Дрт властивості та отримання рентгенівських променів. Основні властивості рентгенівських променів

Велику роль сучасної медицині грає рентгенівське випромінювання, історія відкриття рентгена бере свій початок ще 19 столітті.

Рентгенівське випромінювання є електромагнітними хвилями, які утворюються за участю електронів. За сильного прискорення заряджених частинок створюється штучне рентгенівське випромінювання. Воно проходить через спеціальне обладнання:

прискорювачі заряджених частинок.

Історія відкриття

Винайшов дані промені 1895 німецький вчений Рентген: під час роботи з катодопроменевою трубкою він виявив ефект флуоресценції платино-ціаністого барію. Тоді й відбувся опис таких променів та їхньої дивовижної здатності проникати крізь тканини організму. Промені стали називатися ікс-променями (х-промені). Пізніше у Росії їх стали називати рентгенівськими.

Х-промені здатні проникати навіть крізь стіни. Так Рентген зрозумів, що зробив найбільше відкриття в галузі медицини. Саме з цього часу стали формуватися окремі розділи у науці, такі як рентгенологія та радіологія.

Промені здатні проникати крізь м'які тканини, але затримуються, довжина їх визначається перешкодою твердої поверхні. М'які тканини в людському організмі – це шкіра, а тверді – це кістки. 1901 року вченому присудили Нобелівську премію.

Проте, ще до відкриття Вільгельма Конрада Рентгена подібною темою були зацікавлені й інші вчені. У 1853 році французький фізик Антуан-Філібер Масон вивчав високовольтний розряд між електродами у скляній трубці. Газ, що міститься в ній, при низькому тиску почав випускати червоне свічення. Відкачування зайвого газу з трубки призвело до розпаду світіння на складну послідовність окремих шарів, що світяться, відтінок яких залежав від кількості газу.

В 1878 Вільям Крукс (англійський фізик) висловив припущення про те, що флуоресценція виникає внаслідок наголосу променів про скляну поверхню трубки. Але ці дослідження були ніде опубліковані, тому Рентген не здогадувався про подібні відкриття. Після опублікування своїх відкриттів у 1895 році в науковому журналі, де вчений писав про те, що всі тіла прозорі для цих променів, хоч і дуже різною мірою, подібними експериментами зацікавилися й інші вчені. Вони підтвердили винахід Рентгена, і надалі почалися розробки та вдосконалення ікс-променів.

Сам Вільгельм Рентген опублікував ще дві наукові роботи на тему ікс-променів у 1896 та 1897 роках, після чого зайнявся іншою діяльністю. Таким чином, винайшли кілька вчених, але саме Рентген опублікував наукову працю з цього приводу.

Принципи отримання зображення

Особливості цього випромінювання визначені природою їх появи. Випромінювання відбувається за рахунок електромагнітної хвилі. До основних її властивостей відносяться:

Відображення. Якщо хвиля потрапить на поверхню перпендикулярно, вона не позначиться. У деяких ситуаціях властивість відображення має алмаз.
Здатність проникати у тканини. Крім цього, промені можуть проходити крізь непрозорі поверхні таких матеріалів, як дерево, папір тощо.
Поглинання. Поглинання залежить від щільності матеріалу: чим він щільніший, тим ікс-промені більше його поглинають.
У деяких речовин відбувається флуоресценція, тобто свічення. Щойно випромінювання припиняється, світіння теж минає. Якщо воно продовжується і після припинення дії променів, цей ефект має назву фосфоресценція.
Рентгенівські промені можуть засвітити фотоплівку, як і і видиме світло.
Якщо промінь пройшов крізь повітря, відбувається іонізація в атмосфері. Такий стан називають електропровідним і визначається воно за допомогою дозиметра, яким встановлюється норма дозування опромінення.

Випромінювання — шкода та користь

Коли було зроблено відкриття, вчений-фізик Рентген не міг і уявити, наскільки небезпечним є його винахід. У минулі часи всі пристрої, які продукували випромінювання, були далекі від досконалості й у результаті виходили великі дози випущених променів. Люди не розуміли небезпеки такого випромінювання. Хоча деякі вчені вже тоді висували версії про шкоду рентгенівського проміння.

Х-промені, проникаючи у тканини, надають на них дію біологічного характеру. Одиниця виміру дози радіації – рентген на годину. Основний вплив виявляється на іонізуючі атоми, що знаходяться всередині тканин. Ці промені діють безпосередньо на структуру ДНК живої клітини. До наслідків неконтрольованого випромінювання можна віднести:

мутація клітин;
поява пухлин;
променеві опіки;
променева хвороба.

Протипоказання до проведення рентгенологічних досліджень:

Хворі у тяжкому стані.
Період вагітності через негативний вплив на плід.
Хворі на кровотечу або відкритий пневмоторакс.

Як працює рентген і де застосовується

У медицині. Рентгенодіагностика застосовується для просвічування живих тканин з виявлення деяких порушень всередині організму. Рентгенотерапія проводиться усунення пухлинних утворень.
У науці. Виявляється будова речовин та природа рентгенівських променів. Цими питаннями займаються такі науки, як хімія, біохімія, кристалографії.
У промисловості. Для виявлення порушень у металевих виробах.
Для безпеки населення. Рентгенологічні промені встановлені в аеропортах та інших громадських місцях для просвічування багажу.

Медичне використання рентгенологічного випромінювання. У медицині та стоматології широко застосовуються рентгенівські промені в наступних цілях:

Для діагностування хвороб.
Для моніторингу метаболічних процесів.
Для лікування багатьох захворювань.

Застосування рентген-променів з лікувальною метою

Крім виявлення переломів кісток, рентгенівські промені широко застосовуються і з лікувальною метою. Спеціалізоване застосування х-променів полягає у досягненні наступних цілей:

Для знищення ракових клітин.
Зменшення розміру пухлини.
Для зниження болючих відчуттів.

