األشعة السينية The X - rays البحث 5. 5 مدخل 55.5 Introduction: اكتشفت األشعة السينية عام 1895 على يد العالم رونتجن حيث وجد أنه تنبعث من األنبوبة المولدة لألشعة الكاتودية )المهبطية( أشعة غير معروفة تخترق الزجاج وكذلك العديد من األجسام الغير شفافة بالنسبة للضوء العادي. وسرعان ما اكتشف أن األشعة السينية تخترق بعض المواد بشكل أكبر منه في حالة المواد األخرى وقدم خال بضعة أسابيع أول صورة شعاعية وتعود هذه الصورة ليد زوجة رونتجن. 83
وتم تفسير خواص وطبيعة هذه األشعة عام 193 من قبل العلماء بيس هيثلر وسوتي.. 5 توليد 55.5 األشعة السينية :Production of X - rays تتولد األشعة السينية في أنبوبة عرفت تاريخيا بأنبوبة كوليدج. تتكون هذه أنبوبة من حبيبة زجاجية مخاة من الهواء إلى درجة كبيرة جدا mmhg( 10( 3-10- 4- ومن الكترودين يشكان المهبط والمصعد في هذه الحبيبة )أنظر الشكل 1(. يتكون المهبط من مادة غنية باإللكترونات ويدعى أيضا فتيل التسخين حيث يعتبر م صد ار للحزمة اإللكترونية وي صن ع هذا الفتيل بشكل لولبي من مادة التنغستين عادة وذلك لسببين: كون التنغستين يتميز بعد ذري كبير )74=Z( ويمتلك درجة انصهار كبيرة o (. Tf, W يحاط فتيل التسخين باسطوانة مشحونة سلبا تدعى باسطوانة التركيز أو جدا ( C = 3370 التمحرق وذلك من أجل تجنب تباعد اإللكترونات الصادرة عن الفتيل بسبب تدافع اإللكترونات فيما بينها. أما المصعد فهو عبارة عن صفيحة معدنية تصنع في أغلب األحيان أيضا من مادة التنغستين. I c تبلغ قيمتها بضع تنتج الحزمة اإللكترونية عن طريق تسخين الفتيل وذلك بإم ارر تيار تسخين شدتة أمبي ارت )المفعول الكهرح ارري(. )الشكل )1 بعد ذلك تسرع الحزمة اإللكترونية الصادرة عن الفتيل باتجاه المصعد تحت تأثير جهد عالي يطبق بين المهبط والمصعد يصل حتى 00KV وبنتيجة ذلك تصطدم حزمة اإللكترونات المسرعة بذ ارت المصعد الموضوع بشكل مائل بالنسبة لمسار الحزمة اإللكترونية )يصنع ازوية صغيرة بحدود 0( o مما يؤدي إلى اخت ارقها وينشأ عن ذلك تأثي ارت متبادلة بين إلكترونات الحزمة الساقطة وبين ذ ارت مادة المصعد وهذا يؤدي في نهاية المطاف إلى اصدار األشعة السينية من منطقة مميزة من المصعد تدعى بالنافذة )وتدعى أيضا بالمحرق أو البؤرة(. يقابل تحرك حزمة اإللكترونات من المهبط باتجاه المصعد تيار عكوس ذات شدة I يدعى بالتيار المصعدي أو الميلي أمبيري. يرتبط التيار المصعدي بفرق الكمون )الجهد العالي( V وبدرجة ح اررة الفتيل T وذلك قبل الوصول إلى درجة ح اررة محددة مميزة لعتبة تيار I. s تعطى شدة التيار المصعدي بحسب النغموير بعاقة من الشكل التالي: اإلشباع 84
