Proprietățile DRT și producerea de raze X. Proprietățile de bază ale razelor X

Radiațiile cu raze X joacă un rol imens în medicina modernă; istoria descoperirii razelor X datează din secolul al XIX-lea.

Razele X sunt unde electromagnetice care sunt produse cu participarea electronilor. Cu o accelerare puternică a particulelor încărcate, sunt create raze X artificiale. Trece prin echipamente speciale:

acceleratori de particule.

Istoria descoperirilor

Aceste raze au fost inventate în 1895 de omul de știință german Roentgen: în timp ce lucra cu un tub catodic, el a descoperit efectul de fluorescență al cianurii de bariu platină. Apoi a fost o descriere a unor astfel de raze și a capacității lor uimitoare de a pătrunde în țesuturile corpului. Razele au început să fie numite raze X (raze X). Mai târziu, în Rusia, au început să fie numite cu raze X.

Razele X sunt capabile să pătrundă chiar și prin pereți. Așa că Roentgen și-a dat seama că a făcut cea mai mare descoperire în domeniul medicinei. Din acel moment au început să se formeze secțiuni separate în știință, cum ar fi radiologia și radiologia.

Razele sunt capabile să pătrundă în țesuturile moi, dar sunt întârziate, lungimea lor este determinată de obstacolul unei suprafețe dure. Țesuturile moi din corpul uman sunt pielea, iar țesuturile dure sunt oasele. În 1901, omul de știință a primit Premiul Nobel.

Cu toate acestea, chiar înainte de descoperirea lui Wilhelm Conrad Roentgen, alți oameni de știință au fost, de asemenea, interesați de un subiect similar. În 1853, fizicianul francez Antoine-Philiber Mason a studiat o descărcare de înaltă tensiune între electrozi dintr-un tub de sticlă. Gazul conținut în el la presiune scăzută a început să emită o strălucire roșiatică. Pomparea excesului de gaz din tub a dus la descompunerea strălucirii într-o secvență complexă de straturi luminoase individuale, a căror nuanță depindea de cantitatea de gaz.

În 1878, William Crookes (fizician englez) a sugerat că fluorescența are loc datorită impactului razelor pe suprafața de sticlă a tubului. Dar toate aceste studii nu au fost publicate nicăieri, așa că Roentgen nu știa despre astfel de descoperiri. După publicarea descoperirilor sale în 1895 într-un jurnal științific, unde omul de știință a scris că toate corpurile sunt transparente la aceste raze, deși într-o măsură foarte diferită, alți oameni de știință au devenit interesați de experimente similare. Ei au confirmat invenția lui Roentgen și a început dezvoltarea și îmbunătățirea ulterioară a razelor X.

Wilhelm Roentgen însuși a publicat încă două lucrări științifice pe tema razelor X în 1896 și 1897, după care a început și alte activități. Astfel, mai mulți oameni de știință au inventat, dar Roentgen a fost cel care a publicat lucrări științifice pe acest subiect.

Principii imagistice

Caracteristicile acestei radiații sunt determinate de însăși natura aspectului lor. Radiația apare din cauza unei unde electromagnetice. Principalele sale proprietăți includ:

Reflecţie. Dacă unda lovește suprafața perpendicular, nu va fi reflectată. În unele situații, un diamant are proprietatea de a reflecta.
Capacitatea de a pătrunde în țesut. În plus, razele pot trece prin suprafețe opace ale materialelor precum lemn, hârtie și altele asemenea.
absorbanta. Absorbția depinde de densitatea materialului: cu cât este mai dens, cu atât mai multe razele X îl absorb.
Unele substanțe fluoresc, adică strălucesc. Imediat ce radiația se oprește, și strălucirea dispare. Dacă continuă după încetarea acțiunii razelor, atunci acest efect se numește fosforescență.
Razele X pot ilumina filmul fotografic, la fel ca lumina vizibilă.
Dacă fasciculul a trecut prin aer, atunci are loc ionizarea în atmosferă. O astfel de stare se numește conductoare electric și este determinată folosind un dozimetru, care stabilește rata dozei de expunere.

Radiația - rău și beneficiu

Când a fost făcută descoperirea, fizicianul Roentgen nici nu și-a putut imagina cât de periculoasă era invenția sa. Pe vremuri, toate dispozitivele care produceau radiații erau departe de a fi perfecte și, ca urmare, se obțineau doze mari de raze emise. Oamenii nu au înțeles pericolele unor astfel de radiații. Deși unii oameni de știință chiar și atunci au prezentat versiuni despre pericolele razelor X.

Razele X, care pătrund în țesuturi, au un efect biologic asupra acestora. Unitatea de măsură a dozei de radiație este roentgen pe oră. Influența principală este asupra atomilor ionizanți care se află în interiorul țesuturilor. Aceste raze acționează direct asupra structurii ADN-ului unei celule vii. Consecințele radiațiilor necontrolate includ:

mutație celulară;
apariția tumorilor;
arsuri prin radiații;
boala de radiatii.

Contraindicații pentru examinarea cu raze X:

Pacienții sunt în stare critică.
Perioada de sarcină din cauza efectelor negative asupra fătului.
Pacienți cu sângerare sau pneumotorax deschis.

Cum funcționează razele X și unde sunt utilizate

În medicină. Diagnosticarea cu raze X este utilizată pentru țesuturile vii translucide pentru a identifica unele tulburări din organism. Terapia cu raze X se efectuează pentru a elimina formațiunile tumorale.
În știință. Sunt dezvăluite structura substanțelor și natura razelor X. Aceste probleme sunt tratate de științe precum chimia, biochimia, cristalografia.
În industrie. Pentru a detecta încălcări în produsele metalice.
Pentru siguranța populației. Fazele de raze X sunt instalate în aeroporturi și în alte locuri publice pentru a scana bagajele.

Utilizarea medicală a radiațiilor cu raze X. Razele X sunt utilizate pe scară largă în medicină și stomatologie în următoarele scopuri:

Pentru diagnosticarea bolilor.
Pentru monitorizarea proceselor metabolice.
Pentru tratarea multor boli.

