Koja je razlika između primarnih i sekundarnih rendgenskih zraka? X-zrake. Primena rendgenskih zraka u medicini

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

Iz gornjih grafikona može se utvrditi da je valna dužina l m, koja predstavlja maksimalnu energiju zračenja, u konstantnom odnosu sa graničnom valnom dužinom l k:

.

Talasna dužina karakterizira energiju fotona, o kojoj ovisi sposobnost prodiranja zračenja u interakciji s materijom.

Kratkotalasni X-zraci obično imaju veliku prodornu moć i nazivaju se tvrdim, dok se dugotalasni X-zraci nazivaju mekim. Kao što se može vidjeti iz gornje formule, valna dužina na kojoj se javlja maksimalna energija zračenja obrnuto je proporcionalna naponu između anode i katode cijevi. Povećanjem napona na anodi rendgenske cijevi mijenja se spektralni sastav zračenja i povećava njegova tvrdoća.

Kada se napon filamenta promijeni (temperatura filamenta katode se mijenja), mijenja se broj elektrona koje katoda emituje u jedinici vremena, odnosno mijenja se jačina struje u anodnom krugu cijevi. U ovom slučaju, snaga zračenja se mijenja proporcionalno prvoj snazi ​​struje. Spektralni sastav zračenja se neće promijeniti.

Ukupni tok (snaga) zračenja, raspodjela energije po talasnim dužinama, kao i granica spektra na strani kratkih talasnih dužina zavise od sledeća tri razloga: napon U koji ubrzava elektrone i primenjen između anode i katode cevi ; broj elektrona uključenih u formiranje zračenja, tj. struja filamenta cijevi; atomski broj Z anodne supstance u kojoj dolazi do usporavanja elektrona.

Fluks kočnog rendgenskog zraka izračunava se pomoću formule: , gdje ,

Z-atomski broj supstance (atomski broj).

Povećanjem napona na rendgenskoj cijevi može se uočiti pojava pojedinačnih linija (linijskog spektra) na pozadini kontinuiranog kočnog rendgenskog zračenja, što odgovara karakterističnom rendgenskom zračenju. Javlja se prilikom prijelaza elektrona između unutrašnjih omotača atoma u tvari (ljuske K, L, M). Linijska priroda spektra karakterističnog zračenja nastaje zbog činjenice da ubrzani elektroni prodiru duboko u atome i izbacuju elektrone iz njihovih unutarnjih slojeva izvan atoma. Elektroni (slika 2) iz gornjih slojeva kreću se na slobodna mjesta, zbog čega se emituju rendgenski fotoni sa frekvencijom koja odgovara razlici energetskih nivoa prijelaza. Linije u spektru karakterističnog zračenja se kombinuju u serije koje odgovaraju prelazima elektrona sa višim nivoom na nivou K, L, M.

Vanjski utjecaj, uslijed kojeg se elektron izbacuje iz unutrašnjih slojeva, mora biti prilično jak. Za razliku od optičkih spektra, karakteristični rendgenski spektri različitih atoma su istog tipa. Ujednačenost ovih spektra je zbog činjenice da su unutrašnji slojevi različitih atoma identični i da se razlikuju samo po energiji, jer uticaj sile iz jezgra raste kako se povećava redni broj elementa. To dovodi do činjenice da se karakteristični spektri pomiču prema višim frekvencijama s povećanjem nuklearnog naboja. Ovaj odnos je poznat kao Moseleyjev zakon: , gdje su A i B konstante; Z-redni broj elementa.

Postoji još jedna razlika između rendgenskog i optičkog spektra. Karakteristični spektar atoma ne zavisi od hemijskog spoja u koji je atom uključen. Na primjer, rendgenski spektar atoma kisika je isti za O, O 2, H 2 O, dok se optički spektri ovih spojeva značajno razlikuju. Ova karakteristika rendgenskog spektra atoma poslužila je kao osnova za naziv „karakteristika“.

Karakteristično zračenje se javlja kad god postoje slobodni prostori u unutrašnjim slojevima atoma, bez obzira na razloge koji su ga izazvali. Na primjer, prati jednu vrstu radioaktivnog raspada, što uključuje hvatanje elektrona iz unutrašnjeg sloja jezgrom.

2. Raspored rendgenskih cijevi i protozoa

Rendgen aparat.

Najčešći izvor rendgenskog zračenja je rendgenska cijev - dvoelektrodni vakuum uređaj (slika 3). To je stakleni balon (p = 10 -6 – 10 -7 mm Hg) sa dvije elektrode - anodom A i katodom K, između kojih se stvara visoki napon. Zagrijana katoda (K) emituje elektrone. Anoda A se često naziva antikatoda. Ima nagnutu površinu kako bi se rezultirajuće rendgensko zračenje usmjerilo pod uglom u odnosu na os cijevi. Anoda je napravljena od metala sa dobrom toplotnom provodljivošću (bakar) za uklanjanje toplote koja nastaje kada elektroni udare. Na zakošenom kraju anode nalazi se ploča 3 od vatrostalnog metala (volframa) visokog atomskog broja, nazvana anodno ogledalo. U nekim slučajevima, anoda se posebno hladi vodom ili uljem. Za dijagnostičke cijevi je važna preciznost izvora rendgenskih zraka, što se može postići fokusiranjem elektrona na jedno mjesto na anodi. Stoga je konstruktivno potrebno uzeti u obzir dva suprotna zadatka: s jedne strane, elektroni moraju pasti na jedno mjesto anode, s druge strane, kako bi se spriječilo pregrijavanje, poželjno je elektrone rasporediti po različitim područjima anode. anoda. Iz tog razloga, neke rendgenske cijevi se proizvode s rotirajućom anodom.

U cijevi bilo kojeg dizajna, elektroni, ubrzani naponom između anode i katode, padaju na anodno ogledalo i prodiru duboko u tvar, stupaju u interakciju s atomima i inhibiraju ih polje atoma. Ovo proizvodi kočno rendgensko zračenje. Istovremeno sa kočnim zrakama nastaje mala količina (nekoliko posto) karakterističnog zračenja. Samo 1-2% elektrona koji udare u anodu izaziva kočno zračenje, a ostatak je termički efekat. Za koncentriranje elektrona, katoda ima vodeći poklopac. Dio volframovog ogledala na koji pada glavni tok elektrona naziva se fokus cijevi. Širina snopa zračenja zavisi od njegove površine (oštrine fokusa).

Za napajanje cijevi potrebna su dva izvora: izvor visokog napona za anodni krug i niski (6-8 V) izvor za napajanje strujnog kola sa žarnom niti. Oba izvora moraju biti nezavisno regulisana. Promjenom anodnog napona reguliše se tvrdoća rendgenskog zračenja, a promjenom filamenta struja izlaznog kola i, shodno tome, snaga zračenja.

Osnovni električni dijagram jednostavnog rendgenskog aparata prikazan je na slici 4. Kolo ima dva transformatora Tr.1 za visoki napon i Tr.2 za napajanje sa žarnom niti. Visok napon na cijevi reguliše se autotransformatorom Tr.3, spojenim na primarni namotaj transformatora Tr.1. Prekidač K reguliše broj zavoja namotaja autotransformatora. S tim u vezi, mijenja se i napon sekundarnog namota transformatora, koji se dovodi na anodu cijevi, tj. tvrdoća je podesiva.

Struja filamenta cijevi regulirana je reostatom R spojenim na kolo primarnog namotaja transformatora Tr.2. Struja anodnog kola se mjeri miliampermetrom. Napon koji se dovodi do elektroda cijevi mjeri se kilovoltmetrom kV, ili se o naponu u anodnom kolu može suditi po položaju prekidača K. ​​Količina struje niti, regulirana reostatom, mjeri se ampermetrom A. U krugu koji se razmatra, rendgenska cijev istovremeno ispravlja visoki naizmjenični napon.

Lako je vidjeti da takva cijev emituje samo jedan poluciklus naizmjenične struje. Shodno tome, njegova snaga će biti mala. Kako bi se povećala snaga zračenja, mnogi uređaji koriste visokonaponske punovalne rendgenske ispravljače. U tu svrhu koriste se 4 specijalna kenotrona koji su spojeni u mosnu struju. Rendgenska cijev je uključena u jednu dijagonalu mosta.

3. Interakcija rendgenskih zraka sa materijom

(koherentno rasejanje, nekoherentno rasejanje, fotoelektrični efekat).

Kada rendgensko zračenje padne na tijelo, ono se u maloj količini odbija od njega, ali uglavnom prolazi duboko u njega. U masi tijela, zračenje se djelomično apsorbira, djelimično raspršuje, a djelimično prolazi. Prolazeći kroz tijelo, rendgenski fotoni stupaju u interakciju uglavnom s elektronima atoma i molekula tvari. Registracija i upotreba rendgenskog zračenja, kao i njegov uticaj na biološke objekte, određeni su primarnim procesima interakcije rendgenskog fotona sa elektronima. U zavisnosti od odnosa energije fotona E i energije jonizacije A I, odvijaju se tri glavna procesa.

