Рентгеновским излучением называют электромагнитные волны с длиной приблизительно от 80 до 10 -5 нм. Наиболее длинноволновое рентгеновское излучение перекрывается коротковолновым ультрафиолетовым, коротковолновое - длинноволновым γ-излучением. По способу возбуждения рентгеновское излучение подразделяют на тормозное и характеристическое.
31.1. УСТРОЙСТВО РЕНТГЕНОВСКОЙ ТРУБКИ. ТОРМОЗНОЕ РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
Наиболее распространенным источником рентгеновского излучения является рентгеновская трубка, которая представляет собой двух-электродный ваккумный прибор (рис. 31.1). Подогревный катод 1 испускает электроны 4. Анод 2, называемый часто антикатодом, имеет наклонную поверхность, для того чтобы направить возникающее рентгеновское излучение 3 под углом к оси трубки. Анод изготовлен из хорошо теплопрово-дящего материала для отвода теплоты, образующейся при ударе электронов. Поверхность анода выполнена из тугоплавких материалов, имеющих большой порядковый номер атома в таблице Менделеева, например из вольфрама. В отдельных случаях анод специально охлаждают водой или маслом.
Для диагностических трубок важна точечность источника рентгеновских лучей, чего можно достигнуть, фокусируя электроны в одном месте антикатода. Поэтому конструктивно приходится учитывать две противоположные задачи: с одной стороны, электроны должны попадать на одно место анода, с другой стороны, чтобы не допустить перегрева, желательно распределение электронов по разным участкам анода. В качестве одного из интересных технических решений является рентгеновская трубка с вращающимся анодом (рис. 31.2).
В результате торможения электрона (или иной заряженной частицы) электростатическим полем атомного ядра и атомарных электронов вещества антикатода возникает тормозное рентгеновское излучение.
Механизм его можно пояснить следующим образом. С движущимся электрическим зарядом связано магнитное поле, индукция которого зависит от скорости электрона. При торможении уменьшается магнитная
индукция и в соответствии с теорией Максвелла появляется электромагнитная волна.
При торможении электронов лишь часть энергии идет на создание фотона рентгеновского излучения, другая часть расходуется на нагревание анода. Так как соотношение между этими частями случайно, то при торможении большого количества электронов образуется непрерывный спектр рентгеновского излучения. В связи с этим тормозное излучение называют еще сплошным. На рис. 31.3 представлены зависимости потока рентгеновского излучения от длины волны λ (спектры) при разных напряжениях в рентгеновской трубке: U 1 < U 2 < U 3 .
В каждом из спектров наиболее коротковолновое тормозное излучение λ ηίη возникает тогда, когда энергия, приобретенная электроном в ускоряющем поле, полностью переходит в энергию фотона:
Заметим, что на основе (31.2) разработан один из наиболее точных способов экспериментального определения постоянной Планка.
Коротковолновое рентгеновское излучение обычно обладает большей проникающей способностью, чем длинноволновое, и называется жестким, а длинноволновое - мягким.
Увеличивая напряжение на рентгеновской трубке, изменяют спектральный состав излучения, как это видно из рис. 31.3 и формулы (31.3), и увеличивают жесткость.
Если увеличить температуру накала катода, то возрастут эмиссия электронов и сила тока в трубке. Это приведет к увеличению числа фотонов рентгеновского излучения, испускаемых каждую секунду. Спектральный состав его не изменится. На рис. 31.4 показаны спектры тормозного рентгеновского излучения при одном напряжении, но при разной силе тока накала катода: / н1 < / н2 .
Поток рентгеновского излучения вычисляется по формуле:
где U и I - напряжение и сила тока в рентгеновской трубке; Z - порядковый номер атома вещества анода; k - коэффициент пропорциональности. Спектры, полученные от разных антикатодов при одинаковых U и I H , изображены на рис. 31.5.
31.2. ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКОЕ РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ. АТОМНЫЕ РЕНТГЕНОВСКИЕ СПЕКТРЫ
Увеличивая напряжение на рентгеновской трубке, можно заметить на фоне сплошного спектра появление линейчатого, который соответствует
характеристическому рентгеновскому излучению (рис. 31.6). Он возникает вследствие того, что ускоренные электроны проникают в глубь атома и из внутренних слоев выбивают электроны. На свободные места переходят электроны с верхних уровней (рис. 31.7), в результате высвечиваются фотоны характеристического излучения. Как видно из рисунка, характеристическое рентгеновское излучение состоит из серий K, L, М и т.д., наименование которых и послужило для обозначения электронных слоев. Так как при излучении K-серии освобождаются места в более высоких слоях, то одновременно испускаются и линии других серий.
В отличие от оптических спектров характеристические рентгеновские спектры разных атомов однотипны. На рис. 31.8 показаны спектры различных элементов. Однотипность этих спектров обусловлена тем, что внутренние слои у разных атомов одинаковы и отличаются лишь энергетически, так как силовое воздействие со стороны ядра увеличивается по мере возрастания порядкового номера элемента. Это обстоятельство приводит к тому, что характеристические спектры сдвигаются в сторону больших частот с увеличением заряда ядра. Такая закономерность видна из рис. 31.8 и известна как закон Мозли:
где v - частота спектральной линии; Z- атомный номер испускающего элемента; А и В - постоянные.
Есть еще одна разница между оптическими и рентгеновскими спектрами.
Характеристический рентгеновский спектр атома не зависит от химического соединения, в которое этот атом входит. Так, например, рентгеновский спектр атома кислорода одинаков для О, O 2 и Н 2 О, в то время как оптические спектры этих соединений существенно различны. Эта особенность рентгеновского спектра атома послужила основанием для названия характеристическое.
Характеристическое излучение возникает всегда при наличии свободного места во внутренних слоях атома независимо от причины, которая его вызвала. Так, например, характеристическое излучение сопровождает один из видов радиоактивного распада (см. 32.1), который заключается в захвате ядром электрона с внутреннего слоя.
31.3. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ
Регистрация и использование рентгеновского излучения, а также воздействие его на биологические объекты определяются первичными процессами взаимодействия рентгеновского фотона с электронами атомов и молекул вещества.
В зависимости от соотношения энергии hv фотона и энергии иони-зации 1 А и имеют место три главных процесса.
Когерентное (классическое) рассеяние
Рассеяние длинноволнового рентгеновского излучения происходит в основном без изменения длины волны, и его называют когерентным. Оно возникает, если энергия фотона меньше энергии ионизации: hv < А и.
Так как в этом случае энергия фотона рентгеновского излучения и атома не изменяется, то когерентное рассеяние само по себе не вызывает биологического действия. Однако при создании защиты от рентгеновского излучения следует учитывать возможность изменения направления первичного пучка. Этот вид взаимодействия имеет значение для рентгеноструктурного анализа (см. 24.7).
Некогерентное рассеяние (эффект Комптона)
В 1922 г. А.Х. Комптон, наблюдая рассеяние жестких рентгеновских лучей, обнаружил уменьшение проникающей способности рассеянного пучка по сравнению с падающим. Это означало, что длина волны рассеянного рентгеновского излучения больше, чем падающего. Рассеяние рентгеновского излучения с изменением длины волны называют некогерент ным, а само явление - эффектом Комптона. Он возникает, если энергия фотона рентгеновского излучения больше энергии ионизации: hv > А и.
Это явление обусловлено тем, что при взаимодействии с атомом энергия hv фотона расходуется на образование нового рассеянного фотона рентгеновского излучения с энергией hv", на отрыв электрона от атома (энергия ионизации А и) и сообщение электрону кинетической энергии Е к:
hv= hv" + А и +Е к. (31.6)
1 Здесь под энергией ионизации понимают энергию, необходимую для удаления внутренних электронов за пределы атома или молекулы.
Так как во многих случаях hv >> А и и эффект Комптона происходит на свободных электронах, то можно записать приближенно:
hv = hv"+ E K . (31.7)
Существенно, что в этом явлении (рис. 31.9) наряду с вторичным рентгеновским излучением (энергия hv " фотона) появляются электроны отдачи (кинетическая энергия Е к электрона). Атомы или молекулы при этом становятся ионами.
Фотоэффект
При фотоэффекте рентгеновское излучение поглощается атомом, в результате чего вылетает электрон, а атом ионизируется (фотоионизация).
