Röntgenkiirgus ja selle rakendamine. Röntgenikiirguse lühikirjeldus. Röntgenikiirguse kasutamine meditsiinis
Röntgenkiirguse lühikirjeldus
Röntgenikiirgus on elektromagnetlained (kvantide, footonite voog), mille energia paikneb ultraviolettkiirguse ja gammakiirguse vahelisel energiaskaalal (joon. 2-1). Röntgeni footonite energia on 100 eV kuni 250 keV, mis vastab kiirgusele sagedusega 3×10 16 Hz kuni 6×10 19 Hz ja lainepikkusega 0,005-10 nm. Röntgen- ja gammakiirguse elektromagnetilised spektrid kattuvad suurel määral.
Riis. 2-1. Elektromagnetilise kiirguse skaala
Peamine erinevus nende kahe kiirgustüübi vahel on nende esinemisviis. Röntgenikiirgus saadakse elektronide osalusel (näiteks nende voolu aeglustumise ajal) ja gammakiirgus - mõne elemendi tuumade radioaktiivse lagunemisega.
Röntgenikiirgus võib tekkida laetud osakeste kiirendatud voolu pidurdamisel (nn bremsstrahlung) või siis, kui aatomite elektronkihtides toimuvad suure energiaga üleminekud (iseloomulik kiirgus). Meditsiiniseadmed kasutavad röntgenikiirte tekitamiseks röntgentorusid (joonis 2-2). Nende põhikomponendid on katood ja massiivne anood. Anoodi ja katoodi elektrilise potentsiaali erinevuse tõttu eralduvad elektronid kiirenevad, jõuavad anoodile, kokkupõrkel materjaliga, millest need aeglustuvad. Selle tulemusena tekivad bremsstrahlung röntgenikiirgus. Elektronide kokkupõrkel anoodiga toimub ka teine protsess - anoodiaatomite elektronkihtidest löövad elektronid välja. Nende kohad on hõivatud elektronidega, mis pärinevad aatomi teistest kestadest. Selle protsessi käigus tekib teist tüüpi röntgenkiirgus - nn iseloomulik röntgenkiirgus, mille spekter sõltub suuresti anoodi materjalist. Anoodid on enamasti valmistatud molübdeenist või volframist. Röntgenikiirguse teravustamiseks ja filtreerimiseks on olemas spetsiaalsed seadmed, et saadavaid pilte paremaks muuta.
Riis. 2-2. Röntgentoru seadme skeem:
Röntgenikiirguse omadused, mis määravad nende kasutamise meditsiinis, on läbitungiv, fluorestseeruv ja fotokeemiline toime. Röntgenikiirguse läbitungiv jõud ja neeldumine inimkeha kudedesse ja tehismaterjalidesse on olulisemad omadused, mis määravad nende kasutamise kiirgusdiagnostikas. Mida lühem on lainepikkus, seda suurem on röntgenikiirguse läbitungimisvõime.
On olemas madala energia- ja kiirgussagedusega (vastavalt suurima lainepikkusega) "pehmed" ja kõrge footonienergia ja kiirgussagedusega lühikese lainepikkusega "kõvad" röntgenikiirgused. Röntgenikiirguse lainepikkus (vastavalt selle "jäikus" ja läbitungimisvõime) sõltub röntgentorule rakendatava pinge suurusest. Mida kõrgem on toru pinge, seda suurem on elektronide voolu kiirus ja energia ning seda lühem on röntgenikiirte lainepikkus.
Aine läbiva röntgenkiirguse interaktsiooni käigus toimuvad selles kvalitatiivsed ja kvantitatiivsed muutused. Röntgenikiirguse neeldumisaste kudedes on erinev ja selle määrab objekti moodustavate elementide tihedus ja aatommass. Mida suurem on aine tihedus ja aatommass, millest uuritav objekt (elund) koosneb, seda rohkem röntgenkiirgust neeldub. Inimkeha sisaldab erineva tihedusega kudesid ja organeid (kopsud, luud, pehmed koed jne), mis seletab röntgenikiirguse erinevat neeldumist. Siseorganite ja struktuuride visualiseerimine põhineb kunstlikul või loomulikul erinevusel röntgenikiirguse neeldumises erinevate organite ja kudede poolt.
Keha läbinud kiirguse registreerimiseks kasutatakse selle võimet tekitada teatud ühendite fluorestsentsi ja avaldada fotokeemilist mõju kilele. Sel eesmärgil kasutatakse spetsiaalseid fluoroskoopia ekraane ja radiograafia jaoks mõeldud fotofilme. Kaasaegsetes röntgeniseadmetes kasutatakse nõrgestatud kiirguse registreerimiseks spetsiaalseid digitaalsete elektrooniliste detektorite süsteeme - digitaalseid elektroonilisi paneele. Sel juhul nimetatakse röntgenimeetodeid digitaalseks.
Röntgenikiirguse bioloogiliste mõjude tõttu on patsiendi kaitsmine uuringu ajal hädavajalik. See saavutatakse
võimalikult lühike kokkupuuteaeg, fluoroskoopia asendamine radiograafiaga, ioniseerivate meetodite rangelt põhjendatud kasutamine, patsiendi ja personali kaitsmine kiirgusega kokkupuute eest.
Röntgenkiirguse lühikirjeldus – mõiste ja liigid. Kategooria "Röntgenikiirguse lühikarakteristikud" klassifikatsioon ja tunnused 2017, 2018.
Röntgenikiirgus
nähtamatu kiirgus, mis on võimeline läbima, kuigi erineval määral, kõiki aineid. Tegemist on elektromagnetkiirgusega, mille lainepikkus on umbes 10-8 cm.Nagu nähtav valgus, põhjustab röntgenikiirgus fotofilmi mustaks muutumist. See omadus on meditsiini, tööstuse ja teadusuuringute jaoks väga oluline. Uuritavat objekti läbides ja seejärel filmile langedes kujutab röntgenkiirgus sellel oma sisemist struktuuri. Kuna röntgenikiirguse läbitungimisvõime on erinevate materjalide puhul erinev, annavad sellele vähem läbipaistvad objekti osad fotol heledamad alad kui need, millest kiirgus hästi läbi tungib. Seega on luukoed röntgenikiirgusele vähem läbipaistvad kui naha ja siseorganite koed. Seetõttu on röntgenpildil näha luud heledamate piirkondadena ja kiirgusele läbipaistvam murdekoht on üsna hõlpsasti tuvastatav. Röntgenpilti kasutatakse ka hambaravis kaariese ja abstsesside tuvastamiseks hambajuurtes, samuti tööstuses valude, plastide ja kummide pragude tuvastamiseks. Röntgenikiirgust kasutatakse keemias ühendite analüüsimiseks ja füüsikas kristallide struktuuri uurimiseks. Keemilist ühendit läbiv röntgenikiir põhjustab iseloomuliku sekundaarse kiirguse, mille spektroskoopiline analüüs võimaldab keemikul määrata ühendi koostist. Kristallilisele ainele langedes hajub röntgenikiir kristalli aatomite poolt, andes fotoplaadile selge korrapärase laikude ja triipude mustri, mis võimaldab kindlaks teha kristalli sisestruktuuri. Röntgenikiirguse kasutamine vähiravis põhineb sellel, et see tapab vähirakke. Siiski võib see avaldada soovimatut mõju normaalsetele rakkudele. Seetõttu tuleb röntgenikiirguse kasutamisel olla äärmise ettevaatusega. Röntgenkiirguse avastas saksa füüsik W. Roentgen (1845-1923). Tema nimi on jäädvustatud mõnes teises selle kiirgusega seotud füüsikalises terminis: ioniseeriva kiirguse doosi rahvusvahelist ühikut nimetatakse röntgeniks; röntgeniaparaadiga tehtud pilti nimetatakse radiograafiaks; Radioloogilise meditsiini valdkonda, mis kasutab haiguste diagnoosimiseks ja raviks röntgenikiirgust, nimetatakse radioloogiaks. Röntgen avastas kiirguse 1895. aastal Würzburgi ülikooli füüsikaprofessorina. Katoodkiirtega katseid tehes (elektronid voolavad lahendustorudes) märkas ta, et vaakumtoru lähedal asuv ekraan, mis on kaetud kristalse baariumtsüanoplatiniidiga, helendab eredalt, kuigi toru ise on kaetud musta papiga. Lisaks tegi Roentgen kindlaks, et tema avastatud tundmatute kiirte läbitungiv jõud, mida ta nimetas röntgenikiirteks, sõltus neelava materjali koostisest. Ta pildistas ka oma käe luid, asetades selle katoodkiirelahendustoru ja baariumtsüanoplatiniidiga kaetud ekraani vahele. Röntgeni avastusele järgnesid teiste teadlaste katsed, kes avastasid palju uusi omadusi ja võimalusi selle kiirguse kasutamiseks. Suure panuse andsid M. Laue, W. Friedrich ja P. Knipping, kes demonstreerisid 1912. aastal röntgenikiirguse difraktsiooni, kui see läbib kristalli; W. Coolidge, kes 1913. aastal leiutas kuumutatud katoodiga kõrgvaakumröntgentoru; G. Moseley, kes tegi 1913. aastal kindlaks seose kiirguse lainepikkuse ja elemendi aatomnumbri vahel; G. ja L. Braggy, kes said 1915. aastal Nobeli preemia röntgendifraktsioonianalüüsi põhialuste väljatöötamise eest.
Röntgenikiirguse SAAMINE
Röntgenkiirgus tekib siis, kui suurel kiirusel liikuvad elektronid suhtlevad ainega. Kui elektronid põrkuvad mis tahes aine aatomitega, kaotavad nad kiiresti oma kineetilise energia. Sel juhul muundatakse suurem osa sellest soojuseks ja väike osa, tavaliselt alla 1%, muundatakse röntgenienergiaks. See energia vabaneb kvantidena – osakestena, mida nimetatakse footoniteks ja millel on energiat, kuid mille puhkemass on null. Röntgeni footonid erinevad oma energia poolest, mis on pöördvõrdeline nende lainepikkusega. Tavapärase röntgenikiirguse saamise meetodiga saadakse lai lainepikkuste vahemik, mida nimetatakse röntgenikiirguse spektriks. Spekter sisaldab väljendunud komponente, nagu on näidatud joonisel fig. 1. Laia "kontiinumi" nimetatakse pidevaks spektriks või valgeks kiirguseks. Selle peal asetsevaid teravaid piike nimetatakse iseloomulikeks röntgenikiirguse joonteks. Kuigi kogu spekter on elektronide kokkupõrgete tulemus ainega, on selle laia osa ja joonte ilmnemise mehhanismid erinevad. Aine koosneb suurest hulgast aatomitest, millest igaühel on elektronkihtidega ümbritsetud tuum ja iga elektron teatud elemendi aatomi kestas hõivab teatud diskreetse energiataseme. Tavaliselt on need kestad ehk energiatasemed tähistatud sümbolitega K, L, M jne, alustades tuumale lähimast kestast. Kui piisavalt suure energiaga langev elektron põrkab kokku ühe aatomiga seotud elektroniga, lööb see elektroni oma kestast välja. Tühja ruumi võtab enda alla teine kesta elektron, mis vastab kõrgemale energiale. See viimane eraldab röntgenfootoni kiirgades liigset energiat. Kuna kesta elektronidel on diskreetsed energiaväärtused, on ka saadud röntgenfootonitel diskreetne spekter. See vastab teatud lainepikkuste teravatele tippudele, mille konkreetsed väärtused sõltuvad sihtelemendist. Iseloomulikud jooned moodustavad K-, L- ja M-seeria, olenevalt sellest, millisest kestast (K, L või M) elektron eemaldati. Röntgenikiirguse lainepikkuse ja aatomarvu vahelist seost nimetatakse Moseley seaduseks (joonis 2).
