Promieniowanie rentgenowskie to fale elektromagnetyczne o długości fali około 80 do 10-5 nm. Promieniowanie rentgenowskie o najdłuższej długości fali jest pokryte ultrafioletem o krótkiej długości fali, promieniowaniem krótkofalowym jest promieniowanie γ o dużej długości fali. Zgodnie z metodą wzbudzenia promieniowanie rentgenowskie dzieli się na bremsstrahlung i charakterystyczne.
31.1. URZĄDZENIE LAMPY RTG. Bremsstrahlung X-RAY
Najczęstszym źródłem promieniowania rentgenowskiego jest lampa rentgenowska, która jest dwuelektrodowym urządzeniem próżniowym (ryc. 31.1). Podgrzewana katoda 1 emituje elektrony 4. Anoda 2, często nazywana antykatodą, ma nachyloną powierzchnię w celu kierowania powstających promieni rentgenowskich 3 pod kątem do osi rury. Anoda jest wykonana z materiału silnie przewodzącego ciepło, który usuwa ciepło wytwarzane przez uderzenie elektronów. Powierzchnia anody jest wykonana z materiałów ogniotrwałych o dużej liczbie atomowej w układzie okresowym, takich jak wolfram. W niektórych przypadkach anoda jest specjalnie chłodzona wodą lub olejem.
W przypadku lamp diagnostycznych istotna jest precyzja źródła promieniowania rentgenowskiego, którą można uzyskać skupiając elektrony w jednym miejscu antykatody. Dlatego konstruktywnie należy wziąć pod uwagę dwa przeciwstawne zadania: z jednej strony elektrony muszą padać na jedno miejsce anody, z drugiej strony, aby zapobiec przegrzaniu, pożądane jest rozłożenie elektronów na różne części anody anoda. Jednym z ciekawszych rozwiązań technicznych jest lampa rentgenowska z obrotową anodą (ryc. 31.2).
W wyniku hamowania elektronu (lub innej naładowanej cząstki) przez pole elektrostatyczne jądra atomowego i elektronów atomowych substancji antykatody, promieniowanie bremsstrahlunga.
Jego mechanizm można wyjaśnić w następujący sposób. Poruszający się ładunek elektryczny jest związany z polem magnetycznym, którego indukcja zależy od prędkości elektronu. Podczas hamowania magnetyczny
indukcja i zgodnie z teorią Maxwella pojawia się fala elektromagnetyczna.
Kiedy elektrony spowalniają, tylko część energii jest zużywana na wytworzenie fotonu rentgenowskiego, druga część jest zużywana na ogrzewanie anody. Ponieważ stosunek między tymi częściami jest przypadkowy, gdy duża liczba elektronów zwalnia, powstaje ciągłe widmo promieniowania rentgenowskiego. W związku z tym bremsstrahlung jest również nazywany ciągłym. na ryc. 31.3 pokazuje zależność strumienia promieniowania rentgenowskiego od długości fali λ (widma) przy różnych napięciach w lampie rentgenowskiej: U 1< U 2 < U 3 .
W każdym z widm najkrótsza długość fali bremsstrahlung λ ηίη powstaje, gdy energia uzyskana przez elektron w przyspieszającym polu jest całkowicie zamieniana na energię fotonu:
Należy zauważyć, że na podstawie (31.2) opracowano jedną z najdokładniejszych metod eksperymentalnego wyznaczania stałej Plancka.
Promieniowanie rentgenowskie o krótkiej długości fali ma zwykle większą zdolność penetracji niż promieniowanie o dużej długości fali i jest nazywane twardy, i długofalowych miękki.
Zwiększając napięcie na lampie rentgenowskiej zmienia się skład widmowy promieniowania, jak widać na ryc. 31.3 i wzory (31.3) oraz zwiększyć sztywność.
Jeśli temperatura żarnika katody wzrośnie, wówczas wzrośnie emisja elektronów i prąd w lampie. Zwiększy to liczbę fotonów rentgenowskich emitowanych co sekundę. Jego skład widmowy nie ulegnie zmianie. na ryc. 31.4 pokazuje widma rentgenowskie bremsstrahlung przy tym samym napięciu, ale przy różnych prądach żarnika katodowego: / n1< / н2 .
Strumień promieniowania rentgenowskiego oblicza się według wzoru:
Gdzie u I I- napięcie i prąd w lampie rentgenowskiej; Z- numer seryjny atomu substancji anodowej; k- współczynnik proporcjonalności. Widma otrzymane jednocześnie z różnych antykatod u i IH są pokazane na ryc. 31,5.
31.2. CHARAKTERYSTYCZNE PROMIENIOWANIE Rentgenowskie. SPEKTRA ATOMOWEGO PROMIENIA RENTGENOWEGO
Zwiększając napięcie na lampie rentgenowskiej można zauważyć pojawienie się linii, która odpowiada
charakterystyczne promienie rentgenowskie(Ryc. 31.6). Wynika to z faktu, że przyspieszone elektrony wnikają w głąb atomu i wybijają elektrony z warstw wewnętrznych. Elektrony z wyższych poziomów przemieszczają się w wolne miejsca (ryc. 31.7), w wyniku czego emitowane są fotony o charakterystycznym promieniowaniu. Jak widać na rysunku, charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie składa się z serii K, L, M itp., których nazwa służyła do oznaczenia warstw elektronicznych. Ponieważ emisja serii K zwalnia miejsce w wyższych warstwach, jednocześnie emitowane są linie innych serii.
W przeciwieństwie do widm optycznych charakterystyczne widma rentgenowskie różnych atomów są tego samego typu. na ryc. 31.8 pokazuje widma różnych pierwiastków. Jednorodność tych widm wynika z faktu, że wewnętrzne warstwy różnych atomów są takie same i różnią się tylko energetycznie, ponieważ efekt siłowy z jądra wzrasta wraz ze wzrostem liczby atomowej pierwiastka. Ta okoliczność prowadzi do tego, że charakterystyczne widma przesuwają się w kierunku wyższych częstotliwości wraz ze wzrostem ładunku jądrowego. Ten wzór jest widoczny z ryc. 31,8 i znany jako Prawo Moseleya:
Gdzie v- częstotliwość linii widmowej; Z- liczba atomowa pierwiastka emitującego; A I W- stały.
Istnieje jeszcze jedna różnica między widmami optycznymi i rentgenowskimi.
Charakterystyczne widmo rentgenowskie atomu nie zależy od związku chemicznego, w skład którego wchodzi ten atom. Na przykład widmo rentgenowskie atomu tlenu jest takie samo dla O, O 2 i H 2 O, podczas gdy widma optyczne tych związków są znacząco różne. Ta cecha widma rentgenowskiego atomu była podstawą nazwy Charakterystyka.
Promieniowanie charakterystyczne występuje zawsze wtedy, gdy w wewnętrznych warstwach atomu jest wolna przestrzeń, niezależnie od przyczyny, która je spowodowała. Na przykład charakterystyczne promieniowanie towarzyszy jednemu z rodzajów rozpadu promieniotwórczego (patrz 32.1), który polega na wychwytywaniu elektronu z warstwy wewnętrznej przez jądro.
31.3. ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA RENTGENOWSKIEGO Z SUBSTANCJĄ
Rejestracja i wykorzystanie promieniowania rentgenowskiego, a także jego wpływ na obiekty biologiczne są determinowane przez pierwotne procesy oddziaływania fotonu rentgenowskiego z elektronami atomów i cząsteczek substancji.
W zależności od stosunku energii hv foton i energia jonizacji 1 A i są trzy główne procesy.
Spójne (klasyczne) rozpraszanie
Rozpraszanie długofalowych promieni rentgenowskich zachodzi głównie bez zmiany długości fali i nazywa się zgodny. Występuje, gdy energia fotonu jest mniejsza niż energia jonizacji: hv< A i.
Ponieważ w tym przypadku energia fotonu rentgenowskiego i atomu nie zmienia się, samo rozproszenie koherentne nie powoduje efektu biologicznego. Jednak tworząc ochronę przed promieniowaniem rentgenowskim należy wziąć pod uwagę możliwość zmiany kierunku wiązki pierwotnej. Ten rodzaj interakcji jest ważny dla analizy dyfrakcji rentgenowskiej (patrz 24.7).
Rozpraszanie niespójne (efekt Comptona)
W 1922 r. A.Ch. Compton, obserwując rozpraszanie twardego promieniowania rentgenowskiego, odkrył spadek mocy penetracji wiązki rozproszonej w porównaniu z wiązką padającą. Oznaczało to, że długość fali rozproszonego promieniowania rentgenowskiego była większa niż długość fali padającego promieniowania rentgenowskiego. Rozpraszanie promieni rentgenowskich ze zmianą długości fali nazywa się niespójny nym, a samo zjawisko - efekt Comptona. Występuje, gdy energia fotonu promieniowania rentgenowskiego jest większa niż energia jonizacji: hv > A i.
Zjawisko to wynika z faktu, że podczas interakcji z atomem energia hv foton jest zużywany na produkcję nowego rozproszonego fotonu rentgenowskiego z energią wysoki", oderwanie elektronu od atomu (energia jonizacji Au) i przekazanie elektronowi energii kinetycznej E do:
hv \u003d hv " + A i + E k.(31.6)
1 Tutaj energia jonizacji jest rozumiana jako energia potrzebna do usunięcia wewnętrznych elektronów z atomu lub cząsteczki.
Ponieważ w wielu przypadkach hv>> A i i Efekt Comptona występuje na swobodnych elektronach, to możemy napisać w przybliżeniu:
hv = hv"+ E K .(31.7)
Znamienne jest, że w tym zjawisku (ryc. 31.9) wraz z wtórnym promieniowaniem rentgenowskim (energia hv"foton) pojawiają się odrzut elektronów (energia kinetyczna E do elektron). Atomy lub cząsteczki stają się wtedy jonami.
efekt fotoelektryczny
W efekcie fotoelektrycznym promieniowanie rentgenowskie jest pochłaniane przez atom, w wyniku czego elektron wylatuje, a atom ulega jonizacji (fotojonizacja).
