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

Ako se U izrazi u kilovoltima i uzme u obzir odnos između ostalih veličina, tada 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 ustanoviti da je valna duljina l m, koja odgovara maksimalnoj energiji zračenja, u stalnom odnosu s graničnom valnom duljinom l k:

.

Valna duljina karakterizira energiju fotona, o kojoj ovisi sposobnost prodora zračenja u interakciji s materijom.

Kratkovalno rendgensko zračenje obično ima veliku prodornu moć i naziva se tvrdo, dok se dugovalno rendgensko zračenje naziva meko. Kao što se može vidjeti iz gornje formule, valna duljina 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 mijenja napon žarne niti (temperatura žarne niti katode se mijenja), mijenja se broj elektrona koje katoda emitira po jedinici vremena, odnosno, sukladno tome, mijenja se jakost struje u krugu anode cijevi. U tom se slučaju snaga zračenja mijenja proporcionalno prvoj snazi ​​jakosti struje. Spektralni sastav zračenja neće se promijeniti.

Ukupni fluks (snaga) zračenja, raspodjela energije po valnim duljinama, kao i granica spektra na strani kratkih valnih duljina ovisi o sljedeća tri razloga: naponu U koji ubrzava elektrone i primjenjuje se između anode i katode cijevi. ; broj elektrona uključenih u stvaranje zračenja, tj. struja žarne niti cijevi; atomski broj Z tvari anode u kojoj dolazi do usporavanja elektrona.

Tok kočnog zračenja X-zraka izračunava se pomoću formule: , gdje je ,

Z-atomski broj tvari (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. Nastaje pri prijelazu elektrona između unutarnjih ljuski 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 se pomiču na slobodna mjesta, uslijed čega se emitiraju fotoni X-zraka s frekvencijom koja odgovara razlici u prijelaznim energetskim razinama. Linije u spektru karakterističnog zračenja spojene su u serije koje odgovaraju prijelazima elektrona s višom razinom na K, L, M razini.

Vanjski utjecaj, uslijed kojeg dolazi do izbacivanja elektrona iz unutarnjih slojeva, mora biti dosta jak. Za razliku od optičkih spektara, karakteristični rendgenski spektri različitih atoma su iste vrste. Uniformnost ovih spektara je zbog činjenice da su unutarnji slojevi različitih atoma identični i razlikuju se samo u energiji, jer utjecaj sile iz jezgre raste kako raste redni broj elementa. To dovodi do činjenice da se karakteristični spektri pomiču prema višim frekvencijama s povećanjem nuklearnog naboja. Ovaj odnos je poznat kao Moseleyev zakon: , gdje su A i B konstante; Z-redni broj elementa.

Postoji još jedna razlika između rendgenskog i optičkog spektra. Karakteristični spektar atoma ne ovisi o kemijskom spoju 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 bitno razlikuju. Ova značajka spektra rendgenskih zraka atoma poslužila je kao osnova za naziv "karakteristika".

Karakteristično zračenje nastaje uvijek kada u unutarnjim slojevima atoma postoje slobodni prostori, bez obzira na razloge koji su ga uzrokovali. Na primjer, prati jednu vrstu radioaktivnog raspada, koji uključuje hvatanje elektrona iz unutarnjeg sloja od strane jezgre.

2. Raspored rendgenskih cijevi i protozoa

Rendgen.

Najčešći izvor rendgenskog zračenja je rendgenska cijev – vakuumski uređaj s dvije elektrode (slika 3). To je stakleni balon (p = 10 -6 – 10 -7 mm Hg) s dvije elektrode - anodom A i katodom K, između kojih se stvara visoki napon. Zagrijana katoda (K) emitira elektrone. Anoda A se često naziva antikatoda. Ima nagnutu površinu kako bi se rezultirajuće rendgensko zračenje usmjerilo pod kutom u odnosu na os cijevi. Anoda je izrađena od metala s dobrom toplinskom vodljivošću (bakar) kako bi se uklonila toplina koja se stvara pri udaru elektrona. Na zakošenom kraju anode nalazi se ploča 3 od vatrostalnog metala (volframa) s visokim atomskim brojem, koja se naziva anodno zrcalo. U nekim slučajevima, anoda se posebno hladi vodom ili uljem. Za dijagnostičke cijevi važna je preciznost izvora X-zraka, što se postiže 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 rasporediti elektrone na različita područja anode. anoda. Zbog toga se neke rendgenske cijevi proizvode s rotirajućom anodom.

U cijevi bilo kojeg dizajna, elektroni, ubrzani naponom između anode i katode, padaju na zrcalo anode i prodiru duboko u tvar, stupaju u interakciju s atomima i bivaju inhibirani poljem atoma. Ovo proizvodi kočno zračenje X-zraka. Istovremeno s kočnim zračenjem stvara se mala količina (nekoliko posto) karakterističnog zračenja. Samo 1-2% elektrona koji udare u anodu uzrokuje kočno zračenje, a ostalo je toplinski učinak. Za koncentriranje elektrona, katoda ima kapicu za vođenje. Dio volframovog zrcala na koji pada glavni tok elektrona naziva se žarište cijevi. Širina snopa zračenja ovisi o njegovom području (oštrini fokusa).

Za napajanje cijevi potrebna su dva izvora: izvor visokog napona za anodni krug i izvor niskog (6-8 V) izvora za napajanje kruga sa žarnom niti. Oba izvora moraju biti neovisno regulirana. Promjenom anodnog napona regulira se tvrdoća rendgenskog zračenja, a promjenom žarne niti regulira se izlazna struja kruga i sukladno tome snaga zračenja.

Osnovna električna shema jednostavnog rendgenskog aparata prikazana je na sl. 4. Krug ima dva transformatora Tr.1 za visoki napon i Tr.2 za napajanje sa žarnom niti. Visoki napon na cijevi reguliran je autotransformatorom Tr.3, spojenim na primarni namot transformatora Tr.1. Prekidač K regulira broj zavoja namota autotransformatora. U tom smislu, mijenja se i napon sekundarnog namota transformatora, koji se dovodi na anodu cijevi, tj. tvrdoća je podesiva.

Struja žarne niti cijevi regulirana je reostatom R spojenim na krug primarnog namota transformatora Tr.2. Struja anodnog kruga mjeri se miliampermetrom. Napon koji se dovodi na elektrode cijevi mjeri se kilovoltmetrom kV, ili se napon u anodnom krugu može procijeniti po položaju prekidača K. ​​Količina struje žarne niti, regulirana reostatom, mjeri se ampermetrom A. U razmatranom krugu rentgenska cijev istovremeno ispravlja visoki izmjenični napon.

Lako je vidjeti da takva cijev emitira samo jedan poluciklus izmjenične struje. Zbog toga će njegova snaga 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 premosni krug. U jednu dijagonalu mosta uključena je rentgenska cijev.

3. Interakcija X-zraka s materijom

(koherentno raspršenje, nekoherentno raspršenje, fotoelektrični efekt).

Kada rendgensko zračenje padne na tijelo, malo se reflektira od njega, ali uglavnom prolazi duboko u njega. U masi tijela zračenje se djelomično apsorbira, djelomično raspršuje, a djelomično prolazi. Prolazeći kroz tijelo, fotoni X-zraka stupaju u interakciju uglavnom s elektronima atoma i molekula tvari. Registriranje i korištenje X-zračenja, kao i njegov utjecaj na biološke objekte, određeno je primarnim procesima interakcije fotona X-zraka s elektronima. Ovisno o omjeru energije fotona E i energije ionizacije A I odvijaju se tri glavna procesa.

A) Koherentno raspršenje.

Raspršenje dugovalnih X-zraka događa se uglavnom bez promjene valne duljine i naziva se koherentnim. Interakcija fotona s elektronima unutarnjih ljuski, čvrsto vezanih za jezgru, mijenja samo njegov smjer, ne mijenjajući mu energiju, a time i valnu duljinu (slika 5).

Do koherentnog raspršenja dolazi ako je energija fotona manja od energije ionizacije: 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 raspršenje (Comptonov efekt).

