Каква е разликата между първичните и вторичните рентгенови лъчи? рентгенови лъчи. Приложение на рентгеновите лъчи в медицината

Ако U се изрази в киловолти и се вземе предвид връзката между други величини, тогава формулата изглежда така: l k = 1,24/U (nm) или l k = 1,24/U (Å) (1 Å = 10 -10 m).

От горните графики може да се установи, че дължината на вълната l m, която отчита максималната радиационна енергия, е в постоянна връзка с граничната дължина на вълната l k:

.

Дължината на вълната характеризира енергията на фотона, от която зависи проникващата способност на радиацията, когато взаимодейства с материята.

Късовълновите рентгенови лъчи обикновено имат висока проникваща способност и се наричат ​​твърди, докато дълговълновите рентгенови лъчи се наричат ​​меки. Както може да се види от горната формула, дължината на вълната, при която възниква максималната енергия на излъчване, е обратно пропорционална на напрежението между анода и катода на тръбата. Чрез увеличаване на напрежението на анода на рентгеновата тръба се променя спектралният състав на лъчението и се увеличава неговата твърдост.

Когато напрежението на нажежаемата жичка се промени (температурата на нажежаемата жичка на катода се променя), броят на електроните, излъчени от катода за единица време, се променя или, съответно, силата на тока в анодната верига на тръбата се променя. В този случай мощността на излъчване се променя пропорционално на първата мощност на силата на тока. Спектралния състав на радиацията няма да се промени.

Общият поток (мощност) на излъчване, разпределението на енергията по дължини на вълните, както и границата на спектъра от страната на късите дължини на вълните зависи от следните три причини: напрежението U ускорява електроните и се прилага между анода и катода на тръбата ; броят на електроните, участващи в образуването на радиация, т.е. ток на нажежаемата тръба; атомен номер Z на анодното вещество, в което се получава забавяне на електрони.

Потокът на спирачното излъчване на рентгеновите лъчи се изчислява по формулата: , където ,

Z-атомен номер на вещество (атомен номер).

Чрез увеличаване на напрежението на рентгеновата тръба може да се забележи появата на отделни линии (линеен спектър) на фона на непрекъснато спирачно рентгеново лъчение, което съответства на характеристичното рентгеново лъчение. Възниква при прехода на електрони между вътрешните обвивки на атомите в дадено вещество (обвивки K, L, M). Линейният характер на спектъра на характеристичното излъчване възниква поради факта, че ускорените електрони проникват дълбоко в атомите и избиват електрони от техните вътрешни слоеве извън атома. Електроните (фиг. 2) от горните слоеве се придвижват към свободни места, в резултат на което се излъчват рентгенови фотони с честота, съответстваща на разликата в преходните енергийни нива. Линиите в спектъра на характеристичното излъчване се обединяват в серии, съответстващи на преходи на електрони с по-високо ниво на K, L, M ниво.

Външното въздействие, в резултат на което електронът се избива от вътрешните слоеве, трябва да е доста силно. За разлика от оптичните спектри, характерните рентгенови спектри на различните атоми са от един и същи тип. Еднаквостта на тези спектри се дължи на факта, че вътрешните слоеве на различните атоми са идентични и се различават само по енергия, т.к. силовото въздействие от сърцевината се увеличава с увеличаване на поредния номер на елемента. Това води до факта, че характерните спектри се изместват към по-високи честоти с увеличаване на ядрения заряд. Тази зависимост е известна като закон на Моузли: , където A и B са константи; Z-пореден номер на елемента.

Има още една разлика между рентгеновия и оптичния спектър. Характерният спектър на атома не зависи от химичното съединение, в което е включен атомът. Например, рентгеновият спектър на кислородния атом е еднакъв за O, O 2, H 2 O, докато оптичните спектри на тези съединения са значително различни. Тази характеристика на рентгеновите спектри на атомите послужи като основа за името "характеристика".

Характеристично излъчване възниква винаги, когато във вътрешните слоеве на атома има свободни пространства, независимо от причините, които са го предизвикали. Например, той придружава един вид радиоактивен разпад, който включва улавяне на електрон от вътрешния слой от ядрото.

2. Подреждане на рентгенови тръби и протозои

Рентгенов апарат.

Най-често срещаният източник на рентгеново лъчение е рентгенова тръба - двуелектродно вакуумно устройство (фиг. 3). Представлява стъклен балон (p = 10 -6 – 10 -7 mm Hg) с два електрода - анод А и катод К, между които се създава високо напрежение. Нагретият катод (K) излъчва електрони. Анод А често се нарича антикатод. Има наклонена повърхност, за да насочва полученото рентгеново лъчение под ъгъл спрямо оста на тръбата. Анодът е направен от метал с добра топлопроводимост (мед) за отстраняване на топлината, генерирана при удара на електрони. В скосения край на анода има пластина 3 от огнеупорен метал (волфрам) с високо атомно число, наречено анодно огледало. В някои случаи анодът се охлажда специално с вода или масло. За диагностичните тръби е важна прецизността на рентгеновия източник, която може да се постигне чрез фокусиране на електроните на едно място върху анода. Следователно, конструктивно е необходимо да се вземат предвид две противоположни задачи: от една страна, електроните трябва да падат на едно място на анода, от друга страна, за да се предотврати прегряване, е желателно електроните да се разпределят в различни области на анода. анода. Поради тази причина някои рентгенови тръби се произвеждат с въртящ се анод.

В тръба с всякакъв дизайн електроните, ускорени от напрежението между анода и катода, падат върху анодното огледало и проникват дълбоко в веществото, взаимодействат с атоми и се инхибират от полето на атомите. Това произвежда спирачно рентгеново лъчение. Едновременно със спирачното лъчение се образува малко количество (няколко процента) характеристично лъчение. Само 1-2% от електроните, удрящи анода, предизвикват спирачно лъчение, а останалото е термичен ефект. За да концентрира електрони, катодът има направляваща капачка. Частта от волфрамовото огледало, върху която пада основният поток от електрони, се нарича фокус на тръбата. Ширината на радиационния лъч зависи от неговата площ (острота на фокуса).

За захранване на тръбата са необходими два източника: източник с високо напрежение за анодната верига и източник с ниско (6-8 V) за захранване на веригата с нажежаема жичка. И двата източника трябва да бъдат независимо регулирани. Чрез промяна на анодното напрежение се регулира твърдостта на рентгеновото лъчение, а чрез промяна на нишката се регулира токът на изходната верига и съответно мощността на излъчване.

Основната електрическа схема на прост рентгенов апарат е показана на фиг. 4. Схемата има два трансформатора Tr.1 за високо напрежение и Tr.2 за захранване с нажежаема жичка. Високото напрежение на тръбата се регулира от автотрансформатор Tr.3, свързан към първичната намотка на трансформатор Tr.1. Превключвателят K регулира броя на завъртанията на намотката на автотрансформатора. В тази връзка напрежението на вторичната намотка на трансформатора, подадено към анода на тръбата, също се променя, т.е. твърдостта се регулира.

Токът на нишката на тръбата се регулира от реостат R, свързан към веригата на първичната намотка на трансформатора Tr.2. Токът на анодната верига се измерва с милиамперметър. Напрежението, подадено към електродите на тръбата, се измерва с киловолтметър kV или напрежението в анодната верига може да се прецени по позицията на превключвателя К. Размерът на тока на нишката, регулиран от реостат, се измерва с амперметър А. В разглежданата верига рентгеновата тръба едновременно коригира високо променливо напрежение.

Лесно е да се види, че такава тръба излъчва само един полупериод на променлив ток. Следователно мощността му ще бъде малка. За да се увеличи излъчената мощност, много устройства използват пълноволтови рентгенови токоизправители с високо напрежение. За целта се използват 4 специални кенотрона, които се свързват по мостова схема. В единия диагонал на моста е включена рентгенова тръба.

3. Взаимодействие на рентгеновите лъчи с веществото

(кохерентно разсейване, некохерентно разсейване, фотоефект).

Когато рентгеновото лъчение попадне върху тялото, то се отразява в малко количество от него, но основно преминава дълбоко в него. В масата на тялото радиацията се абсорбира частично, частично се разсейва и частично преминава. Преминавайки през тялото, рентгеновите фотони взаимодействат главно с електроните на атомите и молекулите на веществото. Регистрирането и използването на рентгеновото лъчение, както и въздействието му върху биологични обекти се определя от първичните процеси на взаимодействие на рентгеновия фотон с електроните. В зависимост от съотношението на фотонната енергия E и йонизационната енергия A I протичат три основни процеса.