A) Koherentno rasipanje.

Rasipanje dugotalasnih rendgenskih zraka u suštini se dešava bez promene talasne dužine i naziva se koherentno. Interakcija fotona sa elektronima unutrašnjih omotača, čvrsto vezanih za jezgro, menja samo njegov pravac, bez promene njegove energije, a time i talasne dužine (slika 5).

Do koherentnog raspršenja dolazi ako je energija fotona manja od energije jonizacije: E = hn<А И. Так как энергия фотона и энергия атома не изменяется, то когерентное рассеяние не вызывает биологического действия. Однако при создании защиты от рентгеновского излучения следует учитывать возможность изменения направления первичного пучка.

b) Nekoherentno rasipanje (Comptonov efekat).

Godine 1922. A. Compton je, posmatrajući raspršivanje tvrdih rendgenskih zraka, otkrio smanjenje prodorne moći raspršenog snopa u poređenju sa upadnim snopom. Rasipanje X-zraka sa promenama talasne dužine naziva se Comptonov efekat. Nastaje kada foton bilo koje energije stupi u interakciju s elektronima vanjskih omotača atoma slabo vezanih za jezgro (slika 6). Elektron se uklanja iz atoma (takvi elektroni se nazivaju elektroni trzanja). Energija fotona se smanjuje (shodno tome raste talasna dužina), a mijenja se i smjer njegovog kretanja. Komptonov efekat nastaje ako je energija rendgenskog fotona veća od energije jonizacije: , . U tom slučaju se pojavljuju elektroni trzanja s kinetičkom energijom E K. Atomi i molekuli postaju joni. Ako je E K značajan, tada elektroni mogu ionizirati susjedne atome sudarom, formirajući nove (sekundarne) elektrone.

V) Foto efekat.

Ako je energija fotona hn dovoljna da odvoji elektron, tada se pri interakciji s atomom foton apsorbira i elektron se odvaja od njega. Ovaj fenomen se naziva fotoelektrični efekat. Atom je jonizovan (fotojonizacija). U ovom slučaju, elektron stječe kinetičku energiju i, ako potonju je značajan, može ionizirati susjedne atome sudarom, formirajući nove (sekundarne) elektrone. Ako je energija fotona nedovoljna za ionizaciju, onda se fotoelektrični efekat može manifestirati u pobuđivanju atoma ili molekula. U nekim supstancama to dovodi do naknadne emisije fotona u vidljivom području (rendgenska luminiscencija), au tkivima do aktivacije molekula i fotokemijskih reakcija.

Fotoelektrični efekat je karakterističan za fotone sa energijom reda 0,5-1 MeV.

Tri glavna procesa interakcije o kojima smo gore govorili su primarni, oni dovode do naknadnih sekundarnih, tercijalnih, itd. fenomeni. Kada rendgenski zraci uđu u supstancu, može doći do niza procesa prije nego što se energija rendgenskog fotona pretvori u energiju toplinskog kretanja.

Kao rezultat gore navedenih procesa, primarni tok rendgenskog zračenja je oslabljen. Ovaj proces je u skladu sa Bouguerovim zakonom. Zapišimo to u obliku: F = F 0 e - mh, gdje je m linearni koeficijent slabljenja, ovisno o prirodi tvari (uglavnom od gustine i atomskog broja) i od talasne dužine zračenja (energija fotona) . Može se predstaviti kao da se sastoji od tri pojma koji odgovaraju koherentnom rasejanju, nekoherentnom rasejanju i fotoelektričnom efektu: .

Budući da linearni koeficijent apsorpcije ovisi o gustoći tvari, radije koriste koeficijent prigušenja mase, koji je jednak omjeru linearnog koeficijenta prigušenja prema gustoći apsorbera i ne ovisi o gustoći tvari. Zavisnost fluksa (intenziteta) rendgenskih zraka od debljine apsorbirajućeg filtera prikazana je na slici 7 za H 2 O, Al i Cu. Proračuni pokazuju da sloj vode debljine 36 mm, aluminijuma 15 mm i bakra 1,6 mm smanjuju intenzitet rendgenskog zračenja za 2 puta. Ova debljina se naziva debljina polovine sloja d. Ako supstanca upola slabi rendgensko zračenje, onda , Onda , ili , ; ; . Znajući debljinu polusloja, uvijek možete odrediti m. Dimenzija.

4. Upotreba rendgenskih zraka u medicini

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

Jedna od najčešćih upotreba rendgenskog zračenja u medicini je pregled unutrašnjih organa u dijagnostičke svrhe – rendgenska dijagnostika.

Za dijagnostiku se koriste fotoni s energijom od 60-120 keV. U ovom slučaju, koeficijent apsorpcije mase određen je uglavnom fotoelektričnim efektom. Njegova vrijednost je proporcionalna l 3 (što pokazuje visoku prodornu sposobnost tvrdog zračenja) i proporcionalna trećoj potenciji broja atoma tvari - apsorbera: , gdje je K koeficijent proporcionalnosti.

Ljudsko tijelo se sastoji od tkiva i organa koji imaju različite sposobnosti apsorpcije u odnosu na rendgensko zračenje. Stoga, kada se osvijetli rendgenskim zracima, na ekranu se dobija neujednačena slika sjene koja daje sliku položaja unutrašnjih organa i tkiva. Najgušća tkiva koja apsorbuju zračenje (srce, veliki sudovi, kosti) su vidljiva tamna, a tkiva koja najmanje apsorbuju (pluća) su svetla.

U mnogim slučajevima moguće je suditi o njihovom normalnom ili patološkom stanju. Rentgenska dijagnostika koristi dvije glavne metode: fluoroskopiju (transmisija) i radiografiju (slika). Ako organ koji se proučava i tkiva koja ga okružuju apsorbiraju fluks rendgenskih zraka približno jednako, tada se koriste posebna kontrastna sredstva. Na primjer, uoči rendgenskog pregleda želuca ili crijeva, daje se kašasta masa barij sulfata, u ovom slučaju možete vidjeti njihovu sliku sjene. U fluoroskopiji i radiografiji, rendgenska slika je zbirna slika cijele debljine objekta kroz koji prolaze rendgenski zraci. Najjasnije se ocrtavaju oni detalji koji su najbliži ekranu ili filmu, dok oni koji su udaljeni postaju zamućeni i mutni. Ako postoji patološki promijenjeno područje u nekom organu, na primjer, destrukcija plućnog tkiva unutar velikog žarišta upale, tada se u nekim slučajevima ovo područje može "izgubiti" na rendgenskom snimku u zbiru sjenki. Da bi se to učinilo vidljivim, koristi se posebna metoda - tomografija (snimanje sloj po sloj), koja vam omogućava da dobijete slike pojedinačnih slojeva proučavanog područja. Ova vrsta sloj-po-slojnih slika-tomograma dobija se pomoću posebnog aparata zvanog tomograf, u kojem se rendgenska cijev (RT) i fotografski film (FP) povremeno pomiču zajedno, u antifazi, u odnosu na područje studija. U ovom slučaju, rendgenski zraci na bilo kojoj poziciji RT će proći kroz istu tačku objekta (promijenjeno područje), što je centar u odnosu na koji se javlja periodično pomicanje RT i FP. Slika u sjeni područja će biti snimljena na filmu. Promjenom položaja “centra ljuljanja” moguće je dobiti slike objekta sloj po sloj. Koristeći tanak snop rendgenskog zračenja, poseban ekran (umjesto FP) koji se sastoji od poluvodičkih detektora jonizujućeg zračenja, moguće je obraditi sliku tokom tomografije pomoću kompjutera. Ova moderna verzija tomografije naziva se kompjuterizovana tomografija. Tomografija se široko koristi u proučavanju pluća, bubrega, žučne kese, želuca, kostiju itd.

Svjetlina slike na ekranu i vrijeme ekspozicije na filmu zavise od intenziteta rendgenskog zračenja. Kada se koristi za dijagnostiku, intenzitet ne može biti visok kako ne bi izazvao neželjeni biološki efekat. Stoga postoji niz tehničkih uređaja koji poboljšavaju svjetlinu slike pri niskim intenzitetima rendgenskih zraka. Jedan takav uređaj je elektronsko-optički pretvarač.

Drugi primjer je fluorografija, u kojoj se slika s velikog rendgenskog luminiscentnog ekrana dobija na osjetljivom filmu malog formata. Prilikom snimanja koristi se objektiv s velikim otvorom blende, a gotove slike se pregledavaju pomoću posebnog povećala.

Fluorografija kombinuje veću sposobnost otkrivanja skrivenih bolesti (bolesti organa grudnog koša, gastrointestinalnog trakta, paranazalnih sinusa itd.) sa značajnom propusnošću, te je stoga vrlo efikasna metoda masovnog (in-line) istraživanja.