Kui elektron põrkab kokku suhteliselt raske tuumaga, siis see aeglustub ja selle kineetiline energia vabaneb ligikaudu sama energiaga röntgenfootonina. Kui ta lendab tuumast mööda, kaotab ta vaid osa oma energiast ja ülejäänu kandub üle teistele tema teele sattuvatele aatomitele. Iga energiakao akt viib teatud energiaga footoni emissioonini. Ilmub pidev röntgenspekter, mille ülempiir vastab kiireima elektroni energiale. See on pideva spektri moodustumise mehhanism ja maksimaalne energia (või minimaalne lainepikkus), mis fikseerib pideva spektri piiri, on võrdeline kiirenduspingega, mis määrab langevate elektronide kiiruse. Spektrijooned iseloomustavad pommitava sihtmärgi materjali, pidev spekter aga on määratud elektronkiire energiaga ega sõltu praktiliselt sihtmaterjalist. Röntgenikiirgust on võimalik saada mitte ainult elektronpommitamise teel, vaid ka kiiritades sihtmärki teisest allikast pärit röntgenikiirgusega. Sel juhul läheb aga suurem osa langeva kiire energiast iseloomulikku röntgenspektrisse ja väga väike osa sellest langeb pidevasse spektrisse. Ilmselgelt peab langev röntgenikiir sisaldama footoneid, mille energiast piisab pommitava elemendi iseloomulike joonte ergastamiseks. Kõrge energiaprotsent iseloomuliku spektri kohta muudab selle röntgenikiirguse ergastamise meetodi teadusuuringute jaoks mugavaks.
Röntgentorud. Elektronide ja aine interaktsioonist tingitud röntgenkiirguse saamiseks on vaja elektronide allikat, vahendeid nende kiirendamiseks suurele kiirusele ja sihtmärki, mis on võimeline taluma elektronide pommitamist ja tekitama röntgenikiirgust. nõutav intensiivsus. Seadet, millel on see kõik, nimetatakse röntgenitoruks. Varased uurijad kasutasid "sügava vaakum" torusid, nagu tänapäevased tühjendustorud. Vaakum neis ei olnud väga suur. Tühjendustorud sisaldavad väikeses koguses gaasi ja kui toru elektroodidele rakendatakse suurt potentsiaalide erinevust, muutuvad gaasiaatomid positiivseteks ja negatiivseteks ioonideks. Positiivsed liiguvad negatiivse elektroodi (katoodi) poole ja sellele kukkudes löövad sealt elektronid välja ning need omakorda liiguvad positiivse elektroodi (anoodi) poole ning tekitavad seda pommitades röntgenfootonite voo. . Kaasaegses Coolidge’i välja töötatud röntgentorus (joonis 3) on elektronide allikaks kõrge temperatuurini kuumutatud volframkatood. Anoodi (või antikatoodi) ja katoodi vahelise suure potentsiaalide erinevuse tõttu kiirendab elektronid suure kiiruseni. Kuna elektronid peavad jõudma anoodile ilma aatomitega kokku põrkamata, on vaja väga suurt vaakumit, mille jaoks tuleb toru hästi evakueerida. See vähendab ka ülejäänud gaasiaatomite ioniseerumise tõenäosust ja sellest tulenevaid külgvoolusid.
Elektronid fokusseeritakse anoodile katoodi ümbritseva spetsiaalse kujuga elektroodi abil. Seda elektroodi nimetatakse teravustamiselektroodiks ja see moodustab koos katoodiga toru "elektroonilise prožektori". Elektronidega pommitav anood peab olema valmistatud tulekindlast materjalist, kuna suurem osa pommitavate elektronide kineetilisest energiast muundatakse soojuseks. Lisaks on soovitav, et anood oleks valmistatud suure aatomarvuga materjalist, kuna röntgenikiirgus suureneb koos aatomarvu suurenemisega. Kõige sagedamini valitakse anoodimaterjaliks volfram, mille aatomnumber on 74. Röntgentorude konstruktsioon võib olenevalt kasutustingimustest ja nõuetest olla erinev.
Röntgenkiirguse tuvastus
Kõik röntgenikiirguse tuvastamise meetodid põhinevad nende vastasmõjul ainega. Detektoreid võib olla kahte tüüpi: need, mis annavad pilti, ja need, mis ei anna. Esimeste hulka kuuluvad röntgenfluorograafia ja fluoroskoopia seadmed, mille puhul röntgenikiir läbib uuritavat objekti ning edasikantav kiirgus satub luminestsentsekraanile või filmile. Pilt ilmub tänu sellele, et uuritava objekti erinevad osad neelavad kiirgust erineval viisil – olenevalt aine paksusest ja koostisest. Luminestsentsekraaniga detektorites muundatakse röntgenikiirgus vahetult jälgitavaks pildiks, radiograafias aga salvestatakse see tundlikule emulsioonile ja seda saab jälgida alles pärast filmi ilmutamist. Teist tüüpi detektorid hõlmavad väga erinevaid seadmeid, milles röntgenikiirguse energia muundatakse elektrilisteks signaalideks, mis iseloomustavad kiirguse suhtelist intensiivsust. Nende hulka kuuluvad ionisatsioonikambrid, Geigeri loendur, proportsionaalne loendur, stsintillatsiooniloendur ja mõned spetsiaalsed kaadmiumsulfiidil ja seleniidil põhinevad detektorid. Praegu võib kõige tõhusamateks detektoriteks pidada stsintillatsiooniloendureid, mis töötavad hästi laias energiavahemikus.
Vaata ka OSAKESTE ANDURID . Detektor valitakse, võttes arvesse probleemi tingimusi. Näiteks kui on vaja täpselt mõõta difrakteerunud röntgenkiirguse intensiivsust, siis kasutatakse loendureid, mis võimaldavad mõõtmisi teha protsendi murdosade täpsusega. Kui on vaja registreerida palju hajuvaid kiiri, siis on soovitav kasutada röntgenfilmi, kuigi sel juhul pole intensiivsust sama täpsusega võimalik määrata.
Röntgen- JA GAMMADEFEKTOSKOOPIA
Üks levinumaid röntgenikiirte rakendusi tööstuses on materjali kvaliteedi kontroll ja vigade tuvastamine. Röntgenimeetod on mittepurustav, nii et kui katsetatavat materjali leitakse, et see vastab nõutavatele nõuetele, saab seda kasutada ettenähtud otstarbel. Nii röntgen- kui ka gammavigade tuvastamine põhinevad röntgenikiirguse läbitungimisvõimel ja selle materjalides neeldumise omadustel. Läbitungimisvõimsuse määrab röntgeni footonite energia, mis sõltub kiirenduspingest röntgentorus. Seetõttu on paksude proovide ja raskemetallide, näiteks kulla ja uraani proovide uurimiseks vaja kõrgema pingega röntgenikiirguse allikat ning õhukeste proovide puhul piisab madalama pingega allikast. Väga suurte valandite ja suurte valtstoodete gammakiirguse vigade tuvastamiseks kasutatakse betatroneid ja lineaarkiirendeid, mis kiirendavad osakesi energiani 25 MeV ja rohkem. Röntgenikiirguse neeldumine materjalis oleneb neelduja paksusest d ja neeldumistegurist m ning määratakse valemiga I = I0e-md, kus I on neeldurit läbiva kiirguse intensiivsus, I0 langeva kiirguse intensiivsus ja e = 2,718 on naturaallogaritmide alus. Antud materjali puhul on röntgenkiirguse antud lainepikkusel (või energial) neeldumistegur konstantne. Kuid röntgenikiirguse allika kiirgus ei ole monokromaatiline, vaid sisaldab laia lainepikkuste spektrit, mille tulemusena sõltub neeldumine neelduja sama paksuse juures kiirguse lainepikkusest (sagedusest). Röntgenkiirgust kasutatakse laialdaselt kõigis tööstusharudes, mis on seotud metallide survega töötlemisega. Seda kasutatakse ka suurtükiväe tünnide, toiduainete, plastide, keerukate seadmete ja süsteemide testimiseks elektroonikatehnikas. (Sarnasel eesmärgil kasutatakse neutronograafiat, mis kasutab röntgenikiirte asemel neutronkiirte.) Röntgenikiirgust kasutatakse ka muudel eesmärkidel, näiteks maalide autentsuse kindlakstegemiseks või täiendavate värvikihtide tuvastamiseks põhikihi peal. .