3/ I = k V أما تيار اإلشباع فيعطى بحسب ريتشاردسون بعاقة من الشكل التالي: / b/t IS = k A T e حيث A تمثل مساحة الفتيل T تمثل درجة ح اررة تسخين الفتيل و k / k و b عبارة عن ثوابت. مالحظات :Remarks صمم فتيل التسخين بشكل لولبي بهدف أن تكون مقاومته كبيرة وأن يكون ارتفاع درجة ح اررته 1 ميسو ار. يرتبط عرض حزمة األشعة بعرض المحرق فإذا كان المحرق عريض )كبير( نحصل على معدل كبير من األشعة السينية أما إذا كان المحرق صغير )ضيق( فنحصل على معدل صغير من األشعة السينية. إضافة لذلك يرتبط عرض المحرق بميل المصعد حيث يكون صغي ار بقدر ما يكون الميل صغي ار.. 5 إصدار 55.5 األشعة السينية :Emission of X - rays يعزى طيف إصدار األشعة السينية المتولد في أنبوبة كوليدج إلى وجود حالتين هما: التأين أو التهيج )اإلثارة( وينتج عنه طيف مميز يدعى بطيف الخطوط والكبح )اإلعاقة أو الفرملة( وينتج عنه طيف مستمر يدعى بطيف الكبح )اإلعاقة(. نشير إلى أن كل من هاتين الحالتين تؤدي إلى ظهور طيف إصدار خاص بها. من ذلك نستنتج بأن طيف إصدار األشعة السينية الناتج هو عبارة عن مجموع طيفين: طيف مستمر يدعى بطيف الكبح وطيف متقطع يدعى بالطيف المميز )أو الخطوط( )أنظر الشكل.) )الشكل ). 5 الطيف 55.5 المستمر :Continuous spectrum بفرض أن أحد اإللكترونات الصادرة عن فتيل التسخين يمتلك طاقة حركية قدرها E تمكنه من c الوصول إلى جوار النواة عندئذ سوف ينجذب اإللكترون إلى النواة تحت تأثير القوة الكولونية التجاذبية إال أنه سوف ينحرف عن مساره عندما يقترب بشكل كاف من النواة مما يؤدي إلى ابتعاده من جديد 85
)أنظر الشكل 3(. / عن النواة بسبب تأثير القوى النووية بطاقة حركية أقل بكثير ولتكن E c )الشكل )3 في هذه الحالة تصدر الطاقة الحركية التي يتخلى عنها اإللكترون أثناء مساره وبشكل مستمر على شكل / h υ = E وهي تمثل طاقة اإلعاقة. باعتبار أن المسافات الفاصلة بين النواة c E c أشعة سينية طاقتها ومسار اإللكترون المار بجوارها كلها ممكنة نظ ار لكونها غير مكممة فإن طاقة األشعة السينية الصادرة E max وذلك عندما يتخلى اإللكترون عن كامل طاقته الحركية تأخذ قيمها من الصفر وحتى قيمة عظمى لتصدر على شكل فوتون سيني يدعى الطيف الصادر بهذه الطريقة بالطيف المستمر أو بشعاع اإلعاقة أو أشعة ب ارمست ارهلنغ. 5 قانون 55.5 دوان وهانت :Duane and hunt s law بفرض أن كامل الطاقة الحركية لإللكترون قد تحولت إلى إشعاع سيني مستمر. λ min في هذه الحالة يمكننا أن نحدد الطول الموجي األصغري للشعاع السيني الصادر عن األنبوبة بالصيغة الرياضية التالية: حيث h يمثل ثابت بانك c تمثل سرعة الضوء في الخاء و e تمثل شحنة اإللكترون. بالتعويض عن هذه الثوابت نجد أن: تدعى هذه العاقة بقانون دوان وهانت. مالحظات :Remarks - 1 يعتبر طيف اإلصدار السيني المستمر مستقل عن طبيعة مادة المصعد )الهدف( وال يرتبط سوى بالجهد المسرع ويستفاد منه في المجال الطبي بالتصوير والمعالجة الشعاعية. تدعى األشعة السينية الناتجة عن اإلعاقة باألشعة المستمرة )البيضاء( أو أشعة ب ارمست ارهلنغ 3 يعتمد الشعاع السيني المستمر على الشحنة النووية أي على Z بحيث يكون أكبر في العناصر الثقيلة )كالرصاص والتنغستين( من العناصر الخفيفة )كالنحاس واأللمينيوم(. 86
