Рентгенівським випромінюванням називають електромагнітні хвилі із довжиною приблизно від 80 до 10 -5 нм. Найбільш довгохвильове рентгенівське випромінювання перекривається короткохвильовим ультрафіолетовим, короткохвильове - довгохвильовим γ-випромінюванням. За способом збудження рентгенівське випромінювання поділяють на гальмівне та характеристичне.
31.1. ПРИСТРІЙ РЕНТГЕНІВСЬКОЇ ТРУБКИ. ГАЛЬМОВЕ РЕНТГЕНІВСЬКЕ ВИМИКАННЯ
Найбільш поширеним джерелом рентгенівського випромінювання є рентгенівська трубка, яка є дво-електродним ваккумним приладом (рис. 31.1). Підігрівний катод 1 випускає електрони 4. Анод 2, званий часто антикатодом, має похилу поверхню, для того щоб направити рентгенівське випромінювання, що виникає. 3 під кутом до осі трубки. Анод виготовлений з добре теплопровідного матеріалу для відведення теплоти, що утворюється при ударі електронів. Поверхня анода виконана з тугоплавких матеріалів, що мають великий порядковий номер атома таблиці Менделєєва, наприклад з вольфраму. В окремих випадках анод спеціально охолоджують водою чи олією.
Для діагностичних трубок важливою є точковість джерела рентгенівських променів, чого можна досягти, фокусуючи електрони в одному місці антикатода. Тому конструктивно доводиться враховувати дві протилежні завдання: з одного боку, електрони повинні потрапляти на одне місце анода, з іншого боку, щоб не допустити перегріву, бажано розподіл електронів по різних ділянках анода. Як один з цікавих технічних рішень є рентгенівська трубка з анодом, що обертається (рис. 31.2).
Внаслідок гальмування електрона (або іншої зарядженої частинки) електростатичним полем атомного ядра та атомарних електронів речовини антикатода виникає гальмівне рентгенівське випромінювання.
Механізм його можна пояснити так. З електричним зарядом, що рухається, пов'язане магнітне поле, індукція якого залежить від швидкості електрона. При гальмуванні зменшується магнітна
індукція та відповідно до теорії Максвелла з'являється електромагнітна хвиля.
При гальмуванні електронів лише частина енергії йде створення фотона рентгенівського випромінювання, інша частина витрачається нагрівання анода. Оскільки співвідношення між цими частинами випадково, то при гальмуванні великої кількості електронів утворюється безперервний спектр рентгенівського випромінювання. У зв'язку з цим гальмівне випромінювання називають суцільним. На рис. 31.3 представлені залежності потоку рентгенівського випромінювання від довжини хвилі (спектри) при різних напругах в рентгенівській трубці: U 1< U 2 < U 3 .
У кожному спектрі найбільш короткохвильове гальмівне випромінювання λ ηίη виникає тоді, коли енергія, придбана електроном у полі, що прискорює, повністю переходить в енергію фотона:
Зауважимо, що на основі (31.2) розроблено один з найбільш точних способів експериментального визначення постійної Планки.
Короткохвильове рентгенівське випромінювання зазвичай має більшу проникаючу здатність, ніж довгохвильове, і називається жорстким,а довгохвильове - м'яким.
Збільшуючи напругу на рентгенівській трубці, змінюють спектральний склад випромінювання, як видно з рис. 31.3 та формули (31.3), і збільшують жорсткість.
Якщо збільшити температуру розжарення катода, то зростуть емісія електронів та сила струму в трубці. Це призведе до збільшення кількості фотонів рентгенівського випромінювання, що випускаються кожну секунду. Спектральний склад його зміниться. На рис. 31.4 показані спектри гальмівного рентгенівського випромінювання при одному напрузі, але при різній силі струму розжарення катода: / н1< / н2 .
Потік рентгенівського випромінювання обчислюється за такою формулою:
де Uі I -напруга та сила струму в рентгенівській трубці; Z- Порядковий номер атома речовини анода; k- Коефіцієнт пропорційності. Спектри, отримані від різних антикатодів за однакових Uта I H , зображені на рис. 31.5.
31.2. ХАРАКТЕРИСТИЧНЕ РЕНТГЕНІВСЬКЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ. АТОМНІ РЕНТГЕНІВСЬКІ СПЕКТРИ
Збільшуючи напругу на рентгенівській трубці, можна помітити на тлі суцільного спектра поява лінійчастого, який відповідає
характеристичного рентгенівського випромінювання(Рис. 31.6). Він виникає внаслідок того, що прискорені електрони проникають у глиб атома та з внутрішніх шарів вибивають електрони. На вільні місця переходять електрони з верхніх рівнів (рис. 31.7), внаслідок чого висвічуються фотони характеристичного випромінювання. Як видно з малюнка, характеристичне рентгенівське випромінювання складається із серій K, L, Мі т.д., найменування яких і послужило позначення електронних шарів. Так як при випромінюванні K-серії звільняються місця у більш високих шарах, одночасно випускаються і лінії інших серій.
На відміну від оптичних спектрів, характеристичні рентгенівські спектри різних атомів однотипні. На рис. 31.8 показано спектри різних елементів. Однотипність цих спектрів обумовлена тим, що внутрішні шари у різних атомів однакові і відрізняються лише енергетично, оскільки силова дія з боку ядра збільшується зі зростанням порядкового номера елемента. Ця обставина призводить до того, що характеристичні спектри зрушуються у бік високих частот зі збільшенням заряду ядра. Така закономірність видно з рис. 31.8 і відома як закон Мозлі:
де v -частота спектральної лінії; Z-атомний номер випромінюючого елемента; Аі У- Постійні.
Є ще одна різниця між оптичними та рентгенівськими спектрами.
Характеристичний рентгенівський спектр атома залежить від хімічної сполуки, куди цей атом входить. Так, наприклад, рентгенівський спектр атома кисню однаковий для, O 2 і Н 2 Про, в той час як оптичні спектри цих сполук істотно різні. Ця особливість рентгенівського спектру атома стала підставою для назви характеристичне.
Характеристичне випромінювання виникає завжди за наявності вільного місця у внутрішніх шарах атома незалежно від причини, що його викликала. Так, наприклад, характеристичне випромінювання супроводжує один із видів радіоактивного розпаду (див. 32.1), який полягає у захопленні ядром електрона з внутрішнього шару.
31.3. ВЗАЄМОДІЯ РЕНТГЕНІВСЬКОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ З РЕЧОВИНОЮ
Реєстрація та використання рентгенівського випромінювання, а також вплив його на біологічні об'єкти визначаються первинними процесами взаємодії рентгенівського фотона з електронами атомів та молекул речовини.
Залежно від співвідношення енергії hvфотона та енергії іонізації 1 А і мають місце три головні процеси.
Когерентне (класичне) розсіювання
Розсіяння довгохвильового рентгенівського випромінювання відбувається переважно без зміни довжини хвилі, і його називають когерентним.Воно виникає, якщо енергія фотона менше енергії іонізації: hv< А в.
Так як в цьому випадку енергія фотона рентгенівського випромінювання та атома не змінюється, то когерентне розсіювання саме по собі не викликає біологічної дії. Однак при створенні захисту від рентгенівського випромінювання слід враховувати можливість зміни напряму первинного пучка. Цей вид взаємодії має значення рентгеноструктурного аналізу (див. 24.7).
Некогерентне розсіювання (ефект Комптону)
У 1922 р. А.Х. Комптон, спостерігаючи розсіювання жорстких рентгенівських променів, виявив зменшення проникаючої здатності розсіяного пучка порівняно з падаючим. Це означало, що довжина хвилі розсіяного рентгенівського випромінювання більша, ніж падаючого. Розсіяння рентгенівського випромінювання із зміною довжини хвилі називають некогерентним, а саме явище - ефектом комптону.Він виникає, якщо енергія фотона рентгенівського випромінювання більше енергії іонізації: hv > А в.
Це зумовлено тим, що з взаємодії з атомом енергія hvфотона витрачається на утворення нового розсіяного фотона рентгенівського випромінювання з енергією hv",на відрив електрона від атома (енергія іонізації А і) та повідомлення електрону кінетичної енергії Є до:
hv = hv "+ А і + Е до.(31.6)
1 Тут під енергією іонізації розуміють енергію, необхідну видалення внутрішніх електронів межі атома чи молекули.
Так як у багатьох випадках hv>> А та й ефект Комптону відбувається на вільних електронах, то можна записати приблизно:
hv = hv" + EK .(31.7)
Істотно, що у цьому явищі (рис. 31.9) поряд із вторинним рентгенівським випромінюванням (енергія hvфотона) з'являються електрони віддачі (кінетична енергія Є доелектрону). Атоми чи молекули у своїй стають іонами.
Фотоефект
При фотоефекті рентгенівське випромінювання поглинається атомом, у результаті вилітає електрон, а атом іонізується (фотоіонізація).
