Свойства на DRT и производство на рентгенови лъчи. Основни свойства на рентгеновите лъчи

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

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

ускорители на частици.

История на откритията

Тези лъчи са изобретени през 1895 г. от немския учен Рентген: докато работи с електронно-лъчева тръба, той открива флуоресцентния ефект на бариево-платиновия цианид. След това имаше описание на такива лъчи и тяхната удивителна способност да проникват в тъканите на тялото. Лъчите започнаха да се наричат рентгенови лъчи (рентгенови лъчи). По-късно в Русия те започват да се наричат рентгенови.

Рентгеновите лъчи могат да проникнат дори през стените. Така Рентген осъзна, че е направил най-голямото откритие в областта на медицината. От това време започват да се формират отделни секции в науката като радиология и радиология.

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

Въпреки това, още преди откритието на Вилхелм Конрад Рентген, други учени също се интересуваха от подобна тема. През 1853 г. френският физик Антоан-Филибър Мейсън изследва високоволтов разряд между електродите в стъклена тръба. Съдържащият се в него газ при ниско налягане започна да излъчва червеникаво сияние. Изпомпването на излишния газ от тръбата доведе до разпадането на сиянието в сложна последователност от отделни светещи слоеве, чийто оттенък зависи от количеството газ.

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

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

Принципи на изобразяване

Характеристиките на това излъчване се определят от самата природа на външния им вид. Радиацията възниква поради електромагнитна вълна. Основните му свойства включват:

Отражение. Ако вълната удари повърхността перпендикулярно, тя няма да бъде отразена. В някои ситуации диамантът има свойството да отразява.
Способността да проникват в тъканите. В допълнение, лъчите могат да преминават през непрозрачни повърхности на материали като дърво, хартия и други подобни.
абсорбираща способност. Абсорбцията зависи от плътността на материала: колкото е по-плътен, толкова повече рентгенови лъчи го абсорбират.
Някои вещества флуоресцират, тоест светят. Щом радиацията спре, сиянието също изчезва. Ако продължава и след прекратяване на действието на лъчите, тогава този ефект се нарича фосфоресценция.
Рентгеновите лъчи могат да осветяват фотографския филм, точно както видимата светлина.
Ако лъчът премина през въздуха, тогава в атмосферата настъпва йонизация. Такова състояние се нарича електропроводимо и се определя с помощта на дозиметър, който определя дозата на експозиция.

Радиация - вреда и полза

Когато откритието било направено, физикът Рентген дори не можел да си представи колко опасно е неговото изобретение. В старите времена всички устройства, които произвеждат радиация, са далеч от съвършенството и в резултат на това се получават големи дози излъчвани лъчи. Хората не разбираха опасностите от такова излъчване. Въпреки че някои учени още тогава излагат версии за опасностите от рентгеновите лъчи.

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

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

Противопоказания за рентгенови изследвания:

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

Как работят рентгеновите лъчи и къде се използват

В медицината. Рентгеновата диагностика се използва за прозрачни живи тъкани, за да се идентифицират някои нарушения в тялото. За елиминиране на туморни образувания се извършва рентгенова терапия.
В науката. Разкрива се структурата на веществата и естеството на рентгеновите лъчи. Тези въпроси се занимават с такива науки като химия, биохимия, кристалография.
В индустрията. За откриване на нарушения в метални изделия.
За безопасността на населението. На летищата и други обществени места се монтират рентгенови лъчи за сканиране на багаж.

Медицинска употреба на рентгеново лъчение. Рентгеновите лъчи се използват широко в медицината и денталната медицина за следните цели:

За диагностициране на заболявания.
За наблюдение на метаболитните процеси.
За лечение на много заболявания.

Използването на рентгенови лъчи за медицински цели

Освен за откриване на костни фрактури, рентгеновите лъчи се използват широко за медицински цели. Специализираното приложение на рентгеновите лъчи е за постигане на следните цели:

За унищожаване на раковите клетки.
За намаляване на размера на тумора.
За намаляване на болката.

