Где используют рентгеновское излучение. Характеристическое рентгеновское излучение: описание, действие, особенности
РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
Рентгеновское излучение занимает область электромагнитного спектра между гамма- и ультрафиолетовым излучениями и представляет собой электромагнитное излучение с длиной волны от 10 -14 до 10 -7 м. В медицине используется рентгеновское излучение с длиной волны от 5 х 10 -12 до 2,5 х 10 -10 м, то есть 0,05 – 2,5 ангсмтрема, а собственно для рентгенодиагностики – 0,1 ангстрема. Излучение представляет собой поток квантов (фотонов), распространяющихся прямолинейно со скоростью света (300 000 км/с). Эти кванты не имеют электрического заряда. Масса кванта составляет ничтожную часть атомной единицы массы.
Энергию квантов измеряют в Джоулях (Дж), но на практике часто пользуются внесистемной единицей "электрон-вольт" (эВ) . Один электрон-вольт - это энергия, которую приобретает один электрон, пройдя в электрическом поле разность потенциалов в 1 вольт. 1 эВ = 1,6 10~ 19 Дж. Производными являются килоэлектрон-вольт (кэВ), равный тысяче эВ, и мегаэлектрон-вольт (МэВ), равный миллиону эВ.
Рентгеновские лучи получают с помощью рентгеновских трубок, линейных ускорителей и бетатронов. В рентгеновской трубке разность потенциалов между катодом и анодом-мишенью (десятки киловольт) ускоряет электроны, бомбардирующие анод. Рентгеновское излучение возникает при торможении быстрых электронов в электрическом поле атомов вещества анода (тормозное излучение) или при перестройке внутренних оболочек атомов (характеристическое излучение ) . Характеристическое рентгеновское излучение имеет дискретный характер и возникает при переходе электронов атомов вещества анода с одного энергетического уровня на другой под воздействием внешних электронов или квантов излучения. Тормозное рентгеновское излучение имеет непрерывный спектр, зависящий от анодного напряжения на рентгеновской трубке. При торможении в веществе анода электроны большую часть своей энергии расходуют на нагрев анода (99%) и лишь малая доля (1%) превращается в энергию рентгеновского излучения. В рентгенодиагностике чаще всего используется тормозное излучение.
Основные свойства рентгеновских лучей характерны для всех электромагнитных излучений, однако существуют некоторые особенности. Рентгеновские лучи обладают следующими свойствами:
- невидимость - чувствительные клетки сетчатки глаза человека не реагируют на рентгеновские лучи, так как длина их волны в тысячи раз меньше, чем у видимого света;
- прямолинейное распространение – лучи преломляются, поляризуются (распространяются в определенной плоскости) и дифрагируют, как и видимый свет. Коэффициент преломления очень мало отличается от единицы;
- проникающая способность - проникают без существенного поглощения через значительные слои вещества, непрозрачного для видимого света. Чем короче длина волны, тем большей проникающей способностью обладает рентгеновское излучение;
- способность к поглощению - обладают способностью поглощаться тканями организма, на этом основана вся рентгенодиагностика. Способность к поглощению зависит от удельного веса тканей (чем больше, тем больше поглощение); от толщины объекта; от жесткости излучения;
- фотографическое действие - разлагают галоидные соединения серебра, в том числе находящиеся в фотоэмульсиях, что позволяет получать рентгеновские снимки;
- люминесцирующее действие - вызывают люминесценцию ряда химических соединений (люминофоров), на этом основана методика рентгеновского просвечивания. Интенсивность свечения зависит от строения флюоресцирующего вещества, его количества и расстояния от источника рентгеновского излучения. Люминофоры используют не только для получения изображения исследуемых объектов на рентгеноскопическом экране, но и при рентгенографии, где они позволяют увеличить лучевое воздействие на рентгенографическую пленку в кассете благодаря применению усиливающих экранов, поверхностный слой которых выполнен из флюоресцирующих веществ;
- ионизационное действие - обладают способностью вызывать распад нейтральных атомов на положительно и отрицательно заряженные частицы, на этом основана дозиметрия. Эффект ионизации любой среды заключается в образовании в ней положительных и отрицательных ионов, а также свободных электронов из нейтральных атомов и молекул вещества. Ионизация воздуха в рентгеновском кабинете при работе рентгеновской трубки приводит к увеличению электрической проводимости воздуха, усилению статических электрических зарядов на предметах кабинета. С целью устранения такого нежелательного влияния их в рентгеновских кабинетах предусмотрена принудительная приточно-вытяжная вентиляция;
- биологическое действие - оказывают воздействие на биологические объекты, в большинстве случаев это воздействие является вредным;
- закон обратных квадратов - для точечного источника рентгеновского излучения интенсивность убывает пропорционально квадрату расстояния до источника.
Рентгеновское излучение, невидимое излучение, способное проникать, хотя и в разной степени, во все вещества. Представляет собой электромагнитное излучение с длиной волны порядка 10-8 см.
Как и видимый свет, рентгеновское излучение вызывает почернение фотопленки. Это его свойство имеет важное значение для медицины, промышленности и научных исследований. Проходя сквозь исследуемый объект и падая затем на фотопленку, рентгеновское излучение изображает на ней его внутреннюю структуру. Поскольку проникающая способность рентгеновского излучения различна для разных материалов, менее прозрачные для него части объекта дают более светлые участки на фотоснимке, чем те, через которые излучение проникает хорошо. Так, костные ткани менее прозрачны для рентгеновского излучения, чем ткани, из которых состоит кожа и внутренние органы. Поэтому на рентгенограмме кости обозначатся как более светлые участки и более прозрачное для излучения место перелома может быть достаточно легко обнаружено. Рентгеновская съемка используется также в стоматологии для обнаружения кариеса и абсцессов в корнях зубов, а также в промышленности для обнаружения трещин в литье, пластмассах и резинах.
