WYKŁAD
PROMIENIOWANIE RTG
Natura promieni rentgenowskich
Rentgen Bremsstrahlung, jego właściwości spektralne.
Charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie (do wglądu).
Oddziaływanie promieniowania rentgenowskiego z materią.
Fizyczne podstawy wykorzystania promieni rentgenowskich w medycynie.
Promienie rentgenowskie (promienie rentgenowskie) odkrył K. Roentgen, który w 1895 roku został pierwszym Laureat Nagrody Nobla w fizyce.
Natura promieni rentgenowskich
promieniowanie rentgenowskie - fale elektromagnetyczne o długości od 80 do 10 -5 nm. Promieniowanie długofalowe rentgenowskie jest objęte krótkofalowym promieniowaniem UV, a krótkofalowe promieniowaniem długofalowym .
Promienie rentgenowskie są wytwarzane w lampach rentgenowskich. rys.1.
K - katoda
1 - wiązka elektronów
2 - Promieniowanie rentgenowskie
Ryż. 1. Aparat rentgenowski.
Rura jest szklaną kolbą (o możliwie wysokiej próżni: ciśnienie w niej wynosi około 10–6 mm Hg) z dwiema elektrodami: anodą A i katodą K, do których przykładane jest wysokie napięcie U (kilka tysięcy woltów) . Katoda jest źródłem elektronów (ze względu na zjawisko emisji termojonowej). Anoda to metalowy pręt o nachylonej powierzchni w celu skierowania powstałego promieniowania rentgenowskiego pod kątem do osi lampy. Wykonany jest z materiału silnie przewodzącego ciepło, który usuwa ciepło generowane podczas bombardowania elektronami. Na ukośnym końcu znajduje się płyta wykonana z metalu ogniotrwałego (na przykład wolframu).
Silne nagrzewanie się anody wynika z faktu, że główna liczba elektronów w wiązce katodowej, uderzając w anodę, doświadcza licznych zderzeń z atomami substancji i przekazuje im dużą ilość energii.
Pod działaniem wysokiego napięcia elektrony emitowane przez żarnik z gorącą katodą są przyspieszane do wysokich energii. Energia kinetyczna elektronu jest równa mv 2 /2. Jest równa energii, którą uzyskuje, poruszając się w polu elektrostatycznym lampy:
śr 2 /2 = UE(1)
gdzie m, e to masa i ładunek elektronu, U to napięcie przyspieszające.
Procesy prowadzące do pojawienia się promieni rentgenowskich bremsstrahlung są spowodowane intensywnym hamowaniem elektronów w materiale anodowym przez pole elektrostatyczne jądra atomowego i elektronów atomowych.
Mechanizm pochodzenia można przedstawić w następujący sposób. Poruszające się elektrony to pewien rodzaj prądu, który tworzy własne pole magnetyczne. Spowolnienie elektronów - spadek natężenia prądu i odpowiednio zmiana indukcji pole magnetyczne, co spowoduje pojawienie się zmiennego pola elektrycznego, tj. pojawienie się fali elektromagnetycznej.
Tak więc, kiedy naładowana cząstka wlatuje w materię, zwalnia, traci energię i prędkość oraz emituje fale elektromagnetyczne.
Właściwości spektralne promieni rentgenowskich bremsstrahlung .
Tak więc w przypadku spowolnienia elektronów w materiale anodowym, promieniowanie bremsstrahlung.
Widmo bremsstrahlung jest ciągłe. Powód tego jest następujący.
Kiedy elektrony zwalniają, każdy z nich ma część energii użytej do ogrzania anody (E 1 \u003d Q), druga część do wytworzenia fotonu rentgenowskiego (E 2 \u003d hv), w przeciwnym razie eU \u003d hv + Q. Stosunek między tymi częściami jest losowy.
W ten sposób ciągłe widmo promieniowania rentgenowskiego bremsstrahlung powstaje w wyniku spowolnienia wielu elektronów, z których każdy emituje jeden kwant promieniowania rentgenowskiego hv (h) o ściśle określonej wartości. Wartość tego kwantu różne dla różnych elektronów. Zależność strumienia energii promieniowania rentgenowskiego od długości fali , tj. widmo rentgenowskie pokazano na rys.2.
Rys.2. Widmo Bremsstrahlung: a) przy różnych napięciach U w rurze; b) w różnych temperaturach T katody.
Promieniowanie krótkofalowe (twarde) ma większą siłę przenikania niż promieniowanie długofalowe (miękkie). Promieniowanie miękkie jest silniej pochłaniane przez materię.
Od strony krótkich długości fal widmo kończy się nagle przy pewnej długości fali m i n . Takie krótkofalowe bremsstrahlung występuje, gdy energia pobierana przez elektron w przyspieszającym polu jest całkowicie zamieniana na energię fotonu (Q = 0):
eU = hv max = hc/ min , min = hc/(eU), (2)
min (nm) = 1,23/UkV
Skład spektralny promieniowania zależy od napięcia na lampie rentgenowskiej, wraz ze wzrostem napięcia wartość m in przesuwa się w kierunku fal krótkich (rys. 2a).
Gdy zmienia się temperatura T żarzenia katody, wzrasta emisja elektronów. W konsekwencji prąd I w rurze wzrasta, ale skład spektralny promieniowania nie ulega zmianie (rys. 2b).
Strumień energii Ф bremsstrahlung jest wprost proporcjonalny do kwadratu napięcia U między anodą a katodą, natężenia prądu I w rurze i liczby atomowej Z substancji anodowej:
Ф = kZU 2 I. (3)
gdzie k \u003d 10 -9 W / (V 2 A).
Charakterystyczne promienie rentgenowskie (do zapoznania się).
Zwiększenie napięcia na lampie rentgenowskiej prowadzi do tego, że na tle widma ciągłego pojawia się linia, która odpowiada charakterystycznemu promieniowaniu rentgenowskiemu. To promieniowanie jest charakterystyczne dla materiału anodowego.
Mechanizm jego występowania jest następujący. Przy wysokim napięciu przyspieszone elektrony (o dużej energii) wnikają głęboko w atom i wybijają elektrony z jego wewnętrznych warstw. Elektrony z wyższych poziomów przechodzą do wolnych miejsc, w wyniku czego emitowane są fotony o charakterystycznym promieniowaniu.
Widma charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego różnią się od widm optycznych.
- Jednolitość.
Jednorodność charakterystycznych widm wynika z faktu, że wewnętrzne warstwy elektronowe różnych atomów są takie same i różnią się tylko energetycznie z powodu działania siły od jąder, która wzrasta wraz ze wzrostem liczby pierwiastków. Dlatego charakterystyczne widma przesuwają się w kierunku wyższych częstotliwości wraz ze wzrostem ładunku jądrowego. Zostało to eksperymentalnie potwierdzone przez pracownika Rentgena - Moseley, który zmierzył częstotliwości przejścia promieniowania rentgenowskiego dla 33 pierwiastków. Stworzyli prawo.
PRAWO MOJŻESZOWEGO – pierwiastek kwadratowy z częstotliwości promieniowania charakterystycznego jest funkcją liniową liczby porządkowej elementu:
= A (Z - B), (4)
gdzie v jest częstotliwością linii widmowej, Z jest liczbą atomową elementu emitującego. A, B są stałymi.
Znaczenie prawa Moseleya polega na tym, że z tej zależności można dokładnie określić liczbę atomową badanego pierwiastka na podstawie zmierzonej częstotliwości linii rentgenowskiej. Odegrało to dużą rolę w rozmieszczeniu pierwiastków w układzie okresowym.
Niezależność od związku chemicznego.
Charakterystyczne widma rentgenowskie atomu nie zależą od związku chemicznego, w który wchodzi atom pierwiastka. Na przykład widmo rentgenowskie atomu tlenu jest takie samo dla O 2, H 2 O, podczas gdy widma optyczne tych związków różnią się. Ta cecha widma rentgenowskiego atomu była podstawą nazwy „ charakterystyczne promieniowanie".
Oddziaływanie promieniowania rentgenowskiego z materią
Wpływ promieniowania rentgenowskiego na obiekty jest determinowany przez pierwotne procesy oddziaływania promieniowania rentgenowskiego. foton z elektronami atomy i cząsteczki materii.