Utilizarea razelor X în scopuri medicale

Pe lângă detectarea fracturilor osoase, razele X sunt utilizate pe scară largă în scopuri medicale. Aplicarea specializată a razelor X este de a atinge următoarele obiective:

Pentru a distruge celulele canceroase.
Pentru a reduce dimensiunea tumorii.
Pentru a reduce durerea.

De exemplu, iodul radioactiv, folosit în bolile endocrinologice, este utilizat în mod activ în cancerul tiroidian, ajutând astfel mulți oameni să scape de această boală teribilă. În prezent, pentru a diagnostica boli complexe, razele X sunt conectate la computere, drept urmare, apar cele mai noi metode de cercetare, precum tomografia axială computerizată.

O astfel de scanare oferă medicilor imagini color care arată organele interne ale unei persoane. Pentru a detecta activitatea organelor interne, este suficientă o doză mică de radiații. Razele X sunt, de asemenea, utilizate pe scară largă în fizioterapie.

Proprietățile de bază ale razelor X

capacitate de penetrare. Toate corpurile sunt transparente la radiografie, iar gradul de transparență depinde de grosimea corpului. Datorită acestei proprietăți, fasciculul a început să fie folosit în medicină pentru a detecta funcționarea organelor, prezența fracturilor și a corpurilor străine în organism.
Ele sunt capabile să provoace strălucirea unor obiecte. De exemplu, dacă bariu și platină sunt aplicate pe carton, atunci, după ce a trecut prin scanarea fasciculului, acesta va străluci galben-verzui. Dacă vă plasați mâna între tubul cu raze X și ecran, atunci lumina va pătrunde mai mult în os decât în țesut, astfel încât țesutul osos va fi evidențiat cel mai puternic pe ecran, iar țesutul muscular va fi mai puțin luminos. .
Acțiune pe film. Razele X pot, ca și lumina, să facă filmul întunecat, acest lucru vă permite să fotografiați partea umbră care se obține atunci când sunt examinate razele X ale corpurilor.
Razele X pot ioniza gazele. Acest lucru face posibilă nu numai găsirea razelor, ci și dezvăluirea intensității acestora prin măsurarea curentului de ionizare din gaz.
Au un efect biochimic asupra organismului ființelor vii. Datorită acestei proprietăți, razele X și-au găsit aplicația largă în medicină: pot trata atât bolile de piele, cât și bolile organelor interne. În acest caz, se selectează doza dorită de radiație și durata razelor. Utilizarea prelungită și excesivă a unui astfel de tratament este foarte dăunătoare și dăunătoare organismului.

Consecința utilizării razelor X a fost salvarea multor vieți umane. Raze X ajută nu numai la diagnosticarea bolii în timp util, metodele de tratament care utilizează radioterapie scutesc pacienții de diferite patologii, de la hiperfuncția glandei tiroide la tumorile maligne ale țesuturilor osoase.

Ministerul Educației și Științei al Federației Ruse

Agenția Federală pentru Educație

GOU VPO SUSU

Catedra de Chimie Fizica

la cursul KSE: „Radiații cu raze X”

Efectuat:

Naumova Daria Gennadievna

Verificat:

Conferențiar, K.T.N.

Tanklevskaya N.M.

Chelyabinsk 2010

Introducere

Capitolul I. Descoperirea razelor X

chitanta

Interacțiunea cu materia

Impactul biologic

înregistrare

Aplicație

Cum se face o radiografie

radiografii naturale

Capitolul II. Radiografie

Aplicație

Metoda de achizitie a imaginii

Beneficiile radiografiei

Dezavantajele radiografiei

Fluoroscopie

Principiul primirii

Beneficiile fluoroscopiei

Dezavantajele fluoroscopiei

Tehnologii digitale în fluoroscopie

Metoda de scanare multilinie

Concluzie

Lista literaturii folosite

Introducere

Radiație de raze X - unde electromagnetice, a căror energie fotonică este determinată de intervalul de energie de la radiația ultravioletă la radiația gamma, care corespunde intervalului de lungimi de undă de la 10−4 la 10² Å (de la 10−14 la 10−8 m).

La fel ca lumina vizibilă, razele X provoacă înnegrirea filmului fotografic. Această proprietate este de mare importanță pentru medicină, industrie și cercetarea științifică. Trecând prin obiectul studiat și apoi căzând pe film, radiația cu raze X își descrie structura internă pe acesta. Deoarece puterea de penetrare a radiației X este diferită pentru diferite materiale, părțile obiectului care sunt mai puțin transparente pentru acesta oferă zone mai luminoase în fotografie decât cele prin care radiația pătrunde bine. Astfel, țesuturile osoase sunt mai puțin transparente la razele X decât țesuturile care alcătuiesc pielea și organele interne. Prin urmare, pe radiografie, oasele vor fi indicate ca zone mai ușoare, iar locul fracturii, care este mai transparent pentru radiații, poate fi detectat destul de ușor. Imagistica cu raze X este, de asemenea, utilizată în stomatologie pentru a detecta carii și abcese la rădăcinile dinților, precum și în industrie pentru a detecta fisuri în piese turnate, materiale plastice și cauciucuri.

Razele X sunt folosite în chimie pentru a analiza compuși și în fizică pentru a studia structura cristalelor. Un fascicul de raze X care trece printr-un compus chimic provoacă o radiație secundară caracteristică, a cărei analiză spectroscopică permite chimistului să determine compoziția compusului. Când cade pe o substanță cristalină, un fascicul de raze X este împrăștiat de atomii cristalului, dând un model clar, regulat de pete și dungi pe o placă fotografică, ceea ce face posibilă stabilirea structurii interne a cristalului.

Utilizarea razelor X în tratamentul cancerului se bazează pe faptul că ucide celulele canceroase. Cu toate acestea, poate avea și un efect nedorit asupra celulelor normale. Prin urmare, trebuie avută o precauție extremă în această utilizare a razelor X.

