Röntgenstrålning avser elektromagnetiska vågor med en längd på cirka 80 till 10-5 nm. Den längsta vågiga röntgenstrålningen överlappas av kortvågig ultraviolett strålning och kortvågig röntgenstrålning överlappas av långvågig y-strålning. Baserat på excitationsmetoden är röntgenstrålning indelad i bremsstrahlung och karakteristisk.
31.1. RÖNTGENRÖRENHET. Bremsstrahlung X-Ray
Den vanligaste källan till röntgenstrålning är ett röntgenrör, som är en vakuumanordning med två elektroder (fig. 31.1). Uppvärmd katod 1 avger elektroner 4. Anod 2, ofta kallad en antikatod, har en lutande yta för att rikta den resulterande röntgenstrålningen 3 i vinkel mot röraxeln. Anoden är gjord av ett mycket värmeledande material för att avlägsna värme som genereras av elektronstötar. Anodytan är gjord av eldfasta material som har ett stort atomnummer i det periodiska systemet, till exempel volfram. I vissa fall är anoden speciellt kyld med vatten eller olja.
För diagnostiska rör är precisionen hos röntgenkällan viktig, vilket kan uppnås genom att fokusera elektroner på ett ställe av antikatoden. Därför är det konstruktivt nödvändigt att ta hänsyn till två motsatta uppgifter: å ena sidan måste elektroner falla på en plats av anoden, å andra sidan, för att förhindra överhettning, är det önskvärt att fördela elektroner över olika områden av anoden. En intressant teknisk lösning är ett röntgenrör med en roterande anod (Fig. 31.2).
Som ett resultat av bromsningen av en elektron (eller annan laddad partikel) av det elektrostatiska fältet i atomkärnan och atomelektronerna i ämnet, uppstår en antikatod Bremsstrahlung röntgenstrålning.
Dess mekanism kan förklaras enligt följande. Förknippat med en rörlig elektrisk laddning är ett magnetfält, vars induktion beror på elektronens hastighet. Vid inbromsning minskar magnetfältet
induktion och, i enlighet med Maxwells teori, uppstår en elektromagnetisk våg.
När elektroner bromsas in används bara en del av energin för att skapa en röntgenfoton, den andra delen går åt till att värma anoden. Eftersom förhållandet mellan dessa delar är slumpmässigt, när ett stort antal elektroner bromsas upp, bildas ett kontinuerligt spektrum av röntgenstrålning. I detta avseende kallas bremsstrahlung även kontinuerlig strålning. I fig. Figur 31.3 visar röntgenflödets beroende av våglängden λ (spektra) vid olika spänningar i röntgenröret: U 1< U 2 < U 3 .
I vart och ett av spektra är den kortaste våglängden bremsstrahlung λ ηίη uppstår när energin som förvärvas av en elektron i ett accelererande fält helt omvandlas till fotonenergi:
Observera att baserat på (31.2) har en av de mest exakta metoderna för att experimentellt bestämma Plancks konstant utvecklats.
Kortvågig röntgenstrålning är generellt sett mer genomträngande än långvågig röntgenstrålning och kallas tuff, och långvåg - mjuk.
Genom att öka spänningen på röntgenröret förändras strålningens spektrala sammansättning, vilket framgår av fig. 31.3 och formler (31.3), och öka styvheten.
Om du ökar katodens glödtrådstemperatur kommer emissionen av elektroner och strömmen i röret att öka. Detta kommer att öka antalet röntgenfotoner som sänds ut varje sekund. Dess spektrala sammansättning kommer inte att förändras. I fig. Figur 31.4 visar spektra för röntgenstrålning vid samma spänning, men vid olika katodvärmeströmmar: / n1< / н2 .
Röntgenflödet beräknas med formeln:
Var U Och jag - spänning och ström i röntgenröret; Z- serienummer för atomen i anodämnet; k- Proportionalitetskoefficient. Spektra erhållna från olika antikatoder samtidigt U och IH visas i fig. 31,5.
31.2. KARAKTERISTISK RÖNTGEN STRÅLNING. ATOMRÖNTGENSPEKTRA
Genom att öka spänningen på röntgenröret kan man mot bakgrund av ett kontinuerligt spektrum märka uppkomsten av ett linjespektrum, vilket motsvarar
karakteristisk röntgenstrålning(Fig. 31.6). Det uppstår på grund av det faktum att accelererade elektroner tränger djupt in i atomen och slår ut elektroner från de inre lagren. Elektroner från de övre nivåerna rör sig till fria platser (Fig. 31.7), som ett resultat emitteras fotoner av karakteristisk strålning. Som framgår av figuren består karakteristisk röntgenstrålning av serier K, L, M etc., vars namn tjänade till att beteckna de elektroniska lagren. Eftersom emissionen från K-serien frigör platser i högre skikt, emitteras samtidigt även linjer av andra serier.
Till skillnad från optiska spektra är de karakteristiska röntgenspektra för olika atomer av samma typ. I fig. Figur 31.8 visar spektra för olika element. Likheten hos dessa spektra beror på att de inre lagren av olika atomer är identiska och skiljer sig endast energimässigt, eftersom kraftverkan från kärnan ökar när grundämnets atomnummer ökar. Denna omständighet leder till att de karakteristiska spektra skiftar mot högre frekvenser med ökande kärnladdning. Detta mönster är synligt från fig. 31,8 och är känd som Moseleys lag:
Var v- spektral linjefrekvens; Z- atomnummer för det emitterande elementet; A Och I- permanent.
Det finns en annan skillnad mellan optiska och röntgenspektra.
Det karakteristiska röntgenspektrumet för en atom beror inte på den kemiska förening som denna atom ingår i. Till exempel är syreatomens röntgenspektrum detsamma för O, O 2 och H 2 O, medan de optiska spektra för dessa föreningar är signifikant olika. Denna egenskap hos atomens röntgenspektrum fungerade som grund för namnet karakteristisk.
Karakteristisk strålning uppstår alltid när det finns ledigt utrymme i atomens inre skikt, oavsett orsaken som orsakade det. Till exempel följer karakteristisk strålning med en av de typer av radioaktivt sönderfall (se 32.1), som består i att kärnan fångar en elektron från det inre lagret.
31.3. INTERAKTION AV RÖNTGEN STRÅLNING MED MATERIA
Registreringen och användningen av röntgenstrålning, såväl som dess inverkan på biologiska objekt, bestäms av de primära processerna för interaktion mellan röntgenfotonen och elektronerna i atomer och molekyler i ämnet.
Beroende på energiförhållandet hv foton och joniseringsenergi 1 A och tre huvudprocesser äger rum.
Koherent (klassisk) spridning
Spridning av långvågig röntgenstrålning sker i huvudsak utan att ändra våglängd, och kallas sammanhängande. Det inträffar om fotonenergin är mindre än joniseringsenergin: hv< A och.
Eftersom energin hos röntgenfotonen och atomen i detta fall inte förändras, orsakar inte koherent spridning i sig en biologisk effekt. När man skapar skydd mot röntgenstrålning bör man dock ta hänsyn till möjligheten att ändra primärstrålens riktning. Denna typ av interaktion är viktig för röntgendiffraktionsanalys (se 24.7).
Osammanhängande spridning (Compton-effekt)
År 1922 A.Kh. Compton, som observerade spridningen av hårda röntgenstrålar, upptäckte en minskning av den spridda strålens penetreringskraft jämfört med den infallande strålen. Detta innebar att våglängden på de spridda röntgenstrålarna var längre än de infallande röntgenstrålarna. Spridning av röntgenstrålar med en förändring i våglängd kallas osammanhängande nom, och själva fenomenet - Compton effekt. Det uppstår om energin hos röntgenfotonen är större än joniseringsenergin: hv > A och.
Detta fenomen beror på det faktum att när den interagerar med en atom, energin hv foton spenderas på bildandet av en ny spridd röntgenfoton med energi hv", att ta bort en elektron från en atom (joniseringsenergi A och) och ge elektronen kinetisk energi E till:
hv= hv" + A och + E k.(31.6)
1 Här avser joniseringsenergi den energi som krävs för att avlägsna inre elektroner från en atom eller molekyl.
Sedan i många fall hv>> Och och Compton-effekten inträffar på fria elektroner, då kan vi skriva ungefär:
hv = hv"+ E K .(31.7)
Det är signifikant att i detta fenomen (fig. 31.9), tillsammans med sekundär röntgenstrålning (energi) hv" foton) uppstår rekylelektroner (kinetisk energi E k elektron). Atomer eller molekyler blir då joner.
Fotoeffekt
I den fotoelektriska effekten absorberas röntgenstrålar av en atom, vilket gör att en elektron stöts ut och atomen joniseras (fotojonisering).
De tre huvudsakliga interaktionsprocesserna som diskuterats ovan är primära, de leder till efterföljande sekundära, tertiära, etc. fenomen. Till exempel kan joniserade atomer avge ett karakteristiskt spektrum, exciterade atomer kan bli källor för synligt ljus (röntgenluminescens), etc.