Три основні процеси взаємодії, розглянуті вище, є первинними, вони призводять до наступних вторинних, третинних і т.д. явищ. Так, наприклад, іонізовані атоми можуть випромінювати характеристичний спектр, збуджені атоми можуть стати джерелами видимого світла (рентгенолюмінесценція) тощо.
На рис. 31.10 наводиться схема можливих процесів, що виникають у разі потрапляння рентгенівського випромінювання в речовину. Може відбуватися кілька десятків процесів, подібних до зображеного, перш ніж енергія рентгенівського фотона перейде в енергію молекулярно-теплового руху. Через війну відбудуться зміни молекулярного складу речовини.
Процеси представлені схемою рис. 31.10 лежать в основі явищ, що спостерігаються при дії рентгенівського випромінювання на речовину. Перелічимо деякі з них.
Рентгенолюмінесценція- Світіння ряду речовин при рентгенівському опроміненні. Таке свічення платиносинеродистого барію дозволило Рентгену відкрити промені. Це явище використовують для створення спеціальних екранів, що світяться з метою візуального спостереження рентгенівського випромінювання, іноді для посилення дії рентгенівських променів на фотопластинку.
Відома хімічна дія рентгенівського випромінювання, наприклад утворення перекису водню у воді. Практично важливий приклад – вплив на фотопластинку, що дозволяє фіксувати такі промені.
Іонізуюча дія проявляється у збільшенні електропровідності під впливом рентгенівських променів. Цю властивість використовують
у дозиметрії для кількісної оцінки дії цього виду випромінювання.
Внаслідок багатьох процесів первинний пучок рентгенівського випромінювання послаблюється відповідно до закону (29.3). Запишемо його у вигляді:
I = I 0 е-/", (31.8)
де μ – лінійний коефіцієнт ослаблення. Його можна уявити, що складається з трьох доданків, що відповідають когерентному розсіюванню μ κ , некогерентному μ ΗΚ і фотоефекту μ ф:
μ = μ до + μ hk + μ ф. (31.9)
Інтенсивність рентгенівського випромінювання послаблюється пропорційно числу атомів речовини, якою цей потік проходить. Якщо стиснути речовину вздовж осі X,наприклад, в bраз, збільшивши в bраз його щільність, то
31.4. ФІЗИЧНІ ОСНОВИ ЗАСТОСУВАННЯ РЕНТГЕНІВСЬКОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ У МЕДИЦИНІ
Одне з найважливіших медичних застосувань рентгенівського випромінювання - просвічування внутрішніх органів із діагностичною метою (Рентгенодіагностика).
Для діагностики використовують фотони з енергією близько 60-120 кев. При цій енергії масовий коефіцієнт ослаблення переважно визначається фотоефектом. Його значення обернено пропорційно третьому ступеню енергії фотона (пропорційно λ 3), в чому проявляється велика проникаюча здатність жорсткого випромінювання, і пропорційно третьому ступеню атомного номера речовини-поглинача:
Істотна відмінність поглинання рентгенівського випромінювання різними тканинами дозволяє у тіньовій проекції бачити зображення внутрішніх органів тіла людини.
Рентгенодіагностику використовують у двох варіантах: рентгеноскопія - зображення розглядають на рентгенолюмінесцентному екрані, рентгенографія - Зображення фіксується на фотоплівці.
Якщо досліджуваний орган і навколишні тканини приблизно однаково послаблюють рентгенівське випромінювання, застосовують спеціальні контрастні речовини. Так, наприклад, наповнивши шлунок та кишечник кашоподібною масою сульфату барію, можна бачити їх тіньове зображення.
Яскравість зображення на екрані та час експозиції на фотоплівці залежить від інтенсивності рентгенівського випромінювання. Якщо його використовують для діагностики, інтенсивність не може бути великою, щоб не викликати небажаних біологічних наслідків. Тому є ряд технічних пристосувань, що покращують зображення за малих інтенсивностей рентгенівського випромінювання. Як приклад такого пристрою можна вказати електронно-оптичні перетворювачі (див. 27.8). При масовому обстеженні населення широко використовується варіант рентгенографії - флюорографія, при якій на чутливій плівці малоформатної фіксується зображення з великого рентгенолюмінесцентного екрану. Під час зйомки використовують лінзу великої світлосили, готові знімки розглядають на спеціальному збільшувачі.
Цікавим та перспективним варіантом рентгенографії є метод, званий рентгенівською томографією, та його «машинний варіант» - Комп'ютерна томографія.
Розглянемо це питання.
Звичайна рентгенограма охоплює велику ділянку тіла, причому різні органи та тканини затіняють один одного. Можна уникнути цього, якщо періодично спільно (рис. 31.11) у протифазі переміщувати рентгенівську трубку РТта фотоплівку Фпщодо об'єкта Продослідження. У тілі є ряд непрозорих для рентгенівських променів включень, вони показані кружальцями малюнку. Як видно, рентгенівські промені при будь-якому положенні рентгенівської трубки (1, 2 і т.д.) проходять че-
рез ту саму точку об'єкта, що є центром, щодо якого відбувається періодичний рух РТі Фп.Ця точка, точніше невелике непрозоре увімкнення, показана темним кружком. Його тіньове зображення переміщається разом із Фп,займаючи послідовно положення 1, 2 і т.д. Інші включення в тілі (кістки, ущільнення та ін) створюють на Фпдеяке загальне тло, оскільки рентгенівські промені який завжди затіняються ними. Змінюючи положення центру гойдання можна отримати пошарове рентгенівське зображення тіла. Звідси і назва томографія(Пошаровий запис).
Можна, використовуючи тонкий пучок рентгенівського випромінювання, екран (замість Фп),що складається з напівпровідникових детекторів іонізуючого випромінювання (див. 32.5), та ЕОМ обробити тіньове рентгенівське зображення при томографії. Такий сучасний варіант томографії (обчислювальна або комп'ютерна рентгенівська томографія) дозволяє отримувати шари зображення тіла на екрані електронно-променевої трубки або на папері з деталями менше 2 мм при відмінності поглинання рентгенівського випромінювання до 0,1%. Це дозволяє, наприклад, розрізняти сіру та білу речовину мозку та бачити дуже маленькі пухлинні утворення.
1. Джерела рентгенівського випромінювання.
2. Гальмівне рентгенівське випромінювання.
3. Характеристичне рентгенівське випромінювання. Закон Мозлі.
4. Взаємодія рентгенівського випромінювання із речовиною. Закон ослаблення.
5. Фізичні основи використання рентгенівського випромінювання у медицині.
6. Основні поняття та формули.
7. Завдання.
Рентгенівське випромінювання -електромагнітні хвилі із довжиною хвилі від 100 до 10 -3 нм. На шкалі електромагнітних хвиль рентгенівське випромінювання займає область між УФ-випромінюванням і γ -випромінюванням. Рентгенівське випромінювання (Х-промені) відкрито 1895 р. К. Рентгеном, який у 1901 р. став першим Нобелівським лауреатом з фізики.
32.1. Джерела рентгенівського випромінювання
Природними джерелами рентгенівського випромінювання є радіоактивні ізотопи (наприклад, 55 Fe). Штучними джерелами потужного рентгенівського випромінювання є рентгенівські трубки(Рис. 32.1).
Мал. 32.1.Пристрій рентгенівської трубки
Рентгенівська трубка є вакуумованою скляною колбою з двома електродами: анодом А і катодом К, між якими створюється висока напруга U (1-500 кВ). Катод є спіраль, нагрівається електричним струмом. Електрони, випущені нагрітим катодом (термоелектронна емісія), розганяються електричним полем до великихшвидкостей (для цього і потрібна висока напруга) і потрапляють на анод трубки. При взаємодії цих електронів із речовиною анода виникають два види рентгенівського випромінювання: гальмівнеі характеристичне.
Робоча поверхня анода розташована під деяким кутом до напрямку електронного пучка, щоб створити необхідний напрямок рентгенівських променів.
На рентгенівське випромінювання перетворюється приблизно 1% кінетичної енергії електронів. Решта енергії виділяється у вигляді тепла. Тому робоча поверхня анода виконується із тугоплавкого матеріалу.
32.2. Гальмівне рентгенівське випромінювання
Електрон, що рухається в певному середовищі, втрачає свою швидкість. У цьому виникає негативне прискорення. Відповідно до теорії Максвелла, будь-яке прискоренерух зарядженої частки супроводжується електромагнітним випромінюванням. Випромінювання, що виникає при гальмуванні електрона в речовині анода, називають гальмівним рентгенівським випромінюванням.
Властивості гальмівного випромінювання визначаються такими факторами.
1. Випромінювання випромінюється окремими квантами, енергії яких пов'язані з частотою формулою (26.10)
де - частота, - довжина хвилі.
2. Усі електрони, що досягають анода, мають однаковукінетичну енергію, рівну роботі електричного поля між анодом та катодом:
де е – заряд електрона, U – прискорююча напруга.
