Mi a különbség az elsődleges és a másodlagos röntgensugarak között? röntgensugarak. A röntgen alkalmazása az orvostudományban

Ha U-t kilovoltban fejezzük ki, és más mennyiségek közötti összefüggést is figyelembe vesszük, akkor a képlet így néz ki: l k = 1,24/U (nm) vagy l k = 1,24/U (Å) (1 Å = 10 -10 m).

A fenti grafikonokból megállapítható, hogy a maximális sugárzási energiát adó l m hullámhossz állandó kapcsolatban van az l k határhullámhosszal:

.

A hullámhossz a foton energiáját jellemzi, amelytől függ a sugárzás áthatoló képessége, amikor az anyaggal kölcsönhatásba lép.

A rövidhullámú röntgensugarak általában nagy áthatolóerővel rendelkeznek, és keménynek, míg a hosszú hullámú röntgensugarakat lágynak nevezik. Amint a fenti képletből látható, az a hullámhossz, amelynél a maximális sugárzási energia jelentkezik, fordítottan arányos a cső anódja és katódja közötti feszültséggel. A röntgencső anódján lévő feszültség növelésével a sugárzás spektrális összetétele megváltozik, keménysége nő.

Az izzószál feszültségének változásakor (a katód izzószál-hőmérséklete megváltozik), megváltozik a katód által egységnyi idő alatt kibocsátott elektronok száma, vagy ennek megfelelően változik az áramerősség a csőanódáramkörben. Ebben az esetben a sugárzási teljesítmény az áramerősség első hatványával arányosan változik. A sugárzás spektrális összetétele nem változik.

A sugárzás teljes fluxusa (teljesítménye), az energia hullámhosszon belüli eloszlása, valamint a spektrum határa a rövid hullámhosszak oldalán három okból függ: az elektronokat gyorsító U feszültségtől, amely a cső anódja és katódja közé kerül. ; a sugárzás kialakulásában részt vevő elektronok száma, azaz. cső izzószál árama; annak az anódanyagnak a Z atomszáma, amelyben elektronlassulás következik be.

A röntgensugár fluxusát a következő képlettel számítjuk ki: , ahol ,

Egy anyag Z-atomszáma (atomszám).

A röntgencső feszültségének növelésével észrevehető az egyes vonalak (vonalspektrum) megjelenése a folyamatos bremsstrahlung röntgensugárzás hátterében, ami a jellegzetes röntgensugárzásnak felel meg. Az anyagban lévő atomok belső héjai (K, L, M héjak) közötti elektronok átmenete során fordul elő. A karakterisztikus sugárzás spektrumának vonalas jellege abból adódik, hogy a felgyorsult elektronok mélyen behatolnak az atomokba, és kiütik az elektronokat az atomon kívüli belső rétegeikből. A felső rétegekből az elektronok (2. ábra) szabad helyekre költöznek, aminek következtében az átmeneti energiaszintek különbségének megfelelő frekvenciájú röntgenfotonok bocsátanak ki. A karakterisztikus sugárzás spektrumában lévő vonalak a K, L, M szinten magasabb szintű elektronok átmeneteinek megfelelően sorba kapcsolódnak.

A külső behatásnak, aminek következtében az elektron kiütődik a belső rétegekből, elég erősnek kell lennie. Az optikai spektrumokkal ellentétben a különböző atomok jellemző röntgenspektrumai azonos típusúak. Ezeknek a spektrumoknak az egységessége abból adódik, hogy a különböző atomok belső rétegei azonosak, és csak energiájukban térnek el egymástól. a magból érkező erőhatás az elem sorszámának növekedésével nő. Ez oda vezet, hogy a karakterisztikus spektrumok a magtöltés növekedésével a magasabb frekvenciák felé tolódnak el. Ez az összefüggés Moseley törvényeként ismert: , ahol A és B állandók; Az elem Z-sorszáma.

Van még egy különbség a röntgen és az optikai spektrum között. Az atom jellemző spektruma nem függ attól a kémiai vegyülettől, amelybe az atom beletartozik. Például az oxigénatom röntgenspektruma azonos az O, O 2, H 2 O esetében, miközben ezeknek a vegyületeknek az optikai spektruma jelentősen eltér. Az atomok röntgenspektrumának ez a tulajdonsága szolgált a „karakterisztikus” elnevezés alapjául.

Jellegzetes sugárzás akkor következik be, amikor az atom belső rétegeiben szabad terek vannak, függetlenül a kiváltó okoktól. Például egyfajta radioaktív bomlást kísér, amely magában foglalja egy elektron befogását a belső rétegből az atommag által.

2. Röntgencsövek és protozoonok elrendezése

Röntgengép.

