Röntgenstrålning och dess tillämpning. Kort beskrivning av röntgenstrålning. Användningen av röntgenstrålar i medicin
Kort beskrivning av röntgenstrålning
Röntgenstrålar är elektromagnetiska vågor (flöde av kvanter, fotoner), vars energi ligger på energiskalan mellan ultraviolett strålning och gammastrålning (fig. 2-1). Röntgenfotoner har energier från 100 eV till 250 keV, vilket motsvarar strålning med en frekvens på 3×10 16 Hz till 6×10 19 Hz och en våglängd på 0,005–10 nm. De elektromagnetiska spektra av röntgenstrålar och gammastrålar överlappar varandra i stor utsträckning.
Ris. 2-1. Elektromagnetisk strålningsskala
Den största skillnaden mellan dessa två typer av strålning är hur de uppstår. Röntgenstrålar erhålls med deltagande av elektroner (till exempel under retardationen av deras flöde) och gammastrålar - med radioaktivt sönderfall av kärnorna hos vissa element.
Röntgenstrålar kan genereras vid retardation av ett accelererat flöde av laddade partiklar (den så kallade bremsstrahlung) eller när högenergiövergångar sker i atomernas elektronskal (karakteristisk strålning). Medicinsk utrustning använder röntgenrör för att generera röntgenstrålar (Figur 2-2). Deras huvudkomponenter är en katod och en massiv anod. Elektronerna som emitteras på grund av skillnaden i elektrisk potential mellan anoden och katoden accelereras, når anoden vid kollision med materialet vars de retarderas. Som ett resultat produceras bremsstrahlung röntgenstrålar. Under kollisionen av elektroner med anoden sker också den andra processen - elektroner slås ut ur anodatomernas elektronskal. Deras platser är upptagna av elektroner från andra skal av atomen. Under denna process genereras en andra typ av röntgenstrålning - den så kallade karakteristiska röntgenstrålningen, vars spektrum till stor del beror på anodmaterialet. Anoder är oftast gjorda av molybden eller volfram. Det finns speciella enheter för att fokusera och filtrera röntgenstrålar för att förbättra de resulterande bilderna.
Ris. 2-2. Schema för röntgenrörsanordningen:
Egenskaperna hos röntgenstrålar som förutbestämmer deras användning inom medicin är penetrerande, fluorescerande och fotokemiska effekter. Den genomträngande kraften hos röntgenstrålar och deras absorption av människokroppens vävnader och konstgjorda material är de viktigaste egenskaperna som bestämmer deras användning i stråldiagnostik. Ju kortare våglängd, desto större penetreringskraft har röntgenstrålar.
Det finns ʼʼʼʼʼ röntgenstrålar med låg energi och strålningsfrekvens (respektive med störst våglängd) och ʼʼʼʼʼ som har hög fotonenergi och strålningsfrekvens och har kort våglängd. Våglängden för röntgenstrålning (respektive dess "styvhet" och penetrerande kraft) beror på storleken på den spänning som appliceras på röntgenröret. Ju högre spänning på röret, desto högre hastighet och energi för elektronflödet och desto kortare våglängd på röntgenstrålarna.
Under interaktionen av röntgenstrålning som penetrerar genom ämnet sker kvalitativa och kvantitativa förändringar i det. Graden av absorption av röntgenstrålar av vävnader är olika och bestäms av densiteten och atomvikten hos de element som utgör föremålet. Ju högre densitet och atomvikt av ämnet som föremålet (organet) som studeras består av, desto mer absorberas röntgenstrålar. Människokroppen innehåller vävnader och organ med olika täthet (lungor, ben, mjuka vävnader etc.), vilket förklarar den olika absorptionen av röntgenstrålar. Visualiseringen av inre organ och strukturer är baserad på den artificiella eller naturliga skillnaden i absorptionen av röntgenstrålar av olika organ och vävnader.
För att registrera strålningen som passerat genom kroppen används dess förmåga att orsaka fluorescens av vissa föreningar och att ha en fotokemisk effekt på filmen. För detta ändamål används speciella skärmar för fluoroskopi och fotografiska filmer för radiografi. I moderna röntgenapparater används speciella system av digitala elektroniska detektorer - digitala elektroniska paneler - för att registrera dämpad strålning. I det här fallet kallas röntgenmetoder digitala.
På grund av de biologiska effekterna av röntgenstrålar är det viktigt att skydda patienterna under undersökningen. Detta uppnås
kortast möjliga exponeringstid, ersättning av fluoroskopi med radiografi, strikt motiverad användning av joniserande metoder, skydd genom att skydda patienten och personalen från exponering för strålning.
Kort beskrivning av röntgenstrålning - koncept och typer. Klassificering och funktioner i kategorin "Korta egenskaper för röntgenstrålning" 2017, 2018.
RÖNTGEN STRÅLNING
osynlig strålning som kan penetrera, om än i varierande grad, alla ämnen. Det är elektromagnetisk strålning med en våglängd på cirka 10-8 cm.Liksom synligt ljus orsakar röntgenstrålar svärtning av fotografisk film. Denna egenskap är av stor betydelse för medicin, industri och vetenskaplig forskning. Genom att passera genom föremålet som studeras och sedan falla på filmen, visar röntgenstrålning dess inre struktur på den. Eftersom genomträngningsförmågan hos röntgenstrålning är olika för olika material ger delar av föremålet som är mindre genomskinliga för det ljusare områden på fotografiet än de som strålningen tränger igenom bra. Således är benvävnader mindre genomskinliga för röntgenstrålar än de vävnader som utgör huden och de inre organen. Därför kommer benen på röntgen att indikeras som ljusare områden och frakturstället, som är mer genomskinligt för strålning, kan ganska lätt upptäckas. Röntgenröntgen används även inom tandvården för att upptäcka karies och bölder i tändernas rötter, samt inom industrin för att upptäcka sprickor i gjutgods, plast och gummi. Röntgenstrålar används i kemi för att analysera föreningar och i fysik för att studera kristallers struktur. En röntgenstråle som passerar genom en kemisk förening orsakar en karakteristisk sekundär strålning, vars spektroskopiska analys gör det möjligt för kemisten att bestämma sammansättningen av föreningen. När man faller på ett kristallint ämne sprids en röntgenstråle av kristallens atomer, vilket ger ett tydligt, regelbundet mönster av fläckar och ränder på en fotografisk platta, vilket gör det möjligt att fastställa kristallens inre struktur. Användningen av röntgen vid cancerbehandling bygger på att den dödar cancerceller. Men det kan också ha en oönskad effekt på normala celler. Därför måste extrem försiktighet iakttas vid denna användning av röntgenstrålar. Röntgenstrålning upptäcktes av den tyske fysikern W. Roentgen (1845-1923). Hans namn är förevigat i några andra fysiska termer förknippade med denna strålning: den internationella enheten för dosen av joniserande strålning kallas röntgen; en bild tagen med en röntgenapparat kallas röntgenbild; Området för radiologisk medicin som använder röntgen för att diagnostisera och behandla sjukdomar kallas radiologi. Roentgen upptäckte strålning 1895 medan han var professor i fysik vid universitetet i Würzburg. Medan han utförde experiment med katodstrålar (elektronflöden i urladdningsrör), märkte han att en skärm belägen nära vakuumröret, täckt med kristallin bariumcyanoplatinit, lyser starkt, även om själva röret är täckt med svart kartong. Roentgen konstaterade vidare att den genomträngande kraften hos de okända strålarna han upptäckte, som han kallade röntgenstrålar, berodde på sammansättningen av det absorberande materialet. Han avbildade också benen i sin egen hand genom att placera den mellan ett katodstråleurladdningsrör och en skärm belagd med bariumcyanoplatinit. Roentgens upptäckt följdes av experiment av andra forskare som upptäckte många nya egenskaper och tillämpningar av denna strålning. En stor insats gjordes av M. Laue, W. Friedrich och P. Knipping, som 1912 demonstrerade diffraktionen av röntgenstrålar när den passerar genom en kristall; W. Coolidge, som 1913 uppfann ett högvakuumröntgenrör med en uppvärmd katod; G. Moseley, som 1913 fastställde förhållandet mellan strålningens våglängd och ett elements atomnummer; G. och L. Braggi, som fick Nobelpriset 1915 för att utveckla grunderna för röntgendiffraktionsanalys.
ERHÅLLA RÖNTGEN STRÅLNING
Röntgenstrålning uppstår när elektroner som rör sig i höga hastigheter interagerar med materia. När elektroner kolliderar med atomer av något ämne förlorar de snabbt sin kinetiska energi. I det här fallet omvandlas det mesta till värme och en liten del, vanligtvis mindre än 1 %, omvandlas till röntgenenergi. Denna energi frigörs i form av kvanta - partiklar som kallas fotoner som har energi men har noll vilomassa. Röntgenfotoner skiljer sig i sin energi, som är omvänt proportionell mot deras våglängd. Med den konventionella metoden för att erhålla röntgenstrålar erhålls ett brett spektrum av våglängder, vilket kallas röntgenspektrum. Spektrumet innehåller uttalade komponenter, som visas i fig. 1. Ett brett "kontinuum" kallas ett kontinuerligt spektrum eller vit strålning. De skarpa topparna som är överlagrade på den kallas karakteristiska röntgenstrålningslinjer. Även om hela spektrumet är resultatet av kollisioner av elektroner med materia, är mekanismerna för utseendet på dess breda del och linjer annorlunda. Ett ämne består av ett stort antal atomer, som var och en har en kärna omgiven av elektronskal, och varje elektron i skalet av en atom av ett givet element upptar en viss diskret energinivå. Vanligtvis betecknas dessa skal, eller energinivåer, med symbolerna K, L, M, etc., med början från skalet närmast kärnan. När en infallande elektron med tillräckligt hög energi kolliderar med en av elektronerna bundna till atomen, slår den ut den elektronen ur skalet. Det tomma utrymmet upptas av en annan elektron från skalet, vilket motsvarar en högre energi. Den senare avger överskottsenergi genom att sända ut en röntgenfoton. Eftersom skalelektronerna har diskreta energivärden har de resulterande röntgenfotonerna också ett diskret spektrum. Detta motsvarar skarpa toppar för vissa våglängder, vars specifika värden beror på målelementet. De karakteristiska linjerna bildar K-, L- och M-serier, beroende på vilket skal (K, L eller M) elektronen avlägsnades från. Sambandet mellan röntgenstrålningens våglängd och atomnumret kallas Moseleys lag (fig. 2).