3. Кінетична енергія електрона частково передається речовині і йде його нагрівання (Q), а частково витрачається створення рентгенівського кванта:
4. Співвідношення між Q та hv випадково.
Внаслідок останньої властивості (4) кванти, породжені різнимиелектронами, мають різнічастоти та довжини хвиль. Тому спектр гальмівного рентгенівського випромінювання є суцільним.Типовий вигляд спектральної щільностіпотоку рентгенівського випромінювання (Φλ = άΦ/άλ) показаний на рис. 32.2.
Мал. 32.2.Спектр гальмівного рентгенівського випромінювання
З боку довгих хвиль спектр обмежений довжиною 100 нм хвилі, яка є межею рентгенівського випромінювання. З боку коротких хвиль спектр обмежений довжиною хвилі min . Згідно з формулою (32.2) мінімальної довжини хвилівідповідає випадок Q = 0 (кінетична енергія електрона повністю перетворюється на енергію кванта):
Розрахунки показують, що потік (Φ) гальмівного рентгенівського випромінювання прямо пропорційний квадрату напруги між U
анодом та катодом, силі струму I у трубці та атомному номеру Z речовини аноду:
Спектри гальмівного рентгенівського випромінювання при різних напругах, різних температурах катода та різних речовин аноду показані на рис. 32.3.
Мал. 32.3.Спектр гальмівного рентгенівського випромінювання (Φλ):
а - при різному напрузі U в трубці; б - при різній температурі T
катода; в - при різних речовинах анода, що відрізняються параметром Z
При збільшенні анодної напруги значення λ minзміщується у бік коротких довжин хвиль. Одночасно зростає і висота спектральної кривої (рис. 32.3, а).
У разі підвищення температури катода зростає емісія електронів. Відповідно збільшується струм I в трубці. Висота спектральної кривої збільшується, але спектральний склад випромінювання не змінюється (рис. 32.3 б).
При зміні матеріалу анода висота спектральної кривої змінюється пропорційно до атомного номера Z (рис. 32.3, в).
32.3. Характеристичне рентгенівське випромінювання. Закон Мозлі
При взаємодії катодних електронів з атомами анода поряд з гальмівним рентгенівським випромінюванням виникає рентгенівське випромінювання, спектр якого складається з окремих ліній.Це випромінювання
має таке походження. Деякі катодні електрони проникають у глиб атома і вибивають електрони з його внутрішніх оболонок.Вакантні місця, що утворилися при цьому, заповнюються електронами з верхніхоболонок, внаслідок чого висвічуються кванти випромінювання. Це випромінювання містить дискретний набір частот, який визначається матеріалом анода, і називається характеристичного випромінювання.Повний спектр рентгенівської трубки є накладенням характеристичного спектру на спектр гальмівного випромінювання (рис. 32.4).
Мал. 32. 4.Спектр випромінювання рентгенівської трубки
Існування характеристичних спектрів рентгенівського випромінювання виявили з допомогою рентгенівських трубок. Пізніше було встановлено, що такі спектри виникають за будь-якої іонізації внутрішніх орбіт хімічних елементів. Дослідивши характеристичні спектри різних хімічних елементів, Г. Мозлі (1913) встановив наступний закон, що носить його ім'я.
Корінь квадратний із частоти характеристичного випромінювання є лінійною функцією порядкового номера елемента:
де ν - частота спектральної лінії, Z - атомний номер випромінюючого елемента, А, В - константи.
Закон Мозлі дозволяє визначити атомний номер хімічного елемента за спектром характеристичного випромінювання, що спостерігається. Це відіграло велику роль при розміщенні елементів у періодичній системі.
32.4. Взаємодія рентгенівського випромінювання із речовиною. Закон ослаблення
Існують два основні типи взаємодії рентгенівського випромінювання з речовиною: розсіювання та фотоефект. При розсіянні напрямок руху фотона змінюється. При фотоефекті фотон поглинається.
1. Когерентне (пружне) розсіюваннявідбувається тоді, коли енергія рентгенівського фотону недостатня для внутрішньої іонізації атома (вибивання електрона з однією з внутрішніх оболонок). При цьому змінюється напрямок руху фотона, а його енергія і довжина хвилі не змінюються (тому це розсіювання і називається пружним).
2. Некогерентне (комптонівське) розсіюваннявідбувається тоді, коли енергія фотона набагато більша за енергію внутрішньої іонізації А і: hv >> А і.
При цьому електрон відривається від атома і набуває деякої кінетичної енергії Е к. Напрямок руху фотона при комптонівському розсіюванні змінюється, а його енергія зменшується:
Комптонівське розсіювання пов'язане з іонізацією атомів речовини.
3. Фотоефектмає місце тоді, коли енергія фотона hv є достатньою для іонізації атома: hv > А і. При цьому рентгенівський квант поглинається,а його енергія витрачається на іонізацію атома та повідомлення кінетичної енергії вибитому електрону Е к = hv - АІ.
Комптонівське розсіювання та фотоефект супроводжуються характеристичним рентгенівським випромінюванням, оскільки після вибивання внутрішніх електронів відбувається заповнення вакантних місць електронами зовнішніх оболонок.
Рентгенолюмінесценція.У деяких речовинах електрони та кванти комптонівського розсіювання, а також електрони фотоефекту викликають збудження молекул, що супроводжується випромінювальними переходами в основний стан. При цьому виникає свічення, яке називається рентгенолюмінесценцією. Люмінесценція платиносинеродистого барію дозволила Рентгену відкрити Х-промені.
Закон ослаблення
Розсіювання рентгенівських променів і фотоефект призводять до того, що з проникненням рентгенівського випромінювання вглиб первинний пучок випромінювання послаблюється (рис. 32.5). Ослаблення має експоненційний характер:
Величина μ залежить від поглинаючого матеріалу та спектру випромінювання. Для практичних розрахунків як характеристики ослабле-
Мал. 32.5.Ослаблення рентгенівського потоку у напрямку падаючих променів
де λ
- довжина хвилі; Z – атомний номер елемента; k – деяка константа.
32.5. Фізичні основи використання
рентгенівського випромінювання у медицині
У медицині рентгенівське випромінювання застосовується у діагностичних та терапевтичних цілях.
Рентгенодіагностика- методи отримання зображень внутрішніх органів із використанням рентгенівських променів.
Фізичною основою цих методів є закон ослаблення рентгенівського випромінювання речовини (32.10). Однорідний по перерізу потік рентгенівського випромінювання після проходження неоднорідної тканинистане неоднорідним. Ця неоднорідність може бути зафіксована на фотоплівці, флуоресціює екрані або за допомогою матричного фотоприймача. Наприклад, масові коефіцієнти ослаблення кісткової тканини - Са 3 (РО 4) 2 - і м'яких тканин - в основному Н 2 Про - розрізняються в 68 разів (μm кістки /μm води = 68). Щільність кістки також вища за щільність м'яких тканин. Тому на рентгенівському знімку виходить світле зображення кістки більш темному тлі м'яких тканин.
Якщо досліджуваний орган і навколишні тканини мають близькі коефіцієнти ослаблення, то застосовують спеціальні контрастні речовини.Так, наприклад, при рентгеноскопії шлунка обстежуваний приймає кашоподібну масу сульфату барію (ВАSO 4), у якого масовий коефіцієнт ослаблення в 354 рази більше, ніж у м'яких тканин.
Для діагностики використовують рентгенівське випромінювання з енергією фотонів 60-120 кев. У медичній практиці використовують такі методи рентгенодіагностики.
1. Рентгеноскопія.Зображення формується на флуоресцентному екрані. Яскравість зображення невелика, і його можна розглядати лише у затемненому приміщенні. Лікар має бути захищений від опромінення.
Перевагою рентгеноскопії є те, що вона проводиться в режимі реального часу. Недолік - велике променеве навантаження на хворого та лікаря (порівняно з іншими методами).
Сучасний варіант рентгеноскопії – рентгенотелебачення – використовує підсилювачі рентгенівського зображення. Підсилювач сприймає слабке свічення рентгенівського екрану, посилює його і передає на екран телевізора. В результаті різко зменшилося променеве навантаження на лікаря, підвищилася яскравість зображення та з'явилася можливість відеозапису результатів обстеження.
2. Рентгенографія.Зображення формується на спеціальній плівці, чутливій до рентгенівського випромінювання. Знімки виконуються у двох взаємно перпендикулярних проекціях (пряма та бічна). Зображення стає видимим після фотообробки. Готовий висушений знімок розглядають у світлі, що проходить.
При цьому задовільно помітні деталі, контрастності яких відрізняються на 1-2 %.
У деяких випадках перед обстеженням пацієнту вводиться спеціальне контрастна речовина.Наприклад, йодсодержащий розчин (внутрішньовенно) при дослідженні нирок та сечовивідних шляхів.
