Nie tylko „rentgen” niefartownego narciarza – obecne zastosowania promieni X

Posted by on in | 465 Views

8 listopada 2021 r. obchodzimy 10-lecie Muzeum Lamp Rentgenowskich Politechniki Opolskiej. W jego zbiorach znajduje się blisko 1400 eksponatów, głównie samych lamp rentgenowskich ale także całych aparatów, detektorów promieniowania X i wszystkiego, co ma z nim związek. Od razu nasuwa się więc pytanie: skąd taka rozmaitość lamp rentgenowskich?

Przecież z punktu widzenia elektryki lampa rentgenowska to po prostu dwuelektrodowa lampa próżniowa. Otóż podstawowe wyjaśnienie bierze się stąd, iż obecnie promieniowanie rentgenowskie jest stosowane nie tylko w medycynie, jak sądzi większość ludzi, ale właściwie wszędzie.

Warto więc może przybliżyć czytelnikom, chociażby pobieżnie, inne obszary wykorzystania promieniowania rentgenowskiego w dzisiejszym świecie, które również mają istotny wpływ na bezpieczeństwo oraz komfort naszego codziennego życia. Należy podkreślić, iż tak szerokie wykorzystywanie promieniowania rentgenowskiego w naszym życiu niezależnie od jego charakterystycznych właściwości fizycznych – przenikania przez materię – wynika m.in. stąd, że metody czy techniki wykorzystujące to promieniowanie to metody bezdotykowe i jednocześnie nienaruszające struktury badanego obiektu, tj. w pełni metody tzw. badań nieniszczących (nieinwazyjnych) NDT[1].

Obecne wykorzystanie promieniowania rentgenowskiego

Promieniowanie rentgenowskie jest dzisiaj szeroko wykorzystywane już nie tylko w medycynie, ale również w wielu dziedzinach przemysłu, rolnictwa, produkcji żywności oraz farmaceutyków, ochrony środowiska, szeroko pojętego bezpieczeństwa (security), w różnych dziedzinach nauki, a także kultury (archeometria i historia kultury oraz sztuki).

Promieniowanie rentgenowskie jest dzisiaj szeroko wykorzystywane już nie tylko w medycynie, ale również w wielu dziedzinach przemysłu, rolnictwa, produkcji żywności oraz farmaceutyków, ochrony środowiska, szeroko pojętego bezpieczeństwa (security), w różnych dziedzinach nauki, a także kultury (archeometria i historia kultury oraz sztuki).

Natura i właściwości promieniowania rentgenowskiego pozwalają badać wewnętrzne struktury różnych (wszystkich) materiałów i obiektów zarówno na poziomie makro jak i mikrostruktury. Procesy produkcyjne w przemyśle stają się coraz bardziej złożone. Nowe i coraz bardziej zróżnicowane technologie powodują konieczność stosowania takich rozwiązań w zakresie kontroli, które są w stanie uwidocznić ukryte lub bardzo małe struktury. Aby zapewnić bezpieczeństwo w dziedzinach takich jak; przemysł motoryzacyjny, aeronautyka czy technologie medyczne, niezbędna jest inspekcja stosowanych tam elementów zespołów czy połączeń. Ciągły trend w kierunku miniaturyzacji a jednocześnie coraz większej zwartości układów elektronicznych w całym przemyśle elektronicznym pociąga za sobą konieczność stosowania kontroli rentgenowskiej, umożliwiającej uzyskiwanie dużych powiększeń przy zapewnieniu dużej rozdzielczości uzyskiwanego obrazu. Stąd też obserwuje się dzisiaj bardzo dynamiczny rozwój tzw. mikroskopii rentgenowskiej.

Podstawowe mechanizmy oddziaływania promieniowania rentgenowskiego z materią, z których wynikają konkretne obszary (dziedziny) zastosowań przedstawiono na rys. 1, a na rys. 2 przedstawiono obszary energetyczne ważniejszych zastosowań promieniowania rentgenowskiego na tle energii.

