ЛЕКЦИЯ
РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
Природа рентгеновского излучения
Тормозное рентгеновское излучение, его спектральные свойства.
Характеристическое рентгеновское излучение (для ознакомления).
Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом.
Физические основы использования рентгеновского излучения в медицине.
Рентгеновское излучение (X – лучи) открыты К. Рентгеном который в 1895 г. стал первым Нобелевским лауреатом по физике.
Природа рентгеновского излучения
Рентгеновское излучение – электромагнитные волны с длинной от 80 до 10 –5 нм. Длинноволновое рентгеновское излучение перекрывается коротковолновым УФ излучением, коротковолновое – длинноволновым-излучением.
Рентгеновское излучение получают в рентгеновских трубках. рис.1.
К – катод
1 – пучок электронов
2 –рентгеновское излучение
Рис. 1. Устройство рентгеновской трубки.
Трубка представляет собой стеклянную колбу (с возможно высоким вакуумом: давление в ней порядка 10 –6 мм.рт.ст.) с двумя электродами: анодом А и катодом К, к которым приложено высокое напряжение U (несколько тысяч вольт). Катод является источником электронов (за счет явления термоэлектронной эмиссии). Анод – металлический стержень, имеет наклонную поверхность для того, чтобы направлять возникающее рентгеновское излучение под углом к оси трубки. Он изготовляется из хорошо теплопроводящего материала для отвода теплоты, образующейся при бомбардировке электронов. На скошенном торце имеется пластинка из тугоплавкого металла (например, вольфрама).
Сильный разогрев анода обусловлен тем, что основное количество электронов в катодном пучке, попав на анод, испытывает многочисленные столкновения с атомами вещества и передает им большую энергию.
Под действием высокого напряжения электроны, испущенные раскаленной нитью катода, ускоряются до больших энергий. Кинетическая энергия электрона равна mv 2 /2. Она равна энергии, которую он приобретает, двигаясь в электростатическом поле трубки:
mv 2 /2 = eU (1)
где m, e – масса и заряд электрона, U – ускоряющее напряжение.
Процессы приводящие к возникновению тормозного рентгеновского излучения обусловлены интенсивным торможением электронов в веществе анода электростатическим полем атомного ядра и атомарных электронов.
Механизм возникновения можно представить следующим образом. Движущиеся электроны – это некоторый ток, образующий свое магнитное поле. Замедление электронов – снижение силы тока и, соответственно, изменение индукции магнитного поля, которое вызовет возникновение переменного электрического поля, т.е. появление электромагнитной волны.
Таким образом, когда заряженная частица влетает в вещество, она тормозится, теряет свою энергию и скорость и излучает электромагнитные волны.
Спектральные свойства тормозного рентгеновского излучения .
Итак, в случае торможения электрона в веществе анода возникает тормозное рентгеновское излучение.
Спектр тормозного рентгеновского излучения является сплошным . Причина этого в следующем.
При торможении электронов у каждого из них часть энергии идет на нагрев анода (Е 1 = Q), другая часть на создание фотона рентгеновского излучения (Е 2 = hv), иначе, eU = hv + Q. Соотношение между этими частями случайное.
Таким образом, непрерывный спектр тормозного рентгеновского излучения образуется благодаря торможению множества электронов, каждый из которых испускает один квант рентгеновского излучения hv (h) строго определенной величины. Величина этого кванта различна для разных электронов. Зависимость потока энергии рентгеновского излучения от длины волны , т.е. спектр рентгеновского излучения представлен на рис.2.
Рис.2. Спектр тормозного рентгеновского излучения: а) при различном напряжении U в трубке; б) при различной температуре Т катода.
Коротковолновое (жесткое) излучение обладает большей проникающей способностью, чем длинноволновое (мягкое). Мягкое излучение сильнее поглощается веществом.
Со стороны коротких длин волн спектр резко обрывается на определенной длине волны m i n . Такое коротковолновое тормозное излучение возникает тогда, когда энергия, приобретенная электроном в ускоряющем поле, полностью переходит в энергию фотона (Q = 0):
eU = hv max = hc/ min , min = hc/(eU), (2)
min (нм) = 1,23/UкВ
Спектральный состав излучения зависит от величины напряжения на рентгеновской трубке, с увеличением напряжения значение m i n смещается в сторону коротких длин волн (рис. 2a).
При изменении температуры Т накала катода возрастает эмиссия электронов. Следовательно, увеличивается ток I в трубке, но спектральный состав излучения не изменяется (рис. 2б).
Поток энергии Ф тормозного излучения прямо пропорционален квадрату напряжения U между анодом и катодом, силе тока I в трубке и атомному номеру Z вещества анода:
Ф = kZU 2 I. (3)
где k = 10 –9 Вт/(В 2 А).
Характеристическое рентгеновское излучение (для ознакомления).
Увеличение напряжения на рентгеновской трубке приводит к тому, что на фоне сплошного спектра появляется линейчатый, который соответствует характеристическому рентгеновскому излучению. Это излучение специфично для материала анода.
Механизм его возникновения таков. При большом напряжении ускоренные электроны (с большой энергией) проникают в глубь атома и выбивают из его внутренних слоев электроны. На свободные места переходят электроны с верхних уровней, в результате чего высвечиваются фотоны характеристического излучения.
Спектры характеристического рентгеновского излучения отличаются от оптических спектров.
– Однотипность.
Однотипность характеристических спектров обусловлена тем, что внутренние электронные слои у разных атомов одинаковы и отличаются только энергетически из–за силового воздействия со стороны ядер, которое увеличивается с возрастанием порядкового номера элемента. Поэтому характеристические спектры сдвигаются в сторону больших частот с увеличением заряда ядра. Опытно это было подтверждено сотрудником Рентгена – Мозли , который измерил частоты рентгеновских переходов для 33 элементов. Им был установлен закон.