Budući da se fotografisanje rendgenske slike tokom fluorografije vrši fotografskom optikom, slika na fluorogramu je smanjena u odnosu na rendgensku. U tom smislu, rezolucija fluorograma (tj. uočljivost malih detalja) je manja od one na konvencionalnom radiografu, ali je veća nego kod fluoroskopije.

Dizajniran je uređaj - tomofluorograf, koji omogućava dobijanje fluorograma dijelova tijela i pojedinih organa na zadatoj dubini - tzv. sloj-po-slojne slike (slice) - tomofluorograme.

Rentgensko zračenje se koristi i u terapijske svrhe (rentgenska terapija). Biološki efekat zračenja je da poremeti vitalnu aktivnost ćelija, posebno onih koje se brzo razvijaju. U tom smislu, rendgenska terapija se koristi za liječenje malignih tumora. Moguće je odabrati dozu zračenja dovoljnu da potpuno uništi tumor uz relativno mala oštećenja okolnog zdravog tkiva, koja se obnavljaju naknadnom regeneracijom.

Intenzitet- kvantitativna karakteristika rendgenskog zračenja, koja se izražava brojem zraka koje emituje cijev u jedinici vremena. Intenzitet rendgenskog zračenja mjeri se u miliamperima. Upoređujući ga sa intenzitetom vidljive svjetlosti iz konvencionalne žarulje sa žarnom niti, možemo povući analogiju: na primjer, lampa od 20 W sija jednim intenzitetom ili jačinom, a lampa od 200 W sija drugim, dok kvalitet same svjetlosti (njenog spektra) je isti. Intenzitet rendgenskog zraka je u suštini njegova količina. Svaki elektron stvara jedan ili više kvanta zračenja na anodi, stoga se broj rendgenskih zraka prilikom izlaganja objekta regulira promjenom broja elektrona koji teže anodi i broja interakcija elektrona s atomima volframove mete. , što se može uraditi na dva načina:

1. Promjenom stepena zagrijavanja katodne spirale pomoću opadajućeg transformatora (broj elektrona generiranih tokom emisije ovisit će o tome koliko je volframova spirala vruća, a broj kvanta zračenja ovisit će o broju elektrona) ;

2. Promjenom vrijednosti visokog napona koji pojačava transformator dovodi do polova cijevi - katode i anode (što je veći napon primijenjen na polove cijevi, to više kinetičke energije primaju elektroni , koji zbog svoje energije mogu stupiti u interakciju s nekoliko atoma anodne tvari zauzvrat - vidi. pirinač. 5; elektroni sa malom energijom će moći da uđu u manje interakcija).

Intenzitet X zraka (anodna struja) pomnožen sa vremenom ekspozicije (vrijeme rada cijevi) odgovara ekspoziciji rendgenskim zracima, koja se mjeri u mAs (miliamperima po sekundi). Ekspozicija je parametar koji, kao i intenzitet, karakterizira broj zraka koje emituje rendgenska cijev. Jedina razlika je u tome što ekspozicija uzima u obzir i vrijeme rada cijevi (na primjer, ako cijev radi 0,01 sekundu, tada će broj zraka biti jedan, a ako je 0,02 sekunde, tada će broj zraka biti drugačije - još dva puta). Izloženost zračenju postavlja radiolog na kontrolnoj tabli rendgenskog aparata, u zavisnosti od vrste pregleda, veličine predmeta koji se ispituje i dijagnostičkog zadatka.

Krutost- kvalitativne karakteristike rendgenskog zračenja. Mjeri se veličinom visokog napona na cijevi - u kilovoltima. Određuje prodornu moć rendgenskih zraka. Regulira se visokim naponom koji se na rendgensku cijev dovodi preko transformatora za povećanje. Što se veća potencijalna razlika stvara na elektrodama cijevi, to je veća sila što se elektroni odbijaju od katode i jure prema anodi i to je jači njihov sudar s anodom. Što je njihov sudar jači, to je kraća talasna dužina nastalog rendgenskog zračenja i veća je prodorna sposobnost ovog talasa (odnosno tvrdoća zračenja, koja se, kao i intenzitet, na kontrolnoj tabli reguliše parametrom napona na cijev - kilonapon).

Rice. 7 - Ovisnost talasne dužine o energiji talasa:

λ - talasna dužina;
E - energija talasa

· Što je veća kinetička energija elektrona koji se kreću, to je jači njihov uticaj na anodu i kraća je talasna dužina rezultirajućeg rendgenskog zračenja. Rendgensko zračenje duge talasne dužine i male prodorne moći naziva se „meko“, a rendgensko zračenje kratke talasne dužine i velike prodorne moći naziva se „tvrdo“.

Rice. 8 - Odnos između napona na rendgenskoj cijevi i valne dužine rezultirajućeg rendgenskog zračenja:

· Što se veći napon primjenjuje na polove cijevi, to će se veća potencijalna razlika pojaviti na njima, stoga će kinetička energija elektrona koji se kreću biti veća. Napon na cijevi određuje brzinu elektrona i silu njihovog sudara s anodnom tvari, stoga napon određuje valnu dužinu rezultirajućeg rendgenskog zračenja.

Rendgensko zračenje (sinonim X-zrake) je širokog raspona talasnih dužina (od 8·10 -6 do 10 -12 cm). Rendgensko zračenje nastaje kada se nabijene čestice, najčešće elektroni, usporavaju u električnom polju atoma tvari. Kvanti formirani u ovom slučaju imaju različite energije i formiraju kontinuirani spektar. Maksimalna energija kvanta u takvom spektru jednaka je energiji upadnih elektrona. U (cm.) maksimalna energija rendgenskih kvanta, izražena u kiloelektron-voltima, numerički je jednaka veličini napona primijenjenog na cijev, izraženo u kilovoltima. Kada X-zrake prolaze kroz supstancu, one stupaju u interakciju s elektronima njenih atoma. Za kvante X-zraka sa energijama do 100 keV, najkarakterističniji tip interakcije je fotoelektrični efekat. Kao rezultat takve interakcije, energija kvanta se u potpunosti troši na cijepanje elektrona iz atomskog omotača i prenošenje kinetičke energije na njega. Kako se energija rendgenskog kvanta povećava, vjerovatnoća fotoelektričnog efekta se smanjuje i proces raspršivanja kvanata slobodnim elektronima - takozvani Comptonov efekat - postaje dominantan. Kao rezultat takve interakcije nastaje i sekundarni elektron, a uz to se emituje kvant sa energijom manjom od energije primarnog kvanta. Ako energija rendgenskog kvanta prelazi jedan megaelektron-volt, može doći do takozvanog efekta uparivanja, u kojem se formiraju elektron i pozitron (vidi). Posljedično, pri prolasku kroz supstancu, energija rendgenskog zračenja se smanjuje, odnosno smanjuje se njegov intenzitet. Pošto se apsorpcija niskoenergetskih kvanta javlja s većom vjerovatnoćom, rendgensko zračenje je obogaćeno kvantima veće energije. Ovo svojstvo rendgenskog zračenja koristi se za povećanje prosječne energije kvanta, odnosno za povećanje njegove tvrdoće. Povećanje tvrdoće rendgenskog zračenja postiže se pomoću posebnih filtera (vidi). Rentgensko zračenje se koristi za rendgensku dijagnostiku (vidi) i (vidi). Vidi i jonizujuće zračenje.

Rendgensko zračenje (sinonim: x-zraci, x-zraci) je kvantno elektromagnetno zračenje sa talasnom dužinom od 250 do 0,025 A (ili kvanti energije od 5·10 -2 do 5·10 2 keV). Godine 1895. otkrio ga je V.K. Roentgen. Spektralno područje elektromagnetnog zračenja u blizini rendgenskog zračenja, čiji kvanti energije prelaze 500 keV, naziva se gama zračenje (vidi); zračenje čiji su kvanti energije ispod 0,05 kev čini ultraljubičasto zračenje (vidi).

Dakle, predstavljajući relativno mali dio ogromnog spektra elektromagnetnog zračenja, koji uključuje i radio valove i vidljivu svjetlost, rendgensko zračenje, kao i svako elektromagnetno zračenje, širi se brzinom svjetlosti (u vakuumu od oko 300 hiljada km/ sec) i karakteriše ga talasna dužina λ ( rastojanje preko koje zračenje putuje u jednom periodu oscilovanja). Rentgensko zračenje ima i niz drugih valnih svojstava (prelamanje, interferencija, difrakcija), ali ih je mnogo teže uočiti od zračenja veće talasne dužine: vidljiva svjetlost, radio valovi.

Spektri X zraka: a1 - kontinuirani spektar kočnog zračenja na 310 kV; a - kontinuirani kočni spektar na 250 kV, a1 - spektar filtriran sa 1 mm Cu, a2 - spektar filtriran sa 2 mm Cu, b - K-serija volfram linija.

