Lastnosti DRT in proizvodnja rentgenskih žarkov. Osnovne lastnosti rentgenskih žarkov

Rentgensko sevanje ima v sodobni medicini veliko vlogo, zgodovina odkritja rentgenskih žarkov sega v 19. stoletje.

Rentgenski žarki so elektromagnetno valovanje, ki nastane s sodelovanjem elektronov. Z močnim pospeševanjem nabitih delcev nastanejo umetni rentgenski žarki. Prehaja skozi posebno opremo:

pospeševalniki delcev.

Zgodovina odkritij

Te žarke je leta 1895 izumil nemški znanstvenik Roentgen: med delom s katodno cevjo je odkril fluorescenčni učinek barijevega platinskega cianida. Nato je sledil opis takšnih žarkov in njihove neverjetne sposobnosti, da prodrejo v tkiva telesa. Žarke so začeli imenovati rentgenski žarki (rentgenski žarki). Kasneje so jih v Rusiji začeli imenovati rentgenski žarki.

Rentgenski žarki lahko prodrejo tudi skozi stene. Tako je Roentgen spoznal, da je naredil največje odkritje na področju medicine. Od takrat so se začeli oblikovati ločeni oddelki v znanosti, kot sta radiologija in radiologija.

Žarki lahko prodrejo v mehka tkiva, vendar so zakasnjeni, njihova dolžina je določena z oviro trde površine. Mehka tkiva v človeškem telesu so koža, trda tkiva pa kosti. Leta 1901 je znanstvenik prejel Nobelovo nagrado.

A že pred odkritjem Wilhelma Conrada Roentgena je podobna tema zanimala tudi druge znanstvenike. Leta 1853 je francoski fizik Antoine-Philiber Mason preučeval visokonapetostno razelektritev med elektrodami v stekleni cevi. Plin, ki ga je vseboval pri nizkem tlaku, je začel oddajati rdečkast sij. Črpanje odvečnega plina iz cevi je povzročilo razpad sijaja v zapleteno zaporedje posameznih svetlečih plasti, katerih odtenek je bil odvisen od količine plina.

Leta 1878 je William Crookes (angleški fizik) predlagal, da do fluorescence pride zaradi vpliva žarkov na stekleno površino cevi. Toda vse te študije niso bile nikjer objavljene, zato Roentgen za takšna odkritja ni vedel. Po objavi svojih odkritij leta 1895 v znanstveni reviji, kjer je znanstvenik zapisal, da so vsa telesa prozorna za te žarke, čeprav v zelo različni meri, so se za podobne poskuse začeli zanimati tudi drugi znanstveniki. Potrdili so izum Roentgena in začel se je nadaljnji razvoj in izboljšanje rentgenskih žarkov.

Sam Wilhelm Roentgen je leta 1896 in 1897 objavil še dva znanstvena dela na temo rentgenskih žarkov, nato pa se je lotil še drugih dejavnosti. Tako je izumilo več znanstvenikov, vendar je bil Roentgen tisti, ki je objavil znanstvene prispevke na to temo.

Načela slikanja

Značilnosti tega sevanja določa sama narava njihovega videza. Sevanje nastane zaradi elektromagnetnega valovanja. Njegove glavne lastnosti vključujejo:

Odsev. Če val udari na površino pravokotno, se ne bo odbil. V nekaterih situacijah ima diamant lastnost refleksije.
Sposobnost prodiranja v tkivo. Poleg tega lahko žarki prehajajo skozi neprozorne površine materialov, kot so les, papir in podobno.
vpojnost. Absorpcija je odvisna od gostote materiala: bolj ko je ta, več rentgenskih žarkov ga absorbira.
Nekatere snovi fluorescirajo, torej svetijo. Takoj ko sevanje preneha, izgine tudi sij. Če se po prenehanju delovanja žarkov nadaljuje, potem ta učinek imenujemo fosforescenca.
Rentgenski žarki lahko osvetlijo fotografski film, tako kot vidna svetloba.
Če žarek prehaja skozi zrak, pride do ionizacije v atmosferi. Takšno stanje se imenuje električno prevodno in ga določimo z dozimetrom, ki nastavi stopnjo izpostavljenosti doze.

Sevanje - škoda in korist

Ko je prišlo do odkritja, si fizik Roentgen ni mogel niti predstavljati, kako nevaren je njegov izum. V starih časih so bile vse naprave, ki so proizvajale sevanje, daleč od popolnosti, zato so bile pridobljene velike odmerke oddanih žarkov. Ljudje niso razumeli nevarnosti takšnega sevanja. Čeprav so nekateri znanstveniki že takrat predstavili različice o nevarnostih rentgenskih žarkov.

Rentgenski žarki, ki prodirajo v tkiva, imajo biološki učinek na njih. Merska enota doze sevanja je rentgen na uro. Glavni vpliv je na ionizirajoče atome, ki so znotraj tkiv. Ti žarki delujejo neposredno na strukturo DNK žive celice. Posledice nenadzorovanega sevanja vključujejo:

celična mutacija;
pojav tumorjev;
sevalne opekline;
sevalna bolezen.

Kontraindikacije za rentgenske preiskave:

Bolniki so v kritičnem stanju.
Obdobje nosečnosti zaradi negativnih učinkov na plod.
Bolniki s krvavitvijo ali odprtim pnevmotoraksom.

Kako delujejo rentgenski žarki in kje se uporabljajo

V medicini. Rentgenska diagnostika se uporablja za prosojnost živih tkiv z namenom odkrivanja nekaterih motenj v telesu. Za odpravo tumorskih tvorb se izvaja rentgenska terapija.
V znanosti. Razkriva se struktura snovi in narava rentgenskih žarkov. S temi vprašanji se ukvarjajo znanosti, kot so kemija, biokemija, kristalografija.
V industriji. Za odkrivanje kršitev v kovinskih izdelkih.
Za varnost prebivalstva. Rentgenski žarki so nameščeni na letališčih in drugih javnih mestih za skeniranje prtljage.

Uporaba rentgenskega sevanja v medicini. Rentgenski žarki se pogosto uporabljajo v medicini in zobozdravstvu za naslednje namene:

Za diagnosticiranje bolezni.
Za spremljanje metabolnih procesov.
Za zdravljenje številnih bolezni.

