Рентгеновото лъчение се отнася до електромагнитни вълни с дължина приблизително от 80 до 10 -5 nm. Най-дълговълновото рентгеново лъчение се припокрива с късовълново ултравиолетово лъчение, а късовълновото рентгеново лъчение се припокрива с дълговълново γ-лъчение. Въз основа на метода на възбуждане рентгеновото лъчение се разделя на спирачно и характеристично.
31.1. РЕНТГЕНОВ АПАРАТ. Спирачен рентгенов лъч
Най-често срещаният източник на рентгеново лъчение е рентгеновата тръба, която е двуелектродно вакуумно устройство (фиг. 31.1). Нагрят катод 1 излъчва електрони 4. Анод 2, често наричан антикатод, има наклонена повърхност, за да насочи полученото рентгеново лъчение 3 под ъгъл спрямо оста на тръбата. Анодът е направен от високо топлопроводим материал за отстраняване на топлината, генерирана от електронни удари. Анодната повърхност е направена от огнеупорни материали, които имат голям атомен номер в периодичната таблица, например волфрам. В някои случаи анодът се охлажда специално с вода или масло.
За диагностичните тръби е важна прецизността на рентгеновия източник, която може да се постигне чрез фокусиране на електрони в едно място на антикатода. Следователно, конструктивно е необходимо да се вземат предвид две противоположни задачи: от една страна, електроните трябва да падат на едно място на анода, от друга страна, за да се предотврати прегряване, е желателно електроните да се разпределят в различни области на анода. анода. Едно интересно техническо решение е рентгенова тръба с въртящ се анод (фиг. 31.2).
В резултат на спирането на електрон (или друга заредена частица) от електростатичното поле на атомното ядро и атомните електрони на веществото възниква антикатод Спирачно рентгеново лъчение.
Неговият механизъм може да се обясни по следния начин. С движещия се електрически заряд е свързано магнитно поле, чиято индукция зависи от скоростта на електрона. При спиране магнитното поле намалява
индукция и в съответствие с теорията на Максуел се появява електромагнитна вълна.
Когато електроните се забавят, само част от енергията се използва за създаване на рентгенов фотон, другата част се изразходва за нагряване на анода. Тъй като връзката между тези части е произволна, когато голям брой електрони се забавят, се образува непрекъснат спектър на рентгеново лъчение. В тази връзка спирачното лъчение се нарича още непрекъснато излъчване. На фиг. Фигура 31.3 показва зависимостта на рентгеновия поток от дължината на вълната λ (спектри) при различни напрежения в рентгеновата тръба: U 1< U 2 < U 3 .
Във всеки от спектрите спирачното лъчение е с най-къса дължина на вълната λ ηίη възниква, когато енергията, придобита от електрон в ускоряващо поле, се преобразува напълно в енергия на фотон:
Обърнете внимание, че въз основа на (31.2) е разработен един от най-точните методи за експериментално определяне на константата на Планк.
Късовълновите рентгенови лъчи обикновено са по-проникващи от дълговълновите рентгенови лъчи и се наричат здрав,и дълги вълни - мека.
Чрез увеличаване на напрежението върху рентгеновата тръба спектралният състав на лъчението се променя, както се вижда от фиг. 31.3 и формули (31.3), и увеличаване на твърдостта.
Ако увеличите температурата на нишката на катода, излъчването на електрони и токът в тръбата ще се увеличат. Това ще увеличи броя на рентгеновите фотони, излъчвани всяка секунда. Неговият спектрален състав няма да се промени. На фиг. Фигура 31.4 показва спектрите на спирачното рентгеново лъчение при същото напрежение, но при различни токове на нагряване на катода: / n1< / н2 .
Рентгеновият поток се изчислява по формулата:
Където UИ аз -напрежение и ток в рентгеновата тръба; З- пореден номер на атома на анодното вещество; к- коефициент на пропорционалност. Спектри, получени едновременно от различни антикатоди Uи I H са показани на фиг. 31.5.
31.2. ХАРАКТЕРНО РЕНТГЕНОВО ИЗЛЪЧВАНЕ. АТОМНИ РЕНТГЕНОВИ СПЕКТРИ
Чрез увеличаване на напрежението на рентгеновата тръба може да се забележи на фона на непрекъснат спектър появата на линеен спектър, който съответства на
характерно рентгеново лъчение(фиг. 31.6). Възниква поради факта, че ускорените електрони проникват дълбоко в атома и избиват електрони от вътрешните слоеве. Електроните от горните нива се преместват на свободни места (фиг. 31.7), в резултат на което се излъчват фотони с характерно излъчване. Както се вижда от фигурата, характерното рентгеново лъчение се състои от серии К, Л, Ми т.н., чието име служи за обозначаване на електронните слоеве. Тъй като излъчването на К-серията освобождава места в по-високите слоеве, линиите от други серии също се излъчват по същото време.
За разлика от оптичните спектри, характерните рентгенови спектри на различните атоми са от един и същи тип. На фиг. Фигура 31.8 показва спектрите на различни елементи. Еднаквостта на тези спектри се дължи на факта, че вътрешните слоеве на различните атоми са идентични и се различават само енергийно, тъй като силовото действие от ядрото се увеличава с увеличаване на атомния номер на елемента. Това обстоятелство води до факта, че характерните спектри се изместват към по-високи честоти с увеличаване на ядрения заряд. Този модел се вижда от фиг. 31.8 и е известен като Закон на Моузли:
Където v-честота на спектралната линия; Z-атомен номер на излъчващия елемент; АИ IN- постоянен.
Има и друга разлика между оптичния и рентгеновия спектър.
Характерният рентгенов спектър на атома не зависи от химичното съединение, в което е включен този атом. Например, рентгеновият спектър на кислородния атом е еднакъв за O, O 2 и H 2 O, докато оптичните спектри на тези съединения са значително различни. Тази характеристика на рентгеновия спектър на атома послужи като основа за името Характеристика.
Характеристично излъчване възниква винаги, когато има свободно пространство във вътрешните слоеве на атома, независимо от причината, която го е предизвикала. Например, характерното излъчване придружава един от видовете радиоактивен разпад (виж 32.1), който се състои в улавяне на електрон от вътрешния слой от ядрото.
31.3. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НА РЕНТГЕНОВОТО ЛЪЧЕНИЕ С ВЕЩЕСТВОТО
Регистрирането и използването на рентгеновото лъчение, както и въздействието му върху биологични обекти, се определят от първичните процеси на взаимодействие на рентгеновия фотон с електроните на атомите и молекулите на веществото.
В зависимост от енергийното съотношение в.вфотон и йонизационна енергия 1 А и протичат три основни процеса.
Кохерентно (класическо) разсейване
Разсейването на дълговълновите рентгенови лъчи се случва по същество без промяна на дължината на вълната и се нарича съгласуван.Това се случва, ако енергията на фотона е по-малка от йонизационната енергия: в.в< А и.
Тъй като в този случай енергията на рентгеновия фотон и атома не се променя, кохерентното разсейване само по себе си не предизвиква биологичен ефект. Въпреки това, когато се създава защита срещу рентгеново лъчение, трябва да се вземе предвид възможността за промяна на посоката на първичния лъч. Този тип взаимодействие е важно за рентгеновия дифракционен анализ (виж 24.7).
Некохерентно разсейване (ефект на Комптън)
През 1922 г. А.Х. Комптън, наблюдавайки разсейването на твърдите рентгенови лъчи, открива намаляване на проникващата способност на разсеяния лъч в сравнение с падащия лъч. Това означаваше, че дължината на вълната на разсеяните рентгенови лъчи е по-дълга от падащите рентгенови лъчи. Нарича се разсейване на рентгенови лъчи с промяна на дължината на вълната несвързан nom и самото явление - Комптън ефект.Това се случва, ако енергията на рентгеновия фотон е по-голяма от йонизационната енергия: hv > A и.
Това явление се дължи на факта, че при взаимодействие с атом енергията в.вфотонът се изразходва за образуването на нов разсеян рентгенов фотон с енергия hv",за отстраняване на електрон от атом (йонизационна енергия A и) и придаване на кинетична енергия на електрона E до:
hv= hv" + A и + E k.(31.6)
1 Тук йонизационната енергия се отнася до енергията, необходима за отстраняване на вътрешни електрони от атом или молекула.
Тъй като в много случаи в.в>> И ефектът на Комптън възниква върху свободни електрони, тогава можем да напишем приблизително:
hv = hv"+ E K .(31.7)
Показателно е, че при това явление (фиг. 31.9), наред с вторичното рентгеново лъчение (енергия в.в" фотон) се появяват електрони на отката (кинетична енергия E kелектрон). След това атомите или молекулите стават йони.