Rys. 1. Uproszczony schemat przedstawiający podstawowe mechanizmy oddziaływania promieniowania rentgenowskiego z materią

Metody wykorzystania promieniowania rentgenowskiego dzielą się ze względu na charakter oddziaływania promieniowania z materią na:

  • metody dyfrakcyjne (rozproszenie elastyczne),
  • metody oparte na oddziaływaniach nieelastycznych promieniowania z materią (zmieniające
  • częściowo lub w całości energię promieniowania padającego na inne formy),
  • metody absorpcyjne.

Rys. 2. Obszary ważniejszych zastosowań promieniowania rentgenowskiego (granice obszarów dotyczą wartości wysokiego napięcia [kV] a nie energii [keV]) opisy w tekście

O ile terminologia dotycząca medycyny (zaznaczona na rys. 2 kolorem niebieskim) czy też radiografii przemysłowej i in. (zaznaczone kolorem żółtym) jest powszechnie znana, to terminologia dotycząca pozostałych obszarów (zaznaczonych kolorem zielonym) wymaga bliższego wyjaśnienia. Otóż wszystkie te metody stosowane są głównie w warunkach laboratoryjnych, aczkolwiek ostatnio zaistniały możliwości stosowania niektórych z nich również w warunkach przemysłowych, tj. bezpośrednio na obiekcie.

Dyfrakcja rentgenowska XRD (X–Ray Diffraction) to tania i efektywna metoda identyfikacji krystalicznych ciał stałych. Wynikiem tej analizy są ślady (refleksy) dyfrakcyjne, na tzw. dyfraktogramie, które jak linie papilarne człowieka tworzą odmienną sekwencję dla każdej substancji krystalicznej – rys. 3. Porównując otrzymany układ z katalogiem można zidentyfikować badane ciało. Wnikliwa analiza śladów dyfrakcyjnych pozwala nawet na uzyskanie tak szczegółowych informacji jak współrzędne atomów (lub jonów) w strukturze, czy dokładny opis budowy krystalicznej lub jej zmian powstałych w wyniku eksperymentów. Cała nasza wiedza o budowie przestrzennej różnych materiałów (metali, związków chemicznych, minerałów, skał, narkotyków czy leków) pochodzi z badań metodą XRD. Ponad milion struktur zostało rozszyfrowanych tą techniką, z czego większość to małe molekuły zgromadzone w bazie Cambridge Structural Datbase i ponad 80 000 to duże biomolekuły zgromadzone w bazie Protein Database.

Cała nasza wiedza o budowie przestrzennej różnych materiałów (metali, związków chemicznych, minerałów, skał, narkotyków czy leków) pochodzi z badań metodą XRD. Tą techniką zostało rozszyfrowanych ponad milion struktur.  

Rys. 3. Schemat badania struktury kryształu metoda dyfrakcji rentgenowskiej

Rys. 4. Unikalne obrazy dyfrakcyjne: a) obraz DNA (Rosalind Franklin 1952 r.)

b) rentgenowski obraz gruntu na Księżycu przesłany prze łazik Curiosity 17.12.2012 r.

W badaniach polimerów wykorzystywane są głównie dyfrakcyjne metody rentgenowskie związane z rozpraszaniem pod dużymi kątami WAXS[2] (Wide Angle X-ray Scettering) i rozpraszaniem pod małymi kątami SAXS[3] (Small Angle X-ray Scattering). To ostanie, czyli niskokątowe rozpraszanie promieniowania rentgenowskiego pozwala także na określenie struktur złożonych z nanoobiektów, w tym obserwacji dynamiki tworzenia się takich struktur na powierzchni. Do badania cienkich warstw wykorzystywana jest technika reflektometrii rentgenowskiej XRR (X-Ray Reflectivity) polegająca na analizie intensywności promieniowania odbitego od materiału cienkowarstwowego w zakresie niskich kątów. Technika ta dostarcza informacji o grubości, gęstości oraz chropowatości badanej cienkiej warstwy (1~500 nm).