Capitolul I. Descoperirea razelor X

Descoperirea razelor X este atribuită lui Wilhelm Conrad Roentgen. A fost primul care a publicat un articol despre raze X, pe care l-a numit raze X (raze X). Un articol de Roentgen intitulat „Despre un nou tip de raze” a fost publicat pe 28 decembrie 1895 în revista Societății Fizico-Medicale din Würzburg. Se consideră, totuși, dovedit că razele X au fost deja obținute înainte. Tubul cu raze catodice pe care Roentgen l-a folosit în experimentele sale a fost dezvoltat de J. Hittorf și W. Kruks. Acest tub produce raze X. Acest lucru a fost demonstrat în experimentele lui Crookes și din 1892 în experimentele lui Heinrich Hertz și studentul său Philipp Lenard prin înnegrirea plăcilor fotografice. Cu toate acestea, niciunul dintre ei nu și-a dat seama de semnificația descoperirii lor și nu și-a publicat rezultatele. De asemenea, Nikola Tesla, începând din 1897, a experimentat cu tuburi catodice, a primit raze X, dar nu și-a publicat rezultatele.

Din acest motiv, Roentgen nu a știut despre descoperirile făcute înaintea lui și a descoperit razele, ulterior numite după el, în mod independent - în timp ce observă fluorescența care are loc în timpul funcționării unui tub catodic. Roentgen a studiat razele X timp de puțin peste un an (din 8 noiembrie 1895 până în martie 1897) și a publicat doar trei articole relativ mici despre acestea, dar au oferit o descriere atât de cuprinzătoare a noilor raze, încât sute de lucrări ale adepților săi, publicat apoi pe parcursul a 12 ani, nu a putut nici adăuga, nici schimba nimic esenţial. Roentgen, care își pierduse interesul pentru radiografii, le-a spus colegilor săi: „Am scris deja totul, nu vă pierdeți timpul”. La faima lui Roentgen a contribuit și celebra fotografie a mâinii soției sale, pe care a publicat-o în articolul său (vezi imaginea din dreapta). O astfel de faimă i-a adus lui Roentgen în 1901 primul premiu Nobel pentru fizică, iar Comitetul Nobel a subliniat importanța practică a descoperirii sale. În 1896, denumirea de „raze X” a fost folosită pentru prima dată. În unele țări, vechiul nume rămâne - raze X. În Rusia, razele au început să fie numite „raze X” la sugestia unui student V.K. Roentgen - Abram Fedorovich Ioffe.

Poziția pe scara undelor electromagnetice

Intervalele de energie ale razelor X și ale razelor gamma se suprapun într-o gamă largă de energie. Ambele tipuri de radiații sunt radiații electromagnetice și sunt echivalente pentru aceeași energie fotonică. Diferența terminologică constă în modul de apariție - razele X sunt emise cu participarea electronilor (fie în atomi, fie în cei liberi), în timp ce radiațiile gamma sunt emise în procesele de dezexcitare a nucleelor atomice. Fotonii cu raze X au energii de la 100 eV la 250 keV, ceea ce corespunde unei radiații cu o frecvență de 3 1016 Hz până la 6 1019 Hz și o lungime de undă de 0,005 - 10 nm (nu există o definiție general acceptată a limitei inferioare a X). -gama de raze în scara lungimii de undă). Razele X moi sunt caracterizate de cea mai scăzută energie fotonică și frecvență de radiație (și cea mai mare lungime de undă), în timp ce razele X dure au cea mai mare energie fotonică și frecvență de radiație (și cea mai scurtă lungime de undă).

(Fotografie cu raze X (roentgenograma) a mâinii soției sale, realizată de V.K. Roentgen)

)

chitanta

Razele X sunt produse prin accelerarea puternică a particulelor încărcate (în principal electroni) sau prin tranziții de înaltă energie în învelișurile de electroni ale atomilor sau moleculelor. Ambele efecte sunt utilizate în tuburile cu raze X, în care electronii emiși de la un catod fierbinte sunt accelerați (nu sunt emise raze X, deoarece accelerația este prea mică) și lovesc anodul, unde sunt decelerati brusc (razele X sunt emise: așa-numita .bremsstrahlung) și în același timp elimină electronii din învelișurile de electroni interioare ale atomilor metalului din care este realizat anodul. Spațiile goale din învelișuri sunt ocupate de alți electroni ai atomului. În acest caz, radiația cu raze X este emisă cu o anumită energie caracteristică materialului anodic (radiația caracteristică, frecvențele sunt determinate de legea Moseley:

unde Z este numărul atomic al elementului anod, A și B sunt constante pentru o anumită valoare a numărului cuantic principal n al învelișului electronic). În prezent, anozii sunt fabricați în principal din ceramică, iar partea în care electronii lovesc este din molibden. În procesul de accelerare-decelerare, doar 1% din energia cinetică a electronului merge la razele X, 99% din energie este transformată în căldură.

Razele X pot fi obținute și în acceleratoarele de particule. așa-zisul. Radiația de sincrotron apare atunci când un fascicul de particule este deviat într-un câmp magnetic, în urma căruia acestea experimentează o accelerație într-o direcție perpendiculară pe mișcarea lor. Radiația sincrotron are un spectru continuu cu o limită superioară. Cu parametri aleși corespunzător (magnitudinea câmpului magnetic și energia particulelor), razele X pot fi obținute și în spectrul radiației sincrotron.

Reprezentarea schematică a unui tub cu raze X. X - raze X, K - catod, A - anod (uneori numit anticatod), C - radiator, Uh - tensiunea filamentului catodic, Ua - tensiune de accelerare, Win - intrare de răcire cu apă, Wout - ieșire de răcire cu apă (vezi x- tub cu raze).

Interacțiunea cu materia

Indicele de refracție al aproape oricărei substanțe pentru raze X diferă puțin de unitate. O consecință a acestui fapt este faptul că nu există niciun material din care să poată fi realizată o lentilă cu raze X. În plus, atunci când razele X sunt incidente perpendicular pe suprafață, aproape că nu sunt reflectate. În ciuda acestui fapt, în optica cu raze X s-au găsit metode de construire a elementelor optice pentru raze X.

Razele X pot pătrunde în materie și diferite substanțe le absorb diferit. Absorbția razelor X este cea mai importantă proprietate a acestora în fotografia cu raze X. Intensitatea razelor X scade exponențial în funcție de calea parcursă în stratul absorbant (I = I0e-kd, unde d este grosimea stratului, coeficientul k este proporțional cu Z3λ3, Z este numărul atomic al elementului, λ este lungimea de undă).