Omówione powyżej trzy główne procesy interakcji są pierwotne, prowadzą do kolejnych drugorzędnych, trzeciorzędowych itd. zjawiska. Na przykład zjonizowane atomy mogą emitować charakterystyczne widmo, wzbudzone atomy mogą stać się źródłami światła widzialnego (luminescencja rentgenowska) itp.
na ryc. 31.10 to schemat możliwych procesów, które zachodzą, gdy promieniowanie rentgenowskie wnika w substancję. Zanim energia fotonu rentgenowskiego zostanie zamieniona na energię ruchu termicznego cząsteczek, może zajść kilkadziesiąt procesów podobnych do pokazanego. W rezultacie nastąpią zmiany w składzie cząsteczkowym substancji.
Procesy reprezentowane przez diagram na ryc. 31.10 leżą u podstaw zjawisk obserwowanych pod wpływem promieniowania rentgenowskiego na materię. Wymieńmy niektóre z nich.
Luminescencja rentgenowska- blask wielu substancji pod wpływem promieniowania rentgenowskiego. Taki blask platyny-cyjanu-baru pozwolił Roentgenowi odkryć promienie. Zjawisko to wykorzystuje się do tworzenia specjalnych ekranów świetlnych do wizualnej obserwacji promieni rentgenowskich, czasem do wzmocnienia działania promieni rentgenowskich na kliszę fotograficzną.
Znane działanie chemiczne promieni rentgenowskich, takie jak tworzenie nadtlenku wodoru w wodzie. Praktycznie ważnym przykładem jest efekt na kliszy fotograficznej, który umożliwia wykrycie takich promieni.
Efekt jonizujący objawia się wzrostem przewodnictwa elektrycznego pod wpływem promieniowania rentgenowskiego. Ta właściwość jest używana
w dozymetrii do ilościowego określenia wpływu tego rodzaju promieniowania.
W wyniku wielu procesów pierwotna wiązka promieniowania rentgenowskiego ulega osłabieniu zgodnie z prawem (29,3). Zapiszmy to w postaci:
ja = ja0 mi-/", (31.8)
Gdzie μ - liniowy współczynnik tłumienia. Można go przedstawić jako składający się z trzech wyrazów odpowiadających rozproszeniu koherentnemu μ κ , niespójnemu μ ΗΚ i fotoefektowi μ F:
μ = μ k + μ hk + μ fa. (31,9)
Intensywność promieniowania rentgenowskiego jest tłumiona proporcjonalnie do liczby atomów substancji, przez którą przechodzi ten strumień. Jeśli skompresujemy materię wzdłuż osi X, na przykład w B razy zwiększając B razy jego gęstość
31,4. FIZYCZNE PODSTAWY ZASTOSOWANIA PROMIENIOWANIA Rentgenowskiego W MEDYCYNIE
Jednym z najważniejszych zastosowań medycznych promieni rentgenowskich jest prześwietlenie narządów wewnętrznych w celach diagnostycznych. (diagnostyka rentgenowska).
Do diagnostyki wykorzystywane są fotony o energii około 60-120 keV. Przy tej energii współczynnik ekstynkcji masowej zależy głównie od efektu fotoelektrycznego. Jego wartość jest odwrotnie proporcjonalna do trzeciej potęgi energii fotonu (proporcjonalnej do λ 3), która wykazuje dużą zdolność przenikania promieniowania twardego, oraz proporcjonalna do trzeciej potęgi liczby atomowej substancji pochłaniającej:
Znaczna różnica w absorpcji promieniowania rentgenowskiego przez różne tkanki pozwala zobaczyć obrazy narządów wewnętrznych ludzkiego ciała w rzucie cienia.
Diagnostyka rentgenowska stosowana jest w dwóch wersjach: fluoroskopia obraz oglądany jest na rentgenowskim ekranie luminescencyjnym, radiografia - obraz jest utrwalony na filmie.
Jeśli badany narząd i otaczające tkanki osłabiają promieniowanie rentgenowskie w przybliżeniu jednakowo, wówczas stosuje się specjalne środki kontrastowe. Na przykład, wypełniając żołądek i jelita papkowatą masą siarczanu baru, można zobaczyć ich cień.
Jasność obrazu na ekranie i czas naświetlania kliszy zależą od intensywności promieniowania rentgenowskiego. Jeśli jest używany do diagnozy, to intensywność nie może być wysoka, aby nie spowodować niepożądanych skutków biologicznych. Dlatego istnieje szereg urządzeń technicznych, które poprawiają obraz przy niskich natężeniach promieniowania rentgenowskiego. Przykładem takiego urządzenia są wzmacniacze obrazu (patrz 27.8). W masowym badaniu populacji szeroko stosuje się odmianę radiografii - fluorografię, w której obraz z dużego rentgenowskiego ekranu luminescencyjnego jest rejestrowany na czułej kliszy małoformatowej. Podczas fotografowania używany jest obiektyw o dużej aperturze, gotowe zdjęcia są oglądane na specjalnej lupie.
Ciekawą i obiecującą opcją dla radiografii jest metoda tzw tomografia rentgenowska, i jego „wersja maszynowa” - Tomografia komputerowa.
Rozważmy to pytanie.
Zwykły radiogram obejmuje duży obszar ciała, z różnymi narządami i tkankami zacieniającymi się nawzajem. Możesz tego uniknąć, jeśli okresowo przesuwasz razem lampę rentgenowską (ryc. 31.11) w przeciwfazie RT i filmu Fp względem obiektu O badania. Ciało zawiera szereg inkluzji, które są nieprzezroczyste dla promieni rentgenowskich; są one pokazane na rysunku jako kółka. Jak widać, promienie rentgenowskie w dowolnej pozycji lampy rentgenowskiej (1, 2 itp.) przejść
cięcie tego samego punktu obiektu, który jest środkiem, względem którego wykonywany jest okresowy ruch RT I Fp. Ten punkt, a dokładniej mała nieprzezroczysta inkluzja, jest oznaczony ciemnym okręgiem. Jego cień porusza się wraz z nim FP, zajmując kolejno pozycje 1, 2 itp. Pozostałe inkluzje w ciele (kości, pieczęcie itp.) tworzą się dalej Fp pewne ogólne tło, ponieważ promienie rentgenowskie nie są przez nie przesłonięte na stałe. Zmieniając położenie środka obrotu, możliwe jest uzyskanie zdjęcia rentgenowskiego ciała warstwa po warstwie. Stąd nazwa - tomografia(nagranie warstwowe).
Możliwe jest, za pomocą cienkiej wiązki promieniowania rentgenowskiego, ekranowanie (zamiast FP), składające się z półprzewodnikowych detektorów promieniowania jonizującego (patrz 32.5) oraz komputera do przetwarzania cieniowego obrazu rentgenowskiego podczas tomografii. Ta nowoczesna wersja tomografii (komputerowa lub komputerowa tomografia rentgenowska) pozwala uzyskać warstwowe obrazy ciała na ekranie kineskopu lub na papierze o szczegółach mniejszych niż 2 mm z różnicą w absorpcji promieniowania rentgenowskiego o do 0,1%. Pozwala to na przykład rozróżnić istotę szarą i białą mózgu oraz zobaczyć bardzo małe formacje nowotworowe.
1. Źródła promieniowania rentgenowskiego.
2. Zdjęcia rentgenowskie Bremsstrahlunga.
3. Charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie. Prawo Moseleya.
4. Oddziaływanie promieniowania rentgenowskiego z materią. Prawo osłabienia.
5. Fizyczne podstawy wykorzystania promieni rentgenowskich w medycynie.
6. Podstawowe pojęcia i wzory.
7. Zadania.
promieniowanie rentgenowskie - fale elektromagnetyczne o długości fali od 100 do 10 -3 nm. W skali fal elektromagnetycznych promieniowanie rentgenowskie zajmuje obszar między promieniowaniem UV a γ -promieniowanie. Promienie rentgenowskie (rentgenowskie) zostały odkryte w 1895 roku przez K. Roentgena, który w 1901 roku został pierwszym laureatem Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki.
32.1. Źródła promieniowania rentgenowskiego
Naturalnymi źródłami promieniowania rentgenowskiego są niektóre izotopy promieniotwórcze (na przykład 55 Fe). Sztuczne źródła potężnych promieni rentgenowskich są lampy rentgenowskie(Rys. 32.1).
Ryż. 32.1. Urządzenie z lampą rentgenowską
Lampa rentgenowska to próżniowa szklana kolba z dwiema elektrodami: anodą A i katodą K, pomiędzy którymi powstaje wysokie napięcie U (1-500 kV). Katoda jest cewką ogrzewaną prądem elektrycznym. Elektrony emitowane przez rozgrzaną katodę (emisja termionowa) są przyspieszane przez pole elektryczne do duży prędkości (do tego potrzebne jest wysokie napięcie) i spadają na anodę lampy. Kiedy te elektrony oddziałują z materiałem anody, powstają dwa rodzaje promieniowania rentgenowskiego: hamulec I Charakterystyka.
Powierzchnia robocza anody jest umieszczona pod pewnym kątem do kierunku wiązki elektronów, aby uzyskać pożądany kierunek promieni rentgenowskich.
Około 1% energii kinetycznej elektronów jest przekształcane w promieniowanie rentgenowskie. Reszta energii jest uwalniana w postaci ciepła. Dlatego powierzchnia robocza anody jest wykonana z materiału ogniotrwałego.
32.2. Rentgen Bremsstrahlunga
Elektron poruszający się w jakimś ośrodku traci prędkość. Powoduje to ujemne przyspieszenie. Zgodnie z teorią Maxwella każdy przyśpieszony ruchowi naładowanej cząstki towarzyszy promieniowanie elektromagnetyczne. Nazywa się promieniowanie, które pojawia się, gdy elektron zwalnia w materiale anody bremsstrahlung rentgenowskie.
O właściwościach bremsstrahlung decydują następujące czynniki.
1. Promieniowanie jest emitowane przez poszczególne kwanty, których energie są powiązane z częstotliwością wzorem (26.10)
gdzie ν to częstotliwość, λ to długość fali.
2. Wszystkie elektrony docierające do anody mają ten sam energia kinetyczna równa pracy pola elektrycznego między anodą i katodą:
gdzie e to ładunek elektronu, U to napięcie przyspieszające.
