Рентгеновские трубки

Введение

Все основные явления и законы рентгеновского излучения изучены и определены уже в прошлом веке и являются основными в настоящее время. Они являются основой для различных научных достижений и исследований, таких как рентгеновская флуоресценция, резонансное комбинационное рассеяние, оптика рентгеновских лучей, исследования синхротронного излучения и др.
Актуальность темы реферата заключается в том, что рентгеновское излучение имеет довольно разнообразные свойства, к ним относятся возможность неразрушающего контроля, большая проникающая и высокая разрешающая способности. Все это позволяет решать множество диагностических и исследовательских задач, которые необходимо решать в областях техники и науки. Методы анализа на основе рентгеновского излучения являются одними из основных в различных науках – в астрономии, биологии, медицине, биохимии, электронике, кристаллографии, нанотехнологии, материаловедении и так далее. Использование рентгеновской техники в жизни людей используется повсеместно.
Цель работы – более полное изучение рентгеновского излучения и рентгеновских трубок.
Для достижения поставленной цели необходимо решить несколько задач: рассмотреть историю открытия рентгеновского излучения, его источники, области применения, развитие рентгеновской техники, конструкцию рентгеновской трубки, а также рентгеновские трубки с автоэмиссионными катодами и другие моменты.
Структура реферата включает в себя несколько частей: введение, основную часть (две главы), заключение и библиографический список, состоящий из пяти источников литературы.
1. Рентгеновское излучение
1.1 История открытия рентгеновского излучения
8 ноября 1895 года Вильгельмом Конрадом Рентгеном было открыто рентгеновское излучение. В это время он был в Вюрбецком университете профессором. В честь него и получила свое название наука рентгенология, являющиеся в настоящее время одной из популярных. Рентгеновское излучение Вильгельмом было обнаружено не специально, то есть он его не пытался обнаружить. Случилось это следующим образом. Ученый погасил в комнате свет, и когда в ней стало темно, то Рентген обнаружил свечение экрана, отливающее зеленым светом. Данный экран был покрыт снаружи платино-синеродистым барием, это вызвало флюоресценцию, обнаруженную великим профессором. Естественно, это заинтересовало Рентгена, и он сообразил, что данное свечение экрана происходит за счет действия на него электровакуумной трубки, находившейся под напряжением и находившееся в свою очередь неподалеку от экрана. При отключении трубки свечение экрана прекращалось. Сверху электровакуумная трубка была покрыта светонепроницаемой бумагой. Ученый предположил, что она и излучает определенные частицы, которые действуют на кристаллы бария и возбуждают их, за счет чего и происходит зеленоватое свечение экрана.
Вскоре, после открытия излучения, сведения о нем были опубликованы Рентгеном в журнале «Отчеты физико-медицинского общества Вюрцбурга» в том же году. Данный отчет был довольно интересен, так как ранее подобных материалов в печать не выпускалось. Через разреженный газ пропускался электрический ток, их еще называют катодными лучами. Так вот, данные лучи попадали на стеклянный баллон разрядной трубки, и на этом месте они появлялись. Данные лучи Вильгельмом были названы Х-излучением. Рентгеновское излучение имело несколько важных свойств. Далее перечислены некоторые из них, это: достаточно высокая способность проникновения, магнитное поле на рентгеновское излучение не действует, прямолинейное распространение и др. В отчете была опубликована фотография с кистью руки человека, через которую прошли рентгеновские лучи (Х-излучения). Такая фотография изображена ниже на Рисунке 1.1., на ней явно видно, как работает открытое Рентгеном излучение.
