Регистрация и спектроскопия рентгеновских лучей

Природа рентгеновского излучения

Рентгеновские лучи имеют ту же электромагнитную природу, что и видимое, инфракрасное или ультрафиолетовое излучение. Они одновременно проявляют как волновые, так и корпускулярные свойства. Отличие состоит лишь в том, что рентгеновское излучение характеризуется очень малыми длинами волн 0,01 ¸1 нм, или 0,1 ¸10 Å (1ангстрем = 1Å = 10^-10 м). Эти границы являются условными. Реально имеет место непрерывный переход от инфракрасного, видимого и ультрафиолетового к рентгеновскому и g-излучениям, хотя механизм возникновения каждого из них может быть различным. Длина волны g-лучей ещё меньше, чем рентгеновских.

Рентгеновские лучи широко используются в науке (рентгеноструктурный анализ кристаллов и молекул), в медицине (диагностика и лечение различных заболеваний) и в технике (дефектоскопия изделий) и т.д.

Регистрация и спектроскопия рентгеновских лучей

Методы регистрации рентгеновских лучей основаны на наблюдении ионизации, возникающей при прохождении излучения через вещество. Ионизация может регистрироваться непосредственно (с помощью ионизационных камер) или по вторичным эффектам. Такими вторичными эффектами являются развитие пробоя в сильном электрическом поле (счётчики Гейгера), почернение фотографической эмульсии, возбуждение видимого излучения в сцинтиллирующих веществах (экраны, используемые при флюорографии) и т.д. Во всех этих случаях первичным актом является ионизация атома и появление свободных электронов. В счётчиках Гейгера ускоренные электрическим полем первичные электроны ионизуют атомы заполняющего счетчик газа и тем самым дают начало образования лавины, содержащей огромное число электронов. В фотографической эмульсии кристаллы бромистого серебра, содержащие хотя бы один ион, в процессе проявления восстанавливаются до металлического серебра. В сцинтиллирующих веществах постепенное заполнение дырок во внутренних оболочках атомов приводит к возбуждению внешних электронов.

Для определения спектрального состава рентгеновского излучения используют явление дифракции этого излучения на кристаллических структурах. Если параллельный пучок рентгеновских лучей падает на кристалл, то лучи будут дифрагировать от каждой кристаллической плоскости. Условием взаимного усиления лучей, отражённых от некоторой системы параллельных плоскостей, будет

; ,

(1.1)

где – расстояние между плоскостями, – угол скольжения (дополняющий угол падения до 90°), - длина волны, – порядок дифракции. Это соотношение Вульфа – Брэгга указывает, волны каких длин могут испытать правильное отражение от кристалла при данном угле падения. Волны других длин рассеиваются более или менее равномерно по всем направлениям, давая лишь общий фон на фотопластинке.

Чтобы установить дифракционные максимумы для параллельного пучка любой длины волны, применяют периодическое покачивание кристалла, например, с помощью часового механизма (рис.1.1)

Рис. 1.1

При покачивании кристалл образует с направлением пучка всевозможные углы скольжения, благодаря чему на фотопластинке получается изображение всего рентгеновского спектра. Этот метод лежит в основе устройства современных рентгеновских спектральных приборов. Для выделения определённых длин волн рентгеновских лучей служат монохроматоры, а для регистрации всего спектра и определения длин волн монохроматических компонент – спектрометры.