а)Кохерентно разсейване.

Разсейването на дълговълновите рентгенови лъчи се извършва по същество без промяна на дължината на вълната и се нарича кохерентно. Взаимодействието на фотона с електроните на вътрешните обвивки, плътно свързани с ядрото, променя само посоката си, без да променя енергията си, а следователно и дължината на вълната (фиг. 5).

Кохерентно разсейване възниква, ако енергията на фотона е по-малка от йонизационната енергия: 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.

б)Некохерентно разсейване (ефект на Комптън).

През 1922 г. А. Комптън, наблюдавайки разсейването на твърди рентгенови лъчи, открива намаляване на проникващата способност на разсеяния лъч в сравнение с падащия. Разсейването на рентгенови лъчи с промени в дължината на вълната се нарича ефект на Комптън. Това се случва, когато фотон с всякаква енергия взаимодейства с електроните на външните обвивки на атомите, слабо свързани с ядрото (фиг. 6). Електронът се отстранява от атом (такива електрони се наричат ​​електрони на отката). Енергията на фотона намалява (съответно дължината на вълната се увеличава) и посоката на неговото движение също се променя. Ефектът на Комптън възниква, ако енергията на рентгеновия фотон е по-голяма от йонизационната енергия: , . В този случай се появяват електрони на отката с кинетична енергия E K. Атомите и молекулите се превръщат в йони. Ако E K е значително, тогава електроните могат да йонизират съседни атоми чрез сблъсък, образувайки нови (вторични) електрони.

V)Фото ефект.

Ако енергията на фотона hn е достатъчна за отделяне на електрон, тогава при взаимодействие с атом фотонът се абсорбира и електронът се отделя от него. Това явление се нарича фотоелектричен ефект. Атомът се йонизира (фотойонизация). В този случай електронът придобива кинетична енергия и, ако последната е значителен, той може да йонизира съседни атоми чрез сблъсък, образувайки нови (вторични) електрони. Ако енергията на фотона е недостатъчна за йонизация, тогава фотоелектричният ефект може да се прояви при възбуждане на атом или молекула. При някои вещества това води до последващо излъчване на фотони във видимата област (рентгенова луминесценция), а в тъканите до активиране на молекули и фотохимични реакции.

Фотоелектричният ефект е характерен за фотони с енергия от порядъка на 0,5-1 MeV.

Трите основни процеса на взаимодействие, обсъдени по-горе, са първични, те водят до последващи вторични, третични и т.н. явления. Когато рентгеновите лъчи навлязат в вещество, могат да се случат редица процеси, преди енергията на рентгеновия фотон да се преобразува в енергията на топлинното движение.

В резултат на горните процеси първичният поток на рентгеновото лъчение се отслабва. Този процес се подчинява на закона на Бугер. Нека го запишем във формата: Ф = Ф 0 e - mх, където m е линейният коефициент на затихване, зависещ от естеството на веществото (основно от плътността и атомния номер) и от дължината на вълната на излъчване (енергия на фотона) . Може да се представи като състоящ се от три члена, съответстващи на кохерентно разсейване, некохерентно разсейване и фотоелектричен ефект: .

Тъй като линейният коефициент на поглъщане зависи от плътността на веществото, те предпочитат да използват масовия коефициент на затихване, който е равен на съотношението на линейния коефициент на затихване към плътността на абсорбера и не зависи от плътността на веществото. Зависимостта на рентгеновия поток (интензитет) от дебелината на абсорбиращия филтър е показана на фиг. 7 за H 2 O, Al и Cu. Изчисленията показват, че слой вода с дебелина 36 мм, алуминий 15 мм и мед 1,6 мм намалява интензитета на рентгеновото лъчение 2 пъти. Тази дебелина се нарича дебелина на половин слой d. Ако дадено вещество отслабва наполовина рентгеновото лъчение, тогава , Тогава , или , ; ; . Познавайки дебелината на полуслоя, винаги можете да определите m. Измерение.

4. Използване на рентгеновите лъчи в медицината

(флуороскопия, радиография, рентгенова томография, флуорография, лъчетерапия).

Едно от най-честите приложения на рентгеновото лъчение в медицината е изследването на вътрешните органи с диагностична цел - рентгенова диагностика.

За диагностика се използват фотони с енергия 60-120 keV. В този случай масовият коефициент на поглъщане се определя главно от фотоелектричния ефект. Стойността му е пропорционална на l 3 (което проявява високата проникваща способност на твърдото лъчение) и пропорционална на третата степен на броя на атомите на веществото - поглъщател: , където К е коефициентът на пропорционалност.

Човешкото тяло се състои от тъкани и органи, които имат различна абсорбционна способност по отношение на рентгеновото лъчение. Следователно, когато се осветява с рентгенови лъчи, на екрана се получава неравномерно изображение на сянка, което дава картина на разположението на вътрешните органи и тъкани. Най-плътните абсорбиращи радиация тъкани (сърце, големи съдове, кости) са видими тъмни, а най-слабо абсорбиращите тъкани (бели дробове) са светли.

В много случаи може да се прецени тяхното нормално или патологично състояние. Рентгеновата диагностика използва два основни метода: флуороскопия (предаване) и радиография (изображение). Ако изследваният орган и тъканите около него абсорбират рентгеновия поток приблизително еднакво, тогава се използват специални контрастни вещества. Например, в навечерието на рентгеново изследване на стомаха или червата се дава подобна на каша маса от бариев сулфат, в този случай можете да видите техния сенчест образ. При флуороскопията и радиографията рентгеновото изображение е обобщено изображение на цялата дебелина на обекта, през който преминават рентгеновите лъчи. Тези детайли, които са най-близо до екрана или филма, са най-ясно очертани, докато тези, които са отдалечени, стават неясни и замъглени. Ако в някой орган има патологично променена област, например разрушаване на белодробна тъкан вътре в голямо огнище на възпаление, тогава в някои случаи тази област може да бъде „загубена“ на рентгеновата снимка в сумата от сенките. За да стане видим, се използва специален метод - томография (запис слой по слой), който ви позволява да получите изображения на отделни слоеве на изследваната област. Този вид послойни изображения-томограми се получават с помощта на специален апарат, наречен томограф, в който рентгенова тръба (RT) и фотографски филм (FP) периодично се преместват заедно, в противофаза, спрямо площта на проучване. В този случай рентгеновите лъчи във всяка позиция на RT ще преминат през една и съща точка на обекта (променена област), която е центърът, спрямо който се извършва периодичното движение на RT и FP. Изображение в сянка на района ще бъде заснето на филм. Чрез промяна на позицията на „центъра на люлеене“ е възможно да се получат изображения на обекта слой по слой. С помощта на тънък лъч рентгеново лъчение, специален екран (вместо FP), състоящ се от полупроводникови детектори на йонизиращо лъчение, е възможно да се обработва изображението по време на томография с помощта на компютър. Тази съвременна версия на томографията се нарича компютърна томография. Томографията се използва широко при изследване на белите дробове, бъбреците, жлъчния мехур, стомаха, костите и др.

Яркостта на изображението на екрана и времето на експониране на филма зависят от интензитета на рентгеновото лъчение. Когато се използва за диагностика, интензитетът не може да бъде висок, за да не предизвика нежелан биологичен ефект. Поради това съществуват редица технически устройства, които подобряват яркостта на изображението при нисък интензитет на рентгеновите лъчи. Едно такова устройство е електронно-оптичен преобразувател.

Друг пример е флуорографията, при която изображение от голям рентгенов луминесцентен екран се получава върху чувствителен филм с малък формат. При снимане се използва обектив с висока бленда, а готовите изображения се разглеждат със специална лупа.

Флуорографията съчетава по-голяма способност за откриване на скрити заболявания (заболявания на гръдните органи, стомашно-чревния тракт, параназалните синуси и др.) Със значителна производителност и следователно е много ефективен метод за масово (вградено) изследване.

Тъй като фотографирането на рентгеново изображение по време на флуорография се извършва с помощта на фотографска оптика, изображението на флуорограмата е намалено в сравнение с рентгеновото изображение. В това отношение разделителната способност на флуорограмата (т.е. различимостта на малки детайли) е по-малка от тази на конвенционалната рентгенова снимка, но е по-голяма, отколкото при флуороскопията.