Om en elektron kolliderar med en relativt tung kärna, saktar den ner, och dess kinetiska energi frigörs i form av en röntgenfoton med ungefär samma energi. Om han flyger förbi kärnan kommer han att förlora bara en del av sin energi, och resten kommer att överföras till andra atomer som faller i hans väg. Varje handling av energiförlust leder till emission av en foton med viss energi. Ett kontinuerligt röntgenspektrum visas, vars övre gräns motsvarar energin hos den snabbaste elektronen. Detta är mekanismen för bildandet av ett kontinuerligt spektrum, och den maximala energin (eller minsta våglängden) som fixerar gränsen för det kontinuerliga spektrumet är proportionell mot den accelererande spänningen, som bestämmer hastigheten på de infallande elektronerna. Spektrallinjerna karakteriserar det bombarderade målets material, medan det kontinuerliga spektrumet bestäms av elektronstrålens energi och praktiskt taget inte beror på målmaterialet. Röntgenstrålar kan erhållas inte bara genom elektronbombardement, utan också genom att bestråla målet med röntgenstrålar från en annan källa. I det här fallet går emellertid det mesta av den infallande strålens energi in i det karakteristiska röntgenspektrumet, och en mycket liten del av det faller in i det kontinuerliga spektrumet. Uppenbarligen måste den infallande röntgenstrålen innehålla fotoner vars energi är tillräcklig för att excitera de karakteristiska linjerna för det bombarderade elementet. Den höga andelen energi per karakteristiskt spektrum gör denna metod för röntgenexcitering bekväm för vetenskaplig forskning.
Röntgenrör. För att erhålla röntgenstrålning på grund av interaktion mellan elektroner och materia är det nödvändigt att ha en elektronkälla, medel för att accelerera dem till höga hastigheter och ett mål som kan motstå elektronbombardement och producera röntgenstrålning av önskad intensitet. Apparaten som har allt detta kallas ett röntgenrör. Tidiga upptäcktsresande använde "djupa vakuum"-rör som dagens urladdningsrör. Vakuumet i dem var inte särskilt högt. Urladdningsrör innehåller en liten mängd gas, och när en stor potentialskillnad appliceras på rörets elektroder förvandlas gasatomerna till positiva och negativa joner. De positiva rör sig mot den negativa elektroden (katoden) och när de faller på den slår de elektroner ur den, och de i sin tur rör sig mot den positiva elektroden (anoden) och, bombarderar den, skapar en ström av röntgenfotoner . I det moderna röntgenröret som utvecklats av Coolidge (fig. 3) är elektronkällan en volframkatod som värms upp till en hög temperatur. Elektronerna accelereras till höga hastigheter av den höga potentialskillnaden mellan anoden (eller antikatoden) och katoden. Eftersom elektronerna måste nå anoden utan att kollidera med atomer krävs ett mycket högt vakuum, för vilket röret måste vara väl evakuerat. Detta minskar också sannolikheten för jonisering av de återstående gasatomerna och de tillhörande sidoströmmarna.
Elektronerna fokuseras på anoden av en speciellt formad elektrod som omger katoden. Denna elektrod kallas för fokuseringselektroden och bildar tillsammans med katoden rörets "elektroniska sökarljus". Anoden som utsätts för elektronbombardement måste vara gjord av ett eldfast material, eftersom det mesta av den kinetiska energin hos de bombarderande elektronerna omvandlas till värme. Dessutom är det önskvärt att anoden är gjord av ett material med ett högt atomnummer, eftersom röntgenutbytet ökar med ökande atomnummer. Som anodmaterial väljs oftast volfram, vars atomnummer är 74. Utformningen av röntgenrör kan vara olika beroende på applikationsförhållanden och krav.
RÖNTGENDETEKTION
Alla metoder för att upptäcka röntgenstrålar är baserade på deras interaktion med materia. Detektorer kan vara av två typer: de som ger en bild och de som inte gör det. De förra inkluderar röntgenfluorografi och fluoroskopianordningar, där röntgenstrålen passerar genom föremålet som studeras, och den överförda strålningen kommer in i den självlysande skärmen eller filmen. Bilden framträder på grund av att olika delar av föremålet som studeras absorberar strålning på olika sätt - beroende på ämnets tjocklek och dess sammansättning. I detektorer med en självlysande skärm omvandlas röntgenenergin till en direkt observerbar bild, medan den vid radiografi registreras på en känslig emulsion och endast kan observeras efter att filmen har framkallats. Den andra typen av detektorer inkluderar en mängd olika anordningar där röntgenenergin omvandlas till elektriska signaler som kännetecknar strålningens relativa intensitet. Dessa inkluderar joniseringskammare, en geigerräknare, en proportionell räknare, en scintillationsräknare och några speciella detektorer baserade på kadmiumsulfid och selenid. För närvarande kan scintillationsräknare anses vara de mest effektiva detektorerna, som fungerar bra inom ett brett energiområde.
se även PARTIKELDETEKTORER . Detektorn väljs med hänsyn till förhållandena för problemet. Till exempel, om det är nödvändigt att noggrant mäta intensiteten av diffrakterad röntgenstrålning, används räknare som gör det möjligt att göra mätningar med en noggrannhet på bråkdelar av en procent. Om det är nödvändigt att registrera många diffrakterade strålar, är det lämpligt att använda röntgenfilm, även om det i det här fallet är omöjligt att bestämma intensiteten med samma noggrannhet.
RÖNTGEN OCH GAMMADEFEKTOSKOPI
En av de vanligaste tillämpningarna av röntgenstrålning inom industrin är materialkvalitetskontroll och feldetektering. Röntgenmetoden är oförstörande, så att materialet som testas, om det visar sig uppfylla de ställda kraven, sedan kan användas för avsett ändamål. Både röntgen- och gammadetektering baseras på röntgenstrålningens penetrerande kraft och egenskaperna hos dess absorption i material. Penetreringskraften bestäms av energin hos röntgenfotoner, som beror på accelerationsspänningen i röntgenröret. Därför kräver tjocka prover och prover från tungmetaller, som guld och uran, en röntgenkälla med högre spänning för sina studier, och för tunna prover räcker det med en källa med lägre spänning. För gammastrålningsdetektering av mycket stora gjutgods och stora valsade produkter används betatroner och linjäracceleratorer som accelererar partiklar till energier på 25 MeV och mer. Absorptionen av röntgenstrålar i ett material beror på tjockleken på absorbatorn d och absorptionskoefficienten m och bestäms av formeln I = I0e-md, där I är intensiteten av den strålning som sänds genom absorbatorn, I0 är intensiteten hos den infallande strålningen, och e = 2,718 är basen för naturliga logaritmer. För ett givet material, vid en given våglängd (eller energi) av röntgenstrålar, är absorptionskoefficienten en konstant. Men strålningen från en röntgenkälla är inte monokromatisk, utan innehåller ett brett spektrum av våglängder, vilket resulterar i att absorptionen vid samma tjocklek av absorbatorn beror på strålningens våglängd (frekvens). Röntgenstrålning används i stor utsträckning i alla industrier förknippade med bearbetning av metaller genom tryck. Den används också för att testa artilleripipor, livsmedel, plast, för att testa komplexa anordningar och system inom elektronikteknik. (Neutronografi, som använder neutronstrålar istället för röntgenstrålar, används för liknande ändamål.) Röntgenstrålar används också för andra ändamål, som att undersöka målningar för att fastställa deras äkthet eller detektera ytterligare lager av färg ovanpå huvudskiktet .