Uporaba rentgenskih žarkov v medicinske namene

Poleg odkrivanja zlomov kosti se rentgenski žarki pogosto uporabljajo v medicinske namene. Specializirana uporaba rentgenskih žarkov je za dosego naslednjih ciljev:

Za uničenje rakavih celic.
Za zmanjšanje velikosti tumorja.
Za zmanjšanje bolečine.

Na primer, radioaktivni jod, ki se uporablja pri endokrinoloških boleznih, se aktivno uporablja pri raku ščitnice in s tem pomaga mnogim ljudem, da se znebijo te strašne bolezni. Trenutno so za diagnosticiranje kompleksnih bolezni rentgenski žarki povezani z računalniki, zato se pojavijo najnovejše raziskovalne metode, kot je računalniška aksialna tomografija.

Takšen pregled daje zdravnikom barvne slike, ki prikazujejo notranje organe osebe. Za odkrivanje delovanja notranjih organov zadostuje majhen odmerek sevanja. Rentgenski žarki se pogosto uporabljajo tudi v fizioterapiji.

Osnovne lastnosti rentgenskih žarkov

prodorna sposobnost. Vsa telesa so prozorna za rentgenski žarek, stopnja preglednosti pa je odvisna od debeline telesa. Zaradi te lastnosti so žarek začeli uporabljati v medicini za odkrivanje delovanja organov, prisotnosti zlomov in tujih teles v telesu.
Lahko povzročijo sijaj nekaterih predmetov. Na primer, če na karton nanesete barij in platino, potem bo po prehodu skozi skeniranje žarka zasvetil zelenkasto rumeno. Če položite roko med rentgensko cev in zaslon, bo svetloba bolj prodrla v kost kot v tkivo, zato bo kostno tkivo na zaslonu najbolj poudarjeno, mišično tkivo pa manj svetlo. .
Akcija na filmu. Rentgenski žarki lahko, tako kot svetloba, naredijo film temen, kar vam omogoča fotografiranje senčne strani, ki jo dobimo pri pregledu rentgenskih žarkov teles.
Rentgenski žarki lahko ionizirajo pline. To omogoča ne le iskanje žarkov, temveč tudi razkrivanje njihove intenzivnosti z merjenjem ionizacijskega toka v plinu.
Imajo biokemični učinek na telo živih bitij. Zahvaljujoč tej lastnosti so rentgenski žarki našli svojo široko uporabo v medicini: zdravijo tako kožne bolezni kot bolezni notranjih organov. V tem primeru se izbere želeni odmerek sevanja in trajanje žarkov. Dolgotrajna in pretirana uporaba takšnega zdravljenja je zelo škodljiva in škodljiva za telo.

Posledica uporabe rentgenskih žarkov je bila reševanje številnih človeških življenj. Rentgen pomaga ne le pravočasno diagnosticirati bolezen, metode zdravljenja z uporabo radioterapije lajšajo bolnike različnih patologij, od hiperfunkcije ščitnice do malignih tumorjev kostnega tkiva.

Ministrstvo za izobraževanje in znanost Ruske federacije

Zvezna agencija za izobraževanje

GOU VPO SUSU

Oddelek za fizikalno kemijo

na tečaju KSE: "Rentgensko sevanje"

Dokončano:

Naumova Daria Gennadievna

Preverjeno:

Izredni profesor, K.T.N.

Tanklevskaya N.M.

Čeljabinsk 2010

Uvod

Poglavje I. Odkritje rentgenskih žarkov

Potrdilo o prejemu

Interakcija s snovjo

Biološki vpliv

Registracija

Aplikacija

Kako se opravi rentgen

naravni rentgenski žarki

Poglavje II. Radiografija

Aplikacija

Metoda pridobivanja slike

Prednosti radiografije

Slabosti radiografije

Fluoroskopija

Načelo prejema

Prednosti fluoroskopije

Slabosti fluoroskopije

Digitalne tehnologije v fluoroskopiji

Večvrstični način skeniranja

Zaključek

Seznam uporabljene literature

Uvod

Rentgensko sevanje - elektromagnetno valovanje, katerih energija fotonov je določena z energijskim območjem od ultravijoličnega do gama sevanja, ki ustreza območju valovne dolžine od 10−4 do 10² Å (od 10−14 do 10−8 m).

Tako kot vidna svetloba tudi rentgenski žarki povzročajo črnitev fotografskega filma. Ta lastnost je zelo pomembna za medicino, industrijo in znanstvene raziskave. Rentgensko sevanje, ki preide skozi preučevani predmet in nato pade na film, na njem prikaže njegovo notranjo strukturo. Ker je prodorna moč rentgenskega sevanja pri različnih materialih različna, deli predmeta, ki so zanj manj prosojni, dajejo na fotografiji svetlejša področja od tistih, skozi katere sevanje dobro prodre. Tako so kostna tkiva manj prosojna za rentgenske žarke kot tkiva, ki sestavljajo kožo in notranje organe. Zato bodo na rentgenskem posnetku kosti označene kot svetlejša področja in mesto zloma, ki je bolj pregledno za sevanje, je mogoče precej enostavno zaznati. Rentgensko slikanje se uporablja tudi v zobozdravstvu za odkrivanje kariesa in abscesov v zobnih koreninah, pa tudi v industriji za odkrivanje razpok v ulitkih, plastičnih masah in gumah.

Rentgenski žarki se uporabljajo v kemiji za analizo spojin in v fiziki za preučevanje strukture kristalov. Rentgenski žarek, ki prehaja skozi kemično spojino, povzroči značilno sekundarno sevanje, katerega spektroskopska analiza omogoča kemiku, da določi sestavo spojine. Ko pade na kristalno snov, se rentgenski žarek razprši po atomih kristala, kar daje jasen, pravilen vzorec lis in črt na fotografski plošči, kar omogoča ugotovitev notranje strukture kristala.

Uporaba rentgenskih žarkov pri zdravljenju raka temelji na dejstvu, da ubija rakave celice. Lahko pa ima tudi nezaželen učinek na normalne celice. Zato je pri tej uporabi rentgenskih žarkov potrebna izjemna previdnost.

