Röntgenstrahlung und ihre Anwendung. Kurze Beschreibung der Röntgenstrahlung. Der Einsatz von Röntgenstrahlen in der Medizin
Kurze Beschreibung der Röntgenstrahlung
Röntgenstrahlen sind elektromagnetische Wellen (Quantenfluss, Photonen), deren Energie auf der Energieskala zwischen ultravioletter Strahlung und Gammastrahlung angesiedelt ist (Abb. 2-1). Röntgenphotonen haben eine Energie von 100 eV bis 250 keV, was einer Strahlung mit einer Frequenz von 3 x 10 16 Hz bis 6 x 10 19 Hz und einer Wellenlänge von 0,005–10 nm entspricht. Die elektromagnetischen Spektren von Röntgen- und Gammastrahlen überlappen sich weitgehend.
Reis. 2-1. Elektromagnetische Strahlungsskala
Der Hauptunterschied zwischen diesen beiden Strahlungsarten ist die Art und Weise, wie sie auftreten. Röntgenstrahlen werden unter Beteiligung von Elektronen (z. B. während der Verlangsamung ihres Flusses) und Gammastrahlen - beim radioaktiven Zerfall der Kerne einiger Elemente - erhalten.
Röntgenstrahlen können beim Abbremsen eines beschleunigten Stroms geladener Teilchen (sogenannte Bremsstrahlung) oder bei hochenergetischen Übergängen in den Elektronenhüllen von Atomen (charakteristische Strahlung) entstehen. Medizinische Geräte verwenden Röntgenröhren, um Röntgenstrahlen zu erzeugen (Abbildung 2-2). Ihre Hauptbestandteile sind eine Kathode und eine massive Anode. Die aufgrund des elektrischen Potentialunterschieds zwischen Anode und Kathode emittierten Elektronen werden beschleunigt, erreichen die Anode, beim Aufprall auf das Material, aus dem sie abgebremst werden. Als Ergebnis werden Bremsstrahlungs-Röntgenstrahlen erzeugt. Während der Kollision von Elektronen mit der Anode findet auch der zweite Prozess statt - Elektronen werden aus den Elektronenhüllen der Anodenatome herausgeschlagen. Ihre Plätze werden von Elektronen aus anderen Schalen des Atoms besetzt. Dabei entsteht eine zweite Art von Röntgenstrahlung – die sogenannte charakteristische Röntgenstrahlung, deren Spektrum maßgeblich vom Anodenmaterial abhängt. Anoden werden meistens aus Molybdän oder Wolfram hergestellt. Es gibt spezielle Geräte zum Fokussieren und Filtern von Röntgenstrahlen, um die resultierenden Bilder zu verbessern.
Reis. 2-2. Schema des Röntgenröhrengeräts:
Die Eigenschaften von Röntgenstrahlen, die ihren Einsatz in der Medizin prädestinieren, sind Durchdringungskraft, Fluoreszenz und photochemische Effekte. Die Durchdringungskraft von Röntgenstrahlen und ihre Absorption durch das Gewebe des menschlichen Körpers und künstliche Materialien sind die wichtigsten Eigenschaften, die ihren Einsatz in der Strahlendiagnostik bestimmen. Je kürzer die Wellenlänge, desto größer ist die Durchdringungskraft von Röntgenstrahlen.
Es gibt „weiche“ Röntgenstrahlen mit niedriger Energie und Strahlungsfrequenz (bzw. mit der größten Wellenlänge) und „harte“ Röntgenstrahlen mit hoher Photonenenergie und Strahlungsfrequenz, die eine kurze Wellenlänge haben. Die Wellenlänge der Röntgenstrahlung (bzw. ihre "Steifigkeit" und Durchdringungskraft) hängt von der Größe der an die Röntgenröhre angelegten Spannung ab. Je höher die Spannung an der Röhre, desto größer die Geschwindigkeit und Energie des Elektronenflusses und desto kürzer die Wellenlänge der Röntgenstrahlen.
Während der Wechselwirkung von Röntgenstrahlung, die die Substanz durchdringt, treten qualitative und quantitative Änderungen in ihr auf. Der Grad der Absorption von Röntgenstrahlen durch Gewebe ist unterschiedlich und wird durch die Dichte und das Atomgewicht der Elemente bestimmt, aus denen das Objekt besteht. Je höher die Dichte und das Atomgewicht der Substanz, aus der das zu untersuchende Objekt (Organ) besteht, desto mehr Röntgenstrahlen werden absorbiert. Der menschliche Körper enthält Gewebe und Organe unterschiedlicher Dichte (Lunge, Knochen, Weichteile usw.), was die unterschiedliche Absorption von Röntgenstrahlen erklärt. Die Visualisierung innerer Organe und Strukturen basiert auf dem künstlichen oder natürlichen Unterschied in der Absorption von Röntgenstrahlen durch verschiedene Organe und Gewebe.
Um die durch den Körper hindurchgetretene Strahlung zu registrieren, wird ihre Fähigkeit genutzt, Fluoreszenz bestimmter Verbindungen hervorzurufen und photochemisch auf den Film einzuwirken. Zu diesem Zweck werden spezielle Bildschirme für die Durchleuchtung und fotografische Filme für die Radiographie verwendet. In modernen Röntgengeräten werden spezielle Systeme digitaler elektronischer Detektoren - Digital Electronic Panels - verwendet, um abgeschwächte Strahlung zu registrieren. In diesem Fall werden Röntgenverfahren als digital bezeichnet.
Aufgrund der biologischen Wirkung von Röntgenstrahlen ist es wichtig, Patienten während der Untersuchung zu schützen. Dies wird erreicht
möglichst kurze Belichtungszeit, Ersatz der Durchleuchtung durch Röntgen, streng begründeter Einsatz ionisierender Verfahren, Schutz durch Abschirmung von Patient und Personal vor Strahlenbelastung.
Kurze Beschreibung der Röntgenstrahlung - Konzept und Typen. Einteilung und Merkmale der Kategorie „Kurzkennwerte der Röntgenstrahlung“ 2017, 2018.
RÖNTGENSTRAHLUNG
unsichtbare Strahlung, die alle Stoffe, wenn auch in unterschiedlichem Maße, durchdringen kann. Dabei handelt es sich um elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von etwa 10-8 cm, Röntgenstrahlen verursachen wie sichtbares Licht eine Schwärzung von fotografischen Filmen. Diese Eigenschaft ist von großer Bedeutung für Medizin, Industrie und wissenschaftliche Forschung. Durch das Untersuchungsobjekt hindurch und dann auf den Film fallend, bildet die Röntgenstrahlung dessen innere Struktur darauf ab. Da die Durchdringungskraft der Röntgenstrahlung für verschiedene Materialien unterschiedlich ist, ergeben für sie weniger transparente Teile des Objekts hellere Bereiche auf der Aufnahme als solche, die die Strahlung gut durchdringt. Daher ist Knochengewebe weniger transparent für Röntgenstrahlen als die Gewebe, aus denen die Haut und die inneren Organe bestehen. Auf dem Röntgenbild werden daher die Knochen heller dargestellt und die strahlendurchlässigere Frakturstelle lässt sich recht gut erkennen. Die Röntgenbildgebung wird auch in der Zahnmedizin zur Erkennung von Karies und Abszessen in den Zahnwurzeln sowie in der Industrie zur Erkennung von Rissen in Gussteilen, Kunststoffen und Gummi verwendet. Röntgenstrahlen werden in der Chemie zur Analyse von Verbindungen und in der Physik zur Untersuchung der Struktur von Kristallen eingesetzt. Ein Röntgenstrahl, der eine chemische Verbindung durchdringt, verursacht eine charakteristische Sekundärstrahlung, deren spektroskopische Analyse dem Chemiker erlaubt, die Zusammensetzung der Verbindung zu bestimmen. Beim Auftreffen auf eine kristalline Substanz wird ein Röntgenstrahl von den Atomen des Kristalls gestreut, wodurch auf einer Fotoplatte ein klares, regelmäßiges Muster aus Punkten und Streifen entsteht, das es ermöglicht, die innere Struktur des Kristalls festzustellen. Die Verwendung von Röntgenstrahlen in der Krebsbehandlung basiert auf der Tatsache, dass sie Krebszellen abtötet. Es kann jedoch auch eine unerwünschte Wirkung auf normale Zellen haben. Daher ist bei dieser Verwendung von Röntgenstrahlen äußerste Vorsicht geboten. Die Röntgenstrahlung wurde von dem deutschen Physiker W. Roentgen (1845-1923) entdeckt. Sein Name ist in einigen anderen physikalischen Begriffen verewigt, die mit dieser Strahlung in Verbindung gebracht werden: Die internationale Einheit der Dosis ionisierender Strahlung wird Röntgen genannt; ein mit einem Röntgengerät aufgenommenes Bild wird als Röntgenbild bezeichnet; Der Bereich der Strahlenmedizin, der Röntgenstrahlen zur Diagnose und Behandlung von Krankheiten einsetzt, wird als Radiologie bezeichnet. Röntgen entdeckte die Strahlung 1895 als Physikprofessor an der Universität Würzburg. Bei Experimenten mit Kathodenstrahlen (Elektronenflüsse in Entladungsröhren) bemerkte er, dass ein mit kristallinem Bariumcyanoplatin bedeckter Schirm in der Nähe der Vakuumröhre hell leuchtet, obwohl die Röhre selbst mit schwarzer Pappe bedeckt ist. Röntgen stellte weiter fest, dass die Durchdringungskraft der von ihm entdeckten unbekannten Strahlen, die er Röntgenstrahlen nannte, von der Zusammensetzung des absorbierenden Materials abhängt. Er bildete auch die Knochen seiner eigenen Hand ab, indem er sie zwischen eine Kathodenstrahl-Entladungsröhre und einen mit Bariumcyanoplatin beschichteten Bildschirm legte. Der Entdeckung von Röntgen folgten Experimente anderer Forscher, die viele neue Eigenschaften und Möglichkeiten entdeckten, diese Strahlung zu nutzen. Einen großen Beitrag leisteten M. Laue, W. Friedrich und P. Knipping, die 1912 die Beugung von Röntgenstrahlen beim Durchgang durch einen Kristall demonstrierten; W. Coolidge, der 1913 eine Hochvakuum-Röntgenröhre mit beheizter Kathode erfand; G. Moseley, der 1913 die Beziehung zwischen der Wellenlänge der Strahlung und der Ordnungszahl eines Elements feststellte; G. und L. Braggi, die 1915 den Nobelpreis für die Entwicklung der Grundlagen der Röntgenbeugungsanalyse erhielten.
RÖNTGENSTRAHLUNG ERHALTEN
Röntgenstrahlung entsteht, wenn Elektronen, die sich mit hoher Geschwindigkeit bewegen, mit Materie wechselwirken. Wenn Elektronen mit Atomen irgendeiner Substanz kollidieren, verlieren sie schnell ihre kinetische Energie. Dabei wird der größte Teil in Wärme und ein kleiner Bruchteil, meist weniger als 1 %, in Röntgenenergie umgewandelt. Diese Energie wird in Form von Quanten freigesetzt – Teilchen, die Photonen genannt werden, die Energie haben, aber keine Ruhemasse haben. Röntgenphotonen unterscheiden sich in ihrer Energie, die umgekehrt proportional zu ihrer Wellenlänge ist. Bei dem herkömmlichen Verfahren zum Erhalten von Röntgenstrahlen wird ein weiter Wellenlängenbereich erhalten, der als Röntgenspektrum bezeichnet wird. Das Spektrum enthält ausgeprägte Komponenten, wie in Abb. 1. Ein breites "Kontinuum" wird als kontinuierliches Spektrum oder weiße Strahlung bezeichnet. Die ihm überlagerten scharfen Spitzen werden als charakteristische Röntgenemissionslinien bezeichnet. Obwohl das gesamte Spektrum das Ergebnis von Kollisionen von Elektronen mit Materie ist, sind die Mechanismen für das Auftreten seines breiten Teils und seiner Linien unterschiedlich. Eine Substanz besteht aus einer großen Anzahl von Atomen, von denen jedes einen Kern hat, der von Elektronenhüllen umgeben ist, und jedes Elektron in der Hülle eines Atoms eines bestimmten Elements nimmt ein bestimmtes diskretes Energieniveau ein. Normalerweise werden diese Schalen oder Energieniveaus mit den Symbolen K, L, M usw. bezeichnet, beginnend mit der Schale, die dem Kern am nächsten liegt. Wenn ein einfallendes Elektron ausreichend hoher Energie mit einem der an das Atom gebundenen Elektronen kollidiert, schlägt es dieses Elektron aus seiner Hülle. Der leere Raum wird von einem anderen Elektron aus der Hülle besetzt, was einer höheren Energie entspricht. Letztere gibt überschüssige Energie ab, indem sie ein Röntgenphoton aussendet. Da die Hüllenelektronen diskrete Energiewerte haben, haben auch die resultierenden Röntgenphotonen ein diskretes Spektrum. Dies entspricht scharfen Peaks für bestimmte Wellenlängen, deren spezifische Werte vom Zielelement abhängen. Die charakteristischen Linien bilden K-, L- und M-Reihen, je nachdem aus welcher Schale (K, L oder M) das Elektron entfernt wurde. Der Zusammenhang zwischen der Wellenlänge von Röntgenstrahlen und der Ordnungszahl wird als Moseleysches Gesetz bezeichnet (Abb. 2).
