Dacă U este exprimat în kilovolți și se ia în considerare raportul dintre alte cantități, atunci formula arată astfel: l k \u003d 1,24 / U (nm) sau l k \u003d 1,24 / U (Å) (1Å \u003d 10 -10 m) ).

Din graficele de mai sus, se poate stabili că lungimea de undă l m, care reprezintă energia maximă de radiație, este în raport constant cu lungimea de undă limită l k:

.

Lungimea de undă caracterizează energia unui foton, de care depinde puterea de penetrare a radiației atunci când interacționează cu materia.

Razele X cu lungime de undă scurtă au de obicei o putere mare de penetrare și sunt numite dure, în timp ce razele X cu lungime de undă lungă sunt numite moi. După cum se poate observa din formula de mai sus, lungimea de undă la care scade energia maximă de radiație este invers proporțională cu tensiunea dintre anodul și catodul tubului. Creșterea tensiunii la anodul tubului cu raze X, modificați compoziția spectrală a radiației și creșteți duritatea acesteia.

Când se modifică tensiunea filamentului (se modifică temperatura filamentului a catodului), se modifică numărul de electroni emiși de catod pe unitatea de timp sau, în consecință, puterea curentului în circuitul anodului tubului. În acest caz, puterea de radiație se modifică proporțional cu prima putere a curentului. Compoziția spectrală a radiației nu se va modifica.

Fluxul total (puterea) radiației, distribuția energiei pe lungimi de undă și, de asemenea, limita spectrului pe partea lungimii de undă scurte depind de următorii trei factori: tensiunea U care accelerează electronii și este aplicată între anod și catodul tubului; numărul de electroni implicați în formarea radiației, adică curent de filament al tubului; numărul atomic Z al materialului anodic, în care are loc decelerația electronilor.

Fluxul bremsstrahlung se calculează prin formula: , unde ,

Numărul de serie Z al unui atom al unei substanțe (numărul atomic).

Prin creșterea tensiunii pe tubul cu raze X, se poate observa apariția unor linii separate (spectrul de linii) pe fundalul radiației bremsstrahlung continue, care corespunde radiației caracteristice cu raze X. Apare în timpul tranziției electronilor între învelișurile interioare ale atomilor dintr-o substanță (învelișuri K, L, M). Caracterul de linie al spectrului de radiații caracteristic apare din cauza faptului că electronii accelerați pătrund adânc în atomi și scot electronii din straturile lor interioare din afara atomului. Electronii (Fig. 2) din straturile superioare trec în locuri libere, drept urmare fotoni de raze X sunt emiși cu o frecvență corespunzătoare diferenței nivelurilor de energie de tranziție. Liniile din spectrul radiațiilor caracteristice sunt combinate în serii corespunzătoare tranzițiilor electronilor cu un nivel mai înalt la nivelul K, L, M.

Acțiunea externă, în urma căreia electronul este scos din straturile interioare, trebuie să fie suficient de puternică. Spre deosebire de spectrele optice, spectrele de raze X caracteristice ale diferiților atomi sunt de același tip. Uniformitatea acestor spectre se datorează faptului că straturile interioare ale diferiților atomi sunt aceleași și diferă doar energetic, deoarece efectul de forță din partea nucleului crește pe măsură ce numărul ordinal al elementului crește. Acest lucru duce la faptul că spectrele caracteristice se deplasează către frecvențe mai mari odată cu creșterea sarcinii nucleare. Această relație este cunoscută sub numele de legea lui Moseley: , unde A și B sunt constante; Numărul de ordine Z al elementului.

Există o altă diferență între spectrele de raze X și cele optice. Spectrul caracteristic al unui atom nu depinde de compusul chimic în care este inclus atomul. Deci, de exemplu, spectrul de raze X al atomului de oxigen este același pentru O, O 2 , H 2 O, în timp ce spectrele optice ale acestor compuși sunt semnificativ diferite. Această caracteristică a spectrelor de raze X ale atomilor a servit drept bază pentru denumirea de „caracteristică”.

Radiația caracteristică apare ori de câte ori există locuri libere în straturile interioare ale unui atom, indiferent de motivele care au cauzat-o. De exemplu, însoțește unul dintre tipurile de dezintegrare radioactivă, care constă în captarea unui electron din stratul interior de către nucleu.

2. Dispozitivul tuburilor cu raze X și al protozoarelor

aparat cu raze X.