Създаден е апарат - томофлуорограф, който дава възможност за получаване на флуорограми на части от тялото и отделни органи на определена дълбочина - така наречените послойни изображения (срезове) - томофлуорограми.

Рентгеновото лъчение се използва и за терапевтични цели (рентгенова терапия). Биологичният ефект на радиацията е нарушаване на жизнената дейност на клетките, особено бързо развиващите се. В тази връзка рентгеновата терапия се използва за лечение на злокачествени тумори. Възможно е да се избере доза радиация, достатъчна за пълното унищожаване на тумора с относително незначително увреждане на околната здрава тъкан, която се възстановява поради последваща регенерация.

Интензивност- количествена характеристика на рентгеновото излъчване, която се изразява в броя на лъчите, излъчвани от тръбата за единица време. Интензитетът на рентгеновото лъчение се измерва в милиампери. Сравнявайки го с интензитета на видимата светлина от конвенционална лампа с нажежаема жичка, можем да направим аналогия: например 20-ватова лампа ще свети с един интензитет или сила, а 200-ватова лампа ще свети с друга, докато качеството на самата светлина (нейния спектър) е същото. Интензитетът на рентгеновото лъчение е по същество количеството му. Всеки електрон създава един или повече кванта радиация на анода, следователно броят на рентгеновите лъчи при излагане на обект се регулира чрез промяна на броя на електроните, които се стремят към анода, и броя на взаимодействията на електроните с атомите на волфрамовата мишена , което може да стане по два начина:

1. Чрез промяна на степента на нагряване на катодната спирала с помощта на понижаващ трансформатор (броят на електроните, генерирани по време на емисия, ще зависи от това колко гореща е спиралата на волфрама, а броят на радиационните кванти ще зависи от броя на електроните) ;

2. Чрез промяна на стойността на високото напрежение, подавано от повишаващия трансформатор към полюсите на тръбата - катода и анода (колкото по-високо напрежение се прилага към полюсите на тръбата, толкова повече кинетична енергия получават електроните , които поради своята енергия могат да взаимодействат последователно с няколко атома на анодното вещество - вж. ориз. 5; електрони с ниска енергия ще могат да влизат в по-малко взаимодействия).

Интензитетът на рентгеновите лъчи (аноден ток), умножен по времето на експозиция (време на работа на тръбата), съответства на експозицията на рентгеновите лъчи, която се измерва в mAs (милиампери в секунда). Експозицията е параметър, който, подобно на интензитета, характеризира броя на лъчите, излъчвани от рентгеновата тръба. Единствената разлика е, че експозицията отчита и времето на работа на тръбата (например, ако тръбата работи 0,01 секунди, тогава броят на лъчите ще бъде един, а ако 0,02 секунди, тогава броят на лъчите ще бъде различни - два пъти повече). Облъчването се задава от рентгенолога на контролния панел на рентгеновия апарат в зависимост от вида на изследването, размера на изследвания обект и диагностичната задача.

Твърдост- качествени характеристики на рентгеновото лъчение. Измерва се с големината на високото напрежение на тръбата - в киловолта. Определя проникващата способност на рентгеновите лъчи. Регулира се от високото напрежение, подавано към рентгеновата тръба от повишаващ трансформатор. Колкото по-висока е потенциалната разлика между електродите на тръбата, толкова по-голяма сила се отблъскват електроните от катода и се устремяват към анода и толкова по-силен е сблъсъкът им с анода. Колкото по-силен е техният сблъсък, толкова по-къса е дължината на вълната на полученото рентгеново лъчение и толкова по-висока е проникващата способност на тази вълна (или твърдостта на лъчението, която, подобно на интензитета, се регулира от контролния панел чрез параметъра на напрежението на тръбата - киловолтаж).

Ориз. 7 - Зависимост на дължината на вълната от вълновата енергия:

λ - дължина на вълната;
Е - вълнова енергия

· Колкото по-висока е кинетичната енергия на движещите се електрони, толкова по-силно е тяхното въздействие върху анода и толкова по-къса е дължината на вълната на полученото рентгеново лъчение. Рентгеновото лъчение с дълга дължина на вълната и ниска проникваща способност се нарича „меко“; рентгеновото лъчение с къса дължина на вълната и висока проникваща способност се нарича „твърдо“.

Ориз. 8 - Връзката между напрежението на рентгеновата тръба и дължината на вълната на полученото рентгеново лъчение:

· Колкото по-високо напрежение се прилага към полюсите на тръбата, толкова по-силна е потенциалната разлика в тях, следователно кинетичната енергия на движещите се електрони ще бъде по-висока. Напрежението върху тръбата определя скоростта на електроните и силата на техния сблъсък с анодното вещество, следователно напрежението определя дължината на вълната на полученото рентгеново лъчение.

Рентгеновото лъчение (синоним рентгенови лъчи) е с широк диапазон от дължини на вълните (от 8·10 -6 до 10 -12 cm). Рентгеновото лъчение възниква, когато заредени частици, най-често електрони, се забавят в електрическото поле на атомите на веществото. Образуваните при това кванти имат различни енергии и образуват непрекъснат спектър. Максималната енергия на квантите в такъв спектър е равна на енергията на падащите електрони. В (cm) максималната енергия на рентгеновите кванти, изразена в килоелектрон-волта, е числено равна на величината на напрежението, приложено към тръбата, изразено в киловолта. Когато рентгеновите лъчи преминават през вещество, те взаимодействат с електроните на неговите атоми. За рентгеновите кванти с енергия до 100 keV най-характерният вид взаимодействие е фотоелектричният ефект. В резултат на такова взаимодействие енергията на кванта се изразходва напълно за изтръгване на електрона от атомната обвивка и придаване на кинетична енергия към него. С увеличаването на енергията на рентгеновия квант вероятността за фотоелектричния ефект намалява и процесът на разсейване на кванти от свободни електрони - така нареченият ефект на Комптън - става преобладаващ. В резултат на такова взаимодействие също се образува вторичен електрон и освен това се излъчва квант с енергия, по-ниска от енергията на първичния квант. Ако енергията на рентгеновия квант надвишава един мегаелектрон-волт, може да възникне така нареченият ефект на сдвояване, при който се образуват електрон и позитрон (виж). Следователно, когато преминава през вещество, енергията на рентгеновото лъчение намалява, т.е. неговият интензитет намалява. Тъй като поглъщането на нискоенергийни кванти става с по-голяма вероятност, рентгеновото лъчение се обогатява с по-високоенергийни кванти. Това свойство на рентгеновото лъчение се използва за увеличаване на средната енергия на квантите, т.е. за увеличаване на неговата твърдост. Увеличаването на твърдостта на рентгеновото лъчение се постига с помощта на специални филтри (виж). Рентгеновото лъчение се използва за рентгенова диагностика (виж) и (виж). Вижте също Йонизиращо лъчение.

Рентгеновото лъчение (синоним: рентгенови лъчи, рентгенови лъчи) е квантово електромагнитно лъчение с дължина на вълната от 250 до 0,025 A (или енергийни кванти от 5·10 -2 до 5·10 2 keV). През 1895 г. е открит от В. К. Рентген. Спектралната област на електромагнитното лъчение, съседна на рентгеновото лъчение, чиито енергийни кванти надвишават 500 keV, се нарича гама лъчение (виж); радиация, чиито енергийни кванти са под 0,05 kev, представлява ултравиолетова радиация (виж).

По този начин, представлявайки сравнително малка част от обширния спектър на електромагнитно излъчване, което включва както радиовълни, така и видима светлина, рентгеновото лъчение, както всяко електромагнитно лъчение, се разпространява със скоростта на светлината (във вакуум от около 300 хил. km/ sec) и се характеризира с дължина на вълната λ (разстоянието, през което радиацията преминава за един период на трептене). Рентгеновото лъчение има и редица други вълнови свойства (пречупване, интерференция, дифракция), но те са много по-трудни за наблюдение от лъчение с по-голяма дължина на вълната: видима светлина, радиовълни.

Рентгенови спектри: a1 - непрекъснат спирачен спектър при 310 kV; a - непрекъснат спирачен спектър при 250 kV, a1 - спектър, филтриран с 1 mm Cu, a2 - спектър, филтриран с 2 mm Cu, b - K-серия волфрамови линии.