Röntgenkiirte DIFRAKTSIOON
Röntgendifraktsioon annab olulist teavet tahkete ainete – nende aatomstruktuuri ja kristallivormi –, aga ka vedelike, amorfsete kehade ja suurte molekulide kohta. Difraktsioonimeetodit kasutatakse ka täpseks (veaga alla 10-5) aatomitevaheliste kauguste määramiseks, pingete ja defektide tuvastamiseks ning monokristallide orientatsiooni määramiseks. Difraktsioonimuster võimaldab tuvastada tundmatuid materjale, samuti tuvastada lisandite olemasolu proovis ja määrata need. Röntgendifraktsioonimeetodi tähtsust kaasaegse füüsika arengule on vaevalt võimalik ülehinnata, kuna kaasaegne arusaam aine omadustest põhineb lõpuks andmetel aatomite paigutuse kohta erinevates keemilistes ühendites, sidemete olemuse kohta. nende vahel ja struktuursed defektid. Peamine vahend selle teabe saamiseks on röntgendifraktsiooni meetod. Rönton oluline keerukate suurte molekulide, näiteks elusorganismide geneetilise materjali desoksüribonukleiinhappe (DNA) struktuuride määramiseks. Vahetult pärast röntgenikiirte avastamist koondus teaduslik ja meditsiiniline huvi nii selle kiirguse võimele läbi kehade tungida kui ka selle olemusele. Katsed röntgenkiirte difraktsiooni kohta piludel ja difraktsioonvõredel näitasid, et see kuulub elektromagnetkiirguse hulka ja selle lainepikkus on suurusjärgus 10-8-10-9 cm. Juba varem arvasid teadlased, eriti W. Barlow, et looduslike kristallide korrapärane ja sümmeetriline kuju on tingitud kristalli moodustavate aatomite järjestatud paigutusest. Mõnel juhul suutis Barlow kristalli struktuuri õigesti ennustada. Prognoositud aatomitevaheliste kauguste väärtus oli 10-8 cm Asjaolu, et aatomitevahelised kaugused osutusid suurusjärgusseteks röntgenikiirguse lainepikkuse suurusjärgus, võimaldas põhimõtteliselt jälgida nende difraktsiooni. Tulemuseks oli idee ühele kõige olulisemale katsele füüsika ajaloos. M. Laue korraldas selle idee eksperimentaalse testimise, mille viisid läbi tema kolleegid W. Friedrich ja P. Knipping. 1912. aastal avaldasid nad kolm oma tööd röntgendifraktsiooni tulemuste kohta. Röntgendifraktsiooni põhimõtted. Röntgendifraktsiooni fenomeni mõistmiseks tuleb käsitleda järjekorras: esiteks röntgenkiirguse spektrit, teiseks kristallstruktuuri olemust ja kolmandaks difraktsiooni nähtust ennast. Nagu eespool mainitud, koosneb iseloomulik röntgenkiirgus mitmest spektrijoontest, millel on kõrge monokromaatsus ja mille määrab anoodimaterjal. Filtrite abil saate valida neist kõige intensiivsema. Seetõttu on anoodimaterjali sobival viisil valides võimalik saada väga täpselt määratletud lainepikkuse väärtusega peaaegu monokromaatilise kiirguse allikas. Iseloomuliku kiirguse lainepikkused on tavaliselt vahemikus 2,285 kroomi puhul kuni 0,558 hõbeda puhul (erinevate elementide väärtused on teada kuue märgilise numbrini). Iseloomulik spekter kattub pideva "valge" spektriga, mille intensiivsus on anoodile langevate elektronide aeglustumine. Seega on igalt anoodilt võimalik saada kahte tüüpi kiirgust: karakteristlikku ja bremsstrahlung-kiirgust, millest igaüks mängib omal moel olulist rolli. Aatomid kristallstruktuuris paiknevad korrapäraste ajavahemike järel, moodustades identsete rakkude jada – ruumilise võre. Mõned võred (näiteks enamiku tavaliste metallide jaoks) on üsna lihtsad, teised (näiteks valgu molekulide jaoks) on aga üsna keerulised. Kristalli struktuuri iseloomustab järgmine: kui nihkuda ühe raku mingist etteantud punktist naaberraku vastavasse punkti, siis leitakse täpselt samasugune aatomikeskkond. Ja kui mõni aatom asub ühe raku ühes või teises punktis, siis asub sama aatom mis tahes naaberraku samaväärses punktis. See põhimõte kehtib rangelt täiusliku, ideaalis korrastatud kristalli puhul. Paljud kristallid (näiteks metallilised tahked lahused) on aga mingil määral korrastamata; kristallograafiliselt samaväärsed kohad võivad olla hõivatud erinevate aatomitega. Nendel juhtudel ei määrata iga aatomi asukohta, vaid ainult aatomi asukohta, mis on "statistiliselt keskmistatud" suure hulga osakeste (või rakkude) kohta. Difraktsiooni nähtust käsitletakse artiklis OPTIKAS ja lugeja võib enne edasiliikumist sellele artiklile viidata. See näitab, et kui lained (näiteks heli, valgus, röntgenikiirgus) läbivad väikese pilu või augu, siis viimast võib pidada sekundaarseks lainete allikaks ja pilu või augu kujutis koosneb vahelduvast valgusest. ja tumedad triibud. Edasi, kui esineb perioodiline aukude või pilude struktuur, siis erinevatest aukudest tulevate kiirte võimendavate ja sumbuvate interferentside tulemusena tekib selge difraktsioonimuster. Röntgendifraktsioon on kollektiivne hajumisnähtus, mille puhul aukude ja hajumiskeskuste rolli mängivad perioodiliselt paiknevad kristallstruktuuri aatomid. Nende kujutiste vastastikune võimendamine teatud nurkade all annab difraktsioonimustri, mis on sarnane sellega, mis tuleneks valguse difraktsioonist kolmemõõtmelisel difraktsioonvõrel. Hajumine toimub langeva röntgenikiirguse interaktsiooni tõttu kristallis olevate elektronidega. Tulenevalt asjaolust, et röntgenkiirguse lainepikkus on samas suurusjärgus aatomi mõõtmetega, on hajuva röntgenkiirguse lainepikkus sama, mis langeval. See protsess on elektronide sundvõnkumise tulemus langeva röntgenikiirguse toimel. Mõelge nüüd aatomile, millel on seotud elektronide pilv (tuuma ümbritsev), millele langevad röntgenikiirgused. Kõigis suundades olevad elektronid hajutavad langevat samaaegselt ja kiirgavad oma sama lainepikkusega, kuigi erineva intensiivsusega röntgenkiirgust. Hajutatud kiirguse intensiivsus on seotud elemendi aatomnumbriga, kuna aatomarv on võrdne orbiidi elektronide arvuga, mis võivad hajumises osaleda. (Seda intensiivsuse sõltuvust hajuva elemendi aatomarvust ja intensiivsuse mõõtmise suunast iseloomustab aatomhajumistegur, mis mängib kristallide struktuuri analüüsimisel üliolulist rolli.) Olgu valige kristallstruktuuris lineaarne aatomite ahel, mis asuvad üksteisest samal kaugusel, ja arvestage nende difraktsioonimustriga. Juba on märgitud, et röntgenikiirguse spekter koosneb pidevast osast ("kontiinum") ja intensiivsemate joonte komplektist, mis on iseloomulikud anoodimaterjaliks olevale elemendile. Oletame, et filtreerisime välja pideva spektri ja saime peaaegu monokromaatilise röntgenkiire, mis oli suunatud meie lineaarsele aatomiahelale. Võimendustingimus (võimendushäire) on täidetud, kui naaberaatomite poolt hajutatud lainete teevahe on lainepikkuse kordne. Kui kiir langeb nurga a0 all intervalliga a (periood) eraldatud aatomirea suhtes, siis difraktsiooninurga a jaoks kirjutatakse võimendusele vastav teeerinevus a(cos a - cosa0) = hl, kus l on lainepikkus ja h on täisarv (joonised 4 ja 5).
Selle lähenemisviisi laiendamiseks kolmemõõtmelisele kristallile on vaja ainult valida aatomite read kristallis kahes teises suunas ja lahendada nii saadud kolm võrrandit ühiselt kolme kristalli telje jaoks perioodidega a, b ja c. Ülejäänud kaks võrrandit on
Need on kolm põhilist Laue võrrandit röntgendifraktsiooni jaoks, kusjuures numbrid h, k ja c on difraktsioonitasandi Milleri indeksid.
Vaata ka KRISTALLID JA KRISTALLOGRAAFIA. Arvestades mis tahes Laue võrrandit, näiteks esimest, võib märgata, et kuna a, a0, l on konstandid ja h = 0, 1, 2, ..., saab selle lahendit esitada koonuste hulgana ühine telg a (joon. 5). Sama kehtib ka suundade b ja c kohta. Üldise kolmemõõtmelise hajumise (difraktsiooni) puhul peab kolmel Laue võrrandil olema ühine lahend, s.t. kolm difraktsioonikoonust, mis asuvad kummalgi teljel, peavad ristuma; ühine ristumisjoon on näidatud joonisel fig. 6. Võrrandite ühislahendus viib Braggi-Wulfi seaduseni:
l = 2(d/n)sinq, kus d on tasandite vaheline kaugus indeksiga h, k ja c (periood), n = 1, 2, ... on täisarvud (difraktsioonijärk) ja q on nurk moodustub langeva kiire (nagu ka difraktsiooniga) kristalli tasapinnaga, milles difraktsioon toimub. Analüüsides Braggi - Wolfe'i seaduse võrrandit monokromaatilise röntgenkiire teel paikneva monokristalli jaoks, võime järeldada, et difraktsiooni pole lihtne jälgida, kuna l ja q on fikseeritud ning sinq DIFRAKTSIOONALÜÜSI MEETODID
Laue meetod. Laue meetod kasutab pidevat "valget" röntgenkiirguse spektrit, mis on suunatud statsionaarsele monokristallile. Perioodi d konkreetse väärtuse jaoks valitakse kogu spektrist automaatselt Bragg-Wulfi tingimusele vastav lainepikkus. Sel viisil saadud Laue mustrid võimaldavad hinnata hajuvate kiirte suundi ja sellest tulenevalt ka kristallitasandite orientatsioone, mis võimaldab teha olulisi järeldusi ka kristalli sümmeetria, orientatsiooni ja olemasolu kohta. selle puudustest. Sel juhul läheb aga kaotsi info ruumiperioodi d kohta. Joonisel fig. 7 on Lauegrami näide. Röntgenfilm asus kristalli sellel küljel, mis oli vastupidine sellele küljele, millele allikast langes röntgenikiir.
Debye-Scherreri meetod (polükristalliliste proovide jaoks). Erinevalt eelmisest meetodist kasutatakse siin monokromaatilist kiirgust (l = const) ja nurka q muudetakse. See saavutatakse, kasutades polükristallilist proovi, mis koosneb paljudest juhusliku orientatsiooniga väikestest kristalliitidest, mille hulgas on neid, mis vastavad Bragg-Wulfi tingimusele. Difraktsiooniga kiired moodustavad koonuseid, mille telg on suunatud piki röntgenikiirt. Pildistamiseks kasutatakse tavaliselt kitsast röntgenkiirte riba silindrilises kassetis ja röntgenikiirgus levib piki läbimõõtu filmis olevate aukude kaudu. Sel viisil saadud debyegramm (joonis 8) sisaldab täpset teavet perioodi d kohta, s.o. kristalli struktuuri kohta, kuid ei anna seda teavet, mida Lauegram sisaldab. Seetõttu täiendavad mõlemad meetodid üksteist. Vaatleme mõnda Debye-Scherreri meetodi rakendust.
Keemiliste elementide ja ühendite identifitseerimine. Debyegrammi järgi määratud nurga q järgi saab arvutada antud elemendile või ühendile iseloomuliku tasanditevahelise kauguse d. Praegu on koostatud palju d väärtuste tabeleid, mis võimaldavad tuvastada mitte ainult üht või teist keemilist elementi või ühendit, vaid ka sama aine erinevaid faasiolekuid, mis ei anna alati keemilist analüüsi. Perioodi d sõltuvusest kontsentratsioonist on võimalik ka suure täpsusega määrata teise komponendi sisaldust asendussulamites.
Stressianalüüs. Võttes aluseks mõõdetud erinevuse tasanditevahelistes kaugustes erinevates suundades kristallides, on materjali elastsusmoodulit teades võimalik suure täpsusega arvutada selles väikseid pingeid.
Kristallide eelisorientatsiooni uuringud. Kui polükristallilise proovi väikesed kristallid ei ole täiesti juhuslikult orienteeritud, on Debyegrami rõngad erineva intensiivsusega. Väljendunud eelistatud orientatsiooni olemasolul koonduvad intensiivsuse maksimumid pildil üksikutesse kohtadesse, mis muutuvad sarnaseks üksikkristalli kujutisega. Näiteks sügavkülmvaltsimise käigus omandab metallleht tekstuuri – kristalliitide selge orientatsiooni. Debaygrammi järgi saab hinnata materjali külmtöötluse olemust.
Terade suuruste uurimine. Kui polükristalli tera suurus on üle 10-3 cm, koosnevad Debyegrami jooned eraldi täppidest, kuna sel juhul ei piisa kristalliitide arvust kogu nurkade väärtuste vahemiku katmiseks. q. Kui kristalliidi suurus on alla 10-5 cm, muutuvad difraktsioonijooned laiemaks. Nende laius on pöördvõrdeline kristalliitide suurusega. Laienemine toimub samal põhjusel, et pilude arvu vähenemine vähendab difraktsioonvõre eraldusvõimet. Röntgenikiirgus võimaldab määrata tera suurusi vahemikus 10-7-10-6 cm.
Üksikute kristallide meetodid. Selleks, et kristalli difraktsioon annaks teavet mitte ainult ruumilise perioodi, vaid ka iga difraktsioonitasandite komplekti orientatsiooni kohta, kasutatakse pöörleva monokristalli meetodeid. Kristallile langeb monokromaatiline röntgenikiir. Kristall pöörleb ümber peatelje, mille puhul on Laue võrrandid täidetud. Sel juhul muutub nurk q, mis sisaldub Braggi-Wulfi valemis. Difraktsioonimaksimumid asuvad Laue difraktsioonikoonuste ristumiskohas kile silindrilise pinnaga (joonis 9). Tulemuseks on joonisel fig 1 näidatud tüüpi difraktsioonimuster. 10. Erinevate difraktsioonijärjestuste kattumise tõttu ühes punktis on aga võimalikud tüsistused. Meetodit saab oluliselt täiustada, kui samaaegselt kristalli pöörlemisega ka kilet teatud viisil liigutada.