Godine 1922. A. Compton, promatrajući raspršenje tvrdih X-zraka, otkrio je smanjenje prodorne moći raspršenog snopa u usporedbi s upadnim snopom. Raspršenje X-zraka s promjenama valne duljine naziva se Comptonov efekt. Nastaje kada foton bilo koje energije stupi u interakciju s elektronima vanjskih ljuski atoma koji su slabo vezani za jezgru (slika 6). Elektron se uklanja iz atoma (takvi elektroni se nazivaju povratni elektroni). Energija fotona se smanjuje (prema tome se povećava valna duljina), a mijenja se i smjer njegova kretanja. Comptonov efekt nastaje ako je energija fotona X-zraka veća od energije ionizacije: , . U tom slučaju pojavljuju se povratni elektroni s kinetičkom energijom E K. Atomi i molekule postaju ioni. Ako je E K značajan, tada elektroni mogu sudarom ionizirati susjedne atome, stvarajući nove (sekundarne) elektrone.

V) Foto efekt.

Ako je energija fotona hn dovoljna za odvajanje elektrona, tada se u interakciji s atomom foton apsorbira i elektron se od njega odvaja. Taj se fenomen naziva fotoelektrični efekt. Atom je ioniziran (fotoionizacija). U tom slučaju elektron dobiva kinetičku energiju i, ako je potonji značajan, može ionizirati susjedne atome sudarom, stvarajući nove (sekundarne) elektrone. Ako je energija fotona nedovoljna za ionizaciju, tada se fotoelektrični efekt može očitovati u ekscitaciji atoma ili molekule. U nekim tvarima to dovodi do naknadne emisije fotona u vidljivom području (rendgenska luminiscencija), au tkivima do aktivacije molekula i fotokemijskih reakcija.

Fotoelektrični efekt karakterističan je za fotone s energijom reda veličine 0,5-1 MeV.

Tri glavna interakcijska procesa o kojima se gore govori su primarni, oni dovode do naknadnih sekundarnih, tercijarnih itd. pojave. Kada X-zrake uđu u tvar, mogu se dogoditi brojni procesi prije nego što se energija fotona X-zraka pretvori u energiju toplinskog gibanja.

Kao rezultat navedenih procesa, primarni tok rendgenskog zračenja je oslabljen. Ovaj proces slijedi Bouguerov zakon. Zapišimo to u obliku: F = F 0 e - mh, gdje je m linearni koeficijent slabljenja, ovisno o prirodi tvari (uglavnom o gustoći i atomskom broju) i o valnoj duljini zračenja (energiji fotona) . Može se predstaviti tako da se sastoji od tri člana koji odgovaraju koherentnom raspršenju, nekoherentnom raspršenju i fotoelektričnom učinku: .

Budući da koeficijent linearne apsorpcije ovisi o gustoći tvari, oni radije koriste koeficijent prigušenja mase, koji je jednak omjeru koeficijenta linearne atenuacije prema gustoći apsorbera i ne ovisi o gustoći tvari. Ovisnost toka (intenziteta) X-zraka o debljini apsorbirajućeg filtra prikazana je na sl. 7 za H 2 O, Al i Cu. Izračuni pokazuju da sloj vode debljine 36 mm, aluminija 15 mm i bakra 1,6 mm smanjuje intenzitet X-zračenja za 2 puta. Ova debljina se naziva poluslojna debljina d. Ako tvar prigušuje rendgensko zračenje za pola, tada , Zatim , ili , ; ; . Znajući debljinu polusloja, uvijek možete odrediti m. Dimenzija.

4. Primjena X-zraka u medicini

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

Jedna od najčešćih primjena rendgenskog zračenja u medicini je pregled unutarnjih 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 učinkom. Njegova vrijednost je proporcionalna l 3 (čime se očituje visoka prodorna sposobnost tvrdog zračenja) i proporcionalna trećoj potenciji broja atoma tvari - apsorbera: , gdje je K koeficijent proporcionalnosti.

Ljudsko tijelo sastoji se od tkiva i organa koji imaju različite sposobnosti apsorpcije rendgenskog zračenja. Stoga, kada se osvijetli rendgenskim zrakama, na ekranu se dobiva nejednolika slika sjene koja daje sliku o položaju unutarnjih organa i tkiva. Najgušća tkiva koja apsorbiraju zračenje (srce, velike žile, kosti) su vidljiva tamna, a tkiva koja najmanje apsorbiraju (pluća) su svijetla.

U mnogim slučajevima moguće je prosuditi njihovo normalno ili patološko stanje. Rentgenska dijagnostika koristi dvije glavne metode: fluoroskopiju (transmisija) i radiografiju (slika). Ako organ koji se proučava i tkiva koja ga okružuju apsorbiraju tok X-zraka približno jednako, tada se koriste posebna kontrastna sredstva. Na primjer, uoči rendgenskog pregleda želuca ili crijeva daje se kašasta masa barijevog sulfata, u ovom slučaju možete vidjeti njihovu sliku u sjeni. U fluoroskopiji i radiografiji, rendgenska slika je zbirna slika cijele debljine predmeta kroz koji prolaze rendgenske zrake. Najjasnije se ocrtavaju oni detalji koji su najbliži platnu ili filmu, dok oni udaljeni postaju nejasni i mutni. Ako postoji patološki promijenjeno područje u nekom organu, na primjer, uništenje plućnog tkiva unutar velikog žarišta upale, tada se u nekim slučajevima ovo područje može "izgubiti" na radiografiji u zbroju sjena. Da bi bio vidljiv, koristi se posebna metoda - tomografija (snimanje slojeva po slojevima), koja vam omogućuje dobivanje slika pojedinih slojeva proučavanog područja. Ovakve sloj-po-sloj slike-tomogrami dobivaju se pomoću posebnog aparata koji se naziva tomograf, u kojem se rendgenska cijev (RT) i fotografski film (FP) povremeno pomiču zajedno, u protufazi, u odnosu na područje studija U tom će slučaju X-zrake na bilo kojem položaju RT proći kroz istu točku objekta (promijenjeno područje), a to je središte u odnosu na koje se događa periodično kretanje RT i FP. Slika u sjeni područja bit će snimljena na filmu. Promjenom položaja "centra ljuljačke" moguće je dobiti sloj po sloj slike objekta. Pomoću tankog snopa rendgenskog zračenja, posebnog ekrana (umjesto FP) koji se sastoji od poluvodičkih detektora ionizirajućeg zračenja, moguće je obraditi sliku tijekom tomografije pomoću računala. Ova moderna verzija tomografije naziva se kompjutorizirana tomografija. Tomografija se široko koristi u proučavanju pluća, bubrega, žučnog mjehura, želuca, kostiju itd.

Svjetlina slike na ekranu i vrijeme ekspozicije na filmu ovise o intenzitetu rendgenskog zračenja. Kada se koristi za dijagnostiku, intenzitet ne smije biti visok kako ne bi došlo do nepoželjnog biološkog učinka. 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 dobiva na osjetljivom filmu malog formata. Prilikom snimanja koristi se leća s velikim otvorom blende, a gotove slike pregledavaju se pomoću posebnog povećala.

Fluorografija kombinira veću sposobnost otkrivanja skrivenih bolesti (bolesti prsnih organa, gastrointestinalnog trakta, paranazalnih sinusa itd.) Sa značajnom propusnošću, pa je stoga vrlo učinkovita metoda masovnog (in-line) istraživanja.

Budući da se fotografiranje rendgenske slike tijekom fluorografije vrši pomoću fotografske optike, slika na fluorogramu je smanjena u usporedbi s rendgenskom snimkom. S tim u vezi, rezolucija fluorograma (tj. vidljivost sitnih detalja) manja je od one konvencionalne radiografije, ali je veća nego kod fluoroskopije.

Konstruiran je uređaj - tomofluorograf, koji omogućuje dobivanje fluorograma dijelova tijela i pojedinih organa na zadanoj dubini - tzv. sloj-po-sloj slika (odrezaka) - tomofluorograma.

X-zračenje se također koristi u terapijske svrhe (rentgenska terapija). Biološki učinak zračenja je poremećaj vitalne aktivnosti stanica, osobito onih koje se brzo razvijaju. U tom smislu, terapija X-zrakama se koristi za liječenje malignih tumora. Moguće je odabrati dozu zračenja koja je dovoljna da potpuno uništi tumor s relativno malim oštećenjem okolnog zdravog tkiva, koje se obnavlja naknadnom regeneracijom.

