Propriétés DRT et production de rayons X. Propriétés de base des rayons X

Le rayonnement X joue un rôle énorme dans la médecine moderne ; l'histoire de la découverte des rayons X remonte au 19ème siècle.

Les rayons X sont des ondes électromagnétiques produites avec la participation d'électrons. Avec une forte accélération des particules chargées, des rayons X artificiels sont créés. Il passe par des équipements spéciaux :

accélérateurs de particules.

Historique de la découverte

Ces rayons ont été inventés en 1895 par le scientifique allemand Roentgen : en travaillant avec un tube à rayons cathodiques, il a découvert l'effet de fluorescence du cyanure de platine et de baryum. Ensuite, il y avait une description de ces rayons et de leur incroyable capacité à pénétrer les tissus du corps. Les rayons ont commencé à être appelés rayons X (rayons X). Plus tard en Russie, ils ont commencé à s'appeler X-ray.

Les rayons X sont capables de pénétrer même à travers les murs. Alors Roentgen s'est rendu compte qu'il avait fait la plus grande découverte dans le domaine de la médecine. C'est à partir de cette époque que des sections scientifiques distinctes ont commencé à se former, telles que la radiologie et la radiologie.

Les rayons sont capables de pénétrer les tissus mous, mais sont retardés, leur longueur est déterminée par l'obstacle d'une surface dure. Les tissus mous du corps humain sont la peau et les tissus durs sont les os. En 1901, le scientifique a reçu le prix Nobel.

Cependant, avant même la découverte de Wilhelm Conrad Roentgen, d'autres scientifiques s'intéressaient également à un sujet similaire. En 1853, le physicien français Antoine-Philiber Mason a étudié une décharge à haute tension entre des électrodes dans un tube de verre. Le gaz qu'il contenait à basse pression a commencé à émettre une lueur rougeâtre. Le pompage de l'excès de gaz du tube a entraîné la décomposition de la lueur en une séquence complexe de couches lumineuses individuelles, dont la teinte dépendait de la quantité de gaz.

En 1878, William Crookes (physicien anglais) a suggéré que la fluorescence se produit en raison de l'impact des rayons sur la surface en verre du tube. Mais toutes ces études n'ont été publiées nulle part, donc Roentgen n'était pas au courant de telles découvertes. Après la publication de ses découvertes en 1895 dans une revue scientifique, où le scientifique écrivait que tous les corps sont transparents à ces rayons, bien qu'à un degré très différent, d'autres scientifiques se sont intéressés à des expériences similaires. Ils ont confirmé l'invention de Roentgen, et le développement et l'amélioration des rayons X ont commencé.

Wilhelm Roentgen lui-même a publié deux autres articles scientifiques sur le sujet des rayons X en 1896 et 1897, après quoi il a repris d'autres activités. Ainsi, plusieurs scientifiques ont inventé, mais c'est Roentgen qui a publié des articles scientifiques sur ce sujet.

Principes d'imagerie

Les caractéristiques de ces rayonnements sont déterminées par la nature même de leur apparition. Le rayonnement se produit en raison d'une onde électromagnétique. Ses principales propriétés comprennent :

Réflexion. Si l'onde frappe la surface perpendiculairement, elle ne sera pas réfléchie. Dans certaines situations, un diamant a la propriété de réflexion.
La capacité de pénétrer les tissus. De plus, les rayons peuvent traverser des surfaces opaques de matériaux tels que le bois, le papier, etc.
pouvoir absorbant. L'absorption dépend de la densité du matériau : plus il est dense, plus les rayons X l'absorbent.
Certaines substances sont fluorescentes, c'est-à-dire qu'elles brillent. Dès que le rayonnement s'arrête, la lueur disparaît également. S'il se poursuit après la cessation de l'action des rayons, cet effet est appelé phosphorescence.
Les rayons X peuvent éclairer un film photographique, tout comme la lumière visible.
Si le faisceau a traversé l'air, une ionisation se produit dans l'atmosphère. Cet état est appelé électriquement conducteur, et il est déterminé à l'aide d'un dosimètre, qui fixe le taux de dose de rayonnement.

Rayonnement - préjudice et bénéfice

Lorsque la découverte a été faite, le physicien Roentgen ne pouvait même pas imaginer à quel point son invention était dangereuse. Autrefois, tous les appareils qui produisaient des rayonnements étaient loin d'être parfaits et, par conséquent, de fortes doses de rayons émis étaient obtenues. Les gens ne comprenaient pas les dangers d'un tel rayonnement. Bien que certains scientifiques aient même alors proposé des versions sur les dangers des rayons X.

Les rayons X, pénétrant dans les tissus, ont un effet biologique sur eux. L'unité de mesure de la dose de rayonnement est le roentgen par heure. L'influence principale est sur les atomes ionisants qui sont à l'intérieur des tissus. Ces rayons agissent directement sur la structure de l'ADN d'une cellule vivante. Les conséquences d'un rayonnement incontrôlé comprennent :

mutation cellulaire;
l'apparition de tumeurs;
brûlures par rayonnement;
maladie des radiations.

Contre-indications aux examens radiologiques :

Les patients sont dans un état critique.
Période de grossesse en raison d'effets négatifs sur le fœtus.
Patients présentant des saignements ou un pneumothorax ouvert.

Comment fonctionnent les rayons X et où ils sont utilisés

En médecine. Le diagnostic par rayons X est utilisé pour translucider les tissus vivants afin d'identifier certains troubles dans le corps. La radiothérapie est effectuée pour éliminer les formations tumorales.
Dans la science. La structure des substances et la nature des rayons X sont révélées. Ces questions sont traitées par des sciences telles que la chimie, la biochimie, la cristallographie.
Dans l'industrie. Pour détecter les infractions dans les produits métalliques.
Pour la sécurité de la population. Des faisceaux de rayons X sont installés dans les aéroports et autres lieux publics pour scanner les bagages.

Utilisation médicale des rayons X. Les rayons X sont largement utilisés en médecine et en dentisterie aux fins suivantes :

Pour diagnostiquer des maladies.
Pour surveiller les processus métaboliques.
Pour le traitement de nombreuses maladies.