I fig. 31.10 visar ett diagram över möjliga processer som uppstår när röntgenstrålning kommer in i ett ämne. Flera dussin processer som liknar den som avbildas kan inträffa innan energin hos röntgenfotonen omvandlas till energin för molekylär termisk rörelse. Som ett resultat kommer förändringar i ämnets molekylära sammansättning att inträffa.
Processerna som representeras av diagrammet i fig. 31.10, utgör grunden för de fenomen som observeras när röntgenstrålar verkar på materia. Låt oss lista några av dem.
Röntgenluminescens- glöd av ett antal ämnen under röntgenbestrålning. Denna glöd av platina-synoxidbarium gjorde att Roentgen kunde upptäcka strålarna. Detta fenomen används för att skapa speciella lysande skärmar för visuell observation av röntgenstrålning, ibland för att förstärka effekten av röntgenstrålar på en fotografisk platta.
De kemiska effekterna av röntgenstrålning är kända, till exempel bildning av väteperoxid i vatten. Ett praktiskt viktigt exempel är effekten på en fotografisk platta, som gör att sådana strålar kan registreras.
Den joniserande effekten manifesteras i en ökning av elektrisk ledningsförmåga under påverkan av röntgenstrålar. Denna egenskap används
i dosimetri för att kvantifiera effekterna av denna typ av strålning.
Som ett resultat av många processer försvagas den primära strålen av röntgenstrålning i enlighet med lagen (29.3). Låt oss skriva det i formen:
Jag = jag 0 e-/", (31.8)
Var μ - linjär dämpningskoefficient. Den kan representeras som bestående av tre termer som motsvarar koherent spridning μ κ, inkoherent μ ΗK och fotoelektrisk effekt μ f:
μ = μ k + μ hk + μ f. (31,9)
Intensiteten av röntgenstrålning dämpas i proportion till antalet atomer i ämnet genom vilket detta flöde passerar. Om du komprimerar ett ämne längs axeln X, till exempel i b gånger, ökar med b sedan dess densitet, alltså
31.4. FYSIKALISKA GRUNDLÄGGANDE TILLÄMPNINGAR AV RÖNTGEN STRÅLNING I MEDICIN
En av de viktigaste medicinska användningarna av röntgenstrålar är att belysa inre organ för diagnostiska ändamål. (röntgendiagnostik).
För diagnostik används fotoner med en energi på ca 60-120 keV. Vid denna energi bestäms massdämpningskoefficienten huvudsakligen av den fotoelektriska effekten. Dess värde är omvänt proportionellt mot fotonenergins tredje potens (proportionell mot λ 3), som visar den större penetrerande kraften hos hård strålning, och proportionell mot tredje potensen av det absorberande ämnets atomnummer:
Den betydande skillnaden i absorptionen av röntgenstrålning av olika vävnader gör att man kan se bilder av människokroppens inre organ i skuggprojektion.
Röntgendiagnostik används i två versioner: genomlysning - bilden visas på en självlysande röntgenskärm, röntgen - bilden är inspelad på fotografisk film.
Om organet som undersöks och omgivande vävnader dämpar röntgenstrålningen ungefär lika mycket, används speciella kontrastmedel. Till exempel, efter att ha fyllt magen och tarmarna med en grötliknande massa av bariumsulfat, kan du se deras skuggbild.
Bildens ljusstyrka på skärmen och exponeringstiden på filmen beror på intensiteten av röntgenstrålningen. Om den används för diagnostik kan intensiteten inte vara hög för att inte orsaka oönskade biologiska konsekvenser. Därför finns det ett antal tekniska apparater som förbättrar bilder vid låg röntgenintensitet. Ett exempel på en sådan anordning är elektrooptiska omvandlare (se 27.8). Under massundersökning av befolkningen används en variant av radiografi i stor utsträckning - fluorografi, där en bild från en stor röntgenljusskärm spelas in på en känslig film i småformat. Vid fotografering används ett objektiv med hög bländare och de färdiga bilderna undersöks med en speciell förstoringsglas.
Ett intressant och lovande alternativ för röntgen är en metod som kallas röntgentomografi, och dess "maskinversion" - Datortomografi.
Låt oss överväga denna fråga.
En typisk röntgenstrålning täcker ett stort område av kroppen, med olika organ och vävnader som skymmer varandra. Detta kan undvikas om du med jämna mellanrum flyttar ihop röntgenröret (bild 31.11) i motfas RT och fotografisk film FP i förhållande till föremålet Handla om forskning. Kroppen innehåller ett antal inneslutningar som är ogenomskinliga för röntgenstrålar, de visas som cirklar i figuren. Som kan ses, röntgenstrålar vid vilken position som helst av röntgenröret (1, 2 etc.) gå igenom
skära samma punkt på föremålet, som är centrum i förhållande till vilken periodisk rörelse sker RT Och Fp. Denna punkt, eller snarare en liten ogenomskinlig inneslutning, visas med en mörk cirkel. Hans skuggbild rör sig med FP, ockuperar sekventiella positioner 1, 2 etc. De återstående inneslutningarna i kroppen (ben, packningar, etc.) skapas på FP någon allmän bakgrund, eftersom röntgenstrålar inte ständigt döljs av dem. Genom att ändra positionen för swingcentret kan du få en lager-för-lager röntgenbild av kroppen. Därav namnet - tomografi(skiktad inspelning).
Det är möjligt, med hjälp av en tunn stråle av röntgenstrålning, en skärm (istället för Fp), bestående av halvledardetektorer av joniserande strålning (se 32.5), och en dator, bearbetar skuggröntgenbilden under tomografi. Denna moderna version av tomografi (beräknings- eller datorröntgentomografi) låter dig få lager-för-lager-bilder av kroppen på en katodstrålerörskärm eller på papper med detaljer mindre än 2 mm med en skillnad i röntgenabsorption upp till 0,1 %. Detta gör att man till exempel kan skilja mellan den grå och vita substansen i hjärnan och att se mycket små tumörformationer.
1. Källor för röntgenstrålning.
2. Bremsstrahlung röntgenstrålning.
3. Karakteristisk röntgenstrålning. Moseleys lag.
4. Interaktion mellan röntgenstrålning och materia. Lagen om försvagning.
5. Fysisk grund för användningen av röntgen i medicin.
6. Grundläggande begrepp och formler.
7. Uppgifter.
Röntgenstrålning - elektromagnetiska vågor med en våglängd från 100 till 10 -3 nm. På skalan av elektromagnetiska vågor upptar röntgenstrålning området mellan UV-strålning och γ - strålning. Röntgenstrålar (röntgenstrålar) upptäcktes 1895 av K. Roentgen, som 1901 blev den första nobelpristagaren i fysik.
32.1. Röntgenkällor
Naturliga källor till röntgenstrålning är några radioaktiva isotoper (till exempel 55 Fe). Konstgjorda källor till kraftfull röntgenstrålning är röntgenrör(Fig. 32.1).
Ris. 32.1. Röntgenrörsapparat
Röntgenröret är en evakuerad glaskolv med två elektroder: anod A och katod K, mellan vilka en högspänning U (1-500 kV) skapas. Katoden är en spiral som värms upp av elektrisk ström. Elektroner som emitteras av en uppvärmd katod (termionisk emission) accelereras av ett elektriskt fält till stor hastigheter (det är därför hög spänning behövs) och faller på anoden på röret. När dessa elektroner interagerar med anodsubstansen uppstår två typer av röntgenstrålning: bromsning Och karakteristisk.
Anodens arbetsyta är placerad i en viss vinkel mot elektronstrålens riktning för att skapa den önskade riktningen för röntgenstrålningen.
Cirka 1 % av elektronernas kinetiska energi omvandlas till röntgenstrålar. Resten av energin frigörs som värme. Därför är anodens arbetsyta gjord av eldfast material.
32.2. Bremsstrahlung röntgen
En elektron som rör sig i ett visst medium tappar sin hastighet. I detta fall uppstår negativ acceleration. Enligt Maxwells teori kan någon accelererad rörelsen av en laddad partikel åtföljs av elektromagnetisk strålning. Den strålning som produceras när en elektron bromsar in i anodämnet kallas Bremsstrahlung röntgenstrålning.
Bremsstrahlungs egenskaper bestäms av följande faktorer.
1. Strålning sänds ut av individuella kvanta, vars energier är relaterade till frekvensen med formeln (26.10)
där ν är frekvens, λ är våglängd.
2. Alla elektroner som når anoden har det samma kinetisk energi lika med arbetet i det elektriska fältet mellan anoden och katoden:
där e är elektronladdningen, U är accelerationsspänningen.
