Svojstva DRT-a i proizvodnja rendgenskih zraka. Osnovna svojstva rendgenskih zraka

Rentgensko zračenje igra veliku ulogu u modernoj medicini; povijest otkrića X-zraka seže u 19. stoljeće.

X-zrake su elektromagnetski valovi koji nastaju uz sudjelovanje elektrona. Snažnim ubrzanjem nabijenih čestica nastaju umjetne rendgenske zrake. Prolazi kroz posebnu opremu:

akceleratori čestica.

Povijest otkrića

Ove je zrake 1895. izumio njemački znanstvenik Roentgen: dok je radio s katodnom cijevi, otkrio je fluorescentni učinak barijeva platina cijanida. Zatim je postojao opis takvih zraka i njihove nevjerojatne sposobnosti prodiranja u tkiva tijela. Zrake su se počele zvati x-zrake (x-zrake). Kasnije su ih u Rusiji počeli zvati X-zrake.

X-zrake mogu prodrijeti čak i kroz zidove. Tako je Roentgen shvatio da je napravio najveće otkriće na području medicine. Od tog vremena počinju se formirati zasebne sekcije u znanosti, poput radiologije i radiologije.

Zrake mogu prodrijeti u meka tkiva, ali kasne, njihova duljina je određena preprekom tvrde površine. Meka tkiva u ljudskom tijelu su koža, a tvrda tkiva su kosti. Znanstvenik je 1901. godine dobio Nobelovu nagradu.

No, i prije otkrića Wilhelma Conrada Roentgena, slična tema zanimala je i druge znanstvenike. Godine 1853. francuski fizičar Antoine-Philiber Mason proučavao je visokonaponski pražnjenje između elektroda u staklenoj cijevi. Plin sadržan u njemu pod niskim tlakom počeo je emitirati crvenkasti sjaj. Ispumpavanje viška plina iz cijevi dovelo je do raspada sjaja u složeni niz pojedinačnih svjetlećih slojeva čija je nijansa ovisila o količini plina.

Godine 1878. William Crookes (engleski fizičar) sugerirao je da fluorescencija nastaje zbog utjecaja zraka na staklenu površinu cijevi. Ali sve te studije nisu nigdje objavljene, pa Roentgen nije znao za takva otkrića. Nakon objavljivanja njegovih otkrića 1895. u znanstvenom časopisu, gdje je znanstvenik napisao da su sva tijela transparentna za te zrake, iako u vrlo različitom stupnju, drugi znanstvenici su se zainteresirali za slične eksperimente. Potvrdili su izum Roentgena, te je započeo daljnji razvoj i poboljšanje rendgenskih zraka.

Sam Wilhelm Roentgen objavio je još dva znanstvena rada na temu rendgenskih zraka 1896. i 1897., nakon čega se bavio drugim aktivnostima. Tako je nekoliko znanstvenika izumilo, ali je Roentgen objavio znanstvene radove na ovu temu.

Načela snimanja slika

Značajke ovog zračenja određene su samom prirodom njihovog izgleda. Zračenje nastaje zbog elektromagnetskog vala. Njegova glavna svojstva uključuju:

Odraz. Ako val udari u površinu okomito, neće se reflektirati. U nekim situacijama dijamant ima svojstvo refleksije.
Sposobnost prodiranja u tkivo. Osim toga, zrake mogu prolaziti kroz neprozirne površine materijala kao što su drvo, papir i slično.
upijanje. Apsorpcija ovisi o gustoći materijala: što je gušći, to ga više rendgenskih zraka apsorbira.
Neke tvari fluoresciraju, odnosno svijetle. Čim prestane zračenje, nestaje i sjaj. Ako se nastavi nakon prestanka djelovanja zraka, tada se taj učinak naziva fosforescencija.
X-zrake mogu osvijetliti fotografski film, baš kao i vidljivo svjetlo.
Ako je snop prošao kroz zrak, tada dolazi do ionizacije u atmosferi. Ovo stanje se naziva električno vodljivo, a određuje se pomoću dozimetra koji određuje brzinu doziranja zračenja.

Zračenje - šteta i korist

Kada je došlo do otkrića, fizičar Roentgen nije mogao ni zamisliti koliko je opasan njegov izum. U stara vremena svi uređaji koji su proizvodili zračenje bili su daleko od savršenih, a kao rezultat toga dobivale su se velike doze emitiranih zraka. Ljudi nisu shvaćali opasnosti takvog zračenja. Iako su neki znanstvenici već tada iznijeli verzije o opasnostima x-zraka.

X-zrake, koje prodiru u tkiva, imaju biološki učinak na njih. Mjerna jedinica doze zračenja je rentgen po satu. Glavni utjecaj je na ionizirajuće atome koji se nalaze unutar tkiva. Ove zrake djeluju izravno na DNK strukturu žive stanice. Posljedice nekontroliranog zračenja uključuju:

mutacija stanica;
pojava tumora;
opekline od zračenja;
radijacijska bolest.

Kontraindikacije za rendgenske preglede:

Pacijenti su u kritičnom stanju.
Razdoblje trudnoće zbog negativnih učinaka na fetus.
Bolesnici s krvarenjem ili otvorenim pneumotoraksom.

Kako rade x-zrake i gdje se koriste

U medicini. Rentgenska dijagnostika se koristi za prozirnost živih tkiva kako bi se identificirali određeni poremećaji u tijelu. Rentgenska terapija se provodi za uklanjanje tumorskih formacija.
U znanosti. Otkriva se struktura tvari i priroda X-zraka. Tim se pitanjima bave takve znanosti kao što su kemija, biokemija, kristalografija.
U industriji. Za otkrivanje kršenja u metalnim proizvodima.
Za sigurnost stanovništva. U zračnim lukama i drugim javnim mjestima postavljaju se rendgenske zrake za skeniranje prtljage.

Medicinska uporaba rendgenskog zračenja. X-zrake se široko koriste u medicini i stomatologiji u sljedeće svrhe:

Za dijagnosticiranje bolesti.
Za praćenje metaboličkih procesa.
Za liječenje mnogih bolesti.