L'utilisation des rayons X à des fins médicales

En plus de détecter les fractures osseuses, les rayons X sont largement utilisés à des fins médicales. L'application spécialisée des rayons X vise à atteindre les objectifs suivants :

Pour détruire les cellules cancéreuses.
Pour réduire la taille de la tumeur.
Pour réduire la douleur.

Par exemple, l'iode radioactif, utilisé dans les maladies endocrinologiques, est activement utilisé dans le cancer de la thyroïde, aidant ainsi de nombreuses personnes à se débarrasser de cette terrible maladie. Actuellement, pour diagnostiquer des maladies complexes, les rayons X sont connectés à des ordinateurs, en conséquence, les dernières méthodes de recherche apparaissent, telles que la tomographie axiale informatisée.

Un tel scan fournit aux médecins des images en couleur qui montrent les organes internes d'une personne. Pour détecter le travail des organes internes, une petite dose de rayonnement suffit. Les rayons X sont également largement utilisés en physiothérapie.

Propriétés de base des rayons X

capacité de pénétration. Tous les corps sont transparents aux rayons X, et le degré de transparence dépend de l'épaisseur du corps. C'est grâce à cette propriété que le faisceau a commencé à être utilisé en médecine pour détecter le fonctionnement des organes, la présence de fractures et de corps étrangers dans le corps.
Ils sont capables de provoquer la lueur de certains objets. Par exemple, si du baryum et du platine sont appliqués sur du carton, après avoir traversé le balayage du faisceau, il deviendra jaune verdâtre. Si vous placez votre main entre le tube à rayons X et l'écran, la lumière pénétrera davantage dans l'os que dans le tissu, de sorte que le tissu osseux brillera le plus sur l'écran et que le tissu musculaire sera moins brillant.
Action sur film. Les rayons X peuvent, comme la lumière, assombrir le film, ce qui permet de photographier le côté ombré obtenu lors de l'examen des objets par rayons X.
Les rayons X peuvent ioniser les gaz. Cela permet non seulement de trouver des rayons, mais aussi de révéler leur intensité en mesurant le courant d'ionisation dans le gaz.
Ils ont un effet biochimique sur le corps des êtres vivants. Grâce à cette propriété, les rayons X ont trouvé leur large application en médecine : ils peuvent traiter à la fois les maladies de la peau et les maladies des organes internes. Dans ce cas, la dose de rayonnement souhaitée et la durée des rayons sont sélectionnées. L'utilisation prolongée et excessive d'un tel traitement est très nocive et préjudiciable à l'organisme.

L'utilisation des rayons X a eu pour conséquence de sauver de nombreuses vies humaines. Les rayons X aident non seulement à diagnostiquer la maladie en temps opportun, mais les méthodes de traitement utilisant la radiothérapie soulagent les patients de diverses pathologies, de l'hyperfonctionnement de la glande thyroïde aux tumeurs malignes des tissus osseux.

Ministère de l'éducation et des sciences de la Fédération de Russie

Agence fédérale pour l'éducation

GOU VPO SUSU

Département de chimie physique

au cours KSE : « Rayonnement X »

Complété:

Naumova Daria Gennadievna

Vérifié:

Professeur agrégé, K.T.N.

Tanklevskaïa N.M.

Tcheliabinsk 2010

introduction

Chapitre I. Découverte des rayons X

Le reçu

Interaction avec la matière

Impact biologique

enregistrement

Application

Comment une radiographie est prise

radiographies naturelles

Chapitre II. Radiographie

Application

Méthode d'acquisition d'images

Avantages de la radiographie

Inconvénients de la radiographie

Radioscopie

Principe de réception

Avantages de la fluoroscopie

Inconvénients de la fluoroscopie

Technologies numériques en fluoroscopie

Méthode de balayage multiligne

Conclusion

Liste de la littérature utilisée

introduction

Rayonnement X - ondes électromagnétiques dont l'énergie photonique est déterminée par la gamme d'énergie allant du rayonnement ultraviolet au rayonnement gamma, qui correspond à la gamme de longueurs d'onde de 10−4 à 10² Å (de 10−14 à 10−8 m).

Comme la lumière visible, les rayons X provoquent le noircissement du film photographique. Cette propriété est d'une grande importance pour la médecine, l'industrie et la recherche scientifique. Traversant l'objet étudié puis tombant sur le film, le rayonnement X y dépeint sa structure interne. Étant donné que le pouvoir de pénétration du rayonnement X est différent pour différents matériaux, les parties de l'objet qui lui sont moins transparentes donnent des zones plus claires sur la photographie que celles à travers lesquelles le rayonnement pénètre bien. Ainsi, les tissus osseux sont moins transparents aux rayons X que les tissus qui composent la peau et les organes internes. Par conséquent, sur la radiographie, les os seront indiqués comme des zones plus claires et le site de fracture, qui est plus transparent pour le rayonnement, peut être assez facilement détecté. L'imagerie par rayons X est également utilisée en dentisterie pour détecter les caries et les abcès dans les racines des dents, ainsi que dans l'industrie pour détecter les fissures dans les moulages, les plastiques et les caoutchoucs.

Les rayons X sont utilisés en chimie pour analyser les composés et en physique pour étudier la structure des cristaux. Un faisceau de rayons X traversant un composé chimique provoque un rayonnement secondaire caractéristique dont l'analyse spectroscopique permet au chimiste de déterminer la composition du composé. Lorsqu'il tombe sur une substance cristalline, un faisceau de rayons X est diffusé par les atomes du cristal, donnant un motif clair et régulier de taches et de rayures sur une plaque photographique, ce qui permet d'établir la structure interne du cristal.

L'utilisation des rayons X dans le traitement du cancer est basée sur le fait qu'ils tuent les cellules cancéreuses. Cependant, il peut également avoir un effet indésirable sur les cellules normales. Par conséquent, une extrême prudence doit être exercée dans cette utilisation des rayons X.

