Основни свойства на рентгеновото лъчение. Какво е рентгеново лъчение и как се използва в медицината

Рентгеновото лъчение играе огромна роля в съвременната медицина; историята на откриването на рентгеновите лъчи датира от 19 век.

Рентгеновите лъчи са електромагнитни вълни, които се произвеждат с участието на електрони. При силно ускорение на заредени частици се създават изкуствени рентгенови лъчи. Преминава през специално оборудване:

• ускорители на частици.

История на откритията

Тези лъчи са изобретени през 1895 г. от немския учен Рентген: докато работи с катодна тръба, той открива флуоресцентния ефект на бариев платинов цианид. Тогава имаше описание на такива лъчи и тяхната невероятна способност да проникват в тъканите на тялото. Лъчите започват да се наричат ​​рентгенови лъчи (рентгенови лъчи). По-късно в Русия те започват да се наричат ​​рентгенови.

Рентгеновите лъчи могат да проникнат дори през стените. Така Рьонтген разбрал, че е направил най-голямото откритие в областта на медицината. Оттогава започват да се формират отделни раздели в науката като радиология и радиология.

Лъчите могат да проникнат през меките тъкани, но се забавят, дължината им се определя от препятствието на твърда повърхност. Меките тъкани в човешкото тяло са кожата, а твърдите тъкани са костите. През 1901 г. ученият е удостоен с Нобелова награда.

Въпреки това, още преди откритието на Вилхелм Конрад Рьонтген, други учени също се интересуват от подобна тема. През 1853 г. френският физик Антоан-Филибер Мейсън изследва разряд с високо напрежение между електродите в стъклена тръба. Съдържащият се в него газ при ниско налягане започна да излъчва червеникав блясък. Изпомпването на излишния газ от тръбата доведе до разпадането на сиянието в сложна последователност от отделни светещи слоеве, чийто оттенък зависеше от количеството газ.

През 1878 г. Уилям Крукс (английски физик) предполага, че флуоресценцията възниква поради въздействието на лъчите върху стъклената повърхност на тръбата. Но всички тези изследвания не бяха публикувани никъде, така че Рентген не знаеше за подобни открития. След публикуването на неговите открития през 1895 г. в научно списание, където ученият пише, че всички тела са прозрачни за тези лъчи, макар и в много различна степен, други учени се интересуват от подобни експерименти. Те потвърждават изобретението на Рентген и започва по-нататъшно развитие и усъвършенстване на рентгеновите лъчи.

Самият Вилхелм Рьонтген публикува още две научни статии по темата за рентгеновите лъчи през 1896 и 1897 г., след което се заема с други дейности. Така няколко учени изобретиха, но Рентген беше този, който публикува научни статии по този въпрос.

Принципи за изображения

Характеристиките на това излъчване се определят от самото естество на появата им. Радиацията възниква поради електромагнитна вълна. Основните му свойства включват:

1. Отражение. Ако вълната удари повърхността перпендикулярно, тя няма да се отрази. В някои ситуации диамантът има свойството да отразява.
2. Способността да прониква в тъканите. Освен това лъчите могат да преминават през непрозрачни повърхности на материали като дърво, хартия и други подобни.
3. попиваемост. Абсорбцията зависи от плътността на материала: колкото по-плътен е той, толкова повече рентгенови лъчи го абсорбират.
4. Някои вещества флуоресцират, тоест светят. Веднага след като излъчването спре, блясъкът също изчезва. Ако продължава и след прекратяване на действието на лъчите, то този ефект се нарича фосфоресценция.
5. Рентгеновите лъчи могат да осветяват фотографски филм, точно както видимата светлина.
6. Ако лъчът премина през въздуха, тогава в атмосферата настъпва йонизация. Това състояние се нарича електропроводимо и се определя с помощта на дозиметър, който задава скоростта на дозата на радиация.

Радиация - вреда и полза

Когато откритието било направено, физикът Рентген дори не можел да си представи колко опасно е изобретението му. В старите времена всички устройства, които произвеждаха радиация, бяха далеч от съвършенството и в резултат на това се получаваха големи дози излъчвани лъчи. Хората не разбираха опасностите от такова лъчение. Въпреки че някои учени дори тогава изложиха версии за опасностите от рентгеновите лъчи.

Рентгеновите лъчи, прониквайки в тъканите, имат биологичен ефект върху тях. Единицата за измерване на дозата радиация е рентген на час. Основното влияние е върху йонизиращите атоми, които се намират вътре в тъканите. Тези лъчи действат директно върху структурата на ДНК на живата клетка. Последиците от неконтролираната радиация включват:

• клетъчна мутация;
• появата на тумори;
• радиационни изгаряния;
• лъчева болест.

Противопоказания за рентгеново изследване:

1. Пациентите са в критично състояние.
2. Период на бременност поради отрицателни ефекти върху плода.
3. Пациенти с кървене или открит пневмоторакс.

Как работят рентгеновите лъчи и къде се използват

1. В медицината. Рентгеновата диагностика се използва за прозрачност на живи тъкани, за да се идентифицират определени нарушения в тялото. Рентгеновата терапия се извършва за елиминиране на туморни образувания.
2. В науката. Разкрива се структурата на веществата и природата на рентгеновите лъчи. С тези въпроси се занимават такива науки като химия, биохимия, кристалография.
3. В индустрията. За откриване на нарушения в метални изделия.
4. За безопасността на населението. Рентгенови лъчи са инсталирани на летищата и други обществени места за сканиране на багаж.

Медицинско използване на рентгеново лъчение. Рентгеновите лъчи се използват широко в медицината и стоматологията за следните цели:

1. За диагностика на заболявания.
2. За наблюдение на метаболитните процеси.
3. За лечение на много заболявания.

Използването на рентгенови лъчи за медицински цели

В допълнение към откриването на фрактури на костите, рентгеновите лъчи се използват широко за медицински цели. Специализираното приложение на рентгеновите лъчи е за постигане на следните цели:

1. За унищожаване на раковите клетки.
2. За намаляване размера на тумора.
3. За намаляване на болката.

Например радиоактивният йод, използван при ендокринологични заболявания, се използва активно при рак на щитовидната жлеза, като по този начин помага на много хора да се отърват от това ужасно заболяване. Понастоящем за диагностициране на сложни заболявания рентгеновите лъчи са свързани с компютри, в резултат на което се появяват най-новите методи за изследване, като компютърна аксиална томография.

Такова сканиране предоставя на лекарите цветни изображения, които показват вътрешните органи на човек. За да се установи работата на вътрешните органи, е достатъчна малка доза радиация. Рентгеновите лъчи се използват широко и във физиотерапията.

Основни свойства на рентгеновите лъчи

1. проникваща способност. Всички тела са прозрачни за рентгенови лъчи, като степента на прозрачност зависи от дебелината на тялото. Благодарение на това свойство лъчът започва да се използва в медицината за откриване на функционирането на органи, наличието на фрактури и чужди тела в тялото.
2. Те са в състояние да предизвикат светене на някои предмети. Например, ако върху картон се нанесе барий и платина, след преминаване през сканиращия лъч, той ще свети зеленикаво-жълто. Ако поставите ръката си между рентгеновата тръба и екрана, тогава светлината ще проникне повече в костта, отколкото в тъканта, така че костната тъкан ще свети най-ярко на екрана, а мускулната тъкан ще бъде по-слаба.
3. Екшън на филм. Рентгеновите лъчи могат, подобно на светлината, да потъмнят филма, което прави възможно снимането на сянката, която се получава, когато обектите се изследват с рентгенови лъчи.
4. Рентгеновите лъчи могат да йонизират газове. Това дава възможност не само да се открият лъчи, но и да се разкрие интензитета им чрез измерване на йонизационния ток в газа.
5. Те имат биохимичен ефект върху организма на живите същества. Благодарение на това свойство рентгеновите лъчи са намерили широко приложение в медицината: те могат да лекуват както кожни заболявания, така и заболявания на вътрешните органи. В този случай се избира желаната доза радиация и продължителността на лъчите. Продължителното и прекомерно използване на такова лечение е много вредно и пагубно за организма.