ЗАКОН МОЗЛИ – корень квадратный из частоты характеристического излучения есть линейная функция порядкового номера элемента:
=
A
(Z – В), (4)
где v – частота спектральной линии, Z – атомный номер испускающего элемента. А, В – константы.
Важность закона Мозли заключается в том, что по этой зависимости можно по измеренной частоте рентгеновской линии точно узнать атомный номер исследуемого элемента. Это сыграло большую роль в размещении элементов в периодической системе.
Независимость от химического соединения.
Характеристические рентгеновские спектры атома не зависят от химического соединения, в которое входит атом элемента. Например, рентгеновский спектр атома кислорода одинаков для О 2, Н 2 О, в то время как оптические спектры этих соединений отличаются. Эта особенность рентгеновского спектра атома послужила основанием для названия "характеристическое излучение ".
Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом
Воздействие рентгеновского излучения на объекты определяется первичными процессами взаимодействия рентгеновского фотона с электронами атомов и молекул вещества.
Рентгеновское излучение в веществе поглощается или рассеивается . При этом могут происходить различные процессы, которые определяются соотношением энергии рентгеновского фотона hv и энергии ионизации А и (энергия ионизации А и – энергия, необходимая для удаления внутренних электронов за пределы атома или молекулы).
а) Когерентное рассеяние (рассеяние длинноволнового излучения) происходит тогда, когда выполняется соотношение
У фотонов вследствие взаимодействия с электронами изменяется только направление движения (рис.3а), но энергия hv и длина волны не меняются (поэтому это рассеяние называется когерентным ). Так как энергия фотона и атома не изменяются, то когерентное рассеяние не влияет на биологические объекты, но при создании защиты от рентгеновского излучения следует учитывать возможность изменения первичного направления пучка.
б) Фотоэффект происходит тогда, когда
При этом могут быть реализованы два случая.
Фотон поглощается, электрон отрывается от атома (рис. 3б). Происходит ионизация. Оторвавшийся электрон приобретает кинетическую энергию: E к = hv – A и. Если кинетическая энергия велика, то электрон может ионизировать соседние атомы путем соударения, образуя новые вторичные электроны.
Фотон поглощается, но его энергии не достаточно для отрыва электрона, и может происходить возбуждение атома или молекулы (рис.3в). Это часто приводит к последующему излучению фотона в области видимого излучения (рентгенолюминесценция), а в тканях – к активации молекул и фотохимическим реакциям. Фотоэффект происходит, в основном, на электронах внутренних оболочек атомов с высоким Z.
в) Некогерентное рассеяние (эффект Комптона, 1922 г.) происходит тогда, когда энергия фотона намного больше энергии ионизации
При этом электрон отрывается от атома (такие электроны называются электронами отдачи ), приобретает некоторую кинетическую энергию E к, энергия самого фотона уменьшается (рис. 4г):
hv = hv" + А и + Е к. (5)
Образующееся таким образом излучение с измененной частотой (длиной) называется вторичным , оно рассеивается по всем направлениям.
Электроны отдачи, если они имеют достаточную кинетическую энергию, могут ионизировать соседние атомы путем соударения. Таким образом, в результате некогерентного рассеяния образуется вторичное рассеянное рентгеновское излучение и происходит ионизация атомов вещества.
Указанные (а,б,в) процессы могут вызвать рад последующих. Например (рис. 3д), если при фотоэффекте происходит отрыв от атома электронов на внутренних оболочках, то на их место могут переходить электроны с более высоких уровней, что сопровождается вторичным характеристическим рентгеновским излучением данного вещества. Фотоны вторичного излучения, взаимодействуя с электронами соседних атомов, могут, в свою очередь, вызывать вторичные явления.
когерентное рассеяние
э
нергия и длина волны остаются
неизменными
фотоэффект
фотон поглощается, е – отрывается от атома – ионизация
hv = А и + Е к
атом А возбуждается при поглощении фотона, R – рентгенолюминесценция
некогерентное рассеяние
hv = hv"+А и +Е к
вторичные процессы при фотоэффекте
Рис. 3 Механизмы взаимодействие рентгеновского излучения с веществом
Физические основы использования рентгеновского излучения в медицине
При падении рентгеновского излучения на тело оно незначительно отражается от его поверхности, а в основном проходит вглубь, при этом частично поглощается и рассеивается, частично проходит насквозь.
Закон ослабления.
Поток рентгеновского излучения ослабляется в веществе по закону:
Ф = Ф 0 е – х (6)
где – линейный коэффициент ослабления, который существенно зависит от плотности вещества. Он равен сумме трех слагаемых, соответствующих когерентному рассеянию 1, некогерентному 2 и фотоэффекту 3:
= 1 + 2 + 3 . (7)
Вклад каждого слагаемого определяется энергией фотона. Ниже приведены соотношения этих процессов для мягких тканей (воды).
|
Энергия, кэВ |
Фотоэффект |
Комптон - эффект |
Пользуются массовым коэффициентом ослабления, который не зависит от плотности вещества :
m = /. (8)
Массовый коэффициент ослабления зависит от энергии фотона и от атомного номера вещества – поглотителя:
m = k 3 Z 3 . (9)
Массовые коэффициенты ослабления кости и мягкой ткани (воды) отличаются: m кости / m воды = 68.
Если на пути рентгеновских лучей поместить неоднородное тело и перед ним поставить флуоресцирующий экран, то это тело, поглощая и ослабляя излучение, образует на экране тень. По характеру этой тени можно судить о форме, плотности, структуре, а во многих случаях и о природе тел. Т.е. существенное различие поглощения рентгеновского излучения разными тканями позволяет в теневой проекции видеть изображение внутренних органов.