Три основных процесса взаимодействия, рассмотренные выше, являются первичными, они приводят к последующим вторичным, третичным и т.д. явлениям. Так, например, ионизированные атомы могут излучать характеристический спектр, возбужденные атомы могут стать источниками видимого света (рентгенолюминесценция) и т.п.
На рис. 31.10 приводится схема возможных процессов, возникающих при попадании рентгеновского излучения в вещество. Может происходить несколько десятков процессов, подобных изображенному, прежде чем энергия рентгеновского фотона перейдет в энергию молекулярно-теплового движения. В итоге произойдут изменения молекулярного состава вещества.
Процессы, представленные схемой рис. 31.10, лежат в основе явлений, наблюдаемых при действии рентгеновского излучения на вещество. Перечислим некоторые из них.
Рентгенолюминесценция - свечение ряда веществ при рентгеновском облучении. Такое свечение платиносинеродистого бария позволило Рентгену открыть лучи. Это явление используют для создания специальных светящихся экранов с целью визуального наблюдения рентгеновского излучения, иногда для усиления действия рентгеновских лучей на фотопластинку.
Известно химическое действие рентгеновского излучения, например образование перекиси водорода в воде. Практически важный пример - воздействие на фотопластинку, что позволяет фиксировать такие лучи.
Ионизирующее действие проявляется в увеличении электропроводимости под воздействием рентгеновских лучей. Это свойство используют
в дозиметрии для количественной оценки действия этого вида излучения.
В результате многих процессов первичный пучок рентгеновского излучения ослабляется в соответствии с законом (29.3). Запишем его в виде:
I = I 0 е-/", (31.8)
где μ - линейный коэффициент ослабления. Его можно представить состоящим из трех слагаемых, соответствующих когерентному рассеянию μ κ , некогерентному μ ΗΚ и фотоэффекту μф:
μ = μ к + μ hk + μ ф. (31.9)
Интенсивность рентгеновского излучения ослабляется пропорционально числу атомов вещества, через которое этот поток проходит. Если сжать вещество вдоль оси X, например, в b раз, увеличив в b раз его плотность, то
31.4. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В МЕДИЦИНЕ
Одно из наиболее важных медицинских применений рентгеновского излучения - просвечивание внутренних органов с диагностической целью (рентгенодиагностика).
Для диагностики используют фотоны с энергией порядка 60-120 кэВ. При этой энергии массовый коэффициент ослабления в основном определяется фотоэффектом. Его значение обратно пропорционально третьей степени энергии фотона (пропорционально λ 3), в чем проявляется большая проникающая способность жесткого излучения, и пропорционально третьей степени атомного номера вещества-поглотителя:
Существенное различие поглощения рентгеновского излучения разными тканями позволяет в теневой проекции видеть изображения внутренних органов тела человека.
Рентгенодиагностику используют в двух вариантах: рентгеноскопия - изображение рассматривают на рентгенолюминесцирующем экране, рентгенография - изображение фиксируется на фотопленке.
Если исследуемый орган и окружающие ткани примерно одинаково ослабляют рентгеновское излучение, то применяют специальные контрастные вещества. Так, например, наполнив желудок и кишечник кашеобразной массой сульфата бария, можно видеть их теневое изображение.
Яркость изображения на экране и время экспозиции на фотопленке зависят от интенсивности рентгеновского излучения. Если его используют для диагностики, то интенсивность не может быть большой, чтобы не вызвать нежелательных биологических последствий. Поэтому имеется ряд технических приспособлений, улучшающих изображение при малых интенсивностях рентгеновского излучения. В качестве примера такого приспособления можно указать электронно-оптические преобразователи (см. 27.8). При массовом обследовании населения широко используется вариант рентгенографии - флюорография, при которой на чувствительной малоформатной пленке фиксируется изображение с большого рентгенолюминесцирующего экрана. При съемке используют линзу большой светосилы, готовые снимки рассматривают на специальном увеличителе.
Интересным и перспективным вариантом рентгенографии является метод, называемый рентгеновской томографией, и его «машинный вариант» - компьютерная томография.
Рассмотрим этот вопрос.
Обычная рентгенограмма охватывает большой участок тела, причем различные органы и ткани затеняют друг друга. Можно избежать этого, если периодически совместно (рис. 31.11) в противофазе перемещать рентгеновскую трубку РТ и фотопленку Фп относительно объекта Об исследования. В теле имеется ряд непрозрачных для рентгеновских лучей включений, они показаны кружочками на рисунке. Как видно, рентгеновские лучи при любом положении рентгеновской трубки (1, 2 и т.д.) проходят че-
рез одну и ту же точку объекта, являющуюся центром, относительно которого совершается периодическое движение РТ и Фп. Эта точка, точнее небольшое непрозрачное включение, показана темным кружком. Его теневое изображение перемещается вместе с Фп, занимая последовательно положения 1, 2 и т.д. Остальные включения в теле (кости, уплотнения и др.) создают на Фп некоторый общий фон, так как рентгеновские лучи не постоянно затеняются ими. Изменяя положение центра качания, можно получить послойное рентгеновское изображение тела. Отсюда и название - томография (послойная запись).
Можно, используя тонкий пучок рентгеновского излучения, экран (вместо Фп), состоящий из полупроводниковых детекторов ионизирующего излучения (см. 32.5), и ЭВМ, обработать теневое рентгеновское изображение при томографии. Такой современный вариант томографии (вычислительная или компьютерная рентгеновская томография) позволяет получать послойные изображения тела на экране электронно-лучевой трубки или на бумаге с деталями менее 2 мм при различии поглощения рентгеновского излучения до 0,1%. Это позволяет, например, различать серое и белое вещество мозга и видеть очень маленькие опухолевые образования.
1. Источники рентгеновского излучения.
2. Тормозное рентгеновское излучение.
3. Характеристическое рентгеновское излучение. Закон Мозли.
4. Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом. Закон ослабления.
5. Физические основы использования рентгеновского излучения в медицине.
6. Основные понятия и формулы.
7. Задачи.
Рентгеновское излучение - электромагнитные волны с длиной волны от 100 до 10 -3 нм. На шкале электромагнитных волн рентгеновское излучение занимает область между УФ-излучением и γ -излучением. Рентгеновское излучение (Х-лучи) открыты в 1895 г. К. Рентгеном, который в 1901 г. стал первым Нобелевским лауреатом по физике.
32.1. Источники рентгеновского излучения
Естественными источниками рентгеновского излучения являются некоторые радиоактивные изотопы (например, 55 Fe). Искусственными источниками мощного рентгеновского излучения являются рентгеновские трубки (рис. 32.1).
Рис. 32.1. Устройство рентгеновской трубки
Рентгеновская трубка представляет собой вакуумированную стеклянную колбу с двумя электродами: анодом А и катодом К, между которыми создается высокое напряжение U (1-500 кВ). Катод представляет собой спираль, нагреваемую электрическим током. Электроны, испущенные нагретым катодом (термоэлектронная эмиссия), разгоняются электрическим полем до больших скоростей (для этого и нужно высокое напряжение) и попадают на анод трубки. При взаимодействии этих электронов с веществом анода возникают два вида рентгеновского излучения: тормозное и характеристическое.
Рабочая поверхность анода расположена под некоторым углом к направлению электронного пучка, для того чтобы создать требуемое направление рентгеновских лучей.
В рентгеновское излучение превращается примерно 1 % кинетической энергии электронов. Остальная часть энергии выделяется в виде тепла. Поэтому рабочая поверхность анода выполняется из тугоплавкого материала.
32.2. Тормозное рентгеновское излучение
Электрон, движущийся в некоторой среде, теряет свою скорость. При этом возникает отрицательное ускорение. Согласно теории Максвелла, любое ускоренное движение заряженной частицы сопровождается электромагнитным излучением. Излучение, возникающее при торможении электрона в веществе анода, называют тормозным рентгеновским излучением.
Свойства тормозного излучения определяются следующими факторами.
1. Излучение испускается отдельными квантами, энергии которых связаны с частотой формулой (26.10)
где ν - частота, λ - длина волны.
2. Все электроны, достигающие анода, имеют одинаковую кинетическую энергию, равную работе электрического поля между анодом и катодом:
где е - заряд электрона, U - ускоряющее напряжение.
3. Кинетическая энергия электрона частично передается веществу и идет на его нагревание (Q), а частично расходуется на создание рентгеновского кванта:
4. Соотношение между Q и hv случайно.