Cea mai comună sursă de radiație cu raze X este un tub cu raze X - un dispozitiv de vid cu doi electrozi (Fig. 3). Este un recipient din sticlă (p = 10 -6 - 10 -7 mm Hg) cu doi electrozi - anodul A și catodul K, între care se creează o tensiune înaltă. Catodul încălzit (K) emite electroni. Anodul A este adesea denumit anticatod. Are o suprafață înclinată pentru a direcționa radiația de raze X rezultată într-un unghi față de axa tubului. Anodul este realizat dintr-un metal cu conductivitate termică bună (cupru) pentru a elimina căldura generată de impactul electronilor. La capătul teșit al anodului se află o placă Z din metal refractar (tungsten) cu număr atomic ridicat, numită oglindă anodica. În unele cazuri, anodul este răcit special cu apă sau ulei. Pentru tuburile de diagnosticare, este importantă precizia sursei de raze X, care poate fi obținută prin focalizarea electronilor într-un singur loc al anodului. Prin urmare, din punct de vedere constructiv, trebuie luate în considerare două sarcini opuse: pe de o parte, electronii trebuie să cadă într-un loc al anodului, pe de altă parte, pentru a preveni supraîncălzirea, este de dorit să se distribuie electronii pe diferite părți ale anodul. Din acest motiv, unele tuburi cu raze X sunt fabricate cu un anod rotativ.

Într-un tub de orice design, electronii accelerați de tensiunea dintre anod și catod cad pe oglinda anodică și pătrund adânc în substanță, interacționează cu atomii și sunt decelerati de câmpul de atomi. Aceasta produce raze X bremsstrahlung. Simultan cu bremsstrahlung, se formează o cantitate mică (câteva procente) de radiație caracteristică. Doar 1-2% dintre electronii care lovesc anodul provoacă bremsstrahlung, iar restul provoacă un efect termic. Pentru concentrația de electroni, catodul are un capac de ghidare. Partea oglinzii de wolfram pe care cade fluxul principal de electroni se numește focarul tubului. Lățimea fasciculului de radiație depinde de zona sa (claritatea focalizării).

Pentru alimentarea tubului sunt necesare două surse: o sursă de înaltă tensiune pentru circuitul anod și o sursă de joasă tensiune (6-8 V) pentru alimentarea circuitului de filament. Ambele surse trebuie să fie reglementate independent. Prin modificarea tensiunii anodului se reglează duritatea radiației cu raze X, iar prin modificarea incandescenței, a curentului circuitului de ieșire și, în consecință, a puterii de radiație.

Schema schematică a celui mai simplu aparat cu raze X este prezentată în Fig.4. Circuitul are două transformatoare de înaltă tensiune Tr.1 și Tr.2 pentru alimentarea filamentului. Tensiunea înaltă de pe tub este reglată de un autotransformator Tr.3 conectat la înfășurarea primară a transformatorului Tr.1. Comutatorul K reglează numărul de spire ale înfășurării autotransformatorului. În acest sens, se modifică și tensiunea înfășurării secundare a transformatorului, alimentată la anodul tubului, adică. duritatea este reglabila.

Curentul de filament al tubului este reglat de un reostat R, inclus în circuitul primar al transformatorului Tr.2. Curentul circuitului anodic este măsurat cu un miliampermetru. Tensiunea aplicată electrozilor tubului se măsoară cu un kilovoltmetru kV, sau tensiunea din circuitul anodic poate fi judecată după poziția comutatorului K. Curentul filamentului, reglat de reostat, se măsoară cu un ampermetru A. În schema luată în considerare, tubul cu raze X redresează simultan o tensiune alternativă ridicată.

Este ușor de observat că un astfel de tub radiază doar într-o jumătate de ciclu de curent alternativ. Prin urmare, puterea sa va fi mică. Pentru a crește puterea radiată, multe dispozitive folosesc redresoare cu raze X cu undă completă de înaltă tensiune. În acest scop, se folosesc 4 kenotrone speciale, care sunt conectate într-un circuit de punte. Un tub cu raze X este inclus într-o diagonală a podului.

3. Interacțiunea radiațiilor X cu materia

(împrăștiere coerentă, împrăștiere incoerentă, efect fotoelectric).

Când razele X cad pe un corp, acestea sunt reflectate de acesta într-o cantitate mică, dar în mare parte pătrund adânc în. În masa corpului, radiația este parțial absorbită, parțial împrăștiată și parțial trece. Trecând prin corp, fotonii de raze X interacționează în principal cu electronii atomilor și moleculelor substanței. Înregistrarea și utilizarea radiației cu raze X, precum și impactul acesteia asupra obiectelor biologice, este determinată de procesele primare de interacțiune a unui foton de raze X cu electronii. Trei procese principale au loc în funcție de raportul dintre energia fotonului E și energia de ionizare AI.