Korištenje rendgenskih zraka u medicinske svrhe

Osim za otkrivanje prijeloma kostiju, X-zrake se široko koriste u medicinske svrhe. Specijalizirana primjena rendgenskih zraka je za postizanje sljedećih ciljeva:

Za uništavanje stanica raka.
Za smanjenje veličine tumora.
Za smanjenje boli.

Na primjer, radioaktivni jod, koji se koristi u endokrinološkim bolestima, aktivno se koristi u raku štitnjače, čime se mnogim ljudima pomaže da se riješe ove strašne bolesti. Trenutno, za dijagnosticiranje složenih bolesti, X-zrake su povezane s računalima, kao rezultat toga, pojavljuju se najnovije metode istraživanja, kao što je računalna aksijalna tomografija.

Takvo skeniranje liječnicima pruža slike u boji koje prikazuju unutarnje organe osobe. Za otkrivanje rada unutarnjih organa dovoljna je mala doza zračenja. X-zrake se također široko koriste u fizioterapiji.

Osnovna svojstva rendgenskih zraka

sposobnost prodora. Sva tijela su prozirna za rendgenske zrake, a stupanj prozirnosti ovisi o debljini tijela. Zbog ovog svojstva snop se počeo koristiti u medicini za otkrivanje funkcioniranja organa, prisutnost prijeloma i stranih tijela u tijelu.
Oni su u stanju izazvati sjaj nekih objekata. Na primjer, ako se barij i platina nanesu na karton, tada će, nakon prolaska kroz skeniranje snopa, svijetliti zelenkasto-žuto. Ako stavite ruku između rendgenske cijevi i zaslona, tada će svjetlost više prodrijeti u kost nego u tkivo, pa će koštano tkivo biti najsvjetlije istaknuto na ekranu, a mišićno tkivo manje svijetlo .
Radnja na filmu. X-zrake mogu, poput svjetlosti, učiniti film tamnim, što vam omogućuje da fotografirate stranu sjene koja se dobije kada se rendgenske zrake tijela pregledaju.
X-zrake mogu ionizirati plinove. To omogućuje ne samo pronalaženje zraka, već i otkrivanje njihovog intenziteta mjerenjem ionizacijske struje u plinu.
Imaju biokemijski učinak na tijelo živih bića. Zahvaljujući ovom svojstvu, X-zrake su našle svoju široku primjenu u medicini: mogu liječiti i kožne bolesti i bolesti unutarnjih organa. U tom slučaju odabire se željena doza zračenja i trajanje zraka. Dugotrajna i pretjerana uporaba takvog tretmana vrlo je štetna i štetna za tijelo.

Posljedica korištenja rendgenskih zraka bila je spašavanje mnogih ljudskih života. Rentgen pomaže ne samo pravodobno dijagnosticirati bolest, metode liječenja pomoću terapije zračenjem oslobađaju pacijente od različitih patologija, od hiperfunkcije štitnjače do malignih tumora koštanog tkiva.

Ministarstvo obrazovanja i znanosti Ruske Federacije

Federalna agencija za obrazovanje

GOU VPO SUSU

Zavod za fizikalnu kemiju

na tečaju KSE: “Rentgensko zračenje”

Završeno:

Naumova Daria Gennadievna

Provjereno:

Izvanredni profesor, K.T.N.

Tanklevskaya N.M.

Čeljabinsk 2010

Uvod

Poglavlje I. Otkriće X-zraka

Priznanica

Interakcija s materijom

Biološki utjecaj

Registracija

Primjena

Kako se radi rendgenski snimak

prirodne rendgenske zrake

Poglavlje II. Radiografija

Primjena

Metoda dobivanja slike

Prednosti radiografije

Nedostaci radiografije

Fluoroskopija

Princip prijema

Prednosti fluoroskopije

Nedostaci fluoroskopije

Digitalne tehnologije u fluoroskopiji

Metoda višelinijskog skeniranja

Zaključak

Popis korištene literature

Uvod

Rentgensko zračenje - elektromagnetski valovi čija je energija fotona određena rasponom energije od ultraljubičastog do gama zračenja, što odgovara rasponu valnih duljina od 10−4 do 10² Å (od 10−14 do 10−8 m).

Poput vidljive svjetlosti, X-zrake uzrokuju zacrnjenje fotografskog filma. Ova nekretnina je od velike važnosti za medicinu, industriju i znanstvena istraživanja. Prolazeći kroz predmet koji se proučava i zatim pada na film, rendgensko zračenje na njemu prikazuje njegovu unutarnju strukturu. Budući da je prodorna moć rendgenskog zračenja različita za različite materijale, dijelovi objekta koji su za njega manje prozirni daju svjetlija područja na fotografiji od onih kroz koja zračenje dobro prodire. Dakle, koštano tkivo je manje transparentno za rendgenske zrake od tkiva koje čine kožu i unutarnje organe. Stoga će na rendgenskom snimku kosti biti označene kao svjetlija područja, a mjesto prijeloma, koje je prozirnije za zračenje, može se prilično lako otkriti. Rentgensko snimanje se također koristi u stomatologiji za otkrivanje karijesa i apscesa u korijenima zuba, kao i u industriji za otkrivanje pukotina na odljevcima, plastici i gumama.

X-zrake se koriste u kemiji za analizu spojeva i u fizici za proučavanje strukture kristala. Rendgenska zraka koja prolazi kroz kemijski spoj uzrokuje karakteristično sekundarno zračenje, čija spektroskopska analiza omogućuje kemičaru da odredi sastav spoja. Prilikom pada na kristalnu tvar atomi kristala raspršuju snop X-zraka, dajući jasan, pravilan uzorak mrlja i pruga na fotografskoj ploči, što omogućuje utvrđivanje unutarnje strukture kristala.

Korištenje X-zraka u liječenju raka temelji se na činjenici da ubija stanice raka. Međutim, može imati i nepoželjan učinak na normalne stanice. Stoga je kod ove uporabe rendgenskih zraka potreban iznimni oprez.