Za generiranje rendgenskog zračenja koriste se rendgenske cijevi (vidi) u kojima se zračenje javlja kada brzi elektroni interaguju s atomima anodne tvari. Postoje dvije vrste rendgenskog zračenja: kočno i karakteristično. Rendgenski zraci kočnog zračenja imaju kontinuirani spektar, sličan običnoj bijeloj svjetlosti. Distribucija intenziteta u zavisnosti od talasne dužine (slika) je predstavljena krivom sa maksimumom; prema dugim talasima kriva pada ravno, a prema kratkim talasima pada strmo i završava se na određenoj talasnoj dužini (λ0), koja se naziva kratkotalasna granica kontinuiranog spektra. Vrijednost λ0 je obrnuto proporcionalna naponu na cijevi. Do kočnog zračenja dolazi kada brzi elektroni interaguju sa atomskim jezgrama. Intenzitet kočnog zračenja direktno je proporcionalan jačini anodne struje, kvadratu napona na cijevi i atomskom broju (Z) anodne tvari.

Ako energija ubrzanih elektrona u rendgenskoj cijevi prelazi vrijednost kritičnu za anodnu tvar (ova energija je određena naponom Vcr kritičnim za ovu tvar na cijevi), tada se javlja karakteristično zračenje. Karakteristični spektar je iscrtan; njegove spektralne linije čine niz, označen slovima K, L, M, N.

K serija je najkraća talasna dužina, serija L je duža talasna dužina, serije M i N se primećuju samo u teškim elementima (Vcr volframa za K-seriju je 69,3 kV, za L-seriju - 12,1 kV). Karakteristično zračenje nastaje na sljedeći način. Brzi elektroni izbijaju atomske elektrone iz njihovih unutrašnjih omotača. Atom se pobuđuje, a zatim se vraća u osnovno stanje. U tom slučaju, elektroni iz vanjskih, manje vezanih ljuski ispunjavaju prostore koji su ispražnjeni u unutrašnjim ljuskama, a fotoni karakterističnog zračenja emituju se s energijom jednakom razlici između energija atoma u pobuđenom i osnovnom stanju. Ova razlika (a samim tim i energija fotona) ima određenu vrijednost karakterističnu za svaki element. Ovaj fenomen leži u osnovi rendgenske spektralne analize elemenata. Slika prikazuje linijski spektar volframa na pozadini kontinuiranog spektra kočnog zračenja.

Energija ubrzanih elektrona u rendgenskoj cijevi gotovo se u potpunosti pretvara u toplinsku energiju (anoda postaje vrlo vruća), samo mali dio (oko 1% na naponu blizu 100 kV) se pretvara u energiju kočnog zraka.

Upotreba rendgenskih zraka u medicini zasniva se na zakonima apsorpcije rendgenskih zraka materijom. Apsorpcija rendgenskog zračenja potpuno je nezavisna od optičkih svojstava apsorberske supstance. Bezbojno i prozirno olovno staklo, koje se koristi za zaštitu osoblja u rendgen sobama, gotovo u potpunosti apsorbira rendgenske zrake. Nasuprot tome, list papira koji nije proziran za svjetlost ne slabi rendgenske zrake.

Intenzitet homogenog (tj. određene talasne dužine) snopa rendgenskih zraka koji prolazi kroz sloj apsorbera opada prema eksponencijalnom zakonu (e-x), gdje je e baza prirodnih logaritama (2,718), a eksponent x je jednak proizvod masenog koeficijenta slabljenja (μ /p) cm 2 /g po debljini apsorbera u g/cm 2 (ovde je p gustina supstance u g/cm 3). Slabljenje rendgenskog zračenja nastaje i zbog raspršenja i zbog apsorpcije. Prema tome, koeficijent prigušenja mase je zbir koeficijenata apsorpcije mase i koeficijenata raspršenja. Maseni koeficijent apsorpcije naglo raste sa povećanjem atomskog broja (Z) apsorbera (proporcionalno Z3 ili Z5) i sa povećanjem talasne dužine (proporcionalno λ3). Ova zavisnost od talasne dužine primećuje se unutar apsorpcionih opsega, na čijim granicama koeficijent skače.

Koeficijent raspršenja mase raste s povećanjem atomskog broja tvari. Pri λ≥0,3Å koeficijent rasejanja ne zavisi od talasne dužine, na λ<0,ЗÅ он уменьшается с уменьшением λ.

Smanjenje koeficijenata apsorpcije i raspršenja sa smanjenjem talasne dužine uzrokuje povećanje prodorne moći rendgenskog zračenja. Koeficijent apsorpcije mase za kost [upijanje je uglavnom zbog Ca 3 (PO 4) 2 ] je skoro 70 puta veći nego za meko tkivo, gdje je upijanje uglavnom zbog vode. Ovo objašnjava zašto se senka kostiju tako oštro ističe na pozadini mekog tkiva na rendgenskim snimcima.

Širenje neujednačenog snopa rendgenskih zraka kroz bilo koji medij, zajedno sa smanjenjem intenziteta, praćeno je promjenom spektralnog sastava i promjenom kvalitete zračenja: dugovalni dio spektra je apsorbovano u većoj meri od kratkotalasnog dela, zračenje postaje ujednačenije. Filtriranje dugotalasnog dijela spektra omogućava, tokom rendgenske terapije lezija koje se nalaze duboko u ljudskom tijelu, da se poboljša omjer između dubokih i površinskih doza (vidi rendgenske filtere). Da bi se okarakterizirao kvalitet nehomogenog snopa rendgenskih zraka, koristi se koncept „sloja poluslabljenja (L)” - sloja tvari koji slabi zračenje za polovicu. Debljina ovog sloja zavisi od napona na cevi, debljine i materijala filtera. Za mjerenje slojeva poluslabljenja koriste se celofan (do 12 keV energije), aluminijum (20-100 keV), bakar (60-300 keV), olovo i bakar (>300 keV). Za X-zrake generisane na naponima od 80-120 kV, 1 mm bakra je ekvivalentan kapacitetu filtriranja 26 mm aluminijuma, 1 mm olova je ekvivalentan 50,9 mm aluminijuma.

Apsorpcija i rasipanje rendgenskog zračenja je zbog njegovih korpuskularnih svojstava; Rentgensko zračenje stupa u interakciju s atomima kao tok korpuskula (čestica) - fotona, od kojih svaki ima određenu energiju (obrnuto proporcionalnu valnoj dužini rendgenskog zračenja). Opseg energije rendgenskih fotona je 0,05-500 keV.

Apsorpcija rendgenskog zračenja je posljedica fotoelektričnog efekta: apsorpcija fotona od strane elektronske ljuske praćena je izbacivanjem elektrona. Atom je uzbuđen i, vraćajući se u osnovno stanje, emituje karakteristično zračenje. Emitirani fotoelektron nosi svu energiju fotona (minus energija vezanja elektrona u atomu).

Rasipanje rendgenskih zraka uzrokovano je elektronima u mediju za raspršivanje. Pravi se razlika između klasičnog rasejanja (talasna dužina zračenja se ne menja, ali se menja smer širenja) i rasejanja sa promenom talasne dužine - Comptonov efekat (talasna dužina raspršenog zračenja je veća od talasne dužine upadnog zračenja ). U potonjem slučaju, foton se ponaša kao lopta koja se kreće, a do raspršivanja fotona dolazi, prema Comtonovom figurativnom izrazu, poput igranja bilijara s fotonima i elektronima: sudarajući se s elektronom, foton prenosi dio svoje energije na njega i biva raspršeni, koji imaju manju energiju (prema tome se povećava valna dužina raspršenog zračenja), elektron izleti iz atoma sa energijom trzaja (ovi elektroni se nazivaju Compton elektroni, ili elektroni trzanja). Apsorpcija energije rendgenskih zraka nastaje prilikom formiranja sekundarnih elektrona (Compton i fotoelektrona) i prijenosa energije na njih. Energija rendgenskog zračenja prenesena na jedinicu mase supstance određuje apsorbovanu dozu rendgenskog zračenja. Jedinica ove doze 1 rad odgovara 100 erg/g. Zbog apsorbirane energije dolazi do niza sekundarnih procesa u apsorberskoj tvari, koji su važni za rendgensku dozimetriju, jer se upravo na njima zasnivaju metode mjerenja rendgenskog zračenja. (vidi dozimetriju).

Svi plinovi i mnoge tekućine, poluvodiči i dielektrici povećavaju električnu provodljivost kada su izloženi rendgenskim zracima. Provodljivost detektuju najbolji izolacioni materijali: parafin, liskun, guma, ćilibar. Promjena provodljivosti je uzrokovana jonizacijom medija, odnosno razdvajanjem neutralnih molekula na pozitivne i negativne ione (jonizaciju proizvode sekundarni elektroni). Ionizacija u zraku se koristi za određivanje doze izlaganja rendgenskim zracima (doza u zraku), koja se mjeri u rendgenima (vidi Doze jonizujućeg zračenja). Pri dozi od 1 r, apsorbirana doza u zraku je 0,88 rad.