Фото ефект
При фотоелектричния ефект рентгеновите лъчи се абсорбират от атом, което води до изхвърляне на електрон и йонизиране на атома (фотойонизация).
Трите основни процеса на взаимодействие, обсъдени по-горе, са първични, те водят до последващи вторични, третични и т.н. явления. Например, йонизираните атоми могат да излъчват характерен спектър, възбудените атоми могат да станат източници на видима светлина (рентгенова луминесценция) и т.н.
На фиг. 31.10 показва диаграма на възможните процеси, които възникват, когато рентгеновото лъчение навлезе в вещество. Няколко десетки процеси, подобни на изобразения, могат да възникнат, преди енергията на рентгеновия фотон да се преобразува в енергията на топлинното движение на молекулите. В резултат на това ще настъпят промени в молекулния състав на веществото.
Процесите, представени от диаграмата на фиг. 31.10, формират основата на явленията, наблюдавани при въздействието на рентгеновите лъчи върху материята. Нека изброим някои от тях.
Рентгенова луминесценция- светене на редица вещества при рентгеново облъчване. Това сияние на платинов синоксид барий позволи на Рентген да открие лъчите. Това явление се използва за създаване на специални светещи екрани с цел визуално наблюдение на рентгеновото лъчение, понякога за подобряване на ефекта на рентгеновите лъчи върху фотографска плака.
Химическите ефекти на рентгеновото лъчение са известни, например образуването на водороден пероксид във водата. Практически важен пример е въздействието върху фотографска плака, което позволява да се регистрират такива лъчи.
Йонизиращият ефект се проявява в повишаване на електропроводимостта под въздействието на рентгенови лъчи. Този имот се използва
в дозиметрията за количествено определяне на ефектите от този вид радиация.
В резултат на много процеси първичният лъч на рентгеновото лъчение се отслабва в съответствие със закона (29.3). Нека го запишем във формата:
I = I 0 д-/", (31.8)
Където μ - линеен коефициент на затихване. Може да се представи като състоящ се от три члена, съответстващи на кохерентно разсейване μ κ, некохерентно μ ΗK и фотоелектричен ефект μ е:
μ = μ k + μ hk + μ f. (31.9)
Интензитетът на рентгеновото лъчение се отслабва пропорционално на броя на атомите на веществото, през което преминава този поток. Ако компресирате вещество по оста Х,например в bпъти, увеличавайки се с bтъй като неговата плътност, тогава
31.4. ФИЗИЧНИ ОСНОВИ НА ПРИЛОЖЕНИЕТО НА РЕНТГЕНОВОТО ЛЪЧЕНИЕ В МЕДИЦИНАТА
Едно от най-важните медицински приложения на рентгеновите лъчи е за осветяване на вътрешни органи за диагностични цели. (рентгенова диагностика).
За диагностика се използват фотони с енергия около 60-120 keV. При тази енергия масовият коефициент на затихване се определя главно от фотоелектричния ефект. Стойността му е обратно пропорционална на третата степен на енергията на фотона (пропорционална на λ 3), което показва по-голямата проникваща способност на твърдото лъчение, и пропорционална на третата степен на атомния номер на абсорбиращото вещество:
Значителната разлика в абсорбцията на рентгеново лъчение от различни тъкани позволява да се видят изображения на вътрешните органи на човешкото тяло в проекция на сянка.
Рентгеновата диагностика се използва в две версии: флуороскопия - изображението се гледа на рентгенов луминисцентен екран, радиография - изображението се записва на фотолента.
Ако изследваният орган и околните тъкани отслабват рентгеновото лъчение приблизително еднакво, тогава се използват специални контрастни вещества. Например, след като сте напълнили стомаха и червата с подобна на каша маса от бариев сулфат, можете да видите тяхното изображение в сянка.
Яркостта на изображението на екрана и времето на експониране на филма зависят от интензитета на рентгеновото лъчение. Ако се използва за диагностика, тогава интензитетът не може да бъде висок, за да не предизвика нежелани биологични последствия. Поради това съществуват редица технически устройства, които подобряват изображенията при ниски интензитети на рентгеновите лъчи. Пример за такова устройство са електрооптични преобразуватели (виж 27.8). По време на масово изследване на населението широко се използва вариант на радиография - флуорография, при която изображение от голям рентгенов луминесцентен екран се записва върху чувствителен филм с малък формат. При снимане се използва обектив с висока бленда, а готовите изображения се разглеждат със специална лупа.
Интересен и обещаващ вариант за радиография е методът, наречен рентгенова томография, и неговата „машинна версия“ - компютърна томография.
Нека разгледаме този въпрос.
Типичната рентгенова снимка покрива голяма част от тялото, като различни органи и тъкани се закриват взаимно. Това може да се избегне, ако периодично премествате рентгеновата тръба заедно (фиг. 31.11) в противофаза RTи фотографски филм FPспрямо обекта относноизследвания. Тялото съдържа редица включвания, които са непрозрачни за рентгеновите лъчи; те са показани като кръгове на фигурата. Както може да се види, рентгеновите лъчи във всяка позиция на рентгеновата тръба (1, 2 и т.н.) преминават през
изрязване на същата точка на обекта, която е центърът, спрямо който възниква периодично движение RTИ Fp.Тази точка или по-скоро малко непрозрачно включване е показано с тъмен кръг. Неговият образ на сянка се движи заедно FP,заемащи последователни позиции 1, 2 и т.н. Останалите включвания в тялото (кости, уплътнения и др.) се създават върху FPнякакъв общ фон, тъй като рентгеновите лъчи не са постоянно затъмнени от тях. Чрез промяна на позицията на центъра на люлеенето можете да получите послойно рентгеново изображение на тялото. Оттук и името - томография(наслоен запис).
Възможно е, използвайки тънък лъч рентгеново лъчение, екран (вместо Fp),състоящ се от полупроводникови детектори на йонизиращо лъчение (виж 32.5) и компютър, обработващ рентгеновото изображение в сянка по време на томография. Тази модерна версия на томография (компютърна или компютърна рентгенова томография) ви позволява да получавате послойни изображения на тялото на екран с катодна тръба или на хартия с детайли по-малки от 2 mm с разлика в абсорбцията на рентгеновите лъчи до 0,1%. Това позволява например да се направи разлика между сивото и бялото вещество на мозъка и да се видят много малки туморни образувания.
1. Източници на рентгеново лъчение.
2. Спирачно рентгеново лъчение.
3. Характеристика на рентгеновото излъчване. Законът на Моузли.
4. Взаимодействие на рентгеновото лъчение с веществото. Закон за отслабване.
5. Физически основи на използването на рентгеновите лъчи в медицината.
6. Основни понятия и формули.
7. Задачи.
рентгеново лъчение -електромагнитни вълни с дължина на вълната от 100 до 10 -3 nm. В мащаба на електромагнитните вълни рентгеновото лъчение заема областта между UV лъчение и γ - радиация. Рентгеновите лъчи (рентгеновите лъчи) са открити през 1895 г. от К. Рентген, който през 1901 г. става първият Нобелов лауреат по физика.
32.1. Източници на рентгенови лъчи
Естествени източници на рентгеново лъчение са някои радиоактивни изотопи (например 55 Fe). Изкуствените източници на мощно рентгеново лъчение са рентгенови тръби(фиг. 32.1).
Ориз. 32.1.Устройство с рентгенова тръба
Рентгеновата тръба е вакуумирана стъклена колба с два електрода: анод А и катод К, между които се създава високо напрежение U (1-500 kV). Катодът е спирала, нагрята от електрически ток. Електроните, излъчени от нагрят катод (термионна емисия), се ускоряват от електрическо поле до голямскорости (затова е необходимо високо напрежение) и попадат върху анода на тръбата. Когато тези електрони взаимодействат с анодното вещество, възникват два вида рентгеново лъчение: спиранеИ Характеристика.
Работната повърхност на анода е разположена под определен ъгъл спрямо посоката на електронния лъч, за да се създаде необходимата посока на рентгеновите лъчи.
Около 1% от кинетичната енергия на електроните се превръща в рентгенови лъчи. Останалата част от енергията се отделя като топлина. Следователно работната повърхност на анода е направена от огнеупорен материал.
32.2. Спирачни рентгенови лъчи
Електронът, който се движи в определена среда, губи скоростта си. В този случай се получава отрицателно ускорение. Според теорията на Максуел всяка ускоренодвижението на заредена частица е придружено от електромагнитно излъчване. Излъчването, получено при забавяне на електрона в анодното вещество, се нарича Спирачно рентгеново лъчение.
Свойствата на спирачното лъчение се определят от следните фактори.
1. Лъчението се излъчва от отделни кванти, енергиите на които са свързани с честотата по формула (26.10)
където ν е честота, λ е дължина на вълната.