Рентгеновское излучение используется в химии для анализа соединений и в физике для исследования структуры кристаллов. Пучок рентгеновского излучения, проходя через химическое соединение, вызывает характерное вторичное излучение, спектроскопический анализ которого позволяет химику установить состав соединения. При падении на кристаллическое вещество пучок рентгеновских лучей рассеивается атомами кристалла, давая четкую правильную картину пятен и полос на фотопластинке, позволяющую установить внутреннюю структуру кристалла.
Применение рентгеновского излучения при лечении рака основано на том, что оно убивает раковые клетки. Однако оно может оказать нежелательное влияние и на нормальные клетки. Поэтому при таком использовании рентгеновского излучения должна соблюдаться крайняя осторожность.
Получение рентгеновского излучения
Рентгеновское излучение возникает при взаимодействии электронов, движущихся с большими скоростями, с веществом. Когда электроны соударяются с атомами какого-либо вещества, они быстро теряют свою кинетическую энергию. При этом большая ее часть переходит в тепло, а небольшая доля, обычно менее 1%, преобразуется в энергию рентгеновского излучения. Эта энергия высвобождается в форме квантов - частиц, называемых фотонами, которые обладают энергией, но масса покоя которых равна нулю. Рентгеновские фотоны различаются своей энергией, обратно пропорциональной их длине волны. При обычном способе получения рентгеновского излучения получают широкий диапазон длин волн, который называют рентгеновским спектром
Рентгеновские трубки. Чтобы получать рентгеновское излучение за счет взаимодействия электронов с веществом, нужно иметь источник электронов, средства их ускорения до больших скоростей и мишень, способную выдерживать электронную бомбардировку и давать рентгеновское излучение нужной интенсивности. Устройство, в котором все это есть, называется рентгеновской трубкой. Ранние исследователи пользовались «глубоко вакуумированными» трубками типа современных газоразрядных. Вакуум в них был не очень высоким.
В газоразрядных трубках содержится небольшое количество газа, и когда на электроды трубки подается большая разность потенциалов, атомы газа превращаются в положительные и отрицательные ионы. Положительные движутся к отрицательному электроду (катоду) и, падая на него, выбивают из него электроны, а они, в свою очередь, движутся к положительному электроду (аноду) и, бомбардируя его, создают поток рентгеновских фотонов.
В современной рентгеновской трубке, разработанной Кулиджем (рис. 11), источником электронов является вольфрамовый катод, нагреваемый до высокой температуры.
Рис. 11.
Электроны ускоряются до больших скоростей высокой разностью потенциалов между анодом (или антикатодом) и катодом. Поскольку электроны должны достичь анода без столкновений с атомами, необходим очень высокий вакуум, для чего нужно хорошо откачать трубку. Этим также снижаются вероятность ионизации оставшихся атомов газа и обусловленные ею побочные токи.
При бомбардировке электронами вольфрамовой антикатод испускает характеристическое рентгеновское излучение. Поперечное сечение рентгеновского пучка меньше реально облучаемой площади. 1 - электронный пучок; 2 - катод с фокусирующим электродом; 3 - стеклянная оболочка (трубка); 4 - вольфрамовая мишень (антикатод); 5 - нить накала катода; 6 - реально облучаемая площадь; 7 - эффективное фокальное пятно; 8 - медный анод; 9 - окно; 10 - рассеянное рентгеновское излучение.
Электроны фокусируются на аноде с помощью электрода особой формы, окружающего катод. Этот электрод называется фокусирующим и вместе с катодом образует «электронный прожектор» трубки. Подвергаемый электронной бомбардировке анод должен быть изготовлен из тугоплавкого материала, поскольку бульшая часть кинетической энергии бомбардирующих электронов превращается в тепло. Кроме того, желательно, чтобы анод был из материала с большим атомным номером, т.к. выход рентгеновского излучения растет с увеличением атомного номера. В качестве материала анода чаще всего выбирается вольфрам, атомный номер которого равен 74. Конструкция рентгеновских трубок может быть разной в зависимости от условий применения и предъявляемых требований.
Рентгеновские лучи были обнаружены случайно в 1895 году знаменитым немецким физиком Вильгельмом Рентгеном. Он изучал катодные лучи в газоразрядной трубке низкого давления при высоком напряжении между ее электродами. Несмотря на то, что трубка находилась в черном ящике, Рентген обратил внимание, что флуоресцентный экран, случайно находившийся рядом, всякий раз светился, когда действовала трубка. Трубка оказалась источником излучения, которое могло проникать через бумагу, дерево, стекло и даже пластинку алюминия толщиной в полтора сантиметра.
Рентген определил, что газоразрядная трубка является источником нового вида невидимого излучения, обладающего большой проникающей способностью. Ученый не мог определить было ли это излучение потоком частиц или волн, и он решил дать ему название X-лучи. В последствие их назвали рентгеновскими лучами
Теперь известно, что X-лучи - вид электромагнитного излучения, имеющего меньшую длину волны, чем ультрафиолетовые электромагнитные волны. Длина волны X-лучей колеблется от 70 нм
до 10 -5 нм
. Чем короче длина волны X-лучей, тем больше энергия их фотонов и больше проникающая способность. X-лучи со сравнительно большой длиной волны (более 10 нм
), называются мягкими
. Длина волны 1 - 10нм
характеризует жесткие
X-лучи. Они обладают огромной проникающей способностью.
Получение рентгеновского излучения
Рентгеновские лучи возникают, когда быстрые электроны, или катодные лучи, сталкиваются со стенками или анодом газоразрядной трубки низкого давления. Современная рентгеновская трубка представляет собой вакуумизированный стеклянный баллон с расположенными в нем катодом и анодом. Разность потенциалов между катодом и анодом (антикатодом), достигает несколько сотен киловольт. Катод представляет собой вольфрамовую нить, подогреваемую электрическим током. Это приводит к испусканию катодом электронов в результате термоэлектронной эмиссии. Электроны ускоряются электрическим полем в рентгеновской трубке. Поскольку в трубке очень небольшое число молекул газа, то электроны по пути к аноду практически не теряют своей энергии. Они достигают анода с очень большой скоростью.