Pod uticajem rendgenskog zračenja, kao rezultat ekscitacije molekula supstance (i tokom rekombinacije jona), u mnogim slučajevima se pobuđuje vidljivi sjaj supstance. Pri visokim intenzitetima rendgenskog zračenja uočava se vidljivi sjaj u vazduhu, papiru, parafinu itd. (sa izuzetkom metala). Najveći prinos vidljive luminescencije daju kristalni fosfori kao što su Zn·CdS·Ag-fosfor i drugi koji se koriste za fluoroskopske ekrane.

Pod uticajem rendgenskog zračenja u supstanci se mogu javiti i različiti hemijski procesi: raspadanje jedinjenja halogenida srebra (fotografski efekat koji se koristi u rendgenskoj fotografiji), razgradnja vode i vodenih rastvora vodikovog peroksida, promena svojstava celuloida (zamućenje i oslobađanje kamfora), parafina (zamućenje i izbjeljivanje) .

Kao rezultat potpune konverzije, sva energija koju apsorbuje hemijski inertna supstanca, rendgensko zračenje, pretvara se u toplotu. Mjerenje vrlo malih količina topline zahtijeva visoko osjetljive metode, ali je glavna metoda za apsolutna mjerenja rendgenskog zračenja.

Sekundarni biološki efekti izlaganja rendgenskom zračenju su osnova medicinske rendgenske terapije (vidi). Rentgensko zračenje, čiji su kvanti 6-16 keV (efektivna talasna dužina od 2 do 5 Å), gotovo u potpunosti apsorbuje kožno tkivo ljudskog tela; oni se nazivaju graničnim zracima, ili ponekad Buccinim zracima (vidi Buccine zrake). Za dubinsku rendgensku terapiju koristi se tvrdo filtrirano zračenje sa efektivnim energetskim kvantima od 100 do 300 keV.

Biološki efekat rendgenskog zračenja treba uzeti u obzir ne samo tokom rendgenske terapije, već i tokom rendgenske dijagnostike, kao i u svim drugim slučajevima kontakta sa rendgenskim zračenjem koji zahtevaju upotrebu zaštite od zračenja (vidi).

X-RAY

X-RAY

nevidljivo zračenje sposobno da prodre, iako u različitom stepenu, u sve supstance. To je elektromagnetno zračenje talasne dužine od oko 10-8 cm.Poput vidljive svetlosti, rendgensko zračenje izaziva pocrnjenje fotografskog filma. Ova nekretnina je važna za medicinu, industriju i naučna istraživanja. Prolazeći kroz predmet koji se proučava, a zatim padajući na fotografski film, rendgensko zračenje na njemu oslikava njegovu unutrašnju strukturu. Budući da je penetraciona moć rendgenskog zračenja različita za različite materijale, dijelovi objekta koji su za njega manje transparentni proizvode svjetlije dijelove na fotografiji od onih kroz koje zračenje dobro prodire. Dakle, koštano tkivo je manje transparentno za rendgenske zrake od tkiva koje čini kožu i unutrašnje organe. Stoga će na rendgenskom snimku kosti izgledati kao svjetlija područja, a mjesto prijeloma, koje je transparentnije za zračenje, može se vrlo lako otkriti. Rendgen se također koristi u stomatologiji za otkrivanje karijesa i apscesa u korijenu zuba, te u industriji za otkrivanje pukotina na odljevcima, plastici i gumama. X-zrake se koriste u hemiji za analizu jedinjenja i u fizici za proučavanje strukture kristala. Rendgenski snop koji prolazi kroz hemijsko jedinjenje proizvodi karakteristično sekundarno zračenje, čija spektroskopska analiza omogućava hemičaru da odredi sastav jedinjenja. Kada snop rendgenskih zraka padne na kristalnu tvar, on se raspršuje od strane atoma kristala, dajući jasnu, pravilnu sliku mrlja i pruga na fotografskoj ploči, što omogućava utvrđivanje unutrašnje strukture kristala. . Upotreba rendgenskih zraka u liječenju raka temelji se na činjenici da ubija ćelije raka. Međutim, može imati i neželjene efekte na normalne ćelije. Stoga se pri korištenju rendgenskih zraka na ovaj način mora biti krajnji oprez. Rentgensko zračenje otkrio je njemački fizičar W. Roentgen (1845-1923). Njegovo ime je ovjekovječeno u nekoliko drugih fizičkih izraza povezanih s ovim zračenjem: rendgenski rendgen je međunarodna jedinica doze jonizujućeg zračenja; slika snimljena rendgenskim aparatom naziva se radiografija; Područje radiološke medicine koje koristi rendgenske zrake za dijagnosticiranje i liječenje bolesti naziva se radiologija. Roentgen je otkrio radijaciju 1895. dok je bio profesor fizike na Univerzitetu u Würzburgu. Provodeći eksperimente s katodnim zracima (tokovi elektrona u cijevima za pražnjenje), primijetio je da ekran koji se nalazi u blizini vakuumske cijevi, prekriven kristalnim barij cijanoplatinitom, sjajno svijetli, iako je sama cijev bila prekrivena crnim kartonom. Rentgen je dalje utvrdio da sposobnost prodiranja nepoznatih zraka koje je otkrio, a koje je nazvao X-zracima, zavisi od sastava materijala koji apsorbuje. Takođe je dobio sliku kostiju svoje ruke tako što je postavio između cevi za pražnjenje sa katodnim zracima i ekrana obloženog barijum cijanoplatinitom. Rentgenovo otkriće pratili su eksperimenti drugih istraživača koji su otkrili mnoga nova svojstva i primjene ovog zračenja. Veliki doprinos dali su M. Laue, W. Friedrich i P. Knipping, koji su 1912. demonstrirali difrakciju rendgenskog zračenja pri prolasku kroz kristal; W. Coolidge, koji je 1913. izumio rendgensku cijev visokog vakuuma sa zagrijanom katodom; G. Moseley, koji je 1913. uspostavio vezu između talasne dužine zračenja i atomskog broja elementa; G. i L. Bragg, koji su 1915. dobili Nobelovu nagradu za razvoj osnova rendgenske strukturne analize. PRIJEM RTG ZRAKA Rendgensko zračenje nastaje kada elektroni koji se kreću velikom brzinom stupaju u interakciju s materijom. Kada se elektroni sudare s atomima bilo koje tvari, oni brzo gube svoju kinetičku energiju. U ovom slučaju, većina se pretvara u toplinu, a mali dio, obično manje od 1%, pretvara se u energiju rendgenskih zraka. Ova energija se oslobađa u obliku kvanta – čestica zvanih fotoni, koji imaju energiju, ali čija je masa mirovanja nula. Rentgenski fotoni se razlikuju po svojoj energiji, koja je obrnuto proporcionalna njihovoj talasnoj dužini. Konvencionalna metoda proizvodnje rendgenskih zraka proizvodi širok raspon valnih duljina, koji se naziva rendgenski spektar. Spektar sadrži izražene komponente, kao što je prikazano na Sl. 1. Široki “kontinuum” naziva se kontinuirani spektar ili bijelo zračenje. Oštri vrhovi koji su postavljeni na njega nazivaju se karakterističnim linijama rendgenske emisije. Iako je cijeli spektar rezultat sudara elektrona sa materijom, mehanizmi za pojavu njegovog širokog dijela i linija su različiti. Supstanca se sastoji od velikog broja atoma, od kojih svaki ima jezgro okruženo elektronskim omotačima, a svaki elektron u ljusci atoma datog elementa zauzima određeni diskretni energetski nivo. Obično su ove ljuske, ili energetski nivoi, označeni simbolima K, L, M, itd., počevši od ljuske koja je najbliža jezgru. Kada se upadni elektron s dovoljno visokom energijom sudari s jednim od elektrona povezanih s atomom, on izbacuje taj elektron iz njegove ljuske. Prazan prostor zauzima drugi elektron iz ljuske, što odgovara višoj energiji. Ovo posljednje oslobađa višak energije emitujući rendgenski foton. Pošto elektroni ljuske imaju diskretne vrijednosti energije, rezultirajući fotoni X-zraka također imaju diskretni spektar. Ovo odgovara oštrim vrhovima za određene valne dužine, čije specifične vrijednosti zavise od ciljnog elementa. Karakteristične linije čine K-, L- i M-seriju, ovisno o tome iz koje je ljuske (K, L ili M) uklonjen elektron. Odnos između talasne dužine X zraka i atomskog broja naziva se Moseleyjev zakon (slika 2).

Rice. 1. KONVENCIONALNI SPEKTAR X-ZRAKA sastoji se od kontinuiranog spektra (kontinuuma) i karakterističnih linija (oštrih vrhova). Linije K/ia i K/ib nastaju zbog interakcije ubrzanih elektrona sa elektronima unutrašnje K-ljuske.

Rice. 2. TALASNA DUŽINA KARAKTERISTIČNOG RTG ZRAČENJA koje emituju hemijski elementi zavisi od atomskog broja elementa. Kriva slijedi Moseleyjev zakon: što je veći atomski broj elementa, kraća je valna dužina karakteristične linije.