3. Elektrons kinetiska energi överförs delvis till ämnet och går till att värma upp det (Q), och går delvis åt att skapa ett röntgenkvantum:
4. Förhållandet mellan Q och hv av misstag.
På grund av den senaste egenskapen (4), genererade kvanta olika elektroner, har olika frekvenser och våglängder. Därför är spektrumet av röntgenstrålning kontinuerlig. Typisk utsikt spektral densitet Röntgenflöde (Φ λ = άΦ/άλ) visas i fig. 32.2.
Ris. 32.2. Bremsstrahlung röntgenspektrum
På långvågssidan är spektrumet begränsat till en våglängd på 100 nm, vilket är gränsen för röntgenstrålning. På kortvågssidan begränsas spektrumet av våglängden λ min. Enligt formel (32.2) minsta våglängd motsvarar fallet Q = 0 (elektronens kinetiska energi omvandlas fullständigt till kvantenergi):
Beräkningar visar att flödet (Φ) av bremsstrahlung röntgenstrålar är direkt proportionell mot kvadraten på spänningen U mellan
anod och katod, strömstyrka I i röret och atomnummer Z för anodämnet:
Bremsstrahlung röntgenspektra vid olika spänningar, olika katodtemperaturer och olika anodsubstanser visas i fig. 32.3.
Ris. 32.3. Bremsstrahlung röntgenspektrum (Φ λ):
a - vid olika spänningar U i röret; b - vid olika temperaturer T
katod; c - för olika anodämnen som skiljer sig åt i parameter Z
När anodspänningen ökar kommer värdet λmin skiftar mot kortare våglängder. Samtidigt ökar höjden på spektralkurvan (Fig. 32.3, A).
När katodtemperaturen ökar ökar elektronemissionen. Följaktligen ökar strömmen I i röret. Spektralkurvans höjd ökar, men strålningens spektrala sammansättning förändras inte (fig. 32.3, b).
När anodmaterialet ändras ändras höjden på spektralkurvan i proportion till atomnumret Z (Fig. 32.3, c).
32.3. Karakteristisk röntgenstrålning. Moseleys lag
När katodelektroner interagerar med anodatomer, tillsammans med bremsstrahlung röntgenstrålar, produceras röntgenstrålar, vars spektrum består av separata rader. Detta är strålning
har följande ursprung. Vissa katodelektroner tränger djupt in i atomen och slår ut elektroner ur den. inre skal. De vakanser som bildas i detta fall är fyllda med elektroner från övre skal, som ett resultat av vilka strålningskvanter emitteras. Denna strålning innehåller en diskret uppsättning frekvenser som bestäms av anodmaterialet och kallas karakteristisk strålning. Röntgenrörets hela spektrum är en överlagring av det karakteristiska spektrumet på bremsstrahlung-spektrumet (Fig. 32.4).
Ris. 32.4. Röntgenrörsstrålningsspektrum
Förekomsten av karakteristiska röntgenspektra upptäcktes med hjälp av röntgenrör. Senare fann man att sådana spektra uppstår från all jonisering av de inre banorna hos kemiska element. Efter att ha studerat de karakteristiska spektra för olika kemiska grundämnen, upprättade G. Moseley (1913) följande lag, som bär hans namn.
Kvadratroten av frekvensen av karakteristisk strålning är en linjär funktion av elementets serienummer:
där ν är frekvensen för spektrallinjen, Z är det emitterande elementets atomnummer, A, B är konstanter.
Moseleys lag tillåter dig att bestämma atomnumret för ett kemiskt element från det observerade spektrumet av karakteristisk strålning. Detta spelade en stor roll i placeringen av element i det periodiska systemet.
32.4. Interaktion mellan röntgenstrålning och materia. Lagen om dämpning
Det finns två huvudtyper av interaktion mellan röntgenstrålar och materia: spridning och fotoelektrisk effekt. Under spridningen ändras fotonens rörelseriktning. I den fotoelektriska effekten, en foton absorberas.
1. Koherent (elastisk) spridning uppstår när energin hos röntgenfotonen är otillräcklig för intern jonisering av atomen (att slå ut en elektron från ett av de inre skalen). I det här fallet ändras fotonens rörelseriktning, men dess energi och våglängd ändras inte (det är därför denna spridning kallas elastisk).
2. Inkoherent (Compton) spridning uppstår när fotonenergin är mycket större än den interna joniseringsenergin A och: hv >> A och.
I det här fallet separeras elektronen från atomen och får en viss kinetisk energi E k. Fotonens rörelseriktning under Compton-spridning ändras, och dess energi minskar:
Comptonspridning är förknippad med jonisering av atomer i ett ämne.
3. Fotoeffekt uppstår när fotonenergin hv är tillräcklig för att jonisera atomen: hv > A u. Samtidigt röntgenkvantumet absorberas och dess energi spenderas på att jonisera atomen och förmedla kinetisk energi till den utstötta elektronen E k = hv - A I.
Comptonspridning och den fotoelektriska effekten åtföljs av karakteristisk röntgenstrålning, eftersom efter att de inre elektronerna har slagits ut fylls de lediga positionerna med elektroner från de yttre skalen.
Röntgenluminescens. I vissa ämnen orsakar elektroner och kvanta av Compton-spridning, såväl som fotoelektriska effektelektroner, excitation av molekyler, som åtföljs av strålningsövergångar till grundtillståndet. Detta ger en glöd som kallas röntgenluminescens. Luminescensen av bariumplatinaoxid gjorde det möjligt för Roentgen att upptäcka röntgenstrålar.
Lagen om dämpning
Spridningen av röntgenstrålar och den fotoelektriska effekten leder till att när röntgenstrålningen tränger in djupare försvagas den primära strålen (fig. 32.5). Försvagningen är exponentiell:
Värdet på μ beror på det absorberande materialet och emissionsspektrumet. För praktiska beräkningar, som en egenskap av försvagningen
Ris. 32,5. Försvagning av röntgenflödet i riktning mot de infallande strålarna
Var λ
- våglängd; Z är grundämnets atomnummer; k är någon konstant.
32,5. Fysisk grund för användning
Röntgenstrålning inom medicin
Inom medicinen används röntgenstrålning för diagnostiska och terapeutiska ändamål.
Röntgendiagnostik- metoder för att få bilder av inre organ med hjälp av röntgenstrålar.
Den fysiska grunden för dessa metoder är lagen om dämpning av röntgenstrålning i materia (32.10). Röntgenflöde enhetligt över tvärsnittet efter att ha passerat heterogen vävnad kommer att bli heterogen. Denna heterogenitet kan registreras på fotografisk film, en fluorescerande skärm eller med hjälp av en matrisfotodetektor. Till exempel skiljer sig massdämpningskoefficienterna för benvävnad - Ca 3 (PO 4) 2 - och mjukvävnader - främst H 2 O - 68 gånger (μm ben / μm vatten = 68). Bendensiteten är också högre än mjukvävnadstätheten. Därför producerar en röntgenbild en ljus bild av ben mot en mörkare bakgrund av mjuk vävnad.
Om organet som studeras och de omgivande vävnaderna har liknande dämpningskoefficienter, då speciell kontrastmedel. Till exempel, under fluoroskopi av magen, tar försökspersonen en grötliknande massa av bariumsulfat (BaSO 4), vars massförsvagningskoefficient är 354 gånger större än den för mjukvävnader.
För diagnostik används röntgenstrålning med en fotonenergi på 60-120 keV. Följande röntgendiagnostiksmetoder används i medicinsk praxis.
1. Röntgen. Bilden bildas på en fluorescerande skärm. Bildens ljusstyrka är låg och kan endast ses i ett mörkt rum. Läkaren måste skyddas mot strålning.
Fördelen med fluoroskopi är att den utförs i realtid. Nackdelen är den höga strålningsexponeringen på patienten och läkaren (jämfört med andra metoder).
Den moderna versionen av fluoroskopi - röntgen-tv - använder röntgenbildförstärkare. Förstärkaren uppfattar den svaga glöden från röntgenskärmen, förstärker den och sänder den till TV-skärmen. Som ett resultat minskade strålningsexponeringen för läkaren kraftigt, bildens ljusstyrka ökade och det blev möjligt att spela in undersökningsresultaten på video.
2. Radiografi. Bilden bildas på en speciell film som är känslig för röntgenstrålning. Bilderna är tagna i två sinsemellan vinkelräta projektioner (framsidan och sidan). Bilden blir synlig efter fotobearbetning. Det färdiga torkade fotografiet undersöks i genomsläppt ljus.
Samtidigt är detaljerna tillfredsställande synliga, vars kontraster skiljer sig med 1-2%.
I vissa fall, innan undersökningen, ges patienten en speciell kontrastmedel. Till exempel en jodhaltig lösning (intravenöst) för studier av njurar och urinvägar.
Fördelarna med röntgen är hög upplösning, kort exponeringstid och nästan fullständig säkerhet för läkaren. Nackdelarna inkluderar bildens statiska karaktär (objektet kan inte spåras i dynamik).