Poglavlje I. Otkriće X-zraka

Otkriće X-zraka pripisuje se Wilhelmu Conradu Roentgenu. Prvi je objavio članak o X-zrakama, koje je nazvao rendgenskim zrakama (x-ray). Roentgenov članak pod naslovom "O novoj vrsti zraka" objavljen je 28. prosinca 1895. u časopisu Würzburškog Physico-Medical Society. Smatra se, međutim, dokazanim da su X-zrake već prije dobivene. Katodnu cijev koju je Roentgen koristio u svojim eksperimentima razvili su J. Hittorf i W. Kruks. Ova cijev proizvodi X-zrake. To se pokazalo u pokusima Crookesa i od 1892. u eksperimentima Heinricha Hertza i njegovog učenika Philippa Lenarda kroz zacrnjenje fotografskih ploča. Međutim, nitko od njih nije shvatio značaj svog otkrića i nije objavio svoje rezultate. Također, Nikola Tesla je, počevši od 1897. godine, eksperimentirao s katodnim cijevima, primao rendgenske zrake, ali nije objavio svoje rezultate.

Iz tog razloga Roentgen nije znao za otkrića napravljena prije njega te je zrake, kasnije nazvane po njemu, otkrio samostalno - promatrajući fluorescenciju koja se javlja tijekom rada katodne cijevi. Roentgen je proučavao X-zrake nešto više od godinu dana (od 8. studenog 1895. do ožujka 1897.) i objavio samo tri relativno mala članka o njima, ali su dali tako opsežan opis novih zraka da stotine radova njegovih sljedbenika, potom objavljena tijekom 12 godina, nije mogla ništa bitno ni dodati ni promijeniti. Roentgen, koji je izgubio interes za X-zrake, rekao je svojim kolegama: "Sve sam već napisao, nemojte gubiti vrijeme." Roentgenovoj slavi pridonijela je i poznata fotografija ruke njegove supruge koju je objavio u svom članku (vidi sliku desno). Takva slava donijela je Roentgenu 1901. prvu Nobelovu nagradu za fiziku, a Nobelov odbor je naglasio praktičnu važnost njegova otkrića. Godine 1896. prvi put je upotrijebljen naziv "X-zrake". U nekim zemljama ostao je stari naziv - X-zrake. U Rusiji su se zrake počele zvati "X-zraka" na prijedlog studenta V.K. Roentgen - Abram Fedorovič Ioffe.

Položaj na ljestvici elektromagnetskih valova

Energetski rasponi rendgenskih i gama zraka preklapaju se u širokom energetskom rasponu. Obje vrste zračenja su elektromagnetsko zračenje i ekvivalentne su za istu energiju fotona. Terminološka razlika leži u načinu nastanka - rentgenske zrake emitiraju se uz sudjelovanje elektrona (bilo u atomima ili slobodnih), dok se gama zračenje emitira u procesima deekscitacije atomskih jezgri. Rentgenski fotoni imaju energiju od 100 eV do 250 keV, što odgovara zračenju s frekvencijom od 3 1016 Hz do 6 1019 Hz i valnom duljinom od 0,005 - 10 nm (ne postoji općeprihvaćena definicija donje granice X -raspon zraka u skali valnih duljina). Meke X-zrake karakteriziraju najniža energija fotona i frekvencija zračenja (i najduža valna duljina), dok čvrste X-zrake imaju najveću energiju fotona i frekvenciju zračenja (i najkraću valnu duljinu).

(Rentgenska fotografija (rendgenogram) ruke njegove supruge, snimio V.K. Roentgen)

)

Priznanica

X-zrake nastaju snažnim ubrzanjem nabijenih čestica (uglavnom elektrona) ili visokoenergetskim prijelazima u elektronskim ljuskama atoma ili molekula. Oba efekta se koriste u rendgenskim cijevima, u kojima se elektroni emitirani iz vruće katode ubrzavaju (ne emitiraju se rendgenske zrake, jer je ubrzanje prenisko) i udaraju u anodu, gdje se naglo usporavaju (rendgenske zrake su emitiraju: tzv. .bremsstrahlung) i istovremeno izbijaju elektrone iz unutarnjih elektronskih omotača atoma metala od kojih je anoda izrađena. Prazne prostore u ljuskama zauzimaju drugi elektroni atoma. U tom slučaju emitira se rendgensko zračenje s određenom energetskom karakteristikom anodnog materijala (karakteristično zračenje, frekvencije su određene Moseleyevim zakonom:

gdje je Z atomski broj anodnog elementa, A i B su konstante za određenu vrijednost glavnog kvantnog broja n elektronske ljuske). Trenutno se anode izrađuju uglavnom od keramike, a dio u koji udaraju elektroni izrađen je od molibdena. U procesu ubrzanja-usporavanja samo 1% kinetičke energije elektrona odlazi na X-zrake, 99% energije se pretvara u toplinu.

X-zrake se također mogu dobiti u akceleratorima čestica. takozvani. Sinkrotronsko zračenje nastaje kada se snop čestica odbije u magnetskom polju, uslijed čega doživljavaju ubrzanje u smjeru okomitom na njihovo gibanje. Sinkrotronsko zračenje ima kontinuirani spektar s gornjom granicom. Uz odgovarajuće odabrane parametre (veličina magnetskog polja i energija čestica) rentgenske zrake se mogu dobiti i u spektru sinkrotronskog zračenja.

Shematski prikaz rendgenske cijevi. X - X-zrake, K - katoda, A - anoda (ponekad se naziva i antikatoda), C - hladnjak, Uh - napon katodne niti, Ua - ubrzavajući napon, Win - ulaz za hlađenje vode, Wout - izlaz za hlađenje vode (vidi x- zračna cijev).

Interakcija s materijom

Indeks loma gotovo bilo koje tvari za x-zrake malo se razlikuje od jedinice. Posljedica toga je činjenica da ne postoji materijal od kojeg se može napraviti rendgenska leća. Osim toga, kada rendgenske zrake upadaju okomito na površinu, gotovo se ne reflektiraju. Unatoč tome, u rendgenskoj optici pronađene su metode za izradu optičkih elemenata za rendgenske zrake.

X-zrake mogu prodrijeti u materiju, a različite ih tvari različito apsorbiraju. Apsorpcija rendgenskih zraka njihovo je najvažnije svojstvo u rendgenskoj fotografiji. Intenzitet X-zraka opada eksponencijalno ovisno o putu koji se prijeđe u apsorbirajućem sloju (I = I0e-kd, gdje je d debljina sloja, koeficijent k je proporcionalan Z3λ3, Z je atomski broj elementa, λ je valna duljina).