Rozpraszanie nieelastyczne, czyli niesprężyste oddziaływanie promieniowania rentgenowskiego z materią prowadzi do różnego rodzaju wzbudzeń, a analiza (energetyczna, polaryzacyjna itd.) wybijanych elektronów (elektrony Augera[4] czy fotoelektrony) lub innych większych obiektów, a także reemitowanego promieniowania elektromagnetycznego dostarcza informacji energetycznej, strukturalnej, dynamicznej (czasowej) zarówno o powierzchni, warstwach przypowierzchniowych jak i o wnętrzu naświetlanej próbki. Fotoemisja elektronów wykorzystywana jest w technice spektrometrii fotoelektronów wzbudzanych promieniowaniem rentgenowskim XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy).

Metoda analizy wzbudzonego promieniowania rentgenowskiego, tzw. metoda fluorescencji rentgenowskiej XRF (X–Ray Fluorescence)[5] pozwala na jakościową i ilościową analizę pierwiastkową ciała stałego oraz cieczy. Ze względu na długą listę rozpoznawalnych pierwiastków i szeroki zakres wykrywanych stężeń, metoda ta jest wykorzystywana zarówno do analizy składników głównych jak i śladowych. Metoda XRF występuje w dwóch podstawowych odmianach tj. jako fluorescencja rentgenowska z dyspersją fali WDXRF (Wavelenght Dispersive X- Ray Fluorescence) oraz fluorescencja rentgenowska z dyspersją energii EDXRF (Energy Dispersive X-Ray Fluorescence). Szczególną techniką metody XRF jest fluorescencja rentgenowska z całkowitym odbiciem wiązki padającej, TXRF (Total reflection X–Ray Fluorescence) wykorzystywana do analizy cienkich warstw powierzchniowych (~30 Å[6]) czy wykrywania metalicznych zanieczyszczeń na powierzchni płytek krzemowych oraz mikroanaliza fluorescencyjna µXRF, umożliwiająca określanie (skanowanie) składu powierzchni z mikrometrową dokładnością. Jako typowe zastosowanie tej metody można wymienić testowanie zanieczyszczeń na powierzchni półprzewodników lub badania rozkładu pierwiastków w pojedynczej komórce.

Z kolei w metodzie absorpcyjnej możemy wyróżnić techniki wykorzystujące zwykłe osłabianie promieniowania rentgenowskiego (głównie medycyna, kontrola procesów, kontrola produktów, security, pomiary grubości, określanie składu ziarnowego mikroproszków, a przede wszystkimi metody badań nieniszczących materiałów i wyrobów – NDT) oraz metody analizy pochłaniania promieniowania rentgenowskiego. Zanim przejdziemy do omówienia tej ostatniej wyżej wymienionej metody, warto w tym miejscu podkreślić, iż dzięki rozwojowi medycznych lamp rentgenowskich obecne obrazowanie diagnostyczne stało się znacznie szybsze, co oznacza, że więcej pacjentów może skorzystać z tych badań. Ponadto uzyskiwana lepsza jakość obrazu pozwala lekarzowi postawić pewniejszą diagnozę. Inne osiągnięcia w tym zakresie to m.in. przedłużenie czasu pracy medycznych lamp rentgenowskich.

Dzięki rozwojowi medycznych lamp rentgenowskich obecne obrazowanie diagnostyczne stało się znacznie szybsze, co oznacza, że więcej pacjentów może skorzystać z tych badań. Ponadto uzyskiwana lepsza jakość obrazu pozwala lekarzowi postawić pewniejszą diagnozę.