Promieniowanie rentgenowskie w materii zaabsorbowany lub rozprasza się. W takim przypadku mogą zachodzić różne procesy, które są determinowane stosunkiem energii fotonu rentgenowskiego hv do energii jonizacji Аu (energia jonizacji Аu to energia wymagana do usunięcia elektronów wewnętrznych z atomu lub cząsteczki).
a) Spójne rozpraszanie(rozpraszanie promieniowania długofalowego) występuje, gdy relacja
Dla fotonów, na skutek oddziaływania z elektronami, zmienia się tylko kierunek ruchu (rys. 3a), ale energia hv i długość fali nie zmieniają się (dlatego rozpraszanie to nazywa się zgodny). Ponieważ energie fotonu i atomu się nie zmieniają, rozpraszanie koherentne nie wpływa na obiekty biologiczne, jednak tworząc ochronę przed promieniowaniem rentgenowskim należy brać pod uwagę możliwość zmiany pierwotnego kierunku wiązki.
b) efekt fotoelektryczny dzieje się, gdy
W takim przypadku można zrealizować dwa przypadki.
Foton zostaje zaabsorbowany, elektron odrywa się od atomu (rys. 3b). Następuje jonizacja. Odłączony elektron uzyskuje energię kinetyczną: E k \u003d hv - A i. Jeśli energia kinetyczna jest duża, elektron może zjonizować sąsiednie atomy w wyniku zderzenia, tworząc nowe. wtórny elektrony.
Foton jest pochłaniany, ale jego energia nie wystarcza do oderwania elektronu i wzbudzenie atomu lub cząsteczki(rys. 3c). Prowadzi to często do późniejszej emisji fotonu w obszarze promieniowania widzialnego (luminescencja rentgenowska), a w tkankach do aktywacji cząsteczek i reakcji fotochemicznych. Efekt fotoelektryczny występuje głównie na elektronach wewnętrznych powłok atomów o wysokim Z.
w) Niespójne rozpraszanie(efekt Comptona, 1922) występuje, gdy energia fotonu jest znacznie większa niż energia jonizacji
W tym przypadku elektron jest oderwany od atomu (takie elektrony są nazywane odrzut elektronów), uzyskuje pewną energię kinetyczną E k, energia samego fotonu maleje (ryc. 4d):
hv=hv” + A i + E k. (5)
Powstałe promieniowanie o zmienionej częstotliwości (długości) nazywa się wtórny, rozprasza się we wszystkich kierunkach.
Elektrony odrzutowe, jeśli mają wystarczającą energię kinetyczną, mogą jonizować sąsiednie atomy w wyniku zderzenia. Tak więc w wyniku niespójnego rozpraszania powstaje wtórne rozproszone promieniowanie rentgenowskie, a atomy substancji ulegają jonizacji.
Te (a, b, c) procesy mogą powodować szereg kolejnych. Na przykład (ryc. 3d), jeśli podczas efektu fotoelektrycznego elektrony zostaną oderwane od atomu na wewnętrznych powłokach, to elektrony z wyższych poziomów mogą przejść w ich miejsce, czemu towarzyszy wtórne charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie tej substancji. Fotony promieniowania wtórnego, oddziałując z elektronami sąsiednich atomów, mogą z kolei powodować zjawiska wtórne.
spójne rozpraszanie
uh 
energia i długość fali pozostają bez zmian
efekt fotoelektryczny
foton jest zaabsorbowany, e - oderwany od atomu - jonizacja
hv \u003d A i + E do
atom A jest wzbudzany po absorpcji fotonu, R jest luminescencją rentgenowską
niespójne rozpraszanie
hv \u003d hv „+ A i + E do
procesy wtórne w efekcie fotoelektrycznym
Ryż. 3 Mechanizmy oddziaływania promieniowania rentgenowskiego z materią
Fizyczne podstawy wykorzystania promieni rentgenowskich w medycynie
Kiedy promieniowanie rentgenowskie pada na ciało, jest ono lekko odbijane od jego powierzchni, ale głównie przechodzi w głąb, podczas gdy jest częściowo pochłaniane i rozpraszane, a częściowo przechodzi.
Prawo osłabienia.
Strumień rentgenowski jest tłumiony w materii zgodnie z prawem:
F \u003d F 0 e - x (6)
gdzie jest liniowe współczynnik tłumienia, co zasadniczo zależy od gęstości substancji. Jest równa sumie trzech wyrazów odpowiadających rozproszeniu koherentnemu 1, niespójnemu 2 i efektowi fotoelektrycznemu 3:
= 1 + 2 + 3 . (7)
Wkład każdego członu jest określony przez energię fotonów. Poniżej znajdują się proporcje tych procesów dla tkanek miękkich (woda).
|
Energia, keV |
efekt fotoelektryczny |
Compton - efekt |
smacznego współczynnik tłumienia masy, która nie zależy od gęstości substancji :
m = /. (osiem)
Współczynnik tłumienia masy zależy od energii fotonu i liczby atomowej substancji pochłaniającej:
m = k 3 Z 3 . (9)
Współczynniki tłumienia masy kości i tkanki miękkiej (woda) są różne: m kości / m wody = 68.
Jeżeli na drodze promieniowania rentgenowskiego znajduje się ciało niejednorodne, a przed nim ekran fluorescencyjny, to ciało to, pochłaniając i tłumiąc promieniowanie, tworzy na ekranie cień. Z natury tego cienia można ocenić kształt, gęstość, strukturę, aw wielu przypadkach naturę ciał. Tych. znaczna różnica w absorpcji promieniowania rentgenowskiego przez różne tkanki pozwala zobaczyć obraz narządów wewnętrznych w rzucie cienia.
Jeśli badany narząd i otaczające tkanki w równym stopniu tłumią promieniowanie rentgenowskie, stosuje się środki kontrastowe. Na przykład wypełniając żołądek i jelita papkowatą masą siarczanu baru (BaSO 4 ), widać ich obraz cienia (stosunek współczynników tłumienia wynosi 354).
Zastosowanie w medycynie.
W medycynie do diagnostyki stosuje się promieniowanie rentgenowskie o energii fotonów od 60 do 100-120 keV, a do terapii 150-200 keV.
Diagnostyka rentgenowska – Rozpoznawanie chorób poprzez naświetlanie ciała promieniami rentgenowskimi.
Diagnostyka rentgenowska jest stosowana w różnych opcjach, które podano poniżej.
Z fluoroskopią lampa rentgenowska znajduje się za pacjentem. Z przodu znajduje się ekran fluorescencyjny. Na ekranie pojawia się cień (pozytywny) obraz. W każdym indywidualnym przypadku dobiera się odpowiednią twardość promieniowania tak, aby przeszło przez tkanki miękkie, ale było wystarczająco pochłaniane przez gęste. W przeciwnym razie uzyskuje się jednolity cień. Na ekranie serce, żebra są ciemne, a płuca jasne.
Kiedy radiografia przedmiot umieszczony jest na kasecie, w której znajduje się film ze specjalną emulsją fotograficzną. Lampa rentgenowska jest umieszczana nad obiektem. Otrzymany radiogram daje obraz negatywowy, tj. przeciwieństwo w przeciwieństwie do obrazu obserwowanego podczas transiluminacji. W tej metodzie obraz jest wyraźniejszy niż w (1), w związku z czym obserwowane są szczegóły, które są trudne do zauważenia w świetle przechodzącym.
Obiecującym wariantem tej metody jest rentgen tomografia oraz „wersja maszynowa” - komputer tomografia.
3. Z fluoroskopią, Na czułym filmie małoformatowym obraz z dużego ekranu jest utrwalony. Oglądane zdjęcia są oglądane na specjalnej lupie.
Terapia rentgenowska- wykorzystanie promieni rentgenowskich do niszczenia nowotworów złośliwych.
Biologicznym efektem promieniowania jest zakłócenie aktywności życiowej, zwłaszcza szybko namnażających się komórek.
TOMOGRAFIA KOMPUTEROWA (CT)
Metoda rentgenowskiej tomografii komputerowej polega na rekonstrukcji obrazu określonego odcinka ciała pacjenta poprzez rejestrację dużej liczby rzutów rentgenowskich tego odcinka, wykonanych pod różnymi kątami. Informacje z czujników rejestrujących te projekcje trafiają do komputera, który zgodnie ze specjalnym programem oblicza dystrybucja obcisływielkość próbki w badanej części i wyświetla ją na ekranie wyświetlacza. Uzyskany w ten sposób obraz wycinka ciała pacjenta charakteryzuje się doskonałą wyrazistością i wysoką zawartością informacji. Program pozwala zwiększać kontrast obrazu w dziesiątki, a nawet setki razy. Rozszerza to możliwości diagnostyczne metody.