Apsorpcija se javlja kao rezultat fotoapsorpcije i Comptonovog raspršenja:

Fotoapsorpcija se shvaća kao proces izbacivanja elektrona iz ljuske atoma od strane fotona, što zahtijeva da energija fotona bude veća od određene minimalne vrijednosti. Ako uzmemo u obzir vjerojatnost čina apsorpcije ovisno o energiji fotona, onda kada se postigne određena energija, ona (vjerojatnost) naglo raste do svoje maksimalne vrijednosti. Za veće energije vjerojatnost se kontinuirano smanjuje. Zbog ove ovisnosti, kaže se da postoji granica apsorpcije. Mjesto elektrona koji je nokautiran tijekom čina apsorpcije zauzima drugi elektron, dok se emituje zračenje s manjom energijom fotona, tzv. fluorescentni proces.

X-zrake, nevidljivo zračenje sposobno prodrijeti, iako u različitim stupnjevima, u sve tvari. To je elektromagnetsko zračenje valne duljine oko 10-8 cm.

Dobivanje rendgenskih zraka

Rentgensko zračenje nastaje kada elektroni koji se kreću velikom brzinom stupaju u interakciju s materijom. Kada se elektroni sudare s atomima bilo koje tvari, brzo gube svoju kinetičku energiju. U tom slučaju, većina se pretvara u toplinu, a mali dio, obično manji od 1%, pretvara se u energiju X-zraka. Ta se energija oslobađa u obliku kvanta – čestica zvanih fotoni koji imaju energiju, ali nemaju masu mirovanja. Rentgenski fotoni se razlikuju po svojoj energiji, koja je obrnuto proporcionalna njihovoj valnoj duljini. Uobičajenom metodom dobivanja rendgenskih zraka dobiva se širok raspon valnih duljina koji se naziva rendgenski spektar.

rendgenske cijevi. Da bi se dobilo rendgensko zračenje zbog interakcije elektrona s materijom, potrebno je imati izvor elektrona, sredstva za njihovo ubrzanje do velikih brzina i metu sposobnu izdržati bombardiranje elektrona i proizvoditi rendgensko zračenje željenog intenziteta. Uređaj koji ima sve to zove se rendgenska cijev. Rani istraživači koristili su cijevi "dubokog vakuuma", kao što su današnje cijevi za pražnjenje. Vakuum u njima nije bio jako velik.

Cijevi za pražnjenje sadrže malu količinu plina, a kada se na elektrode cijevi primijeni velika razlika potencijala, atomi plina se pretvaraju u pozitivne i negativne ione. Pozitivni se kreću prema negativnoj elektrodi (katodi) i padajući na nju izbijaju elektrone iz nje, a oni se, pak, kreću prema pozitivnoj elektrodi (anodi) i bombardirajući je stvaraju tok rendgenskih fotona .

U modernoj rendgenskoj cijevi koju je razvio Coolidge (slika 11), izvor elektrona je volframova katoda zagrijana na visoku temperaturu.

Riža. jedanaest.

Visoka razlika potencijala između anode (ili antikatode) i katode ubrzava elektrone do velikih brzina. Budući da elektroni moraju doći do anode bez sudara s atomima, potreban je vrlo visok vakuum, za što cijev mora biti dobro evakuirana. Time se također smanjuje vjerojatnost ionizacije preostalih atoma plina i pridruženih bočnih struja.

Kada je bombardirana elektronima, volframova antikatoda emitira karakteristične rendgenske zrake. Poprečni presjek snopa rendgenskih zraka manji je od stvarnog ozračenog područja. 1 - elektronski snop; 2 - katoda s elektrodom za fokusiranje; 3 - staklena školjka (cijev); 4 - volframova meta (antikatoda); 5 - katodna nit; 6 - stvarno ozračeno područje; 7 - učinkovita žarišna točka; 8 - bakrena anoda; 9 - prozor; 10 - raspršene x-zrake.

Elektroni su fokusirani na anodu pomoću posebno oblikovane elektrode koja okružuje katodu. Ova elektroda naziva se elektroda za fokusiranje i zajedno s katodom čini "elektronički reflektor" cijevi. Anoda podvrgnuta bombardiranju elektrona mora biti izrađena od vatrostalnog materijala, budući da se većina kinetičke energije bombardirajućih elektrona pretvara u toplinu. Osim toga, poželjno je da anoda bude izrađena od materijala s visokim atomskim brojem, budući da prinos rendgenskih zraka raste s povećanjem atomskog broja. Za anodni materijal najčešće se bira volfram čiji je atomski broj 74. Dizajn rendgenskih cijevi može biti različit ovisno o uvjetima i zahtjevima primjene.

Radiologija je dio radiologije koji proučava djelovanje rendgenskog zračenja na organizam životinja i ljudi koje nastaje zbog ove bolesti, njihovo liječenje i prevenciju, kao i metode za dijagnosticiranje različitih patologija pomoću rendgenskih zraka (rentgenska dijagnostika) . Tipični rendgenski dijagnostički aparat uključuje napajanje (transformatore), visokonaponski ispravljač koji pretvara izmjeničnu struju električne mreže u istosmjernu, upravljačku ploču, tronožac i rendgensku cijev.

X-zrake su vrsta elektromagnetskih oscilacija koje nastaju u rendgenskoj cijevi tijekom naglog usporavanja ubrzanih elektrona u trenutku njihova sudara s atomima anodne tvari. Trenutno je općeprihvaćeno stajalište da su X-zrake, po svojoj fizičkoj prirodi, jedna od vrsta energije zračenja, čiji spektar također uključuje radio valove, infracrvene zrake, vidljivu svjetlost, ultraljubičaste zrake i gama zrake radioaktivnih elemenata. Rentgensko zračenje može se okarakterizirati kao skup njegovih najmanjih čestica – kvanta ili fotona.

Riža. 1 - mobilni rendgenski aparat:

A - rendgenska cijev;
B - napajanje;
B - podesivi tronožac.

Riža. 2 - Upravljačka ploča rendgenskog uređaja (mehanička - s lijeve strane i elektronička - s desne strane):

A - ploča za podešavanje ekspozicije i tvrdoće;
B - tipka za napajanje visokog napona.