3. Fluorografi. Under denna undersökning fotograferas bilden som erhålls på skärmen på känslig film i småformat. Fluorografi används i stor utsträckning vid massscreening av befolkningen. Om patologiska förändringar hittas på fluorogrammet, ordineras patienten en mer detaljerad undersökning.
4. Elektroradiografi. Denna typ av undersökning skiljer sig från konventionell röntgen genom hur bilden registreras. Istället för film använder de selenplatta, som elektrifieras av röntgenstrålar. Resultatet är en dold bild av elektriska laddningar, som kan göras synliga och överföras till papper.
5. Angiografi. Denna metod används för att undersöka blodkärl. Ett kontrastmedel injiceras i venen genom en kateter, varefter en kraftfull röntgenapparat tar en serie bilder som följer varandra på bråkdelar av en sekund. Figur 32.6 visar ett angiogram av halspulsådern.
6. Röntgen datortomografi. Denna typ av röntgenundersökning låter dig få en bild av en plan del av kroppen flera mm tjock. I detta fall skannas en given sektion upprepade gånger i olika vinklar, varvid varje enskild bild registreras i datorns minne. Sedan
Ris. 32.6. Angiogram som visar förträngning i halspulsådern
Ris. 32,7. Skanningstomografischema (a); tomogram av huvudet i snitt i ögonhöjd (b).
datorrekonstruktion utförs, vars resultat är en bild av det skannade lagret (fig. 32.7).
Datortomografi gör att man kan särskilja element med en densitetsskillnad mellan dem på upp till 1%. Konventionell röntgen gör att man kan upptäcka en minimal skillnad i densitet mellan intilliggande områden på 10-20%.
Röntgenterapi - användningen av röntgenstrålar för att förstöra maligna tumörer.
Den biologiska effekten av strålning är att störa den vitala aktiviteten hos särskilt snabbt förökande celler. Mycket hårda röntgenstrålar (med fotonenergier på cirka 10 MeV) används för att förstöra cancerceller djupt inne i kroppen. För att minska skador på frisk omgivande vävnad, roterar strålen runt patienten så att endast det skadade området förblir under dess inflytande hela tiden.
32.6. Grundläggande begrepp och formler
Tabellfortsättning
Slutet av bordet
32,7. Uppgifter
1. Varför träffar en elektronstråle i medicinska röntgenrör en punkt på antikatoden och faller inte på den i en bred stråle?
Svar: för att erhålla en punktkälla för röntgenstrålar, vilket ger skarpa konturer av genomlysta föremål på skärmen.
2. Hitta gränsen för röntgenstrålning (frekvens och våglängd) för spänningarna U 1 = 2 kV och U 2 = 20 kV.
4.
Blysköldar används för att skydda mot röntgenstrålning. Den linjära absorptionskoefficienten för röntgenstrålning i bly är 52 cm -1. Hur tjockt ska blyskyddsskiktet vara för att minska röntgenintensiteten med 30 gånger?
5.
Hitta strålningsflödet för röntgenröret vid U = 50 kV, I = 1 mA. Anoden är gjord av volfram (Z = 74). Hitta effektiviteten hos röret.
6.
Kontrastmedel används för röntgendiagnostik av mjukvävnader. Till exempel är magen och tarmarna fyllda med en massa bariumsulfat (BaSO 4). Jämför massdämpningskoefficienterna för bariumsulfat och mjukvävnad (vatten).
7. Vad ger en tätare skugga på skärmen på en röntgeninstallation: aluminium (Z = 13, ρ = 2,7 g/cm3) eller samma lager av koppar (Z = 29, ρ = 8,9 g/cm3)?
8.
Hur många gånger är tjockleken på aluminiumskiktet större än kopparskiktets tjocklek om skikten dämpar röntgenstrålningen lika mycket?
Vid studier och praktisk användning av atomfenomen spelar röntgenstrålar en av de viktigaste rollerna. Tack vare deras forskning har många upptäckter gjorts och metoder för att analysera ämnen utvecklats, som används inom en mängd olika områden. Här ska vi titta på en typ av röntgenstrålar - karakteristiska röntgenstrålar.
Röntgenstrålningens art och egenskaper
Röntgenstrålning är en högfrekvent förändring i det elektromagnetiska fältets tillstånd, som fortplantar sig i rymden med en hastighet av cirka 300 000 km/s, det vill säga elektromagnetiska vågor. På skalan för elektromagnetisk strålning finns röntgenstrålar i våglängdsområdet från cirka 10 -8 till 5∙10 -12 meter, vilket är flera storleksordningar kortare än optiska vågor. Detta motsvarar frekvenser från 3∙10 16 till 6∙10 19 Hz och energier från 10 eV till 250 keV, eller 1,6∙10 -18 till 4∙10 -14 J. Det bör noteras att gränserna för frekvensområdena för elektromagnetisk strålning är ganska godtyckliga på grund av deras överlappning.
Är interaktionen mellan accelererade laddade partiklar (högenergielektroner) med elektriska och magnetiska fält och med materiens atomer.
Röntgenfotoner kännetecknas av höga energier och hög penetrerande och joniserande kraft, speciellt för hårda röntgenstrålar med våglängder mindre än 1 nanometer (10 -9 m).
Röntgenstrålar interagerar med materia, joniserar dess atomer, i processerna för fotoelektrisk effekt (fotoabsorption) och inkoherent (Compton) spridning. Vid fotoabsorption överför en röntgenfoton, absorberad av en elektron i en atom, energi till den. Om dess värde överstiger bindningsenergin för en elektron i en atom, lämnar den atomen. Comptonspridning är karakteristisk för hårdare (energetiska) röntgenfotoner. En del av energin hos den absorberade fotonen spenderas på jonisering; i detta fall, i en viss vinkel mot den primära fotonens riktning, sänds en sekundär ut, med en lägre frekvens.
Typer av röntgenstrålning. Bremsstrahlung
För att producera balkar används glasvakuumcylindrar med elektroder placerade inuti. Potentialskillnaden över elektroderna måste vara mycket hög - upp till hundratals kilovolt. Termionisk emission sker på volframkatoden, uppvärmd av ström, det vill säga elektroner emitteras från den, som, accelererad av potentialskillnaden, bombarderar anoden. Som ett resultat av deras interaktion med anodens atomer (kallas ibland antikatoden), föds röntgenfotoner.
Beroende på vilken process som leder till skapandet av en foton, särskiljs typer av röntgenstrålning: bremsstrahlung och karakteristisk.
Elektroner kan, när de möter anoden, bromsas, det vill säga förlora energi i dess atomers elektriska fält. Denna energi emitteras i form av röntgenfotoner. Denna typ av strålning kallas bremsstrahlung.
Det är tydligt att bromsförhållandena kommer att skilja sig åt för enskilda elektroner. Det betyder att olika mängder av deras kinetiska energi omvandlas till röntgenstrålar. Som ett resultat inkluderar bremsstrahlung fotoner med olika frekvenser och följaktligen våglängder. Därför är dess spektrum kontinuerligt (kontinuerligt). Ibland av denna anledning kallas det också "vita" röntgenstrålar.
Energin hos en bremsstrahlung-foton kan inte överstiga den kinetiska energin hos elektronen som genererar den, så den maximala frekvensen (och kortaste våglängden) för bremsstrahlung-strålning motsvarar det högsta värdet av den kinetiska energin hos elektroner som infaller på anoden. Det senare beror på potentialskillnaden som appliceras på elektroderna.
Det finns en annan typ av röntgenstrålning, vars källa är en annan process. Denna strålning kallas karakteristisk strålning, och vi kommer att uppehålla oss mer i detalj.
Hur uppstår karakteristisk röntgenstrålning?
Efter att ha nått anti-katoden kan en snabb elektron penetrera inuti atomen och slå ut en elektron från en av de lägre orbitalerna, det vill säga överföra tillräckligt med energi till den för att övervinna potentialbarriären. Men om det finns högre energinivåer i atomen som upptas av elektroner, kommer det lediga utrymmet inte att förbli tomt.
Man måste komma ihåg att atomens elektroniska struktur, som alla energisystem, tenderar att minimera energi. Den vakans som bildas till följd av knock-out fylls med en elektron från en av de högre nivåerna. Dess energi är högre, och när den upptar en lägre nivå avger den överskottet i form av ett kvantum av karakteristisk röntgenstrålning.
Den elektroniska strukturen hos en atom är en diskret uppsättning möjliga energitillstånd för elektroner. Därför kan röntgenfotoner som emitteras under utbytet av lediga elektroner bara ha strikt definierade energivärden, vilket återspeglar skillnaden i nivåer. Som ett resultat har den karakteristiska röntgenstrålningen ett spektrum som inte är kontinuerligt, utan linjeformat. Detta spektrum gör det möjligt att karakterisera anodens substans - därav namnet på dessa strålar. Det är tack vare de spektrala skillnaderna som det är tydligt vad som menas med bremsstrahlung och karakteristisk röntgenstrålning.