Chapitre I. Découverte des rayons X

La découverte des rayons X est attribuée à Wilhelm Conrad Roentgen. Il a été le premier à publier un article sur les rayons X, qu'il a appelé rayons X (rayons X). Un article de Roentgen intitulé "Sur un nouveau type de rayons" a été publié le 28 décembre 1895 dans le journal de la Société physico-médicale de Würzburg. Il est cependant considéré comme prouvé que des radiographies ont déjà été obtenues auparavant. Le tube à rayons cathodiques que Roentgen a utilisé dans ses expériences a été développé par J. Hittorf et W. Kruks. Ce tube produit des rayons X. Cela a été démontré dans les expériences de Crookes et à partir de 1892 dans les expériences de Heinrich Hertz et de son élève Philipp Lenard à travers le noircissement de plaques photographiques. Cependant, aucun d'entre eux n'a réalisé l'importance de leur découverte et n'a pas publié leurs résultats. De plus, Nikola Tesla, à partir de 1897, a expérimenté des tubes à rayons cathodiques, a reçu des rayons X, mais n'a pas publié ses résultats.

Pour cette raison, Roentgen n'était pas au courant des découvertes faites avant lui et a découvert les rayons, nommés plus tard en son honneur, indépendamment - tout en observant la fluorescence qui se produit lors du fonctionnement d'un tube à rayons cathodiques. Roentgen a étudié les rayons X pendant un peu plus d'un an (du 8 novembre 1895 à mars 1897) et n'a publié que trois articles relativement petits à leur sujet, mais ils ont fourni une description si complète des nouveaux rayons que des centaines d'articles de ses disciples, puis publié pendant 12 ans, ne pouvait ni ajouter ni modifier quoi que ce soit de significatif. Roentgen, qui s'était désintéressé des rayons X, a dit à ses collègues : "J'ai déjà tout écrit, ne perdez pas votre temps." La célèbre photographie de la main de sa femme, qu'il a publiée dans son article (voir image à droite), a également contribué à la renommée de Roentgen. Une telle renommée a valu à Roentgen en 1901 le premier prix Nobel de physique, et le comité Nobel a souligné l'importance pratique de sa découverte. En 1896, le nom "rayons X" a été utilisé pour la première fois. Dans certains pays, l'ancien nom reste - rayons X. En Russie, les rayons ont commencé à être appelés "rayons X" à la suggestion d'un étudiant V.K. Roentgen - Abram Fedorovitch Ioffe.

Position sur l'échelle des ondes électromagnétiques

Les gammes d'énergie des rayons X et des rayons gamma se chevauchent dans une large gamme d'énergie. Les deux types de rayonnement sont des rayonnements électromagnétiques et sont équivalents pour la même énergie photonique. La différence terminologique réside dans le mode d'occurrence - les rayons X sont émis avec la participation d'électrons (soit dans les atomes, soit libres), tandis que le rayonnement gamma est émis dans les processus de désexcitation des noyaux atomiques. Les photons X ont des énergies de 100 eV à 250 keV, ce qui correspond à un rayonnement avec une fréquence de 3 1016 Hz à 6 1019 Hz et une longueur d'onde de 0,005 - 10 nm (il n'existe pas de définition généralement acceptée de la limite inférieure de X gamme de rayons dans l'échelle des longueurs d'onde). Les rayons X mous sont caractérisés par l'énergie photonique et la fréquence de rayonnement les plus faibles (et la longueur d'onde la plus longue), tandis que les rayons X durs ont l'énergie photonique et la fréquence de rayonnement les plus élevées (et la longueur d'onde la plus courte).

(Photographie aux rayons X (roentgenogramme) de la main de sa femme, prise par V.K. Roentgen)

)

Le reçu

Les rayons X sont produits par une forte accélération de particules chargées (principalement des électrons) ou par des transitions à haute énergie dans les couches d'électrons des atomes ou des molécules. Les deux effets sont utilisés dans les tubes à rayons X, dans lesquels les électrons émis par une cathode chaude sont accélérés (aucun rayon X n'est émis, car l'accélération est trop faible) et frappent l'anode, où ils sont fortement décélérés (les rayons X sont émis: le soi-disant . bremsstrahlung) et en même temps éliminent les électrons des couches d'électrons internes des atomes du métal à partir duquel l'anode est fabriquée. Les espaces vides dans les coquilles sont occupés par d'autres électrons de l'atome. Dans ce cas, le rayonnement X est émis avec une certaine énergie caractéristique du matériau de l'anode (rayonnement caractéristique, les fréquences sont déterminées par la loi de Moseley :

où Z est le numéro atomique de l'élément d'anode, A et B sont des constantes pour une certaine valeur du nombre quantique principal n de la couche électronique). À l'heure actuelle, les anodes sont principalement en céramique et la partie où les électrons frappent est en molybdène. Dans le processus d'accélération-décélération, seulement 1% de l'énergie cinétique de l'électron va aux rayons X, 99% de l'énergie est convertie en chaleur.

Les rayons X peuvent également être obtenus dans les accélérateurs de particules. soi-disant. Le rayonnement synchrotron se produit lorsqu'un faisceau de particules est dévié dans un champ magnétique, à la suite de quoi elles subissent une accélération dans une direction perpendiculaire à leur mouvement. Le rayonnement synchrotron a un spectre continu avec une limite supérieure. Avec des paramètres bien choisis (l'amplitude du champ magnétique et l'énergie des particules), les rayons X peuvent également être obtenus dans le spectre du rayonnement synchrotron.

Représentation schématique d'un tube à rayons X. X - rayons X, K - cathode, A - anode (parfois appelée anticathode), C - dissipateur de chaleur, Uh - tension du filament cathodique, Ua - tension d'accélération, Win - entrée de refroidissement par eau, Wout - sortie de refroidissement par eau (voir x- tube à rayons).

Interaction avec la matière

L'indice de réfraction de presque toutes les substances pour les rayons X diffère peu de l'unité. Une conséquence de ceci est le fait qu'il n'y a pas de matériau à partir duquel une lentille à rayons X peut être fabriquée. De plus, lorsque les rayons X sont incidents perpendiculairement à la surface, ils ne sont presque pas réfléchis. Malgré cela, dans l'optique des rayons X, des procédés ont été trouvés pour construire des éléments optiques pour les rayons X.