Poglavje I. Odkritje rentgenskih žarkov

Odkritje rentgenskih žarkov pripisujejo Wilhelmu Conradu Roentgenu. Bil je prvi, ki je objavil članek o rentgenskih žarkih, ki ga je poimenoval rentgenski žarki (x-ray). Roentgenov članek z naslovom "O novi vrsti žarkov" je bil objavljen 28. decembra 1895 v reviji Würzburškega fizikalno-medicinskega društva. Velja pa za dokazano, da so bili rentgenski žarki že prej pridobljeni. Katodno cev, ki jo je Roentgen uporabil v svojih poskusih, sta razvila J. Hittorf in W. Crookes. Ta cev proizvaja rentgenske žarke. To se je pokazalo v Crookesovih poskusih in od leta 1892 v poskusih Heinricha Hertza in njegovega učenca Philippa Lenarda s črnitvijo fotografskih plošč. Vendar se nihče od njih ni zavedal pomena svojega odkritja in svojih rezultatov ni objavil. Tudi Nikola Tesla je od leta 1897 eksperimentiral s katodnimi cevmi, prejemal rentgenske žarke, vendar svojih rezultatov ni objavil.

Zaradi tega Roentgen ni vedel za odkritja, ki so bila narejena pred njim in je žarke, pozneje poimenovane po njem, odkril samostojno - ob opazovanju fluorescence, ki nastane med delovanjem katodne cevi. Roentgen je rentgenske žarke preučeval nekaj več kot eno leto (od 8. novembra 1895 do marca 1897) in o njih objavil le tri sorazmerno majhne članke, ki pa so podali tako izčrpen opis novih žarkov, da je na stotine prispevkov njegovih privržencev, nato objavljena v 12 letih, ni mogla niti dodati niti spremeniti ničesar bistvenega. Roentgen, ki je izgubil zanimanje za rentgenske žarke, je svojim kolegom dejal: "Vse sem že napisal, ne izgubljajte časa." K Roentgenovi slavi je prispevala tudi znamenita fotografija ženine roke, ki jo je objavil v svojem članku (glej sliko na desni). Takšna slava je Roentgenu leta 1901 prinesla prvo Nobelovo nagrado za fiziko, Nobelov odbor pa je poudaril praktični pomen njegovega odkritja. Leta 1896 je bilo prvič uporabljeno ime "rentgenski žarki". V nekaterih državah ostaja staro ime - rentgenski žarki. V Rusiji so žarke začeli imenovati "rentgenski žarek" na predlog študenta V.K. Roentgen - Abram Fedorovič Ioffe.

Položaj na lestvici elektromagnetnih valov

Energetski razponi rentgenskih in gama žarkov se prekrivajo v širokem energijskem območju. Obe vrsti sevanja sta elektromagnetno sevanje in sta enakovredni za isto energijo fotona. Terminološka razlika je v načinu pojavljanja - rentgenski žarki se oddajajo s sodelovanjem elektronov (bodisi v atomih ali prostih), medtem ko se gama sevanje oddaja v procesih deekscitacije atomskih jeder. Rentgenski fotoni imajo energije od 100 eV do 250 keV, kar ustreza sevanju s frekvenco od 3 1016 Hz do 6 1019 Hz in valovno dolžino 0,005 - 10 nm (ni splošno sprejete definicije spodnje meje X -razpon žarkov na lestvici valovnih dolžin). Za mehke rentgenske žarke je značilna najnižja energija fotonov in frekvenca sevanja (in najdaljša valovna dolžina), medtem ko imajo trdi rentgenski žarki najvišjo energijo fotonov in frekvenco sevanja (in najkrajšo valovno dolžino).

(Rentgenska fotografija (rentgenogram) ženine roke, posnel V.K. Roentgen)

)

Potrdilo o prejemu

Rentgenski žarki nastanejo z močnim pospeševanjem nabitih delcev (predvsem elektronov) ali z visokoenergetskimi prehodi v elektronskih lupinah atomov ali molekul. Oba učinka se uporabljata v rentgenskih ceveh, pri katerih se elektroni, ki se oddajajo iz vroče katode, pospešijo (rentgenski žarki se ne oddajajo, ker je pospešek prenizek) in udarijo v anodo, kjer se močno upočasnijo (rentgenski žarki so oddajajo: tako imenovano .bremsstrahlung) in hkrati izbijajo elektrone iz notranjih elektronskih lupin atomov kovine, iz katere je izdelana anoda. Prazne prostore v lupinah zasedajo drugi elektroni atoma. V tem primeru se rentgensko sevanje oddaja z določeno energijsko značilnostjo anodnega materiala (značilno sevanje, frekvence so določene z Moseleyjevim zakonom:

kjer je Z atomsko število anodnega elementa, A in B sta konstanti za določeno vrednost glavnega kvantnega števila n elektronske lupine). Trenutno so anode izdelane predvsem iz keramike, del, kjer zadenejo elektroni, pa iz molibdena. V procesu pospeševanja-pojemanja gre le 1% kinetične energije elektrona v rentgenske žarke, 99% energije se pretvori v toploto.

Rentgenske žarke lahko dobimo tudi v pospeševalnikih delcev. tako imenovani. sinhrotronsko sevanje nastane, ko se snop delcev odkloni v magnetnem polju, zaradi česar doživijo pospešek v smeri, pravokotni na njihovo gibanje. Sinhrotronsko sevanje ima neprekinjen spekter z zgornjo mejo. Z ustrezno izbranimi parametri (veličina magnetnega polja in energija delcev) lahko dobimo rentgenske žarke tudi v spektru sinhrotronskega sevanja.

Shematski prikaz rentgenske cevi. X - rentgenski žarki, K - katoda, A - anoda (včasih imenovana antikatoda), C - hladilno telo, Uh - napetost katodne žarilne nitke, Ua - pospeševalna napetost, Win - vhod za vodno hlajenje, Wout - izhod za vodno hlajenje (glej x- žarkovna cev).

Interakcija s snovjo

Lomni količnik skoraj katere koli snovi za rentgenske žarke se malo razlikuje od enote. Posledica tega je dejstvo, da ni materiala, iz katerega bi bilo mogoče izdelati rentgensko lečo. Poleg tega se rentgenski žarki, ko padejo pravokotno na površino, skoraj ne odbijajo. Kljub temu so bile v rentgenski optiki najdene metode za konstruiranje optičnih elementov za rentgenske žarke.

Rentgenski žarki lahko prodrejo v snov, različne snovi pa jih različno absorbirajo. Absorpcija rentgenskih žarkov je njihova najpomembnejša lastnost pri rentgenski fotografiji. Intenzivnost rentgenskih žarkov se eksponentno zmanjšuje, odvisno od poti, ki jo prepotuje v absorbirajoči plasti (I = I0e-kd, kjer je d debelina plasti, koeficient k je sorazmeren z Z3λ3, Z je atomsko število elementa, λ je valovna dolžina).