Наприклад, радіоактивний йод, що застосовується при ендокринологічних захворюваннях, активно використовується при раку щитовидної залози, тим самим допомагаючи багатьом людям позбутися цієї страшної хвороби. В даний час для діагностики складних захворювань рентгенівські промені підключаються до комп'ютерів, в результаті виникають нові способи дослідження, такі як і комп'ютерна осьова томографія.

Таке сканування надає лікарям кольорові знімки, де можна побачити внутрішні органи людини. Для виявлення роботи внутрішніх органів досить невелика доза випромінювання. Також широке застосування рентгенівські промені знайшли у фізіопроцедурах.

Основні властивості рентгенівських променів

Проникаюча здатність. Всі тіла для рентгенівського променя є прозорими, і ступінь прозорості залежить від товщини тіла. Саме завдяки цій властивості промінь став застосовуватися в медицині для виявлення роботи органів, наявності переломів та сторонніх тіл в організмі.
Вони здатні викликати свічення деяких предметів. Наприклад, якщо на картон нанести барій і платину, то, пройшовши через сканування променями, він світитиметься зеленувато-жовтим. Якщо помістити руку між трубкою рентгена і екраном, то світло проникне більше в кістку, ніж тканини, тому на екрані висвітиться найяскравіше кісткова тканина, а м'язова менш яскраво.
Дія на фотоплівку. Х-промені можуть подібно до світла робити плівку темною, це дозволяє фотографувати ту тіньову сторону, яка виходить при дослідженні рентгенівськими променями тіл.
Рентгенівські промені можуть іонізувати гази. Це дозволяє не тільки знаходити промені, але й виявляти їх інтенсивність, вимірюючи струм іонізації в газі.
Чинять біохімічний вплив на організм живих істот. Завдяки цій властивості рентгенівські промені знайшли своє широке застосування в медицині: вони можуть лікувати як захворювання шкіри, так і хвороби внутрішніх органів. У цьому випадку вибирається необхідне дозування випромінювання та термін дії променів. Тривале та надмірне застосування такого лікування дуже шкідливе та згубне для організму.

Наслідком використання рентгенівських променів стало порятунок безлічі людських життів. Рентген допомагає не лише своєчасно діагностувати захворювання, методики лікування із застосуванням променевої терапії позбавляють хворих від різних патологій, починаючи з гіперфункції щитовидної залози та закінчуючи злоякісними пухлинами кісткових тканин.

Міністерство освіти та науки РФ

Федеральне агентство з освіти

ГОУ ВПО ЮУрГУ

Кафедра фізичної хімії

за курсом КСЄ: "Рентгенівське випромінювання"

Виконав:

Наумова Дар'я Геннадіївна

Перевірив:

Доцент, К. Т. н.

Танкльовська Н.М.

Челябінськ 2010 р.

Вступ

Глава I. Відкриття рентгенівського випромінювання

Отримання

Взаємодія з речовиною

Біологічний вплив

Реєстрація

Застосування

Як роблять рентгенівський знімок

Природне рентгенівське випромінювання

Розділ II. Рентгенографія

Застосування

Метод отримання зображення

Переваги рентгенографії

Недоліки рентгенографії

Рентгеноскопія

Принцип отримання

Переваги рентгеноскопії

Недоліки рентгеноскопії

Цифрові технології у рентгеноскопії

Багаторядковий скануючий метод

Висновок

Список використаної літератури

Вступ

Рентгенівське випромінювання - електромагнітні хвилі, енергія фотонів яких визначається діапазоном енергією від ультрафіолетових до гамма-випромінювань, що відповідає інтервалу довжин хвиль від 10-4 до 10 ² (від 10-14 до 10-8 м).

Як і видиме світло, рентгенівське випромінювання викликає почорніння фотоплівки. Ця його властивість має важливе значення для медицини, промисловості та наукових досліджень. Проходячи крізь досліджуваний об'єкт і падаючи потім фотоплівку, рентгенівське випромінювання зображує у ньому його внутрішню структуру. Оскільки проникаюча здатність рентгенівського випромінювання різна для різних матеріалів, менш прозорі для нього частини об'єкта дають світліші ділянки на фотознімку, ніж ті, через які випромінювання добре проникає. Так, кісткові тканини менш прозорі для рентгенівського випромінювання, ніж тканини, з яких складається шкіра та внутрішні органи. Тому на рентгенограмі кістки позначаються як світліші ділянки і прозоріше для випромінювання місце перелому може бути досить легко виявлено. Рентгенівська зйомка використовується також у стоматології для виявлення карієсу та абсцесів у корінні зубів, а також у промисловості для виявлення тріщин у лиття, пластмасах та гумах.

Рентгенівське випромінювання використовується в хімії для аналізу сполук та у фізиці для дослідження структури кристалів. Пучок рентгенівського випромінювання, проходячи через хімічну сполуку, викликає характерне вторинне випромінювання, спектроскопічний аналіз якого дозволяє хіміку встановити склад сполуки. При падінні на кристалічну речовину пучок рентгенівських променів розсіюється атомами кристала, даючи чітку правильну картину плям і смуг на фотопластинці, що дозволяє встановити внутрішню структуру кристала.

Застосування рентгенівського випромінювання при лікуванні раку полягає в тому, що воно вбиває ракові клітини. Однак воно може вплинути і на нормальні клітини. Тому при такому використанні рентгенівського випромінювання повинна бути дотримана крайня обережність.