RÖNTGENDIFFRAKTION
Röntgendiffraktion ger viktig information om fasta ämnen - deras atomstruktur och kristallform - såväl som om vätskor, amorfa kroppar och stora molekyler. Diffraktionsmetoden används också för noggrann (med ett fel på mindre än 10-5) bestämning av interatomära avstånd, detektering av spänningar och defekter och för att bestämma orienteringen av enkristaller. Diffraktionsmönstret kan identifiera okända material, samt detektera närvaron av föroreningar i provet och bestämma dem. Vikten av röntgendiffraktionsmetoden för den moderna fysikens framsteg kan knappast överskattas, eftersom den moderna förståelsen av materiens egenskaper i slutändan bygger på data om atomernas arrangemang i olika kemiska föreningar, på bindningarnas natur. mellan dem och på strukturella defekter. Det huvudsakliga verktyget för att få denna information är röntgendiffraktionsmetoden. Röntgendiffraktionskristallografi är väsentlig för att bestämma strukturerna hos komplexa stora molekyler, såsom de hos deoxiribonukleinsyra (DNA), det genetiska materialet i levande organismer. Omedelbart efter upptäckten av röntgenstrålning koncentrerades det vetenskapliga och medicinska intresset både till denna strålnings förmåga att tränga igenom kroppar och på dess natur. Experiment på diffraktionen av röntgenstrålar på slitsar och diffraktionsgitter visade att den tillhör elektromagnetisk strålning och har en våglängd av storleksordningen 10-8-10-9 cm. Ännu tidigare gissade forskare, särskilt W. Barlow, att den regelbundna och symmetriska formen hos naturliga kristaller beror på det ordnade arrangemanget av atomer som bildar kristallen. I vissa fall kunde Barlow korrekt förutsäga strukturen hos en kristall. Värdet på de predikterade interatomära avstånden var 10-8 cm.Det faktum att de interatomära avstånden visade sig vara i storleksordningen röntgenvåglängden gjorde det i princip möjligt att observera deras diffraktion. Resultatet blev idén till ett av de viktigaste experimenten i fysikens historia. M. Laue organiserade ett experimentellt test av denna idé, som utfördes av hans kollegor W. Friedrich och P. Knipping. År 1912 publicerade de tre sitt arbete om resultaten av röntgendiffraktion. Principer för röntgendiffraktion. För att förstå fenomenet med röntgendiffraktion måste man överväga i ordning: för det första, spektrumet av röntgenstrålar, för det andra, kristallstrukturens natur och, för det tredje, själva diffraktionsfenomenet. Som nämnts ovan består den karakteristiska röntgenstrålningen av en serie spektrallinjer med en hög grad av monokromaticitet, bestämd av anodmaterialet. Med hjälp av filter kan du välja den mest intensiva av dem. Genom att välja anodmaterial på ett lämpligt sätt är det därför möjligt att erhålla en källa för nästan monokromatisk strålning med ett mycket exakt definierat våglängdsvärde. Våglängderna för den karakteristiska strålningen sträcker sig vanligtvis från 2,285 för krom till 0,558 för silver (värdena för de olika elementen är kända för sex signifikanta siffror). Det karakteristiska spektrumet överlagras på ett kontinuerligt "vitt" spektrum med mycket lägre intensitet, på grund av retardationen av de infallande elektronerna i anoden. Således kan två typer av strålning erhållas från varje anod: karakteristisk och bremsstrahlung, som var och en spelar en viktig roll på sitt sätt. Atomer i kristallstrukturen är lokaliserade med jämna mellanrum och bildar en sekvens av identiska celler - ett rumsligt gitter. Vissa gitter (till exempel för de flesta vanliga metaller) är ganska enkla, medan andra (till exempel för proteinmolekyler) är ganska komplexa. Kristallstrukturen kännetecknas av följande: om man skiftar från någon given punkt i en cell till motsvarande punkt i den intilliggande cellen, kommer exakt samma atommiljö att hittas. Och om någon atom är belägen vid en eller annan punkt i en cell, så kommer samma atom att vara belägen på motsvarande punkt i någon angränsande cell. Denna princip är strikt giltig för en perfekt, idealiskt ordnad kristall. Emellertid är många kristaller (till exempel metalliska fasta lösningar) oordnade i viss utsträckning; kristallografiskt ekvivalenta platser kan upptas av olika atomer. I dessa fall är det inte positionen för varje atom som bestäms, utan endast positionen för en atom "statistiskt medelvärde" över ett stort antal partiklar (eller celler). Fenomenet diffraktion diskuteras i artikeln OPTICS och läsaren kan hänvisa till den här artikeln innan han går vidare. Det visar att om vågor (till exempel ljud, ljus, röntgenstrålar) passerar genom en liten slits eller hål, så kan det senare betraktas som en sekundär vågkälla, och bilden av slitsen eller hålet består av alternerande ljus och mörka ränder. Vidare, om det finns en periodisk struktur av hål eller slitsar, uppstår ett tydligt diffraktionsmönster som ett resultat av den förstärkande och dämpande interferensen av strålar som kommer från olika hål. Röntgendiffraktion är ett kollektivt spridningsfenomen där rollen som hål och spridningscentra spelas av periodiskt arrangerade atomer i kristallstrukturen. Ömsesidig förstärkning av deras bilder vid vissa vinklar ger ett diffraktionsmönster som liknar det som skulle bli resultatet av ljusets diffraktion på ett tredimensionellt diffraktionsgitter. Spridning uppstår på grund av interaktionen av den infallande röntgenstrålningen med elektroner i kristallen. På grund av det faktum att våglängden för röntgenstrålning är av samma storleksordning som atomens dimensioner, är våglängden för den spridda röntgenstrålningen densamma som den för infallande. Denna process är resultatet av påtvingade oscillationer av elektroner under inverkan av infallande röntgenstrålar. Betrakta nu en atom med ett moln av bundna elektroner (som omger kärnan) som röntgenstrålar infaller på. Elektroner i alla riktningar sprider incidenten samtidigt och sänder ut sin egen röntgenstrålning med samma våglängd, men med olika intensitet. Intensiteten av den spridda strålningen är relaterad till elementets atomnummer, eftersom atomnumret är lika med antalet orbitala elektroner som kan delta i spridningen. (Detta beroende av intensiteten av spridningselementets atomnummer och av riktningen i vilken intensiteten mäts kännetecknas av atomspridningsfaktorn, som spelar en extremt viktig roll i analysen av kristallernas struktur.) Låt oss välj i kristallstrukturen en linjär kedja av atomer som ligger på samma avstånd från varandra, och överväg deras diffraktionsmönster. Det har redan noterats att röntgenspektrumet består av en kontinuerlig del ("kontinuum") och en uppsättning mer intensiva linjer som är karakteristiska för elementet som är anodmaterialet. Låt oss säga att vi filtrerade bort det kontinuerliga spektrumet och fick en nästan monokromatisk röntgenstråle riktad mot vår linjära kedja av atomer. Förstärkningsvillkoret (förstärkningsinterferens) är uppfyllt om skillnaden mellan vågornas vägar spridda av angränsande atomer är en multipel av våglängden. Om strålen infaller i en vinkel a0 till en linje av atomer separerade med intervall a (period), så kommer för diffraktionsvinkeln a vägskillnaden som motsvarar förstärkningen att skrivas som a(cos a - cosa0) = hl, där l är våglängden och h är ett heltal (fig. 4 och 5).
För att utöka detta tillvägagångssätt till en tredimensionell kristall är det bara nödvändigt att välja rader av atomer i två andra riktningar i kristallen och lösa de tre ekvationerna som sålunda erhålls gemensamt för tre kristallaxlar med perioderna a, b och c. De andra två ekvationerna är
Dessa är de tre grundläggande Laue-ekvationerna för röntgendiffraktion, där talen h, k och c är Miller-indexen för diffraktionsplanet.
se även KRISTALLER OCH KRISTALLOGRAFI. Om man betraktar någon av Laue-ekvationerna, till exempel den första, kan man lägga märke till att eftersom a, a0, l är konstanter och h = 0, 1, 2, ..., kan dess lösning representeras som en uppsättning koner med en gemensam axel a (fig . 5). Detsamma gäller för riktningarna b och c. I det allmänna fallet med tredimensionell spridning (diffraktion) måste de tre Laue-ekvationerna ha en gemensam lösning, d.v.s. tre diffraktionskoner placerade på var och en av axlarna måste skära varandra; den gemensamma skärningslinjen visas i fig. 6. Den gemensamma lösningen av ekvationerna leder till Bragg-Wulfs lag:
l = 2(d/n)sinq, där d är avståndet mellan planen med indexen h, k och c (period), n = 1, 2, ... är heltal (diffraktionsordning), och q är vinkeln bildas av infallande stråle (liksom diffraktion) med planet för kristallen där diffraktion sker. Genom att analysera ekvationen för Bragg - Wolfe-lagen för en enskild kristall som ligger i vägen för en monokromatisk röntgenstråle, kan vi dra slutsatsen att diffraktion inte är lätt att observera, eftersom l och q är fasta, och sinq DIFFRAKTIONSANALYSMETODER
Laue metod. Laue-metoden använder ett kontinuerligt "vitt" spektrum av röntgenstrålar, som riktas mot en stationär enkristall. För ett specifikt värde för perioden d väljs den våglängd som motsvarar Bragg-Wulf-tillståndet automatiskt från hela spektrumet. Laue-mönstren som erhålls på detta sätt gör det möjligt att bedöma riktningarna för de diffrakterade strålarna och följaktligen orienteringen av kristallplanen, vilket också gör det möjligt att dra viktiga slutsatser om kristallens symmetri, orientering och närvaro av defekter i den. I detta fall går dock information om den rumsliga perioden d förlorad. På fig. 7 visar ett exempel på ett Lauegram. Röntgenfilmen var belägen på den sida av kristallen som var motsatt den på vilken röntgenstrålen inföll från källan.
Debye-Scherrer-metod (för polykristallina prover). Till skillnad från den tidigare metoden används här monokromatisk strålning (l = const), och vinkeln q varieras. Detta uppnås genom att använda ett polykristallint prov som består av många små kristalliter med slumpmässig orientering, bland vilka det finns de som uppfyller Bragg-Wulf-villkoret. De diffrakterade strålarna bildar koner, vars axel är riktad längs röntgenstrålen. För avbildning används vanligtvis en smal remsa av röntgenfilm i en cylindrisk kassett, och röntgenstrålar fortplantas längs diametern genom hål i filmen. Det på detta sätt erhållna debyegrammet (fig. 8) innehåller exakta uppgifter om perioden d, d.v.s. om kristallens struktur, men ger inte den information som Lauegrammet innehåller. Därför kompletterar båda metoderna varandra. Låt oss överväga några tillämpningar av Debye-Scherrer-metoden.
Identifiering av kemiska grundämnen och föreningar. Från vinkeln q som bestäms från Debyegrammet kan man beräkna interplanardistansen d-karakteristiken för ett givet element eller förening. För närvarande har många tabeller med d-värden sammanställts, som gör det möjligt att identifiera inte bara ett eller annat kemiskt element eller förening, utan också olika fastillstånd av samma ämne, vilket inte alltid ger en kemisk analys. Det är också möjligt att bestämma innehållet av den andra komponenten i substitutionslegeringar med hög noggrannhet från beroendet av perioden d av koncentrationen.
Stressanalys. Från den uppmätta skillnaden i interplanära avstånd för olika riktningar i kristaller, med kännedom om materialets elasticitetsmodul, är det möjligt att beräkna små spänningar i det med hög noggrannhet.
Studier av preferensorientering i kristaller. Om små kristalliter i ett polykristallint prov inte är helt slumpmässigt orienterade, kommer ringarna på Debyegrammet att ha olika intensitet. I närvaro av en uttalad föredragen orientering koncentreras intensitetsmaxima till individuella fläckar i bilden, vilket blir liknande bilden för en enskild kristall. Till exempel, under djup kallvalsning, får en metallplåt en textur - en uttalad orientering av kristalliter. Enligt debaygrammet kan man bedöma arten av materialets kallbearbetning.
Studie av kornstorlekar. Om polykristallens kornstorlek är mer än 10-3 cm, kommer linjerna på Debyegrammet att bestå av separata fläckar, eftersom antalet kristalliter i det här fallet inte är tillräckligt för att täcka hela intervallet av vinklarnas värden q. Om kristallitens storlek är mindre än 10-5 cm blir diffraktionslinjerna bredare. Deras bredd är omvänt proportionell mot storleken på kristalliterna. Breddning sker av samma anledning som en minskning av antalet slitsar minskar upplösningen av ett diffraktionsgitter. Röntgenstrålning gör det möjligt att bestämma kornstorlekar i intervallet 10-7-10-6 cm.
Metoder för enkristaller. För att diffraktion av en kristall ska ge information inte bara om den rumsliga perioden, utan också om orienteringen av varje uppsättning diffraktionsplan, används metoder för en roterande enkristall. En monokromatisk röntgenstråle faller in på kristallen. Kristallen roterar runt huvudaxeln, för vilken Laue-ekvationerna är uppfyllda. I det här fallet ändras vinkeln q, som ingår i Bragg-Wulfs formel. Diffraktionsmaxima är belägna vid skärningspunkten mellan Laue-diffraktionskonerna och filmens cylindriska yta (fig. 9). Resultatet är ett diffraktionsmönster av den typ som visas i fig. 10. Emellertid är komplikationer möjliga på grund av överlappningen av olika diffraktionsordningar vid en punkt. Metoden kan förbättras avsevärt om filmen samtidigt förflyttas på ett visst sätt med kristallens rotation.