Wenn ein Elektron mit einem relativ schweren Kern kollidiert, wird es langsamer und seine kinetische Energie wird in Form eines Röntgenphotons mit ungefähr derselben Energie freigesetzt. Wenn er am Kern vorbeifliegt, verliert er nur einen Teil seiner Energie, und der Rest wird auf andere Atome übertragen, die ihm in den Weg fallen. Jeder Energieverlust führt zur Emission eines Photons mit einer gewissen Energie. Es erscheint ein kontinuierliches Röntgenspektrum, dessen obere Grenze der Energie des schnellsten Elektrons entspricht. Dies ist der Mechanismus für die Bildung eines kontinuierlichen Spektrums, und die maximale Energie (oder minimale Wellenlänge), die die Grenze des kontinuierlichen Spektrums festlegt, ist proportional zur Beschleunigungsspannung, die die Geschwindigkeit der einfallenden Elektronen bestimmt. Die Spektrallinien charakterisieren das Material des beschossenen Targets, während das kontinuierliche Spektrum durch die Energie des Elektronenstrahls bestimmt wird und praktisch nicht vom Targetmaterial abhängt. Röntgenstrahlen können nicht nur durch Elektronenbeschuss erhalten werden, sondern auch durch Bestrahlen des Targets mit Röntgenstrahlen aus einer anderen Quelle. In diesem Fall geht jedoch die meiste Energie des einfallenden Strahls in das charakteristische Röntgenstrahlenspektrum und ein sehr kleiner Bruchteil davon fällt in das kontinuierliche Spektrum. Offensichtlich muss der einfallende Röntgenstrahl Photonen enthalten, deren Energie ausreicht, um die charakteristischen Linien des beschossenen Elements anzuregen. Der hohe Energieanteil pro charakteristischem Spektrum macht diese Methode der Röntgenanregung für die wissenschaftliche Forschung geeignet.
Röntgenröhren. Um Röntgenstrahlung aufgrund der Wechselwirkung von Elektronen mit Materie zu erhalten, ist es notwendig, eine Elektronenquelle, Mittel zu ihrer Beschleunigung auf hohe Geschwindigkeiten und ein Ziel zu haben, das einem Elektronenbeschuss standhalten und Röntgenstrahlung erzeugen kann die erforderliche Intensität. Das Gerät, das all dies hat, wird Röntgenröhre genannt. Frühe Entdecker verwendeten „Tiefvakuum“-Röhren wie die heutigen Entladungsröhren. Das Vakuum in ihnen war nicht sehr hoch. Entladungsröhren enthalten eine kleine Menge Gas, und wenn eine große Potentialdifferenz an die Elektroden der Röhre angelegt wird, verwandeln sich die Gasatome in positive und negative Ionen. Die positiven bewegen sich in Richtung der negativen Elektrode (Kathode) und schlagen Elektronen heraus, wenn sie darauf fallen, und sie bewegen sich wiederum in Richtung der positiven Elektrode (Anode) und erzeugen, indem sie sie bombardieren, einen Strom von Röntgenphotonen . In der von Coolidge entwickelten modernen Röntgenröhre (Abb. 3) ist die Elektronenquelle eine auf hohe Temperatur erhitzte Wolframkathode. Die Elektronen werden durch die hohe Potentialdifferenz zwischen Anode (oder Antikathode) und Kathode auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt. Da die Elektronen die Anode erreichen müssen, ohne mit Atomen zu kollidieren, ist ein sehr hohes Vakuum erforderlich, wofür die Röhre gut evakuiert sein muss. Dadurch verringert sich auch die Wahrscheinlichkeit einer Ionisation der verbleibenden Gasatome und der damit verbundenen Seitenströme.
Die Elektronen werden durch eine speziell geformte Elektrode, die die Kathode umgibt, auf die Anode fokussiert. Diese Elektrode wird Fokussierelektrode genannt und bildet zusammen mit der Kathode den "elektronischen Suchscheinwerfer" der Röhre. Die dem Elektronenbeschuss ausgesetzte Anode muss aus einem feuerfesten Material bestehen, da der Großteil der kinetischen Energie der auftreffenden Elektronen in Wärme umgewandelt wird. Außerdem ist es wünschenswert, dass die Anode aus einem Material mit hoher Ordnungszahl besteht, da die Röntgenausbeute steigt mit steigender Ordnungszahl. Als Anodenmaterial wird meist Wolfram mit der Ordnungszahl 74 gewählt.Je nach Einsatzbedingungen und Anforderungen kann die Bauform von Röntgenröhren unterschiedlich sein.
RÖNTGENERKENNUNG
Alle Methoden zum Nachweis von Röntgenstrahlen basieren auf ihrer Wechselwirkung mit Materie. Es gibt zwei Arten von Detektoren: solche, die ein Bild liefern, und solche, die dies nicht tun. Erstere umfassen Röntgenfluorographie- und Fluoroskopiegeräte, bei denen der Röntgenstrahl das zu untersuchende Objekt durchdringt und die durchgelassene Strahlung in den Leuchtschirm oder -film eintritt. Das Bild entsteht dadurch, dass verschiedene Teile des Untersuchungsobjekts Strahlung auf unterschiedliche Weise absorbieren – abhängig von der Dicke der Substanz und ihrer Zusammensetzung. Bei Detektoren mit Leuchtschirm wird die Röntgenenergie in ein direkt beobachtbares Bild umgewandelt, während sie bei der Radiographie auf einer empfindlichen Emulsion aufgezeichnet wird und erst nach der Entwicklung des Films beobachtet werden kann. Die zweite Art von Detektoren umfasst eine Vielzahl von Geräten, in denen die Röntgenenergie in elektrische Signale umgewandelt wird, die die relative Intensität der Strahlung charakterisieren. Dazu gehören Ionisationskammern, ein Geigerzähler, ein Proportionalzähler, ein Szintillationszähler und einige spezielle Detektoren auf Basis von Cadmiumsulfid und Selenid. Derzeit können Szintillationszähler als die effizientesten Detektoren angesehen werden, die in einem weiten Energiebereich gut funktionieren.
siehe auch PARTIKELDEKTOREN . Der Detektor wird unter Berücksichtigung der Bedingungen des Problems ausgewählt. Soll beispielsweise die Intensität gebeugter Röntgenstrahlung genau gemessen werden, werden Zähler eingesetzt, die Messungen mit einer Genauigkeit von Bruchteilen eines Prozents ermöglichen. Wenn viele gebeugte Strahlen registriert werden müssen, empfiehlt sich die Verwendung eines Röntgenfilms, obwohl in diesem Fall die Intensität nicht mit der gleichen Genauigkeit bestimmt werden kann.
RÖNTGEN- UND GAMMA-DEFEKTOSKOPIE
Eine der häufigsten Anwendungen von Röntgenstrahlen in der Industrie ist die Materialqualitätskontrolle und Fehlererkennung. Das Röntgenverfahren ist zerstörungsfrei, so dass das zu prüfende Material, wenn es die geforderten Anforderungen erfüllt, anschließend bestimmungsgemäß verwendet werden kann. Sowohl die Röntgen- als auch die Gamma-Fehlererkennung basieren auf der Durchdringungskraft von Röntgenstrahlen und den Eigenschaften ihrer Absorption in Materialien. Die Durchschlagskraft wird durch die Energie der Röntgenphotonen bestimmt, die von der Beschleunigungsspannung in der Röntgenröhre abhängt. Daher benötigen dicke Proben und Proben von Schwermetallen wie Gold und Uran für ihre Untersuchung eine Röntgenquelle mit höherer Spannung, und für dünne Proben ist eine Quelle mit niedrigerer Spannung ausreichend. Zur Gammastrahlen-Fehlerprüfung von sehr großen Gussteilen und großen Walzprodukten werden Betatrons und Linearbeschleuniger verwendet, die Teilchen auf Energien von 25 MeV und mehr beschleunigen. Die Absorption von Röntgenstrahlen in einem Material hängt von der Dicke des Absorbers d und dem Absorptionskoeffizienten m ab und wird durch die Formel I = I0e-md bestimmt, wobei I die Intensität der durch den Absorber durchgelassenen Strahlung, I0 die ist Intensität der einfallenden Strahlung, und e = 2,718 ist die Basis des natürlichen Logarithmus. Für ein gegebenes Material ist bei einer gegebenen Wellenlänge (oder Energie) von Röntgenstrahlen der Absorptionskoeffizient eine Konstante. Die Strahlung einer Röntgenquelle ist aber nicht monochromatisch, sondern enthält ein breites Wellenlängenspektrum, wodurch die Absorption bei gleicher Dicke des Absorbers von der Wellenlänge (Frequenz) der Strahlung abhängt. Röntgenstrahlung wird in allen Branchen, die mit der Verarbeitung von Metallen durch Druck verbunden sind, weit verbreitet eingesetzt. Es wird auch verwendet, um Artillerieläufe, Lebensmittel, Kunststoffe zu testen, um komplexe Geräte und Systeme in der Elektrotechnik zu testen. (Neutronographie, die Neutronenstrahlen anstelle von Röntgenstrahlen verwendet, wird für ähnliche Zwecke verwendet.) Röntgenstrahlen werden auch für andere Zwecke verwendet, z. B. zur Untersuchung von Gemälden auf ihre Echtheit oder zum Nachweis zusätzlicher Farbschichten auf der Hauptschicht .
