ЛЕКЦИЯ
РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
Природа рентгеновского излучения
Тормозное рентгеновское излучение, его спектральные свойства.
Характеристическое рентгеновское излучение (для ознакомления).
Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом.
Физические основы использования рентгеновского излучения в медицине.
Рентгеновское излучение (X – лучи) открыты К. Рентгеном который в 1895 г. стал первым Нобелевским лауреатом по физике.
Природа рентгеновского излучения
Рентгеновское излучение – электромагнитные волны с длинной от 80 до 10 –5 нм. Длинноволновое рентгеновское излучение перекрывается коротковолновым УФ излучением, коротковолновое – длинноволновым-излучением.
Рентгеновское излучение получают в рентгеновских трубках. рис.1.
К – катод
1 – пучок электронов
2 –рентгеновское излучение
Рис. 1. Устройство рентгеновской трубки.
Трубка представляет собой стеклянную колбу (с возможно высоким вакуумом: давление в ней порядка 10 –6 мм.рт.ст.) с двумя электродами: анодом А и катодом К, к которым приложено высокое напряжение U (несколько тысяч вольт). Катод является источником электронов (за счет явления термоэлектронной эмиссии). Анод – металлический стержень, имеет наклонную поверхность для того, чтобы направлять возникающее рентгеновское излучение под углом к оси трубки. Он изготовляется из хорошо теплопроводящего материала для отвода теплоты, образующейся при бомбардировке электронов. На скошенном торце имеется пластинка из тугоплавкого металла (например, вольфрама).
Сильный разогрев анода обусловлен тем, что основное количество электронов в катодном пучке, попав на анод, испытывает многочисленные столкновения с атомами вещества и передает им большую энергию.
Под действием высокого напряжения электроны, испущенные раскаленной нитью катода, ускоряются до больших энергий. Кинетическая энергия электрона равна mv 2 /2. Она равна энергии, которую он приобретает, двигаясь в электростатическом поле трубки:
mv 2 /2 = eU (1)
где m, e – масса и заряд электрона, U – ускоряющее напряжение.
Процессы приводящие к возникновению тормозного рентгеновского излучения обусловлены интенсивным торможением электронов в веществе анода электростатическим полем атомного ядра и атомарных электронов.
Механизм возникновения можно представить следующим образом. Движущиеся электроны – это некоторый ток, образующий свое магнитное поле. Замедление электронов – снижение силы тока и, соответственно, изменение индукции магнитного поля, которое вызовет возникновение переменного электрического поля, т.е. появление электромагнитной волны.
Таким образом, когда заряженная частица влетает в вещество, она тормозится, теряет свою энергию и скорость и излучает электромагнитные волны.
Спектральные свойства тормозного рентгеновского излучения .
Итак, в случае торможения электрона в веществе анода возникает тормозное рентгеновское излучение.
Спектр тормозного рентгеновского излучения является сплошным . Причина этого в следующем.
При торможении электронов у каждого из них часть энергии идет на нагрев анода (Е 1 = Q), другая часть на создание фотона рентгеновского излучения (Е 2 = hv), иначе, eU = hv + Q. Соотношение между этими частями случайное.
Таким образом, непрерывный спектр тормозного рентгеновского излучения образуется благодаря торможению множества электронов, каждый из которых испускает один квант рентгеновского излучения hv (h) строго определенной величины. Величина этого кванта различна для разных электронов. Зависимость потока энергии рентгеновского излучения от длины волны , т.е. спектр рентгеновского излучения представлен на рис.2.
Рис.2. Спектр тормозного рентгеновского излучения: а) при различном напряжении U в трубке; б) при различной температуре Т катода.
Коротковолновое (жесткое) излучение обладает большей проникающей способностью, чем длинноволновое (мягкое). Мягкое излучение сильнее поглощается веществом.
Со стороны коротких длин волн спектр резко обрывается на определенной длине волны m i n . Такое коротковолновое тормозное излучение возникает тогда, когда энергия, приобретенная электроном в ускоряющем поле, полностью переходит в энергию фотона (Q = 0):
eU = hv max = hc/ min , min = hc/(eU), (2)
min (нм) = 1,23/UкВ
Спектральный состав излучения зависит от величины напряжения на рентгеновской трубке, с увеличением напряжения значение m i n смещается в сторону коротких длин волн (рис. 2a).
При изменении температуры Т накала катода возрастает эмиссия электронов. Следовательно, увеличивается ток I в трубке, но спектральный состав излучения не изменяется (рис. 2б).
Поток энергии Ф тормозного излучения прямо пропорционален квадрату напряжения U между анодом и катодом, силе тока I в трубке и атомному номеру Z вещества анода:
Ф = kZU 2 I. (3)
где k = 10 –9 Вт/(В 2 А).
Характеристическое рентгеновское излучение (для ознакомления).
Увеличение напряжения на рентгеновской трубке приводит к тому, что на фоне сплошного спектра появляется линейчатый, который соответствует характеристическому рентгеновскому излучению. Это излучение специфично для материала анода.
Механизм его возникновения таков. При большом напряжении ускоренные электроны (с большой энергией) проникают в глубь атома и выбивают из его внутренних слоев электроны. На свободные места переходят электроны с верхних уровней, в результате чего высвечиваются фотоны характеристического излучения.
Спектры характеристического рентгеновского излучения отличаются от оптических спектров.
– Однотипность.
Однотипность характеристических спектров обусловлена тем, что внутренние электронные слои у разных атомов одинаковы и отличаются только энергетически из–за силового воздействия со стороны ядер, которое увеличивается с возрастанием порядкового номера элемента. Поэтому характеристические спектры сдвигаются в сторону больших частот с увеличением заряда ядра. Опытно это было подтверждено сотрудником Рентгена – Мозли , который измерил частоты рентгеновских переходов для 33 элементов. Им был установлен закон.
ЗАКОН МОЗЛИ – корень квадратный из частоты характеристического излучения есть линейная функция порядкового номера элемента:
=
A
(Z – В), (4)
где v – частота спектральной линии, Z – атомный номер испускающего элемента. А, В – константы.
Важность закона Мозли заключается в том, что по этой зависимости можно по измеренной частоте рентгеновской линии точно узнать атомный номер исследуемого элемента. Это сыграло большую роль в размещении элементов в периодической системе.
Независимость от химического соединения.
Характеристические рентгеновские спектры атома не зависят от химического соединения, в которое входит атом элемента. Например, рентгеновский спектр атома кислорода одинаков для О 2, Н 2 О, в то время как оптические спектры этих соединений отличаются. Эта особенность рентгеновского спектра атома послужила основанием для названия "характеристическое излучение ".
Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом
Воздействие рентгеновского излучения на объекты определяется первичными процессами взаимодействия рентгеновского фотона с электронами атомов и молекул вещества.