Intenzitet- kvantitativna karakteristika rendgenskog zračenja, koja se izražava brojem zraka koje emitira cijev u jedinici vremena. Intenzitet rendgenskog zračenja mjeri se u miliamperima. Uspoređujući ga s intenzitetom vidljive svjetlosti konvencionalne žarulje sa žarnom niti, možemo povući analogiju: na primjer, žarulja od 20 W svijetlit će jednim intenzitetom, odnosno snagom, a žarulja od 200 W svijetlit će drugim, dok kvaliteta same svjetlosti (njegovog spektra) je ista. Intenzitet X-zraka je u biti njegova količina. Svaki elektron stvara jedan ili više kvanta zračenja na anodi, stoga se broj X-zraka pri izlaganju objekta regulira promjenom broja elektrona koji teže anodi i broja interakcija elektrona s atomima volframove mete. , što se može učiniti na dva načina:

1. Promjenom stupnja zagrijavanja katodne spirale pomoću silaznog transformatora (broj elektrona generiranih tijekom emisije ovisit će o tome koliko je volframova spirala vruća, a broj kvanti zračenja ovisit će o broju elektrona) ;

2. Promjenom vrijednosti visokog napona koji pojačani transformator dovodi do polova cijevi - katode i anode (što je veći napon doveden do polova cijevi, elektroni dobivaju veću kinetičku energiju. , koji zbog svoje energije mogu zauzvrat komunicirati s nekoliko atoma anodne tvari - vidi. riža. 5; elektroni s niskom energijom moći će stupati u manje interakcija).

Intenzitet X-zraka (anodna struja) pomnožen s vremenom ekspozicije (vrijeme rada cijevi) odgovara ekspoziciji X-zrakama, koja se mjeri u mAs (miliamperima po sekundi). Ekspozicija je parametar koji, kao i intenzitet, karakterizira broj zraka koje emitira rendgenska cijev. Jedina razlika je u tome što ekspozicija uzima u obzir i vrijeme rada cijevi (npr. ako cijev radi 0,01 sekundu, tada će broj zraka biti jedan, a ako 0,02 sekunde, tada će broj zraka biti drugačije - dva puta više). Izloženost zračenju postavlja radiolog na upravljačkoj ploči rendgenskog aparata, ovisno o vrsti pretrage, veličini predmeta koji se pregledava i dijagnostičkom zadatku.

Krutost- kvalitativne karakteristike rendgenskog zračenja. Mjeri se veličinom visokog napona na cijevi - u kilovoltima. Određuje moć prodora rendgenskih zraka. Regulira se visokim naponom kojim se rendgenska cijev dovodi preko transformatora za povećanje. Što je veća razlika potencijala stvorena na elektrodama cijevi, to se više sile elektroni odbijaju od katode i hrle prema anodi te je njihov sraz s anodom jači. Što je njihov sraz jači, to je kraća valna duljina rezultirajućeg rendgenskog zračenja i veća je prodornost tog vala (odnosno tvrdoća zračenja, koja se, kao i intenzitet, regulira na upravljačkoj ploči parametrom napona na cijev - kilonapon).

Riža. 7 - Ovisnost valne duljine o energiji vala:

λ - valna duljina;
E - energija valova

· Što je veća kinetička energija pokretnih elektrona, to je jači njihov udar na anodu i kraća je valna duljina rezultirajućeg rendgenskog zračenja. Rendgensko zračenje duge valne duljine i male prodorne moći naziva se „meko“, a rendgensko zračenje kratke valne duljine i velike prodorne moći naziva se „tvrdo“.

Riža. 8 - Odnos između napona na rendgenskoj cijevi i valne duljine rezultirajućeg rendgenskog zračenja:

· Što je veći napon primijenjen na polove cijevi, to je jača razlika potencijala na njima, stoga će kinetička energija pokretnih elektrona biti veća. Napon na cijevi određuje brzinu elektrona i silu njihovog sudara s tvar anode, dakle, napon određuje valnu duljinu rezultirajućeg rendgenskog zračenja.

X-zrake (sinonim X-zrake) su širokog raspona valnih duljina (od 8·10 -6 do 10 -12 cm). X-zračenje nastaje kada se nabijene čestice, najčešće elektroni, usporavaju u električnom polju atoma tvari. Kvanti koji nastaju u ovom slučaju imaju različite energije i tvore kontinuirani spektar. Maksimalna energija kvanta u takvom spektru jednaka je energiji upadnih elektrona. U (cm.) maksimalna energija kvanta X-zraka, izražena u kiloelektron-voltima, numerički je jednaka veličini napona primijenjenog na cijev, izraženom u kilovoltima. Kada X-zrake prolaze kroz tvar, one stupaju u interakciju s elektronima njezinih atoma. Za kvante rendgenskih zraka s energijama do 100 keV najkarakterističniji tip interakcije je fotoelektrični efekt. Kao rezultat takve interakcije, energija kvanta se u potpunosti troši na kidanje elektrona iz atomske ljuske i prenošenje kinetičke energije na njega. Povećanjem energije kvanta X-zraka smanjuje se vjerojatnost fotoelektričnog efekta i prevladava proces raspršenja kvanta na slobodnim elektronima - tzv. Comptonov efekt. Kao rezultat takve interakcije također nastaje sekundarni elektron, a uz to se emitira kvant s energijom manjom od energije primarnog kvanta. Ako energija kvanta X-zraka prelazi jedan megaelektron-volt, može doći do takozvanog efekta uparivanja, u kojem nastaju elektron i pozitron (vidi). Posljedično, kada prolazi kroz tvar, energija rendgenskog zračenja se smanjuje, odnosno smanjuje se njegov intenzitet. Budući da se s većom vjerojatnošću javlja apsorpcija niskoenergetskih kvanta, rendgensko zračenje obogaćeno je kvantima više energije. Ovo svojstvo rendgenskog zračenja koristi se za povećanje prosječne energije kvanta, tj. za povećanje njegove tvrdoće. Povećanje tvrdoće rendgenskog zračenja postiže se pomoću posebnih filtara (vidi). X-zračenje se koristi za rendgensku dijagnostiku (vidi) i (vidi). Vidi također Ionizirajuće zračenje.

Rendgensko zračenje (sinonim: x-zrake, x-zrake) je kvantno elektromagnetsko zračenje valne duljine 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 elektromagnetskog 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 golemog spektra elektromagnetskog zračenja, koji uključuje i radio valove i vidljivu svjetlost, rendgensko zračenje, kao i svako elektromagnetsko zračenje, širi se brzinom svjetlosti (u vakuumu od oko 300 tisuća km/ sec) i karakterizirana je valnom duljinom λ (udaljenost koju radijacija putuje u jednoj periodi titranja). X-zračenje ima i niz drugih valnih svojstava (lom, interferencija, difrakcija), ali ih je mnogo teže promatrati od zračenja dužih valnih duljina: 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 s 1 mm Cu, a2 - spektar filtriran s 2 mm Cu, b - K-serija volframovih linija.

Za generiranje rendgenskog zračenja koriste se rendgenske cijevi (vidi), u kojima se zračenje javlja kada brzi elektroni komuniciraju s atomima anodne tvari. Postoje dvije vrste rendgenskog zračenja: kočno i karakteristično. X-zrake kočnog zračenja imaju kontinuirani spektar, sličan običnoj bijeloj svjetlosti. Raspodjela intenziteta ovisno o valnoj duljini (sl.) predstavljena je krivuljom s maksimumom; prema dugim valovima krivulja pada ravno, a prema kratkim valovima pada strmo i završava na određenoj valnoj duljini (λ0), koja se naziva kratkovalna granica kontinuiranog spektra. Vrijednost λ0 obrnuto je proporcionalna naponu na cijevi. Kočno zračenje nastaje kada brzi elektroni međudjeluju s atomskim jezgrama. Intenzitet kočnog zračenja izravno je proporcionalan jakosti anodne struje, kvadratu napona na cijevi i atomskom broju (Z) tvari anode.