Absorbția are loc ca urmare a fotoabsorbției și a împrăștierii Compton:

Fotoabsorbția este înțeleasă ca procesul de eliminare a unui electron din învelișul unui atom de către un foton, care necesită ca energia fotonului să fie mai mare decât o anumită valoare minimă. Dacă luăm în considerare probabilitatea actului de absorbție în funcție de energia fotonului, atunci când se atinge o anumită energie, aceasta (probabilitatea) crește brusc până la valoarea sa maximă. Pentru energii mai mari, probabilitatea scade continuu. Din cauza acestei dependențe, se spune că există o limită de absorbție. Locul electronului eliminat în timpul actului de absorbție este ocupat de un alt electron, în timp ce radiația cu o energie fotonică mai mică este emisă, așa-numita. proces de fluorescență.

Raze X, radiații invizibile capabile să pătrundă, deși în grade diferite, toate substanțele. Este o radiație electromagnetică cu o lungime de undă de aproximativ 10-8 cm.

Obținerea cu raze X

Radiația de raze X apare atunci când electronii care se mișcă la viteze mari interacționează cu materia. Când electronii se ciocnesc cu atomii oricărei substanțe, ei își pierd rapid energia cinetică. În acest caz, cea mai mare parte este transformată în căldură, iar o mică fracțiune, de obicei mai mică de 1%, este transformată în energie de raze X. Această energie este eliberată sub formă de cuante - particule numite fotoni care au energie, dar au masa de repaus zero. Fotonii cu raze X diferă în ceea ce privește energia lor, care este invers proporțională cu lungimea de undă. Cu metoda obișnuită de obținere a razelor X, se obține o gamă largă de lungimi de undă, care se numește spectru de raze X.

tuburi cu raze X. Pentru a obține radiații de raze X datorită interacțiunii electronilor cu materia, este necesar să existe o sursă de electroni, mijloace de accelerare a acestora la viteze mari și o țintă capabilă să reziste la bombardamentul cu electroni și să producă radiații de raze X de intensitatea cerută. Aparatul care are toate acestea se numește tub cu raze X. Exploratorii timpurii au folosit tuburi cu „vid adânc”, cum ar fi tuburile cu descărcare de astăzi. Vidul din ele nu era foarte mare.

Tuburile de descărcare conțin o cantitate mică de gaz, iar atunci când se aplică o diferență mare de potențial electrozilor tubului, atomii de gaz se transformă în ioni pozitivi și negativi. Cei pozitivi se deplasează spre electrodul negativ (catod) și, căzând peste el, scot electroni din el, iar ei, la rândul lor, se deplasează către electrodul pozitiv (anod) și, bombardându-l, creează un flux de fotoni de raze X. .

În tubul modern cu raze X dezvoltat de Coolidge (Fig. 11), sursa de electroni este un catod de wolfram încălzit la o temperatură ridicată.

Orez. unsprezece.

Electronii sunt accelerați la viteze mari de diferența mare de potențial dintre anod (sau anticatod) și catod. Deoarece electronii trebuie să ajungă la anod fără a se ciocni cu atomii, este necesar un vid foarte mare, pentru care tubul trebuie bine evacuat. Acest lucru reduce, de asemenea, probabilitatea de ionizare a atomilor de gaz rămași și a curenților laterali rezultați.

Când este bombardat cu electroni, anticatodul de wolfram emite raze X caracteristice. Secțiunea transversală a fasciculului de raze X este mai mică decât zona iradiată reală. 1 - fascicul de electroni; 2 - catod cu electrod de focalizare; 3 - carcasă de sticlă (tub); 4 - tinta tungsten (anticatod); 5 - filament catodic; 6 - zona efectiv iradiata; 7 - punct focal eficient; 8 - anod de cupru; 9 - fereastra; 10 - raze X împrăștiate.

Electronii sunt focalizați pe anod printr-un electrod cu formă specială care înconjoară catodul. Acest electrod se numește electrod de focalizare și, împreună cu catodul, formează „reflectorul electronic” al tubului. Anodul supus bombardamentului electronic trebuie să fie realizat dintr-un material refractar, deoarece cea mai mare parte a energiei cinetice a electronilor de bombardare este transformată în căldură. În plus, este de dorit ca anodul să fie realizat dintr-un material cu număr atomic ridicat, deoarece randamentul razelor X crește odată cu creșterea numărului atomic. Cel mai adesea se alege ca material anod wolfram, al cărui număr atomic este 74. Designul tuburilor cu raze X poate fi diferit în funcție de condițiile și cerințele de aplicare.

Radiologia este o secțiune a radiologiei care studiază efectele radiațiilor cu raze X asupra corpului animalelor și oamenilor, care decurg din această boală, tratamentul și prevenirea acestora, precum și metodele de diagnosticare a diferitelor patologii cu ajutorul razelor X (diagnostic cu raze X) . Un aparat de diagnosticare cu raze X tipic include o sursă de alimentare (transformatoare), un redresor de înaltă tensiune care transformă curentul alternativ al rețelei electrice în curent continuu, un panou de control, un trepied și un tub de raze X.

Razele X sunt un tip de oscilații electromagnetice care se formează într-un tub de raze X în timpul unei decelerații bruște a electronilor accelerați în momentul ciocnirii acestora cu atomii substanței anodice. În prezent, punctul de vedere este general acceptat că razele X, prin natura lor fizică, sunt unul dintre tipurile de energie radiantă, al cărei spectru include și unde radio, razele infraroșii, lumina vizibilă, razele ultraviolete și razele gamma de elemente radioactive. Radiația cu raze X poate fi caracterizată ca o colecție a celor mai mici particule ale sale - cuante sau fotoni.

Orez. 1 - aparat mobil cu raze X:

A - tub cu raze X;
B - sursa de alimentare;
B - trepied reglabil.

Orez. 2 - Panou de control al aparatului cu raze X (mecanic - în stânga și electronic - în dreapta):

A - panou pentru reglarea expunerii si duritatii;
B - buton de alimentare de înaltă tensiune.