Рисунок 1.1 – Кисть руки в прошедшем Х-излучении
Открытие Рентгена произвело огромный резонанс среди ученых в различных областях. В данном направлении было написано более тысячи работ только в течении одного года, после открытия рентгеновского излучения. Далее было выдано шесть Нобелевских премий за работу в области изучения рентгеновского излучения. Рентген В.К. был первым лауреатом в данном направлении, это случилось в 1901 году. Далее престижную премию за изучение Х-излучения получили Лауэ. М., Брегги У.Л. и У.Г., Баркла И., Зигбан Н., Комптон А., соответственно в 1914, 1915, 1917, 1924 и в 1927 годах. Их достижения внесли в науку весомый вклад. В данной работе их заслуги рассматриваться не будут, хотя они очень интересные. 1
1.2 Источники рентгеновского излучения
Как правило, рентгеновское излучение возникает при изменении скорости заряженных частиц или при ионизации внутренних оболочек атома. Стоит заметить, что скорость частиц изменяется за счет их взаимодействия с электромагнитным полем, такое излучение называется еще тормозным. Когда происходит ионизация внутренних оболочек атома, то такое излучение называют характеристическим. Первичное рентгеновское излучение может иметь естественные и искусственные источники своего происхождения. Некоторые рассмотрены ниже.
Для исследования и рассмотрения небольшого объема вещества, в некоторых случаях даже микроскопического, инструментом является пучок электронов. К таким устройствам следует отнести электронный микроскоп, рентгеновский микрозонд и др. Также данный пучок электронов применяется, например, в машиностроении, где методами рентгенографии изучается структура различных материалов. И, конечно, же такой пучок электронов используется в рентгеновских трубках, которые в настоящее время применяются широко в определении состава материалов как структурного, так и элементного, в медицине, дефектоскопии и др.
Рентгеновские трубки состоят из лампы высокой мощности, ее называют диодом. Также есть и катод, им является нить накала, произведенная из тугоплавкого металла. Поток электроном, который начинает испускаться катодом за счет разницы потенциалов на электродах начинает ускоряться, а далее генерирует в рентгеновское излучение при торможении на аноде рентгеновской трубки.
Ускорители прямого действия являются источниками потоков частиц, которые заряжены, такие потоки мощные и имеют высокую энергию. Движение частицам придается всего лишь при одном прохождении их с большей разностью потенциалов.
В ядерных реакторах, либо на циклотроне получают радиоактивные изотопы. Это происходит за счет облучения заряженными частицами мишеней.
В свое время Нильсом Бором были озвучены принципы торможения ионов, проходящих через вещество, точнее теоретические принципы.
Как рассматривалось выше, испускать радиоактивные изотопы может как тормозное, так и характеристическое рентгеновское излучение

.
Такое излучение может возникать в трех вариантах. Ниже указаны все три:
• первый вариант, рентгеновское излучение, которое сопровождается α-распадом;
• второй вариант, взаимодействие с атомами вещества β-излучения;
• третий вариант, захват атомным ядром К-оболочки, либо внутренняя конверсия.
Одним из аппаратов, в котором возникает рентгеновское излучение является синхротрон. Он является циклическим ускорителем электронов. Он имеет неизменную частоту ускоряющего электрического поля и магнитное поле, которое может управляться. Такой аппарат является источником синхротронного излучения частиц, которые в магнитном поле имеют релятивистское движение.2
Если излучение получают за счет лазера, то есть излучение лазерное, то в таком случае нужно сделать так, чтобы состояние вещества было инверсным, за счет чего количество невозбужденных электронов намного меньше подверженных возбуждению частиц.
1.3 Области применения рентгеновского излучения
Как известно, рентгеновское излучение имеет хорошую проникающую способность, именно поэтому оно нашло широкое применение в медицинской сфере. В самом начале использования изучаемого излучения оно применялось для нахождения в и определения в теле человека инородных предметов, а также для глубокого и подробного изучения переломах костей тела. На рентгеновском излучении основаны несколько методов, существующих в наше время. Каждый из данных методов включает в себя такой недостаток: кожа человека может повредиться довольно глубоко, что вызывает часто язвы, которые в свою очередь могут даже «подтолкнуть» к раку. Были случаи, что человеку просто-напросто ампутировали руки, либо пальцы рук, что наносит непоправимый урон для организма человека и для человека, как для личности в целом.
