Ak je U vyjadrené v kilovoltoch a berie sa do úvahy pomer medzi ostatnými množstvami, potom vzorec vyzerá takto: l k \u003d 1,24 / U (nm) alebo l k \u003d 1,24 / U (Å) (1Å \u003d 10 -10 m ).

Z vyššie uvedených grafov je možné zistiť, že vlnová dĺžka l m, ktorá predstavuje maximálnu energiu žiarenia, je v konštantnom vzťahu k limitnej vlnovej dĺžke l k:

.

Vlnová dĺžka charakterizuje energiu fotónu, od ktorej závisí prenikavá sila žiarenia pri interakcii s hmotou.

Krátkovlnné röntgenové lúče majú zvyčajne vysokú penetračnú silu a nazývajú sa tvrdé, kým röntgenové lúče s dlhými vlnovými dĺžkami sa nazývajú mäkké. Ako je možné vidieť z vyššie uvedeného vzorca, vlnová dĺžka, pri ktorej dopadá maximálna energia žiarenia, je nepriamo úmerná napätiu medzi anódou a katódou elektrónky. Zvýšením napätia na anóde röntgenovej trubice sa zmení spektrálne zloženie žiarenia a zvýši sa jeho tvrdosť.

Keď sa zmení napätie vlákna (zmení sa teplota vlákna katódy), zmení sa počet elektrónov emitovaných katódou za jednotku času, alebo podľa toho aj sila prúdu v elektrónkovom anódovom obvode. V tomto prípade sa výkon žiarenia mení úmerne k prvému výkonu prúdu. Spektrálne zloženie žiarenia sa nezmení.

Celkový tok (výkon) žiarenia, rozloženie energie na vlnových dĺžkach a tiež hranica spektra na strane krátkych vlnových dĺžok závisí od týchto troch faktorov: od napätia U, ktoré urýchľuje elektróny a je privedené medzi anódu a katóda trubice; počet elektrónov podieľajúcich sa na vzniku žiarenia, t.j. prúd rúrkového vlákna; atómové číslo Z materiálu anódy, v ktorom dochádza k spomaleniu elektrónov.

Brzdný tok sa vypočíta podľa vzorca: , kde ,

Z-ové poradové číslo atómu látky (atómové číslo).

Zvýšením napätia na röntgenovej trubici je možné zaznamenať výskyt oddelených čiar (čiarového spektra) na pozadí nepretržitého brzdného žiarenia, ktoré zodpovedá charakteristickému röntgenovému žiareniu. Vzniká pri prechode elektrónov medzi vnútornými obalmi atómov v látke (obaly K, L, M). Čiarový charakter charakteristického spektra žiarenia vzniká tým, že zrýchlené elektróny prenikajú hlboko do atómov a vyrážajú elektróny z atómu z ich vnútorných vrstiev. Elektróny (obr. 2) z horných vrstiev prechádzajú na voľné miesta, v dôsledku čoho sú rtg fotóny emitované s frekvenciou zodpovedajúcou rozdielu hladín prechodovej energie. Čiary v spektre charakteristického žiarenia sú spojené do sérií zodpovedajúcich prechodom elektrónov s vyššou úrovňou na úrovni K, L, M.

Vonkajšie pôsobenie, v dôsledku ktorého je elektrón vyrazený z vnútorných vrstiev, musí byť dostatočne silné. Na rozdiel od optických spektier sú charakteristické röntgenové spektrá rôznych atómov rovnakého typu. Rovnomernosť týchto spektier je spôsobená tým, že vnútorné vrstvy rôznych atómov sú rovnaké a líšia sa len energeticky, pretože silový účinok zo strany jadra sa zvyšuje so zvyšujúcim sa poradovým číslom prvku. To vedie k tomu, že charakteristické spektrá sa s rastúcim jadrovým nábojom posúvajú smerom k vyšším frekvenciám. Tento vzťah je známy ako Moseleyho zákon: kde A a B sú konštanty; Z-poradové číslo prvku.