Рентгеновское излучение в веществе поглощается или рассеивается . При этом могут происходить различные процессы, которые определяются соотношением энергии рентгеновского фотона hv и энергии ионизации А и (энергия ионизации А и – энергия, необходимая для удаления внутренних электронов за пределы атома или молекулы).
а) Когерентное рассеяние (рассеяние длинноволнового излучения) происходит тогда, когда выполняется соотношение
У фотонов вследствие взаимодействия с электронами изменяется только направление движения (рис.3а), но энергия hv и длина волны не меняются (поэтому это рассеяние называется когерентным ). Так как энергия фотона и атома не изменяются, то когерентное рассеяние не влияет на биологические объекты, но при создании защиты от рентгеновского излучения следует учитывать возможность изменения первичного направления пучка.
б) Фотоэффект происходит тогда, когда
При этом могут быть реализованы два случая.
Фотон поглощается, электрон отрывается от атома (рис. 3б). Происходит ионизация. Оторвавшийся электрон приобретает кинетическую энергию: E к = hv – A и. Если кинетическая энергия велика, то электрон может ионизировать соседние атомы путем соударения, образуя новые вторичные электроны.
Фотон поглощается, но его энергии не достаточно для отрыва электрона, и может происходить возбуждение атома или молекулы (рис.3в). Это часто приводит к последующему излучению фотона в области видимого излучения (рентгенолюминесценция), а в тканях – к активации молекул и фотохимическим реакциям. Фотоэффект происходит, в основном, на электронах внутренних оболочек атомов с высоким Z.
в) Некогерентное рассеяние (эффект Комптона, 1922 г.) происходит тогда, когда энергия фотона намного больше энергии ионизации
При этом электрон отрывается от атома (такие электроны называются электронами отдачи ), приобретает некоторую кинетическую энергию E к, энергия самого фотона уменьшается (рис. 4г):
hv = hv" + А и + Е к. (5)
Образующееся таким образом излучение с измененной частотой (длиной) называется вторичным , оно рассеивается по всем направлениям.
Электроны отдачи, если они имеют достаточную кинетическую энергию, могут ионизировать соседние атомы путем соударения. Таким образом, в результате некогерентного рассеяния образуется вторичное рассеянное рентгеновское излучение и происходит ионизация атомов вещества.
Указанные (а,б,в) процессы могут вызвать рад последующих. Например (рис. 3д), если при фотоэффекте происходит отрыв от атома электронов на внутренних оболочках, то на их место могут переходить электроны с более высоких уровней, что сопровождается вторичным характеристическим рентгеновским излучением данного вещества. Фотоны вторичного излучения, взаимодействуя с электронами соседних атомов, могут, в свою очередь, вызывать вторичные явления.
когерентное рассеяние
э
нергия и длина волны остаются
неизменными
фотоэффект
фотон поглощается, е – отрывается от атома – ионизация
hv = А и + Е к
атом А возбуждается при поглощении фотона, R – рентгенолюминесценция
некогерентное рассеяние
hv = hv"+А и +Е к
вторичные процессы при фотоэффекте
Рис. 3 Механизмы взаимодействие рентгеновского излучения с веществом
Физические основы использования рентгеновского излучения в медицине
При падении рентгеновского излучения на тело оно незначительно отражается от его поверхности, а в основном проходит вглубь, при этом частично поглощается и рассеивается, частично проходит насквозь.
Закон ослабления.
Поток рентгеновского излучения ослабляется в веществе по закону:
Ф = Ф 0 е – х (6)
где – линейный коэффициент ослабления, который существенно зависит от плотности вещества. Он равен сумме трех слагаемых, соответствующих когерентному рассеянию 1, некогерентному 2 и фотоэффекту 3:
= 1 + 2 + 3 . (7)
Вклад каждого слагаемого определяется энергией фотона. Ниже приведены соотношения этих процессов для мягких тканей (воды).
|
Энергия, кэВ |
Фотоэффект |
Комптон - эффект |
Пользуются массовым коэффициентом ослабления, который не зависит от плотности вещества :
m = /. (8)
Массовый коэффициент ослабления зависит от энергии фотона и от атомного номера вещества – поглотителя:
m = k 3 Z 3 . (9)
Массовые коэффициенты ослабления кости и мягкой ткани (воды) отличаются: m кости / m воды = 68.
Если на пути рентгеновских лучей поместить неоднородное тело и перед ним поставить флуоресцирующий экран, то это тело, поглощая и ослабляя излучение, образует на экране тень. По характеру этой тени можно судить о форме, плотности, структуре, а во многих случаях и о природе тел. Т.е. существенное различие поглощения рентгеновского излучения разными тканями позволяет в теневой проекции видеть изображение внутренних органов.
Если исследуемый орган и окружающие ткани одинаково ослабляют рентгеновское излучение, то применяют контрастные вещества. Так, например, наполнив желудок и кишечник кашеобразной массой сульфата бария (BaS0 4), можно видеть их теневое изображение (соотношение коэффициентов ослабления равно 354).
Использование в медицине.
В медицине используется рентгеновское излучение с энергией фотонов от 60 до 100-120 кэВ при диагностике и 150-200 кэВ при терапии.
Рентгенодиагностика – распознавание заболеваний при помощи просвечивания тела рентгеновским излучением.
Рентгенодиагностику используют в различных вариантах, которые приведены ниже.
При рентгеноскопии рентгеновская трубка расположена позади пациента. Перед ним располагается флуоресцирующий экран. На экране наблюдается теневое (позитивное) изображение. В каждом отдельном случае подбирается соответствующая жесткость излучения, так чтобы оно проходило через мягкие ткани, но достаточно поглощалось плотными. В противном случае получается однородная тень. На экране сердце, ребра видны темными, легкие – светлыми.
При рентгенографии объект помещается на кассете, в которую вложена пленка со специальной фотоэмульсией. Рентгеновская трубка располагается над объектом. Получаемая рентгенограмма дает негативное изображение, т.е. обратное по контрасту с картиной, наблюдаемой при просвечивании. В данном методе имеет место большая четкость изображения, чем в (1), поэтому наблюдаются детали, которые трудно рассмотреть при просвечивании.
Перспективным вариантом данного метода является рентгеновская томография и "машинный вариант" – компьютерная томография.
3. При флюорографии, на чувствительной малоформатной пленке фиксируется изображение с большого экрана. При рассматривании снимки рассматриваются на специальном увеличителе.
Рентгенотерапия – использование рентгеновского излучения для уничтожения злокачественных образований.
Биологическое действие излучения заключается в нарушении жизнедеятельности, особенно быстро размножающихся клеток.