Глава I. Відкриття рентгенівського випромінювання

Відкриття рентгенівського випромінювання приписується Вільгельм Конрад Рентгену. Він був першим, хто опублікував статтю про рентгенівські промені, які він назвав ікс-променями (x-ray). Стаття Рентгена під назвою "Про новий тип променів" була опублікована 28 грудня 1895 року в журналі Вюрцбурзького фізико-медичного товариства. Вважається, однак, доведеним, що рентгенівські промені вже були отримані до цього. Катодолуча трубка, яку Рентген використав у своїх експериментах, була розроблена Й. Хітторфом і В. Круксом. Під час роботи цієї трубки виникають рентгенівські промені. Це було показано в експериментах Крукса і з 1892 року в експериментах Генріха Герца та його учня Філіпа Ленарда через почорніння фотопластинок. Однак ніхто з них не усвідомив значення зробленого відкриття і не опублікував своїх результатів. Також Нікола Тесла, починаючи з 1897 року, експериментував із катодолучовими трубками, отримав рентгенівське проміння, але не опублікував своїх результатів.

Тому Рентген не знав про зроблені до нього відкриття і відкрив промені, названі згодом його ім'ям, незалежно - при спостереженні флюоресценції, що виникає при роботі катодопроменевої трубки. Рентген займався Х-променями трохи більше року (з 8 листопада 1895 по березень 1897) і опублікував про них всього три порівняно невеликих статті, але в них було дано настільки вичерпне опис нових променів, що сотні робіт його послідовників, опублікованих потім протягом 12 років, не могли ні додати, ні змінити нічого суттєвого. Рентген, який втратив інтерес до Х-променів, говорив своїм колегам: "Я вже все написав, не витрачайте даремно час". Свій внесок до відома Рентгена внесла також знаменита фотографія руки його дружини, яку він опублікував у статті (див. зображення справа). Подібна слава принесла Рентгену в 1901 першу Нобелівську премію з фізики, причому нобелівський комітет підкреслював практичну важливість його відкриття. У 1896 році вперше було вжито назву "рентгенівські промені". У деяких країнах залишилася стара назва - X-промені. У Росії її промені стали називати " рентгенівськими " з подачі учня В.К. Рентгена – Абрама Федоровича Іоффе.

Положення на шкалі електромагнітних хвиль

Енергетичні діапазони рентгенівського випромінювання та гамма-випромінювання перекриваються у широкій області енергій. Обидва типи випромінювання є електромагнітним випромінюванням і за однакової енергії фотонів - еквівалентні. Термінологічна відмінність лежить у способі виникнення - рентгенівські промені випромінюються за участю електронів (або в атомах, або вільних) у той час як гамма-випромінювання випромінюється в процесах збудження атомних ядер. Фотони рентгенівського випромінювання мають енергію від 100 еВ до 250 кеВ, що відповідає випромінюванню з частотою від 3·1016 Гц до 6·1019 Гц і довжиною хвилі 0,005 - 10 нм (загальновизнаного визначення нижньої межі діапазону рентгенівських довжин). М'який рентген характеризується найменшою енергією фотона та частотою випромінювання (і найбільшою довжиною хвилі), а жорсткий рентген має найбільшу енергію фотона та частоту випромінювання (і найменшу довжину хвилі).

(Рентгенівська фотографія (рентгенограма) руки своєї дружини, зроблена В.К. Рентгеном)

)

Отримання

Рентгенівські промені виникають при сильному прискоренні заряджених частинок (в основному електронів) або при високоенергетичних переходах в електронних оболонках атомів або молекул. Обидва ефекти використовуються в рентгенівських трубках, в яких електрони, випущені розжареним катодом, прискорюються (при цьому рентгенівські промені не випромінюються, тому що прискорення занадто мало) і ударяються об анод, де вони різко гальмуються (при цьому випромінюються рентгенівські промені: т.з. гальмівне випромінювання) і в той же час вибивають електрони з внутрішніх електронних оболонок атомів металу, з якого виготовлений анод. Порожні місця у оболонках займаються іншими електронами атома. При цьому випромінюється рентгенівське випромінювання з певною, характерною для матеріалу анода, енергією (характеристичне випромінювання, частоти визначаються законом Мозлі:

де Z – атомний номер елемента анода, A та B – константи для певного значення головного квантового числа n електронної оболонки). В даний час аноди виготовляються головним чином з кераміки, причому та їх частина, куди вдаряють електрони - з молібдену. У процесі прискорення-гальмування лише 1% кінетичної енергії електрона йде на рентгенівське випромінювання, 99% енергії перетворюється на тепло.

Рентгенівське випромінювання можна також і на прискорювачах заряджених частинок. Т.зв. синхротронне випромінювання виникає при відхиленні пучка частинок у магнітному полі, внаслідок чого вони відчувають прискорення в напрямку, перпендикулярному їхньому руху. Синхротронне випромінювання має суцільний спектр з верхнім кордоном. При відповідним чином вибраних параметрах (величина магнітного поля та енергія частинок) у спектрі синхротронного випромінювання можна отримати рентгенівські промені.

Схематичне зображення рентгенівської трубки. X – рентгенівські промені, K – катод, А – анод (іноді званий антикатодом), С – тепловідведення, Uh – напруга накалу катода, Ua – прискорювальна напруга, Win – впуск водяного охолодження, Wout – випуск водяного охолодження (див. рентгенівська трубка) .

Взаємодія з речовиною

Коефіцієнт заломлення майже будь-якої речовини для рентгенівських променів мало відрізняється від одиниці. Наслідком є той факт, що не існує матеріалу, з якого можна було б виготовити лінзу для рентгенівських променів. Крім того, при перпендикулярному падінні на поверхню рентгенівські промені майже не відображаються. Незважаючи на це, у рентгенівській оптиці було знайдено способи побудови оптичних елементів для рентгенівських променів.

Рентгенівські промені можуть проникати крізь речовину, причому різні речовини по-різному їх поглинають. Поглинання рентгенівських променів є найважливішою їх властивістю у рентгенівській зйомці. Інтенсивність рентгенівських променів експоненційно зменшується залежно від пройденого шляху в поглинаючому шарі (I = I0e-kd, де d – товщина шару, коефіцієнт k пропорційний Z3λ3, Z – атомний номер елемента, λ – довжина хвилі).