Vedelike ja gaaside uuringud. On teada, et vedelikel, gaasidel ja amorfsetel kehadel ei ole õiget kristallstruktuuri. Kuid ka siin on molekulides aatomite vahel keemiline side, mille tõttu jääb nendevaheline kaugus peaaegu konstantseks, kuigi molekulid ise on ruumis juhuslikult orienteeritud. Sellised materjalid annavad ka suhteliselt väikese arvu määrdunud maksimumidega difraktsioonimustri. Sellise pildi töötlemine kaasaegsete meetoditega võimaldab saada teavet isegi selliste mittekristalliliste materjalide struktuuri kohta.
SPEKTROKEEMILINE RÖNTGANALÜÜS
Paar aastat pärast röntgenikiirte avastamist avastas Ch. Barkla (1877-1944), et kui ainele mõjub suure energiaga röntgenikiirgus, tekib elemendile iseloomulik sekundaarne fluorestseeruv röntgenikiirgus. uurimise all. Varsti pärast seda mõõtis G. Moseley oma katsete seerias erinevate elementide elektronpommitamisel saadud esmase iseloomuliku röntgenkiirguse lainepikkusi ning järeldas lainepikkuse ja aatomarvu vahelise seose. Need katsed ja Braggi röntgenspektromeetri leiutamine panid aluse spektrokeemilisele röntgenanalüüsile. Kohe tunti ära röntgenikiirte võimalused keemiliseks analüüsiks. Spektrograafid loodi registreerimisega fotoplaadil, milles uuritav proov toimis röntgentoru anoodina. Kahjuks osutus see meetod väga töömahukaks ja seetõttu kasutati seda ainult siis, kui tavapärased keemilise analüüsi meetodid ei olnud kasutatavad. Silmapaistev näide uuenduslikust uurimistööst analüütilise röntgenspektroskoopia vallas oli 1923. aastal G. Hevesy ja D. Costeri poolt uue elemendi – hafnium – avastus. Suure võimsusega röntgenitorude väljatöötamine radiograafia jaoks ja tundlike detektorite väljatöötamine radiokeemiliste mõõtmiste jaoks II maailmasõja ajal aitas suuresti kaasa röntgenspektrograafia kiirele kasvule järgnevatel aastatel. See meetod on muutunud laialt levinud tänu analüüsi kiirusele, mugavusele, mittepurustavale iseloomule ning täieliku või osalise automatiseerimise võimalusele. See on rakendatav kõigi elementide kvantitatiivse ja kvalitatiivse analüüsi probleemides, mille aatomnumber on suurem kui 11 (naatrium). Ja kuigi tavaliselt kasutatakse proovis kriitiliste komponentide määramiseks röntgenspektrokeemilist analüüsi (0,1-100%), sobib see mõnel juhul 0,005% ja isegi madalamate kontsentratsioonide jaoks.
Röntgenikiirguse spektromeeter. Kaasaegne röntgenspektromeeter koosneb kolmest põhisüsteemist (joon. 11): ergastussüsteemid, s.o. volframist või muust tulekindlast materjalist anoodiga röntgentoru ja toiteallikas; analüüsisüsteemid, s.o. kahe mitme piluga kollimaatoriga analüsaatori kristall, samuti spektrogoniomeeter peenreguleerimiseks; ja registreerimissüsteemid Geigeri või proportsionaal- või stsintillatsiooniloenduriga, samuti alaldi, võimendi, loendurid ja kaardisalvesti või muu salvestusseade.
Röntgenikiirguse fluorestsentsanalüüs. Analüüsitud proov asub põnevate röntgenikiirte teel. Uuritava proovi piirkond isoleeritakse tavaliselt soovitud läbimõõduga auguga maskiga ja kiirgus läbib paralleelse kiirte moodustavat kollimaatorit. Analüsaatori kristalli taga väljastab pilukollimaator detektori jaoks hajutatud kiirgust. Tavaliselt on maksimaalne nurk q piiratud 80–85°-ga, nii et analüsaatori kristallil saavad difraktsioonida ainult need röntgenikiirgused, mille lainepikkus l on seotud tasanditevahelise kaugusega d võrratuse l kaudu. Röntgeni mikroanalüüs.Ülalkirjeldatud lameanalüsaatori kristallspektromeetrit saab kohandada mikroanalüüsiks. See saavutatakse proovi poolt kiiratava primaarse või sekundaarse röntgenkiire kitsendamisega. Proovi efektiivse suuruse või kiirgusava vähenemine toob aga kaasa registreeritud difrakteerunud kiirguse intensiivsuse vähenemise. Seda meetodit saab täiustada, kasutades kõverat kristallspektromeetrit, mis võimaldab registreerida lahkneva kiirguse koonust, mitte ainult kollimaatori teljega paralleelset kiirgust. Sellise spektromeetriga saab tuvastada osakesi, mille suurus on väiksem kui 25 µm. Veelgi suurem analüüsitava proovi suuruse vähendamine saavutatakse R. Kasteni leiutatud röntgen-elektronsondi mikroanalüsaatoriga. Siin ergastab kõrgelt fokuseeritud elektronkiir proovi iseloomulikku röntgenikiirgust, mida seejärel analüüsitakse painutatud kristallspektromeetriga. Sellise seadme abil on võimalik tuvastada 1 μm läbimõõduga proovis aine koguseid suurusjärgus 10–14 g. Samuti on välja töötatud proovi elektronkiire skaneerimisega installatsioonid, mille abil on võimalik saada kahemõõtmeline jaotus muster üle selle elemendi proovi, mille iseloomulik kiirgus on häälestatud spektromeetrile.
MEDITSIINILINE RÖNTGENDIAGNOOS
Röntgentehnoloogia areng on oluliselt vähendanud säritusaega ja parandanud piltide kvaliteeti, võimaldades uurida isegi pehmeid kudesid.
Fluorograafia. See diagnostikameetod seisneb varjukujutise pildistamises poolläbipaistvalt ekraanilt. Patsient asetatakse röntgenikiirguse allika ja luminofoorplaadi (tavaliselt tseesiumjodiidi) lameekraani vahele, mis röntgenikiirgusega kokkupuutel helendab. Erineva tihedusega bioloogilised koed tekitavad erineva intensiivsusega röntgenikiirguse varje. Radioloog uurib fluorestsentsekraanil olevat varjupilti ja paneb diagnoosi. Varem kasutas radioloog pildi analüüsimisel nägemist. Nüüd on erinevaid süsteeme, mis võimendavad pilti, kuvavad seda teleriekraanil või salvestavad andmeid arvuti mällu.
Radiograafia. Röntgenpildi salvestamist otse fotofilmile nimetatakse radiograafiaks. Sel juhul asub uuritav elund röntgenikiirguse allika ja filmi vahel, mis salvestab teavet elundi seisundi kohta antud ajahetkel. Korduv radiograafia võimaldab hinnata selle edasist arengut. Radiograafia võimaldab väga täpselt uurida luukoe terviklikkust, mis koosneb peamiselt kaltsiumist ja on röntgenikiirgusele läbipaistmatu, samuti lihaskoe rebendeid. Selle abil analüüsitakse paremini kui stetoskoobi või kuulamise abil kopsude seisukorda põletiku, tuberkuloosi või vedeliku olemasolu korral. Radiograafia abil määratakse südame suurus ja kuju, samuti selle muutuste dünaamika südamehaigust põdevatel patsientidel.
kontrastained. Röntgenikiirgusele läbipaistvad kehaosad ja üksikute elundite õõnsused muutuvad nähtavaks, kui need on täidetud kontrastainega, mis on organismile kahjutu, kuid võimaldab visualiseerida siseorganite kuju ja kontrollida nende toimimist. Patsient võtab kontrastaineid suukaudselt (nt baariumisoolad seedetrakti uurimisel) või manustatakse neid intravenoosselt (nt joodi sisaldavad lahused neerude ja kuseteede uurimisel). Viimastel aastatel on need meetodid aga välja tõrjutud radioaktiivsete aatomite ja ultraheli kasutamisel põhinevate diagnostiliste meetoditega.
CT skaneerimine. 1970. aastatel töötati välja uus röntgendiagnostika meetod, mis põhines keha või selle osade terviklikul fotol. Õhukeste kihtide ("lõikude") pilte töötleb arvuti ja lõplik pilt kuvatakse monitori ekraanil. Seda meetodit nimetatakse kompuuterröntgentomograafiaks. Seda kasutatakse laialdaselt kaasaegses meditsiinis infiltraatide, kasvajate ja muude ajuhäirete diagnoosimiseks, samuti kehasiseste pehmete kudede haiguste diagnoosimiseks. See tehnika ei nõua võõraste kontrastainete sisseviimist ning on seetõttu kiirem ja tõhusam kui traditsioonilised tehnikad.
Röntgenikiirguse BIOLOOGILINE TOIMING
Röntgenikiirguse kahjulik bioloogiline mõju avastati vahetult pärast selle avastamist Röntgeni poolt. Selgus, et uus kiirgus võib tekitada midagi tugeva päikesepõletuse (erüteemi) taolist, millega kaasneb aga sügavam ja püsivam nahakahjustus. Ilmuvad haavandid muutusid sageli vähiks. Paljudel juhtudel tuli amputeerida sõrmed või käed. Oli ka surmajuhtumeid. On leitud, et nahakahjustusi saab vältida kokkupuuteaja ja doosi vähendamise, varjestuse (nt plii) ja kaugjuhtimispultide kasutamisega. Kuid järk-järgult ilmnesid röntgenkiirgusega kokkupuute muud pikaajalisemad mõjud, mida seejärel kinnitati ja uuriti katseloomadel. Röntgenikiirguse, aga ka muu ioniseeriva kiirguse (näiteks radioaktiivsete materjalide kiirgava gammakiirguse) mõjud hõlmavad: 1) ajutisi muutusi vere koostises pärast suhteliselt väikest liigset kokkupuudet; 2) pöördumatud muutused vere koostises (hemolüütiline aneemia) pärast pikaajalist liigset kokkupuudet; 3) vähktõve (sh leukeemia) haigestumise suurenemine; 4) kiirem vananemine ja varajane surm; 5) katarakti esinemine. Lisaks on bioloogilised katsed hiirte, küülikute ja kärbeste (Drosophila) peal näidanud, et isegi väikesed doosid suurte populatsioonide süstemaatilisel kiiritamisel põhjustavad mutatsioonikiiruse suurenemise tõttu kahjulikke geneetilisi mõjusid. Enamik geneetikuid tunnistab nende andmete rakendatavust inimkehale. Mis puudutab röntgenkiirguse bioloogilist mõju inimkehale, siis selle määrab kiirgusdoosi tase ja ka see, milline keha konkreetne organ kiirgusega kokku puutus. Näiteks verehaigused on põhjustatud vereloomeorganite, peamiselt luuüdi kiiritusest ja geneetilised tagajärjed - suguelundite kiiritamine, mis võib samuti põhjustada steriilsust. Teadmiste kogunemine röntgenikiirguse mõju kohta inimkehale on viinud riiklike ja rahvusvaheliste lubatud kiirgusdooside standardite väljatöötamiseni, mis on avaldatud erinevates teatmeväljaannetes. Lisaks röntgenikiirgusele, mida inimesed sihipäraselt kasutavad, on ka nn hajutatud, külgkiirgus, mis tekib erinevatel põhjustel, näiteks plii kaitseekraani ebatäiuslikkusest tingitud hajumise tõttu, mis ei neelavad selle kiirguse täielikult. Lisaks tekitavad paljud elektriseadmed, mis ei ole ette nähtud röntgenikiirgust tekitama, kõrvalproduktina siiski röntgenikiirgust. Selliste seadmete hulka kuuluvad elektronmikroskoobid, kõrgepinge alaldi lambid (kenotronid), aga ka vananenud värvitelerite kineskoobid. Kaasaegsete värvikineskoopide tootmine on paljudes riikides nüüd valitsuse kontrolli all.