Studier av vätskor och gaser. Det är känt att vätskor, gaser och amorfa kroppar inte har rätt kristallstruktur. Men även här finns det en kemisk bindning mellan atomerna i molekylerna, på grund av vilken avståndet mellan dem förblir nästan konstant, även om molekylerna själva är slumpmässigt orienterade i rymden. Sådana material ger också ett diffraktionsmönster med ett relativt litet antal utsmetade maxima. Bearbetningen av en sådan bild med moderna metoder gör det möjligt att få information om strukturen hos även sådana icke-kristallina material.
SPEKTROKEMISK RÖNTGENANALYS
Några år efter upptäckten av röntgenstrålning upptäckte Ch. Barkla (1877-1944) att när ett högenergetiskt röntgenflöde verkar på ett ämne, genereras sekundär fluorescerande röntgenstrålning, vilket är karakteristiskt för grundämnet under studie. Kort därefter mätte G. Moseley i en serie av sina experiment våglängderna för den primära karakteristiska röntgenstrålningen som erhölls genom elektronbombardement av olika element, och härledde förhållandet mellan våglängden och atomnumret. Dessa experiment, och Braggs uppfinning av röntgenspektrometern, lade grunden för spektrokemisk röntgenanalys. Röntgenstrålningens möjligheter för kemisk analys insågs omedelbart. Spektrografer skapades med registrering på en fotografisk platta, där provet som studerades fungerade som anoden på ett röntgenrör. Tyvärr visade sig denna teknik vara mycket mödosam och användes därför endast när de vanliga metoderna för kemisk analys inte var tillämpliga. Ett enastående exempel på innovativ forskning inom området analytisk röntgenspektroskopi var upptäckten 1923 av G. Hevesy och D. Coster av ett nytt grundämne, hafnium. Utvecklingen av högeffektsröntgenrör för röntgen och känsliga detektorer för radiokemiska mätningar under andra världskriget bidrog till stor del till den snabba tillväxten av röntgenspektrografi under de följande åren. Denna metod har blivit utbredd på grund av analysens hastighet, bekvämlighet, oförstörande karaktär och möjligheten till hel eller partiell automatisering. Det är tillämpligt i problemen med kvantitativ och kvalitativ analys av alla element med ett atomnummer större än 11 (natrium). Och även om röntgenspektrokemisk analys vanligtvis används för att bestämma de kritiska komponenterna i ett prov (från 0,1-100%), är det i vissa fall lämpligt för koncentrationer på 0,005% och ännu lägre.
Röntgenspektrometer. En modern röntgenspektrometer består av tre huvudsystem (fig. 11): excitationssystem, d.v.s. röntgenrör med en anod gjord av volfram eller annat eldfast material och en strömkälla; analyssystem, d.v.s. en analysatorkristall med två multi-slit kollimatorer, samt en spektrogoniometer för finjustering; och registreringssystem med en geiger- eller proportionell eller scintillationsräknare, samt en likriktare, förstärkare, räknare och en sjökortsskrivare eller annan registreringsanordning.
Röntgenfluorescensanalys. Det analyserade provet ligger i de spännande röntgenstrålarnas väg. Området av provet som ska undersökas är vanligtvis isolerat av en mask med ett hål med önskad diameter, och strålningen passerar genom en kollimator som bildar en parallell stråle. Bakom analysatorkristallen avger en spaltkollimator diffrakterad strålning för detektorn. Vanligtvis är den maximala vinkeln q begränsad till 80–85°, så att endast röntgenstrålar vars våglängd l är relaterad till det interplanära avståndet d av olikheten l kan diffraktera på analysatorkristallen. Röntgenmikroanalys. Den platta analysatorkristallspektrometern som beskrivs ovan kan anpassas för mikroanalys. Detta uppnås genom att begränsa antingen den primära röntgenstrålen eller den sekundära strålen som sänds ut av provet. En minskning av den effektiva storleken på provet eller strålningsöppningen leder emellertid till en minskning av intensiteten hos den registrerade diffrakterade strålningen. En förbättring av denna metod kan uppnås genom att använda en krökt kristallspektrometer, som gör det möjligt att registrera en kon av divergerande strålning, och inte bara strålning parallellt med kollimatorns axel. Med en sådan spektrometer kan partiklar mindre än 25 µm identifieras. En ännu större minskning av storleken på det analyserade provet uppnås i röntgenelektron-sondmikroanalysatorn som uppfunnits av R. Kasten. Här exciteras provets karakteristiska röntgenstrålning av en starkt fokuserad elektronstråle, som sedan analyseras med en böjd kristallspektrometer. Med en sådan anordning är det möjligt att detektera mängder av ett ämne i storleksordningen 10–14 g i ett prov med en diameter på 1 μm. Installationer med elektronstråleskanning av provet har också utvecklats, med hjälp av vilka det är möjligt att erhålla ett tvådimensionellt mönster av fördelningen över provet av det element vars karakteristiska strålning är avstämd till spektrometern.
MEDICINSK RÖNTGENDIAGNOS
Utvecklingen av röntgenteknik har avsevärt minskat exponeringstiden och förbättrat bildkvaliteten, vilket gör att även mjuka vävnader kan studeras.
Fluorografi. Denna diagnostiska metod består i att fotografera en skuggbild från en genomskinlig skärm. Patienten placeras mellan en röntgenkälla och en platt skärm av fosfor (vanligtvis cesiumjodid), som lyser när den utsätts för röntgenstrålar. Biologiska vävnader med olika täthetsgrader skapar skuggor av röntgenstrålning med varierande intensitet. En radiolog undersöker en skuggbild på en fluorescerande skärm och ställer en diagnos. Tidigare förlitade sig en radiolog på syn för att analysera en bild. Nu finns det olika system som förstärker bilden, visar den på en tv-skärm eller spelar in data i datorns minne.
Röntgen. Inspelningen av en röntgenbild direkt på fotografisk film kallas för radiografi. I det här fallet är det organ som studeras placerat mellan röntgenkällan och filmen, som fångar information om organets tillstånd vid en given tidpunkt. Upprepad radiografi gör det möjligt att bedöma dess vidare utveckling. Med röntgen kan du mycket noggrant undersöka integriteten hos benvävnad, som huvudsakligen består av kalcium och är ogenomskinlig för röntgenstrålar, såväl som muskelvävnadsbrott. Med dess hjälp, bättre än ett stetoskop eller att lyssna, analyseras lungornas tillstånd vid inflammation, tuberkulos eller närvaro av vätska. Med hjälp av radiografi bestäms hjärtats storlek och form, liksom dynamiken i dess förändringar hos patienter som lider av hjärtsjukdom.
kontrastmedel. Delar av kroppen och håligheter i enskilda organ som är genomskinliga för röntgenstrålning blir synliga om de fylls med ett kontrastmedel som är ofarligt för kroppen, men som gör att man kan visualisera formen på inre organ och kontrollera deras funktion. Patienten tar antingen kontrastmedel oralt (såsom bariumsalter i studien av mag-tarmkanalen), eller så administreras de intravenöst (såsom jodhaltiga lösningar vid studien av njurarna och urinvägarna). På senare år har dock dessa metoder ersatts av diagnostiska metoder baserade på användning av radioaktiva atomer och ultraljud.
Datortomografi. På 1970-talet utvecklades en ny metod för röntgendiagnostik, baserad på ett komplett fotografi av kroppen eller dess delar. Bilder av tunna lager ("skivor") bearbetas av en dator och den slutliga bilden visas på skärmen. Denna metod kallas datorröntgentomografi. Det används ofta i modern medicin för att diagnostisera infiltrat, tumörer och andra hjärnsjukdomar, samt för att diagnostisera sjukdomar i mjuka vävnader inuti kroppen. Denna teknik kräver inte införande av främmande kontrastmedel och är därför snabbare och effektivare än traditionella tekniker.
BIOLOGISK VERKNING AV RÖNTGENSTRÅLNING
Den skadliga biologiska effekten av röntgenstrålning upptäcktes kort efter upptäckten av Röntgen. Det visade sig att den nya strålningen kan orsaka något i stil med en allvarlig solbränna (erytem), dock åtföljd av djupare och mer permanenta skador på huden. Sår som uppträder förvandlas ofta till cancer. I många fall fick fingrar eller händer amputeras. Det förekom också dödsfall. Det har visat sig att hudskador kan undvikas genom att minska exponeringstid och dos, med hjälp av avskärmning (t.ex. bly) och fjärrkontroller. Men efter hand avslöjades andra, mer långvariga effekter av röntgenexponering, som sedan bekräftades och studerades i försöksdjur. Effekterna på grund av inverkan av röntgenstrålar, såväl som annan joniserande strålning (såsom gammastrålning som sänds ut av radioaktiva material) inkluderar: 1) tillfälliga förändringar i blodets sammansättning efter en relativt liten överexponering; 2) irreversibla förändringar i blodets sammansättning (hemolytisk anemi) efter långvarig överdriven exponering; 3) en ökning av incidensen av cancer (inklusive leukemi); 4) snabbare åldrande och tidig död; 5) förekomsten av grå starr. Dessutom har biologiska experiment på möss, kaniner och flugor (Drosophila) visat att även små doser av systematisk bestrålning av stora populationer, på grund av en ökning av mutationshastigheten, leder till skadliga genetiska effekter. De flesta genetiker inser tillämpligheten av dessa data på människokroppen. När det gäller den biologiska effekten av röntgenstrålning på människokroppen, bestäms den av nivån på stråldosen, såväl som av vilket särskilt organ i kroppen som exponerades för strålning. Till exempel orsakas blodsjukdomar av bestrålning av blodbildande organ, främst benmärg, och genetiska konsekvenser - av bestrålning av könsorganen, vilket också kan leda till sterilitet. Den samlade kunskapen om effekterna av röntgenstrålning på människokroppen har lett till utvecklingen av nationella och internationella standarder för tillåtna stråldoser, publicerade i olika referenspublikationer. Förutom röntgenstrålar, som målmedvetet används av människor, finns även den så kallade spridda sidostrålningen som uppstår av olika anledningar, till exempel på grund av spridning på grund av att blyskyddsskärmen är bristfällig, vilket inte helt absorbera denna strålning. Dessutom genererar många elektriska apparater som inte är konstruerade för att producera röntgenstrålar ändå röntgenstrålar som en biprodukt. Sådana enheter inkluderar elektronmikroskop, högspänningslikriktarlampor (kenotroner), såväl som kineskop av föråldrade färg-TV-apparater. Tillverkningen av moderna färgkinescopes i många länder är nu under statlig kontroll.