Рентгеновские лучи возникают всегда, когда движущиеся с высокой скоростью электроны тормозятся материалом анода. Большая часть энергии электронов рассеивается в виде тепла. Поэтому аноде необходимо искусственно охлаждать. Анод в рентгеновской трубке должен быть сделан из металла, имеющего высокую температуру плавления, например, из вольфрама.
Часть энергии, не рассеивающая в форме тепла, превращается в энергию электромагнитных волн (рентгеновские лучи). Таким образом, рентгеновские лучи являются результатом бомбардировки электронами вещества анода. Есть два типа рентгеновского излучения: тормозное и характеристическое.
Тормозное рентгеновское излучение
Тормозное рентгеновское излучение возникает при торможении электронов, движущихся с большой скоростью, электрическими полями атомов анода. Условия торможения отдельных электронов не одинаковы. В результате в энергию рентгеновского излучения переходят различные части их кинетической энергии.
Спектр тормозного рентгеновского излучения не зависит от природы вещества анода. Как известно, энергия фотонов рентгеновских лучей определяет их частоту и длину волны. Поэтому тормозное рентгеновское излучение не является монохроматическим. Оно характеризуется разнообразием длин волн, которое может быть представлено сплошным (непрерывным) спектром.
Рентгеновские лучи не могут иметь энергию большую, чем кинетическая энергия образующих их электронов. Наименьшая длина волны рентгеновского излучения соответствует максимальной кинетической энергии тормозящихся электронов. Чем больше разность потенциалов в рентгеновской трубке, тем меньшие длины волны рентгеновского излучения можно получить.
Характеристическое рентгеновское излучение
Характеристическое рентгеновское излучение имеет не сплошной, а линейчатый спектр . Этот тип излучения возникает, когда быстрый электрон, достигая анода, проникает во внутренние орбитали атомов и выбивает один из их электронов. В результате появляется свободное место, которое может быть заполнено другим электроном, спускающимся с одной из верхних атомных орбиталей. Такой переход электрона с более высокого на более низкий энергетический уровень вызывает рентгеновское излучение определенной дискретной длины волны. Поэтому характеристическое рентгеновское излучение имеет линейчатый спектр . Частота линий характеристического излучения полностью зависит от структуры электронных орбиталей атомов анода.
Линии спектра характеристического излучения разных химических элементов имеют одинаковый вид, поскольку структура их внутренних электронных орбитальных идентична. Но длина их волны и частота, благодаря энергетическим различиям между внутренними орбиталями тяжелых и легких атомов.
Частота линий спектра характеристического рентгеновского излучения изменяется в соответствие с атомным номером металла и определяется уравнением Мозли: v 1/2 =A
(Z-B
), где Z
- атомный номер химического элемента, A
и B
- константы.
Первичные физические механизмы взаимодействия рентгеновского излучения с веществом
Для первичного взаимодействия между рентгеновским излучением и веществом характерно три механизма:
1. Когерентное рассеяние . Эта форма взаимодействия происходит, когда фотоны рентгеновских лучей имеют меньшую энергию, чем энергия связи электронов с ядром атома. В таком случае, энергия фотона оказывается не достаточной для освобождения электронов из атомов вещества. Фотон не поглощается атомом, но изменяет направление распространения. При этом длина волны рентгеновского излучения остается неизменной.
2. Фотоэлектрический эффект (фотоэффект) . Когда фотон рентгеновского излучения достигает атома вещества, он может выбить один из электронов. Это происходит в том случае, если энергия фотона превышает энергию связи электрона с ядром. При этом фотон поглощается, а электрон высвобождается из атома. Если фотон несет большую энергию, чем необходимо для высвобождения электрона, он передаст оставшуюся энергию освобожденному электрону в форме кинетической энергии. Этот феномен, называемый фотоэлектрическим эффектом, происходит при поглощении относительно низкоэнергетического рентгеновского излучения.
Атом, который теряет один из своих электронов, становится положительным ионом. Продолжительность существования свободных электронов очень коротка. Они поглощаются нейтральными атомами, которые превращаются при этом в отрицательные ионы. Результатом фотоэлектрического эффекта является интенсивная ионизация вещества.
Если энергия фотона рентгеновского излучения меньше, чем энергия ионизации атомов, то атомы переходят в возбужденное состояние, но не ионизируются.
3. Некогерентное рассеяние (эффект Комптона) . Этот эффект обнаружен американским физиком Комптоном. Он происходит, если вещество поглощает рентгеновские лучи малой длины волны. Энергия фотонов таких рентгеновских лучей всегда больше, чем энергия ионизации атомов вещества. Эффект Комптона является результатом взаимодействия высокоэнергетического фотона рентгеновских лучей с одним из электронов внешней оболочки атома, который имеет сравнительно слабую связь с атомным ядром.
Высокоэнергетический фотон передает электрону некоторую часть своей энергии. Возбужденный электрон высвобождается из атома. Оставшаяся часть энергии первоначального фотона излучается в виде фотона рентгеновского излучения большей длины волны под некоторым углом к направлению движения первичного фотона. Вторичный фотон может ионизировать другой атом и т.д. Эти изменения направления и длины волны рентгеновских лучей известны как эффект Комптона.
Некоторые эффекты взаимодействия рентгеновского излучения с веществом
Как было упомянуто выше, рентгеновские лучи способны возбуждать атомы и молекулы вещества. Это может вызывать флюоресценцию определенных веществ (например, сульфата цинка). Если параллельный пучок рентгеновских лучей направить на непрозрачные объекты, то можно наблюдать как лучи пройдут сквозь объект, поставив экран, покрытый флюоресцирующим веществом.
Флуоресцентный экран можно заменить фотографической пленкой. Рентгеновские лучи оказывают на фотографическую эмульсию такое же действие, как и свет. Оба метода используются в практической медицине.