A)împrăștiere coerentă.

Difuzarea razelor X cu lungime de undă lungă are loc în principal fără modificarea lungimii de undă și se numește coerentă. Interacțiunea unui foton cu electronii învelișurilor interioare, strâns legați de nucleu, nu face decât să-și schimbe direcția, fără a-și schimba energia și, prin urmare, lungimea de undă (Fig. 5).

Difuzarea coerentă are loc dacă energia fotonului este mai mică decât energia de ionizare: 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) Imprăștire incoerentă (efect Compton).

În 1922, A. Compton, observând împrăștierea razelor X dure, a descoperit o scădere a puterii de penetrare a fasciculului împrăștiat în comparație cu fasciculul incident. Imprăștirea razelor X cu lungimea de undă variabilă se numește efect Compton. Apare atunci când un foton de orice energie interacționează cu electronii învelișurilor exterioare ale atomilor legați slab de nucleu (Fig. 6). Un electron este desprins dintr-un atom (astfel de electroni se numesc electroni de recul). Energia fotonului scade (lungimea de undă crește în consecință), iar direcția de mișcare a acestuia se schimbă și ea. Efectul Compton apare dacă energia fotonului de raze X este mai mare decât energia de ionizare: , . În acest caz, apar electroni de recul cu energie cinetică E K. Atomii și moleculele devin ioni. Dacă E K este semnificativă, atunci electronii pot ioniza atomii vecini prin ciocnire, formând noi electroni (secundari).

în) Efect fotoelectric.

Dacă energia unui foton hn este suficientă pentru a detașa un electron, atunci când interacționează cu un atom, fotonul este absorbit, iar electronul este detașat de el. Acest fenomen se numește efect fotoelectric. Atomul este ionizat (fotoinizare). În acest caz, electronul capătă energie cinetică și, dacă aceasta din urmă este semnificativă, atunci poate ioniza atomii vecini prin ciocnire, formând noi electroni (secundari). Dacă energia fotonului este insuficientă pentru ionizare, atunci efectul fotoelectric se poate manifesta prin excitarea unui atom sau a unei molecule. În unele substanțe, acest lucru duce la emisia ulterioară de fotoni în regiunea radiației vizibile (luminescență cu raze X), iar în țesuturi, la activarea moleculelor și a reacțiilor fotochimice.

Efectul fotoelectric este tipic pentru fotonii cu o energie de ordinul a 0,5-1 MeV.

Cele trei procese principale de interacțiune discutate mai sus sunt primare, duc la secundare, terțiare etc. fenomene. Când radiația de raze X intră într-o substanță, pot avea loc o serie de procese înainte ca energia unui foton de raze X să fie convertită în energia mișcării termice.

Ca urmare a proceselor de mai sus, fluxul primar de raze X este slăbit. Acest proces respectă legea lui Bouguer. O scriem sub forma: Ф =Ф 0 e - mх, unde m este un coeficient de atenuare liniar, în funcție de natura substanței (în principal de densitate și număr atomic) și de lungimea de undă a radiației (energia fotonului). Poate fi reprezentat ca fiind alcătuit din trei termeni corespunzători împrăștierii coerente, împrăștierii incoerente și efectului fotoelectric: .

Deoarece coeficientul de absorbție liniar depinde de densitatea substanței, este de preferat să se folosească coeficientul de atenuare a masei, care este egal cu raportul dintre coeficientul de atenuare liniar și densitatea absorbantului și nu depinde de densitatea substanței. . Dependența fluxului (intensității) radiației X de grosimea filtrului absorbant este prezentată în Fig. 7 pentru H2O, Al și Cu. Calculele arată că un strat de apă de 36 mm grosime, aluminiu de 15 mm și cupru de 1,6 mm reduc intensitatea razelor X de 2 ori. Această grosime se numește grosimea semistratului d. Dacă o substanță atenuează radiația de raze X la jumătate, atunci , apoi , sau , ; ; . Cunoscând grosimea semistratului, puteți determina oricând m. Dimensiunea .

4. Utilizarea razelor X în medicină

(fluoroscopie, radiografie, tomografie cu raze X, fluorografie, radioterapie).

Una dintre cele mai frecvente aplicații ale razelor X în medicină este transiluminarea organelor interne în scopuri de diagnostic - diagnosticul cu raze X.