Если исследуемый орган и окружающие ткани одинаково ослабляют рентгеновское излучение, то применяют контрастные вещества. Так, например, наполнив желудок и кишечник кашеобразной массой сульфата бария (BaS0 4), можно видеть их теневое изображение (соотношение коэффициентов ослабления равно 354).
Использование в медицине.
В медицине используется рентгеновское излучение с энергией фотонов от 60 до 100-120 кэВ при диагностике и 150-200 кэВ при терапии.
Рентгенодиагностика – распознавание заболеваний при помощи просвечивания тела рентгеновским излучением.
Рентгенодиагностику используют в различных вариантах, которые приведены ниже.
При рентгеноскопии рентгеновская трубка расположена позади пациента. Перед ним располагается флуоресцирующий экран. На экране наблюдается теневое (позитивное) изображение. В каждом отдельном случае подбирается соответствующая жесткость излучения, так чтобы оно проходило через мягкие ткани, но достаточно поглощалось плотными. В противном случае получается однородная тень. На экране сердце, ребра видны темными, легкие – светлыми.
При рентгенографии объект помещается на кассете, в которую вложена пленка со специальной фотоэмульсией. Рентгеновская трубка располагается над объектом. Получаемая рентгенограмма дает негативное изображение, т.е. обратное по контрасту с картиной, наблюдаемой при просвечивании. В данном методе имеет место большая четкость изображения, чем в (1), поэтому наблюдаются детали, которые трудно рассмотреть при просвечивании.
Перспективным вариантом данного метода является рентгеновская томография и "машинный вариант" – компьютерная томография.
3. При флюорографии, на чувствительной малоформатной пленке фиксируется изображение с большого экрана. При рассматривании снимки рассматриваются на специальном увеличителе.
Рентгенотерапия – использование рентгеновского излучения для уничтожения злокачественных образований.
Биологическое действие излучения заключается в нарушении жизнедеятельности, особенно быстро размножающихся клеток.
КОМПЬЮТЕРНАЯ ТОМОГРАФИЯ (КТ)
Метод рентгеновской компьютерной томографии основан на реконструкции изображения определенного сечения тела пациента путем регистрации большого количества рентгеновских проекций этого сечения, выполненных под разными углами. Информация от датчиков, регистрирующих эти проекции, поступает в компьютер, который по специальному программе вычисляет распределение плотно сти образца в исследуемом сечении и отображает его на экране дисплея. Полученное таким образом изображение сечения тела пациента характеризуется прекрасной четкостью и высокой информативностью. Программа позволяет при необходимости увеличить контраст изображения в десятки и даже сотни раз. Это расширяет диагностические возможности метода.
Видеографы (аппараты с цифровой обработкой рентгеновского изображения) в современной стоматологии.
В стоматологии именно рентгенологическое исследование является основным диагностическим методом. Однако ряд традиционных организационно–технических особенностей рентгенодиагностики делают ее не вполне комфортной как для пациента, так и для стоматологических клиник. Это, прежде всего, необходимость контакта пациента с ионизирующим излучением, создающим часто значительную лучевую нагрузку на организм, это также необходимость фотопроцесса, а следовательно, необходимость фотореактивов, в том числе токсичных. Это, наконец, громоздкий архив, тяжелые папки и конверты с рентгеновскими пленками.
Кроме того, современный уровень развития стоматологии делает недостаточной субъективную оценку рентгенограмм человеческим глазом. Как оказалось, из многообразия оттенков серого тона, содержащегося в рентгеновском изображении, глаз воспринимает только 64.
Очевидно, что для получения четкого и подробного изображения твердых тканей зубо–челюстной системы при минимальной лучевой нагрузке нужны иные решения. Поиск привел к созданию, так называемых, радиографических систем, видеографов – систем цифровой рентгенографии.
Без технических подробностей принцип действия таких систем состоит в следующем. Рентгеновское излучение поступает через объект не на фоточувствительную пленку, а на специальный внутриоральный датчик (специальную электронную матрицу). Соответствующий сигнал от матрицы передается на преобразующее его в цифровую форму оцифровывающее устройство (аналого-цифровой преобразователь, АЦП), связанное с компьютером. Специальное программное обеспечение строит на экране компьютера рентгеновское изображение и позволяет обработать его, сохранять на жестком или гибком носителе информации (винчестере, дискетах), в виде файла распечатывать его как картинку.
В цифровой системе рентгеновское изображение представляет собой совокупность точек, имеющих различные цифровые значения градации серого тона. Предусмотренная программой оптимизация отображения информации дает возможность получить оптимальный по яркости и контрастности кадр при относительно малой дозе облучения.
В современных системах, созданными, например, фирмами Trophy (Франция) или Schick (США) при формировании кадра используется 4096 оттенков серого, время экспозиции зависит от объекта исследования и, в среднем, составляет сотые – десятые доли секунды, снижение лучевой нагрузки по отношению к пленке – до 90 % для внутриоральных систем, до 70 % для панорамных видеографов.
При обработке изображений видеографы позволяют:
Получать позитивные и негативные изображения, изображения в псевдоцвете, рельефные изображения.
Повышать контраст и увеличивать интересующий фрагмент изображения.
Оценивать изменение плотности зубных тканей и костных структур, контролировать однородность заполнения каналов.
В эндодонтии определять длину канала любой кривизны, а в хирургии подбирать размер имплантата с точностью 0,1 мм.
Уникальная система Caries detector с элементами искусственного интеллекта при анализе снимка позволяет обнаружить кариес в стадии пятна, кариес корня и скрытый кариес.
«Ф» в формуле (3) относится ко всему интервалу излучаемых длин волн и часто называется «Интегральный поток энергии».
Ученого из Германии Вильгельма Конрада Рентгена по праву можно считать основоположником рентгенографии и первооткрывателем ключевых особенностей рентгеновских лучей.