За генериране на рентгеново лъчение се използват рентгенови тръби (виж), в които радиацията възниква, когато бързите електрони взаимодействат с атомите на анодното вещество. Има два вида рентгеново лъчение: спирачно и характеристично. Рентгеновите лъчи на Bremsstrahlung имат непрекъснат спектър, подобен на обикновената бяла светлина. Разпределението на интензитета в зависимост от дължината на вълната (фиг.) е представено чрез крива с максимум; към дългите вълни кривата пада плоско, а към късите вълни пада стръмно и завършва при определена дължина на вълната (λ0), наречена късовълнова граница на непрекъснатия спектър. Стойността на λ0 е обратно пропорционална на напрежението на тръбата. Спирачното лъчение възниква, когато бързите електрони взаимодействат с атомните ядра. Интензитетът на спирачното лъчение е право пропорционален на силата на анодния ток, квадрата на напрежението в тръбата и атомния номер (Z) на анодното вещество.

Ако енергията на електроните, ускорени в рентгеновата тръба, надвиши стойността, критична за анодното вещество (тази енергия се определя от напрежението Vcr, критично за това вещество върху тръбата), тогава възниква характерно излъчване. Характерният спектър е начертан, неговите спектрални линии образуват серии, обозначени с буквите K, L, M, N.

Серията K е с най-къса дължина на вълната, серията L е с по-голяма дължина на вълната, сериите M и N се наблюдават само в тежки елементи (Vcr на волфрам за K-серия е 69,3 kV, за L-серия - 12,1 kV). Характеристичното излъчване възниква, както следва. Бързите електрони избиват атомните електрони от вътрешните им обвивки. Атомът се възбужда и след това се връща в основно състояние. В този случай електроните от външните, по-слабо свързани обвивки запълват освободените пространства във вътрешните обвивки и се излъчват фотони с характерно излъчване с енергия, равна на разликата между енергиите на атома във възбудено и основно състояние. Тази разлика (и следователно енергията на фотона) има определена стойност, характерна за всеки елемент. Това явление е в основата на рентгеноспектралния анализ на елементите. Фигурата показва линейния спектър на волфрам на фона на непрекъснат спектър на спирачно лъчение.

Енергията на електроните, ускорени в рентгеновата тръба, се преобразува почти изцяло в топлинна енергия (анодът става много горещ), само малка част (около 1% при напрежение близо до 100 kV) се преобразува в енергия на спирачното лъчение.

Използването на рентгеновите лъчи в медицината се основава на законите за поглъщане на рентгеновите лъчи от материята. Поглъщането на рентгеновото лъчение е напълно независимо от оптичните свойства на абсорбиращата субстанция. Безцветното и прозрачно оловно стъкло, използвано за защита на персонала в рентгеновите стаи, почти напълно абсорбира рентгеновите лъчи. Обратно, лист хартия, който не е прозрачен за светлина, не отслабва рентгеновите лъчи.

Интензитетът на хомогенен (т.е. с определена дължина на вълната) рентгенов лъч, преминаващ през абсорбиращ слой, намалява според експоненциалния закон (e-x), където e е основата на естествените логаритми (2.718), а показателят x е равен на произведението на масовия коефициент на затихване (μ /p) cm 2 /g за дебелина на абсорбера в g/cm 2 (тук p е плътността на веществото в g/cm 3). Отслабването на рентгеновото лъчение се дължи както на разсейване, така и на поглъщане. Съответно коефициентът на масово затихване е сумата от коефициентите на масово поглъщане и разсейване. Коефициентът на масово поглъщане нараства рязко с увеличаване на атомния номер (Z) на абсорбера (пропорционално на Z3 или Z5) и с увеличаване на дължината на вълната (пропорционално на λ3). Тази зависимост от дължината на вълната се наблюдава в ивиците на поглъщане, на границите на които коефициентът показва скокове.

Коефициентът на масово разсейване се увеличава с увеличаване на атомния номер на веществото. При λ≥0,3Å коефициентът на разсейване не зависи от дължината на вълната, при λ<0,ЗÅ он уменьшается с уменьшением λ.

Намаляването на коефициентите на абсорбция и разсейване с намаляване на дължината на вълната води до увеличаване на проникващата способност на рентгеновото лъчение. Коефициентът на масова абсорбция за костите [поемането се дължи главно на Ca 3 (PO 4) 2 ] е почти 70 пъти по-голям, отколкото за меките тъкани, където поглъщането се дължи главно на вода. Това обяснява защо сянката на костите се откроява толкова рязко на фона на меките тъкани на рентгенографиите.

Разпространението на неравномерен рентгенов лъч през всяка среда, заедно с намаляване на интензитета, е придружено от промяна в спектралния състав и промяна в качеството на излъчването: дълговълновата част от спектъра е абсорбирано в по-голяма степен от късовълновата част, излъчването става по-равномерно. Филтрирането на дълговълновата част от спектъра позволява по време на рентгенова терапия на лезии, разположени дълбоко в човешкото тяло, да се подобри съотношението между дълбоките и повърхностните дози (вижте рентгеновите филтри). За да се характеризира качеството на нехомогенен лъч рентгенови лъчи, се използва концепцията за „слой с половин затихване (L)“ - слой от вещество, който отслабва радиацията наполовина. Дебелината на този слой зависи от напрежението на тръбата, дебелината и материала на филтъра. За измерване на слоеве на полузатихване се използват целофан (до 12 keV енергия), алуминий (20-100 keV), мед (60-300 keV), олово и мед (>300 keV). За рентгенови лъчи, генерирани при напрежения от 80-120 kV, 1 mm мед е еквивалентен по капацитет на филтриране на 26 mm алуминий, 1 mm олово е еквивалентен на 50,9 mm алуминий.

Поглъщането и разсейването на рентгеновото лъчение се дължи на неговите корпускулярни свойства; Рентгеновото лъчение взаимодейства с атомите като поток от корпускули (частици) - фотони, всеки от които има определена енергия (обратно пропорционална на дължината на вълната на рентгеновото лъчение). Енергийният диапазон на рентгеновите фотони е 0,05-500 keV.

Абсорбцията на рентгеновото лъчение се дължи на фотоелектричния ефект: абсорбцията на фотон от електронната обвивка е придружена от изхвърляне на електрон. Атомът се възбужда и, връщайки се в основно състояние, излъчва характерно лъчение. Излъченият фотоелектрон отнася цялата енергия на фотона (минус енергията на свързване на електрона в атома).

Разсейването на рентгеновите лъчи се причинява от електрони в разсейващата среда. Разграничават се класическото разсейване (дължината на вълната на лъчението не се променя, но се променя посоката на разпространение) и разсейването с промяна на дължината на вълната - ефектът на Комптън (дължината на вълната на разсеяното лъчение е по-голяма от тази на падащото лъчение). ). В последния случай фотонът се държи като движеща се топка и разпръскването на фотоните става, според образния израз на Комтън, като игра на билярд с фотони и електрони: сблъсквайки се с електрон, фотонът му предава част от енергията си и се разпръснати, имащи по-малка енергия (съответно дължината на вълната на разсеяното лъчение се увеличава), електронът излита от атома с енергия на отката (тези електрони се наричат ​​електрони на Комптън или електрони на отката). Поглъщането на енергията на рентгеновите лъчи възниква по време на образуването на вторични електрони (Комптън и фотоелектрони) и преноса на енергия към тях. Енергията на рентгеновото лъчение, прехвърлена към единица маса на веществото, определя погълнатата доза рентгеново лъчение. Единицата на тази доза 1 rad съответства на 100 erg/g. Благодарение на погълнатата енергия в веществото на абсорбера протичат редица вторични процеси, които са важни за рентгеновата дозиметрия, тъй като на тях се основават методите за измерване на рентгеновото лъчение. (виж Дозиметрия).

Всички газове и много течности, полупроводници и диелектрици повишават електрическата проводимост, когато са изложени на рентгенови лъчи. Проводимостта се открива от най-добрите изолационни материали: парафин, слюда, каучук, кехлибар. Промяната в проводимостта се причинява от йонизацията на средата, т.е. разделянето на неутралните молекули на положителни и отрицателни йони (йонизацията се произвежда от вторични електрони). Йонизацията във въздуха се използва за определяне на дозата на експозиция на рентгенови лъчи (доза във въздуха), която се измерва в рентгени (виж Дози на йонизиращо лъчение). При доза от 1 r погълнатата доза във въздуха е 0,88 rad.