КОМПЬЮТЕРНАЯ ТОМОГРАФИЯ (КТ)
Метод рентгеновской компьютерной томографии основан на реконструкции изображения определенного сечения тела пациента путем регистрации большого количества рентгеновских проекций этого сечения, выполненных под разными углами. Информация от датчиков, регистрирующих эти проекции, поступает в компьютер, который по специальному программе вычисляет распределение плотно сти образца в исследуемом сечении и отображает его на экране дисплея. Полученное таким образом изображение сечения тела пациента характеризуется прекрасной четкостью и высокой информативностью. Программа позволяет при необходимости увеличить контраст изображения в десятки и даже сотни раз. Это расширяет диагностические возможности метода.
Видеографы (аппараты с цифровой обработкой рентгеновского изображения) в современной стоматологии.
В стоматологии именно рентгенологическое исследование является основным диагностическим методом. Однако ряд традиционных организационно–технических особенностей рентгенодиагностики делают ее не вполне комфортной как для пациента, так и для стоматологических клиник. Это, прежде всего, необходимость контакта пациента с ионизирующим излучением, создающим часто значительную лучевую нагрузку на организм, это также необходимость фотопроцесса, а следовательно, необходимость фотореактивов, в том числе токсичных. Это, наконец, громоздкий архив, тяжелые папки и конверты с рентгеновскими пленками.
Кроме того, современный уровень развития стоматологии делает недостаточной субъективную оценку рентгенограмм человеческим глазом. Как оказалось, из многообразия оттенков серого тона, содержащегося в рентгеновском изображении, глаз воспринимает только 64.
Очевидно, что для получения четкого и подробного изображения твердых тканей зубо–челюстной системы при минимальной лучевой нагрузке нужны иные решения. Поиск привел к созданию, так называемых, радиографических систем, видеографов – систем цифровой рентгенографии.
Без технических подробностей принцип действия таких систем состоит в следующем. Рентгеновское излучение поступает через объект не на фоточувствительную пленку, а на специальный внутриоральный датчик (специальную электронную матрицу). Соответствующий сигнал от матрицы передается на преобразующее его в цифровую форму оцифровывающее устройство (аналого-цифровой преобразователь, АЦП), связанное с компьютером. Специальное программное обеспечение строит на экране компьютера рентгеновское изображение и позволяет обработать его, сохранять на жестком или гибком носителе информации (винчестере, дискетах), в виде файла распечатывать его как картинку.
В цифровой системе рентгеновское изображение представляет собой совокупность точек, имеющих различные цифровые значения градации серого тона. Предусмотренная программой оптимизация отображения информации дает возможность получить оптимальный по яркости и контрастности кадр при относительно малой дозе облучения.
В современных системах, созданными, например, фирмами Trophy (Франция) или Schick (США) при формировании кадра используется 4096 оттенков серого, время экспозиции зависит от объекта исследования и, в среднем, составляет сотые – десятые доли секунды, снижение лучевой нагрузки по отношению к пленке – до 90 % для внутриоральных систем, до 70 % для панорамных видеографов.
При обработке изображений видеографы позволяют:
Получать позитивные и негативные изображения, изображения в псевдоцвете, рельефные изображения.
Повышать контраст и увеличивать интересующий фрагмент изображения.
Оценивать изменение плотности зубных тканей и костных структур, контролировать однородность заполнения каналов.
В эндодонтии определять длину канала любой кривизны, а в хирургии подбирать размер имплантата с точностью 0,1 мм.
Уникальная система Caries detector с элементами искусственного интеллекта при анализе снимка позволяет обнаружить кариес в стадии пятна, кариес корня и скрытый кариес.
«Ф» в формуле (3) относится ко всему интервалу излучаемых длин волн и часто называется «Интегральный поток энергии».
Рентгенология - раздел радиологии, изучающий воздействие на организм животных и человека рентгеновского излучения, возникающие от этого заболевания, их лечение и профилактику, а также методы диагностики различных патологий при помощи рентгеновских лучей (рентгенодиагностика). В состав типового рентгенодиагностического аппарата входит питающее устройство (трансформаторы), высоковольтный выпрямитель, преобразующий переменный ток электрической сети в постоянный, пульт управления, штатив и рентгеновская трубка.
Рентгеновские лучи - это вид электромагнитных колебаний, которые образуются в рентгеновской трубке при резком торможении ускоренных электронов в момент их столкновения с атомами вещества анода. В настоящее время общепризнанной считается точка зрения, что рентгеновские лучи по своей физической природе являются одним из видов лучистой энергии, спектр которых включает также радиоволны, инфракрасные лучи, видимый свет, ультрафиолетовые лучи и гамма-лучи радиоактивных элементов. Рентгеновское излучение можно характеризовать как совокупность его наименьших частиц - квантов или фотонов.
Рис. 1 - передвижной рентгеновский аппарат:
A - рентгеновская трубка;
Б - питающее устройство;
В - регулируемый штатив.
Рис. 2 - пульт управления рентгеновским аппаратом (механический - слева и электронный - справа):A - панель для регулирования экспозиции и жёсткости;
Б - кнопка подачи высокого напряжения.
Рис. 3 - блок-схема типичного рентгенаппарата1 - сеть;
2 - автотрансформатор;
3 - повышающий трансформатор;
4 - рентгеновская трубка;
5 - анод;
6 - катод;
7 - понижающий трансформатор.
Механизм образования рентгеновского излучения
Рентгеновские лучи образуются в момент столкновения потока ускоренных электронов с веществом анода. При взаимодействии электронов с мишенью 99% их кинетической энергии превращается в тепловую энергию и только 1% - в рентгеновское излучение.
Рентгеновская трубка состоит из стеклянного баллона, в который впаяны 2 электрода: катод и анод. Из стеклянного баллона выкачен воздух: движение электронов от катода к аноду возможно лишь в условиях относительного вакуума (10 -7 –10 -8 мм. рт. ст.). На катоде имеется нить накала, являющаяся плотно скрученной вольфрамовой спиралью. При подаче электрического тока на нить накала происходит электронная эмиссия, при которой электроны отделяются от спирали и образуют рядом с катодом электронное облачко. Это облачко концентрируется у фокусирующей чашечки катода, задающей направление движения электронов. Чашечка - небольшое углубление в катоде. Анод, в свою очередь, содержит вольфрамовую металлическую пластину, на которую фокусируются электроны, - это и есть место образования рентгеновских лучей.
Рис. 4 - устройство рентгеновской трубки:
А - катод;
Б - анод;
В - вольфрамовая нить накала;
Г - фокусирующая чашечка катода;
Д - поток ускоренных электронов;
Е - вольфрамовая мишень;
Ж - стеклянная колба;
З - окно из бериллия;
И - образованные рентгеновские лучи;
К - алюминиевый фильтр.