Поглинання відбувається в результаті фотопоглинання та комптонівського розсіювання:

Під фотопоглинанням розуміється процес вибивання фотоном електрона з оболонки атома, для чого потрібно, щоб енергія фотона була більшою за деяке мінімальне значення. Якщо розглядати можливість акта поглинання залежно від енергії фотона, то при досягненні певної енергії вона (ймовірність) різко зростає до свого максимального значення. Для більш високих значень енергії можливість безперервно зменшується. Через таку залежність кажуть, що існує межа поглинання. Місце вибитого при акті поглинання електрона займає інший електрон, у своїй випромінюється з меншою енергією фотона, відбувається т. зв. процес флюоресценції.

Рентгенівське випромінювання, невидиме випромінювання, здатне проникати, хоча й по-різному, у всі речовини. Є електромагнітним випромінюванням з довжиною хвилі порядку 10-8 см.

Отримання рентгенівського випромінювання

Рентгенівське випромінювання виникає при взаємодії електронів, що рухаються з великими швидкостями, з речовиною. Коли електрони стикаються з атомами будь-якої речовини, вони швидко втрачають свою кінетичну енергію. У цьому більша її частина перетворюється на тепло, а невелика частка, зазвичай менше 1%, перетворюється на енергію рентгенівського випромінювання. Ця енергія вивільняється у формі квантів - частинок, званих фотонами, які мають енергію, але маса спокою яких дорівнює нулю. Рентгенівські фотони відрізняються своєю енергією, обернено пропорційною їх довжині хвилі. При звичайному способі одержання рентгенівського випромінювання одержують широкий діапазон довжин хвиль, який називають рентгенівським спектром

Рентгенівські трубки. Щоб отримувати рентгенівське випромінювання з допомогою взаємодії електронів з речовиною, необхідно мати джерело електронів, засоби прискорення до високих швидкостей і мета, здатну витримувати електронну бомбардування і давати рентгенівське випромінювання необхідної інтенсивності. Пристрій, де все це є, називається рентгенівською трубкою. Ранні дослідники користувалися "глибоко вакуумованими" трубками типу сучасних газорозрядних. Вакуум у них був не дуже високий.

У газорозрядних трубках міститься невелика кількість газу, і коли на електроди трубки подається велика різниця потенціалів, атоми газу перетворюються на позитивні та негативні іони. Позитивні рухаються до негативного електрода (катода) і, падаючи на нього, вибивають з нього електрони, а вони, у свою чергу, рухаються до позитивного електрода (анода) і, бомбардуючи його, створюють потік рентгенівських фотонів.

У сучасній рентгенівській трубці, розробленій Куліджем (рис. 11), джерелом електронів є вольфрамовий катод, що нагрівається до високої температури.

Рис. 11.

Електрони прискорюються до великих швидкостей високою різницею потенціалів між анодом (або антикатодом) та катодом. Оскільки електрони повинні досягти анода без зіткнень з атомами, необхідний високий вакуум, для чого потрібно добре відкачати трубку. Цим також знижуються ймовірність іонізації атомів газу, що залишилися, і зумовлені нею побічні струми.

При бомбардуванні електронами вольфрамовий антикатод випромінює характеристичне рентгенівське випромінювання. Поперечний переріз рентгенівського пучка менше реально опромінюваної площі. 1 – електронний пучок; 2 - катод з фокусуючим електродом; 3 – скляна оболонка (трубка); 4 - вольфрамова мета (антикатод); 5 - нитка накалу катода; 6 - реально опромінювана площа; 7 - ефективна фокальна пляма; 8 – мідний анод; 9 – вікно; 10 – розсіяне рентгенівське випромінювання.

Електрони фокусуються на аноді за допомогою електрода особливої форми, що оточує катод. Цей електрод називається фокусуючим і разом із катодом утворює «електронний прожектор» трубки. Анод, що піддається електронному бомбардування, повинен бути виготовлений з тугоплавкого матеріалу, оскільки більша частина кінетичної енергії бомбардуючих електронів перетворюється на тепло. З іншого боку, бажано, щоб анод був із матеріалу з великим атомним номером, т.к. Вихід рентгенівського випромінювання зростає зі збільшенням атомного номера. Як матеріал анода найчастіше вибирається вольфрам, атомний номер якого дорівнює 74. Конструкція рентгенівських трубок може бути різною залежно від умов застосування і вимог.

Рентгенологія - розділ радіології, що вивчає вплив на організм тварин і людини рентгенівського випромінювання, що виникають від цього захворювання, їх лікування та профілактику, а також методи діагностики різних патологій за допомогою рентгенівських променів (рентгенодіагностика). До складу типового рентгенодіагностичного апарату входить живильне пристрій (трансформатори), високовольтний випрямляч, що перетворює змінний струм електричної мережі на постійний, пульт управління, штатив і рентгенівська трубка.

Рентгенівські промені - це вид електромагнітних коливань, які утворюються в рентгенівській трубці при різкому гальмуванні прискорених електронів у момент зіткнення з атомами речовини анода. В даний час загальновизнаною вважається точка зору, що рентгенівські промені за своєю фізичною природою є одним із видів променистої енергії, спектр яких включає також радіохвилі, інфрачервоні промені, видиме світло, ультрафіолетові промені та гамма-промені радіоактивних елементів. Рентгенівське випромінювання можна характеризувати як сукупність найменших частинок - квантів або фотонів.

Рис. 1 - пересувний рентгенівський апарат:

A – рентгенівська трубка;
Б - живильне пристрій;
В – регульований штатив.

Рис. 2 - пульт управління рентгенівським апаратом (механічний - ліворуч та електронний - праворуч):

A - панель для регулювання експозиції та жорсткості;
Б – кнопка подачі високої напруги.

Рис. 3 - блок-схема типового рентгенапарата

1 – мережа;
2 – автотрансформатор;
3 – підвищуючий трансформатор;
4 – рентгенівська трубка;
5 – анод;
6 – катод;
7 – знижуючий трансформатор.