RÖNTGENBEUGUNG
Röntgenbeugung liefert wichtige Informationen über Festkörper – ihre atomare Struktur und Kristallform – sowie über Flüssigkeiten, amorphe Körper und große Moleküle. Die Beugungsmethode wird auch zur genauen (mit einem Fehler von weniger als 10-5) Bestimmung interatomarer Abstände, zum Nachweis von Spannungen und Defekten und zur Bestimmung der Orientierung von Einkristallen verwendet. Das Beugungsmuster kann unbekannte Materialien identifizieren sowie das Vorhandensein von Verunreinigungen in der Probe erkennen und bestimmen. Die Bedeutung der Röntgenbeugungsmethode für den Fortschritt der modernen Physik kann kaum überschätzt werden, da das moderne Verständnis der Eigenschaften von Materie letztlich auf Daten über die Anordnung von Atomen in verschiedenen chemischen Verbindungen, über die Art der Bindungen basiert zwischen ihnen und auf strukturelle Mängel. Das Hauptwerkzeug, um diese Informationen zu erhalten, ist die Röntgenbeugungsmethode. Die Röntgenbeugungskristallographie ist für die Bestimmung der Strukturen komplexer großer Moleküle wie der Desoxyribonukleinsäure (DNA), dem genetischen Material lebender Organismen, unerlässlich. Unmittelbar nach der Entdeckung der Röntgenstrahlung konzentrierte sich das wissenschaftliche und medizinische Interesse sowohl auf die Fähigkeit dieser Strahlung, Körper zu durchdringen, als auch auf ihre Natur. Versuche zur Beugung von Röntgenstrahlen an Schlitzen und Beugungsgittern zeigten, dass sie zur elektromagnetischen Strahlung gehört und eine Wellenlänge in der Größenordnung von 10-8-10-9 cm hat, was Wissenschaftler, insbesondere W. Barlow, schon früher vermuteten Die regelmäßige und symmetrische Form natürlicher Kristalle ist auf die geordnete Anordnung der Atome zurückzuführen, die den Kristall bilden. In einigen Fällen war Barlow in der Lage, die Struktur eines Kristalls korrekt vorherzusagen. Der Wert der vorhergesagten Atomabstände betrug 10-8 cm.Die Tatsache, dass sich herausstellte, dass die Atomabstände in der Größenordnungder Röntgenwellenlänge liegen, ermöglichte es im Prinzip, ihre Beugungzu beobachten. Das Ergebnis war die Idee für eines der wichtigsten Experimente in der Geschichte der Physik. M. Laue organisierte einen experimentellen Test dieser Idee, der von seinen Kollegen W. Friedrich und P. Knipping durchgeführt wurde. 1912 veröffentlichten die drei ihre Arbeit über die Ergebnisse der Röntgenbeugung. Prinzipien der Röntgenbeugung. Um das Phänomen der Röntgenbeugung zu verstehen, muss man der Reihe nach betrachten: erstens das Spektrum der Röntgenstrahlen, zweitens die Natur der Kristallstruktur und drittens das Phänomen der Beugung selbst. Wie oben erwähnt, besteht die charakteristische Röntgenstrahlung aus einer Reihe von Spektrallinien hoher Monochromatizität, die durch das Anodenmaterial bestimmt wird. Mit Hilfe von Filtern können Sie die intensivsten davon auswählen. Daher ist es durch geeignete Wahl des Anodenmaterials möglich, eine Quelle nahezu monochromatischer Strahlung mit einem sehr genau definierten Wellenlängenwert zu erhalten. Die Wellenlängen der charakteristischen Strahlung reichen typischerweise von 2,285 für Chrom bis 0,558 für Silber (die Werte für die verschiedenen Elemente sind bis zu sechs signifikanten Stellen bekannt). Das charakteristische Spektrum wird aufgrund der Verzögerung der einfallenden Elektronen in der Anode einem kontinuierlichen "weißen" Spektrum mit viel geringerer Intensität überlagert. Somit können von jeder Anode zwei Arten von Strahlung erhalten werden: Eigen- und Bremsstrahlung, die jeweils auf ihre Weise eine wichtige Rolle spielen. Atome in der Kristallstruktur sind in regelmäßigen Abständen angeordnet und bilden eine Folge identischer Zellen - ein räumliches Gitter. Einige Gitter (zum Beispiel für die meisten gewöhnlichen Metalle) sind ziemlich einfach, während andere (zum Beispiel für Proteinmoleküle) ziemlich komplex sind. Die Kristallstruktur ist dadurch gekennzeichnet, dass man von einem bestimmten Punkt einer Zelle zum entsprechenden Punkt der Nachbarzelle verschiebt, dann findet man genau dieselbe atomare Umgebung vor. Und wenn sich ein Atom an dem einen oder anderen Punkt einer Zelle befindet, dann befindet sich dasselbe Atom am äquivalenten Punkt einer benachbarten Zelle. Dieses Prinzip gilt strikt für einen perfekten, ideal geordneten Kristall. Viele Kristalle (z. B. metallische Mischkristalle) sind jedoch bis zu einem gewissen Grad ungeordnet; kristallographisch äquivalente Plätze können von verschiedenen Atomen besetzt werden. In diesen Fällen wird nicht die Position jedes Atoms bestimmt, sondern nur die Position eines Atoms „statistisch gemittelt“ über eine Vielzahl von Teilchen (oder Zellen). Das Phänomen der Beugung wird im Artikel OPTICS diskutiert und der Leser kann diesen Artikel lesen, bevor er fortfährt. Sie zeigt, dass, wenn Wellen (z. B. Schall, Licht, Röntgenstrahlen) durch einen kleinen Schlitz oder ein kleines Loch gehen, dieses als sekundäre Wellenquelle betrachtet werden kann und das Bild des Schlitzes oder Lochs aus wechselndem Licht besteht und dunkle Streifen. Wenn ferner eine periodische Struktur von Löchern oder Schlitzen vorhanden ist, dann entsteht als Ergebnis der verstärkenden und dämpfenden Interferenz von Strahlen, die von verschiedenen Löchern kommen, ein klares Beugungsmuster. Röntgenbeugung ist ein kollektives Streuphänomen, bei dem die Rolle von Löchern und Streuzentren von periodisch angeordneten Atomen der Kristallstruktur gespielt wird. Die gegenseitige Verstärkung ihrer Bilder unter bestimmten Winkeln ergibt ein Beugungsmuster ähnlich dem, das sich aus der Beugung von Licht an einem dreidimensionalen Beugungsgitter ergeben würde. Streuung tritt aufgrund der Wechselwirkung der einfallenden Röntgenstrahlung mit Elektronen im Kristall auf. Aufgrund der Tatsache, dass die Wellenlänge der Röntgenstrahlung in der gleichen Größenordnung wie die Abmessungen des Atoms liegt, ist die Wellenlänge der gestreuten Röntgenstrahlung dieselbe wie die der einfallenden. Dieser Prozess ist das Ergebnis erzwungener Schwingungen von Elektronen unter Einwirkung einfallender Röntgenstrahlen. Betrachten Sie nun ein Atom mit einer Wolke aus gebundenen Elektronen (die den Kern umgibt), auf die Röntgenstrahlen einfallen. Elektronen in alle Richtungen streuen gleichzeitig die einfallende und emittieren eigene Röntgenstrahlung gleicher Wellenlänge, jedoch unterschiedlicher Intensität. Die Intensität der gestreuten Strahlung hängt mit der Ordnungszahl des Elements zusammen, da Die Ordnungszahl ist gleich der Anzahl der Orbitalelektronen, die an der Streuung teilnehmen können. (Diese Abhängigkeit der Intensität von der Ordnungszahl des streuenden Elements und von der Richtung, in der die Intensität gemessen wird, wird durch den atomaren Streufaktor charakterisiert, der bei der Analyse der Struktur von Kristallen eine äußerst wichtige Rolle spielt.) Lassen Sie uns Wählen Sie in der Kristallstruktur eine lineare Kette von Atomen, die sich in gleichem Abstand zueinander befinden, und betrachten Sie ihr Beugungsmuster. Es wurde bereits festgestellt, dass das Röntgenspektrum aus einem kontinuierlichen Teil ("Kontinuum") und einer Reihe intensiverer Linien besteht, die für das Element charakteristisch sind, das das Anodenmaterial ist. Nehmen wir an, wir haben das kontinuierliche Spektrum herausgefiltert und einen fast monochromatischen Röntgenstrahl erhalten, der auf unsere lineare Atomkette gerichtet ist. Die Verstärkungsbedingung (verstärkende Interferenz) ist erfüllt, wenn der Gangunterschied von an benachbarten Atomen gestreuten Wellen ein Vielfaches der Wellenlänge ist. Wenn der Strahl unter einem Winkel a0 auf eine Reihe von Atomen einfällt, die durch Intervalle a (Periode) getrennt sind, dann wird für den Beugungswinkel a der der Verstärkung entsprechende Gangunterschied geschrieben als a(cos a - cosa0) = hl, wobei l ist die Wellenlänge und h ist eine ganze Zahl (Abb. 4 und 5).
Um diesen Ansatz auf einen dreidimensionalen Kristall zu erweitern, müssen nur Atomreihen in zwei anderen Richtungen im Kristall gewählt und die drei so erhaltenen Gleichungen gemeinsam für drei Kristallachsen mit den Perioden a, b und c gelöst werden. Die anderen beiden Gleichungen sind
Dies sind die drei grundlegenden Laue-Gleichungen für die Röntgenbeugung, wobei die Zahlen h, k und c die Miller-Indizes für die Beugungsebene sind.
siehe auch Kristalle und Kristallographie. Wenn man eine der Laue-Gleichungen betrachtet, zum Beispiel die erste, kann man feststellen, dass, da a, a0, l Konstanten sind und h = 0, 1, 2, ..., ihre Lösung als eine Menge von Kegeln mit dargestellt werden kann eine gemeinsame Achse a (Abb. . 5). Dasselbe gilt für die Richtungen b und c. Im allgemeinen Fall der dreidimensionalen Streuung (Beugung) müssen die drei Laue-Gleichungen eine gemeinsame Lösung haben, d.h. drei Beugungskegel, die sich auf jeder der Achsen befinden, müssen sich schneiden; die gemeinsame Schnittlinie ist in Abb. 1 dargestellt. 6. Die gemeinsame Lösung der Gleichungen führt auf das Bragg-Wulf-Gesetz:
l = 2(d/n)sinq, wobei d der Abstand zwischen den Ebenen mit den Indizes h, k und c (Periode) ist, n = 1, 2, ... ganze Zahlen sind (Beugungsordnung) und q der Winkel ist gebildet durch einfallenden Strahl (sowie Beugung) mit der Ebene des Kristalls, in der Beugung auftritt. Wenn wir die Gleichung des Bragg-Wolfe-Gesetzes für einen Einkristall analysieren, der sich im Weg eines monochromatischen Röntgenstrahls befindet, können wir den Schluss ziehen, dass die Beugung nicht einfach zu beobachten ist, weil l und q sind fest, und sinq Methoden der Beugungsanalyse
Laue-Methode. Das Laue-Verfahren verwendet ein kontinuierliches "weißes" Spektrum von Röntgenstrahlen, das auf einen stationären Einkristall gerichtet ist. Für einen bestimmten Wert der Periode d wird automatisch die der Bragg-Wulf-Bedingung entsprechende Wellenlänge aus dem gesamten Spektrum ausgewählt. Die so gewonnenen Laue-Muster erlauben es, die Richtungen der gebeugten Strahlen und damit die Orientierungen der Kristallebenen zu beurteilen, was auch wichtige Rückschlüsse auf die Symmetrie, Orientierung des Kristalls und das Vorhandensein zulässt von Mängeln darin. In diesem Fall geht jedoch die Information über die räumliche Periode d verloren. Auf Abb. 7 zeigt ein Beispiel eines Lauegramms. Der Röntgenfilm war auf der Seite des Kristalls angeordnet, die der Seite gegenüberlag, auf die der Röntgenstrahl von der Quelle einfiel.
Debye-Scherrer-Methode (für polykristalline Proben). Im Gegensatz zum vorherigen Verfahren wird hier mit monochromatischer Strahlung (l = const) gearbeitet und der Winkel q variiert. Dies wird erreicht, indem eine polykristalline Probe verwendet wird, die aus zahlreichen kleinen Kristalliten mit zufälliger Orientierung besteht, unter denen solche sind, die die Bragg-Wulf-Bedingung erfüllen. Die gebeugten Strahlen bilden Kegel, deren Achse entlang des Röntgenstrahls gerichtet ist. Zur Bildgebung wird üblicherweise ein schmaler Streifen Röntgenfilm in einer zylindrischen Kassette verwendet, und Röntgenstrahlen breiten sich entlang des Durchmessers durch Löcher im Film aus. Das so erhaltene Debyegramm (Abb. 8) enthält genaue Informationen über die Periode d, d.h. über die Struktur des Kristalls, gibt aber nicht die Informationen wieder, die das Lauegram enthält. Daher ergänzen sich beide Methoden. Betrachten wir einige Anwendungen des Debye-Scherrer-Verfahrens.
Identifizierung chemischer Elemente und Verbindungen. Aus dem aus dem Debyegramm bestimmten Winkel q kann man den Netzebenenabstand d berechnen, der für ein gegebenes Element oder eine Verbindung charakteristisch ist. Derzeit wurden viele Tabellen mit d-Werten zusammengestellt, die es ermöglichen, nicht nur das eine oder andere chemische Element oder eine chemische Verbindung zu identifizieren, sondern auch verschiedene Phasenzustände derselben Substanz, was nicht immer eine chemische Analyse ergibt. Aus der Abhängigkeit der Periode d von der Konzentration kann auch der Gehalt der zweiten Komponente in Substitutionslegierungen mit hoher Genauigkeit bestimmt werden.
Spannungsanalyse. Aus der gemessenen Differenz der Netzebenenabstände für verschiedene Richtungen in Kristallen ist es bei Kenntnis des Elastizitätsmoduls des Materials möglich, kleine Spannungen darin mit hoher Genauigkeit zu berechnen.
Untersuchungen zur Vorzugsorientierung in Kristallen. Wenn kleine Kristallite in einer polykristallinen Probe nicht völlig zufällig orientiert sind, haben die Ringe auf dem Debyegramm unterschiedliche Intensitäten. Bei ausgeprägter Vorzugsorientierung konzentrieren sich die Intensitätsmaxima auf einzelne Punkte im Bild, das dem Bild eines Einkristalls ähnlich wird. Beispielsweise erhält ein Blech beim Kaltwalzen eine Textur - eine ausgeprägte Ausrichtung von Kristalliten. Anhand des Debaygramms kann man die Art der Kaltumformung des Materials beurteilen.
Untersuchung der Korngrößen. Wenn die Korngröße des Polykristalls mehr als 10-3 cm beträgt, bestehen die Linien auf dem Debyegram aus separaten Flecken, da in diesem Fall die Anzahl der Kristallite nicht ausreicht, um den gesamten Wertebereich der Winkel abzudecken q. Wenn die Kristallitgröße weniger als 10-5 cm beträgt, werden die Beugungslinien breiter. Ihre Breite ist umgekehrt proportional zur Größe der Kristallite. Die Verbreiterung tritt aus dem gleichen Grund auf, aus dem eine Verringerung der Anzahl von Schlitzen die Auflösung eines Beugungsgitters verringert. Durch Röntgenstrahlung lassen sich Korngrößen im Bereich von 10-7-10-6 cm bestimmen.
Methoden für Einkristalle. Damit die Beugung durch einen Kristall nicht nur Informationen über die räumliche Periode, sondern auch über die Orientierung jedes Satzes von Beugungsebenen liefert, werden Verfahren eines rotierenden Einkristalls verwendet. Auf den Kristall fällt ein monochromatischer Röntgenstrahl. Der Kristall rotiert um die Hauptachse, wofür die Laue-Gleichungen erfüllt sind. Dabei ändert sich der Winkel q, der in der Bragg-Wulf-Formel enthalten ist. Die Beugungsmaxima befinden sich am Schnittpunkt der Laue-Beugungskegel mit der zylindrischen Oberfläche des Films (Abb. 9). Das Ergebnis ist ein Beugungsmuster des in Abb. 10. Es sind jedoch Komplikationen aufgrund der Überlappung verschiedener Beugungsordnungen an einem Punkt möglich. Das Verfahren lässt sich deutlich verbessern, wenn gleichzeitig mit der Drehung des Kristalls auch die Folie in bestimmter Weise bewegt wird.