Тогда в далеком 1895 году он даже не подозревал о широте применения и популярности, открытых им Х-излучений, хотя уже тогда они подняли широкий резонанс в мире науки.
Вряд ли изобретатель мог догадываться, какую пользу или вред принесет плод его деятельности. Но мы с вами сегодня попробуем выяснить, какое воздействие проявляет эта разновидность излучения на человеческое тело.
- Х-излучение наделено огромной проникающей способностью, но она зависит от длины волны и плотности материала, который облучается;
- под воздействием излучения некоторые предметы начинают светиться;
- рентгеновский луч влияет на живых существ;
- благодаря Х-лучам начинают протекать некоторых биохимические реакции;
- рентгена луч может забирать у некоторых атомов электроны и тем самым ионизировать их.
Даже самого изобретателя в первую очередь волновал вопрос о том, что конкретно из себя представляют открытые им лучи.
После проведения целой серии экспериментальных исследований, ученый выяснил, что Х-лучи – это промежуточные волны между ультрафиолетом и гамма-излучением, длина которых составляет 10 -8 см.
Свойства рентгеновского луча, которые перечислены выше, обладают разрушительными свойствами, однако это не мешает применять их с полезными целями.
Так где же в современном мире можно использовать Х-лучи?
- С их помощью можно изучать свойства многих молекул и кристаллических образований.
- Для дефектоскопии, то есть проверять промышленные детали и приборы на предмет дефектов.
- В медицинской отрасли и терапевтических исследованиях.
В силу малых длин всего диапазона данных волн и их уникальных свойств, стало возможным важнейшее применение излучения, открытого Вильгельмом Рентгеном.
Поскольку тема нашей статьи ограничена воздействием Х-лучей на организм человека, который сталкивается с ними лишь при походе в больницу, то далее мы будем рассматривать исключительно эту отрасль применения.
Ученый, изобретший рентгеновские лучи, сделал их бесценным даром для всего населения Земли, поскольку не стал патентовать свое детище для дальнейшего использования.
Начиная со времен Первой моровой войны портативные установки для рентгена спасли сотни жизней раненных. Сегодня рентгеновские лучи имеют два основных спектра применения:
- Диагностика с его помощью.
Рентгенологическая диагностика применяется при различных вариантах:
- рентгеноскопия или просвечивание;
- рентгенография или снимок;
- флюорографическое исследование;
- томографирование при помощи рентгена.
Теперь нужно разобраться, чем эти методы отличаются друг от друга:
- Первый метод предполагает, что обследуемый располагается между специальным экраном с флуоресцентным свойством и рентгеновской трубкой. Доктор на основе индивидуальных особенностей подбирает требуемую силу лучей и получает изображение костей и внутренних органов на экране.
- При втором методе пациента кладут на специальную рентгеновскую пленку в кассете. При этом аппаратура размещается над человеком. Данная методика позволяет получить изображение в негативе, но с более мелкими деталями, чем при рентгеноскопии.
- Массовые обследования населения на предмет заболевания легких позволяет провести флюорография. В момент процедуры с большого монитора изображение переноситься на специальную пленку.
- Томография позволяет получить изображения внутренних органов в нескольких вариантах сечения. Производиться целая серия снимков, которые в дальнейшем называются томограммой.
- Если к предыдущему методу подключить помощь компьютера, то специализированные программы создадут целостное изображение, сделанное при помощи рентгеновского сканера.
Все эти методики диагностики проблем со здоровьем основываются на уникальном свойстве Х-лучей засвечивать фотопленку. При этом проникающая способность у косных и других тканей нашего тела разная, что отображается на снимке.
После того, как было обнаружено еще одно свойство лучей рентгена влиять на ткани с биологической точки зрения, данная особенность стала активно применяться при терапии опухолей.
Клетки, особенно злокачественные, делятся очень быстро, а ионизирующее свойство излучения положительно сказывается при лечебной терапии и замедляет рост опухоли.
Но другой стороной медали является негативное влияние рентгена на клетки кроветворной, эндокринной и иммунной системы, которые также быстро делятся. В результате отрицательного влияния Х-луча проявляется лучевая болезнь.
Влияние рентгена на человеческий организм
Буквально сразу после такого громогласного открытия в научном мире, стало известно, что лучи Рентгена могут оказывать воздействие на тело человека:
- В ходе исследований свойств Х-лучей выяснилось, что они способны вызывать ожоги на кожном покрове. Очень схожие на термические. Однако глубина поражения была куда больше, чем бытовые травмы, а заживали они хуже. Многие учены, занимающиеся этими коварными излучениями теряли пальцы на руках.
- Методом проб и ошибок было установлено, что если уменьшить время и лозу облечения, то ожогов можно избежать. Позже стали применяться свинцовые экраны и дистанционный метод облучения пациентов.
- Долгосрочная перспектива вредности лучей показывает, что изменения состава крови после облучения приводит к лейкемии и раннему старению.
- Степень тяжести воздействия рентгеновских лучей на организм человека прямо зависит от облучаемого органа. Так, при рентгенографии малого таза может наступить бесплодие, а при диагностике кроветворных органов – болезни крови.
- Даже самые незначительные облучения, но на протяжении долгого времени, могут привести к изменениям на генетическом уровне.
Конечно, все исследования проводились на животных, однако учеными доказано, что патологические изменения будут распространяться и на человека.
ВАЖНО! На основе полученных данных были разработаны стандарты рентгеновского облучения, которые едины на весь мир.
Дозы рентгеновских лучей при диагностике
Наверное, каждый, кто выходит из кабинета доктора после проведенного рентгена, задается вопросом о том, как эта процедура повлияет на дальнейшее здоровье?