Ako energija elektrona ubrzanih u rendgenskoj cijevi prijeđe vrijednost kritičnu za tvar anode (tu energiju određuje napon Vcr kritičan za tu tvar na cijevi), dolazi do karakterističnog zračenja. Karakteristični spektar je linijast, njegove spektralne linije tvore serije, označene slovima K, L, M, N.

Serija K je najkraća valna duljina, serija L je duža valna duljina, serije M i N promatraju se 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 izbacuju atomske elektrone iz njihovih unutarnjih ljuski. Atom je pobuđen i zatim se vraća u osnovno stanje. U tom slučaju elektroni iz vanjskih, slabije vezanih ljuski ispunjavaju prazne prostore u unutarnjim ljuskama, a emitiraju se fotoni karakterističnog zračenja s energijom jednakom razlici energija atoma u pobuđenom i osnovnom stanju. Ta razlika (a time 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 elektrona ubrzanih u rendgenskoj cijevi gotovo se u potpunosti pretvara u toplinsku energiju (anoda se jako zagrije), samo mali dio (oko 1% pri naponu blizu 100 kV) pretvara se u energiju kočnog zračenja.

Primjena X-zraka u medicini temelji se na zakonima apsorpcije X-zraka u tvari. Apsorpcija rendgenskog zračenja potpuno je neovisna o optičkim svojstvima tvari apsorbera. Bezbojno i prozirno olovno staklo, koje se koristi za zaštitu osoblja u rendgenskim sobama, gotovo potpuno apsorbira rendgenske zrake. Nasuprot tome, list papira koji nije proziran za svjetlost ne prigušuje x-zrake.

Intenzitet homogene (tj. određene valne duljine) zrake X-zraka koja prolazi kroz sloj apsorbera opada prema eksponencijalnom zakonu (e-x), gdje je e baza prirodnih logaritama (2,718), a eksponent x je jednak umnožak masenog koeficijenta prigušenja (μ /p) cm 2 /g po debljini apsorbera u g/cm 2 (ovdje je p gustoća tvari u g/cm 3). Do slabljenja rendgenskog zračenja dolazi i zbog raspršenja i zbog apsorpcije. Prema tome, koeficijent prigušenja mase je zbroj koeficijenata apsorpcije i raspršenja mase. Maseni koeficijent apsorpcije naglo raste s povećanjem atomskog broja (Z) apsorbera (proporcionalno Z3 ili Z5) i s povećanjem valne duljine (proporcionalno λ3). Ova ovisnost o valnoj duljini opaža se unutar apsorpcijskih vrpci, na čijim granicama koeficijent pokazuje skokove.

Maseni koeficijent raspršenja raste s povećanjem atomskog broja tvari. Pri λ≥0,3Å koeficijent raspršenja ne ovisi o valnoj duljini, pri λ<0,ЗÅ он уменьшается с уменьшением λ.

Smanjenje koeficijenata apsorpcije i raspršenja sa smanjenjem valne duljine uzrokuje povećanje prodorne moći rendgenskog zračenja. Koeficijent apsorpcije mase za kosti [prijem je uglavnom posljedica Ca 3 (PO 4) 2 ] gotovo je 70 puta veći nego za meko tkivo, gdje je primanje uglavnom posljedica vode. To objašnjava zašto se sjena kostiju tako oštro ističe na pozadini mekog tkiva na radiografiji.

Širenje nejednolike zrake X zraka kroz bilo koji medij, uz smanjenje intenziteta, prati promjena spektralnog sastava i promjena kvalitete zračenja: dugovalni dio spektra je apsorbira u većoj mjeri od kratkovalnog dijela, zračenje postaje jednoličnije. Filtriranje dugovalnog dijela spektra omogućuje, tijekom terapije rendgenskim zrakama lezija smještenih duboko u ljudskom tijelu, poboljšanje omjera između dubokih i površinskih doza (vidi filtre rendgenskih zraka). Kako bi se okarakterizirala kvaliteta nehomogenog snopa X-zraka, koristi se koncept "sloja poluprigušenja (L)" - sloj tvari koji prigušuje zračenje za pola. Debljina ovog sloja ovisi o naponu na cijevi, debljini i materijalu filtera. Za mjerenje slojeva poluprigušenja koriste se celofan (energija do 12 keV), aluminij (20-100 keV), bakar (60-300 keV), olovo i bakar (>300 keV). Za X-zrake generirane na naponima od 80-120 kV, 1 mm bakra je ekvivalentan kapacitetu filtriranja od 26 mm aluminija, 1 mm olova je ekvivalentan 50,9 mm aluminija.

Apsorpcija i raspršenje rendgenskog zračenja posljedica je njegovih korpuskularnih svojstava; X-zračenje stupa u interakciju s atomima kao tok korpuskula (čestica) - fotona, od kojih svaki ima određenu energiju (obrnuto proporcionalnu valnoj duljini X-zračenja). Energetski raspon fotona X zraka je 0,05-500 keV.

Apsorpcija rendgenskog zračenja je posljedica fotoelektričnog efekta: apsorpcija fotona elektronskom ljuskom popraćena je izbacivanjem elektrona. Atom je pobuđen i, vraćajući se u osnovno stanje, emitira karakteristično zračenje. Emitirani fotoelektron odnosi svu energiju fotona (minus energija vezanja elektrona u atomu).

Raspršenje rendgenskih zraka uzrokuju elektroni u raspršnom mediju. Razlikuju se klasično raspršenje (valna duljina zračenja se ne mijenja, ali se mijenja smjer širenja) i raspršenje s promjenom valne duljine - Comptonov efekt (valna duljina raspršenog zračenja veća je od upadnog zračenja ). U potonjem slučaju foton se ponaša kao lopta koja se kreće, a raspršenje fotona događa se, prema Comtonovom slikovitom izrazu, kao igranje biljara s fotonima i elektronima: sudarajući se s elektronom, foton mu predaje dio svoje energije i raspršen, s manjom energijom (prema tome se povećava valna duljina raspršenog zračenja), elektron izleti iz atoma s povratnom energijom (ti se elektroni nazivaju Comptonovi elektroni, ili povratni elektroni). Apsorpcija energije X-zraka događa se tijekom stvaranja sekundarnih elektrona (Comptona i fotoelektrona) i prijenosa energije na njih. Energija X-zračenja prenesena na jedinicu mase tvari određuje apsorbiranu dozu X-zračenja. Jedinica ove doze 1 rad odgovara 100 erg/g. Uslijed apsorbirane energije u supstanci apsorbera odvija se niz sekundarnih procesa koji su važni za rendgensku dozimetriju jer se na njima temelje metode mjerenja rendgenskog zračenja. (vidi Dozimetrija).

Svi plinovi i mnoge tekućine, poluvodiči i dielektrici povećavaju električnu vodljivost kada su izloženi X-zrakama. Vodljivost se otkriva najboljim izolacijskim materijalima: parafinom, tinjcem, gumom, jantarom. Promjena vodljivosti uzrokovana je ionizacijom medija, tj. razdvajanjem neutralnih molekula na pozitivne i negativne ione (ionizaciju proizvode sekundarni elektroni). Ionizacija u zraku koristi se za određivanje doze izloženosti X-zrakama (doze u zraku), koja se mjeri u rendgenima (vidi Doze ionizirajućeg zračenja). Pri dozi od 1 r apsorbirana doza u zraku iznosi 0,88 rad.

Pod utjecajem rendgenskog zračenja, kao rezultat ekscitacije molekula tvari (i tijekom rekombinacije iona), u mnogim slučajevima dolazi do ekscitacije vidljivog sjaja tvari. Pri visokim intenzitetima rendgenskog zračenja opaža se vidljivi sjaj u zraku, papiru, parafinu itd. (iznimka su metali). Najveći prinos vidljive luminiscencije osiguravaju kristalni fosfori kao što su Zn·CdS·Ag-fosfor i drugi koji se koriste za zaslone za fluoroskopiju.