Untersuchungen von Flüssigkeiten und Gasen. Es ist bekannt, dass Flüssigkeiten, Gase und amorphe Körper nicht die richtige Kristallstruktur haben. Aber auch hier besteht eine chemische Bindung zwischen den Atomen in den Molekülen, wodurch der Abstand zwischen ihnen nahezu konstant bleibt, obwohl die Moleküle selbst zufällig im Raum orientiert sind. Solche Materialien ergeben auch ein Beugungsmuster mit einer relativ kleinen Anzahl verschmierter Maxima. Die Verarbeitung eines solchen Bildes mit modernen Methoden ermöglicht es, Informationen über die Struktur auch solcher nichtkristalliner Materialien zu erhalten.
SPEKTROCHEMISCHE RÖNTGENANALYSE
Ch. Barkla (1877-1944) entdeckte einige Jahre nach der Entdeckung der Röntgenstrahlen, dass bei Einwirkung eines hochenergetischen Röntgenflusses auf einen Stoff sekundäre fluoreszierende Röntgenstrahlung entsteht, die für das Element charakteristisch ist im Studium. Kurz danach maß G. Moseley in einer Reihe seiner Experimente die Wellenlängen der primären charakteristischen Röntgenstrahlung, die durch Elektronenbeschuss verschiedener Elemente erhalten wurde, und leitete die Beziehung zwischen der Wellenlänge und der Ordnungszahl ab. Diese Experimente und Braggs Erfindung des Röntgenspektrometers legten den Grundstein für die spektrochemische Röntgenanalyse. Die Möglichkeiten der Röntgenstrahlen für die chemische Analyse wurden sofort erkannt. Spektrogramme wurden mit Registrierung auf einer Fotoplatte erstellt, in der die zu untersuchende Probe als Anode einer Röntgenröhre diente. Leider erwies sich diese Technik als sehr arbeitsaufwändig und wurde daher nur dann eingesetzt, wenn die üblichen Methoden der chemischen Analyse nicht anwendbar waren. Ein herausragendes Beispiel für innovative Forschung auf dem Gebiet der analytischen Röntgenspektroskopie war die Entdeckung eines neuen Elements, Hafnium, durch G. Hevesy und D. Coster im Jahr 1923. Die Entwicklung von Hochleistungs-Röntgenröhren für die Radiographie und empfindlichen Detektoren für radiochemische Messungen während des Zweiten Weltkriegs trug wesentlich zum schnellen Wachstum der Röntgenspektrographie in den folgenden Jahren bei. Diese Methode hat sich aufgrund der Geschwindigkeit, Bequemlichkeit, zerstörungsfreien Natur der Analyse und der Möglichkeit der vollständigen oder teilweisen Automatisierung weit verbreitet. Es ist anwendbar auf die Probleme der quantitativen und qualitativen Analyse aller Elemente mit einer Ordnungszahl größer als 11 (Natrium). Und obwohl die röntgenspektrochemische Analyse normalerweise verwendet wird, um die kritischen Komponenten in einer Probe zu bestimmen (von 0,1-100 %), ist sie in einigen Fällen für Konzentrationen von 0,005 % und sogar niedriger geeignet.
Röntgenspektrometer. Ein modernes Röntgenspektrometer besteht aus drei Hauptsystemen (Abb. 11): Anregungssystemen, d.h. Röntgenröhre mit einer Anode aus Wolfram oder einem anderen feuerfesten Material und einer Stromversorgung; Analysesysteme, d.h. ein Analysatorkristall mit zwei Multi-Slit-Kollimatoren sowie ein Spektrogoniometer zur Feinjustierung; und Registriersysteme mit einem Geiger- oder Proportional- oder Szintillationszähler sowie einem Gleichrichter, Verstärker, Zähler und einem Linienschreiber oder einem anderen Aufzeichnungsgerät.
Röntgenfluoreszenzanalyse. Die analysierte Probe befindet sich im Strahlengang der anregenden Röntgenstrahlen. Der zu untersuchende Bereich der Probe wird üblicherweise durch eine Maske mit einem Loch des gewünschten Durchmessers isoliert, und die Strahlung tritt durch einen Kollimator, der einen parallelen Strahl bildet. Hinter dem Analysatorkristall gibt ein Spaltkollimator gebeugte Strahlung für den Detektor ab. Üblicherweise ist der maximale Winkel q auf 80–85° begrenzt, damit nur Röntgenstrahlen, deren Wellenlänge l durch die Ungleichung l mit dem Netzebenenabstand d zusammenhängt, am Analysatorkristall gebeugt werden können. Röntgenmikroanalyse. Das oben beschriebene flache Analysator-Kristallspektrometer kann für die Mikroanalyse angepasst werden. Dies wird erreicht, indem entweder der primäre Röntgenstrahl oder der sekundäre Röntgenstrahl, der von der Probe emittiert wird, eingeengt wird. Eine Verringerung der effektiven Größe der Probe oder der Strahlungsapertur führt jedoch zu einer Verringerung der Intensität der aufgezeichneten gebeugten Strahlung. Eine Verbesserung dieses Verfahrens kann durch die Verwendung eines gekrümmten Kristallspektrometers erreicht werden, das es ermöglicht, einen Kegel divergierender Strahlung zu registrieren und nicht nur Strahlung parallel zur Achse des Kollimators. Mit einem solchen Spektrometer können Partikel kleiner als 25 µm identifiziert werden. Eine noch stärkere Reduzierung der Größe der analysierten Probe wird in dem von R. Kasten erfundenen Röntgenelektronensonden-Mikroanalysator erreicht. Dabei wird die charakteristische Röntgenemission der Probe durch einen hochfokussierten Elektronenstrahl angeregt, der anschließend von einem Bent-Crystal-Spektrometer analysiert wird. Mit einem solchen Gerät ist es möglich, Mengen einer Substanz in der Größenordnung von 10–14 g in einer Probe mit einem Durchmesser von 1 μm nachzuweisen. Es wurden auch Anlagen mit Elektronenstrahlabtastung der Probe entwickelt, mit deren Hilfe es möglich ist, ein zweidimensionales Muster der Verteilung des Elements über die Probe zu erhalten, dessen charakteristische Strahlung auf das Spektrometer abgestimmt ist.
MEDIZINISCHE RÖNTGENDIAGNOSE
Die Entwicklung der Röntgentechnologie hat die Belichtungszeit erheblich verkürzt und die Bildqualität verbessert, sodass sogar Weichteile untersucht werden können.
Fluorographie. Diese diagnostische Methode besteht darin, ein Schattenbild von einem durchscheinenden Bildschirm zu fotografieren. Der Patient wird zwischen eine Röntgenquelle und einen Flachbildschirm aus Phosphor (normalerweise Cäsiumjodid) gelegt, der leuchtet, wenn er Röntgenstrahlen ausgesetzt wird. Biologische Gewebe unterschiedlicher Dichte erzeugen Schatten von Röntgenstrahlung unterschiedlicher Intensität. Ein Radiologe untersucht ein Schattenbild auf einem Leuchtschirm und stellt eine Diagnose. In der Vergangenheit verließ sich ein Radiologe auf das Sehen, um ein Bild zu analysieren. Mittlerweile gibt es verschiedene Systeme, die das Bild verstärken, auf einem Fernsehbildschirm anzeigen oder Daten im Speicher des Computers aufzeichnen.
Radiographie. Die Aufzeichnung eines Röntgenbildes direkt auf einem fotografischen Film wird als Radiographie bezeichnet. In diesem Fall befindet sich das zu untersuchende Organ zwischen der Röntgenquelle und dem Film, der Informationen über den Zustand des Organs zu einem bestimmten Zeitpunkt erfasst. Wiederholte Röntgenaufnahmen ermöglichen es, ihre weitere Entwicklung zu beurteilen. Mit der Radiographie können Sie die Integrität des Knochengewebes, das hauptsächlich aus Kalzium besteht und für Röntgenstrahlen undurchlässig ist, sowie Muskelgewebsrisse sehr genau untersuchen. Mit seiner Hilfe, besser als mit einem Stethoskop oder Abhören, wird der Zustand der Lunge bei Entzündungen, Tuberkulose oder Flüssigkeitsansammlungen analysiert. Mit Hilfe der Radiographie werden die Größe und Form des Herzens sowie die Dynamik seiner Veränderungen bei Patienten mit Herzerkrankungen bestimmt.
Kontrastmittel. Für Röntgenstrahlen durchlässige Körperteile und Hohlräume einzelner Organe werden sichtbar, wenn sie mit einem für den Körper ungefährlichen Kontrastmittel gefüllt sind, das es aber ermöglicht, die Form innerer Organe sichtbar zu machen und ihre Funktion zu überprüfen. Kontrastmittel nimmt der Patient entweder oral ein (zB Bariumsalze bei der Untersuchung des Magen-Darm-Traktes) oder sie werden intravenös verabreicht (zB jodhaltige Lösungen bei der Untersuchung der Nieren und Harnwege). In den letzten Jahren wurden diese Verfahren jedoch durch diagnostische Verfahren ersetzt, die auf der Verwendung von radioaktiven Atomen und Ultraschall basieren.
CT-Scan. In den 1970er Jahren wurde eine neue Methode der Röntgendiagnostik entwickelt, die auf einer vollständigen Fotografie des Körpers oder seiner Teile basiert. Bilder von dünnen Schichten ("Scheiben") werden von einem Computer verarbeitet, und das endgültige Bild wird auf dem Monitorbildschirm angezeigt. Dieses Verfahren nennt sich Röntgen-Computertomographie. Es wird in der modernen Medizin häufig zur Diagnose von Infiltraten, Tumoren und anderen Hirnerkrankungen sowie zur Diagnose von Erkrankungen des Weichgewebes im Körper verwendet. Diese Technik erfordert keine Einführung von Fremdkontrastmitteln und ist daher schneller und effektiver als herkömmliche Techniken.
BIOLOGISCHE WIRKUNG VON RÖNTGENSTRAHLUNG
Die schädliche biologische Wirkung der Röntgenstrahlung wurde kurz nach ihrer Entdeckung durch Röntgen entdeckt. Es stellte sich heraus, dass die neue Strahlung so etwas wie einen schweren Sonnenbrand (Erythem) verursachen kann, jedoch mit tieferen und dauerhafteren Hautschäden. Auftretende Geschwüre verwandelten sich oft in Krebs. In vielen Fällen mussten Finger oder Hände amputiert werden. Es gab auch Todesfälle. Es wurde festgestellt, dass Hautschäden vermieden werden können, indem die Expositionszeit und -dosis reduziert, Abschirmungen (z. B. Blei) und Fernbedienungen verwendet werden. Aber nach und nach wurden andere, längerfristige Auswirkungen der Röntgenbestrahlung entdeckt, die dann bestätigt und an Versuchstieren untersucht wurden. Die Wirkungen aufgrund der Einwirkung von Röntgenstrahlen sowie anderer ionisierender Strahlungen (wie Gammastrahlung, die von radioaktiven Materialien emittiert wird) umfassen: 1) vorübergehende Veränderungen in der Zusammensetzung des Blutes nach einer relativ geringen übermäßigen Exposition; 2) irreversible Veränderungen der Blutzusammensetzung (hämolytische Anämie) nach längerer übermäßiger Exposition; 3) ein Anstieg des Auftretens von Krebs (einschließlich Leukämie); 4) schnelleres Altern und früher Tod; 5) das Auftreten von Katarakten. Darüber hinaus haben biologische Experimente an Mäusen, Kaninchen und Fliegen (Drosophila) gezeigt, dass selbst geringe Dosen einer systematischen Bestrahlung großer Populationen aufgrund einer Erhöhung der Mutationsrate zu schädlichen genetischen Effekten führen. Die meisten Genetiker erkennen die Anwendbarkeit dieser Daten auf den menschlichen Körper an. Die biologische Wirkung von Röntgenstrahlung auf den menschlichen Körper wird durch die Höhe der Strahlendosis sowie durch das jeweilige Körperorgan, das der Strahlung ausgesetzt war, bestimmt. Zum Beispiel werden Blutkrankheiten durch Bestrahlung der blutbildenden Organe, hauptsächlich des Knochenmarks, und genetische Folgen verursacht - durch Bestrahlung der Geschlechtsorgane, die auch zu Unfruchtbarkeit führen können. Die Anhäufung von Wissen über die Auswirkungen von Röntgenstrahlung auf den menschlichen Körper hat zur Entwicklung nationaler und internationaler Normen für zulässige Strahlendosen geführt, die in verschiedenen Referenzpublikationen veröffentlicht wurden. Neben Röntgenstrahlen, die vom Menschen gezielt genutzt werden, gibt es auch die sogenannte gestreute, seitliche Strahlung, die aus verschiedenen Gründen auftritt, beispielsweise durch Streuung aufgrund der Unvollkommenheit des Bleischutzschirms, die dies nicht tut diese Strahlung vollständig absorbieren. Außerdem erzeugen viele elektrische Geräte, die nicht dafür ausgelegt sind, Röntgenstrahlen zu erzeugen, dennoch Röntgenstrahlen als Nebenprodukt. Zu diesen Geräten gehören Elektronenmikroskope, Hochspannungs-Gleichrichterlampen (Kenotrons) sowie Bildröhren veralteter Farbfernseher. Die Produktion moderner Farb-Bildröhren wird in vielen Ländern inzwischen von der Regierung kontrolliert.