Filmowcy (urządzenia z cyfrową obróbką zdjęć RTG) we współczesnej stomatologii.
W stomatologii główną metodą diagnostyczną jest badanie rentgenowskie. Jednak szereg tradycyjnych cech organizacyjnych i technicznych diagnostyki rentgenowskiej powoduje, że nie jest ona do końca wygodna zarówno dla pacjenta, jak i dla gabinetów stomatologicznych. To przede wszystkim konieczność kontaktu pacjenta z promieniowaniem jonizującym, które często powoduje znaczne obciążenie radiacyjne organizmu, to także potrzeba fotoprocesu, a w konsekwencji potrzeba fotoodczynników, w tym m.in. toksyczne. To wreszcie obszerne archiwum, ciężkie teczki i koperty z kliszami rentgenowskimi.
Ponadto obecny poziom rozwoju stomatologii sprawia, że subiektywna ocena radiogramów przez oko ludzkie jest niewystarczająca. Jak się okazało, z różnorodności odcieni szarości zawartych na zdjęciu rentgenowskim oko dostrzega tylko 64.
Oczywiście, aby uzyskać czytelny i szczegółowy obraz twardych tkanek układu zębodołowego przy minimalnej ekspozycji na promieniowanie, potrzebne są inne rozwiązania. Poszukiwania doprowadziły do powstania tzw. systemów radiografii, kamerzyści – systemów radiografii cyfrowej.
Bez szczegółów technicznych zasada działania takich systemów jest następująca. Promieniowanie rentgenowskie przechodzi przez obiekt nie na błonie światłoczułej, ale na specjalnym czujniku wewnątrzustnym (specjalna matryca elektroniczna). Odpowiedni sygnał z matrycy jest przesyłany do urządzenia digitalizującego (przetwornika analogowo-cyfrowego, ADC), który przetwarza go na postać cyfrową i jest podłączony do komputera. Specjalne oprogramowanie buduje obraz rentgenowski na ekranie komputera i pozwala na jego obróbkę, zapisanie na twardym lub elastycznym nośniku (dysk twardy, dyskietki), wydrukowanie go jako obrazka w postaci pliku.
W systemie cyfrowym obraz rentgenowski to zbiór punktów o różnych wartościach cyfrowej skali szarości. Zapewniona przez program optymalizacja wyświetlania informacji umożliwia uzyskanie optymalnego kadru pod względem jasności i kontrastu przy stosunkowo niskiej dawce promieniowania.
W nowoczesnych systemach, tworzonych na przykład przez Trophy (Francja) lub Schick (USA), przy formowaniu ramy stosuje się 4096 odcieni szarości, czas ekspozycji zależy od przedmiotu badań i średnio wynosi setne - dziesiąte części po drugie, zmniejszenie narażenia na promieniowanie w stosunku do filmu - do 90% dla systemów wewnątrzustnych, do 70% dla filmowców panoramicznych.
Podczas przetwarzania obrazów filmowcy zezwalają na:
Uzyskaj obrazy pozytywowe i negatywowe, obrazy w fałszywych kolorach, obrazy wytłoczone.
Zwiększ kontrast i powiększ obszar zainteresowania obrazu.
Oceniaj zmiany gęstości tkanek zęba i struktur kostnych, kontroluj równomierność wypełnienia kanałów.
W endodoncji określić długość kanału o dowolnej krzywiźnie, a w chirurgii dobrać rozmiar implantu z dokładnością do 0,1 mm.
Unikalny system wykrywania próchnicy z elementami sztucznej inteligencji podczas analizy obrazu pozwala na wykrycie próchnicy w stadium plam, próchnicy korzeni oraz próchnicy ukrytej.
„F” we wzorze (3) odnosi się do całego zakresu promieniowanych długości fal i jest często określany jako „całkowity strumień energii”.
Radiologia to dział radiologii, który zajmuje się badaniem wpływu promieniowania rentgenowskiego na organizm zwierząt i ludzi wynikających z tej choroby, ich leczenia i zapobiegania, a także metod diagnozowania różnych patologii za pomocą promieni rentgenowskich (diagnostyka rentgenowska) . Typowy rentgenowski aparat diagnostyczny obejmuje zasilacz (transformatory), prostownik wysokiego napięcia, który zamienia prąd przemienny sieci elektrycznej na prąd stały, panel sterowania, statyw i lampę rentgenowską.
Promienie rentgenowskie to rodzaj oscylacji elektromagnetycznych, które powstają w lampie rentgenowskiej podczas gwałtownego hamowania przyspieszanych elektronów w momencie ich zderzenia z atomami substancji anodowej. Obecnie powszechnie przyjmuje się, że promieniowanie rentgenowskie w ich fizyczna natura to jeden z rodzajów energii promieniowania, którego widmo obejmuje również fale radiowe, promienie podczerwone, światło widzialne, promienie ultrafioletowe i promienie gamma pierwiastków promieniotwórczych. Promieniowanie rentgenowskie można scharakteryzować jako zbiór jego najmniejszych cząstek - kwantów lub fotonów.
Ryż. 1 - mobilny aparat rentgenowski:
A - lampa rentgenowska;
B - zasilanie;
B - regulowany statyw.
Ryż. 2 - Panel sterowania aparatu RTG (mechaniczny - po lewej i elektroniczny - po prawej): A - panel do regulacji ekspozycji i twardości;
B - przycisk zasilania wysokiego napięcia.
Ryż. 3 to schemat blokowy typowej maszyny rentgenowskiej 1 - sieć;
2 - autotransformator;
3 - transformator podwyższający;
4 - lampa rentgenowska;
5 - anoda;
6 - katoda;
7 - transformator obniżający napięcie.
Mechanizm generowania promieni rentgenowskich
Promienie rentgenowskie powstają w momencie zderzenia strumienia przyspieszonych elektronów z materiałem anodowym. Kiedy elektrony wchodzą w interakcję z celem, 99% ich energii kinetycznej zamienia się w energię cieplną, a tylko 1% w promieniowanie rentgenowskie.
Lampa rentgenowska składa się ze szklanego pojemnika, w którym wlutowane są 2 elektrody: katoda i anoda. Ze szklanego cylindra wypompowywane jest powietrze: ruch elektronów z katody do anody jest możliwy tylko w warunkach próżni względnej (10 -7 -10 -8 mm Hg). Na katodzie znajduje się włókno, które jest mocno skręconym włóknem wolframowym. Kiedy do żarnika zostanie przyłożony prąd elektryczny, następuje emisja elektronów, w której elektrony są oddzielane od spirali i tworzą chmurę elektronów w pobliżu katody. Ta chmura jest skoncentrowana w ognisku katody, który wyznacza kierunek ruchu elektronów. Kubek - małe zagłębienie w katodzie. Anoda z kolei zawiera metalową płytkę z wolframu, na której skupiają się elektrony - jest to miejsce powstawania promieni rentgenowskich.
Ryż. 4 - Lampa rentgenowska: A - katoda; 
B - anoda;
B - włókno wolframowe;
G - miseczka skupiająca katody;
D - strumień przyspieszonych elektronów;
E - cel wolframowy;
G - szklana kolba;
З - okno z berylu;
I - uformowane zdjęcia rentgenowskie;
K - filtr aluminiowy.
Do lampy elektronowej podłączone są 2 transformatory: step-down i step-up. Transformator obniżający napięcie podgrzewa żarnik wolframowy niskim napięciem (5-15 V), co powoduje emisję elektronów. Transformator podwyższający napięcie lub wysokonapięciowy trafia bezpośrednio do katody i anody, które są zasilane napięciem 20–140 kilowoltów. Oba transformatory są umieszczone w bloku wysokiego napięcia aparatu rentgenowskiego, który jest wypełniony olejem transformatorowym, który zapewnia chłodzenie transformatorów i ich niezawodną izolację.
Po utworzeniu chmury elektronowej za pomocą transformatora obniżającego napięcie, transformator podwyższający napięcie jest włączany, a na oba bieguny obwodu elektrycznego podawane jest napięcie wysokiego napięcia: dodatni impuls do anody i ujemny impuls do katody. Ujemnie naładowane elektrony są odpychane od ujemnie naładowanej katody i dążą do dodatnio naładowanej anody - dzięki takiej różnicy potencjałów osiągana jest duża prędkość ruchu - 100 tys. km / s. Przy tej prędkości elektrony bombardują płytkę anody wolframowej, zamykając obwód elektryczny, co powoduje promieniowanie rentgenowskie i energię cieplną.