Ibland sänds inte överskottsenergin ut av atomen utan går åt till att slå ut den tredje elektronen. Denna process - den så kallade Auger-effekten - är mer sannolikt att inträffa när elektronbindningsenergin inte överstiger 1 keV. Energin hos den frigjorda Auger-elektronen beror på strukturen hos atomens energinivåer, därför är spektra för sådana elektroner också diskreta till sin natur.
Allmän bild av det karakteristiska spektrumet
Smala karakteristiska linjer finns i röntgenspektralbilden tillsammans med ett kontinuerligt bremsstrahlung-spektrum. Om vi föreställer oss spektrumet som en graf över intensitet kontra våglängd (frekvens), kommer vi att se skarpa toppar vid linjernas lägen. Deras position beror på anodmaterialet. Dessa maxima är närvarande vid alla potentiella skillnader - om det finns röntgenstrålar finns det alltid toppar också. När spänningen på rörelektroderna ökar, ökar intensiteten av både kontinuerlig och karakteristisk röntgenstrålning, men läget för topparna och förhållandet mellan deras intensiteter förändras inte.
Topparna i röntgenspektra har samma utseende oberoende av materialet i antikatoden som bestrålas av elektroner, men för olika material är de belägna vid olika frekvenser och förenas i serie baserat på frekvensvärdenas närhet. Mellan serierna själva är skillnaden i frekvenser mycket mer betydande. Typen av maxima beror inte på något sätt på om anodmaterialet är ett rent kemiskt element eller ett komplext ämne. I det senare fallet är de karakteristiska röntgenspektra för dess ingående element helt enkelt överlagrade på varandra.
När atomnumret för ett kemiskt element ökar, skiftar alla linjer i dess röntgenspektrum mot högre frekvenser. Spektrumet behåller sitt utseende.
Moseleys lag
Fenomenet med spektralförskjutning av karakteristiska linjer upptäcktes experimentellt av den engelske fysikern Henry Moseley 1913. Detta gjorde det möjligt för honom att koppla ihop frekvenserna för spektrummaxima med serienumren för kemiska element. Således kan våglängden för karakteristisk röntgenstrålning, som det visade sig, tydligt korreleras med ett specifikt element. I allmänhet kan Moseleys lag skrivas på följande sätt: √f = (Z - S n)/n√R, där f är frekvensen, Z är serienumret för elementet, S n är screeningskonstanten, n är huvudkvanttal och R är konstanten Rydberg. Detta beroende är linjärt och på Moseley-diagrammet ser det ut som en serie räta linjer för varje värde på n.
n-värdena motsvarar individuella serier av karakteristiska röntgenstrålningstoppar. Moseleys lag gör det möjligt att bestämma serienumret för ett kemiskt element som bestrålas av hårda elektroner baserat på de uppmätta våglängderna (de är unikt relaterade till frekvenserna) för maxima för röntgenspektrum.
Strukturen hos de elektroniska skalen av kemiska element är identisk. Detta indikeras av monotoniteten hos skiftändringen i det karakteristiska spektrumet av röntgenstrålning. Frekvensskiftet återspeglar inte strukturella, utan energiskillnader mellan elektronskal, unika för varje element.
Moseleys lags roll i atomfysiken
Det finns små avvikelser från det strikta linjära förhållandet uttryckt av Moseleys lag. De är för det första förknippade med särdragen i ordningen för att fylla elektronskalen hos vissa element, och för det andra med de relativistiska effekterna av rörelsen av elektroner i tunga atomer. Dessutom, när antalet neutroner i kärnan ändras (det så kallade isotopiska skiftet) kan linjernas position ändras något. Denna effekt gjorde det möjligt att studera atomstrukturen i detalj.
Betydelsen av Moseleys lag är extremt stor. Dess konsekventa tillämpning på elementen i Mendeleevs periodiska system etablerade ett mönster av att öka ordningstalet motsvarande varje liten förskjutning i de karakteristiska maxima. Detta bidrog till att klargöra frågan om den fysiska innebörden av ordningens antal element. Z-värdet är inte bara ett tal: det är den positiva elektriska laddningen av kärnan, som är summan av enhetens positiva laddningar av partiklarna som utgör dess sammansättning. Den korrekta placeringen av element i tabellen och förekomsten av tomma positioner i den (de fanns fortfarande då) fick kraftfull bekräftelse. Giltigheten av den periodiska lagen bevisades.
Moseleys lag blev dessutom grunden på vilken en hel riktning av experimentell forskning uppstod - röntgenspektrometri.
Strukturen hos en atoms elektronskal
Låt oss kort påminna om hur elektronstrukturen är uppbyggd: Den består av skal betecknade med bokstäverna K, L, M, N, O, P, Q eller siffror från 1 till 7. Elektroner i skalet kännetecknas av samma huvudkvantum. nummer n, som bestämmer de möjliga energivärdena. I de yttre skalen är elektronenergin högre, och joniseringspotentialen för de yttre elektronerna är motsvarande lägre.
Skalet innehåller en eller flera undernivåer: s, p, d, f, g, h, i. I varje skal ökar antalet undernivåer med en jämfört med den föregående. Antalet elektroner i varje undernivå och i varje skal kan inte överstiga ett visst värde. De kännetecknas, förutom huvudkvanttalet, av samma värde på det orbitala elektronmolnet som bestämmer formen. Undernivåer anges av skalet som de tillhör, till exempel 2s, 4d och så vidare.
Undernivån innehåller som specificeras, förutom de huvudsakliga och orbitala, av ett annat kvanttal - magnetiskt, som bestämmer projiceringen av elektronens omloppsrörelsemängd på magnetfältets riktning. En orbital kan inte ha mer än två elektroner, som skiljer sig i värdet av det fjärde kvanttalet - spinn.
Låt oss överväga mer i detalj hur karakteristisk röntgenstrålning uppstår. Eftersom ursprunget till denna typ av elektromagnetisk emission är förknippat med fenomen som förekommer inuti atomen, är det mest praktiskt att beskriva det exakt i approximationen av elektroniska konfigurationer.
Mekanism för att generera karakteristisk röntgenstrålning
Så orsaken till denna strålning är bildandet av elektronvakanser i de inre skalen, orsakade av penetration av högenergielektroner djupt in i atomen. Sannolikheten att en hård elektron kommer att interagera ökar med tätheten hos elektronmolnen. Därför är det mest sannolikt att kollisioner inträffar inom tätt packade inre skal, som det lägsta K-skalet. Här joniseras atomen och en tomhet bildas i 1:ans skal.
Denna vakans fylls av en elektron från skalet med högre energi, vars överskott förs bort av röntgenfotonen. Denna elektron kan "falla" från det andra skalet L, från det tredje skalet M, och så vidare. Så bildas en karaktäristisk serie, i detta exempel K-serien. En indikation på varifrån elektronen som fyller vakansen kommer ges i form av ett grekiskt index i seriebeteckningen. "Alfa" betyder att det kommer från L-skalet, "beta" betyder att det kommer från M-skalet. För närvarande finns det en tendens att ersätta de grekiska bokstavsindexen med de latinska som används för att beteckna skal.
Intensiteten på alfalinjen i serien är alltid högst - det betyder att sannolikheten att fylla en ledig tjänst från ett angränsande skal är högst.
Nu kan vi svara på frågan, vad är den maximala energin för ett kvantum av karakteristisk röntgenstrålning. Det bestäms av skillnaden i energivärdena för de nivåer mellan vilka elektronövergången sker, enligt formeln E = E n 2 - E n 1, där E n 2 och E n 1 är energierna för den elektroniska stater mellan vilka övergången inträffade. Det högsta värdet av denna parameter ges av K-serieövergångar från de högsta nivåerna av atomer av tunga grundämnen. Men intensiteten hos dessa linjer (höjden på topparna) är den lägsta, eftersom de är minst sannolika.
Om en hård elektron på grund av otillräcklig spänning vid elektroderna inte kan nå K-nivån, bildar den en tomhet på L-nivån, och en mindre energisk L-serie med längre våglängder bildas. Efterföljande serier föds på liknande sätt.
Dessutom, när en ledig plats tillsätts till följd av en elektronisk övergång, dyker det upp en ny ledig plats i det överliggande skalet. Detta skapar förutsättningar för att generera nästa serie. Elektronvakanser flyttar sig högre från nivå till nivå, och atomen avger en kaskad av karakteristiska spektralserier medan den förblir joniserad.
Fin struktur av karakteristiska spektra
Atomröntgenspektra av karakteristisk röntgenstrålning kännetecknas av en fin struktur, som, liksom i optiska spektra, uttrycks i linjedelning.
Fin struktur beror på att energinivån - elektronskalet - är en uppsättning tätt belägna komponenter - subskal. För att karakterisera underskalen introduceras ett annat internt kvantnummer j, vilket återspeglar interaktionen mellan elektronens egna och orbitala magnetiska moment.