2. Всички електрони, достигащи до анода, имат същотокинетична енергия, равна на работата на електрическото поле между анода и катода:
където e е зарядът на електрона, U е ускоряващото напрежение.
3. Кинетичната енергия на електрона се прехвърля частично към веществото и отива да го нагрее (Q) и частично се изразходва за създаване на рентгенов квант:
4. Връзка между Q и hv случайно.
Благодарение на последното свойство (4), генерирани кванти различниелектрони, имат различничестоти и дължини на вълните. Следователно спектърът на рентгеновото спирачно лъчение е непрекъснато.Типичен изглед спектрална плътностРентгеновият поток (Φ λ = άΦ/άλ) е показан на фиг. 32.2.
Ориз. 32.2.Рентгенов спектър на спирачно лъчение
От страната на дългите вълни спектърът е ограничен до дължина на вълната от 100 nm, която е границата на рентгеновото лъчение. От страната на късите вълни спектърът е ограничен от дължината на вълната λ min. По формула (32.2) минимална дължина на вълнатасъответства на случая Q = 0 (кинетичната енергия на електрона е напълно преобразувана в квантова енергия):
Изчисленията показват, че потокът (Φ) на спирачните рентгенови лъчи е право пропорционален на квадрата на напрежението U между
анод и катод, сила на тока I в тръбата и атомен номер Z на анодното вещество:
Рентгеновите спектри на Bremsstrahlung при различни напрежения, различни катодни температури и различни анодни вещества са показани на фиг. 32.3.
Ориз. 32.3.Рентгенов спектър на спирачно излъчване (Φ λ):
a - при различни напрежения U в тръбата; б - при различни температури Т
катод; c - за различни анодни вещества, различаващи се по параметър Z
С увеличаване на анодното напрежение стойността λминсе измества към по-къси дължини на вълните. В същото време височината на спектралната крива се увеличава (фиг. 32.3, А).
Тъй като температурата на катода се повишава, емисиите на електрони се увеличават. Съответно токът I в тръбата се увеличава. Височината на спектралната крива се увеличава, но спектралният състав на радиацията не се променя (фиг. 32.3, b).
Когато материалът на анода се промени, височината на спектралната крива се променя пропорционално на атомния номер Z (фиг. 32.3, c).
32.3. Характеристика на рентгеновото излъчване. Законът на Моузли
Когато катодните електрони взаимодействат с анодните атоми, заедно със спирачните рентгенови лъчи се произвеждат рентгенови лъчи, чийто спектър се състои от отделни редове.Това е радиация
има следния произход. Някои катодни електрони проникват дълбоко в атома и избиват електрони от него. вътрешни черупки.Образуваните в този случай празни места се запълват с електрони от горенобвивки, в резултат на което се излъчват радиационни кванти. Това излъчване съдържа дискретен набор от честоти, определени от материала на анода и се нарича характеристично излъчване.Пълният спектър на рентгеновата тръба е суперпозиция на характеристичния спектър върху спектъра на спирачното излъчване (фиг. 32.4).
Ориз. 32.4.Спектър на излъчване на рентгенова тръба
Съществуването на характерни рентгенови спектри е открито с помощта на рентгенови тръби. По-късно беше установено, че такива спектри възникват от всякаква йонизация на вътрешните орбити на химичните елементи. Изучавайки характеристичните спектри на различни химични елементи, G. Moseley (1913) установява следния закон, който носи неговото име.
Квадратният корен от честотата на характерното излъчване е линейна функция на серийния номер на елемента:
където ν е честотата на спектралната линия, Z е атомният номер на излъчващия елемент, A, B са константи.
Законът на Моузли ви позволява да определите атомния номер на химичен елемент от наблюдавания спектър на характеристичното излъчване. Това изигра голяма роля при разположението на елементите в периодичната таблица.
32.4. Взаимодействие на рентгеновото лъчение с веществото. Закон за затихване
Има два основни вида взаимодействие на рентгеновите лъчи с материята: разсейване и фотоелектричен ефект. По време на разсейването посоката на движение на фотона се променя. При фотоелектричния ефект фотон усвоени.
1. Кохерентно (еластично) разсейваневъзниква, когато енергията на рентгеновия фотон е недостатъчна за вътрешна йонизация на атома (избиване на електрон от една от вътрешните обвивки). В този случай посоката на движение на фотона се променя, но неговата енергия и дължина на вълната не се променят (затова това разсейване се нарича еластичен).
2. Некохерентно (Комптън) разсейваневъзниква, когато енергията на фотона е много по-голяма от вътрешната йонизационна енергия A и: hv >> A и.
В този случай електронът се отделя от атома и придобива определена кинетична енергия E k , Посоката на движение на фотона по време на комптоновото разсейване се променя и неговата енергия намалява:
Комптъновото разсейване е свързано с йонизацията на атомите на дадено вещество.
3. Фото ефектвъзниква, когато енергията на фотона hv е достатъчна за йонизиране на атома: hv > A u. В същото време рентгеновият квант усвоении неговата енергия се изразходва за йонизиране на атома и придаване на кинетична енергия на изхвърления електрон E k = hv - A I.
Разсейването на Комптон и фотоелектричният ефект се придружават от характерно рентгеново излъчване, тъй като след като вътрешните електрони бъдат избити, свободните позиции се запълват с електрони от външните обвивки.
Рентгенова луминесценция.В някои вещества електроните и квантите на комптоновото разсейване, както и електроните на фотоелектричния ефект, предизвикват възбуждане на молекули, което е придружено от радиационни преходи в основно състояние. Това произвежда сияние, наречено рентгенова луминесценция. Луминесценцията на бариево-платиновия оксид позволява на Рентген да открие рентгенови лъчи.
Закон за затихване
Разсейването на рентгеновите лъчи и фотоелектричният ефект водят до факта, че тъй като рентгеновото лъчение прониква по-дълбоко, първичният лъч на лъчението се отслабва (фиг. 32.5). Отслабването е експоненциално:
Стойността на μ зависи от абсорбиращия материал и емисионния спектър. За практически изчисления, като характеристика на отслабването
Ориз. 32.5.Отслабване на рентгеновия поток по посока на падащите лъчи
Където λ
- дължина на вълната; Z е атомният номер на елемента; k е някаква константа.
32.5. Физическа основа на употреба
Рентгеново лъчение в медицината
В медицината рентгеновото лъчение се използва за диагностични и терапевтични цели.
рентгенова диагностика- методи за получаване на изображения на вътрешни органи с помощта на рентгенови лъчи.
Физическата основа на тези методи е законът за отслабването на рентгеновото лъчение в материята (32.10). Рентгеновият поток е равномерен в напречното сечение след преминаване хетерогенна тъканще станат разнородни. Тази хетерогенност може да бъде записана върху фотографски филм, флуоресцентен екран или с помощта на матричен фотодетектор. Например, масовите коефициенти на затихване на костната тъкан - Ca 3 (PO 4) 2 - и меките тъкани - главно H 2 O - се различават 68 пъти (μ m кост / μ m вода = 68). Плътността на костите също е по-висока от плътността на меките тъкани. Следователно рентгеновата снимка създава светло изображение на кост на по-тъмен фон на мека тъкан.
Ако изследваният орган и околните тъкани имат подобни коефициенти на затихване, тогава специални контрастни вещества.Например, по време на флуороскопия на стомаха, субектът приема подобна на каша маса от бариев сулфат (BaSO 4), чийто коефициент на затихване на масата е 354 пъти по-голям от този на меките тъкани.
За диагностика се използва рентгеново лъчение с фотонна енергия 60-120 keV. В медицинската практика се използват следните рентгенови диагностични методи.
1. Рентгенов.Изображението се формира на флуоресцентен екран. Яркостта на изображението е ниска и може да се гледа само в затъмнена стая. Лекарят трябва да бъде защитен от радиация.
Предимството на флуороскопията е, че се извършва в реално време. Недостатъкът е високата радиационна експозиция на пациента и лекаря (в сравнение с други методи).
Съвременната версия на флуороскопията - рентгеновата телевизия - използва усилватели на рентгеново изображение. Усилвателят възприема слабото сияние на рентгеновия екран, усилва го и го предава на телевизионния екран. В резултат на това облъчването на лекаря рязко намаля, яркостта на изображението се увеличи и стана възможно видеозапис на резултатите от изследването.
2. Рентгенография.Изображението се формира върху специален филм, който е чувствителен към рентгеново лъчение. Снимките се правят в две взаимно перпендикулярни проекции (предна и странична). Изображението става видимо след обработка на снимката. Готовата изсъхнала снимка се изследва на пропускаща светлина.
В същото време се виждат задоволително детайли, чиито контрасти се различават с 1-2%.
В някои случаи преди прегледа на пациента се дава специална контрастно вещество.Например, йодсъдържащ разтвор (интравенозно) за изследване на бъбреците и пикочните пътища.