Promieniowanie rentgenowskie jest podzielone na bremsstrahlung i charakterystyczne. Bremsstrahlung występuje z powodu gwałtownego zmniejszenia prędkości elektronów emitowanych przez żarnik wolframowy. Promieniowanie charakterystyczne występuje w momencie przegrupowania powłok elektronowych atomów. Oba te typy powstają w lampie rentgenowskiej w momencie zderzenia przyspieszonych elektronów z atomami materiału anodowego. Widmo emisyjne lampy rentgenowskiej jest superpozycją promieni rentgenowskich i charakterystycznych promieni rentgenowskich.
Ryż. 5 - zasada powstawania promieni rentgenowskich bremsstrahlung.
Ryż. 6 - zasada powstawania charakterystycznych promieni rentgenowskich.
Podstawowe właściwości promieni rentgenowskich
- Promienie rentgenowskie są niewidoczne dla percepcji wzrokowej.
- Promieniowanie rentgenowskie ma dużą siłę przenikania przez narządy i tkanki żywego organizmu oraz gęste struktury. przyroda nieożywiona które nie przepuszczają światła widzialnego.
- Promienie rentgenowskie powodują świecenie niektórych związków chemicznych, nazywanych fluorescencją.
- Siarczki cynku i kadmu fluoryzują na żółto-zielono,
- Kryształy wolframianu wapnia - fioletowo-niebieskie.
Skala oscylacji elektromagnetycznych
Promienie rentgenowskie mają określoną długość fali i częstotliwość oscylacji. Długość fali (λ) i częstotliwość oscylacji (ν) są powiązane zależnością: λ ν = c, gdzie c jest prędkością światła zaokrągloną do 300 000 km na sekundę. Energię promieni rentgenowskich określa wzór E = h ν, gdzie h jest stałą Plancka, uniwersalną stałą równą 6,626·10-34 J⋅s. Długość fali promieni (λ) jest związana z ich energią (E) zależnością: λ = 12,4/E.
Promieniowanie rentgenowskie różni się od innych rodzajów oscylacji elektromagnetycznych długością fali (patrz tabela) i energią kwantową. Im krótsza długość fali, tym wyższa jej częstotliwość, energia i moc penetracji. Długość fali promieniowania rentgenowskiego mieści się w zakresie
. Zmieniając długość fali promieniowania rentgenowskiego można kontrolować jego siłę przenikania. Promienie rentgenowskie mają bardzo krótką długość fali, ale wysoką częstotliwość oscylacji, dzięki czemu są niewidoczne dla ludzkiego oka. Ze względu na swoją ogromną energię kwanty mają dużą zdolność penetracji, co jest jedną z głównych właściwości zapewniających wykorzystanie promieni rentgenowskich w medycynie i innych naukach.Charakterystyka rentgenowska
Intensywność- charakterystyka ilościowa promieniowania rentgenowskiego, wyrażona liczbą promieni emitowanych przez lampę w jednostce czasu. Intensywność promieni rentgenowskich jest mierzona w miliamperach. Porównując to z natężeniem światła widzialnego z konwencjonalnej żarówki, możemy wyciągnąć analogię: na przykład lampa 20-watowa będzie świecić z jednym natężeniem lub mocą, a 200-watowa będzie świecić z inną, podczas gdy jakość samego światła (jego widma) jest taka sama. Natężenie promieniowania rentgenowskiego jest w rzeczywistości jego wielkością. Każdy elektron wytwarza jeden lub więcej kwantów promieniowania na anodzie, dlatego ilość promieni rentgenowskich podczas naświetlania obiektu regulowana jest poprzez zmianę liczby elektronów dążących do anody oraz liczby oddziaływań elektronów z atomami tarczy wolframowej , co można zrobić na dwa sposoby:
- Zmieniając stopień żarzenia spirali katodowej za pomocą transformatora obniżającego napięcie (liczba elektronów generowanych podczas emisji będzie zależeć od tego, jak gorąca jest spirala wolframowa, a liczba kwantów promieniowania zależeć będzie od liczby elektronów);
- Zmieniając wartość wysokiego napięcia dostarczanego przez transformator podwyższający na bieguny lampy - katodę i anodę (im wyższe napięcie przyłożone jest do biegunów lampy, tym więcej energii kinetycznej otrzymują elektrony, co , ze względu na swoją energię, mogą kolejno oddziaływać z kilkoma atomami substancji anodowej - patrz ryc. Ryż. 5; elektrony o niskiej energii będą mogły wejść w mniejszą liczbę oddziaływań).
Natężenie promieniowania rentgenowskiego (prąd anodowy) pomnożone przez czas otwarcia migawki (czas lampy) odpowiada ekspozycji na promieniowanie rentgenowskie mierzonej w mAs (miliamperach na sekundę). Ekspozycja to parametr, który podobnie jak intensywność charakteryzuje ilość promieni emitowanych przez lampę rentgenowską. Jedyną różnicą jest to, że naświetlenie uwzględnia również czas pracy lampy (np. jeśli lampa pracuje przez 0,01 s, to liczba promieni będzie wynosić jeden, a jeśli 0,02 s, to liczba promieni będzie wynosić inny - jeszcze dwa razy). Narażenie na promieniowanie jest ustawiane przez radiologa na panelu sterowania aparatu RTG w zależności od rodzaju badania, wielkości badanego obiektu i zadania diagnostycznego.
Sztywność- charakterystyka jakościowa promieniowania rentgenowskiego. Jest mierzony wysokim napięciem na lampie - w kilowoltach. Określa przenikliwość promieni rentgenowskich. Jest regulowany przez wysokie napięcie dostarczane do lampy rentgenowskiej przez transformator podwyższający napięcie. Im wyższa różnica potencjałów powstaje na elektrodach rury, tym większa siła elektronów odpycha się od katody i pędzą do anody oraz tym silniejsze ich zderzenie z anodą. Im silniejsze ich zderzenie, tym krótsza długość fali powstałego promieniowania rentgenowskiego i większa przenikliwość tej fali (lub twardość promieniowania, która podobnie jak intensywność regulowana jest na panelu sterującym parametrem napięciowym na rura - kilowolt).
λ - długość fali; 
Ryż. 7 - Zależność długości fali od energii fali:
E - energia fali 
Ryż. 8 - Stosunek napięcia na lampie rentgenowskiej do długości fali powstałego promieniowania rentgenowskiego:
Klasyfikacja lamp rentgenowskich
- Po wcześniejszym umówieniu
- Diagnostyczny
- Terapeutyczny
- Do analizy strukturalnej
- Do transiluminacji
- Przez projekt
- Przez skupienie
- Jednoogniskowe (jedna spirala na katodzie i jedna ogniskowa na anodzie)
- Dwuogniskowe (dwie spirale o różnych rozmiarach na katodzie i dwa ogniska na anodzie)
- Według rodzaju anody
- Stacjonarny (stały)
- Obracanie
Promienie rentgenowskie są wykorzystywane nie tylko do celów radiodiagnostycznych, ale także terapeutycznych. Jak wspomniano powyżej, zdolność promieniowania rentgenowskiego do hamowania wzrostu komórek nowotworowych umożliwia zastosowanie go w radioterapii chorób onkologicznych. Oprócz zastosowania w medycynie promieniowanie rentgenowskie znalazło szerokie zastosowanie w dziedzinie inżynierii i techniki, materiałoznawstwa, krystalografii, chemii i biochemii: na przykład można zidentyfikować wady strukturalne w różnych produktach (szyny, spoiny itp.) za pomocą promieniowania rentgenowskiego. Rodzaj takich badań nazywa się defektoskopią. A na lotniskach, dworcach kolejowych i innych zatłoczonych miejscach introskopy telewizyjne rentgenowskie są aktywnie wykorzystywane do skanowania bagażu podręcznego i bagażu w celach bezpieczeństwa.
W zależności od rodzaju anody lampy rentgenowskie różnią się konstrukcją. Ze względu na to, że 99% energii kinetycznej elektronów zamieniane jest na energię cieplną, podczas pracy lampy anoda ulega znacznemu nagrzaniu - czuły cel wolframowy często się wypala. Anoda jest chłodzona w nowoczesnych lampach rentgenowskich poprzez jej obracanie. Obrotowa anoda ma kształt dysku, który równomiernie rozprowadza ciepło na całej swojej powierzchni, zapobiegając miejscowemu przegrzaniu tarczy wolframowej.