Достоїнствами рентгенографії є висока роздільна здатність, малий час опромінення та практично повна безпека для лікаря. До недоліків належить статичність зображення (об'єкт не можна простежити у поступовій динаміці).
3. Флюорографія.При цьому обстеженні зображення, отримане на екрані, фотографується на малоформатну чутливу плівку. Флюорографія широко використовується під час масового обстеження населення. Якщо флюорограмме знаходять патологічні зміни, то пацієнту призначають більш детальне обстеження.
4. Електрорентгенографія.Цей вид обстеження відрізняється від звичайної рентгенографії методом фіксації зображення. Замість плівки використовують селенову пластину,яка електризується під дією рентгенівських променів. В результаті виникає приховане зображення з електричних зарядів, яке можна зробити видимим та перенести на папір.
5. Ангіографія.Цей метод застосовується під час обстеження кровоносних судин. Через катетер у вену вводиться контрастна речовина, після чого потужний рентгенівський апарат виконує серію знімків, що йдуть один за одним через частки секунди. На малюнку 32.6 показано ангіограму в районі сонної артерії.
6. Рентгенівська комп'ютерна томографія.Цей вид рентгенівського обстеження дозволяє отримати зображення плоского перерізу тіла завтовшки кілька мм. При цьому заданий переріз багаторазово просвічується під різними кутами з фіксацією кожного окремого зображення пам'яті комп'ютера. Потім
Мал. 32.6.Ангіограма, де видно звуження в каналі сонної артерії
Мал. 32.7. Скануюча схема томографії (а); томограма голови у перерізі лише на рівні очей (б).
здійснюється комп'ютерна реконструкція, результатом якої є зображення шару, що сканується (рис. 32.7).
Комп'ютерна томографія дозволяє розрізняти елементи з перепадом густини між ними до 1%. Звичайна рентгенографія дозволяє вловити мінімальну різницю за щільністю між сусідніми ділянками 10-20%.
Рентгенотерапія - використання рентгенівського випромінювання для знищення злоякісних утворень
Біологічна дія випромінювання полягає в порушенні життєдіяльності клітин, що особливо швидко розмножуються. Дуже тверде рентгенівське випромінювання (з енергією фотонів приблизно 10 МеВ) використовується для руйнування ракових клітин, що знаходяться глибоко всередині тіла. Для зменшення ушкоджень здорових навколишніх тканин пучок обертається навколо пацієнта таким чином, щоб під його впливом весь час залишалася лише ушкоджена область.
32.6. Основні поняття та формули
Продовження таблиці
Закінчення таблиці
32.7. Завдання
1. Чому в медичних рентгенівських трубках пучок електронів ударяє в одну точку антикатода, а не падає на нього широким пучком?
Відповідь:щоб отримати точкове джерело рентгенівських променів, що дає на екрані різкі обриси предметів, що просвічуються.
2. Знайти межу гальмівного рентгенівського випромінювання (частоту та довжину хвилі) для напруг U 1 = 2 кВ та U 2 = 20 кВ.
4.
Для захисту від рентгенівського випромінювання використовують свинцеві екрани. Лінійний показник поглинання рентгенівського випромінювання у свинці дорівнює 52 см-1. Якою має бути товщина екрануючого шару свинцю, щоб він зменшив інтенсивність рентгенівського випромінювання в 30 разів?
5.
Знайти потік випромінювання рентгенівської трубки за U = 50 кВ, I = 1мА. Анод виготовлений із вольфраму (Z = 74). Знайти ККД трубки.
6.
Для рентгенодіагностики м'яких тканин застосовують контрастні речовини. Наприклад, шлунок і кишечник заповнюють масою сульфату барію (ВАSO 4). Порівняти масові коефіцієнти ослаблення сульфату барію та м'яких тканин (води).
7. Що дасть густішу тінь на екрані рентгенівської установки: алюміній (Z = 13, ρ = 2,7 г/см 3) або такий самий шар міді (Z = 29, ρ = 8,9 г/см 3)?
8.
У скільки разів товщина шару алюмінію більша за товщину шару міді, якщо шари послаблюють рентгенівське випромінювання однаково?
У вивченні та практичному використанні атомних явищ одну з найважливіших ролей грають рентгенівські промені. Завдяки їх дослідженню було зроблено безліч відкриттів і розроблені методи аналізу речовини, що застосовуються в різних областях. Тут ми розглянемо один із видів рентгенівських променів - характеристичне рентгенівське випромінювання.
Природа та властивості рентгенівських променів
Рентгенівське випромінювання - це високочастотна зміна стану електромагнітного поля, що поширюється у просторі зі швидкістю близько 300 000 км/с, тобто електромагнітні хвилі. На шкалі діапазону електромагнітного випромінювання рентген розташовується в області довжин хвиль приблизно від 10 -8 до 5∙10 -12 метрів, що на кілька порядків коротше оптичних хвиль. Це відповідає частотам від 3∙10 16 до 6∙10 19 Гц та енергіям від 10 еВ до 250 кеВ, або 1,6∙10 -18 до 4∙10 -14 Дж. Слід зазначити, що межі частотних діапазонів електромагнітного випромінювання досить умовні внаслідок їх перекриття.
Є взаємодія прискорених заряджених частинок (електронів високих енергій) з електричними та магнітними полями та з атомами речовини.
Фотонам рентгенівських променів властиві високі енергії та велика проникаюча та іонізуюча здатність, особливо для жорсткого рентгена з довжинами хвиль менше 1 нанометра (10 -9 м).
Рентгенівські промені взаємодіють з речовиною, іонізуючи його атоми, у процесах фотоефекту (фотопоглинання) та некогерентного (комптоновського) розсіювання. p align="justify"> При фотопоглинанні рентгенівський фотон, поглинаючись електроном атома, передає йому енергію. Якщо її величина перевищує енергію зв'язку електрона в атомі, він залишає атом. Комптонівське розсіювання характерне більш жорстких (енергійних) рентгенівських фотонів. Частина енергії фотона, що поглинається, витрачається на іонізацію; при цьому під деяким кутом до напрямку первинного фотона випромінюється вторинний з меншою частотою.
Види рентгенівського випромінювання. Гальмівне випромінювання
Для отримання променів використовують скляні вакуумні балони з розташованими всередині електродами. Різниця потенціалів на електродах потрібна дуже висока – до сотень кіловольт. На вольфрамовому катоді, що підігрівається струмом, відбувається термоелектронна емісія, тобто з нього випускаються електрони, які, прискорюючись різницею потенціалів, бомбардують анод. Внаслідок їх взаємодії з атомами анода (іноді його називають антикатодом) народжуються фотони рентгенівського діапазону.
Залежно від того, який процес призводить до народження фотона, розрізняють такі види рентгенівського випромінювання, як гальмівне та характеристичне.
Електрони можуть, зустрічаючись з анодом, гальмуватися, тобто втрачати енергію в електричних полях атомів. Ця енергія випромінюється у формі рентгенівських фотонів. Таке випромінювання називається гальмівним.
Зрозуміло, що умови гальмування відрізнятимуться окремих електронів. Це означає, що у рентгенівське випромінювання перетворюються різні кількості їх кінетичної енергії. В результаті гальмівне випромінювання включає фотони різних частот і відповідно довжин хвиль. Тому спектр його є суцільним (безперервним). Іноді його ще називають «білим» рентгенівським випромінюванням.
Енергія гальмівного фотона не може перевищувати кінетичну енергію електрона, що породжує його, так що максимальна частота (і найменша довжина хвилі) гальмівного випромінювання відповідає найбільшому значенню кінетичної енергії налітають на анод електронів. Остання залежить від прикладеної до електродів різниці потенціалів.
Існує ще один тип рентгенівського випромінювання, джерелом якого є інший процес. Це випромінювання називають характерним, і ми зупинимося на ньому докладніше.
Як виникає характеристичне рентгенівське випромінювання
Досягши антикатода, швидкий електрон може проникнути всередину атома і вибити якийсь електрон з однією з нижніх орбіталей, тобто передати йому енергію, достатню для подолання потенційного бар'єру. Однак за наявності в атомі вищих енергетичних рівнів, зайнятих електронами, місце, що звільнилося, порожнім не залишиться.
Необхідно пам'ятати, що електронна структура атома, як і будь-яка енергетична система прагне мінімізувати енергію. Вакансія, що утворилася в результаті вибивання, заповнюється електроном з одного з вищележачих рівнів. Його енергія вища, і, займаючи нижчий рівень, він випромінює надлишок у формі кванта характеристичного рентгенівського випромінювання.
Електронна структура атома – це дискретний набір можливих енергетичних станів електронів. Тому рентгенівські фотони, що випромінюються в процесі заміщення електронних вакансій, також можуть мати лише певні значення енергії, що відображають різницю рівнів. Внаслідок цього характеристичне рентгенівське випромінювання має спектр не суцільного, а лінійного виду. Такий спектр дозволяє характеризувати речовину анода - звідси назва цих променів. Саме завдяки спектральним відмінностям ясно, що розуміють під гальмівним та характеристичним рентгенівським випромінюванням.