К электронной трубке подключены 2 трансформатора: понижающий и повышающий. Понижающий трансформатор раскаляет вольфрамовую спираль низким напряжением (5-15 вольт), в результате чего возникает электронная эмиссия. Повышающий, или высоковольтный, трансформатор подходит непосредственно к катоду и аноду, на которые подаётся напряжение 20–140 киловольт. Оба трансформатора помещаются в высоковольтный блок рентгеновского аппарата, который наполнен трансформаторным маслом, обеспечивающим охлаждение трансформаторов и их надёжную изоляцию.
После того как при помощи понижающего трансформатора образовалось электронное облачко, включается повышающий трансформатор, и на оба полюса электрической цепи подаётся высоковольтное напряжение: положительный импульс - на анод, и отрицательный - на катод. Отрицательно заряженные электроны отталкиваются от отрицательно заряженного катода и стремятся к положительно заряженному аноду - за счёт такой разности потенциалов достигается высокая скорость движения - 100 тыс. км/с. С этой скоростью электроны бомбардируют вольфрамовую пластину анода, замыкая электрическую цепь, в результате чего возникает рентгеновское излучение и тепловая энергия.
Рентгеновское излучение подразделяется на тормозное и характеристическое. Тормозное излучение возникает из-за резкого замедления скорости электронов, испускаемых вольфрамовой спиралью. Характеристическое излучение возникает в момент перестройки электронных оболочек атомов. Оба этих вида образуются в рентгеновской трубке в момент столкновения ускоренных электронов с атомами вещества анода. Спектр излучения рентгеновской трубки представляет собой наложение тормозного и характеристического рентгеновских излучений.
Рис. 5 - принцип образования тормозного рентгеновского излучения.
Рис. 6 - принцип образования характеристического рентгеновского излучения.
Основные свойства рентгеновского излучения
- Рентгеновские лучи невидимы для визуального восприятия.
- Рентгеновское излучение обладает большой проникающей способностью сквозь органы и ткани живого организма, а также плотные структуры неживой природы, не пропускающие лучи видимого света.
- Рентгеновские лучи вызывают свечение некоторых химических соединений, называемое флюоресценцией.
- Сульфиды цинка и кадмия флюоресцируют жёлто-зелёным цветом,
- Кристаллы вольфрамата кальция - фиолетово-голубым.
Шкала электромагнитных колебаний
Рентгеновские лучи имеют определённую длину волны и частоту колебаний. Длина волны (λ) и частота колебаний (ν) связаны соотношением: λ ν = c, где c - скорость света, округлённо равная 300 000 км в секунду. Энергия рентгеновских лучей определяется формулой E = h ν, где h - постоянная Планка, универсальная постоянная, равная 6,626 10 -34 Дж⋅с. Длина волны лучей (λ) связана с их энергией (E) соотношением: λ = 12,4 / E.
Рентгеновское излучение отличается от других видов электромагнитных колебаний длиной волны (см. таблицу) и энергией кванта. Чем короче длина волны, тем выше её частота, энергия и проникающая способность. Длина волны рентгеновского излучения находится в интервале
. Изменяя длину волны рентгеновского излучения, можно регулировать его проникающую способность. Рентгеновские лучи имеют очень малую длину волны, но большую частоту колебаний, поэтому невидимы человеческим глазом. Благодаря огромной энергии кванты обладают большой проникающей способностью, что является одним из главных свойств, обеспечивающих использование рентгеновского излучения в медицине и других науках.Характеристики рентгеновского излучения
Интенсивность - количественная характеристика рентгеновского излучения, которая выражается количеством лучей, испускаемых трубкой в единицу времени. Интенсивность рентгеновского излучения измеряется в миллиамперах. Сравнивая её с интенсивностью видимого света от обычной лампы накаливания, можно провести аналогию: так, лампа на 20 Ватт будет светить с одной интенсивностью, или силой, а лампа на 200 Ватт - с другой, при этом качество самого света (его спектр) является одинаковым. Интенсивность рентгеновского излучения, по сути, это его количество. Каждый электрон создаёт на аноде один или несколько квантов излучения, следовательно, количество рентгеновских лучей при экспонировании объекта регулируется путём изменения количества электронов, стремящихся к аноду, и количества взаимодействий электронов с атомами вольфрамовой мишени, что можно осуществить двумя путями:
- Изменяя степень накала спирали катода при помощи понижающего трансформатора (количество электронов, образующихся при эмиссии, будет зависеть от того, насколько сильно раскалена вольфрамовая спираль, а количество квантов излучения будет зависеть от количества электронов);
- Изменяя величину высокого напряжения, подводимого повышающим трансформатором к полюсам трубки - кадоду и аноду (чем выше напряжение подаётся на полюса трубки, тем большую кинетическую энергию получают электроны, которые за счёт своей энергии могут взаимодействовать с несколькими атомами вещества анода поочерёдно - см. рис. 5 ; электроны с низкой энергией смогут вступить в меньшее число взаимодействий).
Интенсивность рентгеновского излучения (анодный ток), помноженная на выдержку (время работы трубки), соответствует экспозиции рентгеновского излучения, которая измеряется в мАс (миллиамперах в секунду). Экспозиция - это параметр, который, также как и интенсивность, характеризует количество лучей, испускаемых рентгеновской трубкой. Разница состоит лишь в том, что экспозиция учитывает ещё и время работы трубки (так, например, если трубка работает 0,01 сек., то количество лучей будет одним, а если 0,02 сек, то количество лучей будет другим - в два раза больше). Экспозиция излучения устанавливается рентгенологом на контрольной панели рентгеновского аппарата в зависимости от вида исследования, размеров исследуемого объекта и диагностической задачи.
Жёсткость - качественная характеристика рентгеновского излучения. Измеряется величиной высокого напряжения на трубке - в киловольтах. Определяет проникающую способность рентгеновских лучей. Регулируется величиной высокого напряжения, подводимого к рентгеновской трубке повышающим трансформатором. Чем выше разность потенциалов создаётся на электродах трубки, тем с большей силой электроны отталкиваются от катода и устремляются к аноду и тем сильнее их столкновение с анодом. Чем сильнее их столкновение, тем короче длина волны у возникающего рентгеновского излучения и выше проникающая способность данной волны (или жёсткость излучения, которая, так же как и интенсивность, регулируется на контрольной панели параметром напряжением на трубке - киловольтажем).