Les rayons X peuvent pénétrer la matière et différentes substances les absorbent différemment. L'absorption des rayons X est leur propriété la plus importante en photographie à rayons X. L'intensité des rayons X décroît exponentiellement en fonction du chemin parcouru dans la couche absorbante (I = I0e-kd, où d est l'épaisseur de la couche, le coefficient k est proportionnel à Z3λ3, Z est le numéro atomique de l'élément, λ est la longueur d'onde).

L'absorption se produit à la suite de la photoabsorption et de la diffusion Compton :

La photoabsorption est comprise comme le processus d'élimination d'un électron de la coquille d'un atome par un photon, ce qui nécessite que l'énergie du photon soit supérieure à une certaine valeur minimale. Si l'on considère la probabilité de l'acte d'absorption en fonction de l'énergie du photon, alors lorsqu'une certaine énergie est atteinte, elle (probabilité) augmente fortement jusqu'à sa valeur maximale. Pour des énergies plus élevées, la probabilité diminue continuellement. Du fait de cette dépendance, on dit qu'il existe une limite d'absorption. La place de l'électron éliminé lors de l'acte d'absorption est occupée par un autre électron, tandis qu'un rayonnement avec une énergie photonique inférieure est émis, le soi-disant. processus de fluorescence.

Rayons X, rayonnement invisible capable de pénétrer, bien qu'à des degrés divers, toutes les substances. Il s'agit d'un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde d'environ 10-8 cm.

Obtenir des radiographies

Le rayonnement X se produit lorsque des électrons se déplaçant à grande vitesse interagissent avec la matière. Lorsque les électrons entrent en collision avec des atomes de n'importe quelle substance, ils perdent rapidement leur énergie cinétique. Dans ce cas, la plus grande partie est convertie en chaleur et une petite fraction, généralement moins de 1 %, est convertie en énergie de rayons X. Cette énergie est libérée sous forme de quanta - des particules appelées photons qui ont de l'énergie mais une masse au repos nulle. Les photons X diffèrent par leur énergie, qui est inversement proportionnelle à leur longueur d'onde. Avec la méthode habituelle d'obtention de rayons X, une large gamme de longueurs d'onde est obtenue, appelée spectre de rayons X.

Tubes à rayons X. Pour obtenir un rayonnement X dû à l'interaction des électrons avec la matière, il est nécessaire de disposer d'une source d'électrons, de moyens pour les accélérer à des vitesses élevées, et d'une cible capable de résister au bombardement électronique et de produire un rayonnement X de l'intensité requise. L'appareil qui a tout cela s'appelle un tube à rayons X. Les premiers explorateurs utilisaient des tubes "à vide profond" tels que les tubes à décharge d'aujourd'hui. Le vide en eux n'était pas très élevé.

Les tubes à décharge contiennent une petite quantité de gaz et lorsqu'une grande différence de potentiel est appliquée aux électrodes du tube, les atomes de gaz se transforment en ions positifs et négatifs. Les positives se dirigent vers l'électrode négative (cathode) et, en tombant dessus, en font sortir des électrons, et elles, à leur tour, se dirigent vers l'électrode positive (anode) et, en la bombardant, créent un flux de photons X .

Dans le tube à rayons X moderne développé par Coolidge (Fig. 11), la source d'électrons est une cathode en tungstène chauffée à haute température.

Riz. Onze.

Les électrons sont accélérés à des vitesses élevées par la différence de potentiel élevée entre l'anode (ou anticathode) et la cathode. Comme les électrons doivent atteindre l'anode sans entrer en collision avec des atomes, un vide très poussé est nécessaire, pour lequel le tube doit être bien évacué. Cela réduit également la probabilité d'ionisation des atomes de gaz restants et les courants latéraux associés.

Lorsqu'elle est bombardée d'électrons, l'anticathode de tungstène émet des rayons X caractéristiques. La section transversale du faisceau de rayons X est inférieure à la surface irradiée réelle. 1 - faisceau d'électrons ; 2 - cathode avec une électrode de focalisation ; 3 - coque en verre (tube); 4 - cible en tungstène (anticathode); 5 - filament cathodique; 6 - zone réellement irradiée ; 7 - point focal efficace ; 8 - anode en cuivre; 9 - fenêtre; 10 - rayons X diffusés.

Les électrons sont focalisés sur l'anode par une électrode de forme spéciale entourant la cathode. Cette électrode est appelée électrode de focalisation et forme avec la cathode le "projecteur électronique" du tube. L'anode soumise au bombardement électronique doit être réalisée en un matériau réfractaire, car la plus grande partie de l'énergie cinétique des électrons bombardés est convertie en chaleur. De plus, il est souhaitable que l'anode soit faite d'un matériau à numéro atomique élevé, car le rendement en rayons X augmente avec l'augmentation du numéro atomique. Le tungstène, dont le numéro atomique est 74, est le plus souvent choisi comme matériau d'anode.La conception des tubes à rayons X peut être différente selon les conditions d'application et les exigences.

La radiologie est une section de la radiologie qui étudie les effets des rayons X sur le corps des animaux et des humains résultant de cette maladie, leur traitement et leur prévention, ainsi que les méthodes de diagnostic de diverses pathologies à l'aide de rayons X (diagnostic par rayons X) . Un appareil de diagnostic par rayons X typique comprend une alimentation (transformateurs), un redresseur haute tension qui convertit le courant alternatif du réseau électrique en courant continu, un panneau de commande, un trépied et un tube à rayons X.

Les rayons X sont un type d'oscillations électromagnétiques qui se forment dans un tube à rayons X lors d'une forte décélération d'électrons accélérés au moment de leur collision avec les atomes de la substance anodique. À l'heure actuelle, il est généralement admis que les rayons X, de par leur nature physique, sont l'un des types d'énergie rayonnante, dont le spectre comprend également les ondes radio, les rayons infrarouges, la lumière visible, les rayons ultraviolets et les rayons gamma de éléments radioactifs. Le rayonnement X peut être caractérisé comme une collection de ses plus petites particules - quanta ou photons.

Riz. 1 - appareil de radiographie mobile :

A - tube à rayons X ;
B - alimentation électrique ;
B - trépied réglable.

Riz. 2 - Panneau de commande de l'appareil à rayons X (mécanique - à gauche et électronique - à droite) :

A - panneau pour régler l'exposition et la dureté;
B - bouton d'alimentation haute tension.