Analiza pochłaniania promieniowania rentgenowskiego przez materię tj. badanie profilu absorpcji promieniowania rentgenowskiego w pobliżu krawędzi absorpcji[7] (XAFS – X-Ray Absorption Fine Structure) dostarcza bogatej informacji, której charakter zależy od przedziału widmowego. Stąd też w zależności od przedziału widmowego rozróżnia się:

  • XANES – X-ray Absorption Near-Edge Structure, czyli badanie przykrawędziowej struktury linii absorpcji promieniowania rentgenowskiego (blisko krawędzi absorpcji),
  • EXAFS – Extended X-Ray Absorption Fine Structure, czyli badanie rozszerzonej struktury subtelnej rentgenowskiej linii absorpcyjnej.

Pierwsza z technik czuła jest zasadniczo na stan chemiczny określonego pierwiastka, druga zaś dostarcza informacji o przestrzennej konfiguracji lokalnego otoczenia atomów danego typu.

W zakresie mikroskopii rentgenowskiej bardzo popularną metodą badawczą jest transmisyjna mikroskopia rentgenowska TXM – Transmission X-Ray Microscopy realizowana w zakresie miękkiego promieniowania rentgenowskiego. Metoda ta charakteryzuje się szeregiem, zalet takich jak: możliwością uzyskania bardzo dobrego kontrastu poprzez wykorzystanie zależności współczynnika absorpcji dla różnych pierwiastków od długości fali, wysoką przestrzenną zdolnością rozdzielcza (obecnie do 15 nm), jeśli jako elementy optyczne zostaną użyte soczewki Fresnela[8], stosunkowo dużym obszarem przestrzennym, który może być jednocześnie obrazowany (15÷20 µm), nanosekundową czasową zdolnością rozdzielczą związaną z czasową strukturą wiązki promieniowania synchrotronowego. W zastosowaniach biologicznych, mikroskopia rentgenowska jest przede wszystkim stosowana w badaniach komórki.

Jednym ze spektakularnych zastosowań technologicznych promieniowania rentgenowskiego jest metoda „rzeźbienia” mikrostruktur za pomocą intensywnej wiązki tego promieniowania. Jest to tzw. technika litografii rentgenowskiej LIGA [nazwa jest akronimem ich niemieckojęzycznych określeń Lithographie (litografia), Galvanoformung (galwanizacja), Abformung (formowanie)] wykorzystująca zasadniczo trzy kolejno stosowane procesy: litograficznego przygotowania formy, galwanicznego wypełnienia metalem w celu przygotowania tej formy, która ostatecznie jest wykorzystywana do wielokrotnego wytwarzania danej mikrostruktury. Wielką zaletą metody LIGA jest możliwość precyzyjnego i powtarzalnego przeniesienia rysunku pierwotnego, płaskiego wzorca (maski) na różnego rodzaju materiały (metale, stopy, polimery, a nawet materiały ceramiczne) przy dużym stosunku wysokości elementów (rzędu 1 mm) do ich wymiarów poprzecznych (~200 nm). Wynika to z tego, iż używamy fotonów o bardzo małej długości fali (0,05÷0,5 nm), stąd też efekty dyfrakcji od krawędzi są całkowicie pomijalne.

Wybrane przykłady zastosowania promieniowania rentgenowskiego

Jak powszechnie wiadomo, promieniowanie rentgenowskie od samego początku jego odkrycia tj. od 1895 r. znalazło zastosowanie przede wszystkim w medycynie i nadal odgrywa ono ważną rolę w ciągłym rozwoju tej dziedziny wiedzy. Należy podkreślić, iż dzisiejszy stan medycyny, a w szczególności tak dynamicznie rozwijającej się kardiologii interwencyjnej, nie byłby możliwy bez istotnego udziału promieniowania rentgenowskiego. Nie bez znaczenia było także pojawienie się w latach 60. ubiegłego wieku jakościowo nowej metody badań, jaką okazała się być tomografia komputerowa. Stomatologia czy mammografia, to kolejne obszary medycyny, charakteryzujące się dynamicznym rozwojem obrazowania. Wprowadzenie techniki dwuenergetycznej dało natomiast nowe możliwości w badaniach osteoporozy poprzez dokładne określanie gęstości kości. Natomiast niemal całkowicie wyszło z użycia stosowanie promieniowania rentgenowskiego o niskich energiach (promienie Bucky’ego[9] poniżej 15 kV) w terapii chorób skórnych.

