Рентгеновское излучение: источники и принципы генерации¶

Рентгеновское излучение — это электромагнитное излучение с длиной волны в диапазоне примерно от 0,001 до 10 нанометров (энергия фотонов от 0,12 кэВ до 1,24 МэВ), расположенное между ультрафиолетовым и гамма-излучением в спектре. Названо в честь немецкого физика Вильгельма Рентгена, открывшего его в 1895 году. Рентгеновские лучи генерируются при взаимодействии быстрых заряженных частиц с веществом, а также при некоторых процессах в атомных ядрах.

¶Основные механизмы генерации

¶Тормозное излучение (рефлексия)

Наиболее распространённый способ получения рентгеновских лучей в лабораторных и промышленных условиях — тормозное (или тормозное континуальное) излучение. Оно возникает, когда заряженная частица (обычно электрон) резко тормозится в электрическом поле ядра атома-мишени. При столкновении электрона с атомом кинетическая энергия электрона частично преобразуется в энергию фотонов рентгеновского диапазона. Спектр тормозного излучения непрерывный: минимальная длина волны определяется формулой Дюамеля — Уоррена:

λ_min = hc / (eU),

где U — ускоряющее напряжение. Например, при напряжении 40 кВ минимальная длина волны составляет около 0,031 нм.

¶характеристическое излучение

Характеристическое рентгеновское излучение возникает, когда быстрый электрон выбивает внутренний (обычно K- или L-оболочки) электрон из атома мишени. Образовавшаяся вакансия заполняется электроном с более внешней оболочки, а разница энергий двух уровней испускается в виде фотона. Длина волны такого фотона строго определена и зависит от атомного номера элемента мишени по закону Мозли:

√ν = a(Z − b),

где ν — частота излучения, Z — атомный номер. Характеристические линии используются в рентгенофазовом анализе и рентгенофлуоресцентном спектрометрии.

¶Синхротронное излучение

Заряженная частица, движущаяся по криволинейной траектории в магнитном поле, испускает электромагнитное излучение — синхротронное. В ускорителях электронов (синхротронах) оно охватывает широкий спектр, включая рентгеновский диапазон. Интенсивность и направленность такого излучения значительно превышают параметры лабораторных рентгеновских трубок, что делает синхротроны ценными инструментами для фундаментальных исследований.

¶Рентгеновское излучение в природе

В природе рентгеновские лучи генерируются в нескольких процессах:

• Комптоновское рассеяние — рассеяние гамма-фотонов на свободных или слабосвязанных электронах, при котором часть энергии передаётся электрону, а рассеянный фотон становится рентгеновским.
• Поглощение гамма-излучения — при прохождении через вещество гамма-фотоны могут порождать рентгеновские кванты через внутреннюю конверсию.
• Слияние электрон-позитронных пар — при аннигиляции электрона и позитрона образуются, как правило, два гамма-фотона, но в редких случаях возможен выход рентгеновских квантов.
• Крещендо-рентгеновские лучи — рентгеновское излучение, порождаемое космическими лучами высоких энергий в атмосферах планет.

В астрофизике рентгеновские источники включают чёрные дыры с аккреционными дисками, нейтронные звёзды, галактические скопления горячего газа и активные ядра галактик.

¶Рентгеновская трубка

Основным лабораторным источником рентгеновского излучения является рентгеновская трубка — вакуумный прибор, в котором электроны ускоряются разностью потенциалов между катодом и анодом (мишенью). Типичное устройство:

1. Катод — нить накала, испускающая электроны при нагреве (термоэлектронная эмиссия).
2. Анод (мишень) — обычно из тяжёлого металла (вольфрам, медь, молибден, кобальт), на который направляется пучок электронов.
3. Вакуум — обеспечивает свободное движение электронов.
4. Окно — выходное отверстие, через которое рентгеновские лучи покидают трубку.

Большая часть кинетической энергии электронов (более 99 %) преобразуется в тепло, поэтому аноды интенсивно охлаждают — водяным или рентгеновским охлаждением. Для повышения мощности используют вращающиеся аноды, по которым луч скользит по дуге.

¶Применение

Рентгеновское излучение находит широкое применение:

• Медицина — рентгенография, компьютерная томография, флюорография.
• Промышленность — рентгеновский контроль сварных швов, дефектоскопия.
• Наука — рентгеноструктурный анализ (метод Брава), рентгенофлуоресцентный анализ, малые углы рассеяния (SAXS/WAXS).
• Криминалистика — обнаружение скрытых предметов, исследование подделок.
• Астрономия — наблюдения рентгеновских обсерваторий («Чандра», «XMM-Newton», «Спектр-РГ»).

¶История

Рентгеновские лучи открыл Вильгельм Рентген 8 ноября 1895 года в Вюрцбургском университете, обнаружив их способность проникать через непрозрачные предметы и вызывать свечение люминофоров. За это открытие он получил первую Нобелевскую премию по физике в 1901 году. Уже в 1896 году Антуан Беккерель обнаружил, что урановые соли также испускают проникающее излучение, что стало отправной точкой открытия радиоактивности.

¶История

• Рентген В. О новом виде лучей. 1895.
• Мозли Г. Д. Ф. Частоты спектров рентгеновских лучей. 1913.
• Краусс X., Ридт X. Рентгеновские трубки и генераторы. — М.: Мир, 1988.
• Балдин А. Е. Введение в физику ускорителей. — М.: Наука, 1975.