Іноді надлишок енергії не випромінюється атомом, а витрачається на вибивання третього електрона. Цей процес - так званий ефект "Оже" - з більшою ймовірністю відбувається, коли енергія зв'язку електрона не перевищує 1 кеВ. Енергія оже-электрона, що звільняється, залежить від структури енергетичних рівнів атома, тому спектри таких електронів також носять дискретний характер.
Загальний вигляд характеристичного спектру
Вузькі характеристичні лінії є в рентгенівській спектральній картині разом з суцільним гальмівним спектром. Якщо уявити спектр як графіка залежності інтенсивності від довжини хвилі (частоти), у місцях розташування ліній ми побачимо різкі піки. Їхня позиція залежить від матеріалу анода. Ці максимуми присутні за будь-якої різниці потенціалів - якщо є рентгенівські промені, піки теж завжди є. При підвищенні напруги на електродах трубки інтенсивність і суцільного і характеристичного рентгенівського випромінювання наростає, але розташування піків і співвідношення їх інтенсивностей не змінюється.
Піки в рентгенівських спектрах мають однаковий вигляд незалежно від матеріалу антикатода, що опромінюється електронами, але у різних матеріалів розташовуються на різних частотах, об'єднуючись в серії по близькості значень частоти. Між самими серіями різниця за частотами набагато значніша. Вигляд максимумів ніяк не залежить від того, чи матеріал анода представляє чистий хімічний елемент або ж це складна речовина. У разі характеристичні спектри рентгенівського випромінювання складових його елементів просто накладаються друг на друга.
З підвищенням порядкового номера хімічного елемента всі лінії рентгенівського спектру зміщуються у бік підвищення частоти. Спектр при цьому зберігає свій вигляд.
Закон Мозлі
Явище спектрального зсуву характеристичних ліній експериментально виявлено англійським фізиком Генрі Мозлі в 1913 року. Це дозволило йому пов'язати частоти максимумів спектра з порядковими номерами хімічних елементів. Таким чином, і довжину хвилі характеристичного рентгенівського випромінювання, як з'ясувалося, можна чітко співвіднести з певним елементом. У загальному вигляді закон Мозлі можна записати так: √f = (Z - S n)/n√R, де f - частота, Z - порядковий номер елемента, S n - постійна екранування, n - головне квантове число і R - постійна Рідберг. Ця залежність має лінійний характері і на діаграмі Мозлі виглядає як ряд прямих ліній для кожного значення n.
Значення n відповідають окремим серіям піків характеристичного рентгенівського випромінювання. Закон Мозлі дозволяє за вимірюваними значеннями довжин хвиль (вони однозначно пов'язані з частотами) максимумів рентгенівського спектру встановлювати порядковий номер хімічного елемента, що опромінюється жорсткими електронами.
Структура електронних оболонок хімічних елементів ідентична. На це вказує монотонність зміни зсуву характеристичного спектру рентгенівського випромінювання. Частотний зсув відбиває не структурні, а енергетичні різницю між електронними оболонками, унікальні кожному за елемента.
Роль закону Мозлі в атомній фізиці
Існують невеликі відхилення від суворої лінійної залежності, що виражається законом Мозлі. Вони пов'язані, по-перше, з особливостями порядку заповнення електронних оболонок деяких елементів, і, по-друге, з релятивістськими ефектами руху електронів важких атомів. Крім того, при зміні кількості нейтронів в ядрі (так званому ізотопічному зсуві) положення ліній може змінюватися. Цей ефект дозволив детально вивчити атомну структуру.
Значення закону Мозлі надзвичайно велике. Послідовне застосування його до елементів періодичної системи Менделєєва встановило закономірність збільшення порядкового номера відповідно до кожного невеликого зсуву характеристичних максимумів. Це сприяло проясненню питання фізичному сенсі порядкового номера елементів. Величина Z - це не просто номер: це позитивний електричний заряд ядра, що є сумою одиничних позитивних зарядів частинок, що входять до його складу. Правильність розміщення елементів у таблиці та наявність у ній порожніх позицій (тоді вони ще існували) отримали сильне підтвердження. Було доведено справедливість періодичного закону.
Закон Мозлі, крім цього, став основою, де виник цілий напрямок експериментальних досліджень - рентгенівська спектрометрія.
Будова електронних оболонок атома
Коротко згадаємо, як влаштована електронна Вона складається з оболонок, що позначаються буквами K, L, M, N, O, P, Q або цифрами від 1 до 7. Електрони в межах оболонки характеризуються однаковим основним квантовим числом n, що визначає можливі значення енергії. У зовнішніх оболонках енергія електронів вища, а потенціал іонізації для зовнішніх електронів відповідно нижче.
Оболонка включає один або кілька підрівнів: s, p, d, f, g, h, i. У кожній оболонці кількість підрівнів збільшується на один, порівняно з попередньою. Кількість електронів у кожному підрівні та в кожній оболонці не може перевищувати певного значення. Вони характеризуються, крім головного квантового числа, однаковим значенням орбітальної визначальної форми електронної хмари. Підрівні позначаються із зазначенням оболонки, якій вони належать, наприклад, 2s, 4d тощо.
Підрівень містить які задаються, крім головного та орбітального, ще одним квантовим числом - магнітним, що визначає проекцію орбітального моменту електрона на напрямок магнітного поля. Одна орбіталь може мати не більше двох електронів, що відрізняються значенням четвертого квантового числа – спинового.
Розглянемо докладніше, як з'являється характеристичне рентгенівське випромінювання. Оскільки походження цього електромагнітної емісії пов'язані з явищами, що відбуваються всередині атома, найзручніше описувати його у наближенні електронних конфігурацій.
Механізм генерації характеристичного рентгенівського випромінювання
Отже, причиною виникнення даного випромінювання є утворення електронних вакансій у внутрішніх оболонках, обумовлене проникненням високоенергійних електронів глибоко всередину атома. Імовірність те, що жорсткий електрон вступить у взаємодію, зростає зі збільшенням щільності електронних хмар. Отже, найбільш ймовірним буде зіткнення в межах щільно упакованих внутрішніх оболонок, наприклад, нижньої К-оболонки. Тут атом іонізується і в оболонці 1s утворюється вакансія.
Ця вакансія заповнюється електроном з оболонки з більшою енергією, надлишок якої забирається рентгенівським фотоном. Цей електрон може «впасти» з другої оболонки L, третьої М і так далі. Так формується характеристична серія, у цьому прикладі - К-серия. Вказівка на те, звідки відбувається електрон, що заповнив вакансію, дається у вигляді грецького індексу при позначенні серії. "Альфа" означає, що він походить з L-оболонки, "бета" - з М-оболонки. В даний час існує тенденція до заміни грецьких буквених індексів латинськими, прийнятими для позначення оболонок.
Інтенсивність альфа-лінії в серії завжди найвища – це означає, що ймовірність заповнення вакансії із сусідньої оболонки найвища.
Тепер ми можемо відповісти на питання, якою є максимальна енергія кванта характеристичного рентгенівського випромінювання. Вона визначається різницею значень енергії рівнів, між якими відбувається перехід електрона, за формулою E = E n 2 - E n 1 де E n 2 і E n 1 - енергії електронних станів, між якими відбувся перехід. Найвище значення цього параметра дають переходи до серії з максимально високих рівнів атомів важких елементів. Але інтенсивність цих ліній (висота піків) найменша, оскільки найменш ймовірні.
Якщо через недостатність напруги на електродах жорсткий електрон не може досягти К-рівня, він утворює вакансію на L-рівні, і формується менш енергійна L-серія з більшими довжинами хвиль. Аналогічним чином народжуються такі серії.
Крім того, під час заповнення вакансії в результаті електронного переходу виникає нова вакансія у вищій оболонці. Це створює умови для створення наступної серії. Електронні вакансії переміщуються вище рівня на рівень, і атом випускає каскад характеристичних спектральних серій, залишаючись у своїй іонізованим.
Тонка структура характеристичних спектрів
Атомним рентген-спектрам характеристичного рентгенівського випромінювання властива тонка структура, що виражається, як і оптичних спектрах, в розщепленні ліній.
Тонка структура пов'язана з тим, що енергетичний рівень – електронна оболонка – являє собою набір тісно розташованих компонентів – підболочок. Для характеристики підболінок введено ще одне, внутрішнє квантове число j, що відображає взаємодію власного та орбітального магнітних моментів електрона.
У зв'язку з впливом спін-орбітальної взаємодії енергетична структура атома ускладнюється, і в результаті характеристичне рентгенівське випромінювання має спектр, що має розщеплені лінії з дуже близько розташованими елементами.
Елементи тонкої структури прийнято позначати додатковими цифровими індексами.