3. Energia kinetyczna elektronu jest częściowo przekazywana do substancji i idzie do jej ogrzania (Q), a częściowo jest zużywana na tworzenie kwantu promieniowania rentgenowskiego:
4. Związek między Q i hv przypadkowo.
Ze względu na ostatnią właściwość (4) kwanty generowane przez różny elektrony, mają różny częstotliwości i długości fal. Dlatego widmo bremsstrahlung jest solidny. typowy widok gęstość widmowa strumień promieniowania rentgenowskiego (Φ λ = άΦ/άλ) pokazano na ryc. 32.2.
Ryż. 32.2. Widmo Bremsstrahlunga
Od strony fal długich widmo jest ograniczone długością fali 100 nm, która jest granicą promieniowania rentgenowskiego. Od strony fal krótkich widmo jest ograniczone długością fali λ min . Zgodnie ze wzorem (32.2) minimalna długość fali odpowiada przypadkowi Q = 0 (energia kinetyczna elektronu jest całkowicie zamieniana na energię kwantu):
Obliczenia pokazują, że strumień bremsstrahlunga (Φ) jest wprost proporcjonalny do kwadratu napięcia U między
anoda i katoda, prąd I w rurze i liczba atomowa Z substancji anodowej:
Widma rentgenowskie bremsstrahlunga przy różnych napięciach, różnych temperaturach katody i różnych materiałach anody pokazano na ryc. 32.3.
Ryż. 32.3. Widmo Bremsstrahlunga (Φ λ):
a - przy różnych napięciach U w rurze; b - w różnych temperaturach T
katoda; c - z różnymi substancjami anodowymi różniącymi się parametrem Z
Wraz ze wzrostem napięcia anodowego wartość λ min przesuwa się w kierunku krótszych fal. Jednocześnie wzrasta również wysokość krzywej widmowej (ryc. 32.3, A).
Wraz ze wzrostem temperatury katody wzrasta emisja elektronów. Odpowiednio, prąd I w rurze również wzrasta. Wysokość krzywej widmowej wzrasta, ale skład widmowy promieniowania nie zmienia się (ryc. 32.3, b).
Kiedy zmienia się materiał anody, wysokość krzywej widmowej zmienia się proporcjonalnie do liczby atomowej Z (ryc. 32.3, c).
32.3. Charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie. Prawo Moseleya
Kiedy elektrony katodowe oddziałują z atomami anodowymi, wraz z promieniowaniem rentgenowskim bremsstrahlung powstaje promieniowanie rentgenowskie, którego widmo składa się z poszczególne linie. To promieniowanie
ma następujące pochodzenie. Niektóre elektrony katodowe wnikają głęboko w atom i wybijają z niego elektrony. skorupy wewnętrzne. Powstałe w ten sposób wolne miejsca są wypełnione elektronami szczyt powłok, co powoduje emisję kwantów promieniowania. Promieniowanie to zawiera dyskretny zestaw częstotliwości określonych przez materiał anody i jest nazywane charakterystyczne promieniowanie. Pełne widmo lampy rentgenowskiej jest superpozycją widma charakterystycznego na widmo bremsstrahlunga (ryc. 32.4).
Ryż. 32,4. Widmo emisyjne lampy rentgenowskiej
Istnienie charakterystycznych widm rentgenowskich odkryto za pomocą lamp rentgenowskich. Później stwierdzono, że takie widma powstają podczas dowolnej jonizacji wewnętrznych orbit pierwiastków chemicznych. Po przestudiowaniu charakterystycznych widm różnych pierwiastków chemicznych G. Moseley (1913) ustanowił następujące prawo, które nosi jego imię.
Pierwiastek kwadratowy z częstotliwości charakterystycznego promieniowania jest funkcją liniową liczby porządkowej pierwiastka:
gdzie ν to częstotliwość linii widmowej, Z to liczba atomowa pierwiastka emitującego, A, B to stałe.
Prawo Moseleya umożliwia określenie liczby atomowej pierwiastka chemicznego z obserwowanego widma charakterystycznego promieniowania. Odegrało to dużą rolę w rozmieszczeniu pierwiastków w układzie okresowym.
32,4. Oddziaływanie promieniowania rentgenowskiego z materią. prawo osłabienia
Istnieją dwa główne typy interakcji promieniowania rentgenowskiego z materią: rozpraszanie i efekt fotoelektryczny. Po rozproszeniu zmienia się kierunek ruchu fotonu. W efekcie fotoelektrycznym foton zaabsorbowany.
1. Spójne (elastyczne) rozpraszanie występuje, gdy energia fotonu promieniowania rentgenowskiego jest niewystarczająca do wewnętrznej jonizacji atomu (wybicia elektronu z jednej z powłok wewnętrznych). W tym przypadku zmienia się kierunek ruchu fotonu, a jego energia i długość fali nie zmieniają się (dlatego nazywa się to rozpraszanie elastyczny).
2. Rozpraszanie niespójne (Comptona). występuje, gdy energia fotonu jest znacznie większa niż wewnętrzna energia jonizacji A u: hv >> A u.
W tym przypadku elektron odrywa się od atomu i uzyskuje pewną energię kinetyczną E k. Kierunek fotonu podczas rozpraszania Comptona zmienia się, a jego energia maleje:
Rozpraszanie Comptona jest związane z jonizacją atomów materii.
3. efekt fotoelektryczny występuje, gdy energia fotonu hv jest wystarczająca do zjonizowania atomu: hv > Au. W tym samym czasie kwant promieniowania rentgenowskiego zaabsorbowany a jego energia jest wydawana na jonizację atomu i przekazanie energii kinetycznej wyrzuconemu elektronowi E k \u003d hv - AI.
Rozpraszaniu Comptona i efektowi fotoelektrycznemu towarzyszy charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie, gdyż po wybiciu elektronów wewnętrznych luki wypełniają się elektronami z powłok zewnętrznych.
Luminescencja rentgenowska. W niektórych substancjach elektrony i kwanty rozpraszania Comptona, a także elektrony efektu fotoelektrycznego powodują wzbudzenie cząsteczek, któremu towarzyszą radiacyjne przejścia do stanu podstawowego. Powoduje to poświatę zwaną luminescencją rentgenowską. Luminescencja platyny-cyjanu baru umożliwiła odkrycie promieni rentgenowskich przez Roentgena.
prawo osłabienia
Rozpraszanie promieni rentgenowskich i efekt fotoelektryczny powodują, że w miarę wnikania promieniowania rentgenowskiego w głąb wiązka pierwotna ulega osłabieniu (ryc. 32.5). Złagodzenie jest wykładnicze:
Wartość μ zależy od materiału pochłaniającego i widma promieniowania. Do praktycznych obliczeń, jako charakterystyka osłabionych
Ryż. 32,5. Tłumienie strumienia promieniowania rentgenowskiego w kierunku padania promieni
Gdzie λ
- długość fali; Z to liczba atomowa pierwiastka; k jest pewną stałą.
32,5. Fizyczne podstawy użytkowania
promieniowanie rentgenowskie w medycynie
W medycynie promieniowanie rentgenowskie wykorzystuje się do celów diagnostycznych i terapeutycznych.
Diagnostyka rentgenowska- Metody uzyskiwania obrazów narządów wewnętrznych za pomocą promieni rentgenowskich.
Fizyczną podstawą tych metod jest prawo tłumienia promieniowania rentgenowskiego w materii (32.10). Jednolity strumień promieniowania rentgenowskiego w przekroju poprzecznym po przejściu tkanka niejednorodna stanie się niejednorodny. Tę niejednorodność można zarejestrować na kliszy fotograficznej, ekranie fluorescencyjnym lub za pomocą fotodetektora matrycowego. Na przykład współczynniki osłabienia masy tkanki kostnej - Ca 3 (PO 4) 2 - i tkanek miękkich - głównie H 2 O - różnią się 68 razy (μ m kości / μ m wody = 68). Gęstość kości jest również wyższa niż gęstość tkanek miękkich. Dlatego zdjęcie rentgenowskie daje jasny obraz kości na ciemniejszym tle tkanek miękkich.
Jeśli badany narząd i otaczające go tkanki mają podobne współczynniki tłumienia, to specjalne środki kontrastowe. Na przykład podczas fluoroskopii żołądka badany przyjmuje papkowatą masę siarczanu baru (BaSO4), w której współczynnik tłumienia masy jest 354 razy większy niż w przypadku tkanek miękkich.
Do diagnostyki wykorzystuje się promieniowanie rentgenowskie o energii fotonu 60-120 keV. W praktyce medycznej stosuje się następujące metody diagnostyki rentgenowskiej.
1. rentgenowskie. Obraz powstaje na ekranie fluorescencyjnym. Jasność obrazu jest niska i można go oglądać tylko w zaciemnionym pomieszczeniu. Lekarz musi być chroniony przed narażeniem.
Zaletą fluoroskopii jest to, że jest przeprowadzana w czasie rzeczywistym. Wadą jest duże obciążenie promieniowaniem pacjenta i lekarza (w porównaniu z innymi metodami).
Nowoczesna wersja fluoroskopii - telewizja rentgenowska - wykorzystuje wzmacniacze obrazu rentgenowskiego. Wzmacniacz odbiera słabą poświatę ekranu rentgenowskiego, wzmacnia ją i przesyła na ekran telewizora. W rezultacie obciążenie promieniowaniem lekarza gwałtownie spadło, jasność obrazu wzrosła, a wyniki badania stały się możliwe do zarejestrowania na wideo.
2. Radiografia. Obraz powstaje na specjalnej błonie czułej na promieniowanie rentgenowskie. Zdjęcia wykonywane są w dwóch wzajemnie prostopadłych rzutach (bezpośrednim i bocznym). Obraz staje się widoczny po obróbce zdjęć. Gotowy wysuszony obraz ogląda się w świetle przechodzącym.
Jednocześnie szczegóły są zadowalająco widoczne, których kontrast różni się o 1-2%.
W niektórych przypadkach przed badaniem pacjent otrzymuje specjalną środek kontrastowy. Na przykład roztwór zawierający jod (dożylnie) w badaniu nerek i dróg moczowych.
Zaletami radiografii są wysoka rozdzielczość, krótki czas naświetlania i niemal całkowite bezpieczeństwo dla lekarza. Wady obejmują obraz statyczny (obiektu nie da się prześledzić w dynamice).