På grund av inverkan av spin-omloppsinteraktion blir atomens energistruktur mer komplex, och som ett resultat har den karakteristiska röntgenstrålningen ett spektrum som kännetecknas av delade linjer med mycket tätt placerade element.
Element med fin struktur betecknas vanligtvis av ytterligare digitala index.
Karakteristisk röntgenstrålning har en egenskap som endast reflekteras i spektrats fina struktur. Övergången av en elektron till en lägre energinivå sker inte från det lägre underskalet av den högre nivån. En sådan händelse har en försumbar sannolikhet.
Användning av röntgenstrålar i spektrometri
Denna strålning, på grund av dess egenskaper som beskrivs av Moseleys lag, ligger till grund för olika röntgenspektrala metoder för att analysera ämnen. Vid analys av röntgenspektrum används antingen diffraktion av strålning på kristaller (vågspridande metod) eller detektorer som är känsliga för energin från absorberade röntgenfotoner (energispridande metod). De flesta elektronmikroskop är utrustade med någon form av röntgenspektrometrifästen.
Vågspridande spektrometri är särskilt exakt. Med hjälp av speciella filter markeras de mest intensiva topparna i spektrumet, vilket gör det möjligt att erhålla nästan monokromatisk strålning med en exakt känd frekvens. Anodmaterialet väljs mycket noggrant för att säkerställa att en monokromatisk stråle med önskad frekvens erhålls. Dess diffraktion på kristallgittret hos ämnet som studeras gör att man kan studera gitterstrukturen med stor noggrannhet. Denna metod används också vid studiet av DNA och andra komplexa molekyler.
En av egenskaperna hos karakteristisk röntgenstrålning beaktas också i gammaspektrometri. Detta är en karakteristisk topp med hög intensitet. Gammaspektrometrar använder blyavskärmning mot extern bakgrundsstrålning som stör mätningar. Men bly, som absorberar gammastrålar, upplever intern jonisering, som ett resultat av vilket det aktivt sänder ut i röntgenområdet. För att absorbera de intensiva topparna av den karakteristiska röntgenstrålningen av bly används ytterligare kadmiumskärmning. Den är i sin tur joniserad och avger även röntgenstrålar. För att neutralisera de karakteristiska topparna av kadmium används ett tredje skärmskikt - koppar, vars röntgenmaxima ligger utanför gammaspektrometerns driftsfrekvensområde.
Spektrometri använder både bremsstrahlung och karakteristiska röntgenstrålar. Vid analys av ämnen studeras således absorptionsspektra av kontinuerliga röntgenstrålar av olika ämnen.
1. Bremsstrahlung och karakteristisk röntgenstrålning,
huvudsakliga egenskaper och egenskaper.
År 1895 upptäckte den tyske forskaren Roentgen första gången glöden från en fluorescerande skärm, som orsakades av strålning som var osynlig för ögat från glasdelen av gasurladdningsröret mittemot katoden. Denna typ av strålning hade förmågan att passera genom ämnen som var ogenomträngliga för synligt ljus. Roentgen kallade dem röntgenstrålar och etablerade de grundläggande egenskaperna som gör att de kan användas inom olika grenar av vetenskap och teknik, inklusive medicin.
Röntgenstrålning är strålning med en våglängd på 80-10 -5 nm. Långvågig röntgenstrålning överlappar kortvågig UV-strålning, kortvågig strålning överlappar långvågig g-strålning. Inom medicinen används röntgenstrålning med en våglängd från 10 till 0,005 nm, vilket motsvarar en fotonenergi från 10 2 EV till 0,5 MeV. Röntgenstrålning är osynlig för ögat, så alla observationer med den görs med fluorescerande skärmar eller fotografiska filmer, eftersom den orsakar röntgenluminescens och har en fotokemisk effekt. Det är karakteristiskt att de flesta kroppar som är ogenomträngliga för optisk strålning till stor del är transparenta för röntgenstrålning, som har egenskaper som är gemensamma för elektromagnetiska vågor. Men på grund av den korta våglängden är vissa egenskaper svåra att upptäcka. Därför fastställdes strålningens vågnatur mycket senare än deras upptäckt.
Baserat på excitationsmetoden delas röntgenstrålning in i bremsstrahlung och karakteristisk strålning.
Bremsstrahlung-röntgenstrålar orsakas av retardationen av snabbt rörliga elektroner av det elektriska fältet hos atomen (kärna och elektroner) i ämnet som de flyger igenom. Mekanismen för denna strålning kan förklaras av det faktum att varje rörlig laddning representerar en ström runt vilken ett magnetfält skapas, vars induktion (B) beror på elektronens hastighet. Vid inbromsning minskar den magnetiska induktionen och i enlighet med Maxwells teori uppstår en elektromagnetisk våg.
När elektroner bromsas in används bara en del av energin för att skapa en röntgenfoton, den andra delen går åt till att värma anoden. Frekvensen (våglängden) för fotonen beror på elektronens initiala kinetiska energi och intensiteten av dess retardation. Dessutom, även om den initiala kinetiska energin är densamma, kommer förhållandena för retardation i ämnet att vara annorlunda, därför kommer de emitterade fotonerna att ha de mest olika energierna, och följaktligen våglängder, dvs. röntgenspektrat kommer att vara kontinuerligt. Figur 1 visar spektrumet av röntgenstrålning vid olika spänningar U 1
.
Om U uttrycks i kilovolt och hänsyn tas till förhållandet mellan andra storheter, så ser formeln ut så här: l k = 1,24/U (nm) eller l k = 1,24/U (Å) (1 Å = 10 -10 m).
Från ovanstående grafer kan det fastställas att våglängden l m, som står för den maximala strålningsenergin, står i ett konstant förhållande till gränsvåglängden l k:
.
Våglängd kännetecknar energin hos en foton, på vilken strålnings penetreringsförmåga när den interagerar med materia beror på.
Kortvågig röntgenstrålning har vanligtvis hög penetrerande kraft och kallas hård, medan långvågig röntgen kallas mjuk. Som framgår av formeln ovan är våglängden vid vilken den maximala strålningsenergin uppträder omvänt proportionell mot spänningen mellan anoden och katoden hos röret. Genom att öka spänningen vid anoden på röntgenröret ändras strålningens spektrala sammansättning och dess hårdhet ökar.
När glödtrådsspänningen ändras (katodens glödtrådstemperatur ändras), ändras antalet elektroner som emitteras av katoden per tidsenhet, eller följaktligen ändras strömstyrkan i röranodkretsen. I detta fall ändras strålningseffekten i proportion till den första styrkan av strömstyrkan. Strålningens spektrala sammansättning kommer inte att förändras.
Det totala flödet (effekten) av strålning, fördelningen av energi över våglängder, såväl som spektrumgränsen på sidan av korta våglängder beror på följande tre skäl: spänningen U accelererar elektroner och appliceras mellan anoden och katoden i röret ; antalet elektroner som är involverade i bildandet av strålning, dvs. rör filament ström; atomnummer Z för det anodämne i vilket elektronretardation sker.
Röntgenstrålningsflödet beräknas med formeln: , där 
,
Z-atomnummer för ett ämne (atomnummer).
Genom att öka spänningen på röntgenröret kan man märka utseendet av enskilda linjer (linjespektrum) mot bakgrund av kontinuerlig bremsstrahlung röntgenstrålning, vilket motsvarar karakteristisk röntgenstrålning. Det sker under övergången av elektroner mellan de inre skalen av atomer i ett ämne (skal K, L, M). Linjenaturen hos spektrumet av karakteristisk strålning uppstår på grund av det faktum att accelererade elektroner tränger djupt in i atomerna och slår ut elektroner från deras inre lager utanför atomen. Elektroner (fig. 2) från de övre skikten rör sig till fria platser, som ett resultat av vilka röntgenfotoner emitteras med en frekvens som motsvarar skillnaden i övergångsenerginivåer. Linjerna i spektrat av karakteristisk strålning kombineras till serier som motsvarar övergångar av elektroner med en högre nivå på K, L, M-nivå.
Den yttre påverkan, som ett resultat av vilken elektronen slås ut ur de inre lagren, måste vara ganska stark. Till skillnad från optiska spektra är de karakteristiska röntgenspektra för olika atomer av samma typ. Likformigheten hos dessa spektra beror på det faktum att de inre lagren av olika atomer är identiska och skiljer sig endast i energi, eftersom kraftpåverkan från kärnan ökar när elementets ordningsnummer ökar. Detta leder till att de karakteristiska spektra skiftar mot högre frekvenser med ökande kärnladdning. Detta förhållande är känt som Moseleys lag: 
där A och B är konstanter; Z-ordningstal för elementet.
Det finns en annan skillnad mellan röntgen och optiska spektra. Det karakteristiska spektrumet för en atom beror inte på den kemiska förening som atomen ingår i. Till exempel är syreatomens röntgenspektrum detsamma för O, O 2, H 2 O, medan de optiska spektra för dessa föreningar är signifikant olika. Denna egenskap hos röntgenspektra av atomer fungerade som grunden för namnet "karakteristisk".