Röntgenikiirguse OHTLIKUD TEGURID
Inimeste röntgenkiirguse tüübid ja ohu määr sõltub kiirgusega kokkupuutuvate inimeste kontingendist.
Röntgeniseadmetega töötavad spetsialistid. Sellesse kategooriasse kuuluvad radioloogid, hambaarstid, teadus- ja tehnikatöötajad ning röntgeniseadmeid hooldavad ja kasutavad töötajad. Võetakse tõhusaid meetmeid, et vähendada kiirgustaset, millega nad peavad toime tulema.
Patsiendid. Siin puuduvad ranged kriteeriumid ja patsiendile ravi ajal saadava kiirguse ohutu taseme määravad raviarstid. Arstidel soovitatakse patsiente mitte tarbetult röntgenuuringutega kokku puutuda. Rasedate naiste ja laste uurimisel tuleb olla eriti ettevaatlik. Sel juhul võetakse erimeetmeid.
Kontrollimeetodid. Sellel on kolm aspekti:
1) piisava varustuse olemasolu, 2) ohutusnõuete täitmist, 3) seadmete nõuetekohast kasutamist. Röntgenuuringul tohib kiiritada ainult soovitud piirkonda, olgu selleks siis hamba- või kopsuuuringud. Pange tähele, et kohe pärast röntgeniseadme väljalülitamist kaovad nii primaarne kui ka sekundaarne kiirgus; puudub ka jääkkiirgus, mida ei tea alati ka need, kes on sellega oma töös otseselt seotud.
Vaata ka
Aatomi STRUKTUUR;
Radioloogia on radioloogia osa, mis uurib sellest haigusest tulenevat röntgenkiirguse mõju loomade ja inimeste organismile, nende ravi ja ennetamist, samuti meetodeid erinevate patoloogiate diagnoosimiseks röntgenikiirte abil (röntgendiagnostika) . Tüüpiline röntgendiagnostika aparaat sisaldab toiteallikat (trafod), kõrgepingealaldit, mis muundab elektrivõrgu vahelduvvoolu alalisvooluks, juhtpaneeli, statiivi ja röntgentoru.
Röntgenikiirgus on teatud tüüpi elektromagnetilised võnkumised, mis tekivad röntgentorus kiirendatud elektronide järsu aeglustumise ajal nende kokkupõrke hetkel anoodaine aatomitega. Praegu on üldtunnustatud seisukoht, et röntgenikiirgus on oma füüsikalise olemuse poolest üks kiirgusenergia liike, mille spektrisse kuuluvad ka raadiolained, infrapunakiired, nähtav valgus, ultraviolettkiirgus ja gammakiirgus. radioaktiivsed elemendid. Röntgenkiirgust võib iseloomustada kui selle väikseimate osakeste – kvantide või footonite – kogumit.
Riis. 1 – mobiilne röntgeniaparaat:
A - röntgenitoru;
B - toiteallikas;
B - reguleeritav statiiv.
Riis. 2 - röntgeniseadme juhtpaneel (mehaaniline - vasakul ja elektrooniline - paremal): A - paneel särituse ja kõvaduse reguleerimiseks;
B - kõrgepinge toitenupp.
Riis. 3 on tüüpilise röntgeniaparaadi plokkskeem 1 - võrk;
2 - autotransformaator;
3 - astmeline trafo;
4 - röntgenitoru;
5 - anood;
6 - katood;
7 - astmeline trafo.
Röntgenikiirguse genereerimise mehhanism
Röntgenikiirgus moodustub kiirendatud elektronide voo ja anoodimaterjali kokkupõrke hetkel. Kui elektronid interakteeruvad sihtmärgiga, muundatakse 99% nende kineetilisest energiast soojusenergiaks ja ainult 1% röntgenikiirguseks.
Röntgentoru koosneb klaasanumast, millesse on joodetud 2 elektroodi: katood ja anood. Klaassilindrist pumbatakse välja õhk: elektronide liikumine katoodilt anoodile on võimalik ainult suhtelise vaakumi tingimustes (10 -7 -10 -8 mm Hg). Katoodil on hõõgniit, mis on tihedalt keerdunud volframniit. Kui hõõgniidile rakendatakse elektrivoolu, tekib elektronide emissioon, mille käigus elektronid eralduvad spiraalist ja moodustavad katoodi lähedal elektronipilve. See pilv on koondunud katoodi fookustopsi, mis määrab elektronide liikumise suuna. Tass - katoodis väike süvend. Anood sisaldab omakorda volframmetallplaati, millele on fokusseeritud elektronid – see on röntgenikiirte tekkekoht.
Riis. 4 – röntgentoru seade: A - katood; 
B - anood;
B - volframniit;
G - katoodi teravustamistass;
D - kiirendatud elektronide voog;
E - volframi sihtmärk;
G - klaaskolb;
З - aken berülliumist;
Ja - moodustatud röntgenikiirgus;
K - alumiiniumfilter.
Elektrontoruga on ühendatud 2 trafot: astmeline ja astmeline. Alandava trafo soojendab volframniiti madala pingega (5-15 volti), mille tulemuseks on elektronide emissioon. Astmeline ehk kõrgepingetrafo läheb otse katoodile ja anoodile, mida toidetakse pingega 20–140 kilovolti. Mõlemad trafod on paigutatud röntgeniaparaadi kõrgepingeplokki, mis on täidetud trafoõliga, mis tagab trafode jahutuse ja nende töökindla isolatsiooni.
Pärast elektronipilve moodustumist alandava trafo abil lülitatakse sisse astmeline trafo ja vooluahela mõlemale poolusele rakendatakse kõrgepingepinget: anoodile positiivne ja negatiivne impulss. impulss katoodile. Negatiivselt laetud elektronid tõrjutakse negatiivselt laetud katoodilt ja kalduvad positiivselt laetud anoodile - sellise potentsiaalse erinevuse tõttu saavutatakse suur liikumiskiirus - 100 tuhat km / s. Sellel kiirusel pommitavad elektronid volframanoodi plaati, lõpetades elektriahela, mille tulemuseks on röntgenikiirgus ja soojusenergia.
Röntgenikiirgus jaguneb bremsstrahlungiks ja iseloomulikuks. Bremsstrahlung tekib volframniidi poolt emiteeritud elektronide kiiruse järsu aeglustumise tõttu. Iseloomulik kiirgus tekib aatomite elektronkestade ümberpaigutamise hetkel. Mõlemad tüübid moodustuvad röntgentorus kiirendatud elektronide kokkupõrke hetkel anoodimaterjali aatomitega. Röntgentoru emissioonispekter kujutab endast bremsstrahlungi ja iseloomulike röntgenikiirte superpositsiooni.
Riis. 5 - bremsstrahlung röntgenkiirte moodustumise põhimõte.
Riis. 6 - iseloomulike röntgenikiirte moodustamise põhimõte.
Röntgenikiirguse põhiomadused
- Röntgenikiirgus on visuaalsele tajule nähtamatu.
- Röntgenkiirgusel on suur läbitungiv jõud läbi elusorganismi elundite ja kudede ning ka elutu looduse tihedate struktuuride, mis ei lase läbi nähtavat valguskiiri.
- Röntgenikiirgus põhjustab teatud keemiliste ühendite hõõgumist, mida nimetatakse fluorestsentsiks.
- Tsink ja kaadmiumsulfiidid fluorestseeruvad kollakasroheliselt,
- Kaltsiumvolframaadi kristallid - violetne-sinine.
Elektromagnetiliste võnkumiste skaala
Röntgenikiirgusel on kindel lainepikkus ja võnkesagedus. Lainepikkus (λ) ja võnkesagedus (ν) on seotud seosega: λ ν = c, kus c on valguse kiirus ümardatuna 300 000 km-ni sekundis. Röntgenikiirguse energia määratakse valemiga E = h ν, kus h on Plancki konstant, universaalne konstant, mis võrdub 6,626 10 -34 J⋅s. Kiirte lainepikkus (λ) on seotud nende energiaga (E) seosega: λ = 12,4 / E.
Röntgenkiirgus erineb teist tüüpi elektromagnetilistest võnkumistest lainepikkuse (vt tabel) ja kvantenergia poolest. Mida lühem on lainepikkus, seda suurem on selle sagedus, energia ja läbitungimisvõime. Röntgenikiirguse lainepikkus on vahemikus
. Röntgenkiirguse lainepikkust muutes on võimalik kontrollida selle läbitungimisvõimet. Röntgenikiirgus on väga lühikese lainepikkusega, kuid kõrge võnkesagedusega, mistõttu on need inimsilmale nähtamatud. Tänu oma tohutule energiale on kvantidel suur läbitungimisvõime, mis on üks peamisi omadusi, mis tagab röntgenikiirguse kasutamise meditsiinis ja teistes teadustes.Röntgenikiirguse omadused
Intensiivsus- röntgenkiirguse kvantitatiivne omadus, mida väljendatakse toru poolt ajaühikus kiiratavate kiirte arvuga. Röntgenikiirguse intensiivsust mõõdetakse milliamprites. Võrreldes seda tavalise hõõglambi nähtava valguse intensiivsusega, saame tuua analoogia: näiteks 20-vatine lamp särab ühe intensiivsusega ehk võimsusega ja 200-vatine teisega, samas kui valguse enda kvaliteet (selle spekter) on sama. Röntgenkiirguse intensiivsus on tegelikult selle kogus. Iga elektron loob anoodile ühe või mitu kiirguskvanti, seetõttu reguleeritakse röntgenikiirguse hulka objekti eksponeerimisel anoodile kalduvate elektronide arvu ja elektronide interaktsioonide arvu muutmisega volframi sihtmärgi aatomitega. , mida saab teha kahel viisil:
- Muutes katoodspiraali hõõgumisastet astmelise trafo abil (emissiooni ajal tekkivate elektronide arv sõltub volframspiraali kuumusest ja kiirguskvantide arv elektronide arvust);
- Muutes astmelise trafo poolt toru poolustele - katoodile ja anoodile antud kõrge pinge väärtust (mida kõrgem pinge toru poolustele rakendatakse, seda rohkem kineetilist energiat saavad elektronid, mis , võivad tänu oma energiale interakteeruda mitme anoodaine aatomiga – vaata joonist fig. riis. 5; madala energiaga elektronid suudavad astuda väiksemasse arvu interaktsioonidesse).
Röntgenikiirguse intensiivsus (anoodivool) korrutatuna säriajaga (toru ajaga) vastab röntgenikiirgusele, mida mõõdetakse mAs (milliamprites sekundis). Säritus on parameeter, mis sarnaselt intensiivsusega iseloomustab röntgentoru poolt kiiratavate kiirte hulka. Ainus erinevus on see, et särituse puhul on arvestatud ka toru tööaega (näiteks kui toru töötab 0,01 sek, siis on kiirte arv üks ja kui 0,02 sek, siis kiirte arv on erinev - veel kaks korda). Kiirguskiirguse määrab radioloog röntgeniaparaadi juhtpaneelil, olenevalt uuringu tüübist, uuritava objekti suurusest ja diagnostikaülesandest.
