Ako se U izrazi u kilovoltima i uzme u obzir omjer između ostalih veličina, tada formula izgleda ovako: l k \u003d 1,24 / U (nm) ili l k = 1,24 / U (Å) (1Å = 10 -10 m ).

Iz gornjih grafikona može se utvrditi da je valna duljina l m, koja predstavlja maksimalnu energiju zračenja, u stalnom odnosu prema graničnoj valnoj duljini l k:

.

Valna duljina karakterizira energiju fotona, o kojoj ovisi moć prodora zračenja u interakciji s materijom.

X-zrake kratke valne duljine obično imaju veliku prodornu moć i nazivaju se tvrdim, dok se dugovalne X-zrake nazivaju mekima. Kao što se može vidjeti iz gornje formule, valna duljina na kojoj pada maksimalna energija zračenja obrnuto je proporcionalna naponu između anode i katode cijevi. Povećanjem napona na anodi rendgenske cijevi mijenja se spektralni sastav zračenja i povećava njegova tvrdoća.

Kada se promijeni napon žarne niti (promjena temperature žarne niti katode), mijenja se broj elektrona koje katoda emitira po jedinici vremena, odnosno, prema tome, jakost struje u krugu anode cijevi. U tom se slučaju snaga zračenja mijenja proporcionalno prvoj snazi ​​struje. Spektralni sastav zračenja neće se promijeniti.

Ukupni tok (snaga) zračenja, raspodjela energije po valnim duljinama, kao i granica spektra na strani kratkih valnih duljina ovise o sljedeća tri čimbenika: naponu U koji ubrzava elektrone i dovodi se između anode i katoda cijevi; broj elektrona uključenih u stvaranje zračenja, tj. struja žarne niti cijevi; atomski broj Z materijala anode, u kojem dolazi do usporavanja elektrona.

Tok kočnog zračenja izračunava se po formuli: , gdje je ,

Z-redni broj atoma tvari (atomski broj).

Povećanjem napona na rendgenskoj cijevi može se primijetiti pojava zasebnih linija (linijskog spektra) na pozadini kontinuiranog kočnog zračenja, što odgovara karakterističnom rendgenskom zračenju. Nastaje pri prijelazu elektrona između unutarnjih ljuski atoma u tvari (ljuske K, L, M). Linijski karakter karakterističnog spektra zračenja nastaje zbog činjenice da ubrzani elektroni prodiru duboko u atome i izbacuju elektrone iz njihovih unutarnjih slojeva izvan atoma. Elektroni (slika 2) iz gornjih slojeva prelaze na slobodna mjesta, uslijed čega se emitiraju rendgenski fotoni s frekvencijom koja odgovara razlici u prijelaznim energetskim razinama. Linije u spektru karakterističnog zračenja spojene su u serije koje odgovaraju prijelazima elektrona s višom razinom na razini K, L, M.

Vanjsko djelovanje, uslijed kojeg dolazi do izbacivanja elektrona iz unutarnjih slojeva, mora biti dovoljno jako. Za razliku od optičkih spektara, karakteristični rendgenski spektri različitih atoma su istog tipa. Uniformnost ovih spektara je zbog činjenice da su unutarnji slojevi različitih atoma isti i razlikuju se samo energetski, jer djelovanje sile sa strane jezgre raste s porastom rednog broja elementa. To dovodi do činjenice da se karakteristični spektri pomiču prema višim frekvencijama s povećanjem nuklearnog naboja. Ovaj odnos je poznat kao Moseleyev zakon: , gdje su A i B konstante; Z-redni broj elementa.

Postoji još jedna razlika između rendgenskog i optičkog spektra. Karakteristični spektar atoma ne ovisi o kemijskom spoju u kojem se atom nalazi. Tako je npr. rendgenski spektar atoma kisika isti za O, O 2 , H 2 O, dok su optički spektri ovih spojeva bitno različiti. Ova značajka spektra rendgenskih zraka atoma poslužila je kao osnova za naziv "karakteristika".

Karakteristično zračenje nastaje uvijek kada u unutarnjim slojevima atoma ima slobodnih mjesta, bez obzira na razloge koji su ga uzrokovali. Na primjer, prati jednu od vrsta radioaktivnog raspada, koja se sastoji u hvatanju elektrona iz unutarnjeg sloja od strane jezgre.

2. Uređaj rendgenskih cijevi i protozoa

rendgen.