Karakteristisk strålning uppstår när det finns lediga utrymmen i atomens inre skikt, oavsett orsakerna som orsakade det. Till exempel åtföljer det en typ av radioaktivt sönderfall, vilket innebär att en elektron fångas upp från det inre lagret av kärnan.
2. Arrangemang av röntgenrör och protozoer
Röntgenmaskin.
Den vanligaste källan till röntgenstrålning är ett röntgenrör - en vakuumanordning med två elektroder (fig. 3). Det är en glasballong (p = 10 -6 – 10 -7 mm Hg) med två elektroder - anod A och katod K, mellan vilka en högspänning skapas. Den uppvärmda katoden (K) avger elektroner. Anod A kallas ofta antikatoden. Den har en lutande yta för att rikta den resulterande röntgenstrålningen i en vinkel mot rörets axel. Anoden är gjord av en metall med god värmeledningsförmåga (koppar) för att ta bort värmen som genereras när elektroner träffar. Vid den avfasade änden av anoden finns en platta 3 av en eldfast metall (volfram) med ett högt atomnummer, kallad anodspegel. I vissa fall är anoden speciellt kyld med vatten eller olja. För diagnostiska rör är precisionen hos röntgenkällan viktig, vilket kan uppnås genom att fokusera elektronerna på ett ställe på anoden. Därför är det konstruktivt nödvändigt att ta hänsyn till två motsatta uppgifter: å ena sidan måste elektroner falla på en plats av anoden, å andra sidan, för att förhindra överhettning, är det önskvärt att fördela elektroner över olika områden av anoden. Av denna anledning tillverkas vissa röntgenrör med en roterande anod.
I ett rör av vilken design som helst faller elektroner, accelererade av spänningen mellan anoden och katoden, på anodspegeln och tränger djupt in i ämnet, interagerar med atomer och hämmas av atomfältet. Detta producerar bremsstrahlung röntgenstrålning. Samtidigt med bremsstrahlung bildas en liten mängd (flera procent) karakteristisk strålning. Endast 1-2% av elektronerna som träffar anoden orsakar bremsstrahlung, och resten är en termisk effekt. För att koncentrera elektroner har katoden ett styrlock. Den del av volframspegeln som huvudflödet av elektroner faller på kallas rörets fokus. Strålningsstrålens bredd beror på dess område (fokusskärpa).
För att driva röret krävs två källor: en högspänningskälla för anodkretsen och en låg (6-8 V) källa för att driva glödlampskretsen. Båda källorna måste regleras oberoende av varandra. Genom att ändra anodspänningen regleras hårdheten hos röntgenstrålningen och genom att byta glödtråden regleras utgångskretsens ström och följaktligen strålningseffekten.
Det grundläggande elektriska diagrammet för en enkel röntgenapparat visas i fig. 4. Kretsen har två transformatorer Tr.1 för högspänning och Tr.2 för strömförsörjning med glödlampor. Högspänningen på röret regleras av autotransformator Tr.3, ansluten till primärlindningen på transformator Tr.1. Omkopplare K reglerar antalet varv på autotransformatorlindningen. I detta avseende ändras också spänningen hos transformatorns sekundärlindning, som tillförs anoden på röret, d.v.s. hårdheten är justerbar.
Rörets glödtrådsström regleras av en reostat R ansluten till kretsen för transformatorns Tr.2 primärlindning. Anodkretsströmmen mäts med en milliammeter. Spänningen som tillförs rörets elektroder mäts med en kilovoltmeter kV, eller så kan spänningen i anodkretsen bedömas utifrån läget för omkopplaren K. Mängden glödtrådsström, som regleras av en reostat, mäts med amperemeter A. I den aktuella kretsen likriktar röntgenröret samtidigt en hög växelspänning.
Det är lätt att se att ett sådant rör bara avger en halvcykel av växelström. Följaktligen kommer dess kraft att vara liten. För att öka den utstrålade effekten använder många enheter högspänningsfullvågsröntgenlikriktare. För detta ändamål används 4 speciella kenotroner, som är anslutna i en bryggkrets. Ett röntgenrör ingår i ena diagonalen på bron.
3. Interaktion mellan röntgenstrålar och materia
(koherent spridning, inkoherent spridning, fotoelektrisk effekt).
När röntgenstrålning faller på en kropp reflekteras den i en liten mängd från den, men passerar huvudsakligen djupt in i den. I kroppens massa absorberas strålning delvis, delvis spridd och delvis passerar genom. Genom att passera genom kroppen interagerar röntgenfotoner huvudsakligen med elektronerna i atomer och molekyler i ämnet. Registreringen och användningen av röntgenstrålning, såväl som dess inverkan på biologiska objekt, bestäms av de primära processerna för interaktion mellan röntgenfotonen och elektroner. Beroende på förhållandet mellan fotonenergin E och joniseringsenergin A I äger tre huvudprocesser rum.
A) Sammanhängande spridning.
Spridning av långvågig röntgenstrålning sker i huvudsak utan att ändra våglängden, och kallas koherent. Interaktionen av en foton med elektronerna i de inre skalen, tätt bundna till kärnan, ändrar endast dess riktning, utan att ändra dess energi, och därför våglängden (fig. 5).
Koherent spridning uppstår om fotonenergin är mindre än joniseringsenergin: 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) Osammanhängande spridning (Compton-effekt).
År 1922 upptäckte A. Compton, som observerade spridningen av hårda röntgenstrålar, en minskning av den spridda strålens penetrerande kraft jämfört med den infallande strålen. Spridningen av röntgenstrålar med förändringar i våglängd kallas Compton-effekten. Det uppstår när en foton av någon energi interagerar med elektronerna i de yttre skalen av atomer som är svagt bundna till kärnan (Fig. 6). En elektron tas bort från en atom (sådana elektroner kallas rekylelektroner). Fotonens energi minskar (våglängden ökar i enlighet därmed), och riktningen för dess rörelse ändras också. Compton-effekten uppstår om energin hos röntgenfotonen är större än joniseringsenergin: , . I detta fall uppstår rekylelektroner med kinetisk energi E K. Atomer och molekyler blir joner. Om E K är signifikant kan elektroner jonisera närliggande atomer genom kollision och bilda nya (sekundära) elektroner.
V) Fotoeffekt.
Om fotonenergin hn är tillräcklig för att lossa en elektron, då när den interagerar med en atom, absorberas fotonen och elektronen separeras från den. Detta fenomen kallas den fotoelektriska effekten. Atomen joniseras (fotojonisering). I detta fall förvärvar elektronen kinetisk energi och, om den senare 
är signifikant kan den jonisera angränsande atomer genom kollision och bilda nya (sekundära) elektroner. Om fotonenergin är otillräcklig för jonisering, kan den fotoelektriska effekten manifestera sig i exciteringen av en atom eller molekyl. I vissa ämnen leder detta till efterföljande emission av fotoner i det synliga området (röntgenluminescens) och i vävnader till aktivering av molekyler och fotokemiska reaktioner.
Den fotoelektriska effekten är karakteristisk för fotoner med en energi i storleksordningen 0,5-1 MeV.
De tre huvudsakliga interaktionsprocesserna som diskuterats ovan är primära, de leder till efterföljande sekundära, tertiära, etc. fenomen. När röntgenstrålar kommer in i ett ämne kan ett antal processer inträffa innan röntgenfotonens energi omvandlas till energin för termisk rörelse.
Som ett resultat av ovanstående processer försvagas det primära flödet av röntgenstrålning. Denna process följer Bouguers lag. Låt oss skriva det i formen: Ф = Ф 0 e - mх, där m är den linjära dämpningskoefficienten, beroende på ämnets natur (främst på densiteten och atomnumret) och på strålningens våglängd (fotonenergi) . Det kan representeras som bestående av tre termer som motsvarar koherent spridning, inkoherent spridning och fotoelektrisk effekt: 
.
Eftersom den linjära absorptionskoefficienten beror på ämnets densitet, föredrar de att använda massdämpningskoefficienten, som är lika med förhållandet mellan den linjära dämpningskoefficienten och absorbatorns densitet och inte beror på ämnets densitet. Röntgenflödets (intensitet) beroende av tjockleken på det absorberande filtret visas i fig. 7 för H2O, Al och Cu. Beräkningar visar att ett vattenlager 36 mm tjockt, aluminium 15 mm och koppar 1,6 mm minskar intensiteten av röntgenstrålning med 2 gånger. Denna tjocklek kallas halva lagertjockleken d. Om ett ämne dämpar röntgenstrålningen med hälften, då 
, Då 
, eller , 
; ; . Genom att känna till tjockleken på halvlagret kan du alltid bestämma m. Dimensionera.
4. Användning av röntgenstrålar inom medicin
(fluoroskopi, radiografi, röntgentomografi, fluorografi, strålbehandling).