Konstrukcja lamp rentgenowskich również różni się w skupieniu. Ognisko - odcinek anody, na którym generowana jest pracująca wiązka promieniowania rentgenowskiego. Jest podzielony na rzeczywistą ogniskową i efektywną ogniskową ( Ryż. 12). Ze względu na kąt anody efektywna ogniskowa jest mniejsza od rzeczywistej. W zależności od rozmiaru obszaru obrazu stosowane są różne rozmiary ogniska. Im większy obszar obrazu, tym szersza musi być ogniskowa, aby pokryć cały obszar obrazu. Jednak mniejsza ogniskowa zapewnia lepszą wyrazistość obrazu. Dlatego przy wytwarzaniu małych obrazów stosuje się krótkie włókno i elektrony są kierowane na niewielki obszar tarczy anodowej, tworząc mniejszą ogniskową.
Ryż. 9 - lampa rentgenowska ze stacjonarną anodą.
Ryż. 10 - Lampa rentgenowska z obrotową anodą.
Ryż. 11 - Urządzenie z lampą rentgenowską z obrotową anodą.
Ryż. 12 to schemat powstawania rzeczywistego i skutecznego ogniska.
Podstawowe właściwości promieni rentgenowskich
1. Świetna zdolność penetracji i jonizacji.
2. Nie odchylane przez pola elektryczne i magnetyczne.
3. Mają efekt fotochemiczny.
4. Wywołaj blask substancji.
5. Odbicie, załamanie i dyfrakcja jak w promieniowaniu widzialnym.
6. Mają biologiczny wpływ na żywe komórki.
1. Interakcja z materią
Długość fali promieniowania rentgenowskiego jest porównywalna z rozmiarem atomów, więc nie ma materiału, z którego można by zrobić soczewkę rentgenowską. Ponadto, gdy promienie rentgenowskie padają prostopadle do powierzchni, prawie nie są odbijane. Mimo to w optyce rentgenowskiej znaleziono metody konstruowania elementów optycznych dla promieni rentgenowskich. W szczególności okazało się, że diament dobrze je odzwierciedla.
Promienie rentgenowskie mogą przenikać materię, a różne substancje w różny sposób je pochłaniają. Absorpcja promieni rentgenowskich jest ich najważniejszą właściwością w fotografii rentgenowskiej. Natężenie promieni rentgenowskich maleje wykładniczo w zależności od drogi przebytej w warstwie pochłaniającej (I = I0e-kd, gdzie d jest grubością warstwy, współczynnik k jest proporcjonalny do Z³λ³, Z jest liczbą atomową pierwiastka, λ jest długość fali).
Absorpcja występuje w wyniku fotoabsorpcji (efektu fotoelektrycznego) i rozpraszania Comptona:
Fotoabsorpcja rozumiana jest jako proces wybijania elektronu z powłoki atomu przez foton, co wymaga, aby energia fotonu była większa od pewnej wartości minimalnej. Jeśli weźmiemy pod uwagę prawdopodobieństwo aktu absorpcji w zależności od energii fotonu, to po osiągnięciu określonej energii (prawdopodobieństwo) gwałtownie wzrasta do wartości maksymalnej. Przy wyższych energiach prawdopodobieństwo stale maleje. Z powodu tej zależności mówi się, że istnieje limit absorpcji. Miejsce elektronu wybitego w akcie absorpcji zajmuje inny elektron, podczas gdy emitowane jest promieniowanie o mniejszej energii fotonu, tzw. proces fluorescencji.
Foton rentgenowski może oddziaływać nie tylko z elektronami związanymi, ale także z elektronami swobodnymi i słabo związanymi. Na elektronach następuje rozpraszanie fotonów – tzw. Rozproszenie Comptona. W zależności od kąta rozproszenia długość fali fotonu wzrasta o określoną wartość i odpowiednio zmniejsza się energia. Rozpraszanie Comptona, w porównaniu z fotoabsorpcją, staje się dominujące przy wyższych energiach fotonów.
Oprócz tych procesów istnieje jeszcze jedna podstawowa możliwość absorpcji - ze względu na pojawienie się par elektron-pozyton. Wymaga to jednak energii większych niż 1,022 MeV, które leżą poza powyższą granicą emisji promieniowania rentgenowskiego (<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.
[edytować]
2. Wpływ biologiczny
Promienie rentgenowskie jonizują. Wpływa na tkanki żywych organizmów i może powodować chorobę popromienną, oparzenia popromienne i nowotwory złośliwe. Z tego powodu podczas pracy z promieniami rentgenowskimi należy podjąć środki ochronne. Uważa się, że uszkodzenie jest wprost proporcjonalne do pochłoniętej dawki promieniowania. Promieniowanie rentgenowskie jest czynnikiem mutagennym.
[edytować]
3. Rejestracja
Efekt luminescencji. Promienie rentgenowskie mogą powodować świecenie niektórych substancji (fluorescencję). Efekt ten wykorzystywany jest w diagnostyce medycznej podczas fluoroskopii (obserwacja obrazu na ekranie fluorescencyjnym) oraz fotografii rentgenowskiej (radiografia). Medyczne filmy fotograficzne są zwykle używane w połączeniu z ekranami wzmacniającymi, które zawierają luminofory rentgenowskie, które świecą pod wpływem promieni rentgenowskich i oświetlają światłoczułą emulsję fotograficzną. Metodę uzyskania obrazu w naturalnej wielkości nazywamy radiografią. Dzięki fluorografii obraz uzyskuje się w zmniejszonej skali. Substancja luminescencyjna (scyntylator) może być optycznie połączona z elektronicznym detektorem światła (fotopowielaczem, fotodiodą itp.), a powstałe urządzenie nazywa się detektorem scyntylacyjnym. Pozwala na rejestrację pojedynczych fotonów i pomiar ich energii, ponieważ energia błysku scyntylacyjnego jest proporcjonalna do energii pochłoniętego fotonu.
efekt fotograficzny. Promienie rentgenowskie, jak i zwykłe światło, są w stanie bezpośrednio oświetlić emulsję fotograficzną. Jednak bez warstwy fluorescencyjnej wymaga to 30-100-krotności ekspozycji (tj. dawki). Ta metoda (znana jako radiografia bezekranowa) ma tę zaletę, że obrazy są ostrzejsze.
W detektorach półprzewodnikowych promienie rentgenowskie wytwarzają pary elektron-dziura w złączu p-n diody połączonej w kierunku blokującym. W tym przypadku przepływa niewielki prąd, którego amplituda jest proporcjonalna do energii i natężenia padającego promieniowania rentgenowskiego. W trybie impulsowym możliwa jest rejestracja pojedynczych fotonów rentgenowskich i pomiar ich energii.
Poszczególne fotony rentgenowskie można również rejestrować za pomocą gazowych detektorów promieniowania jonizującego (licznik Geigera, komora proporcjonalna itp.).
Aplikacja
Za pomocą promieni rentgenowskich można „oświecić” ludzkie ciało, w wyniku czego można uzyskać obraz kości, a we współczesnych instrumentach narządów wewnętrznych (patrz także prześwietlenie) . Wykorzystuje to fakt, że pierwiastek wapń (Z=20) zawarty głównie w kościach ma liczbę atomową znacznie większą niż liczba atomowa pierwiastków tworzących tkanki miękkie, czyli wodór (Z=1), węgiel (Z=6 ), azot (Z=7), tlen (Z=8). Oprócz konwencjonalnych urządzeń, które dają dwuwymiarową projekcję badanego obiektu, istnieją tomografy komputerowe, które pozwalają uzyskać trójwymiarowy obraz narządów wewnętrznych.
Wykrywanie wad produktów (szyny, spawy itp.) za pomocą promieni rentgenowskich nazywa się wykrywaniem wad rentgenowskich.
W materiałoznawstwie, krystalografii, chemii i biochemii promienie X są wykorzystywane do wyjaśniania struktury substancji na poziomie atomowym za pomocą rozpraszania dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego (analiza dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego). Znanym przykładem jest określenie struktury DNA.
Ponadto promienie rentgenowskie można wykorzystać do określenia składu chemicznego substancji. W mikrosondzie elektronowej (lub w mikroskopie elektronowym) analizowana substancja jest napromieniowana elektronami, podczas gdy atomy ulegają jonizacji i emitują charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie. Promienie rentgenowskie mogą być używane zamiast elektronów. Ta metoda analityczna nazywa się analizą fluorescencji rentgenowskiej.
