Röntgensugarak
Előadás
bevezetés
Elektromágneses hullámok
Reverse fotoelektromos hatás
történet
A röntgensugarakat 1895-ben fedezte fel Wilhelm Röntgen (más írásmóddal Röntgen) német fizikus. Ő kapta az első fizikai Nobel-díjat 1901-ben “azon rendkívüli szolgálatai elismeréseként, amelyeket a később róla elnevezett figyelemre méltó sugarak felfedezésével tett”. A Wurzbergi Fizikai-Medicinális Társaság elnöke, Albert von Kolliker, akinek a kezével ezt a képet készítették, javasolta, hogy ezt az új sugárzási formát “Röntgen-sugaraknak” nevezzék el. Röntgen másképp gondolta.
Azt látjuk tehát, hogy valamilyen anyag képes áthatolni a fekete kartonon, amely az ultraibolya fény, a napfény vagy az ívfény számára teljesen átlátszatlan. Ezért érdekes megvizsgálni, hogy más testeket mennyire képes ugyanez a szer áthatolni. Könnyen kimutatható, hogy minden test ugyanezzel az átlátszósággal rendelkezik, de nagyon különböző mértékben. Például a papír nagyon átlátszó; a fluoreszkáló képernyő világít, ha egy ezer oldalas könyv mögé helyezzük; a nyomdafesték nem nyújt kifejezett ellenállást….. Egy 15 mm vastagságú alumíniumlemez még mindig átengedte a röntgensugarakat (a rövidség kedvéért így nevezem a sugarakat), de a fluoreszcenciát jelentősen csökkentette. Hasonló vastagságú üveglemezek hasonlóan viselkednek; az ólomüveg azonban sokkal átlátszatlanabb, mint az ólommentes üveg…. Ha a kezet a fluoreszcens képernyő elé tartjuk, az árnyékban sötéten látszanak a csontok, és csak halványan körvonalazódnak a környező szövetek.
Wilhelm Röntgen, 1895
Röntgen a jelek szerint mindig nagybetűvel írta az x-et. Én inkább a kisbetűt használom, mivel a sugarakat szándékosan nem nevezték el senki és semmi után.
Vigyázat: ezt ne próbáljuk ki otthon. Ne próbáld ki sehol!
A szem retinája meglehetősen érzéketlen ezekre a sugarakra: a készülékhez közel helyezett szem semmit sem lát. A kísérletekből világos, hogy ez nem a szem struktúráinak áteresztő képességének hiányából ered.”
Wilhelm Röntgen, 1895
1912: Walter Friedrich és Paul Knipping röntgensugarak diffrakciója a cinkblendén
1912: Max von Laue javasolja, hogy rácsos szilárd anyagokat használjanak a röntgensugárzás diffrakciójára
1913: William Bragg és Lawrence Bragg kidolgozzák az erős röntgensugár-tükröződés Bragg-feltételét
1922: Arthur Compton tanulmányozza a röntgenfotonok elektronok általi szórását
Röntgen/Gázzal töltött csövek
A legkorábbi röntgencsöveket alacsony nyomású levegővel (vagy részleges vákuummal, ha úgy tetszik) töltötték meg… katód, anód és antikatód.
 Forrás: bulbcollector.com a.k.a. kilocat |
 Forrás: a szerző fotója a.k.a. a szerző |
Vákuumcsövek
A legtöbb ma használatos röntgencsövet vákuummal “töltik”. A röntgencsöveknek ezt a “teljesen új fajtáját” 1913-ban találta fel William Coolidge (1873-1975) amerikai villamosmérnök. Ugyanebben az évben Coolidge kifejlesztette azt a technikát, amellyel finom drótot lehet készíteni volfrámból (egy közismerten nem duktilis fémből). Szinte minden 1913 után gyártott izzólámpa Coolidge eljárásával készült volfrámszálat tartalmaz. Amikor befejezte az izzókkal való foglalkozást, a röntgencsövek felé fordította figyelmét. Találd ki, mi történt? Szinte minden 1913 után gyártott röntgencső tartalmaz volfrámszálat, amelyet az izzókban használt eljárással készítettek.