Najčešći izvor rendgenskog zračenja je rendgenska cijev – vakuumski uređaj s dvije elektrode (slika 3). To je staklena posuda (p = 10 -6 - 10 -7 mm Hg) s dvije elektrode - anodom A i katodom K, između kojih se stvara visoki napon. Zagrijana katoda (K) emitira elektrone. Anoda A često se naziva antikatoda. Ima nagnutu površinu kako bi se rezultirajuće rendgensko zračenje usmjerilo pod kutom u odnosu na os cijevi. Anoda je izrađena od metala s dobrom toplinskom vodljivošću (bakar) za odvođenje topline nastale udarom elektrona. Na zakošenom kraju anode nalazi se ploča Z od vatrostalnog metala (volframa) s visokim atomskim brojem, koja se naziva anodno zrcalo. U nekim slučajevima, anoda se posebno hladi vodom ili uljem. Za dijagnostičke cijevi važna je preciznost izvora X-zraka, što se postiže fokusiranjem elektrona na jedno mjesto anode. Stoga, konstruktivno, moraju se uzeti u obzir dva suprotna zadatka: s jedne strane, elektroni moraju pasti na jedno mjesto anode, s druge strane, kako bi se spriječilo pregrijavanje, poželjno je rasporediti elektrone po različitim dijelovima anode. anoda. Zbog toga se neke rendgenske cijevi proizvode s rotirajućom anodom.

U cijevi bilo kojeg dizajna, elektroni ubrzani naponom između anode i katode padaju na zrcalo anode i prodiru duboko u tvar, stupaju u interakciju s atomima i usporavaju ih polje atoma. To proizvodi kočno zračenje rendgenskih zraka. Istovremeno s kočnim zračenjem stvara se mala količina (nekoliko posto) karakterističnog zračenja. Samo 1-2% elektrona koji udare u anodu uzrokuje kočno zračenje, a ostatak uzrokuje toplinski učinak. Za koncentraciju elektrona, katoda ima kapicu za vođenje. Dio volframovog zrcala na koji pada glavni tok elektrona naziva se žarište cijevi. Širina snopa zračenja ovisi o njegovom području (oštrini fokusa).

Za napajanje cijevi potrebna su dva izvora: izvor visokog napona za anodni krug i izvor niskog napona (6-8 V) za napajanje strujnog kruga sa žarnom niti. Oba izvora moraju biti neovisno regulirana. Promjenom anodnog napona regulira se tvrdoća rendgenskog zračenja, a promjenom žarnosti struja izlaznog kruga i sukladno tome snaga zračenja.

Shematski prikaz najjednostavnijeg rendgenskog aparata prikazan je na sl.4. Krug ima dva visokonaponska transformatora Tr.1 i Tr.2 za napajanje žarne niti. Visoki napon na cijevi reguliran je autotransformatorom Tr.3 spojenim na primarni namot transformatora Tr.1. Prekidač K regulira broj zavoja namota autotransformatora. U tom smislu, mijenja se i napon sekundarnog namota transformatora, koji se dovodi na anodu cijevi, tj. tvrdoća je podesiva.

Struja žarne niti cijevi regulirana je reostatom R, uključenim u primarni krug transformatora Tr.2. Struja anodnog kruga mjeri se miliampermetrom. Napon primijenjen na elektrode cijevi mjeri se kV kilovoltmetrom, ili se napon u anodnom krugu može procijeniti po položaju sklopke K. Struja žarne niti, regulirana reostatom, mjeri se ampermetrom A. U shemi koja se razmatra, rendgenska cijev istovremeno ispravlja visoki izmjenični napon.

Lako je vidjeti da takva cijev zrači samo u jednom poluperiodu izmjenične struje. Stoga će njegova snaga biti mala. Kako bi se povećala snaga zračenja, mnogi uređaji koriste visokonaponske punovalne rendgenske ispravljače. U tu svrhu koriste se 4 specijalna kenotrona koji su spojeni u premosni krug. U jednu dijagonalu mosta uključena je rentgenska cijev.

3. Međudjelovanje X-zračenja s materijom

(koherentno raspršenje, nekoherentno raspršenje, fotoelektrični efekt).

Kada X-zrake padnu na tijelo, one se u maloj količini reflektiraju od njega, ali uglavnom prolaze duboko. U masi tijela zračenje se djelomično apsorbira, djelomično raspršuje, a djelomično prolazi. Prolazeći kroz tijelo, fotoni X-zraka stupaju u interakciju uglavnom s elektronima atoma i molekula tvari. Registriranje i korištenje X-zračenja, kao i njegov utjecaj na biološke objekte, određeno je primarnim procesima interakcije fotona X-zraka s elektronima. Ovisno o omjeru energije fotona E i energije ionizacije AI odvijaju se tri glavna procesa.

a) koherentno raspršenje.