Orez. 3 este o diagramă bloc a unui aparat cu raze X tipic

1 - retea;
2 - autotransformator;
3 - transformator step-up;
4 - tub cu raze X;
5 - anod;
6 - catod;
7 - transformator coborâtor.

Mecanismul de producere a raze X

Razele X se formează în momentul ciocnirii unui flux de electroni accelerați cu materialul anodic. Când electronii interacționează cu o țintă, 99% din energia lor cinetică este convertită în energie termică și doar 1% în raze X.

Un tub cu raze X constă dintr-un recipient de sticlă în care sunt lipiți 2 electrozi: un catod și un anod. Aerul este pompat din cilindrul de sticlă: mișcarea electronilor de la catod la anod este posibilă numai în condiții de vid relativ (10 -7 -10 -8 mm Hg). Pe catod există un filament, care este un filament de tungsten strâns răsucit. Când un curent electric este aplicat filamentului, are loc emisia de electroni, în care electronii sunt separați de spirală și formează un nor de electroni în apropierea catodului. Acest nor este concentrat la cupa de focalizare a catodului, care stabilește direcția mișcării electronilor. Cupă - o mică depresiune în catod. Anodul, la rândul său, conține o placă metalică de wolfram pe care sunt concentrați electronii - acesta este locul formării razelor X.

Orez. 4 - Dispozitiv cu tub cu raze X:

A - catod;
B - anod;
B - filament de wolfram;
G - cupa de focalizare a catodului;
D - flux de electroni accelerați;
E - tinta tungsten;
G - balon de sticlă;
З - o fereastră din beriliu;
Și - formate raze X;
K - filtru din aluminiu.

La tubul electronic sunt conectate 2 transformatoare: step-down și step-up. Un transformator coborâtor încălzește filamentul de tungsten cu o tensiune scăzută (5-15 volți), rezultând emisia de electroni. Un transformator crescător sau de înaltă tensiune merge direct la catod și anod, care sunt alimentate cu o tensiune de 20-140 kilovolți. Ambele transformatoare sunt plasate în blocul de înaltă tensiune al mașinii cu raze X, care este umplut cu ulei de transformator, care asigură răcirea transformatoarelor și izolarea fiabilă a acestora.

După ce s-a format un nor de electroni cu ajutorul unui transformator coborâtor, transformatorul crescător este pornit și se aplică o tensiune de înaltă tensiune la ambii poli ai circuitului electric: un impuls pozitiv la anod și unul negativ. puls la catod. Electronii încărcați negativ sunt respinși dintr-un catod încărcat negativ și tind spre un anod încărcat pozitiv - datorită unei astfel de diferențe de potențial, se atinge o viteză mare de mișcare - 100 mii km / s. La această viteză, electronii bombardează placa anodului de tungsten, completând un circuit electric, rezultând raze X și energie termică.

Radiația cu raze X este împărțită în bremsstrahlung și caracteristică. Bremsstrahlung apare din cauza unei decelerari bruște a vitezei electronilor emiși de un filament de wolfram. Radiația caracteristică are loc în momentul rearanjarii învelișurilor de electroni ale atomilor. Ambele tipuri sunt formate într-un tub cu raze X în momentul ciocnirii electronilor accelerați cu atomii materialului anodic. Spectrul de emisie al unui tub de raze X este o suprapunere a bremsstrahlung și a razelor X caracteristice.

Orez. 5 - principiul formării razelor X bremsstrahlung.
Orez. 6 - principiul formării radiației caracteristice cu raze X.

Proprietățile de bază ale razelor X

Razele X sunt invizibile pentru percepția vizuală.
Radiația cu raze X are o mare putere de penetrare prin organele și țesuturile unui organism viu, precum și structuri dense de natură neînsuflețită, care nu transmit raze de lumină vizibile.
Razele X fac ca anumiți compuși chimici să strălucească, numiti fluorescență.

Sulfurile de zinc și cadmiu au fluorescentă galben-verde,
Cristale de tungstat de calciu - violet-albastru.

Razele X au un efect fotochimic: descompun compușii de argint cu halogeni și provoacă înnegrirea straturilor fotografice, formând o imagine pe o radiografie.

Razele X își transferă energia către atomii și moleculele mediului prin care trec, manifestând un efect ionizant.

Radiațiile cu raze X au un efect biologic pronunțat în organele și țesuturile iradiate: în doze mici stimulează metabolismul, în doze mari poate duce la dezvoltarea leziunilor radiațiilor, precum și a bolii acute de radiații. Proprietatea biologică permite utilizarea razelor X pentru tratamentul tumorilor și a unor boli non-tumorale.

Scara oscilațiilor electromagnetice

Razele X au o lungime de undă și o frecvență specifice de oscilație. Lungimea de undă (λ) și frecvența de oscilație (ν) sunt legate prin relația: λ ν = c, unde c este viteza luminii, rotunjită la 300.000 km pe secundă. Energia razelor X este determinată de formula E = h ν, unde h este constanta lui Planck, o constantă universală egală cu 6,626 10 -34 J⋅s. Lungimea de undă a razelor (λ) este legată de energia lor (E) prin relația: λ = 12,4 / E.

Radiația cu raze X diferă de alte tipuri de oscilații electromagnetice în lungime de undă (vezi tabel) și energie cuantică. Cu cât lungimea de undă este mai mică, cu atât frecvența, energia și puterea de penetrare sunt mai mari. Lungimea de undă a razelor X este în interval

. Prin modificarea lungimii de undă a radiației X, este posibil să-i controlăm puterea de penetrare. Razele X au o lungime de undă foarte scurtă, dar o frecvență mare de oscilație, deci sunt invizibile pentru ochiul uman. Datorită energiei lor enorme, quantele au o putere mare de penetrare, care este una dintre principalele proprietăți care asigură utilizarea razelor X în medicină și alte științe.