Характеристичне рентгенівське випромінювання має особливість, відображену тільки в тонкій структурі спектра. Перехід електрона на нижчий енергетичний рівень не відбувається з нижньої підболочки вищого рівня. Така подія має дуже малу ймовірність.
Використання рентгена у спектрометрії
Це випромінювання завдяки своїм особливостям, описаним законом Мозлі, є основою різних рентгеноспектральних методів аналізу речовин. При аналізі рентгенівського спектру застосовують або дифракцію випромінювання на кристалах (хвильоводисперсійний метод), або чутливі до енергії поглинених рентгенівських фотонів детектори (енергодисперсійний метод). Більшість електронних мікроскопів оснащені тими чи іншими рентгеноспектрометричними приставками.
Особливо високою точністю відрізняється хвилодисперсійна спектрометрія. За допомогою спеціальних фільтрів виділяються найінтенсивніші піки в діапазоні, завдяки чому можна отримати фактично монохроматичне випромінювання з точно відомою частотою. Матеріал анода вибирається дуже ретельно, щоб забезпечити одержання монохроматичного пучка потрібної частоти. Його дифракція на кристалічній решітці речовини, що вивчається, дозволяє досліджувати структуру решітки з великою точністю. Цей метод застосовується також у вивченні ДНК та інших складних молекул.
Одна з особливостей характеристичного рентгенівського випромінювання враховується й у гамма-спектрометрії. Це висока інтенсивність характеристичних піків. У гамма-спектрометрах застосовується свинцевий захист від зовнішніх фонових випромінювань, що вносять перешкоди вимірювання. Але свинець, поглинаючи гамма-кванти, відчуває внутрішню іонізацію, у результаті активно випромінює в рентгенівському діапазоні. Для поглинання інтенсивних максимумів характеристичного рентгенівського випромінювання свинцю використовують додаткове кадмієве екранування. Вона, у свою чергу, іонізується і випромінює в рентгені. Для нейтралізації характеристичних піків кадмію застосовують третій шар, що екранує, - мідний, рентгенівські максимуми якого лежать поза робочим діапазоном частот гамма-спектрометра.
Спектрометрія використовує і гальмівне і характеристичне рентгенівське випромінювання. Так, під час аналізу речовин досліджуються спектри поглинання суцільного рентгену різними речовинами.
1. Гальмівне та характеристичне рентгенівське випромінювання,
основні властивості та характеристики.
У 1895 році німецький вчений Рентген вперше виявив світіння флуоресцентного екрану, яке було викликане невидимим для ока випромінюванням, що йде від ділянки скла газорозрядної трубки, розташованої проти катода. Цей вид випромінювання мав здатність проходити через речовини, непроникні для видимого світла. Рентген назвав їх Х-променями і встановив основні властивості, що дозволяють застосовувати їх у різних галузях науки і техніки, в тому числі і в медицині.
Рентгенівським називається випромінювання із довжиною хвилі 80-10 -5 нм. Довгохвильове рентгенівське випромінювання перекриває короткохвильове УФ-випромінювання, короткохвильове перекривається довгохвильовим g-випромінюванням. У медицині використовується рентгенівське випромінювання з довжиною хвилі від 10 до 0,005 нм, чому відповідає енергія фотонів від 102 ЕВ до 0,5 МеВ. Рентгенівське випромінювання невидиме для ока, тому всі спостереження з ним проводяться за допомогою флюоресціюючих екранів або фотоплівок, так як воно викликає рентгенолюмінесценцію і має фотохімічну дію. Характерно, що більшість тіл, непроникних для оптичного випромінювання, значно прозоро для рентгенівського, має властивості загальні для електромагнітних хвиль. Однак, внаслідок небагато довжини хвилі, деякі властивості важко виявити. Тому хвильова природа випромінювання була встановлена значно пізніше за їх відкриття.
За способом збудження рентгенівське випромінювання поділяється на гальмівне та характеристичне випромінювання.
Гальмівне рентгенівське випромінювання обумовлено гальмуванням електронів, що швидко рухаються, електричним полем атома (ядра і електронів) речовини, через яке вони пролітають. Механізм цього випромінювання можна пояснити тим, що будь-який заряд, що рухається, являє собою струм, навколо якого створюється магнітне поле, індукція (В) якого залежить від швидкості електрона. При гальмуванні зменшується магнітна індукція і відповідно до теорії Максвелла з'являється електромагнітна хвиля.
При гальмуванні електронів лише частина енергії йде створення фотона рентгенівського випромінювання, інша частина витрачається нагрівання анода. Частота (довжина хвилі) фотона залежить від початкової кінетичної енергії електрона та інтенсивності його гальмування. Причому навіть якщо початкова кінетична енергія однакова, то речовині умови гальмування будуть різні, тому й випромінювані фотони матимуть найрізноманітнішу енергію, отже, і довжину хвилі, тобто. Спектр рентгенівського випромінювання буде суцільним. На рис.1 показаний спектр гальмівного рентгенівського випромінювання при різних напругах U 1
.
Якщо U виразити в кіловольтах і врахувати співвідношення між іншими величинами, то формула має вигляд: l к = 1,24/U (нм) або l к =1,24/U (Å) (1Å = 10 -10 м).
З наведених вище графіків можна встановити, що довжина хвилі l m , на яку припадає максимум енергії випромінювання, знаходиться у постійному співвідношенні з граничною довжиною хвилі l до:
.
Довжина хвилі характеризує енергію фотона, від якої залежить здатність випромінювання, що проникає, при взаємодії його з речовиною.
Короткохвильове рентгенівське випромінювання зазвичай має велику проникаючу здатність і називається жорстким, а довгохвильове - м'яким. Як видно з наведеної вище формули, довжина хвилі, на яку припадає максимум енергії випромінювання, обернено пропорційна напрузі між анодом і катодом трубки. Збільшуючи напругу на аноді рентгенівської трубки, змінюють спектральний склад випромінювання та збільшують його жорсткість.
При зміні напруги розжарювання (змінюється температура розжарювання катода) змінюється кількість електронів, що випускаються катодом в одиницю часу, або відповідно сила струму в ланцюзі анода трубки. При цьому потужність випромінювання змінюється пропорційно до першого ступеня сили струму. Спектральний склад випромінювання не зміниться.
Загальний потік (потужність) випромінювання, розподіл енергії по довжинах хвиль, а також межа спектру з боку коротких довжин хвиль залежить від трьох причин: напруги U, що прискорює електрони і прикладеного між анодом і катодом трубки; кількості електронів, що у освіті випромінювання, тобто. сили струму розжарювання трубки; атомного номера Z речовини анода, де відбувається гальмування електрона.
Потік гальмівного рентгенівського випромінювання обчислюється за такою формулою: , де 
,
Z-порядковий номер атома речовини (атомний номер).
Збільшуючи напругу на рентгенівській трубці, можна побачити і натомість суцільного гальмівного рентгенівського випромінювання поява окремих ліній (лінійчастий спектр), що відповідає характеристичного рентгенівського випромінювання. Воно виникає під час переходу електронів між внутрішніми оболонками атомів у речовині (оболонки До, L, М). Лінійчастий характер спектру характеристичного випромінювання виникає внаслідок того, що прискорені електрони проникають углиб атомів і з внутрішніх шарів вибивають електрони за межі атома. На вільні місця переходять електрони (рис.2) з верхніх шарів, у результаті випромінюються фотони рентгенівського випромінювання з частотою, що відповідає різниці рівнів енергії переходу. Лінії в спектрі характеристичного випромінювання поєднуються в серії, що відповідають переходам електронів з більш високим рівнем на рівні К, L, М.
Зовнішній вплив, в результаті якого електрон вибивається з внутрішніх шарів, має бути досить сильним. На відміну від оптичних спектрів, характеристичні рентгенівські спектри різних атомів однотипні. p align="justify"> Однотипність цих спектрів обумовлена тим, що внутрішні шари у різних атомів однакові і відрізняються лише енергетично, т.к. силова дія з боку ядра збільшується в міру зростання порядкового номера елемента. Це призводить до того, що характеристичні спектри зсуваються у бік високих частот зі збільшенням заряду ядер. Така залежність відома як закон Мозлі: 
, де А та В-постійні; Z-порядковий номер елемент.
Є ще одна відмінність між рентгенівськими та оптичними спектрами. Характеристичний спектр атома залежить від хімічної сполуки, куди атом входить. Так, наприклад, рентгенівський спектр атома кисню однаковий для, О 2 , Н 2 О, в той час як оптичні спектри цих сполук істотно різні. Ця особливість рентгенівських спектрів атомів і стала підставою для назви «характеристичні».
Характеристичне випромінювання виникає завжди, коли є вільні місця у внутрішніх шарах атома незалежно від причин, що його викликали. Наприклад, воно супроводжує один із видів радіоактивного розпаду, який полягає у захопленні ядром електрона з внутрішнього шару.
