В 1895 Р. открыл излучение, названное им Х-лучами (см. Рентгеновские лучи ) ,и создал первые рентгеновские трубки,конструкции которых в основных чертах сохранились до нашего времени. В 1895-97 опубликовал 3 работы, содержавшие исчерпывающий анализ некоторых свойств нового излучения. Открытие рентгеновского излучения и его последующие исследования сыграли важную роль в изучении строения атома, структуры вещества (см. Рентгеновский структурный анализ, Спектральный анализ рентгеновский, Рентгеновская спектроскопия ) .Рентгеновское излучение нашло применение в медицине, различных областях науки, в технике. Нобелевская премия (1901).
Соч.: Ьber eine neue Art von Strahlen, «Sitzungsberichte der Physikalisch-medizinischen Gesellschaft zu Wьrzburg», 1895, S. 132-41; 1896, S. 11-19; Weitere Beobachtungen ьber die Eigenschaft der X-Strahlen, «Sitzungsberichte der kцniglichen Akademie der Wissenschaften zu Berlin», 1897, S. 576- 595; в рус. пер. - О новом виде лучей, под ред. и с примечаниями А. Ф. Иоффе, М. - Л., 1933 (имеется список трудов Р.).
Лит.:Иоффе А. Ф., Вильгельм Конрад Рентген, «Природа», 1938, № 2; его же. Историческое значение открытия Рентгена, «Изв. АН СССР. Сер. физическая» 1946, т. 10, № 4; Beier W., Wilhelm Conrad Rцntgen, Lpz., 1965.
В. Рентген.
Рентген (единица излучений)
Рентге'н,внесистемная единица экспозиционной дозы рентгеновского и гамма-излучений, определяемая по ионизационному действию их на воздух. Названа в честь В. К. Рентгена;обозначения: русское р,международное R. Под действием квантов рентгеновского или гамма-излучения происходит ионизация молекул воздуха, приводящая к образованию пар заряженных частиц, в том числе электронов со значительной кинетической энергией. Эти электроны в свою очередь ионизуют воздух. 1 р есть экспозиционная доза рентгеновского или гамма-излучения, при котором соответствующее ему корпускулярное излучение (т. е. электроны) производит в 0,001293 гвоздуха (в 1 см 2воздуха при нормальных условиях ) такое число ионов, что их суммарный заряд равен одной электростатической единице количества электричества каждого знака. При этом имеется в виду, что заряженные частицы, образовавшиеся в 1 см 2воздуха, израсходуют всю полученную энергию на ионизацию. Согласно определению, Р. может применяться лишь для излучений с энергией квантов не более 3 Мэв.Дозе в 1 рсоответствует образование 2,0Ч10 9пар ионов в 1 см 2воздуха или 1,61Ч10 12пар в 1 гвоздуха. В Международной системе единиц единицей экспозиционной дозы является 1 кулон на килограмм.Согласно ГОСТу 8848- 63, 1 p= 2,57976Ч10 -4 к/кг. При средней энергии ионизации молекул воздуха около 33 эв1 pэквивалентен 85 эрг/г.Эта величина называется физическим эквивалентом рентгена ( фэр) .
Рентгеновская аппаратура
Рентге'новская аппарату'рамедицинская, совокупность оборудования для использования рентгеновских лучей в медицине. Р. а. предназначена для рентгенодиагностики и рентгенотерапии.Она включает в себя высоковольтное питающее устройство с рентгеновским излучателем, приспособления для крепления и перемещения излучателя, размещения объекта исследования или лечения и приёмник рентгеновского излучения.
Высоковольтное устройство преобразует напряжение сети (220
в,380
в) в высокое (до 300
кв), которое подаётся на рентгеновский излучатель. Он представляет собой
рентгеновскую трубку,которая помещена в защитный кожух, наполненный трансформаторным маслом (оно служит также для охлаждения трубки). Приёмники излучения применяются только в диагностической Р. а. Ими служат рентгеновские экраны, рентгеновская фотоплёнка, а также электронно-оптические преобразователи (ЭОП), которые усиленное изображение могут подавать на телеэкран или видеомагнитофон. С экрана ЭОП можно производить рентгенокиносъёмку (см.