Резултатът от използването на рентгенови лъчи е спасяването на много човешки животи. Рентгеновите лъчи помагат не само за навременното диагностициране на заболяването, методите на лечение, използващи лъчева терапия, облекчават пациентите от различни патологии, от хиперфункция на щитовидната жлеза до злокачествени тумори на костната тъкан.

Съвременната медицинска диагностика и лечение на определени заболявания не може да се представи без устройства, които използват свойствата на рентгеновите лъчи. Откриването на рентгеновите лъчи се случи преди повече от 100 години, но дори и сега продължава работата по създаването на нови методи и апарати за минимизиране на отрицателния ефект на радиацията върху човешкото тяло.

Кой и как е открил рентгеновите лъчи

При естествени условия потокът от рентгенови лъчи е рядък и се излъчва само от определени радиоактивни изотопи. Рентгеновите лъчи или рентгеновите лъчи са открити едва през 1895 г. от немския учен Вилхелм Рьонтген. Това откритие стана случайно, по време на експеримент за изследване на поведението на светлинните лъчи при условия, близки до вакуума. Експериментът включваше катодна газоразрядна тръба с понижено налягане и флуоресцентен екран, който всеки път започваше да свети в момента, в който тръбата започваше да действа.

Интересувайки се от странен ефект, Рьонтген провежда серия от изследвания, показващи, че полученото лъчение, невидимо за окото, е в състояние да проникне през различни препятствия: хартия, дърво, стъкло, някои метали и дори през човешкото тяло. Въпреки липсата на разбиране за самата природа на случващото се, дали подобно явление е причинено от генерирането на поток от непознати частици или вълни, беше отбелязана следната закономерност - радиацията лесно преминава през меките тъкани на тялото и много по-трудно чрез твърди живи тъкани и неживи вещества.

Рентген не е първият, който изучава този феномен. В средата на 19 век французинът Антоан Мейсън и англичанинът Уилям Крукс изследват подобни възможности. Рентген обаче е първият, който изобретява катодната тръба и индикатор, който може да се използва в медицината. Той е първият, който публикува научен труд, който му носи титлата на първия Нобелов лауреат сред физиците.

През 1901 г. започва плодотворно сътрудничество между тримата учени, които стават бащи-основатели на радиологията и радиологията.

Рентгенови свойства

Рентгеновите лъчи са неразделна част от общия спектър на електромагнитното излъчване. Дължината на вълната е между гама и ултравиолетовите лъчи. Рентгеновите лъчи имат всички обичайни вълнови свойства:

• дифракция;
• пречупване;
• намеса;
• скорост на разпространение (тя е равна на светлината).

За изкуствено генериране на рентгенов поток се използват специални устройства - рентгенови тръби. Рентгеновото лъчение възниква от контакта на бързи волфрамови електрони с вещества, изпаряващи се от горещ анод. На фона на взаимодействието възникват електромагнитни вълни с малка дължина, които са в спектъра от 100 до 0,01 nm и в енергийния диапазон 100-0,1 MeV. Ако дължината на вълната на лъчите е по-малка от 0,2 nm - това е твърдо излъчване, ако дължината на вълната е по-голяма от определената стойност, те се наричат ​​меки рентгенови лъчи.

Показателно е, че кинетичната енергия, произтичаща от контакта на електроните и анодното вещество, се превръща 99% в топлинна енергия и само 1% е рентгенова енергия.

Рентгеново лъчение - спирачно и характеристично

Рентгеновото лъчение е суперпозиция на два вида лъчи - спирачно и характеристично. Те се генерират в слушалката едновременно. Следователно рентгеновото облъчване и характеристиката на всяка конкретна рентгенова тръба - спектърът на нейното излъчване, зависи от тези показатели и представлява тяхна суперпозиция.

Bremsstrahlung или непрекъснатите рентгенови лъчи са резултат от забавяне на електрони, изпаряващи се от волфрамова нишка.

Характеристичните или линейни рентгенови лъчи се образуват в момента на пренареждане на атомите на веществото на анода на рентгеновата тръба. Дължината на вълната на характеристичните лъчи зависи пряко от атомния номер на химическия елемент, използван за направата на анода на тръбата.

Изброените свойства на рентгеновите лъчи им позволяват да се използват на практика:

• невидими за обикновеното око;
• висока проникваща способност през живи тъкани и неживи материали, които не пропускат видима светлина;
• йонизиращ ефект върху молекулярните структури.

Принципи на рентгеновото изображение

Свойството на рентгеновите лъчи, на което се базира изобразяването, е способността или да се разлагат, или да предизвикват светене на някои вещества.

Рентгеновото облъчване предизвиква флуоресцентно сияние в кадмиевите и цинковите сулфиди - зелено, а в калциевия волфрамат - синьо. Това свойство се използва в техниката на медицинска рентгенова трансилюминация и също така увеличава функционалността на рентгеновите екрани.

Фотохимичният ефект на рентгеновите лъчи върху светлочувствителните сребърнохалогенни материали (осветяване) дава възможност за извършване на диагностика - правене на рентгенови изображения. Това свойство се използва и при измерване на количеството на общата доза, която лаборантите получават в рентгенови кабинети. Носимите дозиметри имат специални чувствителни ленти и индикатори. Йонизиращият ефект на рентгеновото лъчение дава възможност да се определят качествените характеристики на получените рентгенови лъчи.

Еднократно излагане на конвенционални рентгенови лъчи увеличава риска от рак само с 0,001%.

Области, където се използват рентгенови лъчи

Използването на рентгенови лъчи е приемливо в следните отрасли:

1. Безопасност. Стационарни и преносими устройства за откриване на опасни и забранени предмети на летища, митници или на многолюдни места.
2. Химическа промишленост, металургия, археология, архитектура, строителство, реставрация - за откриване на дефекти и извършване на химичен анализ на веществата.
3. Астрономия. Помага за наблюдение на космически тела и явления с помощта на рентгенови телескопи.
4. военна индустрия. За разработването на лазерни оръжия.

Основното приложение на рентгеновите лъчи е в областта на медицината. Днес секцията по медицинска радиология включва: лъчева диагностика, лъчелечение (рентгенова терапия), радиохирургия. Медицинските университети произвеждат високоспециализирани специалисти – рентгенолози.

Рентгенова радиация - вреда и полза, въздействие върху тялото

Високата проникваща способност и йонизиращият ефект на рентгеновите лъчи могат да причинят промяна в структурата на ДНК на клетката, поради което са опасни за хората. Вредата от рентгеновото лъчение е правопропорционална на получената доза радиация. Различните органи реагират на облъчване в различна степен. Най-податливите включват:

• костен мозък и костна тъкан;
• леща на окото;
• щитовидната жлеза;
• млечни и полови жлези;
• белодробна тъкан.

Неконтролираното използване на рентгеново лъчение може да причини обратими и необратими патологии.

Последици от облъчването с рентгенови лъчи:

• увреждане на костния мозък и появата на патологии на хемопоетичната система - еритроцитопения, тромбоцитопения, левкемия;
• увреждане на лещата с последващо развитие на катаракта;
• клетъчни мутации, които са наследени;
• развитие на онкологични заболявания;
• получаване на радиационни изгаряния;
• развитие на лъчева болест.