2. Влаштування рентгенівських трубок і найпростішого
рентгенівського апарату.
Найбільш поширеним джерелом рентгенівського випромінювання є рентгенівська трубка – двоелектродний вакуумний прилад (рис.3). Вона є скляним балоном (p = 10 -6 – 10 -7 мм. рт. ст.) з двома електродами – анодом А і катодом К, між якими створюється висока напруга. Підігрітий катод (К) випромінює електрони. Анод А часто називають антикатодом. Він має похилу поверхню для того, щоб направити рентгенівське випромінювання, що виникає під кутом до осі трубки. Анод виготовляється з металу з гарною теплопровідністю (мідь) для відведення тепла, що утворюється під час удару електронів. На скошеному торці анода є пластинка З тугоплавкого металу (вольфрам) з високим атомним номером, звана дзеркалом анода. В окремих випадках анод спеціально охолоджують водою чи олією. Для діагностичних трубок важливою є точковість джерела рентгенівських променів, що можна досягти, сфокусувавши електрони в одному місці анода. Тому конструктивно доводиться враховувати два протилежні завдання: з одного боку електрони повинні потрапляти на одне місце анода, з іншого боку, щоб не допускати перегріву, бажано розподіл електронів по різних ділянках анода. У зв'язку з цим деякі рентгенівські трубки виготовляються з анодом, що обертається.
У трубці будь-якої конструкції електрони, прискорені напругою між анодом і катодом, потрапляють на дзеркало анода і проникають углиб речовини, взаємодіють із атомами і гальмуються полем атомів. У цьому виникає гальмівне рентгенівське випромінювання. Одночасно з гальмівним утворюється невелика кількість (кілька відсотків) характеристичного випромінювання. Тільки 1-2% електронів, які потрапляють на анод, викликають гальмівне випромінювання, а решта – тепловий ефект. Для концентрації електронів катод має спрямовуючий ковпачок. Частина вольфрамового дзеркала, яку падає основний потік електронів, називається фокусом трубки. Від його площі (гострота фокусу) залежить ширина пучка випромінювання.
Для живлення трубки потрібно два джерела: джерело високої напруги для анодного ланцюга та низького (6-8 В) для живлення ланцюга розжарення. Обидва джерела повинні мати незалежне регулювання. Шляхом зміни анодної напруги регулюється жорсткість рентгенівського випромінювання, а зміною напруження – струм вихідного ланцюга та, відповідно, потужність випромінювання.
Принципова електрична схема найпростішого рентгенівського апарату наведено на рис.4. У схемі є два трансформатори Тр.1 високої напруги та Тр.2 для живлення розжарення. Висока напруга на трубці регулюється автотрансформатор Тр.3, підключеним до первинної обмотки трансформатора Тр.1. Перемикачем К регулюється кількість витків обмотки автотрансформатора. У зв'язку з цим змінюється напруга вторинної обмотки трансформатора, подане на анод трубки, тобто. регулюється жорсткість.
Струм напруження трубки регулюється реостатом R, включеним у ланцюг первинної обмотки трансформатора Тр.2. Струм анодного ланцюга вимірюється міліамперметром. Подається на електроди трубки напруга вимірюється кіловольтметром кV або про величину напруги в анодному ланцюгу можна судити за становищем перемикача К. Величина струму розжарення, регульована реостатом, вимірюється амперметром А. У схемі, що розглядається, рентгенівська трубка одночасно випрямляє високу змінну.
Неважко помітити, що така трубка випромінює лише один півперіод змінного струму. Отже, її потужність буде невеликою. З метою збільшення випромінюваної потужності у багатьох апаратах використовують високовольтні двонапівперіодні рентгенівські випрямлячі. Для цієї мети використовуються 4 спеціальні кенотрони, які включені за бруківкою. В одну діагональ моста вмикається рентгенівська трубка.
3. Взаємодія рентгенівського випромінювання з речовиною
(Когерентне розсіювання, некогерентне розсіювання, фотоефект).
При падінні рентгенівського випромінювання якесь тіло воно у невеликій кількості відбивається від нього, а переважно проходить вглиб. У масі тіла випромінювання частково поглинається, частково розсіюється, а частково проходить наскрізь. Проходячи через тіло, фотони рентгенівського випромінювання взаємодіють в основному з електронами атомів і молекул речовини. Реєстрація та використання рентгенівського випромінювання, а також вплив його на біологічні об'єкти визначається первинними процесами взаємодії рентгенівського фотона з електронами. Залежно від співвідношення енергії Е фотону та енергії іонізації А І мають місце три основні процеси.
а)Когерентне розсіювання.
Розсіяння довгохвильового рентгенівського випромінювання відбувається переважно без зміни довжини хвилі, і його називають когерентним. Взаємодія фотона з електронами внутрішніх оболонок, міцно пов'язаних з ядром, змінює тільки його напрямок, не змінюючи енергії, отже довжини хвилі (рис.5).
Когерентне розсіювання виникає, якщо енергія фотона менше енергії іонізації: Е = hn<А И. Так как энергия фотона и энергия атома не изменяется, то когерентное рассеяние не вызывает биологического действия. Однако при создании защиты от рентгеновского излучения следует учитывать возможность изменения направления первичного пучка.
б)Некогерентне розсіювання (ефект Комптон).
У 1922 році А. Комптон, спостерігаючи розсіювання жорстких рентгенівських променів, виявив зменшення проникаючої здатності розсіяного пучка порівняно з падаючим. Розсіювання рентгенівського випромінювання із зміною довжини хвилі називається ефектом Комптону. Він виникає при взаємодії фотона будь-яких енергій із слабо пов'язаними з ядром електронами зовнішніх оболонок атомів (рис.6). Електрон відривається від атома (такі електрони називають електронами віддачі). Енергія фотона зменшується (довжина хвилі відповідно збільшується), а також змінюється напрямок його руху. Ефект Комптон виникає, якщо енергія фотона рентгенівського випромінювання більше енергії іонізації: , . При цьому з'являються електрони віддачі з кінетичною енергією ЕК. Атоми та молекули стають іонами. Якщо ЕК значна, то електрони можуть іонізувати сусідні атоми шляхом зіткнення, утворюючи нові (вторинні) електрони.
в)Фотоефект.
Якщо енергія фотона hn є достатньою для відриву електрона, то при взаємодії з атомом фотон поглинається, а електрон відривається від нього. Це називається фотоефектом. Атом іонізується (фотоіноізація). При цьому електрон набуває кінетичної енергії і, якщо остання 
значна, він може іонізувати сусідні атоми шляхом зіткнення, утворюючи нові (вторинні) електрони. Якщо енергія фотона недостатня для іонізації, то фотоефект може проявлятися у збудженні атома або молекули. У деяких речовин це призводить до подальшого випромінювання фотонів в області видимого випромінювання (рентгенолюмінесценція), а в тканинах – активації молекул і фотохімічних реакцій.
Фотоефект притаманний фотонів з енергією порядку 0,5-1 МеВ.
Три основні процеси взаємодії, розглянуті вище, є первинними, вони призводять до наступних вторинних, третинних і т.д. явищ. При попаданні рентгенівського випромінювання речовина може відбуватися низку процесів, як енергія рентгенівського фотона перетвориться на енергію теплового руху.
Внаслідок зазначених вище процесів первинний потік рентгенівського випромінювання послаблюється. Цей процес підпорядковується закону Бугера. Запишемо його у вигляді: Ф = Ф 0 е - mх, де m-лінійний коефіцієнт ослаблення, що залежить від природи речовини (головним чином від густини та атомного номера) і від довжини хвилі випромінювання (енергія фотона). Його можна уявити, що складається з трьох доданків, що відповідають когерентному розсіюванню, некогерентному розсіюванню та фотоефекту: 
.
Так як лінійний коефіцієнт поглинання залежить від густини речовини, то воліють користуватися масовим коефіцієнтом ослаблення, який дорівнює відношенню лінійного коефіцієнта ослаблення до густини поглинача і не залежить від густини речовини . Залежність потоку (інтенсивність) рентгенівського випромінювання від товщини фільтра, що поглинає, представлена на рис.7 для Н 2 Про, Al, і Cu. Розрахунки показують, що шар води товщиною 36 мм, алюмінію 15 мм та міді 1,6 мм зменшують інтенсивність рентгенівського випромінювання у 2 рази. Цю товщину називають товщиною половинного шару d. Якщо речовина послаблює рентгенівське випромінювання наполовину, 
тоді 
, або , 
; ; . Знаючи товщину половинного шару завжди можна визначити m. Розмірність.
4. Використання рентгенівського випромінювання у медицині
(Рентгеноскопія, рентгенографія, рентгенівська томографія, флюорографія, рентгенотерапія).
Одним із найпоширеніших застосувань рентгенівського випромінювання в медицині є просвічування внутрішніх органів з діагностичною метою – рентгенодіагностика.