В силу последнего свойства (4) кванты, порожденные различными электронами, имеют различные частоты и длины волн. Поэтому спектр тормозного рентгеновского излучения является сплошным. Типичный вид спектральной плотности потока рентгеновского излучения (Φ λ = άΦ/άλ) показан на рис. 32.2.
Рис. 32.2.
Спектр тормозного рентгеновского излучения
Со стороны длинных волн спектр ограничен длиной волны 100 нм, которая является границей рентгеновского излучения. Со стороны коротких волн спектр ограничен длиной волны λ min . Согласно формуле (32.2) минимальной длине волны соответствует случай Q = 0 (кинетическая энергия электрона полностью переходит в энергию кванта):
Расчеты показывают, что поток (Φ) тормозного рентгеновского излучения прямо пропорционален квадрату напряжения U между
анодом и катодом, силе тока I в трубке и атомному номеру Z вещества анода:
Спектры тормозного рентгеновского излучения при различных напряжениях, различных температурах катода и различных веществах анода показаны на рис. 32.3.
Рис. 32.3.
Спектр тормозного рентгеновского излучения (Φ λ):
а - при различном напряжении U в трубке; б - при различной температуре T
катода; в - при различных веществах анода отличающихся параметром Z
При увеличении анодного напряжения значение λ min смещается в сторону коротких длин волн. Одновременно возрастает и высота спектральной кривой (рис. 32.3, а).
При увеличении температуры катода возрастает эмиссия электронов. Соответственно увеличивается и ток I в трубке. Высота спектральной кривой увеличивается, но спектральный состав излучения не изменяется (рис. 32.3, б).
При изменении материала анода высота спектральной кривой изменяется пропорционально атомному номеру Z (рис. 32.3, в).
32.3. Характеристическое рентгеновское излучение. Закон Мозли
При взаимодействии катодных электронов с атомами анода наряду с тормозным рентгеновским излучением возникает рентгеновское излучение, спектр которого состоит из отдельных линий. Это излучение
имеет следующее происхождение. Некоторые катодные электроны проникают в глубь атома и выбивают электроны с его внутренних оболочек. Образовавшиеся при этом вакантные места заполняются электронами с верхних оболочек, в результате чего высвечиваются кванты излучения. Это излучение содержит дискретный набор частот, определяемый материалом анода, и называется характеристическим излучением. Полный спектр рентгеновской трубки представляет собой наложение характеристического спектра на спектр тормозного излучения (рис. 32.4).
Рис. 32. 4.
Спектр излучения рентгеновской трубки
Существование характеристических спектров рентгеновского излучения было обнаружено с помощью рентгеновских трубок. Позже было установлено, что такие спектры возникают при любой ионизации внутренних орбит химических элементов. Исследовав характеристические спектры различных химических элементов, Г. Мозли (1913 г.) установил следующий закон, носящий его имя.
Корень квадратный из частоты характеристического излучения есть линейная функция порядкового номера элемента:
где ν - частота спектральной линии, Z - атомный номер испускающего элемента, А, В - константы.
Закон Мозли позволяет определить атомный номер химического элемента по наблюдаемому спектру характеристического излучения. Это сыграло большую роль при размещении элементов в периодической системе.
32.4. Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом. Закон ослабления
Существуют два основных типа взаимодействия рентгеновского излучения с веществом: рассеяние и фотоэффект. При рассеянии направление движения фотона изменяется. При фотоэффекте фотон поглощается.
1. Когерентное (упругое) рассеяние происходит тогда, когда энергия рентгеновского фотона недостаточна для внутренней ионизации атома (выбивания электрона с одной из внутренних оболочек). При этом изменяется направление движения фотона, а его энергия и длина волны не изменяются (поэтому это рассеяние и называется упругим).
2. Некогерентное (комптоновское) рассеяние
происходит тогда, когда энергия фотона намного больше энергии внутренней ионизации А и: hv >> А и.
При этом электрон отрывается от атома и приобретает некоторую кинетическую энергию Е к. Направление движения фотона при комптоновском рассеянии изменяется, а его энергия уменьшается:
Комптоновское рассеяние связано с ионизацией атомов вещества.
3. Фотоэффект
имеет место тогда, когда энергия фотона hv достаточна для ионизации атома: hv > А и. При этом рентгеновский квант поглощается,
а его энергия расходуется на ионизацию атома и сообщение кинетической энергии выбитому электрону Е к = hv - А И.
Комптоновское
рассеяние и фотоэффект сопровождаются характеристическим рентгеновским
излучением, так как после выбивания внутренних электронов происходит
заполнение вакантных мест электронами внешних оболочек.
Рентгенолюминесценция. В некоторых веществах электроны и кванты комптоновского рассеяния, а также электроны фотоэффекта вызывают возбуждение молекул, которое сопровождается излучательными переходами в основное состояние. При этом возникает свечение, называемое рентгенолюминесценцией. Люминесценция платиносинеродистого бария позволила Рентгену открыть Х-лучи.
Закон ослабления
Рассеяние рентгеновских лучей и фотоэффект приводят к тому, что по мере проникновения рентгеновского излучения вглубь первичный пучок излучения ослабляется (рис. 32.5). Ослабление носит экспоненциальный характер:
Величина μ зависит от поглощающего материала и спектра излучения. Для практических расчетов в качестве характеристики ослабле-
Рис. 32.5.
Ослабление рентгеновского потока в направлении падающих лучей
где λ
- длина волны; Z - атомный номер элемента; k - некоторая константа.
32.5. Физические основы использования
рентгеновского излучения в медицине
В медицине рентгеновское излучение применяется в диагностических и терапевтических целях.
Рентгенодиагностика - методы получения изображений внутренних органов с использованием рентгеновских лучей.
Физической основой этих методов является закон ослабления рентгеновского излучения в веществе (32.10). Однородный по сечению поток рентгеновского излучения после прохождения неоднородной ткани станет неоднородным. Эта неоднородность может быть зафиксирована на фотопленке, флуоресцирующем экране или с помощью матричного фотоприемника. Например, массовые коэффициенты ослабления костной ткани - Са 3 (РО 4) 2 - и мягких тканей - в основном Н 2 О - различаются в 68 раз (μ m кости /μ m воды = 68). Плотность кости также выше плотности мягких тканей. Поэтому на рентгеновском снимке получается светлое изображение кости на более темном фоне мягких тканей.
Если исследуемый орган и окружающие его ткани имеют близкие коэффициенты ослабления, то применяют специальные контрастные вещества. Так, например, при рентгеноскопии желудка обследуемый принимает кашеобразную массу сульфата бария (ВаSО 4), у которого массовый коэффициент ослабления в 354 раза больше, чем у мягких тканей.
Для диагностики используют рентгеновское излучение с энергией фотонов 60-120 кэВ. В медицинской практике используют следующие методы рентгенодиагностики.
1. Рентгеноскопия. Изображение формируется на флуоресцирующем экране. Яркость изображения невелика, и его можно рассматривать только в затемненном помещении. Врач должен быть защищен от облучения.
Достоинством рентгеноскопии является то, что она проводится в реальном режиме времени. Недостаток - большая лучевая нагрузка на больного и врача (по сравнению с другими методами).
Современный вариант рентгеноскопии - рентгенотелевидение - использует усилители рентгеновского изображения. Усилитель воспринимает слабое свечение рентгеновского экрана, усиливает его и передает на экран телевизора. В результате резко уменьшилась лучевая нагрузка на врача, повысилась яркость изображения и появилась возможность видеозаписи результатов обследования.
2. Рентгенография. Изображение формируется на специальной пленке, чувствительной к рентгеновскому излучению. Снимки производятся в двух взаимно перпендикулярных проекциях (прямая и боковая). Изображение становится видимым после фотообработки. Готовый высушенный снимок рассматривают в проходящем свете.
При этом удовлетворительно видны детали, контрастности которых отличаются на 1-2 %.
В некоторых случаях перед обследованием пациенту вводится специальное контрастное вещество. Например, йодсодержащий раствор (внутривенно) при исследовании почек и мочевыводящих путей.
Достоинствами рентгенографии являются высокое разрешение, малое время облучения и практически полная безопасность для врача. К недостаткам относится статичность изображения (объект нельзя проследить в динамике).
3. Флюорография. При этом обследовании изображение, полученное на экране, фотографируется на чувствительную малоформатную пленку. Флюорография широко используется при массовом обследовании населения. Если на флюорограмме находят патологические изменения, то пациенту назначают более детальное обследование.