Под въздействието на рентгеновото лъчение, в резултат на възбуждането на молекулите на веществото (и по време на рекомбинацията на йони), в много случаи се възбужда видимо сияние на веществото. При висока интензивност на рентгеновото лъчение се наблюдава видимо сияние във въздуха, хартията, парафина и др. (с изключение на металите). Най-високият добив на видима луминесценция се осигурява от кристални фосфори като Zn·CdS·Ag-фосфор и други, използвани за екрани за флуороскопия.

Под въздействието на рентгеновото лъчение във веществото могат да протичат и различни химични процеси: разлагане на сребърни халидни съединения (фотографски ефект, използван в рентгеновата фотография), разлагане на вода и водни разтвори на водороден прекис, промени в свойствата на целулоид (помътняване и отделяне на камфор), парафин (помътняване и избелване) .

В резултат на пълно преобразуване цялата енергия, погълната от химически инертното вещество, рентгеновото лъчение, се превръща в топлина. Измерването на много малки количества топлина изисква високочувствителни методи, но е основният метод за абсолютни измервания на рентгеновото лъчение.

Вторичните биологични ефекти от експозицията на рентгеново лъчение са в основата на медицинската рентгенова терапия (виж). Рентгеновото лъчение, чиито кванти са 6-16 keV (ефективни дължини на вълните от 2 до 5 Å), се абсорбира почти напълно от кожната тъкан на човешкото тяло; те се наричат ​​гранични лъчи или понякога лъчи на Bucca (вижте лъчите на Bucca). За дълбока рентгенова терапия се използва твърдо филтрирано лъчение с ефективни енергийни кванти от 100 до 300 keV.

Биологичният ефект на рентгеновото лъчение трябва да се има предвид не само по време на рентгеновата терапия, но и по време на рентгеновата диагностика, както и във всички други случаи на контакт с рентгеново лъчение, които изискват използването на радиационна защита (виж).

РЕНТГЕНОВ

РЕНТГЕНОВ

невидима радиация, способна да прониква, макар и в различна степен, през всички вещества. Това е електромагнитно лъчение с дължина на вълната около 10-8 см. Подобно на видимата светлина, рентгеновото лъчение причинява почерняване на фотолентата. Това свойство е важно за медицината, индустрията и научните изследвания. Преминавайки през изследвания обект и попадайки след това върху фотографския филм, рентгеновото лъчение изобразява вътрешната му структура върху него. Тъй като проникващата способност на рентгеновото лъчение варира за различните материали, части от обекта, които са по-малко прозрачни за него, създават по-светли области на снимката от тези, през които радиацията прониква добре. По този начин костната тъкан е по-малко прозрачна за рентгенови лъчи от тъканта, която изгражда кожата и вътрешните органи. Следователно на рентгенова снимка костите ще изглеждат като по-светли участъци и мястото на фрактурата, което е по-прозрачно за радиация, може да бъде открито доста лесно. Рентгеновите лъчи се използват и в стоматологията за откриване на кариеси и абсцеси в корените на зъбите, както и в промишлеността за откриване на пукнатини в отливки, пластмаси и гуми. Рентгеновите лъчи се използват в химията за анализ на съединения и във физиката за изследване на структурата на кристалите. Рентгенов лъч, преминаващ през химическо съединение, произвежда характерно вторично лъчение, чийто спектроскопски анализ позволява на химика да определи състава на съединението. Когато лъч рентгенови лъчи падне върху кристално вещество, той се разпръсква от атомите на кристала, давайки ясна, правилна картина на петна и ивици върху фотографска плака, което прави възможно установяването на вътрешната структура на кристала. . Използването на рентгенови лъчи при лечение на рак се основава на факта, че те убиват раковите клетки. Въпреки това, той може да има и нежелани ефекти върху нормалните клетки. Следователно трябва да се подхожда изключително внимателно, когато се използват рентгенови лъчи по този начин. Рентгеновото лъчение е открито от немския физик В. Рентген (1845-1923). Името му е увековечено в няколко други физически термина, свързани с това лъчение: рентгенът е международната единица за доза йонизиращо лъчение; снимка, направена в рентгенова машина, се нарича рентгенова снимка; Областта на радиологичната медицина, която използва рентгенови лъчи за диагностициране и лечение на заболявания, се нарича радиология. Рентген открива радиацията през 1895 г., докато е професор по физика в университета във Вюрцбург. Докато провежда експерименти с катодни лъчи (електронни потоци в газоразрядни тръби), той забелязва, че екран, разположен близо до вакуумна тръба, покрит с кристален бариев цианоплатинит, свети ярко, въпреки че самата тръба е покрита с черен картон. Освен това Рьонтген установява, че проникващата способност на откритите от него неизвестни лъчи, които той нарича рентгенови лъчи, зависи от състава на абсорбиращия материал. Той също така получи изображение на костите на собствената си ръка, като го постави между разрядна тръба с катодни лъчи и екран, покрит с бариев цианоплатинит. Откритието на Рьонтген е последвано от експерименти от други изследователи, които откриват много нови свойства и приложения на това лъчение. Основен принос имат M. Laue, W. Friedrich и P. Knipping, които демонстрират през 1912 г. дифракцията на рентгеновото лъчение при преминаване през кристал; У. Кулидж, който през 1913 г. изобретява високовакуумна рентгенова тръба с нагрят катод; G. Moseley, който установи през 1913 г. връзката между дължината на вълната на радиацията и атомния номер на елемента; Г. и Л. Брег, които през 1915 г. получават Нобелова награда за разработване на основите на рентгеновия структурен анализ. ПОЛУЧАВАНЕ НА РЕНТГЕНОВИ ЛЪЧИРентгеновото лъчение възниква, когато електроните, движещи се с висока скорост, взаимодействат с материята. Когато електроните се сблъскат с атоми на което и да е вещество, те бързо губят кинетичната си енергия. В този случай по-голямата част от него се превръща в топлина, а малка част, обикновено по-малко от 1%, се превръща в рентгенова енергия. Тази енергия се освобождава под формата на кванти - частици, наречени фотони, които имат енергия, но чиято маса на покой е нула. Рентгеновите фотони се различават по своята енергия, която е обратно пропорционална на тяхната дължина на вълната. Конвенционалният метод за производство на рентгенови лъчи произвежда широк диапазон от дължини на вълните, който се нарича рентгенов спектър. Спектърът съдържа ясно изразени компоненти, както е показано на фиг. 1. Широкият „континуум“ се нарича непрекъснат спектър или бяло лъчение. Острите пикове, насложени върху него, се наричат ​​характерни рентгенови емисионни линии. Въпреки че целият спектър е резултат от сблъсъци на електрони с материя, механизмите за появата на широката му част и линиите са различни. Веществото се състои от голям брой атоми, всеки от които има ядро, заобиколено от електронни обвивки, и всеки електрон в обвивката на атом на даден елемент заема определено дискретно енергийно ниво. Обикновено тези черупки или енергийни нива се обозначават със символите K, L, M и т.н., като се започне от черупката, която е най-близо до ядрото. Когато падащ електрон с достатъчно висока енергия се сблъска с един от електроните, свързани с атома, той избива този електрон от обвивката му. Празното пространство се заема от друг електрон от обвивката, което отговаря на по-висока енергия. Последният отдава излишната енергия чрез излъчване на рентгенов фотон. Тъй като обвивните електрони имат дискретни енергийни стойности, получените рентгенови фотони също имат дискретен спектър. Това съответства на остри пикове за определени дължини на вълните, чиито специфични стойности зависят от целевия елемент. Характеристичните линии образуват K-, L- и M-серии, в зависимост от коя обвивка (K, L или M) е отстранен електронът. Връзката между дължината на вълната на рентгеновите лъчи и атомния номер се нарича закон на Моузли (Фигура 2).

Ориз. 1. КОНВЕНЦИОНАЛНИЯТ РЕНТГЕНОВ СПЕКТЪР се състои от непрекъснат спектър (континуум) и характерни линии (остри пикове). Линиите K/ia и K/ib възникват поради взаимодействия на ускорени електрони с електрони от вътрешната K-обвивка.

Ориз. 2. ДЪЛЖИНАТА НА ВЪЛНАТА НА ХАРАКТЕРНОТО РЕНТГЕНОВО ЛЪЧЕНИЕ, излъчвано от химичните елементи, зависи от атомния номер на елемента. Кривата следва закона на Моузли: колкото по-висок е атомният номер на елемента, толкова по-къса е дължината на вълната на характеристичната линия.