Na lotniskach aktywnie wykorzystywane są introskopy telewizyjne rentgenowskie, które umożliwiają przeglądanie zawartości bagażu podręcznego i bagażu w celu wizualnego wykrycia niebezpiecznych obiektów na ekranie monitora.
Radioterapia to dział radioterapii, który obejmuje teorię i praktykę terapeutycznego wykorzystania promieni rentgenowskich generowanych przy napięciu lampy rentgenowskiej 20-60 kV i odległości ogniskowej skóry 3-7 cm (krótka (radioterapia na odległość) lub przy napięciu 180-400 kV i odległości ogniskowej 30-150 cm (radioterapia zdalna).
Terapia promieniami rentgenowskimi jest prowadzona głównie w przypadku guzów położonych powierzchownie oraz w przypadku niektórych innych chorób, w tym chorób skóry (ultrasoft X-ray Bucca).
[edytować]
naturalne promienie rentgenowskie
Na Ziemi promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie rentgenowskim powstaje w wyniku jonizacji atomów przez promieniowanie powstające podczas rozpadu promieniotwórczego, w wyniku efektu Comptona promieniowania gamma, które występuje podczas reakcji jądrowych, a także przez promieniowanie kosmiczne. Rozpad radioaktywny prowadzi również do bezpośredniej emisji kwantów promieniowania rentgenowskiego, jeśli powoduje przegrupowanie powłoki elektronowej rozpadającego się atomu (na przykład podczas wychwytywania elektronów). Promieniowanie rentgenowskie, które występuje na innych ciałach niebieskich, nie dociera do powierzchni Ziemi, ponieważ jest całkowicie pochłaniane przez atmosferę. Jest badany przez satelitarne teleskopy rentgenowskie, takie jak Chandra i XMM-Newton.
Promieniowanie rentgenowskie (jednoznaczne z promieniami rentgenowskimi) ma szeroki zakres długości fal (od 8·10 -6 do 10 -12 cm). Promieniowanie rentgenowskie występuje, gdy naładowane cząstki, najczęściej elektrony, zwalniają w polu elektrycznym atomów substancji. Powstałe kwanty mają różne energie i tworzą ciągłe widmo. Maksymalna energia fotonu w takim widmie jest równa energii padających elektronów. W (patrz) maksymalna energia kwantów promieniowania rentgenowskiego, wyrażona w kiloelektronowoltach, jest liczbowo równa wielkości napięcia przyłożonego do lampy, wyrażonej w kilowoltach. Podczas przechodzenia przez substancję promienie rentgenowskie oddziałują z elektronami jej atomów. Dla kwantów rentgenowskich o energiach do 100 keV najbardziej charakterystycznym rodzajem oddziaływania jest efekt fotoelektryczny. W wyniku takiego oddziaływania energia kwantowa jest całkowicie zużywana na wyciąganie elektronu z powłoki atomowej i przekazywanie mu energii kinetycznej. Wraz ze wzrostem energii kwantu rentgenowskiego prawdopodobieństwo wystąpienia efektu fotoelektrycznego maleje i dominuje proces rozpraszania kwantów na elektronach swobodnych, tzw. efekt Comptona. W wyniku takiego oddziaływania powstaje również elektron wtórny, a dodatkowo odlatuje kwant o energii mniejszej niż energia kwantu pierwotnego. Jeśli energia kwantu rentgenowskiego przekracza jeden megaelektronowolt, może wystąpić tak zwany efekt parowania, w którym powstają elektron i pozyton (patrz). W konsekwencji podczas przechodzenia przez substancję następuje spadek energii promieniowania rentgenowskiego, tj. zmniejszenie jego natężenia. Ponieważ w tym przypadku istnieje większe prawdopodobieństwo absorpcji kwantów niskoenergetycznych, promieniowanie rentgenowskie jest wzbogacone o kwanty o wyższych energiach. Ta właściwość promieniowania rentgenowskiego jest wykorzystywana do zwiększania średniej energii kwantów, czyli do zwiększania ich sztywności. Zwiększenie twardości promieniowania rentgenowskiego uzyskuje się za pomocą specjalnych filtrów (patrz). Promieniowanie rentgenowskie służy do diagnostyki rentgenowskiej (patrz) i (patrz). Zobacz także promieniowanie jonizujące.
Promieniowanie rentgenowskie (synonim: promienie rentgenowskie, promienie rentgenowskie) - kwantowe promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali od 250 do 0,025 A (lub kwanty energii od 5 10 -2 do 5 10 2 keV). W 1895 został odkryty przez VK Roentgena. Obszar widmowy promieniowania elektromagnetycznego sąsiadujący z promieniami rentgenowskimi, którego kwanty energii przekraczają 500 keV, nazywany jest promieniowaniem gamma (patrz); promieniowanie, którego kwanty energii są poniżej 0,05 keV, to promieniowanie ultrafioletowe (patrz).
W ten sposób, reprezentując stosunkowo niewielką część szerokiego spektrum promieniowania elektromagnetycznego, które obejmuje zarówno fale radiowe, jak i światło widzialne, promieniowanie rentgenowskie, jak każde promieniowanie elektromagnetyczne, rozchodzi się z prędkością światła (około 300 tys. km / s w próżni ) i charakteryzuje się długością fali λ (odległość, na której rozchodzi się promieniowanie w jednym okresie oscylacji). Promieniowanie rentgenowskie ma też szereg innych właściwości falowych (refrakcja, interferencja, dyfrakcja), ale znacznie trudniej je zaobserwować niż w przypadku promieniowania o większej długości fali: światło widzialne, fale radiowe.
Widma rentgenowskie: a1 - ciągłe widmo bremsstrahlung przy 310 kV; a - ciągłe widmo bremsstrahlung przy 250 kV, a1 - widmo przefiltrowane przez 1 mm Cu, a2 - widmo przefiltrowane przez 2 mm Cu, b - seria K linii wolframowej.
Do generowania promieni rentgenowskich stosuje się lampy rentgenowskie (patrz), w których promieniowanie powstaje, gdy szybkie elektrony oddziałują z atomami substancji anodowej. Istnieją dwa rodzaje promieni rentgenowskich: bremsstrahlung i charakterystyczne. Promieniowanie rentgenowskie Bremsstrahlung, które ma widmo ciągłe, jest podobne do zwykłego światła białego. Rozkład natężenia w zależności od długości fali (rys.) przedstawia krzywa z maksimum; w kierunku fal długich krzywa opada delikatnie, aw kierunku fal krótkich stromo załamuje się przy pewnej długości fali (λ0), zwanej granicą krótkofalową widma ciągłego. Wartość λ0 jest odwrotnie proporcjonalna do napięcia na lampie. Bremsstrahlung powstaje w wyniku oddziaływania szybkich elektronów z jądrami atomowymi. Intensywność bremsstrahlung jest wprost proporcjonalna do natężenia prądu anodowego, kwadratu napięcia lampy i liczby atomowej (Z) materiału anodowego.
Jeżeli energia elektronów przyspieszonych w lampie rentgenowskiej przekroczy wartość krytyczną dla substancji anodowej (o tej energii decyduje krytyczne dla tej substancji napięcie lampy Vcr), to powstaje promieniowanie charakterystyczne. Charakterystycznym widmem jest linia, jej linie widmowe tworzą szereg, oznaczany literami K, L, M, N.
Seria K to najkrótsza długość fali, seria L jest dłuższa, serie M i N są obserwowane tylko w ciężkich pierwiastkach (Vcr wolframu dla serii K wynosi 69,3 kv, dla serii L - 12,1 kv). Promieniowanie charakterystyczne powstaje w następujący sposób. Szybkie elektrony wybijają elektrony atomowe z wewnętrznych powłok. Atom jest wzbudzony, a następnie powraca do stanu podstawowego. W tym przypadku elektrony z zewnętrznych, słabiej związanych powłok wypełniają wolne przestrzenie w powłokach wewnętrznych i emitowane są fotony o charakterystycznym promieniowaniu o energii równej różnicy energii atomu w stanie wzbudzonym i podstawowym. Ta różnica (a co za tym idzie energia fotonu) ma określoną wartość, charakterystyczną dla każdego pierwiastka. Zjawisko to leży u podstaw rentgenowskiej analizy widmowej pierwiastków. Rysunek przedstawia widmo liniowe wolframu na tle ciągłego widma bremsstrahlung.