GEFÄHRLICHE FAKTOREN DER RÖNTGENSTRAHLUNG
Art und Grad der Gefährdung von Menschen durch Röntgenstrahlen sind abhängig vom Kontingent der Strahlenexponierten.
Fachleute, die mit Röntgengeräten arbeiten. Diese Kategorie umfasst Radiologen, Zahnärzte sowie wissenschaftliche und technische Mitarbeiter und Personal, das Röntgengeräte wartet und verwendet. Es werden wirksame Maßnahmen ergriffen, um die Strahlenbelastung zu reduzieren, mit der sie umgehen müssen.
Patienten. Hier gibt es keine strengen Kriterien, und die sichere Strahlenbelastung, die Patienten während der Behandlung erhalten, wird von den behandelnden Ärzten festgelegt. Ärzten wird geraten, Patienten nicht unnötig Röntgenstrahlen auszusetzen. Bei der Untersuchung von Schwangeren und Kindern ist besondere Vorsicht geboten. In diesem Fall werden besondere Maßnahmen ergriffen.
Kontrollmethoden. Dazu gibt es drei Aspekte:
1) Verfügbarkeit angemessener Ausrüstung, 2) Durchsetzung von Sicherheitsvorschriften, 3) ordnungsgemäße Verwendung der Ausrüstung. Bei einer Röntgenuntersuchung sollte nur der gewünschte Bereich bestrahlt werden, seien es Zahnuntersuchungen oder Lungenuntersuchungen. Beachten Sie, dass unmittelbar nach dem Ausschalten des Röntgengeräts sowohl die Primär- als auch die Sekundärstrahlung verschwinden; es gibt auch keine Reststrahlung, die selbst denen, die in ihrer Arbeit direkt damit zu tun haben, nicht immer bekannt ist.
siehe auch
ATOMSTRUKTUR;
Die Radiologie ist ein Teilbereich der Radiologie, der die Auswirkungen von Röntgenstrahlung auf den Körper von Tieren und Menschen aufgrund dieser Krankheit, ihre Behandlung und Vorbeugung sowie Methoden zur Diagnose verschiedener Pathologien mit Röntgenstrahlen (Röntgendiagnostik) untersucht. . Ein typisches Röntgendiagnostikgerät umfasst eine Stromversorgung (Transformatoren), einen Hochspannungsgleichrichter, der den Wechselstrom des elektrischen Netzes in Gleichstrom umwandelt, ein Bedienfeld, ein Stativ und eine Röntgenröhre.
Röntgenstrahlen sind eine Art elektromagnetischer Schwingungen, die in einer Röntgenröhre während einer starken Verzögerung beschleunigter Elektronen im Moment ihres Zusammenstoßes mit den Atomen der Anodensubstanz entstehen. Gegenwärtig wird allgemein die Auffassung vertreten, dass Röntgenstrahlen aufgrund ihrer physikalischen Natur zu den Arten von Strahlungsenergie gehören, deren Spektrum auch Radiowellen, Infrarotstrahlen, sichtbares Licht, ultraviolette Strahlen und Gammastrahlen umfasst radioaktive Elemente. Röntgenstrahlung kann als eine Ansammlung ihrer kleinsten Teilchen – Quanten oder Photonen – charakterisiert werden.
Reis. 1 - Mobiles Röntgengerät:
A - Röntgenröhre;
B - Stromversorgung;
B - verstellbares Stativ.
Reis. 2 - Bedienfeld des Röntgengeräts (mechanisch - links und elektronisch - rechts): A - Bedienfeld zum Einstellen von Belichtung und Härte;
B - Hochspannungsversorgungsknopf.
Reis. 3 ist ein Blockdiagramm eines typischen Röntgengeräts 1 - Netzwerk;
2 - Autotransformator;
3 - Aufwärtstransformator;
4 - Röntgenröhre;
5 - Anode;
6 - Kathode;
7 - Abwärtstransformator.
Mechanismus der Röntgenstrahlenerzeugung
Röntgenstrahlen entstehen im Moment der Kollision eines Stroms beschleunigter Elektronen mit dem Anodenmaterial. Wenn Elektronen mit einem Ziel interagieren, werden 99 % ihrer kinetischen Energie in Wärmeenergie und nur 1 % in Röntgenstrahlung umgewandelt.
Eine Röntgenröhre besteht aus einem Glasbehälter, in den 2 Elektroden gelötet sind: eine Kathode und eine Anode. Luft wird aus dem Glaszylinder gepumpt: Die Bewegung der Elektronen von der Kathode zur Anode ist nur unter relativen Vakuumbedingungen (10 -7 -10 -8 mm Hg) möglich. An der Kathode befindet sich ein Filament, bei dem es sich um einen eng verdrillten Wolframfaden handelt. Wenn ein elektrischer Strom an das Filament angelegt wird, tritt eine Elektronenemission auf, bei der Elektronen von der Spirale getrennt werden und eine Elektronenwolke in der Nähe der Kathode bilden. Diese Wolke konzentriert sich am Fokussierbecher der Kathode, der die Richtung der Elektronenbewegung vorgibt. Cup - eine kleine Vertiefung in der Kathode. Die Anode wiederum enthält eine Wolframmetallplatte, auf die die Elektronen fokussiert werden – hier entsteht die Röntgenstrahlung.
Reis. 4 - Röntgenröhrengerät: A - Kathode; 
B - Anode;
B - Wolframfaden;
G - Fokussierbecher der Kathode;
D - Strom beschleunigter Elektronen;
E - Wolfram-Target;
G - Glaskolben;
З - ein Fenster aus Beryllium;
Und - gebildete Röntgenstrahlen;
K - Aluminiumfilter.
An die Elektronenröhre sind 2 Transformatoren angeschlossen: Step-down und Step-up. Ein Abwärtstransformator erwärmt die Wolframspule mit einer niedrigen Spannung (5-15 Volt), was zu einer Elektronenemission führt. Ein Aufwärts- oder Hochspannungstransformator geht direkt an Kathode und Anode, die mit einer Spannung von 20–140 Kilovolt versorgt werden. Beide Transformatoren befinden sich im Hochspannungsblock des Röntgengeräts, der mit Transformatorenöl gefüllt ist, das für die Kühlung der Transformatoren und deren zuverlässige Isolierung sorgt.
Nachdem sich mit Hilfe eines Abwärtstransformators eine Elektronenwolke gebildet hat, wird der Aufwärtstransformator eingeschaltet und an beide Pole des Stromkreises Hochspannung angelegt: ein positiver Impuls an die Anode und ein negativer Impuls zur Kathode. Negativ geladene Elektronen werden von einer negativ geladenen Kathode abgestoßen und neigen zu einer positiv geladenen Anode - aufgrund einer solchen Potentialdifferenz wird eine hohe Bewegungsgeschwindigkeit erreicht - 100.000 km / s. Bei dieser Geschwindigkeit bombardieren Elektronen die Anodenplatte aus Wolfram und schließen einen elektrischen Stromkreis, was zu Röntgenstrahlen und thermischer Energie führt.
Röntgenstrahlung wird in Bremsstrahlung und charakteristische Strahlung unterteilt. Bremsstrahlung tritt aufgrund einer starken Verlangsamung der Geschwindigkeit von Elektronen auf, die von einem Wolframfaden emittiert werden. Charakteristische Strahlung tritt im Moment der Umordnung der Elektronenhüllen von Atomen auf. Beide Typen entstehen in einer Röntgenröhre im Moment der Kollision beschleunigter Elektronen mit Atomen des Anodenmaterials. Das Emissionsspektrum einer Röntgenröhre ist eine Überlagerung von Bremsstrahlung und charakteristischer Röntgenstrahlung.
Reis. 5 - das Prinzip der Bildung von Bremsstrahlung Röntgenstrahlen.
Reis. 6 - das Prinzip der Bildung der charakteristischen Röntgenstrahlung.
Grundlegende Eigenschaften von Röntgenstrahlen
- Röntgenstrahlen sind für die visuelle Wahrnehmung unsichtbar.
- Röntgenstrahlung hat eine große Durchdringungskraft durch die Organe und Gewebe eines lebenden Organismus sowie durch dichte Strukturen unbelebter Natur, die keine sichtbaren Lichtstrahlen durchlassen.
- Röntgenstrahlen bringen bestimmte chemische Verbindungen zum Leuchten, die so genannte Fluoreszenz.
- Zink- und Cadmiumsulfide fluoreszieren gelbgrün,
- Kristalle aus Calciumwolframat - violett-blau.
Skala elektromagnetischer Schwingungen
Röntgenstrahlen haben eine bestimmte Wellenlänge und Schwingungsfrequenz. Wellenlänge (λ) und Oszillationsfrequenz (ν) hängen zusammen durch die Beziehung: λ ν = c, wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist, gerundet auf 300.000 km pro Sekunde. Die Energie von Röntgenstrahlen wird durch die Formel E = h ν bestimmt, wobei h die Plancksche Konstante ist, eine universelle Konstante gleich 6,626 10 -34 J⋅s. Die Wellenlänge der Strahlen (λ) steht in Beziehung zu ihrer Energie (E) durch die Beziehung: λ = 12,4 / E.
Röntgenstrahlung unterscheidet sich von anderen Arten elektromagnetischer Schwingungen durch Wellenlänge (siehe Tabelle) und Quantenenergie. Je kürzer die Wellenlänge, desto höher sind Frequenz, Energie und Durchschlagskraft. Die Röntgenwellenlänge liegt im Bereich
. Durch Ändern der Wellenlänge der Röntgenstrahlung ist es möglich, ihre Durchdringungskraft zu steuern. Röntgenstrahlen haben eine sehr kurze Wellenlänge, aber eine hohe Schwingungsfrequenz, sodass sie für das menschliche Auge unsichtbar sind. Quanten haben aufgrund ihrer enormen Energie eine hohe Durchdringungskraft, was eine der Haupteigenschaften ist, die den Einsatz von Röntgenstrahlen in der Medizin und anderen Wissenschaften sicherstellt.Röntgeneigenschaften
Intensität- quantitative Eigenschaft der Röntgenstrahlung, die durch die Anzahl der von der Röhre pro Zeiteinheit emittierten Strahlen ausgedrückt wird. Die Intensität von Röntgenstrahlen wird in Milliampere gemessen. Wenn wir es mit der Intensität des sichtbaren Lichts einer herkömmlichen Glühlampe vergleichen, können wir eine Analogie ziehen: Beispielsweise leuchtet eine 20-Watt-Lampe mit einer Intensität oder Leistung und eine 200-Watt-Lampe mit einer anderen, während die Die Qualität des Lichts selbst (sein Spektrum) ist gleich. Die Intensität der Röntgenstrahlung ist eigentlich ihre Menge. Jedes Elektron erzeugt ein oder mehrere Strahlungsquanten auf der Anode, daher wird die Menge an Röntgenstrahlen während der Belichtung des Objekts reguliert, indem die Anzahl der Elektronen, die zur Anode tendieren, und die Anzahl der Wechselwirkungen von Elektronen mit Atomen des Wolframtargets geändert werden , was auf zwei Arten geschehen kann:
- Durch Änderung des Glühgrades der Kathodenspirale mit einem Abwärtstransformator (die Anzahl der während der Emission erzeugten Elektronen hängt davon ab, wie heiß die Wolframspirale ist, und die Anzahl der Strahlungsquanten hängt von der Anzahl der Elektronen ab);
- Durch Ändern des Werts der Hochspannung, die vom Aufwärtstransformator an die Pole der Röhre geliefert wird - die Kathode und die Anode (je höher die Spannung an die Pole der Röhre angelegt wird, desto mehr kinetische Energie erhalten die Elektronen, die können aufgrund ihrer Energie wiederum mit mehreren Atomen der Anodensubstanz wechselwirken - siehe Abb. Reis. 5; Elektronen mit niedriger Energie werden in der Lage sein, eine geringere Anzahl von Wechselwirkungen einzugehen).
Die Röntgenintensität (Anodenstrom) multipliziert mit der Verschlusszeit (Röhrenzeit) entspricht der Röntgenbelichtung, die in mAs (Milliampere pro Sekunde) gemessen wird. Die Belichtung ist ein Parameter, der wie die Intensität die Menge der von einer Röntgenröhre emittierten Strahlen charakterisiert. Der einzige Unterschied besteht darin, dass die Belichtung auch die Betriebszeit der Röhre berücksichtigt (z. B. wenn die Röhre 0,01 Sekunden lang arbeitet, beträgt die Anzahl der Strahlen eins, und bei 0,02 Sekunden beträgt die Anzahl der Strahlen anders - zweimal mehr). Die Strahlenbelastung wird vom Radiologen am Bedienfeld des Röntgengerätes eingestellt, abhängig von der Art der Untersuchung, der Größe des Untersuchungsobjektes und der diagnostischen Aufgabe.