Raspršenje dugovalnih X-zraka događa se uglavnom bez promjene valne duljine, a naziva se koherentnim. Interakcija fotona s elektronima unutarnjih ljuski, čvrsto vezanih za jezgru, mijenja samo njegov smjer, ne mijenjajući mu energiju, a time i valnu duljinu (slika 5).

Do koherentnog raspršenja dolazi ako je energija fotona manja od energije ionizacije: 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) Nekoherentno raspršenje (Comptonov efekt).

Godine 1922. A. Compton, promatrajući raspršenje tvrdih X-zraka, otkrio je smanjenje prodorne moći raspršenog snopa u usporedbi s upadnim snopom. Raspršenje X-zraka s promjenom valne duljine naziva se Comptonov efekt. Nastaje kada foton bilo koje energije stupi u interakciju s elektronima vanjskih ljuski atoma koji su slabo vezani za jezgru (slika 6). Elektron se odvaja od atoma (takvi se elektroni nazivaju povratni elektroni). Energija fotona se smanjuje (prema tome se povećava valna duljina), a mijenja se i smjer njegova kretanja. Comptonov efekt se javlja ako je energija fotona X zraka veća od energije ionizacije: , . U tom slučaju pojavljuju se povratni elektroni s kinetičkom energijom E K. Atomi i molekule postaju ioni. Ako je E K značajan, tada elektroni mogu sudarom ionizirati susjedne atome, stvarajući nove (sekundarne) elektrone.

u) Fotoelektrični efekt.

Ako je energija fotona hn dovoljna za odvajanje elektrona, tada se u interakciji s atomom foton apsorbira, a elektron se od njega odvaja. Taj se fenomen naziva fotoelektrični efekt. Atom se ionizira (fotoinizacija). U tom slučaju elektron dobiva kinetičku energiju i, ako je potonji značajan, tada može ionizirati susjedne atome sudarom, stvarajući nove (sekundarne) elektrone. Ako je energija fotona nedovoljna za ionizaciju, tada se fotoelektrični efekt može očitovati ekscitacijom atoma ili molekule. U nekim tvarima to dovodi do naknadne emisije fotona u području vidljivog zračenja (rendgenska luminiscencija), au tkivima do aktivacije molekula i fotokemijskih reakcija.

Fotoelektrični efekt tipičan je za fotone s energijom reda veličine 0,5-1 MeV.

Tri glavna interakcijska procesa o kojima se gore govori su primarni, oni dovode do naknadnih sekundarnih, tercijarnih itd. pojave. Kada rendgensko zračenje uđe u tvar, može se dogoditi niz procesa prije nego što se energija rendgenskog fotona pretvori u energiju toplinskog gibanja.

Kao rezultat gore navedenih procesa, primarni tok X-zraka je oslabljen. Ovaj proces slijedi Bouguerov zakon. Zapisujemo ga u obliku: F =F 0 e - mh, gdje je m linearni koeficijent slabljenja, ovisno o prirodi tvari (uglavnom o gustoći i atomskom broju) i o valnoj duljini zračenja (energiji fotona). Može se predstaviti tako da se sastoji od tri člana koji odgovaraju koherentnom raspršenju, nekoherentnom raspršenju i fotoelektričnom učinku: .

Budući da koeficijent linearne apsorpcije ovisi o gustoći tvari, poželjno je koristiti koeficijent prigušenja mase, koji je jednak omjeru koeficijenta linearne atenuacije prema gustoći apsorbera i ne ovisi o gustoći tvari. . Ovisnost toka (intenziteta) rendgenskog zračenja o debljini apsorbirajućeg filtera prikazana je na slici 7 za H 2 O, Al i Cu. Izračuni pokazuju da sloj vode debljine 36 mm, aluminija 15 mm i bakra 1,6 mm smanjuje intenzitet X-zraka za 2 puta. Ova debljina se naziva poluslojna debljina d. Ako tvar upola slabi rendgensko zračenje, tada , onda , ili , ; ; . Znajući debljinu polusloja, uvijek možete odrediti m. Dimenzija .

4. Primjena rendgenskih zraka u medicini

(fluoroskopija, radiografija, rendgenska tomografija, fluorografija, radioterapija).

Jedna od najčešćih primjena rendgenskih zraka u medicini je transiluminacija unutarnjih organa u dijagnostičke svrhe – rendgenska dijagnostika.