Радиационной облучение в природе также существует и с ним мы сталкиваемся ежедневно. Чтобы было проще понять, как рентген влияет на наш организм, мы сравним эту процедуру с получаемым природным облучением:
- при рентгенографии грудной клетки человек получает дозу радиации, приравниваемой к 10 дням фонового облучения, а желудка или кишечника – 3 годам;
- томограмма на компьютере брюшной полости или всего тела – эквивалент 3 годам облучения;
- обследование на рентгене груди – 3 месяца;
- конечности облучается, практически не принося вредя здоровью;
- стоматологический рентген в силу точной направленности лучевого пучка и минимального времени воздействия – также не является опасным.
ВАЖНО! Несмотря на то, что приведенные данные, как бы пугающе они не звучали, отвечают международным требованиям. Однако пациент имеет полное право попросить дополнительные средства защиты в случае сильного опасения за свое самочувствие.
Все мы сталкиваемся с рентгеновским обследованием, причем неоднократно. Однако одна категория людей вне положенных процедур – это беременные женщины.
Дело в том, что Х-лучи чрезвычайно сказываются здоровье будущего ребенка. Эти волны способны вызвать пороки внутриутробного развития в результате влияния на хромосомы.
ВАЖНО! Наиболее опасным периодом для проведения рентгена является беременность до 16 недели. В этот период самыми уязвимыми являются тазовая, брюшная и позвоночная область малыша.
Зная о таком отрицательном свойстве рентгена, доктора всего мира стараются избегать назначения его проведения у беременных.
Но существуют и другие источники излучения, с которыми может столкнуться беременная женщина:
- микроскопы, работающие на электричестве;
- мониторы цветных телевизоров.
Те, кто готовиться стать мамой обязательно должны знаю про подстерегающую их опасность. В период лактации рентгеновские лучи не несут угрозы для организма кормящей и малыша.
Как быть после рентгена?
Даже самые незначительные последствия рентгеновского облучения можно свести к минимуму, если выполнить несколько простых рекомендаций:
- сразу после процедуры выпить молока. Как известно, оно способно выводить радиацию;
- такими же свойствами обладает белое сухое вино или сок винограда;
- желательно в первое время кушать больше продуктов, содержащих йод.
ВАЖНО! Не стоит прибегать ни к каким медицинским процедурам или использовать лечебные методы после посещения рентген-кабинета.
Какими бы негативными свойствами не обладали, некогда открытые Х-лучи, все равно польза от их применения значительно превышает наносимый вред. В медицинских учреждениях процедура просвечивания проводиться быстро и с минимальными дозами.
R излучение - коротковолновое электромагнитное излучение.
Свойства R излучения :
- Отражение поглощение рассеяние
- В окружающей среде распространяется прямолинейно
- Не откланяемся электричеством магнитными полями
- Не видим для глаза
- Лучи обладают большой энергией
- Обладает большой проникающей способностью
- Интенсивность R излучения снижается обратно пропорционально квадрату рассеяния
- Оказывает значительное химическое и биологическое действие, обусловленное, ионизирующим действием.
Проникающая способность :
- Многие R лучи возникают в труппке при напряжении от 10 до 40 кВ, глубоко в ткани не проникает, используется для лечения заболеваний кожи.
- R лучи средней мощности возникают при напряжении от 40 до 100 кВ, используются в диагностик.
- Самые мощные R лучи возникают при напряжении более 100 кВ, используются в R - терапии злокачественных опухолей.
Способ обнаружения R излучения, основаны на физических свойствах R излучения .
- Люминисцентный основан на том, что R лучи люминисцируются при, просвечивании.
- Ионизационный основан на ионизации воздуха R лучами, применяется для определения дозы R излучения.
- Фотографический - в основе лежит образование на фотопленке скрытых центров изображения под усилением R лучей. Эти центры после проявления и фиксации превращаются в черные зерна металлического ядра которые и формируют R граммы, используются для контроля от облучения.
- Биологический способ состоит в выявлении реакций R лучей на коже человека.
R лучи можно получить при помощи R трубки. В медицине способом получения R лучей, является торможение быстродвижущихся электронов в материальной среде. При понижении скорости электроны вызывают электромагнитное излучение, оно более жесткое, чем скорость электрона.
R трубка - двухэлектродный воздушный цилиндр для получения R лучей.
Давление внутри трубки 10 - 10 мм. р. ст. Напряжение между катодом и анодом высокое. Катод представляет собой вольфрамовую спираль, источник электронов за счет термоэлектричества, t = 2000 градусов. Это ниже чем температура плавления вольфрама. Под усиление электрического поля электроны движутся к аноду с ускорением, их скорость и E увеличиваются.
Анод изготовлен в виде медного стержня торец которого расположен под углом 45 градусов. В сторону запрессована пластинка из W отполированная до зеркального блеска.
Анод с теплопроводным и с водным охлаждением .
Виды R трубок.
- По назначению:
а) для R диагностики
б) для R терапии
в) для флюрографии
- По мощности
а) не > 250 Вт для зубных аппаратов
б) средней мощности до 5000 Вт - диагностика
в) высокой мощности - для лечения
Виды R излучения.
Тормозное излечение возникает при торможении электрона в электронном поле атомов вещества. При торможении электронной скорость понижается, изменяющееся магнитное поле порождает вихревые электронные поля возникают электромагнитные излучения. Доля кинетической энергии электрона идущая на R излучения и на нагревание различна по этому R излучение имеет аналогичный спектр.
Особенности тормозного излучения .
- Со стороны коротких длин волн спектр резко обрывается, изменяя направление можно регулировать жёсткость излучения.
- С повышением направления спектр смещается в сторону короткой длины волны.
- При измерении температуры накала катода, спектр составляющий R излучения не изменяется.
- Поток энергии тормозит излучения пропорционально квадрату направления … катодом и анодом, силе тока в трубке, и порядковому номеру вещества.
