РЕНТГЕНОВСКИЕ ЛУЧИ

Содержание статьи

• Возникновение и свойства рентгеновского излучения
• Взаимодействие рентгеновских лучей с кристаллами
• Рентгеноанализ в науке и технике

РЕНТГЕНОВСКИЕ ЛУЧИ – электромагнитное излучение с длинами волн 10^–4 – 10 А (10^–5 – 1 нм).

В 1895 немецкий физик Рентген, проводя опыты по прохождению тока между двумя электродами в вакууме, обнаружил, что экран, покрытый люминесцентным веществом (солью бария) светится, хотя разрядная трубка закрыта черным картонным экраном – так было открыто излучение, проникающее через непрозрачные преграды, названное Рентгеном Х-лучами. Было обнаружено, что рентгеновское излучение, невидимое для человека, поглощается в непрозрачных объектах тем сильнее, чем больше атомный номер (плотность) преграды, поэтому рентгеновские лучи легко проходят через мягкие ткани человеческого тела, но задерживаются костями скелета. Были сконструированы источники мощных рентгеновских лучей, позволяющие просвечивать металлические детали и находить в них внутренние дефекты.

Немецкий физик Лауэ предположил, что рентгеновские лучи являются таким же электромагнитным излучением, как лучи видимого света, но с меньшей длиной волны и к ним применимы все законы оптики, в том числе возможна дифракция. В оптике видимого света дифракция на элементарном уровне может быть представлена как отражение света от системы штрихов – дифракционной решетки, происходящее только под определенными углами, при этом угол отражения лучей связан с углом падения, расстоянием между штрихами дифракционной решетки и длиной волны падающего излучения. Для дифракции нужно, чтобы расстояние между штрихами было примерно равно длине волны падающего света.

Лауэ предположил, что рентгеновские лучи имеют длину волны, близкую к расстоянию между отдельными атомами в кристаллах, т.е. атомы в кристалле создают дифракционную решетку для рентгеновских лучей. Рентгеновские лучи, направленные на поверхность кристалла, отразились на фотопластинку, как предсказывалось теорией.

Любые изменения в положении атомов влияют на дифракционную картину, и, изучая дифракцию рентгеновских лучей,можно узнать расположение атомов в кристалле и изменение этого расположения при любых физических, химических и механических воздействиях на кристалл.

Сейчас рентгеноанализ используется во многих областях науки и техники, с его помощью узнали расположение атомов в существующих материалах и создали новые материалы с заданными структурой и свойствами. Последние достижения в этой области (наноматериалы, аморфные металлы, композитные материалы) создают поле деятельности для следующих научных поколений.

Возникновение и свойства рентгеновского излучения

Источником рентгеновских лучей является рентгеновская трубка, в которой есть два электрода – катод и анод. При нагреве катода происходит электронная эмиссия, электроны, вылетающие из катода, ускоряются электрическим полем и ударяются о поверхность анода. От обычной радиолампы (диода) рентгеновскую трубку отличает, в основном, более высокое ускоряющее напряжение (более 1 кВ).

Когда электрон вылетает из катода, электрическое поле заставляет его лететь по направлению к аноду, при этом скорость его непрерывно возрастает, электрон несет магнитное поле, напряженность которого растет с ростом скорости электрона. Достигая поверхности анода электрон резко тормозится, при этом возникает электромагнитный импульс с длинами волн в определенном интервале (тормозное излучение). Распределение интенсивности излучения по длинам волн зависит от материала анода рентгеновской трубки и приложенного напряжения, при этом со стороны коротких волн эта кривая начинается с некоторой пороговой минимальной длины волны, зависящей от приложенного напряжения. Совокупность лучей со всеми возможными длинами волн образует непрерывный спектр, и длина волны, соответствующая максимальной интенсивности, в 1,5 раза превышает минимальную длину волны.

При увеличении напряжения рентгеновский спектр резко меняется за счет взаимодействия атомов с высокоэнергетичными электронами и квантами первичных рентгеновских лучей. Атом содержит внутренние электронные оболочки (энергетические уровни), количество которых зависит от атомного номера (обозначаются буквами K, L, М и т.д.) Электроны и первичные рентгеновские лучи выбивают электроны из одних энергетических уровней на другие. Возникает метастабильное состояние и для перехода к стабильному состоянию необходим перескок электронов в обратном направлении. Этот скачок сопровождается выделением кванта энергии и возникновением рентгеновского излучения. В отличие от рентгеновских лучей с непрерывным спектром, у этого излучения очень узкий интервал длин волн и высокая интенсивность (характеристическое излучением) (см. рис.). Количество атомов, определяющих интенсивность характеристического излучения, очень велико, например, для рентгеновской трубки с медным анодом при напряжении 1 кВ токе 15 мА за 1 с характеристическое излучение дают 10¹⁴–10¹⁵ атомов. Эта величина вычисляется как отношение общей мощности рентгеновского излучения к энергии кванта рентгеновского излучения из К-оболочки (К-серия рентгеновского характеристического излучения). Общая мощность рентгеновского излучения при этом составляет всего 0,1% от потребляемой мощности, остальная часть теряется, в основном, за счет перехода в тепло.