Pod utjecajem rendgenskog zračenja u tvari se mogu odvijati i razni kemijski procesi: razgradnja spojeva srebrnog halida (fotografski efekt koji se koristi u rendgenskoj fotografiji), razgradnja vode i vodenih otopina vodikovog peroksida, promjena svojstava celuloida (zamućenje i oslobađanje kamfora), parafina (zamućenje i izbjeljivanje) .

Kao rezultat potpune pretvorbe, sva energija koju apsorbira kemijski inertna tvar, rendgensko zračenje, pretvara se u toplinu. Mjerenje vrlo malih količina topline zahtijeva vrlo osjetljive metode, ali je glavna metoda za apsolutna mjerenja X-zračenja.

Sekundarni biološki učinci izloženosti rendgenskom zračenju osnova su medicinske terapije rendgenskim zrakama (vidi). X-zračenje, čiji su kvanti 6-16 keV (efektivne valne duljine od 2 do 5 Å), gotovo u potpunosti apsorbira kožno tkivo ljudskog tijela; nazivaju se granične zrake, ili ponekad Buccine zrake (vidi Buccine zrake). Za duboku rendgensku terapiju koristi se tvrdo filtrirano zračenje s kvantima efektivne energije od 100 do 300 keV.

O biološkom učinku rendgenskog zračenja treba voditi računa ne samo tijekom rendgenske terapije, već i tijekom rendgenske dijagnostike, kao i u svim drugim slučajevima kontakta s rendgenskim zračenjem koji zahtijevaju primjenu zaštite od zračenja. (vidjeti).

RTG

RTG

nevidljivo zračenje koje može prodrijeti, iako u različitim stupnjevima, kroz sve tvari. Radi se o elektromagnetskom zračenju valne duljine oko 10-8 cm Poput vidljive svjetlosti, rendgensko zračenje uzrokuje zacrnjenje fotografskog filma. Ovo svojstvo je važno za medicinu, industriju i znanstvena istraživanja. Prolazeći kroz predmet koji se proučava, a zatim pada na fotografski film, rendgensko zračenje na njemu prikazuje njegovu unutarnju strukturu. Budući da se moć prodora rendgenskog zračenja razlikuje za različite materijale, dijelovi predmeta koji su za njega manje prozirni stvaraju svjetlija područja na fotografiji od onih kroz koje zračenje dobro prodire. Stoga je koštano tkivo manje prozirno za rendgenske zrake od tkiva koje čini kožu i unutarnje organe. Stoga će se na rendgenskoj snimci kosti pojaviti kao svjetlije površine, a mjesto prijeloma, koje je prozirnije za zračenje, može se vrlo lako otkriti. X-zrake se također koriste u stomatologiji za otkrivanje karijesa i apscesa u korijenu zuba, au industriji za otkrivanje pukotina u odljevcima, plastici i gumi. X-zrake se koriste u kemiji za analizu spojeva, au fizici za proučavanje strukture kristala. X-zraka koja prolazi kroz kemijski spoj proizvodi karakteristično sekundarno zračenje, čija spektroskopska analiza omogućuje kemičaru određivanje sastava spoja. Kada snop X-zraka padne na kristalnu tvar, raspršuje ga atomi kristala, dajući jasnu, pravilnu sliku mrlja i pruga na fotografskoj ploči, što omogućuje utvrđivanje unutarnje strukture kristala. . Korištenje X-zraka u liječenju raka temelji se na činjenici da ono ubija stanice raka. Međutim, može imati i neželjene učinke na normalne stanice. Stoga je potreban krajnji oprez pri korištenju X-zraka na ovaj način. X-zračenje je otkrio njemački fizičar W. Roentgen (1845-1923). Njegovo je ime ovjekovječeno u nekoliko drugih fizičkih izraza povezanih s ovim zračenjem: rendgen je međunarodna jedinica doze ionizirajućeg zračenja; slika snimljena rendgenskim aparatom naziva se radiografija; Područje radiološke medicine koje koristi x-zrake za dijagnosticiranje i liječenje bolesti naziva se radiologija. Roentgen je otkrio zračenje 1895. dok je bio profesor fizike na Sveučilištu u Würzburgu. Dok je provodio pokuse s katodnim zrakama (strujanje elektrona u cijevima za pražnjenje), primijetio je da ekran smješten u blizini vakuumske cijevi, prekriven kristalnim barijevim cijanoplatinitom, jako svijetli, iako je sama cijev bila prekrivena crnim kartonom. Roentgen je nadalje utvrdio da sposobnost prodiranja nepoznatih zraka koje je otkrio, a koje je nazvao X-zrake, ovisi o sastavu apsorbirajućeg materijala. Dobio je i sliku kostiju vlastite ruke tako što ju je stavio između izbojne cijevi s katodnim zrakama i zaslona obloženog barijevim cijanoplatinitom. Nakon Roentgenovog otkrića uslijedili 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 prolazu kroz kristal; W. Coolidge, koji je 1913. izumio visokovakuumsku rentgensku cijev s grijanom katodom; G. Moseley, koji je 1913. godine utvrdio odnos između valne duljine zračenja i atomskog broja elementa; G. i L. Bragg, koji su 1915. godine dobili Nobelovu nagradu za razvoj osnova rendgenske strukturne analize. PRIMANJE RTG SNIMAKA Rendgensko zračenje nastaje kada elektroni koji se kreću velikom brzinom komuniciraju s materijom. Kada se elektroni sudare s atomima bilo koje tvari, brzo gube svoju kinetičku energiju. U tom slučaju većina se pretvara u toplinu, a mali dio, obično manji od 1%, pretvara se u energiju X-zraka. Ta se energija oslobađa u obliku kvanta - čestica zvanih fotoni, koje imaju energiju, ali čija je masa mirovanja nula. Fotoni X zraka razlikuju se po energiji koja je obrnuto proporcionalna njihovoj valnoj duljini. Konvencionalna metoda proizvodnje X-zraka proizvodi širok raspon valnih duljina, što se naziva spektrom X-zraka. Spektar sadrži izražene komponente, kao što je prikazano na sl. 1. Široki "kontinuum" naziva se kontinuirani spektar ili bijelo zračenje. Oštri vrhovi superponirani na njemu nazivaju se karakteristične linije X-zraka. Iako je cijeli spektar rezultat sudara elektrona s materijom, mehanizmi nastanka njegovog širokog dijela i linija su različiti. Tvar se sastoji od velikog broja atoma, od kojih svaki ima jezgru okruženu elektronskim ljuskama, a svaki elektron u ljusci atoma određenog elementa zauzima određenu diskretnu energetsku razinu. Obično su te ljuske ili energetske razine označene simbolima K, L, M itd., počevši od ljuske najbliže jezgri. 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. Ovaj potonji odaje višak energije emitiranjem fotona X-zraka. Budući da elektroni u ljusci imaju diskretne vrijednosti energije, rezultirajući fotoni X-zraka također imaju diskretan spektar. To odgovara oštrim vrhovima za određene valne duljine, čije specifične vrijednosti ovise o ciljnom elementu. Karakteristične linije tvore K-, L- i M-seriju, ovisno o tome iz koje ljuske (K, L ili M) je elektron uklonjen. Odnos između valne duljine rendgenskih zraka i atomskog broja naziva se Moseleyev zakon (slika 2).

Riža. 1. KONVENCIONALNI SPEKTAR X-ZRAKA sastoji se od kontinuiranog spektra (kontinuuma) i karakterističnih linija (oštri vrhovi). Linije K/ia i K/ib nastaju zbog interakcija ubrzanih elektrona s elektronima unutarnje K-ljuske.

Riža. 2. VALNA DULJINA KARAKTERISTIČNOG X-ZRAČENJA koju emitiraju kemijski elementi ovisi o atomskom broju elementa. Krivulja slijedi Moseleyev zakon: što je veći atomski broj elementa, kraća je valna duljina karakteristične linije.