λ - длина волны;
Рис. 7 - Зависимость длины волны от энергии волны:
E - энергия волны
Рис. 8 - Соотношение напряжения на рентгеновской трубке и длины волны образующегося рентгеновского излучения:
Классификация рентгеновских трубок
- По назначению
- Диагностические
- Терапевтические
- Для структурного анализа
- Для просвечивания
- По конструкции
- По фокусности
- Однофокусные (на катоде одна спираль, а на аноде одно фокусное пятно)
- Двухфокусные (на катоде две спирали разного размера, а на аноде два фокусных пятна)
- По типу анода
- Стационарный (неподвижный)
- Вращающийся
Рентгеновские лучи применяются не только в рентгенодиагностических целях, но также и в терапевтических. Как было отмечено выше, способноcть рентгеновского излучения подавлять рост опухолевых клеток позволяет использовать его в лучевой терапии онкологических заболеваний. Помимо медицинской области применения, рентгеновское излучение нашло широкое применение в инженерно-технической сфере, материаловедении, кристаллографии, химии и биохимии: так, например, возможно выявление структурных дефектов в различных изделиях (рельсах, сварочных швах и пр.) с помощью рентгеновского излучения. Вид такого исследования называется дефектоскопией. А в аэропортах, на вокзалах и других местах массового скопления людей активно применяются рентгенотелевизионные интроскопы для просвечивания ручной клади и багажа в целях безопасности.
В зависимости от типа анода, рентгеновские трубки различаются по конструкции. В силу того, что 99% кинетической энергии электронов переходит в тепловую энергию, во время работы трубки происходит значительное нагревание анода - чувствительная вольфрамовая мишень часто сгорает. Охлаждение анода осуществляется в современных рентгеновских трубках при помощи его вращения. Вращающийся анод имеет форму диска, который распределяет тепло по всей своей поверхности равномерно, препятствуя локальному перегреву вольфрамовой мишени.
Конструкция рентгеновских трубок различается также по фокусности. Фокусное пятно - участок анода, на котором происходит генерирование рабочего пучка рентгеновского излучения. Подразделяется на реальное фокусное пятно и эффективное фокусное пятно (рис. 12 ). Из-за того, что анод расположен под углом, эффективное фокусное пятно меньше, чем реальное. Различные размеры фокусного пятна используются в зависимости от величины области снимка. Чем больше область снимка, тем шире должно быть фокусное пятно, чтобы покрыть всю площадь снимка. Однако меньшее фокусное пятно формирует лучшую чёткость изображения. Поэтому при производстве небольших снимков используется короткая нить накала и электроны направляются на небольшую область мишени анода, создавая меньшее фокусное пятно.
Рис. 9 - рентгеновская трубка со стационарным анодом.
Рис. 10 - рентгеновская трубка с вращающимся анодом.
Рис. 11 - устройство рентгеновской трубки с вращающимся анодом.
Рис. 12 - схема образования реального и эффективного фокусного пятна.
Основные свойства рентгеновского излучения
1. Большая проникающая и ионизирующая способность.
2. Не отклоняются электрическим и магнитным полем.
3. Обладают фотохимическим действием.
4. Вызывают свечение веществ.
5. Отражение, преломление и дифракция как у видимого излучения.
6. Оказывают биологическое действие на живые клетки.
1. Взаимодействие с веществом
Длина волны рентгеновских лучей сравнима с размерами атомов, поэтому не существует материала, из которого можно было бы изготовить линзу для рентгеновских лучей. Кроме того, при перпендикулярном падении на поверхность рентгеновские лучи почти не отражаются. Несмотря на это, в рентгеновской оптике были найдены способы построения оптических элементов для рентгеновских лучей. В частности выяснилось, что их хорошо отражает алмаз.
Рентгеновские лучи могут проникать сквозь вещество, причём различные вещества по-разному их поглощают. Поглощение рентгеновских лучей является важнейшим их свойством в рентгеновской съёмке. Интенсивность рентгеновских лучей экспоненциально убывает в зависимости от пройденного пути в поглощающем слое (I = I0e-kd, где d - толщина слоя, коэффициент k пропорционален Z³λ³, Z - атомный номер элемента, λ - длина волны).
Поглощение происходит в результате фотопоглощения (фотоэффекта) и комптоновского рассеяния:
Под фотопоглощением понимается процесс выбивания фотоном электрона из оболочки атома, для чего требуется, чтобы энергия фотона была больше некоторого минимального значения. Если рассматривать вероятность акта поглощения в зависимости от энергии фотона, то при достижении определённой энергии она (вероятность) резко возрастает до своего максимального значения. Для более высоких значений энергии вероятность непрерывно уменьшается. По причине такой зависимости говорят, что существует граница поглощения. Место выбитого при акте поглощения электрона занимает другой электрон, при этом испускается излучение с меньшей энергией фотона, происходит т. н. процесс флюоресценции.
Рентгеновский фотон может взаимодействовать не только со связанными электронами, но и со свободными, а также слабосвязанными электронами. Происходит рассеяние фотонов на электронах - т. н. комптоновское рассеяние. В зависимости от угла рассеяния, длина волны фотона увеличивается на определённую величину и, соответственно, энергия уменьшается. Комптоновское рассеяние, по сравнению с фотопоглощением, становится преобладающим при более высоких энергиях фотона.
В дополнение к названным процессам существует ещё одна принципиальная возможность поглощения - за счёт возникновения электрон-позитронных пар. Однако для этого необходимы энергии более 1,022 МэВ, которые лежат вне вышеобозначенной границы рентгеновского излучения (<250 кэВ). Однако при другом подходе, когда "ренгеновским" называется излучение, возникшее при взаимодействии электрона и ядра или только электронов, такой процесс имеет место быть. Кроме того, очень жесткое рентгеновское излучение с энергией кванта более 1 МэВ, способно вызвать Ядерный фотоэффект.
[править]
2. Биологическое воздействие
Рентгеновское излучение является ионизирующим. Оно воздействует на ткани живых организмов и может быть причиной лучевой болезни, лучевых ожогов и злокачественных опухолей. По причине этого при работе с рентгеновским излучением необходимо соблюдать меры защиты. Считается, что поражение прямо пропорционально поглощённой дозе излучения. Рентгеновское излучение является мутагенным фактором.
[править]
3. Регистрация
Эффект люминесценции. Рентгеновские лучи способны вызывать у некоторых веществ свечение (флюоресценцию). Этот эффект используется в медицинской диагностике при рентгеноскопии (наблюдение изображения на флюоресцирующем экране) и рентгеновской съёмке (рентгенографии). Медицинские фотоплёнки, как правило, применяются в комбинации с усиливающими экранами, в состав которых входят рентгенолюминофоры, которые светятся под действием рентгеновского излучения и засвечивает светочувствительную фотоэмульсию. Метод получения изображения в натуральную величину называется рентгенографией. При флюорографии изображение получается в уменьшенном масштабе. Люминесцирующее вещество (сцинтиллятор) можно оптически соединить с электронным детектором светового излучения (фотоэлектронный умножитель, фотодиод и т. п.), полученный прибор называется сцинтилляционным детектором. Он позволяет регистрировать отдельные фотоны и измерять их энергию, поскольку энергия сцинтилляционной вспышки пропорциональна энергии поглощённого фотона.
Фотографический эффект. Рентгеновские лучи, также как и обычный свет, способны напрямую засвечивать фотографическую эмульсию. Однако без флюоресцирующего слоя для этого требуется в 30-100 раз большая экспозиция (то есть доза). Преимуществом этого метода (известного под названием безэкранная рентгенография) является бо́льшая резкость изображения.