A röntgensugárzás leggyakoribb forrása a röntgencső - egy kételektródos vákuumkészülék (3. ábra). Ez egy üvegballon (p = 10 -6 – 10 -7 Hgmm), két elektródával - A anóddal és K katóddal, amelyek között nagy feszültség jön létre. A fűtött katód (K) elektronokat bocsát ki. Az A anódot gyakran antikatódnak nevezik. Ferde felületű, hogy a keletkező röntgensugárzást a cső tengelyéhez képest szögben irányítsa. Az anód jó hővezető képességű fémből (rézből) készül, hogy eltávolítsa az elektronok becsapódásakor keletkező hőt. Az anód ferde végén egy nagy rendszámú tűzálló fémből (volfrámból) készült 3 lemez található, az úgynevezett anódtükör. Bizonyos esetekben az anódot speciálisan vízzel vagy olajjal hűtik. A diagnosztikai csöveknél fontos a röntgenforrás pontossága, amit úgy érhetünk el, hogy az elektronokat egy helyre fókuszáljuk az anódon. Ezért konstruktívan két egymással ellentétes feladatot kell figyelembe venni: egyrészt az elektronoknak az anód egyik helyére kell esniük, másrészt a túlmelegedés megelőzése érdekében kívánatos az elektronok elosztása az anód különböző területein. az anód. Emiatt egyes röntgencsöveket forgó anóddal gyártanak.

Bármilyen kialakítású csőben az anód és a katód közötti feszültség által felgyorsított elektronok az anódtükörre esnek, és mélyen behatolnak az anyagba, kölcsönhatásba lépnek az atomokkal, és az atomok mezője gátolja őket. Ez bremsstrahlung röntgensugárzást eredményez. A bremsstrahlunggal egyidejűleg kis mennyiségű (több százalék) jellemző sugárzás képződik. Az anódot érő elektronok mindössze 1-2%-a okoz bremsstrahlungot, a többi pedig termikus hatás. Az elektronok koncentrálásához a katód vezetősapkával rendelkezik. A wolframtükör azon részét, amelyre az elektronok fő áramlása esik, a cső fókuszának nevezzük. A sugárnyaláb szélessége a területétől (fókusz élességétől) függ.

A cső tápellátásához két forrás szükséges: egy nagyfeszültségű forrás az anódáramkörhöz és egy alacsony (6-8 V) forrás az izzó áramkör táplálásához. Mindkét forrást egymástól függetlenül kell szabályozni. Az anódfeszültség változtatásával a röntgensugárzás keménysége, az izzószál változtatásával pedig a kimeneti áramkör árama és ennek megfelelően a sugárzási teljesítmény szabályozása történik.

Egy egyszerű röntgenkészülék elektromos alaprajzát a 4. ábra mutatja. Az áramkörben két Tr.1 transzformátor van a nagyfeszültséghez és Tr.2 az izzólámpás tápellátáshoz. A csövön lévő nagyfeszültséget a Tr.3 autotranszformátor szabályozza, amely a Tr.1 transzformátor primer tekercséhez van csatlakoztatva. A K kapcsoló szabályozza az autotranszformátor tekercsének fordulatszámát. Ebben a tekintetben a transzformátor szekunder tekercsének feszültsége is változik, amelyet a cső anódjára táplálnak, pl. keménysége állítható.

A cső izzószáláramát a Tr.2 transzformátor primer tekercsének áramkörére csatlakoztatott R reosztát szabályozza. Az anód áramkör áramát milliamperméterrel mérik. A cső elektródáin betáplált feszültséget kilovoltméter kV méri, vagy az anódáramkör feszültségét a K kapcsoló állása alapján ítéljük meg. A reosztáttal szabályozott izzószál áramerősségét az A ampermérő méri. A vizsgált áramkörben a röntgencső egyidejűleg nagy váltakozó feszültséget egyenirányít.

Könnyen belátható, hogy egy ilyen cső csak egy félciklusú váltakozó áramot bocsát ki. Következésképpen az ereje kicsi lesz. A kisugárzott teljesítmény növelése érdekében sok készülék nagyfeszültségű, teljes hullámú röntgen-egyenirányítót használ. Erre a célra 4 speciális kenotront használnak, amelyek egy hídáramkörben vannak összekötve. A híd egyik átlójában egy röntgencső található.

3. A röntgensugárzás kölcsönhatása anyaggal

(koherens szórás, inkoherens szórás, fotoelektromos hatás).

Amikor a röntgensugárzás egy testre esik, kis mennyiségben visszaverődik róla, de főként mélyen áthalad. A test tömegében a sugárzás részben elnyelődik, részben szétszóródik és részben áthalad. A testen áthaladva a röntgenfotonok főleg az anyag atomjainak és molekuláinak elektronjaival lépnek kölcsönhatásba. A röntgensugárzás regisztrálását és felhasználását, valamint a biológiai objektumokra gyakorolt ​​hatását a röntgenfotonok elektronokkal való kölcsönhatásának elsődleges folyamatai határozzák meg. Az E fotonenergia és az A I ionizációs energia arányától függően három fő folyamat játszódik le.