Предимствата на радиографията са висока разделителна способност, кратко време на експозиция и почти пълна безопасност за лекаря. Недостатъците включват статичността на изображението (обектът не може да бъде проследен в динамика).
3. Флуорография.По време на това изследване изображението, получено на екрана, се снима на чувствителен филм с малък формат. Флуорографията се използва широко при масов скрининг на населението. Ако на флуорограмата се открият патологични промени, тогава на пациента се предписва по-подробен преглед.
4. Електрорентгенография.Този вид изследване се различава от конвенционалната рентгенография по начина, по който се записва изображението. Вместо филм те използват селенова плоча,който се наелектризира от рентгеновите лъчи. Резултатът е скрито изображение на електрически заряди, което може да бъде направено видимо и прехвърлено на хартия.
5. Ангиография.Този метод се използва за изследване на кръвоносните съдове. Чрез катетър във вената се инжектира контрастно вещество, след което мощен рентгенов апарат прави поредица от изображения, следващи едно след друго за части от секундата. Фигура 32.6 показва ангиограма на каротидната артерия.
6. Рентгенова компютърна томография.Този тип рентгеново изследване ви позволява да получите изображение на плоска част от тялото с дебелина няколко mm. В този случай даден участък се сканира многократно под различни ъгли, като всяко отделно изображение се записва в паметта на компютъра. Тогава
Ориз. 32.6.Ангиограма, показваща стесняване на каротидната артерия
Ориз. 32.7. Схема на сканираща томография (а); томограма на главата в разрез на нивото на очите (b).
извършва се компютърна реконструкция, резултатът от която е изображение на сканирания слой (фиг. 32.7).
Компютърната томография позволява да се разграничат елементи с разлика в плътността между тях до 1%. Конвенционалната радиография позволява да се открие минимална разлика в плътността между съседни области от 10-20%.
рентгенова терапия - използването на рентгенови лъчи за унищожаване на злокачествени тумори.
Биологичният ефект на радиацията е да наруши жизнената дейност на особено бързо размножаващите се клетки. Много тежки рентгенови лъчи (с фотонна енергия от приблизително 10 MeV) се използват за унищожаване на раковите клетки дълбоко в тялото. За да се намали увреждането на здравата околна тъкан, лъчът се върти около пациента, така че само увредената зона остава под неговото въздействие през цялото време.
32.6. Основни понятия и формули
Продължение на таблицата
Край на масата
32.7. Задачи
1. Защо сноп електрони в медицинските рентгенови тръби удря една точка на антикатода, а не пада върху него в широк сноп?
Отговор:за получаване на точков източник на рентгенови лъчи, даващ резки очертания на трансилюминирани обекти върху екрана.
2. Намерете границата на спирачното излъчване на рентгеновите лъчи (честота и дължина на вълната) за напрежения U 1 = 2 kV и U 2 = 20 kV.
4.
За защита от рентгеново лъчение се използват оловни екрани. Линейният коефициент на поглъщане на рентгеновото лъчение в оловото е 52 cm -1. Колко дебел трябва да бъде оловният екраниращ слой, за да се намали интензитета на рентгеновите лъчи с 30 пъти?
5.
Намерете радиационния поток на рентгеновата тръба при U = 50 kV, I = 1 mA. Анодът е изработен от волфрам (Z = 74). Намерете ефективността на тръбата.
6.
За рентгенова диагностика на меките тъкани се използват контрастни вещества. Например стомахът и червата са пълни с маса бариев сулфат (BaSO 4). Сравнете масовите коефициенти на затихване на бариев сулфат и мека тъкан (вода).
7. Какво ще даде по-плътна сянка на екрана на рентгенова инсталация: алуминий (Z = 13, ρ = 2,7 g/cm3) или същият слой мед (Z = 29, ρ = 8,9 g/cm3)?
8.
Колко пъти дебелината на алуминиевия слой е по-голяма от дебелината на медния слой, ако слоевете еднакво отслабват рентгеновото лъчение?
При изучаването и практическото използване на атомните явления рентгеновите лъчи играят една от най-важните роли. Благодарение на техните изследвания са направени много открития и са разработени методи за анализ на вещества, използвани в различни области. Тук ще разгледаме един вид рентгенови лъчи – характеристични рентгенови лъчи.
Същност и свойства на рентгеновите лъчи
Рентгеновото лъчение е високочестотна промяна в състоянието на електромагнитното поле, разпространяващо се в космоса със скорост около 300 000 km/s, тоест електромагнитни вълни. В мащаба на обхвата на електромагнитното излъчване рентгеновите лъчи се намират в областта на дължината на вълната от приблизително 10 -8 до 5∙10 -12 метра, което е с няколко порядъка по-късо от оптичните вълни. Това съответства на честоти от 3∙10 16 до 6∙10 19 Hz и енергии от 10 eV до 250 keV, или 1,6∙10 -18 до 4∙10 -14 J. Трябва да се отбележи, че границите на честотните диапазони на електромагнитното излъчване са доста произволни поради тяхното припокриване.
Това е взаимодействието на ускорени заредени частици (електрони с висока енергия) с електрически и магнитни полета и с атоми на материята.
Рентгеновите фотони се характеризират с високи енергии и висока проникваща и йонизираща способност, особено за твърди рентгенови лъчи с дължини на вълните под 1 нанометър (10 -9 m).
Рентгеновите лъчи взаимодействат с материята, йонизирайки нейните атоми, в процесите на фотоелектричен ефект (фотоабсорбция) и некохерентно (Комптън) разсейване. При фотоабсорбцията рентгенов фотон, погълнат от електрон на атом, му предава енергия. Ако стойността му надвишава енергията на свързване на електрон в атом, тогава той напуска атома. Комптъновото разсейване е характерно за по-твърдите (енергични) рентгенови фотони. Част от енергията на погълнатия фотон се изразходва за йонизация; в този случай под определен ъгъл спрямо посоката на първичния фотон се излъчва вторичен, с по-ниска честота.
Видове рентгеново лъчение. спирачно лъчение
За производството на лъчи се използват стъклени вакуумни цилиндри с електроди, разположени вътре. Потенциалната разлика между електродите трябва да бъде много висока - до стотици киловолта. На волфрамовия катод, нагрят от ток, възниква термоемисия, т.е. от него се излъчват електрони, които, ускорени от потенциалната разлика, бомбардират анода. В резултат на взаимодействието им с атомите на анода (понякога наричан антикатод) се раждат рентгенови фотони.
В зависимост от това какъв процес води до създаването на фотон, се разграничават видове рентгеново лъчение: спирачно и характеристично.
Електроните могат при среща с анода да се забавят, тоест да губят енергия в електрическите полета на своите атоми. Тази енергия се излъчва под формата на рентгенови фотони. Този вид радиация се нарича спирачно лъчение.
Ясно е, че условията на спиране ще се различават за отделните електрони. Това означава, че различни количества от тяхната кинетична енергия се преобразуват в рентгенови лъчи. В резултат на това спирачното лъчение включва фотони с различни честоти и съответно дължини на вълните. Следователно спектърът му е непрекъснат (непрекъснат). Понякога поради тази причина се нарича още "бели" рентгенови лъчи.
Енергията на спирачния фотон не може да надвишава кинетичната енергия на електрона, който го генерира, така че максималната честота (и най-късата дължина на вълната) на спирачното излъчване съответства на най-високата стойност на кинетичната енергия на падащите върху анода електрони. Последното зависи от потенциалната разлика, приложена към електродите.
Има и друг вид рентгеново лъчение, чийто източник е различен процес. Това лъчение се нарича характеристично лъчение и на него ще се спрем по-подробно.
Как възниква характерното рентгеново лъчение?
Достигайки антикатода, бърз електрон може да проникне вътре в атома и да избие електрон от една от долните орбитали, т.е. да му прехвърли енергия, достатъчна за преодоляване на потенциалната бариера. Въпреки това, ако в атома има по-високи енергийни нива, заети от електрони, освободеното пространство няма да остане празно.
Трябва да се помни, че електронната структура на атома, както всяка енергийна система, има тенденция да минимизира енергията. Свободното място, образувано в резултат на нокаута, се запълва с електрон от някое от по-високите нива. Неговата енергия е по-висока и, заемайки по-ниско ниво, излъчва излишъка под формата на квант характеристично рентгеново лъчение.
Електронната структура на атома е дискретен набор от възможни енергийни състояния на електроните. Следователно рентгеновите фотони, излъчени по време на замяната на електронните свободни места, също могат да имат само строго определени енергийни стойности, отразяващи разликата в нивата. В резултат на това характеристичното рентгеново лъчение има спектър, който не е непрекъснат, а линейно. Този спектър позволява да се характеризира веществото на анода - оттук и името на тези лъчи. Благодарение на спектралните разлики е ясно какво се разбира под спирачно лъчение и характеристично рентгеново лъчение.