Absorpcija se pojavi kot posledica fotoabsorpcije in Comptonovega sipanja:

Fotoabsorpcijo razumemo kot proces izbijanja elektrona iz lupine atoma s fotonom, ki zahteva, da je energija fotona večja od določene minimalne vrednosti. Če upoštevamo verjetnost dejanja absorpcije, odvisno od energije fotona, potem ko je dosežena določena energija, se (verjetnost) močno poveča do svoje največje vrednosti. Pri višjih energijah se verjetnost nenehno zmanjšuje. Zaradi te odvisnosti se pravi, da obstaja meja absorpcije. Mesto elektrona, ki se izloči med dejanjem absorpcije, zasede drug elektron, medtem ko se oddaja sevanje z nižjo energijo fotona, t.i. fluorescenčni proces.

Rentgenski žarki, nevidno sevanje, ki lahko prodre, čeprav v različni meri, v vse snovi. Gre za elektromagnetno sevanje z valovno dolžino približno 10-8 cm.

Dobivanje rentgenskih žarkov

Rentgensko sevanje nastane, ko elektroni, ki se gibljejo z veliko hitrostjo, medsebojno delujejo s snovjo. Ko elektroni trčijo v atome katere koli snovi, hitro izgubijo svojo kinetično energijo. V tem primeru se večina pretvori v toploto, majhen delež, običajno manj kot 1%, pa se pretvori v energijo rentgenskih žarkov. Ta energija se sprošča v obliki kvantov – delcev, imenovanih fotoni, ki imajo energijo, vendar nimajo mase mirovanja. Rentgenski fotoni se razlikujejo po energiji, ki je obratno sorazmerna z njihovo valovno dolžino. Z običajno metodo pridobivanja rentgenskih žarkov dobimo širok razpon valovnih dolžin, ki ga imenujemo rentgenski spekter.

Rentgenske cevi. Za pridobitev rentgenskega sevanja zaradi interakcije elektronov s snovjo je potreben vir elektronov, sredstva za njihovo pospeševanje do velikih hitrosti in tarča, ki je sposobna vzdržati bombardiranje elektronov in proizvajati rentgensko sevanje zahtevano intenzivnost. Naprava, ki ima vse to, se imenuje rentgenska cev. Zgodnji raziskovalci so uporabljali "globoko vakuumske" cevi, kot so današnje odvodne cevi. Vakuum v njih ni bil zelo velik.

Razelektritvene cevi vsebujejo majhno količino plina in ko se na elektrode cevi nanese velika potencialna razlika, se atomi plina spremenijo v pozitivne in negativne ione. Pozitivni se premikajo proti negativni elektrodi (katodi) in, ko padejo nanjo, izbijejo elektrone iz nje, ti pa se pomikajo proti pozitivni elektrodi (anodi) in jo ob bombardiranju ustvarijo tok rentgenskih fotonov. .

V sodobni rentgenski cevi, ki jo je razvil Coolidge (slika 11), je vir elektronov volframova katoda, segreta na visoko temperaturo.

riž. enajst.

Visoka potencialna razlika med anodo (ali antikatodo) in katodo pospešuje elektrone na visoke hitrosti. Ker morajo elektroni doseči anodo brez trka z atomi, je potreben zelo visok vakuum, za kar mora biti cev dobro evakuirana. S tem se zmanjša tudi verjetnost ionizacije preostalih atomov plina in s tem povezanih stranskih tokov.

Ko je bombardirana z elektroni, volframova antikatoda oddaja značilne rentgenske žarke. Prerez rentgenskega žarka je manjši od dejanskega obsevanega območja. 1 - elektronski žarek; 2 - katoda s fokusno elektrodo; 3 - steklena lupina (cev); 4 - volframova tarča (antikatoda); 5 - katodna nitka; 6 - dejansko obsevano območje; 7 - učinkovita žariščna točka; 8 - bakrena anoda; 9 - okno; 10 - razpršeni rentgenski žarki.

Elektroni so usmerjeni na anodo s posebno oblikovano elektrodo, ki obdaja katodo. Ta elektroda se imenuje fokusna elektroda in skupaj s katodo tvori "elektronski reflektor" cevi. Anoda, ki je izpostavljena bombardiranju z elektroni, mora biti izdelana iz ognjevzdržnega materiala, saj se večina kinetične energije bombardirajočih elektronov pretvori v toploto. Poleg tega je zaželeno, da je anoda izdelana iz materiala z visokim atomskim številom, saj donos rentgenskih žarkov narašča z naraščanjem atomskega števila. Za anodni material se najpogosteje izbere volfram, katerega atomsko število je 74. Zasnova rentgenskih cevi je lahko različna glede na pogoje uporabe in zahteve.

Radiologija je oddelek radiologije, ki proučuje učinke rentgenskega sevanja na telo živali in ljudi, ki izhajajo iz te bolezni, njihovo zdravljenje in preprečevanje ter metode za diagnosticiranje različnih patologij z uporabo rentgenskih žarkov (rentgenska diagnostika) . Tipičen rentgenski diagnostični aparat vključuje napajalnik (transformatorje), visokonapetostni usmernik, ki pretvarja izmenični tok električnega omrežja v enosmerni, nadzorno ploščo, stojalo in rentgensko cev.

Rentgenski žarki so vrsta elektromagnetnih nihanj, ki nastanejo v rentgenski cevi med močnim upočasnitvijo pospešenih elektronov v trenutku njihovega trka z atomi anodne snovi. Trenutno je splošno sprejeto stališče, da so rentgenski žarki po svoji fizični naravi ena od vrst sevalne energije, katere spekter vključuje tudi radijske valove, infrardeče žarke, vidno svetlobo, ultravijolične žarke in gama žarke. radioaktivnih elementov. Rentgensko sevanje lahko označimo kot zbirko njegovih najmanjših delcev – kvantov ali fotonov.

riž. 1 - mobilni rentgenski aparat:

A - rentgenska cev;
B - napajanje;
B - nastavljiv stativ.

riž. 2 - Nadzorna plošča rentgenskega aparata (mehanska - na levi in elektronska - na desni):

A - plošča za nastavitev osvetlitve in trdote;
B - gumb za visokonapetostno napajanje.

riž. 3 je blokovni diagram tipičnega rentgenskega aparata

1 - omrežje;
2 - avtotransformator;
3 - pospeševalni transformator;
4 - rentgenska cev;
5 - anoda;
6 - katoda;
7 - padajoči transformator.