важно! За разлика от радиоактивните вещества, рентгеновите лъчи не се натрупват в тъканите на тялото, което означава, че няма нужда от отстраняване на рентгеновите лъчи от тялото. Вредното действие на рентгеновите лъчи приключва с изключване на медицинското изделие.

Използването на рентгенови лъчи в медицината е допустимо не само за диагностични (травматология, стоматология), но и за терапевтични цели:

• от рентгенови лъчи в малки дози се стимулира метаболизма в живите клетки и тъкани;
• определени ограничаващи дози се използват за лечение на онкологични и доброкачествени новообразувания.

Методи за диагностициране на патологии с помощта на рентгенови лъчи

Радиодиагностиката включва следните методи:

1. Флуороскопията е изследване, при което се получава изображение на флуоресцентен екран в реално време. Наред с класическото изобразяване на част от тялото в реално време, днес съществуват рентгенови телевизионни трансилюминационни технологии - изображението се прехвърля от флуоресцентен екран на телевизионен монитор, разположен в друга стая. Разработени са няколко цифрови метода за обработка на полученото изображение, последвано от прехвърлянето му от екрана на хартия.
2. Флуорографията е най-евтиният метод за изследване на гръдните органи, който се състои в направата на малка снимка с размери 7х7 см. Въпреки възможността за грешка, това е единственият начин за провеждане на масов годишен преглед на населението. Методът не е опасен и не изисква изтегляне на получената доза облъчване от организма.
3. Рентгенография - получаване на обобщено изображение върху филм или хартия за изясняване на формата на органа, неговото положение или тон. Може да се използва за оценка на перисталтиката и състоянието на лигавиците. Ако има избор, тогава сред съвременните рентгенови устройства не трябва да се дава предпочитание нито на цифрови устройства, където потокът на рентгеновите лъчи може да бъде по-висок от този на старите устройства, а на нискодозови рентгенови устройства с директен плосък полупроводникови детектори. Те ви позволяват да намалите натоварването на тялото с 4 пъти.
4. Компютърната рентгенова томография е техника, която използва рентгенови лъчи за получаване на необходимия брой изображения на участъци от избран орган. Сред многото разновидности на модерни CT устройства, CT скенери с ниска доза и висока разделителна способност се използват за серия от повтарящи се изследвания.

Лъчетерапия

Рентгеновата терапия се отнася до местните методи на лечение. Най-често методът се използва за унищожаване на ракови клетки. Тъй като ефектът от експозицията е сравним с хирургично отстраняване, този метод на лечение често се нарича радиохирургия.

Днес рентгеновото лечение се извършва по следните начини:

1. Външно (протонна терапия) - лъчевият лъч навлиза в тялото на пациента отвън.
2. Вътрешна (брахитерапия) - използването на радиоактивни капсули чрез имплантирането им в тялото, като се поставят по-близо до раковия тумор. Недостатъкът на този метод на лечение е, че докато капсулата не бъде извадена от тялото, пациентът трябва да бъде изолиран.

Тези методи са щадящи и използването им в някои случаи е за предпочитане пред химиотерапията. Такава популярност се дължи на факта, че лъчите не се натрупват и не изискват отстраняване от тялото, те имат селективен ефект, без да засягат други клетки и тъкани.

Безопасна скорост на рентгеново излагане

Този показател за нормата на допустимата годишна експозиция има свое име - генетично значима еквивалентна доза (GED). Няма ясни количествени стойности за този показател.

1. Този показател зависи от възрастта и желанието на пациента да има деца в бъдеще.
2. Зависи от това кои органи са изследвани или лекувани.
3. GZD се влияе от нивото на естествения радиоактивен фон на района, в който живее човек.

Днес са в сила следните средни GZD стандарти:

• нивото на облъчване от всички източници, с изключение на медицинските, и без отчитане на естествения радиационен фон - 167 mRem годишно;
• нормата за годишен медицински преглед е не повече от 100 mRem годишно;
• общата безопасна стойност е 392 mRem на година.

Рентгеновото лъчение не изисква отделяне от тялото и е опасно само при интензивно и продължително излагане. Съвременното медицинско оборудване използва нискоенергийно лъчение с кратка продължителност, така че използването му се счита за относително безвредно.

Министерство на образованието и науката на Руската федерация

Федерална агенция за образование

ГОУ ВПО СУСУ

Катедра по физикохимия

в курса на KSE: „Рентгеново лъчение“

Завършено:

Наумова Дария Геннадиевна

Проверено:

Доцент, K.T.N.

Танклевская Н.М.

Челябинск 2010 г

Въведение

Глава I. Откриване на рентгеновите лъчи

Касова бележка

Взаимодействие с материята

Биологично въздействие

Регистрация

Приложение

Как се прави рентгенова снимка

естествени рентгенови лъчи

Глава II. Рентгенография

Приложение

Метод за получаване на изображение

Предимства на радиографията

Недостатъци на радиографията

Флуороскопия

Принцип на получаване

Предимства на флуороскопията

Недостатъци на флуороскопията

Цифрови технологии в флуороскопията

Многоредов метод на сканиране

Заключение

Списък на използваната литература

Въведение

Рентгеново лъчение - електромагнитни вълни, чиято фотонна енергия се определя от енергийния диапазон от ултравиолетово до гама лъчение, което съответства на диапазона на дължината на вълната от 10−4 до 10² Å (от 10−14 до 10−8 m).

Подобно на видимата светлина, рентгеновите лъчи причиняват почерняване на фотографския филм. Това свойство е от голямо значение за медицината, индустрията и научните изследвания. Преминавайки през изследвания обект и след това падайки върху филма, рентгеновото лъчение изобразява вътрешната му структура върху него. Тъй като проникващата способност на рентгеновото лъчение е различна за различните материали, части от обекта, които са по-малко прозрачни за него, дават по-светли области на снимката от тези, през които лъчението прониква добре. По този начин костните тъкани са по-малко прозрачни за рентгенови лъчи от тъканите, които изграждат кожата и вътрешните органи. Поради това на рентгеновата снимка костите ще бъдат обозначени като по-светли зони и мястото на фрактурата, което е по-прозрачно за радиация, може да бъде доста лесно открито. Рентгеновите изображения се използват и в стоматологията за откриване на кариеси и абсцеси в корените на зъбите, както и в индустрията за откриване на пукнатини в отливки, пластмаси и гуми.

Рентгеновите лъчи се използват в химията за анализ на съединения и във физиката за изследване на структурата на кристалите. Рентгенов лъч, преминаващ през химично съединение, предизвиква характерно вторично лъчение, чийто спектроскопски анализ позволява на химика да определи състава на съединението. При падане върху кристално вещество, рентгеновият лъч се разпръсква от атомите на кристала, давайки ясен, правилен модел на петна и ивици върху фотографска плака, което позволява да се установи вътрешната структура на кристала.

Използването на рентгенови лъчи при лечение на рак се основава на факта, че те убиват раковите клетки. Въпреки това, той може да има и нежелан ефект върху нормалните клетки. Следователно трябва да се подхожда изключително внимателно при тази употреба на рентгенови лъчи.