Понякога излишната енергия не се излъчва от атома, а се изразходва за избиване на третия електрон. Този процес - така нареченият ефект на Оже - е по-вероятно да се случи, когато енергията на свързване на електрони не надвишава 1 keV. Енергията на освободения електрон на Оже зависи от структурата на енергийните нива на атома, следователно спектрите на такива електрони също са дискретни по природа.
Общ изглед на характеристичния спектър
В рентгеновата спектрална картина присъстват тесни характерни линии заедно с непрекъснат спектър на спирачното лъчение. Ако си представим спектъра като графика на интензитета спрямо дължината на вълната (честотата), ще видим остри пикове на местата на линиите. Положението им зависи от материала на анода. Тези максимуми присъстват при всяка потенциална разлика - ако има рентгенови лъчи, винаги има и пикове. С увеличаване на напрежението върху тръбните електроди се увеличава интензитетът както на непрекъснатото, така и на характеристичното рентгеново лъчение, но местоположението на пиковете и съотношението на техните интензитети не се променя.
Пиковете в рентгеновите спектри имат еднакъв вид независимо от материала на антикатода, облъчен от електрони, но за различните материали те са разположени на различни честоти, обединявайки се в серии въз основа на близостта на честотните стойности. Между самите серии разликата в честотите е много по-значима. Видът на максимумите не зависи по никакъв начин от това дали материалът на анода е чист химичен елемент или сложно вещество. В последния случай характерните рентгенови спектри на съставните му елементи просто се наслагват един върху друг.
С увеличаването на атомния номер на химичния елемент всички линии на неговия рентгенов спектър се изместват към по-високи честоти. Спектърът запазва външния си вид.
Законът на Моузли
Феноменът на спектралното изместване на характерните линии е експериментално открит от английския физик Хенри Моузли през 1913 г. Това му позволи да свърже честотите на максимумите на спектъра с поредните номера на химичните елементи. По този начин дължината на вълната на характерното рентгеново лъчение, както се оказа, може да бъде ясно свързана с конкретен елемент. Най-общо законът на Моузли може да се запише по следния начин: √f = (Z - S n)/n√R, където f е честотата, Z е поредният номер на елемента, S n е екраниращата константа, n е главно квантово число и R е константата на Ридберг. Тази зависимост е линейна и на диаграмата на Моузли изглежда като поредица от прави линии за всяка стойност на n.
Стойностите n съответстват на отделни серии от характерни пикове на рентгенови емисии. Законът на Моузли дава възможност да се определи поредният номер на химически елемент, облъчен от твърди електрони, въз основа на измерените дължини на вълните (те са уникално свързани с честотите) на максимумите на рентгеновия спектър.
Структурата на електронните обвивки на химичните елементи е идентична. Това се показва от монотонността на промяната на изместването в характерния спектър на рентгеновото лъчение. Изместването на честотата отразява не структурни, а енергийни разлики между електронните обвивки, уникални за всеки елемент.
Ролята на закона на Моузли в атомната физика
Има леки отклонения от строгата линейна зависимост, изразена от закона на Моузли. Те са свързани, първо, с особеностите на реда на запълване на електронните обвивки на някои елементи и, второ, с релативистичните ефекти на движението на електрони на тежки атоми. Освен това, когато броят на неутроните в ядрото се промени (така нареченото изотопно изместване), позицията на линиите може леко да се промени. Този ефект позволи да се проучи атомната структура в детайли.
Значението на закона на Моузли е изключително голямо. Последователното му прилагане към елементите на периодичната система на Менделеев установи модел на увеличаване на поредния номер, съответстващ на всяко малко изместване на характерните максимуми. Това помогна да се изясни въпросът за физическото значение на поредния номер на елементите. Стойността Z не е просто число: това е положителният електрически заряд на ядрото, което е сумата от единичните положителни заряди на частиците, които съставляват неговия състав. Правилното разположение на елементите в таблицата и наличието на празни позиции в нея (те все още съществуваха тогава) получи мощно потвърждение. Доказана е валидността на периодичния закон.
Освен това законът на Моузли стана основата, на която се появи цяла посока на експериментални изследвания - рентгенова спектрометрия.
Структурата на електронните обвивки на атома
Нека накратко да си припомним как е структурирана електронната структура.Тя се състои от обвивки, обозначени с буквите K, L, M, N, O, P, Q или цифри от 1 до 7. Електроните в обвивката се характеризират със същия основен квант число n, което определя възможните енергийни стойности. Във външните обвивки енергията на електроните е по-висока и съответно йонизационният потенциал за външните електрони е по-нисък.
Черупката включва едно или повече поднива: s, p, d, f, g, h, i. Във всяка обвивка броят на поднивата се увеличава с едно в сравнение с предишното. Броят на електроните във всяко подниво и във всяка обвивка не може да надвишава определена стойност. Те се характеризират, в допълнение към основното квантово число, със същата стойност на орбиталния електронен облак, който определя формата. Поднивата се обозначават от обвивката, към която принадлежат, например 2s, 4d и т.н.
Поднивото съдържа, които се определят, в допълнение към главния и орбиталния, от друго квантово число - магнитно, което определя проекцията на орбиталния импулс на електрона върху посоката на магнитното поле. Една орбитала може да има не повече от два електрона, различаващи се по стойността на четвъртото квантово число - спин.
Нека разгледаме по-подробно как възниква характерното рентгеново лъчение. Тъй като произходът на този вид електромагнитно излъчване е свързан с явления, протичащи вътре в атома, най-удобно е да се опише точно в приближението на електронните конфигурации.
Механизъм за генериране на характеристично рентгеново лъчение
И така, причината за това излъчване е образуването на електронни ваканции във вътрешните обвивки, причинено от проникването на високоенергийни електрони дълбоко в атома. Вероятността твърдият електрон да взаимодейства се увеличава с плътността на електронните облаци. Поради това е най-вероятно да се появят сблъсъци в плътно опаковани вътрешни обвивки, като например най-ниската К-обвивка. Тук атомът се йонизира и в обвивката 1s се образува ваканция.
Това празно място се запълва от електрон от обвивката с по-висока енергия, чийто излишък се отнася от рентгеновия фотон. Този електрон може да „падне“ от втората обвивка L, от третата обвивка M и т.н. Така се формира характерна серия, в този пример К-серията. Индикация за това откъде идва електронът, който запълва празното място, е дадена под формата на гръцки индекс в обозначението на серията. „Алфа“ означава, че идва от L обвивката, „бета“ означава, че идва от M обвивката. Понастоящем има тенденция да се заменят индексите на гръцките букви с латинските, приети за обозначаване на черупки.
Интензитетът на алфа линията в серията винаги е най-висок - това означава, че вероятността за запълване на празно място от съседна черупка е най-висока.
Сега можем да отговорим на въпроса каква е максималната енергия на квант характеристично рентгеново лъчение. Определя се от разликата в енергийните стойности на нивата, между които се извършва преходът на електрона, съгласно формулата E = E n 2 - E n 1, където E n 2 и E n 1 са енергиите на електронния държави, между които е настъпил преходът. Най-високата стойност на този параметър се дава от преходите от K-серия от най-високите нива на атоми на тежки елементи. Но интензитетът на тези линии (височината на пиковете) е най-нисък, тъй като те са най-малко вероятни.
Ако поради недостатъчно напрежение на електродите твърд електрон не може да достигне K-ниво, той образува ваканция на L-ниво и се образува по-малко енергична L-серия с по-дълги дължини на вълната. Следващите серии се раждат по подобен начин.
Освен това, когато дадено свободно място се запълни в резултат на електронен преход, ново свободно място се появява в горната обвивка. Това създава условия за генериране на следваща серия. Електронните свободни места се придвижват по-високо от ниво на ниво и атомът излъчва каскада от характерни спектрални серии, докато остава йонизиран.
Фина структура на характеристичните спектри
Атомните рентгенови спектри на характеристичното рентгеново лъчение се характеризират с фина структура, която, както и в оптичните спектри, се изразява в разцепване на линиите.
Фината структура се дължи на факта, че енергийното ниво - електронната обвивка - е набор от тясно разположени компоненти - подчерупки. За да се характеризират подчерупките, се въвежда друго вътрешно квантово число j, отразяващо взаимодействието на собствените и орбиталните магнитни моменти на електрона.
Поради влиянието на спин-орбиталното взаимодействие, енергийната структура на атома става по-сложна и в резултат на това характерното рентгеново лъчение има спектър, характеризиращ се с разделени линии с много близко разположени елементи.
Елементите на фината структура обикновено се обозначават с допълнителни цифрови индекси.