3. Fluorografia. W tym badaniu obraz uzyskany na ekranie jest fotografowany na czułej kliszy małoformatowej. Fluorografia jest szeroko stosowana w masowym badaniu populacji. Jeśli na fluorogramie zostaną znalezione zmiany patologiczne, pacjentowi przepisuje się bardziej szczegółowe badanie.
4. Elektrorentgenografia. Ten rodzaj badania różni się od konwencjonalnej radiografii sposobem rejestrowania obrazu. Użyj zamiast filmu płyta selenowa, naelektryzowane promieniowaniem rentgenowskim. Rezultatem jest utajony obraz ładunków elektrycznych, który można uwidocznić i przenieść na papier.
5. Angiografia. Metodę tę stosuje się w badaniu naczyń krwionośnych. Środek kontrastowy jest wstrzykiwany do żyły przez cewnik, po czym potężna maszyna rentgenowska wykonuje serię zdjęć następujących po sobie w ułamku sekundy. Rycina 32.6 przedstawia angiogram w okolicy tętnicy szyjnej.
6. Tomografia komputerowa rentgenowska. Ten rodzaj badania RTG pozwala uzyskać obraz płaskiego wycinka ciała o grubości kilku mm. W tym przypadku dany fragment jest wielokrotnie oświetlany pod różnymi kątami z utrwaleniem każdego pojedynczego obrazu w pamięci komputera. Następnie
Ryż. 32,6. Angiogram przedstawiający zwężenie w kanale tętnicy szyjnej
Ryż. 32,7. Schemat skanowania tomografii (a); tomogram głowy w przekroju na wysokości oczu (b).
przeprowadzana jest rekonstrukcja komputerowa, której efektem jest obraz zeskanowanej warstwy (ryc. 32.7).
Tomografia komputerowa umożliwia rozróżnienie pierwiastków z różnicą gęstości między nimi do 1%. Konwencjonalna radiografia pozwala uchwycić minimalną różnicę gęstości między sąsiednimi obszarami na poziomie 10-20%.
Terapia rentgenowska - wykorzystanie promieni rentgenowskich do niszczenia nowotworów złośliwych.
Biologicznym efektem promieniowania jest zakłócenie żywotnej aktywności szczególnie szybko namnażających się komórek. Bardzo twarde promieniowanie rentgenowskie (o energii fotonu około 10 MeV) jest wykorzystywane do niszczenia komórek rakowych głęboko w organizmie. Aby zmniejszyć uszkodzenia otaczających zdrowych tkanek, wiązka obraca się wokół pacjenta w taki sposób, że cały czas pod jej wpływem pozostaje tylko uszkodzony obszar.
32,6. Podstawowe pojęcia i formuły
Kontynuacja tabeli
Koniec tabeli
32,7. Zadania
1. Dlaczego wiązka elektronów w medycznych lampach rentgenowskich uderza w jeden punkt antykatody, a nie pada na nią szeroką wiązką?
Odpowiedź: w celu uzyskania punktowego źródła promieni rentgenowskich, dającego ostry zarys półprzezroczystych obiektów na ekranie.
2. Znajdź granicę promieniowania rentgenowskiego bremsstrahlunga (częstotliwość i długość fali) dla napięć U 1 = 2 kV i U 2 = 20 kV.
4.
Ekrany ołowiane służą do ochrony przed promieniowaniem rentgenowskim. Absorpcja liniowa promieniowania rentgenowskiego w ołowiu wynosi 52 cm -1 . Jaka powinna być grubość ołowianej warstwy ekranującej, aby zmniejszyła intensywność promieniowania rentgenowskiego 30-krotnie?
5.
Znajdź strumień promieniowania lampy rentgenowskiej przy U = 50 kV, I = 1 mA. Anoda wykonana jest z wolframu (Z = 74). Znajdź wydajność rury.
6.
Do diagnostyki rentgenowskiej tkanek miękkich stosuje się środki kontrastowe. Na przykład żołądek i jelita są wypełnione masą siarczanu baru (BaSO 4 ). Porównaj współczynniki tłumienia masowego siarczanu baru i tkanek miękkich (wody).
7. Co da grubszy cień na ekranie rentgenowskim: aluminium (Z = 13, ρ = 2,7 g/cm 3) czy ta sama warstwa miedzi (Z = 29, ρ = 8,9 g/cm 3)?
8.
Ile razy grubość warstwy aluminium jest większa niż grubość warstwy miedzi, jeśli warstwy tłumią promieniowanie rentgenowskie w ten sam sposób?
Promienie rentgenowskie odgrywają jedną z najważniejszych ról w badaniu i praktycznym wykorzystaniu zjawisk atomowych. Dzięki ich badaniom dokonano wielu odkryć i opracowano metody analizy substancji, które są wykorzystywane w różnych dziedzinach. Tutaj rozważymy jeden z rodzajów promieni rentgenowskich - charakterystyczne promienie rentgenowskie.
Natura i właściwości promieni rentgenowskich
Promieniowanie rentgenowskie to wysokoczęstotliwościowa zmiana stanu pola elektromagnetycznego rozchodzącego się w przestrzeni z prędkością około 300 000 km/s, czyli fale elektromagnetyczne. W skali zasięgu promieniowania elektromagnetycznego promienie rentgenowskie mieszczą się w zakresie długości fal od około 10 -8 do 5∙10 -12 metrów, czyli o kilka rzędów wielkości krótszym niż fale optyczne. Odpowiada to częstotliwościom od 3∙10 16 do 6∙10 19 Hz i energiom od 10 eV do 250 keV, czyli 1,6∙10 -18 do 4∙10 -14 J. Należy zauważyć, że granice zakresów częstotliwości promieniowania elektromagnetycznego są raczej konwencjonalne ze względu na ich nakładanie się.
Jest oddziaływaniem przyspieszonych naładowanych cząstek (elektronów o wysokiej energii) z polami elektrycznymi i magnetycznymi oraz z atomami materii.
Fotony promieniowania rentgenowskiego charakteryzują się wysokimi energiami oraz dużą zdolnością przenikania i jonizacji, szczególnie w przypadku twardego promieniowania rentgenowskiego o długości fali mniejszej niż 1 nanometr (10 -9 m).
Promieniowanie X oddziałuje z materią, jonizując jej atomy, w procesach efektu fotoelektrycznego (fotoabsorpcji) i rozpraszania niespójnego (Comptona). W fotoabsorpcji foton promieniowania rentgenowskiego, absorbowany przez elektron atomu, przekazuje mu energię. Jeśli jego wartość przekracza energię wiązania elektronu w atomie, to opuszcza atom. Rozpraszanie Comptona jest charakterystyczne dla twardszych (energetycznych) fotonów promieniowania rentgenowskiego. Część energii zaabsorbowanego fotonu jest zużywana na jonizację; w tym przypadku pod pewnym kątem do kierunku fotonu pierwotnego emitowany jest foton wtórny o niższej częstotliwości.
Rodzaje promieniowania rentgenowskiego. Bremsstrahlung
Aby uzyskać promienie, stosuje się szklane butelki próżniowe z umieszczonymi wewnątrz elektrodami. Różnica potencjałów między elektrodami musi być bardzo duża – do setek kilowoltów. Na katodzie wolframowej ogrzewanej prądem zachodzi emisja termionowa, to znaczy emitowane są z niej elektrony, które przyspieszone różnicą potencjałów bombardują anodę. W wyniku ich interakcji z atomami anody (czasami nazywanej antykatodą) powstają fotony promieniowania rentgenowskiego.
W zależności od tego, jaki proces prowadzi do narodzin fotonu, istnieją takie rodzaje promieniowania rentgenowskiego, jak bremsstrahlung i charakterystyczne.
Elektrony, spotykając się z anodą, mogą zwalniać, to znaczy tracić energię w polach elektrycznych jej atomów. Energia ta jest emitowana w postaci fotonów rentgenowskich. Takie promieniowanie nazywa się bremsstrahlung.
Oczywiste jest, że warunki hamowania będą różne dla poszczególnych elektronów. Oznacza to, że różne ilości ich energii kinetycznej są przekształcane w promieniowanie rentgenowskie. W rezultacie bremsstrahlung obejmuje fotony o różnych częstotliwościach i odpowiednio długościach fal. Dlatego jego widmo jest ciągłe (ciągłe). Czasami z tego powodu nazywa się to również „białym” promieniowaniem rentgenowskim.
Energia fotonu bremsstrahlung nie może przekroczyć energii kinetycznej elektronu, który go generuje, tak aby maksymalna częstotliwość (i najmniejsza długość fali) bremsstrahlung odpowiadała największej wartości energii kinetycznej elektronów padających na anodę. To ostatnie zależy od różnicy potencjałów przyłożonej do elektrod.
Istnieje inny rodzaj promieniowania rentgenowskiego, który pochodzi z innego procesu. To promieniowanie nazywa się charakterystycznym i zajmiemy się nim bardziej szczegółowo.
Jak powstają charakterystyczne promienie rentgenowskie
Po dotarciu do antykatody szybki elektron może wniknąć do wnętrza atomu i wybić dowolny elektron z jednego z niższych orbitali, czyli przekazać mu energię wystarczającą do pokonania bariery potencjału. Jeśli jednak w atomie znajdują się wyższe poziomy energii zajmowane przez elektrony, zwolnione miejsce nie pozostanie puste.
Należy pamiętać, że struktura elektronowa atomu, jak każdy system energetyczny, dąży do minimalizacji energii. Wakat powstały w wyniku nokautu zostaje wypełniony elektronem z jednego z wyższych poziomów. Jego energia jest wyższa, a zajmując niższy poziom, emituje nadwyżkę w postaci kwantu charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego.
Struktura elektronowa atomu to dyskretny zbiór możliwych stanów energetycznych elektronów. Dlatego fotony rentgenowskie emitowane podczas wymiany wakansów elektronowych również mogą mieć tylko ściśle określone wartości energii, odzwierciedlające różnicę poziomów. W rezultacie charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie ma widmo nie ciągłe, ale typu liniowego. Takie widmo umożliwia scharakteryzowanie substancji anody - stąd nazwa tych promieni. Właśnie z powodu różnic widmowych jasne jest, co oznacza bremsstrahlung i charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie.