Рентгеновская съёмка
) и т. о. исследовать быстропротекающие процессы. Аппараты для рентгенотерапии должны снабжаться дозиметрами, тубусами, ограничивающими поле излучения, и специальными фильтрами для выделения необходимого спектра излучения (0,06-2
).
К диагностической Р. а. прилагается вспомогательное технологическое оборудование для обработки фотоплёнки (проявочные машины), рассматривания рентгенограмм (негатоскоп, флюороскоп), защиты от рентгеновского излучения (защитные ширмы, перчатки, фартуки).
Диагностическое Р. а. изготавливается переносной, передвижной и стационарной и предназначается для общей и специальной рентгенодиагностики (см. Томография, Флюорография, Ангиография) .Мощность колеблется от 3 до 100-200 квт,токи - от десятых долей мадо 5000 ма,напряжения - от 40 до 200 кв.
Терапевтическая Р. а. для глубокой терапии рассчитана на напряжения до 250 кви токи до 15 ма,для близкофокусной - до 100 кви 15 ма.
Лит.:Шмелев В. К., Рентгеновские аппараты, 4 изд., М., 1973; Денискин Ю. Д., Чижунова Ю. А., Рентгеновские диагностические трубки и их тепловые режимы, М., 1970; Указатель рекомендаций по стандартизации СЭВ, М., 1973.
Ю. А. Чижунова.
Рентгеновская астрономия
Рентге'новская астроно'мия,раздел наблюдательной и теоретической астрофизики, исследующий источники космического рентгеновского излучения в области длин волн l от 100
до 0,3
. В шкале энергий фотонов этот диапазон соответствует 0,1-30
кэв,однако обе границы определены довольно условно. Для проведения астрономических наблюдений в этой области длин волн аппаратура поднимается за пределы земной атмосферы с помощью ракет или искусственных спутников Земли, так как
рентгеновские лучи
сильно поглощаются в атмосфере. Жёсткое рентгеновское излучение можно наблюдать с высот около 40
кмс высотных
аэростатов
.
В космических условиях рентгеновское излучение может генерироваться горячей плазмой с температурой, превышающей 10 6К в оптически тонкой или толстой среде, релятивистскими электронами в магнитных полях ( синхротронное излучение ), а также электронами космических лучей при их взаимодействии с фотонами низкой энергии (например, оптическими). Последний механизм носит название обратного Комптона эффекта.
Рентгеновское излучение Солнца впервые было обнаружено 5 августа 1948 в США с ракеты, хотя существование такого излучения предсказывалось и ранее на основании геофизических данных об ионосфере Земли. К середине 70-х гг. 20 в. солнечное рентгеновское излучение детально исследовано во всей области спектра. При отсутствии
хромосферных вспышек
оно простирается вплоть до 10-20
. Наличие на диске Солнца активных областей приводит к появлению жёсткого рентгеновского и даже гамма-излучения (
рис. 1
). В основном непрерывный спектр имеет тепловой характер с температурой от 10
6и до 2Ч10
7К, однако в начале развития вспышки наблюдается и нетепловая компонента. Рентгеновское излучение генерируется в пределах солнечной короны, а также в хромосфере и в переходной, чрезвычайно узкой по высоте области солнечной атмосферы. Обнаружено также и гамма-излучение вспышек, включая линейчатое. В рентгеновском спектре присутствуют линии многократно ионизованных элементов: Fe, Ni, Mn, Ar, Co и др. В основном наблюдаются спектры водородоподобных атомов, имеющих только один оставшийся электрон. С помощью оптики косого падения получены и фотографии солнечного диска в мягкой рентгеновской области спектра (
рис. 2
). Обнаружена поляризация рентгеновского излучения при вспышках.
Дискретные источники рентгеновского космического излучения были случайно открыты в 1962 при поиске рентгеновского флуоресцентного излучения Луны под действием космических лучей. К 1975 зарегистрировано более 150 источников. Большая их часть концентрируется к плоскости Галактики,что свидетельствует об их немногочисленности (по различным оценкам, в Галактике всего 10 3-10 4таких источников) и преимущественном расположении в галактическом диске ( рис. 3 ).