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

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

Основни свойства на рентгеновите лъчи

проникваща способност. Всички тела са прозрачни за рентгеновите лъчи, а степента на прозрачност зависи от дебелината на тялото. Именно поради това свойство лъчът започва да се използва в медицината за откриване на функционирането на органите, наличието на фрактури и чужди тела в тялото.
Те са в състояние да предизвикат блясък на някои предмети. Например, ако барий и платина се нанесат върху картона, тогава, след преминаване през сканирането на лъча, той ще свети зеленикаво-жълто. Ако поставите ръката си между рентгеновата тръба и екрана, тогава светлината ще проникне повече в костта, отколкото в тъканта, така че костната тъкан ще бъде подчертана най-ярко на екрана, а мускулната тъкан ще бъде по-малко ярка .
Екшън върху филм. Рентгеновите лъчи могат, подобно на светлината, да направят филма тъмен, това ви позволява да снимате сенчестата страна, която се получава, когато се изследват рентгенови лъчи на тела.
Рентгеновите лъчи могат да йонизират газовете. Това дава възможност не само да се намерят лъчи, но и да се разкрие тяхната интензивност чрез измерване на йонизационния ток в газа.
Те имат биохимичен ефект върху тялото на живите същества. Благодарение на това свойство рентгеновите лъчи са намерили своето широко приложение в медицината: те могат да лекуват както кожни заболявания, така и заболявания на вътрешните органи. В този случай се избират желаната доза радиация и продължителността на лъчите. Продължителната и прекомерна употреба на такова лечение е много вредна и вредна за организма.

Последствието от използването на рентгенови лъчи е спасяването на много човешки животи. Рентгеновата снимка помага не само да се диагностицира заболяването навреме, методите на лечение с помощта на лъчева терапия облекчават пациентите от различни патологии, от хиперфункция на щитовидната жлеза до злокачествени тумори на костната тъкан.

Министерство на образованието и науката на Руската федерация

Федерална агенция за образование

ГОУ ВПО СУСУ

Катедра по физична химия

в курса на KSE: “Рентгеново лъчение”

Завършено:

Наумова Дария Генадиевна

Проверено:

доцент, K.T.N.

Танклевская Н.М.

Челябинск 2010г

Въведение

Глава I. Откриване на рентгенови лъчи

Разписка

Взаимодействие с материята

Биологично въздействие

Регистрация

Приложение

Как се прави рентгенова снимка

естествени рентгенови лъчи

Глава II. Рентгенография

Приложение

Метод за получаване на изображение

Предимства на рентгенографията

Недостатъци на рентгенографията

Флуороскопия

Принцип на получаване

Предимства на флуороскопията

Недостатъци на флуороскопията

Цифрови технологии във флуороскопията

Метод на многоредово сканиране

Заключение

Списък на използваната литература

Въведение

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

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

Рентгеновите лъчи се използват в химията за анализ на съединения и във физиката за изследване на структурата на кристалите. Рентгенов лъч, преминаващ през химично съединение, причинява характерно вторично излъчване, спектроскопският анализ на което позволява на химика да определи състава на съединението. При падане върху кристално вещество, рентгенов лъч се разсейва от атомите на кристала, давайки ясен, правилен модел на петна и ивици върху фотографска плоча, което дава възможност да се установи вътрешната структура на кристала.

Използването на рентгенови лъчи при лечението на рак се основава на факта, че убива раковите клетки. Въпреки това, той може да има нежелан ефект върху нормалните клетки. Ето защо трябва да се внимава с това използване на рентгенови лъчи.

Глава I. Откриване на рентгенови лъчи

Откриването на рентгеновите лъчи се приписва на Вилхелм Конрад Рентген. Той беше първият, който публикува статия за рентгеновите лъчи, която той нарече рентгенови лъчи (рентген). Статия на Рентген, озаглавена „За нов тип лъчи“, е публикувана на 28 декември 1895 г. в списанието на Вюрцбургското физико-медицинско дружество. Счита се обаче за доказано, че рентгеновите лъчи вече са били получени и преди. Електронно-лъчева тръба, която Рентген използва в своите експерименти, е разработена от J. Hittorf и W. Kruks. Тази тръба произвежда рентгенови лъчи. Това е показано в експериментите на Крукс и от 1892 г. в експериментите на Хайнрих Херц и неговия ученик Филип Ленард чрез почерняването на фотографските плочи. Никой от тях обаче не осъзнава значението на своето откритие и не публикува резултатите си. Също така Никола Тесла, започвайки през 1897 г., експериментира с електронно-лъчеви тръби, получава рентгенови лъчи, но не публикува резултатите си.