Riža. Slika 3 je blok dijagram tipičnog rendgenskog uređaja

1 - mreža;
2 - autotransformator;
3 - pojačani transformator;
4 - rendgenska cijev;
5 - anoda;
6 - katoda;
7 - silazni transformator.

Mehanizam proizvodnje rendgenskih zraka

X-zrake nastaju u trenutku sudara struje ubrzanih elektrona s materijalom anode. Kada elektroni stupe u interakciju s metom, 99% njihove kinetičke energije pretvara se u toplinsku energiju, a samo 1% u X-zrake.

Rentgenska cijev se sastoji od staklene posude u kojoj su zalemljene 2 elektrode: katoda i anoda. Zrak se ispumpava iz staklenog cilindra: kretanje elektrona od katode do anode moguće je samo u uvjetima relativnog vakuuma (10 -7 -10 -8 mm Hg). Na katodi se nalazi nit, koja je čvrsto uvijena volframova nit. Kada se električna struja dovede na nit, dolazi do emisije elektrona u kojoj se elektroni odvajaju od spirale i tvore oblak elektrona u blizini katode. Ovaj oblak je koncentriran na čašicu za fokusiranje katode, koja postavlja smjer kretanja elektrona. Čaša - malo udubljenje u katodi. Zauzvrat, anoda sadrži volframovu metalnu ploču na koju su usredotočeni elektroni - to je mjesto stvaranja x-zraka.

Riža. 4 - Uređaj s rendgenskom cijevi:

A - katoda;
B - anoda;
B - volframova nit;
G - čašica za fokusiranje katode;
D - tok ubrzanih elektrona;
E - cilj od volframa;
G - staklena tikvica;
Z - prozor od berilija;
I - formirane x-zrake;
K - aluminijski filter.

Na elektronsku cijev su spojena 2 transformatora: silazni i pojačani. Step-down transformator zagrijava volframovu nit niskim naponom (5-15 volti), što rezultira emisijom elektrona. Pojačavajući ili visokonaponski transformator ide izravno na katodu i anodu, koje se napajaju naponom od 20-140 kilovolti. Oba transformatora smještena su u visokonaponski blok rendgenskog aparata koji je napunjen transformatorskim uljem, što osigurava hlađenje transformatora i njihovu pouzdanu izolaciju.

Nakon što se uz pomoć opadajućeg transformatora stvori oblak elektrona, pojačani transformator se uključuje, a na oba pola električnog kruga primjenjuje se visokonaponski napon: pozitivan impuls na anodu, a negativan puls na katodu. Negativno nabijeni elektroni odbijaju se od negativno nabijene katode i teže pozitivno nabijenoj anodi - zbog takve potencijalne razlike postiže se velika brzina kretanja - 100 tisuća km / s. Pri ovoj brzini, elektroni bombardiraju volframovu anodnu ploču, dovršavajući električni krug, što rezultira rendgenskim zrakama i toplinskom energijom.

Rentgensko zračenje se dijeli na kočno i karakteristično. Do kočnog zračenja dolazi zbog naglog usporavanja brzine elektrona koje emitira volframova nit. Karakteristično zračenje nastaje u trenutku preuređivanja elektronskih ljuski atoma. Obje ove vrste nastaju u rendgenskoj cijevi u trenutku sudara ubrzanih elektrona s atomima anodnog materijala. Emisioni spektar rendgenske cijevi je superpozicija kočnog zraka i karakterističnih rendgenskih zraka.

Riža. 5 - princip formiranja kočnog X-zraka.
Riža. 6 - princip formiranja karakterističnih x-zraka.

Osnovna svojstva rendgenskih zraka

X-zrake su nevidljive vizualnoj percepciji.
Rentgensko zračenje ima veliku prodornu moć kroz organe i tkiva živog organizma, kao i guste strukture nežive prirode, koje ne propuštaju zrake vidljive svjetlosti.
X-zrake uzrokuju sjaj određenih kemijskih spojeva, koji se nazivaju fluorescencija.

Cink i kadmij sulfidi fluoresciraju žuto-zeleno,
Kristali kalcijevog volframata - ljubičasto-plavi.

X-zrake imaju fotokemijski učinak: razgrađuju spojeve srebra s halogenima i uzrokuju zacrnjenje fotografskih slojeva, tvoreći sliku na rendgenskom snimku.

X-zrake prenose svoju energiju na atome i molekule okoline kroz koju prolaze, pokazujući ionizirajući učinak.

Rentgensko zračenje ima izražen biološki učinak u ozračenim organima i tkivima: u malim dozama potiče metabolizam, u velikim dozama može dovesti do razvoja ozljeda zračenja, kao i akutne radijacijske bolesti. Biološko svojstvo omogućuje korištenje X-zraka za liječenje tumora i nekih netumorskih bolesti.

Ljestvica elektromagnetskih oscilacija

X-zrake imaju specifičnu valnu duljinu i frekvenciju titranja. Valna duljina (λ) i frekvencija titranja (ν) povezane su odnosom: λ ν = c, gdje je c brzina svjetlosti, zaokružena na 300 000 km u sekundi. Energija X-zraka određena je formulom E = h ν, gdje je h Planckova konstanta, univerzalna konstanta jednaka 6,626 10 -34 J⋅s. Valna duljina zraka (λ) povezana je s njihovom energijom (E) relacijom: λ = 12,4 / E.

Rentgensko zračenje razlikuje se od drugih vrsta elektromagnetskih oscilacija po valnoj duljini (vidi tablicu) i kvantnoj energiji. Što je valna duljina kraća, to je veća njezina frekvencija, energija i moć prodiranja. Valna duljina X zraka je u rasponu

. Promjenom valne duljine rendgenskog zračenja moguće je kontrolirati njegovu prodornu moć. X-zrake imaju vrlo kratku valnu duljinu, ali visoku frekvenciju titranja, pa su nevidljive ljudskom oku. Zbog svoje goleme energije, kvanti imaju veliku prodornu moć, što je jedno od glavnih svojstava koja osiguravaju korištenje X-zraka u medicini i drugim znanostima.

