Понятие рентгеновского излучения

ВВЕДЕНИЕ

Рентгеновское излучение  все шире используется для контроля продукции в пищевой промышленности. Но некоторые производители все  еще сомневаются по поводу использования  рентгеновских систем для контроля качества продукции. Они опасаются  того, что их сотрудники будут против появления рентгеновского излучения  на рабочем месте, а клиенты предпочтут продукцию другого производителя, который не использует рентгеновское  излучение.

Рентгеновский контроль дает производителям продуктов питания  исключительные возможности обнаружения  посторонних включений не только из черных и цветных металлов, но и из нержавеющей стали, невидимой  для магнитного металлодетектора.

Но этот метод также  очень эффективно позволяет обнаруживать другие инородные примеси, такие  как стекло, камни, кости, пластмассы.

При этом системы рентгеновского контроля могут одновременно отслеживать  множество других параметров качества непосредственно в технологическом  процессе. Например: измерение массы, подсчет компонентов, идентификация  пропущенных или поврежденных продуктов, контроль уровня заполнения, проверка герметичности упаковки, проверка готовой  продукции на наличие повреждений  упаковки или самого продукта.

Этот метод контроля качества продукции – наиболее надежный из всех существующих на данный момент, учитывая повышение скорости работы технологических  линий и рост ожиданий потребителей к качеству и безопасности.

Несмотря на то, что применение рентгеновского контроля не входит в  законодательные требования, но современные  системы менеджмента качества (НАССР, Глобальная инициатива по безопасности пищевых продуктов,GMP (надлежащая производственная практика), а также специализированные стандарты) призывают производителей применять максимально надежные программы контроля качества.

Включение системы рентгеновского контроля в состав общекорпоративных  программ контроля качества позволяет  повысить безопасность и качество продукции. Эти системы помогают производителям соблюдать требования национальных и международных нормативных  документов, местного законодательства и стандартов, устанавливаемых предприятиями  розничной торговли.[1]

ПОНЯТИЕ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Рентгеновским излучением называют электромагнитные волны с длиной приблизительно от 80 до 10~⁵ нм. Наиболее длинноволновое рентгеновское излучение перекрывается коротковолновым ультрафиолетовым, коротковолновое - длинноволновым Y-излучением. По способу возбуждения рентгеновское излучение подразделяют на тормозное и характеристическое.

Наиболее распространенным источником рентгеновского излучения  является рентгеновская трубка, которая  представляет собой двухэлектродный  вакуумный прибор. Подогревной катод  испускает электроны. Анод, называемый часто антикатодом, имеет наклонную  поверхность, для того чтобы направить  возникающее рентгеновское излучение  под углом к оси трубки. Анод изготовлен из хорошо теплопроводящего материала для отвода теплоты, образующейся при ударе электронов. Поверхность  анода выполнена из тугоплавких  материалов, имеющих большой порядковый номер атома в таблице Менделеева, например из вольфрама. В отдельных  случаях анод специально охлаждают  водой или маслом.

Для диагностических трубок важна точечность источника рентгеновских  лучей, чего можно достигнуть, фокусируя  электроны в одном месте антикатода. Поэтому конструктивно приходится учитывать две противоположные задачи: с одной стороны, электроны должны попадать на одно место анода, с другой стороны, чтобы не допустить перегрева, желательно распределение электронов по разным участкам анода. В качестве одного из интересных технических решений является рентгеновская, трубка с вращающимся анодом. В результате торможения электрона (или иной заряженной частицы) электростатическим полем атомного ядра и атомарных электронов вещества антикатода возникает тормозное рентгеновское излучение. Механизм его можно пояснить следующим образом. С движущимся электрическим зарядом связано магнитное поле, индукция которого зависит от скорости электрона. При торможении уменьшается магнитная индукция и в соответствии с теорией Максвелла появляется электромагнитная волна.

При торможении электронов лишь часть энергии идет на создание фотона рентгеновского излучения, другая часть расходуется на нагревание анода. Так как соотношение между  этими частями случайно, то при  торможении большого количества электронов образуется непрерывный спектр рентгеновского излучения. В связи с этим тормозное  излучение называют также и сплошным.