Za dijagnostiku se koriste fotoni s energijom od 60-120 keV. U ovom slučaju, koeficijent apsorpcije mase određen je uglavnom fotoelektričnim učinkom. Njegova vrijednost je proporcionalna l 3 (u čemu se očituje velika prodorna moć tvrdog zračenja) i proporcionalna trećoj potenciji broja atoma tvari - apsorbera: , gdje je K koeficijent proporcionalnosti.

Ljudsko tijelo sastoji se od tkiva i organa koji imaju različitu sposobnost apsorpcije u odnosu na X-zrake. Stoga, kada se osvijetli rendgenskim zrakama, na ekranu se dobiva nejednolika slika sjene koja daje sliku o položaju unutarnjih organa i tkiva. Najgušća tkiva koja apsorbiraju zračenje (srce, velike žile, kosti) vide se kao tamna, dok se tkiva koja manje apsorbiraju (pluća) vide kao svijetla.

U mnogim slučajevima moguće je prosuditi njihovo normalno ili patološko stanje. Rentgenska dijagnostika koristi dvije glavne metode: fluoroskopiju (transmisija) i radiografiju (slika). Ako organ koji se proučava i tkiva koja ga okružuju približno jednako apsorbiraju tok X-zraka, tada se koriste posebna kontrastna sredstva. Tako se, na primjer, uoči rendgenskog pregleda želuca ili crijeva daje kašasta masa barijevog sulfata, u kojem slučaju se vidi njihova sjenovita slika. U fluoroskopiji i radiografiji, rendgenska slika je zbirna slika cijele debljine predmeta kroz koji prolaze rendgenske zrake. Najjasnije su definirani oni detalji koji su bliži platnu ili filmu, a oni udaljeni postaju nejasni i mutni. Ako u nekom organu postoji patološki promijenjeno područje, na primjer, uništavanje plućnog tkiva unutar opsežnog žarišta upale, tada se u nekim slučajevima ovo područje na rendgenskoj snimci može "izgubiti" u količini sjena. Da bi bio vidljiv, koristi se posebna metoda - tomografija (slojevito snimanje), koja vam omogućuje snimanje pojedinačnih slojeva proučavanog područja. Ova vrsta tomograma sloj-po-sloj dobiva se posebnim aparatom koji se naziva tomograf, u kojem se rendgenska cijev (RT) i film (Fp) povremeno, zajedno, u protufazi pomiču u odnosu na područje istraživanja. U tom će slučaju X-zrake na bilo kojem položaju RT proći kroz istu točku objekta (promijenjeno područje), a to je središte u odnosu na koje se RT i FP periodički pomiču. Slika u sjeni područja bit će snimljena na filmu. Promjenom položaja "centra ljuljačke" moguće je dobiti slojevitu sliku objekta. Pomoću tankog snopa X-zraka, posebnog zaslona (umjesto Fp) koji se sastoji od poluvodičkih detektora ionizirajućeg zračenja, moguće je obraditi sliku tijekom tomografije pomoću računala. Ova moderna varijanta tomografije naziva se kompjutorizirana tomografija. Tomografija se široko koristi u proučavanju pluća, bubrega, žučnog mjehura, želuca, kostiju itd.

Svjetlina slike na ekranu i vrijeme ekspozicije na filmu ovisi o intenzitetu rendgenskog zračenja. Kada se koristi za dijagnostiku, intenzitet ne smije biti visok kako ne bi došlo do nepoželjnog biološkog učinka. Stoga postoji niz tehničkih uređaja koji poboljšavaju svjetlinu slike pri niskim intenzitetima rendgenskih zraka. Jedan od tih uređaja je cijev za pojačavanje slike.

Drugi primjer je fluorografija, u kojoj se slika dobiva na osjetljivom filmu malog formata s velikog rendgenskog luminescentnog ekrana. Prilikom snimanja koristi se leća velikog otvora blende, a gotove slike pregledavaju se na posebnom povećalu.

Fluorografija kombinira veliku sposobnost otkrivanja latentnih bolesti (bolesti prsnog koša, gastrointestinalnog trakta, paranazalnih sinusa itd.) Sa značajnom propusnošću, pa je stoga vrlo učinkovita metoda masovnog (in-line) istraživanja.

Budući da se fotografiranje rendgenske slike tijekom fluorografije izvodi pomoću fotografske optike, slika na fluorogramu je smanjena u usporedbi s rendgenskom snimkom. S tim u vezi, rezolucija fluorograma (tj. vidljivost sitnih detalja) je manja nego kod konvencionalne radiografije, ali je veća nego kod fluoroskopije.

Konstruiran je aparat - tomofluorograf, koji omogućuje dobivanje fluorograma dijelova tijela i pojedinih organa na zadanoj dubini - tzv. slojevitih slika (presjeka) - tomofluorograma.