Riz. 3 est un schéma fonctionnel d'un appareil à rayons X typique

1 - réseau ;
2 - autotransformateur ;
3 - transformateur élévateur;
4 - tube à rayons X ;
5 - anode;
6 - cathode;
7 - transformateur abaisseur.

Mécanisme de production de rayons X

Les rayons X se forment au moment de la collision d'un flux d'électrons accélérés avec le matériau de l'anode. Lorsque les électrons interagissent avec une cible, 99 % de leur énergie cinétique est convertie en énergie thermique et seulement 1 % en rayons X.

Un tube à rayons X est constitué d'un récipient en verre dans lequel sont soudées 2 électrodes : une cathode et une anode. L'air est pompé hors du cylindre de verre : le mouvement des électrons de la cathode vers l'anode n'est possible que dans des conditions de vide relatif (10 -7 -10 -8 mm Hg). Sur la cathode, il y a un filament, qui est un filament de tungstène étroitement torsadé. Lorsqu'un courant électrique est appliqué au filament, une émission d'électrons se produit, dans laquelle les électrons sont séparés de la spirale et forment un nuage d'électrons près de la cathode. Ce nuage est concentré au niveau de la coupelle de focalisation de la cathode, qui définit la direction du mouvement des électrons. Coupe - une petite dépression dans la cathode. L'anode, à son tour, contient une plaque métallique de tungstène sur laquelle les électrons sont focalisés - c'est le site de formation des rayons X.

Riz. 4 - Appareil à tube à rayons X :

A - cathode;
B - anode;
B - filament de tungstène ;
G - coupelle de focalisation de la cathode;
D - flux d'électrons accélérés;
E - cible en tungstène ;
G - flacon en verre;
З - une fenêtre en béryllium;
Et - radiographies formées;
K - filtre en aluminium.

2 transformateurs sont connectés au tube électronique : abaisseur et élévateur. Un transformateur abaisseur chauffe le filament de tungstène avec une basse tension (5-15 volts), ce qui entraîne une émission d'électrons. Un transformateur élévateur ou haute tension va directement à la cathode et à l'anode, qui sont alimentées par une tension de 20 à 140 kilovolts. Les deux transformateurs sont placés dans le bloc haute tension de la machine à rayons X, qui est rempli d'huile de transformateur, qui assure le refroidissement des transformateurs et leur isolation fiable.

Après la formation d'un nuage d'électrons à l'aide d'un transformateur abaisseur, le transformateur élévateur est allumé et une tension haute tension est appliquée aux deux pôles du circuit électrique: une impulsion positive à l'anode et une négative impulsion à la cathode. Les électrons chargés négativement sont repoussés d'une cathode chargée négativement et tendent vers une anode chargée positivement - en raison d'une telle différence de potentiel, une vitesse de déplacement élevée est atteinte - 100 000 km / s. À cette vitesse, les électrons bombardent la plaque d'anode en tungstène, complétant un circuit électrique, produisant des rayons X et de l'énergie thermique.

Le rayonnement X est subdivisé en bremsstrahlung et caractéristique. Bremsstrahlung se produit en raison d'une forte décélération de la vitesse des électrons émis par un filament de tungstène. Le rayonnement caractéristique se produit au moment du réarrangement des couches d'électrons des atomes. Ces deux types se forment dans un tube à rayons X au moment de la collision d'électrons accélérés avec des atomes du matériau d'anode. Le spectre d'émission d'un tube à rayons X est une superposition de rayonnement de freinage et de rayons X caractéristiques.

Riz. 5 - le principe de la formation des rayons X bremsstrahlung.
Riz. 6 - le principe de formation du rayonnement X caractéristique.

Propriétés de base des rayons X

Les rayons X sont invisibles à la perception visuelle.
Le rayonnement X a un grand pouvoir de pénétration à travers les organes et les tissus d'un organisme vivant, ainsi que des structures denses de nature inanimée, qui ne transmettent pas les rayons lumineux visibles.
Les rayons X font briller certains composés chimiques, appelés fluorescence.

Les sulfures de zinc et de cadmium émettent une fluorescence jaune-vert,
Cristaux de tungstate de calcium - bleu violet.

Les rayons X ont un effet photochimique : ils décomposent les composés d'argent avec les halogènes et provoquent le noircissement des couches photographiques, formant une image sur une radiographie.

Les rayons X transfèrent leur énergie aux atomes et molécules de l'environnement qu'ils traversent, exhibant un effet ionisant.

Le rayonnement X a un effet biologique prononcé sur les organes et les tissus irradiés: à petites doses, il stimule le métabolisme, à fortes doses, il peut entraîner le développement de lésions par rayonnement, ainsi que d'une maladie aiguë des rayons. La propriété biologique permet l'utilisation des rayons X pour le traitement des tumeurs et de certaines maladies non tumorales.

Échelle des oscillations électromagnétiques

Les rayons X ont une longueur d'onde et une fréquence d'oscillation spécifiques. La longueur d'onde (λ) et la fréquence d'oscillation (ν) sont liées par la relation : λ ν = c, où c est la vitesse de la lumière, arrondie à 300 000 km par seconde. L'énergie des rayons X est déterminée par la formule E = h ν, où h est la constante de Planck, une constante universelle égale à 6,626 10 -34 J⋅s. La longueur d'onde des rayons (λ) est liée à leur énergie (E) par la relation : λ = 12,4 / E.

Le rayonnement X diffère des autres types d'oscillations électromagnétiques par la longueur d'onde (voir tableau) et l'énergie quantique. Plus la longueur d'onde est courte, plus sa fréquence, son énergie et son pouvoir de pénétration sont élevés. La longueur d'onde des rayons X se situe dans la plage

. En changeant la longueur d'onde du rayonnement X, il est possible de contrôler son pouvoir de pénétration. Les rayons X ont une longueur d'onde très courte, mais une fréquence d'oscillation élevée, donc invisible à l'œil humain. En raison de leur énorme énergie, les quanta ont un pouvoir de pénétration élevé, qui est l'une des principales propriétés qui garantissent l'utilisation des rayons X en médecine et dans d'autres sciences.