Механізм утворення рентгенівського випромінювання

Рентгенівські промені утворюються на момент зіткнення потоку прискорених електронів з речовиною анода. При взаємодії електронів з мішенню 99% їхньої кінетичної енергії перетворюється на теплову енергію і лише 1% - на рентгенівське випромінювання.

Рентгенівська трубка складається зі скляного балона, в який впаяно 2 електроди: катод і анод. Зі скляного балона викачене повітря: рух електронів від катода до анода можливий лише за умов відносного вакууму (10 -7 –10 -8 мм. рт. ст.). На катоді є нитка напруження, що є щільно скрученою вольфрамової спіраллю. При подачі електричного струму на нитку розжарення відбувається електронна емісія, при якій електрони відокремлюються від спіралі і утворюють поруч із катодом електронну хмаринку. Ця хмаринка концентрується у фокусуючої чашечки катода, що задає напрямок руху електронів. Чашка - невелике заглиблення в катоді. Анод, своєю чергою, містить вольфрамову металеву пластину, яку фокусуються електрони, - і є місце утворення рентгенівських променів.

Рис. 4 - пристрій рентгенівської трубки:

А – катод;
Б – анод;
В - вольфрамова нитка напруження;
Г - фокусуюча чашечка катода;
Д – потік прискорених електронів;
Е - вольфрамова мета;
Ж – скляна колба;
З – вікно з берилію;
І - утворені рентгенівські промені;
К – алюмінієвий фільтр.

До електронної трубки підключені 2 трансформатори: знижуючий і підвищуючий. Знижуючий трансформатор розжарює вольфрамову спіраль низькою напругою (5-15 вольт), у результаті виникає електронна емісія. Підвищуючий, або високовольтний трансформатор підходить безпосередньо до катода і анода, на які подається напруга 20-140 кіловольт. Обидва трансформатори поміщаються у високовольтний блок рентгенівського апарату, який наповнений трансформаторним маслом, що забезпечує охолодження трансформаторів та їхню надійну ізоляцію.

Після того як за допомогою понижуючого трансформатора утворилася електронна хмаринка, включається підвищуючий трансформатор, і на обидва полюси електричного ланцюга подається високовольтна напруга: позитивний імпульс на анод, і негативний на катод. Негативно заряджені електрони відштовхуються від негативно зарядженого катода і прагнуть позитивно зарядженого анода - за рахунок такої різниці потенціалів досягається висока швидкість руху - 100 тис. км/с. З цією швидкістю електрони бомбардують вольфрамову пластину анода, замикаючи електричний ланцюг, внаслідок чого виникає рентгенівське випромінювання та теплова енергія.

Рентгенівське випромінювання поділяється на гальмівне та характеристичне. Гальмівне випромінювання виникає через різке уповільнення швидкості електронів, що випускаються вольфрамовою спіраллю. Характеристичне випромінювання виникає у момент перебудови електронних оболонок атомів. Обидва види утворюються в рентгенівській трубці в момент зіткнення прискорених електронів з атомами речовини анода. Спектр випромінювання рентгенівської трубки є накладанням гальмівного і характеристичного рентгенівських випромінювань.

Рис. 5 – принцип утворення гальмівного рентгенівського випромінювання.
Рис. 6 – принцип утворення характеристичного рентгенівського випромінювання.

Основні властивості рентгенівського випромінювання

Рентгенівські промені невидимі візуального сприйняття.
Рентгенівське випромінювання має велику проникаючу здатність крізь органи та тканини живого організму, а також щільні структури неживої природи, що не пропускають промені видимого світла.
Рентгенівські промені спричиняють світіння деяких хімічних сполук, зване флюоресценцією.

Сульфіди цинку та кадмію флюоресцують жовто-зеленим кольором,
Кристали вольфрамату кальцію – фіолетово-блакитним.

Рентгенівські промені мають фотохімічну дію: розкладають з'єднання срібла з галогенами і викликають почорніння фотографічних шарів, формуючи зображення на рентгенівському знімку.

Рентгенівські промені передають свою енергію атомам та молекулам навколишнього середовища, через яку вони проходять, виявляючи іонізуючу дію.

Рентгенівське випромінювання має виражену біологічну дію в опромінених органах та тканинах: у невеликих дозах стимулює обмін речовин, у великих – може призвести до розвитку променевих уражень, а також гострої променевої хвороби. Біологічна властивість дозволяє застосовувати рентгенівське випромінювання для лікування пухлинних та деяких непухлинних захворювань.

Шкала електромагнітних коливань

Рентгенівські промені мають певну довжину хвилі та частоту коливань. Довжина хвилі (λ) та частота коливань (ν) пов'язані співвідношенням: λ ν = c, де c – швидкість світла, округлено рівна 300 000 км за секунду. Енергія рентгенівських променів визначається формулою E = h ν, де h - постійна Планка, універсальна постійна, що дорівнює 6,626 10 -34 Дж⋅с. Довжина хвилі променів (λ) пов'язана з їхньою енергією (E) співвідношенням: λ = 12,4/E.

Рентгенівське випромінювання відрізняється від інших видів електромагнітних коливань довжиною хвилі (див. таблицю) та енергією кванта. Чим коротше довжина хвилі, тим вища її частота, енергія та проникаюча здатність. Довжина хвилі рентгенівського випромінювання знаходиться в інтервалі

. Змінюючи довжину хвилі рентгенівського випромінювання, можна регулювати його проникаючу здатність. Рентгенівські промені мають дуже малу довжину хвилі, але більшу частоту коливань, тому невидимі людським оком. Завдяки величезній енергії кванти мають велику проникаючу здатність, що є однією з головних властивостей, що забезпечують використання рентгенівського випромінювання в медицині та інших науках.