Medzi röntgenovými a optickými spektrami je ešte jeden rozdiel. Charakteristické spektrum atómu nezávisí od chemickej zlúčeniny, v ktorej je atóm zahrnutý. Takže napríklad röntgenové spektrum atómu kyslíka je rovnaké pre O, O 2, H 2 O, zatiaľ čo optické spektrá týchto zlúčenín sú výrazne odlišné. Táto vlastnosť röntgenových spektier atómov slúžila ako základ pre názov "charakteristika".

Charakteristické žiarenie vzniká vždy, keď sú vo vnútorných vrstvách atómu voľné miesta, bez ohľadu na dôvody, ktoré ho spôsobili. Sprevádza napríklad jeden z typov rádioaktívneho rozpadu, ktorý spočíva v zachytení elektrónu z vnútornej vrstvy jadrom.

2. Zariadenie röntgenových trubíc a prvokov

Röntgenový prístroj.

Najčastejším zdrojom röntgenového žiarenia je röntgenová trubica – dvojelektródový vákuový prístroj (obr. 3). Ide o sklenenú nádobu (p = 10 -6 - 10 -7 mm Hg) s dvoma elektródami - anódou A a katódou K, medzi ktorými vzniká vysoké napätie. Vyhrievaná katóda (K) emituje elektróny. Anóda A sa často označuje ako antikatóda. Má naklonenú plochu, aby výsledné röntgenové žiarenie smerovalo pod uhlom k osi trubice. Anóda je vyrobená z kovu s dobrou tepelnou vodivosťou (meď) na odvádzanie tepla vznikajúceho dopadom elektrónov. Na skosom konci anódy je doska Z zo žiaruvzdorného kovu (volfrámu) s vysokým atómovým číslom, nazývaná anódové zrkadlo. V niektorých prípadoch je anóda špeciálne chladená vodou alebo olejom. Pre diagnostické elektrónky je dôležitá presnosť zdroja röntgenového žiarenia, ktorú možno dosiahnuť zaostrením elektrónov na jedno miesto anódy. Preto treba konštruktívne brať do úvahy dve protichodné úlohy: na jednej strane musia elektróny dopadať na jedno miesto anódy, na druhej strane, aby sa zabránilo prehriatiu, je žiaduce rozložiť elektróny na rôzne časti anódy. anóda. Z tohto dôvodu sa niektoré röntgenové trubice vyrábajú s otočnou anódou.

V elektrónke akejkoľvek konštrukcie dopadajú elektróny zrýchlené napätím medzi anódou a katódou na anódové zrkadlo a prenikajú hlboko do látky, interagujú s atómami a sú spomaľované poľom atómov. To vytvára brzdné röntgenové žiarenie. Súčasne s brzdným žiarením vzniká malé množstvo (niekoľko percent) charakteristického žiarenia. Len 1-2% elektrónov, ktoré zasiahnu anódu, spôsobujú brzdné žiarenie a zvyšok spôsobuje tepelný efekt. Pre koncentráciu elektrónov má katóda vodiaci uzáver. Časť volfrámového zrkadla, na ktorú dopadá hlavný tok elektrónov, sa nazýva ohnisko trubice. Šírka lúča žiarenia závisí od jeho plochy (ostrosti zaostrenia).

Na napájanie elektrónky sú potrebné dva zdroje: zdroj vysokého napätia pre anódový obvod a zdroj nízkeho napätia (6-8 V) na napájanie vláknového obvodu. Oba zdroje musia byť regulované nezávisle. Zmenou anódového napätia sa reguluje tvrdosť röntgenového žiarenia a zmenou žhavenia prúd výstupného obvodu a podľa toho aj výkon žiarenia.

Schematický diagram najjednoduchšieho röntgenového prístroja je na obr.4. Obvod má dva vysokonapäťové transformátory Tr.1 a Tr.2 na napájanie vlákna. Vysoké napätie na elektrónke je regulované autotransformátorom Tr.3 pripojeným k primárnemu vinutiu transformátora Tr.1. Spínač K reguluje počet otáčok vinutia autotransformátora. V tomto smere sa mení aj napätie sekundárneho vinutia transformátora, privádzaného na anódu elektrónky, t.j. tvrdosť je nastaviteľná.