Ako se elektron sudari s relativno teškom jezgrom, on se usporava, a njegova kinetička energija se oslobađa u obliku fotona X-zraka približno iste energije. Proleti li pokraj jezgre, izgubit će samo dio energije, a ostatak će prenijeti na druge atome koji mu se nađu na putu. Svaki čin gubitka energije dovodi do emisije fotona s određenom količinom energije. Pojavljuje se kontinuirani rendgenski spektar čija gornja granica odgovara energiji najbržeg elektrona. Ovo je mehanizam za formiranje kontinuiranog spektra, a maksimalna energija (ili minimalna valna duljina) koja fiksira granicu kontinuiranog spektra proporcionalna je naponu ubrzanja, koji određuje brzinu upadnih elektrona. Spektralne linije karakteriziraju materijal bombardirane mete, a kontinuirani spektar određen je energijom elektronskog snopa i praktički je neovisan o materijalu mete. X-zračenje se može dobiti ne samo bombardiranjem elektronima, već i ozračivanjem mete X-zračenjem iz drugog izvora. U ovom slučaju, međutim, većina energije upadne zrake odlazi u karakteristični spektar X-zraka, a vrlo mali dio pada u kontinuirani. Očito je da snop upadnog X-zračenja mora sadržavati fotone čija je energija dovoljna da pobudi karakteristične linije bombardiranog elementa. Visoki postotak energije po karakterističnom spektru čini ovu metodu pobuđivanja X-zračenja pogodnom za znanstvena istraživanja. X-zrake cijevi. Da biste proizveli X-zrake kroz interakciju elektrona s materijom, trebate imati izvor elektrona, sredstvo za njihovo ubrzanje do velikih brzina i metu koja može izdržati bombardiranje elektronima i proizvesti X-zrake potrebnog intenziteta. Uređaj koji sve to sadrži zove se rendgenska cijev. Rani istraživači koristili su "duboko evakuirane" cijevi kao što su moderne cijevi s izbojem plina. Vakuum u njima nije bio jako visok. Cijevi za pražnjenje sadrže male količine plina, a kada se na elektrode cijevi primijeni velika razlika potencijala, atomi plina se pretvaraju u pozitivne i negativne ione. Pozitivni se kreću prema negativnoj elektrodi (katodi) i, padajući na nju, izbacuju iz nje elektrone, a oni se pak kreću prema pozitivnoj elektrodi (anodi) i, bombardirajući je, stvaraju struju rendgenskih fotona. . U modernoj rendgenskoj cijevi koju je razvio Coolidge (slika 3), izvor elektrona je volframova katoda zagrijana na visoku temperaturu. Elektroni se ubrzavaju do velikih brzina zbog velike razlike potencijala između anode (ili antikatode) i katode. Budući da elektroni moraju doći do anode bez sudara s atomima, neophodan je vrlo visok vakuum, što zahtijeva da cijev bude dobro ispražnjena. Ovo također smanjuje vjerojatnost ionizacije preostalih atoma plina i rezultirajuće bočne struje.

Riža. 3. COOLIDGE RTG CIJEV. Kada je bombardirana elektronima, volframova antikatoda emitira karakteristično rendgensko zračenje. Poprečni presjek snopa X-zraka je manji od stvarne ozračene površine. 1 - elektronski snop; 2 - katoda s elektrodom za fokusiranje; 3 - staklena ljuska (cijev); 4 - volframova meta (antikatoda); 5 - katodna nit; 6 - stvarna ozračena površina; 7 - efektivna žarišna točka; 8 - bakrena anoda; 9 - prozor; 10 - raspršeno rendgensko zračenje.