Ako se elektron sudari sa relativno teškim jezgrom, on se usporava, a njegova kinetička energija se oslobađa u obliku rendgenskog fotona približno iste energije. Ako proleti pored jezgra, izgubit će samo dio svoje energije, a ostatak će se prenijeti na druge atome koji mu naiđu na putu. Svaki čin gubitka energije dovodi do emisije fotona s određenom energijom. Pojavljuje se kontinuirani rendgenski spektar čija gornja granica odgovara energiji najbržeg elektrona. Ovo je mehanizam za formiranje kontinuiranog spektra, a maksimalna energija (ili minimalna talasna dužina) koja fiksira granicu kontinuiranog spektra proporcionalna je naponu ubrzanja, koji određuje brzinu upadnih elektrona. Spektralne linije karakterišu materijal bombardovane mete, a kontinuirani spektar je određen energijom elektronskog snopa i praktično je nezavisan od materijala mete. Rendgensko zračenje se može dobiti ne samo bombardiranjem elektrona, već i zračenjem mete rendgenskim zračenjem iz drugog izvora. U ovom slučaju, međutim, većina energije upadnog snopa odlazi u karakteristični rendgenski spektar, a vrlo mali dio pada u kontinuirani spektar. Očigledno je da snop upadnog rendgenskog zračenja mora sadržavati fotone čija je energija dovoljna da pobudi karakteristične linije bombardiranog elementa. Visok procenat energije po karakterističnom spektru čini ovu metodu pobuđivanja rendgenskog zračenja pogodnom za naučna istraživanja. Rendgenske cijevi. Da biste proizveli rendgenske zrake kroz interakciju elektrona sa materijom, trebate imati izvor elektrona, sredstvo za njihovo ubrzanje do velikih brzina i metu koja može izdržati bombardiranje elektrona i proizvoditi rendgenske zrake potrebnog intenziteta. Uređaj koji sadrži sve to naziva se rendgenska cijev. Rani istraživači su koristili "duboko evakuirane" cijevi kao što su moderne cijevi za pražnjenje plina. Vakum u njima nije bio veliki. Cijevi za pražnjenje sadrže male količine plina, a kada se na elektrode cijevi primjenjuje velika razlika potencijala, atomi plina se pretvaraju u pozitivne i negativne ione. Pozitivni se kreću prema negativnoj elektrodi (katodi) i padajući na nju izbijaju elektrone iz nje, a oni se zauzvrat kreću prema pozitivnoj elektrodi (anodi) i bombardirajući je stvaraju tok rendgenskih fotona. . U modernoj rendgenskoj cijevi koju je razvio Coolidge (slika 3), izvor elektrona je volframova katoda zagrijana na visoku temperaturu. Visoka razlika potencijala između anode (ili anti-katode) i katode ubrzava elektrone do velikih brzina. Budući da elektroni moraju doći do anode bez sudara s atomima, neophodan je vrlo visok vakuum, što zahtijeva da cijev bude dobro evakuisana. Ovo također smanjuje vjerovatnoću jonizacije preostalih atoma plina i rezultirajuće bočne struje.

Rice. 3. HLAĐENJE RTG CEV. Kada je bombardirana elektronima, volframova antikatoda emituje karakteristično rendgensko zračenje. Poprečni presjek rendgenskog snopa je manji od stvarnog ozračenog područja. 1 - elektronski snop; 2 - katoda sa elektrodom za fokusiranje; 3 - staklena školjka (cijev); 4 - volframova meta (antikatoda); 5 - katodna nit; 6 - stvarna ozračena površina; 7 - efektivna žarišna tačka; 8 - bakarna anoda; 9 - prozor; 10 - rasejano rendgensko zračenje.