Prúd vlákna elektrónky je regulovaný reostatom R, zahrnutým v primárnom okruhu transformátora Tr.2. Prúd anódového obvodu sa meria miliampérmetrom. Napätie privedené na elektródy elektrónky sa meria kV kilovoltmetrom, alebo sa napätie v anódovom obvode dá posúdiť podľa polohy prepínača K. ​​Prúd vlákna, regulovaný reostatom, sa meria ampérmetrom A. V uvažovanej schéme röntgenová trubica súčasne usmerňuje vysoké striedavé napätie.

Je ľahké vidieť, že takáto trubica vyžaruje iba v jednom polcykle striedavého prúdu. Preto bude jeho sila malá. Aby sa zvýšil vyžarovaný výkon, mnohé zariadenia používajú vysokonapäťové plnovlnné röntgenové usmerňovače. Na tento účel slúžia 4 špeciálne kenotróny, ktoré sú zapojené do mostíkového obvodu. V jednej diagonále mostíka je zahrnutá röntgenová trubica.

3. Interakcia röntgenového žiarenia s hmotou

(koherentný rozptyl, nekoherentný rozptyl, fotoelektrický jav).

Keď röntgenové lúče dopadajú na teleso, v malom množstve sa od neho odrazia, väčšinou však prechádzajú hlboko do. V hmote tela sa žiarenie čiastočne pohltí, čiastočne rozptýli a čiastočne prejde. Röntgenové fotóny, ktoré prechádzajú telom, interagujú hlavne s elektrónmi atómov a molekúl látky. Registrácia a využitie röntgenového žiarenia, ako aj jeho vplyv na biologické objekty, je determinovaný primárnymi procesmi interakcie röntgenového fotónu s elektrónmi. V závislosti od pomeru energie fotónu E a ionizačnej energie AI prebiehajú tri hlavné procesy.

a) koherentný rozptyl.

Rozptyl dlhovlnných röntgenových lúčov sa vyskytuje hlavne bez zmeny vlnovej dĺžky a nazýva sa koherentný. Interakcia fotónu s elektrónmi vnútorných obalov, pevne viazaných na jadro, mení iba svoj smer, bez zmeny energie, a teda aj vlnovej dĺžky (obr. 5).

Koherentný rozptyl nastáva, ak je energia fotónu menšia ako ionizačná energia: 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) Nekoherentný rozptyl (Comptonov efekt).

V roku 1922 A. Compton pri pozorovaní rozptylu tvrdých röntgenových lúčov objavil pokles prenikavej sily rozptýleného lúča v porovnaní s dopadajúcim lúčom. Rozptyl röntgenového žiarenia s meniacou sa vlnovou dĺžkou sa nazýva Comptonov jav. Vzniká vtedy, keď fotón akejkoľvek energie interaguje s elektrónmi vonkajších obalov atómov slabo viazaných na jadro (obr. 6). Elektrón je oddelený od atómu (takéto elektróny sa nazývajú spätné elektróny). Energia fotónu klesá (primerane sa zvyšuje vlnová dĺžka) a mení sa aj smer jeho pohybu. Comptonov efekt nastáva, ak je energia fotónu röntgenového žiarenia väčšia ako energia ionizácie: , . V tomto prípade sa objavia spätné elektróny s kinetickou energiou E K. Atómy a molekuly sa stávajú iónmi. Ak je E K významné, potom môžu elektróny ionizovať susedné atómy kolíziou a vytvárať nové (sekundárne) elektróny.

v) Fotoelektrický efekt.

Ak je energia fotónu hn dostatočná na oddelenie elektrónu, potom pri interakcii s atómom sa fotón pohltí a elektrón sa od neho odpojí. Tento jav sa nazýva fotoelektrický jav. Atóm je ionizovaný (fotoinizácia). V tomto prípade elektrón získava kinetickú energiu a ak je tá druhá je významný, potom môže zrážkou ionizovať susedné atómy, pričom vznikajú nové (sekundárne) elektróny. Ak je energia fotónu nedostatočná na ionizáciu, potom sa fotoelektrický efekt môže prejaviť excitáciou atómu alebo molekuly. V niektorých látkach to vedie k následnej emisii fotónov v oblasti viditeľného žiarenia (röntgenová luminiscencia) a v tkanivách k aktivácii molekúl a fotochemickým reakciám.