Вследствие высокой интенсивности и узкого интервала длин волн характеристическое рентгеновское излучение является основным типом излучения, используемым в научных исследованиях и при технологическом контроле. Одновременно с лучами К-серии генерируются лучи L и М-серий, имеющих значительно большие длины волн, но применение их ограничено. K-серия имеет две составляющие с близкими длинами волн a и b, при этом интенсивность b-составляющей в 5 раз меньше, чем a. В свою очередь a-составляющая характеризуется двумя очень близкими длинами волн, интенсивность одной из которых в 2 раза больше, чем другой. Чтобы получить излучение с одной длиной волны (монохроматическое излучение), разработаны специальные методы, использующие зависимость поглощения и дифракции рентгеновских лучей от длины волны. Увеличение атомного номера элемента связано с изменением характеристик электронных оболочек, при этом чем больше атомный номер материала анода рентгеновской трубки, тем меньше длина волны К-серии. Наиболее широко применяются трубки с анодами из элементов с атомными номерами от 24 до 42 (Cr, Fe, Co, Cu, Mo) и длинами волн от 2,29 до 0,712 А (0,229 – 0,712 нм).

Кроме рентгеновской трубки, источниками рентгеновского излучения могут быть радиоактивные изотопы, одни могут непосредственно испускать рентгеновское излучение, другие испускают электроны и a-частицы, генерирующие рентгеновское излучение при бомбардировке металлических мишеней. Интенсивность рентгеновского излучения радиоактивных источников обычно значительно меньше, чем рентгеновской трубки (за исключением радиоактивного кобальта, используемого в дефектоскопии и дающего излучение очень малой длины волны – g-излучение), они малогабаритны и не требуют электроэнергии. Синхротронное рентгеновское излучение получают в ускорителях электронов, длина волны этого излучения значительно превышает получаемую в рентгеновских трубках (мягкое рентгеновское излучение), интенсивность его на несколько порядков выше интенсивности излучения рентгеновских трубок. Есть и природные источники рентгеновского излучения. Радиоактивные примеси обнаружены во многих минералах, зарегистрировано рентгеновское излучение космических объектов, в том числе и звезд.

Взаимодействие рентгеновских лучей с кристаллами

При рентгенографическом исследовании материалов с кристаллической структурой анализируют интерференционные картины, возникающие в результате рассеяния рентгеновских лучей электронами, принадлежащими атомам кристаллической решетки. Атомы считаются неподвижными, их тепловые колебания не учитываются и все электроны одного и того же атом считаются сосредоточенными в одной точке – узле кристаллической решетки.

Для вывода основных уравнений дифракции рентгеновских лучей в кристалле рассматривается интерференция лучей, рассеянных атомами, расположенными вдоль прямой в кристаллической решетке. На эти атомы под углом, косинус которого равен a0 , падает плоская волна монохроматического рентгеновского излучения. Законы интерференции лучей, рассеянных атомами, аналогичны существующим для дифракционной решетки, рассеивающей световое излучение в видимом диапазоне длин волн. Чтобы на большом расстоянии от атомного ряда амплитуды всех колебаний складывались, необходимо и достаточно, чтобы разность хода лучей, идущих от каждой пары соседних атомов, содержала целое число длин волн. При расстоянии между атомами а это условие имеет вид:

а(a – a0) = hl,

где a – косинус угла между атомным рядом и отклоненным лучом, h – целое число. Во всех направлениях, не удовлетворяющих этому уравнению, лучи не распространяются. Таким образом, рассеянные лучи образуют систему коаксиальных конусов, общей осью которых является атомный ряд. Следы конусов на плоскости, параллельной атомному ряду, – гиперболы, а на плоскости, перпендикулярной ряду, – круги.

При падении лучей под постоянным углом полихроматическое (белое) излучение разлагается в спектр лучей, отклоненных под фиксированными углами. Таким образом, атомный ряд является спектрографом для рентгеновского излучения.

Обобщение на двумерную (плоскую) атомную решетку, а затем на трехмерную объемную (пространственную) кристаллическую решетку дает еще два аналогичных уравнения, в которые входят углы падения и отражения рентгеновского излучения и расстояния между атомами по трем направлениям. Эти уравнения называются уравнениями Лауэ и лежат в основе рентгеноструктурного анализа.

Амплитуды лучей, отраженных от параллельных атомных плоскостей складываются и т.к. количество атомов очень велико, отраженное излучение можно зафиксировать экспериментально. Условие отражения описывается уравнением Вульфа – Брэгга 2d sinq = nl, где d – расстояние между соседними атомными плоскостями, q – угол скольжения между направлением падающего луча и этими плоскостями в кристалле, l – длина волны рентгеновского излучения, n – целое число, названное порядком отражения. Угол q является углом падения по отношению именно к атомным плоскостям, которые не обязательно совпадают по направлению с поверхностью исследуемого образца.