4. Электрорентгенография. Этот вид обследования отличается от обычной рентгенографии способом фиксации изображения. Вместо пленки используют селеновую пластину, которая электризуется под действием рентгеновских лучей. В результате возникает скрытое изображение из электрических зарядов, которое можно сделать видимым и перенести на бумагу.
5. Ангиография. Этот метод применяется при обследовании кровеносных сосудов. Через катетер в вену вводится контрастное вещество, после чего мощный рентгеновский аппарат выполняет серию снимков, следующих друг за другом через доли секунды. На рисунке 32.6 показана ангиограмма в районе сонной артерии.
6. Рентгеновская компьютерная томография. Этот вид рентгеновского обследования позволяет получить изображение плоского сечения тела толщиной несколько мм. При этом заданное сечение многократно просвечивается под разными углами с фиксацией каждого отдельного изображения в памяти компьютера. Затем
Рис. 32.6.
Ангиограмма, на которой видно сужение в канале сонной артерии
Рис. 32.7. Сканирующая схема томографии (а); томограмма головы в сечении на уровне глаз (б).
осуществляется компьютерная реконструкция, результатом которой является изображение сканируемого слоя (рис. 32.7).
Компьютерная томография позволяет различать элементы с перепадом плотности между ними до 1 %. Обычная рентгенография позволяет уловить минимальную разницу по плотности между соседними участками в 10-20 %.
Рентгенотерапия - использование рентгеновского излучения для уничтожения злокачественных образований.
Биологическое действие излучения заключается в нарушении жизнедеятельности особенно быстро размножающихся клеток. Очень жесткое рентгеновское излучение (с энергией фотонов примерно 10 МэВ) используется для разрушения раковых клеток, находящихся глубоко внутри тела. Для уменьшения повреждений здоровых окружающих тканей пучок вращается вокруг пациента таким образом, чтобы под его воздействием все время оставалась только поврежденная область.
32.6. Основные понятия и формулы
Продолжение таблицы
Окончание таблицы
32.7. Задачи
1. Почему в медицинских рентгеновских трубках пучок электронов ударяет в одну точку антикатода, а не падает на него широким пучком?
Ответ: чтобы получить точечный источник рентгеновских лучей, дающий на экране резкие очертания просвечиваемых предметов.
2. Найти границу тормозного рентгеновского излучения (частоту и длину волны) для напряжений U 1 = 2 кВ и U 2 = 20 кВ.
4.
Для
защиты от рентгеновского излучения используются свинцовые экраны.
Линейный показатель поглощения рентгеновского излучения в свинце равен
52 см -1 . Какова должна быть толщина экранирующего слоя свинца, чтобы он уменьшил интенсивность рентгеновского излучения в 30 раз?
5.
Найти поток излучения рентгеновской трубки при U = 50 кВ, I = 1мА. Анод изготовлен из вольфрама (Z = 74). Найти КПД трубки.
6.
Для
рентгенодиагностики мягких тканей применяют контрастные вещества.
Например, желудок и кишечник заполняют массой сульфата бария (ВаSО 4). Сравнить массовые коэффициенты ослабления сульфата бария и мягких тканей (воды).
7. Что даст более густую тень на экране рентгеновской установки: алюминий (Z = 13, ρ = 2,7 г/см 3) или такой же слой меди (Z = 29, ρ = 8,9 г/см 3)?
8.
Во сколько раз толщина слоя алюминия больше толщины слоя меди, если слои ослабляют рентгеновское излучение одинаково?
В изучении и практическом использовании атомных явлений одну из важнейших ролей играют рентгеновские лучи. Благодаря их исследованию было сделано множество открытий и разработаны методы анализа вещества, применяемые в самых разных областях. Здесь мы рассмотрим один из видов рентгеновских лучей - характеристическое рентгеновское излучение.
Природа и свойства рентгеновских лучей
Рентгеновское излучение - это высокочастотное изменение состояния электромагнитного поля, распространяющееся в пространстве со скоростью около 300 000 км/с, то есть электромагнитные волны. На шкале диапазона электромагнитного излучения рентген располагается в области длин волн от приблизительно 10 -8 до 5∙10 -12 метров, что на несколько порядков короче оптических волн. Это соответствует частотам от 3∙10 16 до 6∙10 19 Гц и энергиям от 10 эВ до 250 кэВ, или 1,6∙10 -18 до 4∙10 -14 Дж. Следует отметить, что границы частотных диапазонов электромагнитного излучения достаточно условны вследствие их перекрытия.
Является взаимодействие ускоренных заряженных частиц (электронов высоких энергий) с электрическими и магнитными полями и с атомами вещества.
Фотонам рентгеновских лучей свойственны высокие энергии и большая проникающая и ионизирующая способность, особенно для жесткого рентгена с длинами волн менее 1 нанометра (10 -9 м).
Рентгеновские лучи взаимодействуют с веществом, ионизируя его атомы, в процессах фотоэффекта (фотопоглощения) и некогерентного (комптоновского) рассеяния. При фотопоглощении рентгеновский фотон, поглощаясь электроном атома, передает ему энергию. Если ее величина превышает энергию связи электрона в атоме, то он покидает атом. Комптоновское рассеяние характерно для более жестких (энергичных) рентгеновских фотонов. Часть энергии поглощаемого фотона затрачивается на ионизацию; при этом под некоторым углом к направлению первичного фотона излучается вторичный, с меньшей частотой.
Виды рентгеновского излучения. Тормозное излучение
Для получения лучей используют представляющие собой стеклянные вакуумные баллоны с расположенными внутри электродами. Разность потенциалов на электродах нужна очень высокая - до сотен киловольт. На вольфрамовом катоде, подогреваемом током, происходит термоэлектронная эмиссия, то есть с него испускаются электроны, которые, ускоряясь разностью потенциалов, бомбардируют анод. В результате их взаимодействия с атомами анода (иногда его именуют антикатодом) рождаются фотоны рентгеновского диапазона.
В зависимости от того, какой процесс приводит к рождению фотона, различают такие виды рентгеновского излучения, как тормозное и характеристическое.
Электроны могут, встречаясь с анодом, тормозиться, то есть терять энергию в электрических полях его атомов. Эта энергия излучается в форме рентгеновских фотонов. Такое излучение называется тормозным.
Понятно, что условия торможения будут различаться для отдельных электронов. Это значит, что в рентгеновское излучение преобразуются разные количества их кинетической энергии. В результате тормозное излучение включает фотоны разных частот и, соответственно, длин волн. Поэтому спектр его является сплошным (непрерывным). Иногда по этой причине его еще называют «белым» рентгеновским излучением.
Энергия тормозного фотона не может превышать кинетическую энергию порождающего его электрона, так что максимальная частота (и наименьшая длина волны) тормозного излучения соответствует наибольшему значению кинетической энергии налетающих на анод электронов. Последняя же зависит от приложенной к электродам разности потенциалов.
Существует еще один тип рентгеновского излучения, источником которого является иной процесс. Это излучение именуют характеристическим, и мы остановимся на нем подробнее.
Как возникает характеристическое рентгеновское излучение
Достигнув антикатода, быстрый электрон может проникнуть внутрь атома и выбить какой-либо электрон с одной из нижних орбиталей, то есть передать ему энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера. Однако при наличии в атоме более высоких энергетических уровней, занятых электронами, освободившееся место пустым не останется.
Необходимо помнить, что электронная структура атома, как и всякая энергетическая система, стремится минимизировать энергию. Образовавшаяся в результате выбивания вакансия заполняется электроном с одного из вышележащих уровней. Его энергия выше, и, занимая более низкий уровень, он излучает излишек в форме кванта характеристического рентгеновского излучения.
Электронная структура атома - это дискретный набор возможных энергетических состояний электронов. Поэтому рентгеновские фотоны, излучаемые в процессе замещения электронных вакансий, также могут иметь только строго определенные значения энергии, отражающие разность уровней. Вследствие этого характеристическое рентгеновское излучение обладает спектром не сплошного, а линейчатого вида. Такой спектр позволяет характеризовать вещество анода - отсюда и название этих лучей. Именно благодаря спектральным различиям ясно, что понимают под тормозным и характеристическим рентгеновским излучением.