Mehanizem nastajanja rentgenskih žarkov

Rentgenski žarki nastanejo v trenutku trka toka pospešenih elektronov z anodnim materialom. Ko elektroni komunicirajo s tarčo, se 99 % njihove kinetične energije pretvori v toplotno energijo in le 1 % v rentgenske žarke.

Rentgenska cev je sestavljena iz steklene posode, v kateri sta spajkani 2 elektrodi: katoda in anoda. Zrak se črpa iz steklenega valja: gibanje elektronov od katode do anode je možno le v pogojih relativnega vakuuma (10 -7 -10 -8 mm Hg). Na katodi je filament, ki je tesno zvita volframova nitka. Ko se na žarilno nitko dovaja električni tok, pride do elektronske emisije, pri kateri se elektroni ločijo od spirale in tvorijo elektronski oblak v bližini katode. Ta oblak je skoncentriran na fokusni skodelici katode, ki določa smer gibanja elektronov. Skodelica - majhna depresija v katodi. Anoda pa vsebuje volframovo kovinsko ploščo, na katero so osredotočeni elektroni - to je mesto nastanka rentgenskih žarkov.

riž. 4 - Naprava z rentgensko cevjo:

A - katoda;
B - anoda;
B - volframova nitka;
G - fokusna skodelica katode;
D - tok pospešenih elektronov;
E - volframova tarča;
G - steklena bučka;
З - okno iz berilija;
In - oblikovani rentgenski žarki;
K - aluminijasti filter.

Na elektronsko cev sta priključena 2 transformatorja: stop-down in step-up. Postopni transformator segreva volframovo tuljavo z nizko napetostjo (5-15 voltov), kar povzroči oddajanje elektronov. Postopni ali visokonapetostni transformator gre neposredno na katodo in anodo, ki se napajata z napetostjo 20–140 kilovoltov. Oba transformatorja sta nameščena v visokonapetostnem bloku rentgenskega aparata, ki je napolnjen s transformatorskim oljem, ki zagotavlja hlajenje transformatorjev in njihovo zanesljivo izolacijo.

Ko se s pomočjo padajočega transformatorja oblikuje elektronski oblak, se vklopi povišajoči transformator in na oba pola električnega tokokroga se nanese visokonapetostna napetost: pozitiven impulz na anodo in negativni impulz na katodo. Negativno nabiti elektroni se odbijajo od negativno nabiti katode in težijo k pozitivno nabiti anodi - zaradi takšne potencialne razlike se doseže visoka hitrost gibanja - 100 tisoč km / s. Pri tej hitrosti elektroni bombardirajo volframovo anodno ploščo in zaključijo električni tokokrog, kar povzroči rentgenske žarke in toplotno energijo.

Rentgensko sevanje je razdeljeno na zavorno in karakteristično. Zavorno sevanje nastane zaradi močnega upočasnitve hitrosti elektronov, ki jih oddaja volframova nitka. Značilno sevanje se pojavi v trenutku preureditve elektronskih lupin atomov. Obe vrsti nastaneta v rentgenski cevi v trenutku trka pospešenih elektronov z atomi anodnega materiala. Emisijski spekter rentgenske cevi je superpozicija zavornega sevanja in značilnih rentgenskih žarkov.

riž. 5 - princip tvorbe zavornih rentgenskih žarkov.
riž. 6 - načelo oblikovanja značilnih rentgenskih žarkov.

Osnovne lastnosti rentgenskih žarkov

Rentgenski žarki so nevidni za vizualno zaznavo.
Rentgensko sevanje ima veliko prodorno moč skozi organe in tkiva živega organizma, pa tudi goste strukture nežive narave, ki ne prepuščajo vidnih svetlobnih žarkov.
Rentgenski žarki povzročijo sijaj nekaterih kemičnih spojin, imenovanih fluorescenca.

Cink in kadmijev sulfidi fluorescirajo rumeno-zeleno,
Kristali kalcijevega volframata - vijolično modri.

Rentgenski žarki imajo fotokemični učinek: razgradijo srebrove spojine s halogeni in povzročijo črnitev fotografskih plasti, ki tvorijo sliko na rentgenskem žarku.

Rentgenski žarki prenašajo svojo energijo na atome in molekule okolja, skozi katerega prehajajo, pri čemer imajo ionizirajoči učinek.

Rentgensko sevanje ima izrazit biološki učinek v obsevanih organih in tkivih: v majhnih odmerkih spodbuja presnovo, v velikih odmerkih lahko povzroči nastanek sevalnih poškodb, pa tudi akutne sevalne bolezni. Biološka lastnost omogoča uporabo rentgenskega sevanja za zdravljenje tumorskih in nekaterih netumorskih bolezni.

Lestvica elektromagnetnih nihanj

Rentgenski žarki imajo določeno valovno dolžino in frekvenco nihanja. Valovna dolžina (λ) in frekvenca nihanja (ν) sta povezani z razmerjem: λ ν = c, kjer je c hitrost svetlobe, zaokrožena na 300.000 km na sekundo. Energijo rentgenskih žarkov določimo s formulo E = h ν, kjer je h Planckova konstanta, univerzalna konstanta, enaka 6,626 10 -34 J⋅s. Valovna dolžina žarkov (λ) je povezana z njihovo energijo (E) z razmerjem: λ = 12,4 / E.

Rentgensko sevanje se od drugih vrst elektromagnetnih nihanj razlikuje po valovni dolžini (glej tabelo) in kvantni energiji. Krajša kot je valovna dolžina, večja je njena frekvenca, energija in prodorna moč. Rentgenska valovna dolžina je v območju

. S spreminjanjem valovne dolžine rentgenskega sevanja je mogoče nadzorovati njegovo prodorno moč. Rentgenski žarki imajo zelo kratko valovno dolžino, a visoko frekvenco nihanja, zato so človeškemu očesu nevidni. Kvanti imajo zaradi svoje ogromne energije visoko prodorno moč, kar je ena glavnih lastnosti, ki zagotavljajo uporabo rentgenskih žarkov v medicini in drugih znanostih.