Pentru diagnosticare se folosesc fotoni cu o energie de 60-120 keV. În acest caz, coeficientul de absorbție a masei este determinat în principal de efectul fotoelectric. Valoarea lui este proporţională cu l 3 (în care se manifestă puterea mare de pătrundere a radiaţiei dure) şi proporţională cu puterea a treia a numărului de atomi ai substanţei - absorbant: , unde K este coeficientul de proporţionalitate.

Corpul uman este format din țesuturi și organe care au capacitate de absorbție diferită în raport cu razele X. Prin urmare, atunci când este iluminat cu raze X, pe ecran se obține o imagine de umbră neuniformă, care oferă o imagine a locației organelor și țesuturilor interne. Cele mai dense țesuturi care absorb radiațiile (inima, vase mari, oase) sunt văzute ca întunecate, în timp ce țesuturile mai puțin absorbante (plămâni) sunt văzute ca luminoase.

În multe cazuri, este posibil să se judece starea lor normală sau patologică. Diagnosticul cu raze X folosește două metode principale: fluoroscopia (transmisie) și radiografia (imagine). Dacă organul studiat și țesuturile din jurul acestuia absorb aproximativ în mod egal fluxul de raze X, atunci se folosesc agenți de contrast speciali. Deci, de exemplu, în ajunul unei examinări cu raze X a stomacului sau intestinelor, se dă o masă moale de sulfat de bariu, caz în care se poate vedea imaginea lor în umbră. În fluoroscopie și radiografie, o imagine cu raze X este o imagine rezumată a întregii grosimi a obiectului prin care trec razele X. Cele mai clar definite sunt acele detalii care sunt mai aproape de ecran sau de film, iar cele îndepărtate devin neclare și neclare. Dacă într-un organ există o zonă alterată patologic, de exemplu, distrugerea țesutului pulmonar în interiorul unui focar extins de inflamație, atunci în unele cazuri această zonă de pe raze X în cantitate de umbre poate fi „pierdută”. Pentru a-l face vizibil, se folosește o metodă specială - tomografia (înregistrare stratificată), care vă permite să faceți fotografii ale straturilor individuale ale zonei studiate. Acest tip de tomograme strat cu strat se obține cu ajutorul unui aparat special numit tomograf, în care tubul cu raze X (RT) și filmul (Fp) sunt deplasate periodic, împreună, în antifază față de zona de studiu. În acest caz, razele X în orice poziție a RT vor trece prin același punct al obiectului (zona modificată), care este centrul față de care RT și FP se mișcă periodic. Imaginea în umbră a zonei va fi surprinsă pe film. Prin schimbarea poziției „centrului de balansare”, este posibil să obțineți imagini stratificate ale obiectului. Folosind un fascicul subțire de raze X, un ecran special (în loc de Fp) format din detectoare semiconductoare de radiații ionizante, este posibilă procesarea imaginii în timpul tomografiei folosind un computer. Această variantă modernă a tomografiei se numește tomografie computerizată. Tomografia este utilizată pe scară largă în studiul plămânilor, rinichilor, vezicii biliare, stomacului, oaselor etc.

Luminozitatea imaginii de pe ecran și timpul de expunere pe film depind de intensitatea radiației X. Când se utilizează pentru diagnosticare, intensitatea nu poate fi mare, pentru a nu provoca un efect biologic nedorit. Prin urmare, există o serie de dispozitive tehnice care îmbunătățesc luminozitatea imaginii la intensități scăzute de raze X. Unul dintre aceste dispozitive este un tub intensificator de imagine.

Un alt exemplu este fluorografia, în care o imagine este obținută pe un film sensibil de format mic de pe un ecran mare luminiscent cu raze X. La fotografiere, se folosește un obiectiv cu deschidere mare, imaginile finite sunt examinate cu o lupă specială.

Fluorografia combină o mare capacitate de detectare a bolilor latente (boli ale toracelui, tractului gastrointestinal, sinusurilor paranazale etc.) cu un debit semnificativ și, prin urmare, este o metodă foarte eficientă de cercetare în masă (în linie).

Deoarece fotografiarea unei imagini cu raze X în timpul fluorografiei este realizată folosind optica fotografică, imaginea de pe fluorogramă este redusă în comparație cu raze X. În acest sens, rezoluția fluorogramei (adică vizibilitatea detaliilor mici) este mai mică decât cea a unei radiografii convenționale, cu toate acestea, este mai mare decât în ​​cazul fluoroscopiei.

A fost proiectat un aparat - un tomofluorograf, care permite obținerea de fluorograme ale părților corpului și ale organelor individuale la o adâncime dată - așa-numitele imagini stratificate (secțiuni) - tomofluorograme.