Steifigkeit- qualitative Eigenschaft der Röntgenstrahlung. Sie wird durch die Hochspannung an der Röhre gemessen - in Kilovolt. Bestimmt die Durchdringungskraft von Röntgenstrahlen. Er wird durch die Hochspannung geregelt, die von einem Aufwärtstransformator an die Röntgenröhre geliefert wird. Je höher die Potentialdifferenz an den Elektroden der Röhre erzeugt wird, desto stärker stoßen die Elektronen von der Kathode ab und strömen zur Anode, und desto stärker kollidieren sie mit der Anode. Je stärker ihre Kollision, desto kürzer die Wellenlänge der resultierenden Röntgenstrahlung und desto höher die Durchdringungskraft dieser Welle (oder die Härte der Strahlung, die wie die Intensität am Bedienfeld durch den Spannungsparameter geregelt wird die Röhre - Kilovolt).
λ - Wellenlänge; 
Reis. 7 - Abhängigkeit der Wellenlänge von der Energie der Welle:
E - Wellenenergie 
Reis. 8 - Das Verhältnis der Spannung an der Röntgenröhre und der Wellenlänge der resultierenden Röntgenstrahlung:
Klassifizierung von Röntgenröhren
- Nach Vereinbarung
- Diagnose
- Therapeutisch
- Für die Statik
- Zur Durchleuchtung
- Von Entwurf
- Durch Fokus
- Einzelfokus (eine Spirale auf der Kathode und ein Brennfleck auf der Anode)
- Bifokal (zwei unterschiedlich große Spiralen auf der Kathode und zwei Brennflecke auf der Anode)
- Nach Art der Anode
- Stationär (fest)
- Rotierend
Röntgenstrahlen werden nicht nur zu radiodiagnostischen Zwecken, sondern auch zu therapeutischen Zwecken eingesetzt. Wie oben erwähnt, ermöglicht die Fähigkeit der Röntgenstrahlung, das Wachstum von Tumorzellen zu unterdrücken, ihre Verwendung in der Strahlentherapie onkologischer Erkrankungen. Neben dem medizinischen Anwendungsgebiet hat die Röntgenstrahlung breite Anwendung im ingenieurwissenschaftlichen und technischen Bereich, in der Materialwissenschaft, Kristallographie, Chemie und Biochemie gefunden: Beispielsweise ist es möglich, Strukturfehler in verschiedenen Produkten (Schienen, Schweißnähte) zu identifizieren , etc.) mit Röntgenstrahlung. Die Art einer solchen Untersuchung wird als Defektoskopie bezeichnet. Und an Flughäfen, Bahnhöfen und anderen überfüllten Orten werden Röntgenfernseh-Introskope aktiv verwendet, um Handgepäck und Gepäck zu Sicherheitszwecken zu scannen.
Je nach Art der Anode unterscheiden sich Röntgenröhren im Design. Dadurch, dass 99 % der kinetischen Energie der Elektronen in thermische Energie umgewandelt wird, wird die Anode beim Betrieb der Röhre stark erhitzt – das empfindliche Wolfram-Target brennt oft durch. In modernen Röntgenröhren wird die Anode durch Rotation gekühlt. Die Drehanode hat die Form einer Scheibe, die die Wärme gleichmäßig über ihre gesamte Oberfläche verteilt und so eine lokale Überhitzung des Wolframtargets verhindert.
Auch das Design von Röntgenröhren unterscheidet sich im Fokus. Brennfleck - der Abschnitt der Anode, auf dem der Arbeitsröntgenstrahl erzeugt wird. Er wird unterteilt in den realen Brennfleck und den effektiven Brennfleck ( Reis. 12). Aufgrund des Anodenwinkels ist der effektive Brennfleck kleiner als der tatsächliche. Je nach Größe des Bildbereichs werden unterschiedliche Brennfleckgrößen verwendet. Je größer die Bildfläche, desto breiter muss der Brennfleck sein, um die gesamte Bildfläche abzudecken. Ein kleinerer Brennfleck erzeugt jedoch eine bessere Bildschärfe. Daher wird bei der Erzeugung kleiner Bilder ein kurzes Filament verwendet und die Elektronen werden auf einen kleinen Bereich des Anodentargets gelenkt, wodurch ein kleinerer Brennfleck entsteht.
Reis. 9 - Röntgenröhre mit stationärer Anode.
Reis. 10 - Röntgenröhre mit Drehanode.
Reis. 11 - Röntgenröhrengerät mit Drehanode.
Reis. 12 ist ein Diagramm der Bildung eines realen und effektiven Brennflecks.
VORLESUNG
RÖNTGENSTRAHLUNG
2. Bremsstrahlung Röntgen, seine spektralen Eigenschaften.
3. Charakteristische Röntgenstrahlung (zur Übersicht).
4. Wechselwirkung von Röntgenstrahlung mit Materie.
5. Physikalische Grundlagen für den Einsatz von Röntgenstrahlen in der Medizin.
Röntgenstrahlen (Röntgenstrahlen) wurden von K. Roentgen entdeckt, der 1895 der erste Nobelpreisträger für Physik wurde.
1. Die Natur der Röntgenstrahlen
Röntgenstrahlung - elektromagnetische Wellen mit einer Länge von 80 bis 10 -5 nm. Langwellige Röntgenstrahlung wird durch kurzwellige UV-Strahlung blockiert, kurzwellige - durch langwellige g-Strahlung.
Röntgenstrahlen werden in Röntgenröhren erzeugt. Abb.1.
K - Kathode
1 - Elektronenstrahl
2 - Röntgenstrahlung
Reis. 1. Röntgenröhrengerät.
Die Röhre ist ein Glaskolben (mit möglichem Hochvakuum: der Druck darin beträgt etwa 10 -6 mm Hg) mit zwei Elektroden: Anode A und Kathode K, an die eine Hochspannung angelegt wird
U (mehrere tausend Volt). Die Kathode ist eine Elektronenquelle (aufgrund des Phänomens der thermionischen Emission). Die Anode ist ein Metallstab, der eine geneigte Oberfläche hat, um die resultierende Röntgenstrahlung in einem Winkel zur Röhrenachse zu lenken. Es besteht aus einem hoch wärmeleitenden Material, um die beim Elektronenbeschuss entstehende Wärme abzuleiten. Am abgeschrägten Ende befindet sich eine Platte aus Refraktärmetall (z. B. Wolfram).Die starke Erwärmung der Anode ist darauf zurückzuführen, dass die Hauptzahl der Elektronen im Kathodenstrahl nach dem Auftreffen auf die Anode zahlreiche Kollisionen mit den Atomen der Substanz erfährt und eine große Energiemenge auf sie überträgt.
Unter Einwirkung einer Hochspannung werden die von der Glühkathodenwendel emittierten Elektronen auf hohe Energien beschleunigt. Die kinetische Energie eines Elektrons ist
MV 2 /2. Es ist gleich der Energie, die es durch Bewegung im elektrostatischen Feld der Röhre erhält:mv 2 /2 = eu(1)
wo ich sind Masse und Ladung des Elektrons, U ist die Beschleunigungsspannung.
Die Prozesse, die zum Auftreten von Bremsstrahlungs-Röntgenstrahlen führen, sind auf die starke Abbremsung von Elektronen im Anodenmaterial durch das elektrostatische Feld des Atomkerns und Atomelektronen zurückzuführen.
Der Ursprungsmechanismus kann wie folgt dargestellt werden. Bewegte Elektronen sind eine Art Strom, der sein eigenes Magnetfeld bildet. Die Elektronenverzögerung ist eine Abnahme der Stromstärke und dementsprechend eine Änderung der Magnetfeldinduktion, die das Auftreten eines elektrischen Wechselfelds verursacht, d.h. Auftreten einer elektromagnetischen Welle.
Wenn also ein geladenes Teilchen in Materie einfliegt, wird es langsamer, verliert an Energie und Geschwindigkeit und sendet elektromagnetische Wellen aus.
2. Spektrale Eigenschaften der Röntgenbremsstrahlung .
Im Falle einer Elektronenverzögerung im Anodenmaterial gilt also: Bremsstrahlung.
Das Bremsstrahlungsspektrum ist kontinuierlich . Der Grund dafür ist wie folgt.
Wenn die Elektronen langsamer werden, hat jedes von ihnen einen Teil der Energie, die verwendet wird, um die Anode (E 1 =
Q ), der andere Teil zur Erzeugung eines Röntgenphotons (E 2 = hv ), andernfalls eU = hv + Q . Die Beziehung zwischen diesen Teilen ist zufällig.Durch die Abbremsung vieler Elektronen, die jeweils ein Röntgenquant emittieren, entsteht also ein kontinuierliches Spektrum von Bremsstrahlungs-Röntgenstrahlen
hv (h ) mit einem fest definierten Wert. Der Wert dieses Quantums unterschiedlich für verschiedene Elektronen. Abhängigkeit des Röntgenenergieflusses von der Wellenlänge l , d.h. das Röntgenspektrum ist in Abb. 2 dargestellt. |
Abb.2. Bremsstrahlungsspektrum: a) bei verschiedenen Spannungen
U in der Röhre; b) bei unterschiedlichen Temperaturen T der Kathode.Kurzwellige (harte) Strahlung hat eine größere Durchschlagskraft als langwellige (weiche) Strahlung. Weiche Strahlung wird von Materie stärker absorbiert.
Von der kurzwelligen Seite her endet das Spektrum bei einer bestimmten Wellenlänge abrupt
Ich bin n . Eine solche kurzwellige Bremsstrahlung entsteht, wenn die von einem Elektron in einem Beschleunigungsfeld aufgenommene Energie vollständig in Photonenenergie umgewandelt wird ( Q = 0):eU = hv max = hc/ l min , l min = hc/(eU), (2)
l min (nm) = 1,23 / U kV
Die spektrale Zusammensetzung der Strahlung hängt von der Spannung an der Röntgenröhre ab, mit zunehmender Spannung der Wert
Ich bin n zu kurzen Wellenlängen hin verschiebt (Abb. 2 a).Wenn sich die Temperatur T der Kathodenglühung ändert, nimmt die Elektronenemission zu. Daher steigt der Strom an
ich in der Röhre, aber die spektrale Zusammensetzung der Strahlung ändert sich nicht (Abb. 2b).Energiefluss Ф * Bremsstrahlung ist direkt proportional zum Quadrat der Spannung U zwischen Anode und Kathode, Stromstärke ich in Rohr und Ordnungszahl Z-Anodenmaterialien:
F \u003d kZU 2 I. (3)
wo k \u003d 10 -9 W / (V 2 A).
3. Charakteristische Röntgenstrahlen (zur Eingewöhnung).
Eine Erhöhung der Spannung an der Röntgenröhre führt dazu, dass vor dem Hintergrund eines kontinuierlichen Spektrums eine Linie erscheint, die der charakteristischen Röntgenstrahlung entspricht. Diese Strahlung ist spezifisch für das Anodenmaterial.
Der Mechanismus seines Auftretens ist wie folgt. Bei einer hohen Spannung dringen beschleunigte Elektronen (mit hoher Energie) tief in das Atom ein und schlagen Elektronen aus seinen inneren Schichten heraus. Elektronen aus oberen Ebenen gelangen zu freien Stellen, wodurch Photonen charakteristischer Strahlung emittiert werden.
Die Spektren charakteristischer Röntgenstrahlung unterscheiden sich von optischen Spektren.
- Einheitlichkeit.
Die Gleichmäßigkeit der charakteristischen Spektren ist darauf zurückzuführen, dass die inneren Elektronenschichten verschiedener Atome gleich sind und sich nur energetisch durch die mit zunehmender Elementzahl zunehmende Kraftwirkung aus den Kernen unterscheiden. Daher verschieben sich die charakteristischen Spektren mit zunehmender Kernladung zu höheren Frequenzen. Dies wurde von einem Mitarbeiter von Roentgen experimentell bestätigt - Moseley, der Röntgenübergangsfrequenzen für 33 Elemente gemessen hat. Sie haben das Gesetz gemacht.
MOSELYS GESETZ – die Quadratwurzel der Frequenz der charakteristischen Strahlung ist eine lineare Funktion der Ordnungszahl des Elements:
A × (Z – B), (4)
wo v ist die Spektrallinienfrequenz, Z die Ordnungszahl des emittierenden Elements ist. A, B sind Konstanten.
Die Bedeutung des Moseleyschen Gesetzes liegt darin, dass diese Abhängigkeit genutzt werden kann, um die Ordnungszahl des untersuchten Elements aus der gemessenen Frequenz der Röntgenlinie genau zu bestimmen. Dies spielte eine große Rolle bei der Platzierung der Elemente im Periodensystem.
– Unabhängigkeit von einer chemischen Verbindung.
Die charakteristischen Röntgenspektren eines Atoms hängen nicht von der chemischen Verbindung ab, in die das Atom des Elements eintritt. Beispielsweise ist das Röntgenspektrum eines Sauerstoffatoms für O 2 und H 2 O gleich, während sich die optischen Spektren dieser Verbindungen unterscheiden. Dieses Merkmal des Röntgenspektrums des Atoms war die Grundlage für den Namen „ charakteristische Strahlung".