Fotoelektrický jav je typický pre fotóny s energiou rádovo 0,5-1 MeV.

Tri hlavné interakčné procesy diskutované vyššie sú primárne, vedú k následným sekundárnym, terciárnym atď. javov. Keď sa röntgenové žiarenie dostane do látky, môže dôjsť k niekoľkým procesom, kým sa energia fotónu z röntgenového žiarenia premení na energiu tepelného pohybu.

V dôsledku vyššie uvedených procesov je primárny tok röntgenového žiarenia oslabený. Tento proces dodržiava Bouguerov zákon. Zapisujeme ho v tvare: Ф =Ф 0 e - mх, kde m je lineárny koeficient útlmu, v závislosti od charakteru látky (hlavne od hustoty a atómového čísla) a od vlnovej dĺžky žiarenia (energie fotónu). Môže byť reprezentovaný ako pozostávajúci z troch pojmov zodpovedajúcich koherentnému rozptylu, nekoherentnému rozptylu a fotoelektrickému efektu: .

Pretože koeficient lineárnej absorpcie závisí od hustoty látky, je výhodné použiť koeficient hmotnostného útlmu, ktorý sa rovná pomeru koeficientu lineárneho útlmu k hustote absorbéra a nezávisí od hustoty látky. . Závislosť toku (intenzity) RTG žiarenia od hrúbky absorbujúceho filtra je znázornená na obr. 7 pre H 2 O, Al a Cu. Výpočty ukazujú, že vrstva vody s hrúbkou 36 mm, hliníka s hrúbkou 15 mm a medi 1,6 mm znižuje intenzitu röntgenového žiarenia 2-krát. Táto hrúbka sa nazýva polovičná hrúbka vrstvy d. Ak látka zoslabuje röntgenové žiarenie na polovicu, potom , potom , alebo , ; ; . Keď poznáte hrúbku polovičnej vrstvy, môžete vždy určiť m. Rozmer .

4. Použitie röntgenových lúčov v medicíne

(fluoroskopia, rádiografia, röntgenová tomografia, fluorografia, rádioterapia).

Jednou z najčastejších aplikácií röntgenového žiarenia v medicíne je presvetľovanie vnútorných orgánov na diagnostické účely – röntgenová diagnostika.

Na diagnostiku sa používajú fotóny s energiou 60-120 keV. V tomto prípade je koeficient absorpcie hmoty určený hlavne fotoelektrickým javom. Jeho hodnota je úmerná l 3 (v ktorej sa prejavuje veľká prenikavá sila tvrdého žiarenia) a úmerná tretej mocnine počtu atómov látky - absorbéra: , kde K je koeficient úmernosti.

Ľudské telo pozostáva z tkanív a orgánov, ktoré majú v porovnaní s röntgenovými lúčmi rôznu absorbčnú kapacitu. Preto, keď je osvetlený röntgenovými lúčmi, na obrazovke sa získa nerovnomerný tieňový obraz, ktorý poskytuje obraz o umiestnení vnútorných orgánov a tkanív. Najhustejšie tkanivá absorbujúce žiarenie (srdce, veľké cievy, kosti) sa považujú za tmavé, zatiaľ čo tkanivá s menšou absorpciou (pľúca) sa považujú za svetlé.