A) Koherens szóródás.

A hosszúhullámú röntgensugárzás szórása lényegében a hullámhossz megváltoztatása nélkül történik, és ezt koherensnek nevezik. A foton kölcsönhatása a belső héjak elektronjaival, szorosan az atommaghoz kötötten, csak az irányát változtatja meg, energiája, így a hullámhossz változása nélkül (5. ábra).

Koherens szórás akkor következik be, ha a foton energiája kisebb, mint az ionizációs energia: E = hn<А И. Так как энергия фотона и энергия атома не изменяется, то когерентное рассеяние не вызывает биологического действия. Однако при создании защиты от рентгеновского излучения следует учитывать возможность изменения направления первичного пучка.

b) Inkoherens szóródás (Compton-effektus).

1922-ben A. Compton a kemény röntgensugárzás szóródását megfigyelve a szórt nyaláb áthatoló erejének csökkenését fedezte fel a beesőhöz képest. A röntgensugárzás hullámhossz-változással történő szóródását Compton-effektusnak nevezzük. Akkor fordul elő, amikor egy tetszőleges energiájú foton kölcsönhatásba lép az atommaghoz gyengén kötődő atomok külső héjának elektronjaival (6. ábra). Az elektront eltávolítják az atomról (az ilyen elektronokat visszarúgás elektronoknak nevezik). A foton energiája csökken (a hullámhossz ennek megfelelően nő), mozgásának iránya is megváltozik. A Compton-effektus akkor lép fel, ha a röntgenfoton energiája nagyobb, mint az ionizációs energia: , . Ilyenkor E K mozgási energiájú visszapattanó elektronok jelennek meg.Az atomok és molekulák ionokká válnak. Ha az E K szignifikáns, akkor az elektronok ütközéssel ionizálhatják a szomszédos atomokat, új (másodlagos) elektronokat képezve.

V) Fotó hatás.

Ha a foton hn energiája elegendő egy elektron leválásához, akkor az atommal való kölcsönhatás során a foton elnyelődik és az elektron elválik tőle. Ezt a jelenséget fotoelektromos hatásnak nevezik. Az atom ionizált (fotoionizáció). Ebben az esetben az elektron kinetikus energiára tesz szert, és ha ez utóbbi Jelentős, ütközéssel képes ionizálni a szomszédos atomokat, új (másodlagos) elektronokat képezve. Ha a foton energia nem elegendő az ionizációhoz, akkor a fotoelektromos hatás egy atom vagy molekula gerjesztésében nyilvánulhat meg. Egyes anyagoknál ez a látható tartományban fotonok emissziójához (röntgenlumineszcencia), a szövetekben pedig molekulák aktiválásához és fotokémiai reakciókhoz vezet.

A fotoelektromos hatás a 0,5-1 MeV nagyságrendű energiájú fotonokra jellemző.

A fentebb tárgyalt három fő interakciós folyamat elsődleges, ezek vezetnek a későbbi másodlagos, harmadlagos stb. jelenségek. Amikor a röntgensugarak bejutnak egy anyagba, számos folyamat lejátszódhat, mielőtt a röntgenfoton energiája hőmozgás energiájává alakulna.

A fenti folyamatok következtében a röntgensugárzás elsődleges fluxusa gyengül. Ez a folyamat engedelmeskedik Bouguer törvényének. Írjuk fel a következő alakban: Ф = Ф 0 e - mх, ahol m a lineáris csillapítási együttható az anyag természetétől (főleg a sűrűségtől és a rendszámtól) és a sugárzás hullámhosszától (fotonenergia) függően . Úgy ábrázolható, hogy három tagból áll, amelyek megfelelnek a koherens szórásnak, az inkoherens szórásnak és a fotoelektromos hatásnak: .

Mivel a lineáris abszorpciós együttható az anyag sűrűségétől függ, inkább a tömegcsillapítási együtthatót használják, amely megegyezik a lineáris csillapítási együttható és az abszorber sűrűségének arányával, és nem függ az anyag sűrűségétől. A röntgensugár fluxusának (intenzitásának) az abszorbeáló szűrő vastagságától való függését a 7. ábra mutatja H 2 O, Al és Cu esetén. A számítások azt mutatják, hogy egy 36 mm vastag víz, 15 mm alumínium és 1,6 mm rézréteg kétszeresére csökkenti a röntgensugárzás intenzitását. Ezt a vastagságot d félrétegvastagságnak nevezzük. Ha egy anyag felére gyengíti a röntgensugárzást, akkor , Akkor , vagy , ; ; . A félréteg vastagságának ismeretében mindig meghatározható a m. Dimenzió.