Egy tipikus vákuumröntgencsőben az elektronokat egy felhevített katódról egy fém anód felé gyorsítja a nagy potenciálkülönbség. Az izzószál hőmérsékletének változtatása megváltoztatja az elektronáramot – egy forróbb katód több elektront szabadít fel, mint egy hideg katód. Ez határozza meg a röntgensugár intenzitását vagy “fényerejét”. Mivel egy elektron egy röntgenfotont hoz létre, amikor az anódba ütközik, több, a csövön átrepülő elektron több, a csőből kibocsátott röntgenfotont jelent. A csövön átmenő feszültség határozza meg az elektronok mozgási energiáját, amikor az anódra csapódnak, ami viszont meghatározza a röntgenfotonok áthatoló erejét – az egy elektronra jutó több energia több energiát jelent egy röntgenfotonra, és így nagyobb az anyagon való áthatolás képessége.
A katód egy feltekert huzalszál (általában volfrám), amelyet körülbelül 2000 °C-ra (fehér forróságra) hevítettek. Termionikus emisszióval bocsát ki elektronokat. Bizonyos értelemben az elektronok “leforrázódnak” a fém felületéről, de ez egy furcsa fajta forrázás, mivel a távozó elektronok helyébe mindig újak lépnek. Ha otthon felteszek egy fazék vizet a tűzhelyre, felforralom, majd egy-két órára elhagyom a konyhát, mire visszaérek, jó eséllyel üres lesz a fazék (és talán még vörösen forró is). Ez nem történik meg a katódban lévő elektronokkal. Azokat, amelyek távoznak, mindig újakkal pótolják. Ha nem így lenne, akkor pozitív töltésű ionok (és végül csupasz atommagok) gyűjteményét kapnánk, amelyek a kölcsönös taszításuk miatt biztosan szétrepülnének. A röntgencső egy áramköri elem. Az áram az egyik végén bemegy, a másikon kijön, és körbe-körbe jár az áramkörben.
Az anód egy viszonylag masszív réz hűtőborda, amelynek célfelülete átlósan van vágva, és valamilyen más fémmel (általában platinával) van bevonva. Az elektronoknak átadott mozgási energia több mint 99%-a az anódon hővé alakul át. A fennmaradó 1% fékező sugárzásként (azaz hasznos röntgensugárzásként) bocsátódik ki. Ezt a hőt át kell adni, különben a céltárgy megolvadna. Coolidge megoldása az volt, hogy a céltárgyat egy kis motorral forgatta. Ez biztosította, hogy a forró pont soha ne maradjon elég sokáig egy helyben ahhoz, hogy tartósan károsítsa az anódot. (Néhány röntgencsövet vízzel hűtenek.) A céltárgyat átlósan vágják, hogy a kibocsátott röntgensugarak a beeső elektronoktól eltérő szögben repüljenek le a felületről. A 45°-os vágásnál a röntgensugarak a cső tengelyére merőlegesen lépnek ki. Az ezen az oldalon található röntgencsövekről készült összes fényképen a céltárgyak ilyen szögben vannak beállítva. (A balra lent látható fogászati röntgencső fotója kissé torz, így a geometria nem látszik.)
 A röntgencső “teljesen új fajtájának” sematikus ábrája William Coolidge 1913-as szabadalmi kérelméből. Szinte minden korabeli röntgencső a Coolidge-cső változata. Forrás: M: |
 A fogászatban használt típusú vákuumröntgencső. Forrás: bulbcollector.com |
karakterisztikus vs. bremsstrahlung (fékező) spektrum.
 |
 |
 |
brems (fékezés/lassulás) + strahlung (sugárzás)
- A hideg tiszta fémben (a) minden elektron a Fermi energiaszint alatt van. A hőenergia lehetővé teszi, hogy az elektronok térfelhőt képezzenek a vákuumban (b), és elektromos tér alkalmazása lehetővé teszi, hogy az elektronok egy anódon összegyűljenek; egyébként a fémen belüli és kívüli elektronok között egyensúly jön létre. A legtöbb röntgencsőben, elektronmikroszkópban és elektronmikroszondában volfrámhuzalt használnak, hogy kihasználják a magas hőmérsékletet az olvadáshoz (3680 K) és a párolgáshoz. Egy hagyományos röntgencsőben a huzal egy kb. 1 cm x 1 mm-es tekercs, és a hőmérsékletet úgy állítják be, hogy minimalizálják a W atomok elpárolgását, amelyek lassan szennyezik a céltárgyat. Hacsak nem alkalmaznak gyorsító feszültséget, a forró izzószálból nem indul ki áram, mivel a fémfelület közelében elektronok térbeli töltése alakul ki. A telítési áramot úgy mérjük, hogy a fémet egy vákuumcső katódjaként használjuk, és az elektronokat egy olyan anódon gyűjtjük össze, amely kellően pozitív ahhoz, hogy a tértöltést elvezesse. Egy hagyományos röntgencsőben a megfelelő stabilitást az izzószál feszültségének (a fűtéshez) és a katód és az anód közötti gyorsítófeszültségnek a szabályozásával érik el.
