в момент излучения.
На место флюоресцентного экрана, для того чтобы препятствовать попаданию внешнего света на камеру установим тонкий слой пластиковой пластинки, такой что он не будет значительно препятствовать попаданию излучаемых фотонов на web-камеру.

Опыт №4. Оценка влияния рентгеновского излучения на сигнал, принимаемый камерой, прямое излучение.
Расстояние между web-камерой и излучателем 25 см.
Время экспозиции излучения 3 сек.

Здесь, Q1 – это матрица полученного изображения.
stdev(Q1) – среднеквадратическое отклонение.
mean (Q1) – среднее значение.

Разграничим весь полученный шум на отрезки - цветовые диапазоны. Составим уравнения и произведем подсчет количества помех разной интенсивности.
n1- это количество помех, световой диапазон которых больше 75.
n2- это количество помех, световой диапазон которых больше 100.
n3- это количество помех, световой диапазон которых больше 125.
n4- это количество помех, световой диапазон которых больше 150.
n5- это количество помех, световой диапазон которых больше 175.
n6- это количество помех, световой диапазон которых больше 200.
n7- это количество помех, световой диапазон которых больше 225.

B1- график концентрации помех разной яркости.
Фотон, попадающий напрямую на камеру и оказывающий максимальное влияние на сигнал принимающий камерой, дает наиболее яркие помехи. Как видно из графика и полученных расчетов, таких помех в разы меньше, чем помех от фотонов, которые оказывает менее интенсивное влияние.

Разобьем этот же шум на промежутки. Посмотрим, сколько помех попадает в конкретный цветовой диапазон.
n1- это количество помех, световой диапазон которых заключен в промежуток [75, 100].
n2- это количество помех, световой диапазон которых заключен в промежуток [100, 125].
n3- это количество помех, световой диапазон которых заключен в промежуток [125, 150].
n4- это количество помех, световой диапазон которых заключен в промежуток [150, 175].
n5- это количество помех, световой диапазон которых заключен в промежуток [175, 200].
n6- это количество помех, световой диапазон которых заключен в промежуток [200, 225].
n7- это количество помех, световой диапазон которых заключен в промежуток [225, 239].

На оси ординат отображаем количество помех, но оси абсцисс количество помех.
Полученная гистограмма так же четко описывает картину создаваемых помех рентген-аппаратом.

Обработка и подсчет значений всех последующих изображений их матриц будет проводиться аналогично.
Расстояние между web-камерой и излучателем 50 см.
Время экспозиции излучения 3 сек.

Из полученных расчетных значений, графика и гистограммы, описывающих полученную матрицу, наблюдается разная интенсивность воздействия фотонов на сигнал, принимаемый web-камерой. Ярких помех в разы меньше, чем помех от фотонов, которые оказывает менее интенсивное влияние. Но с увеличением расстояния между web-камерой и излучателем количество помех снизилось.

Расстояние между web-камерой и излучателем 75 см.
Время экспозиции излучения 3 сек.

Из полученных расчетных значений, графика и гистограммы, описывающих полученную матрицу, так же наблюдается разная интенсивность воздействия фотонов на сигнал, принимаемый web-камерой. Ярких помех в разы меньше, чем помех от фотонов, которые оказывает менее интенсивное влияние. Продолжается наблюдаться уменьшение количества помех с увеличением расстояния между web-камерой и излучателем.

Расстояние между web-камерой и излучателем 100 см.
Время экспозиции излучения 3 сек.

Из полученных расчетных значений, графика и гистограммы, описывающих полученную матрицу, так же наблюдается разная интенсивность воздействия фотонов на сигнал, принимаемый web-камерой. Ярких помех в разы меньше, чем помех от фотонов, которые оказывает менее интенсивное влияние.
Количество помех с увеличением расстояния с 25 см до 100, между web-камерой и излучателем, снизилось в разы.

Q5- зависимость среднего значения и среднеквадратического откло-нения от расстояния между излучателем и web-камерой.
График зависимости концентрации помех разной яркости, с разным расстоянием между web-камерой и излучателем.

B1-25 см между камерой и излучателем.
B2-50 см между камерой и излучателем.
B3-75 см между камерой и излучателем.
B4-100 см между камерой и излучателем.
По полученным графикам четко видна разница концентрации помех, она объясняется тем, что чем ближе излучатель находится к камере, тем больше излучаемых фотонов действуют напрямую на камеру и тем больше помех создается сигналом принимаемым камерой..

Опыты №5, №6 производятся аналогично опыту №4, меняется только угол, под которым направлена излучающая трубка. Расчеты этих матриц будут представлены в приложении.

 

Опыт №5 Оценка влияния рентгеновского излучения на сигнал, принимаемый камерой, излучение под углом 45°
По отношению к камере излучатель устанавливается под углом в 45 градусов.
Q1-25 см между камерой и излучателем.
Q2-50 см между камерой и излучателем.
Q3-75 см между камерой и излучателем.
Q4-100 см между камерой и излучателем.

С1-25 см между камерой и излучателем.
С2-50 см между камерой и излучателем.
С3-75 см между камерой и излучателем.
С4-100 см между камерой и излучателем.
После того как излучение стало, направляется не на прямую по отношению к камере, количество фотонов, действующих непосредственно на камеру уменьшается. И мы наблюдаем уменьшение интенсивности влияния излучения на сигнал принимающий web-камерой.Чем ближе излучатель находится к камере, тем больше излучаемых фотонов действуют напрямую на камеру.

 

Опыт №6 Оценка влияния рентгеновского излучения на сигнал, принимаемый камерой, излучение под углом 90°
По отношению к камере излучатель устанавливается под углом в 90 градусов.
Q1-25 см между камерой и излучателем.
Q2-50 см между камерой и излучателем.
Q3-75 см между камерой и излучателем.
Q4-100 см между камерой и излучателем.

D1-25 см между камерой и излучателем.
D2-50 см между камерой и излучателем.
D3-75 см между камерой и излучателем.
D4-100 см между камерой и излучателем.

При проведении излучения перпендикулярно по отношению к камере, количество фотонов действующих непосредственно на камеру значительно уменьшилось. Мы наблюдаем уменьшение интенсивности влияния излучения на сигнал принимающий web-камерой. Чем ближе излучатель находится к камере, тем больше излучаемых фотонов действуют напрямую на камеру.

ВЫВОД.

С помощью разработанного метода исследований, основанного на использовании web-камеры, персонального компьютера и программы «Mathcad», можно провести полуавтоматический анализ зависимости поглощения рентгеновского излучения материалом по интенсивности прошедшего излучения, провести математическую обработку результатов и тем самым выяснить наглядную картину поглощения рентгеновского излучения в зависимости от толщены и используемого материала.
Таким образом, данная установка совместно с компьютером позволяет помимо прямого назначения в медицинских целях позволяет, по крайней мере, в учебных целях рассмотреть технические, а так же дидактические возможности. Это говорит об актуальности предложенного метода.

 

Литература

 

1. Кудрявцев П.С. История физики. – М., 1956.
2. Кудрявцев П.С. Курс физики – М.: Просвещение, 1974.
3. Рукман Г.И. , Клименко И.С. Электронная микроскопия. – М.: Знание, 1968.
4. Савельев И.В. Курс физики (том 3-ий). – М.: Наука, 1989.
5. Храмов Ю. А. Физика. – М.: Наука, 1983.
6. http://www.krugosvet.ru/

ПРИЛОЖЕНИЕ
Опыт №5

50см от излучателя.

75 см до излучателя.

100 см до излучателя.

Под углом 90º.