Ф= KZIU
-9 BI
K= 10 *A*B
Характеристическое R излучение возникает при изменении энергетических состояний в атомах вещества анода R трубки. Из-за их перехода из воздушного в не воздушное состояние при достаточно сильном в нём воздействии электрон из внутренней оболочки удаляются за пределы атома.И на место такого ℮ переходит ℮ с более высокого энергетического уровня. При этом излучается фотон с энергией hv .
hv = E з- E 1
спектр линейчатый
Линейчатый спектр на фоне тормозного излучения является смешанным.
Особенности излучения.
- Возникает при определенном напряжении в трубке.
- Существует только вместе с тормозным.
- С порядкого N элемента спектр сдвигается в сторону короткой длины волны.
Закон Мозли.
√v = √ A *(Z - B ) Z - порядковый номер.
A и B - константы.
Корень квадратный из частоты излучения R это линейная функция порядкового номера элемента.
Взаимодействие R излучения с веществом.
R лучи вещества поглощаются и рассейваются при этом происходят различные процесс, которые определяются соотнощением энергии R фотонов (hv ) и работой ионозации (Ai), идущей на удаление внутренней E за пределы вещества.
- 1. Когерентное рассейвание.
У фотонов при взаимодействии с электронами меняется только направление движения. Когерентное рассейвание на биологические объекты не влияет но при защите от излучения учитывается.
hv ‹ A i
- Фотоэффект.
а) Фотон поглощающийся веществом. ℮ отрываются от атома преобретают E кин.
E кин.=hv - A i
Если Eкин возростает то она тратится на ионизацию соседних атомов.
б) ℮ поглощает фотон R излучение, переходит на более высокий энергетический уровень и возникает R - моминизация.Фотоэффект происходит на внутренней оболочке атомов с высокими порядковыми номерами (Z ).
При фотоэффекте hv >= A i
- 3. Некогерентное рассейвание.
hv >>A i
При действии R излучения на вещество ℮ отрывается от атома и преобретает E кин. E фотона понижается и образовавщееся излучение называется вторичным.
Механизмы взаимодействия R излучения .
Применение R излучения в медицине.
а) применение в диагностике
R-скопия находится между R трубкой и экраном при прохождении R лучей через тело от поглощающегося разными тканями неодинакого, по этому одни участки экрана более светлые, а другие более тёмные - позитивное изображение.
R-графика- экран замещающегося на фотоплёнку большого размера, которое находится в специальном кассете под действием R лучей получается негативное изображение.
ФЛГ-разновидность R графики.Съемка на специальную пленку малого формата. Используется для массового обследования населения.
б) применение для лечения
Используется ионезирующие и бактерицидное свойство R лучей при прохождении из ткани R лучи производят ионизацию молекул.
в) Ренгеноструктурный анализ- исследование вторичной структуры с помощью R лучей. При этом получают R граммы по ним о строении вещества.
1. Большая проникающая и ионизирующая способность.
2. Не отклоняются электрическим и магнитным полем.
3. Обладают фотохимическим действием.
4. Вызывают свечение веществ.
5. Отражение, преломление и дифракция как у видимого излучения.
6. Оказывают биологическое действие на живые клетки.
1. Взаимодействие с веществом
Длина волны рентгеновских лучей сравнима с размерами атомов, поэтому не существует материала, из которого можно было бы изготовить линзу для рентгеновских лучей. Кроме того, при перпендикулярном падении на поверхность рентгеновские лучи почти не отражаются. Несмотря на это, в рентгеновской оптике были найдены способы построения оптических элементов для рентгеновских лучей. В частности выяснилось, что их хорошо отражает алмаз.
Рентгеновские лучи могут проникать сквозь вещество, причём различные вещества по-разному их поглощают. Поглощение рентгеновских лучей является важнейшим их свойством в рентгеновской съёмке. Интенсивность рентгеновских лучей экспоненциально убывает в зависимости от пройденного пути в поглощающем слое (I = I0e-kd, где d - толщина слоя, коэффициент k пропорционален Z³λ³, Z - атомный номер элемента, λ - длина волны).
Поглощение происходит в результате фотопоглощения (фотоэффекта) и комптоновского рассеяния:
Под фотопоглощением понимается процесс выбивания фотоном электрона из оболочки атома, для чего требуется, чтобы энергия фотона была больше некоторого минимального значения. Если рассматривать вероятность акта поглощения в зависимости от энергии фотона, то при достижении определённой энергии она (вероятность) резко возрастает до своего максимального значения. Для более высоких значений энергии вероятность непрерывно уменьшается. По причине такой зависимости говорят, что существует граница поглощения. Место выбитого при акте поглощения электрона занимает другой электрон, при этом испускается излучение с меньшей энергией фотона, происходит т. н. процесс флюоресценции.
Рентгеновский фотон может взаимодействовать не только со связанными электронами, но и со свободными, а также слабосвязанными электронами. Происходит рассеяние фотонов на электронах - т. н. комптоновское рассеяние. В зависимости от угла рассеяния, длина волны фотона увеличивается на определённую величину и, соответственно, энергия уменьшается. Комптоновское рассеяние, по сравнению с фотопоглощением, становится преобладающим при более высоких энергиях фотона.
В дополнение к названным процессам существует ещё одна принципиальная возможность поглощения - за счёт возникновения электрон-позитронных пар. Однако для этого необходимы энергии более 1,022 МэВ, которые лежат вне вышеобозначенной границы рентгеновского излучения (<250 кэВ). Однако при другом подходе, когда "ренгеновским" называется излучение, возникшее при взаимодействии электрона и ядра или только электронов, такой процесс имеет место быть. Кроме того, очень жесткое рентгеновское излучение с энергией кванта более 1 МэВ, способно вызвать Ядерный фотоэффект.