rendgenske karakteristike

Intenzitet- kvantitativna karakteristika rendgenskog zračenja, koja se izražava brojem zraka koje cijev emitira u jedinici vremena. Intenzitet X-zraka mjeri se u miliamperima. Uspoređujući ga s intenzitetom vidljive svjetlosti iz konvencionalne žarulje sa žarnom niti, možemo povući analogiju: na primjer, žarulja od 20 W svijetli jednim intenzitetom ili snagom, a žarulja od 200 W svijetli drugim, dok kvaliteta same svjetlosti (njezinog spektra) je ista. Intenzitet rendgenskog zračenja je, zapravo, njegova količina. Svaki elektron stvara jedan ili više kvanta zračenja na anodi, stoga se količina rendgenskih zraka tijekom ekspozicije objekta regulira promjenom broja elektrona koji teže anodi i broja interakcija elektrona s atomima volframove mete , što se može učiniti na dva načina:

Promjenom stupnja užarenosti katodne spirale pomoću opadajućeg transformatora (broj elektrona nastalih tijekom emisije ovisit će o tome koliko je volframova spirala vruća, a broj kvanta zračenja ovisit će o broju elektrona);
Promjenom vrijednosti visokog napona koji pojačani transformator dovodi do polova cijevi – katode i anode (što je veći napon doveden na polove cijevi, to elektroni primaju više kinetičke energije, što , zbog svoje energije, mogu međusobno komunicirati s nekoliko atoma anodne tvari - vidi sl. riža. 5; elektroni s malom energijom moći će ući u manji broj interakcija).

Intenzitet X-zraka (anodna struja) pomnožen sa brzinom zatvarača (vrijeme cijevi) odgovara ekspoziciji X-zrakama, koja se mjeri u mAs (miliamperima u sekundi). Ekspozicija je parametar koji, kao i intenzitet, karakterizira količinu zraka koje emitira rendgenska cijev. Jedina razlika je u tome što ekspozicija također uzima u obzir vrijeme rada cijevi (na primjer, ako cijev radi 0,01 s, tada će broj zraka biti jedan, a ako je 0,02 s, tada će broj zraka biti drugačije - još dvaput). Izloženost zračenju postavlja radiolog na kontrolnoj ploči rendgenskog aparata, ovisno o vrsti studije, veličini objekta koji se proučava i dijagnostičkom zadatku.

Krutost- kvalitativna karakteristika rendgenskog zračenja. Mjeri se visokim naponom na cijevi - u kilovoltima. Određuje prodornu moć rendgenskih zraka. Regulira se visokim naponom koji se na rendgensku cijev dovodi preko transformatora za povećanje. Što se veća razlika potencijala stvara na elektrodama cijevi, to je veća sila koju elektroni odbijaju od katode i jure prema anodi, a njihov sudar s anodom je jači. Što je njihov sudar jači, to je kraća valna duljina rezultirajućeg rendgenskog zračenja i veća je prodorna moć tog vala (odnosno tvrdoća zračenja, koja se, kao i intenzitet, na kontrolnoj ploči regulira naponskim parametrom na cijev - kilonapon).

Riža. 7 - Ovisnost valne duljine o energiji vala:

λ - valna duljina;
E - energija vala

Što je kinetička energija elektrona u pokretu veća, to je jači njihov utjecaj na anodu i kraća je valna duljina rezultirajućeg rendgenskog zračenja. Rentgensko zračenje duge valne duljine i male prodorne moći naziva se "meko", s kratkom valnom duljinom i velikom prodornom moći - "tvrdo".

Riža. 8 - Omjer napona na rendgenskoj cijevi i valne duljine rezultirajućeg rendgenskog zračenja:

Što je veći napon primijenjen na polove cijevi, to se na njima pojavljuje jača razlika potencijala, stoga će kinetička energija elektrona koji se kreću biti veća. Napon na cijevi određuje brzinu elektrona i silu njihovog sudara s materijalom anode, stoga napon određuje valnu duljinu rezultirajućeg rendgenskog zračenja.

Klasifikacija rendgenskih cijevi

Po dogovoru

Dijagnostički
Terapeutski
Za strukturnu analizu
Za transiluminaciju

Po dizajnu

Po fokusu

Jedan fokus (jedna spirala na katodi i jedna žarišna točka na anodi)
Bifokalni (dvije spirale različitih veličina na katodi i dvije žarišne točke na anodi)

Po vrsti anode

Stacionarni (fiksni)
Rotacioni

X-zrake se koriste ne samo u radiodijagnostičke svrhe, već iu terapeutske svrhe. Kao što je gore navedeno, sposobnost rendgenskog zračenja da potisne rast tumorskih stanica omogućuje njegovu primjenu u zračnoj terapiji onkoloških bolesti. Osim u medicinskom području primjene, rendgensko zračenje našlo je široku primjenu u inženjerskom i tehničkom području, znanosti o materijalima, kristalografiji, kemiji i biokemiji: na primjer, moguće je identificirati strukturne nedostatke u različitim proizvodima (tračnice, zavare). itd.) korištenjem rendgenskog zračenja. Vrsta takvog istraživanja naziva se defektoskopija. A u zračnim lukama, željezničkim kolodvorima i drugim mjestima s puno ljudi, rendgenski televizijski introskopi aktivno se koriste za skeniranje ručne prtljage i prtljage u svrhu sigurnosti.

Ovisno o vrsti anode, rendgenske cijevi se razlikuju po dizajnu. Zbog činjenice da se 99% kinetičke energije elektrona pretvara u toplinsku energiju, tijekom rada cijevi, anoda se značajno zagrijava - osjetljiva volframova meta često izgara. Anoda se hladi u modernim rendgenskim cijevima rotirajući. Rotirajuća anoda ima oblik diska, koji ravnomjerno raspoređuje toplinu po cijeloj svojoj površini, sprječavajući lokalno pregrijavanje volframove mete.

Dizajn rendgenskih cijevi također se razlikuje u fokusu. Žarišna točka - dio anode na kojem se stvara radni snop X-zraka. Podijeljena je na stvarnu žarišnu točku i efektivnu žarišnu točku ( riža. 12). Zbog kuta anode efektivna žarišna točka je manja od stvarne. Koriste se različite veličine žarišne točke ovisno o veličini područja slike. Što je veća površina slike, žarišna točka mora biti šira da pokrije cijelo područje slike. Međutim, manja žarišna točka daje bolju jasnoću slike. Stoga se pri izradi malih slika koristi kratka nit i elektroni se usmjeravaju na malu površinu anodne mete, stvarajući manju žarišnu točku.