В полупроводниковых детекторах рентгеновские лучи производят пары электрон-дырка в p-n переходе диода, включённого в запирающем направлении. При этом протекает небольшой ток, амплитуда которого пропорциональна энергии и интенсивности падающего рентгеновского излучения. В импульсном режиме возможна регистрация отдельных рентгеновских фотонов и измерение их энергии.
Отдельные фотоны рентгеновского излучения могут быть также зарегистрированы при помощи газонаполненных детекторов ионизирующего излучения (счётчик Гейгера, пропорциональная камера и др.).
Применение
При помощи рентгеновских лучей можно «просветить» человеческое тело, в результате чего можно получить изображение костей, а в современных приборах и внутренних органов (см. также рентген). При этом используется тот факт, что у содержащегося преимущественно в костях элемента кальция (Z=20) атомный номер гораздо больше, чем атомные номера элементов, из которых состоят мягкие ткани, а именно водорода (Z=1), углерода (Z=6), азота (Z=7), кислорода (Z=8). Кроме обычных приборов, которые дают двумерную проекцию исследуемого объекта, существуют компьютерные томографы, которые позволяют получать объёмное изображение внутренних органов.
Выявление дефектов в изделиях (рельсах, сварочных швах и т. д.) с помощью рентгеновского излучения называется рентгеновской дефектоскопией.
В материаловедении, кристаллографии, химии и биохимии рентгеновские лучи используются для выяснения структуры веществ на атомном уровне при помощи дифракционного рассеяния рентгеновского излучения (рентгеноструктурный анализ). Известным примером является определение структуры ДНК.
Кроме того, при помощи рентгеновских лучей может быть определён химический состав вещества. В электронно-лучевом микрозонде (либо же в электронном микроскопе) анализируемое вещество облучается электронами, при этом атомы ионизируются и излучают характеристическое рентгеновское излучение. Вместо электронов может использоваться рентгеновское излучение. Этот аналитический метод называется рентгенофлуоресцентным анализом.
В аэропортах активно применяются рентгенотелевизионные интроскопы, позволяющие просматривать содержимое ручной клади и багажа в целях визуального обнаружения на экране монитора предметов, представляющих опасность.
Рентгенотерапия - раздел лучевой терапии, охватывающий теорию и практику лечебного применения рентгеновских лучей, генерируемых при напряжении на рентгеновской трубке 20-60 кв и кожно-фокусном расстоянии 3-7 см (короткодистанционная рентгенотерапия) или при напряжении 180-400 кв и кожно-фокусном расстоянии 30-150 см (дистанционная рентгенотерапия).
Рентгенотерапию проводят преимущественно при поверхностно расположенных опухолях и при некоторых других заболеваниях, в том числе заболеваниях кожи (ультрамягкие рентгеновские лучи Букки).
[править]
Естественное рентгеновское излучение
На Земле электромагнитное излучение в рентгеновском диапазоне образуется в результате ионизации атомов излучением, которое возникает при радиоактивном распаде, в результате комптон-эффекта гамма-излучения, возникающего при ядерных реакциях, а также космическим излучением. Радиоактивный распад также приводит к непосредственному излучению рентгеновских квантов, если вызывает перестройку электронной оболочки распадающегося атома (например, при электронном захвате). Рентгеновское излучение, которое возникает на других небесных телах, не достигает поверхности Земли, так как полностью поглощается атмосферой. Оно исследуется спутниковыми рентгеновскими телескопами, такими как Чандра и XMM-Ньютон.
Рентгеновское излучение (синоним рентгеновские лучи) - это с широким диапазоном длин волн (от 8·10 -6 до 10 -12 см). Рентгеновское излучение возникает при торможении заряженных частиц, чаще всего электронов, в электрическом поле атомов вещества. Образующиеся при этом кванты имеют различную энергию и образуют непрерывный спектр. Максимальная энергия квантов в таком спектре равна энергии налетающих электронов. В (см.) максимальная энергия квантов рентгеновского излучения, выраженная в килоэлектрон-вольтах, численно равна величине приложенного к трубке напряжения, выраженного в киловольтах. При прохождении через вещество рентгеновское излучение взаимодействует с электронами его атомов. Для квантов рентгеновского излучения с энергией до 100 кэв наиболее характерным видом взаимодействия является фотоэффект. В результате такого взаимодействия энергия кванта полностью расходуется на вырывание электрона из атомной оболочки и сообщения ему кинетической энергии. С ростом энергии кванта рентгеновского излучения вероятность фотоэффекта уменьшается и преобладающим становится процесс рассеяния квантов на свободных электронах - так называемый комптон-эффект. В результате такого взаимодействия также образуется вторичный электрон и, кроме того, вылетает квант с энергией меньшей, чем энергия первичного кванта. Если энергия кванта рентгеновского излучения превышает один мегаэлектрон-вольт, может иметь место так называемый эффект образования пар, при котором образуются электрон и позитрон (см. ). Следовательно, при прохождении через вещество происходит уменьшение энергии рентгеновского излучения, т. е. уменьшение его интенсивности. Поскольку при этом с большей вероятностью происходит поглощение квантов низкой энергии, то имеет место обогащение рентгеновского излучения квантами более высокой энергии. Это свойство рентгеновского излучения используют для увеличения средней энергии квантов, т. е. для увеличения его жесткости. Достигается увеличение жесткости рентгеновского излучения использованием специальных фильтров (см. ). Рентгеновское излучение применяют для рентгенодиагностики (см. ) и (см.). См. также Излучения ионизирующие.
Рентгеновское излучение (синоним: рентгеновские лучи, рентгеновы лучи) - квантовое электромагнитное излучение с длиной волны от 250 до 0,025 А (или квантов анергии от 5·10 -2 до 5·10 2 кэв). В 1895 г. открыто В. К. Рентгеном. Смежную с рентгеновским излучением спектральную область электромагнитного излучения, кванты энергии которого превышают 500 кэв, называют гамма-излучением (см.); излучение, кванты энергии которого ниже значений 0,05 кэв, составляет ультрафиолетовое излучение (см.).
Таким образом, представляя относительно небольшую часть обширного спектра электромагнитных излучений, в который входят и радиоволны и видимый свет, рентгеновское излучение, как всякое электромагнитное излучение, распространяется со скоростью света (в пустоте около 300 тыс. км/сек) и характеризуется длиной волны λ (расстояние, на которое излучение распространяется за один период колебания). Рентгеновское излучение обладает также рядом других волновых свойств (преломление, интерференция, дифракция), однако наблюдать их значительно сложнее, чем у более длинноволнового излучения: видимого света, радиоволн.