Поток от наиболее яркого источника в созвездии Скорпиона (
Sco Х-1) равен 20 квантам/(
см
2Ч
сек) в области спектра 2-8
. Наиболее слабые из зарегистрированных к 1975 источников имеют поток 10
-3кванта/(
см
2Чсек) в той же области спектра. Лишь небольшая часть (около 10) из галактических источников отождествлена с оптически исследованными объектами. К ним относятся остатки
сверхновых звёзд,причём в этом случае наблюдается как
синхротронное излучение
от протяжённой туманности, так и тепловое излучение от расширяющейся газовой оболочки и нагретого до температуры 10
6К межзвёздного газа. Иногда наблюдается излучение остатка сверхновой звезды, вероятнее всего, являющегося
нейтронной звездой.Рентгеновское излучение
Крабовидной туманности
(Tau Х-1) (второго по яркости источника) с потоком 2 кванта/(
см
2Чсек) имеет пульсирующую компоненту с периодом 0,033
сек,совпадающим с периодом оптического и радиоизлучения пульсара. Обнаружены рентгеновские источники, входящие в двойные звёздные системы (Her Х-1, Cyg Х-1, Cyg Х-3, Cir Х-1, Cen Х-3 и др.), что позволило детально исследовать их физические параметры. Один из таких источников (Cyg Х-1), вероятно, является объектом, возникшим в результате гравитационного коллапса (
«чёрной дырой»
)
.Механизм рентгеновского свечения таких источников - истечение газа с поверхности нормального гиганта на нейтронную звезду или чёрную дыру - так называемая дисковая аккреция. Основная масса рентгеновских источников пока не отождествлена с наблюдаемыми в оптическом диапазоне объектами. Около 30 источников отождествлены с внегалактическими объектами. Это, в частности, -ближайшие галактики (Магеллановы Облака и Большая туманность Андромеды), скопления галактик, радиогалактики Дева-А (М87) и Центавр-А (NGC 5128),
квазар
ЗС 273, а также сейфертовские галактики.
Помимо дискретных источников рентгеновского излучения, наблюдается изотропный рентгеновский фон, спектр которого в области от 1 до 1000 кэвв первом приближении аппроксимируется степенным законом. Изотропный фон, по-видимому, имеет внегалактическое происхождение, однако механизм его излучения до сих пор не ясен. Среди вероятных гипотез рассматриваются: обратный комптон-эффект межгалактических электронов на инфракрасных фотонах активных галактик и на субмиллиметровых квантах фонового реликтового излучения,наложение излучения многих неразрешимых далёких внегалактических источников, тепловое излучение горячего межгалактического газа, а также различные комбинации этих механизмов.
В качестве детекторов излучения рентгеновского диапазона используются специальные фотоматериалы (для исследований Солнца),
Гейгера - Мюллера счётчики,газонаполненные
пропорциональные счётчики
и
сцинтилляционные счётчики.Все типы детекторов обеспечивают спектральное разрешение от 1 до 20 в зависимости от энергии регистрируемого излучения. Площадь пропорциональных счётчиков, с помощью которых получены основные результаты, достигает 1000
см
2.Для коллимации (ограничения поля зрения) применяются сотовые или щелевые
коллиматоры,набранные из тонких гофрированных пластин стали с предельным угловым разрешением около нескольких угловых минут, модуляционные коллиматоры, представляющие собой два (или более) ряда параллельно натянутых металлических нитей (предельное разрешение около 20“) и, наконец, зеркала косого падения гиперболического и параболического сечения с углом падения более 88° (т. е. почти по касательной к плоскости зеркала). Такие зеркала пригодны для получения рентгеновского изображения в мягкой области спектра (l > 10
) с разрешением до 5“. Для спектральных исследований (пока только солнечных) используются брэгговские кристаллические спектрометры.
Р. а. относится к быстро развивающимся разделам внеатмосферной астрономии.Она имеет широкие перспективы, связанные с планируемыми запусками ракет или ИСЗ с большими счётчиковыми и зеркальными телескопами площадью 10 4-10 5 см 2.