Характеристичното рентгеново излъчване има особеност, отразяваща се само във фината структура на спектъра. Преходът на електрона към по-ниско енергийно ниво не става от долната подобвивка на по-високото ниво. Такова събитие има пренебрежимо малка вероятност.
Използване на рентгеновите лъчи в спектрометрията
Това лъчение, поради неговите характеристики, описани от закона на Моузли, е в основата на различни рентгенови спектрални методи за анализ на вещества. При анализа на рентгеновия спектър се използва или дифракция на лъчение върху кристали (вълново-дисперсивен метод), или детектори, чувствителни към енергията на абсорбираните рентгенови фотони (енергийно-дисперсивен метод). Повечето електронни микроскопи са оборудвани с някакви приставки за рентгенова спектрометрия.
Вълново-дисперсионната спектрометрия е особено точна. С помощта на специални филтри се подчертават най-интензивните пикове в спектъра, което прави възможно получаването на почти монохроматично излъчване с точно известна честота. Анодният материал се избира много внимателно, за да се гарантира получаването на монохроматичен лъч с желаната честота. Неговата дифракция върху кристалната решетка на изследваното вещество позволява да се изследва структурата на решетката с голяма точност. Този метод се използва и при изследване на ДНК и други сложни молекули.
Една от характеристиките на характеристичното рентгеново лъчение се взема предвид и в гама-спектрометрията. Това е характерен пик с висок интензитет. Гама спектрометрите използват оловно екраниране срещу външно фоново лъчение, което пречи на измерванията. Но оловото, абсорбирайки гама-лъчи, изпитва вътрешна йонизация, в резултат на което активно излъчва в рентгеновия диапазон. За поглъщане на интензивните пикове на характеристичното рентгеново излъчване на оловото се използва допълнително кадмиево екраниране. Той от своя страна е йонизиран и също излъчва рентгенови лъчи. За неутрализиране на характерните пикове на кадмия се използва трети екраниращ слой - мед, чийто рентгенови максимуми са извън работния честотен диапазон на гама-спектрометъра.
Спектрометрията използва както спирачно лъчение, така и характеристични рентгенови лъчи. По този начин, когато се анализират вещества, се изследват спектрите на поглъщане на непрекъснати рентгенови лъчи от различни вещества.
1. Bremsstrahlung и характеристично рентгеново лъчение,
основни свойства и характеристики.
През 1895 г. немският учен Рентген за първи път открива светенето на флуоресцентен екран, което се причинява от невидимо за окото лъчение, идващо от стъклената част на газоразрядната тръба, разположена срещу катода. Този тип радиация има способността да преминава през вещества, непроницаеми за видимата светлина. Рентген ги нарича рентгенови лъчи и установява основните свойства, които им позволяват да се използват в различни отрасли на науката и техниката, включително медицината.
Рентгеновото лъчение е лъчение с дължина на вълната 80-10 -5 nm. Дълговълновото рентгеново лъчение припокрива късовълновото UV лъчение, късовълновото лъчение припокрива дълговълновото g-лъчение. В медицината се използва рентгеново лъчение с дължина на вълната от 10 до 0,005 nm, което съответства на енергия на фотона от 10 2 EV до 0,5 MeV. Рентгеновото лъчение е невидимо за окото, така че всички наблюдения с него се извършват с помощта на флуоресцентни екрани или фотографски филми, тъй като предизвиква рентгенова луминесценция и има фотохимичен ефект. Характерно е, че повечето тела, които са непроницаеми за оптично лъчение, са до голяма степен прозрачни за рентгеново лъчение, което има свойства, общи за електромагнитните вълни. Въпреки това, поради късата дължина на вълната, някои свойства са трудни за откриване. Следователно вълновата природа на излъчването е установена много по-късно от откриването им.
Въз основа на метода на възбуждане рентгеновото лъчение се разделя на спирачно и характеристично лъчение.
Рентгеновите лъчи на Bremsstrahlung се причиняват от забавянето на бързо движещи се електрони от електрическото поле на атома (ядрото и електроните) на веществото, през което прелитат. Механизмът на това излъчване може да се обясни с факта, че всеки движещ се заряд представлява ток, около който се създава магнитно поле, чиято индукция (В) зависи от скоростта на електрона. При спиране магнитната индукция намалява и в съответствие с теорията на Максуел се появява електромагнитна вълна.
Когато електроните се забавят, само част от енергията се използва за създаване на рентгенов фотон, другата част се изразходва за нагряване на анода. Честотата (дължината на вълната) на фотона зависи от началната кинетична енергия на електрона и интензивността на неговото забавяне. Освен това, дори ако първоначалната кинетична енергия е една и съща, тогава условията на забавяне в веществото ще бъдат различни, следователно излъчените фотони ще имат най-разнообразни енергии и, следователно, дължини на вълните, т.е. рентгеновият спектър ще бъде непрекъснат. Фигура 1 показва спектъра на рентгеновите спирачни лъчи при различни напрежения U 1
.
Ако U се изрази в киловолти и се вземе предвид връзката между други величини, тогава формулата изглежда така: l k = 1,24/U (nm) или l k = 1,24/U (Å) (1 Å = 10 -10 m).
От горните графики може да се установи, че дължината на вълната l m, която отчита максималната радиационна енергия, е в постоянна връзка с граничната дължина на вълната l k:
.
Дължината на вълната характеризира енергията на фотона, от която зависи проникващата способност на радиацията, когато взаимодейства с материята.
Късовълновите рентгенови лъчи обикновено имат висока проникваща способност и се наричат твърди, докато дълговълновите рентгенови лъчи се наричат меки. Както може да се види от горната формула, дължината на вълната, при която възниква максималната енергия на излъчване, е обратно пропорционална на напрежението между анода и катода на тръбата. Чрез увеличаване на напрежението на анода на рентгеновата тръба се променя спектралният състав на лъчението и се увеличава неговата твърдост.
Когато напрежението на нажежаемата жичка се промени (температурата на нажежаемата жичка на катода се променя), броят на електроните, излъчени от катода за единица време, се променя или, съответно, силата на тока в анодната верига на тръбата се променя. В този случай мощността на излъчване се променя пропорционално на първата мощност на силата на тока. Спектралния състав на радиацията няма да се промени.
Общият поток (мощност) на излъчване, разпределението на енергията по дължини на вълните, както и границата на спектъра от страната на късите дължини на вълните зависи от следните три причини: напрежението U ускорява електроните и се прилага между анода и катода на тръбата ; броят на електроните, участващи в образуването на радиация, т.е. ток на нажежаемата тръба; атомен номер Z на анодното вещество, в което се получава забавяне на електрони.
Потокът на спирачното излъчване на рентгеновите лъчи се изчислява по формулата: , където 
,
Z-атомен номер на вещество (атомен номер).
Чрез увеличаване на напрежението на рентгеновата тръба може да се забележи появата на отделни линии (линеен спектър) на фона на непрекъснато спирачно рентгеново лъчение, което съответства на характеристичното рентгеново лъчение. Възниква при прехода на електрони между вътрешните обвивки на атомите в дадено вещество (обвивки K, L, M). Линейният характер на спектъра на характеристичното излъчване възниква поради факта, че ускорените електрони проникват дълбоко в атомите и избиват електрони от техните вътрешни слоеве извън атома. Електроните (фиг. 2) от горните слоеве се придвижват към свободни места, в резултат на което се излъчват рентгенови фотони с честота, съответстваща на разликата в преходните енергийни нива. Линиите в спектъра на характеристичното излъчване се обединяват в серии, съответстващи на преходи на електрони с по-високо ниво на K, L, M ниво.
Външното въздействие, в резултат на което електронът се избива от вътрешните слоеве, трябва да е доста силно. За разлика от оптичните спектри, характерните рентгенови спектри на различните атоми са от един и същи тип. Еднаквостта на тези спектри се дължи на факта, че вътрешните слоеве на различните атоми са идентични и се различават само по енергия, т.к. силовото въздействие от сърцевината се увеличава с увеличаване на поредния номер на елемента. Това води до факта, че характерните спектри се изместват към по-високи честоти с увеличаване на ядрения заряд. Тази зависимост е известна като закон на Моузли: 
, където A и B са константи; Z-пореден номер на елемента.
Има още една разлика между рентгеновия и оптичния спектър. Характерният спектър на атома не зависи от химичното съединение, в което е включен атомът. Например, рентгеновият спектър на кислородния атом е еднакъв за O, O 2, H 2 O, докато оптичните спектри на тези съединения са значително различни. Тази характеристика на рентгеновите спектри на атомите послужи като основа за името "характеристика".
Характеристично излъчване възниква винаги, когато във вътрешните слоеве на атома има свободни пространства, независимо от причините, които са го предизвикали. Например, той придружава един вид радиоактивен разпад, който включва улавяне на електрон от вътрешния слой от ядрото.