Jäikus- röntgenikiirguse kvalitatiivne omadus. Seda mõõdetakse toru kõrge pinge järgi - kilovoltides. Määrab röntgenikiirguse läbitungimisvõime. Seda reguleerib kõrgepinge, mida röntgentoru annab astmeline trafo. Mida suurem on potentsiaalide erinevus toru elektroodidel, seda suurema jõuga tõrjuvad elektronid katoodilt ja sööstavad anoodile ning seda tugevam on nende kokkupõrge anoodiga. Mida tugevam on nende kokkupõrge, seda lühem on tekkiva röntgenikiirguse lainepikkus ja seda suurem on selle laine läbitungimisvõime (või kiirguse kõvadus, mida, nagu intensiivsust, reguleeritakse juhtpaneelil pingeparameetriga toru – kilopinge).
λ - lainepikkus; 
Riis. 7 – lainepikkuse sõltuvus laine energiast:
E - laineenergia 
Riis. 8 - röntgentoru pinge ja sellest tuleneva röntgenkiirguse lainepikkuse suhe:
Röntgentorude klassifikatsioon
- Kokkuleppel
- Diagnostika
- Terapeutiline
- Struktuurianalüüsiks
- Läbivalgustuse jaoks
- Disaini järgi
- Fookuse järgi
- Üks fookus (üks spiraal katoodil ja üks fookuspunkt anoodil)
- Bifokaalne (kaks erineva suurusega spiraali katoodil ja kaks fookuspunkti anoodil)
- Anoodi tüübi järgi
- Statsionaarne (fikseeritud)
- Pöörlev
Röntgenikiirgust kasutatakse mitte ainult radiodiagnostika, vaid ka ravi eesmärgil. Nagu eespool märgitud, võimaldab röntgenkiirguse võime pärssida kasvajarakkude kasvu seda kasutada onkoloogiliste haiguste kiiritusravis. Lisaks meditsiinilisele kasutusvaldkonnale on röntgenkiirgus leidnud laialdast rakendust inseneri- ja tehnikavaldkonnas, materjaliteaduses, kristallograafias, keemias ja biokeemias: näiteks on võimalik tuvastada erinevate toodete (rööpad, keevisõmblused) ehituslikke defekte. jne) kasutades röntgenkiirgust. Sellise uuringu tüüpi nimetatakse defektoskoopiaks. Ja lennujaamades, raudteejaamades ja muudes rahvarohketes kohtades kasutatakse röntgentelevisiooni introskoope aktiivselt käsipagasi ja pagasi turvaeesmärkidel skannimiseks.
Olenevalt anoodi tüübist erinevad röntgentorud disaini poolest. Tulenevalt asjaolust, et 99% elektronide kineetilisest energiast muundatakse soojusenergiaks, kuumeneb toru töötamise ajal anood oluliselt - tundlik volframi sihtmärk põleb sageli läbi. Anoodi jahutatakse tänapäevastes röntgenitorudes seda pöörates. Pöörlev anood on ketta kujuga, mis jaotab soojuse ühtlaselt kogu selle pinnale, vältides volframobjekti lokaalset ülekuumenemist.
Röntgentorude disain erineb ka fookuse poolest. Fookuspunkt - anoodi osa, millel genereeritakse töötav röntgenikiir. See on jagatud tegelikuks fookuspunktiks ja efektiivseks fookuspunktiks ( riis. 12). Anoodi nurga tõttu on efektiivne fookuspunkt tegelikust väiksem. Sõltuvalt pildiala suurusest kasutatakse erinevaid fookuspunkti suurusi. Mida suurem on pildiala, seda laiem peab olema fookuspunkt, et katta kogu pildiala. Väiksem fookuspunkt tagab aga parema pildi selguse. Seetõttu kasutatakse väikeste kujutiste tegemisel lühikest filamenti ja elektronid suunatakse anoodi sihtmärgi väikesele alale, luues väiksema fookuspunkti.
Riis. 9 - statsionaarse anoodiga röntgenitoru.
Riis. 10 - pöörleva anoodiga röntgentoru.
Riis. 11 - pöörleva anoodiga röntgentoru seade.
Riis. 12 on diagramm tõelise ja tõhusa fookuspunkti moodustumise kohta.
LOENG
Röntgenikiirgus
2. Bremsstrahlung röntgen, selle spektraalsed omadused.
3. Iseloomulik röntgenikiirgus (ülevaatamiseks).
4. Röntgenikiirguse koostoime ainega.
5.Röntgenikiirguse kasutamise füüsikalised alused meditsiinis.
Röntgenikiirgus (röntgenikiirgus) avastas K. Roentgen, kellest 1895. aastal sai esimene Nobeli füüsikapreemia laureaat.
1. Röntgenikiirguse olemus
röntgenikiirgus - elektromagnetlained pikkusega 80 kuni 10 -5 nm. Pikalainelist röntgenikiirgust blokeerib lühilaine UV-kiirgus, lühilaine - pikalaineline g-kiirgus.
Röntgenikiirgust toodetakse röntgenitorudes. joon.1.
K - katood
1 - elektronkiir
2 - röntgenikiirgus
Riis. 1. Röntgentoru seade.
Toru on klaaskolb (võimaliku kõrgvaakumiga: rõhk selles on umbes 10-6 mm Hg), millel on kaks elektroodi: anood A ja katood K, millele rakendatakse kõrgepinge
U (mitu tuhat volti). Katood on elektronide allikas (termioonilise emissiooni nähtuse tõttu). Anood on metallvarras, millel on kaldpind, et suunata tekkiv röntgenikiirgus toru telje suhtes nurga all. See on valmistatud väga soojust juhtivast materjalist, et eemaldada elektronpommitamisel tekkiv soojus. Kaldus otsas on tulekindlast metallist (näiteks volframist) valmistatud plaat.Anoodi tugev kuumenemine on tingitud asjaolust, et katoodikiire peamine elektronide arv, olles tabanud anoodi, kogeb arvukalt kokkupõrkeid aine aatomitega ja kannab neile suure hulga energiat.
Kõrgepinge toimel kiirendatakse kuuma katoodi hõõgniidi poolt kiiratavad elektronid suure energiani. Elektroni kineetiline energia on
mv 2 /2. See võrdub energiaga, mille ta omandab toru elektrostaatilises väljas liikudes:mv 2 /2 = eU(1)
kus m , e on elektroni mass ja laeng, U on kiirenduspinge.
Protsessid, mis viivad bremsstrahlung röntgenkiirte ilmnemiseni, on tingitud elektronide intensiivsest aeglustumisest anoodimaterjalis aatomituuma ja aatomi elektronide elektrostaatilise välja toimel.
Päritolumehhanismi saab kujutada järgmiselt. Liikuvad elektronid on mingi vool, mis moodustab oma magnetvälja. Elektronide aeglustumine on voolutugevuse vähenemine ja vastavalt ka magnetvälja induktsiooni muutus, mis põhjustab vahelduva elektrivälja ilmnemise, s.o. elektromagnetlaine ilmumine.
Seega, kui laetud osake ainesse lendab, siis see aeglustub, kaotab energia ja kiiruse ning kiirgab elektromagnetlaineid.
2. Röntgenikiirguse spektriomadused .
Niisiis, elektronide aeglustumise korral anoodimaterjalis, bremsstrahlung kiirgus.
Bremsstrahlungi spekter on pidev . Selle põhjus on järgmine.
Kui elektronid aeglustuvad, on igaühel neist osa anoodi soojendamiseks kuluvast energiast (E 1 =
K ), teine osa röntgenfootoni loomiseks (E 2 = hv ), vastasel juhul eU = hv + Q . Nende osade vaheline seos on juhuslik.Seega moodustub paljude elektronide aeglustumise tõttu pidev bremsstrahlung röntgenkiirguse spekter, millest igaüks kiirgab ühe röntgenikiirguse kvant
hv(h ) rangelt määratletud väärtusega. Selle kvanti väärtus erinevate elektronide jaoks erinev. Röntgenkiirguse energiavoo sõltuvus lainepikkusest l , st. röntgenikiirguse spekter on näidatud joonisel 2. |
Joonis 2. Bremsstrahlungi spekter: a) erinevatel pingetel
U torus; b) katoodi erinevatel temperatuuridel T.Lühilaineline (kõva) kiirgus on läbitungimisvõimega suurem kui pikalaineline (pehme) kiirgus. Pehme kiirgus neeldub aines tugevamalt.
Lühikeste lainepikkuste poolelt lõpeb spekter järsult teatud lainepikkusel
l m i n . Selline lühikese lainepikkusega katkestus tekib siis, kui elektroni poolt kiirenevas väljas omandatud energia muudetakse täielikult footoni energiaks ( Q = 0):eU = hv max = hc/ l min , l min = hc/(eU), (2)
l min (nm) = 1,23 / U kV
Kiirguse spektraalne koostis sõltub röntgentoru pingest, pinge suurenedes väärtus
l m i n nihkub lühikeste lainepikkuste suunas (joonis 2 a).Kui katoodi hõõgumise temperatuur T muutub, suureneb elektronide emissioon. Seetõttu vool suureneb
ma torus, kuid kiirguse spektraalne koostis ei muutu (joonis 2b).Energiavoog Ф * bremsstrahlung on otseselt võrdeline pinge ruuduga U anoodi ja katoodi vahel, voolutugevus ma torus ja aatomnumbris Z anoodi materjalid:
F \u003d kZU 2 I. (3)
kus k \u003d 10 -9 W / (V 2 A).
3. Iseloomulikud röntgenikiirgused (tutvumiseks).
Röntgentoru pinge suurendamine toob kaasa asjaolu, et pideva spektri taustal ilmub joon, mis vastab iseloomulikule röntgenikiirgusele. See kiirgus on spetsiifiline anoodi materjalile.
Selle esinemise mehhanism on järgmine. Kõrge pinge korral tungivad kiirendatud elektronid (suure energiaga) sügavale aatomisse ja löövad elektronid välja selle sisemistest kihtidest. Ülemiste tasandite elektronid liiguvad vabadesse kohtadesse, mille tulemusena kiirguvad iseloomuliku kiirguse footonid.
Iseloomuliku röntgenikiirguse spektrid erinevad optilistest spektritest.
- Ühtsus.
Iseloomulike spektrite ühtlus tuleneb sellest, et erinevate aatomite sisemised elektronkihid on ühesugused ja erinevad ainult energeetiliselt tuumadest lähtuva jõu mõju tõttu, mis elementide arvu suurenedes suureneb. Seetõttu nihkuvad iseloomulikud spektrid tuumalaengu suurenedes kõrgemate sageduste suunas. Seda kinnitas eksperimentaalselt üks Röntgeni töötaja - Moseley, kes mõõtis 33 elemendi röntgenikiirguse ülemineku sagedusi. Nemad tegid seaduse.
MOSELY SEADUS – iseloomuliku kiirguse sageduse ruutjuur on elemendi järgarvu lineaarfunktsioon:
A × (Z – B ), (4)
kus v on spektrijoone sagedus, Z on kiirgava elemendi aatomnumber. A, B on konstandid.
Moseley seaduse olulisus seisneb selles, et selle sõltuvuse abil saab täpselt määrata uuritava elemendi aatomarvu röntgenijoone mõõdetud sageduse järgi. See mängis suurt rolli elementide paigutamisel perioodilisustabelisse.
– Sõltumatus keemilisest ühendist.
Aatomile iseloomulikud röntgenispektrid ei sõltu keemilisest ühendist, millesse elemendi aatom siseneb. Näiteks hapnikuaatomi röntgenspekter on O 2, H 2 O puhul sama, samas kui nende ühendite optilised spektrid erinevad. See aatomi röntgenispektri omadus oli nime aluseks " iseloomulik kiirgus".
4. Röntgenikiirguse koostoime ainega
Röntgenkiirguse mõju objektidele määravad röntgenkiirguse interaktsiooni esmased protsessid. footon elektronidega aine aatomid ja molekulid.