Коротковолновое рентгеновское  излучение, обычно, обладает большей  проникающей способностью, чем длинноволновое, и называется жестким, а длинноволновое - мягким. Увеличивая напряжение на рентгеновской  трубке, изменяют спектральный состав излучения. Если увеличить температуру  накала катода, то возрастут эмиссия  электронов и сила тока в трубке. Это приведет к увеличению числа  фотонов рентгеновского излучения, испускаемых каждую секунду. Спектральный состав его не изменится. Увеличивая напряжение на рентгеновской трубке, можно заметить на фоне сплошного  спектра появление линейчатого, который соответствует характеристическому  рентгеновскому излучению. Он возникает  вследствие того, что ускоренные электроны  проникают вглубь атома и из внутренних слоев выбивают электроны. На свободные  места переходят электроны с  верхних уровней, в результате высвечиваются  фотоны характеристического излучения. В отличие от оптических спектров характеристические рентгеновские  спектры разных атомов однотипны. Однотипность этих спектров обусловлена тем, что  внутренние слои у разных атомов одинаковы  и отличаются лишь энергетически, так  как силовое воздействие со стороны  ядра увеличивается по мере возрастания  порядкового номера элемента. Это  обстоятельство приводит к тому, что  характеристические спектры сдвигаются в сторону больших частот с  увеличением заряда ядра. Такая закономерность известна как закон Мозли.

Есть еще одна разница  между оптическими и рентгеновскими спектрами. Характеристический рентгеновский  спектр атома не зависит от химического  соединения, в которое этот атом входит. Так, например, рентгеновский  спектр атома кислорода одинаков для О, О₂ и Н₂О, в то время как оптические спектры этих соединений существенно различны. Эта особенность рентгеновского спектра атома послужила основанием и для названия характеристическое.

Характеристическое излучение возникает всегда при наличии свободного места во внутренних слоях атома независимо от причины, которая его вызвала. Так, например, характеристическое излучение сопровождает один из видов радиоактивного распада, который заключается в захвате ядром электрона с внутреннего слоя.

Регистрация и использование  рентгеновского излучения, а также  воздействие его на биологические  объекты определяются первичными процессами взаимодействия рентгеновского фотона с электронами атомов и молекул  вещества.

В зависимости от соотношения  энергии фотона и энергии ионизации  имеют место три главных процесса

Когерентное (классическое) рассеяние. Рассеяние длинноволнового рентгеновского излучения происходит в основном без изменения длины волны, и его называют когерентным. Оно возникает если энергия фотона меньше энергии ионизации. Так как в этом случае энергия фотона рентгеновского излучения и атома не изменяется, то когерентное рассеяние само по себе не вызывает биологического действия. Однако при создании защиты от рентгеновского излучения следует учитывать возможность изменения направления первичного пучка. Этот вид взаимодействия имеет значение для рентгенструктурного анализа.

Некогерентное рассеяние (эффект Комптона). В 1922 г А.Х. Комптон, наблюдая рассеяние жестких рентгеновских лучей, обнаружил уменьшение проникающей способности рассеянного пучка по сравнению с падающим. Это означало, что длина волны рассеянного рентгеновского излучения больше, чем падающего. Рассеяние рентгеновского излучения с изменением длины волны называют некогерентным, а само явление - эффектом Комптона. Он возникает, если энергия фотона рентгеновского излучения больше энергии ионизации. Это явление обусловлено тем, что при взаимодействии с атомом энергия фотона расходуется на образование нового рассеянного фотона рентгеновского излучения, на отрыв электрона от атома (энергия ионизации А) и сообщение электрону кинетической энергии.

Существенно, что в этом явлении наряду с вторичным рентгеновским  излучением (энергия hv' фотона) появляются электроны отдачи (кинетическая энергия  Ј_к электрона). Атомы или молекулы при этом становятся ионами.

Фотоэффект. При фотоэффекте рентгеновское излучение поглощается атомом, в результате чего вылетает электрон, а атом ионизируется (фотоионизация). Если энергия фотона недостаточна для ионизации, то фотоэффект может проявляться в возбуждении атомов без вылета электронов.

Перечислим некоторые  процессы, наблюдаемые при действии рентгеновского излучения на вещество.

Рентгенолюминесценция - свечение ряда веществ при рентгеновском облучении. Такое свечение платиносинеродистого бария позволило Рентгену открыть лучи. Это явление используют для создания специальных светящихся экранов с целью визуального наблюдения рентгеновского излучения, иногда для усиления действия рентгеновских лучей на фотопластинку.

Известно химическое действие рентгеновского излучения, например образование перекиси водорода в воде. Практически важный пример - воздействие на фотопластинку, что позволяет фиксировать такие лучи.