Ако електрон се сблъска с относително тежко ядро, той се забавя и неговата кинетична енергия се освобождава под формата на рентгенов фотон с приблизително същата енергия. Ако прелети покрай ядрото, ще загуби само част от енергията си, а останалата ще бъде прехвърлена на други атоми, които се изпречат на пътя му. Всеки акт на загуба на енергия води до излъчване на фотон с известна енергия. Появява се непрекъснат рентгенов спектър, чиято горна граница съответства на енергията на най-бързия електрон. Това е механизмът за образуване на непрекъснат спектър и максималната енергия (или минималната дължина на вълната), която фиксира границата на непрекъснатия спектър, е пропорционална на ускоряващото напрежение, което определя скоростта на падащите електрони. Спектралните линии характеризират материала на бомбардираната мишена, а непрекъснатият спектър се определя от енергията на електронния лъч и практически не зависи от материала на мишената. Рентгеновото лъчение може да се получи не само чрез електронно бомбардиране, но и чрез облъчване на мишена с рентгеново лъчение от друг източник. В този случай обаче по-голямата част от енергията на падащия лъч отива в характерния рентгенов спектър и много малка част от нея попада в непрекъснатия спектър. Очевидно е, че лъчът на падащото рентгеново лъчение трябва да съдържа фотони, чиято енергия е достатъчна, за да възбуди характерните линии на бомбардирания елемент. Високият процент енергия на характерен спектър прави този метод за възбуждане на рентгеново лъчение удобен за научни изследвания. Рентгенови тръби.За да произвеждате рентгенови лъчи чрез взаимодействие на електрони с материя, трябва да имате източник на електрони, средство за ускоряването им до високи скорости и цел, която може да издържи на електронно бомбардиране и да произвежда рентгенови лъчи с необходимия интензитет. Устройството, което съдържа всичко това, се нарича рентгенова тръба. Ранните изследователи са използвали „дълбоко евакуирани“ тръби като съвременните газоразрядни тръби. Вакуумът в тях не беше много висок. Разрядните тръби съдържат малки количества газ и когато към електродите на тръбата се приложи голяма потенциална разлика, газовите атоми се превръщат в положителни и отрицателни йони. Положителните се движат към отрицателния електрод (катод) и, падайки върху него, избиват електрони от него, а те от своя страна се придвижват към положителния електрод (анод) и, бомбардирайки го, създават поток от рентгенови фотони . В съвременната рентгенова тръба, разработена от Coolidge (фиг. 3), източникът на електрони е волфрамов катод, нагрят до висока температура. Електроните се ускоряват до високи скорости от високата потенциална разлика между анода (или антикатода) и катода. Тъй като електроните трябва да достигнат анода, без да се сблъскат с атоми, е необходим много висок вакуум, което изисква тръбата да бъде добре вакуумирана. Това също така намалява вероятността от йонизация на останалите газови атоми и произтичащите от това странични токове.

Ориз. 3. РЕНТГЕНОВА ТРЪБА COOLIDGE. Когато е бомбардиран от електрони, волфрамовият антикатод излъчва характерно рентгеново лъчение. Напречното сечение на рентгеновия лъч е по-малко от действителната облъчена площ. 1 - електронен лъч; 2 - катод с фокусиращ електрод; 3 - стъклена обвивка (тръба); 4 - волфрамова цел (антикатод); 5 - катодна нишка; 6 - действителна облъчена площ; 7 - ефективно фокусно петно; 8 - меден анод; 9 - прозорец; 10 - разсеяно рентгеново лъчение.