Иногда излишек энергии не излучается атомом, а затрачивается на выбивание третьего электрона. Этот процесс - так называемый эффект Оже - с большей вероятностью происходит, когда энергия связи электрона не превышает 1 кэВ. Энергия освобождающегося оже-электрона зависит от структуры энергетических уровней атома, поэтому спектры таких электронов также носят дискретный характер.
Общий вид характеристического спектра
Узкие характеристические линии присутствуют в рентгеновской спектральной картине вместе со сплошным тормозным спектром. Если представить спектр в виде графика зависимости интенсивности от длины волны (частоты), в местах расположения линий мы увидим резкие пики. Их позиция зависит от материала анода. Эти максимумы присутствуют при любой разности потенциалов - если есть рентгеновские лучи, пики тоже всегда есть. При повышении напряжения на электродах трубки интенсивность и сплошного, и характеристического рентгеновского излучения нарастает, но расположение пиков и соотношение их интенсивностей не меняется.
Пики в рентгеновских спектрах имеют одинаковый вид независимо от материала облучаемого электронами антикатода, но у различных материалов располагаются на разных частотах, объединяясь в серии по близости значений частоты. Между самими сериями различие по частотам намного значительнее. Вид максимумов никак не зависит от того, представляет ли материал анода чистый химический элемент или же это сложное вещество. В последнем случае характеристические спектры рентгеновского излучения составляющих его элементов просто накладываются друг на друга.
С повышением порядкового номера химического элемента все линии его рентгеновского спектра смещаются в сторону повышения частоты. Спектр при этом сохраняет свой вид.
Закон Мозли
Явление спектрального сдвига характеристических линий было экспериментально обнаружено английским физиком Генри Мозли в 1913 году. Это позволило ему связать частоты максимумов спектра с порядковыми номерами химических элементов. Таким образом, и длину волны характеристического рентгеновского излучения, как выяснилось, можно четко соотнести с определенным элементом. В общем виде закон Мозли можно записать следующим образом: √f = (Z - S n)/n√R, где f - частота, Z - порядковый номер элемента, S n - постоянная экранирования, n - главное квантовое число и R - постоянная Ридберга. Эта зависимость имеет линейный характер и на диаграмме Мозли выглядит как ряд прямых линий для каждого значения n.
Значения n соответствуют отдельным сериям пиков характеристического рентгеновского излучения. Закон Мозли позволяет по измеряемым значениям длин волн (они однозначно связаны с частотами) максимумов рентгеновского спектра устанавливать порядковый номер химического элемента, облучаемого жесткими электронами.
Структура электронных оболочек химических элементов идентична. На это указывает монотонность сдвигового изменения характеристического спектра рентгеновского излучения. Частотный сдвиг отражает не структурные, а энергетические различия между электронными оболочками, уникальные для каждого элемента.
Роль закона Мозли в атомной физике
Существуют небольшие отклонения от строгой линейной зависимости, выражаемой законом Мозли. Они связаны, во-первых, с особенностями порядка заполнения электронных оболочек у некоторых элементов, и, во-вторых, с релятивистскими эффектами движения электронов тяжелых атомов. Кроме того, при изменении количества нейтронов в ядре (так называемом изотопическом сдвиге) положение линий может слегка меняться. Этот эффект дал возможность детально изучить атомную структуру.
Значение закона Мозли чрезвычайно велико. Последовательное применение его к элементам периодической системы Менделеева установило закономерность увеличения порядкового номера соответственно каждому небольшому сдвигу характеристических максимумов. Это способствовало прояснению вопроса о физическом смысле порядкового номера элементов. Величина Z - это не просто номер: это положительный электрический заряд ядра, представляющий собой сумму единичных положительных зарядов частиц, входящих в его состав. Правильность размещения элементов в таблице и наличие в ней пустых позиций (тогда они еще существовали) получили мощное подтверждение. Была доказана справедливость периодического закона.
Закон Мозли, помимо этого, стал основой, на которой возникло целое направление экспериментальных исследований - рентгеновская спектрометрия.
Строение электронных оболочек атома
Вкратце вспомним, как устроена электронная Она состоит из оболочек, обозначаемых буквами K, L, M, N, O, P, Q либо цифрами от 1 до 7. Электроны в пределах оболочки характеризуются одинаковым главным квантовым числом n, определяющим возможные значения энергии. Во внешних оболочках энергия электронов выше, а потенциал ионизации для внешних электронов соответственно ниже.
Оболочка включает один или несколько подуровней: s, p, d, f, g, h, i. В каждой оболочке количество подуровней увеличивается на один по сравнению с предыдущей. Количество электронов в каждом подуровне и в каждой оболочке не может превышать определенного значения. Они характеризуются, помимо главного квантового числа, одинаковым значением орбитального определяющего форму электронного облака. Подуровни обозначаются с указанием оболочки, которой они принадлежат, например, 2s, 4d и так далее.
Подуровень содержит которые задаются, кроме главного и орбитального, еще одним квантовым числом - магнитным, определяющим проекцию орбитального момента электрона на направление магнитного поля. Одна орбиталь может иметь не более двух электронов, различающихся значением четвертого квантового числа - спинового.
Рассмотрим подробнее, как возникает характеристическое рентгеновское излучение. Так как происхождение этого типа электромагнитной эмиссии связано с явлениями, происходящими внутри атома, удобнее всего описывать его именно в приближении электронных конфигураций.
Механизм генерации характеристического рентгеновского излучения
Итак, причиной возникновения данного излучения является образование электронных вакансий во внутренних оболочках, обусловленное проникновением высокоэнергичных электронов глубоко внутрь атома. Вероятность того, что жесткий электрон вступит во взаимодействие, возрастает с увеличением плотности электронных облаков. Следовательно, наиболее вероятным будет столкновение в пределах плотно упакованных внутренних оболочек, например, самой нижней К-оболочки. Здесь атом ионизируется, и в оболочке 1s образуется вакансия.
Эта вакансия заполняется электроном из оболочки с большей энергией, избыток которой уносится рентгеновским фотоном. Этот электрон может «упасть» из второй оболочки L, из третьей М и так далее. Так формируется характеристическая серия, в данном примере - К-серия. Указание на то, откуда происходит заполнивший вакансию электрон, дается в виде греческого индекса при обозначении серии. «Альфа» означает, что он происходит из L-оболочки, «бета» - из М-оболочки. В настоящее время существует тенденция к замене греческих буквенных индексов латинскими, принятыми для обозначения оболочек.
Интенсивность альфа-линии в серии всегда наивысшая - это значит, что вероятность заполнения вакансии из соседней оболочки самая высокая.
Теперь мы можем ответить на вопрос, какова максимальная энергия кванта характеристического рентгеновского излучения. Она определяется разностью значений энергии уровней, между которыми совершается переход электрона, по формуле E = E n 2 - E n 1 , где E n 2 и E n 1 - энергии электронных состояний, между которыми произошел переход. Наивысшее значение этого параметра дают переходы К-серии с максимально высоких уровней атомов тяжелых элементов. Но интенсивность этих линий (высота пиков) самая малая, поскольку они наименее вероятны.
Если из-за недостаточности напряжения на электродах жесткий электрон не может достичь К-уровня, он образует вакансию на L-уровне, и формируется менее энергичная L-серия с большими длинами волн. Аналогичным образом рождаются последующие серии.
Кроме того, при заполнении вакансии в результате электронного перехода возникает новая вакансия в вышележащей оболочке. Это создает условия для генерирования следующей серии. Электронные вакансии перемещаются выше с уровня на уровень, и атом испускает каскад характеристических спектральных серий, оставаясь при этом ионизированным.
Тонкая структура характеристических спектров
Атомным рентген-спектрам характеристического рентгеновского излучения свойственна тонкая структура, выражающаяся, как и в оптических спектрах, в расщеплении линий.
Тонкая структура связана с тем, что энергетический уровень - электронная оболочка - представляет собой набор тесно расположенных компонентов - подоболочек. Для характеристики подоболочек введено еще одно, внутреннее квантовое число j, отражающее взаимодействие собственного и орбитального магнитных моментов электрона.
В связи с влиянием спин-орбитального взаимодействия энергетическая структура атома усложняется, и в результате характеристическое рентгеновское излучение имеет спектр, которому свойственны расщепленные линии с очень близко расположенными элементами.
Элементы тонкой структуры принято обозначать дополнительными цифровыми индексами.