4. A röntgen alkalmazása az orvostudományban

(fluoroszkópia, radiográfia, röntgen tomográfia, fluorográfia, sugárterápia).

A röntgensugárzás egyik leggyakoribb felhasználási módja az orvostudományban a belső szervek diagnosztikai célú vizsgálata - röntgendiagnosztika.

A diagnosztikához 60-120 keV energiájú fotonokat használnak. Ebben az esetben a tömegelnyelési együtthatót elsősorban a fotoelektromos hatás határozza meg. Értéke arányos l 3 -al (ami a kemény sugárzás nagy áthatoló képességét mutatja) és arányos az anyag - abszorber atomszámának harmadik hatványával: , ahol K az arányossági együttható.

Az emberi test szövetekből és szervekből áll, amelyek eltérő abszorpciós képességgel rendelkeznek a röntgensugárzás tekintetében. Ezért röntgensugárzással megvilágítva egy nem egyenletes árnyékkép keletkezik a képernyőn, amely képet ad a belső szervek és szövetek elhelyezkedéséről. A legsűrűbb sugárzást elnyelő szövetek (szív, nagy erek, csontok) sötéten, a legkevésbé elnyelő szövetek (tüdő) világosak.

Sok esetben meg lehet ítélni normális vagy kóros állapotukat. A röntgendiagnosztika két fő módszert alkalmaz: fluoroszkópiát (transzmisszió) és radiográfiát (kép). Ha a vizsgált szerv és a körülötte lévő szövetek megközelítőleg egyformán szívják fel a röntgensugárzást, akkor speciális kontrasztanyagokat használnak. Például a gyomor vagy a belek röntgenvizsgálatának előestéjén egy kásaszerű bárium-szulfát tömeget adnak, ebben az esetben láthatjuk az árnyékképüket. A fluoroszkópiában és a radiográfiában a röntgenkép a tárgy teljes vastagságának összefoglaló képe, amelyen a röntgensugárzás áthalad. A képernyőhöz vagy filmhez legközelebb eső részletek rajzolódnak ki a legvilágosabban, míg a távoliak homályossá és elmosódottá válnak. Ha valamely szervben kórosan megváltozott terület van, például tüdőszövet pusztulását egy nagy gyulladásgóc belsejében, akkor bizonyos esetekben ez a terület „elveszett” a röntgenfelvételen az árnyékok összegében. A láthatóvá tétel érdekében egy speciális módszert alkalmaznak - tomográfiát (rétegről rétegre történő felvétel), amely lehetővé teszi a vizsgált terület egyes rétegeinek képét. Az ilyen típusú rétegenkénti képeket-tomogramokat egy speciális, tomográfnak nevezett berendezéssel állítják elő, amelyben a röntgencsövet (RT) és a fényképező filmet (FP) periodikusan egymáshoz, ellenfázisban mozgatják a sugárzó területéhez képest. tanulmány. Ebben az esetben a röntgensugarak az RT bármely pozíciójában áthaladnak az objektum ugyanazon a pontján (megváltozott terület), amely az a középpont, amelyhez képest az RT és az FP periodikus mozgása történik. A terület árnyékképe filmre kerül. A „lengőközéppont” helyzetének megváltoztatásával lehetőség nyílik az objektumról rétegenkénti képek készítésére. Vékony röntgensugár, egy speciális képernyő (az FP helyett), amely ionizáló sugárzás félvezető detektoraiból áll, lehetővé teszi a kép feldolgozását a tomográfia során számítógép segítségével. A tomográfia ezen modern változatát számítógépes tomográfiának nevezik. A tomográfiát széles körben használják a tüdő, vese, epehólyag, gyomor, csontok stb.

A kép fényereje a képernyőn és az expozíciós idő a filmen a röntgensugárzás intenzitásától függ. Diagnosztikai felhasználáskor az intenzitás nem lehet olyan magas, hogy ne okozzon nemkívánatos biológiai hatást. Ezért számos olyan technikai eszköz létezik, amelyek alacsony röntgenintenzitás mellett javítják a kép fényerejét. Az egyik ilyen eszköz az elektron-optikai átalakító.

Egy másik példa a fluorográfia, amelynek során egy nagy röntgen-lumineszcens képernyőről egy érzékeny kis formátumú filmen nyernek képet. Fényképezéskor nagy rekesznyílású objektívet használnak, az elkészült képeket pedig speciális nagyítóval vizsgálják.

A fluorográfia a rejtett betegségek (mellkasi szervek, gasztrointesztinális traktus, orrmelléküregek stb.) nagyobb kimutatási képességét ötvözi jelentős áteresztőképességgel, ezért a tömeges (in-line) kutatás nagyon hatékony módszere.