Značilnosti rentgenskih žarkov

Intenzivnost- kvantitativna značilnost rentgenskega sevanja, ki je izražena s številom žarkov, ki jih cev oddaja na enoto časa. Intenzivnost rentgenskih žarkov se meri v miliamperih. Če jo primerjamo z jakostjo vidne svetlobe običajne žarnice z žarilno nitko, lahko potegnemo analogijo: na primer 20-vatna žarnica bo svetila z eno jakostjo ali močjo, 200-vatna pa z drugo, medtem ko kakovost same svetlobe (njenega spektra) je enaka. Intenzivnost rentgenskega sevanja je pravzaprav njegova količina. Vsak elektron ustvari enega ali več kvantov sevanja na anodi, zato se količina rentgenskih žarkov med izpostavljenostjo predmeta uravnava s spreminjanjem števila elektronov, ki se nagibajo k anodi, in števila interakcij elektronov z atomi volframove tarče. , kar je mogoče izvesti na dva načina:

S spreminjanjem stopnje žarenja katodne spirale z uporabo padajočega transformatorja (število elektronov, ustvarjenih med emisijo, bo odvisno od tega, kako vroča je volframova spirala, število kvantov sevanja pa bo odvisno od števila elektronov);
S spreminjanjem vrednosti visoke napetosti, ki jo pospeševalni transformator napaja na pola cevi - katodo in anodo (višja kot je napetost na pola cevi, več kinetične energije prejmejo elektroni, ki , lahko zaradi svoje energije medsebojno delujejo z več atomi anodne snovi - glej sl. riž. 5; elektroni z nizko energijo bodo lahko vstopili v manjše število interakcij).

Intenzivnost rentgenskih žarkov (anodni tok), pomnožena s hitrostjo zaklopa (časom cevi), ustreza rentgenski izpostavljenosti, ki se meri v mAs (miliamperih na sekundo). Izpostavljenost je parameter, ki tako kot intenzivnost označuje količino žarkov, ki jih oddaja rentgenska cev. Edina razlika je v tem, da osvetlitev upošteva tudi čas delovanja cevi (če na primer cev deluje 0,01 s, bo število žarkov ena, če pa 0,02 s, bo število žarkov drugačen - dvakrat več). Izpostavljenost sevanju nastavi radiolog na nadzorni plošči rentgenskega aparata, odvisno od vrste študije, velikosti preučevanega predmeta in diagnostične naloge.

Togost- kvalitativne značilnosti rentgenskega sevanja. Meri se z visoko napetostjo na cevi - v kilovoltih. Določa prodorno moč rentgenskih žarkov. Regulira se z visoko napetostjo, ki jo na rentgensko cev napaja postopni transformator. Večja kot je potencialna razlika ustvarjena na elektrodah cevi, večja je sila, ki se elektroni odbijajo od katode in hitijo k anodi, močnejši pa je njihov trk z anodo. Čim močnejši je njihov trk, tem krajša je valovna dolžina nastalega rentgenskega sevanja in višja je prodorna moč tega vala (oz. trdota sevanja, ki jo tako kot intenzivnost na nadzorni plošči uravnavamo z napetostnim parametrom na cev - kilonapetost).

riž. 7 - Odvisnost valovne dolžine od energije valovanja:

λ - valovna dolžina;
E - energija valovanja

Večja kot je kinetična energija premikajočih se elektronov, močnejši je njihov vpliv na anodo in krajša je valovna dolžina nastalega rentgenskega sevanja. Rentgensko sevanje z dolgo valovno dolžino in nizko prodorno močjo imenujemo "mehko", s kratko valovno dolžino in visoko prodorno močjo - "trdo".

riž. 8 - Razmerje med napetostjo na rentgenski cevi in valovno dolžino nastalega rentgenskega sevanja:

Višja kot je napetost na pole cevi, močnejša je potencialna razlika na njih, zato bo višja kinetična energija premikajočih se elektronov. Napetost na cevi določa hitrost elektronov in silo njihovega trka z anodnim materialom, zato napetost določa valovno dolžino nastalega rentgenskega sevanja.

Razvrstitev rentgenskih cevi

Po dogovoru

Diagnostična
Terapevtski
Za strukturno analizo
Za transiluminacijo

Po zasnovi

Po fokusu

Eno žarišče (ena spirala na katodi in ena žariščna točka na anodi)
Bifokalni (dve spirali različnih velikosti na katodi in dve žariščni točki na anodi)

Po vrsti anode

Stacionarno (fiksno)
Vrtenje

Rentgenski žarki se uporabljajo ne le za radiodiagnostične namene, ampak tudi v terapevtske namene. Kot je navedeno zgoraj, sposobnost rentgenskega sevanja, da zavira rast tumorskih celic, omogoča njegovo uporabo pri radioterapiji onkoloških bolezni. Poleg medicinskega področja uporabe je rentgensko sevanje našlo široko uporabo na inženirskem in tehničnem področju, znanosti o materialih, kristalografiji, kemiji in biokemiji: na primer je mogoče prepoznati strukturne napake v različnih izdelkih (tirnice, zvari). itd.) z uporabo rentgenskega sevanja. Vrsta takšne raziskave se imenuje defektoskopija. In na letališčih, železniških postajah in drugih mestih, kjer je veliko ljudi, se rentgenski televizijski introskopi aktivno uporabljajo za skeniranje ročne prtljage in prtljage za varnostne namene.

Glede na vrsto anode se rentgenske cevi razlikujejo po zasnovi. Zaradi dejstva, da se 99% kinetične energije elektronov pretvori v toplotno energijo, se med delovanjem cevi anoda znatno segreje - občutljiva volframova tarča pogosto izgori. Anoda se v sodobnih rentgenskih ceveh hladi z vrtenjem. Rotirajoča se anoda ima obliko diska, ki enakomerno porazdeli toploto po celotni površini in preprečuje lokalno pregrevanje volframove tarče.

Zasnova rentgenskih cevi se razlikuje tudi po fokusu. Goriščna točka - del anode, na katerem nastane delovni rentgenski žarek. Razdeljen je na pravo goriščno točko in učinkovito goriščno točko ( riž. 12). Zaradi kota anode je efektivna goriščna točka manjša od dejanske. Glede na velikost območja slike se uporabljajo različne velikosti goriščne točke. Večja kot je površina slike, širša mora biti goriščna točka, da pokrije celotno območje slike. Vendar pa manjša goriščna točka zagotavlja boljšo jasnost slike. Zato se pri izdelavi majhnih slik uporablja kratka žarilna nitka in elektroni so usmerjeni na majhno območje anodne tarče, kar ustvarja manjšo goriščno točko.

riž. 9 - rentgenska cev s stacionarno anodo.
riž. 10 - Rentgenska cev z vrtljivo anodo.
riž. 11 - Naprava z rentgensko cevjo z vrtljivo anodo.
riž. 12 je diagram oblikovanja resnične in učinkovite žariščne točke.