Спектры рентгеновского излучения: а1 - сплошной тормозной спектр при 310 кв; а - сплошной тормозной спектр при 250 кв, а1 - спектр, фильтрованный 1 мм Cu, а2 - спектр, фильтрованный 2 мм Cu, б - К-серия линии вольфрама.
Для генерирования рентгеновского излучения применяют рентгеновские трубки (см.), в которых излучение возникает при взаимодействии быстрых электронов с атомами вещества анода. Различают рентгеновские излучения двух видов: тормозное и характеристическое. Тормозное рентгеновское излучение, имеющее сплошной спектр, подобно обычному белому свету. Распределение интенсивности в зависимости от длины волны (рис.) представляется кривой с максимумом; в сторону длинных волн кривая спадает полого, а в сторону коротких - круто и обрывается при определенной длине волны (λ0), называемой коротковолновой границей сплошного спектра. Величина λ0 обратно пропорциональна напряжению на трубке. Тормозное излучение возникает при взаимодействии быстрых электронов с ядрами атомов. Интенсивность тормозного излучения прямо пропорциональна силе анодного тока, квадрату напряжения на трубке и атомному номеру (Z) вещества анода.
Если энергия ускоренных в рентгеновской трубке электронов превосходит критическую для вещества анода величину (эта энергия определяется критическим для этого вещества напряжением на трубке Vкр), то возникает характеристическое излучение. Характеристический спектр - линейчатый, его спектральные линии образуют серии, обозначаемые буквами К, L, М, N.
Серия К - самая коротковолновая, серия L - более длинноволновая, серии М и N наблюдаются только у тяжелых элементов (Vкр вольфрама для К-серии - 69,3 кв, для L-серии - 12,1 кв). Характеристическое излучение возникает следующим образом. Быстрые электроны выбивают атомные электроны из внутренних оболочек. Атом возбуждается, а затем возвращается в основное состояние. При этом электроны из внешних, менее связанных оболочек заполняют освободившиеся во внутренних оболочках места, и излучаются фотоны характеристического излучения с энергией, равной разности энергий атома в возбужденном и основном состоянии. Эта разность (а следовательно, и энергия фотона) имеет определенное значение, характерное для каждого элемента. Это явление лежит в основе рентгеноспектрального анализа элементов. На рисунке виден линейчатый спектр вольфрама на фоне сплошного спектра тормозного излучения.
Энергия ускоренных в рентгеновской трубке электронов преобразуется почти целиком в тепловую (анод при этом сильно нагревается), лишь незначительная часть (около 1% при напряжении, близком к 100 кв) превращается в энергию тормозного излучения.
Применение рентгеновского излучения в медицине основано на законах поглощения рентгеновых лучей веществом. Поглощение рентгеновского излучения совершенно не зависит от оптических свойств вещества поглотителя. Бесцветное и прозрачное свинцовое стекло, используемое для защиты персонала рентгеновских кабинетов, практически полностью поглощает рентгеновское излучение. Напротив, лист бумаги, не прозрачный для света, не ослабляет рентгеновского излучения.
Интенсивность однородного (т. е. определенной длины волны) пучка рентгеновского излучения при прохождении через слой поглотителя уменьшается по экспоненциальному закону (е-х), где е - основание натуральных логарифмов (2,718), а показатель экспоненты х равен произведению массового коэффициента ослабления (μ/р) см 2 /г на толщину поглотителя в г/см 2 (здесь р - плотность вещества в г/см 3). Ослабление рентгеновского излучения происходит как за счет рассеяния, так и за счет поглощения. Соответственно массовый коэффициент ослабления является суммой массовых коэффициентов поглощения и рассеяния. Массовый коэффициент поглощения резко возрастает с увеличением атомного номера (Z) поглотителя (пропорционально Z3 или Z5) и с увеличением длины волны (пропорционально λ3). Указанная зависимость от длины волны наблюдается в пределах полос поглощения, на границах которых коэффициент обнаруживает скачки.
Массовый коэффициент рассеяния возрастает с увеличением атомного номера вещества. При λ≥0,ЗÅ коэффициент рассеяния от длины волны не зависит, при λ<0,ЗÅ он уменьшается с уменьшением λ.
Уменьшение коэффициентов поглощения и рассеяния с уменьшением длины волны обусловливает возрастание проникающей способности рентгеновского излучения. Массовый коэффициент поглощения для костей [поглощение в основном обусловлено Са 3 (РO 4) 2 ] почти в 70 раз больше, чем для мягких тканей, где поглощение в основном обусловлено водой. Это объясняет, почему на рентгенограммах так резко выделяется тень костей на фоне мягких тканей.
Распространение неоднородного пучка рентгеновского излучения через любую среду наряду с уменьшением интенсивности сопровождается изменением спектрального состава, изменением качества излучения: длинноволновая часть спектра поглощается в большей степени, чем коротковолновая, излучение становится более однородным. Отфильтровывание длинноволновой части спектра позволяет при рентгенотерапии очагов, глубоко расположенных в теле человека, улучшить соотношение между глубинной и поверхностной дозами (см. Рентгеновские фильтры). Для характеристики качества неоднородного пучка рентгеновых лучей используется понятие «слой половинного ослабления (Л)» - слой вещества, ослабляющий излучение наполовину. Толщина этого слоя зависит от напряжения на трубке, толщины и материала фильтра. Для измерения слоев половинного ослабления используют целлофан (до энергии 12 кэв), алюминий (20-100 кэв), медь (60-300 кэв), свинец и медь (>300 кэв). Для рентгеновых лучей, генерируемых при напряжениях 80-120 кв, 1 мм меди по фильтрующей способности эквивалентен 26 мм алюминия, 1 мм свинца - 50,9 мм алюминия.
Поглощение и рассеяние рентгеновского излучения обусловлено его корпускулярными свойствами; рентгеновское излучение взаимодействует с атомами как поток корпускул (частиц) - фотонов, каждый из которых имеет определенную энергию (обратно пропорциональную длине волны рентгеновского излучения). Интервал энергий рентгеновских фотонов 0,05-500 кэв.
Поглощение рентгеновского излучения обусловлено фотоэлектрическим эффектом: поглощение фотона электронной оболочкой сопровождается вырыванием электрона. Атом возбуждается и, возвращаясь в основное состояние, испускает характеристическое излучение. Вылетающий фотоэлектрон уносит всю энергию фотона (за вычетом энергии связи электрона в атоме).
