Проверка гипотезы о зависимости рентгеновской проницаемости и порядкового номера периодической системы химических элементов

Устройства и оборудование основанное на рентгеновском излучение является неотъемлемой частью любого современного лечебного учреждения. Такие устройства как: рентгеновские аппараты, компьютерные томографы, С-дуги, ангиографы и др., являются очень дорогостоящими и сложными в техническом обслуживании, где часто используется блочный ремонт, что является для многих ЛПУ большой финансовой проблемой.

Одна из самых частых поломок подобного оборудования это выработка ресурса рентгеновской трубки, что приводит к полной остановке оборудования на долгий срок.

В многих странах такой элемент как рентгеновская трубка является расходным материалом и ее меняют даже если она исправна. В нашей же стране трубки массово не выпускаются с 90-ых годов ХХ века. И импорт трубок из других стран занимает много времени и больших финансовых затрат.

Целью работы является подтверждение гипотезы о зависимости атомного номера вещества и его рентгеновской проницаемости, а также проведение опыта на сравнение характеристик трубки с вращающимся анодом с трубкой, где анод неподвижен.

1. Рентгеновское излучение. Принцип работы рентгеновской трубки

Рентгеновское излучение – электромагнитные волны, энергия фотонов которых лежит на шкале электромагнитных волн между ультрафиолетовым излучением и гамма-излучением (от ~10 эВ до нескольких МэВ), что соответствует длинам волн оот ~102 до ~10−3 нм) [1].

Принцип работы рентгеновской трубки основан на тормозном излучении, электроны приближаясь к поверхности анода соударяются с ней, теряя часть энергии в виде кванта излучение, как итог появление спектра, в котором электрон при ударении отдает разную энергию [3].

Рис. 1. График появления рентгеновского излучения

Рентгеновская трубка – электровакуумный прибор с источником излучения электронов (катод) и мишенью, в которой они тормозятся (анод).

Катод рентгеновской трубки представляет собой спираль из тугоплавкой вольфрамовой нити, которая закреплена на молибденовых стержнях и помещается в металлический колпак, который направляет поток электронов в виде узкого пучка в направлении анода. Анод изготавливается из меди (т.к. этот металл способен быстро отдать тепло, а значит и охладиться), анод имеет достаточно массивные размеры, его конец, направленный к катоду, срезается под углом 45-70°. В центральной части скошенного анода размещена вольфрамовая пластинка, на которой находится фокус анода – участок 10–15 мм², где в основном и генерируются рентгеновские лучи. Накаленная спираль катода, при подаче на рентгеновскую трубку высокого напряжения от 30 кВ, начинает выбрасывать ускоряющийся поток электронов, а затем они резко тормозятся на вольфрамовой пластинке анода, что и приводит к появлению рентгеновских лучей [4].

Рис. 2. Принцип работы рентгеновской трубки

2. Гипотеза о проникании рентгеновских лучей [2]

Данная гипотеза лежит в основе графического и скопического метода диагностики различных заболеваний. В начале ХХ века ученые не могли понять от чего зависит степень прохождение гамма-лучей сквозь различные тела. Основными были 3 теории:

1. Зависимости нет.
2. Проникновение рентгеновских лучей зависит от плотности вещества.
3. Проникновение рентгеновских лучей зависит от порядкового номера периодической системы химических элементов, чем порядковый номер выше, тем выше его задерживающие свойства.

Сейчас руководствуются лишь третьей теорией так как было проведено множество опытов, которые ее подтвердили [3].

Исходя из данных знаний производится защита от любого радиоактивного излучения в большинстве случаев пользуются свинцом так как этот элемент имеет 82-ой порядковый номер, и является более доступным материалом с большим порядковым номером.

Суть этой теории заключается в следующем: чем выше порядковый номер вещества, тем больше электронов содержится в составе атома, частицы гамма-излучения проходя сквозь вещество взаимодействуют с атомами этого вещества и тормозятся об это вещество, поэтому на выходе излучение либо ослабевает, либо отсутствует.

3. Проведение опыта на проверку гипотезы о связи порядкового номера и рентгеновской проницаемости

Для проверки гипотезы был использован рентген-аппарат Italray Clinomat, который имеет следующие характеристики:

• тип трубки: высоковольтная с вращающимся анодом;
• тип охлаждения трубки: масляное;
• максимальное напряжение: 160 кВ;
• тип получения изображения: аналоговое, цифровое;
• режимы работы: графия, скопия.

Рис. 3. Рентген-аппарат Italray

Для опыта было использовано 3 трубки из различного металла одинаковой длины, одинакового диаметра и одинаковой толщины стенок:

1. стальная трубка (железо – 26 номер, углерод – 6);
2. алюминиевая трубка (порядковый номер – 13);
3. медная трубка (порядковый номер – 29).

И для наглядности был использован защитный просвинцованный фартук толщиной 5 мм., порядковый номер свинца – 82.

Рис. 4. Пример расположения медного образца на столе рентгена

Для точности эксперимента было использовано одно расстояние между рентгеновской трубкой и УРИ (усилитель рентгеновского изображения).

Экспериментальные трубки находились на столе, расстояние, от коллиматора до стола 1,4 м.

Облучение проводилось с напряжением на катоде в 70 кВ, и силой тока 1,5 мА.

На рисунке 5 показан пример изображения медной трубки, на нем мы видим четкие края, данные параметры облучения являются оптимальными для данного материала. Рентгеноскопия была проведена на частоте 30 кадров/с, так же использован ракурсный фильтр для стабилизации изображения.

Рис. 5. Проведение опыта над медным образцом

На рисунке 6 производится облучение железной трубки с теми же параметрами настройки, здесь уже по краям существует просвет, это свидетельствует о том, что уже некоторая часть электроном пролетает насквозь, для улучшения напряжения необходимо снизить количество киловольт.

Также стоит учесть, что трубка стальная, а это означает что в ее составе находится углерод, и другие примеси веществ.

Рис. 6. Проведение опыта над стальной трубкой

На рисунке 7 облучается алюминиевый образец, здесь уже явно видно, что количество киловольт, а следовательно и количество гамма-частиц больше чем нужна, трубка почти неотличима, а это свидетельствует о том что большая часть электронов пролетела насквозь и не задержалась металлом.

Для четкого изображения алюминиевой трубки необходимо снизить количество киловольт примерно до 40.

Рис. 7. Проведение опыта над алюминиевым образцом

Для подтверждения проверяемой теории проведем облучение рентгенозащитного фартука, закрыв примерно половину фокуса при тех же настройках, на рисунке 8 отчетливо видно, что фартук полностью выполняет свои функции и не пропускает сквозь себя электроны.

Рис. 8. Облучение рентгенозащитного фартука

Заключение

В данной статье описано проведение проверки гипотезы о том, что радиационная проницаемость веществ зависит от их порядкового номера в периодической таблице химических веществ, гипотеза позволяет выбирать материалы для защиты от радиационного излучения, а также где необходимо выбирать материалы для рентгенопрозрачности.

Так же проведено сравнение двух типов таких электровакуумных приборов как рентгеновская, что позволяет сделать вывод о том, что вращение анода необходимо для увеличения полезных свойств трубки.