V mnohých prípadoch je možné posúdiť ich normálny alebo patologický stav. Röntgenová diagnostika využíva dve hlavné metódy: fluoroskopiu (prenos) a rádiografiu (zobrazenie). Ak skúmaný orgán a tkanivá, ktoré ho obklopujú, približne rovnako absorbujú röntgenový tok, potom sa použijú špeciálne kontrastné látky. Takže napríklad v predvečer röntgenového vyšetrenia žalúdka alebo čriev sa podáva kašovitá hmota síranu bárnatého, v takom prípade je možné vidieť ich tieňový obraz. V fluoroskopii a rádiografii je röntgenový obraz súhrnný obraz celej hrúbky objektu, cez ktorý prechádzajú röntgenové lúče. Najjasnejšie definované sú tie detaily, ktoré sú bližšie k obrazovke alebo filmu, a tie vzdialené sú rozmazané a rozmazané. Ak je v niektorom orgáne patologicky zmenená oblasť, napríklad deštrukcia pľúcneho tkaniva vo vnútri rozsiahleho ohniska zápalu, potom sa v niektorých prípadoch môže táto oblasť na röntgenovom snímku v množstve tieňov „stratiť“. Na jej zviditeľnenie sa používa špeciálna metóda – tomografia (vrstvený záznam), ktorá umožňuje snímať jednotlivé vrstvy skúmanej oblasti. Tento druh tomogramov po vrstvách sa získava pomocou špeciálneho prístroja nazývaného tomograf, v ktorom sa röntgenová trubica (RT) a film (Fp) periodicky, spoločne, v protifáze posúvajú vzhľadom na oblasť štúdie. V tomto prípade budú röntgenové lúče v akejkoľvek polohe RT prechádzať rovnakým bodom objektu (zmenenou oblasťou), čo je stred, voči ktorému sa RT a FP periodicky pohybujú. Tieňový obraz oblasti sa zachytí na film. Zmenou polohy „centra výkyvu“ je možné získať vrstvené obrázky objektu. Pomocou tenkého lúča röntgenových lúčov, špeciálnej obrazovky (namiesto Fp) pozostávajúcej z polovodičových detektorov ionizujúceho žiarenia, je možné spracovať obraz počas tomografie pomocou počítača. Tento moderný variant tomografie sa nazýva počítačová tomografia. Tomografia je široko používaná pri štúdiu pľúc, obličiek, žlčníka, žalúdka, kostí atď.

Jas obrazu na obrazovke a expozičný čas na filme závisí od intenzity röntgenového žiarenia. Pri použití na diagnostiku nesmie byť intenzita vysoká, aby nedošlo k nežiaducemu biologickému efektu. Preto existuje množstvo technických zariadení, ktoré zlepšujú jas obrazu pri nízkych intenzitách röntgenového žiarenia. Jedným z týchto zariadení je elektrónka na zosilnenie obrazu.

Ďalším príkladom je fluorografia, pri ktorej sa obraz získava na citlivom maloformátovom filme z veľkej röntgenovej luminiscenčnej obrazovky. Pri snímaní sa používa šošovka s veľkou clonou, hotové obrázky sa skúmajú na špeciálnej lupe.

Fluorografia spája veľkú schopnosť detekcie skrytých ochorení (ochorenia hrudníka, tráviaceho traktu, vedľajších nosových dutín a pod.) s výraznou priepustnosťou, a preto je veľmi efektívnou metódou hromadného (in-line) výskumu.

Keďže fotografovanie röntgenového obrazu počas fluorografie sa vykonáva pomocou fotografickej optiky, obraz na fluorograme je v porovnaní s röntgenom zmenšený. V tomto ohľade je rozlíšenie fluorogramu (t. j. viditeľnosť malých detailov) menšie ako rozlíšenie bežného röntgenového snímku, je však väčšie ako pri fluoroskopii.

Bol navrhnutý prístroj - tomofluorograf, ktorý umožňuje získať fluorogramy častí tela a jednotlivých orgánov v danej hĺbke - takzvané vrstvené obrazy (rezy) - tomofluorogramy.

Röntgenové žiarenie sa používa aj na terapeutické účely (röntgenová terapia). Biologickým účinkom žiarenia je narušenie životnej činnosti buniek, najmä rýchlo sa rozvíjajúcich. V tomto ohľade sa röntgenová terapia používa na ovplyvnenie malígnych nádorov. Je možné zvoliť dávku žiarenia dostatočnú na úplnú deštrukciu nádoru s relatívne malým poškodením okolitých zdravých tkanív, ktoré sa vďaka následnej regenerácii obnovia.

Röntgenové žiarenie je z hľadiska fyziky elektromagnetické žiarenie, ktorého vlnová dĺžka sa pohybuje v rozmedzí od 0,001 do 50 nanometrov. Objavil ho v roku 1895 nemecký fyzik W.K. Roentgen.