FARLIGA FAKTORER AV RÖNTGEN STRÅLNING
Typerna och graden av fara för röntgenexponering för människor beror på antalet personer som utsätts för strålning.
Proffs som arbetar med röntgenutrustning. Denna kategori omfattar radiologer, tandläkare samt vetenskapliga och tekniska arbetare och personal som underhåller och använder röntgenutrustning. Effektiva åtgärder vidtas för att minska de strålningsnivåer de måste hantera.
Patienter. Det finns inga strikta kriterier här, och den säkra strålningsnivån som patienter får under behandlingen bestäms av de behandlande läkarna. Läkare rekommenderas att inte utsätta patienter för röntgen i onödan. Särskild försiktighet bör iakttas vid undersökning av gravida kvinnor och barn. I detta fall vidtas särskilda åtgärder.
Kontrollmetoder. Det finns tre aspekter på detta:
1) tillgång till adekvat utrustning, 2) upprätthållande av säkerhetsföreskrifter, 3) korrekt användning av utrustning. Vid en röntgenundersökning ska endast det önskade området utsättas för strålning, vare sig det är tandundersökningar eller lungundersökningar. Observera att omedelbart efter att röntgenapparaten stängts av försvinner både primär och sekundär strålning; det finns inte heller någon reststrålning, som inte alltid är känd ens för dem som är direkt kopplade till den i sitt arbete.
se även
ATOMSTRUKTUR;
Radiologi är en sektion av radiologi som studerar effekterna av röntgenstrålning på kroppen hos djur och människor som härrör från denna sjukdom, deras behandling och förebyggande, samt metoder för att diagnostisera olika patologier med hjälp av röntgenstrålar (röntgendiagnostik) . En typisk röntgendiagnostisk apparat inkluderar en strömförsörjning (transformatorer), en högspänningslikriktare som omvandlar det elektriska nätverkets växelström till likström, en kontrollpanel, ett stativ och ett röntgenrör.
Röntgenstrålar är en typ av elektromagnetiska svängningar som bildas i ett röntgenrör under en kraftig retardation av accelererade elektroner i ögonblicket för deras kollision med anodämnets atomer. För närvarande är synpunkten allmänt accepterad att röntgenstrålar, genom sin fysiska natur, är en av de typer av strålningsenergi, vars spektrum även inkluderar radiovågor, infraröda strålar, synligt ljus, ultravioletta strålar och gammastrålar av radioaktiva grundämnen. Röntgenstrålning kan karakteriseras som en samling av dess minsta partiklar - kvanta eller fotoner.
Ris. 1 - mobil röntgenapparat:
A - röntgenrör;
B - strömförsörjning;
B - justerbart stativ.
Ris. 2 - Röntgenmaskinens kontrollpanel (mekanisk - till vänster och elektronisk - till höger): A - panel för justering av exponering och hårdhet;
B - högspänningsmatningsknapp.
Ris. 3 är ett blockschema över en typisk röntgenapparat 1 - nätverk;
2 - autotransformator;
3 - step-up transformator;
4 - röntgenrör;
5 - anod;
6 - katod;
7 - nedtrappningstransformator.
Mekanism för röntgengenerering
Röntgenstrålar bildas i ögonblicket för kollision av en ström av accelererade elektroner med anodmaterialet. När elektroner interagerar med ett mål omvandlas 99 % av deras kinetiska energi till termisk energi och endast 1 % till röntgenstrålar.
Ett röntgenrör består av en glasbehållare i vilken 2 elektroder är lödda: en katod och en anod. Luft pumpas ut ur glascylindern: rörelsen av elektroner från katoden till anoden är endast möjlig under förhållanden med relativt vakuum (10 -7 -10 -8 mm Hg). På katoden finns en filament, som är en tätt vriden volframfilament. När en elektrisk ström appliceras på glödtråden sker elektronemission, där elektroner separeras från spiralen och bildar ett elektronmoln nära katoden. Detta moln är koncentrerat vid katodens fokuseringskopp, som anger riktningen för elektronernas rörelse. Cup - en liten fördjupning i katoden. Anoden innehåller i sin tur en volframmetallplatta på vilken elektronerna är fokuserade - det här är platsen för bildandet av röntgenstrålar.
Ris. 4 - Röntgenrörsanordning: A - katod; 
B - anod;
B - volframfilament;
G - fokuseringskopp av katoden;
D - ström av accelererade elektroner;
E - volframmål;
G - glaskolv;
З - ett fönster från beryllium;
Och - bildade röntgenstrålar;
K - aluminiumfilter.
2 transformatorer är anslutna till elektronröret: steg ner och steg upp. En nedtrappningstransformator värmer volframtråden med en låg spänning (5-15 volt), vilket resulterar i elektronemission. En step-up, eller högspännings, transformator går direkt till katoden och anoden, som matas med en spänning på 20–140 kilovolt. Båda transformatorerna är placerade i högspänningsblocket på röntgenmaskinen, som är fylld med transformatorolja, vilket ger kylning av transformatorerna och deras pålitliga isolering.
Efter att ett elektronmoln har bildats med hjälp av en nedtrappningstransformator, slås uppstegstransformatorn på, och högspänning läggs på båda polerna i den elektriska kretsen: en positiv puls till anoden och en negativ puls till katoden. Negativt laddade elektroner stöts bort från en negativt laddad katod och tenderar till en positivt laddad anod - på grund av en sådan potentialskillnad uppnås en hög rörelsehastighet - 100 tusen km / s. Vid denna hastighet bombarderar elektroner volframanodplattan och slutför en elektrisk krets, vilket resulterar i röntgenstrålar och termisk energi.
Röntgenstrålning är uppdelad i bremsstrahlung och karakteristisk. Bremsstrahlung uppstår på grund av en kraftig inbromsning av hastigheten hos elektroner som emitteras av en volframfilament. Karakteristisk strålning uppstår i ögonblicket för omarrangemang av atomernas elektronskal. Båda dessa typer bildas i ett röntgenrör i ögonblicket för kollision av accelererade elektroner med atomer i anodmaterialet. Emissionsspektrumet för ett röntgenrör är en överlagring av bremsstrålning och karakteristiska röntgenstrålar.
Ris. 5 - principen om bildandet av bremsstrahlung röntgenstrålar.
Ris. 6 - principen för bildandet av den karakteristiska röntgenstrålningen.
Grundläggande egenskaper hos röntgenstrålar
- Röntgenstrålar är osynliga för visuell perception.
- Röntgenstrålning har en stor penetrerande kraft genom en levande organisms organ och vävnader, såväl som täta strukturer av livlös natur, som inte överför synliga ljusstrålar.
- Röntgenstrålar gör att vissa kemiska föreningar lyser, så kallade fluorescens.
- Zink och kadmiumsulfider fluorescerar gulgrönt,
- Kristaller av kalciumvolframat - violett-blå.
Skala av elektromagnetiska svängningar
Röntgenstrålar har en specifik våglängd och oscillationsfrekvens. Våglängd (λ) och svängningsfrekvens (ν) hänger samman med sambandet: λ ν = c, där c är ljusets hastighet, avrundat till 300 000 km per sekund. Röntgenstrålningens energi bestäms av formeln E = h ν, där h är Plancks konstant, en universell konstant lika med 6,626 10 -34 J⋅s. Strålarnas våglängd (λ) är relaterad till deras energi (E) genom förhållandet: λ = 12,4 / E.
Röntgenstrålning skiljer sig från andra typer av elektromagnetiska svängningar i våglängd (se tabell) och kvantenergi. Ju kortare våglängd, desto högre är dess frekvens, energi och penetrerande kraft. Röntgenvåglängden ligger inom intervallet
. Genom att ändra våglängden för röntgenstrålning är det möjligt att kontrollera dess penetrerande kraft. Röntgenstrålar har en mycket kort våglängd, men en hög oscillationsfrekvens, så de är osynliga för det mänskliga ögat. På grund av sin enorma energi har kvanta en hög penetreringskraft, vilket är en av huvudegenskaperna som säkerställer användningen av röntgenstrålar inom medicin och andra vetenskaper.Röntgenegenskaper
Intensitet- kvantitativ karaktäristik för röntgenstrålning, som uttrycks av antalet strålar som sänds ut av röret per tidsenhet. Röntgenstrålningens intensitet mäts i milliampere. Genom att jämföra det med intensiteten av synligt ljus från en konventionell glödlampa kan vi dra en analogi: till exempel kommer en 20-watts lampa att lysa med en intensitet, eller effekt, och en 200-watts lampa kommer att lysa med en annan, medan kvaliteten på själva ljuset (dess spektrum) är densamma. Intensiteten av röntgenstrålning är i själva verket dess kvantitet. Varje elektron skapar en eller flera strålningskvanter på anoden, därför regleras mängden röntgenstrålar under exponering av objektet genom att ändra antalet elektroner som tenderar mot anoden och antalet interaktioner mellan elektroner och atomer i volframmålet , vilket kan göras på två sätt:
- Genom att ändra graden av glödning av katodspiralen med hjälp av en nedtrappningstransformator (antalet elektroner som genereras under emission kommer att bero på hur varm volframspiralen är, och antalet strålningskvanta kommer att bero på antalet elektroner);
- Genom att ändra värdet på den höga spänningen som tillförs av step-up transformatorn till polerna i röret - katoden och anoden (ju högre spänningen appliceras på rörets poler, desto mer kinetisk energi får elektronerna, vilket , på grund av sin energi, kan interagera med flera atomer i anodämnet i sin tur - se fig. ris. 5; elektroner med låg energi kommer att kunna ingå i ett mindre antal interaktioner).
Röntgenintensiteten (anodström) multiplicerad med slutartiden (rörtiden) motsvarar röntgenexponeringen, som mäts i mAs (milliampere per sekund). Exponering är en parameter som, liksom intensitet, kännetecknar mängden strålar som sänds ut av ett röntgenrör. Den enda skillnaden är att exponeringen också tar hänsyn till rörets drifttid (om röret till exempel arbetar i 0,01 sek, kommer antalet strålar att vara en, och om 0,02 sek, kommer antalet strålar att vara olika - två gånger till). Strålningsexponeringen ställs in av radiologen på röntgenapparatens kontrollpanel, beroende på typ av studie, storleken på föremålet som studeras och den diagnostiska uppgiften.