Elektroni se fokusiraju na anodu posebno oblikovanom elektrodom koja okružuje katodu. Ta se elektroda naziva elektroda za fokusiranje i zajedno s katodom čini "elektronički reflektor" cijevi. Anoda podvrgnuta bombardiranju elektronima mora biti izrađena od vatrostalnog materijala, jer se većina kinetičke energije elektrona koji bombardiraju pretvara u toplinu. Osim toga, poželjno je da anoda bude izrađena od materijala s visokim atomskim brojem jer Prinos X-zraka raste s povećanjem atomskog broja. Materijal anode koji se najčešće bira je volfram, čiji je atomski broj 74. Dizajn rendgenskih cijevi može varirati ovisno o uvjetima uporabe i zahtjevima. RTG DETEKCIJA Sve metode detekcije X-zraka temelje se na njihovoj interakciji s materijom. Detektori mogu biti dvije vrste: oni koji daju sliku i oni koji je ne daju. Prvi uključuju uređaje za rendgensku fluorografiju i fluoroskopiju, u kojima snop rendgenskog zračenja prolazi kroz predmet koji se proučava, a preneseno zračenje udara u luminescentni zaslon ili fotografski film. Slika se pojavljuje zbog činjenice da različiti dijelovi predmeta koji se proučava različito apsorbiraju zračenje - ovisno o debljini tvari i njezinom sastavu. Kod detektora s fluorescentnim zaslonom energija X-zraka se pretvara u izravno vidljivu sliku, dok se kod radiografije bilježi na osjetljivu emulziju i može se promatrati tek nakon što je film razvijen. Druga vrsta detektora uključuje široku paletu uređaja u kojima se energija rendgenskog zračenja pretvara u električne signale koji karakteriziraju relativni intenzitet zračenja. To uključuje ionizacijske komore, Geigerove brojače, proporcionalne brojače, scintilacijske brojače i neke posebne detektore kadmij sulfida i selenida. Trenutačno se najučinkovitijim detektorima mogu smatrati scintilacijski brojači, koji dobro rade u širokom energetskom rasponu. vidi također DETEKTORI ČESTICA. Detektor se odabire uzimajući u obzir uvjete zadatka. Na primjer, ako trebate točno izmjeriti intenzitet difraktiranog rendgenskog zračenja, tada se koriste brojači koji vam omogućuju mjerenje s točnošću od djelića postotka. Ako je potrebno registrirati mnogo difraktiranih zraka, tada je preporučljivo koristiti rendgenski film, iako je u tom slučaju nemoguće odrediti intenzitet s istom točnošću. RTG I GAMA DEFEKTOSKOPIJA Jedna od najčešćih upotreba X-zraka u industriji je kontrola kvalitete materijala i otkrivanje nedostataka. Metoda X-zraka 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 temelje se na sposobnosti prodiranja rendgenskog zračenja i karakteristikama njegove apsorpcije u materijalima. Moć prodora određena je energijom fotona X-zraka, koja ovisi o naponu ubrzanja u cijevi X-zraka. Stoga je za ispitivanje debelih uzoraka i uzoraka od teških metala, poput zlata i urana, potreban izvor X-zraka višeg napona, dok je za tanke uzorke dovoljan izvor nižeg napona. Za gama detekciju grešaka vrlo velikih odljevaka i velikih valjanih proizvoda koriste se betatroni i linearni akceleratori koji ubrzavaju čestice do energija od 25 MeV ili više. Apsorpcija rendgenskog zračenja u materijalu ovisi o debljini apsorbera d i koeficijentu apsorpcije m i određena je formulom I = I0e-md, gdje je I intenzitet zračenja koje prolazi kroz apsorber, I0 je intenzitet upadnog zračenja, a e = 2,718 je baza prirodnih logaritama. Za dani materijal pri danoj valnoj duljini (ili energiji) rendgenskog zračenja, koeficijent apsorpcije je konstanta. Ali zračenje izvora X-zraka nije monokromatsko, već sadrži širok spektar valnih duljina, zbog čega apsorpcija pri istoj debljini apsorbera ovisi o valnoj duljini (frekvenciji) zračenja. X-zrake se naširoko koriste u svim industrijama povezanim s oblikovanjem metala. Također se koristi za ispitivanje topničkih cijevi, prehrambenih proizvoda, plastike, te za ispitivanje složenih uređaja i sustava u elektroničkoj tehnici. (Neutronografija, koja koristi neutronske zrake umjesto X-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 RTG ZRAKA Difrakcija rendgenskih zraka pruža važne informacije o krutim tijelima - njihovoj atomskoj strukturi i obliku kristala - kao io tekućinama, amorfnim krutim tijelima i velikim molekulama. Difrakcijska metoda također se koristi za precizno (s pogreškom manjom od 10-5) određivanje međuatomskih udaljenosti, identificiranje naprezanja i nedostataka te određivanje orijentacije monokristala. Pomoću difrakcijskog uzorka možete identificirati nepoznate materijale, kao i otkriti prisutnost nečistoća u uzorku i identificirati ih. Važnost metode difrakcije X-zraka za napredak moderne fizike teško se može precijeniti, jer se moderno razumijevanje svojstava materije u konačnici temelji na podacima o rasporedu atoma u različitim kemijskim spojevima, prirodi veza među njima i strukturne nedostatke. Glavni alat za dobivanje ovih informacija je metoda difrakcije X-zraka. Kristalografija rendgenske difrakcije kritična je za određivanje struktura složenih velikih molekula, kao što su molekule deoksiribonukleinske kiseline (DNK), genetskog materijala živih organizama. Odmah nakon otkrića X-zraka, znanstveni i medicinski interes usmjerio se kako na sposobnost ovog zračenja da prodre u tijela, tako i na njegovu prirodu. Eksperimenti o difrakciji rendgenskog zračenja na prorezima i difrakcijskim rešetkama pokazali su da ono pripada elektromagnetskom zračenju i ima valnu duljinu reda veličine 10-8-10-9 cm Još ranije su znanstvenici, posebice W. Barlow, pretpostavili da pravilan i simetričan oblik prirodnih kristala posljedica je uređenog rasporeda atoma koji tvore kristal. U nekim je slučajevima Barlow uspio točno predvidjeti kristalnu strukturu. Vrijednost predviđenih međuatomskih udaljenosti bila je 10-8 cm.Činjenica da su se međuatomske udaljenosti pokazale reda veličine valne duljine X-zraka omogućila je, u načelu, promatranje njihove difrakcije. Rezultat je bio dizajn jednog od najvažnijih eksperimenata u povijesti fizike. M. Laue je organizirao eksperimentalnu probu te ideje koju su izveli njegovi kolege W. Friedrich i P. Knipping. Godine 1912. njih su trojica objavila svoj rad o rezultatima difrakcije X-zraka. Principi rendgenske difrakcije. Da bismo razumjeli fenomen difrakcije X-zraka, trebamo redom razmotriti: prvo, spektar X-zračenja, drugo, prirodu kristalne strukture i treće, sam fenomen difrakcije. Kao što je gore spomenuto, karakteristično rendgensko zračenje sastoji se od niza spektralnih linija s visokim stupnjem monokromatičnosti, što je određeno materijalom anode. Pomoću filtara možete istaknuti one najintenzivnije. Stoga je odgovarajućim odabirom anodnog materijala moguće dobiti izvor gotovo monokromatskog zračenja s vrlo precizno definiranom valnom duljinom. Karakteristične valne duljine zračenja obično se kreću od 2,285 za krom do 0,558 za srebro (vrijednosti za različite elemente poznate su do šest značajnih znamenki). Karakteristični spektar se superponira 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 zračenje, od kojih svako na svoj način igra važnu ulogu. Atomi u kristalnoj strukturi raspoređeni su pravilnom periodičnošću, tvoreći niz identičnih ćelija - prostornu rešetku. Neke su rešetke (poput onih za većinu uobičajenih metala) prilično jednostavne, dok su druge (poput onih za proteinske molekule) prilično složene. Sljedeće je karakteristično za kristalnu strukturu: ako se pomaknemo od određene dane točke jedne ćelije do odgovarajuće točke susjedne ćelije, tada će se otkriti potpuno ista atomska okolina. A ako se određeni atom nalazi na jednoj ili drugoj točki u jednoj ćeliji, tada će se isti atom nalaziti na ekvivalentnoj točki u bilo kojoj susjednoj ćeliji. Ovo načelo strogo vrijedi za savršen, idealno uređen kristal. Međutim, mnogi kristali (na primjer, metalne čvrste otopine) su neuređeni u jednom ili drugom stupnju, tj. kristalografski ekvivalentna mjesta mogu biti zauzeta različitim atomima. U tim slučajevima nije određen položaj svakog atoma, već samo položaj atoma "statistički usrednjen" na velikom broju čestica (ili stanica). O fenomenu difrakcije raspravlja se u članku OPTIKA i čitatelj se može pozvati na taj članak prije nego što nastavi dalje. Pokazuje da ako valovi (na primjer, zvuk, svjetlost, x-zrake) prolaze kroz mali prorez ili rupu, onda se potonji može smatrati sekundarnim izvorom valova, a slika proreza ili rupe sastoji se od izmjenične 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 difrakcijski uzorak. Rendgenska difrakcija je skupni fenomen raspršenja u kojem ulogu šupljina i središta raspršenja imaju periodički raspoređeni atomi kristalne strukture. Međusobno pojačavanje njihovih slika pod određenim kutovima proizvodi difrakcijski uzorak sličan onom koji bi nastao kada bi se svjetlost difraktirala na trodimenzionalnoj difrakcijskoj rešetki. Do raspršenja dolazi zbog međudjelovanja upadnih X-zraka s elektronima u kristalu. Zbog činjenice da je valna duljina X-zraka istog reda veličine kao i veličina atoma, valna duljina raspršenih X-zraka jednaka je upadnim X-zrakama. Ovaj proces je rezultat prisilnih oscilacija elektrona pod utjecajem upadnog X-zraka. Razmotrimo sada atom s oblakom vezanih elektrona (koji okružuju jezgru) koji je pogođen X-zrakama. Elektroni u svim smjerovima istovremeno raspršuju upadno zračenje i emitiraju svoje rendgensko zračenje iste valne duljine, ali različitog intenziteta. Intenzitet raspršenog zračenja povezan je s atomskim brojem elementa, jer atomski broj jednak je broju orbitalnih elektrona koji mogu sudjelovati u raspršenju. (Ovu ovisnost intenziteta o atomskom broju raspršujućeg elementa i o smjeru u kojem se intenzitet mjeri karakterizira atomski faktor raspršenja, koji igra izuzetno važnu ulogu u analizi strukture kristala.) Neka nam odaberite u kristalnoj strukturi linearni lanac atoma smještenih na istoj udaljenosti jedan od drugoga i razmotrite njihov difrakcijski uzorak. Već je napomenuto da se rendgenski spektar sastoji od kontinuiranog dijela ("kontinuuma") i skupa intenzivnijih linija karakterističnih za element koji je materijal anode. Recimo da smo filtrirali kontinuirani spektar i dobili gotovo monokromatski snop X-zraka usmjeren na naš linearni lanac atoma. Uvjet pojačanja (pojačavajuća interferencija) je zadovoljen ako je razlika u stazama valova raspršenih na susjednim atomima višekratnik valne duljine. Ako zraka pada pod kutom a0 na liniju atoma odvojenih intervalima a (perioda), tada će za difrakcijski kut a razlika putanja koja odgovara pojačanju biti zapisana kao a(cos a - cosa0) = hl, gdje l je valna duljina, a h cijeli broj (sl. 4 i 5).

Riža. 4. Pojačanje snopa X-zraka nastaje kada je razlika u putanji valova raspršenih na susjednim atomima jednaka cijelom višekratniku valne duljine. Ovdje je a0 upadni kut, a je difrakcijski kut, a je udaljenost između atoma.

Riža. 5. RJEŠENJE LAUEOVIH JEDNADŽBI za svaku vrijednost h može se prikazati kao familija stožaca čija je zajednička os usmjerena duž kristalografske osi (slične slike mogu se nacrtati i za druge dvije osi). Učinkovita metoda za proučavanje kristalnih struktura temelji se na Laueovim jednadžbama.