Caractéristiques des rayons X

Intensité- caractéristique quantitative du rayonnement X, qui s'exprime par le nombre de rayons émis par le tube par unité de temps. L'intensité des rayons X est mesurée en milliampères. En la comparant à l'intensité de la lumière visible d'une lampe à incandescence conventionnelle, nous pouvons faire une analogie : par exemple, une lampe de 20 watts brillera avec une intensité, ou puissance, et une lampe de 200 watts brillera avec une autre, tandis que la la qualité de la lumière elle-même (son spectre) est la même. L'intensité du rayonnement X est en fait sa quantité. Chaque électron crée un ou plusieurs quanta de rayonnement sur l'anode, par conséquent, la quantité de rayons X lors de l'exposition de l'objet est régulée en modifiant le nombre d'électrons tendant vers l'anode et le nombre d'interactions des électrons avec les atomes de la cible de tungstène , ce qui peut se faire de deux manières :

En modifiant le degré d'incandescence de la spirale cathodique à l'aide d'un transformateur abaisseur (le nombre d'électrons générés lors de l'émission dépendra de la température de la spirale de tungstène et le nombre de quanta de rayonnement dépendra du nombre d'électrons);
En modifiant la valeur de la haute tension fournie par le transformateur élévateur aux pôles du tube - la cathode et l'anode (plus la tension est élevée aux pôles du tube, plus les électrons reçoivent d'énergie cinétique, ce qui , en raison de leur énergie, peuvent interagir tour à tour avec plusieurs atomes de la substance anodique - voir Fig. riz. cinq; les électrons de faible énergie pourront entrer dans un plus petit nombre d'interactions).

L'intensité des rayons X (courant d'anode) multipliée par la vitesse d'obturation (temps du tube) correspond à l'exposition aux rayons X, qui est mesurée en mAs (milliampères par seconde). L'exposition est un paramètre qui, comme l'intensité, caractérise la quantité de rayons émis par un tube à rayons X. La seule différence est que l'exposition prend également en compte le temps de fonctionnement du tube (par exemple, si le tube fonctionne pendant 0,01 sec, alors le nombre de rayons sera un, et si 0,02 sec, alors le nombre de rayons sera différent - deux fois plus). L'exposition aux rayonnements est définie par le radiologue sur le panneau de commande de l'appareil à rayons X, en fonction du type d'étude, de la taille de l'objet étudié et de la tâche de diagnostic.

Rigidité- caractéristique qualitative du rayonnement X. Elle est mesurée par la haute tension sur le tube - en kilovolts. Détermine le pouvoir de pénétration des rayons X. Il est régulé par la haute tension fournie au tube à rayons X par un transformateur élévateur. Plus la différence de potentiel est élevée sur les électrodes du tube, plus les électrons se repoussent de la cathode et se précipitent vers l'anode, et plus leur collision avec l'anode est forte. Plus leur collision est forte, plus la longueur d'onde du rayonnement X résultant est courte et plus le pouvoir de pénétration de cette onde est élevé (ou la dureté du rayonnement, qui, comme l'intensité, est régulée sur le panneau de commande par le paramètre de tension sur le tube - kilovoltage).

Riz. 7 - Dépendance de la longueur d'onde à l'énergie de l'onde :

λ - longueur d'onde ;
E - énergie des vagues

Plus l'énergie cinétique des électrons en mouvement est élevée, plus leur impact sur l'anode est fort et plus la longueur d'onde du rayonnement X résultant est courte. Le rayonnement X à longue longueur d'onde et à faible pouvoir de pénétration est appelé "doux", à courte longueur d'onde et à fort pouvoir de pénétration - "dur".

Riz. 8 - Le rapport de la tension sur le tube à rayons X et la longueur d'onde du rayonnement X résultant :

Plus la tension est élevée sur les pôles du tube, plus la différence de potentiel apparaît sur eux, par conséquent, l'énergie cinétique des électrons en mouvement sera plus élevée. La tension sur le tube détermine la vitesse des électrons et la force de leur collision avec le matériau de l'anode, par conséquent, la tension détermine la longueur d'onde du rayonnement X résultant.

Classification des tubes à rayons X

Sur rendez-vous

Diagnostique
Thérapeutique
Pour l'analyse structurelle
Pour la transillumination

Intentionnellement

Par focus

Mise au point unique (une spirale sur la cathode et une tache focale sur l'anode)
Bifocal (deux spirales de tailles différentes sur la cathode et deux points focaux sur l'anode)

Par type d'anode

Stationnaire (fixe)
Tournant

Les rayons X sont utilisés non seulement à des fins de radiodiagnostic, mais également à des fins thérapeutiques. Comme indiqué ci-dessus, la capacité du rayonnement X à supprimer la croissance des cellules tumorales permet de l'utiliser dans la radiothérapie des maladies oncologiques. Outre le domaine d'application médical, le rayonnement X a trouvé une large application dans le domaine de l'ingénierie et de la technique, la science des matériaux, la cristallographie, la chimie et la biochimie : par exemple, il est possible d'identifier des défauts structurels dans divers produits (rails, soudures , etc.) à l'aide de rayons X. Le type de telles recherches est appelé défectoscopie. Et dans les aéroports, les gares et autres lieux bondés, les introscopes de télévision à rayons X sont activement utilisés pour scanner les bagages à main et les bagages à des fins de sécurité.

Selon le type d'anode, les tubes à rayons X diffèrent par leur conception. Du fait que 99% de l'énergie cinétique des électrons est convertie en énergie thermique, pendant le fonctionnement du tube, l'anode est considérablement chauffée - la cible sensible en tungstène brûle souvent. L'anode est refroidie dans les tubes à rayons X modernes en la faisant tourner. L'anode rotative a la forme d'un disque, qui répartit la chaleur uniformément sur toute sa surface, empêchant une surchauffe locale de la cible en tungstène.

La conception des tubes à rayons X diffère également en termes de focalisation. Point focal - la section de l'anode sur laquelle le faisceau de rayons X de travail est généré. Il se subdivise en foyer réel et foyer effectif ( riz. 12). En raison de l'angle de l'anode, la tache focale effective est plus petite que la vraie. Différentes tailles de point focal sont utilisées en fonction de la taille de la zone d'image. Plus la zone d'image est grande, plus la tache focale doit être large pour couvrir toute la zone d'image. Cependant, une tache focale plus petite produit une meilleure clarté d'image. Par conséquent, lors de la production de petites images, un filament court est utilisé et les électrons sont dirigés vers une petite zone de la cible anodique, créant ainsi une tache focale plus petite.