Глава I. Откриване на рентгеновите лъчи

Откриването на рентгеновите лъчи се приписва на Вилхелм Конрад Рентген. Той пръв публикува статия за рентгеновите лъчи, която нарича рентгенови лъчи (рентген). Статия от Рьонтген, озаглавена „За нов тип лъчи“, е публикувана на 28 декември 1895 г. в списанието на Вюрцбургското физико-медицинско дружество. Счита се обаче за доказано, че рентгеновите лъчи са били получени и преди. Катодната тръба, която Roentgen използва в своите експерименти, е разработена от J. Hittorf и W. Kruks. Тази тръба произвежда рентгенови лъчи. Това е показано в експериментите на Crookes и от 1892 г. в експериментите на Heinrich Hertz и неговия ученик Philipp Lenard чрез почерняване на фотографски плаки. Никой от тях обаче не осъзнава значението на откритието си и не публикува резултатите си. Също така Никола Тесла, започвайки от 1897 г., експериментира с катодни лъчеви тръби, получава рентгенови лъчи, но не публикува резултатите си.

Поради тази причина Рьонтген не знае за откритията, направени преди него и открива лъчите, наречени по-късно на негово име, независимо - докато наблюдава флуоресценцията, която се получава при работата на електронно-лъчева тръба. Рентген изучава рентгеновите лъчи малко повече от година (от 8 ноември 1895 г. до март 1897 г.) и публикува само три сравнително малки статии за тях, но те предоставят толкова изчерпателно описание на новите лъчи, че стотици статии на неговите последователи, след това публикуван в продължение на 12 години, не можа нито да добави, нито да промени нещо съществено. Рентген, който беше загубил интерес към рентгеновите лъчи, каза на колегите си: "Вече написах всичко, не си губете времето." За славата на Рьонтген допринася и известната снимка на ръката на съпругата му, която той публикува в своя статия (виж изображението вдясно). Такава слава донесе на Рентген през 1901 г. първата Нобелова награда по физика, а Нобеловият комитет подчерта практическото значение на неговото откритие. През 1896 г. за първи път е използвано наименованието "рентгенови лъчи". В някои страни остава старото наименование - рентгенови лъчи. В Русия лъчите започват да се наричат ​​"рентгенови" по предложение на студент В.К. Рентген - Абрам Федорович Йофе.

Позиция в скалата на електромагнитните вълни

Енергийните диапазони на рентгеновите и гама-лъчите се припокриват в широк енергиен диапазон. И двата вида лъчение са електромагнитно лъчение и са еквивалентни за една и съща фотонна енергия. Терминологичната разлика е в начина на възникване - рентгеновите лъчи се излъчват с участието на електрони (в атомите или свободни), докато гама лъчението се излъчва в процесите на девъзбуждане на атомните ядра. Рентгеновите фотони имат енергия от 100 eV до 250 keV, което съответства на излъчване с честота от 3 1016 Hz до 6 1019 Hz и дължина на вълната 0,005 - 10 nm (няма общоприето определение за долната граница на X -обхват на лъчите в скалата на дължината на вълната). Меките рентгенови лъчи се характеризират с най-ниската фотонна енергия и честота на излъчване (и най-дългата дължина на вълната), докато твърдите рентгенови лъчи имат най-високата фотонна енергия и честота на излъчване (и най-късата дължина на вълната).

(Рентгенова снимка (рентгенограма) на ръката на жена му, направена от V.K. Roentgen)

Касова бележка

Рентгеновите лъчи се произвеждат от силно ускорение на заредени частици (главно електрони) или от високоенергийни преходи в електронните обвивки на атоми или молекули. И двата ефекта се използват в рентгенови тръби, при които електроните, излъчени от горещ катод, се ускоряват (не се излъчват рентгенови лъчи, защото ускорението е твърде ниско) и удрят анода, където рязко се забавят (в този случай, Излъчват се рентгенови лъчи: така нареченото спирачно лъчение) и в същото време избиват електрони от вътрешните електронни обвивки на атомите на метала, от който е направен анодът. Празните пространства в черупките се заемат от други електрони на атома. В този случай се излъчва рентгеново лъчение с определена енергийна характеристика на анодния материал (характерно излъчване, честотите се определят от закона на Моузли:

където Z е атомният номер на анодния елемент, A и B са константи за определена стойност на главното квантово число n на електронната обвивка). В момента анодите се изработват предимно от керамика, а частта, в която попадат електроните, е от молибден. В процеса на ускорение-забавяне само 1% от кинетичната енергия на електрона отива на рентгенови лъчи, 99% от енергията се превръща в топлина.

Рентгеновите лъчи могат да се получат и в ускорители на частици. т.нар. Синхротронното лъчение възниква, когато лъч от частици се отклони в магнитно поле, в резултат на което те изпитват ускорение в посока, перпендикулярна на тяхното движение. Синхротронното лъчение има непрекъснат спектър с горна граница. При подходящо подбрани параметри (големината на магнитното поле и енергията на частиците) могат да се получат рентгенови лъчи и в спектъра на синхротронното лъчение.

Схематично представяне на рентгенова тръба. X - рентгенови лъчи, K - катод, A - анод (понякога наричан антикатод), C - радиатор, Uh - напрежение на катодната нишка, Ua - ускоряващо напрежение, Win - вход за водно охлаждане, Wout - изход за водно охлаждане (вижте x- лъчева тръба).

Взаимодействие с материята

Коефициентът на пречупване на почти всяко вещество за рентгенови лъчи се различава малко от единица. Следствие от това е фактът, че няма материал, от който да се направи рентгенова леща. Освен това, когато рентгеновите лъчи падат перпендикулярно на повърхността, те почти не се отразяват. Въпреки това в рентгеновата оптика са открити методи за конструиране на оптични елементи за рентгенови лъчи.

Рентгеновите лъчи могат да проникнат през материята и различните вещества ги абсорбират по различен начин. Абсорбцията на рентгеновите лъчи е най-важното им свойство в рентгеновата фотография. Интензитетът на рентгеновите лъчи намалява експоненциално в зависимост от пътя, изминат в абсорбиращия слой (I = I0e-kd, където d е дебелината на слоя, коефициентът k е пропорционален на Z3λ3, Z е атомният номер на елемента, λ е дължината на вълната).

Абсорбцията възниква в резултат на фотоабсорбция и комптоново разсейване:

Фотоабсорбцията се разбира като процес на избиване на електрон от обвивката на атом от фотон, което изисква енергията на фотона да бъде по-голяма от определена минимална стойност. Ако разгледаме вероятността от акта на поглъщане в зависимост от енергията на фотона, тогава когато се достигне определена енергия, тя (вероятността) рязко нараства до максималната си стойност. За по-високи енергии вероятността непрекъснато намалява. Поради тази зависимост се казва, че има граница на усвояване. Мястото на избития при акта на поглъщане електрон се заема от друг електрон, като при това се излъчва лъчение с по-ниска енергия на фотона, т.нар. процес на флуоресценция.

ЛЕКЦИЯ

РЕНТГЕНОВО ИЗЛЪЧВАНЕ

Естеството на рентгеновите лъчи

Спирачно рентгеново лъчение, неговите спектрални свойства.

Характеристично рентгеново лъчение (за преглед).

Взаимодействие на рентгеновото лъчение с веществото.

Физически основи за използването на рентгеновите лъчи в медицината.

Рентгеновите лъчи (X - лъчи) са открити от К. Рентген, който през 1895 г. става първият Нобелов лауреат по физика.

Естеството на рентгеновите лъчи

рентгеново лъчение - електромагнитни вълни с дължина от 80 до 10 -5 nm. Дълговълновото рентгеново лъчение се покрива от късовълновото UV лъчение, а късовълновото лъчение от дълговълновото  лъчение.

Рентгеновите лъчи се произвеждат в рентгенови тръби. Фиг. 1.

К - катод

1 - електронен лъч

2 - рентгеново лъчение

Ориз. 1. Устройство за рентгенова тръба.