[править]
2. Биологическое воздействие
Рентгеновское излучение является ионизирующим. Оно воздействует на ткани живых организмов и может быть причиной лучевой болезни, лучевых ожогов и злокачественных опухолей. По причине этого при работе с рентгеновским излучением необходимо соблюдать меры защиты. Считается, что поражение прямо пропорционально поглощённой дозе излучения. Рентгеновское излучение является мутагенным фактором.
[править]
3. Регистрация
Эффект люминесценции. Рентгеновские лучи способны вызывать у некоторых веществ свечение (флюоресценцию). Этот эффект используется в медицинской диагностике при рентгеноскопии (наблюдение изображения на флюоресцирующем экране) и рентгеновской съёмке (рентгенографии). Медицинские фотоплёнки, как правило, применяются в комбинации с усиливающими экранами, в состав которых входят рентгенолюминофоры, которые светятся под действием рентгеновского излучения и засвечивает светочувствительную фотоэмульсию. Метод получения изображения в натуральную величину называется рентгенографией. При флюорографии изображение получается в уменьшенном масштабе. Люминесцирующее вещество (сцинтиллятор) можно оптически соединить с электронным детектором светового излучения (фотоэлектронный умножитель, фотодиод и т. п.), полученный прибор называется сцинтилляционным детектором. Он позволяет регистрировать отдельные фотоны и измерять их энергию, поскольку энергия сцинтилляционной вспышки пропорциональна энергии поглощённого фотона.
Фотографический эффект. Рентгеновские лучи, также как и обычный свет, способны напрямую засвечивать фотографическую эмульсию. Однако без флюоресцирующего слоя для этого требуется в 30-100 раз большая экспозиция (то есть доза). Преимуществом этого метода (известного под названием безэкранная рентгенография) является бо́льшая резкость изображения.
В полупроводниковых детекторах рентгеновские лучи производят пары электрон-дырка в p-n переходе диода, включённого в запирающем направлении. При этом протекает небольшой ток, амплитуда которого пропорциональна энергии и интенсивности падающего рентгеновского излучения. В импульсном режиме возможна регистрация отдельных рентгеновских фотонов и измерение их энергии.
Отдельные фотоны рентгеновского излучения могут быть также зарегистрированы при помощи газонаполненных детекторов ионизирующего излучения (счётчик Гейгера, пропорциональная камера и др.).
Применение
При помощи рентгеновских лучей можно «просветить» человеческое тело, в результате чего можно получить изображение костей, а в современных приборах и внутренних органов (см. также рентген). При этом используется тот факт, что у содержащегося преимущественно в костях элемента кальция (Z=20) атомный номер гораздо больше, чем атомные номера элементов, из которых состоят мягкие ткани, а именно водорода (Z=1), углерода (Z=6), азота (Z=7), кислорода (Z=8). Кроме обычных приборов, которые дают двумерную проекцию исследуемого объекта, существуют компьютерные томографы, которые позволяют получать объёмное изображение внутренних органов.
Выявление дефектов в изделиях (рельсах, сварочных швах и т. д.) с помощью рентгеновского излучения называется рентгеновской дефектоскопией.
В материаловедении, кристаллографии, химии и биохимии рентгеновские лучи используются для выяснения структуры веществ на атомном уровне при помощи дифракционного рассеяния рентгеновского излучения (рентгеноструктурный анализ). Известным примером является определение структуры ДНК.
Кроме того, при помощи рентгеновских лучей может быть определён химический состав вещества. В электронно-лучевом микрозонде (либо же в электронном микроскопе) анализируемое вещество облучается электронами, при этом атомы ионизируются и излучают характеристическое рентгеновское излучение. Вместо электронов может использоваться рентгеновское излучение. Этот аналитический метод называется рентгенофлуоресцентным анализом.
В аэропортах активно применяются рентгенотелевизионные интроскопы, позволяющие просматривать содержимое ручной клади и багажа в целях визуального обнаружения на экране монитора предметов, представляющих опасность.
Рентгенотерапия - раздел лучевой терапии, охватывающий теорию и практику лечебного применения рентгеновских лучей, генерируемых при напряжении на рентгеновской трубке 20-60 кв и кожно-фокусном расстоянии 3-7 см (короткодистанционная рентгенотерапия) или при напряжении 180-400 кв и кожно-фокусном расстоянии 30-150 см (дистанционная рентгенотерапия).
Рентгенотерапию проводят преимущественно при поверхностно расположенных опухолях и при некоторых других заболеваниях, в том числе заболеваниях кожи (ультрамягкие рентгеновские лучи Букки).
[править]
Естественное рентгеновское излучение
На Земле электромагнитное излучение в рентгеновском диапазоне образуется в результате ионизации атомов излучением, которое возникает при радиоактивном распаде, в результате комптон-эффекта гамма-излучения, возникающего при ядерных реакциях, а также космическим излучением. Радиоактивный распад также приводит к непосредственному излучению рентгеновских квантов, если вызывает перестройку электронной оболочки распадающегося атома (например, при электронном захвате). Рентгеновское излучение, которое возникает на других небесных телах, не достигает поверхности Земли, так как полностью поглощается атмосферой. Оно исследуется спутниковыми рентгеновскими телескопами, такими как Чандра и XMM-Ньютон.
В 1895 г. немецкий физик В. Рентген обнаружил, что из трубки, в которой создаются катодные лучи, испускаются еще и неизвестные лучи, проникающие через стекло, воздух, а также многие тела , непрозрачные для обычного света. Эти лучи в дальнейшем были названы рентгеновскими.
Сами рентгеновские лучи невидимы, но вызывают свечение многих веществ и сильно действуют на фоточувствительные материалы. Поэтому для их исследования применяют специальные экраны, светящиеся под действием рентгеновских лучей. Благодаря этому свойству они и были обнаружены Рентгеном.