Riz. 9 - tube à rayons X avec une anode fixe.
Riz. 10 - Tube à rayons X à anode tournante.
Riz. 11 - Appareil à tube à rayons X à anode tournante.
Riz. 12 est un schéma de la formation d'une tache focale réelle et effective.

Le diagnostic médical moderne et le traitement de certaines maladies ne peuvent être imaginés sans des appareils utilisant les propriétés des rayons X. La découverte des rayons X a eu lieu il y a plus de 100 ans, mais même maintenant, les travaux se poursuivent sur la création de nouvelles méthodes et appareils pour minimiser l'effet négatif des rayonnements sur le corps humain.

Qui et comment a découvert les rayons X

Dans les conditions naturelles, le flux de rayons X est rare et n'est émis que par certains isotopes radioactifs. Les rayons X ou rayons X n'ont été découverts qu'en 1895 par le scientifique allemand Wilhelm Röntgen. Cette découverte est arrivée par hasard, lors d'une expérience visant à étudier le comportement des rayons lumineux dans des conditions proches du vide. L'expérience impliquait un tube cathodique à décharge de gaz à pression réduite et un écran fluorescent, qui commençait à chaque fois à briller au moment où le tube commençait à agir.

Intrigué par l'effet étrange, Roentgen a mené une série d'études montrant que le rayonnement résultant, invisible à l'œil, peut pénétrer divers obstacles : papier, bois, verre, certains métaux, et même traverser le corps humain. Malgré le manque de compréhension de la nature même de ce qui se passe, qu'un tel phénomène soit causé par la génération d'un flux de particules inconnues ou d'ondes, le schéma suivant a été noté - le rayonnement traverse facilement les tissus mous du corps, et beaucoup plus difficile à travers les tissus vivants solides et les substances inanimées.

Roentgen n'a pas été le premier à étudier ce phénomène. Au milieu du XIXe siècle, le Français Antoine Mason et l'Anglais William Crookes ont étudié des possibilités similaires. Cependant, c'est Roentgen qui a inventé le tube cathodique et un indicateur pouvant être utilisé en médecine. Il a été le premier à publier un ouvrage scientifique, ce qui lui a valu le titre de premier lauréat du prix Nobel parmi les physiciens.

En 1901, une collaboration fructueuse débute entre les trois scientifiques, qui deviennent les pères fondateurs de la radiologie et de la radiologie.

Propriétés des rayons X

Les rayons X font partie intégrante du spectre général du rayonnement électromagnétique. La longueur d'onde se situe entre les rayons gamma et ultraviolets. Les rayons X ont toutes les propriétés ondulatoires habituelles :

diffraction;
réfraction;
ingérence;
vitesse de propagation (elle est égale à la lumière).

Pour générer artificiellement un flux de rayons X, des dispositifs spéciaux sont utilisés - des tubes à rayons X. Le rayonnement X provient du contact d'électrons rapides de tungstène avec des substances s'évaporant d'une anode chaude. Dans le contexte de l'interaction, des ondes électromagnétiques de courte longueur apparaissent, qui se situent dans le spectre de 100 à 0,01 nm et dans la gamme d'énergie de 100 à 0,1 MeV. Si la longueur d'onde des rayons est inférieure à 0,2 nm - il s'agit d'un rayonnement dur, si la longueur d'onde est supérieure à la valeur spécifiée, ils sont appelés rayons X mous.

Il est significatif que l'énergie cinétique résultant du contact des électrons et de la substance anodique soit convertie à 99% en énergie thermique et à seulement 1% en rayons X.

Rayonnement X - Bremsstrahlung et caractéristique

Le rayonnement X est une superposition de deux types de rayons - bremsstrahlung et caractéristique. Ils sont générés simultanément dans le combiné. Par conséquent, l'irradiation aux rayons X et la caractéristique de chaque tube à rayons X spécifique - le spectre de son rayonnement, dépendent de ces indicateurs et représentent leur superposition.

Bremsstrahlung ou rayons X continus sont le résultat de la décélération des électrons s'évaporant d'un filament de tungstène.

Les rayons X caractéristiques ou linéaires se forment au moment du réarrangement des atomes de la substance de l'anode du tube à rayons X. La longueur d'onde des rayons caractéristiques dépend directement du numéro atomique de l'élément chimique utilisé pour fabriquer l'anode du tube.

Les propriétés listées des rayons X permettent leur utilisation pratique :

invisible à l'œil ordinaire;
capacité de pénétration élevée à travers les tissus vivants et les matériaux inanimés qui ne transmettent pas la lumière visible;
effet d'ionisation sur les structures moléculaires.

Principes de l'imagerie par rayons X

La propriété des rayons X sur laquelle repose l'imagerie est la capacité de se décomposer ou de faire briller certaines substances.

L'irradiation aux rayons X provoque une lueur fluorescente dans les sulfures de cadmium et de zinc - vert, et dans le tungstate de calcium - bleu. Cette propriété est utilisée dans la technique de transillumination médicale par rayons X et augmente également la fonctionnalité des écrans à rayons X.

L'effet photochimique des rayons X sur les matériaux aux halogénures d'argent sensibles à la lumière (éclairage) permet d'effectuer des diagnostics - de prendre des images radiographiques. Cette propriété est également utilisée pour mesurer la dose totale que les assistants de laboratoire reçoivent dans les salles de radiologie. Les dosimètres portables ont des bandes et des indicateurs sensibles spéciaux. L'effet ionisant du rayonnement X permet de déterminer les caractéristiques qualitatives des rayons X obtenus.

Une seule exposition aux rayons X conventionnels n'augmente le risque de cancer que de 0,001 %.

Zones où les rayons X sont utilisés

L'utilisation des rayons X est acceptable dans les industries suivantes :

Sécurité. Appareils fixes et portables pour détecter les objets dangereux et interdits dans les aéroports, les douanes ou dans les endroits très fréquentés.
Industrie chimique, métallurgie, archéologie, architecture, construction, travaux de restauration - pour détecter les défauts et effectuer une analyse chimique des substances.
Astronomie. Il aide à observer les corps et les phénomènes cosmiques à l'aide de télescopes à rayons X.
industrie militaire. Pour le développement d'armes laser.