Тръбата е стъклена колба (с възможно висок вакуум: налягането в нея е около 10–6 mm Hg) с два електрода: анод А и катод К, към които се прилага високо напрежение U (няколко хиляди волта). Катодът е източник на електрони (поради явлението термоелектронна емисия). Анодът е метален прът, който има наклонена повърхност, за да насочи полученото рентгеново лъчение под ъгъл спрямо оста на тръбата. Изработен е от високо топлопроводим материал за отстраняване на топлината, генерирана по време на електронно бомбардиране. На скосения край има плоча, изработена от огнеупорен метал (например волфрам).

Силното нагряване на анода се дължи на факта, че основният брой електрони в катодния лъч, удряйки анода, изпитват многобройни сблъсъци с атомите на веществото и им предават голямо количество енергия.

Под действието на високо напрежение електроните, излъчени от нишката на горещия катод, се ускоряват до високи енергии. Кинетичната енергия на един електрон е равна на mv 2 /2. Тя е равна на енергията, която придобива при движение в електростатичното поле на тръбата:

mv 2 /2 = eU(1)

където m, e са масата и заряда на електрона, U е ускоряващото напрежение.

Процесите, водещи до появата на спирачно рентгеново лъчение, се дължат на интензивното забавяне на електроните в материала на анода от електростатичното поле на атомното ядро ​​и атомните електрони.

Механизмът на възникване може да бъде представен по следния начин. Движещите се електрони са някакъв вид ток, който образува собствено магнитно поле. Електронното забавяне е намаляване на силата на тока и съответно промяна в индукцията на магнитното поле, което ще доведе до появата на променливо електрическо поле, т.е. появата на електромагнитна вълна.

Така, когато заредена частица лети в материята, тя се забавя, губи своята енергия и скорост и излъчва електромагнитни вълни.

Спектрални свойства на рентгеновите спирачни лъчи .

Така че, в случай на забавяне на електроните в материала на анода, спирачно лъчение.

Спектърът на спирачното лъчение е непрекъснат. Причината за това е следната.

Когато електроните се забавят, всеки от тях има част от енергията, използвана за нагряване на анода (E 1 \u003d Q), другата част за създаване на рентгенов фотон (E 2 \u003d hv), в противен случай eU \u003d hv + В. Съотношението между тези части е произволно.

По този начин непрекъснатият спектър на спирачното рентгеново лъчение се формира поради забавянето на много електрони, всеки от които излъчва един рентгенов квант hv (h) със строго определена стойност. Стойността на този квант различни за различните електрони.Зависимостта на рентгеновия енергиен поток от дължината на вълната , т.е. рентгеновият спектър е показан на фиг.2.

Фиг.2. Спектър на спирачно излъчване: а) при различни напрежения U в тръбата; б) при различни температури Т на катода.

Късовълновата (твърда) радиация има по-голяма проникваща способност от дълговълновата (мека) радиация. Меката радиация се абсорбира по-силно от материята.

От страна на късите дължини на вълните, спектърът свършва рязко при определена дължина на вълната  m i n . Такова спирачно излъчване с къса дължина на вълната възниква, когато енергията, придобита от електрон в ускоряващо поле, се преобразува напълно в енергия на фотон (Q = 0):

eU = hv max = hc/ min ,  min = hc/(eU), (2)

 min (nm) = 1,23/UkV

Спектралния състав на лъчението зависи от напрежението на рентгеновата тръба, с увеличаване на напрежението стойността на  m i n се измества към късите дължини на вълната (фиг. 2а).

Когато температурата T на нажежаемия катод се промени, електронната емисия се увеличава. Следователно токът I в тръбата се увеличава, но спектралният състав на лъчението не се променя (фиг. 2b).

Енергийният поток Ф  на спирачното лъчение е право пропорционален на квадрата на напрежението U между анода и катода, силата на тока I в тръбата и атомния номер Z на анодното вещество:

Ф = kZU 2 I. (3)

където k \u003d 10 -9 W / (V 2 A).

Характерни рентгенови лъчи (за запознаване).

Увеличаването на напрежението на рентгеновата тръба води до факта, че на фона на непрекъснат спектър се появява линия, която съответства на характерното рентгеново лъчение. Това излъчване е специфично за материала на анода.

Механизмът на възникването му е следният. При високо напрежение ускорените електрони (с висока енергия) проникват дълбоко в атома и избиват електрони от вътрешните му слоеве. Електроните от горните нива преминават към свободни места, в резултат на което се излъчват фотони с характерно излъчване.

Спектрите на характеристичното рентгеново лъчение се различават от оптичните спектри.

- Еднообразие.

Еднаквостта на характерните спектри се дължи на факта, че вътрешните електронни слоеве на различните атоми са еднакви и се различават само енергийно поради силовото действие от ядрата, което се увеличава с увеличаване на елементния брой. Следователно, характерните спектри се изместват към по-високи честоти с увеличаване на ядрения заряд. Това беше експериментално потвърдено от служител на Roentgen - Моузли, който измерва честотите на рентгенов преход за 33 елемента. Те направиха закона.

ЗАКОН НА МОЗЕЛ – квадратният корен от честотата на характеристичното излъчване е линейна функция на поредния номер на елемента:

= A  (Z - B), (4)

където v е честотата на спектралната линия, Z е атомният номер на излъчващия елемент. A, B са константи.

Значението на закона на Моузли се състои в това, че тази зависимост може да се използва за точно определяне на атомния номер на изследвания елемент от измерената честота на рентгеновата линия. Това изигра голяма роля в разположението на елементите в периодичната таблица.

Независимост от химическо съединение.

Характерните рентгенови спектри на атома не зависят от химичното съединение, в което влиза атомът на елемента. Например, рентгеновият спектър на кислороден атом е еднакъв за O 2, H 2 O, докато оптичните спектри на тези съединения се различават. Тази характеристика на рентгеновия спектър на атома е в основата на името " характеристично излъчване".

Взаимодействие на рентгеновото лъчение с веществото

Въздействието на рентгеновото лъчение върху обектите се определя от първичните процеси на взаимодействие на рентгеновите лъчи. фотон с електрониатоми и молекули на материята.

Рентгеново лъчение в материята усвоениили разсейва се. В този случай могат да протичат различни процеси, които се определят от съотношението на енергията на рентгеновия фотон hv и йонизационната енергия Аu (йонизационната енергия Аu е енергията, необходима за отстраняване на вътрешните електрони от атома или молекулата).

а) Кохерентно разсейване(разсейване на дълговълнова радиация) възниква, когато отношението

За фотоните, поради взаимодействие с електрони, се променя само посоката на движение (фиг. 3а), но енергията hv и дължината на вълната не се променят (следователно това разсейване се нарича съгласуван). Тъй като енергиите на фотона и атома не се променят, кохерентното разсейване не засяга биологичните обекти, но когато се създава защита срещу рентгеново лъчение, трябва да се вземе предвид възможността за промяна на първичната посока на лъча.

б) фотоелектричен ефектсе случва, когато

В този случай могат да се реализират два случая.

Фотонът се абсорбира, електронът се отделя от атома (фиг. 3b). Настъпва йонизация. Отделеният електрон придобива кинетична енергия: E k \u003d hv - A и. Ако кинетичната енергия е голяма, тогава електронът може да йонизира съседни атоми чрез сблъсък, образувайки нови. вториелектрони.

Фотонът се абсорбира, но енергията му не е достатъчна, за да отдели електрона и възбуждане на атом или молекула(фиг. 3c). Това често води до последващо излъчване на фотон във видимата радиационна област (рентгенова луминесценция), а в тъканите - до активиране на молекули и фотохимични реакции. Фотоелектричният ефект възниква главно върху електроните на вътрешните обвивки на атомите с високо Z.