Другим важным эффектом рентгеновского излучения является их ионизирующая способность. Это зависит от их длины волны и энергии. Этот эффект обеспечивает метод для измерения интенсивности рентгеновского излучения. Когда рентгеновские лучи проходят через ионизационную камеру, возникает электрический ток, величина которого пропорциональна интенсивности рентгеновского излучения.
Поглощение рентгеновского излучения веществом
При прохождении рентгеновских лучей через вещество их энергия уменьшается из-за поглощения и рассеяния. Ослабление интенсивности параллельного пучка рентгеновских лучей, проходящих через вещество, определяется законом Бугера: I = I0·e -μd , где I 0 - начальная интенсивность рентгеновского излучения; I - интенсивность рентгеновских лучей, прошедших через слой вещества, d - толщина поглощающего слоя, μ - линейный коэффициент ослабления. Он равен сумме двух величин: t - линейного коэффициента поглощения и σ - линейного коэффициента рассеяния: μ = τ+σ
В экспериментах обнаружено, что линейный коэффициент поглощения зависит от атомного номера вещества и длины волны рентгеновских лучей:
τ = kρZ 3 λ 3 , где k - коэффициент прямой пропорциональности, ρ - плотность вещества, Z - атомный номер элемента, λ - длина волны рентгеновских лучей.
Зависимость от Z очень важна с практической точки зрения. Например, коэффициент поглощения костей, которые состоят из фосфата кальция, почти в 150 раз превышает коэффициент поглощения мягких тканей (Z =20 для кальция и Z =15 для фосфора). При прохождении рентгеновских лучей через тело человека, кости четко выделяются на фоне мышц, соединительной ткани и т.п.
Известно, что пищеварительные органы имеют такую же величину коэффициента поглощения, как и другие мягкие ткани. Но тень пищевода, желудка и кишечника можно различить, если пациент примет внутрь контрастное вещество - сернокислый барий (Z= 56 для бария). Сернокислый барий очень непрозрачен для рентгеновских лучей и часто используется для рентгенологического обследования желудочно-кишечного тракта. Определенные непрозрачные смеси вводят в кровяное русло для того, чтобы исследовать состояние кровеносных сосудов, почек и т.п. Как контрастное вещество в этом случае используют йод, атомный номер которого составляет 53.
Зависимость поглощения рентгеновских лучей от Z
используют также для защиты от возможного вредного действия рентгеновского излучения. Для этой цели применяют свинец, величина Z
для которого равна 82.
Применение рентгеновского излучения в медицине
Причиной применения рентгеновского излучения в диагностике послужила их высокая проникающая способность, одно из основных свойств рентгеновского излучения . В первое время после открытия, рентгеновское излучение использовалось по большей части, для исследования переломов костей и определения местоположения инородных тел (например, пуль) в теле человека. В настоящее время применяют несколько методов диагностики с помощью рентгеновских лучей (рентгенодиагностика).
Рентгеноскопия . Рентгеновский прибор состоит из источника рентгеновских лучей (рентгеновской трубки) и флуоресцирующего экрана. После прохождения рентгеновских лучей через тело пациента врач наблюдает теневое его изображение. Между экраном и глазами врача должно быть установлено свинцовое окно для того, чтобы защитить врача от вредного действия рентгеновских лучей. Этот метод дает возможность изучить функциональное состояние некоторых органов. Например, врач непосредственно может пронаблюдать движения легких, прохождение контрастного вещества по желудочно-кишечному тракту. Недостатки этого метода - недостаточно контрастные изображения и сравнительно большие дозы излучения, получаемые пациентом во время процедуры.
Флюорография . Этот метод состоит в получении фотографии с изображением части тела пациента. Используют, как правило, для предварительного исследования состояния внутренних органов пациентов с помощью малых доз рентгеновского излучения.
Рентгенография. (Радиография рентгеновских лучей). Это метод исследования с помощью рентгеновских лучей, в ходе которого изображение записывается на фотографическую пленку. Фотографии делаются обычно в двух перпендикулярных плоскостях. Этот метод имеет некоторые преимущества. Рентгеновские фотографии содержат больше деталей, чем изображение на флуоресцентном экране, и потому они являются более информативными. Они могут быть сохранены для дальнейшего анализа. Общая доза излучения меньше, чем применяемая в рентгеноскопии.
Компьютерная рентгеновская томография . Оснащенный вычислительной техникой осевой томографический сканер является наиболее современным аппаратом рентгенодиагностики, который позволяет получить четкое изображение любой части человеческого тела, включая мягкие ткани органов.
Первое поколение компьютерных томографов (КT) включает специальную рентгеновскую трубку, которая прикреплена к цилиндрической раме. На пациента направляют тонкий пучок рентгеновских лучей. Два детектора рентгеновских лучей прикреплены к противоположной стороне рамы. Пациент находится в центре рамы, которая может вращаться на 180 0 вокруг его тела.
Рентгеновский луч проходит через неподвижный объект. Детекторы получают и записывают показатели поглощения различных тканей. Записи делают 160 раз, пока рентгеновская трубка перемещается линейно вдоль сканируемой плоскости. Затем рама поворачивается на 1 0 , и процедура повторяется. Запись продолжается, пока рама не повернется на 180 0 . Каждый детектор записывает 28800 кадров (180x160) в течение исследования. Информация обрабатывается компьютером, и посредством специальной компьютерной программы формируется изображение выбранного слоя.
Второе поколение КT использует несколько пучков рентгеновских лучей и до 30 их детекторов. Это дает возможность ускорить процесс исследования до 18 секунд.
В третьем поколении КT используется новый принцип. Широкий пучок рентгеновских лучей в форме веера перекрывает исследуемый объект, и прошедшее сквозь тело рентгеновское излучение записывается несколькими сотнями детекторов. Время, необходимое для исследования, сокращается до 5-6 секунд.