Лит.:Озерной Л. М., Прилуцкий О. Ф., Розенталь И. Л., Астрофизика высоких энергий, М., 1973; Уикс Т., Астрофизика высоких энергий, пер. с англ., М., 1972; Гинзбург В. Л., О физике и астрофизике. Какие проблемы представляются сейчас особенно важными и интересными?, 2 изд., М., 1974; Ультрафиолетовое излучение Солнца и межпланетная среда. [Сб. ст.], пер. с англ., М., 1962
В. Г. Курт.
Рис. 3. Распределение известных рентгеновских источников на небе. Использована галактическая система координат, центр Галактики в середине рисунка.
Рис. 2. Изображение диска Солнца в рентгеновском диапазоне, полученное при помощи телескопа косого падения 8 июня 1968.
Рис. 1. Спектр Солнца в области 1-8
.
Рентгеновская камера
Рентге'новская ка'мера,прибор для изучения или контроля атомной структуры образца путём регистрации на фотоплёнке картины, возникающей при дифракции рентгеновских лучей на исследуемом образце. Р. к. применяют в рентгеновском структурном анализе.Назначение Р. к. - обеспечить выполнение условий дифракции рентгеновских лучей (см. Брэгга - Вульфа условие ) и получение рентгенограмм.
Источником излучения для Р. к. служит рентгеновская трубка.Р. к. могут быть конструктивно различными в зависимости от специализации камеры (Р. к. для исследования монокристаллов, поликристаллов, Р. к. для получения малоугловых рентгенограмм, Р. к. для рентгеновской топографии и др.). Все типы Р. к. содержат коллиматор, узел установки образца, кассету с фотоплёнкой, механизм движения образца (а иногда и кассеты). Коллиматор формирует рабочий пучок первичного излучения и представляет собой систему щелей (отверстий), которые вместе с фокусом рентгеновской трубки определяют направление и расходимость пучка (т. н. геометрию метода). Вместо коллиматора на входе камеры может устанавливаться кристалл-монохроматор (плоский или изогнутый). Монохроматор выбирает в первичном пучке рентгеновское излучение определённых длин волн; аналогичный эффект может быть достигнут установкой в камере селективно поглощающих фильтров.
Узел установки образца обеспечивает его закрепление в держателе и задание ему начального положения относительно первичного пучка. Он служит также для центрировки образца (выведения его на ось вращения), а в Р. к. для исследования монокристаллов - и для наклона образца на гониометрической головке ( рис. 1 ). Если образец имеет форму пластины, то его закрепляют на отъюстированных направляющих. Это исключает необходимость дополнительной центрировки образца. В рентгеновской топографии больших монокристаллических пластин держатель образца может поступательно перемещаться (сканировать) синхронно со смещением плёнки при сохранении углового положения образца.
Кассета Р. к. служит для придания фотоплёнке необходимой формы и для её светозащиты. Наиболее распространённые кассеты - плоские и цилиндрические (обычно соосные с осью вращения образца; для фокусирующих методов образец помещают на поверхности цилиндра). В других Р. к. (например, в рентгеновских гониометрах,в Р. к. для рентгеновской топографии) кассета перемещается или вращается синхронно с движением образца. В некоторых Р. к. (интегрирующих) кассета, кроме того, смещается при каждом цикле рентгенографирования на малую величину. Это приводит к размазыванию дифракционного максимума на фотоплёнке, усреднению регистрируемой интенсивности излучения и повышает точность её измерения.
Движение образца и кассеты используют с различной целью. При вращении поликристаллов увеличивается число кристаллитов, попадающих в отражающее положение - дифракционная линия на рентгенограмме получается равномерно почернённой. Движение монокристалла позволяет вывести в отражающее положение различные кристаллографические плоскости. В топографических методах движение образца позволяет расширить область его исследования. В Р. к., где кассета перемещается синхронно с образцом, механизм её перемещения соединён с механизмом движения образца.