Mivel a fluorográfia során a röntgenfelvételek fényképezése fényképészeti optikával történik, a fluorogramon látható kép a röntgenfelvételhez képest csökken. Ebben a tekintetben a fluorogram felbontása (azaz az apró részletek felismerhetősége) kisebb, mint a hagyományos röntgenfelvételeké, azonban nagyobb, mint a fluoroszkópia esetében.

Kialakítottak egy készüléket - tomofluorográfot, amely lehetővé teszi a testrészek és az egyes szervek adott mélységben történő fluorogramjának - az úgynevezett rétegenkénti képek (szeletek) - tomofluorogramok készítését.

A röntgensugárzást terápiás célokra is használják (röntgenterápia). A sugárzás biológiai hatása a sejtek, különösen a gyorsan fejlődő sejtek élettevékenységének megzavarása. Ebben a tekintetben a röntgenterápiát rosszindulatú daganatok kezelésére használják. Lehetőség van olyan sugárdózis kiválasztására, amely elegendő a daganat teljes elpusztításához a környező egészséges szövetek viszonylag kis károsodásával, amely a későbbi regeneráció következtében helyreáll.

Intenzitás- a röntgensugárzás mennyiségi jellemzője, amelyet a cső által egységnyi idő alatt kibocsátott sugarak számával fejeznek ki. A röntgensugárzás intenzitását milliamperben mérik. Ha összehasonlítjuk a hagyományos izzólámpa látható fényének intenzitásával, analógiát vonhatunk: például egy 20 wattos lámpa egy intenzitással vagy erősséggel világít, a 200 wattos lámpa pedig egy másikkal, míg a maga a fény minősége (spektruma) ugyanaz. A röntgen intenzitása lényegében annak mennyisége. Minden elektron egy vagy több sugárzáskvantumot hoz létre az anódon, ezért egy tárgy exponálása során a röntgensugárzások számát az anódra hajló elektronok számának és az elektronok és a volfrám célpont atomjaival való kölcsönhatások számának változtatásával szabályozzák. , amit kétféleképpen lehet megtenni:

1. A katódspirál melegítési fokának megváltoztatásával lecsökkentő transzformátor segítségével (az emisszió során keletkező elektronok száma a volfrámspirál melegétől, a sugárzási kvantumok száma pedig az elektronok számától függ) ;

2. A fokozatos transzformátor által a cső pólusaira - a katódra és az anódra - szolgáltatott nagy feszültség értékének megváltoztatásával (minél nagyobb feszültséget kapnak a cső pólusai, annál több kinetikus energiát kapnak az elektronok , amelyek energiájuknál fogva az anódanyag több atomjával is kölcsönhatásba léphetnek – ld. rizs. 5; az alacsony energiájú elektronok kevesebb kölcsönhatásba léphetnek majd be).

A röntgensugárzás intenzitása (anódáram) szorozva az expozíciós idővel (a cső működési idejével) a röntgensugárzásnak felel meg, amelyet mAs-ban (mAs-ban (mAs) mérnek). Az expozíció olyan paraméter, amely az intenzitáshoz hasonlóan a röntgencső által kibocsátott sugarak számát jellemzi. Az egyetlen különbség az, hogy az expozíció a cső működési idejét is figyelembe veszi (például ha a cső 0,01 másodpercig működik, akkor a sugarak száma egy lesz, és ha 0,02 másodperc, akkor a sugarak száma más - még kétszer). A sugárterhelést a röntgenkészülék vezérlőpultján a radiológus állítja be a vizsgálat típusától, a vizsgált tárgy méretétől és a diagnosztikai feladattól függően.

Merevség- a röntgensugárzás minőségi jellemzői. Ezt a csövön lévő magas feszültség nagyságával mérik - kilovoltban. Meghatározza a röntgensugarak áthatoló erejét. Szabályozása a röntgencsőre egy lépcsős transzformátor által biztosított nagyfeszültséggel történik. Minél nagyobb a potenciálkülönbség a cső elektródái között, annál nagyobb erőt taszítanak ki az elektronok a katódról és rohannak az anódhoz, és annál erősebb az ütközésük az anóddal. Minél erősebb az ütközésük, annál rövidebb a keletkező röntgensugárzás hullámhossza, és annál nagyobb ennek a hullámnak az áthatoló képessége (illetve a sugárzás keménysége, amit az intenzitáshoz hasonlóan a központon a feszültség paraméter szabályoz a cső - kilofeszültség).

Rizs. 7 - A hullámhossz függése a hullámenergiától:

λ - hullámhossz;
E - hullámenergia

· Minél nagyobb a mozgó elektronok kinetikus energiája, annál erősebb a behatásuk az anódra, és annál rövidebb a keletkező röntgensugárzás hullámhossza. A hosszú hullámhosszú és alacsony áthatolóképességű röntgensugárzást „lágynak”, a rövid hullámhosszú és nagy áthatolóképességű röntgensugárzást „keménynek” nevezzük.