КТ имеет множество преимуществ по сравнению с более ранними методами рентгенодиагностики. Она характеризуется высоким разрешением, которое дает возможность различать тонкие изменения мягких тканей. КТ позволяет обнаружить такие патологические процессы, которые не могут быть обнаружены другими методами. Кроме того, использование КT позволяет уменьшить дозу рентгеновского излучения, получаемого в процессе диагностики пациентами.
Рентгеновским излучением называют электромагнитные волны с длиной приблизительно от 80 до 10 -5 нм. Наиболее длинноволновое рентгеновское излучение перекрывается коротковолновым ультрафиолетовым, коротковолновое - длинноволновым γ-излучением. По способу возбуждения рентгеновское излучение подразделяют на тормозное и характеристическое.
31.1. УСТРОЙСТВО РЕНТГЕНОВСКОЙ ТРУБКИ. ТОРМОЗНОЕ РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
Наиболее распространенным источником рентгеновского излучения является рентгеновская трубка, которая представляет собой двух-электродный ваккумный прибор (рис. 31.1). Подогревный катод 1 испускает электроны 4. Анод 2, называемый часто антикатодом, имеет наклонную поверхность, для того чтобы направить возникающее рентгеновское излучение 3 под углом к оси трубки. Анод изготовлен из хорошо теплопрово-дящего материала для отвода теплоты, образующейся при ударе электронов. Поверхность анода выполнена из тугоплавких материалов, имеющих большой порядковый номер атома в таблице Менделеева, например из вольфрама. В отдельных случаях анод специально охлаждают водой или маслом.
Для диагностических трубок важна точечность источника рентгеновских лучей, чего можно достигнуть, фокусируя электроны в одном месте антикатода. Поэтому конструктивно приходится учитывать две противоположные задачи: с одной стороны, электроны должны попадать на одно место анода, с другой стороны, чтобы не допустить перегрева, желательно распределение электронов по разным участкам анода. В качестве одного из интересных технических решений является рентгеновская трубка с вращающимся анодом (рис. 31.2).
В результате торможения электрона (или иной заряженной частицы) электростатическим полем атомного ядра и атомарных электронов вещества антикатода возникает тормозное рентгеновское излучение.
Механизм его можно пояснить следующим образом. С движущимся электрическим зарядом связано магнитное поле, индукция которого зависит от скорости электрона. При торможении уменьшается магнитная
индукция и в соответствии с теорией Максвелла появляется электромагнитная волна.
При торможении электронов лишь часть энергии идет на создание фотона рентгеновского излучения, другая часть расходуется на нагревание анода. Так как соотношение между этими частями случайно, то при торможении большого количества электронов образуется непрерывный спектр рентгеновского излучения. В связи с этим тормозное излучение называют еще сплошным. На рис. 31.3 представлены зависимости потока рентгеновского излучения от длины волны λ (спектры) при разных напряжениях в рентгеновской трубке: U 1 < U 2 < U 3 .
В каждом из спектров наиболее коротковолновое тормозное излучение λ ηίη возникает тогда, когда энергия, приобретенная электроном в ускоряющем поле, полностью переходит в энергию фотона:
Заметим, что на основе (31.2) разработан один из наиболее точных способов экспериментального определения постоянной Планка.
Коротковолновое рентгеновское излучение обычно обладает большей проникающей способностью, чем длинноволновое, и называется жестким, а длинноволновое - мягким.
Увеличивая напряжение на рентгеновской трубке, изменяют спектральный состав излучения, как это видно из рис. 31.3 и формулы (31.3), и увеличивают жесткость.
Если увеличить температуру накала катода, то возрастут эмиссия электронов и сила тока в трубке. Это приведет к увеличению числа фотонов рентгеновского излучения, испускаемых каждую секунду. Спектральный состав его не изменится. На рис. 31.4 показаны спектры тормозного рентгеновского излучения при одном напряжении, но при разной силе тока накала катода: / н1 < / н2 .
Поток рентгеновского излучения вычисляется по формуле:
где U и I - напряжение и сила тока в рентгеновской трубке; Z - порядковый номер атома вещества анода; k - коэффициент пропорциональности. Спектры, полученные от разных антикатодов при одинаковых U и I H , изображены на рис. 31.5.
31.2. ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКОЕ РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ. АТОМНЫЕ РЕНТГЕНОВСКИЕ СПЕКТРЫ
Увеличивая напряжение на рентгеновской трубке, можно заметить на фоне сплошного спектра появление линейчатого, который соответствует
характеристическому рентгеновскому излучению (рис. 31.6). Он возникает вследствие того, что ускоренные электроны проникают в глубь атома и из внутренних слоев выбивают электроны. На свободные места переходят электроны с верхних уровней (рис. 31.7), в результате высвечиваются фотоны характеристического излучения. Как видно из рисунка, характеристическое рентгеновское излучение состоит из серий K, L, М и т.д., наименование которых и послужило для обозначения электронных слоев. Так как при излучении K-серии освобождаются места в более высоких слоях, то одновременно испускаются и линии других серий.
В отличие от оптических спектров характеристические рентгеновские спектры разных атомов однотипны. На рис. 31.8 показаны спектры различных элементов. Однотипность этих спектров обусловлена тем, что внутренние слои у разных атомов одинаковы и отличаются лишь энергетически, так как силовое воздействие со стороны ядра увеличивается по мере возрастания порядкового номера элемента. Это обстоятельство приводит к тому, что характеристические спектры сдвигаются в сторону больших частот с увеличением заряда ядра. Такая закономерность видна из рис. 31.8 и известна как закон Мозли:
где v - частота спектральной линии; Z- атомный номер испускающего элемента; А и В - постоянные.
Есть еще одна разница между оптическими и рентгеновскими спектрами.
Характеристический рентгеновский спектр атома не зависит от химического соединения, в которое этот атом входит. Так, например, рентгеновский спектр атома кислорода одинаков для О, O 2 и Н 2 О, в то время как оптические спектры этих соединений существенно различны. Эта особенность рентгеновского спектра атома послужила основанием для названия характеристическое.