в) Некохерентно разсейване(Compton effect, 1922) възниква, когато енергията на фотона е много по-голяма от енергията на йонизация

В този случай електронът се отделя от атома (такива електрони се наричат електрони на отката), придобива известна кинетична енергия E k, енергията на самия фотон намалява (фиг. 4d):

hv=hv" + A и + E k. (5)

Полученото излъчване с променена честота (дължина) се нарича втори, разпръсква се във всички посоки.

Електроните на отката, ако имат достатъчна кинетична енергия, могат да йонизират съседни атоми чрез сблъсък. Така в резултат на некохерентно разсейване се образува вторично разсеяно рентгеново лъчение и атомите на веществото се йонизират.

Тези (a, b, c) процеси могат да предизвикат редица последващи такива. Например (фиг. 3d), ако по време на фотоелектричния ефект електроните се отделят от атома на вътрешните обвивки, тогава електрони от по-високи нива могат да преминат на тяхното място, което е придружено от вторично характерно рентгеново излъчване на това вещество. Фотоните на вторичното излъчване, взаимодействащи с електроните на съседните атоми, могат от своя страна да причинят вторични явления.

кохерентно разсейване

ъъъ енергията и дължината на вълната остават непроменени

фотоелектричен ефект

фотон се абсорбира, e - откъсва се от атома - йонизация

hv \u003d A и + E до

атом А се възбужда при абсорбция на фотон, R е рентгенова луминесценция

некохерентно разсейване

hv \u003d hv "+ A и + E до

вторични процеси във фотоелектричния ефект

Ориз. 3 Механизми на взаимодействие на рентгеновите лъчи с материята

Физически основи за използването на рентгеновите лъчи в медицината

Когато рентгеновите лъчи попаднат върху тялото, те се отразяват леко от повърхността му, но основно преминават дълбоко, докато частично се абсорбират и разпръскват и частично преминават.

Законът за отслабването.

Рентгеновият поток се отслабва в материята съгласно закона:

F \u003d F 0 e -   x (6)

където  е линеен фактор на затихване,което по същество зависи от плътността на веществото. То е равно на сумата от три члена, съответстващи на кохерентно разсейване  1, некохерентно  2 и фотоелектричен ефект  3:

 =  1 +  2 +  3 . (7)

Приносът на всеки член се определя от енергията на фотона. По-долу са съотношенията на тези процеси за меките тъкани (вода).

наслади се коефициент на затихване на масата,което не зависи от плътността на веществото :

m = /. (осем)

Масовият коефициент на затихване зависи от енергията на фотона и от атомния номер на абсорбиращото вещество:

 m = k 3 Z 3 . (9)

Масовите коефициенти на затихване на костите и меките тъкани (вода) са различни:  m кост /  m вода = 68.

Ако на пътя на рентгеновите лъчи се постави нехомогенно тяло и пред него се постави флуоресцентен екран, то това тяло, поглъщайки и отслабвайки лъчението, образува сянка върху екрана. По характера на тази сянка може да се съди за формата, плътността, структурата и в много случаи естеството на телата. Тези. значителна разлика в абсорбцията на рентгеново лъчение от различни тъкани ви позволява да видите изображението на вътрешните органи в проекцията на сянка.

Ако изследваният орган и околните тъкани еднакво отслабват рентгеновите лъчи, тогава се използват контрастни вещества. Така например, напълвайки стомаха и червата с кашава маса от бариев сулфат (BaSO 4 ), можете да видите тяхното изображение в сянка (съотношението на коефициентите на затихване е 354).

Използване в медицината.

В медицината се използва рентгеново лъчение с фотонна енергия от 60 до 100-120 keV за диагностика и 150-200 keV за лечение.

рентгенова диагностика – Разпознаване на заболявания чрез трансилюминация на тялото с рентгенови лъчи.

Рентгеновата диагностика се използва в различни варианти, които са дадени по-долу.

С флуороскопиярентгеновата тръба е разположена зад пациента. Пред него има флуоресцентен екран. На екрана има сянка (позитивно) изображение. Във всеки отделен случай се подбира подходящата твърдост на лъчението, така че да преминава през меките тъкани, но да се абсорбира достатъчно от плътните. В противен случай се получава равномерна сянка. На екрана сърцето, ребрата се виждат тъмни, белите дробове са светли.

При радиографияобектът се поставя върху касета, която съдържа филм със специална фотографска емулсия. Рентгеновата тръба се поставя върху обекта. Получената рентгенография дава негативен образ, т.е. обратното за разлика от картината, наблюдавана по време на трансилюминация. При този метод има по-голяма яснота на изображението, отколкото при (1), следователно се наблюдават детайли, които са трудни за виждане при трансилюминация.

Обещаващ вариант на този метод е рентгеновото изследване томографияи "машинен вариант" - компютър томография.

3. С флуороскопия,На чувствителен филм с малък формат изображението от големия екран е фиксирано. При преглед снимките се разглеждат на специална лупа.

Рентгенова терапия- използването на рентгенови лъчи за унищожаване на злокачествени тумори.

Биологичният ефект на радиацията е да наруши жизнената дейност, особено бързо размножаващите се клетки.

КОМПЮТЪРНА ТОМОГРАФИЯ (CT)

Методът на рентгеновата компютърна томография се основава на реконструкцията на изображение на определен участък от тялото на пациента чрез регистриране на голям брой рентгенови проекции на този участък, направени под различни ъгли. Информацията от сензорите, които регистрират тези проекции, постъпва в компютъра, който по специална програма изчисляваразпространение стегнатиразмер на извадкатав изследваната секция и я показва на екрана на дисплея. Полученото по този начин изображение на участъка от тялото на пациента се характеризира с отлична яснота и висока информативност. Програмата ви позволява да нараства контраст на изображениетов десетки и дори стотици пъти. Това разширява диагностичните възможности на метода.

Видеооператори (уреди с цифрова обработка на рентгенови изображения) в съвременната стоматология.

В денталната медицина рентгеновото изследване е основен диагностичен метод. Редица традиционни организационни и технически характеристики на рентгеновата диагностика обаче я правят неудобна както за пациента, така и за денталните клиники. Това е, на първо място, необходимостта пациентът да влезе в контакт с йонизиращо лъчение, което често създава значително радиационно натоварване на тялото, също така е необходимостта от фотопроцес и, следователно, необходимостта от фотореагенти, в т.ч. токсични такива. Това най-накрая е обемист архив, тежки папки и пликове с рентгенови филми.

В допълнение, сегашното ниво на развитие на стоматологията прави субективната оценка на рентгеновите снимки от човешкото око недостатъчна. Както се оказа, от разнообразието от нюанси на сивото, съдържащо се в рентгеновото изображение, окото възприема само 64.

Очевидно, за да се получи ясен и детайлен образ на твърдите тъкани на зъбно-алвеоларната система с минимално излагане на радиация, са необходими други решения. Търсенето доведе до създаването на така наречените радиографски системи, видеооператорите - цифрови радиографски системи.

Без технически подробности, принципът на работа на такива системи е следният. Рентгеновото лъчение влиза през обекта не върху фоточувствителен филм, а върху специален интраорален сензор (специална електронна матрица). Съответният сигнал от матрицата се предава на цифровизиращо устройство (аналогово-цифров преобразувател, ADC), което го преобразува в цифрова форма и се свързва към компютъра. Специален софтуер изгражда рентгеново изображение на екрана на компютъра и ви позволява да го обработите, да го запишете на твърд или гъвкав носител за съхранение (твърд диск, флопи дискове), да го отпечатате като картина като файл.

В цифрова система рентгеновото изображение е съвкупност от точки с различни цифрови стойности на сивото. Оптимизацията на дисплея на информацията, предоставена от програмата, позволява да се получи оптимален кадър по отношение на яркост и контраст при относително ниска доза радиация.