Energia elektronów przyspieszanych w lampie rentgenowskiej zamieniana jest prawie w całości na energię cieplną (anoda jest w tym przypadku silnie nagrzewana), tylko nieznaczna część (około 1% przy napięciu bliskim 100 kV) zamieniana jest na energię bremsstrahlung .
Zastosowanie promieni rentgenowskich w medycynie opiera się na prawach pochłaniania promieni rentgenowskich przez materię. Absorpcja promieni rentgenowskich jest całkowicie niezależna od właściwości optycznych materiału absorbera. Bezbarwne i przezroczyste szkło ołowiowe stosowane do ochrony personelu w pracowniach rentgenowskich prawie całkowicie pochłania promieniowanie rentgenowskie. W przeciwieństwie do tego arkusz papieru, który nie jest przezroczysty dla światła, nie tłumi promieniowania rentgenowskiego.
Natężenie jednorodnej (tj. o określonej długości fali) wiązki promieniowania rentgenowskiego, przechodząc przez warstwę absorbera, zmniejsza się zgodnie z prawem wykładniczym (e-x), gdzie e jest podstawą logarytmów naturalnych (2,718), a wykładnik x jest równy iloczynowi współczynnika tłumienia masy (μ/p) cm 2 /g na grubość absorbera wg/cm 2 (tu p jest gęstością substancji w g/cm 3). Promieniowanie rentgenowskie jest tłumione zarówno przez rozpraszanie, jak i absorpcję. W związku z tym współczynnik tłumienia masy jest sumą współczynników pochłaniania masy i rozpraszania. Współczynnik pochłaniania masy gwałtownie wzrasta wraz ze wzrostem liczby atomowej (Z) absorbera (proporcjonalnie do Z3 lub Z5) oraz ze wzrostem długości fali (proporcjonalnie do λ3). Ta zależność od długości fali jest obserwowana w pasmach absorpcji, na granicach których współczynnik wykazuje skoki.
Współczynnik rozpraszania masy wzrasta wraz ze wzrostem liczby atomowej substancji. Dla λ≥0,3Å współczynnik rozproszenia nie zależy od długości fali, dla λ<0,ЗÅ он уменьшается с уменьшением λ.
Spadek współczynników absorpcji i rozpraszania wraz ze zmniejszającą się długością fali powoduje wzrost penetracji promieniowania rentgenowskiego. Współczynnik absorpcji masy dla kości [absorpcja wynika głównie z Ca 3 (PO 4) 2 ] jest prawie 70 razy większy niż dla tkanek miękkich, gdzie absorpcja jest spowodowana głównie wodą. To wyjaśnia, dlaczego cień kości tak wyraźnie wyróżnia się na radiogramach na tle tkanek miękkich.
Propagacji niejednorodnej wiązki promieniowania rentgenowskiego przez dowolne medium, wraz ze spadkiem natężenia, towarzyszy zmiana składu spektralnego, zmiana jakości promieniowania: długofalowa część widma jest pochłaniana do w większym stopniu niż część krótkofalowa promieniowanie staje się bardziej równomierne. Odfiltrowanie długofalowej części widma umożliwia poprawę stosunku dawek głębokich do powierzchniowych podczas terapii promieniami rentgenowskimi ognisk położonych głęboko w ciele człowieka (patrz filtry rentgenowskie). Aby scharakteryzować jakość niejednorodnej wiązki promieniowania rentgenowskiego, stosuje się pojęcie „warstwy półtłumiącej (L)” - warstwy substancji tłumiącej promieniowanie o połowę. Grubość tej warstwy zależy od napięcia na rurze, grubości i materiału filtra. Do pomiaru warstw o połowie tłumienia stosuje się celofan (do energii 12 keV), aluminium (20-100 keV), miedź (60-300 keV), ołów i miedź (>300 keV). W przypadku promieniowania rentgenowskiego generowanego przy napięciach 80-120 kV 1 mm miedzi odpowiada zdolności filtrowania 26 mm aluminium, 1 mm ołowiu odpowiada 50,9 mm aluminium.
Absorpcja i rozpraszanie promieni rentgenowskich wynika z jego właściwości korpuskularnych; Promienie rentgenowskie oddziałują z atomami jako strumień cząstek (cząstek) - fotonów, z których każdy ma określoną energię (odwrotnie proporcjonalną do długości fali promieniowania rentgenowskiego). Zakres energii fotonów rentgenowskich wynosi 0,05-500 keV.
Absorpcja promieniowania rentgenowskiego wynika z efektu fotoelektrycznego: absorpcji fotonu przez powłokę elektronową towarzyszy wyrzut elektronu. Atom jest wzbudzony i wracając do stanu podstawowego emituje charakterystyczne promieniowanie. Emitowany fotoelektron odprowadza całą energię fotonu (minus energię wiązania elektronu w atomie).
Rozpraszanie promieniowania rentgenowskiego jest spowodowane elektronami ośrodka rozpraszającego. Wyróżnia się rozpraszanie klasyczne (długość fali promieniowania nie zmienia się, ale kierunek propagacji) oraz rozpraszanie ze zmianą długości fali – efekt Comptona (długość fali promieniowania rozproszonego jest większa od padającego). W tym drugim przypadku foton zachowuje się jak poruszająca się kula, a rozpraszanie fotonów następuje, zgodnie z przenośnym wyrażeniem Comntona, jak gra w bilard z fotonami i elektronami: zderzając się z elektronem, foton przekazuje mu część swojej energii i rozprasza, mając już mniej energii (odpowiednio długość fali rozproszonego promieniowania wzrasta), elektron wylatuje z atomu z energią odrzutu (te elektrony nazywane są elektronami Comptona lub elektronami odrzutu). Absorpcja energii promieniowania rentgenowskiego zachodzi podczas formowania się elektronów wtórnych (Compton i fotoelektrony) i przekazywania im energii. Energia promieni rentgenowskich przeniesiona na jednostkę masy substancji decyduje o pochłoniętej dawce promieni rentgenowskich. Jednostka tej dawki 1 rad odpowiada 100 erg/g. Ze względu na energię pochłoniętą w substancji absorbera zachodzi szereg procesów wtórnych, które są istotne dla dozymetrii rentgenowskiej, gdyż to na nich opierają się rentgenowskie metody pomiarowe. (patrz Dozymetria).
Wszystkie gazy i wiele cieczy, półprzewodników i dielektryków pod wpływem promieni rentgenowskich zwiększają przewodność elektryczną. Przewodnictwo znajdują najlepsze materiały izolacyjne: parafina, mika, guma, bursztyn. Zmiana przewodnictwa wynika z jonizacji ośrodka, czyli rozdziału obojętnych cząsteczek na jony dodatnie i ujemne (jonizacja jest wytwarzana przez elektrony wtórne). Jonizacja w powietrzu służy do określenia dawki ekspozycji promieniowania rentgenowskiego (dawka w powietrzu), która jest mierzona w rentgenach (patrz Dawki promieniowania jonizującego). Przy dawce 1 r dawka pochłonięta w powietrzu wynosi 0,88 rad.
Pod działaniem promieni rentgenowskich, w wyniku wzbudzenia cząsteczek substancji (oraz podczas rekombinacji jonów), w wielu przypadkach następuje wzbudzenie widocznej poświaty substancji. Przy wysokich natężeniach promieniowania rentgenowskiego obserwuje się widoczny blask powietrza, papieru, parafiny itp. (wyjątek stanowią metale). Najwyższą wydajność światła widzialnego dają takie luminofory krystaliczne jak Zn·CdS·Ag-fosfor i inne stosowane do ekranów w fluoroskopii.
Pod wpływem promieni rentgenowskich w substancji mogą również zachodzić różne procesy chemiczne: rozkład halogenków srebra (efekt fotograficzny stosowany w promieniowaniu rentgenowskim), rozkład wody i wodnych roztworów nadtlenku wodoru, zmiana właściwości celuloidu (zmętnienie i uwalnianie kamfory), parafiny (zmętnienie i rozjaśnienie) .
W wyniku całkowitej konwersji cała energia promieniowania rentgenowskiego pochłonięta przez chemicznie obojętną substancję jest zamieniana na ciepło. Pomiar bardzo małych ilości ciepła wymaga bardzo czułych metod, ale jest główną metodą bezwzględnych pomiarów promieniowania rentgenowskiego.