Czasami nadmiar energii nie jest emitowany przez atom, ale jest zużywany na wybijanie trzeciego elektronu. Proces ten – tzw. efekt Augera – jest bardziej prawdopodobny, gdy energia wiązania elektronów nie przekracza 1 keV. Energia uwolnionego elektronu Augera zależy od struktury poziomów energetycznych atomu, dlatego też widma takich elektronów są dyskretne.
Ogólny widok widma charakterystycznego
W widmie rentgenowskim występują wąskie charakterystyczne linie wraz z ciągłym widmem bremsstrahlung. Jeśli przedstawimy widmo jako wykres intensywności w funkcji długości fali (częstotliwości), zobaczymy ostre piki w miejscach linii. Ich położenie zależy od materiału anody. Te maksima są obecne przy każdej różnicy potencjałów - jeśli są promienie rentgenowskie, zawsze są też szczyty. Wraz ze wzrostem napięcia na elektrodach tuby wzrasta intensywność zarówno ciągłego, jak i charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego, ale położenie pików i stosunek ich natężeń nie zmienia się.
Piki w widmach rentgenowskich mają ten sam kształt niezależnie od materiału antykatody naświetlanej elektronami, ale dla różnych materiałów znajdują się one przy różnych częstotliwościach, łącząc się szeregowo w zależności od bliskości wartości częstotliwości. Pomiędzy samymi seriami różnica w częstotliwościach jest znacznie bardziej znacząca. Kształt maksimów nie zależy w żaden sposób od tego, czy materiał anody reprezentuje czysty pierwiastek chemiczny, czy też jest substancją złożoną. W tym drugim przypadku charakterystyczne widma rentgenowskie jego pierwiastków składowych po prostu nakładają się na siebie.
Wraz ze wzrostem liczby atomowej pierwiastka chemicznego wszystkie linie jego widma rentgenowskiego przesuwają się w kierunku rosnącej częstotliwości. Widmo zachowuje swoją formę.
Prawo Moseleya
Zjawisko przesunięcia widmowego linii charakterystycznych zostało eksperymentalnie odkryte przez angielskiego fizyka Henry'ego Moseleya w 1913 roku. To pozwoliło mu powiązać częstotliwości maksimów widma z liczbami porządkowymi pierwiastków chemicznych. Tak więc długość fali charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego, jak się okazało, może być wyraźnie skorelowana z konkretnym pierwiastkiem. Ogólnie prawo Moseleya można zapisać w następujący sposób: √f = (Z - S n)/n√R, gdzie f to częstotliwość, Z to liczba porządkowa pierwiastka, S n to stała ekranowania, n to kwant główny liczba, a R jest stałą Rydberga. Ta zależność jest liniowa i pojawia się na diagramie Moseleya jako seria linii prostych dla każdej wartości n.
Wartości n odpowiadają poszczególnym seriom charakterystycznych pików rentgenowskich. Prawo Moseleya pozwala określić numer seryjny pierwiastka chemicznego napromieniowanego twardymi elektronami na podstawie zmierzonych długości fal (są one jednoznacznie związane z częstotliwościami) maksimów widma rentgenowskiego.
Struktura powłok elektronowych pierwiastków chemicznych jest identyczna. Wskazuje na to monotoniczność zmiany przesunięcia w charakterystycznym widmie promieniowania rentgenowskiego. Przesunięcie częstotliwości odzwierciedla nie strukturalne, ale różnice energii między powłokami elektronowymi, unikalne dla każdego pierwiastka.
Rola prawa Moseleya w fizyce atomowej
Istnieją niewielkie odchylenia od ścisłej liniowej zależności wyrażonej przez prawo Moseleya. Wiążą się one, po pierwsze, z osobliwościami kolejności wypełnienia powłok elektronowych w niektórych pierwiastkach, a po drugie, z relatywistycznymi efektami ruchu elektronów w ciężkich atomach. Ponadto, gdy zmienia się liczba neutronów w jądrze (tzw. przesunięcie izotopowe), położenie linii może się nieznacznie zmienić. Efekt ten umożliwił szczegółowe zbadanie struktury atomu.
Znaczenie prawa Moseleya jest niezwykle wielkie. Jego konsekwentne zastosowanie do elementów układu okresowego Mendelejewa ustaliło wzorzec zwiększania numeru seryjnego zgodnie z każdym małym przesunięciem charakterystycznych maksimów. Przyczyniło się to do wyjaśnienia kwestii fizycznego znaczenia liczby porządkowej elementów. Wartość Z to nie tylko liczba: to dodatni ładunek elektryczny jądra, który jest sumą jednostkowych ładunków dodatnich tworzących je cząstek. Prawidłowe rozmieszczenie elementów w tabeli i obecność w niej pustych pozycji (wtedy jeszcze istniały) uzyskało mocne potwierdzenie. Udowodniono ważność prawa okresowości.
Ponadto prawo Moseleya stało się podstawą, na której powstał cały obszar badań eksperymentalnych - spektrometria rentgenowska.
Budowa powłok elektronowych atomu
Przypomnijmy pokrótce, jak zbudowana jest struktura elektronowa, składająca się z powłok, oznaczonych literami K, L, M, N, O, P, Q lub cyframi od 1 do 7. Elektrony wewnątrz powłoki charakteryzują się tym samym główna liczba kwantowa n, która określa możliwe wartości energii. W powłokach zewnętrznych energia elektronów jest wyższa, a potencjał jonizacji elektronów zewnętrznych odpowiednio niższy.
Powłoka zawiera jeden lub więcej podpoziomów: s, p, d, f, g, h, i. W każdej powłoce liczba podpoziomów wzrasta o jeden w porównaniu do poprzedniej. Liczba elektronów w każdym podpoziomie iw każdej powłoce nie może przekroczyć określonej wartości. Cechuje je, oprócz głównej liczby kwantowej, ta sama wartość orbitalnej chmury elektronów, która decyduje o kształcie. Podpoziomy są oznaczone powłoką, do której należą, na przykład 2s, 4d i tak dalej.
Podpoziom zawiera, które wyznacza, oprócz głównego i orbitalnego, jeszcze jedna liczba kwantowa - magnetyczna, która określa rzutowanie pędu orbitalnego elektronu na kierunek pola magnetycznego. Jeden orbital może mieć nie więcej niż dwa elektrony, różniące się wartością czwartej liczby kwantowej - spinu.
Rozważmy bardziej szczegółowo, jak powstaje charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie. Ponieważ geneza tego rodzaju emisji elektromagnetycznej jest związana ze zjawiskami zachodzącymi wewnątrz atomu, najwygodniej jest opisać ją właśnie w przybliżeniu konfiguracji elektronowych.
Mechanizm powstawania charakterystycznych promieni rentgenowskich
Tak więc przyczyną tego promieniowania jest powstawanie luk elektronowych w powłokach wewnętrznych, w wyniku wnikania wysokoenergetycznych elektronów w głąb atomu. Prawdopodobieństwo interakcji twardego elektronu wzrasta wraz z gęstością chmur elektronowych. Dlatego kolizje najprawdopodobniej mają miejsce w gęsto upakowanych powłokach wewnętrznych, takich jak najniższa powłoka K. Tutaj atom jest zjonizowany, aw powłoce 1s powstaje wakat.
Pustkę tę wypełnia elektron z powłoki o wyższej energii, której nadmiar jest odprowadzany przez foton promieniowania rentgenowskiego. Elektron ten może „spaść” z drugiej powłoki L, z trzeciej powłoki M i tak dalej. W ten sposób powstaje szereg charakterystyczny, w tym przykładzie szereg K. Wskazanie, skąd pochodzi elektron wypełniający lukę, podaje się w postaci indeksu greckiego przy oznaczaniu szeregu. „Alfa” oznacza, że pochodzi z powłoki L, „beta” – z powłoki M. Obecnie istnieje tendencja do zastępowania indeksów liter greckich indeksami łacińskimi, przyjętymi do oznaczania muszli.
Intensywność linii alfa w szeregu jest zawsze największa, co oznacza, że prawdopodobieństwo zapełnienia wakatu z sąsiedniej powłoki jest największe.
Teraz możemy odpowiedzieć na pytanie, jaka jest maksymalna energia charakterystycznego kwantu promieniowania rentgenowskiego. Jest to określone przez różnicę wartości energii poziomów, między którymi następuje przejście elektronu, zgodnie ze wzorem E \u003d E n 2 - E n 1, gdzie E n 2 i E n 1 są energiami stany elektroniczne, pomiędzy którymi nastąpiło przejście. Najwyższą wartość tego parametru dają przejścia serii K od najwyższych możliwych poziomów atomów pierwiastków ciężkich. Ale intensywność tych linii (wysokości pików) jest najmniejsza, ponieważ są one najmniej prawdopodobne.
Jeśli z powodu niewystarczającego napięcia na elektrodach twardy elektron nie może osiągnąć poziomu K, tworzy lukę na poziomie L i powstaje mniej energetyczna seria L o dłuższych falach. Kolejne serie rodzą się w podobny sposób.
Ponadto, gdy wakat jest wypełniony, w wyniku przejścia elektronicznego pojawia się nowy wakat w leżącej nad nim powłoce. Stwarza to warunki do generowania kolejnych serii. Wakaty elektronowe przesuwają się wyżej z poziomu na poziom, a atom emituje kaskadę charakterystycznych serii widmowych, pozostając zjonizowanym.
Drobna struktura charakterystycznych widm
Atomowe widma rentgenowskie charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego charakteryzują się subtelną strukturą, która wyraża się, podobnie jak w widmach optycznych, rozszczepieniem linii.
Drobna struktura wynika z faktu, że poziom energetyczny - powłoka elektronowa - jest zbiorem blisko rozmieszczonych składników - podpowłok. Aby scharakteryzować podpowłoki, wprowadzono jeszcze jedną wewnętrzną liczbę kwantową j, która odzwierciedla interakcję wewnętrznego i orbitalnego momentu magnetycznego elektronu.
Pod wpływem oddziaływania spin-orbita struktura energetyczna atomu staje się bardziej skomplikowana, w wyniku czego charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie ma widmo, które charakteryzuje się liniami podziału z bardzo blisko rozmieszczonymi pierwiastkami.