В съвременните системи, създадени например от Trophy (Франция) или Schick (САЩ), се използват 4096 нюанса на сивото при формиране на рамка, времето на експозиция зависи от обекта на изследване и средно е стотни - десети от второ, намаляване на радиационната експозиция по отношение на филма - до 90% за интраоралните системи, до 70% за панорамните видеооператори.

При обработката на изображения видеооператорите позволяват:

Вземете положителни и отрицателни изображения, фалшиви цветни изображения, релефни изображения.

Увеличете контраста и увеличете зоната на интерес в изображението.

Оценявайте промените в плътността на зъбните тъкани и костните структури, контролирайте равномерността на запълването на канала.

В ендодонтията определете дължината на канала на всяка кривина, а в хирургията изберете размера на импланта с точност до 0,1 mm.

Уникалната система за откриване на кариес с елементи на изкуствен интелект по време на анализ на изображението ви позволява да откриете кариес в стадия на петна, кариес на корена и скрит кариес.

"F" във формула (3) се отнася до целия диапазон от излъчени дължини на вълната и често се нарича "интегрален енергиен поток".

Радиологията е клон на радиологията, който изучава ефектите на рентгеновото лъчение върху тялото на животните и хората, произтичащи от това заболяване, тяхното лечение и профилактика, както и методи за диагностициране на различни патологии с помощта на рентгенови лъчи (рентгенова диагностика). . Типичният рентгенов диагностичен апарат включва захранване (трансформатори), токоизправител за високо напрежение, който преобразува променливия ток на електрическата мрежа в постоянен ток, контролен панел, статив и рентгенова тръба.

Рентгеновите лъчи са вид електромагнитни трептения, които се образуват в рентгенова тръба по време на рязко забавяне на ускорените електрони в момента на сблъсъка им с атомите на анодното вещество. Понастоящем е общоприето мнението, че рентгеновите лъчи по своята физическа природа са един от видовете лъчиста енергия, чийто спектър включва също радиовълни, инфрачервени лъчи, видима светлина, ултравиолетови лъчи и гама лъчи на радиоактивни елементи. Рентгеновото лъчение може да се характеризира като съвкупност от най-малките му частици - кванти или фотони.

Ориз. 1 - мобилен рентгенов апарат:

А - рентгенова тръба;
B - захранване;
B - регулируем статив.

Ориз. 2 - Контролен панел на рентгеновия апарат (механичен - отляво и електронен - ​​отдясно):

A - панел за регулиране на експозицията и твърдостта;
B - бутон за захранване с високо напрежение.

Ориз. 3 е блокова схема на типичен рентгенов апарат

1 - мрежа;
2 - автотрансформатор;
3 - повишаващ трансформатор;
4 - рентгенова тръба;
5 - анод;
6 - катод;
7 - понижаващ трансформатор.

Механизъм на получаване на рентгенови лъчи

Рентгеновите лъчи се образуват в момента на сблъсък на поток от ускорени електрони с материала на анода. Когато електроните взаимодействат с мишена, 99% от тяхната кинетична енергия се преобразува в топлинна енергия и само 1% в рентгенови лъчи.

Рентгеновата тръба се състои от стъклен контейнер, в който са запоени 2 електрода: катод и анод. Въздухът се изпомпва от стъкления цилиндър: движението на електрони от катода към анода е възможно само при условия на относителен вакуум (10 -7 -10 -8 mm Hg). На катода има нишка, която е плътно усукана волфрамова нишка. Когато към нишката се подаде електрически ток, възниква емисия на електрони, при която електроните се отделят от спиралата и образуват електронен облак близо до катода. Този облак се концентрира върху фокусиращата чаша на катода, която задава посоката на движение на електроните. Чаша - малка вдлъбнатина в катода. Анодът от своя страна съдържа волфрамова метална пластина, върху която се фокусират електроните - това е мястото на образуване на рентгенови лъчи.

Ориз. 4 - Устройство за рентгенова тръба:

А - катод;
B - анод;
B - волфрамова нишка;
G - фокусираща чаша на катода;
D - поток от ускорени електрони;
E - волфрамова цел;
G - стъклена колба;
З - прозорец от берилий;
И - образувани рентгенови лъчи;
K - алуминиев филтър.

Към електронната тръба са свързани 2 трансформатора: понижаващ и повишаващ. Понижаващ трансформатор загрява волфрамовата нишка с ниско напрежение (5-15 волта), което води до емисия на електрони. Повишаващ или високоволтов трансформатор отива директно към катода и анода, които се захранват с напрежение от 20–140 киловолта. Двата трансформатора се поставят във високоволтовия блок на рентгеновия апарат, който е запълнен с трансформаторно масло, което осигурява охлаждане на трансформаторите и тяхната надеждна изолация.

След образуването на електронен облак с помощта на понижаващ трансформатор, повишаващият трансформатор се включва и към двата полюса на електрическата верига се прилага напрежение с високо напрежение: положителен импулс към анода и отрицателен импулс към катода. Отрицателно заредените електрони се отблъскват от отрицателно зареден катод и се стремят към положително зареден анод - поради такава потенциална разлика се постига висока скорост на движение - 100 хиляди km / s. При тази скорост електроните бомбардират плочата на волфрамовия анод, завършвайки електрическа верига, което води до рентгенови лъчи и топлинна енергия.

Рентгеновото лъчение се подразделя на спирачно и характеристично. Bremsstrahlung възниква поради рязко забавяне на скоростта на електроните, излъчени от волфрамова нишка. Характеристичното излъчване възниква в момента на пренареждане на електронните обвивки на атомите. И двата типа се образуват в рентгенова тръба в момента на сблъсък на ускорени електрони с атоми на анодния материал. Емисионният спектър на рентгенова тръба е суперпозиция на спирачно лъчение и характеристични рентгенови лъчи.

Ориз. 5 - принципът на образуване на спирачно лъчение рентгенови лъчи.
Ориз. 6 - принципът на формиране на характерните рентгенови лъчи.

Основни свойства на рентгеновите лъчи

1. Рентгеновите лъчи са невидими за зрителното възприятие.
2. Рентгеновото лъчение има голяма проникваща способност през органите и тъканите на живия организъм, както и през плътните структури на неживата природа, които не пропускат видимите светлинни лъчи.
3. Рентгеновите лъчи причиняват светене на определени химически съединения, наречено флуоресценция.

• Цинковите и кадмиевите сулфиди флуоресцират в жълто-зелено,
• Кристали от калциев волфрамат - виолетово-сини.

Рентгеновите лъчи имат фотохимичен ефект: те разлагат сребърните съединения с халогени и причиняват почерняване на фотографските слоеве, образувайки изображение на рентгенова снимка.

Рентгеновите лъчи предават енергията си на атомите и молекулите на околната среда, през която преминават, проявявайки йонизиращ ефект.

Рентгеновото лъчение има изразен биологичен ефект върху облъчените органи и тъкани: в малки дози стимулира метаболизма, в големи дози може да доведе до развитие на радиационни увреждания, както и до остра лъчева болест. Биологичното свойство позволява използването на рентгенови лъчи за лечение на туморни и някои нетуморни заболявания.

Скала на електромагнитните трептения

Рентгеновите лъчи имат определена дължина на вълната и честота на трептене. Дължината на вълната (λ) и честотата на трептенията (ν) са свързани с връзката: λ ν = c, където c е скоростта на светлината, закръглена до 300 000 км в секунда. Енергията на рентгеновите лъчи се определя по формулата E = h ν, където h е константата на Планк, универсална константа, равна на 6,626 10 -34 J⋅s. Дължината на вълната на лъчите (λ) е свързана с тяхната енергия (E) по отношение: λ = 12,4 / E.