Stelhet- kvalitativ egenskap hos röntgenstrålning. Det mäts av den höga spänningen på röret - i kilovolt. Bestämmer röntgenstrålningens penetrerande kraft. Den regleras av den höga spänningen som tillförs röntgenröret av en step-up transformator. Ju högre potentialskillnaden skapas på elektroderna i röret, desto mer kraft stöter elektronerna bort från katoden och rusar till anoden, och desto starkare kollision med anoden. Ju starkare deras kollision, desto kortare är våglängden för den resulterande röntgenstrålningen och desto högre penetreringskraft har denna våg (eller strålningens hårdhet, som liksom intensiteten regleras på kontrollpanelen av spänningsparametern på röret - kilospänning).
λ - våglängd; 
Ris. 7 - Våglängdens beroende av vågens energi:
E - vågenergi 
Ris. 8 - Förhållandet mellan spänningen på röntgenröret och våglängden för den resulterande röntgenstrålningen:
Klassificering av röntgenrör
- Enligt överenskommelse
- Diagnostisk
- Terapeutisk
- För strukturanalys
- För genomlysning
- Genom design
- Genom fokus
- Enkelfokus (en spiral på katoden och en brännpunkt på anoden)
- Bifokal (två spiraler av olika storlekar på katoden och två brännpunkter på anoden)
- Efter typ av anod
- Stationär (fast)
- Roterande
Röntgenstrålar används inte bara för radiodiagnostiska ändamål, utan också för terapeutiska ändamål. Som nämnts ovan gör röntgenstrålningens förmåga att undertrycka tillväxten av tumörceller det möjligt att använda den i strålbehandling av onkologiska sjukdomar. Utöver det medicinska användningsområdet har röntgenstrålning funnit bred tillämpning inom det tekniska och tekniska området, materialvetenskap, kristallografi, kemi och biokemi: till exempel är det möjligt att identifiera strukturella defekter i olika produkter (skenor, svetsar). , etc.) med röntgenstrålning. Typen av sådan forskning kallas defektoskopi. Och på flygplatser, järnvägsstationer och andra trånga platser används röntgen-tv-introskop aktivt för att skanna handbagage och bagage av säkerhetsskäl.
Beroende på typen av anod skiljer sig röntgenrör i design. På grund av det faktum att 99% av elektronernas kinetiska energi omvandlas till termisk energi, under driften av röret, värms anoden avsevärt - det känsliga volframmålet brinner ofta ut. Anoden kyls i moderna röntgenrör genom att den roteras. Den roterande anoden har formen av en skiva, som fördelar värme jämnt över hela sin yta, vilket förhindrar lokal överhettning av volframmålet.
Utformningen av röntgenrör skiljer sig också i fokus. Brännpunkt - den sektion av anoden på vilken den arbetande röntgenstrålen genereras. Den är uppdelad i den verkliga brännpunkten och den effektiva brännpunkten ( ris. 12). På grund av anodens vinkel är den effektiva brännpunkten mindre än den riktiga. Olika brännpunktsstorlekar används beroende på storleken på bildytan. Ju större bildytan är, desto bredare måste brännpunkten vara för att täcka hela bildytan. En mindre brännpunkt ger dock bättre bildskärpa. Därför, när man producerar små bilder, används en kort glödtråd och elektronerna riktas mot ett litet område av anodmålet, vilket skapar en mindre brännpunkt.
Ris. 9 - röntgenrör med en stationär anod.
Ris. 10 - Röntgenrör med roterande anod.
Ris. 11 - Röntgenrörsanordning med en roterande anod.
Ris. 12 är ett diagram över bildandet av en verklig och effektiv brännpunkt.
FÖRELÄSNING
RÖNTGEN STRÅLNING
2. Bremsstrahlung röntgen, dess spektrala egenskaper.
3. Karakteristisk röntgenstrålning (för granskning).
4. Interaktion mellan röntgenstrålning och materia.
5. Fysisk grund för användningen av röntgenstrålar inom medicinen.
Röntgenstrålar (röntgenstrålar) upptäcktes av K. Roentgen, som 1895 blev den första nobelpristagaren i fysik.
1. Röntgenstrålningens natur
röntgenstrålning - elektromagnetiska vågor med en längd på 80 till 10 -5 nm. Långvågig röntgenstrålning blockeras av kortvågig UV-strålning, kortvågig - av långvågig g-strålning.
Röntgenstrålar produceras i röntgenrör. figur 1.
K - katod
1 - elektronstråle
2 - Röntgenstrålning
Ris. 1. Röntgenrörsapparat.
Röret är en glaskolv (med ett möjligt högvakuum: trycket i den är ca 10 -6 mm Hg) med två elektroder: anod A och katod K, till vilken en högspänning appliceras
U (flera tusen volt). Katoden är en källa till elektroner (på grund av fenomenet termionisk emission). Anoden är en metallstav som har en lutande yta för att rikta den resulterande röntgenstrålningen i en vinkel mot rörets axel. Den är gjord av ett mycket värmeledande material för att avlägsna värmen som genereras under elektronbombardement. På den avfasade änden finns en platta gjord av eldfast metall (till exempel volfram).Den starka uppvärmningen av anoden beror på det faktum att huvudantalet elektroner i katodstrålen, efter att ha träffat anoden, upplever många kollisioner med ämnets atomer och överför en stor mängd energi till dem.
Under inverkan av hög spänning accelereras elektronerna som emitteras av det heta katodglödtråden till höga energier. En elektrons kinetiska energi är
mv 2 /2. Det är lika med energin som den förvärvar genom att röra sig i rörets elektrostatiska fält:mv 2 /2 = eU(1)
där m, e är elektronens massa och laddning, U är accelerationsspänningen.
Processerna som leder till uppkomsten av bremsstrahlung-röntgenstrålar beror på den intensiva retardationen av elektroner i anodmaterialet av det elektrostatiska fältet i atomkärnan och atomelektronerna.
Ursprungsmekanismen kan representeras enligt följande. Rörliga elektroner är någon slags ström som bildar sitt eget magnetfält. Elektronretardation är en minskning av strömstyrkan och följaktligen en förändring i magnetfältsinduktionen, vilket kommer att orsaka uppkomsten av ett alternerande elektriskt fält, dvs. uppkomsten av en elektromagnetisk våg.
Sålunda, när en laddad partikel flyger in i materia saktar den ner, förlorar sin energi och hastighet och avger elektromagnetiska vågor.
2. Spektrala egenskaper hos röntgenstrålning .
Så, i fallet med elektronretardation i anodmaterialet, bremsstrahlung strålning.
Bremsstrahlungsspektrumet är kontinuerligt . Anledningen till detta är följande.
När elektronerna saktar ner har var och en av dem en del av energin som används för att värma anoden (E 1 =
F ), den andra delen för att skapa en röntgenfoton (E 2 = hv ), annars är eU = hv + Q . Förhållandet mellan dessa delar är slumpmässigt.Således bildas ett kontinuerligt spektrum av bremsstrahlung röntgenstrålar på grund av retardationen av många elektroner, som var och en avger ett röntgenkvantum
hv(h ) av ett strikt definierat värde. Värdet av detta kvantum olika för olika elektroner. Röntgenenergiflödets beroende av våglängden l , dvs. röntgenspektrat visas i Fig.2. |
Fig.2. Bremsstrahlungsspektrum: a) vid olika spänningar
U i röret; b) vid olika temperaturer T av katoden.Kortvågig (hård) strålning har en större penetreringskraft än långvågig (mjuk) strålning. Mjuk strålning absorberas starkare av materia.
Från sidan av korta våglängder slutar spektrumet abrupt vid en viss våglängd
l m i n . Sådan kortvågssträckning uppstår när energin som förvärvas av en elektron i ett accelererande fält fullständigt omvandlas till fotonenergi ( Q = 0):eU = hv max = hc/ l min , l min = hc/(eU), (2)
l min (nm) = 1,23 / U kV
Strålningens spektrala sammansättning beror på spänningen på röntgenröret, med ökande spänning, värdet
l m i n skiftar mot korta våglängder (Fig. 2 a).När temperaturen T för katodglöden ändras ökar elektronemissionen. Därför ökar strömmen
jag i röret, men strålningens spektrala sammansättning förändras inte (fig. 2b).Energiflöde Ф * Bremsstrahlung är direkt proportionell mot kvadraten på spänningen U mellan anod och katod, strömstyrka jag i rör och atomnummer Z-anodmaterial:
F \u003d kZU 2 I. (3)
där k \u003d 10 -9 W / (V 2 A).
3. Karakteristiska röntgenstrålar (för bekantskap).
Att öka spänningen på röntgenröret leder till att mot bakgrund av ett kontinuerligt spektrum uppstår en linje, som motsvarar den karakteristiska röntgenstrålningen. Denna strålning är specifik för anodmaterialet.
Mekanismen för dess förekomst är som följer. Vid hög spänning tränger accelererade elektroner (med hög energi) djupt in i atomen och slår ut elektroner ur dess inre lager. Elektroner från övre nivåer passerar till fria platser, som ett resultat av vilka fotoner av karakteristisk strålning emitteras.
Spektra för karakteristisk röntgenstrålning skiljer sig från optiska spektra.
– Enhetlighet.
Likformigheten hos de karakteristiska spektra beror på det faktum att de inre elektronskikten hos olika atomer är desamma och skiljer sig endast energetiskt på grund av krafteffekten från kärnorna, som ökar med ökande elementarantal. Därför skiftar de karakteristiska spektra mot högre frekvenser med ökande kärnladdning. Detta bekräftades experimentellt av en anställd på Röntgen - Moseley, som mätte röntgenövergångsfrekvenser för 33 element. De stiftade lagen.
MOSELYS LAG – kvadratroten av frekvensen för den karakteristiska strålningen är en linjär funktion av elementets ordningsnummer:
A × (Z – B ), (4)
där v är spektrallinjefrekvensen, Z är atomnumret för det emitterande elementet. A, B är konstanter.
Vikten av Moseleys lag ligger i det faktum att detta beroende kan användas för att exakt bestämma atomnumret för det element som studeras från den uppmätta frekvensen av röntgenlinjen. Detta spelade en stor roll i placeringen av elementen i det periodiska systemet.
– Oberoende av en kemisk förening.