Riža. 9 - rendgenska cijev sa stacionarnom anodom.
Riža. 10 - Rentgenska cijev s rotirajućom anodom.
Riža. 11 - Uređaj s rendgenskom cijevi s rotirajućom anodom.
Riža. Slika 12 je dijagram formiranja stvarne i učinkovite žarišne točke.

Suvremena medicinska dijagnostika i liječenje određenih bolesti ne mogu se zamisliti bez uređaja koji koriste svojstva rendgenskih zraka. Otkriće X-zraka dogodilo se prije više od 100 godina, ali i sada se nastavlja rad na stvaranju novih metoda i aparata za smanjenje negativnog učinka zračenja na ljudski organizam.

Tko je i kako otkrio X-zrake

U prirodnim uvjetima, tok X-zraka je rijedak i emitiraju ga samo određeni radioaktivni izotopi. X-zrake ili X-zrake tek je 1895. otkrio njemački znanstvenik Wilhelm Röntgen. Ovo otkriće dogodilo se slučajno, tijekom eksperimenta proučavanja ponašanja svjetlosnih zraka u uvjetima koji se približavaju vakuumu. Pokus je uključivao katodnu plinsku cijev sa sniženim tlakom i fluorescentni zaslon, koji je svaki put počeo svijetliti u trenutku kada je cijev počela djelovati.

Zaintrigiran čudnim učinkom, Roentgen je proveo niz studija koje su pokazale da nastalo zračenje, nevidljivo oku, može prodrijeti kroz razne prepreke: papir, drvo, staklo, neke metale, pa čak i kroz ljudsko tijelo. Unatoč nedostatku razumijevanja same prirode onoga što se događa, je li takav fenomen uzrokovan stvaranjem struje nepoznatih čestica ili valova, zabilježen je sljedeći obrazac - zračenje lako prolazi kroz meka tkiva tijela, a mnogo teže kroz čvrsta živa tkiva i nežive tvari.

Roentgen nije bio prvi koji je proučavao ovaj fenomen. Sredinom 19. stoljeća Francuz Antoine Mason i Englez William Crookes proučavali su slične mogućnosti. Međutim, upravo je Roentgen prvi izumio katodnu cijev i indikator koji bi se mogao koristiti u medicini. Prvi je objavio znanstveni rad, što mu je donijelo titulu prvog nobelovca među fizičarima.

Godine 1901. započela je plodna suradnja između trojice znanstvenika, koji su postali osnivači radiologije i radiologije.

Svojstva X-zraka

X-zrake su sastavni dio općeg spektra elektromagnetskog zračenja. Valna duljina je između gama i ultraljubičastih zraka. X-zrake imaju sva uobičajena valna svojstva:

difrakcija;
lom;
smetnje;
brzina širenja (jednaka je svjetlosti).

Za umjetno stvaranje rendgenskog toka koriste se posebni uređaji - rendgenske cijevi. Rentgensko zračenje nastaje kontaktom brzih volframovih elektrona s tvarima koje isparavaju iz vruće anode. Na pozadini interakcije nastaju elektromagnetski valovi kratke duljine, koji su u spektru od 100 do 0,01 nm i u energetskom području od 100-0,1 MeV. Ako je valna duljina zraka manja od 0,2 nm - to je tvrdo zračenje, ako je valna duljina veća od navedene vrijednosti, nazivaju se mekim x-zrakama.

Značajno je da se kinetička energija koja proizlazi iz kontakta elektrona i anodne tvari 99% pretvara u toplinsku energiju, a samo 1% je rendgenske zrake.

Rentgensko zračenje - kočno i karakteristično

X-zračenje je superpozicija dviju vrsta zraka – kočnih i karakterističnih. Generiraju se u slušalici istovremeno. Dakle, zračenje rendgenskim zrakama i karakteristika svake pojedine rendgenske cijevi - spektar njezina zračenja, ovisi o tim pokazateljima, i predstavlja njihovu superpoziciju.

Kočno ili kontinuirano X-zrake rezultat su usporavanja isparavanja elektrona iz volframove niti.

Karakteristične ili linijske rendgenske zrake nastaju u trenutku prestrojavanja atoma tvari anode rendgenske cijevi. Valna duljina karakterističnih zraka izravno ovisi o atomskom broju kemijskog elementa koji se koristi za izradu anode cijevi.

Navedena svojstva rendgenskih zraka omogućuju njihovu primjenu u praksi:

nevidljivo običnom oku;
visoka sposobnost prodiranja kroz živa tkiva i nežive materijale koji ne propuštaju vidljivu svjetlost;
ionizacijski učinak na molekularne strukture.

Principi rendgenskog snimanja

Svojstvo rendgenskih zraka na kojem se temelji slikanje je sposobnost razgradnje ili izazivanja sjaja nekih tvari.

Rentgensko zračenje uzrokuje fluorescentni sjaj u kadmijevim i cinkovim sulfidima - zeleno, a u kalcijevom volframatu - plavo. Ovo svojstvo koristi se u tehnici medicinske transiluminacije X-zrakama, a također povećava funkcionalnost rendgenskih ekrana.

Fotokemijski učinak rendgenskih zraka na materijale srebrnog halida (osvjetljenje) osjetljive na svjetlost omogućuje provođenje dijagnostike - snimanje rendgenskih snimaka. Ovo svojstvo koristi se i za mjerenje količine ukupne doze koju laboratorijski asistenti primaju u rendgenskim sobama. Nosivi dozimetri imaju posebne osjetljive trake i indikatore. Ionizirajući učinak rendgenskog zračenja omogućuje određivanje kvalitativnih karakteristika dobivenih rendgenskih zraka.

Jednokratno izlaganje konvencionalnim rendgenskim zrakama povećava rizik od raka za samo 0,001%.

Područja u kojima se koriste X-zrake

Korištenje rendgenskih zraka prihvatljivo je u sljedećim industrijama:

Sigurnost. Fiksni i prijenosni uređaji za otkrivanje opasnih i zabranjenih predmeta u zračnim lukama, carini ili na mjestima gužve.
Kemijska industrija, metalurgija, arheologija, arhitektura, građevinarstvo, restauratorski radovi - za otkrivanje nedostataka i provođenje kemijskih analiza tvari.
Astronomija. Pomaže u promatranju kozmičkih tijela i pojava uz pomoć rendgenskih teleskopa.
vojna industrija. Za razvoj laserskog oružja.