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

Позиция в скалата на електромагнитните вълни

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

(рентгенова снимка (рентгенограма) на ръката на съпругата му, направена от V.K. Roentgen)

)

Разписка

Рентгеновите лъчи се получават чрез силно ускорение на заредени частици (главно електрони) или чрез високоенергийни преходи в електронните обвивки на атоми или молекули. И двата ефекта се използват в рентгеновите тръби, при които електроните, излъчени от горещ катод, се ускоряват (не се излъчват рентгенови лъчи, тъй като ускорението е твърде ниско) и удрят анода, където рязко се забавят (рентгеновите лъчи са излъчени: т. нар. спирачно лъчение) и в същото време избиват електрони от вътрешните електронни обвивки на атомите на метала, от който е направен анодът. Празните места в черупките са заети от други електрони на атома. В този случай рентгеновото лъчение се излъчва с определена енергийна характеристика на анодния материал (характерното излъчване, честотите се определят от закона на Мозли:

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

Рентгеновите лъчи могат да бъдат получени и в ускорители на частици. т.нар. Синхротронното лъчение възниква, когато сноп от частици се отклонява в магнитно поле, в резултат на което те изпитват ускорение в посока, перпендикулярна на движението си. Синхротронното лъчение има непрекъснат спектър с горна граница. При подходящо избрани параметри (величина на магнитното поле и енергията на частиците) могат да се получат и рентгенови лъчи в спектъра на синхротронното лъчение.

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

Взаимодействие с материята

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

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

Абсорбцията възниква в резултат на фотоабсорбция и комптоново разсейване:

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

Рентгенови лъчи, невидима радиация, способна да проникне, макар и в различна степен, във всички вещества. Това е електромагнитно излъчване с дължина на вълната около 10-8 cm.

Получаване на рентгенови лъчи

Рентгеновото лъчение възниква, когато електроните, движещи се с висока скорост, взаимодействат с материята. Когато електроните се сблъскат с атоми на което и да е вещество, те бързо губят кинетичната си енергия. В този случай по-голямата част от него се превръща в топлина, а малка част, обикновено по-малко от 1%, се превръща в енергия на рентгенови лъчи. Тази енергия се освобождава под формата на кванти - частици, наречени фотони, които имат енергия, но имат нулева маса на покой. Рентгеновите фотони се различават по своята енергия, която е обратно пропорционална на дължината на вълната им. С обичайния метод за получаване на рентгенови лъчи се получава широк диапазон от дължини на вълните, който се нарича рентгенов спектър.

Рентгенови тръби. За да се получи рентгеново лъчение, дължащо се на взаимодействието на електрони с материята, е необходимо да има източник на електрони, средства за ускоряването им до високи скорости и мишена, способна да издържи на бомбардиране с електрони и да произвежда рентгеново лъчение на необходимата интензивност. Устройството, което има всичко това, се нарича рентгенова тръба. Ранните изследователи са използвали "дълбоко вакуумни" тръби като днешните разрядни тръби. Вакуумът в тях не беше много голям.

Разрядните тръби съдържат малко количество газ и когато се приложи голяма потенциална разлика към електродите на тръбата, атомите на газа се превръщат в положителни и отрицателни йони. Положителните се движат към отрицателния електрод (катод) и, падайки върху него, избиват електрони от него, а те от своя страна се движат към положителния електрод (анод) и, бомбардирайки го, създават поток от рентгенови фотони .

В съвременната рентгенова тръба, разработена от Кулидж (фиг. 11), източникът на електрони е волфрамов катод, нагрят до висока температура.

Ориз. единадесет.