Elektroni se fokusiraju na anodu pomoću posebno oblikovane elektrode koja okružuje katodu. Ova elektroda se naziva elektroda za fokusiranje i zajedno sa katodom čini "elektronski reflektor" cijevi. Anoda podvrgnuta bombardovanju elektrona mora biti izrađena od vatrostalnog materijala, jer se većina kinetičke energije bombardirajućih elektrona pretvara u toplinu. Osim toga, poželjno je da anoda bude izrađena od materijala sa visokim atomskim brojem, jer Prinos rendgenskih zraka raste sa povećanjem atomskog broja. Materijal anode koji se najčešće bira je volfram, čiji je atomski broj 74. Dizajn rendgenskih cijevi može varirati ovisno o uvjetima korištenja i zahtjevima. DETEKCIJA X-ZRAKA Sve metode za detekciju rendgenskih zraka temelje se na njihovoj interakciji sa materijom. Detektori mogu biti dva tipa: oni koji daju sliku i oni koji ne daju. Prvi uključuju uređaje za rendgensku fluorografiju i fluoroskopiju, u kojima snop rendgenskog zračenja prolazi kroz predmet koji se proučava, a preneseno zračenje pogađa luminiscentni ekran ili fotografski film. Slika se pojavljuje zbog činjenice da različiti dijelovi objekta koji se proučava različito apsorbiraju zračenje - ovisno o debljini tvari i njenom sastavu. Kod detektora sa fluorescentnim ekranom, energija rendgenskog zraka se pretvara u direktno vidljivu sliku, dok se u radiografiji snima na osjetljivoj emulziji i može se promatrati tek nakon što se film razvije. Drugi tip detektora uključuje široku paletu uređaja u kojima se energija rendgenskog zračenja pretvara u električne signale koji karakteriziraju relativni intenzitet zračenja. To uključuje jonizacijske komore, Geigerove brojače, proporcionalne brojače, scintilacijske brojače i neke specijalne detektore kadmijum sulfida i selenida. Trenutno se najefikasnijim detektorima mogu smatrati scintilacioni brojači, koji dobro rade u širokom energetskom opsegu. vidi takođe DETEKTORI ČESTICA. Detektor se bira uzimajući u obzir uslove zadatka. Na primjer, ako trebate precizno izmjeriti intenzitet difraktiranog rendgenskog zračenja, tada se koriste brojači koji vam omogućavaju da izvršite mjerenja s točnošću od djelića postotka. Ako trebate registrirati puno difrakiranih zraka, onda je preporučljivo koristiti rendgenski film, iako je u ovom slučaju nemoguće odrediti intenzitet s istom preciznošću. RTG I GAMA DEFEKTOSKOPIJA Jedna od najčešćih upotreba rendgenskih zraka u industriji je kontrola kvaliteta materijala i detekcija grešaka. Rendgenska metoda je nedestruktivna, tako da se materijal koji se ispituje, ako se utvrdi da zadovoljava potrebne zahtjeve, može koristiti za svoju namjenu. I rendgenska i gama detekcija grešaka zasnivaju se na penetracijskoj sposobnosti rendgenskog zračenja i karakteristikama njegove apsorpcije u materijalima. Probojna snaga je određena energijom rendgenskih fotona, koja ovisi o naponu ubrzanja u rendgenskoj cijevi. Stoga, debeli uzorci i uzorci od teških metala, poput zlata i uranijuma, zahtijevaju izvor rendgenskih zraka većeg napona za njihovo proučavanje, dok je za tanke uzorke dovoljan izvor nižeg napona. Za detekciju gama grešaka kod vrlo velikih odlivaka i velikih valjanih proizvoda koriste se betatroni i linearni akceleratori koji ubrzavaju čestice do energije od 25 MeV ili više. Apsorpcija rendgenskog zračenja u materijalu zavisi od debljine apsorbera d i koeficijenta apsorpcije m i određena je formulom I = I0e-md, gde je I intenzitet zračenja koje prolazi kroz apsorber, I0 je intenzitet upadnog zračenja, a e = 2,718 je baza prirodnih logaritama. Za dati materijal na datoj talasnoj dužini (ili energiji) rendgenskog zračenja, koeficijent apsorpcije je konstanta. Ali zračenje izvora rendgenskih zraka nije monokromatsko, već sadrži širok spektar valnih duljina, zbog čega apsorpcija na istoj debljini apsorbera ovisi o valnoj dužini (frekvenciji) zračenja. Rentgensko zračenje se široko koristi u svim industrijama koje se odnose na oblikovanje metala. Takođe se koristi za ispitivanje artiljerijskih cevi, prehrambenih proizvoda, plastike, kao i za ispitivanje složenih uređaja i sistema u elektronskoj tehnologiji. (Neutronografija, koja koristi neutronske zrake umjesto rendgenskih zraka, koristi se u slične svrhe.) X-zrake se također koriste u druge svrhe, kao što je ispitivanje slika kako bi se utvrdila njihova autentičnost ili otkrivanje dodatnih slojeva boje na vrhu osnovnog sloja . DIFRAKCIJA X-ZRAKA Difrakcija rendgenskih zraka daje važne informacije o čvrstim tvarima – njihovoj atomskoj strukturi i obliku kristala – kao i o tekućinama, amorfnim čvrstim tvarima i velikim molekulima. Metoda difrakcije se također koristi za precizno (sa greškom manjom od 10-5) određivanje međuatomskih udaljenosti, identifikaciju napona i defekata i određivanje orijentacije monokristala. Koristeći uzorak difrakcije, možete identificirati nepoznate materijale, kao i otkriti prisutnost nečistoća u uzorku i identificirati ih. Važnost metode difrakcije rendgenskih zraka za napredak moderne fizike teško se može precijeniti, budući da se savremeno razumijevanje svojstava materije u konačnici zasniva na podacima o rasporedu atoma u različitim hemijskim jedinjenjima, prirodi veza između njih. i strukturne defekte. Glavni alat za dobijanje ovih informacija je metoda difrakcije rendgenskih zraka. Kristalografija difrakcije rendgenskih zraka je kritična za određivanje strukture složenih velikih molekula, kao što su molekuli deoksiribonukleinske kiseline (DNK), genetski materijal živih organizama. Neposredno nakon otkrića rendgenskih zraka, naučni i medicinski interesi su se fokusirali kako na sposobnost ovog zračenja da prodire u tijela, tako i na njegovu prirodu. Eksperimenti o difrakciji rendgenskog zračenja na prorezima i difrakcionim rešetkama pokazali su da ono pripada elektromagnetskom zračenju i da ima talasnu dužinu reda 10-8-10-9 cm.Još ranije su naučnici, posebno W. Barlow, pretpostavili da pravilan i simetričan oblik prirodnih kristala je zbog uređenog rasporeda atoma koji formiraju kristal. U nekim slučajevima, Barlow je mogao ispravno predvidjeti kristalnu strukturu. Vrijednost predviđenih međuatomskih udaljenosti iznosila je 10-8 cm, a činjenica da su međuatomske udaljenosti bile reda veličine talasne dužine rendgenskih zraka omogućila je u principu posmatranje njihove difrakcije. Rezultat je bio dizajn jednog od najvažnijih eksperimenata u historiji fizike. M. Laue je organizovao eksperimentalno testiranje ove ideje, koje su izveli njegove kolege W. Friedrich i P. Knipping. Godine 1912. njih trojica su objavili svoj rad o rezultatima difrakcije rendgenskih zraka. Principi difrakcije rendgenskih zraka. Da bismo razumjeli fenomen difrakcije rendgenskih zraka, moramo razmotriti redom: prvo, spektar rendgenskog zračenja, drugo, prirodu kristalne strukture, i treće, sam fenomen difrakcije. Kao što je gore pomenuto, karakteristično rendgensko zračenje se sastoji od niza spektralnih linija sa visokim stepenom monohromatnosti, određenih materijalom anode. Koristeći filtere možete istaknuti one najintenzivnije. Dakle, odgovarajućim odabirom anodnog materijala moguće je dobiti izvor gotovo monohromatskog zračenja sa vrlo precizno definisanom talasnom dužinom. Karakteristične valne dužine zračenja se obično kreću od 2,285 za hrom do 0,558 za srebro (vrijednosti za različite elemente poznate su na šest značajnih cifara). Karakteristični spektar je superponiran na kontinuirani "bijeli" spektar mnogo nižeg intenziteta, zbog usporavanja upadnih elektrona u anodi. Tako se iz svake anode mogu dobiti dvije vrste zračenja: karakteristično i kočno, od kojih svaka igra važnu ulogu na svoj način. Atomi u kristalnoj strukturi su raspoređeni s pravilnom periodičnošću, formirajući niz identičnih ćelija – prostornu rešetku. Neke rešetke (kao što su one za najčešće metale) su prilično jednostavne, dok su druge (kao što su one za proteinske molekule) prilično složene. Sljedeće je karakteristično za kristalnu strukturu: ako se pomakne od određene date tačke jedne ćelije do odgovarajuće tačke susjedne ćelije, tada će se otkriti potpuno isto atomsko okruženje. A ako se određeni atom nalazi u jednoj ili drugoj tački u jednoj ćeliji, tada će se isti atom nalaziti na ekvivalentnoj tački u bilo kojoj susjednoj ćeliji. Ovaj princip striktno vrijedi za savršen, idealno uređen kristal. Međutim, mnogi kristali (na primjer, metalne čvrste otopine) su u jednom ili drugom stepenu neuređene, tj. kristalografski ekvivalentna mjesta mogu biti zauzeta različitim atomima. U tim slučajevima nije određen položaj svakog atoma, već samo položaj atoma „statistički prosječan” na velikom broju čestica (ili ćelija). Fenomen difrakcije razmatra se u članku OPTIKA i čitalac se može pozvati na taj članak prije nego što nastavi dalje. Pokazuje da ako valovi (na primjer, zvuk, svjetlost, rendgenski zraci) prolaze kroz mali prorez ili rupu, onda se potonji može smatrati sekundarnim izvorom valova, a slika proreza ili rupe sastoji se od naizmjenične svjetlosti i tamne pruge. Nadalje, ako postoji periodična struktura rupa ili proreza, tada se kao rezultat pojačavanja i slabljenja interferencije zraka koje dolaze iz različitih rupa pojavljuje jasan uzorak difrakcije. Difrakcija rendgenskih zraka je kolektivna pojava raspršenja u kojoj ulogu rupa i centara raspršenja imaju periodično raspoređeni atomi kristalne strukture. Međusobno poboljšanje njihovih slika pod određenim uglovima proizvodi difrakcijski uzorak sličan onom koji bi nastao kada bi svjetlost bila difrakcija na trodimenzionalnoj difrakcijskoj rešetki. Do raspršivanja dolazi zbog interakcije upadnih rendgenskih zraka s elektronima u kristalu. Zbog činjenice da je talasna dužina rendgenskih zraka istog reda veličine kao i veličina atoma, talasna dužina raspršenih rendgenskih zraka je ista kao i upadne rendgenske zrake. Ovaj proces je rezultat prisilnih oscilacija elektrona pod uticajem upadnih rendgenskih zraka. Zamislite sada atom sa oblakom vezanih elektrona (oko jezgra) koji je pogođen rendgenskim zracima. Elektroni u svim smjerovima istovremeno raspršuju upadno zračenje i emituju vlastito rendgensko zračenje iste valne dužine, iako različitog intenziteta. Intenzitet raspršenog zračenja povezan je sa atomskim brojem elementa, jer atomski broj jednak je broju orbitalnih elektrona koji mogu učestvovati u rasejanju. (Ovu ovisnost intenziteta od atomskog broja raspršivača i smjera u kojem se intenzitet mjeri karakterizira faktor atomskog raspršenja, koji igra izuzetno važnu ulogu u analizi strukture kristala.) odaberite u kristalnoj strukturi linearni lanac atoma koji se nalaze na istoj udaljenosti jedan od drugog i razmotrite njihov uzorak difrakcije. Već je napomenuto da se rendgenski spektar sastoji od kontinuiranog dijela („kontinuuma“) i skupa intenzivnijih linija karakterističnih za element koji je anodni materijal. Recimo da smo filtrirali kontinuirani spektar i dobili gotovo monohromatski snop rendgenskih zraka usmjerenih na naš linearni lanac atoma. Uvjet pojačanja (pojačavajuća interferencija) je zadovoljen ako je razlika u putanjama valova raspršenih susjednim atomima višestruka valne dužine. Ako snop pada pod uglom a0 na liniju atoma razdvojenih intervalima a (period), tada će za ugao difrakcije a razlika putanje koja odgovara pojačanju biti zapisana kao a(cos a - cosa0) = hl, gdje je l je talasna dužina, a h cijeli broj (sl. 4 i 5).

Rice. 4. Pojačanje snopa rendgenskih zraka nastaje kada je razlika u putanji valova raspršenih susjednim atomima jednaka cijelom broju umnožaka talasne dužine. Ovdje je a0 upadni ugao, a je ugao difrakcije, a je udaljenost između atoma.

Rice. 5. RJEŠENJE LAUE JEDNAČINA za svaku vrijednost h može se predstaviti kao familija čunjeva čija je zajednička osa usmjerena duž kristalografske ose (slične slike mogu se nacrtati i za druge dvije ose). Efikasna metoda za proučavanje kristalnih struktura zasniva se na Laue jednadžbi.