4. Wechselwirkung von Röntgenstrahlung mit Materie
Die Wirkung von Röntgenstrahlung auf Objekte wird durch die primären Prozesse der Röntgeninteraktion bestimmt. Photon mit Elektronen Atome und Moleküle der Materie.
Röntgenstrahlung in Materie absorbiert oder zerstreut. Dabei können verschiedene Prozesse ablaufen, die durch das Verhältnis der Röntgenphotonenenergie bestimmt werden
hv und Ionisationsenergie A und (Ionisationsenergie A und - die Energie, die erforderlich ist, um innere Elektronen aus dem Atom oder Molekül zu entfernen).a) Kohärente Streuung(Streuung langwelliger Strahlung) tritt bei der Relation auf
hv< А и.
Bei Photonen ändert sich durch die Wechselwirkung mit Elektronen nur die Bewegungsrichtung (Abb. 3a), aber die Energie
hv und die Wellenlänge ändern sich nicht (daher heißt diese Streuung kohärent). Da sich die Energien eines Photons und eines Atoms nicht ändern, beeinflusst die kohärente Streuung biologische Objekte nicht, aber beim Schutz vor Röntgenstrahlung sollte man die Möglichkeit berücksichtigen, die Hauptrichtung des Strahls zu ändern.b) photoelektrischer Effekt passiert wann
hv ³ A und .
Dabei können zwei Fälle realisiert werden.
1. Das Photon wird absorbiert, das Elektron löst sich vom Atom (Abb. 3b). Ionisierung tritt auf. Das losgelöste Elektron erhält kinetische Energie: E k \u003d hv - A und . Wenn die kinetische Energie groß ist, kann das Elektron durch Kollision benachbarte Atome ionisieren und neue bilden. zweitrangig Elektronen.
2. Das Photon wird absorbiert, aber seine Energie reicht nicht aus, um das Elektron abzulösen, und Anregung eines Atoms oder Moleküls(Abb. 3c). Dies führt häufig zur anschließenden Emission eines Photons im sichtbaren Strahlungsbereich (Röntgenlumineszenz) und in Geweben zur Aktivierung von Molekülen und photochemischen Reaktionen. Der photoelektrische Effekt tritt hauptsächlich an den Elektronen der inneren Schalen von Atomen mit hoher Wirkung auf Z.
in) Inkohärente Streuung(Compton-Effekt, 1922) tritt auf, wenn die Photonenenergie viel größer ist als die Ionisationsenergie
hv » A und.
Dabei löst sich das Elektron vom Atom (solche Elektronen nennt man Elektronen zurückstoßen), erhält etwas kinetische Energie
E zu , nimmt die Energie des Photons selbst ab (Abb. 4d):hv=hv" + A und + E K. (5)
Die resultierende Strahlung mit einer geänderten Frequenz (Länge) heißt zweitrangig, es zerstreut sich in alle Richtungen.
Rückstoßelektronen können bei ausreichender kinetischer Energie benachbarte Atome durch Kollision ionisieren. So entsteht durch inkohärente Streuung sekundär gestreute Röntgenstrahlung und die Atome der Substanz werden ionisiert.
Diese (a, b, c)-Prozesse können eine Reihe nachfolgender Prozesse verursachen. Zum Beispiel (Abb. 3d), Wenn beim Photoeffekt Elektronen vom Atom an den inneren Schalen abgelöst werden, können an ihrer Stelle Elektronen aus höheren Ebenen passieren, was von einer sekundären charakteristischen Röntgenstrahlung dieser Substanz begleitet wird. Photonen der Sekundärstrahlung, die mit Elektronen benachbarter Atome wechselwirken, können wiederum Sekundärphänomene verursachen.
kohärente Streuung
hv< А И
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photoelektrischer Effekt
Photon wird absorbiert, e - vom Atom gelöst - Ionisation
hv \u003d A und + E bis
Atom A angeregt durch die Absorption eines Photons, R – Röntgenlumineszenz
inkohärente Streuung
hv » A und
hv \u003d hv "+ A und + E bis
sekundäre Prozesse im photoelektrischen Effekt
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Reis. 3 Mechanismen der Wechselwirkung von Röntgenstrahlen mit Materie
Physikalische Grundlagen für den Einsatz von Röntgenstrahlen in der Medizin
Wenn Röntgenstrahlen auf einen Körper fallen, werden sie von seiner Oberfläche leicht reflektiert, gehen aber hauptsächlich tief hinein, während sie teilweise absorbiert und gestreut werden und teilweise durchdringen.
Das Gesetz der Schwächung.
Der Röntgenfluss wird in Materie nach dem Gesetz geschwächt:
F \u003d F 0 e - m × x (6)
wo m – linear Dämpfungsfaktor, die im Wesentlichen von der Dichte des Stoffes abhängt. Er ist gleich der Summe von drei Termen, die der kohärenten Streuung entsprechen m 1, inkohärent m 2 und photoelektrischer Effekt m 3:
m \u003d m 1 + m 2 + m 3. (7)
Der Beitrag jedes Terms wird durch die Photonenenergie bestimmt. Nachfolgend sind die Verhältnisse dieser Prozesse für Weichgewebe (Wasser) aufgeführt.
Energie, keV | photoelektrischer Effekt | Compton-Effekt |
| 100 % |
Viel Spaß Massendämpfungskoeffizient, die nicht von der Dichte des Stoffes abhängt r :
m m = m / r . (acht)
Der Massenschwächungskoeffizient hängt von der Energie des Photons und von der Ordnungszahl der absorbierenden Substanz ab:
m m = k l 3 Z 3 . (neun)
Massenschwächungskoeffizienten von Knochen und Weichgewebe (Wasser) sich unterscheiden: m m Knochen / m m Wasser = 68.
Bringt man einen inhomogenen Körper in den Strahlengang der Röntgenstrahlen und davor einen Leuchtschirm, so bildet dieser die Strahlung absorbierende und dämpfende Körper einen Schatten auf dem Schirm. Anhand der Beschaffenheit dieses Schattens kann man die Form, Dichte, Struktur und in vielen Fällen die Beschaffenheit von Körpern beurteilen. Jene. Ein signifikanter Unterschied in der Absorption von Röntgenstrahlung durch verschiedene Gewebe ermöglicht es Ihnen, das Bild der inneren Organe in der Schattenprojektion zu sehen.
Wenn das untersuchte Organ und das umgebende Gewebe Röntgenstrahlen gleichermaßen abschwächen, werden Kontrastmittel verwendet. So füllen Sie beispielsweise Magen und Darm mit einer breiigen Masse aus Bariumsulfat ( BaS 0 4), können Sie ihr Schattenbild sehen (das Verhältnis der Dämpfungskoeffizienten beträgt 354).
Verwendung in der Medizin.
In der Medizin wird Röntgenstrahlung mit Photonenenergien von 60 bis 100-120 keV zur Diagnostik und 150-200 keV zur Therapie eingesetzt.
Röntgendiagnostik – Erkennung von Krankheiten durch Durchleuchtung des Körpers mit Röntgenstrahlen.
Die Röntgendiagnostik wird in verschiedenen Optionen verwendet, die unten angegeben sind.
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1. Mit Durchleuchtung Die Röntgenröhre befindet sich hinter dem Patienten. Davor befindet sich ein fluoreszierender Bildschirm. Auf dem Bildschirm ist ein (positives) Schattenbild zu sehen. In jedem Einzelfall wird die entsprechende Härte der Strahlung so gewählt, dass sie weiches Gewebe durchdringt, von dichtem aber ausreichend absorbiert wird. Andernfalls wird ein gleichmäßiger Schatten erhalten. Auf dem Bildschirm sind das Herz, die Rippen dunkel zu sehen, die Lungen hell.
2. Beim Röntgen das objekt wird auf eine kassette gelegt, die einen film mit einer speziellen fotografischen emulsion enthält. Die Röntgenröhre wird über dem Objekt platziert. Das resultierende Röntgenbild ergibt ein negatives Bild, d. h. das Gegenteil im Gegensatz zu dem bei der Durchleuchtung beobachteten Bild. Bei diesem Verfahren ist das Bild klarer als bei (1), daher werden Details beobachtet, die bei Durchleuchtung schwer zu erkennen sind.
Eine vielversprechende Variante dieser Methode ist das Röntgen Tomographie und "Maschinenversion" - Computer Tomographie.
3. Mit Durchleuchtung, Auf einem empfindlichen Kleinformatfilm wird das Bild der großen Leinwand fixiert. Beim Betrachten werden die Bilder mit einer speziellen Lupe untersucht.
Röntgentherapie - die Verwendung von Röntgenstrahlen zur Zerstörung bösartiger Tumore.
Die biologische Wirkung von Strahlung besteht darin, die Vitalaktivität zu stören, insbesondere sich schnell vermehrende Zellen.
COMPUTERTOMOGRAPHIE (CT)
Das Verfahren der Röntgen-Computertomographie basiert auf der Bildrekonstruktioneines bestimmten Abschnitts des Körpers des Patienten durch Registrieren einer großen Anzahl von Röntgenprojektionen dieses Abschnitts, die unter verschiedenen Winkeln gemacht wurden. Informationen von den Sensoren, die diese Projektionen registrieren, gelangen in den Computer, der nach einem speziellen Programm arbeitet berechnet Verteilung fest Stichprobengrößeim untersuchten Abschnitt und zeigt es auf dem Bildschirm an. Das resultierende BildDer Körperabschnitt des Patienten zeichnet sich durch hervorragende Übersichtlichkeit und hohen Informationsgehalt aus. Das Programm ermöglicht es IhnenZunahme Bildkontrast in dutzende und sogar hunderte Male. Dies erweitert die diagnostischen Möglichkeiten des Verfahrens.
Videofilmer (Geräte mit digitaler Röntgenbildverarbeitung) in der modernen Zahnheilkunde.
In der Zahnheilkunde ist die Röntgenuntersuchung die wichtigste diagnostische Methode. Eine Reihe traditioneller organisatorischer und technischer Merkmale der Röntgendiagnostik machen sie jedoch sowohl für den Patienten als auch für die Zahnklinik nicht sehr komfortabel. Dies ist vor allem die Notwendigkeit, dass der Patient mit ionisierender Strahlung in Kontakt kommt, was häufig eine erhebliche Strahlenbelastung für den Körper verursacht, es ist auch die Notwendigkeit eines Photoprozesses und folglich die Notwendigkeit von Photoreagenzien, einschließlich giftige. Das ist schließlich ein sperriges Archiv, schwere Mappen und Umschläge mit Röntgenfilmen.
Hinzu kommt, dass der aktuelle Entwicklungsstand der Zahnheilkunde die subjektive Beurteilung von Röntgenbildern durch das menschliche Auge unzureichend macht. Wie sich herausstellte, nimmt das Auge von der Vielfalt der im Röntgenbild enthaltenen Graustufen nur 64 wahr.
Offensichtlich sind andere Lösungen erforderlich, um ein klares und detailliertes Bild der Hartgewebe des dentoalveolären Systems mit minimaler Strahlenbelastung zu erhalten. Die Suche führte zur Schaffung sogenannter Röntgensysteme, Videofilmer - digitale Röntgensysteme.
Ohne technische Details ist das Funktionsprinzip solcher Systeme wie folgt. Röntgenstrahlung tritt durch das Objekt nicht auf einem lichtempfindlichen Film, sondern auf einem speziellen intraoralen Sensor (spezielle elektronische Matrix) ein. Das entsprechende Signal von der Matrix wird an ein Digitalisierungsgerät (Analog-Digital-Wandler, ADC) übertragen, das es in digitale Form umwandelt und mit dem Computer verbunden ist. Eine spezielle Software baut ein Röntgenbild auf dem Computerbildschirm auf und ermöglicht es Ihnen, es zu bearbeiten, auf einem festen oder flexiblen Speichermedium (Festplatte, Diskette) zu speichern, als Bild als Datei auszudrucken.
In einem digitalen System ist ein Röntgenbild eine Ansammlung von Punkten mit unterschiedlichen digitalen Graustufenwerten. Die vom Programm bereitgestellte Infermöglicht es, bei relativ geringer Strahlendosis einen optimalen Rahmen in Bezug auf Helligkeit und Kontrast zu erhalten.
In modernen Systemen, die zum Beispiel von Firmen erstellt werden Trophy (Frankreich) oder Schick (USA) bei der Bildung eines Rahmens werden 4096 Graustufen verwendet, die Belichtungszeit hängt vom Untersuchungsobjekt ab und beträgt im Durchschnitt Hundertstel - Zehntelsekunden, Reduzierung der Strahlenbelastung im Verhältnis zum Film - bis zu 90 % bei intraoralen Systemen, bis zu 70 % bei Panoramafilmern.
Bei der Verarbeitung von Bildern erlauben Videografen:
1. Erhalten Sie positive und negative Bilder, Falschfarbenbilder, geprägte Bilder.
2. Erhöhen Sie den Kontrast und vergrößern Sie den interessierenden Bereich im Bild.
3. Bewerten Sie Änderungen in der Dichte von Zahngewebe und Knochenstrukturen, kontrollieren Sie die Gleichmäßigkeit der Kanalfüllung.