En av de vanligaste användningsområdena för röntgenstrålning inom medicinen är undersökning av inre organ för diagnostiska ändamål - röntgendiagnostik.
För diagnostik används fotoner med en energi på 60-120 keV. I detta fall bestäms massabsorptionskoefficienten huvudsakligen av den fotoelektriska effekten. Dess värde är proportionellt mot l 3 (vilket visar den höga penetreringsförmågan hos hård strålning) och proportionell mot tredje potensen av antalet atomer av ämnet - absorbator: , där K är proportionalitetskoefficienten.
Människokroppen består av vävnader och organ som har olika absorptionsförmåga med avseende på röntgenstrålning. Därför, när den belyses med röntgenstrålar, erhålls en ojämn skuggbild på skärmen, vilket ger en bild av platsen för de inre organen och vävnaderna. De tätaste strålningsabsorberande vävnaderna (hjärta, stora kärl, ben) är synliga mörka och de minst absorberande vävnaderna (lungorna) är ljusa.
I många fall är det möjligt att bedöma deras normala eller patologiska tillstånd. Röntgendiagnostik använder två huvudmetoder: fluoroskopi (transmission) och radiografi (bild). Om organet som studeras och vävnaderna som omger det absorberar röntgenflödet ungefär lika mycket, används speciella kontrastmedel. Till exempel, på tröskeln till en röntgenundersökning av magen eller tarmarna, ges en grötliknande massa av bariumsulfat, i det här fallet kan du se deras skuggbild. Vid fluoroskopi och röntgen är röntgenbilden en sammanfattande bild av hela tjockleken på föremålet genom vilket röntgenstrålarna passerar. De detaljer som är närmast filmduken eller filmen är tydligast, medan de som är avlägsna blir suddiga och suddiga. Om det finns ett patologiskt förändrat område i något organ, till exempel förstörelse av lungvävnad i ett stort fokus av inflammation, kan detta område i vissa fall "förloras" på röntgenbilden i summan av skuggorna. För att göra det synligt används en speciell metod - tomografi (lager-för-lager-inspelning), som låter dig få bilder av enskilda lager av det studerade området. Denna typ av lager-för-lager-bilder-tomogram erhålls med hjälp av en speciell apparat som kallas tomograf, där ett röntgenrör (RT) och fotografisk film (FP) regelbundet flyttas tillsammans, i motfas, i förhållande till arean av studera. I det här fallet kommer röntgenstrålar vid vilken position som helst av RT att passera genom samma punkt på objektet (förändrat område), vilket är mitten i förhållande till vilket den periodiska rörelsen av RT och FP sker. En skuggbild av området kommer att fångas på film. Genom att ändra positionen för "swing center" är det möjligt att få lager-för-lager-bilder av objektet. Med hjälp av en tunn stråle av röntgenstrålning, en speciell skärm (istället för FP) som består av halvledardetektorer av joniserande strålning, är det möjligt att bearbeta bilden under tomografi med hjälp av en dator. Denna moderna version av tomografi kallas datortomografi. Tomografi används i stor utsträckning vid studier av lungor, njurar, gallblåsa, mage, ben, etc.
Bildens ljusstyrka på skärmen och exponeringstiden på filmen beror på intensiteten av röntgenstrålningen. När du använder den för diagnostik kan intensiteten inte vara hög för att inte orsaka en oönskad biologisk effekt. Därför finns det ett antal tekniska enheter som förbättrar bildens ljusstyrka vid låga röntgenintensiteter. En sådan anordning är en elektronoptisk omvandlare.
Ett annat exempel är fluorografi, där en bild från en stor självlysande röntgenskärm erhålls på en känslig film i småformat. Vid fotografering används ett objektiv med hög bländare och de färdiga bilderna undersöks med en speciell förstoringsglas.
Fluorografi kombinerar en större förmåga att upptäcka dolda sjukdomar (sjukdomar i bröstorganen, mag-tarmkanalen, paranasala bihålor, etc.) med betydande genomströmning, och är därför en mycket effektiv metod för massforskning (in-line).
Eftersom fotografering av en röntgenbild under fluorografi görs med fotografisk optik, reduceras bilden på fluorogrammet i jämförelse med röntgen. I detta avseende är upplösningen för ett fluorogram (d.v.s. urskiljbarheten av små detaljer) mindre än för en konventionell röntgenbild, men den är större än med fluoroskopi.
En apparat har designats - en tomofluorograf, som gör det möjligt att få fluorogram av delar av kroppen och enskilda organ på ett givet djup - de så kallade lager-för-lager-bilderna (skivor) - tomofluorogram.
Röntgenstrålning används också för terapeutiska ändamål (röntgenterapi). Den biologiska effekten av strålning är att störa den vitala aktiviteten hos celler, särskilt snabbt utvecklande sådana. I detta avseende används röntgenterapi för att behandla maligna tumörer. Det är möjligt att välja en stråldos som är tillräcklig för att fullständigt förstöra tumören med relativt liten skada på omgivande frisk vävnad, som återställs på grund av efterföljande regenerering.
Intensitet- en kvantitativ egenskap hos röntgenstrålning, som uttrycks av antalet strålar som sänds ut av röret per tidsenhet. Intensiteten av röntgenstrålning mäts i milliampere. Genom att jämföra det med intensiteten av synligt ljus från en konventionell glödlampa kan vi dra en analogi: till exempel kommer en 20-watts lampa att lysa med en intensitet, eller styrka, och en 200-watts lampa kommer att lysa med en annan, medan kvaliteten på själva ljuset (dess spektrum) är densamma. Intensiteten av en röntgen är i huvudsak mängden av den. Varje elektron skapar en eller flera strålningskvanta vid anoden, därför regleras antalet röntgenstrålar när ett föremål exponeras genom att ändra antalet elektroner som tenderar mot anoden och antalet interaktioner mellan elektroner och atomer i volframmålet , vilket kan göras på två sätt:
1. Genom att ändra graden av uppvärmning av katodspiralen med hjälp av en nedtrappningstransformator (antalet elektroner som genereras under emission kommer att bero på hur varm volframspiralen är, och antalet strålningskvantor kommer att bero på antalet elektroner) ;
2. Genom att ändra värdet på den höga spänningen som tillförs av en step-up transformator till polerna på röret - katoden och anoden (ju högre spänning som läggs på rörets poler, desto mer kinetisk energi får elektronerna , som på grund av sin energi kan interagera med flera atomer av anodämnet i sin tur - se. ris. 5; elektroner med låg energi kommer att kunna ingå i färre interaktioner).
Röntgenintensiteten (anodström) multiplicerad med exponeringstiden (rördriftstid) motsvarar röntgenexponeringen, som mäts i mAs (milliampere per sekund). Exponering är en parameter som, liksom intensitet, kännetecknar antalet strålar som sänds ut av röntgenröret. Den enda skillnaden är att exponeringen också tar hänsyn till rörets drifttid (om röret till exempel arbetar i 0,01 sekunder, kommer antalet strålar att vara en, och om 0,02 sekunder kommer antalet strålar att vara en olika - två gånger till). Strålningsexponeringen ställs in av radiologen på röntgenapparatens kontrollpanel, beroende på typ av undersökning, storleken på föremålet som undersöks och den diagnostiska uppgiften.
Stelhet- Kvalitativa egenskaper hos röntgenstrålning. Det mäts av storleken på högspänningen på röret - i kilovolt. Bestämmer röntgenstrålningens penetrerande kraft. Den regleras av den höga spänningen som tillförs röntgenröret av en step-up transformator. Ju högre potentialskillnaden skapas över elektroderna i röret, desto mer kraft stöts elektronerna bort från katoden och rusar till anoden och desto starkare kollision med anoden. Ju starkare deras kollision, desto kortare är våglängden för den resulterande röntgenstrålningen och desto högre penetreringsförmåga hos denna våg (eller strålningens hårdhet, som liksom intensiteten regleras på kontrollpanelen av spänningsparametern på röret - kilospänning).
Ris. 7 - Beroende av våglängd på vågenergi:
λ - våglängd;
E - vågenergi
· Ju högre kinetisk energi för rörliga elektroner är, desto starkare är deras inverkan på anoden och desto kortare är våglängden för den resulterande röntgenstrålningen. Röntgenstrålning med lång våglängd och låg penetrerande kraft kallas "mjuk", röntgenstrålning med kort våglängd och hög penetrerande kraft kallas "hård".
Ris. 8 - Förhållandet mellan spänningen på röntgenröret och våglängden för den resulterande röntgenstrålningen:
· Ju högre spänningen appliceras på rörets poler, desto starkare blir potentialskillnaden över dem, därför blir den kinetiska energin för rörliga elektroner högre. Spänningen på röret bestämmer elektronernas hastighet och kraften i deras kollision med anodämnet; därför bestämmer spänningen våglängden på den resulterande röntgenstrålningen.