Rentgensko zračenje koristi se i u terapijske svrhe (rentgenska terapija). Biološki učinak zračenja je poremećaj vitalne aktivnosti stanica, osobito onih koje se brzo razvijaju. U tom smislu, rentgenska terapija se koristi za utjecaj na maligne tumore. Moguće je odabrati dozu zračenja dovoljnu za potpuno uništenje tumora uz relativno mala oštećenja okolnih zdravih tkiva, koja se obnavljaju uslijed naknadne regeneracije.

Rendgensko zračenje, sa stajališta fizike, je elektromagnetsko zračenje, čija valna duljina varira u rasponu od 0,001 do 50 nanometara. Nju je 1895. godine otkrio njemački fizičar W.K. Roentgen.

Po prirodi su te zrake srodne solarnom ultraljubičastom. Radio valovi su najduži u spektru. Prati ih infracrveno svjetlo, koje naše oko ne percipira, ali ga osjećamo kao toplinu. Zatim dolaze zrake od crvene do ljubičaste. Zatim - ultraljubičasto (A, B i C). A odmah iza njega su X-zrake i gama-zrake.

X-zrake se mogu dobiti na dva načina: usporavanjem u materiji nabijenih čestica koje prolaze kroz nju i prijelazom elektrona iz gornjih slojeva u unutarnje slojeve pri oslobađanju energije.

Za razliku od vidljive svjetlosti, te su zrake vrlo dugačke, pa mogu prodrijeti kroz neprozirne materijale bez da se reflektiraju, lome ili akumuliraju u njima.

Bremsstrahlung je lakše dobiti. Nabijene čestice emitiraju elektromagnetsko zračenje prilikom kočenja. Što je veća akceleracija tih čestica i, posljedično, što je oštrije usporavanje, to se proizvodi više X-zraka, a valna duljina postaje kraća. U većini slučajeva u praksi se pribjegava stvaranju zraka u procesu usporavanja elektrona u čvrstim tijelima. To vam omogućuje da kontrolirate izvor ovog zračenja, izbjegavajući opasnost od izlaganja zračenju, jer kada se izvor isključi, emisija X-zraka potpuno nestaje.

Najčešći izvor takvog zračenja - Zračenje koje emitira je nehomogeno. Sadrži meko (dugovalno) i tvrdo (kratkovalno) zračenje. Mekani je karakterističan po tome što ga ljudsko tijelo potpuno apsorbira, stoga takvo rendgensko zračenje čini duplo veću štetu od tvrdog. Uz prekomjerno elektromagnetsko zračenje u tkivima ljudskog tijela, ionizacija može oštetiti stanice i DNK.

Cijev ima dvije elektrode - negativnu katodu i pozitivnu anodu. Kada se katoda zagrije, elektroni isparavaju s nje, zatim se ubrzavaju u električnom polju. Sudarajući se s čvrstom tvari anoda, one počinju usporavati, što je popraćeno emisijom elektromagnetskog zračenja.

X-zračenje, čija se svojstva naširoko koriste u medicini, temelji se na dobivanju slike u sjeni predmeta koji se proučava na osjetljivom ekranu. Ako je dijagnosticirani organ osvijetljen snopom zraka paralelno jedan s drugim, tada će se projekcija sjena iz ovog organa prenijeti bez izobličenja (proporcionalno). U praksi, izvor zračenja je više kao točkasti izvor, pa se nalazi na udaljenosti od osobe i od ekrana.

Za primanje osoba se postavlja između rendgenske cijevi i ekrana ili filma, djelujući kao prijemnici zračenja. Kao rezultat zračenja, kost i druga gusta tkiva pojavljuju se na slici kao jasne sjene, izgledaju kontrastnije u odnosu na pozadinu manje izražajnih područja koja propuštaju tkiva s manjom apsorpcijom. Na rendgenskim snimkama osoba postaje "prozirna".

Kako se X-zrake šire, mogu se raspršiti i apsorbirati. Prije apsorpcije, zrake mogu putovati stotinama metara u zraku. U gustoj tvari apsorbiraju se mnogo brže. Ljudska biološka tkiva su heterogena, pa njihova apsorpcija zraka ovisi o gustoći tkiva organa. upija zrake brže od mekih tkiva, jer sadrži tvari koje imaju veliki atomski broj. Fotone (pojedinačne čestice zraka) različita tkiva ljudskog tijela apsorbiraju na različite načine, što omogućuje dobivanje kontrastne slike pomoću X-zraka.