Електроните се фокусират върху анода от специално оформен електрод, обграждащ катода. Този електрод се нарича фокусиращ електрод и заедно с катода образува „електронния прожектор“ на тръбата. Анодът, подложен на електронно бомбардиране, трябва да бъде направен от огнеупорен материал, тъй като по-голямата част от кинетичната енергия на бомбардиращите електрони се превръща в топлина. Освен това е желателно анодът да е от материал с високо атомно число, т.к Добивът на рентгенови лъчи се увеличава с увеличаване на атомния номер. Най-често избираният аноден материал е волфрам, чийто атомен номер е 74. Дизайнът на рентгеновите тръби може да варира в зависимост от условията на употреба и изискванията. РЕНТГЕНОВО ОТКРИВАНЕВсички методи за откриване на рентгенови лъчи се основават на тяхното взаимодействие с материята. Детекторите могат да бъдат два вида: такива, които предоставят изображение и такива, които не го правят. Първите включват устройства за рентгенова флуорография и флуороскопия, при които лъч рентгеново лъчение преминава през изследвания обект, а предаваното лъчение попада на луминисцентен екран или фотолента. Изображението се появява поради факта, че различните части на обекта, който се изследва, абсорбират радиацията по различен начин - в зависимост от дебелината на веществото и неговия състав. При детекторите с флуоресцентен екран енергията на рентгеновите лъчи се преобразува в директно видимо изображение, докато при радиографията тя се записва върху чувствителна емулсия и може да се наблюдава само след проявяване на филма. Вторият тип детектори включва голямо разнообразие от устройства, в които енергията на рентгеновото лъчение се преобразува в електрически сигнали, които характеризират относителната интензивност на лъчението. Те включват йонизационни камери, броячи на Гайгер, пропорционални броячи, сцинтилационни броячи и някои специални детектори за кадмиев сулфид и селенид. В момента най-ефективните детектори могат да се считат за сцинтилационни броячи, които работят добре в широк енергиен диапазон. Вижте също ДЕТЕКТОРИ ЗА ЧАСТИЦИ. Детекторът се избира, като се вземат предвид условията на задачата. Например, ако трябва точно да измерите интензитета на дифрактирана рентгенова радиация, тогава се използват броячи, които ви позволяват да правите измервания с точност до част от процента. Ако трябва да регистрирате много дифрактирани лъчи, тогава е препоръчително да използвате рентгенов филм, въпреки че в този случай е невъзможно да се определи интензитетът със същата точност. РЕНТГЕНОВА И ГАМА ДЕФЕКТОСКОПИЯЕдно от най-честите приложения на рентгеновите лъчи в промишлеността е контролът на качеството на материалите и откриването на дефекти. Рентгеновият метод е недеструктивен, така че материалът, който се тества, ако се установи, че отговаря на необходимите изисквания, може да се използва по предназначение. Както рентгеновата, така и гама-дефектоскопията се основават на проникващата способност на рентгеновото лъчение и характеристиките на неговата абсорбция в материалите. Проникващата способност се определя от енергията на рентгеновите фотони, която зависи от ускоряващото напрежение в рентгеновата тръба. Следователно, дебели проби и проби, направени от тежки метали, като злато и уран, изискват източник на рентгенови лъчи с по-високо напрежение за изследването им, докато за тънки проби е достатъчен източник с по-ниско напрежение. За гама дефектоскопия на много големи отливки и големи валцувани продукти се използват бетатрони и линейни ускорители, ускоряващи частици до енергии от 25 MeV или повече. Абсорбцията на рентгеново лъчение в даден материал зависи от дебелината на абсорбера d и коефициента на абсорбция m и се определя по формулата I = I0e-md, където I е интензитетът на лъчението, преминаващо през абсорбера, I0 е интензитетът на падащото лъчение, а e = 2,718 е основата на естествените логаритми. За даден материал при дадена дължина на вълната (или енергия) на рентгеновото лъчение, коефициентът на поглъщане е константа. Но излъчването на рентгеновия източник не е монохроматично, а съдържа широк спектър от дължини на вълните, в резултат на което абсорбцията при една и съща дебелина на абсорбера зависи от дължината на вълната (честотата) на излъчването. Рентгеновото лъчение се използва широко във всички индустрии, свързани с обработката на метали. Използва се и за тестване на артилерийски цеви, хранителни продукти, пластмаси, както и за тестване на сложни устройства и системи в електронната техника. (Неутронографията, която използва неутронни лъчи вместо рентгенови лъчи, се използва за подобни цели.) Рентгеновите лъчи се използват и за други цели, като например изследване на картини за определяне на тяхната автентичност или откриване на допълнителни слоеве боя върху основния слой . РЕНТГЕНОВА ДИФРАКЦИЯ Рентгеновата дифракция предоставя важна информация за твърдите вещества - тяхната атомна структура и кристална форма - както и за течности, аморфни твърди вещества и големи молекули. Методът на дифракция се използва и за точно (с грешка по-малка от 10-5) определяне на междуатомните разстояния, идентифициране на напрежения и дефекти и определяне на ориентацията на монокристалите. С помощта на дифракционния модел можете да идентифицирате непознати материали, както и да откриете наличието на примеси в пробата и да ги идентифицирате. Значението на метода на рентгеновата дифракция за напредъка на съвременната физика едва ли може да бъде надценено, тъй като съвременното разбиране за свойствата на материята в крайна сметка се основава на данни за подреждането на атомите в различни химични съединения, естеството на връзките между тях и структурни дефекти. Основният инструмент за получаване на тази информация е методът на рентгеновата дифракция. Рентгеновата дифракционна кристалография е от решаващо значение за определяне на структурите на сложни големи молекули, като молекули на дезоксирибонуклеинова киселина (ДНК), генетичния материал на живите организми. Веднага след откриването на рентгеновите лъчи научният и медицински интерес се фокусира както върху способността на това лъчение да прониква в телата, така и върху неговата природа. Експериментите за дифракция на рентгеново лъчение от прорези и дифракционни решетки показаха, че то принадлежи към електромагнитното лъчение и има дължина на вълната от порядъка на 10-8-10-9 см. Още по-рано учените, по-специално У. Барлоу, предположиха, че правилната и симетрична форма на естествените кристали се дължи на подреденото разположение на атомите, които образуват кристала. В някои случаи Барлоу успя да предскаже правилно кристалната структура. Стойността на прогнозираните междуатомни разстояния беше 10-8 см. Фактът, че междуатомните разстояния се оказаха от порядъка на дължината на вълната на рентгеновите лъчи, направи възможно по принцип да се наблюдава тяхната дифракция. Резултатът беше дизайнът на един от най-важните експерименти в историята на физиката. M. Laue организира експериментална проверка на тази идея, която беше извършена от неговите колеги W. Friedrich и P. Knipping. През 1912 г. тримата публикуват работата си върху резултатите от рентгеновата дифракция. Принципи на рентгеновата дифракция. За да разберем явлението рентгенова дифракция, трябва да разгледаме по ред: първо, спектъра на рентгеновото лъчение, второ, природата на кристалната структура и трето, самото явление дифракция. Както бе споменато по-горе, характеристичното рентгеново лъчение се състои от поредица от спектрални линии с висока степен на монохроматичност, определена от материала на анода. С помощта на филтри можете да маркирате най-интензивните. Следователно, чрез подходящ избор на анодния материал е възможно да се получи източник на почти монохроматично лъчение с много точно определена дължина на вълната. Характеристичните дължини на вълната на излъчване обикновено варират от 2,285 за хром до 0,558 за сребро (стойностите за различните елементи са известни до шест значещи цифри). Характерният спектър се наслагва върху непрекъснат „бял“ спектър с много по-нисък интензитет, поради забавянето на падащите електрони в анода. Така от всеки анод могат да се получат два вида излъчване: характеристично и спирачно лъчение, всяко от които играе важна роля по свой начин. Атомите в кристална структура са подредени с правилна периодичност, образувайки последователност от еднакви клетки - пространствена решетка. Някои решетки (като тези за повечето често срещани метали) са доста прости, докато други (като тези за протеинови молекули) са доста сложни. Следното е характерно за кристалната структура: ако се премести от дадена точка на една клетка до съответната точка на съседна клетка, тогава ще се разкрие точно същата атомна среда. И ако определен атом е разположен в една или друга точка в една клетка, тогава същият атом ще бъде разположен в еквивалентна точка във всяка съседна клетка. Този принцип е строго валиден за перфектен, идеално подреден кристал. Въпреки това, много кристали (например метални твърди разтвори) са неподредени в една или друга степен, т.е. кристалографски еквивалентни места могат да бъдат заети от различни атоми. В тези случаи не се определя позицията на всеки атом, а само позицията на атома, „статистически осреднена“ за голям брой частици (или клетки). Феноменът на дифракцията се обсъжда в статията ОПТИКА и читателят може да се обърне към тази статия, преди да продължи по-нататък. Това показва, че ако вълни (например звук, светлина, рентгенови лъчи) преминават през малък процеп или дупка, тогава последният може да се счита за вторичен източник на вълни, а изображението на процепа или дупката се състои от променлива светлина и тъмни ивици. Освен това, ако има периодична структура от дупки или прорези, тогава в резултат на усилващата и отслабваща интерференция на лъчи, идващи от различни дупки, се появява ясна дифракционна картина. Рентгеновата дифракция е явление на колективно разсейване, при което ролята на дупки и разсейващи центрове играят периодично разположени атоми от кристалната структура. Взаимното усилване на техните изображения под определени ъгли създава дифракционен модел, подобен на този, който би възникнал, когато светлината се дифракционира върху триизмерна дифракционна решетка. Разсейването възниква поради взаимодействието на падащите рентгенови лъчи с електроните в кристала. Поради факта, че дължината на вълната на рентгеновите лъчи е от същия порядък като размера на атома, дължината на вълната на разсеяните рентгенови лъчи е същата като на падащите рентгенови лъчи. Този процес е резултат от принудени трептения на електрони под въздействието на падащи рентгенови лъчи. Помислете сега за атом с облак от свързани електрони (заобикалящи ядрото), който е ударен от рентгенови лъчи. Електроните във всички посоки едновременно разпръскват падащото лъчение и излъчват собствено рентгеново лъчение с еднаква дължина на вълната, но с различен интензитет. Интензитетът на разсеяната радиация е свързан с атомния номер на елемента, т.к атомният номер е равен на броя на орбиталните електрони, които могат да участват в разсейването. (Тази зависимост на интензитета от атомния номер на разсейващия елемент и от посоката, в която се измерва интензитетът, се характеризира с атомния фактор на разсейване, който играе изключително важна роля в анализа на структурата на кристалите.) Нека изберете в кристалната структура линейна верига от атоми, разположени на едно и също разстояние един от друг, и разгледайте техния дифракционен модел. Вече беше отбелязано, че рентгеновият спектър се състои от непрекъсната част ("континуум") и набор от по-интензивни линии, характерни за елемента, който е анодният материал. Да кажем, че сме филтрирали непрекъснатия спектър и сме получили почти монохроматичен лъч от рентгенови лъчи, насочен към нашата линейна верига от атоми. Условието за усилване (усилваща интерференция) е изпълнено, ако разликата в пътищата на вълните, разпръснати от съседни атоми, е кратна на дължината на вълната. Ако лъчът пада под ъгъл a0 към линия от атоми, разделени с интервали a (период), тогава за ъгъла на дифракция a разликата в пътя, съответстваща на усилването, ще бъде записана като a(cos a - cosa0) = hl, където l е дължината на вълната и h цяло число (фиг. 4 и 5).

Ориз. 4. Усилване на рентгенов лъч възниква, когато разликата в пътя на вълните, разпръснати от съседни атоми, е равна на цяло число, кратно на дължината на вълната. Тук a0 е ъгълът на падане, a е ъгълът на дифракция, a е разстоянието между атомите.

Ориз. 5. РЕШЕНИЕ НА УРАВНЕНИЯТА НА ЛАУЕ за всяка стойност на h може да се представи като семейство от конуси, чиято обща ос е насочена по кристалографската ос (подобни картини могат да бъдат начертани за другите две оси). Ефективен метод за изследване на кристални структури се основава на уравненията на Лауе.