En atoms karakteristiska röntgenspektra beror inte på den kemiska förening i vilken grundämnets atom kommer in. Till exempel är röntgenspektrumet för en syreatom detsamma för O 2, H 2 O, medan de optiska spektra för dessa föreningar skiljer sig åt. Denna egenskap hos atomens röntgenspektrum var grunden för namnet " karakteristisk strålning".
4. Interaktion mellan röntgenstrålning och materia
Effekten av röntgenstrålning på föremål bestäms av de primära processerna för röntgeninteraktion. foton med elektroner atomer och materiamolekyler.
Röntgenstrålning i materia absorberas eller försvinner. I detta fall kan olika processer inträffa, vilka bestäms av förhållandet mellan röntgenfotonenergin
hv och joniseringsenergi A och (joniseringsenergi A och - energin som krävs för att avlägsna inre elektroner från atomen eller molekylen).a) Sammanhängande spridning(spridning av långvågig strålning) uppstår när förhållandet
hv< А и.
För fotoner, på grund av interaktion med elektroner, ändras endast rörelseriktningen (Fig. 3a), men energin
hv och våglängden ändras inte (därav kallas denna spridning sammanhängande). Eftersom energierna hos en foton och en atom inte förändras påverkar inte koherent spridning biologiska objekt, men när man skapar skydd mot röntgenstrålning bör man ta hänsyn till möjligheten att ändra strålens primära riktning.b) fotoelektrisk effekt händer när
hv ³ A och .
I detta fall kan två fall realiseras.
1. Fotonen absorberas, elektronen lösgörs från atomen (Fig. 3b). Jonisering sker. Den fristående elektronen förvärvar kinetisk energi: E k \u003d hv - A och . Om den kinetiska energin är stor, kan elektronen jonisera närliggande atomer genom kollision och bilda nya. sekundär elektroner.
2. Fotonen absorberas, men dess energi räcker inte för att lossa elektronen, och excitation av en atom eller molekyl(Fig. 3c). Detta leder ofta till efterföljande emission av en foton i det synliga strålningsområdet (röntgenluminescens) och i vävnader till aktivering av molekyler och fotokemiska reaktioner. Den fotoelektriska effekten uppstår främst på elektronerna i de inre skalen av atomer med hög Z.
i) Osammanhängande spridning(Compton effect, 1922) uppstår när fotonenergin är mycket större än joniseringsenergin
hv » A och.
I det här fallet lösgörs elektronen från atomen (sådana elektroner kallas rekylelektroner), förvärvar viss kinetisk energi
E till , energin för själva fotonen minskar (fig. 4d):hv=hv" + A och + E k. (5)
Den resulterande strålningen med en ändrad frekvens (längd) kallas sekundär, det sprider sig åt alla håll.
Rekylelektroner, om de har tillräcklig kinetisk energi, kan jonisera angränsande atomer genom kollision. Som ett resultat av inkoherent spridning bildas alltså sekundär spridd röntgenstrålning och ämnets atomer joniseras.
Dessa (a, b, c) processer kan orsaka ett antal efterföljande. Till exempel (fig. 3d), om under den fotoelektriska effekten elektroner lösgörs från atomen på de inre skalen, kan elektroner från högre nivåer passera i deras ställe, vilket åtföljs av sekundär karakteristisk röntgenstrålning av detta ämne. Fotoner av sekundär strålning, som interagerar med elektroner från angränsande atomer, kan i sin tur orsaka sekundära fenomen.
sammanhängande spridning
hv< А И
| |
fotoelektrisk effekt
foton absorberas, e - lösgörs från atomen - jonisering
hv \u003d A och + E till
atom A exciteras av absorptionen av en foton, R – Röntgenluminescens
osammanhängande spridning
hv » A och
hv \u003d hv "+ A och + E till
sekundära processer i den fotoelektriska effekten
 |
Ris. 3 Mekanismer för interaktion mellan röntgenstrålar och materia
Fysisk grund för användningen av röntgen i medicin
När röntgenstrålar faller på en kropp reflekteras den något från dess yta, men passerar huvudsakligen djupt in, medan den delvis absorberas och sprids, och delvis passerar igenom.
Lagen om försvagning.
Röntgenflödet dämpas i materia enligt lagen:
F \u003d F 0 e - m × x (6)
där m – linjär dämpningsfaktor, vilket väsentligen beror på ämnets densitet. Det är lika med summan av tre termer som motsvarar koherent spridning m 1, inkoherent m 2 och fotoelektrisk effekt m 3:
m \u003d m 1 + m 2 + m 3. (7)
Bidraget för varje term bestäms av fotonenergin. Nedan visas förhållandena mellan dessa processer för mjukvävnader (vatten).
Energi, keV | fotoelektrisk effekt | Compton - effekt |
| 100 % |
njut av massdämpningskoefficient, vilket inte beror på ämnets densitet r :
m m = m/r. (åtta)
Massdämpningskoefficienten beror på fotonens energi och på det absorberande ämnets atomnummer:
m m = kl 3 Z 3 . (nio)
Massdämpningskoefficienter för ben och mjukvävnad (vatten) skilja sig: m m ben / m m vatten = 68.
Om en inhomogen kropp placeras i vägen för röntgenstrålar och en fluorescerande skärm placeras framför den, bildar denna kropp, som absorberar och dämpar strålningen, en skugga på skärmen. Genom denna skuggas natur kan man bedöma formen, densiteten, strukturen och i många fall kropparnas natur. De där. en betydande skillnad i absorptionen av röntgenstrålning av olika vävnader gör att du kan se bilden av de inre organen i skuggprojektionen.
Om det undersökta organet och de omgivande vävnaderna lika dämpar röntgenstrålar, används kontrastmedel. Så, till exempel, fylla magen och tarmarna med en mosig massa av bariumsulfat ( BaS 0 4), kan du se deras skuggbild (förhållandet mellan dämpningskoefficienterna är 354).
Används inom medicin.
Inom medicinen används röntgenstrålning med fotonenergi från 60 till 100-120 keV för diagnostik och 150-200 keV för terapi.
Röntgendiagnostik – Erkännande av sjukdomar genom att genomlysa kroppen med röntgenstrålar.
Röntgendiagnostik används i olika alternativ, som ges nedan.
 |
1. Med fluoroskopi röntgenröret är placerat bakom patienten. Framför den finns en fluorescerande skärm. Det finns en skuggbild (positiv) på skärmen. I varje enskilt fall väljs strålningens lämpliga hårdhet så att den passerar genom mjuka vävnader, men absorberas tillräckligt av täta. Annars erhålls en enhetlig skugga. På skärmen är hjärtat, revbenen synliga mörka, lungorna är ljusa.
2. När röntgen föremålet placeras på en kassett, som innehåller en film med en speciell fotografisk emulsion. Röntgenröret placeras över föremålet. Den resulterande röntgenbilden ger en negativ bild, dvs. motsatsen i motsats till bilden som observerades under genomlysning. I den här metoden är det en större klarhet i bilden än i (1), därför observeras detaljer som är svåra att se när de genomlyses.
En lovande variant av denna metod är röntgen tomografi och "maskinversion" - dator tomografi.
3. Med fluoroskopi, På en känslig film i småformat är bilden från den stora duken fixerad. När de ses granskas bilderna på en speciell förstoringsglas.
Röntgenterapi - användning av röntgenstrålar för att förstöra maligna tumörer.
Den biologiska effekten av strålning är att störa vital aktivitet, särskilt snabbt förökande celler.
DATORTOMOGRAFI (CT)
Metoden för datortomografi med röntgen är baserad på bildrekonstruktionav en viss del av patientens kropp genom att registrera ett stort antal röntgenprojektioner av denna del, gjorda i olika vinklar. Information från sensorerna som registrerar dessa projektioner kommer in i datorn, som enligt ett speciellt program beräknar distribution tajt provstorleki det undersökta avsnittet och visar det på bildskärmen. Den resulterande bildendel av patientens kropp kännetecknas av utmärkt tydlighet och högt informationsinnehåll. Programmet låter digöka bildkontrast i dussintals och till och med hundratals gånger. Detta utökar metodens diagnostiska möjligheter.
Videografer (apparater med digital röntgenbildbehandling) inom modern tandvård.
Inom tandvården är röntgenundersökning den huvudsakliga diagnostiska metoden. Ett antal traditionella organisatoriska och tekniska egenskaper hos röntgendiagnostik gör det dock inte riktigt bekvämt för både patient- och tandkliniker. Detta är först och främst behovet av att patienten kommer i kontakt med joniserande strålning, vilket ofta skapar en betydande strålbelastning på kroppen, det är också behovet av en fotoprocess, och följaktligen behovet av fotoreagens, bl.a. giftiga. Det här är äntligen ett skrymmande arkiv, tunga mappar och kuvert med röntgenfilmer.
Dessutom gör den nuvarande utvecklingsnivån för tandvård den subjektiva bedömningen av röntgenbilder av det mänskliga ögat otillräcklig. Som det visade sig, av de olika nyanser av grått som finns i röntgenbilden, uppfattar ögat bara 64.
För att få en tydlig och detaljerad bild av det dentoalveolära systemets hårda vävnader med minimal strålningsexponering behövs det självklart andra lösningar. Sökandet ledde till skapandet av så kallade röntgensystem, videografer - digitala röntgensystem.
Utan tekniska detaljer är principen för driften av sådana system som följer. Röntgenstrålning kommer in genom föremålet inte på en fotokänslig film, utan på en speciell intraoral sensor (särskild elektronisk matris). Motsvarande signal från matrisen sänds till en digitaliseringsenhet (analog-till-digital-omvandlare, ADC) som omvandlar den till digital form och ansluts till datorn. Specialprogramvara bygger en röntgenbild på datorskärmen och låter dig bearbeta den, spara den på ett hårt eller flexibelt lagringsmedium (hårddisk, disketter), skriva ut den som en bild som en fil.
I ett digitalt system är en röntgenbild en samling punkter med olika digitala gråskalevärden. Den informationsdisplayoptimering som programmet tillhandahåller gör det möjligt att få en optimal bildruta vad gäller ljusstyrka och kontrast vid en relativt låg stråldos.
I moderna system skapade till exempel av företag Trophy (Frankrike) eller Schick (USA) när man bildar en ram används 4096 nyanser av grått, exponeringstiden beror på studieobjektet och är i genomsnitt hundradelar - tiondelar av en sekund, minskning av strålningsexponeringen i förhållande till filmen - upp till 90 % för intraorala system, upp till 70 % för panoramafotografer.
Vid bearbetning av bilder tillåter videografer:
1. Få positiva och negativa bilder, falska färgbilder, präglade bilder.
2. Öka kontrasten och förstora det intressanta området i bilden.