Разработано несколько методов рентгеноструктурного анализа, использующих как излучение со сплошным спектром, так и монохроматическое излучение. Исследуемый объект при этом может быть неподвижным или вращающимся, может состоять из одного кристалла (монокристалл) или многих (поликристалл), дифрагированное излучение может регистрироваться с помощью плоской или цилиндрической рентгеновской пленки или перемещающегося по окружности детектора рентгеновского излучения, однако во всех случаях при проведении эксперимента и интерпретации результатов используется уравнение Вульфа – Брэгга.

Рентгеноанализ в науке и технике

С открытием дифракции рентгеновских лучей в распоряжении исследователей оказался метод, позволяющий без микроскопа изучить расположение отдельных атомов и изменения этого расположения при внешних воздействиях.

Основное применение рентгеновских лучей в фундаментальной науке – структурный анализ, т.е. установление пространственного расположения отдельных атомов в кристалле. Для этого выращивают монокристаллы и проводят рентгеноанализ, изучая как расположения, так и интенсивности рефлексов. Сейчас определены структуры не только металлов, но и сложных органических веществ, в которых элементарные ячейки содержат тысячи атомов.

В минералогии методом ретгеноанализа определены структуры тысяч минералов и созданы экспресс-методы анализа минерального сырья.

У металлов сравнительно простая кристаллическая структура и рентгеновский метод позволяет исследовать ее изменения при различных технологических обработках и создавать физические основы новых технологий.

По расположению линий на рентгенограммах определяют фазовый состав сплавов, по их ширине – число, величину и форму кристаллов, по распределению интенсивности в дифракционном конусе – ориентировку кристаллов (текстуру).

С помощью этих методик изучают процессы при пластической деформации, включающие в себя дробление кристаллов, возникновение внутренних напряжений и несовершенств кристаллической структуры (дислокаций). При нагреве деформированных материалов изучают снятие напряжений и рост кристаллов (рекристаллизация).

При рентгеноанализе сплавов определяют состав и концентрацию твердых растворов. При возникновении твердого раствора меняются межатомные расстояния и, следовательно, расстояния между атомными плоскостями. Эти изменения невелики, поэтому разработаны специальные прецизионные методы измерения периодов кристаллической решетки с точностью на два порядка превышающей точность измерения при обычных рентгеновских методах исследования. Сочетание прецизионных измерений периодов кристаллической решетки и фазового анализа позволяют построить границы фазовых областей на диаграмме состояния. Рентгеновским методом можно также обнаружить промежуточные состояния между твердыми растворами и химическими соединениями – упорядоченные твердые растворы, в которых атомы примеси расположены не хаотически, как в твердых растворах, и в то же время не с трехмерной упорядоченностью, как в химических соединениях. На рентгенограммах упорядоченных твердых растворов есть дополнительные линии, расшифровка рентгенограмм показывает, что атомы примеси занимают определенные места в кристаллической решетке, например, в вершинах куба.

При закалке сплава, не испытывающего фазовых превращений, может возникать пересыщенный твердый раствор и при дальнейшем нагреве или даже выдержке при комнатной температуре твердый раствор распадается с выделением частиц химического соединения. Это эффект старениея и проявляется он на рентгенограммах как изменение положения и ширины линий. Исследование старения особенно важно для сплавов цветных металлов, например, старение превращает мягкий закаленный алюминиевый сплав в прочный конструкционный материал дуралюмин.

Наибольшее технологическое значение имеют рентгеновские исследования термической обработки стали. При закалке (быстром охлаждении) стали происходит бездиффузионный фазовый переход аустенит – мартенсит, что приводит к изменению структуры от кубической к тетрагональной, т.е. элементарная ячейка приобретает форму прямоугольной призмы. На рентгенограммах это проявляется как расширение линий и разделение некоторых линий на две. Причины этого эффекта – не только изменение кристаллической структуры, но и возникновение больших внутренних напряжений из-за термодинамической неравновесности мартенситной структуры и резкого охлаждения. При отпуске (нагреве закаленной стали) линии на рентгенограммах сужаются, это связано с возвращением к равновесной структуре.

В последние годы большое значение приобрели рентгеновские исследования обработки материалов концентрированными потоками энергии (лучами лазера, ударными волнами, нейтронами, электронными импульсами), они потребовали новых методик и дали новые рентгеновские эффекты. Например, при действии лучей лазера на металлы нагрев и охлаждение происходят настолько быстро, что в металле при охлаждении кристаллы успевают вырасти только до размеров в несколько элементарных ячеек (нанокристаллы) или вообще не успевают возникнуть. Такой металл после охлаждения выглядит как обычный, но не дает четких линий на рентгенограмме, а отраженные рентгеновские лучи распределены по всему интервалу углов скольжения.

После нейтронного облучения на рентгенограммах возникают дополнительные пятна (диффузные максимумы). Радиоактивный распад также вызывает специфические рентгеновские эффекты, связанные с изменением структуры, а также с тем, что исследуемый образец сам становится источником рентгеновского излучения.

Лев Миркин