Слово просвечивание является синонимом к термину рентгеноскопия. Оно является одним из главных методов просвечивания организма человека среди других исследований при помощи рентгена. Как правило, в результате рентгеноскопии на экран выводится изображение объекта, который исследуется. При данном методе результат изображения регистрируется на рентгеновскую пленку. Она сделана на основе светочувствительного материала. Также есть другой вариант рентгеноскопии, при котором результат регистрируется на фотобумагу, тут уже необходима дальнейшая фотообработка необходимого результата. В настоящее время получила свое распространение цифровая обработка результата, то есть происходит регистрация данного результата на электронный носитель компьютера.
Еще одним методом диагностики при помощи рентгеновского излучения является флюорография. Флюорография была разработана после открытия рентгеновского излучения через короткое время.
Рентгеновское излучение применяется и в томографии. Если копнуть глубже, то можно увидеть, что термин томография имеет греческие корни и переводится как «изображение среза». Если описать более простым языком, то в результате проведения томографии объекта исследования, изображение его внутренней структуры регистрируется послойно. Положительным качеством такого исследования объекта является высокое разрешение, при помощи которого объект можно рассмотреть и изучить более тонко и подробно.
В настоящее время в медицинскую практику вошло понятие рентгенотерапии. Данный метод нашел широкое применение для лечения суставов.
Рентгеновские лучи применяются не только в медицине, но и используются и в других случаях, например, для проверки сумок и багажа на вокзалах, аэропортах и других местах. Тяжелые материалы, которые применяются при производстве пистолетов, ножей, боеприпасов, оружия поглощают рентгеновские лучи, но они могут проходить сквозь кожу, пластик и другие мягкие материалы. Информация о результатах просвечивания «наших сумок» выводится на монитор, где специально обученные люди изучают полученную информацию.
Внутренняя структура различных материалов при помощи рентгеновского излучения определяется также давно, как и рентген применяется в медицине. По-другому это называется рентгеновской дифракцией, либо кристаллографией. С помощью этих методов ученые способны определять расстояние между атомами в веществе, а в пятидесятых годах прошлого века данные методы помогли определить структуру дезоксирибонуклеиновой кислоты человека, то есть ДНК.
В современной астрономии и астрофизике применяются телескопы, работающие на основе рентгеновских волн. Как правило, такие телескопы работают на орбитах спутников, либо просто на большой высоте, так как атмосфера нашей планеты способна поглощать и блокировать большую часть рентгеновского излучения.
В машиностроении и другом производстве рентгеновские лучи используются для определения структуры металлов, их дефектов. Для этого применяется жесткий рентген, так как, как рассматривалось ранее, металл просвечивать рентгеном не так уж и просто. Это объясняется тем, что металла имеют довольно большую атомную массу.
Широкое применение в терапии нашла радиотерапия. Она имеет несколько форм. В радиотерапии применяется лишь ионизирующая радиация. Используются потоки тяжелых ионов, протонов, нейтронов, электронов, альфа-частиц.
1.4 Развитие рентгеновской техники
Рентгеновская техника, как отмечалось выше, широко применяется в медицине, а также в технических целях. Приборы, которые используют рентгеновское излучение в своей работе, называются рентгеновским оборудованием. Так как, значение такого оборудования имеет большое значение, то оно постоянно усовершенствуется, видоизменяется и модернизируется.
Также при развитии рентгеновской техники появляются новые методы исследования. Например, самые распространенное оборудование – это антиограф, дентальное оборудование, флюорограф и др.
Цифровые аналоги постоянно приходят на смену уже устаревшего рентгеновского оборудования. Такая техника более безопасна и качественней, так как происходит компьютерная обработка исследуемых объектов.
В рентгенодиагностике разработчиками достигнут при заданном пространственном разрешении принципиальный предел снижения дозы. И в настоящее время полученные результаты постоянно усовершенствуются.
Необходимо заметить и учесть, что мы, наше поколение являемся наблюдателями того, как проходит процесс перехода старой рентгеновской техники на цифровую платформу, и, как следствие, вся информация об исследуемых объектах будет храниться в цифровом формате, а не на фотопленке, в рентгенологии цифровая обработка будет обычным явлением