Електроните се ускоряват до високи скорости от високата потенциална разлика между анода (или антикатода) и катода. Тъй като електроните трябва да достигнат до анода, без да се сблъскват с атоми, е необходим много висок вакуум, за което тръбата трябва да бъде добре евакуирана. Това също така намалява вероятността от йонизация на останалите газови атоми и свързаните странични токове.

Когато е бомбардиран с електрони, волфрамовият антикатод излъчва характерни рентгенови лъчи. Напречното сечение на рентгеновия лъч е по-малко от действително облъчената площ. 1 - електронен лъч; 2 - катод с фокусиращ електрод; 3 - стъклена обвивка (тръба); 4 - волфрамова мишена (антикатод); 5 - катодна нишка; 6 - действително облъчена площ; 7 - ефективно фокусно място; 8 - меден анод; 9 - прозорец; 10 - разпръснати рентгенови лъчи.

Електроните са фокусирани върху анода чрез специално оформен електрод, обграждащ катода. Този електрод се нарича фокусиращ електрод и заедно с катода образува "електронния прожектор" на тръбата. Анодът, подложен на бомбардиране с електрони, трябва да бъде направен от огнеупорен материал, тъй като по-голямата част от кинетичната енергия на бомбардиращите електрони се превръща в топлина. Освен това е желателно анодът да бъде направен от материал с висок атомен номер, т.к добивът на рентгенови лъчи се увеличава с увеличаване на атомния номер. За аноден материал най-често се избира волфрам, чийто атомен номер е 74. Конструкцията на рентгеновите тръби може да бъде различна в зависимост от условията на приложение и изискванията.

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

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

Ориз. 1 - мобилен рентгенов апарат:

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

Ориз. 2 - контролен панел на рентгенов апарат (механичен - отляво и електронен - отдясно):

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

Ориз. 3 е блокова схема на типичен рентгенов апарат

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

Механизъм на генериране на рентгенови лъчи

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

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

Ориз. 4 - Устройство с рентгенова тръба:

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

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

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

Рентгеновото лъчение се подразделя на спирачно и характерно. Спирачното лъчение възниква поради рязко забавяне на скоростта на електроните, излъчвани от волфрамова нишка. Характерното излъчване възниква в момента на пренареждане на електронните обвивки на атомите. И двата вида се образуват в рентгенова тръба в момента на сблъсък на ускорени електрони с атоми от анодния материал. Спектърът на излъчване на рентгенова тръба е суперпозиция на спирачно лъчение и характерни рентгенови лъчи.

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

Основни свойства на рентгеновите лъчи

Рентгеновите лъчи са невидими за зрителното възприятие.
Рентгеновото лъчение има голяма проникваща сила през органите и тъканите на живия организъм, както и плътни структури от нежива природа, които не пропускат видими светлинни лъчи.
Рентгеновите лъчи предизвикват светене на определени химически съединения, наречени флуоресценция.

Цинк и кадмиев сулфиди флуоресцират жълто-зелено,
Кристали от калциев волфрамат - виолетово-сини.

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

Рентгеновите лъчи пренасят своята енергия към атомите и молекулите на околната среда, през която преминават, проявявайки йонизиращ ефект.

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

Скала на електромагнитните трептения

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

Рентгеновото лъчение се различава от другите видове електромагнитни трептения по дължина на вълната (виж таблицата) и квантова енергия. Колкото по-къса е дължината на вълната, толкова по-висока е нейната честота, енергия и проникваща сила. Рентгеновата дължина на вълната е в диапазона

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

Рентгенови характеристики

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

Чрез промяна на степента на нажежаване на катодната спирала с помощта на понижаващ трансформатор (броят на електроните, генерирани по време на емисия, ще зависи от това колко гореща е волфрамовата спирала, а броят на квантите на излъчване ще зависи от броя на електроните);
Чрез промяна на стойността на високото напрежение, подавано от повишаващия трансформатор към полюсите на тръбата - катода и анода (колкото по-високо напрежение се прилага към полюсите на тръбата, толкова повече кинетична енергия получават електроните, които , поради своята енергия, могат да взаимодействат с няколко атома на анодното вещество на свой ред - виж фиг. ориз. пет; електрони с ниска енергия ще могат да влязат в по-малък брой взаимодействия).