Elementy struktury drobnoziarnistej są zwykle oznaczane dodatkowymi indeksami cyfrowymi.
Charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie ma cechę, która znajduje odzwierciedlenie jedynie w drobnej strukturze widma. Przejście elektronu na najniższy poziom energetyczny nie następuje z dolnej podpowłoki poziomu nad nim. Takie zdarzenie ma znikome prawdopodobieństwo.
Wykorzystanie promieniowania rentgenowskiego w spektrometrii
Promieniowanie to, ze względu na swoje cechy opisane prawem Moseleya, leży u podstaw różnych rentgenowskich metod spektralnych do analizy substancji. Do analizy widma rentgenowskiego wykorzystuje się albo dyfrakcję promieniowania na kryształach (metoda falowo-dyspersyjna), albo detektory czułe na energię pochłoniętych fotonów promieniowania rentgenowskiego (metoda dyspersyjna energetyczna). Większość mikroskopów elektronowych jest wyposażona w jakąś formę przystawki do spektrometrii rentgenowskiej.
Spektrometria falowo-dyspersyjna charakteryzuje się szczególnie wysoką dokładnością. Za pomocą specjalnych filtrów wybierane są najintensywniejsze piki w widmie, dzięki czemu możliwe jest uzyskanie promieniowania niemal monochromatycznego o dokładnie znanej częstotliwości. Materiał anody jest wybierany bardzo starannie, aby zapewnić uzyskanie monochromatycznej wiązki o pożądanej częstotliwości. Jego dyfrakcja na siatce krystalicznej badanej substancji umożliwia badanie struktury sieci z dużą dokładnością. Ta metoda jest również stosowana w badaniu DNA i innych złożonych cząsteczek.
Jedna z cech charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego jest również uwzględniana w spektrometrii gamma. Jest to duża intensywność charakterystycznych pików. Spektrometry gamma wykorzystują ołowianą osłonę przed zewnętrznym promieniowaniem tła, które zakłóca pomiary. Ale ołów, pochłaniając kwanty gamma, ulega wewnętrznej jonizacji, w wyniku czego aktywnie emituje w zakresie rentgenowskim. Dodatkowa osłona kadmu służy do pochłaniania intensywnych pików charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego z ołowiu. Ten z kolei jest zjonizowany, a także emituje promieniowanie rentgenowskie. Do zneutralizowania charakterystycznych pików kadmu stosowana jest trzecia warstwa ekranująca - miedź, której maksima rentgenowskie leżą poza zakresem częstotliwości pracy spektrometru gamma.
Spektrometria wykorzystuje zarówno promieniowanie bremsstrahlung, jak i charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie. Tak więc w analizie substancji badane są widma absorpcji ciągłego promieniowania rentgenowskiego przez różne substancje.
1. Bremsstrahlung i charakterystyczne zdjęcia rentgenowskie,
podstawowe właściwości i cechy.
W 1895 r. niemiecki naukowiec Roentgen jako pierwszy odkrył poświatę ekranu fluorescencyjnego, która była spowodowana niewidocznym dla oka promieniowaniem pochodzącym z części szkła lampy wyładowczej znajdującej się naprzeciw katody. Ten rodzaj promieniowania miał zdolność przenikania przez substancje nieprzepuszczalne dla światła widzialnego. Roentgen nazwał je promieniami rentgenowskimi i ustalił podstawowe właściwości, które umożliwiają ich wykorzystanie w różnych gałęziach nauki i techniki, w tym w medycynie.
Promieniowanie rentgenowskie nazywa się promieniowaniem o długości fali 80-10 -5 nm. Długofalowe promieniowanie rentgenowskie nakłada się na krótkofalowe promieniowanie UV, krótkofalowe nakłada się na długofalowe promieniowanie g. W medycynie stosuje się promieniowanie rentgenowskie o długości fali od 10 do 0,005 nm, co odpowiada energii fotonu od 10 2 EV do 0,5 MeV. Promieniowanie rentgenowskie jest niewidoczne dla oka, dlatego wszystkie obserwacje nim wykonuje się przy użyciu ekranów fluorescencyjnych lub klisz fotograficznych, ponieważ powoduje luminescencję rentgenowską i ma działanie fotochemiczne. Charakterystyczne jest, że większość ciał nieprzenikalnych dla promieniowania optycznego jest w dużej mierze przezroczysta dla promieniowania rentgenowskiego, które ma właściwości wspólne dla fal elektromagnetycznych. Jednak ze względu na małą długość fali niektóre właściwości są trudne do wykrycia. Dlatego falowy charakter promieniowania ustalono znacznie później niż ich odkrycie.
Zgodnie z metodą wzbudzenia promieniowanie rentgenowskie dzieli się na promieniowanie bremsstrahlung i charakterystyczne.
Promienie rentgenowskie Bremsstrahlunga są spowodowane zwalnianiem szybko poruszających się elektronów przez pole elektryczne atomu (jądra i elektronów) substancji, przez którą przelatują. Mechanizm tego promieniowania można wytłumaczyć faktem, że każdy poruszający się ładunek jest prądem, wokół którego powstaje pole magnetyczne, którego indukcja (B) zależy od prędkości elektronu. Podczas hamowania indukcja magnetyczna maleje i zgodnie z teorią Maxwella pojawia się fala elektromagnetyczna.
Kiedy elektrony spowalniają, tylko część energii jest zużywana na wytworzenie fotonu rentgenowskiego, druga część jest zużywana na ogrzewanie anody. Częstotliwość (długość fali) fotonu zależy od początkowej energii kinetycznej elektronu i intensywności jego hamowania. Co więcej, nawet jeśli początkowa energia kinetyczna jest taka sama, to warunki hamowania w substancji będą różne, dlatego emitowane fotony będą miały najbardziej zróżnicowaną energię, a co za tym idzie długość fali, tj. widmo rentgenowskie będzie ciągłe. Rysunek 1 przedstawia widmo hamowania przy różnych napięciach U 1
.
Jeśli U jest wyrażone w kilowoltach i bierze się pod uwagę stosunek między innymi wielkościami, wówczas wzór wygląda następująco: l k \u003d 1,24 / U (nm) lub l k \u003d 1,24 / U (Å) (1Å \u003d 10 -10 m ).
Na podstawie powyższych wykresów można stwierdzić, że długość fali l m, która odpowiada za maksymalną energię promieniowania, pozostaje w stałym stosunku do granicznej długości fali l k:
.
Długość fali charakteryzuje energię fotonu, od której zależy zdolność przenikania promieniowania podczas jego interakcji z materią.
Krótkofalowe promienie rentgenowskie mają zwykle dużą zdolność przenikania i nazywane są twardymi, podczas gdy długofalowe promienie rentgenowskie nazywane są miękkimi. Jak widać z powyższego wzoru, długość fali, przy której spada maksymalna energia promieniowania, jest odwrotnie proporcjonalna do napięcia między anodą i katodą lampy. Zwiększenie napięcia na anodzie lampy rentgenowskiej zmienia skład widmowy promieniowania i zwiększa jego twardość.
Gdy zmienia się napięcie żarnika (zmiana temperatury żarnika katody), zmienia się liczba elektronów emitowanych przez katodę na jednostkę czasu lub odpowiednio natężenie prądu w obwodzie anodowym lampy. W tym przypadku moc promieniowania zmienia się proporcjonalnie do pierwszej potęgi prądu. Widmowy skład promieniowania nie ulegnie zmianie.
Całkowity strumień (moc) promieniowania, rozkład energii na długościach fal, a także granica widma po stronie fal krótkich zależą od trzech czynników: napięcia U, które przyspiesza elektrony i jest przyłożone między anodą a katodą rury; liczba elektronów biorących udział w powstawaniu promieniowania, tj. prąd żarnika rury; liczba atomowa Z materiału anodowego, w którym następuje spowolnienie elektronu.
Strumień bremsstrahlung oblicza się ze wzoru: , gdzie 
,
Numer seryjny Z atomu substancji (liczba atomowa).
Zwiększając napięcie na lampie rentgenowskiej można zauważyć pojawienie się osobnych linii (widma liniowego) na tle ciągłego promieniowania bremsstrahlung, które odpowiada charakterystycznemu promieniowaniu rentgenowskiemu. Powstaje podczas przejścia elektronów między wewnętrznymi powłokami atomów w substancji (powłoki K, L, M). Liniowy charakter charakterystycznego widma promieniowania wynika z faktu, że przyspieszone elektrony wnikają głęboko w atomy i wybijają elektrony z atomu z jego warstw wewnętrznych. Elektrony (rys. 2) z górnych warstw przechodzą do wolnych miejsc, w wyniku czego emitowane są fotony rentgenowskie z częstotliwością odpowiadającą różnicy poziomów energii przejścia. Linie w widmie promieniowania charakterystycznego łączą się w szeregi odpowiadające przejściom elektronów o wyższym poziomie na poziomie K, L, M.
Działanie zewnętrzne, w wyniku którego elektron jest wybijany z warstw wewnętrznych, musi być wystarczająco silne. W przeciwieństwie do widm optycznych charakterystyczne widma rentgenowskie różnych atomów są tego samego typu. Jednorodność tych widm wynika z faktu, że wewnętrzne warstwy różnych atomów są takie same i różnią się tylko energią, ponieważ efekt siły od strony jądra wzrasta wraz ze wzrostem liczby porządkowej pierwiastka. Prowadzi to do tego, że charakterystyczne widma przesuwają się w kierunku wyższych częstotliwości wraz ze wzrostem ładunku jądrowego. Ta zależność jest znana jako prawo Moseleya: 
, gdzie A i B są stałymi; Numer porządkowy Z elementu.
Jest jeszcze jedna różnica między widmami rentgenowskimi i optycznymi. Widmo charakterystyczne atomu nie zależy od związku chemicznego, w skład którego wchodzi atom. Na przykład widmo rentgenowskie atomu tlenu jest takie samo dla O, O 2 , H 2 O, podczas gdy widma optyczne tych związków są znacząco różne. Ta cecha widm rentgenowskich atomów posłużyła za podstawę nazwy „charakterystyczny”.