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

<="" div="" style="border-style: none;">Ovo su tri temeljne Laueove jednadžbe za difrakciju X-zraka, pri čemu su brojevi h, k i c Millerovi indeksi za difrakcijsku ravninu. vidi također KRISTALI I KRISTALOGRAFIJA. Razmatrajući bilo koju od Laueovih jednadžbi, na primjer prvu, možete primijetiti da budući da su a, a0, l konstante, a h = 0, 1, 2, ..., njezino se rješenje može prikazati kao skup stožaca s zajednička os a (sl. 5). Isto vrijedi i za pravce b i c. U općem slučaju trodimenzionalnog raspršenja (difrakcije), tri Laueove jednadžbe moraju imati zajedničko rješenje, tj. tri difrakcijska stošca smještena na svakoj od osi moraju se presijecati; opća linija presjeka prikazana je na sl. 6. Zajedničko rješavanje jednadžbi dovodi do Bragg-Wolfeovog zakona:

Riža. 6. OPĆE RJEŠENJE LAUE JEDNADŽBI odgovara sjecištu triju stožaca s osima a, b, c koji imaju zajedničku ravnu crtu R.

l = 2(d/n)sinq, gdje je d udaljenost između ravnina s indeksima h, k i c (perioda), n = 1, 2, ... su cijeli brojevi (difrakcijski red), a q je kut formirao upadni snop (kao i ogibni) s kristalnom ravninom u kojoj dolazi do ogiba. Analizirajući jednadžbu Bragg-Wolfeovog zakona za monokristal koji se nalazi na putu monokromatske zrake X-zraka, možemo zaključiti da difrakciju nije lako promatrati, 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 DIFRAKCIJSKE ANALIZE Laue metoda. Laue metoda koristi kontinuirani "bijeli" spektar rendgenskog zračenja, koji je usmjeren na stacionarni monokristal. Za određenu vrijednost perioda d, valna duljina koja odgovara Bragg-Wulfovom uvjetu automatski se odabire iz cijelog spektra. Lauegrami dobiveni na ovaj način omogućuju prosuđivanje smjerova difraktiranih zraka i, posljedično, orijentacije ravnina kristala, što također omogućuje izvlačenje važnih zaključaka u vezi sa simetrijom, orijentacijom kristala i prisutnosti nedostataka u njemu. U ovom slučaju, međutim, gubi se informacija o prostornom razdoblju d. Na sl. 7 prikazuje primjer Lauegrama. X-zraka se nalazila na strani kristala suprotnoj od one na koju je padala X-zraka iz izvora.

Riža. 7. LAUEGRAM. X-zrake širokog spektralnog raspona prolaze kroz stacionarni kristal. Difrakcijske zrake odgovaraju točkama na Lauegramu.

Debye-Scherrerova metoda (za polikristalne uzorke). Za razliku od prethodne metode, ovdje se koristi monokromatsko zračenje (l = const), a kut q se mijenja. To se postiže korištenjem polikristalnog uzorka koji se sastoji od brojnih malih kristalita slučajne orijentacije, među kojima ima i onih koji zadovoljavaju Bragg-Wulfov uvjet. Difraktirane zrake tvore stošce, čija je os usmjerena duž snopa X-zraka. Za snimanje se obično koristi uska traka rendgenskog filma u cilindričnoj kaseti, a rendgenske zrake se raspoređuju po promjeru kroz rupe na filmu. Tako dobiveni debyegram (sl. 8) sadrži točnu informaciju o periodu d, tj. o strukturi kristala, ali ne daje podatke koje sadrži Lauegram. Stoga se obje metode međusobno nadopunjuju. Razmotrimo neke primjene Debye-Scherrerove metode.

Djelovanje X-zračenja na tvar određeno je primarnim procesima međudjelovanja fotona X-zraka s elektronima atoma i molekula tvari.

3. X-ray kompjutorizirana tomografija.

Metoda rendgenske kompjutorizirane tomografije temelji se na rekonstrukciji slike određenog presjeka (presjeka) pacijentova tijela snimanjem velikog broja rendgenskih projekcija tog presjeka, izvedenih pod različitim kutovima (slika 5). Informacije sa senzora koji bilježe te projekcije ulaze u računalo koje pomoću posebnog programa izračunava distribucija gustoća uzorka u odjeljku koji se proučava i prikazuje ga na zaslonu. Ovako dobivena slika presjeka tijela pacijenta odlikuje se izvrsnom jasnoćom i visokim sadržajem informacija. Program omogućuje, ako je potrebno, povećati kontrast slike desetke pa čak i stotine puta. Time se proširuju dijagnostičke mogućnosti metode.

Riža. 5. Shema rendgenskog pregleda dijela organa koji se proučava (točka 1 i točka 2 - dva uzastopna položaja izvora rendgenskih zraka)

4. S fluorografijom Slika s velikog ekrana snima se na osjetljivi film malog formata (slika 6). Tijekom analize slike se ispituju pomoću posebnog povećala.

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

Terapija X-zrakama- korištenje rendgenskog zračenja za uništavanje malignih tumora.

Biološki učinak zračenja je poremećaj vitalne aktivnosti tumorskih stanica koje se brzo množe. U ovom slučaju, energija R - fotona je 150-200 keV.

Viziografi (uređaji za digitalnu obradu rendgenske slike) u suvremenoj stomatologiji

U stomatologiji rendgenski pregled je glavna dijagnostička metoda. Međutim, niz tradicionalnih organizacijskih i tehničkih značajki rendgenske dijagnostike čini je neudobnom kako za pacijenta tako i za stomatološke klinike. To je, prije svega, potreba pacijenta za kontaktom s ionizirajućim zračenjem, što često stvara značajno opterećenje zračenjem na tijelu; to je također potreba za fotoprocesom, a time i potreba za fotoreagensima, uključujući i otrovne. Ovo je, konačno, glomazna arhiva, teški fascikli i omotnice s rendgenskim filmovima.

Osim toga, trenutni stupanj razvoja stomatologije čini subjektivnu procjenu rendgenskih snimaka ljudskim okom nedovoljnom. Kako se pokazalo, od niza nijansi sive sadržane u rendgenskoj slici, oko opaža samo 64.

Očito, za dobivanje jasne i detaljne slike tvrdih tkiva zubno-facijalnog sustava uz minimalno izlaganje zračenju potrebna su druga rješenja. Danas su istraživanja dovela do stvaranja tzv. radiografskih sustava, videografa - digitalnih radiografskih sustava (1987., tvrtka Trophy).

Bez tehničkih detalja, princip rada takvih sustava je sljedeći. X-zračenje prolazi kroz objekt ne do fotoosjetljivog filma, već do posebnog intraoralnog senzora (posebne elektronske matrice). Odgovarajući signal iz matrice prenosi se na uređaj za digitalizaciju (analogno-digitalni pretvarač, ADC) spojen na računalo, koji ga pretvara u digitalni oblik. Poseban softver stvara rendgensku sliku na zaslonu računala i omogućuje vam da je obradite, pohranite na tvrdi ili fleksibilni medij za pohranu (tvrdi disk, disk) i ispišete kao datoteku kao sliku.

U digitalnom sustavu, rendgenska slika skup je točaka koje odgovaraju različitim nijansama sive. Optimizacija prikaza informacija koju pruža program omogućuje dobivanje okvira koji je optimalan u svjetlini i kontrastu uz relativno nisku dozu zračenja.

U modernim sustavima, koje su stvorili, na primjer, Trophy (Francuska) ili Schick (SAD), 4096 nijansi sive koristi se pri oblikovanju okvira, vrijeme ekspozicije ovisi o predmetu proučavanja i, u prosjeku, iznosi stotinke - desetinke drugo, smanjenje izloženosti zračenju u odnosu na film - do 90% za intraoralne sustave, do 70% za panoramske videografe.

Prilikom obrade slika videografi mogu:

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

2. Povećajte kontrast i povećajte fragment slike od interesa.

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

4. U endodonciji odredite duljinu kanala bilo koje zakrivljenosti, au kirurgiji odaberite veličinu implantata s točnošću od 0,1 mm.

Jedinstveni sustav detektora karijesa s elementima umjetne inteligencije pri analizi slike omogućuje otkrivanje karijesa u fazi mrlje, karijesa korijena i skrivenog karijesa.

Riješiti probleme:

1. Koliko je puta maksimalna energija kvanta kočnog zračenja X-zraka proizvedenog na naponu cijevi od 80 kV veća od energije fotona koji odgovara zelenoj svjetlosti valne duljine 500 nm?

2. Odredite minimalnu valnu duljinu u spektru zračenja koje nastaje usporavanjem elektrona ubrzanih u betatronu do energije od 60 MeV na meti.

3. Sloj poluprigušenja monokromatskih rendgenskih zraka u određenoj tvari iznosi 10 mm. Nađite stupanj slabljenja tog zračenja u toj tvari.

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

* "F" u formuli (4) odnosi se na cijeli raspon emitiranih valnih duljina i često se naziva "Integralni energetski tok".