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

твърдост- качествена характеристика на рентгеновото лъчение. Измерва се чрез високото напрежение на тръбата - в киловолти. Определя проникващата сила на рентгеновите лъчи. Той се регулира от високото напрежение, подавано към рентгеновата тръба от покачващ трансформатор. Колкото по-висока е потенциалната разлика на електродите на тръбата, толкова по-голяма е силата на електроните, които се отблъскват от катода и се втурват към анода, и толкова по-силен е сблъсъкът им с анода. Колкото по-силен е техният сблъсък, толкова по-къса е дължината на вълната на полученото рентгеново лъчение и толкова по-висока е проникващата мощност на тази вълна (или твърдостта на излъчването, която, както и интензитета, се регулира на контролния панел от параметъра на напрежението на тръбата - киловолтаж).

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

λ - дължина на вълната;
E - енергия на вълната

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

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

Колкото по-високо е напрежението, приложено към полюсите на тръбата, толкова по-силна е потенциалната разлика върху тях, следователно, кинетичната енергия на движещите се електрони ще бъде по-висока. Напрежението върху тръбата определя скоростта на електроните и силата на сблъсъка им с анодния материал, следователно напрежението определя дължината на вълната на полученото рентгеново лъчение.

Класификация на рентгеновите тръби

По уговорка

Диагностична
Терапевтични
За структурен анализ
За трансилюминация

По дизайн

По фокус

Единичен фокус (една спирала на катода и едно фокусно място на анода)
Бифокални (две спирали с различни размери на катода и две фокални точки на анода)

По вид анод

Неподвижно (фиксирано)
Въртящ се

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

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

Дизайнът на рентгеновите тръби също се различава във фокуса. Фокално петно - участъкът от анода, върху който се генерира работният рентгенов лъч. Подразделя се на реално фокусно петно и ефективно фокусно петно ( ориз. 12). Поради ъгъла на анода, ефективното фокусно петно е по-малко от реалното. Използват се различни размери на фокусното петно в зависимост от размера на зоната на изображението. Колкото по-голяма е площта на изображението, толкова по-широко трябва да бъде фокусното петно, за да покрие цялата област на изображението. Въпреки това, по-малко фокусно петно осигурява по-добра яснота на изображението. Следователно, когато се произвеждат малки изображения, се използва къса нишка и електроните се насочват към малка площ от анодната цел, създавайки по-малко фокусно петно.

Ориз. 9 - рентгенова тръба със стационарен анод.
Ориз. 10 - Рентгенова тръба с въртящ се анод.
Ориз. 11 - Уред за рентгенова тръба с въртящ се анод.
Ориз. 12 е диаграма на формирането на реално и ефективно фокусно петно.

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

Кой и как открива рентгеновите лъчи

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

Заинтригуван от странния ефект, Рентген провежда серия от изследвания, които показват, че получената радиация, невидима за окото, може да проникне през различни препятствия: хартия, дърво, стъкло, някои метали и дори през човешкото тяло. Въпреки липсата на разбиране на самата същност на случващото се, дали подобно явление е причинено от генериране на поток от неизвестни частици или вълни, беше отбелязан следният модел - радиацията лесно преминава през меките тъкани на тялото и много по-трудно чрез твърди живи тъкани и неодушевени вещества.

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

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

Рентгенови свойства

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

дифракция;
пречупване;
смущения;
скорост на разпространение (равна на светлината).

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

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

Рентгеново лъчение - спирачно и характерно

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

Спирачното лъчение или непрекъснатите рентгенови лъчи са резултат от забавяне на електроните, изпаряващи се от волфрамова нишка.