4 يكون شعاع اإلعاقة معامد التجاه اإللكترونات من أجل الطاقات الضعيفة ويكون مواز من أجل الطاقات المرتفعة. λ ويدعى m - 5 من أجل جهد م سرع محدد فإن الطول الموجي األكثر احتماال للتدفق الصادر هو بالطول الموجي الحامل للعدد األكبر من الفوتونات في واحدة الزمن. يتم الحصول عليه تجريبيا بالعاقة التالية: 3 λ m = λ min - 6 تدعى األشعة السينية ذات الطول الموجي القصير وقدرة االخت ارق الكبيرة باألشعة السينية القاسية وهي تصدر عن الذ ارت الثقيلة أما األشعة السينية ذات الطول الموجي الكبير وقدرة االخت ارق غير الكبيرة فتدعى باألشعة السينية اللينة. يتم التحكم بقساوة أو ليونة األشعة السينية بتغيير قيمة الجهد الم سرع. V وكلما كانت األشعة السينية أكثر قساوة كلما كان امتصاصها أضعف وكانت نفوذيتها أكبر من خال األوساط التي تجتازها.. 5 الطاقة 55.5 المشعة واإلستطاعة المشعة ألنبوبة األشعة السينية: Radiant energy and radiant power for X-rays tube: تتناسب الطاقة المشعة طردا مع: زمن التشغيل t العدد الذري Z لمادة المصعد مربع الجهد الم سرع V وعدد اإللكترونات الصادرة بواحدة الزمن I )يسمى أيضا بشدة التيار المصعدي( وذلك على فرض إهمال التخامد الحاصل بواسطة زجاج األنبوبة المولدة لألشعة السينية وكذلك اإلمتصاص الذاتي لألشعة السينية الصادرة من قبل المصعد ويعبر عن ذلك بالصيغة الرياضية التالية: R (J) = k I Z V t وبالتالي فإن اإلستطاعة المشعة )أو التدفق الطاقي( يعطى بالصيغة الرياضية التالية: حيث k يمثل ثابت مميز لألنبوبة ويرتبط بجملة الواحدات المستخدمة. أذا أنخفضت قيمة الجهد المس رع تزداد شدة التيار وذلك من أجل بقاء اإلستطاعة المشعة ثابته.. 5 مردود 55.5 )عائديه( أنبوبة األشعة السينية :Returns of X-rays tube المردود بالتعريف هو عبارة عن حاصل قسمة الطاقة المشعة R إلى الطاقة المستهلكة E ضمن إنبوبة األشعة السينية أو المسرعات الخطية )في حالة المعالجة اإلشعاعية(. أو هو عبارة عن حاصل قسمة اإلستطاعة المشعة R إلى اإلستطاعة الكهربائية المستهلكة P ضمن إنبوبة األشعة السينية أو المسرعات الخطية. يرمز للمردود بالرمز r ويحدد وفق العاقة التالية: R R k I Z V r = = = = k Z V E P V I يعتبر مردود األشعة السينية المتولدة بواسطة أنابيب كوليدج ضعيف جدا وال يتجاوز في أفضل األحوال 87
نسبة % وهذا يؤدي إلى تحرير كمية كبيرة من الح اررة من الممكن أن تسبب خلل في أداء الجهاز وتسبب أيضا تلف لمادة المصعد. ومن أجل تافي ذلك يمكن استخدام مصعد دوار.. 5 الطيف 55.5 المميز أو طيف الخطوط :)Characteristic spectrum (lines spectrum عندما يصبح الجهد العالي المطبق كافيا ناحظ ظهور خطوط تتوضع )تت اركب( على الطيف المستمر وهذه الخطوط تكون مميزة لذ ارت مادة المصعد )أنظر الشكل (. يمكن تفسير ذلك كما يلي: عندما تصل اإللكترونات الم سرعة إلى ذ ارت المصعد فإنها تعمل على