4. Ein Endodontie um die Länge des Kanals beliebiger Krümmung zu bestimmen, und in der Chirurgie, um die Größe des Implantats mit einer Genauigkeit von 0,1 mm auszuwählen.
5. Einzigartiges System Karies Detektor mit Elementen der künstlichen Intelligenz in der Analyse des Bildes können Sie Karies im Fleckenstadium, Wurzelkaries und versteckte Karies erkennen.
* « Ф" in Formel (3) bezieht sich auf den gesamten Bereich der emittierten Wellenlängen und wird oft als "Integraler Energiefluss" bezeichnet.
Röntgenstrahlen sind eine Art energiereicher elektromagnetischer Strahlung. Es wird aktiv in verschiedenen Bereichen der Medizin eingesetzt.
Röntgenstrahlen sind elektromagnetische Wellen, deren Photonenenergie auf der Skala elektromagnetischer Wellen zwischen ultravioletter Strahlung und Gammastrahlung (von ~10 eV bis ~1 MeV) liegt, was Wellenlängen von ~10^3 bis ~10^−2 Angström entspricht ( von ~10^−7 bis ~10^−12 m). Das heißt, es ist eine unvergleichlich härtere Strahlung als sichtbares Licht, das auf dieser Skala zwischen ultravioletter und infraroter ("thermischer") Strahlung liegt.
Die Grenze zwischen Röntgen- und Gammastrahlung wird bedingt unterschieden: Ihre Bereiche schneiden sich, Gammastrahlen können eine Energie von 1 keV haben. Sie unterscheiden sich in ihrem Ursprung: Gammastrahlen werden bei Prozessen in Atomkernen emittiert, während Röntgenstrahlen bei Prozessen mit Elektronen (sowohl freien als auch solchen in den Elektronenhüllen von Atomen) emittiert werden. Gleichzeitig lässt sich aus dem Photon selbst nicht ableiten, bei welchem Prozess es entstanden ist, das heißt, die Einteilung in den Röntgen- und Gammabereich ist weitgehend willkürlich.
Der Röntgenbereich ist in „weiches Röntgen“ und „hartes Röntgen“ unterteilt. Die Grenze zwischen ihnen liegt auf dem Wellenlängenniveau von 2 Angström und 6 keV Energie.
Der Röntgengenerator ist eine Röhre, in der ein Vakuum erzeugt wird. Es gibt Elektroden - eine Kathode, an die eine negative Ladung angelegt wird, und eine positiv geladene Anode. Die Spannung zwischen ihnen beträgt zehn bis hundert Kilovolt. Die Erzeugung von Röntgenphotonen erfolgt, wenn Elektronen von der Kathode „abbrechen“ und mit hoher Geschwindigkeit auf die Anodenoberfläche aufprallen. Die dabei entstehende Röntgenstrahlung wird „Bremsstrahlung“ genannt, ihre Photonen haben unterschiedliche Wellenlängen.
Gleichzeitig werden Photonen des charakteristischen Spektrums erzeugt. Ein Teil der Elektronen in den Atomen der Anodensubstanz wird angeregt, dh er geht in höhere Umlaufbahnen und kehrt dann in seinen normalen Zustand zurück und emittiert Photonen einer bestimmten Wellenlänge. Beide Arten von Röntgenstrahlen werden in einem Standardgenerator erzeugt.
Entdeckungsgeschichte
Am 8. November 1895 entdeckte der deutsche Wissenschaftler Wilhelm Conrad Roentgen, dass einige Substanzen unter dem Einfluss von "Kathodenstrahlen", dh dem von einer Kathodenstrahlröhre erzeugten Elektronenfluss, zu leuchten beginnen. Er erklärte dieses Phänomen durch den Einfluss bestimmter Röntgenstrahlen – so wird diese Strahlung heute in vielen Sprachen („Röntgenstrahlen“) genannt. Später V.K. Röntgen untersuchte das von ihm entdeckte Phänomen. Am 22. Dezember 1895 hielt er zu diesem Thema einen Vortrag an der Universität Würzburg.
Später stellte sich heraus, dass Röntgenstrahlung schon früher beobachtet worden war, dann aber den damit verbundenen Phänomenen keine große Bedeutung beigemessen wurde. Die Kathodenstrahlröhre wurde vor langer Zeit erfunden, aber bevor V.K. Röntgen, niemand achtete besonders auf die Schwärzung von Fotoplatten in der Nähe usw. Phänomene. Auch die Gefahr durch eindringende Strahlung war unbekannt.
Arten und ihre Wirkung auf den Körper
„Röntgen“ ist die mildeste Art der durchdringenden Strahlung. Die Überbelichtung mit weichen Röntgenstrahlen ähnelt der UV-Bestrahlung, jedoch in einer schwerwiegenderen Form. Auf der Haut bildet sich eine Verbrennung, aber die Läsion ist tiefer und heilt viel langsamer.
Harte Röntgenstrahlung ist eine vollwertige ionisierende Strahlung, die zu Strahlenkrankheit führen kann. Röntgenquanten können die Proteinmoleküle, aus denen das Gewebe des menschlichen Körpers besteht, sowie die DNA-Moleküle des Genoms aufbrechen. Aber selbst wenn ein Röntgenquant ein Wassermolekül bricht, macht das nichts: Es entstehen die chemisch aktiven freien Radikale H und OH, die ihrerseits in der Lage sind, auf Proteine und DNA einzuwirken. Die Strahlenkrankheit verläuft umso schwerer, je stärker die blutbildenden Organe betroffen sind.
Röntgenstrahlen haben mutagene und karzinogene Wirkung. Das bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit von spontanen Mutationen in Zellen während der Bestrahlung steigt, und manchmal können gesunde Zellen zu Krebszellen entarten. Die Erhöhung der Wahrscheinlichkeit von bösartigen Tumoren ist eine Standardfolge jeder Exposition, einschließlich Röntgenstrahlen. Röntgenstrahlen sind die am wenigsten gefährliche Art von durchdringender Strahlung, aber sie können dennoch gefährlich sein.
Röntgenstrahlung: Anwendung und Wirkungsweise
Röntgenstrahlung wird in der Medizin sowie in anderen Bereichen der menschlichen Tätigkeit eingesetzt.
Durchleuchtung und Computertomographie
Die häufigste Anwendung von Röntgenstrahlen ist die Fluoroskopie. "Stille" des menschlichen Körpers ermöglicht es Ihnen, ein detailliertes Bild sowohl der Knochen (sie sind am deutlichsten sichtbar) als auch der inneren Organe zu erhalten.
Die unterschiedliche Transparenz von Körpergeweben in Röntgenstrahlen hängt mit ihrer chemischen Zusammensetzung zusammen. Merkmale der Knochenstruktur ist, dass sie viel Kalzium und Phosphor enthalten. Andere Gewebe bestehen hauptsächlich aus Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff. Das Phosphoratom ist fast doppelt so schwer wie das Sauerstoffatom und das Calciumatom ist 2,5-mal so schwer (Kohlenstoff, Stickstoff und Wasserstoff sind sogar leichter als Sauerstoff). Dabei ist die Absorption von Röntgenphotonen in den Knochen viel höher.
Neben zweidimensionalen „Bildern“ ermöglicht die Radiographie auch die Erstellung eines dreidimensionalen Bildes eines Organs: Diese Art der Radiographie wird als Computertomographie bezeichnet. Für diese Zwecke werden weiche Röntgenstrahlen verwendet. Die in einem einzelnen Bild empfangene Belichtungsmenge ist gering: Sie entspricht ungefähr der Belichtung, die während eines zweistündigen Fluges in einem Flugzeug in einer Höhe von 10 km erhalten wird.
Mit der Röntgenfehlererkennung können Sie kleine innere Fehler in Produkten erkennen. Dafür wird harte Röntgenstrahlung verwendet, da viele Materialien (z. B. Metall) aufgrund der hohen Atommasse ihrer Bestandteile schlecht „durchscheinend“ sind.
Röntgenbeugung und Röntgenfluoreszenzanalyse
Röntgenstrahlen haben Eigenschaften, die es erlauben, einzelne Atome im Detail zu untersuchen. Die Röntgenbeugungsanalyse wird aktiv in der Chemie (einschließlich Biochemie) und Kristallographie eingesetzt. Das Funktionsprinzip ist die Beugungsstreuung von Röntgenstrahlen durch Atome von Kristallen oder komplexen Molekülen. Mittels Röntgenbeugungsanalyse wurde die Struktur des DNA-Moleküls bestimmt.
Mit der Röntgenfluoreszenzanalyse können Sie schnell die chemische Zusammensetzung einer Substanz bestimmen.
Es gibt viele Formen der Strahlentherapie, aber alle beinhalten die Verwendung von ionisierender Strahlung. Die Strahlentherapie wird in 2 Arten unterteilt: Korpuskular- und Wellentherapie. Corpuscular verwendet Ströme von Alpha-Teilchen (Kerne von Heliumatomen), Beta-Teilchen (Elektronen), Neutronen, Protonen, Schwerionen. Wave verwendet Strahlen des elektromagnetischen Spektrums - Röntgen- und Gammastrahlen.
Verfahren der Strahlentherapie werden vor allem zur Behandlung onkologischer Erkrankungen eingesetzt. Tatsache ist, dass die Strahlung hauptsächlich teilungsaktive Zellen betrifft, weshalb die blutbildenden Organe darunter leiden (ihre Zellen teilen sich ständig und produzieren immer mehr neue rote Blutkörperchen). Auch Krebszellen teilen sich ständig und sind anfälliger für Strahlung als gesundes Gewebe.
Es wird ein Strahlungsniveau verwendet, das die Aktivität von Krebszellen unterdrückt, während gesunde Zellen moderat beeinträchtigt werden. Unter dem Einfluss von Strahlung kommt es nicht zur Zerstörung von Zellen an sich, sondern zur Schädigung ihres Genoms – DNA-Moleküle. Eine Zelle mit zerstörtem Genom kann einige Zeit existieren, kann sich aber nicht mehr teilen, das heißt, das Tumorwachstum stoppt.
Die Strahlentherapie ist die mildeste Form der Strahlentherapie. Wellenstrahlung ist weicher als Korpuskularstrahlung und Röntgenstrahlung ist weicher als Gammastrahlung.
Während der Schwangerschaft
Die Anwendung ionisierender Strahlung während der Schwangerschaft ist gefährlich. Röntgenstrahlen sind mutagen und können Anomalien beim Fötus verursachen. Eine Röntgentherapie ist mit einer Schwangerschaft nicht vereinbar: Sie kann nur angewendet werden, wenn bereits ein Schwangerschaftsabbruch beschlossen wurde. Die Beschränkungen für die Durchleuchtung sind weicher, aber in den ersten Monaten ist sie auch strengstens verboten.
Im Notfall wird die Röntgenuntersuchung durch eine Magnetresonanztomographie ersetzt. Aber im ersten Trimester versuchen sie es auch zu vermeiden (diese Methode ist kürzlich erschienen und spricht mit absoluter Sicherheit über das Fehlen schädlicher Folgen).
Eine eindeutige Gefahr entsteht ab einer Gesamtdosis von mindestens 1 mSv (in Altgeräten - 100 mR). Mit einer einfachen Röntgenaufnahme (z. B. bei einer Fluorographie) erhält der Patient etwa 50-mal weniger. Um eine solche Dosis auf einmal zu erhalten, müssen Sie sich einer detaillierten Computertomographie unterziehen.
Das heißt, die bloße Tatsache einer 1-2-fachen „Röntgenaufnahme“ in einem frühen Stadium der Schwangerschaft droht nicht mit schwerwiegenden Folgen (aber es ist besser, es nicht zu riskieren).
Behandlung damit
Röntgenstrahlen werden vor allem im Kampf gegen bösartige Tumore eingesetzt. Diese Methode ist gut, weil sie hochwirksam ist: Sie tötet den Tumor. Es ist schlecht, weil gesundes Gewebe nicht viel besser ist, es gibt zahlreiche Nebenwirkungen. Besonders gefährdet sind die Organe der Blutbildung.
In der Praxis werden verschiedene Methoden eingesetzt, um die Wirkung von Röntgenstrahlen auf gesundes Gewebe zu reduzieren. Die Strahlen sind in einem solchen Winkel gerichtet, dass sich ein Tumor in der Zone ihres Schnittpunkts befindet (aus diesem Grund findet die Hauptenergieabsorption genau dort statt). Manchmal wird der Eingriff in Bewegung durchgeführt: Der Körper des Patienten dreht sich relativ zur Strahlungsquelle um eine Achse, die durch den Tumor verläuft. Gleichzeitig befinden sich gesunde Gewebe nur manchmal in der Bestrahlungszone und kranke - die ganze Zeit.
Röntgenstrahlen werden bei der Behandlung bestimmter Arthrose und ähnlicher Erkrankungen sowie Hauterkrankungen eingesetzt. In diesem Fall wird das Schmerzsyndrom um 50-90% reduziert. Da die Strahlung in diesem Fall weicher ist, werden Nebenwirkungen ähnlich denen, die bei der Behandlung von Tumoren auftreten, nicht beobachtet.