Promieniowanie charakterystyczne występuje wtedy, gdy w wewnętrznych warstwach atomu są wolne miejsca, niezależnie od przyczyn, które je spowodowały. Na przykład towarzyszy jednemu z rodzajów rozpadu promieniotwórczego, który polega na wychwytywaniu elektronu z warstwy wewnętrznej przez jądro.
2. Urządzenie lamp rentgenowskich i pierwotniaków
aparat rentgenowski.
Najczęstszym źródłem promieniowania rentgenowskiego jest lampa rentgenowska - dwuelektrodowe urządzenie próżniowe (ryc. 3). Jest to szklany pojemnik (p = 10 -6 - 10 -7 mm Hg) z dwiema elektrodami - anodą A i katodą K, pomiędzy którymi powstaje wysokie napięcie. Podgrzana katoda (K) emituje elektrony. Anoda A jest często nazywana antykatodą. Ma nachyloną powierzchnię, aby skierować powstałe promieniowanie rentgenowskie pod kątem do osi tuby. Anoda jest wykonana z metalu o dobrej przewodności cieplnej (miedź) w celu odprowadzania ciepła wytwarzanego przez uderzenie elektronów. Na ściętym końcu anody znajduje się płytka Z wykonana z ogniotrwałego metalu (wolframu) o dużej liczbie atomowej, zwana zwierciadłem anodowym. W niektórych przypadkach anoda jest specjalnie chłodzona wodą lub olejem. W przypadku lamp diagnostycznych ważna jest precyzja źródła promieniowania rentgenowskiego, którą można osiągnąć skupiając elektrony w jednym miejscu anody. Dlatego konstruktywnie należy wziąć pod uwagę dwa przeciwstawne zadania: z jednej strony elektrony muszą padać na jedno miejsce anody, z drugiej strony, aby zapobiec przegrzaniu, pożądane jest rozłożenie elektronów na różne części anody anoda. Z tego powodu niektóre lampy rentgenowskie są produkowane z obracającą się anodą.
W rurze dowolnej konstrukcji elektrony przyspieszane napięciem między anodą a katodą padają na zwierciadło anody i wnikają w głąb substancji, oddziałują z atomami i są hamowane przez pole atomów. Powoduje to wytwarzanie promieni rentgenowskich bremsstrahlung. Równocześnie z bremsstrahlung powstaje niewielka ilość (kilka procent) charakterystycznego promieniowania. Tylko 1-2% elektronów, które uderzają w anodę, powoduje bremsstrahlung, a reszta powoduje efekt termiczny. Do koncentracji elektronów katoda ma nasadkę prowadzącą. Część zwierciadła wolframowego, na którą pada główny strumień elektronów, nazywana jest ogniskiem tuby. Szerokość wiązki promieniowania zależy od jej powierzchni (ostrości ogniska).
Do zasilania lampy wymagane są dwa źródła: źródło wysokiego napięcia dla obwodu anodowego oraz źródło niskiego napięcia (6-8 V) do zasilania obwodu żarnika. Oba źródła muszą być regulowane niezależnie. Zmieniając napięcie anodowe, reguluje się twardość promieniowania rentgenowskiego, a zmieniając żar, prąd obwodu wyjściowego i odpowiednio moc promieniowania.
Schemat ideowy najprostszego aparatu rentgenowskiego przedstawiono na rys.4. Obwód posiada dwa transformatory wysokiego napięcia Tr.1 i Tr.2 do zasilania żarnika. Wysokie napięcie na rurze jest regulowane przez autotransformator Tr.3 podłączony do uzwojenia pierwotnego transformatora Tr.1. Przełącznik K reguluje liczbę zwojów uzwojenia autotransformatora. W związku z tym zmienia się również napięcie uzwojenia wtórnego transformatora, doprowadzanego do anody lampy, tj. twardość jest regulowana.
Prąd żarzenia lampy jest regulowany przez opornik R, włączony w obwód pierwotny transformatora Tr.2. Prąd obwodu anodowego mierzy się za pomocą miliamperomierza. Napięcie przyłożone do elektrod rury jest mierzone za pomocą kilowoltomierza kV lub napięcie w obwodzie anodowym można ocenić na podstawie położenia przełącznika K. Prąd żarnika, regulowany przez reostat, jest mierzony za pomocą amperomierza A. W rozważanym schemacie lampa rentgenowska jednocześnie koryguje wysokie napięcie przemienne.
Łatwo zauważyć, że taka rura promieniuje tylko w jednym półokresie prądu przemiennego. Dlatego jego moc będzie niewielka. Aby zwiększyć moc promieniowania, wiele urządzeń wykorzystuje pełnookresowe prostowniki rentgenowskie o wysokim napięciu. W tym celu wykorzystywane są 4 specjalne kenotrony, które połączone są w obwód mostkowy. W jednej przekątnej mostka znajduje się lampa rentgenowska.
3. Oddziaływanie promieniowania rentgenowskiego z materią
(rozpraszanie koherentne, rozpraszanie niespójne, efekt fotoelektryczny).
Kiedy promienie rentgenowskie padają na ciało, odbijają się od niego w niewielkiej ilości, ale przeważnie wnikają głęboko. W masie ciała promieniowanie jest częściowo pochłaniane, częściowo rozpraszane, a częściowo przechodzi. Przechodząc przez ciało, fotony promieniowania rentgenowskiego oddziałują głównie z elektronami atomów i cząsteczek substancji. Rejestracja i wykorzystanie promieniowania rentgenowskiego, a także jego wpływ na obiekty biologiczne determinowane są pierwotnymi procesami oddziaływania fotonu rentgenowskiego z elektronami. W zależności od stosunku energii fotonu E do energii jonizacji AI zachodzą trzy główne procesy.
A) spójne rozpraszanie.
Rozpraszanie długofalowych promieni rentgenowskich zachodzi głównie bez zmiany długości fali i nazywa się to spójnym. Oddziaływanie fotonu z elektronami powłok wewnętrznych, ściśle związanych z jądrem, zmienia jedynie jego kierunek, bez zmiany jego energii, a co za tym idzie długości fali (ryc. 5).
Spójne rozpraszanie występuje, gdy energia fotonu jest mniejsza niż energia jonizacji: 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.
B) Rozpraszanie niespójne (efekt Comptona).
W 1922 r. A. Compton, obserwując rozpraszanie twardego promieniowania rentgenowskiego, odkrył spadek mocy penetracji wiązki rozproszonej w porównaniu z wiązką padającą. Rozpraszanie promieni rentgenowskich przy zmianie długości fali nazywane jest efektem Comptona. Występuje, gdy foton o dowolnej energii oddziałuje z elektronami zewnętrznych powłok atomów słabo związanych z jądrem (ryc. 6). Elektron jest odrywany od atomu (takie elektrony nazywane są elektronami odrzutowymi). Energia fotonu maleje (odpowiednio wzrasta długość fali), zmienia się również kierunek jego ruchu. Efekt Comptona występuje, gdy energia fotonu promieniowania rentgenowskiego jest większa niż energia jonizacji: , . W tym przypadku pojawiają się odrzutowe elektrony o energii kinetycznej E K. Atomy i cząsteczki stają się jonami. Jeśli E K jest znaczące, to elektrony mogą zderzać sąsiednie atomy, tworząc nowe (wtórne) elektrony.
V) Efekt fotoelektryczny.
Jeśli energia fotonu hn jest wystarczająca do oderwania elektronu, to podczas interakcji z atomem foton jest absorbowany, a elektron odrywany od niego. Zjawisko to nazywane jest efektem fotoelektrycznym. Atom jest zjonizowany (fotoinizacja). W tym przypadku elektron uzyskuje energię kinetyczną, a jeśli tę drugą 
jest znacząca, to może zderzać sąsiednie atomy, tworząc nowe (wtórne) elektrony. Jeśli energia fotonu jest niewystarczająca do jonizacji, wówczas efekt fotoelektryczny może przejawiać się w wzbudzeniu atomu lub cząsteczki. W niektórych substancjach prowadzi to do późniejszej emisji fotonów w obszarze promieniowania widzialnego (luminescencja rentgenowska), aw tkankach do aktywacji cząsteczek i reakcji fotochemicznych.
Efekt fotoelektryczny jest typowy dla fotonów o energii rzędu 0,5-1 MeV.
Omówione powyżej trzy główne procesy interakcji są pierwotne, prowadzą do kolejnych drugorzędnych, trzeciorzędowych itd. zjawiska. Kiedy promieniowanie rentgenowskie wnika w substancję, może zajść szereg procesów, zanim energia fotonu rentgenowskiego zostanie przekształcona w energię ruchu termicznego.
W wyniku powyższych procesów dochodzi do osłabienia pierwotnego strumienia promieniowania rentgenowskiego. Proces ten jest zgodny z prawem Bouguera. Zapisujemy to w postaci: Ф =Ф 0 e - mx, gdzie m jest liniowym współczynnikiem tłumienia, który zależy od rodzaju substancji (głównie od gęstości i liczby atomowej) oraz od długości fali promieniowania (energii fotonu). Można go przedstawić jako składający się z trzech terminów odpowiadających rozpraszaniu spójnemu, rozpraszaniu niespójnemu i efektowi fotoelektrycznemu: 
.
Ponieważ liniowy współczynnik tłumienia zależy od gęstości substancji, korzystniej jest stosować współczynnik tłumienia masowego, który jest równy stosunkowi liniowego współczynnika tłumienia do gęstości absorbera i nie zależy od gęstości substancji . Zależność strumienia (natężenia) promieniowania rentgenowskiego od grubości filtra pochłaniającego pokazano na rys. 7 dla H 2 O, Al i Cu. Z obliczeń wynika, że warstwa wody o grubości 36 mm, aluminium o grubości 15 mm i miedzi o grubości 1,6 mm zmniejsza intensywność promieniowania rentgenowskiego 2-krotnie. Ta grubość nazywana jest połową grubości warstwy d. Jeśli substancja osłabia promieniowanie rentgenowskie o połowę, to wtedy 
, Następnie 
, Lub , 
; ; . Znając grubość półwarstwy zawsze możesz określić m.in. Wymiar .
4. Zastosowanie promieni rentgenowskich w medycynie
(fluoroskopia, radiografia, tomografia rentgenowska, fluorografia, radioterapia).