Radiațiile cu raze X sunt folosite și în scopuri terapeutice (terapie cu raze X). Efectul biologic al radiațiilor este de a perturba activitatea vitală a celulelor, în special a celor în curs de dezvoltare rapidă. În acest sens, terapia cu raze X este folosită pentru a influența tumorile maligne. Este posibil să alegeți o doză de radiație suficientă pentru distrugerea completă a tumorii cu afectare relativ minoră a țesuturilor sănătoase din jur, care sunt restaurate datorită regenerării ulterioare.

Radiația cu raze X, din punct de vedere al fizicii, este radiație electromagnetică, a cărei lungime de undă variază în intervalul de la 0,001 la 50 nanometri. A fost descoperit în 1895 de către fizicianul german W.K. Roentgen.

Prin natura lor, aceste raze sunt legate de ultravioletele solare. Undele radio sunt cele mai lungi din spectru. Ele sunt urmate de lumina infrarosu, pe care ochii nostri nu o percep, dar o simtim ca pe caldura. Urmează razele de la roșu la violet. Apoi - ultraviolete (A, B și C). Și chiar în spatele ei sunt razele X și razele gamma.

Razele X pot fi obținute în două moduri: prin decelerare a particulelor încărcate care trec prin ea și prin tranziția electronilor din straturile superioare în straturile interioare atunci când se eliberează energie.

Spre deosebire de lumina vizibilă, aceste raze sunt foarte lungi, astfel încât sunt capabile să pătrundă în materialele opace fără a fi reflectate, refractate sau acumulate în ele.

Bremsstrahlung este mai ușor de obținut. Particulele încărcate emit radiații electromagnetice la frânare. Cu cât accelerația acestor particule este mai mare și, în consecință, cu cât decelerația este mai accentuată, cu atât se produc mai multe raze X, iar lungimea de undă devine mai scurtă. În cele mai multe cazuri, în practică, ele recurg la generarea de raze în procesul de decelerare a electronilor din solide. Acest lucru vă permite să controlați sursa acestei radiații, evitând pericolul expunerii la radiații, deoarece atunci când sursa este oprită, emisia de raze X dispare complet.

Cea mai comună sursă de astfel de radiații - Radiația emisă de aceasta este neomogenă. Conține atât radiații moi (unde lungi) cât și dure (unde scurte). Cel moale se caracterizează prin faptul că este complet absorbit de corpul uman, prin urmare o astfel de radiație cu raze X dăunează de două ori mai mult decât cea dura. Cu radiații electromagnetice excesive în țesuturile corpului uman, ionizarea poate deteriora celulele și ADN-ul.

Tubul este cu doi electrozi - un catod negativ și un anod pozitiv. Când catodul este încălzit, electronii se evaporă din el, apoi sunt accelerați într-un câmp electric. Ciocnind cu materia solidă a anozilor, aceștia încep decelerația, care este însoțită de emisia de radiații electromagnetice.

Radiațiile cu raze X, ale căror proprietăți sunt utilizate pe scară largă în medicină, se bazează pe obținerea unei imagini în umbră a obiectului studiat pe un ecran sensibil. Dacă organul diagnosticat este iluminat cu un fascicul de raze paralele între ele, atunci proiecția umbrelor din acest organ va fi transmisă fără distorsiuni (proporțional). În practică, sursa de radiații seamănă mai mult cu o sursă punctuală, deci este situată la distanță de persoană și de ecran.

Pentru a primi o persoană este plasată între tubul cu raze X și ecran sau film, acționând ca receptori de radiații. Ca urmare a iradierii, oasele și alte țesuturi dense apar în imagine ca umbre clare, arată mai mult contrast pe fundalul unor zone mai puțin expresive care transmit țesuturi cu mai puțină absorbție. La radiografii, o persoană devine „translucidă”.

Pe măsură ce razele X se propagă, ele pot fi împrăștiate și absorbite. Înainte de absorbție, razele pot călători sute de metri în aer. În materie densă, acestea sunt absorbite mult mai repede. Țesuturile biologice umane sunt eterogene, astfel încât absorbția lor de raze depinde de densitatea țesutului organelor. absoarbe razele mai repede decât țesuturile moi, deoarece conține substanțe care au numere atomice mari. Fotonii (particule individuale de raze) sunt absorbiți de diferite țesuturi ale corpului uman în moduri diferite, ceea ce face posibilă obținerea unei imagini de contrast cu ajutorul razelor X.