Характеристики рентгенівського випромінювання

Інтенсивність- кількісна характеристика рентгенівського випромінювання, що виражається кількістю променів, що випромінюються трубкою в одиницю часу. Інтенсивність рентгенівського випромінювання вимірюється у міліамперах. Порівнюючи її з інтенсивністю видимого світла від звичайної лампи розжарювання, можна провести аналогію: так, лампа на 20 Ватт світитиме з однією інтенсивністю, або силою, а лампа на 200 Ватт - з іншого, при цьому якість самого світла (його спектр) є однаковим . Інтенсивність рентгенівського випромінювання, власне, це його кількість. Кожен електрон створює на аноді один або кілька квантів випромінювання, отже, кількість рентгенівських променів при експонуванні об'єкта регулюється шляхом зміни кількості електронів, що прагнуть аноду, і кількості взаємодій електронів з атомами вольфрамової мішені, що можна здійснити двома шляхами:

Змінюючи ступінь накалу спіралі катода за допомогою понижуючого трансформатора (кількість електронів, що утворюються при емісії, залежатиме від того, наскільки сильно розжарена спіраль вольфрамова, а кількість квантів випромінювання залежатиме від кількості електронів);
Змінюючи величину високої напруги, що підводиться підвищуючим трансформатором до полюсів трубки - кадода і анода (чим вище напруга подається на полюси трубки, тим більшу кінетичну енергію отримують електрони, які за рахунок своєї енергії можуть взаємодіяти з декількома атомами речовини анода по черзі - см.). Рис. 5; електрони з низькою енергією зможуть вступити до меншої кількості взаємодій).

Інтенсивність рентгенівського випромінювання (анодний струм), помножена на витримку (час роботи трубки) відповідає експозиції рентгенівського випромінювання, яка вимірюється в мАс (міліамперах в секунду). Експозиція - це параметр, який, як і інтенсивність, характеризує кількість променів, що випускаються рентгенівською трубкою. Різниця полягає лише в тому, що експозиція враховує ще й час роботи трубки (так, наприклад, якщо трубка працює 0,01 сек, то кількість променів буде одним, а якщо 0,02 сек, то кількість променів буде іншим - в два рази більше). Експозиція випромінювання встановлюється рентгенологом на контрольній панелі рентгенівського апарату залежно від виду дослідження, розмірів об'єкта, що досліджується, та діагностичного завдання.

Жорсткість- Якісна характеристика рентгенівського випромінювання. Вимірюється величиною високої напруги на трубці – у кіловольтах. Визначає проникаючу здатність рентгенівських променів. Регулюється величиною високої напруги, що підводиться до рентгенівської трубки, що підвищує трансформатором. Чим вище різниця потенціалів створюється на електродах трубки, тим з більшою силою електрони відштовхуються від катода і прагнуть аноду і тим сильніше їх зіткнення з анодом. Чим сильніше їх зіткнення, тим коротше довжина хвилі у рентгенівського випромінювання і вище проникаюча здатність даної хвилі (або жорсткість випромінювання, яка, так само як і інтенсивність, регулюється на контрольній панелі параметром напругою на трубці - кіловольтажем).

Рис. 7 - Залежність довжини хвилі від енергії хвилі:

λ – довжина хвилі;
E – енергія хвилі

Чим вище кінетична енергія електронів, що рухаються, тим сильніший їх удар про анод і менше довжина хвилі утворюється рентгенівського випромінювання. Рентгенівське випромінювання з великою довжиною хвилі і малою проникною здатністю називається «м'яким», з малою довжиною хвилі та високою проникною здатністю – «жорстким».

Рис. 8 - Співвідношення напруги на рентгенівській трубці і довжини хвилі рентгенівського випромінювання, що утворюється:

Чим вище напруга подається на полюси трубки, тим сильніше на них виникає різниця потенціалів, отже, кінетична енергія електронів, що рухаються, буде вище. Напруга на трубці визначає швидкість руху електронів і силу їх зіткнення з речовиною анода, отже, напруга визначає довжину хвилі рентгенівського випромінювання.

Класифікація рентгенівських трубок

По призначенню

Діагностичні
Терапевтичні
Для структурного аналізу
Для просвічування

За конструкцією

За фокусністю

Однофокусні (на катоді одна спіраль, а на аноді одна фокусна пляма)
Двофокусні (на катоді дві спіралі різного розміру, а на аноді дві фокусні плями)

За типом анода

Стаціонарний (нерухомий)
Обертовий

Рентгенівські промені застосовуються у рентгенодіагностичних цілях, а й у терапевтичних. Як було зазначено вище, здатність рентгенівського випромінювання пригнічувати зростання пухлинних клітин дозволяє використовувати його в променевій терапії онкологічних захворювань. Крім медичної області застосування, рентгенівське випромінювання знайшло широке застосування в інженерно-технічній сфері, матеріалознавстві, кристалографії, хімії та біохімії: так, наприклад, можливе виявлення структурних дефектів у різних виробах (рейках, зварювальних швах та ін.) за допомогою рентгенівського випромінювання. Вигляд такого дослідження називається дефектоскопією. А в аеропортах, на вокзалах та інших місцях масового скупчення людей активно застосовуються рентгенотелевізійні інтроскопи для просвічування ручної поклажі та багажу з метою безпеки.

Залежно від типу анода, рентгенівські трубки розрізняються за конструкцією. Через те, що 99% кінетичної енергії електронів перетворюється на теплову енергію, під час роботи трубки відбувається значне нагрівання анода - чутлива вольфрамова мета часто згорає. Охолодження анода здійснюється у сучасних рентгенівських трубках за допомогою його обертання. Анод, що обертається, має форму диска, який розподіляє тепло по всій своїй поверхні рівномірно, перешкоджаючи локальному перегріву вольфрамової мішені.