2. Подреждане на рентгенови тръби и протозои
Рентгенов апарат.
Най-често срещаният източник на рентгеново лъчение е рентгенова тръба - двуелектродно вакуумно устройство (фиг. 3). Представлява стъклен балон (p = 10 -6 – 10 -7 mm Hg) с два електрода - анод А и катод К, между които се създава високо напрежение. Нагретият катод (K) излъчва електрони. Анод А често се нарича антикатод. Има наклонена повърхност, за да насочва полученото рентгеново лъчение под ъгъл спрямо оста на тръбата. Анодът е направен от метал с добра топлопроводимост (мед) за отстраняване на топлината, генерирана при удара на електрони. В скосения край на анода има пластина 3 от огнеупорен метал (волфрам) с високо атомно число, наречено анодно огледало. В някои случаи анодът се охлажда специално с вода или масло. За диагностичните тръби е важна прецизността на рентгеновия източник, която може да се постигне чрез фокусиране на електроните на едно място върху анода. Следователно, конструктивно е необходимо да се вземат предвид две противоположни задачи: от една страна, електроните трябва да падат на едно място на анода, от друга страна, за да се предотврати прегряване, е желателно електроните да се разпределят в различни области на анода. анода. Поради тази причина някои рентгенови тръби се произвеждат с въртящ се анод.
В тръба с всякакъв дизайн електроните, ускорени от напрежението между анода и катода, падат върху анодното огледало и проникват дълбоко в веществото, взаимодействат с атоми и се инхибират от полето на атомите. Това произвежда спирачно рентгеново лъчение. Едновременно със спирачното лъчение се образува малко количество (няколко процента) характеристично лъчение. Само 1-2% от електроните, удрящи анода, предизвикват спирачно лъчение, а останалото е термичен ефект. За да концентрира електрони, катодът има направляваща капачка. Частта от волфрамовото огледало, върху която пада основният поток от електрони, се нарича фокус на тръбата. Ширината на радиационния лъч зависи от неговата площ (острота на фокуса).
За захранване на тръбата са необходими два източника: източник с високо напрежение за анодната верига и източник с ниско (6-8 V) за захранване на веригата с нажежаема жичка. И двата източника трябва да бъдат независимо регулирани. Чрез промяна на анодното напрежение се регулира твърдостта на рентгеновото лъчение, а чрез промяна на нишката се регулира токът на изходната верига и съответно мощността на излъчване.
Основната електрическа схема на прост рентгенов апарат е показана на фиг. 4. Схемата има два трансформатора Tr.1 за високо напрежение и Tr.2 за захранване с нажежаема жичка. Високото напрежение на тръбата се регулира от автотрансформатор Tr.3, свързан към първичната намотка на трансформатор Tr.1. Превключвателят K регулира броя на завъртанията на намотката на автотрансформатора. В тази връзка напрежението на вторичната намотка на трансформатора, подадено към анода на тръбата, също се променя, т.е. твърдостта се регулира.
Токът на нишката на тръбата се регулира от реостат R, свързан към веригата на първичната намотка на трансформатора Tr.2. Токът на анодната верига се измерва с милиамперметър. Напрежението, подадено към електродите на тръбата, се измерва с киловолтметър kV или напрежението в анодната верига може да се прецени по позицията на превключвателя К. Размерът на тока на нишката, регулиран от реостат, се измерва с амперметър А. В разглежданата верига рентгеновата тръба едновременно коригира високо променливо напрежение.
Лесно е да се види, че такава тръба излъчва само един полупериод на променлив ток. Следователно мощността му ще бъде малка. За да се увеличи излъчената мощност, много устройства използват пълноволтови рентгенови токоизправители с високо напрежение. За целта се използват 4 специални кенотрона, които се свързват по мостова схема. В единия диагонал на моста е включена рентгенова тръба.
3. Взаимодействие на рентгеновите лъчи с веществото
(кохерентно разсейване, некохерентно разсейване, фотоефект).
Когато рентгеновото лъчение попадне върху тялото, то се отразява в малко количество от него, но основно преминава дълбоко в него. В масата на тялото радиацията се абсорбира частично, частично се разсейва и частично преминава. Преминавайки през тялото, рентгеновите фотони взаимодействат главно с електроните на атомите и молекулите на веществото. Регистрирането и използването на рентгеновото лъчение, както и въздействието му върху биологични обекти се определя от първичните процеси на взаимодействие на рентгеновия фотон с електроните. В зависимост от съотношението на фотонната енергия E и йонизационната енергия A I протичат три основни процеса.
а)Кохерентно разсейване.
Разсейването на дълговълновите рентгенови лъчи се извършва по същество без промяна на дължината на вълната и се нарича кохерентно. Взаимодействието на фотона с електроните на вътрешните обвивки, плътно свързани с ядрото, променя само посоката си, без да променя енергията си, а следователно и дължината на вълната (фиг. 5).
Кохерентно разсейване възниква, ако енергията на фотона е по-малка от йонизационната енергия: E = 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)Некохерентно разсейване (ефект на Комптън).
През 1922 г. А. Комптън, наблюдавайки разсейването на твърди рентгенови лъчи, открива намаляване на проникващата способност на разсеяния лъч в сравнение с падащия лъч. Разсейването на рентгенови лъчи с промени в дължината на вълната се нарича ефект на Комптън. Това се случва, когато фотон с всякаква енергия взаимодейства с електроните на външните обвивки на атомите, слабо свързани с ядрото (фиг. 6). Електронът се отстранява от атом (такива електрони се наричат електрони на отката). Енергията на фотона намалява (съответно дължината на вълната се увеличава) и посоката на неговото движение също се променя. Ефектът на Комптън възниква, ако енергията на рентгеновия фотон е по-голяма от йонизационната енергия: , . В този случай се появяват електрони на отката с кинетична енергия E K. Атомите и молекулите се превръщат в йони. Ако E K е значително, тогава електроните могат да йонизират съседни атоми чрез сблъсък, образувайки нови (вторични) електрони.
V)Фото ефект.
Ако енергията на фотона hn е достатъчна за отделяне на електрон, тогава при взаимодействие с атом фотонът се абсорбира и електронът се отделя от него. Това явление се нарича фотоелектричен ефект. Атомът се йонизира (фотойонизация). В този случай електронът придобива кинетична енергия и, ако последната 
е значителен, той може да йонизира съседни атоми чрез сблъсък, образувайки нови (вторични) електрони. Ако енергията на фотона е недостатъчна за йонизация, тогава фотоелектричният ефект може да се прояви при възбуждане на атом или молекула. При някои вещества това води до последващо излъчване на фотони във видимата област (рентгенова луминесценция), а в тъканите до активиране на молекули и фотохимични реакции.
Фотоелектричният ефект е характерен за фотони с енергия от порядъка на 0,5-1 MeV.
Трите основни процеса на взаимодействие, обсъдени по-горе, са първични, те водят до последващи вторични, третични и т.н. явления. Когато рентгеновите лъчи навлязат в вещество, могат да се случат редица процеси, преди енергията на рентгеновия фотон да се преобразува в енергията на топлинното движение.
В резултат на горните процеси първичният поток на рентгеновото лъчение се отслабва. Този процес се подчинява на закона на Бугер. Нека го запишем във формата: Ф = Ф 0 e - mх, където m е линейният коефициент на затихване, зависещ от естеството на веществото (основно от плътността и атомния номер) и от дължината на вълната на излъчване (енергия на фотона) . Може да се представи като състоящ се от три члена, съответстващи на кохерентно разсейване, некохерентно разсейване и фотоелектричен ефект: 
.
Тъй като линейният коефициент на поглъщане зависи от плътността на веществото, те предпочитат да използват масовия коефициент на затихване, който е равен на съотношението на линейния коефициент на затихване към плътността на абсорбера и не зависи от плътността на веществото. Зависимостта на рентгеновия поток (интензитет) от дебелината на абсорбиращия филтър е показана на фиг. 7 за H 2 O, Al и Cu. Изчисленията показват, че слой вода с дебелина 36 мм, алуминий 15 мм и мед 1,6 мм намалява интензитета на рентгеновото лъчение 2 пъти. Тази дебелина се нарича дебелина на половин слой d. Ако дадено вещество отслабва наполовина рентгеновото лъчение, тогава 
, Тогава 
, или , 
; ; . Познавайки дебелината на полуслоя, винаги можете да определите m. Измерение.
4. Използване на рентгеновите лъчи в медицината
(флуороскопия, радиография, рентгенова томография, флуорография, лъчетерапия).
Едно от най-честите приложения на рентгеновото лъчение в медицината е изследването на вътрешните органи с диагностична цел - рентгенова диагностика.