3. Bedöm förändringar i tätheten av dentala vävnader och benstrukturer, kontrollera likformigheten av kanalfyllning.
4. In endodonti för att bestämma längden på kanalen av någon krökning, och i kirurgi för att välja storleken på implantatet med en noggrannhet på 0,1 mm.
5. Unikt system kariesdetektor med inslag av artificiell intelligens i analysen av bilden kan du upptäcka karies i fläckstadiet, rotkaries och dold karies.
* « Ф" i formel (3) hänvisar till hela området av emitterade våglängder och kallas ofta för "Integral Energy Flux".
Röntgenstrålar är en typ av högenergisk elektromagnetisk strålning. Det används aktivt i olika grenar av medicin.
Röntgenstrålar är elektromagnetiska vågor vars fotonenergi på skalan för elektromagnetiska vågor ligger mellan ultraviolett strålning och gammastrålning (från ~10 eV till ~1 MeV), vilket motsvarar våglängder från ~10^3 till ~10^−2 ångström ( från ~10^−7 till ~10^−12 m). Det vill säga att det är ojämförligt hårdare strålning än synligt ljus, som ligger på denna skala mellan ultravioletta och infraröda ("termiska") strålar.
Gränsen mellan röntgenstrålning och gammastrålning särskiljs villkorligt: deras intervall skär varandra, gammastrålar kan ha en energi på 1 keV. De skiljer sig i ursprung: gammastrålar sänds ut under processer som sker i atomkärnor, medan röntgenstrålar emitteras under processer som involverar elektroner (både fria och de i atomernas elektronskal). Samtidigt är det omöjligt att fastställa från själva fotonen under vilken process den uppstod, det vill säga uppdelningen i röntgen- och gammaområdena är i stort sett godtycklig.
Röntgenområdet är uppdelat i "mjuk röntgen" och "hård". Gränsen mellan dem ligger vid våglängdsnivån 2 ångström och 6 keV energi.
Röntgengeneratorn är ett rör där ett vakuum skapas. Det finns elektroder - en katod, till vilken en negativ laddning appliceras, och en positivt laddad anod. Spänningen mellan dem är tiotals till hundratals kilovolt. Genereringen av röntgenfotoner uppstår när elektroner "bryts av" från katoden och kraschar in i anodytan med hög hastighet. Den resulterande röntgenstrålningen kallas "bremsstrahlung", dess fotoner har olika våglängder.
Samtidigt genereras fotoner av det karakteristiska spektrumet. En del av elektronerna i anodämnets atomer exciteras, det vill säga den går till högre banor och återgår sedan till sitt normala tillstånd och sänder ut fotoner med en viss våglängd. Båda typerna av röntgenstrålar produceras i en standardgenerator.
Upptäcktshistoria
Den 8 november 1895 upptäckte den tyske vetenskapsmannen Wilhelm Conrad Roentgen att vissa ämnen under påverkan av "katodstrålar", det vill säga flödet av elektroner som genereras av ett katodstrålerör, börjar glöda. Han förklarade detta fenomen med påverkan av vissa röntgenstrålar - så ("röntgenstrålar") kallas denna strålning nu på många språk. Senare har V.K. Röntgen studerade fenomenet han hade upptäckt. Den 22 december 1895 höll han en föreläsning om detta ämne vid universitetet i Würzburg.
Senare visade det sig att röntgenstrålning hade observerats tidigare, men då tillmäts fenomenen förknippade med den ingen större betydelse. Katodstråleröret uppfanns för länge sedan, men innan V.K. Röntgen, ingen ägnade mycket uppmärksamhet åt svärtning av fotografiska plattor nära den, etc. fenomen. Faran med penetrerande strålning var också okänd.
Typer och deras effekt på kroppen
"röntgen" är den mildaste typen av penetrerande strålning. Överexponering för mjuka röntgenstrålar liknar ultraviolett exponering, men i en mer allvarlig form. En brännskada bildas på huden, men lesionen är djupare och den läker mycket långsammare.
Hård röntgen är en fullfjädrad joniserande strålning som kan leda till strålsjuka. Röntgenkvanta kan bryta proteinmolekylerna som utgör människokroppens vävnader, såväl som genomets DNA-molekyler. Men även om ett röntgenkvantum bryter en vattenmolekyl spelar det ingen roll: det bildas kemiskt aktiva fria radikaler H och OH, som själva kan verka på proteiner och DNA. Strålningssjuka fortskrider i en mer allvarlig form, ju mer de hematopoetiska organen påverkas.
Röntgenstrålar har mutagen och cancerframkallande aktivitet. Detta innebär att sannolikheten för spontana mutationer i celler under bestrålning ökar, och ibland kan friska celler urarta till cancer. Att öka sannolikheten för maligna tumörer är en standardkonsekvens av all exponering, inklusive röntgen. Röntgenstrålar är den minst farliga typen av penetrerande strålning, men de kan fortfarande vara farliga.
Röntgenstrålning: tillämpning och hur den fungerar
Röntgenstrålning används inom medicin, såväl som inom andra områden av mänsklig verksamhet.
Fluoroskopi och datortomografi
Den vanligaste användningen av röntgen är fluoroskopi. "Tystnad" av människokroppen låter dig få en detaljerad bild av både benen (de är tydligast synliga) och bilder av de inre organen.
Olika transparens av kroppsvävnader i röntgenstrålar är förknippad med deras kemiska sammansättning. Funktioner hos benstrukturen är att de innehåller mycket kalcium och fosfor. Andra vävnader består huvudsakligen av kol, väte, syre och kväve. Fosforatomen är nästan dubbelt så tung som syreatomen, och kalciumatomen är 2,5 gånger (kol, kväve och väte är ännu lättare än syre). I detta avseende är absorptionen av röntgenfotoner i benen mycket högre.
Förutom tvådimensionella "bilder" gör radiografi det möjligt att skapa en tredimensionell bild av ett organ: denna typ av radiografi kallas datortomografi. För dessa ändamål används mjuka röntgenstrålar. Mängden exponering som tas emot i en enskild bild är liten: den är ungefär lika med exponeringen som tas emot under en 2-timmars flygning i ett flygplan på en höjd av 10 km.
Detektering av röntgenfel gör att du kan upptäcka små interna defekter i produkter. Hårda röntgenstrålar används för det, eftersom många material (till exempel metall) är dåligt "genomskinliga" på grund av den höga atommassan av deras beståndsdel.
Röntgendiffraktion och röntgenfluorescensanalys
Röntgenstrålar har egenskaper som gör att de kan undersöka enskilda atomer i detalj. Röntgendiffraktionsanalys används aktivt inom kemi (inklusive biokemi) och kristallografi. Principen för dess funktion är diffraktionsspridningen av röntgenstrålar av atomer av kristaller eller komplexa molekyler. Med hjälp av röntgendiffraktionsanalys bestämdes strukturen av DNA-molekylen.
Röntgenfluorescensanalys gör att du snabbt kan bestämma den kemiska sammansättningen av ett ämne.
Det finns många former av strålbehandling, men de involverar alla användningen av joniserande strålning. Strålbehandling är indelad i 2 typer: corpuscular och wave. Corpuscular använder flöden av alfapartiklar (kärnor av heliumatomer), beta-partiklar (elektroner), neutroner, protoner, tunga joner. Wave använder strålar av det elektromagnetiska spektrumet - röntgenstrålar och gamma.
Strålbehandlingsmetoder används främst för behandling av onkologiska sjukdomar. Faktum är att strålning i första hand påverkar celler som delar sig aktivt, vilket är anledningen till att de hematopoetiska organen lider på detta sätt (deras celler delar sig hela tiden och producerar fler och fler nya röda blodkroppar). Cancerceller delar sig också hela tiden och är mer känsliga för strålning än frisk vävnad.
En strålningsnivå används som dämpar aktiviteten hos cancerceller, samtidigt som den påverkar friska i måttlig grad. Under påverkan av strålning är det inte förstörelsen av celler som sådan, utan skadorna på deras genom - DNA-molekyler. En cell med ett förstört genom kan existera en tid, men kan inte längre dela sig, det vill säga att tumörtillväxten stannar.
Strålbehandling är den mildaste formen av strålbehandling. Vågstrålning är mjukare än corpuskulär strålning och röntgenstrålning är mjukare än gammastrålning.
Under graviditet
Det är farligt att använda joniserande strålning under graviditeten. Röntgenstrålar är mutagena och kan orsaka abnormiteter hos fostret. Röntgenbehandling är oförenlig med graviditet: den kan endast användas om man redan har beslutat att göra abort. Restriktioner för fluoroskopi är mjukare, men under de första månaderna är det också strängt förbjudet.
Vid nödfall ersätts röntgenundersökning med magnetröntgen. Men under den första trimestern försöker de undvika det också (denna metod har dykt upp nyligen, och med absolut säkerhet för att tala om frånvaron av skadliga konsekvenser).
En otvetydig fara uppstår när den utsätts för en total dos på minst 1 mSv (i gamla enheter - 100 mR). Med en enkel röntgen (till exempel när man genomgår fluorografi) får patienten cirka 50 gånger mindre. För att få en sådan dos åt gången måste du genomgå en detaljerad datortomografi.
Det vill säga, bara faktumet av en 1-2-faldig "röntgen" i ett tidigt skede av graviditeten hotar inte med allvarliga konsekvenser (men det är bättre att inte riskera det).
Behandling med det
Röntgenstrålar används främst i kampen mot maligna tumörer. Denna metod är bra eftersom den är mycket effektiv: den dödar tumören. Det är dåligt eftersom friska vävnader inte är mycket bättre, det finns många biverkningar. Organen för hematopoiesis är särskilt utsatta.
I praktiken används olika metoder för att minska effekten av röntgen på friska vävnader. Strålarna är riktade i en vinkel på ett sådant sätt att en tumör uppträder i skärningszonen (på grund av detta sker den huvudsakliga absorptionen av energi just där). Ibland utförs proceduren i rörelse: patientens kropp roterar i förhållande till strålkällan runt en axel som passerar genom tumören. Samtidigt är friska vävnader i bestrålningszonen bara ibland, och de sjuka - hela tiden.
Röntgenstrålar används vid behandling av vissa artroser och liknande sjukdomar, samt hudsjukdomar. I detta fall minskar smärtsyndromet med 50-90%. Eftersom strålningen används i detta fall är mjukare, biverkningar liknande de som uppstår vid behandling av tumörer observeras inte.