Ионизирующее действие проявляется в увеличении электропроводимости под воздействием рентгеновских лучей. Это свойство используют в дозиметрии для количественной оценки действия этого вида излучения.[2]

РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫЙ  АНАЛИЗ

Одним из наиболее широко известных  применений рентгеновской спектроскопии  является рентгеноспектральный анализ элементного состава вещества. Рентгеноспектральный анализ имеет разнообразные области  применения. В геологии, горном деле, металлургии и гидрометаллургии этим методом определяют составы  минералов, руд и продуктов их переработки — пульпы, концентратов; устанавливают состав легированных сталей и сплавов и т.д. В химической промышленности и науке методом  рентгеноспектрального анализа анализируют исходные продукты, сырье и готовую продукцию. Широко используются рентгеноспектральные методы для анализа и аттестации различных материалов: цементов, керамики, стекла, пластмасс, катализаторов и других материалов сложного химического состава.

Рентгеноспектральный анализ это раздел аналитической химии, использующий рентгеновские спектры  элементов для химического анализа  веществ. Рентгеноспектральный анализ по положению и интенсивности  линий характеристического спектра позволяет установить качественный и количественный состав вещества и служит для экспрессного неразрушающего контроля состава вещества.

Принцип метода

Известно, что любой элемент, помещенный на анод рентгеновской трубки, к которой приложена разность потенциалов выше критической, становится источником рентгеновских характеристических лучей. Те же лучи возникнут как вторичные  характеристические рентгеновские  лучи, если этот элемент будет облучён  рентгеновскими лучами, имеющими меньшую  длину волны. Анализируя спектральный состав рентгеновского излучения, можно  определить химический состав излучающего  объекта.

В рентгеновской спектроскопии  для получения спектра используется явление дифракции лучей на кристаллах или, в области 15-150 Å, на дифракционных  штриховых решётках, работающих при  малых (1-12°) углах скольжения. Основой  рентгеновской спектроскопии высокого разрешения является закон Вульфа-Брэга, который связывает длину волны  рентгеновских лучей l, отраженных от кристалла в направлении q, с межплоскостным расстоянием кристалла d.

nl=2 d sinq                         

Угол q называется  углом скольжения. Он направлением падающих на кристалл или отражённых от него лучей с отражающей поверхностью кристалла. Число nхарактеризует  так называемый порядок отражения, в котором при заданных  l и dможет наблюдаться дифракционный максимум.

Частота колебания рентгеновских  лучей (n=с/l), испущенных каким-либо элементом, линейно связана с его атомным  номером:

Ö n/R=A(Z-s)                      

где n - частота излучения, Z – атомный номер элемента, R – постоянная Ридберга, равная 109737,303 см^-1,  s - средняя константа экранирования, в небольших пределах, зависящая от Z, А – постоянная для данной линии величина.

Рентгеноспектральный анализ основан на использовании зависимости  частоты излучения линий характеристического  спектра элемента от их атомного номера и связи между интенсивностью этих линий и числом атомов, принимающих  участие в излучении.

Рентгеновское возбуждение  атомов вещества может возникать  в результате бомбардировки образца  электронами больших энергий  или при его облучении рентгеновскими лучами. Первый процесс называется прямым возбуждением, последний –  вторичным или флуоресцентным. В  обоих случаях энергия электрона  или кванта первичной рентгеновской  радиации, бомбардирующих излучающий атом, должна быть больше энергии, необходимой  для вырывания  электрона из определённой внутренней оболочки атома. Электронная бомбардировка исследуемого вещества приводит к появлению не только характеристического спектра элемента, но и, как правило, достаточно интенсивного непрерывного излучения. Флуоресцентное излучение содержит только линейчатый спектр.

В ходе первичного возбуждения  спектра происходит интенсивное  разогревание исследуемого вещества, отсутствующее при вторичном  возбуждении. Первичный метод возбуждения  лучей  предполагает помещение исследуемого вещества внутрь откачанной до высокого вакуума рентгеновской трубки, в то время как для получения спектров флуоресценции исследуемые образцы могут располагаться на пути пучка первичных рентгеновских лучей вне вакуума и легко сменять друг друга. Поэтому приборы, использующие спектры, флуоресценции (несмотря на то, что интенсивность вторичного излучения в тысячи раз меньше интенсивности лучей, полученных первичным методом), в последнее время почти полностью вытеснили из практики установки, в которых осуществляется возбуждение рентгеновских лучей с помощью потока быстрых электронов.[3]