- Két (HÁROM?) fő mechanizmus van, amellyel a röntgensugárzás keletkezik. Az első mechanizmus a nagy sebességű elektron gyors lassulását foglalja magában, amint belép az atommag elektromos terébe. E folyamat során az elektron eltérül, és egy röntgensugárzású fotont bocsát ki. Ezt a fajta röntgensugárzást gyakran nevezik bremsstrahlungnak vagy “fékező sugárzásnak”. Egy adott elektronforrás esetében a bremsstrahlung folyamatos spektruma keletkezik az elektronok maximális energiájáig.
Röntgensugárzás mindig keletkezik, amikor gyorsan mozgó elektronokat lassítanak, nem csak a röntgencsövekben. A természetben előforduló röntgenforrások szinte mindegyike földönkívüli. (Nem, ez nem azt jelenti, hogy az űrből származó idegen lények állítják elő. Csak azt jelenti, hogy “a Földön túl”). A röntgensugárzás akkor keletkezik, amikor a napszelet a Föld mágneses mezeje csapdába ejti a Van Allen sugárzási övben. A fekete lyukak a röntgensugárzás jelentős forrásai a világegyetemben. A fekete lyukba hulló anyagot a fekete lyuk intenzív mezeje által okozott rendkívüli gyorsulás éri. Egyetlen, elszigetelt részecske anélkül esne bele, hogy sugárzást bocsátana ki, de egy részecskeáram igen, mivel a részecskék a lyukon lefelé haladva egymásba ütköznek. Minden egyes rugalmatlan ütközés, amelyet egy töltött részecske átél, egy foton kibocsátását eredményezné. Mivel ezek az ütközések nagy sebességgel zajlanak, a kibocsátott fotonok energiája az elektromágneses spektrum röntgensugaras tartományában található energiák nagyságrendjébe esik. A még nagyobb energiájú (egymillió elektronvoltnál is nagyobb) rugalmatlan ütközések gammasugárzást hoznának létre.
- A második mechanizmus, amellyel a röntgensugárzás keletkezik, az elektronoknak az atomi pályák közötti átmenetei. Az ilyen átmenetek során az elektronok a külső pályákról a belső pályákon belüli üres helyekre mozognak. Az ilyen átmenetek során az elektronok olyan röntgensugárzású fotonokat bocsátanak ki, amelyeknek diszkrét energiáját az átmenet kezdetén és végén lévő energiaállapotok különbségei adják. Mivel az ilyen röntgensugárzás az adott elemre és átmenetre jellemző, ezért karakterisztikus röntgensugárzásnak nevezik.
A harmadik mechanizmus a szinkrotronemisszió.
- Először 1944-ben Ivanenko és Pomeranschuk jósolta meg Oroszországban, majd három évvel később véletlenül megfigyelték egy szinkrotron típusú zárt gyűrűs gyorsítóban. Sokáig “hulladékterméknek” tekintették, mivel a szinkrotron sugárzás a gyorsítókban mágneses bremsstrahlungként keletkezik, és nemkívánatos módon korlátozza a gyorsítók szükséges végső energiáját. Csak néhány évvel később, 1956-ban kezdték el a szinkrotron sugárzást kifejezetten tudományos vizsgálatokban felhasználni Tomboulian és Hartmann által.
A szinkrotron sugárzást olyan töltött részecskék bocsátják ki, amelyek görbe pályán haladnak (ahogyan az egy mágneses mezőn keresztül haladva történne). Mivel minden elektromágneses sugárzás forrása a töltés gyorsulása, a szinkrotron sugárzás a centripetális gyorsulás által keltett elektromágneses sugárzás példája (szemben a bremsstrahlunggal, amelyet érintőleges gyorsulás kelt). E sugárzás hullámhossza a töltött részecskék energiájának és a töltött részecskéket meghajlító mágneses tér erősségének függvénye. A sugárzás spektruma folytonos, és a kritikus hullámhossz jellemzi, amely a spektrumot két egyenlő teljesítményű részre osztja (a kritikus hullámhossz felett és az alatt sugárzott teljesítmény fele-fele).
A kritikus hullámhossz az alábbi egyenlet segítségével állapítható meg
| λc = | 4π | E03 | |
| 3 | cBE2 |
amely a következő egyenletre redukálódik, ha a töltött részecskék elektronok
| λc = | 1.86453 |
| BE2 |
Szinkrotron sugárforrások: gyűrűk, undulátorok, wigglers, National Synchrotron Light Source nem fényt termel, mint az elektromágneses sugárzás elsődleges formáját. A legtöbb kutatás, amit ebben a létesítményben végeznek, az elektronsugár által keltett röntgensugárzást és vákuumos ultraibolyát használja.