Nie należy zapominać o badaniach rentgenowskich stosowanych w medycynie sądowej, czego przykładem mogą być chociażby przeprowadzone w tym roku badania zwłok generała Władysława Sikorskiego. Również weterynaria korzysta obecnie coraz szerzej z badań rentgenowskich. Częstym powodem bywają po prostu połknięte przez zwierzęta różne przedmioty, gdzie do lokalizacji wykorzystuje się prześwietlenie rentgenowskie.

Nie należy zapominać o badaniach rentgenowskich stosowanych w medycynie sądowej, czego przykładem mogą być chociażby przeprowadzone w tym roku badania zwłok generała Władysława Sikorskiego. Również weterynaria korzysta obecnie coraz szerzej z badań rentgenowskich. Częstym powodem bywają po prostu połknięte przez zwierzęta różne przedmioty, gdzie do lokalizacji wykorzystuje się prześwietlenie rentgenowskie.

Rys. 5. Przykład zastosowania promieniowania rentgenowskiego podczas operacji kardiologicznych (widoczne są dwa aparaty oraz dwa wzmacniacze obrazu)

Oczywiście historycznie rzecz biorąc zaraz po zastosowaniach medycznych, promieniowanie rentgenowskie znalazło zastosowanie w przemyśle głównie do kontroli jakości odlewów, połączeń nitowanych a później połączeń spawanych. Dość wymienić branże przemysłowe korzystające powszechnie z zastosowania metod rentgenowskich (zarówno do oceny makrostruktury jak i oceny składu chemicznego); jest to więc przemysł hutniczy, energetyczny, stoczniowy, lotniczy (kompozyty), samochodowy (np. felgi, opony), elektroniczny, petrochemia, rurociągi i gazociągi przesyłowe czy budownictwo.

Rys. 6. Przykłady elementów samochodu, które podlegają badaniom rentgenowskim na obecność wad

Znaczny rozwój nowych detektorów promieniowania rentgenowskiego (np. pamięciowe luminoforowe płyty obrazowe czy detektory bezpośrednie typu płaski panel) przyczynił się do powstania nowych technik badawczych z zastosowaniem przenośnych urządzeń rentgenowskich. Coraz powszechniej stosowane są również niekonwencjonalne techniki badań rentgenowskich jak np. metodą tomografii komputerowej, która umożliwia otrzymywanie obrazów trójwymiarowych (technika 3D), a tym samym obrazowanie w dowolnych przekrojach jak również wymiarowanie (nowa dziedzina tzw. metrologia rentgenowska). Należy podkreślić, iż ze względu na postęp, jaki dokonał się zarówno w samym źródle promieniowania rentgenowskiego jak i różnych detektorach (tzw. bezbłonowych) dzisiejsza jakość uzyskiwanych obrazów jest bez porównania lepsza niż tych sprzed kilkudziesięciu lat (lepszy kontrast, lepsza wykrywalność).

Coraz ostrzejsze wymagania jakościowe przy wzrastającej wydajności procesów montażowych, spowodowały także wdrożenie metod rentgenowskich do przemysłu elektrotechnicznego, a przede wszystkim elektronicznego. Obecnie już nawet żarówki (nieprzeźroczyste) w firmie Philips czy baterie elektryczne w firmie Duracel podlegają 100%-owej kontroli ze względu na poprawność ich montażu. Postępująca miniaturyzacja w przemyśle elektronicznym (patrz telefony komórkowe, GPS-y, odtwarzacze, pen-drivy, i in.) nie mogłaby mieć miejsca bez stosowania inspekcji rentgenowskiej, do kontroli montażu układów elektronicznych.