Caracteristicile razelor X

Intensitate- caracteristica cantitativă a radiației cu raze X, care se exprimă prin numărul de raze emise de tub pe unitatea de timp. Intensitatea razelor X se măsoară în miliamperi. Comparând-o cu intensitatea luminii vizibile de la o lampă incandescentă convențională, putem face o analogie: de exemplu, o lampă de 20 de wați va străluci cu o intensitate sau putere, iar o lampă de 200 de wați va străluci cu alta, în timp ce calitatea luminii în sine (spectrul acesteia) este aceeași. Intensitatea radiației cu raze X este, de fapt, cantitatea acesteia. Fiecare electron creează una sau mai multe cuante de radiație pe anod, prin urmare, cantitatea de raze X în timpul expunerii obiectului este reglată prin modificarea numărului de electroni care tind spre anod și a numărului de interacțiuni ale electronilor cu atomii țintei de tungsten. , care se poate face în două moduri:

Prin modificarea gradului de incandescență al spiralei catodului folosind un transformator coborâtor (numărul de electroni generați în timpul emisiei va depinde de cât de fierbinte este spirala de wolfram, iar numărul de cuante de radiație va depinde de numărul de electroni);
Prin modificarea valorii tensiunii înalte furnizate de transformatorul step-up polilor tubului - catodul și anodul (cu cât este mai mare tensiunea aplicată la polii tubului, cu atât electronii primesc mai multă energie cinetică, ceea ce , datorită energiei lor, pot interacționa la rândul lor cu mai mulți atomi ai substanței anodice - vezi Fig. orez. cinci; electronii cu energie scăzută vor putea intra într-un număr mai mic de interacțiuni).

Intensitatea razelor X (curentul anodului) înmulțită cu viteza obturatorului (timpul tubului) corespunde expunerii la raze X, care se măsoară în mAs (miliamperi pe secundă). Expunerea este un parametru care, ca și intensitatea, caracterizează cantitatea de raze emise de un tub cu raze X. Singura diferență este că expunerea ține cont și de timpul de funcționare al tubului (de exemplu, dacă tubul funcționează timp de 0,01 sec, atunci numărul de raze va fi unul, iar dacă 0,02 sec, atunci numărul de raze va fi diferit - de două ori mai mult). Expunerea la radiații este stabilită de radiolog pe panoul de control al aparatului cu raze X, în funcție de tipul de examinare, de dimensiunea obiectului studiat și de sarcina de diagnosticare.

Rigiditate- caracteristica calitativă a radiaţiilor cu raze X. Se măsoară prin tensiunea înaltă de pe tub - în kilovolți. Determină puterea de penetrare a razelor X. Este reglat de tensiunea înaltă furnizată tubului cu raze X de un transformator step-up. Cu cât diferența de potențial este mai mare pe electrozii tubului, cu atât electronii se resping de la catod și se reped spre anod, cu atât mai puternică ciocnirea lor cu anodul. Cu cât ciocnirea lor este mai puternică, cu atât lungimea de undă a radiației X rezultată este mai mică și puterea de penetrare a acestei unde este mai mare (sau duritatea radiației, care, ca și intensitatea, este reglată pe panoul de comandă de parametrul de tensiune de pe tubul - kilovoltaj).

Orez. 7 - Dependența lungimii de undă de energia undei:

λ - lungimea de undă;
E - energia valurilor

Cu cât energia cinetică a electronilor în mișcare este mai mare, cu atât impactul lor asupra anodului este mai puternic și lungimea de undă a radiației X rezultată este mai mică. Radiația de raze X cu o lungime de undă mare și o putere de penetrare scăzută se numește „moale”, cu o lungime de undă scurtă și putere de penetrare mare - „dure”.

Orez. 8 - Raportul dintre tensiunea de pe tubul de raze X și lungimea de undă a radiației de raze X rezultate:

Cu cât tensiunea este mai mare pe polii tubului, cu atât diferența de potențial apare mai puternică pe aceștia, prin urmare, energia cinetică a electronilor în mișcare va fi mai mare. Tensiunea de pe tub determină viteza electronilor și forța de coliziune a acestora cu materialul anodic, prin urmare, tensiunea determină lungimea de undă a radiației X rezultate.

Clasificarea tuburilor cu raze X

Cu programare

Diagnostic
Terapeutic
Pentru analiza structurală
Pentru transiluminare

De proiectare

Prin focalizare

Focalizare unică (o spirală pe catod și un punct focal pe anod)
Bifocal (două spirale de dimensiuni diferite pe catod și două puncte focale pe anod)

După tipul de anod

Staționar (fix)
Rotire

Razele X sunt utilizate nu numai în scopuri de radiodiagnostic, ci și în scopuri terapeutice. După cum sa menționat mai sus, capacitatea radiațiilor X de a suprima creșterea celulelor tumorale face posibilă utilizarea acesteia în terapia cu radiații a bolilor oncologice. Pe lângă domeniul medical de aplicare, radiațiile cu raze X și-au găsit o largă aplicație în domeniul ingineriei și tehnic, știința materialelor, cristalografie, chimie și biochimie: de exemplu, este posibil să se identifice defecte structurale în diverse produse (șine, suduri). , etc.) folosind radiații cu raze X. Tipul de astfel de cercetare se numește defectoscopie. Și în aeroporturi, gări și alte locuri aglomerate, introscoapele de televiziune cu raze X sunt utilizate în mod activ pentru a scana bagajele de mână și bagajele din motive de securitate.

În funcție de tipul de anod, tuburile cu raze X diferă ca design. Datorită faptului că 99% din energia cinetică a electronilor este convertită în energie termică, în timpul funcționării tubului, anodul este încălzit semnificativ - ținta sensibilă de wolfram arde adesea. Anodul este răcit în tuburi moderne de raze X prin rotirea acestuia. Anodul rotativ are forma unui disc, care distribuie uniform căldura pe toată suprafața sa, prevenind supraîncălzirea locală a țintei de wolfram.

Designul tuburilor cu raze X diferă, de asemenea, ca focalizare. Punct focal - secțiunea anodului pe care este generat fasciculul de raze X de lucru. Este subdivizat în punctul focal real și punctul focal efectiv ( orez. 12). Datorită unghiului anodului, punctul focal efectiv este mai mic decât cel real. Sunt utilizate diferite dimensiuni ale punctelor focale, în funcție de dimensiunea zonei imaginii. Cu cât suprafața imaginii este mai mare, cu atât punctul focal trebuie să fie mai larg pentru a acoperi întreaga zonă a imaginii. Cu toate acestea, un punct focal mai mic produce o claritate mai bună a imaginii. Prin urmare, atunci când se produc imagini mici, se folosește un filament scurt, iar electronii sunt direcționați către o zonă mică a țintei anodului, creând un punct focal mai mic.