Р. к. позволяет изучать структуру вещества как в нормальных условиях, так и при высоких и низких температурах, в глубоком вакууме, атмосфере специального состава, при механических деформациях и напряжениях и т.д. Держатель образца может иметь приспособления для создания необходимых температур, вакуума, давления, измерительные приборы и защиту узлов камеры от нежелательных воздействий.
Р. к. для исследования поликристаллов и монокристаллов существенно различны. Для исследования поликристаллов можно использовать параллельный первичный пучок (дебаевские Р. к.; рис. 2 , а; см. также Дебая - Шеррера метод ) и расходящийся (фокусирующие Р. к.; рис. 2 , б и в). Фокусирующие Р. к. обладают большой экспрессностью измерений, но рентгенограммы, получаемые на них, регистрируют лишь ограниченную область углов дифракции. В этих Р. к. в качестве источника первичного излучения может служить радиоактивный изотопный источник (см. Рентгеновские лучи )
Р. к. для исследования монокристаллов конструктивно различны в зависимости от их назначения. Существуют камеры для ориентировки кристалла, т. е. определения направления его кристаллографических осей ( рис. 3 , а, см. также ст. Лауэграмма ); Р. к. вращения-колебания для измерения параметров кристаллической решётки (по измерению угла дифракции отдельных отражений или положению слоевых линий) и для определения типа элементарной ячейки ( рис. 3 , б и в); Р. к. для раздельной регистрации дифракционных максимумов (развёртки слоевых линий), называются рентгеновскими гониометрами с фоторегистрацией; топографические Р. к. для исследования нарушений кристаллической решётки в почти совершенных кристаллах. Р. к. для монокристаллов часто снабжены системой отражательного гониометра для измерений и начальной установки огранённых кристаллов.
Для исследования аморфных и стеклообразных тел, а также растворов используют Р. к., регистрирующие рассеяние под малыми углами дифракции (порядка нескольких угловых секунд) вблизи первичного пучка; коллиматоры таких камер должны обеспечить нерасходимость первичного пучка, чтобы можно было выделить излучение, рассеянное исследуемым объектом под малыми углами. Для этого используют сходимость пучка, протяжённые идеальные кристаллографические плоскости, создают вакуум и т.д. Р. к. для изучения объектов микронных размеров применяют с острофокусными рентгеновскими трубками; в этом случае расстояние образец - фотоплёнка можно значительно уменьшить (микрокамеры).
Р. к. часто называют по имени автора метода рентгенографирования, используемого в данном приборе.
Лит.:Уманский М. М., Аппаратура рентгеноструктурных исследований, М., 1960; Гинье А., Рентгенография кристаллов, пер. с франц., М., 1961; Финкель В. А., Высокотемпературная рентгенография металлов, М., 1968; его же. Низкотемпературная рентгенография металлов, М., 1971.
В. В. Зубенко.
Рис. 2. Основные схемы рентгеновских камер для исследования поликристаллов: а - дебаевская камера;б - фокусирующая камера с изогнутым кристаллом-монохроматором для исследования образцов «на просвет» (область малых углов дифракции); в - фокусирующая камера для обратной съёмки (большие углы дифракции) на плоскую кассету. Стрелками показаны направления прямого и дифрагированного пучков. О - образец; F - фокус рентгеновской трубки; М - кристалл-монохроматор; К - кассета с фотоплёнкой Ф; Л - ловушка, перехватывающая неиспользованный рентгеновский пучок; ФО - окружность фокусировки (окружность, по которой располагаются дифракционные максимумы); КЛ - коллиматор; МЦ - механизм центрировки образца.
Рис. 3. Основные схемы рентгеновских камер для исследования монокристаллов: а - камера для исследования неподвижных монокристаллов по методу Л ауэ; б - камера вращения. На фотоплёнке видны дифракционные максимумы, расположенные по слоевым линиям; при замене вращения на колебание образца число рефлексов на слоевых линиях ограничено интервалом колебаний. Вращение образца осуществляют с помощью шестерёнок 1 и 2, колебания его - через капоид 3 и рычаг 4; в - рентгеновская камера для определения размеров и формы элементарной ячейки. О - образец; ГГ - гониометрическая головка; і - лимб и ось поворота гониометрической головки; КЛ - коллиматор; К - кассета с фотоплёнкой Ф; КЭ - кассета для съёмки эпиграмм (обратная съёмка); МД - механизм вращения или колебания образца; Ж - лимб и ось колебания образца; ґ - дуговая направляющая наклонов оси гониометрической головки.