Tieto lúče prirodzene súvisia so slnečným ultrafialovým žiarením. Rádiové vlny sú najdlhšie v spektre. Po nich nasleduje infračervené svetlo, ktoré naše oči nevnímajú, no cítime ho ako teplo. Ďalej prichádzajú lúče od červenej po fialovú. Potom - ultrafialové (A, B a C). A hneď za ním sú röntgenové a gama lúče.

Röntgenové žiarenie možno získať dvoma spôsobmi: spomalením hmoty nabitých častíc, ktoré ním prechádzajú, a prechodom elektrónov z horných vrstiev do vnútorných vrstiev pri uvoľnení energie.

Na rozdiel od viditeľného svetla sú tieto lúče veľmi dlhé, takže sú schopné prenikať nepriehľadnými materiálmi bez toho, aby sa v nich odrážali, lámali alebo hromadili.

Bremsstrahlung je jednoduchšie získať. Nabité častice pri brzdení vyžarujú elektromagnetické žiarenie. Čím väčšie je zrýchlenie týchto častíc a následne aj prudšie spomalenie, tým viac röntgenových lúčov vzniká a vlnová dĺžka sa skracuje. Vo väčšine prípadov sa v praxi uchyľujú k tvorbe lúčov v procese spomaľovania elektrónov v pevných látkach. To vám umožňuje kontrolovať zdroj tohto žiarenia a vyhnúť sa nebezpečenstvu vystavenia žiareniu, pretože keď je zdroj vypnutý, röntgenové žiarenie úplne zmizne.

Najbežnejší zdroj takéhoto žiarenia - Žiarenie ním vyžarované je nehomogénne. Obsahuje mäkké (dlhovlnné) aj tvrdé (krátkovlnné) žiarenie. Mäkký sa vyznačuje tým, že je ľudským telom úplne absorbovaný, preto takéto röntgenové žiarenie napácha dvakrát viac škody ako tvrdé. Pri nadmernom elektromagnetickom žiarení v tkanivách ľudského tela môže ionizácia poškodiť bunky a DNA.

Rúrka je s dvoma elektródami - negatívnou katódou a pozitívnou anódou. Keď sa katóda zahrieva, elektróny sa z nej vyparujú, potom sa urýchľujú v elektrickom poli. Pri zrážke s pevnou hmotou anód začnú spomaľovať, ktoré je sprevádzané emisiou elektromagnetického žiarenia.

Röntgenové žiarenie, ktorého vlastnosti sú široko používané v medicíne, je založené na získaní tieňového obrazu skúmaného objektu na citlivej obrazovke. Ak je diagnostikovaný orgán osvetlený lúčom navzájom rovnobežných lúčov, potom sa projekcia tieňov z tohto orgánu prenesie bez skreslenia (proporcionálne). V praxi sa zdroj žiarenia podobá skôr bodovému zdroju, takže je umiestnený v určitej vzdialenosti od osoby a od obrazovky.

Na prijatie je osoba umiestnená medzi röntgenovú trubicu a obrazovku alebo film, ktorý pôsobí ako prijímač žiarenia. V dôsledku ožiarenia sa kosti a iné husté tkanivá javia na obrázku ako jasné tiene, vyzerajú kontrastnejšie na pozadí menej výrazných oblastí, ktoré prepúšťajú tkanivá s menšou absorpciou. Na röntgenových snímkach sa človek stáva „priesvitným“.

Ako sa röntgenové lúče šíria, môžu byť rozptýlené a absorbované. Pred absorpciou môžu lúče vo vzduchu cestovať stovky metrov. V hustej hmote sa vstrebávajú oveľa rýchlejšie. Ľudské biologické tkanivá sú heterogénne, takže ich absorpcia lúčov závisí od hustoty tkaniva orgánov. absorbuje lúče rýchlejšie ako mäkké tkanivá, pretože obsahuje látky, ktoré majú veľké atómové čísla. Fotóny (jednotlivé častice lúčov) sú absorbované rôznymi tkanivami ľudského tela rôznymi spôsobmi, čo umožňuje získať kontrastný obraz pomocou röntgenových lúčov.