Конструкція рентгенівських трубок відрізняється також за фокусністю. Фокусна пляма - ділянка анода, на якій відбувається генерування робочого пучка рентгенівського випромінювання. Поділяється на реальну фокусну пляму та ефективну фокусну пляму ( Рис. 12). Через те, що анод розташований під кутом, ефективна фокусна пляма менша, ніж реальна. Різні розміри фокусної плями використовуються залежно від розміру області знімка. Чим більша область знімка, тим ширша має бути фокусна пляма, щоб покрити всю площу знімка. Однак менша фокусна пляма формує кращу чіткість зображення. Тому при виробництві невеликих знімків використовується коротка нитка розжарення і електрони спрямовуються на невелику область мішені анода, створюючи меншу фокусну пляму.

Рис. 9 – рентгенівська трубка зі стаціонарним анодом.
Рис. 10 - рентгенівська трубка з анодом, що обертається.
Рис. 11 - пристрій рентгенівської трубки з анодом, що обертається.
Рис. 12 - схема освіти реальної та ефективної фокусної плями.

Сучасну медичну діагностику та лікування деяких захворювань неможливо уявити без приладів, які використовують властивості рентгенівського випромінювання. Відкриття рентгенівських променів відбулося понад 100 років тому, але й зараз не припиняються роботи над створенням нових методик та апаратів, що дозволяють мінімізувати негативну дію випромінювання на організм людини.

Хто і як відкрив Х-промені

У природних умовах потік променів рентгена зустрічається рідко і випромінюється лише деякими радіоактивними ізотопами. Рентгенівське випромінювання або Х-промені було виявлено лише у 1895 році німецьким ученим Wilhelm Röntgen. Це відкриття сталося випадково, під час проведення досвіду дослідження поведінки променів світла за умов, що наближаються до вакууму. В експерименті були задіяні катодна газорозрядна трубка зі зниженим тиском і флуоресцентний екран, який щоразу починав світитися в момент, коли трубка починала діяти.

Зацікавившись дивним ефектом, Рентген провів серію досліджень, що показують, що випромінювання, що виникає не видиме оку, здатне проникати крізь різні перешкоди: папір, дерево, скло, деякі метали, і навіть через людське тіло. Незважаючи на відсутність розуміння самої природи того, що відбувається, чи викликане таке явище генерацією потоку невідомих частинок або хвилями, була відзначена наступна закономірність – випромінювання легко проходить через м'які тканини організму, і набагато важче крізь тверді живі тканини та неживі речовини.

Рентген був не першим, хто вивчав подібне явище. У середині XIX століття подібні можливості вивчав француз Антуан Масон і англієць Вільям Крукс. Тим не менш, саме Рентген першим винайшов катодну трубку та індикатор, який можна було застосувати у медицині. Він першим опублікував наукову працю, яка принесла йому звання першого нобелівського лауреата серед фізиків.

У 1901 році почалося плідне співробітництво трьох вчених, які стали батьками-засновниками радіології та рентгенології.

Властивості рентгенівського випромінювання

Рентгенівські промені – це складова частина загального діапазону електромагнітного випромінювання. Довжина хвилі розташована між гамма- та ультрафіолетовим променями. Для Х-променів характерні всі типові хвильові характеристики:

дифракція;
заломлення;
інтерференція;
швидкість поширення (вона дорівнює світловий).

Для штучного генерування потоку рентгенівських променів застосовують спеціальні прилади – рентгенівські трубки. Рентген-випромінювання виникає через контакт швидких електронів вольфраму з речовинами, що випаровуються з розжареного анода. З огляду на взаємодії виникають електромагнітні хвилі малої довжини, що у спектрі від 100 до 0,01 нм й у енергетичному діапазоні 100-0,1 МеВ. Якщо довжина хвилі променів менше ніж 0,2 нм – це жорстке випромінювання, якщо довжина хвилі більша за вказану величину, їх називають м'якими рентгенівськими променями.

Показово те, що кінетична енергія, що виникає від дотику електронів та анодної речовини, на 99% перетворюється на енергію тепла і лише 1% є Х-променями.

Рентгенівське випромінювання – гальмівне та характеристичне

Х-випромінювання є накладанням двох видів променів – гальмівних і характеристичних. Вони генеруються у трубці одночасно. Тому опромінення рентгеном і характеристика кожної конкретної рентгенівської трубки – спектр її випромінювання, залежить від цих показників, і є їх накладання.

Гальмові або безперервні рентгенівські промені – це результат гальмування електронів, що випаровуються з вольфрамової спіралі.

Характеристичні чи лінійчасті промені рентгена утворюються на момент перебудови атомів речовини анода рентгенівської трубки. Довжина хвилі характеристичних променів безпосередньо залежить від атомного номера хімічного елемента, що застосовується для виготовлення анода трубки.

Перелічені властивості рентгенівських променів дозволяють застосовувати їх на практиці:

невидимість для простого погляду;
висока проникаюча здатність крізь живі тканини та неживі матеріали, які не пропускають промені видимого спектру;
іонізаційний вплив на молекулярні структури

Принципи отримання рентген-зображення

Властивості рентгенівських променів, на яких ґрунтується отримання зображення – це здатність або розкладати, або викликати свічення деяких речовин.

Рентген опромінення викликає флуоресцентне світіння у сульфідів кадмію та цинку – зеленим, а у вольфрамату кальцію – блакитним кольором. Ця властивість використовується у методиці медичного рентгенологічного просвічування, а також підвищує функціональність рентгенологічних екранів.

Фотохімічна дія рентгенівських променів на світлочутливі галогенсрібні матеріали (засвічування) дозволяє здійснювати діагностику – робити рентгенологічні знімки. Ця властивість також використовується при вимірі сумарної дози, яку отримують лаборанти в рентген-кабінетах. У натільних дозиметрах вставлені спеціальні чутливі стрічки та індикатори. Іонізуюча дія рентгенівського випромінювання дозволяє визначати та якісну характеристику отриманих рентген-променів.

Одноразове опромінення при виконанні звичайної рентгенографії підвищує ризик виникнення раку лише на 0,001%.