Характеристическое излучение возникает всегда при наличии свободного места во внутренних слоях атома независимо от причины, которая его вызвала. Так, например, характеристическое излучение сопровождает один из видов радиоактивного распада (см. 32.1), который заключается в захвате ядром электрона с внутреннего слоя.
31.3. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ
Регистрация и использование рентгеновского излучения, а также воздействие его на биологические объекты определяются первичными процессами взаимодействия рентгеновского фотона с электронами атомов и молекул вещества.
В зависимости от соотношения энергии hv фотона и энергии иони-зации 1 А и имеют место три главных процесса.
Когерентное (классическое) рассеяние
Рассеяние длинноволнового рентгеновского излучения происходит в основном без изменения длины волны, и его называют когерентным. Оно возникает, если энергия фотона меньше энергии ионизации: hv < А и.
Так как в этом случае энергия фотона рентгеновского излучения и атома не изменяется, то когерентное рассеяние само по себе не вызывает биологического действия. Однако при создании защиты от рентгеновского излучения следует учитывать возможность изменения направления первичного пучка. Этот вид взаимодействия имеет значение для рентгеноструктурного анализа (см. 24.7).
Некогерентное рассеяние (эффект Комптона)
В 1922 г. А.Х. Комптон, наблюдая рассеяние жестких рентгеновских лучей, обнаружил уменьшение проникающей способности рассеянного пучка по сравнению с падающим. Это означало, что длина волны рассеянного рентгеновского излучения больше, чем падающего. Рассеяние рентгеновского излучения с изменением длины волны называют некогерент ным, а само явление - эффектом Комптона. Он возникает, если энергия фотона рентгеновского излучения больше энергии ионизации: hv > А и.
Это явление обусловлено тем, что при взаимодействии с атомом энергия hv фотона расходуется на образование нового рассеянного фотона рентгеновского излучения с энергией hv", на отрыв электрона от атома (энергия ионизации А и) и сообщение электрону кинетической энергии Е к:
hv= hv" + А и +Е к. (31.6)
1 Здесь под энергией ионизации понимают энергию, необходимую для удаления внутренних электронов за пределы атома или молекулы.
Так как во многих случаях hv >> А и и эффект Комптона происходит на свободных электронах, то можно записать приближенно:
hv = hv"+ E K . (31.7)
Существенно, что в этом явлении (рис. 31.9) наряду с вторичным рентгеновским излучением (энергия hv " фотона) появляются электроны отдачи (кинетическая энергия Е к электрона). Атомы или молекулы при этом становятся ионами.
Фотоэффект
При фотоэффекте рентгеновское излучение поглощается атомом, в результате чего вылетает электрон, а атом ионизируется (фотоионизация).
Три основных процесса взаимодействия, рассмотренные выше, являются первичными, они приводят к последующим вторичным, третичным и т.д. явлениям. Так, например, ионизированные атомы могут излучать характеристический спектр, возбужденные атомы могут стать источниками видимого света (рентгенолюминесценция) и т.п.
На рис. 31.10 приводится схема возможных процессов, возникающих при попадании рентгеновского излучения в вещество. Может происходить несколько десятков процессов, подобных изображенному, прежде чем энергия рентгеновского фотона перейдет в энергию молекулярно-теплового движения. В итоге произойдут изменения молекулярного состава вещества.
Процессы, представленные схемой рис. 31.10, лежат в основе явлений, наблюдаемых при действии рентгеновского излучения на вещество. Перечислим некоторые из них.
Рентгенолюминесценция - свечение ряда веществ при рентгеновском облучении. Такое свечение платиносинеродистого бария позволило Рентгену открыть лучи. Это явление используют для создания специальных светящихся экранов с целью визуального наблюдения рентгеновского излучения, иногда для усиления действия рентгеновских лучей на фотопластинку.
Известно химическое действие рентгеновского излучения, например образование перекиси водорода в воде. Практически важный пример - воздействие на фотопластинку, что позволяет фиксировать такие лучи.
Ионизирующее действие проявляется в увеличении электропроводимости под воздействием рентгеновских лучей. Это свойство используют
в дозиметрии для количественной оценки действия этого вида излучения.
В результате многих процессов первичный пучок рентгеновского излучения ослабляется в соответствии с законом (29.3). Запишем его в виде:
I = I 0 е-/", (31.8)
где μ - линейный коэффициент ослабления. Его можно представить состоящим из трех слагаемых, соответствующих когерентному рассеянию μ κ , некогерентному μ ΗΚ и фотоэффекту μф:
μ = μ к + μ hk + μ ф. (31.9)
Интенсивность рентгеновского излучения ослабляется пропорционально числу атомов вещества, через которое этот поток проходит. Если сжать вещество вдоль оси X, например, в b раз, увеличив в b раз его плотность, то
31.4. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В МЕДИЦИНЕ
Одно из наиболее важных медицинских применений рентгеновского излучения - просвечивание внутренних органов с диагностической целью (рентгенодиагностика).
Для диагностики используют фотоны с энергией порядка 60-120 кэВ. При этой энергии массовый коэффициент ослабления в основном определяется фотоэффектом. Его значение обратно пропорционально третьей степени энергии фотона (пропорционально λ 3), в чем проявляется большая проникающая способность жесткого излучения, и пропорционально третьей степени атомного номера вещества-поглотителя:
Существенное различие поглощения рентгеновского излучения разными тканями позволяет в теневой проекции видеть изображения внутренних органов тела человека.
Рентгенодиагностику используют в двух вариантах: рентгеноскопия - изображение рассматривают на рентгенолюминесцирующем экране, рентгенография - изображение фиксируется на фотопленке.
Если исследуемый орган и окружающие ткани примерно одинаково ослабляют рентгеновское излучение, то применяют специальные контрастные вещества. Так, например, наполнив желудок и кишечник кашеобразной массой сульфата бария, можно видеть их теневое изображение.