La principale application des rayons X se situe dans le domaine médical. Aujourd'hui, la section de radiologie médicale comprend : le radiodiagnostic, la radiothérapie (thérapie par rayons X), la radiochirurgie. Les universités médicales produisent des spécialistes hautement spécialisés - les radiologues.

X-Radiation - préjudice et bénéfice, effets sur le corps

Le pouvoir pénétrant élevé et l'effet ionisant des rayons X peuvent provoquer une modification de la structure de l'ADN de la cellule, il est donc dangereux pour l'homme. Les dommages causés par les rayons X sont directement proportionnels à la dose de rayonnement reçue. Différents organes réagissent à l'irradiation à des degrés divers. Les plus susceptibles comprennent:

moelle osseuse et tissu osseux;
lentille de l'œil;
thyroïde;
glandes mammaires et sexuelles;
Tissu pulmonaire.

L'utilisation incontrôlée des rayons X peut provoquer des pathologies réversibles et irréversibles.

Conséquences de l'exposition aux rayons X :

lésions de la moelle osseuse et apparition de pathologies du système hématopoïétique - érythrocytopénie, thrombocytopénie, leucémie;
dommages à la lentille, avec le développement ultérieur de cataractes;
mutations cellulaires héritées;
développement de maladies oncologiques;
obtenir des brûlures par rayonnement;
développement du mal des rayons.

Important! Contrairement aux substances radioactives, les rayons X ne s'accumulent pas dans les tissus du corps, ce qui signifie qu'il n'est pas nécessaire de retirer les rayons X du corps. L'effet nocif des rayons X cesse lorsque le dispositif médical est éteint.

L'utilisation des rayons X en médecine est autorisée non seulement à des fins de diagnostic (traumatologie, dentisterie), mais également à des fins thérapeutiques :

à partir de rayons X à petites doses, le métabolisme des cellules et des tissus vivants est stimulé;
certaines doses limites sont utilisées pour le traitement des tumeurs oncologiques et bénignes.

Méthodes de diagnostic des pathologies à l'aide de rayons X

Le radiodiagnostic comprend les méthodes suivantes :

La fluoroscopie est une étude dans laquelle une image est obtenue sur un écran fluorescent en temps réel. Parallèlement à l'imagerie classique en temps réel d'une partie du corps, il existe aujourd'hui des technologies de transillumination par télévision à rayons X - l'image est transférée d'un écran fluorescent à un moniteur de télévision situé dans une autre pièce. Plusieurs méthodes numériques ont été développées pour traiter l'image résultante, puis la transférer de l'écran au papier.
La fluorographie est la méthode la moins chère pour examiner les organes de la poitrine, qui consiste à faire une petite image de 7x7 cm.Malgré la possibilité d'erreur, c'est le seul moyen de procéder à un examen annuel de masse de la population. La méthode n'est pas dangereuse et ne nécessite pas le retrait de la dose de rayonnement reçue du corps.
Radiographie - obtention d'une image sommaire sur film ou papier pour clarifier la forme d'un organe, sa position ou sa tonalité. Peut être utilisé pour évaluer le péristaltisme et l'état des muqueuses. S'il y a un choix, alors parmi les appareils à rayons X modernes, la préférence ne doit être donnée ni aux appareils numériques, où le flux de rayons X peut être supérieur à celui des anciens appareils, mais aux appareils à rayons X à faible dose avec plat direct détecteurs à semi-conducteurs. Ils vous permettent de réduire la charge sur le corps de 4 fois.
La tomodensitométrie est une technique qui utilise les rayons X pour obtenir le nombre requis d'images de sections d'un organe sélectionné. Parmi les nombreuses variétés d'appareils CT modernes, les scanners CT haute résolution à faible dose sont utilisés pour une série d'études répétées.

Radiothérapie

La radiothérapie fait référence aux méthodes de traitement locales. Le plus souvent, la méthode est utilisée pour détruire les cellules cancéreuses. Étant donné que l'effet de l'exposition est comparable à l'ablation chirurgicale, cette méthode de traitement est souvent appelée radiochirurgie.

Aujourd'hui, le traitement aux rayons X est effectué de la manière suivante:

Externe (protonthérapie) - le faisceau de rayonnement pénètre dans le corps du patient de l'extérieur.
Interne (curiethérapie) - l'utilisation de capsules radioactives en les implantant dans le corps, avec le placement plus près de la tumeur cancéreuse. L'inconvénient de cette méthode de traitement est que jusqu'à ce que la capsule soit retirée du corps, le patient doit être isolé.

Ces méthodes sont douces et leur utilisation est préférable à la chimiothérapie dans certains cas. Une telle popularité est due au fait que les rayons ne s'accumulent pas et ne nécessitent pas d'être retirés du corps, ils ont un effet sélectif, sans affecter les autres cellules et tissus.

Taux d'exposition aux rayons X sans danger

Cet indicateur de la norme d'exposition annuelle admissible a son propre nom - une dose équivalente génétiquement significative (GED). Il n'y a pas de valeurs quantitatives claires pour cet indicateur.

Cet indicateur dépend de l'âge et du désir du patient d'avoir des enfants à l'avenir.
Cela dépend des organes qui ont été examinés ou traités.
Le GZD est affecté par le niveau de fond radioactif naturel de la région où vit une personne.

Aujourd'hui, les normes moyennes GZD suivantes sont en vigueur :

le niveau d'exposition de toutes les sources, à l'exception des sources médicales, et sans tenir compte du fond de rayonnement naturel - 167 mRem par an ;
la norme pour un examen médical annuel ne dépasse pas 100 mRem par an;
la valeur sûre totale est de 392 mRem par an.

Le rayonnement X ne nécessite pas d'excrétion du corps et n'est dangereux qu'en cas d'exposition intense et prolongée. L'équipement médical moderne utilise un rayonnement à faible énergie de courte durée, de sorte que son utilisation est considérée comme relativement inoffensive.