За диагностика се използват фотони с енергия 60-120 keV. В този случай масовият коефициент на поглъщане се определя главно от фотоелектричния ефект. Стойността му е пропорционална на l 3 (което проявява високата проникваща способност на твърдото лъчение) и пропорционална на третата степен на броя на атомите на веществото - поглъщател: , където К е коефициентът на пропорционалност.
Човешкото тяло се състои от тъкани и органи, които имат различна абсорбционна способност по отношение на рентгеновото лъчение. Следователно, когато се освети с рентгенови лъчи, на екрана се получава неравномерно изображение на сянка, което дава картина на разположението на вътрешните органи и тъкани. Най-плътните абсорбиращи радиация тъкани (сърце, големи съдове, кости) са видими тъмни, а най-слабо абсорбиращите тъкани (бели дробове) са светли.
В много случаи може да се прецени тяхното нормално или патологично състояние. Рентгеновата диагностика използва два основни метода: флуороскопия (предаване) и радиография (изображение). Ако изследваният орган и тъканите около него абсорбират рентгеновия поток приблизително еднакво, тогава се използват специални контрастни вещества. Например, в навечерието на рентгеново изследване на стомаха или червата се дава подобна на каша маса от бариев сулфат, в този случай можете да видите техния сенчест образ. При флуороскопията и радиографията рентгеновото изображение е обобщено изображение на цялата дебелина на обекта, през който преминават рентгеновите лъчи. Тези детайли, които са най-близо до екрана или филма, са най-ясно очертани, докато тези, които са отдалечени, стават неясни и замъглени. Ако в някой орган има патологично променена област, например разрушаване на белодробна тъкан вътре в голямо огнище на възпаление, тогава в някои случаи тази област може да бъде „загубена“ на рентгеновата снимка в сумата от сенките. За да стане видим, се използва специален метод - томография (запис слой по слой), който ви позволява да получите изображения на отделни слоеве на изследваната област. Този вид послойни изображения-томограми се получават с помощта на специален апарат, наречен томограф, в който рентгенова тръба (RT) и фотографски филм (FP) периодично се преместват заедно, в противофаза, спрямо площта на проучване. В този случай рентгеновите лъчи във всяка позиция на RT ще преминат през една и съща точка на обекта (променена област), която е центърът, спрямо който се извършва периодичното движение на RT и FP. Изображение в сянка на района ще бъде заснето на филм. Чрез промяна на позицията на „центъра на люлеене“ е възможно да се получат изображения на обекта слой по слой. С помощта на тънък лъч рентгеново лъчение, специален екран (вместо FP), състоящ се от полупроводникови детектори на йонизиращо лъчение, е възможно да се обработва изображението по време на томография с помощта на компютър. Тази съвременна версия на томографията се нарича компютърна томография. Томографията се използва широко при изследване на белите дробове, бъбреците, жлъчния мехур, стомаха, костите и др.
Яркостта на изображението на екрана и времето на експониране на филма зависят от интензитета на рентгеновото лъчение. Когато се използва за диагностика, интензитетът не може да бъде висок, за да не предизвика нежелан биологичен ефект. Поради това съществуват редица технически устройства, които подобряват яркостта на изображението при нисък интензитет на рентгеновите лъчи. Едно такова устройство е електронно-оптичен преобразувател.
Друг пример е флуорографията, при която изображение от голям рентгенов луминесцентен екран се получава върху чувствителен филм с малък формат. При снимане се използва обектив с висока бленда, а готовите изображения се разглеждат със специална лупа.
Флуорографията съчетава по-голяма способност за откриване на скрити заболявания (заболявания на гръдните органи, стомашно-чревния тракт, параназалните синуси и др.) Със значителна производителност и следователно е много ефективен метод за масово (вградено) изследване.
Тъй като фотографирането на рентгеново изображение по време на флуорография се извършва с помощта на фотографска оптика, изображението на флуорограмата е намалено в сравнение с рентгеновото изображение. В това отношение разделителната способност на флуорограмата (т.е. различимостта на малки детайли) е по-малка от тази на конвенционалната рентгенова снимка, но е по-голяма, отколкото при флуороскопията.
Създаден е апарат - томофлуорограф, който дава възможност за получаване на флуорограми на части от тялото и отделни органи на определена дълбочина - така наречените послойни изображения (срезове) - томофлуорограми.
Рентгеновото лъчение се използва и за терапевтични цели (рентгенова терапия). Биологичният ефект на радиацията е нарушаване на жизнената дейност на клетките, особено бързо развиващите се. В тази връзка рентгеновата терапия се използва за лечение на злокачествени тумори. Възможно е да се избере доза радиация, достатъчна за пълното унищожаване на тумора с относително незначително увреждане на околната здрава тъкан, която се възстановява поради последваща регенерация.
Интензивност- количествена характеристика на рентгеновото излъчване, която се изразява в броя на лъчите, излъчвани от тръбата за единица време. Интензитетът на рентгеновото лъчение се измерва в милиампери. Сравнявайки го с интензитета на видимата светлина от конвенционална лампа с нажежаема жичка, можем да направим аналогия: например 20-ватова лампа ще свети с един интензитет или сила, а 200-ватова лампа ще свети с друга, докато качеството на самата светлина (нейния спектър) е същото. Интензитетът на рентгеновото лъчение е по същество количеството му. Всеки електрон създава един или повече кванта радиация на анода, следователно броят на рентгеновите лъчи при излагане на обект се регулира чрез промяна на броя на електроните, които се стремят към анода, и броя на взаимодействията на електроните с атомите на волфрамовата мишена , което може да стане по два начина:
1. Чрез промяна на степента на нагряване на катодната спирала с помощта на понижаващ трансформатор (броят на електроните, генерирани по време на емисия, ще зависи от това колко гореща е спиралата на волфрама, а броят на радиационните кванти ще зависи от броя на електроните) ;
2. Чрез промяна на стойността на високото напрежение, подавано от повишаващ трансформатор към полюсите на тръбата - катода и анода (колкото по-високо напрежение се прилага към полюсите на тръбата, толкова повече кинетична енергия получават електроните , които поради своята енергия могат да взаимодействат последователно с няколко атома на анодното вещество - вж. ориз. 5; електрони с ниска енергия ще могат да влизат в по-малко взаимодействия).
Интензитетът на рентгеновите лъчи (аноден ток), умножен по времето на експозиция (време на работа на тръбата), съответства на експозицията на рентгеновите лъчи, която се измерва в mAs (милиампери в секунда). Експозицията е параметър, който, подобно на интензитета, характеризира броя на лъчите, излъчвани от рентгеновата тръба. Единствената разлика е, че експозицията отчита и времето на работа на тръбата (например, ако тръбата работи 0,01 секунди, тогава броят на лъчите ще бъде един, а ако 0,02 секунди, тогава броят на лъчите ще бъде различни - два пъти повече). Облъчването се задава от рентгенолога на контролния панел на рентгеновия апарат в зависимост от вида на изследването, размера на изследвания обект и диагностичната задача.
Твърдост- качествени характеристики на рентгеновото лъчение. Измерва се с големината на високото напрежение на тръбата - в киловолта. Определя проникващата способност на рентгеновите лъчи. Регулира се от високото напрежение, подавано към рентгеновата тръба от повишаващ трансформатор. Колкото по-висока е потенциалната разлика между електродите на тръбата, толкова по-голяма сила се отблъскват електроните от катода и се устремяват към анода и толкова по-силен е сблъсъкът им с анода. Колкото по-силен е техният сблъсък, толкова по-къса е дължината на вълната на полученото рентгеново лъчение и толкова по-висока е проникващата способност на тази вълна (или твърдостта на лъчението, която, подобно на интензитета, се регулира от контролния панел чрез параметъра на напрежението на тръбата - киловолтаж).
Ориз. 7 - Зависимост на дължината на вълната от вълновата енергия:
λ - дължина на вълната;
Е - вълнова енергия
· Колкото по-висока е кинетичната енергия на движещите се електрони, толкова по-силно е тяхното въздействие върху анода и толкова по-къса е дължината на вълната на полученото рентгеново лъчение. Рентгеновото лъчение с дълга дължина на вълната и ниска проникваща способност се нарича „меко“; рентгеновото лъчение с къса дължина на вълната и висока проникваща способност се нарича „твърдо“.
Ориз. 8 - Връзката между напрежението на рентгеновата тръба и дължината на вълната на полученото рентгеново лъчение:
· Колкото по-високо напрежение се прилага към полюсите на тръбата, толкова по-силна е потенциалната разлика в тях, следователно кинетичната енергия на движещите се електрони ще бъде по-висока. Напрежението върху тръбата определя скоростта на електроните и силата на техния сблъсък с анодното вещество, следователно напрежението определя дължината на вълната на полученото рентгеново лъчение.