Rizs. 8 - A röntgencső feszültsége és a keletkező röntgensugárzás hullámhossza közötti összefüggés:

· Minél nagyobb feszültséget kapcsolunk a cső pólusaira, annál erősebb a potenciálkülönbség rajtuk, ezért a mozgó elektronok kinetikai energiája nagyobb lesz. A csövön lévő feszültség határozza meg az elektronok sebességét és az anódanyaggal való ütközés erejét, ezért a feszültség határozza meg a keletkező röntgensugárzás hullámhosszát.

A röntgensugárzás (röntgensugárzás szinonimája) széles hullámhossz-tartományú (8,10 -6 és 10 -12 cm között). Röntgensugárzás akkor következik be, amikor egy anyag atomjainak elektromos mezőjében a töltött részecskék, leggyakrabban az elektronok, lelassulnak. Az ebben az esetben képződött kvantumok különböző energiájúak és folytonos spektrumot alkotnak. A kvantumok maximális energiája egy ilyen spektrumban megegyezik a beeső elektronok energiájával. A röntgenkvantumok kiloelektron-voltban kifejezett maximális energiája (cm.) számszerűen megegyezik a csőre adott feszültség kilovoltban kifejezett nagyságával. Amikor a röntgensugarak áthaladnak egy anyagon, kölcsönhatásba lépnek az atomjainak elektronjaival. A 100 keV-ig terjedő energiájú röntgenkvantumok esetében a kölcsönhatás legjellemzőbb típusa a fotoelektromos hatás. Az ilyen kölcsönhatás eredményeként a kvantum energiája teljes egészében arra fordítódik, hogy kitépje az elektront az atomi héjból, és kinetikus energiát adjon neki. A röntgenkvantum energiájának növekedésével a fotoelektromos hatás valószínűsége csökken, és a kvantumok szabad elektronok általi szórásának folyamata - az úgynevezett Compton-effektus - válik uralkodóvá. Az ilyen kölcsönhatás eredményeként egy szekunder elektron is keletkezik, és emellett egy kvantum is kibocsátódik, amelynek energiája alacsonyabb, mint az elsődleges kvantum energiája. Ha a röntgenkvantum energiája meghaladja az egy megaelektronvoltot, akkor létrejöhet az úgynevezett párosítási effektus, amelyben elektron és pozitron keletkezik (lásd). Következésképpen egy anyagon áthaladva a röntgensugárzás energiája csökken, azaz intenzitása csökken. Mivel az alacsony energiájú kvantumok abszorpciója nagyobb valószínűséggel történik, a röntgensugárzás nagyobb energiájú kvantumokkal gazdagodik. A röntgensugárzásnak ezt a tulajdonságát a kvantumok átlagos energiájának növelésére, azaz keménységének növelésére használják. A röntgensugárzás keménységének növelése speciális szűrők segítségével érhető el (lásd). A röntgensugárzást röntgendiagnosztikára használják (lásd) és (lásd). Lásd még: Ionizáló sugárzás.

A röntgensugárzás (szinonimája: röntgensugarak, röntgensugárzás) 250-0,025 A hullámhosszú (vagy 5·10 -2 és 5,10 2 keV közötti energiakvantumok) elektromágneses kvantumsugárzás. 1895-ben V. K. Roentgen fedezte fel. Az elektromágneses sugárzásnak a röntgensugárzással szomszédos spektrális tartományát, amelynek energiakvantumjai meghaladják az 500 keV-ot, gamma-sugárzásnak nevezzük (lásd); Az a sugárzás, amelynek energiakvantumjai 0,05 kev alatt vannak, ultraibolya sugárzásnak minősül (lásd).

Így az elektromágneses sugárzás hatalmas spektrumának, amely a rádióhullámokat és a látható fényt is magában foglalja, viszonylag kis részét képviseli, a röntgensugárzás, mint minden elektromágneses sugárzás, fénysebességgel terjed (kb. 300 ezer km/h vákuumban). sec), és a λ hullámhossz (az a távolság, amelyet a sugárzás egy rezgési periódus alatt megtesz) jellemez. A röntgensugárzásnak számos egyéb hullámtulajdonsága is van (törés, interferencia, diffrakció), de ezek sokkal nehezebben megfigyelhetők, mint a hosszabb hullámhosszú sugárzások: látható fény, rádióhullámok.

Röntgen-spektrumok: a1 - folytonos bremsstrahlung spektrum 310 kV-on; a - folyamatos fékspektrum 250 kV-on, a1 - 1 mm Cu-val szűrt spektrum, a2 - 2 mm Cu-val szűrt spektrum, b - K-sorozatú volfrámvezetékek.