Для діагностики використовують фотони з енергією 60-120 кеВ. При цьому масовий коефіцієнт поглинання визначається переважно фотоефектом. Його значення пропорційно l 3 (у чому проявляється велика проникаюча здатність жорсткого випромінювання) і пропорційно до третього ступеня номера атомів речовини – поглинача: , де К–коефіцієнт пропорційності.
Тіло людини складається з тканин та органів, що мають різну поглинаючу здатність по відношенню до рентгенівського випромінювання. Тому при просвічуванні його рентгенівськими променями виходить неоднорідне тіньове зображення на екрані, яке дає картину розташування внутрішніх органів та тканин. Найбільш щільні поглинаюче випромінювання тканини (серце, великі судини, кістки) видно темними, а мало поглинаючі тканини (легкі) – світлими.
У багатьох випадках можна при цьому судити про їхній нормальний або патологічний стан. Рентгенодіагностика використовує два основні методи: рентгеноскопію (просвічування) та рентгенографію (знімок). Якщо досліджуваний орган і навколишні тканини приблизно однаково поглинають потік рентгенівського випромінювання, застосовують спеціальні контрастні речовини. Так, наприклад, дають напередодні рентгенівського дослідження шлунка або кишківника кашеподібну масу сульфату барію, в цьому випадку можна бачити їхнє тіньове зображення. При рентгеноскопії та рентгенографії рентгенівське зображення є сумарним зображенням усієї товщини об'єкта, через який проходять рентгенівські промені. Найбільш чітко окреслюються ті деталі, які ближче до екрану або плівки, а віддалені стають нечіткими та розмитими. Якщо в якомусь органі є патологічно змінена ділянка, наприклад, руйнування легеневої тканини всередині великого вогнища запалення, то в ряді випадків ця ділянка на рентгенограмі в сумі тіней може втратитися. Щоб зробити його видимим застосовують спеціальний метод - томографію (пошаровий запис), яка дозволяє отримати знімки окремих шарів області, що вивчається. Такі пошарові знімки-томограми отримують за допомогою спеціального апарату, званого томографом, в якому періодично, спільно, в протифазі переміщують рентгенівську трубку (РТ) і фотоплівку (Фп) щодо області дослідження. При цьому рентгенівські промені при будь-якому положенні РТ проходитимуть через ту саму точку об'єкта (змінена ділянка), що є центром, щодо якого відбувається періодичний рух РТ і Фп. Тіньове зображення ділянки буде зафіксовано на плівці. Змінюючи положення центру гойдання, можна отримати пошарові зображення об'єкта. Використовуючи тонкий пучок рентгенівського випромінювання, спеціальний екран (замість Фп), що складається з напівпровідникових детекторів іонізуючого випромінювання, можна за допомогою ЕОМ обробити зображення при томографії. Такий сучасний варіант томографії називається комп'ютерною томографією. Томографія широко застосовується для дослідження легень, нирок, жовчного міхура, шлунка, кісток тощо.
Яскравість зображення на екрані та час експозиції на фотоплівці залежить від інтенсивності рентгенівського випромінювання. При використанні його для діагностики інтенсивність не може бути великою, щоб не викликати небажаного біологічного ефекту. Тому є ряд технічних пристосувань, що виключають яскравість зображення за малих інтенсивностей рентгенівського випромінювання. Одним з таких пристроїв є електронно-оптичний перетворювач.
Інший приклад – флюорографія, при якому на чутливій малоформатній плівці виходить зображення з великого рентгенолюмінесцентного екрану. Під час зйомки використовують лінзу великої світлосили, готові знімки розглядають на спеціальному збільшувачі.
Флюорографія поєднує в собі велику можливість виявлення потайних захворювань (захворювання органів грудної клітини, шлунково-кишкового тракту, придаткових пазух носа і т.д.) зі значною пропускною здатністю, у зв'язку з чим є дуже ефективним методом масового (поточного) дослідження.
Оскільки фотографування рентгенівського зображення при флюорографії здійснюється за допомогою фотографічної оптики, зображення на флюорограмі порівняно з рентгенівським є зменшеним. У зв'язку з цим роздільна здатність флюорограми (тобто розрізнення дрібних деталей) менше, ніж звичайної рентгенограми, проте більше, ніж при рентгеноскопії.
Сконструйовано апарат – томофлюорограф, що дозволяє отримувати флюорограми частин тіла та окремих органів на заданій глибині – так звані пошарові знімки (зрізи) – томофлюорограми.
Рентгенівське випромінювання також використовується для лікувальних цілей (рентгенотерапія). Біологічна дія випромінювання полягає в порушенні життєдіяльності клітин, що особливо швидко розвиваються. У зв'язку з цим рентгенотерапія застосовується для на злоякісні пухлини. Можна підібрати дозу випромінювання достатню для повного руйнування пухлини при відносно незначному пошкодженні здорових тканин, що оточують, які внаслідок подальшої регенерації відновлюються.
Інтенсивність- кількісна характеристика рентгенівського випромінювання, що виражається кількістю променів, що випромінюються трубкою в одиницю часу. Інтенсивність рентгенівського випромінювання вимірюється в міліамперах. Порівнюючи її з інтенсивністю видимого світла від звичайної лампи розжарювання, можна провести аналогію: так, лампа на 20 Ватт світитиме з однією інтенсивністю, або силою, а лампа на 200 Ватт - з іншого, при цьому якість самого світла (його спектр) є однаковим . Інтенсивність рентгенівського випромінювання, по суті, це його кількість. Кожен електрон створює на аноді один або кілька квантів випромінювання, отже кількість рентгенівських променів при експонуванні об'єкта регулюється шляхом зміни кількості електронів, що прагнуть аноду, і кількості взаємодій електронів з атомами вольфрамової мішені, що можна здійснити двома шляхами:
1. Змінюючи ступінь розжарення спіралі катода за допомогою понижуючого трансформатора (кількість електронів, що утворюються при емісії, залежатиме від того, наскільки сильно розпечена вольфрамова спіраль, а кількість квантів випромінювання залежатиме від кількості електронів);
2. Змінюючи величину високої напруги, що підводиться підвищує трансформатором до полюсів трубки - кадоду і аноду (чим вище напруга подається на полюси трубки, тим більшу кінетичну енергію отримують електрони, які за рахунок своєї енергії можуть взаємодіяти з декількома атомами речовини анода по черзі. Мал. 5; електрони з низькою енергією зможуть вступити до меншої кількості взаємодій).
p align="justify"> Інтенсивність рентгенівського випромінювання (анодний струм), помножена на витримку (час роботи трубки), відповідає експозиції рентгенівського випромінювання, яка вимірюється в мАс (міліамперах в секунду). Експозиція - це параметр, який, як і інтенсивність, характеризує кількість променів, що випускаються рентгенівською трубкою. Різниця полягає лише в тому, що експозиція враховує ще й час роботи трубки (наприклад, якщо трубка працює 0,01 сек., то кількість променів буде одним, а якщо 0,02 сек, то кількість променів буде іншим - в два рази більше). Експозиція випромінювання встановлюється рентгенологом на контрольній панелі рентгенівського апарату залежно від виду дослідження, розмірів об'єкта, що досліджується, та діагностичного завдання.
Жорсткість- Якісна характеристика рентгенівського випромінювання. Вимірюється величиною високої напруги на трубці – у кіловольтах. Визначає проникаючу здатність рентгенівських променів. Регулюється величиною високої напруги, що підводиться до рентгенівської трубки трансформатором, що підвищує. Чим вище різниця потенціалів створюється на електродах трубки, тим з більшою силою електрони відштовхуються від катода і прагнуть аноду і тим сильніше їх зіткнення з анодом. Чим сильніше їх зіткнення, тим коротше довжина хвилі у рентгенівського випромінювання і вище проникаюча здатність даної хвилі (або жорсткість випромінювання, яка, так само як і інтенсивність, регулюється на контрольній панелі параметром напругою на трубці - кіловольтажем).
Мал. 7 - Залежність довжини хвилі від енергії хвилі:
λ - довжина хвилі;
E – енергія хвилі
· Чим вище кінетична енергія електронів, що рухаються, тим сильніше їх удар об анод і менше довжина хвилі утворюється рентгенівського випромінювання. Рентгенівське випромінювання з великою довжиною хвилі та малою проникаючою здатністю називається «м'яким», з малою довжиною хвилі та високою проникаючою здатністю – «жорстким».
Мал. 8 - Співвідношення напруги на рентгенівській трубці і довжини хвилі рентгенівського випромінювання, що утворюється:
· Чим вище напруга подається на полюси трубки, тим сильніше на них виникає різниця потенціалів, отже, кінетична енергія електронів, що рухаються, буде вищою. Напруга на трубці визначає швидкість руху електронів і силу їх зіткнення з речовиною анода, отже, напруга визначає довжину хвилі рентгенівського випромінювання.