Області, де застосовують рентгенівське випромінювання

Застосування рентгенівських променів допустимо у таких галузях:

Безпека. Стаціонарні та переносні прилади для виявлення небезпечних та заборонених предметів в аеропортах, митницях або у місцях великого скупчення людей.
Хімічна промисловість, металургія, археологія, архітектура, будівництво, реставраційні роботи – виявлення дефектів і проведення хімічного аналізу речовин.
Астрономія. Допомагає проводити спостереження за космічними тілами та явищами за допомогою рентгенівських телескопів.
Військова галузь. Розробка лазерної зброї.

Головне застосування рентгенівського випромінювання – медична сфера. Сьогодні до розділу медичної радіології входять: радіодіагностика, радіотерапія (рентгенотерапія), радіохірургія. Медичні вузи випускають вузькопрофільних спеціалістів – лікарів-радіологів.

Х-Випромінювання - шкода та користь, вплив на організм

Висока проникаюча здатність та іонізуюча дія рентгенівських променів може викликати зміну структури ДНК клітини, тому становить небезпеку для людини. Шкода від рентгенівського випромінювання прямо пропорційна отриманій дозі опромінення. Різні органи реагують на опромінення різною мірою. До сприйнятливих відносять:

кістковий мозок та кісткова тканина;
кришталик ока;
щитовидна залоза;
молочні та статеві залози;
тканини легень.

Безконтрольне використання рентгенівського опромінення може стати причиною оборотних та необоротних патологій.

Наслідки рентгенівського опромінення:

ураження кісткового мозку та виникнення патологій кровотворної системи – еритроцитопенії, тромбоцитопенії, лейкемії;
пошкодження кришталика, з подальшим розвитком катаракти;
клітинні мутації, що передаються у спадок;
розвиток онкологічних захворювань;
отримання променевих опіків;
розвиток променевої хвороби

Важливо! На відміну від радіоактивних речовин, рентгенівські промені не накопичуються в тканинах тіла, а це означає, що виводити рентгенівські промені з організму не потрібно. Шкідлива дія рентгенівського випромінювання закінчується разом із виключенням медичного приладу.

Застосування рентгенівського випромінювання в медицині припустимо не тільки в діагностичних (травматологія, стоматологія), а й у терапевтичних цілях:

від рентгена в малих дозах стимулюється обмін речовин у живих клітинах та тканинах;
певні граничні дози використовуються для лікування онкологічних та доброякісних новоутворень.

Способи діагностики патологій за допомогою Х-променів

Радіодіагностика включає такі методики:

Рентгеноскопія – дослідження, під час якого отримують зображення на флуоресцентному екрані як реального часу. Поряд із класичним отриманням зображення частини тіла в реальному часі сьогодні існують технології рентгенотелевізійного просвічування – зображення переноситься з флуоресцентного екрану на телевізійний монітор, що знаходиться в іншому приміщенні. Розроблено кілька цифрових способів обробки отриманого зображення з наступним перенесенням його з екрана на папір.
Флюорографія – найдешевший метод дослідження органів грудної клітки, що полягає у виготовленні зменшеного знімка 7х7 см. Незважаючи на ймовірність похибки, є єдиним способом щорічного масового обстеження населення. Метод не становить небезпеки і вимагає виведення отриманої дози опромінення з організму.
Рентгенографія – отримання сумарного зображення на плівку чи папір уточнення форми органу, його становища чи тонусу. Може використовуватися для оцінки перистальтики та стану слизових оболонок. Якщо існує можливість вибору, то серед сучасних рентгенографічних приладів перевагу слід надавати ні цифровим апаратам, де потік х-променів може бути вищим, ніж у старих приладів, а малодозовим – рентген-апарати з прямими плоскими напівпровідниковими детекторами. Вони дозволяють знизити навантаження на організм у 4 рази.
Комп'ютерна рентгенівська томографія – методика, що використовує рентгенівські промені для отримання потрібної кількості знімків зрізів обраного органу. Серед безлічі різновидів сучасних апаратів КТ для серії повторних досліджень використовують низькодозні комп'ютерні томографи високої роздільної здатності.

Радіотерапія

Терапія за допомогою рентгенівського проміння відноситься до методів місцевого лікування. Найчастіше метод використовується для знищення клітин ракових пухлин. Оскільки ефект впливу можна порівняти з хірургічним видаленням, цей метод лікування часто називають радіохірургією.

Сьогодні лікування х-променями проводиться такими способами:

Зовнішній (протонна терапія) – пучок випромінювання попадає на тіло пацієнта ззовні.
Внутрішній (брахіотерапія) – використання радіоактивних капсул шляхом їхньої імплантації в тіло, з приміщенням ближче до ракової пухлини. Недолік цього методу лікування полягає в тому, що поки капсулу не вилучать з організму, хворий потребує ізоляції.

Ці методи є щадними, а їх застосування краще хіміотерапії в ряді випадків. Така популярність пов'язана з тим, що промені не накопичуються і не вимагають виведення з організму, вони мають вибіркову дію, не впливаючи на інші клітини та тканини.

Безпечна норма опромінення Х-променями

У цього показника норми допустимого річного опромінення є назва – генетично значуща еквівалентна доза (ГЗД). Чітких кількісних значень цей показник немає.

Цей показник залежить від віку та бажання пацієнтом надалі мати дітей.
Залежить від того, які саме органи були піддані дослідженню або лікуванню.
На ГЗД впливає рівень природного радіоактивного тла регіону проживання людини.

Сьогодні дію такі середні нормативи ГЗД:

рівень опромінення від усіх джерел, за винятком медичних, та без урахування природного фону радіації – 167 мБер на рік;
норма для щорічного медичного обстеження – не вище 100 мБер на рік;
сумарна безпечна величина – 392 мБер на рік.

Рентгенівське випромінювання не вимагає виведення з організму, і є небезпечним лише у разі інтенсивного та тривалого впливу. Сучасна медична апаратура використовує низькоенергетичне опромінення малої тривалості, тому застосування вважається відносно нешкідливим.