Характеристическое рентгеновское излучение обладает особенностью, отраженной только в тонкой структуре спектра. Переход электрона на низший энергетический уровень не происходит с нижней подоболочки вышележащего уровня. Такое событие имеет пренебрежимо малую вероятность.
Использование рентгена в спектрометрии
Это излучение благодаря своим особенностям, описанным законом Мозли, лежит в основе различных рентгеноспектральных методов анализа веществ. При анализе рентгеновского спектра применяют либо дифракцию излучения на кристаллах (волнодисперсионный метод), либо чувствительные к энергии поглощенных рентгеновских фотонов детекторы (энергодисперсионный метод). Большинство электронных микроскопов оснащены теми или иными рентгеноспектрометрическими приставками.
Особенно высокой точностью отличается волнодисперсионная спектрометрия. При помощи особых фильтров выделяются наиболее интенсивные пики в спектре, благодаря чему можно получить практически монохроматическое излучение с точно известной частотой. Материал анода выбирается очень тщательно, чтобы обеспечить получение монохроматического пучка нужной частоты. Его дифракция на кристаллической решетке изучаемого вещества позволяет исследовать структуру решетки с большой точностью. Этот метод применяется также в изучении ДНК и других сложных молекул.
Одна из особенностей характеристического рентгеновского излучения учитывается и в гамма-спектрометрии. Это высокая интенсивность характеристических пиков. В гамма-спектрометрах применяется свинцовая защита от внешних фоновых излучений, вносящих помехи в измерения. Но свинец, поглощая гамма-кванты, испытывает внутреннюю ионизацию, в результате чего активно излучает в рентгеновском диапазоне. Для поглощения интенсивных максимумов характеристического рентгеновского излучения свинца используется дополнительная кадмиевая экранировка. Она, в свою очередь, ионизируется и также излучает в рентгене. Для нейтрализации характеристических пиков кадмия применяют третий экранирующий слой - медный, рентгеновские максимумы которого лежат вне рабочего диапазона частот гамма-спектрометра.
Спектрометрия использует и тормозное, и характеристическое рентгеновское излучение. Так, при анализе веществ исследуются спектры поглощения сплошного рентгена различными веществами.
1. Тормозное и характеристическое рентгеновское излучение,
основные свойства и характеристики.
В 1895 году немецкий ученый Рентген впервые обнаружил свечение флуоресцентного экрана, которое было вызвано невидимым для глаза излучением, идущим от участка стекла газоразрядной трубки, расположенного против катода. Этот вид излучения обладал способностью проходить через вещества, непроницаемые для видимого света. Рентген назвал их Х-лучами и установил основные свойства, позволяющие, применять их в различных отраслях науки и техники, в том числе и в медицине.
Рентгеновским называется излучение с длиной волны 80-10 -5 нм. Длинноволновое рентгеновское излучение перекрывает коротковолновое УФ-излучение, коротковолновое перекрывается длинноволновым g-излучением. В медицине используется рентгеновское излучение с длиной волны от 10 до 0,005 нм, чему соответствует энергия фотонов от 10 2 ЭВ до 0,5 МэВ. Рентгеновское излучение невидимо для глаза, поэтому все наблюдения с ним производятся с помощью флюоресцирующих экранов или фотопленок, так как оно вызывает рентгенолюминесценцию и оказывает фотохимическое действие. Характерно, что большинство тел, непроницаемых для оптического излучения, в значительной мере прозрачно для рентгеновского, имеющего свойства общие для электромагнитных волн. Однако, вследствие малости длины волны, некоторые свойства трудно обнаружить. Поэтому волновая природа излучения была установлена значительно позже их открытия.
По способу возбуждения рентгеновское излучение подразделяется на тормозное и характеристическое излучение.
Тормозное рентгеновское излучение обусловлено торможением быстро движущихся электронов электрическим полем атома (ядра и электронов) вещества, через которое они пролетают. Механизм этого излучения можно объяснить тем, что любой движущийся заряд представляет собой ток, вокруг которого создается магнитное поле, индукция (В) которого зависит от скорости электрона. При торможении уменьшается магнитная индукция и, в соответствии с теорией Максвелла, появляется электромагнитная волна.
При торможении электронов лишь часть энергии идет на создание фотона рентгеновского излучения, другая часть расходуется на нагревание анода. Частота (длина волны) фотона зависит от начальной кинетической энергии электрона и интенсивности его торможения. Причем даже если начальная кинетическая энергия одинакова, то в веществе условия торможения будут различны, поэтому и излучаемые фотоны будут иметь самую разнообразную энергию, а, следовательно, и длину волны, т.е. спектр рентгеновского излучения будет сплошным. На рис.1 показан спектр тормозного рентгеновского излу чения при различных напряжениях U 1
.
Если U выразить в киловольтах и учесть соотношение между другими величинами, то формула имеет вид: l к = 1,24/U (нм) или l к =1,24/U (Å) (1Å = 10 -10 м).
Из приведенных выше графиков можно установить, что длина волны l m , на которую приходится максимум энергии излучения, находится в постоянном соотношении с граничной длиной волны l к:
.
Длина волны характеризует энергию фотона, от которой зависит проникающая способность излучения при взаимодействии его с веществом.
Коротковолновое рентгеновское излучение обычно обладает большой проникающей способностью и называется жестким, а длинноволновое – мягким. Как видно из приведенной выше формулы, длина волны, на которую приходится максимум энергии излучения, обратно пропорциональна напряжению между анодом и катодом трубки. Увеличивая напряжение на аноде рентгеновской трубки, изменяют спектральный состав излучения и увеличивают его жесткость.
При изменении напряжения накала (изменяется температура накала катода) изменяется количество электронов, испускаемых катодом в единицу времени, или соответственно сила тока в цепи анода трубки. При этом мощность излучения изменяется пропорционально первой степени силы тока. Спектральный же состав излучения не изменится.
Общий поток (мощность) излучения, распределение энергии по длинам волн, а также граница спектра со стороны коротких длин волн зависит от следующих трех причин: напряжения U, ускоряющего электроны и приложенного между анодом и катодом трубки; количества электронов, участвующих в образовании излучения, т.е. силы тока накала трубки; атомного номера Z вещества анода, в котором происходит торможение электрона.
Поток тормозного рентгеновского излучения вычисляется по формуле: , где 
,
Z-порядковый номер атома вещества (атомный номер).
Увеличивая напряжение на рентгеновской трубке, можно заметить на фоне сплошного тормозного рентгеновского излучения появление отдельных линий (линейчатый спектр), что соответствует характеристическому рентгеновскому излучению. Оно возникает при переходе электронов между внутренними оболочками атомов в веществе (оболочки К, L, М). Линейчатый характер спектра характеристического излучения возникает вследствие того, что ускоренные электроны проникают вглубь атомов и из их внутренних слоев выбивают электроны за пределы атома. На свободные места переходят электроны (рис.2) с верхних слоев, в результате чего излучаются фотоны рентгеновского излучения с частотой, соответствующей разности уровней энергии перехода. Линии в спектре характеристического излучения объединяются в серии, соответствующие переходам электронов с более высоким уровнем на уровне К, L, М.
Внешнее воздействие, в результате которого электрон выбивается из внутренних слоев, должно быть достаточно сильным. В отличие от оптических спектров характеристические рентгеновские спектры разных атомов однотипны. Однотипность этих спектров обусловлена тем, что внутренние слои у разных атомов одинаковы и отличаются лишь энергетически, т.к. силовое воздействие со стороны ядра увеличивается по мере возрастания порядкового номера элемента. Это приводит к тому, что характеристические спектры сдвигаются в сторону больших частот с увеличением заряда ядер. Такая зависимость известна как закон Мозли: 
, где А и В–постоянные; Z-порядковый номер элемента.
Есть еще одно отличие между рентгеновскими и оптическими спектрами. Характеристический спектр атома не зависит от химического соединения, в которое атом входит. Так, например, рентгеновский спектр атома кислорода одинаков для О, О 2 , Н 2 О, в то время как оптические спектры этих соединений существенно различны. Эта особенность рентгеновских спектров атомов и послужила основанием для названия «характеристические».
Характеристическое излучение возникает всегда, когда имеются в наличии свободные места во внутренних слоях атома независимо от причин, которые его вызвали. Например, оно сопровождает один из видов радиоактивного распада, который заключается в захвате ядром электрона с внутреннего слоя.
2. Устройство рентгеновских трубок и простейшего
рентгеновского аппарата.