За да се разшири този подход към триизмерен кристал, е необходимо само да се изберат редици от атоми по две други посоки в кристала и да се решат трите уравнения, получени по този начин съвместно за трите кристални оси с периоди a, b и c. Другите две уравнения имат формата

<="" div="" style="border-style: none;">Това са трите основни уравнения на Лауе за рентгенова дифракция, като числата h, k и c са индексите на Милър за дифракционната равнина. Вижте също КРИСТАЛИ И КРИСТАЛОГРАФИЯ. Като се има предвид някое от уравненията на Laue, например първото, можете да забележите, че тъй като a, a0, l са константи и h = 0, 1, 2, ..., неговото решение може да бъде представено като набор от конуси с a обща ос a (фиг. . 5). Същото важи и за посоките b и c. В общия случай на тримерно разсейване (дифракция) трите уравнения на Лауе трябва да имат общо решение, т.е. три дифракционни конуса, разположени на всяка от осите, трябва да се пресичат; общата линия на пресичане е показана на фиг. 6. Съвместното решаване на уравненията води до закона на Bragg-Wolfe:

Ориз. 6. ОБЩОТО РЕШЕНИЕ НА УРАВНЕНИЯТА НА ЛАУЕ съответства на пресечната точка на три конуса с оси a, b, c, имащи обща права R.

l = 2(d/n)sinq, където d е разстоянието между равнините с индекси h, k и c (период), n = 1, 2, ... са цели числа (дифракционен ред), а q е ъгълът образува падащ лъч (както и дифракционен) с кристалната равнина, в която се случва дифракцията. Анализирайки уравнението на закона на Bragg-Wolfe за единичен кристал, разположен на пътя на монохроматичен рентгенов лъч, можем да заключим, че дифракцията не е лесна за наблюдение, т.к. величините l и q са фиксирани, а sinq< 1. При таких условиях, чтобы имела место дифракция для рентгеновского излучения с длиной волны l, плоскость кристалла с периодом d должна быть повернута на правильный угол q. Для того чтобы реализовать это маловероятное событие, применяются различные методики. МЕТОДИ ЗА ДИФРАКЦИОНЕН АНАЛИЗ Метод на Лауе.Методът на Laue използва непрекъснат "бял" спектър на рентгеново лъчение, което е насочено към неподвижен монокристал. За конкретна стойност на период d, дължината на вълната, съответстваща на условието на Bragg-Wulf, се избира автоматично от целия спектър. Лауеграмите, получени по този начин, позволяват да се прецени посоките на дифрактираните лъчи и следователно ориентациите на равнините на кристала, което също дава възможност да се направят важни заключения относно симетрията, ориентацията на кристала и наличието на на дефекти в него. В този случай обаче информацията за пространствения период d се губи. На фиг. 7 показва пример на Лауеграма. Рентгеновият филм беше разположен от страната на кристала, противоположна на тази, върху която падаше рентгеновият лъч от източника.

Ориз. 7. ЛАУЕГРАМА. През неподвижен кристал преминават рентгенови лъчи с широк спектрален диапазон. Дифракционните лъчи съответстват на петна върху лауеграмата.

Метод на Дебай-Шерер (за поликристални проби).За разлика от предишния метод, тук се използва монохроматично излъчване (l = const), а ъгълът q се променя. Това се постига чрез използване на поликристална проба, състояща се от множество малки кристалити с произволна ориентация, сред които има някои, които отговарят на условието на Bragg-Wulf. Дифрактираните лъчи образуват конуси, чиято ос е насочена по дължината на рентгеновия лъч. За изображения обикновено се използва тясна ивица рентгенов филм в цилиндрична касета, като рентгеновите лъчи се разпределят по диаметъра през отвори във филма. Така получената дебиеграма (фиг. 8) съдържа точна информация за период d, т.е. за структурата на кристала, но не дава информацията, която Лауеграмата съдържа. Следователно и двата метода се допълват взаимно. Нека разгледаме някои приложения на метода на Дебай-Шерер.

Въздействието на рентгеновото лъчение върху материята се определя от първичните процеси на взаимодействие на рентгеновия фотон с електроните на атомите и молекулите на веществото.

3. Рентгенова компютърна томография.

Методът на рентгеновата компютърна томография се основава на реконструкция на изображение на определен участък (срез) от тялото на пациента чрез записване на голям брой рентгенови проекции на този участък, извършени под различни ъгли (фиг. 5). Информацията от сензорите, които записват тези проекции, влиза в компютър, който с помощта на специална програма изчисляваразпространение плътност на пробатав изследваната секция и я показва на екрана на дисплея. Полученото по този начин напречно сечение на тялото на пациента се характеризира с отлична яснота и висока информативност. Програмата позволява, ако е необходимо, увеличаване на контраста на изображениетодесетки и дори стотици пъти. Това разширява диагностичните възможности на метода.

Ориз. 5. Схема на рентгеново изследване на част от изследвания орган (точка 1 и точка 2 - две последователни позиции на рентгеновия източник)

4. С флуорографияИзображението от големия екран се записва на чувствителен малоформатен филм (фиг. 6). По време на анализа изображенията се изследват с помощта на специална лупа.

Този метод се използва за масови проучвания на населението. В този случай облъчването на пациента е много по-малко, отколкото при традиционната флуороскопия.

Рентгенова терапия- използване на рентгеново лъчение за унищожаване на злокачествени тумори.

Биологичният ефект на радиацията е нарушаване на жизнената дейност на бързо размножаващите се туморни клетки. В този случай енергията на R - фотоните е 150-200 keV.

Визиографи (уреди с цифрова обработка на рентгенови изображения) в съвременната стоматология

В денталната медицина рентгеновото изследване е основен диагностичен метод. Редица традиционни организационни и технически характеристики на рентгеновата диагностика обаче я правят не съвсем удобна както за пациента, така и за денталните клиники. Това е на първо място необходимостта от контакт на пациента с йонизиращо лъчение, което често създава значително радиационно натоварване на тялото; това е и необходимостта от фотопроцес и следователно необходимостта от фотореагенти, включително токсични. Това най-накрая е обемист архив, тежки папки и пликове с рентгенови филми.

В допълнение, сегашното ниво на развитие на стоматологията прави недостатъчна субективната оценка на рентгенографията от човешкото око. Както се оказа, от разнообразието от нюанси на сивото, съдържащи се в рентгеновото изображение, окото възприема само 64.

Очевидно, за да се получи ясен и детайлен образ на твърдите тъкани на зъбно-лицевата система с минимално излагане на радиация, са необходими други решения. Днес търсенето е довело до създаването на т. нар. радиографски системи, видеографи - дигитални радиографски системи (1987 г., компания Trophy).

Без технически подробности, принципът на работа на такива системи е следният. Рентгеновото лъчение преминава през обекта не към фоточувствителен филм, а към специален интраорален сензор (специална електронна матрица). Съответният сигнал от матрицата се предава на цифровизиращо устройство (аналогово-цифров преобразувател, ADC), свързано към компютъра, което го преобразува в цифрова форма. Специален софтуер създава рентгеново изображение на екрана на компютъра и ви позволява да го обработите, да го запишете на твърд или гъвкав носител (твърд диск, диск) и да го отпечатате като файл като картина.

В цифрова система рентгеновото изображение е набор от точки, които съответстват на различни нюанси на сивото. Оптимизирането на информационния дисплей, осигурено от програмата, позволява да се получи рамка с оптимална яркост и контраст при относително ниска доза радиация.

В съвременните системи, създадени например от Trophy (Франция) или Schick (САЩ), се използват 4096 нюанса на сивото при формиране на рамка, времето на експозиция зависи от обекта на изследване и средно е стотни - десети от второ, намаляване на излагането на радиация по отношение на филма - до 90% за интраорални системи, до 70% за панорамни видеооператори.

Когато обработват изображения, видеооператорите могат:

1. Получаване на положителни и отрицателни изображения, псевдоцветни изображения, релефни изображения.

2. Увеличете контраста и увеличете интересния фрагмент от изображението.

3. Оценявайте промените в плътността на зъбните тъкани и костните структури, контролирайте равномерността на запълване на каналите.

4. В ендодонтията определете дължината на канала с произволна кривина, а в хирургията изберете размера на импланта с точност до 0,1 mm.

Уникалната система за откриване на кариес с елементи на изкуствен интелект при анализиране на изображение ви позволява да откриете кариес в стадия на място, кариес на корена и скрит кариес.

Решавам проблеми:

1. Колко пъти максималната енергия на рентгеновия спирачен квант, произведен при напрежение на тръбата от 80 kV, е по-голяма от енергията на фотон, съответстващ на зелена светлина с дължина на вълната 500 nm?

2. Определете минималната дължина на вълната в спектъра на лъчение в резултат на забавяне на електрони, ускорени в бетатрона до енергия от 60 MeV върху мишената.

3. Полузатихващият слой на монохроматичните рентгенови лъчи в определено вещество е 10 mm. Намерете степента на затихване на това лъчение в това вещество.

[*] Φ l е отношението на енергията, излъчена в тесен диапазон от дължини на вълните за 1 s. до ширината на този интервал

* „F“ във формула (4) се отнася до целия диапазон на излъчваните дължини на вълните и често се нарича „интегрален енергиен поток“.