Jednym z najczęstszych zastosowań promieni rentgenowskich w medycynie jest prześwietlanie narządów wewnętrznych w celach diagnostycznych – diagnostyka rentgenowska.
Do diagnostyki wykorzystywane są fotony o energii 60-120 keV. W tym przypadku współczynnik absorpcji masy jest określany głównie przez efekt fotoelektryczny. Jego wartość jest proporcjonalna do l 3 (w którym przejawia się duża zdolność przenikania promieniowania twardego) i proporcjonalna do trzeciej potęgi liczby atomów substancji - pochłaniacza: , gdzie K jest współczynnikiem proporcjonalności.
Ciało ludzkie składa się z tkanek i narządów, które mają różną zdolność pochłaniania w stosunku do promieni rentgenowskich. Dlatego po oświetleniu promieniami rentgenowskimi na ekranie uzyskuje się niejednolity obraz cienia, który daje obraz lokalizacji narządów wewnętrznych i tkanek. Najgęstsze tkanki pochłaniające promieniowanie (serce, duże naczynia, kości) są postrzegane jako ciemne, podczas gdy tkanki mniej absorbujące (płuca) są postrzegane jako jasne.
W wielu przypadkach można ocenić ich stan normalny lub patologiczny. Diagnostyka rentgenowska wykorzystuje dwie główne metody: fluoroskopię (transmisję) i radiografię (obraz). Jeśli badany narząd i otaczające go tkanki w przybliżeniu jednakowo absorbują strumień promieniowania rentgenowskiego, wówczas stosuje się specjalne środki kontrastowe. Na przykład w przeddzień badania rentgenowskiego żołądka lub jelit podaje się papkowatą masę siarczanu baru, w którym to przypadku można zobaczyć ich cień. W fluoroskopii i radiografii obraz rentgenowski jest obrazem podsumowującym całą grubość obiektu, przez który przechodzą promienie rentgenowskie. Najwyraźniej zarysowane są te szczegóły, które są bliżej ekranu lub filmu, a te odległe stają się rozmyte i rozmyte. Jeśli w jakimś narządzie występuje patologicznie zmieniony obszar, na przykład zniszczenie tkanki płucnej wewnątrz rozległego ogniska zapalnego, to w niektórych przypadkach ten obszar na zdjęciu rentgenowskim w ilości cieni może zostać „utracony”. Aby to uwidocznić, stosuje się specjalną metodę – tomografię (zapis warstwowy), która pozwala na wykonanie zdjęć poszczególnych warstw badanego obszaru. Tego rodzaju tomogramy warstwowe uzyskuje się za pomocą specjalnego aparatu zwanego tomografem, w którym lampa rentgenowska (RT) i błona (Fp) są okresowo, łącznie, przemieszczane w przeciwfazie względem badanego obszaru. W takim przypadku promienie rentgenowskie w dowolnej pozycji RT przejdą przez ten sam punkt obiektu (obszar zmieniony), który jest środkiem, względem którego okresowo poruszają się RT i FP. Obraz w cieniu obszaru zostanie uchwycony na kliszy. Zmieniając położenie „środka obrotu”, możliwe jest uzyskanie warstwowych obrazów obiektu. Wykorzystując cienką wiązkę promieni rentgenowskich, specjalny ekran (zamiast Fp) składający się z półprzewodnikowych detektorów promieniowania jonizującego, możliwa jest obróbka obrazu podczas tomografii za pomocą komputera. Ten nowoczesny wariant tomografii nazywa się tomografią komputerową. Tomografia jest szeroko stosowana w badaniach płuc, nerek, pęcherzyka żółciowego, żołądka, kości itp.
Jasność obrazu na ekranie i czas naświetlania kliszy zależy od intensywności promieniowania rentgenowskiego. Podczas stosowania go do diagnostyki intensywność nie może być wysoka, aby nie wywołać niepożądanego efektu biologicznego. Dlatego istnieje szereg urządzeń technicznych, które poprawiają jasność obrazu przy niskich natężeniach promieniowania rentgenowskiego. Jednym z takich urządzeń jest wzmacniacz obrazu.
Innym przykładem jest fluorografia, w której obraz uzyskuje się na czułej kliszy małoformatowej z dużego rentgenowskiego ekranu luminescencyjnego. Podczas fotografowania używany jest obiektyw o dużej aperturze, gotowe zdjęcia są oglądane na specjalnej lupie.
Fluorografia łączy w sobie dużą zdolność wykrywania chorób utajonych (choroby klatki piersiowej, przewodu pokarmowego, zatok przynosowych itp.) ze znaczną przepustowością, dzięki czemu jest bardzo efektywną metodą badań masowych (in-line).
Ponieważ fotografowanie obrazu rentgenowskiego podczas fluorografii odbywa się za pomocą optyki fotograficznej, obraz na fluorogramie jest zmniejszony w porównaniu z promieniowaniem rentgenowskim. Pod tym względem rozdzielczość fluorogramu (tj. Widoczność drobnych szczegółów) jest mniejsza niż w przypadku konwencjonalnego zdjęcia rentgenowskiego, jednak jest większa niż w przypadku fluoroskopii.
Zaprojektowano urządzenie - tomofluorograf, który umożliwia uzyskiwanie fluorogramów części ciała i poszczególnych narządów na danej głębokości - tzw. obrazów (przekrojów) warstwowych - tomofluorogramów.
Promieniowanie rentgenowskie jest również wykorzystywane do celów terapeutycznych (terapia rentgenowska). Biologicznym efektem promieniowania jest zakłócenie żywotnej aktywności komórek, zwłaszcza szybko rozwijających się. W związku z tym terapia rentgenowska jest stosowana do wpływania na nowotwory złośliwe. Możliwe jest dobranie dawki promieniowania wystarczającej do całkowitego zniszczenia guza przy stosunkowo niewielkim uszkodzeniu otaczających zdrowych tkanek, które zostają odbudowane w wyniku późniejszej regeneracji.
Intensywność- charakterystyka ilościowa promieniowania rentgenowskiego, która wyraża się liczbą promieni emitowanych przez rurkę w jednostce czasu. Intensywność promieni rentgenowskich jest mierzona w miliamperach. Porównując to z intensywnością światła widzialnego z konwencjonalnej żarówki, możemy wyciągnąć analogię: na przykład 20-watowa lampa będzie świecić z jednym natężeniem lub mocą, a 200-watowa będzie świecić z innym, podczas gdy jakość samego światła (jego widma) jest taka sama. Intensywność promieniowania rentgenowskiego to tak naprawdę jego ilość. Każdy elektron tworzy jeden lub więcej kwantów promieniowania na anodzie, dlatego ilość promieni rentgenowskich podczas naświetlania obiektu jest regulowana poprzez zmianę liczby elektronów zmierzających do anody oraz liczby oddziaływań elektronów z atomami tarczy wolframowej , co można zrobić na dwa sposoby:
1. Zmieniając stopień żarzenia spirali katodowej za pomocą transformatora obniżającego napięcie (liczba elektronów generowanych podczas emisji będzie zależała od tego, jak gorąca jest spirala wolframowa, a liczba kwantów promieniowania będzie zależała od liczby elektronów) ;
2. Zmieniając wartość wysokiego napięcia dostarczanego przez transformator podwyższający napięcie do biegunów lampy – katody i anody (im wyższe napięcie jest przyłożone do biegunów lampy, tym więcej energii kinetycznej otrzymują elektrony , które ze względu na swoją energię mogą z kolei oddziaływać z kilkoma atomami substancji anodowej - patrz. Ryż. 5; elektrony o małej energii będą mogły wejść w mniejszą liczbę oddziaływań).
Natężenie promieniowania rentgenowskiego (prąd anodowy) pomnożone przez czas otwarcia migawki (czas lampy) odpowiada ekspozycji na promieniowanie rentgenowskie, która jest mierzona w mAs (miliamperach na sekundę). Ekspozycja jest parametrem, który podobnie jak intensywność charakteryzuje ilość promieni emitowanych przez lampę rentgenowską. Jedyna różnica polega na tym, że ekspozycja uwzględnia również czas pracy lampy (na przykład, jeśli lampa działa przez 0,01 s, to liczba promieni będzie wynosić jeden, a jeśli 0,02 s, liczba promieni będzie wynosić inny - dwa razy więcej). Ekspozycja na promieniowanie jest ustawiana przez radiologa na panelu kontrolnym aparatu rentgenowskiego w zależności od rodzaju badania, wielkości badanego obiektu i zadania diagnostycznego.
Sztywność- charakterystyka jakościowa promieniowania rentgenowskiego. Mierzy się go wysokim napięciem na rurze - w kilowoltach. Określa zdolność przenikania promieni rentgenowskich. Jest regulowany wysokim napięciem dostarczanym do lampy rentgenowskiej przez transformator podwyższający napięcie. Im większa różnica potencjałów powstaje na elektrodach lampy, tym większa siła elektronów odpycha się od katody i pędzą do anody oraz tym silniejsze jest ich zderzenie z anodą. Im silniejsze ich zderzenie, tym krótsza jest długość fali powstającego promieniowania rentgenowskiego i tym większa jest zdolność przenikania tej fali (lub twardość promieniowania, która podobnie jak intensywność regulowana jest na panelu kontrolnym parametrem napięcia na rura - kilowolt).
Ryż. 7 - Zależność długości fali od energii fali:
λ - długość fali;
E - energia fali
· Im wyższa energia kinetyczna poruszających się elektronów, tym silniejszy jest ich wpływ na anodę i krótsza długość fali powstałego promieniowania rentgenowskiego. Promieniowanie rentgenowskie o dużej długości fali i małej zdolności przenikania nazywane jest „miękkim”, o krótkiej długości fali i dużej zdolności przenikania – „twardym”.
Ryż. 8 - Stosunek napięcia na lampie rentgenowskiej do długości fali wynikowego promieniowania rentgenowskiego:
· Im wyższe napięcie zostanie przyłożone do biegunów rury, tym silniejsza pojawi się na nich różnica potencjałów, a zatem energia kinetyczna poruszających się elektronów będzie większa. Napięcie na rurze określa prędkość elektronów i siłę ich zderzenia z materiałem anody, dlatego napięcie określa długość fali wynikowego promieniowania rentgenowskiego.