Наиболее распространенным источником рентгеновского излучения является рентгеновская трубка – двухэлектродный вакуумный прибор (рис.3). Она представляет собой стеклянный баллон (p = 10 -6 – 10 -7 мм. рт. ст.) с двумя электродами – анодом А и катодом К, между которыми создается высокое напряжение. Подогретый катод (К) испускает электроны. Анод А часто называют антикатодом. Он имеет наклонную поверхность для того, чтобы направить возникающее рентгеновское излучение под углом к оси трубки. Анод изготавливается из металла с хорошей теплопроводностью (медь) для отвода тепла, образующегося при ударе электронов. На скошенном торце анода имеется пластинка З из тугоплавкого металла (вольфрам) с высоким атомным номером, называемая зеркалом анода. В отдельных случаях анод специально охлаждают водой или маслом. Для диагностических трубок важна точечность источника рентгеновских лучей, что можно достигнуть, сфокусировав электроны в одном месте анода. Поэтому конструктивно приходится учитывать две противоположные задачи: с одной стороны электроны должны попадать на одно место анода, с другой стороны, чтобы не допускать перегрева, желательно распределение электронов по разным участкам анода. В связи с этим некоторые рентгеновские трубки изготавливаются с вращающимся анодом.
В трубке любой конструкции электроны, ускоренные напряжением между анодом и катодом, попадают на зеркало анода и проникают вглубь вещества, взаимодействуют с атомами и тормозятся полем атомов. При этом возникает тормозное рентгеновское излучение. Одновременно с тормозным образуется небольшое количество (несколько процентов) характеристического излучения. Только 1-2% электронов, попадающих на анод, вызывают тормозное излучение, а остальная часть – тепловой эффект. Для концентрации электронов катод имеет направляющий колпачок. Часть вольфрамового зеркала, на которую падает основной поток электронов, называется фокусом трубки. От его площади (острота фокуса) зависит ширина пучка излучения.
Для питания трубки требуется два источника: источник высокого напряжения для анодной цепи и низкого (6-8 В) для питания цепи накала. Оба источника должны иметь независимую регулировку. Путем изменения анодного напряжения регулируется жесткость рентгеновского излучения, а изменением накала – ток выходной цепи и, соответственно, мощность излучения.
Принципиальная электрическая схема простейшего рентгеновского аппарата приведена на рис.4. В схеме имеется два трансформатора Тр.1 высокого напряжения и Тр.2 для питания накала. Высокое напряжение на трубке регулируется автотрансформатором Тр.3, подключенным к первичной обмотке трансформатора Тр.1. Переключателем К регулируется число витков обмотки автотрансформатора. В связи с этим изменяется и напряжение вторичной обмотки трансформатора, подаваемое на анод трубки, т.е. регулируется жесткость.
Ток накала трубки регулируется реостатом R, включенным в цепь первичной обмотки трансформатора Тр.2. Ток анодной цепи измеряется миллиамперметром. Подаваемое на электроды трубки напряжение измеряется киловольтметром кV или о величине напряжения в анодной цепи можно судить по положению переключателя К. Величина тока накала, регулируемая реостатом, измеряется амперметром А. В рассматриваемой схеме рентгеновская трубка одновременно выпрямляет высокое переменное напряжение.
Нетрудно заметить, что такая трубка излучает только в один полупериод переменного тока. Следовательно, её мощность будет небольшой. В целях увеличения излучаемой мощности во многих аппаратах используют высоковольтные двухполупериодные рентгеновские выпрямители. Для этой цели используются 4 специальных кенотрона, которые включены по мостовой схеме. В одну диагональ моста включается рентгеновская трубка.
3. Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом
(когерентное рассеяние, некогерентное рассеяние, фотоэффект).
При падении рентгеновского излучения на какое-либо тело оно в небольшом количестве отражается от него, а в основном проходит вглубь. В массе тела излучение частично поглощается, частично рассеивается, а частично проходит насквозь. Проходя через тело, фотоны рентгеновского излучения, взаимодействуют в основном с электронами атомов и молекул вещества. Регистрация и использование рентгеновского излучения, а также воздействия его на биологические объекты определяется первичными процессами взаимодействия рентгеновского фотона с электронами. В зависимости от соотношения энергии Е фотона и энергии ионизации А И имеют место три главных процесса.
а) Когерентное рассеяние.
Рассеяние длинноволнового рентгеновского излучения происходит в основном без изменения длины волны, и его называют когерентным. Взаимодействие фотона с электронами внутренних оболочек, крепко связанных с ядром, изменяет только его направление, не изменяя его энергии, а значит длины волны (рис.5).
Когерентное рассеяние возникает, если энергия фотона меньше энергии ионизации: Е = hn<А И. Так как энергия фотона и энергия атома не изменяется, то когерентное рассеяние не вызывает биологического действия. Однако при создании защиты от рентгеновского излучения следует учитывать возможность изменения направления первичного пучка.
б) Некогерентное рассеяние (эффект Комптона).
В 1922 году А. Комптон, наблюдая рассеяние жестких рентгеновских лучей, обнаружил уменьшение проникающей способности рассеянного пучка по сравнению с падающим. Рассеяние рентгеновского излучения с изменением длины волны называется эффектом Комптона. Он возникает при взаимодействии фотона любых энергий со слабо связанными с ядром электронами внешних оболочек атомов (рис.6). Электрон отрывается от атома (такие электроны называются электронами отдачи). Энергия фотона уменьшается (длина волны соответственно увеличивается), а также изменяется направление его движения. Эффект Комптона возникает, если энергия фотона рентгеновского излучения больше энергии ионизации: , . При этом появляются электроны отдачи с кинетической энергией Е К. Атомы и молекулы становятся ионами. Если Е К значительна, то электроны могут ионизировать соседние атомы путем соударения, образуя новые (вторичные) электроны.
в) Фотоэффект.
Если энергия фотона hn достаточна для отрыва электрона, то при взаимодействии с атомом фотон поглощается, а электрон отрывается от него. Это явление называется фотоэффектом. Атом ионизируется (фотоиноизация). При этом электрон приобретает кинетическую энергию и, если последняя 
значительна, то он может ионизировать соседние атомы путем соударения, образуя новые (вторичные) электроны. Если энергия фотона недостаточна для ионизации, то фотоэффект может проявляться в возбуждении атом или молекулы. У некоторых веществ это приводит к последующему излучению фотонов в области видимого излучения (рентгенолюминесценция), а в тканях – к активации молекул и фотохимическим реакциям.
Фотоэффект характерен для фотонов с энергией порядка 0,5-1 МэВ.
Три основных процесса взаимодействия, рассмотренные выше, являются первичными, они приводят к последующим вторичным, третичным и т.д. явлениям. При попадании рентгеновского излучения в вещество может происходить целый ряд процессов, прежде чем энергия рентгеновского фотона превратится в энергию теплового движения.
В результате указанных выше процессов первичный поток рентгеновского излучения ослабляется. Этот процесс подчиняется закону Бугера. Запишем его в виде: Ф =Ф 0 е - mх, где m-линейный коэффициент ослабления, зависящий от природы вещества (главным образом от плотности и атомного номера) и от длины волны излучения (энергия фотона). Его можно представить состоящим из трех слагаемых, соответствующих когерентному рассеянию, некогерентному рассеянию и фотоэффекту: 
.
Так как линейный коэффициент поглощения зависит от плотности вещества, то предпочитают пользоваться массовым коэффициентом ослабления, который равен отношению линейного коэффициента ослабления к плотности поглотителя и не зависит от плотности вещества . Зависимость потока (интенсивность) рентгеновского излучения от толщины поглощающего фильтра представлена на рис.7 для Н 2 О, Al, и Cu. Расчеты показывают, что слой воды толщиной 36 мм, алюминия 15 мм и меди 1,6 мм уменьшают интенсивность рентгеновского излучения в 2 раза. Эту толщину называют толщиной половинного слоя d. Если вещество ослабляет рентгеновское излучение наполовину, то 
, тогда 
, или , 
; ; . Зная толщину половинного слоя можно всегда определить m. Размерность .
4. Использование рентгеновского излучения в медицине
(рентгеноскопия, рентгенография, рентгеновская томография, флюорография, рентгенотерапия).
Одним из наиболее распространенных применений рентгеновского излучения в медицине является просвечивание внутренних органов с диагностической целью – рентгенодиагностика.