Podstawą radioterapii medycznej są wtórne skutki biologiczne narażenia na promieniowanie rentgenowskie (patrz). Promienie rentgenowskie, których kwanty wynoszą 6-16 keV (efektywne długości fali od 2 do 5 Å), są prawie całkowicie pochłaniane przez powłokę skóry tkanki ludzkiego ciała; nazywane są promieniami granicznymi, a czasami promieniami Bucca (patrz promienie Bucca). Do głębokiej radioterapii rentgenowskiej stosuje się mocno filtrowane promieniowanie o efektywnych kwantach energii od 100 do 300 keV.
Biologiczny wpływ promieniowania rentgenowskiego należy brać pod uwagę nie tylko w radioterapii, ale także w diagnostyce rentgenowskiej, a także we wszystkich innych przypadkach kontaktu z promieniowaniem rentgenowskim, które wymagają zastosowania ochrony radiologicznej ( Widzieć).
Promieniowanie rentgenowskie występuje, gdy elektrony poruszające się z dużą prędkością oddziałują z materią. Gdy elektrony zderzają się z atomami dowolnej substancji, szybko tracą swoją energię kinetyczną. W tym przypadku większość jest zamieniana na ciepło, a niewielka część, zwykle mniej niż 1%, zamieniana jest na energię rentgenowską. Energia ta jest uwalniana w postaci kwantów - cząstek zwanych fotonami, które mają energię, ale mają zerową masę spoczynkową. Fotony rentgenowskie różnią się energią, która jest odwrotnie proporcjonalna do ich długości fali. Dzięki konwencjonalnej metodzie uzyskiwania promieni rentgenowskich uzyskuje się szeroki zakres długości fal, który nazywa się widmem rentgenowskim. Widmo zawiera wyraźne składniki, jak pokazano na ryc. jeden.
Ryż. jeden. KONWENCJONALNE SPEKTRUM RTG składa się z widma ciągłego (continuum) i charakterystycznych linii (ostre piki). Linie Kia i Kib powstają w wyniku interakcji przyspieszonych elektronów z elektronami wewnętrznej powłoki K.
Szerokie „kontinuum” nazywa się widmem ciągłym lub białym promieniowaniem. Nałożone na nią ostre piki nazywane są charakterystycznymi liniami emisyjnymi promieniowania rentgenowskiego. Chociaż całe widmo jest wynikiem zderzeń elektronów z materią, mechanizmy pojawiania się jego szerokiej części i linii są różne. Substancja składa się z dużej liczby atomów, z których każdy ma jądro otoczone powłokami elektronowymi, a każdy elektron w powłoce atomu danego pierwiastka zajmuje pewien dyskretny poziom energii. Zwykle te powłoki lub poziomy energetyczne są oznaczane symbolami K, L, M itd., zaczynając od powłoki znajdującej się najbliżej jądra. Kiedy padający elektron o wystarczająco dużej energii zderza się z jednym z elektronów związanych z atomem, wybija ten elektron z powłoki. Pustą przestrzeń zajmuje inny elektron z powłoki, co odpowiada wyższej energii. Ten ostatni oddaje nadmiar energii, emitując foton rentgenowski. Ponieważ elektrony powłoki mają dyskretne wartości energii, powstałe fotony rentgenowskie również mają dyskretne widmo. Odpowiada to ostrym pikom dla pewnych długości fal, których konkretne wartości zależą od elementu docelowego. Charakterystyczne linie tworzą serie K-, L- i M-w zależności od tego, z której powłoki (K, L lub M) usunięto elektron. Zależność między długością fali promieniowania rentgenowskiego a liczbą atomową nazywa się prawem Moseleya (ryc. 2).
Ryż. 2. Długość fali CHARAKTERYSTYCZNEGO PROMIENIOWANIA RENTGENOWSKIEGO emitowanego przez pierwiastki chemiczne zależy od liczby atomowej pierwiastka. Krzywa odpowiada prawu Moseleya: im większa liczba atomowa pierwiastka, tym krótsza długość fali charakterystycznej linii.
Jeśli elektron zderza się ze stosunkowo ciężkim jądrem, to zwalnia, a jego energia kinetyczna jest uwalniana w postaci fotonu rentgenowskiego o mniej więcej takiej samej energii. Jeśli przeleci obok jądra, straci tylko część swojej energii, a reszta zostanie przeniesiona na inne atomy, które staną mu na drodze. Każdy akt utraty energii prowadzi do emisji fotonu o pewnej energii. Pojawia się ciągłe widmo rentgenowskie, którego górna granica odpowiada energii najszybszego elektronu. Jest to mechanizm powstawania widma ciągłego, a maksymalna energia (lub minimalna długość fali), która wyznacza granicę widma ciągłego, jest proporcjonalna do napięcia przyspieszającego, które określa prędkość padających elektronów. Linie spektralne charakteryzują materiał bombardowanego celu, natomiast widmo ciągłe zależy od energii wiązki elektronów i praktycznie nie zależy od materiału celu.
Promienie rentgenowskie można uzyskać nie tylko przez bombardowanie elektronami, ale także naświetlając cel promieniami rentgenowskimi z innego źródła. W tym przypadku jednak większość energii wiązki padającej trafia do charakterystycznego widma rentgenowskiego, a bardzo mała część przypada na widmo ciągłe. Oczywiście padająca wiązka promieniowania rentgenowskiego musi zawierać fotony, których energia jest wystarczająca do wzbudzenia charakterystycznych linii bombardowanego elementu. Wysoki procent energii przypadający na widmo charakterystyczne sprawia, że ta metoda wzbudzania promieniami rentgenowskimi jest wygodna do badań naukowych.
Lampy rentgenowskie. Aby uzyskać promieniowanie rentgenowskie w wyniku oddziaływania elektronów z materią, konieczne jest posiadanie źródła elektronów, środków do przyspieszania ich do dużych prędkości oraz tarczy zdolnej wytrzymać bombardowanie elektronami i wytworzyć promieniowanie rentgenowskie o pożądaną intensywność. Urządzenie, które ma to wszystko, nazywa się lampą rentgenowską. Wcześni odkrywcy używali lamp „głębokiej próżni”, takich jak dzisiejsze lampy wyładowcze. Próżnia w nich nie była zbyt duża.
Rurki wyładowcze zawierają niewielką ilość gazu, a gdy do elektrod rury przyłożona jest duża różnica potencjałów, atomy gazu zamieniają się w jony dodatnie i ujemne. Dodatnie poruszają się w kierunku elektrody ujemnej (katody) i padając na nią wybijają z niej elektrony, a te z kolei zbliżają się do elektrody dodatniej (anody) i bombardując ją, tworzą strumień fotonów rentgenowskich .
We współczesnej lampie rentgenowskiej opracowanej przez Coolidge'a (rys. 3) źródłem elektronów jest podgrzana do wysokiej temperatury katoda wolframowa. Elektrony są przyspieszane do dużych prędkości dzięki dużej różnicy potencjałów między anodą (lub antykatodą) a katodą. Ponieważ elektrony muszą dotrzeć do anody bez zderzenia z atomami, wymagana jest bardzo wysoka próżnia, dla której rura musi być dobrze opróżniona. Zmniejsza to również prawdopodobieństwo jonizacji pozostałych atomów gazu i wynikających z tego prądów bocznych.
Ryż. 3. RURKA RTG COOLIDGE. Podczas bombardowania elektronami antykatoda wolframowa emituje charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie. Przekrój wiązki promieniowania rentgenowskiego jest mniejszy niż rzeczywisty obszar napromieniowany. 1 - wiązka elektronów; 2 - katoda z elektrodą skupiającą; 3 - szklana powłoka (rurka); 4 - cel wolframowy (antykatoda); 5 - żarnik katodowy; 6 - faktycznie napromieniowany obszar; 7 - skuteczne ognisko; 8 - anoda miedziana; 9 - okno; 10 - rozproszone promienie rentgenowskie.
Elektrony są skupiane na anodzie przez specjalnie ukształtowaną elektrodę otaczającą katodę. Elektroda ta nazywana jest elektrodą ogniskującą i wraz z katodą tworzy „elektroniczny reflektor” lampy. Anoda poddawana bombardowaniu elektronami musi być wykonana z materiału ogniotrwałego, ponieważ większość energii kinetycznej bombardujących elektronów jest zamieniana na ciepło. Ponadto pożądane jest, aby anoda była wykonana z materiału o dużej liczbie atomowej, ponieważ wydajność promieniowania rentgenowskiego wzrasta wraz ze wzrostem liczby atomowej. Najczęściej wybieranym materiałem anodowym jest wolfram, którego liczba atomowa wynosi 74.
Konstrukcja lamp rentgenowskich może się różnić w zależności od zastosowania i wymagań.