Sodobne medicinske diagnostike in zdravljenja nekaterih bolezni si ni mogoče predstavljati brez naprav, ki uporabljajo lastnosti rentgenskih žarkov. Odkritje rentgenskih žarkov se je zgodilo pred več kot 100 leti, vendar se tudi zdaj nadaljuje delo na ustvarjanju novih metod in aparatov za zmanjšanje negativnega vpliva sevanja na človeško telo.

Kdo in kako je odkril rentgenske žarke

V naravnih razmerah je tok rentgenskih žarkov redek in ga oddajajo le nekateri radioaktivni izotopi. Rentgenske žarke ali rentgenske žarke je šele leta 1895 odkril nemški znanstvenik Wilhelm Röntgen. To odkritje se je zgodilo po naključju, med poskusom preučevanja obnašanja svetlobnih žarkov v pogojih, ki se približujejo vakuumu. Poskus je vključeval katodno plinsko razelektrilno cev z zmanjšanim tlakom in fluorescenčni zaslon, ki je vsakič začel svetiti v trenutku, ko je cev začela delovati.

Navdušen nad čudnim učinkom, je Roentgen izvedel vrsto študij, ki so pokazale, da lahko nastalo sevanje, nevidno očesu, prodre skozi različne ovire: papir, les, steklo, nekatere kovine in celo skozi človeško telo. Kljub nerazumevanju same narave dogajanja, ali je takšen pojav posledica generiranja toka neznanih delcev ali valov, je bil opažen naslednji vzorec - sevanje zlahka prehaja skozi mehka tkiva telesa in veliko težje skozi trdna živa tkiva in nežive snovi.

Roentgen ni bil prvi, ki je preučeval ta pojav. Sredi 19. stoletja sta Francoz Antoine Mason in Anglež William Crookes preučevala podobne možnosti. Vendar je bil Roentgen tisti, ki je prvi izumil katodno cev in indikator, ki bi ga lahko uporabili v medicini. Kot prvi je objavil znanstveno delo, ki mu je prineslo naziv prvega Nobelovega nagrajenca med fiziki.

Leta 1901 se je začelo plodno sodelovanje med tremi znanstveniki, ki so postali ustanovni očetje radiologije in radiologije.

Rentgenske lastnosti

Rentgenski žarki so sestavni del splošnega spektra elektromagnetnega sevanja. Valovna dolžina je med gama in ultravijoličnimi žarki. Rentgenski žarki imajo vse običajne lastnosti valovanja:

difrakcija;
lom;
motnje;
hitrost širjenja (enaka je svetlobi).

Za umetno ustvarjanje rentgenskega toka se uporabljajo posebne naprave - rentgenske cevi. Rentgensko sevanje nastane zaradi stika hitrih volframovih elektronov s snovmi, ki izhlapevajo iz vroče anode. V ozadju interakcije nastanejo elektromagnetni valovi kratke dolžine, ki so v spektru od 100 do 0,01 nm in v energijskem območju 100-0,1 MeV. Če je valovna dolžina žarkov manjša od 0,2 nm - je to trdo sevanje, če je valovna dolžina večja od določene vrednosti, se imenujejo mehki rentgenski žarki.

Pomembno je, da se kinetična energija, ki izhaja iz stika elektronov in anodne snovi, 99 % pretvori v toplotno energijo in le 1 % je rentgenskih žarkov.

Rentgensko sevanje - zavorno in značilno

Rentgensko sevanje je superpozicija dveh vrst žarkov - zavornega in karakterističnega. V slušalki se generirajo hkrati. Zato je rentgensko obsevanje in značilnost posamezne rentgenske cevi - spekter njenega sevanja, odvisna od teh kazalcev in predstavlja njihovo superpozicijo.

Zavorni žarki ali neprekinjeni rentgenski žarki so posledica upočasnitve izhlapevanja elektronov iz volframove niti.

Značilni ali linijski rentgenski žarki nastanejo v trenutku prerazporeditve atomov snovi anode rentgenske cevi. Valovna dolžina karakterističnih žarkov je neposredno odvisna od atomske številke kemičnega elementa, uporabljenega za izdelavo anode cevi.

Naštete lastnosti rentgenskih žarkov omogočajo njihovo uporabo v praksi:

neviden navadnemu očesu;
visoka sposobnost prodiranja skozi živa tkiva in nežive materiale, ki ne prepuščajo vidne svetlobe;
ionizacijski učinek na molekularne strukture.

Načela rentgenskega slikanja

Lastnost rentgenskih žarkov, na katerih temelji slikanje, je sposobnost, da se razgradijo ali povzročijo žarenje nekaterih snovi.

Rentgensko obsevanje povzroči fluorescentni sijaj v kadmijevih in cinkovih sulfidih - zeleno, v kalcijevem volframatu - modro. Ta lastnost se uporablja v tehniki medicinske rentgenske transiluminacije in povečuje tudi funkcionalnost rentgenskih zaslonov.

Fotokemični učinek rentgenskih žarkov na svetlobno občutljive srebrove halogenidne materiale (osvetlitev) omogoča izvedbo diagnostike - rentgenske slike. Ta lastnost se uporablja tudi pri merjenju količine celotne doze, ki jo prejmejo laboratorijski asistenti v rentgenskih sobah. Nosljivi dozimetri imajo posebne občutljive trakove in indikatorje. Ionizirajoči učinek rentgenskega sevanja omogoča določitev kvalitativnih značilnosti pridobljenih rentgenskih žarkov.

Enkratna izpostavljenost običajnim rentgenskim žarkom poveča tveganje za raka le za 0,001%.

Območja, kjer se uporabljajo rentgenski žarki

Uporaba rentgenskih žarkov je sprejemljiva v naslednjih panogah:

Varnost. Stacionarne in prenosne naprave za odkrivanje nevarnih in prepovedanih predmetov na letališčih, carini ali v mestih, kjer je veliko ljudi.
Kemična industrija, metalurgija, arheologija, arhitektura, gradbeništvo, restavratorska dela - za odkrivanje napak in izvajanje kemičnih analiz snovi.
Astronomija. Pomaga pri opazovanju kozmičnih teles in pojavov s pomočjo rentgenskih teleskopov.
vojaška industrija. Za razvoj laserskega orožja.