Для диагностики используются фотоны с энергией 60-120 кэВ. При этом массовый коэффициент поглощения определяется в основном фотоэффектом. Его значение пропорционально l 3 (в чем проявляется большая проникающая способность жесткого излучения) и пропорционально третьей степени номера атомов вещества – поглотителя: , где К–коэффициент пропорциональности.
Тело человека состоит из тканей и органов, имеющих различную поглощающую способность по отношению к рентгеновскому излучению. Поэтому при просвечивании его рентгеновскими лучами получается неоднородное теневое изображение на экране, которое дает картину расположения внутренних органов и тканей. Наиболее плотные поглощающее излучение ткани (сердце, крупные сосуды, кости) видны темными, а мало поглощающие ткани (легкие) – светлыми.
Во многих случаях можно при этом судить об их нормальном или патологическом состоянии. Рентгенодиагностика использует два основных метода: рентгеноскопию (просвечивание) и рентгенографию (снимок). Если исследуемый орган и окружающие его ткани примерно одинаково поглощают поток рентгеновского излучения, то применяют специальные контрастные вещества. Так, например, дают накануне рентгеновского исследования желудка или кишечника кашеобразную массу сульфата бария, в этом случае можно видеть их теневое изображение. При рентгеноскопии и рентгенографии рентгеновское изображение является суммарным изображением всей толщины объекта, через который проходят рентгеновские лучи. Наиболее четко очерчиваются те детали, которые ближе к экрану или пленке, а удаленные становятся нечеткими и размытыми. Если в каком-то органе есть патологически измененный участок, например, разрушение легочной ткани внутри обширного очага воспаления, то в ряде случаев этот участок на рентгенограмме в сумме теней может «потеряться». Чтобы сделать его видимым применяют специальный метод – томографию (послойная запись), которая позволяет получить снимки отдельных слоев изучаемой области. Такого рода послойные снимки–томограммы получают с помощью специального аппарата, называемого томографом, в котором периодически, совместно, в противофазе перемещают рентгеновскую трубку (РТ) и фотопленку (Фп) относительно области исследования. При этом рентгеновские лучи при любом положении РТ будут проходить через одну и ту же точку объекта (измененный участок), являющуюся центром, относительно которого совершается периодическое движение РТ и Фп. Теневое изображение участка будет зафиксировано на пленке. Изменяя положение «центра качания», можно получить послойные изображения объекта. Используя тонкий пучек рентгеновского излучения, специальный экран (вместо Фп) состоящий из полупроводниковых детекторов ионизирующего излучения, можно с помощью ЭВМ обработать изображение при томографии. Такой современный вариант томографии называется компьютерной томографией. Томография широко применяется при исследовании легких, почек, желчного пузыря, желудка, костей и т.д.
Яркость изображения на экране и время экспозиции на фотопленке зависит от интенсивности рентгеновского излучения. При использовании его для диагностики интенсивность не может быть большой, чтобы не вызвать нежелательного биологического эффекта. Поэтому имеется ряд технических приспособлений, улучающих яркость изображения при малых интенсивностях рентгеновского излучения. Одним из таких приспособлений является электронно-оптический преобразователь.
Другой пример – флюорография, при котором на чувствительной малоформатной пленке получается изображение с большого рентгенолюминесцирующего экрана. При съемке используют линзу большой светосилы, готовые снимки рассматривают на специальном увеличителе.
Флюорография сочетает в себе большую возможность обнаружения скрытно протекающих заболеваний (заболевания органов грудной клетки, желудочно-кишечного тракта, придаточных пазух носа и т.д.) со значительной пропускной способностью, в связи с чем является весьма эффективным методом массового (поточного) исследования.
Поскольку фотографирование рентгеновского изображения при флюорографии производится с помощью фотографической оптики, изображение на флюорограмме по сравнению с рентгеновским является уменьшенным. В связи с этим разрешающая способность флюорограммы (т.е. различимость мелких деталей) меньше, чем обычной рентгенограммы, однако, больше, чем при рентгеноскопии.
Сконструирован аппарат – томофлюорограф, позволяющий получать флюорограммы частей тела и отдельных органов на заданной глубине – так называемые послойные снимки (срезы) – томофлюорограммы.
Рентгеновское излучение используется также и для лечебных целей (рентгенотерапия). Биологическое действие излучения заключается в нарушении жизнедеятельности клеток, особенно быстро развивающихся. В связи с этим рентгенотерапия применяется для воздействия на злокачественные опухоли. Можно подобрать дозу излучения достаточную для полного разрушения опухоли при относительно незначительном повреждении окружающих здоровых тканей, которые вследствие последующей регенерации восстанавливаются.
Интенсивность - количественная характеристика рентгеновского излучения, которая выражается количеством лучей, испускаемых трубкой в единицу времени. Интенсивность рентгеновского излучения измеряется в миллиамперах. Сравнивая её с интенсивностью видимого света от обычной лампы накаливания, можно провести аналогию: так, лампа на 20 Ватт будет светить с одной интенсивностью, или силой, а лампа на 200 Ватт - с другой, при этом качество самого света (его спектр) является одинаковым. Интенсивность рентгеновского излучения, по сути, это его количество. Каждый электрон создаёт на аноде один или несколько квантов излучения, следовательно, количество рентгеновских лучей при экспонировании объекта регулируется путём изменения количества электронов, стремящихся к аноду, и количества взаимодействий электронов с атомами вольфрамовой мишени, что можно осуществить двумя путями:
1. Изменяя степень накала спирали катода при помощи понижающего трансформатора (количество электронов, образующихся при эмиссии, будет зависеть от того, насколько сильно раскалена вольфрамовая спираль, а количество квантов излучения будет зависеть от количества электронов);
2. Изменяя величину высокого напряжения, подводимого повышающим трансформатором к полюсам трубки - кадоду и аноду (чем выше напряжение подаётся на полюса трубки, тем большую кинетическую энергию получают электроны, которые за счёт своей энергии могут взаимодействовать с несколькими атомами вещества анода поочерёдно - см. рис. 5 ; электроны с низкой энергией смогут вступить в меньшее число взаимодействий).
Интенсивность рентгеновского излучения (анодный ток), помноженная на выдержку (время работы трубки), соответствует экспозиции рентгеновского излучения, которая измеряется в мАс (миллиамперах в секунду). Экспозиция - это параметр, который, также как и интенсивность, характеризует количество лучей, испускаемых рентгеновской трубкой. Разница состоит лишь в том, что экспозиция учитывает ещё и время работы трубки (так, например, если трубка работает 0,01 сек., то количество лучей будет одним, а если 0,02 сек, то количество лучей будет другим - в два раза больше). Экспозиция излучения устанавливается рентгенологом на контрольной панели рентгеновского аппарата в зависимости от вида исследования, размеров исследуемого объекта и диагностической задачи.
Жёсткость - качественная характеристика рентгеновского излучения. Измеряется величиной высокого напряжения на трубке - в киловольтах. Определяет проникающую способность рентгеновских лучей. Регулируется величиной высокого напряжения, подводимого к рентгеновской трубке повышающим трансформатором. Чем выше разность потенциалов создаётся на электродах трубки, тем с большей силой электроны отталкиваются от катода и устремляются к аноду и тем сильнее их столкновение с анодом. Чем сильнее их столкновение, тем короче длина волны у возникающего рентгеновского излучения и выше проникающая способность данной волны (или жёсткость излучения, которая, так же как и интенсивность, регулируется на контрольной панели параметром напряжением на трубке - киловольтажем).
Рис. 7 - Зависимость длины волны от энергии волны:
λ - длина волны;
E - энергия волны
· Чем выше кинетическая энергия движущихся электронов, тем сильнее их удар об анод и меньше длина волны образующегося рентгеновского излучения. Рентгеновское излучение с большой длиной волны и малой проникающей способностью называется «мягким», с малой длиной волны и высокой проникающей способностью - «жёстким».
Рис. 8 - Соотношение напряжения на рентгеновской трубке и длины волны образующегося рентгеновского излучения:
· Чем выше напряжение подаётся на полюса трубки, тем сильнее на них возникает разность потенциалов, следовательно, кинетическая энергия движущихся электронов будет выше. Напряжение на трубке определяет скорость движения электронов и силу их столкновения с веществом анода, следовательно, напряжение определяет длину волны возникающего рентгеновского излучения.