Orez. 9 - tub cu raze X cu un anod staționar.
Orez. 10 - Tub cu raze X cu anod rotativ.
Orez. 11 - Dispozitiv cu tub cu raze X cu anod rotativ.
Orez. 12 este o diagramă a formării unui punct focal real și eficient.

Diagnosticarea medicală modernă și tratamentul anumitor boli nu pot fi imaginate fără dispozitive care utilizează proprietățile razelor X. Descoperirea razelor X a avut loc cu mai bine de 100 de ani în urmă, dar chiar și acum se lucrează în continuare la crearea de noi metode și aparate pentru a minimiza efectul negativ al radiațiilor asupra corpului uman.

Cine și cum a descoperit razele X

În condiții naturale, fluxul de raze X este rar și este emis doar de anumiți izotopi radioactivi. Razele X sau razele X au fost descoperite abia în 1895 de omul de știință german Wilhelm Röntgen. Această descoperire s-a întâmplat întâmplător, în timpul unui experiment pentru a studia comportamentul razelor de lumină în condiții apropiate de vid. Experimentul a implicat un tub de descărcare de gaz catodic cu presiune redusă și un ecran fluorescent, care de fiecare dată a început să strălucească în momentul în care tubul a început să acționeze.

Intrigat de efectul ciudat, Roentgen a realizat o serie de studii care arata ca radiatiile rezultate, invizibile pentru ochi, pot patrunde diverse obstacole: hartie, lemn, sticla, unele metale, ba chiar si prin corpul uman. În ciuda lipsei de înțelegere a naturii însăși a ceea ce se întâmplă, indiferent dacă un astfel de fenomen este cauzat de generarea unui flux de particule sau unde necunoscute, a fost observat următorul model - radiația trece cu ușurință prin țesuturile moi ale corpului și mult mai greu prin ţesuturile vii solide şi substanţele neînsufleţite.

Roentgen nu a fost primul care a studiat acest fenomen. La mijlocul secolului al XIX-lea, francezul Antoine Mason și englezul William Crookes au studiat posibilități similare. Cu toate acestea, Roentgen a fost cel care a inventat primul tub catodic și un indicator care ar putea fi folosit în medicină. A fost primul care a publicat o lucrare științifică, care i-a adus titlul de primul laureat al Nobel printre fizicieni.

În 1901, a început o colaborare fructuoasă între cei trei oameni de știință, care au devenit părinții fondatori ai radiologiei și radiologiei.

Proprietăți de raze X

Razele X fac parte integrantă din spectrul general al radiațiilor electromagnetice. Lungimea de undă este între razele gamma și ultraviolete. Razele X au toate proprietățile obișnuite ale undelor:

difracţie;
refracţie;
interferență;
viteza de propagare (este egală cu lumina).

Pentru a genera artificial un flux de raze X, se folosesc dispozitive speciale - tuburi de raze X. Radiația de raze X provine din contactul electronilor rapizi de tungsten cu substanțele care se evaporă dintr-un anod fierbinte. Pe fundalul interacțiunii, apar unde electromagnetice de lungime scurtă, care sunt în spectrul de la 100 la 0,01 nm și în domeniul de energie de 100-0,1 MeV. Dacă lungimea de undă a razelor este mai mică de 0,2 nm - aceasta este radiație dure, dacă lungimea de undă este mai mare decât valoarea specificată, acestea se numesc raze X moi.

Este semnificativ faptul că energia cinetică rezultată din contactul electronilor cu substanța anodică este transformată în proporție de 99% în energie termică și doar 1% sunt raze X.

Radiația cu raze X - bremsstrahlung și caracteristică

Radiația X este o suprapunere a două tipuri de raze - bremsstrahlung și caracteristică. Acestea sunt generate în receptor simultan. Prin urmare, iradierea cu raze X și caracteristica fiecărui tub de raze X specific - spectrul radiației sale, depinde de acești indicatori și reprezintă suprapunerea lor.

Bremsstrahlung sau razele X continue sunt rezultatul decelerării electronilor care se evaporă dintr-un filament de wolfram.

Razele X caracteristice sau liniare se formează în momentul rearanjarii atomilor substanței anodului tubului de raze X. Lungimea de undă a razelor caracteristice depinde direct de numărul atomic al elementului chimic folosit pentru realizarea anodului tubului.

Proprietățile enumerate ale razelor X le permit să fie utilizate în practică:

invizibil pentru ochiul obișnuit;
capacitate mare de penetrare prin țesuturi vii și materiale neînsuflețite care nu transmit lumină vizibilă;
efect de ionizare asupra structurilor moleculare.

Principiile imagistică cu raze X

Proprietatea razelor X pe care se bazează imagistica este capacitatea fie de a se descompune, fie de a provoca strălucirea unor substanțe.

Iradierea cu raze X provoacă o strălucire fluorescentă în sulfurile de cadmiu și zinc - verde, iar în tungstat de calciu - albastru. Această proprietate este utilizată în tehnica transiluminării cu raze X medicale și, de asemenea, crește funcționalitatea ecranelor cu raze X.

Efectul fotochimic al razelor X asupra materialelor cu halogenură de argint sensibile la lumină (iluminare) face posibilă efectuarea de diagnosticare - realizarea de imagini cu raze X. Această proprietate este, de asemenea, utilizată pentru măsurarea cantității din doza totală pe care asistenții de laborator o primesc în camerele cu raze X. Dozimetrele portabile au benzi și indicatoare sensibile speciale. Efectul ionizant al radiațiilor X face posibilă determinarea caracteristicilor calitative ale razelor X obținute.

O singură expunere la raze X convenționale crește riscul de cancer cu doar 0,001%.