Glavna uporaba rentgenskih žarkov je na področju medicine. Danes sekcija medicinske radiologije vključuje: radiodiagnostiko, radioterapijo (rentgensko zdravljenje), radiokirurgijo. Medicinske univerze proizvajajo visoko specializirane specialiste - radiologe.

Rentgensko sevanje - škoda in korist, učinki na telo

Visoka prodorna moč in ionizirajoči učinek rentgenskih žarkov lahko povzročita spremembo strukture DNK celice, zato je nevarna za ljudi. Škoda zaradi rentgenskega sevanja je neposredno sorazmerna s prejetim odmerkom sevanja. Različni organi se na obsevanje v različni meri odzivajo. Najbolj občutljivi vključujejo:

kostni mozeg in kostno tkivo;
očesna leča;
ščitnica;
mlečne in spolne žleze;
pljučno tkivo.

Nenadzorovana uporaba rentgenskega sevanja lahko povzroči reverzibilne in nepopravljive patologije.

Posledice izpostavljenosti rentgenskim žarkom:

poškodbe kostnega mozga in pojav patologij hematopoetskega sistema - eritrocitopenija, trombocitopenija, levkemija;
poškodba leče s kasnejšim razvojem katarakte;
celične mutacije, ki so podedovane;
razvoj onkoloških bolezni;
pridobivanje sevalnih opeklin;
razvoj sevalne bolezni.

Pomembno! Za razliko od radioaktivnih snovi se rentgenski žarki ne kopičijo v telesnih tkivih, kar pomeni, da rentgenskih žarkov ni treba odstraniti iz telesa. Škodljivi učinek rentgenskih žarkov preneha, ko se medicinski pripomoček izklopi.

Uporaba rentgenskih žarkov v medicini je dovoljena ne le za diagnostične (travmatološke, zobozdravstvene), temveč tudi za terapevtske namene:

od rentgenskih žarkov v majhnih odmerkih se spodbudi presnova v živih celicah in tkivih;
Za zdravljenje onkoloških in benignih novotvorb se uporabljajo določeni omejevalni odmerki.

Metode za diagnosticiranje patologij z rentgenskimi žarki

Radiodiagnostika vključuje naslednje metode:

Fluoroskopija je študija, pri kateri se slika v realnem času pridobi na fluorescenčnem zaslonu. Poleg klasičnega slikanja dela telesa v realnem času danes obstajajo tehnologije rentgenske televizijske transiluminacije - slika se s fluorescenčnega zaslona prenaša na televizijski monitor, ki se nahaja v drugi sobi. Za obdelavo nastale slike, ki ji sledi prenos z zaslona na papir, je bilo razvitih več digitalnih metod.
Fluorografija je najcenejša metoda za pregled prsnih organov, ki sestoji iz izdelave majhne slike 7x7 cm, kljub možnosti napake pa je edini način za množični letni pregled prebivalstva. Metoda ni nevarna in ne zahteva odvzema prejetega odmerka sevanja iz telesa.
Radiografija - pridobivanje povzetka slike na filmu ali papirju za razjasnitev oblike organa, njegovega položaja ali tona. Lahko se uporablja za oceno peristaltike in stanja sluznic. Če obstaja možnost izbire, potem med sodobnimi rentgenskimi napravami ne bi smeli dati prednost digitalnim napravam, kjer je lahko rentgenski tok večji kot pri starih aparatih, temveč nizkodozirnim rentgenskim napravam z neposrednim ravno polprevodniški detektorji. Omogočajo vam, da zmanjšate obremenitev telesa za 4-krat.
Računalniška rentgenska tomografija je tehnika, ki z uporabo rentgenskih žarkov pridobi zahtevano število slik odsekov izbranega organa. Med številnimi vrstami sodobnih CT naprav se CT skenerji z nizko dozo visoke ločljivosti uporabljajo za vrsto ponavljajočih se študij.

Radioterapija

Rentgenska terapija se nanaša na lokalne metode zdravljenja. Najpogosteje se metoda uporablja za uničenje rakavih celic. Ker je učinek izpostavljenosti primerljiv s kirurško odstranitvijo, se ta metoda zdravljenja pogosto imenuje radiokirurgija.

Danes se rentgensko zdravljenje izvaja na naslednje načine:

Zunanja (protonska terapija) - žarek sevanja vstopi v pacientovo telo od zunaj.
Notranja (brahiterapija) - uporaba radioaktivnih kapsul z vsaditvijo v telo, z namestitvijo bližje rakavemu tumorju. Pomanjkljivost te metode zdravljenja je, da je treba bolnika izolirati, dokler se kapsula ne odstrani iz telesa.

Te metode so nežne in njihova uporaba je v nekaterih primerih boljša od kemoterapije. Takšna priljubljenost je posledica dejstva, da se žarki ne kopičijo in ne zahtevajo odstranitve iz telesa, imajo selektiven učinek, ne da bi prizadeli druge celice in tkiva.

Varna stopnja izpostavljenosti rentgenskim žarkom

Ta kazalnik norme dovoljene letne izpostavljenosti ima svoje ime - genetsko pomembna ekvivalentna doza (GED). Za ta kazalnik ni jasnih kvantitativnih vrednosti.

Ta kazalnik je odvisen od starosti in želje pacienta, da bi imel otroke v prihodnosti.
Odvisno od tega, kateri organi so bili pregledani ali zdravljeni.
Na GZD vpliva raven naravnega radioaktivnega ozadja regije, kjer oseba živi.

Danes veljajo naslednji povprečni standardi GZD:

raven izpostavljenosti iz vseh virov, razen medicinskih, in brez upoštevanja naravnega sevalnega ozadja - 167 mRem na leto;
norma za letni zdravniški pregled ni večja od 100 mRem na leto;
skupna varna vrednost je 392 mRem na leto.

Rentgensko sevanje ne zahteva izločanja iz telesa in je nevarno le v primeru intenzivne in dolgotrajne izpostavljenosti. Sodobna medicinska oprema uporablja kratkotrajno nizkoenergijsko sevanje, zato velja za relativno neškodljivo.