A röntgensugárzás előállításához röntgencsöveket (lásd) használnak, amelyekben a sugárzás akkor következik be, amikor a gyors elektronok kölcsönhatásba lépnek az anódanyag atomjaival. A röntgensugárzásnak két típusa van: bremsstrahlung és karakterisztikus. A Bremsstrahlung röntgensugarak folytonos spektrummal rendelkeznek, hasonlóan a közönséges fehér fényhez. A hullámhossztól függő intenzitáseloszlást (ábra) egy maximummal rendelkező görbe ábrázolja; a hosszú hullámok felé a görbe laposan, a rövid hullámok felé pedig meredeken esik, és egy bizonyos hullámhosszon (λ0) ér véget, amit a folytonos spektrum rövidhullámhatárának nevezünk. A λ0 értéke fordítottan arányos a cső feszültségével. Bremsstrahlung akkor fordul elő, amikor a gyors elektronok kölcsönhatásba lépnek az atommagokkal. A bremsstrahlung intenzitása egyenesen arányos az anódáram erősségével, a csövön átívelő feszültség négyzetével és az anód anyagának rendszámával (Z).

Ha a röntgencsőben felgyorsított elektronok energiája meghaladja az anódanyagra vonatkozó kritikus értéket (ezt az energiát a csövön erre az anyagra kritikus Vcr feszültség határozza meg), akkor karakterisztikus sugárzás lép fel. A karakterisztikus spektrum vonalas, spektrális vonalai sorozatokat alkotnak, amelyeket K, L, M, N betűk jelölnek.

A K sorozat a legrövidebb hullámhossz, az L sorozat a hosszabb hullámhosszú, az M és N sorozat csak nehéz elemekben figyelhető meg (a volfrám Vcr a K sorozatnál 69,3 kV, az L sorozatnál - 12,1 kV). A jellemző sugárzás a következőképpen jön létre. A gyors elektronok kiütik az atomi elektronokat a belső héjukból. Az atom gerjesztődik, majd visszatér az alapállapotba. Ebben az esetben a külső, kevésbé kötött héjak elektronjai töltik ki a belső héjakban felszabaduló tereket, és a karakterisztikus sugárzású fotonok olyan energiával bocsátódnak ki, amely megegyezik az atom gerjesztett és alapállapotú energiáinak különbségével. Ennek a különbségnek (és így a fotonenergiának) van egy bizonyos értéke, amely minden elemre jellemző. Ez a jelenség az elemek röntgen-spektrumanalízisének alapja. Az ábra a volfrám vonalspektrumát mutatja a folytonos fékezési spektrum hátterében.

A röntgencsőben felgyorsított elektronok energiája szinte teljes egészében hőenergiává alakul (az anód nagyon felforrósodik), csak egy kis része (100 kV-hoz közeli feszültségen kb. 1%) bremsstrahlung energiává.

A röntgensugarak alkalmazása az orvostudományban a röntgensugárzás anyag általi abszorpciójának törvényein alapul. A röntgensugárzás abszorpciója teljesen független az abszorber anyag optikai tulajdonságaitól. Színtelen és átlátszó ólomüveg, amelyet a röntgenszobákban a személyzet védelmére használnak, szinte teljesen elnyeli a röntgensugárzást. Ezzel szemben a fény számára nem átlátszó papírlap nem gyengíti a röntgensugárzást.

Az abszorberrétegen áthaladó homogén (azaz bizonyos hullámhosszúságú) röntgensugár intenzitása az exponenciális törvény (e-x) szerint csökken, ahol e a természetes logaritmusok alapja (2,718), az x kitevő pedig egyenlő az abszorber vastagságára eső tömegcsillapítási együttható (μ /p) cm 2 /g szorzata g/cm 2 -ben (itt p az anyag sűrűsége g/cm 3 -ben). A röntgensugárzás gyengülése mind a szórás, mind az abszorpció miatt következik be. Ennek megfelelően a tömegcsillapítási együttható a tömegelnyelési és szórási együtthatók összege. A tömegabszorpciós együttható meredeken növekszik az abszorber atomszámának (Z) növekedésével (arányos a Z3-mal vagy Z5-tel) és a hullámhossz növekedésével (arányos a λ3-mal). Ez a hullámhossztól való függés az abszorpciós sávokon belül figyelhető meg, amelyek határain az együttható ugrásokat mutat.

A tömegszórási együttható az anyag atomszámának növekedésével növekszik. λ≥0,3Å esetén a szórási együttható nem függ a hullámhossztól, λ-nál<0,ЗÅ он уменьшается с уменьшением λ.

Az abszorpciós és szórási együtthatók csökkenése a csökkenő hullámhossz mellett a röntgensugárzás áthatoló erejének növekedését okozza. A csont tömegabszorpciós együtthatója [a felvétel főként a Ca 3 (PO 4) 2 -nek köszönhető] csaknem 70-szer nagyobb, mint a lágyszöveteknél, ahol a felvétel főként a víznek köszönhető. Ez megmagyarázza, hogy a csontok árnyéka miért tűnik ki olyan élesen a röntgenfelvételeken a lágyrészek hátterében.