Zonele în care sunt utilizate razele X

Utilizarea razelor X este acceptabilă în următoarele industrii:

Securitate. Dispozitive fixe și portabile pentru detectarea articolelor periculoase și interzise în aeroporturi, vamă sau în locuri aglomerate.
Industria chimică, metalurgie, arheologie, arhitectură, construcții, lucrări de restaurare - pentru a detecta defectele și a efectua analize chimice ale substanțelor.
Astronomie. Ajută la observarea corpurilor și fenomenelor cosmice cu ajutorul telescoapelor cu raze X.
industria militară. Pentru dezvoltarea armelor cu laser.

Aplicația principală a razelor X este în domeniul medical. Astăzi, secția de radiologie medicală cuprinde: radiodiagnostic, radioterapie (terapie cu raze X), radiochirurgie. Universitățile de medicină produc specialiști de înaltă specializare - radiologi.

Radiațiile X - daune și beneficii, efecte asupra organismului

Puterea mare de penetrare și efectul ionizant al razelor X pot provoca o modificare a structurii ADN-ului celulei, prin urmare este periculos pentru oameni. Daunele de la radiația cu raze X sunt direct proporționale cu doza de radiație primită. Diferitele organe răspund la iradiere în grade diferite. Cele mai sensibile includ:

măduva osoasă și țesutul osos;
cristalinul ochiului;
glanda tiroida;
glandele mamare și sexuale;
țesut pulmonar.

Utilizarea necontrolată a radiațiilor cu raze X poate provoca patologii reversibile și ireversibile.

Consecințele expunerii la raze X:

afectarea măduvei osoase și apariția unor patologii ale sistemului hematopoietic - eritrocitopenie, trombocitopenie, leucemie;
deteriorarea cristalinului, cu dezvoltarea ulterioară a cataractei;
mutații celulare care sunt moștenite;
dezvoltarea bolilor oncologice;
obținerea de arsuri de radiații;
dezvoltarea bolii radiațiilor.

Important! Spre deosebire de substanțele radioactive, razele X nu se acumulează în țesuturile corpului, ceea ce înseamnă că nu este nevoie să eliminați razele X din organism. Efectul nociv al razelor X se termină atunci când dispozitivul medical este oprit.

Utilizarea razelor X în medicină este permisă nu numai pentru diagnostic (traumatologie, stomatologie), ci și în scopuri terapeutice:

din raze X în doze mici se stimulează metabolismul în celulele și țesuturile vii;
anumite doze limitative sunt folosite pentru tratamentul neoplasmelor oncologice si benigne.

Metode de diagnosticare a patologiilor cu raze X

Radiodiagnosticul include următoarele metode:

Fluoroscopia este un studiu în care se obține o imagine pe un ecran fluorescent în timp real. Alături de imagistica clasică în timp real a unei părți a corpului, astăzi există tehnologii de transiluminare a televiziunii cu raze X - imaginea este transferată de pe un ecran fluorescent pe un monitor de televiziune situat într-o altă cameră. Au fost dezvoltate mai multe metode digitale pentru procesarea imaginii rezultate, urmate de transferarea acesteia de pe ecran pe hârtie.
Fluorografia este cea mai ieftină metodă de examinare a organelor toracice, care constă în realizarea unei imagini mici de 7x7 cm. În ciuda posibilității de eroare, este singura modalitate de a efectua o examinare anuală în masă a populației. Metoda nu este periculoasă și nu necesită retragerea dozei de radiații primite din organism.
Radiografie - obținerea unei imagini rezumative pe film sau hârtie pentru a clarifica forma unui organ, poziția sau tonul acestuia. Poate fi utilizat pentru a evalua peristaltismul și starea membranelor mucoase. Dacă există posibilitatea de a alege, atunci, printre dispozitivele moderne cu raze X, nu ar trebui să se acorde preferință nici dispozitivelor digitale, unde fluxul de raze X poate fi mai mare decât cel al dispozitivelor vechi, ci aparatelor cu raze X cu doză mică, cu plat direct. detectoare cu semiconductori. Acestea vă permit să reduceți sarcina asupra corpului de 4 ori.
Tomografia computerizată cu raze X este o tehnică care utilizează raze X pentru a obține numărul necesar de imagini ale secțiunilor unui organ selectat. Printre numeroasele soiuri de aparate CT moderne, scanerele CT cu doze mici de înaltă rezoluție sunt folosite pentru o serie de studii repetate.

Radioterapie

Terapia cu raze X se referă la metodele locale de tratament. Cel mai adesea, metoda este folosită pentru a distruge celulele canceroase. Deoarece efectul expunerii este comparabil cu îndepărtarea chirurgicală, această metodă de tratament este adesea numită radiochirurgie.

Astăzi, tratamentul cu raze X se efectuează în următoarele moduri:

Extern (terapie cu protoni) - fasciculul de radiații intră în corpul pacientului din exterior.
Internă (brahiterapie) - utilizarea capsulelor radioactive prin implantarea lor în organism, cu plasarea mai aproape de tumora canceroasă. Dezavantajul acestei metode de tratament este că până când capsula este îndepărtată din corp, pacientul trebuie izolat.

Aceste metode sunt blânde, iar utilizarea lor este de preferat chimioterapiei în unele cazuri. O astfel de popularitate se datorează faptului că razele nu se acumulează și nu necesită îndepărtarea din organism, ele au un efect selectiv, fără a afecta alte celule și țesuturi.

Rată sigură de expunere la raze X

Acest indicator al normei de expunere anuală permisă are propriul nume - o doză echivalentă semnificativă genetic (GED). Nu există valori cantitative clare pentru acest indicator.

Acest indicator depinde de vârsta și dorința pacientului de a avea copii în viitor.
Depinde de ce organe au fost examinate sau tratate.
GZD este afectat de nivelul de fond radioactiv natural al regiunii în care locuiește o persoană.

Astăzi, următoarele standarde medii GZD sunt în vigoare:

nivelul de expunere din toate sursele, cu excepția celor medicale, și fără a lua în considerare fondul natural de radiații - 167 mRem pe an;
norma pentru un examen medical anual nu este mai mare de 100 mRem pe an;
valoarea totală sigură este de 392 mRem pe an.

Radiațiile cu raze X nu necesită excreție din organism și sunt periculoase doar în caz de expunere intensă și prelungită. Echipamentele medicale moderne utilizează radiații cu energie scăzută de scurtă durată, astfel încât utilizarea sa este considerată relativ inofensivă.