- A szinkrotront 1945-ben javasolták a nagyenergiájú fizika legújabb gyorsítójaként, amelyet arra terveztek, hogy a részecskéket, ebben az esetben az elektronokat nagyobb energiákra lökje, mint amire az akkori részecskegyorsító, a ciklotron képes lett volna. A gyorsító helyhez kötött töltött részecskéket, például elektronokat vesz fel, és a fénysebességhez közeli sebességre hajtja őket. A mágnesek által egy kör alakú tárológyűrű körül való mozgásra kényszerített töltött részecskék érintőlegesen elektromágneses sugárzást bocsátanak ki, és ennek következtében energiát veszítenek. Ezt az energiát fény formájában bocsátják ki, és szinkrotron sugárzásnak nevezik.
A szinkrotron sugárzás kellemetlen egy részecskegyorsítóban, mivel energiát szív ki a gyorsított részecskékből, de ideális forrása a nagy energiájú elektromágneses sugárzásnak. Az előállított sugárnyaláb közel párhuzamos (kollimált) sugarakból áll, és meglehetősen intenzív.
- A szinkrotron sugárzást órákig, talán napokig is lehet termelni, ha hajlandóak lennének fizetni az elektromos számlákat, és lenne valami oka, hogy éjjel-nappal dolgozzanak. a röntgencsövek csak néhány másodpercig, esetleg percekig képesek működni. Ha túl sokáig működtetjük őket, akkor kiégnek, akárcsak egy villanykörte.
- A szinkrotron sugárzás “szervezett”: a sugárnyaláb erősen polarizált (a hullámok nagy része ugyanabban a síkban oszcillál) és kollimált (a hullámok nagy része ugyanabba az irányba mutat). a röntgencsövek “rendezetlen” sugárzást termelnek, amely teljesen polarizálatlan, és csak nagy nehézségek árán lehet fókuszálni. A szinkrotronforrás olyan, mint egy “röntgenlézer”, míg a röntgencső olyan, mint egy “röntgen reflektor”.
- A szinkrotron sugárzás “megosztható”. Egy nagy szinkrotron akár több mint 50 sugárvonallal is rendelkezhet, és egy év alatt több száz, ha nem több ezer kísérletet végezhet. A szinkrotronberendezéseket drága megépíteni, de a kutatások puszta mennyiségében megtérülnek.
- A szinkrotron sugárzást a hajlító mágnesből származó sugárzásnál lényegesen fényesebb szinkrotron sugárzást produkálnak. Az eszköz az elektronokat görbe helyett szinuszos pályára készteti azáltal, hogy az elektronok haladási irányára merőleges, váltakozó polaritású mágneses terek sorozatát hozza létre. A wiggler nagyjából a sugárnyaláb teljes rezgésszámának kétszeresével növeli az adott elektronsugár által keltett sugárzás fényességét. Az undulátorban a sugárnyaláb eltérülései kisebbek, mint a wigglerben, és a sugárzás fényessége elméletileg nagyjából az oszcillációk számának négyzetével egyenlő tényezővel növelhető, de csak diszkrét fotonenergiák esetén.
fotonimpulzus
Max Planck felfedezte, hogy a fotonoknak energiájuk van.
E = hf
Albert Einstein felfedezte, hogy az energia és az impulzus összefügg.
E2 = p2c2 + m2c4
A fotonok tömeg nélküliek, így ez az egyenlet redukálódik…
E = pc
Kombináljuk Planckot és Einsteint (az egyenleteiket, nem magukat az embereket)…
hf = pc
Megoldjuk a lendületet…
| p = | hf |
| c |
Megjegyezzük, hogy…
| λ = | c |
| f |
Ezért…
| p = | h |
| λ |
Ha Plancknak és Einsteinnek igaza van, akkor a fotonoknak is van lendülete. Amire most szükségünk van, az a kísérleti bizonyíték, hogy ezt alátámasszuk vagy megcáfoljuk. (Ne aggódj, ezt senki sem fogja megcáfolni.)
compton-effektus
Arthur Compton (1892-1962) Egyesült Államok
| ∆λ = | 2h | sin2 | θ |
| mec | 2 |
technológia
árnyékgrafikák
számítógépes axiális tomográfia (CAT)
x-sugárszóródás
x-sugár diffrakció
x-sugár fluoreszcencia