Rys. 7. Przykład rentgenowskiej kontroli układów elektronicznych z montażem typu BGA (Ball Grid Array)

Przemysł farmaceutyczny, ale przede wszystkim przemysł spożywczy z racji swoich zautomatyzowanych procesów produkcji jak i pakowania, korzysta coraz częściej z rentgenowskiej inspekcji procesu czy gotowego wyrobu. Celem tej inspekcji jest wykrywanie zanieczyszczeń, czyli obcych ciał (np. kawałki szkła, kości, kamieni, plastiku i in.) w produktach pakowanych jak i luzem oraz wykrywanie brakujących elementów (np. pastylki, czy czekoladki w opakowaniu), ale także i kontrola poziomu napełnienia (puszek, butelek, kartonów). Promieniowanie rentgenowskie bywa nawet stosowane w procesie produkcji serów, tj. w czasie ich dojrzewania. Ponadto przemysł spożywczy wykorzystuje także promieniowanie rentgenowskie (wysokoenergetyczne, około 5 MeV) do napromieniowywania żywności, celem jej utrwalania (zapobieganie psuciu się żywności jak i przedłużenie okresu składowania świeżych owoców czy warzyw). Sterylizację promieniowaniem rentgenowskim stosuje się także w produkcji medycznych środków opatrunkowych czy nawet przesyłek pocztowych.

Celem inspekcji rentgenowskiej jest wykrywanie zanieczyszczeń, czyli obcych ciał (np. kawałki szkła, kości, kamieni, plastiku i in.) w produktach pakowanych jak i luzem oraz wykrywanie brakujących elementów (np. pastylki, czy czekoladki w opakowaniu), ale także i kontrola poziomu napełnienia (puszek, butelek, kartonów). Promieniowanie rentgenowskie bywa nawet stosowane w procesie produkcji serów, tj. w czasie ich dojrzewania.

Rys. 8. Rentgenowska kontrola zanieczyszczeń w produktach żywnościowych

W naukach rolniczych, a szczególności w ocenie i doborze właściwego materiału siewnego bardzo często wykorzystuje się techniki rentgenowskie.

Rys. 9. Rentgenowska kontrola nasion fasoli

Dzisiejsze uwarunkowania geopolityczne, w szczególności związane ze swobodnym przepływem towarów wymusiły konieczność kontroli rentgenowskiej. Dość wspomnieć, iż dzisiejsze kontenerowce są w stanie przewieźć każdorazowo na swoim pokładzie do 20 000 kontenerów. Otwarcie każdego z nich i przeprowadzenie inspekcji wizualnej w ogóle nie wchodzi w grę, pozostają jedynie techniki rentgenowskie wykorzystujące w tym przypadku źródła promieniowania rentgenowskiego o dużej energii, tj. do około 9 MeV. Również swobodne przemieszczanie się ludzi, a z drugiej strony narastający na świecie terroryzm, spowodowały pojawienie się nowego obszaru wykorzystania promieniowania rentgenowskiego, określanego mianem security.

Dzisiejsze kontenerowce są w stanie przewieźć każdorazowo na swoim pokładzie do 20 000 kontenerów. Otwarcie każdego z nich i przeprowadzenie inspekcji wizualnej w ogóle nie wchodzi w grę, pozostają jedynie techniki rentgenowskie wykorzystujące w tym przypadku źródła promieniowania rentgenowskiego o dużej energii, tj. do około 9 MeV.

Rys. 10. Zastosowanie promieniowania rentgenowskiego w obszarze security a) narkotyki ukryte w rowerze, b) ładunek wybuchowy ukryty w lasce

Do tego obszaru należy zaliczyć również kontrolę przemieszczania przez granice państwowe śmieci czy odpadów, co związane jest z wysokimi kosztami utylizacji tychże w niektórych państwach.

Rys. 11. Rentgenowska kontrola pociągów towarowych na polskich przejściach granicznych: Hrubieszów, Dorohusk, Medyka (Ukraina, )Terespol, Kuźnica Białostocka (Białoruś) i Braniewo (Rosja).