Röntgenkiirgus aines imendunud või hajub. Sel juhul võivad toimuda mitmesugused protsessid, mis on määratud röntgenikiirguse footoni energia suhtega
hv ja ionisatsioonienergia A ja (ionisatsioonienergia A ja - energia, mis on vajalik sisemiste elektronide eemaldamiseks aatomist või molekulist).a) Koherentne hajumine(pikalainekiirguse hajumine) tekib siis, kui seos
hv< А и.
Footonite puhul muutub elektronidega interaktsiooni tõttu ainult liikumise suund (joonis 3a), kuid energia
hv ja lainepikkus ei muutu (seetõttu nimetatakse seda hajumist sidus). Kuna footoni ja aatomi energiad ei muutu, siis koherentne hajumine bioloogilisi objekte ei mõjuta, kuid röntgenkiirguse vastase kaitse loomisel tuleks arvestada kiire esmase suuna muutmise võimalusega.b) fotoelektriline efekt juhtub siis, kui
hv ³ A ja .
Sel juhul saab realiseerida kaks juhtumit.
1. Footon neeldub, elektron eraldub aatomist (joonis 3b). Toimub ionisatsioon. Eraldunud elektron omandab kineetilise energia: E k \u003d hv - A ja . Kui kineetiline energia on suur, võib elektron kokkupõrkel ioniseerida naaberaatomeid, moodustades uusi. teisejärguline elektronid.
2. Footon neeldub, kuid selle energiast ei piisa elektroni eraldumiseks ja aatomi või molekuli ergastamine(joonis 3c). See viib sageli fotoni emissioonini nähtavas kiirguspiirkonnas (röntgenikiirguse luminestsents) ja kudedes molekulide aktiveerumiseni ja fotokeemiliste reaktsioonideni. Fotoelektriline efekt ilmneb peamiselt kõrgete aatomite sisekesta elektronidel Z.
sisse) Ebaühtlane hajumine(Comptoni efekt, 1922) tekib siis, kui footoni energia on palju suurem kui ionisatsioonienergia
hv » A ja.
Sel juhul on elektron aatomist eraldunud (sellisi elektrone nimetatakse tagasilöögi elektronid), omandab teatud kineetilise energia
E kuni , väheneb footoni enda energia (joonis 4d):hv=hv" + A ja + E k. (5)
Saadud muudetud sagedusega (pikkusega) kiirgust nimetatakse teisejärguline, see hajub igas suunas.
Tagasilöögi elektronid, kui neil on piisav kineetiline energia, võivad kokkupõrkel ioniseerida naaberaatomeid. Seega tekib ebajärjekindla hajumise tulemusena sekundaarne hajutatud röntgenkiirgus ja aine aatomid ioniseeritakse.
Need (a, b, c) protsessid võivad põhjustada mitmeid järgnevaid. Näiteks (joonis 3d), kui fotoelektrilise efekti käigus eralduvad elektronid sisekestadel olevast aatomist, siis võivad nende asemele liikuda kõrgematelt tasanditelt pärit elektronid, millega kaasneb selle aine sekundaarne iseloomulik röntgenkiirgus. Sekundaarse kiirguse footonid, mis interakteeruvad naaberaatomite elektronidega, võivad omakorda põhjustada sekundaarseid nähtusi.
koherentne hajumine
hv< А И
| |
fotoelektriline efekt
footon neeldub, e - aatomist eraldunud - ionisatsioon
hv \u003d A ja + E kuni
aatom A erutunud footoni neeldumisest, R - röntgenikiirguse luminestsents
ebajärjekindel hajumine
hv » A ja
hv \u003d hv "+ A ja + E kuni
sekundaarsed protsessid fotoelektrilises efektis
 |
Riis. 3 Röntgenikiirguse ja aine interaktsiooni mehhanismid
Röntgenikiirguse kasutamise füüsikalised alused meditsiinis
Kui röntgenikiirgus langeb kehale, peegeldub see veidi selle pinnalt, kuid tungib peamiselt sügavale, samas kui see osaliselt neeldub ja hajub ning osaliselt läbib.
Nõrgenemise seadus.
Röntgenikiirgus nõrgeneb aines vastavalt seadusele:
F \u003d F 0 e - m × x (6)
kus m - lineaarne sumbumistegur, mis oleneb sisuliselt aine tihedusest. See võrdub kolme koherentsele hajumisele vastava liikme summaga m 1, ebajärjekindel m 2 ja fotoelektriline efekt m 3:
m \u003d m 1 + m 2 + m 3. (7)
Iga termini panuse määrab footoni energia. Allpool on toodud nende protsesside suhted pehmete kudede (vee) puhul.
Energia, keV | fotoelektriline efekt | Compton – efekt |
| 100 % |
naudi massi sumbumise koefitsient, mis ei sõltu aine tihedusest r :
m m = m/r. (kaheksa)
Massi sumbumise koefitsient sõltub footoni energiast ja neelava aine aatomarvust:
m m = k l 3 Z 3 . (üheksa)
Luu ja pehmete kudede (vee) massi nõrgenemise koefitsiendid erinevad: m m luud / m m vett = 68.
Kui röntgenikiirte teele asetada ebahomogeenne keha ja selle ette fluorestseeruv ekraan, siis see keha neelates ja summutades kiirgust moodustab ekraanile varju. Selle varju olemuse järgi saab hinnata kehade kuju, tihedust, struktuuri ja paljudel juhtudel ka olemust. Need. märkimisväärne erinevus röntgenikiirguse neeldumises erinevates kudedes võimaldab näha siseorganite pilti varjuprojektsioonis.
Kui uuritav elund ja ümbritsevad kuded nõrgendavad röntgenikiirgust võrdselt, kasutatakse kontrastaineid. Näiteks mao ja soolte täitmine baariumsulfaadi pudrumassiga ( BaS 0 4), näete nende varjupilti (summutuskoefitsientide suhe on 354).
Kasutamine meditsiinis.
Meditsiinis kasutatakse röntgenikiirgust footonite energiaga 60 kuni 100-120 keV diagnostikaks ja 150-200 keV teraapiaks.
Röntgendiagnostika – Haiguste äratundmine keha läbivalgustamisel röntgenikiirgusega.
Röntgendiagnostikat kasutatakse erinevates valikutes, mis on toodud allpool.
 |
1. Fluoroskoopiaga röntgenitoru asub patsiendi taga. Selle ees on fluorestseeruv ekraan. Ekraanil on varju (positiivne) pilt. Igal üksikjuhul valitakse sobiv kiirguse kõvadus nii, et see läbiks pehmeid kudesid, kuid neelduks piisavalt tihedalt. Vastasel juhul saadakse ühtlane vari. Ekraanil on süda, ribid näha tumedad, kopsud heledad.
2. Kui radiograafia objekt asetatakse kassetile, mis sisaldab spetsiaalse fotograafilise emulsiooniga filmi. Röntgentoru asetatakse objekti kohale. Saadud röntgenipilt annab negatiivse pildi, s.t. vastupidine läbivalgustuse ajal täheldatud pildile. Selle meetodi puhul on kujutisel suurem selgus kui (1) puhul, seetõttu täheldatakse detaile, mida läbivalgustamisel on raske näha.
Selle meetodi paljutõotav variant on röntgenikiirgus tomograafia ja "masina versioon" - arvuti tomograafia.
3. Fluoroskoopiaga, Tundlikul väikeseformaadilisel filmil on pilt suurelt ekraanilt fikseeritud. Vaadates uuritakse pilte spetsiaalsel luubil.
Röntgenteraapia - röntgenikiirguse kasutamine pahaloomuliste kasvajate hävitamiseks.
Kiirguse bioloogiline toime seisneb elutegevuse, eriti kiiresti paljunevate rakkude häirimises.
ARVUTUTOMOGRAAFIA (CT)
Röntgen-kompuutertomograafia meetod põhineb kujutise rekonstrueerimiselpatsiendi keha teatud osast, registreerides selle lõigu suure hulga erinevate nurkade all tehtud röntgenprojektsioone. Neid projektsioone registreerivate andurite teave siseneb arvutisse, mis vastavalt spetsiaalsele programmile arvutab levitamine tihedalt näidissuurusuuritud jaotises ja kuvab selle kuvaril. Saadud piltpatsiendi kehaosa iseloomustab suurepärane selgus ja kõrge teabesisaldus. Programm võimaldab teilsuurendama pildi kontrastsus sisse kümneid ja isegi sadu kordi. See laiendab meetodi diagnostilisi võimalusi.
Videograafid (digitaalse röntgenpilditöötlusega seadmed) kaasaegses hambaravis.
Hambaravis on peamine diagnostiline meetod röntgenuuring. Kuid mitmed traditsioonilised röntgendiagnostika korralduslikud ja tehnilised omadused muudavad selle nii patsiendile kui ka hambaravikliinikule mitte just mugavaks. See on eelkõige patsiendi vajadus kokku puutuda ioniseeriva kiirgusega, mis sageli tekitab organismile olulise kiirguskoormuse, see on ka vajadus fotoprotsessi järele ning sellest tulenevalt vajadus fotoreaktiivide, sh. mürgised. See on lõpuks mahukas arhiiv, rasked kaustad ja röntgenfilmidega ümbrikud.
Lisaks muudab hambaravi praegune arengutase inimsilma poolt radiograafide subjektiivse hindamise ebapiisavaks. Nagu selgus, tajub silm röntgenpildil sisalduvatest erinevatest hallidest varjunditest vaid 64.
Ilmselgelt on minimaalse kiirgusega kokkupuutega dentoalveolaarsüsteemi kõvade kudede selge ja üksikasjaliku pildi saamiseks vaja teisi lahendusi. Otsingu tulemusel loodi nn radiograafiasüsteemid, videograafid – digitaalsed radiograafiasüsteemid.
Ilma tehniliste üksikasjadeta on selliste süsteemide tööpõhimõte järgmine. Röntgenkiirgus ei sisene läbi objekti mitte valgustundlikul kilel, vaid spetsiaalsel intraoraalsel anduril (spetsiaalne elektrooniline maatriks). Vastav maatriksi signaal edastatakse digiteerimisseadmesse (analoog-digitaalmuundur, ADC), mis teisendab selle digitaalseks ja ühendatakse arvutiga. Spetsiaalne tarkvara ehitab arvutiekraanile röntgenpildi ja võimaldab seda töödelda, salvestada kõvale või paindlikule andmekandjale (kõvaketas, disketid), printida pildina failina.
Digitaalses süsteemis on röntgenipilt punktide kogum, millel on erinevad digitaalsed halltoonid. Programmi pakutav infoekraani optimeerimine võimaldab suhteliselt väikese kiirgusdoosi juures saada heleduse ja kontrastsuse osas optimaalse kaadri.
Kaasaegsetes süsteemides, mille on loonud näiteks ettevõtted Trophy (Prantsusmaa) või Schick (USA) kasutatakse kaadri moodustamisel 4096 halli varjundit, säriaeg sõltub uuritavast objektist ja on keskmiselt sajandik-kümnendik sekundist, kiirgusega kokkupuute vähendamine filmi suhtes - kuni 90% intraoraalsete süsteemide puhul, kuni 70% panoraamvideograafide puhul.
Piltide töötlemisel lubavad videograafid:
1. Hankige positiivseid ja negatiivseid pilte, valevärvilisi pilte, reljeefseid pilte.
2. Suurendage kontrasti ja suurendage pildil huvipakkuvat ala.
3. Hinnake muutusi hambakudede ja luustruktuuride tiheduses, kontrollige kanalitäite ühtlust.
4. Sisse endodontia mis tahes kumeruse kanali pikkuse määramiseks ja kirurgias implantaadi suuruse valimiseks 0,1 mm täpsusega.