اقتاع الكترون أو أكثر من الطبقات الداخلية للذرة وذلك تبعا لطاقتها الحركية المكتسبة. بعد ذلك تصبح الذرة مثارة )حالة غير مستقرة( وكي تعود إلى استق اررها السابق يحصل إعادة ترتيب إلكتروني وذلك بملئ الف ارغ الحاصل بإلكترون يهبط من الطبقات األعلى أو بواسطة إلكترون حر. إن اإلختاف في طاقة ال اربطة لهذا األخير يظهر على شكل شعاع )خط( سيني مميز أحادي الطاقة ذات تردد )تواتر( υ تعطى بالعاقة التالية: E = b o Z 1 n f 1 n i = h υ. 5 تسمية 55.5 الخطوط المميزة :Naming of the characteristic lines إتفق على تسمية الخطوط المميزة بنفس الحروف الاتينية العائدة للمستويات الذرية الرئيسية التي يسقط عليها اإللكترون الشاغل للف ارغ أما منشأ هذا اإللكترون )أي الطبقة التي أتى منها( فيستدل عليه بإحدى الحروف اليونانية..., γ a, b, وتكتب على شكل دليل يستدل من خاله على أن اإللكترون المالئ للف ارغ قد أتى من الطبقة األعلى مباشرة أو من الطبقات التالية )أنظر الشكل 5(. لنفرض مثا أن إلكترون أتى من الطبقة L ليملئ الف ارغ اإللكتروني الم حدث في الطبقة K فسوف يفقد نتيجة لذلك طاقة E K K ذات طاقة قدرها a α تظهر على شكل شعاع )خط( سيني مميز E hν = E = E K a Ka L K حيث: 88
)الشكل )5 مالحظات :Remarks - 1 تستخدم األشعة السينية المميزة في الغالب في المجال العلمي )علم البلو ارت.)cristallographie من الممكن للفوتون السيني الصادر عن ذرة الهدف أن يقتلع إلكترون محيطي تابع لنفس الذرة يطلق عليه إسم إلكترون أوغر.électron Auger لنفرض على سبيل المثال أن إلكترون أوغر اقتلع K α في هذه الحالة يمتلك هذا اإللكترون طاقته الحركية مساوية من الطبقة الرئيسية M بواسطة فوتون إلى: EcAuger = hν Ka 89 E M إذا يؤدي ذلك إلى إصدار إلكترون أحادي الطاقة وذلك على عكس إصدا ارت + b و b. 3 من أجل المواد الخفيفة )أي أن أعدادها الذرية صغيرة( يكون هناك تنافس ما بين اإلصدار السيني إاوصدار إلكترون أوغر. أما من أجل المواد التي تتميز بعد ذري أكبر من 70 فإن أثر أوغر يكون مهما. - 4 ال يشاهد طيف الخطوط المميز عند جهد أصغري ولكن تبدأ هذه الخطوط بالظهور عندما نبدأ بزيادة الجهد المسرع V وبالتالي فإن أول خط طيفي مميز يظهر بنتيجة زيادة الجهد المسرع يقابل حالة التأين للطبقة السطحية لذ ارت المصعد. 5 خواص. 5.5.5 األشعة السينية :Properties of X-rays 1 ذات طبيعة كهرطيسية. طاقاتها محصورة بين 10-10 5 ev وأطوالها الموجية محصورة بين 10-1 - 10-9 m 3 تنتشر في الف ارغ بسرعة الضوء وفق خطوط مستقيمة وفي سائر المناحي. 4 ال تنحرف تحت تأثير الحقلين الكهربائي والمغناطيسي. 5 تؤدي إلى تأين الغا ازت التي تعبرها ويستفاد من ذلك في قياس كمية األشعة السينية باستخدام حجرة التأين. 6 تؤدي إلى فلورة بعض األماح المعدنية ويستفاد منها في الدريئات المستخدمة في التنظير الشعاعي والدريئات الداعمة التي تكون على تماس مع أفام التصوير الشعاعي.