Da bi se ovaj pristup proširio na trodimenzionalni kristal, potrebno je samo odabrati redove atoma duž dva druga smjera u kristalu i zajedno riješiti tri tako dobivene jednadžbe za tri kristalne ose s periodima a, b i c. Druge dvije jednačine imaju oblik

<="" div="" style="border-style: none;">Ovo su tri osnovne Laueove jednačine za difrakciju rendgenskih zraka, sa brojevima h, k i c koji su Millerovi indeksi za ravan difrakcije. vidi takođe KRISTALI I KRISTALOGRAFIJA. Uzimajući u obzir bilo koju od Laueovih jednadžbi, na primjer prvu, možete primijetiti da pošto su a, a0, l konstante i h = 0, 1, 2, ..., njeno rješenje se može predstaviti kao skup čunjeva sa zajednička osa a (sl. 5). Isto vrijedi i za pravce b i c. U opštem slučaju trodimenzionalnog rasejanja (difrakcije), tri Laueove jednačine moraju imati zajedničko rešenje, tj. tri difrakciona konusa koja se nalaze na svakoj od osi moraju se ukrštati; opšta linija preseka je prikazana na sl. 6. Zajedničko rješenje jednačina dovodi do Bragg-Wolfeovog zakona:

Rice. 6. OPŠTE REŠENJE LAUE JEDNAČINA odgovara preseku tri konusa sa osama a, b, c, koje imaju zajedničku pravu liniju R.

l = 2(d/n)sinq, gdje je d udaljenost između ravnina s indeksima h, k i c (period), n = 1, 2, ... su cijeli brojevi (red difrakcije), a q je ugao formirao upadnu zraku (kao i difrakcionu) sa ravninom kristala u kojoj se javlja difrakcija. Analizirajući jednadžbu Bragg-Wolfeovog zakona za jedan kristal koji se nalazi na putanji monokromatskog snopa rendgenskih zraka, možemo zaključiti da difrakciju nije lako uočiti, jer veličine l i q su fiksne, a 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. METODE ANALIZE DIFRAKCIJE Laue metoda. Laueova metoda koristi kontinuirani "bijeli" spektar rendgenskog zračenja, koje je usmjereno na stacionarni monokristal. Za određenu vrijednost perioda d, talasna dužina koja odgovara Bragg-Wulfovom uslovu se automatski bira iz cijelog spektra. Lauegrami dobijeni na ovaj način omogućavaju procjenu smjerova difraktiranih zraka i, posljedično, orijentacije ravnina kristala, što također omogućava izvođenje važnih zaključaka o simetriji, orijentaciji kristala i prisutnosti nedostataka u njemu. U ovom slučaju, međutim, informacija o prostornom periodu d se gubi. Na sl. 7 prikazuje primjer Lauegrama. Rendgenski film se nalazio na strani kristala suprotnoj onoj na koju je pao snop rendgenskog zraka iz izvora.

Rice. 7. LAUEGRAM. X-zrake širokog spektralnog opsega prolaze kroz stacionarni kristal. Difrakcijski snopovi odgovaraju tačkama na Lauegramu.

Debye-Scherrerova metoda (za polikristalne uzorke). Za razliku od prethodne metode, ovdje se koristi monohromatsko zračenje (l = const), a ugao q se mijenja. To se postiže korištenjem polikristalnog uzorka koji se sastoji od brojnih malih kristalita nasumične orijentacije, među kojima ima i onih koji zadovoljavaju Bragg-Wulfov uvjet. Difraktirani snopovi formiraju čunjeve čija je os usmjerena duž snopa X zraka. Za snimanje se obično koristi uska traka rendgenskog filma u cilindričnoj kaseti, a rendgenski zraci se distribuiraju duž promjera kroz rupe u filmu. Ovako dobijen Debyegram (slika 8) sadrži tačne podatke o periodu d, tj. o strukturi kristala, ali ne daje informacije koje Lauegram sadrži. Stoga se obje metode međusobno nadopunjuju. Razmotrimo neke primjene Debye-Scherrerove metode.

Učinak rendgenskog zračenja na materiju određen je primarnim procesima interakcije rendgenskog fotona s elektronima atoma i molekula tvari.

3. Rentgenska kompjuterska tomografija.

Metoda rendgenske kompjuterizovane tomografije zasniva se na rekonstrukciji slike određenog preseka (odseka) pacijentovog tela snimanjem velikog broja rendgenskih projekcija ovog preseka, izvedenih pod različitim uglovima (slika 5). Informacije sa senzora koji snimaju ove projekcije ulaze u kompjuter, koji pomoću posebnog programa izračunava distribucija gustina uzorka u odeljku koji se proučava i prikazuje ga na ekranu. Ovako dobivena slika poprečnog presjeka pacijentovog tijela odlikuje se odličnom jasnoćom i visokim sadržajem informacija. Program omogućava, ako je potrebno, povećati kontrast slike desetine pa čak i stotine puta. Ovo proširuje dijagnostičke mogućnosti metode.

Rice. 5. Šema rendgenskog pregleda dijela organa koji se proučava (tačka 1 i tačka 2 - dva uzastopna položaja izvora rendgenskog zraka)

4. Sa fluorografijom Slika sa velikog ekrana snima se na osetljiv film malog formata (slika 6). Tokom analize, slike se pregledavaju pomoću posebnog povećala.

Ova metoda se koristi za masovna istraživanja stanovništva. U ovom slučaju, izloženost zračenju pacijenta je mnogo manja nego kod tradicionalne fluoroskopije.

Rentgenska terapija- upotreba rendgenskog zračenja za uništavanje malignih tumora.

Biološki efekat zračenja je da poremeti vitalnu aktivnost tumorskih ćelija koje se brzo razmnožavaju. U ovom slučaju, energija R - fotona je 150-200 keV.

Viziografi (uređaji sa digitalnom obradom rendgenskih snimaka) u savremenoj stomatologiji

U stomatologiji rendgenski pregled je glavna dijagnostička metoda. Međutim, brojne tradicionalne organizacijske i tehničke karakteristike rendgenske dijagnostike čine je neudobnom kako za pacijente tako i za stomatološke ordinacije. To je, prije svega, potreba za kontaktom pacijenta sa jonizujućim zračenjem, koje često stvara značajno opterećenje zračenjem na tijelu; to je i potreba za fotoprocesom, a samim tim i potreba za fotoreagensima, uključujući i toksične. Ovo je, konačno, glomazna arhiva, teški fascikli i koverte sa rendgenskim filmovima.

Osim toga, sadašnji nivo razvoja stomatologije čini subjektivnu procjenu rendgenskih snimaka ljudskim okom nedovoljnom. Kako se ispostavilo, od mnoštva nijansi sive koje se nalaze na rendgenskom snimku, oko percipira samo 64.

Očigledno, da bi se dobila jasna i detaljna slika tvrdih tkiva dentalno-facijalnog sistema uz minimalno izlaganje zračenju, potrebna su druga rješenja. Danas je potraga dovela do stvaranja tzv. radiografskih sistema, video snimaka - digitalnih radiografskih sistema (1987, kompanija Trophy).

Bez tehničkih detalja, princip rada ovakvih sistema je sljedeći. Rentgensko zračenje prolazi kroz objekt ne na fotoosjetljivi film, već na poseban intraoralni senzor (posebna elektronska matrica). Odgovarajući signal iz matrice se prenosi na uređaj za digitalizaciju (analogno-digitalni pretvarač, ADC) povezan s računalom, koji ga pretvara u digitalni oblik. Specijalni softver kreira rendgensku sliku na ekranu računara i omogućava vam da je obradite, sačuvate na tvrdom ili fleksibilnom medijumu za skladištenje (tvrdi disk, disk) i odštampate je kao datoteku kao sliku.

U digitalnom sistemu, rendgenska slika je skup tačaka koje odgovaraju različitim nijansama sive. Optimizacija prikaza informacija koju pruža program omogućava da se dobije okvir koji je optimalan u svjetlini i kontrastu uz relativno nisku dozu zračenja.

U modernim sistemima, koje su kreirali, na primjer, Trophy (Francuska) ili Schick (SAD), koristi se 4096 nijansi sive pri formiranju okvira, vrijeme ekspozicije ovisi o objektu proučavanja i u prosjeku je stotinke - desetine drugo, smanjenje izloženosti zračenju u odnosu na film - do 90% za intraoralne sisteme, do 70% za panoramske snimatelje.

Prilikom obrade slika, videografi mogu:

1. Primajte pozitivne i negativne slike, slike u pseudo boji, reljefne slike.

2. Povećajte kontrast i uvećajte fragment slike od interesa.

3. Procijeniti promjene u gustini zubnih tkiva i koštanih struktura, kontrolirati ujednačenost punjenja kanala.

4. U endodonciji odrediti dužinu kanala bilo koje zakrivljenosti, au hirurgiji odabrati veličinu implantata sa tačnošću od 0,1 mm.

Jedinstveni sistem detektora karijesa sa elementima veštačke inteligencije prilikom analize slike omogućava vam da detektujete karijes u stadijumu tačke, karijes korena i skriveni karijes.

Riješiti probleme:

1. Koliko puta je maksimalna energija kvanta kočnog rendgenskog zračenja proizvedena pri naponu cijevi od 80 kV veća od energije fotona koji odgovara zelenom svjetlu s talasnom dužinom od 500 nm?

2. Odrediti minimalnu talasnu dužinu u spektru zračenja koje je rezultat usporavanja ubrzanih elektrona u betatronu do energije od 60 MeV na meti.

3. Sloj poluslabljenja monohromatskih rendgenskih zraka u određenoj supstanci je 10 mm. Pronađite stopu slabljenja ovog zračenja u ovoj tvari.

[*] Φ l je omjer energije emitirane u uskom rasponu valnih dužina u 1 s. na širinu ovog intervala

* „F“ u formuli (4) se odnosi na čitav opseg emitovanih talasnih dužina i često se naziva „Integralni energetski tok“.