Яркость изображения на экране и время экспозиции на фотопленке зависят от интенсивности рентгеновского излучения. Если его используют для диагностики, то интенсивность не может быть большой, чтобы не вызвать нежелательных биологических последствий. Поэтому имеется ряд технических приспособлений, улучшающих изображение при малых интенсивностях рентгеновского излучения. В качестве примера такого приспособления можно указать электронно-оптические преобразователи (см. 27.8). При массовом обследовании населения широко используется вариант рентгенографии - флюорография, при которой на чувствительной малоформатной пленке фиксируется изображение с большого рентгенолюминесцирующего экрана. При съемке используют линзу большой светосилы, готовые снимки рассматривают на специальном увеличителе.
Интересным и перспективным вариантом рентгенографии является метод, называемый рентгеновской томографией, и его «машинный вариант» - компьютерная томография.
Рассмотрим этот вопрос.
Обычная рентгенограмма охватывает большой участок тела, причем различные органы и ткани затеняют друг друга. Можно избежать этого, если периодически совместно (рис. 31.11) в противофазе перемещать рентгеновскую трубку РТ и фотопленку Фп относительно объекта Об исследования. В теле имеется ряд непрозрачных для рентгеновских лучей включений, они показаны кружочками на рисунке. Как видно, рентгеновские лучи при любом положении рентгеновской трубки (1, 2 и т.д.) проходят че-
рез одну и ту же точку объекта, являющуюся центром, относительно которого совершается периодическое движение РТ и Фп. Эта точка, точнее небольшое непрозрачное включение, показана темным кружком. Его теневое изображение перемещается вместе с Фп, занимая последовательно положения 1, 2 и т.д. Остальные включения в теле (кости, уплотнения и др.) создают на Фп некоторый общий фон, так как рентгеновские лучи не постоянно затеняются ими. Изменяя положение центра качания, можно получить послойное рентгеновское изображение тела. Отсюда и название - томография (послойная запись).
Можно, используя тонкий пучок рентгеновского излучения, экран (вместо Фп), состоящий из полупроводниковых детекторов ионизирующего излучения (см. 32.5), и ЭВМ, обработать теневое рентгеновское изображение при томографии. Такой современный вариант томографии (вычислительная или компьютерная рентгеновская томография) позволяет получать послойные изображения тела на экране электронно-лучевой трубки или на бумаге с деталями менее 2 мм при различии поглощения рентгеновского излучения до 0,1%. Это позволяет, например, различать серое и белое вещество мозга и видеть очень маленькие опухолевые образования.
Рентгеновское излучение — разновидность высокоэнергетического электромагнитного излучения. Оно активно используется в различных отраслях медицины.
Рентгеновские лучи представляют собой электромагнитные волны, энергия фотонов которых на шкале электромагнитных волн находится между ультрафиолетовым излучением и гамма-излучением (от ~10 эВ до ~1 МэВ), что соответствует длинам волн от ~10^3 до ~10^−2 ангстрем (от ~10^−7 до ~10^−12 м). То есть это несравнимо более жесткое излучение, чем видимый свет, который находится на этой шкале между ультрафиолетом и инфракрасными («тепловыми») лучами.
Граница между рентгеном и гамма-излучением выделяется условно: их диапазоны пересекаются, гамма-лучи могут иметь энергию от 1 кэв. Различаются они по происхождению: гамма-лучи испускаются в ходе процессов, происходящих в атомных ядрах, рентгеновские же — при процессах, идущих с участием электронов (как свободных, так и находящихся в электронных оболочках атомов). При этом по самому фотону невозможно установить, в ходе какого процесса он возник, то есть деление на рентгеновский и гамма-диапазон во многом условно.
Рентгеновский диапазон делят на «мягкий рентген» и «жесткий». Граница между ними пролегает на уровне длины волны 2 ангстрема и 6 кэв энергии.
Генератор рентгеновского излучения представляет собой трубку, в которой создан вакуум. Там расположены электроды — катод, на который подается отрицательный заряд, и положительно заряженный анод. Напряжение между ними составляет десятки-сотни киловольт. Генерация рентгеновских фотонов происходит тогда, когда электроны «срываются» с катода и с высочайшей скоростью врезаются в поверхность анода. Возникающее при этом рентгеновское излучение называется «тормозным», его фотоны имеют различную длину волны.
Одновременно происходит генерация фотонов характеристического спектра. Часть электронов в атомах вещества анода возбуждается, то есть переходит на более высокие орбиты, а потом возвращается в нормальное состояние, излучая фотоны определенной длины волны. В стандартном генераторе возникают оба типа рентгеновского излучения.
История открытия
8 ноября 1895 года немецкий ученый Вильгельм Конрад Рентген обнаружил, что некоторые вещества под воздействием «катодных лучей», то есть потока электронов, генерируемого катодно-лучевой трубкой, начинают светиться. Он объяснил это явление воздействием неких X-лучей — так («икс-лучи») это излучение и сейчас называется на многих языках. Позже В.К. Рентген изучил открытое им явление. 22 декабря 1895 года он сделал доклад на эту тему в Вюрцбургском университете.
Позже выяснилось, что рентгеновское излучение наблюдалось и ранее, но тогда связанным с ним феноменам не придали большого значения. Катодно-лучевая трубка была изобретена уже давно, но до В.К. Рентгена никто не обращал особого внимания на почернение фотопластинок вблизи нее и т.п. явления. Неизвестна была и опасность, исходящая от проникающей радиации.
Виды и их влияние на организм
«Рентген» — самый мягкий тип проникающей радиации. Избыточное воздействие мягкого рентгена напоминает влияние ультрафиолетового облучения, но в более тяжелой форме. На коже образуется ожог, но поражение оказывается более глубоким, а заживает он намного медленнее.