Nadal promieniowanie rentgenowskie stosowane jest zarówno do automatycznych bezdotykowych jak i ręcznych pomiarów grubości, średnic wszelkiego rodzaju wyrobów w procesach wytwarzania (huty, papiernie, zakłady chemiczne) a także w pomiarach powłok, warstw na wyrobach metalowych.

 Rys. 12. Przykład rentgenowskiej analizy składu chemicznego bezpośrednio na obiekcie

Konieczność wykonywania szybkich analiz składu chemicznego różnych materiałów w przemyśle hutniczym i górniczym, w produkcji cementu, w przemyśle szklarskim czy petrochemii a także coraz ostrzejsze wymogi w zakresie ochrony środowiska, m.in. dotyczące konieczności wykonywania analiz składu chemicznego, (np. w przypadku RoHS[10]) skutkują dzisiaj powszechnym stosowaniem metod rentgenowskich. Dla przykładu warto wymienić chociażby mniej znane zastosowania jak np. analiza gleby czy osadów, analiza śladowa wód rzecznych, jeziornych i morskich, analiza surowego jedzenia, analiza aerozoli, toksykologiczna analiza krwi i moczu, monitorowanie poziomu leków we krwi, badania materiałowe dzieł sztuki, badania analityczne w medycynie sądowej, czy wreszcie analiza pochodzenia win. Należy w tym miejscu podkreślić, iż czułość metod analitycznych opartych na promieniowaniu rentgenowskim sięga obecnie poziomu ppb[11]

Ale promieniowanie rentgenowskie to nie tylko obrazowanie wewnętrznych struktur badanych obiektów. Dzisiaj to już także procesy szybkiej automatycznej separacji w przemyśle wydobywczym czy w gospodarce odpadami przy separowaniu śmieci, a nawet identyfikacja pewnych pierwiastków (np. Au, Cu, Zn, Pb, Mo, Fe) czy diamentów w rudzie podczas procesów wydobywczych.  W Polsce na wielu wysypiskach śmieci pracują zarówno urządzenia do ich separacji (rys. 14) jak i i wyrywkowej identyfikacji z wykorzystaniem metody XRF.

Promieniowanie rentgenowskie to także procesy szybkiej automatycznej separacji w przemyśle wydobywczym czy w gospodarce odpadami przy separowaniu śmieci, a nawet identyfikacja pewnych pierwiastków (np. Au, Cu, Zn, Pb, Mo, Fe) czy diamentów w rudzie podczas procesów wydobywczych. 

Rys. 13. Przykład separacji (rozróżniania) odpadów w śmieciach – a) schemat działania, b) przykład separacji węgla kamiennego,

Promieniowanie rentgenowskie o niskiej energii bywa także wykorzystywane do usuwania statycznych ładunków elektrycznych w procesach produkcyjnych, gdzie jest to wymagane.

Rys. 14. Rentgenowska separacja śmieci przy odzysku aluminium w Alumetal (Nowa Sól)

Rys. 15. Nowe materiały (nanotechnologia) badane urządzeniami rentgenowskimi: a) materiał ceramiczny typu piana (foam), b) implant stosowany w medycynie

Oczywiście w ciągłym zainteresowaniu wykorzystaniem promieniowania rentgenowskiego znajdują się badania naukowe, a w szczególności te związane z napromieniowaniem materiałów biologicznych czy tworzeniem nowych materiałów.

I na zakończenie wybrane przykłady związane z wykorzystaniem promieniowania rentgenowskiego w mniej znanych zastosowaniach, jakimi są historia sztuki czy konserwacja dzieł sztuki. Są to przede wszystkim typowe rentgenowskie techniki prześwietleniowe np. starożytnych mumii, obrazów, rzeźb, pomników, instrumentów muzycznych, monet czy innych przedmiotów kultury materialnej, jak również rentgenowska analiza ich składu chemicznego. Techniki obrazowania rentgenowskiego są w przypadku malarstwa podstawowym rodzajem diagnostyki. Często umożliwiają one spektakularne odkrycia, jak ujawnienie przemalowania danego płótna przez autora. W konserwacji dzieł sztuki radiografię wykorzystuje się do: badania zastosowanych przez artystę technik i technologii; określenia stanu zachowania dzieła; określenia zakresu wcześniejszych ingerencji konserwatorskich.