Рис. 1. Гониометрическая головка: О - образец; Д - дуговые направляющие для наклона образца в двух взаимно перпендикулярных направлениях; МЦ - механизм центрировки образца, служащий для выведения центра дуг, в котором находится образец, на ось вращения камеры.
Рентгеновская микроскопия
Рентге'новская микроскопи'я,совокупность методов исследования микроскопического строения объектов с помощью рентгеновского излучения. В Р. м. используют специальные приборы - рентгеновские микроскопы. Их предел разрешения может быть на 2-3 порядка выше, чем световых, поскольку длина волны l рентгеновского излучения на 2-3 порядка меньше длины волны видимого света.
Специфичность взаимодействия рентгеновских лучей с веществом обусловливает отличие рентгеновских оптических систем от оптических систем для световых волн и для электронов. Малое отклонение показателя преломления рентгеновских лучей от единицы (меньше чем на 10 -4) практически не позволяет использовать для их фокусировки линзы и призмы. Электрические и магнитные линзы для этой цели также неприменимы, так как рентгеновские лучи инертны к электрическому и магнитному полям. Поэтому в Р. м. для фокусировки рентгеновских лучей используют явление их полного внешнего отражения изогнутыми зеркальными плоскостями или отражение от кристаллографических изогнутых плоскостей (отражательная Р. м.). Благодаря высокой проникающей способности, простоте линейчатой структуры спектра и резкой зависимости коэффициента поглощения рентгеновского излучения от атомного номера элемента Р. м. можно осуществить по методу проекции в расходящемся пучке лучей, испускаемых «точечным» источником (проекционная, или теневая, Р. м.).
Отражательный рентгеновский микроскоп содержит микрофокусный источник рентгеновского излучения, изогнутые зеркала-отражатели из стекла (кварца с нанесённым на него слоем золота) или изогнутые монокристаллы и детекторы изображения (фотоплёнки,
электроннооптические преобразователи
)
.На
рис. 1
приведена схема хода лучей в рентгеновском микроскопе с 2 зеркалами, повёрнутыми друг относительно друга на 90°. Получение высокого разрешения в отражательной Р. м. ограничивается малым углом полного внешнего отражения (угол скольжения < 0,5°), а следовательно, большими фокусными расстояниями (> 1
м)
и очень жёсткими требованиями к качеству обработки поверхности зеркал (допустимая шероховатость ~10
). Полное разрешение отражательных рентгеновских микроскопов определяется дифракционным эффектом (зависящим от l) и угловой
апертурой,не превышающей угла скольжения. Например, для излучения с l = 1
и угла скольжения в 25' дифракционное разрешение не превышает 85
(увеличение до 100 000 раз). Изображения, создаваемые отражательными рентгеновскими микроскопами даже при точном выполнении профиля их зеркал искажаются различными
аберрациями оптических систем
(астигматизм, кома).
При использовании для фокусировки рентгеновского излучения изогнутых монокристаллов, помимо геометрических искажений, на качество изображения влияют структурные несовершенства монокристаллов, а также конечная величина брэгговских углов дифракций (см. Дифракция рентгеновских лучей ) .
Отражательные рентгеновские микроскопы не получили широкого распространения из-за технических сложностей их изготовления и эксплуатации.
Проекционная Р. м. основана на принципе теневой проекции объекта в расходящемся пучке рентгеновских лучей, испускаемых «точечным» источником ( рис. 2 ). Проекционные рентгеновские микроскопы состоят из сверхмикрофокусного источника рентгеновских лучей с фокусом 0,1-1 мкмв диаметре [например, специальная микрофокусная рентгеновская трубка или камера-обскура (диафрагма) в сочетании с обычной широкофокусной рентгеновской трубкой], камеры для размещения исследуемого объекта и регистрирующего устройства. Увеличение