Жесткий рентген представляет собой полноценную ионизирующую радиацию, способную привести к лучевой болезни. Рентгеновские кванты могут разрывать молекулы белков, из которых состоят ткани человеческого тела, а также молекулы ДНК генома. Но даже если рентгеновский квант разбивает молекулу воды, все равно: при этом образуются химически активные свободные радикалы H и OH, которые сами способны воздействовать на белки и ДНК. Лучевая болезнь протекает в тем более тяжелой форме, чем больше поражаются органы кроветворения.
Рентгеновские лучи обладают мутагенной и канцерогенной активностью. Это значит, что вероятность спонтанных мутаций в клетках при облучении возрастает, а иногда здоровые клетки могут перерождаться в раковые. Повышение вероятности появления злокачественных опухолей — стандартное следствие любого облучения, в том числе рентгеновского. Рентген является наименее опасным видом проникающей радиации, но он все равно может быть опасен.
Рентгеновское излучение: применение и как работает
Рентгеновское излучение применяется в медицине, а также в других сферах человеческой деятельности.
Рентгеноскопия и компьютерная томография
Наиболее частое применение рентгеновского излучения — рентгеноскопия. «Просвечивание» человеческого тела позволяет получить детальное изображение как костей (они видны наиболее четко), так и изображения внутренних органов.
Различная прозрачность тканей тела в рентгеновских лучах связана с их химическим составом. Особенности строения костей в том, что они содержат много кальция и фосфора. Другие же ткани состоят в основном из углерода, водорода, кислорода и азота. Атом фосфора превосходит по весу атом кислорода почти вдвое, а атом кальция — в 2,5 раза (углерод, азот и водород — еще легче кислорода). В связи с этим поглощение рентгеновских фотонов в костях оказывается намного выше.
Помимо двухмерных «снимков» рентгенография дает возможность создать трехмерное изображение органа: эта разновидность рентгенографии называется компьютерной томографией. Для этих целей применяется мягкий рентген. Объем облучения, полученный при одном снимке, невелик: он примерно равен облучению, получаемому при 2-часовом полете на самолете на высоте 10 км.
Рентгеновская дефектоскопия позволяет выявлять мелкие внутренние дефекты в изделиях. Для нее используется жесткий рентген, так как многие материалы (металл например) плохо «просвечиваются» из-за высокой атомной массы составляющего их вещества.
Рентгеноструктурный и рентгенофлуоресцентный анализ
У рентгеновских лучей свойства позволяют с их помощью детально рассматривать отдельные атомы. Рентгеноструктурный анализ активно применяется в химии (в том числе биохимии) и кристаллографии. Принцип его работы — дифракционное рассеивание рентгеновских лучей на атомах кристаллов или сложных молекул. При помощи рентгеноструктурного анализа была определена структура молекулы ДНК.
Рентгенофлуоресцентный анализ позволяет быстро определить химический состав вещества.
Существует множество форм радиотерапии, но все они подразумевают использование ионизирующей радиации. Радиотерапия делится на 2 типа: корпускулярный и волновой. Корпускулярный использует потоки альфа-частиц (ядер атомов гелия), бета-частиц (электронов), нейтронов, протонов, тяжелых ионов. Волновой использует лучи электромагнитного спектра — рентгеновские и гамма.
Используются радиотерапевтические методы прежде всего для лечения онкологических заболеваний. Дело в том, что радиация поражает в первую очередь активно делящиеся клетки, поэтому так страдают органы кроветворения (их клетки постоянно делятся, производя все новые эритроциты). Раковые клетки тоже постоянно делятся и более уязвимы для радиации, чем здоровая ткань.
Используется уровень облучения, который подавляет активность раковых клеток, умеренно влияя на здоровые. Под воздействием радиации происходит не разрушение клеток как таковое, а поражение их генома — молекул ДНК. Клетка с разрушенным геномом может некоторое время существовать, но уже не может делиться, то есть рост опухоли прекращается.
Рентгенотерапия — наиболее мягкая форма радиотерапии. Волновая радиация мягче корпускулярной, а рентген — мягче гамма-излучения.
При беременности
Использовать ионизирующую радиацию при беременности опасно. Рентгеновские лучи обладают мутагенной активностью и могут вызвать нарушения у плода. Рентгенотерапия несовместима с беременностью: она может применяться только в том случае, если уже решено производить аборт. Ограничения на рентгеноскопию мягче, но в первые месяцы она тоже строго запрещена.
В случае крайней необходимости рентгенологическое исследование заменяют магниторезонансной томографией. Но в первый триместр стараются избегать и ее (этот метод появился недавно, и с абсолютной уверенностью говорить об отсутствии вредных последствий).
Однозначная опасность возникает при облучении суммарной дозой не менее 1 мЗв (в старых единицах — 100 мР). При простом рентгеновском снимке (например, при прохождении флюорографии) пациентка получает примерно в 50 раз меньше. Для того, чтобы получить такую дозу за 1 раз, нужно подвергнуться детальной компьютерной томографии.
То есть сам по себе факт 1-2-кратного «рентгена» на ранней стадии беременности не грозит тяжелыми последствиями (но лучше не рисковать).
Лечение с помощью него
Рентгеновские лучи применяют прежде всего при борьбе со злокачественными опухолями. Этот метод хорош тем, что высокоэффективен: он убивает опухоль. Плох он тем, что здоровым тканям приходится немногим лучше, имеются многочисленные побочные эффекты. В особой опасности находятся органы кроветворения.
На практике применяются различные методы, позволяющие снизить воздействие рентгена на здоровые ткани. Лучи направляются под углом таким образом, чтобы в зоне их перекрещивания оказалась опухоль (благодаря этому основное поглощение энергии происходит как раз там). Иногда процедура производится в движении: тело пациента относительно источника излучения вращается вокруг оси, проходящей через опухоль. При этом здоровые ткани оказываются в зоне облучения лишь иногда, а больные — постоянно.
Рентген используется при лечении некоторых артрозов и подобных заболеваний, а также кожных болезней. При этом болевой синдром снижается на 50-90%. Так как излучение при этом используется более мягкое, побочных эффектов, аналогичных тем, что возникают при лечении опухолей, не наблюдается.