5. Ainulaadne süsteem kaariese detektor tehisintellekti elementidega pildi analüüsis võimaldab tuvastada kaariest plekifaasis, juurekaariest ja varjatud kaariest.
* « Ф" valemis (3) viitab kogu emiteeritud lainepikkuste vahemikule ja seda nimetatakse sageli "integraalseks energiavooguks".
Röntgenikiirgus on suure energiaga elektromagnetilise kiirguse liik. Seda kasutatakse aktiivselt erinevates meditsiiniharudes.
Röntgenikiirgus on elektromagnetlained, mille footonite energia elektromagnetlainete skaalal jääb ultraviolettkiirguse ja gammakiirguse vahele (~10 eV kuni ~1 MeV), mis vastab lainepikkustele ~10^3 kuni ~10^-2 angströmi. ~10^-7 kuni ~10^-12 m). See tähendab, et see on võrreldamatult tugevam kiirgus kui nähtav valgus, mis jääb sellel skaalal ultraviolett- ja infrapuna ("termiliste") kiirte vahele.
Röntgenikiirguse ja gammakiirguse piir eristatakse tinglikult: nende levialad ristuvad, gammakiirguse energia võib olla 1 keV. Need erinevad päritolu poolest: gammakiirgust kiirgavad aatomituumades toimuvate protsesside käigus, röntgenikiirgust aga elektronidega (nii vabade kui ka aatomite elektronkestades olevate) protsesside käigus. Samal ajal on footoni enda järgi võimatu kindlaks teha, millise protsessi käigus see tekkis, ehk jagunemine röntgeni- ja gammavahemikku on suuresti meelevaldne.
Röntgenikiirguse ulatus jaguneb "pehmeks röntgenikiirguseks" ja "kõvaks". Nende vaheline piir on 2 angströmi ja 6 keV energia lainepikkuse tasemel.
Röntgenigeneraator on toru, milles luuakse vaakum. Seal on elektroodid - katood, millele rakendatakse negatiivset laengut, ja positiivselt laetud anood. Pinge nende vahel on kümneid kuni sadu kilovolte. Röntgeni footonite teke toimub siis, kui elektronid "eralduvad" katoodilt ja põrkuvad suurel kiirusel vastu anoodipinda. Tekkivat röntgenikiirgust nimetatakse "bremsstrahlungiks", selle footonitel on erinev lainepikkus.
Samal ajal tekivad iseloomuliku spektriga footonid. Osa anoodaine aatomites olevatest elektronidest on ergastatud, see tähendab, et see läheb kõrgematele orbiitidele ja naaseb seejärel normaalsesse olekusse, kiirgades teatud lainepikkusega footoneid. Mõlemat tüüpi röntgenikiirgust toodetakse standardses generaatoris.
Avastamise ajalugu
8. novembril 1895 avastas Saksa teadlane Wilhelm Conrad Roentgen, et mõned "katoodkiirte" ehk katoodkiiretoru tekitatud elektronide voolu mõjul olevad ained hakkavad hõõguma. Ta selgitas seda nähtust teatud röntgenikiirte mõjuga - nii (“röntgenikiirteks”) nimetatakse seda kiirgust tänapäeval paljudes keeltes. Hiljem V.K. Röntgen uuris nähtust, mille ta oli avastanud. 22. detsembril 1895 pidas ta sellel teemal loengu Würzburgi ülikoolis.
Hiljem selgus, et röntgenkiirgust oli ka varem täheldatud, kuid siis ei omistatud sellega kaasnevatele nähtustele erilist tähtsust. Katoodkiiretoru leiutati juba ammu, kuid enne V.K. Röntgen, keegi ei pööranud erilist tähelepanu selle läheduses olevate fotoplaatide mustaks muutumisele jne. nähtusi. Teadmata oli ka läbitungiv kiirguse oht.
Tüübid ja nende mõju organismile
"Röntgenikiirgus" on kõige leebem läbitungiv kiirgus. Pehmete röntgenikiirgusega liigne kokkupuude on sarnane ultraviolettkiirgusega, kuid raskemal kujul. Nahale tekib põletus, kuid kahjustus on sügavam ja paraneb palju aeglasemalt.
Kõva röntgenikiirgus on täieõiguslik ioniseeriv kiirgus, mis võib põhjustada kiiritushaigust. Röntgenikiirguse kvantid võivad purustada nii inimkeha kudesid moodustavad valgumolekulid kui ka genoomi DNA molekulid. Kuid isegi kui röntgenikvant lõhub veemolekuli, pole see oluline: tekivad keemiliselt aktiivsed vabad radikaalid H ja OH, mis ise on võimelised valkudele ja DNA-le mõjuma. Kiiritushaigus kulgeb seda raskemal kujul, mida rohkem on kahjustatud vereloomeorganid.
Röntgenikiirgusel on mutageenne ja kantserogeenne toime. See tähendab, et kiiritamise ajal suureneb rakkude spontaansete mutatsioonide tõenäosus ja mõnikord võivad terved rakud degenereeruda vähkkasvajateks. Pahaloomuliste kasvajate tõenäosuse suurenemine on igasuguse kokkupuute, sealhulgas röntgenikiirguse, tavapärane tagajärg. Röntgenikiirgus on kõige vähem ohtlik läbitungiv kiirgus, kuid see võib siiski olla ohtlik.
Röntgenkiirgus: rakendus ja kuidas see toimib
Röntgenkiirgust kasutatakse meditsiinis, aga ka muudes inimtegevuse valdkondades.
Fluoroskoopia ja kompuutertomograafia
Röntgenikiirguse kõige levinum kasutusala on fluoroskoopia. Inimkeha "vaikus" võimaldab saada üksikasjalikku pilti nii luudest (need on kõige selgemini nähtavad) kui ka siseorganite kujutistest.
Kehakudede erinev läbipaistvus röntgenikiirguses on seotud nende keemilise koostisega. Luude struktuuri eripära on see, et need sisaldavad palju kaltsiumi ja fosforit. Teised koed koosnevad peamiselt süsinikust, vesinikust, hapnikust ja lämmastikust. Fosfori aatom on peaaegu kaks korda raskem kui hapnikuaatom ja kaltsiumi aatom on 2,5 korda raskem (süsinik, lämmastik ja vesinik on isegi hapnikust kergemad). Sellega seoses on röntgeni footonite neeldumine luudes palju suurem.
Lisaks kahemõõtmelistele "piltidele" võimaldab radiograafia luua elundist kolmemõõtmelise pildi: seda tüüpi radiograafiat nimetatakse kompuutertomograafiaks. Nendel eesmärkidel kasutatakse pehmeid röntgenikiirgusid. Ühel pildil saadud särituse hulk on väike: see on ligikaudu võrdne säritusega, mis saadakse 2-tunnise lennu ajal lennukiga 10 km kõrgusel.
Röntgenikiirguse defektide tuvastamine võimaldab tuvastada toodete väikeseid sisemisi defekte. Selle jaoks kasutatakse kõvasid röntgenikiirgusid, kuna paljud materjalid (näiteks metall) on nende koostisaine suure aatommassi tõttu halvasti "läbipaistvad".
Röntgendifraktsioon ja röntgenfluorestsentsanalüüs
Röntgenikiirgusel on omadused, mis võimaldavad üksikuid aatomeid üksikasjalikult uurida. Röntgendifraktsioonanalüüsi kasutatakse aktiivselt keemias (sh biokeemias) ja kristallograafias. Selle tööpõhimõte on röntgenikiirguse difraktsiooniline hajumine kristallide või kompleksmolekulide aatomite kaudu. Röntgendifraktsioonianalüüsi abil määrati DNA molekuli struktuur.
Röntgeni fluorestsentsanalüüs võimaldab kiiresti määrata aine keemilise koostise.
Kiiritusravi vorme on palju, kuid need kõik hõlmavad ioniseeriva kiirguse kasutamist. Kiiritusravi jaguneb kahte tüüpi: korpuskulaarne ja laineline. Korpuskulaarne kasutab alfaosakeste (heeliumi aatomite tuumad), beetaosakeste (elektronid), neutronite, prootonite, raskete ioonide vooge. Laine kasutab elektromagnetilise spektri kiiri - röntgeni- ja gammakiirgust.
Kiiritusravi meetodeid kasutatakse eelkõige onkoloogiliste haiguste raviks. Fakt on see, et kiirgus mõjutab eelkõige aktiivselt jagunevaid rakke, mistõttu kannatavad nii vereloomeorganid (nende rakud jagunevad pidevalt, toodavad järjest uusi punaseid vereliblesid). Vähirakud jagunevad samuti pidevalt ja on kiirgusele haavatavamad kui terved kuded.
Kasutatakse kiirgustaset, mis pärsib vähirakkude aktiivsust, mõjutades samal ajal mõõdukalt terveid. Kiirguse mõjul pole tegemist mitte rakkude kui selliste hävimisega, vaid nende genoomi – DNA molekulide – kahjustamisega. Hävitatud genoomiga rakk võib mõnda aega eksisteerida, kuid ei saa enam jaguneda, see tähendab, et kasvaja kasv peatub.
Kiiritusravi on kiiritusravi kõige leebem vorm. Lainekiirgus on pehmem kui korpuskulaarne kiirgus ja röntgenikiirgus on pehmem kui gammakiirgus.
Raseduse ajal
Raseduse ajal on ioniseeriva kiirguse kasutamine ohtlik. Röntgenikiirgus on mutageenne ja võib põhjustada lootel kõrvalekaldeid. Röntgenravi ei sobi rasedusega: seda saab kasutada ainult siis, kui on juba otsustatud aborti teha. Fluoroskoopia piirangud on pehmemad, kuid esimestel kuudel on see ka rangelt keelatud.
Hädaolukorras asendatakse röntgenuuring magnetresonantstomograafiaga. Kuid ka esimesel trimestril püüavad nad seda vältida (see meetod ilmus hiljuti ja täiesti kindlalt räägitakse kahjulike tagajärgede puudumisest).
Ühemõtteline oht tekib kokkupuutel summaarse doosiga vähemalt 1 mSv (vanades ühikutes - 100 mR). Lihtsa röntgenpildiga (näiteks fluorograafia tegemisel) saab patsient umbes 50 korda vähem. Sellise annuse korraga saamiseks peate läbima üksikasjaliku kompuutertomograafia.
See tähendab, et pelgalt 1-2-kordse "röntgeni" tegemise fakt raseduse varases staadiumis ei ähvarda tõsiste tagajärgedega (kuid parem on mitte riskida).
Ravi sellega
Röntgenikiirgust kasutatakse peamiselt pahaloomuliste kasvajate vastases võitluses. See meetod on hea, sest see on väga tõhus: tapab kasvaja. See on halb, sest terved kuded pole palju paremad, sellel on palju kõrvaltoimeid. Eriti ohustatud on hematopoeesi organid.
Praktikas kasutatakse röntgenikiirguse mõju vähendamiseks tervetele kudedele erinevaid meetodeid. Kiired on suunatud nurga all nii, et nende ristumispiirkonnas on kasvaja (selle tõttu toimub põhiline energia neeldumine just seal). Mõnikord viiakse protseduur läbi liikumisel: patsiendi keha pöörleb kiirgusallika suhtes ümber kasvajat läbiva telje. Samal ajal on terved kuded kiiritusvööndis ainult mõnikord ja haiged - kogu aeg.
Röntgenikiirgust kasutatakse teatud artrooside ja sarnaste haiguste, samuti nahahaiguste ravis. Sellisel juhul väheneb valu sündroom 50-90%. Kuna sel juhul kasutatav kiirgus on pehmem, siis kasvajate ravis esinevatele kõrvaltoimeid ei täheldata.