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 в 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 характеристичному рентгенівському випромінюванню. 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 дві протилежні завдання: з одного боку електрони повинні попадати 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 по положенню 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 досить 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.

Рентгенівське випромінювання, з погляду фізики, це електромагнітне випромінювання, довжина хвиль якого варіюється в діапазоні від 0,001 до 50 нанометрів. Було відкрито 1895 німецьким фізиком В.К.Рентгеном.

За природою ці промені є спорідненими з сонячним ультрафіолетом. У спектрі найдовшими є радіохвилі. За ними йде інфрачервоне світло, яке наші очі не сприймають, але ми відчуваємо його як тепло. Далі йдуть промені від червоного до фіолетового. Потім - ультрафіолет (А, В та С). А одразу за ним рентгенівські промені та гамма-випромінювання.

Рентгенівське може бути отримано двома способами: при гальмуванні в речовині заряджених частинок, що проходять крізь нього, і при переході електронів з вищих шарів на внутрішні при вивільненні енергії.

На відміну від видимого світла ці промені мають дуже велику довжину, тому здатні проникати через непрозорі матеріали, не відбиваючись, не заломлюючись і не накопичуючись у них.

Гальмівне випромінювання одержати простіше. Заряджені частки при гальмуванні випромінюють електромагнітне випромінювання. Чим більше прискорення цих частинок і, отже, різкіше гальмування, тим більше утворюється рентгенівське випромінювання, а довжина його хвиль стає меншою. У більшості випадків на практиці вдаються до вироблення променів у процесі гальмування електронів у твердих речовинах. Це дає змогу керувати джерелом цього випромінювання, уникаючи небезпеки радіаційного опромінення, тому що при відключенні джерела рентгенівське випромінювання повністю зникає.

Найпоширеніше джерело такого випромінювання - Випромінюване їй випромінювання неоднорідне. У ньому є і м'яке (довгохвильове), і жорстке (короткохвильове) випромінювання. М'яке характеризується тим, що повністю поглинається людським тілом, тому таке рентгенівське випромінювання приносить шкоду вдвічі більше, ніж жорстке. При надмірному електромагнітному опроміненні в тканинах організму людини іонізація може призвести до пошкодження клітин та ДНК.

Трубка – це з двома електродами – негативним катодом та позитивним анодом. При розігріванні з нього катода випаровуються електрони, потім вони прискорюються в електричному полі. Зіткнувшись з твердою речовиною анодів, вони починають гальмування, яке супроводжується випромінюванням електромагнітного випромінювання.

Рентгенівське випромінювання, властивості якого широко використовуються в медицині, базується на отриманні тіньового зображення об'єкта, що досліджується, на чутливому екрані. Якщо діагностований орган просвічуватиме пучком паралельних один одному променів, то проекція тіней від цього органу передаватиметься без спотворень (пропорційно). На практиці джерело випромінювання більш схоже на точкове, тому його розташовують на відстані від людини та від екрану.

Щоб отримати людина поміщається між рентгенівською трубкою та екраном або плівкою, що виступають у ролі приймачів випромінювання. В результаті опромінення на знімку кісткова та інші щільні тканини проявляються у вигляді явних тіней, виглядають контрастніше на тлі менш виразних ділянок, які передають тканини з меншим поглинанням. На рентгенівських знімках людина стає напівпрозорою.

Поширюючись, рентгенівське випромінювання може розсіюватися та поглинатися. До поглинання промені можуть проходити сотні метрів у повітрі. У щільній речовині вони поглинаються набагато швидше. Біологічні тканини людини неоднорідні, тому поглинання променів залежить від щільності тканини органів. поглинає промені швидше ніж м'які тканини, тому що містить речовини, що мають великі атомні номери. Фотони (окремі частинки променів) поглинаються різними тканинами організму людини по-різному, що дозволяє отримувати контрастне зображення за допомогою рентгенівських променів.