Glavna primjena rendgenskih zraka je u medicinskom području. Danas dio medicinske radiologije obuhvaća: radiodijagnostiku, radioterapiju (rentgensku terapiju), radiokirurgiju. Medicinska sveučilišta proizvode visokospecijalizirane stručnjake - radiologe.

X-zračenje - šteta i korist, učinci na tijelo

Velika prodorna moć i ionizirajući učinak rendgenskih zraka mogu uzrokovati promjenu strukture DNK stanice, pa je opasna za ljude. Šteta od rendgenskog zračenja izravno je proporcionalna primljenoj dozi zračenja. Različiti organi reagiraju na zračenje u različitom stupnju. Najosjetljiviji uključuju:

koštana srž i koštano tkivo;
očna leća;
štitnjača;
mliječne i spolne žlijezde;
plućnog tkiva.

Nekontrolirana uporaba rendgenskog zračenja može uzrokovati reverzibilne i nepovratne patologije.

Posljedice izlaganja rendgenskim zrakama:

oštećenje koštane srži i pojava patologija hematopoetskog sustava - eritrocitopenija, trombocitopenija, leukemija;
oštećenje leće, s naknadnim razvojem katarakte;
stanične mutacije koje su naslijeđene;
razvoj onkoloških bolesti;
dobivanje radijacijskih opeklina;
razvoj radijacijske bolesti.

Važno! Za razliku od radioaktivnih tvari, X-zrake se ne nakupljaju u tkivima tijela, što znači da nema potrebe za uklanjanjem X-zraka iz tijela. Štetno djelovanje rendgenskih zraka prestaje kada se medicinski uređaj isključi.

Korištenje rendgenskih zraka u medicini dopušteno je ne samo u dijagnostičke (traumatologija, stomatologija), već i u terapeutske svrhe:

od rendgenskih zraka u malim dozama stimulira se metabolizam u živim stanicama i tkivima;
određene granične doze koriste se za liječenje onkoloških i benignih neoplazmi.

Metode dijagnosticiranja patologija pomoću rendgenskih zraka

Radiodijagnostika uključuje sljedeće metode:

Fluoroskopija je studija u kojoj se slika dobiva na fluorescentnom ekranu u stvarnom vremenu. Uz klasično snimanje dijela tijela u stvarnom vremenu, danas postoje tehnologije rendgenske televizijske transiluminacije - slika se prenosi s fluorescentnog ekrana na televizijski monitor koji se nalazi u drugoj prostoriji. Razvijeno je nekoliko digitalnih metoda za obradu dobivene slike, nakon čega slijedi njezin prijenos s ekrana na papir.
Fluorografija je najjeftinija metoda za pregled organa prsnog koša, koja se sastoji u izradi male slike veličine 7x7 cm.Unatoč mogućnosti pogreške, to je jedini način da se provede masovni godišnji pregled stanovništva. Metoda nije opasna i ne zahtijeva povlačenje primljene doze zračenja iz tijela.
Radiografija - dobivanje sažete slike na filmu ili papiru kako bi se razjasnio oblik organa, njegov položaj ili ton. Može se koristiti za procjenu peristaltike i stanja sluznice. Ako postoji izbor, onda među modernim rendgenskim uređajima prednost ne treba dati ni digitalnim uređajima, kod kojih fluks rendgenskih zraka može biti veći od onih kod starih uređaja, već niskim dozama rendgenskih uređaja s izravnim ravnim poluvodički detektori. Omogućuju vam smanjenje opterećenja tijela za 4 puta.
Kompjutorizirana rendgenska tomografija je tehnika koja koristi rendgenske zrake za dobivanje potrebnog broja slika dijelova odabranog organa. Među brojnim varijantama modernih CT strojeva, CT skeneri niske doze visoke razlučivosti koriste se za niz ponovljenih studija.

Radioterapija

Rentgenska terapija odnosi se na lokalne metode liječenja. Najčešće se metoda koristi za uništavanje stanica raka. Budući da je učinak izlaganja usporediv s kirurškim uklanjanjem, ova metoda liječenja često se naziva radiokirurgija.

Danas se rendgensko liječenje provodi na sljedeće načine:

Vanjski (protonska terapija) - zraka zračenja ulazi u tijelo pacijenta izvana.
Interna (brahiterapija) - korištenje radioaktivnih kapsula ugradnjom u tijelo, s postavljanjem bliže kanceroznom tumoru. Nedostatak ove metode liječenja je u tome što je pacijent potrebno izolirati dok se kapsula ne ukloni iz tijela.

Ove metode su nježne, a njihova je uporaba u nekim slučajevima poželjnija od kemoterapije. Takva popularnost je zbog činjenice da se zrake ne akumuliraju i ne zahtijevaju uklanjanje iz tijela, imaju selektivni učinak, bez utjecaja na druge stanice i tkiva.

Sigurna stopa izlaganja rendgenskim zrakama

Ovaj pokazatelj norme dopuštene godišnje izloženosti ima svoje ime - genetski značajna ekvivalentna doza (GED). Ne postoje jasne kvantitativne vrijednosti za ovaj pokazatelj.

Ovaj pokazatelj ovisi o dobi i želji pacijenta da ima djecu u budućnosti.
Ovisi o tome koji su organi pregledani ili liječeni.
Na GZD utječe razina prirodne radioaktivne pozadine regije u kojoj osoba živi.

Danas su na snazi sljedeći prosječni GZD standardi:

razina izloženosti iz svih izvora, osim medicinskih, i bez uzimanja u obzir prirodne pozadine zračenja - 167 mRem godišnje;
norma za godišnji liječnički pregled nije veća od 100 mRem godišnje;
ukupna sigurna vrijednost je 392 mRem godišnje.

Rentgensko zračenje ne zahtijeva izlučivanje iz tijela, a opasno je samo u slučaju intenzivnog i dugotrajnog izlaganja. Moderna medicinska oprema koristi niskoenergetsko zračenje kratkog trajanja, pa se njezina uporaba smatra relativno bezopasnom.