Prześwietla się np. starożytne mumie, obrazy, rzeźby, pomniki, instrumenty muzyczne i monety. Techniki obrazowania rentgenowskiego są podstawowym rodzajem diagnostyki w przypadku malarstwa. Często umożliwiają one spektakularne odkrycia, jak ujawnienie przemalowania danego płótna przez autora.

Rys. 16. Obraz i radiogram Matki Boskiej Opolskiej

Rys. 17. Miecz koronacyjny „Szczerbiec” i jego obraz rentgenowski

Ale promieniowanie rentgenowskie może samo w sobie być źródłem tworzenia sztuki. Od wieków technika była używana w sztuce do tworzenia czegoś nowego i nieoczekiwanego. Użycie promieniowania rentgenowskiego do tworzenia fotografii rentgenowskiej ujawnia elegancję oraz piękno. Czarno białe fotografie uzyskane przy pomocy nie odbitego od obiektów światła, ale przenikającego przez nie promieniowania rentgenowskiego, które tak samo jak światło stanowi formę promieniowania elektromagnetycznego, zachwycają oczy, zaskakują i urzekają, pokazując subtelności wewnętrznych struktur np. roślin, muszli, ryb i in. Wiele artystów fotografików na świecie zajmuje się właśnie tą dziedziną sztuki.

Rys. 18. Fotografie rentgenowskie jako forma sztuki

Zakończenie

Jak widać z tego chociażby pobieżnego przeglądu zastosowania w dzisiejszym świecie promieniowania rentgenowskiego, możemy stwierdzić że żyjemy w czasach, które można by określić mianem „renesansu promieniowania rentgenowskiego”. To dzięki powszechnemu wykorzystaniu tego odkrycia, możemy się czuć dzisiaj znacznie zdrowsi, bezpieczniejsi w użytkowaniu różnych urządzeń technicznych czy spożywaniu produktów żywnościowych. Pośrednio wpływa to także na obniżenie kosztów produkcji i podniesienie standardów jakościowych. Na przykładzie tego zjawiska widać także, jak trudno jest nieraz przewidzieć dalsze losy dotyczące zastosowania danego odkrycia naukowego.

Rys. 19. Unikalne zdjęcie rentgenowskie roztłaczanej wybuchowo rury miedzianej z widocznymi wyładowaniami elektrycznymi

Przypisy:

[1] NDT – Non Destructive Testing

[2] WAXS – szerokokątowa dyfraktometria rentgenowska.

[3] SAXS – małokątowa dyfraktometria rentgenowska.

[4] Elektron Augera – elektron emitowany w wyniku efektu Augera, tj. zjawiska polegającego na przekazaniu nadmiaru energii atomu innemu elektronowi podczas przejścia elektronu z wyższej powłoki na niższą (zjawisko konkurencyjne do emisji promieniowania rentgenowskiego); Piere V. Auger (1899-1993) fizyk francuski.

[5] Znana również pod nazwą XFA (X-ray Fluorescence Analysis).

[6] Å – angstrem,legalna jednostka długości, stosowana w krystalografii; nazwana na cześć szwedzkiego fizyka Andersa Ångströma (1814-1874); 1Å = 10-10 m, 1Å = 0,1nm.

[7] Krawędź absorpcji (próg absorpcji) – energia, przy której następuje skokowa zmiana współczynnika pochłaniania promieniowania w materiale.

[8]Augustin J. Fresnel (1788-1827) fizyk francuski, twórca m.in. soczewki schodkowej zwanej soczewką Fresnela

[9] Gustaw Bucky (1880-1963) niemiecki radiolog.

[10] RoHS – Dyrektywa europejska Reduction of Hazardous Substances.

[11] ppb (parts per bilion) jedna część na miliard