7 قادرة على اخت ارق جسم اإلنسان ويكون ذلك أسهل بقدر ما تكون نفوذيتها أكبر. 8 تتخامد ذاتيا بشكل طردي مع مقلوب مربع بعدها عن المنبع. 9 تتخامد لدى اخت ارقها للمادة ويزداد تخامدها بقدر ما تكون كل من ثخانة المادة وكثافتها كبي ار. 10 تحدث تفاعات كيميائية وحيوية ضمن األنسجة الحية مما يؤدي إلى تأين وانح ارف اإلستقاب الخلوي. 11 تتسبب في إسوداد مستحلبات التصوير الضوئي. - 11 انع ارج األشعة السينية )قانون ب ارغ( law( :Diffraction of X-rays (Bragg s استخدمت األشعة السينية في د ارسة البنية البلورية ألول مرة من قبل العالمان الوي وب ارغ وذلك في عام 1913. وبعد هذا التاريخ بخمسة عشر عاما تم استخدام حزم اإللكترونات والنيترونات في د ارسة البنية البلورية. تعتبر د ارسة انع ارج األشعة السينية بواسطة البلو ارت ذات أهمية كبيرة وذلك ألن لهذه الظاهرة تطبيقات طبية هامة تتمثل فيما يلي: 1 يسمح المقياس الطيفي لألشعة السينية بمعرفة تركيب حزمة األشعة السينية. د ارسة التركيب للجزيئات وبشكل خاص الجزيئات ذات األهمية البيولوجية )بروتينات حموض أمينية فيروسات(. 3 تحديد المسافة الفاصلة بين الذ ارت ضمن البنية البلورية. 4 وضع مختلف أنواع الذ ارت المكونة للجزيئة. 5 أنواع الروابط بين الجزيئات وضمن الجزيئة الواحدة. لقد تمكن العالم ب ارغ من تحديد البنية البلورية لبعض الجزيئات وذلك اعتمادا على فرضية أن الذ ارت في الجزيئة تتوزع بشكل منتظم ضمن الشبكة البلورة على شكل مستويات متوازية يفصل بينها مسافة ثابتة تدعى بالبعد الشبكي البلوري. والحظ أنه عندما تسقط حزمة من األشعة السينية على إحدى الذ ارت في أي من المستويات البلورية فإنها تعاني من ظاهرة االنع ارج )التشتت(. وذلك اعتمادا على نظرية التداخل لألمواج وتوصل إلى وضع معادلة سميت باسمه وتعطى بالشكل التالي: )الشكل )6 d sinθ = n λ تدعى هذه العاقة بقانون ب ارغ في االنع ارج )أو شرط ب ارغ في االنع ارج( 90
حيث q تمثل ال ازوية الكائنة بين الشعاع الوارد ومستوى السطح البلوري d يمثل المسافة الفاصلة بين مستويين بلوريين متتاليين )ويدعى أيضا بالبعد الشبكي البلوري( l يمثل الطول الموجي للشعاع السيني الوارد و n هي عبارة عن عدد صحيح يمثل ترتيب المستوي البلوري حيث...,3 =,1, n مالحظة :Remark تعتمد الشدة الحقيقية للحزمة المنعرجة على فعالية الذرة في تشتيتها للحزمة الواردة وعلى كيفية ترتيب الذ ارت في وحدة الخلية. إضافات مدرس املقرر 91
9