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

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

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

Принципи на рентгеновите изображения

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

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

Фотохимичният ефект на рентгеновите лъчи върху светлочувствителни сребърни халогенидни материали (осветяване) дава възможност за извършване на диагностика - заснемане на рентгенови изображения. Това свойство се използва и при измерване на количеството на общата доза, която лаборантите получават в рентгенови кабинети. Дозиметрите за носене имат специални чувствителни ленти и индикатори. Йонизиращият ефект на рентгеновите лъчи дава възможност да се определят качествените характеристики на получените рентгенови лъчи.

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

Области, където се използват рентгенови лъчи

Използването на рентгенови лъчи е приемливо в следните индустрии:

Сигурност. Стационарни и преносими устройства за откриване на опасни и забранени предмети на летища, митници или на места с много хора.
Химическа промишленост, металургия, археология, архитектура, строителство, реставрационни работи - за откриване на дефекти и извършване на химичен анализ на вещества.
астрономия. Помага за наблюдение на космически тела и явления с помощта на рентгенови телескопи.
военна индустрия. За разработването на лазерни оръжия.

Основното приложение на рентгеновите лъчи е в областта на медицината. Днес разделът на медицинската радиология включва: лъчева диагностика, лъчетерапия (рентгенова терапия), радиохирургия. Медицинските университети произвеждат високоспециализирани специалисти - рентгенолози.

Рентгенова радиация - вреда и полза, ефекти върху тялото

Високата проникваща сила и йонизиращият ефект на рентгеновите лъчи могат да предизвикат промяна в структурата на ДНК на клетката, поради което е опасно за хората. Вредата от рентгеновата радиация е право пропорционална на получената доза радиация. Различните органи реагират на облъчване в различна степен. Най-податливите включват:

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

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

Последици от излагане на рентгенови лъчи:

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

Важно! За разлика от радиоактивните вещества, рентгеновите лъчи не се натрупват в тъканите на тялото, което означава, че няма нужда да се отстраняват рентгеновите лъчи от тялото. Вредното въздействие на рентгеновите лъчи приключва при изключване на медицинското изделие.

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

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

Методи за диагностициране на патологии с помощта на рентгенови лъчи

Радиодиагностиката включва следните методи:

Флуороскопията е изследване, при което изображение се получава на флуоресцентен екран в реално време. Наред с класическото изобразяване в реално време на част от тялото, днес съществуват рентгенови телевизионни трансилюминационни технологии - изображението се прехвърля от флуоресцентен екран към телевизионен монитор, разположен в друга стая. Разработени са няколко цифрови метода за обработка на полученото изображение, последвано от прехвърлянето му от екрана на хартия.
Флуорографията е най-евтиният метод за изследване на гръдните органи, който се състои в направата на малка снимка с размери 7х7 см. Въпреки възможността за грешка, това е единственият начин за провеждане на масово годишно изследване на населението. Методът не е опасен и не изисква изтегляне на получената доза радиация от тялото.
Рентгенография - получаване на обобщен образ на филм или хартия за изясняване на формата на орган, неговата позиция или тон. Може да се използва за оценка на перисталтиката и състоянието на лигавиците. Ако има избор, тогава сред съвременните рентгенови апарати трябва да се даде предпочитание нито на цифровите устройства, при които рентгеновият поток може да бъде по-висок от този на старите устройства, а на нискодозовите рентгенови апарати с директен плоски полупроводникови детектори. Те ви позволяват да намалите натоварването на тялото с 4 пъти.
Компютърната рентгенова томография е техника, която използва рентгенови лъчи за получаване на необходимия брой изображения на участъци от избран орган. Сред многото разновидности на съвременните CT устройства, нискодозовите CT скенери с висока разделителна способност се използват за серия от повтарящи се изследвания.

Лъчетерапия

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

Днес рентгеновото лечение се извършва по следните начини:

Външна (протонна терапия) – лъчът на радиация навлиза в тялото на пациента отвън.
Вътрешна (брахитерапия) - използването на радиоактивни капсули чрез имплантирането им в тялото, с поставянето им по-близо до раковия тумор. Недостатъкът на този метод на лечение е, че докато капсулата не бъде извадена от тялото, пациентът трябва да бъде изолиран.

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

Безопасна скорост на рентгеново облъчване

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

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

Днес са в сила следните средни стандарти GZD:

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

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