Рентгеновото лъчение се различава от другите видове електромагнитни трептения по дължината на вълната (вижте таблицата) и квантовата енергия. Колкото по-къса е дължината на вълната, толкова по-висока е нейната честота, енергия и проникваща сила. Дължината на рентгеновата вълна е в диапазона

. Чрез промяна на дължината на вълната на рентгеновото лъчение е възможно да се контролира неговата проникваща способност. Рентгеновите лъчи имат много къса дължина на вълната, но висока честота на трептене, така че са невидими за човешкото око. Поради огромната си енергия, квантите имат висока проникваща способност, което е едно от основните свойства, които осигуряват използването на рентгеновите лъчи в медицината и други науки.

Рентгенови характеристики

Интензивност- количествена характеристика на рентгеновото лъчение, която се изразява с броя на лъчите, излъчвани от тръбата за единица време. Интензитетът на рентгеновите лъчи се измерва в милиампери. Сравнявайки го с интензитета на видимата светлина от конвенционална лампа с нажежаема жичка, можем да направим аналогия: например 20-ватова лампа ще свети с един интензитет или мощност, а 200-ватова лампа ще свети с друга, докато качеството на самата светлина (нейния спектър) е същото. Интензитетът на рентгеновото лъчение всъщност е неговото количество. Всеки електрон създава един или повече радиационни кванта на анода, следователно броят на рентгеновите лъчи по време на експозицията на обекта се регулира чрез промяна на броя на електроните, които се стремят към анода, и броя на взаимодействията на електроните с атомите на волфрамовата цел , което може да стане по два начина:

1. Чрез промяна на степента на нажежаване на катодната спирала с помощта на понижаващ трансформатор (броят на електроните, произведени по време на емисия, ще зависи от това колко гореща е спиралата на волфрама, а броят на радиационните кванти ще зависи от броя на електроните);
2. Чрез промяна на стойността на високото напрежение, подавано от повишаващия трансформатор към полюсите на тръбата - катода и анода (колкото по-високо напрежение се подава към полюсите на тръбата, толкова повече кинетична енергия получават електроните, което , поради тяхната енергия, могат да взаимодействат с няколко атома на анодното вещество на свой ред - виж фиг. ориз. 5; електроните с ниска енергия ще могат да влизат в по-малък брой взаимодействия).

Интензитетът на рентгеновите лъчи (аноден ток), умножен по експозицията (времето на тръбата), съответства на експозицията на рентгеновите лъчи, която се измерва в mAs (милиампера в секунда). Експозицията е параметър, който, подобно на интензитета, характеризира количеството лъчи, излъчвани от рентгенова тръба. Единствената разлика е, че експозицията отчита и времето на работа на тръбата (например, ако тръбата работи 0,01 сек, тогава броят на лъчите ще бъде един, а ако 0,02 сек, тогава броят на лъчите ще бъде различни - два пъти повече). Облъчването се задава от рентгенолога на контролния панел на рентгеновия апарат в зависимост от вида на изследването, размера на изследвания обект и диагностичната задача.

Твърдост- качествена характеристика на рентгеновото лъчение. Измерва се с високото напрежение на тръбата - в киловолта. Определя проникващата способност на рентгеновите лъчи. Регулира се от високото напрежение, подавано към рентгеновата тръба от повишаващ трансформатор. Колкото по-висока е потенциалната разлика на електродите на тръбата, толкова по-голяма сила се отблъскват електроните от катода и се устремяват към анода и толкова по-силен е сблъсъкът им с анода. Колкото по-силен е техният сблъсък, толкова по-къса е дължината на вълната на полученото рентгеново лъчение и толкова по-висока е проникващата способност на тази вълна (или твърдостта на лъчението, която, подобно на интензитета, се регулира от контролния панел чрез параметъра на напрежението на тръбата - киловолтаж).

Ориз. 7 - Зависимост на дължината на вълната от енергията на вълната:

λ - дължина на вълната;
Е - вълнова енергия

• Колкото по-висока е кинетичната енергия на движещите се електрони, толкова по-силно е тяхното въздействие върху анода и толкова по-къса е дължината на вълната на полученото рентгеново лъчение. Рентгеновото лъчение с дълга дължина на вълната и ниска проникваща способност се нарича "меко", с къса дължина на вълната и висока проникваща способност - "твърдо".

Ориз. 8 - Съотношението на напрежението на рентгеновата тръба и дължината на вълната на полученото рентгеново лъчение:

• Колкото по-високо напрежение се прилага към полюсите на тръбата, толкова по-силна е потенциалната разлика върху тях, следователно кинетичната енергия на движещите се електрони ще бъде по-висока. Напрежението върху тръбата определя скоростта на електроните и силата на техния сблъсък с материала на анода, следователно напрежението определя дължината на вълната на полученото рентгеново лъчение.

Класификация на рентгеновите тръби

1. С уговорка
1. Диагностика
2. Терапевтичен
3. За структурен анализ
4. За трансилюминация
2. По дизайн
1. По фокус

• Единичен фокус (една спирала на катода и едно фокусно петно ​​на анода)
• Бифокална (две спирали с различни размери на катода и две фокусни точки на анода)

1. По вид на анода

• Стационарен (фиксиран)
• Въртящ се

Рентгеновите лъчи се използват не само за радиодиагностични цели, но и за терапевтични цели. Както беше отбелязано по-горе, способността на рентгеновото лъчение да потиска растежа на туморните клетки прави възможно използването му при лъчева терапия на онкологични заболявания. В допълнение към медицинската област на приложение, рентгеновото лъчение е намерило широко приложение в инженерната и техническата област, материалознанието, кристалографията, химията и биохимията: например, възможно е да се идентифицират структурни дефекти в различни продукти (релси, заварки и др.) с помощта на рентгеново лъчение. Видът на такова изследване се нарича дефектоскопия. А на летища, гари и други многолюдни места активно се използват рентгенови телевизионни интроскопи за сканиране на ръчен багаж и багаж за целите на сигурността.

В зависимост от вида на анода, рентгеновите тръби се различават по конструкция. Поради факта, че 99% от кинетичната енергия на електроните се превръща в топлинна енергия, по време на работа на тръбата, анодът се нагрява значително - чувствителната волфрамова мишена често изгаря. В съвременните рентгенови тръби анодът се охлажда чрез въртене. Въртящият се анод има формата на диск, който разпределя топлината равномерно по цялата си повърхност, предотвратявайки локално прегряване на волфрамовата цел.

Дизайнът на рентгеновите тръби също се различава по фокус. Фокусно петно ​​- участъкът от анода, върху който се генерира работният рентгенов лъч. То се подразделя на реално фокусно петно ​​и ефективно фокусно петно ​​( ориз. 12). Поради ъгъла на анода ефективното фокусно петно ​​е по-малко от реалното. Използват се различни размери на фокусното петно ​​в зависимост от размера на областта на изображението. Колкото по-голяма е площта на изображението, толкова по-широко трябва да е фокусното петно, за да покрие цялата област на изображението. По-малкото фокусно петно ​​обаче създава по-добра яснота на изображението. Следователно, когато се произвеждат малки изображения, се използва къса нишка и електроните се насочват към малка площ от анодната цел, създавайки по-малко фокусно петно.

Ориз. 9 - рентгенова тръба с неподвижен анод.
Ориз. 10 - рентгенова тръба с въртящ се анод.
Ориз. 11 - устройство с рентгенова тръба с въртящ се анод.
Ориз. 12 е диаграма на формирането на реално и ефективно фокусно петно.