Рентгеновские лучи получаются при торможении быстро летящих электронов. Вокруг летящих электронов существует магнитное поле, поскольку движение электрона представляет собой электрический ток. При резком торможении электрона в момент удара о препятствие магнитное поле электрона быстро изменяется и в пространство излучается электромагнитная волна, длина которой тем меньше, чем больше скорость электрона до удара о препятствие. Рентгеновские лучи получают с помощью специальных двухэлектродных ламп (рис. 34.17), на которые подается высокое напряжение, порядка 50-200 кВ. Электроны, испускаемые накаленным катодом рентгеновской трубки, ускоряются сильным электрическим полем в пространстве между анодом и катодом и с большой скоростью ударяются об анод. При этом с поверхности анода испускаются рентгеновские лучи, выходящие сквозь стекло трубки наружу. Тормозное излучение рентгеновской трубки имеет сплошной спектр.
Рентгеновские трубки с накаленным катодом сами являются выпрямителями, и их можно питать переменным током.
Если электроны в ускоряющем поле приобретают достаточно высокую скорость, чтобы проникнуть внутрь атома анода и выбить один из электронов его внутреннего слоя, то на его место переходит электрон из более удаленного, слоя с излучением кванта большой энергии. Такое рентгеновское излучение имеет строго определенные длины волн, характерные только для данного химического элемента, поэтому оно называется характеристическим.
Характеристическое излучение имеет линейчатый спектр, накладывающийся на сплошной спектр тормозного излучения. При увеличении порядкового номера элемента в таблице Менделеева рентгеновский спектр излучения его атомов сдвигается в сторону коротких длин волн. Легкие элементы (например, алюминий) вообще не дают характеристического рентгеновского излучения.
Рентгеновские лучи принято различать по их жесткости: чем короче длина волны рентгеновских лучей, тем они считаются более жесткими. Наиболее жёсткие рентгеновские лучи испускаются тяжелыми атомами.
Важной особенностью рентгеновских лучей является их высокая проникающая способность по отношению ко многим веществам, непрозрачным для видимого света. Чем жестче рентгеновские лучи, тем слабее они поглощаются и тем выше их проникающая способность. Поглощение рентгеновских лучей в веществе зависит еще от его атомного состава: сильно поглощают рентгеновские лучи атомы тяжелых элементов, в состав каких бы химических веществ они ни входили.
Как и любые электромагнитные волны, рентгеновские лучи не отклоняются в электрическом и магнитном полях. Показатель преломления рентгеновских лучей очень мало отличается от единицы, и они почти не испытывают преломления при переходе из одной среды в другую .
Это свойство рентгеновских лучей в сочетании с их высокой проникающей способностью используется в ряде практических применений.
Если поместить между источником рентгеновских лучей и экраном, светящимся под их действием, какое-либо тело, то на экране появится его темное изображение. Если внутри однородного тела имеется полость, то на экране соответствующее место будет более светлым. Это явление используется для выявления внутренних дефектов изделий (дефектоскопия). При просвечивании неоднородного по молекулярному составу тела различные его части будут неодинаково поглощать рентгеновские лучи, и на экране мы увидим очертания этих частей. Так, просвечивая руку, мы ясно видим на светящемся экране темное изображение костей (рис. 34.18).
Часто оказывается удобнее вместо того, чтобы использовать светящийся экран, делать рентгеновские снимки. Для этого исследуемое тело помещается между рентгеновской трубкой и закрытой кассетой с фотопленкой, и через него в течение короткого промежутка времени пропускаются рентгеновские лучи. После съемки фотопленка проявляется обычным способом. Рентгеновские лучи широко применяются в медицине: в диагностике различных заболеваний (туберкулез и др.), при определении характера перелома костей, для обнаружения в теле инородных предметов (например, застрявшей пули) и т. д. Рентгеновские лучи вредно действуют на развитие клеток. Это используется при лечении злокачественных опухолей. Однако по этой же причине продолжительное или слишком интенсивное воздействие на организм рентгеновских лучей, особенно жестких, вызывает тяжелые заболевания.
Долгое время после открытия рентгеновских лучей не удавалось обнаружить проявления их волновых свойств - наблюдать их дифракцию и измерить длину волны. Все попытки использовать дифракционные решетки, предназначенные для измерения длин световых волн, не давали никаких результатов. В 1912 г. немецкий физик М. Лауэ предложил использовать для получения дифракции рентгеновских лучей естественные кристаллические решетки. Опыты показали, что узкий пучок рентгеновских лучей, пройдя через кристалл, дает на экране или фотопленке сложную дифракционную картину в виде группы пятен (рис. 34.19; Р - рентгеновская трубка, Д - диафрагмы, К - кристалл, Э - экран).
Изучение дифракционной картины, полученной при использовании кристалла каменной соли, позволило определить длину волны рентгеновских лучей, так как расстояние между узлами этой кристаллической решетки было известно. Оказалось, что длина волны рентгеновских лучей, использованных в этом опыте, составляет несколько десятых долей нанометра. Дальнейшие исследования показали, что рентгеновские лучи имеют длину волны от 10 до 0,01 нм. Таким образом, даже мягкие рентгеновские лучи имеют длины волн в десятки и сотни раз более короткие, чем у видимого света. Отсюда ясно, почему нельзя было использовать дифракционные решетки: длины волн рентгеновских лучей слишком малы для них, и дифракция не возникает. Расстояние же между узлами решетки в естественных кристаллах соизмеримо с длинами волн рентгеновских лучей, т. е. кристаллы могут служить для них «готовыми» дифракционными решетками.
Опыты Лауэ показали, что рентгеновские лучи представляют собой электромагнитные волны. Дифракция рентгеновских лучей используется для определения их длин волн (рентгеновский спектральный анализ) и, наоборот, пропуская рентгеновские лучи известной длины волны через исследуемый кристалл, по дифракционной картине можно установить взаимное расположение атомов и расстояние между ними в кристаллической решетке (рентгеноструктурный анализ).