Рассеяние рентгеновского излучения обусловлено электронами рассеивающей среды. Различают классическое рассеяние (длина волны излучения не меняется, но меняется направление распространения) и рассеяние с изменением длины волны - комптон-эффект (длина волны рассеянного излучения больше, чем падающего). В последнем случае фотон ведет себя как движущийся шарик, а рассеяние фотонов происходит, по образному выражению Комнтона, наподобие игры на бильярде фотонами и электронами: сталкиваясь с электроном, фотон передает ему часть своей энергии и рассеивается, обладая уже меньшей энергией (соответственно длина волны рассеянного излучения увеличивается), электрон вылетает из атома с энергией отдачи (эти электроны называют комптон-электронами, или электронами отдачи). Поглощение энергии рентгеновского излучения происходит при образовании вторичных электронов (комптон - и фотоэлектронов) и передаче им энергии. Энергия рентгеновского излучения, переданная единице массы вещества, определяет поглощенную дозу рентгеновского излучения. Единица этой дозы 1 рад соответствует 100 эрг/г. За счет поглощенной энергии в веществе поглотителя протекает ряд вторичных процессов, имеющих важное значение для дозиметрии рентгеновского излучения, так как именно на них основываются методы измерения рентгеновского излучения. (см. Дозиметрия).
Все газы и многие жидкости, полупроводники и диэлектрики под действием рентгеновского излучения увеличивают электрическую проводимость. Проводимость обнаруживают лучшие изоляционные материалы: парафин, слюда, резина, янтарь. Изменение проводимости обусловлено ионизацией среды, т. е. разделением нейтральных молекул на положительные и отрицательные ионы (ионизацию производят вторичные электроны). Ионизация в воздухе используется для определения экспозиционной дозы рентгеновского излучения (дозы в воздухе), которая измеряется в рентгенах (см. Дозы ионизирующих излучений). При дозе в 1 р поглощенная доза в воздухе равна 0,88 рад.
Под действием рентгеновского излучения в результате возбуждения молекул вещества (и при рекомбинации ионов) возбуждается во многих случаях видимое свечение вещества. При больших интенсивностях рентгеновского излучения наблюдается видимое свечение воздуха, бумаги, парафина и т. п. (исключение составляют металлы). Наибольший выход видимого свечения дают такие кристаллические люминофоры, как Zn·CdS·Ag-фосфор и другие, применяемые для экранов при рентгеноскопии.
Под действием рентгеновского излучения в веществе могут проходить также различные химические процессы: разложение галоидных соединений серебра (фотографический эффект, используемый при рентгенографии), разложение воды и водных растворов перекиси водорода, изменение свойств целлулоида (помутнение и выделение камфоры), парафина (помутнение и отбелка).
В результате полного преобразования вся поглощенная химически инертным веществом энергия рентгеновское излучение превращается в теплоту. Измерение очень малых количеств теплоты требует высокочувствительных методов, зато является основным способом абсолютных измерений рентгеновского излучения.
Вторичные биологические эффекты от воздействия рентгеновского излучения являются основой медицинской рентгенотерапии (см.). Рентгеновские излучения, кванты которых составляют 6-16 кэв (эффективные длины волн от 2 до 5 Å), практически полностью поглощаются кожным покровом ткани человеческого тела; они называются пограничными лучами, или иногда лучами Букки (см. Букки лучи). Для глубокой рентгенотерапии применяется жесткое фильтрованное излучение с эффективными квантами энергии от 100 до 300 кэв.
Биологическое действие рентгеновского излучения должно учитываться не только при рентгенотерапии, но и при рентгенодиагностике, а также во всех других случаях контакта с рентгеновским излучением, требующих применения противолучевой защиты (см.).
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. В спектре присутствуют ярко выраженные компоненты, как это показано на рис. 1.
Рис. 1. ОБЫЧНЫЙ РЕНТГЕНОВСКИЙ СПЕКТР состоит из непрерывного спектра (континуума) и характеристических линий (острые пики). Линии Кia и Кib возникают вследствие взаимодействий ускоренных электронов с электронами внутренней К-оболочки.
Широкий «континуум» называют непрерывным спектром или белым излучением. Налагающиеся на него острые пики называются характеристическими рентгеновскими линиями испускания. Хотя весь спектр есть результат столкновений электронов с веществом, механизмы возникновения его широкой части и линий разные. Вещество состоит из большого числа атомов, каждый из которых имеет ядро, окруженное электронными оболочками, причем каждый электрон в оболочке атома данного элемента занимает некоторый дискретный уровень энергии. Обычно эти оболочки, или энергетические уровни, обозначают символами K, L, M и т.д., начиная от ближайшей к ядру оболочки. Когда налетающий электрон, обладающий достаточно большой энергией, соударяется с одним из связанных с атомом электронов, он выбивает этот электрон с его оболочки. Опустевшее место занимает другой электрон с оболочки, которой соответствует большая энергия. Этот последний отдает избыток энергии, испуская рентгеновский фотон. Поскольку электроны оболочек имеют дискретные значения энергии, возникающие рентгеновские фотоны тоже обладают дискретным спектром. Этому соответствуют острые пики для определенных длин волн, конкретные значения которых зависят от элемента-мишени. Характеристические линии образуют K-, L- и M-серии, в зависимости от того, с какой оболочки (K, L или M) был удален электрон. Соотношение между длиной волны рентгеновского излучения и атомным номером называется законом Мозли (рис. 2).
Рис. 2. ДЛИНА ВОЛНЫ ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, испускаемого химическими элементами, зависит от атомного номера элемента. Кривая соответствует закону Мозли: чем больше атомный номер элемента, тем меньше длина волны характеристической линии.
Если электрон наталкивается на относительно тяжелое ядро, то он тормозится, а его кинетическая энергия выделяется в виде рентгеновского фотона примерно той же энергии. Если же он пролетит мимо ядра, то потеряет лишь часть своей энергии, а остальную будет передавать попадающимся на его пути другим атомам. Каждый акт потери энергии ведет к излучению фотона с какой-то энергией. Возникает непрерывный рентгеновский спектр, верхняя граница которого соответствует энергии самого быстрого электрона. Таков механизм образования непрерывного спектра, а максимальная энергия (или минимальная длина волны), фиксирующая границу непрерывного спектра, пропорциональна ускоряющему напряжению, которым определяется скорость налетающих электронов. Спектральные линии характеризуют материал бомбардируемой мишени, а непрерывный спектр определяется энергией электронного пучка и практически не зависит от материала мишени.
Рентгеновское излучение можно получать не только электронной бомбардировкой, но и облучением мишени рентгеновским же излучением от другого источника. В этом случае, однако, бльшая часть энергии падающего пучка переходит в характеристический рентгеновский спектр и очень малая ее доля приходится на непрерывный. Очевидно, что пучок падающего рентгеновского излучения должен содержать фотоны, энергия которых достаточна для возбуждения характеристических линий бомбардируемого элемента. Высокий процент энергии, приходящейся на характеристический спектр, делает такой способ возбуждения рентгеновского излучения удобным для научных исследований.
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. 3), источником электронов является вольфрамовый катод, нагреваемый до высокой температуры. 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.
Рис. 3. РЕНТГЕНОВСКАЯ ТРУБКА КУЛИДЖА. 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.