A nem egyenletes röntgensugár bármilyen közegen keresztül történő terjedése az intenzitás csökkenésével együtt a spektrális összetétel változásával és a sugárzás minőségének változásával jár: a spektrum hosszúhullámú része a rövidhullámú résznél nagyobb mértékben elnyelődik, a sugárzás egyenletesebbé válik. A spektrum hosszúhullámú részének kiszűrése lehetővé teszi az emberi test mélyén elhelyezkedő elváltozások röntgenterápia során a mély- és a felszíni dózisok arányának javítását (lásd röntgenszűrők). Az inhomogén röntgensugár minőségének jellemzésére a „félcsillapító réteg (L)” fogalmát használják - olyan anyagréteget, amely felére gyengíti a sugárzást. Ennek a rétegnek a vastagsága a cső feszültségétől, a szűrő vastagságától és anyagától függ. A félcsillapítási rétegek mérésére celofánt (12 keV energiaig), alumíniumot (20-100 keV), rezet (60-300 keV), ólmot és rezet (>300 keV) használnak. A 80-120 kV feszültségen generált röntgensugárzásnál 1 mm réz szűrőképességében 26 mm alumíniumnak, 1 mm ólom 50,9 mm alumíniumnak felel meg.

A röntgensugárzás abszorpciója és szóródása annak korpuszkuláris tulajdonságainak köszönhető; A röntgensugárzás kölcsönhatásba lép az atomokkal, mint a részecskék (részecskék) - fotonok áramlása, amelyek mindegyikének van egy bizonyos energiája (fordítva arányos a röntgensugárzás hullámhosszával). A röntgenfotonok energiatartománya 0,05-500 keV.

A röntgensugárzás abszorpciója a fotoelektromos hatásnak köszönhető: a foton elektronhéj általi abszorpciója egy elektron kilökődésével jár együtt. Az atom gerjesztődik, és az alapállapotba visszatérve jellegzetes sugárzást bocsát ki. A kibocsátott fotoelektron a foton összes energiáját elviszi (levonva az atomban lévő elektron kötési energiáját).

A röntgensugárzást a szóróközegben lévő elektronok okozzák. Megkülönböztetik a klasszikus szórást (a sugárzás hullámhossza nem változik, de a terjedési iránya változik) és a hullámhossz változással járó szórást - a Compton-effektust (a szórt sugárzás hullámhossza nagyobb, mint a beeső sugárzásé). ). Ez utóbbi esetben a foton úgy viselkedik, mint egy mozgó labda, és a fotonok szóródása Comton átvitt kifejezése szerint úgy történik, mint a fotonokkal és elektronokkal való biliárdozás: az elektronnal ütközve a foton energiájának egy részét átadja neki, és szórt, kisebb energiájú (ennek megfelelően a szórt sugárzás hullámhossza növekszik), egy elektron repül ki az atomból visszarúgási energiával (ezeket az elektronokat Compton elektronoknak, vagy visszarúgás elektronoknak nevezzük). A röntgenenergia abszorpciója a másodlagos elektronok (Compton és fotoelektronok) képződése és az ezekhez való energiaátvitel során történik. Az anyag egységnyi tömegére átvitt röntgensugárzás energiája határozza meg a röntgensugárzás elnyelt dózisát. Ennek a dózisnak az egysége 1 rad 100 erg/g-nak felel meg. Az abszorbens anyagban az elnyelt energia miatt számos másodlagos folyamat játszódik le, amelyek a röntgendozimetria szempontjából fontosak, hiszen ezeken alapulnak a röntgensugárzás mérési módszerei. (lásd Dozimetria).

Minden gáz és sok folyadék, félvezető és dielektrikum növeli az elektromos vezetőképességet röntgensugárzás hatására. A vezetőképességet a legjobb szigetelőanyagok érzékelik: paraffin, csillám, gumi, borostyán. A vezetőképesség változását a közeg ionizációja, azaz a semleges molekulák pozitív és negatív ionokra való szétválása okozza (az ionizációt a másodlagos elektronok állítják elő). A levegőben történő ionizációt a röntgensugár-expozíciós dózis (levegőben lévő dózis) meghatározására használják, amelyet röntgenekben mérnek (lásd: Ionizáló sugárzás dózisai). 1 r dózisnál a levegőben elnyelt dózis 0,88 rad.

Röntgensugárzás hatására egy anyag molekuláinak gerjesztése következtében (és az ionok rekombinációja során) sok esetben az anyag látható fénye gerjesztődik. Nagy intenzitású röntgensugárzásnál látható izzás figyelhető meg a levegőben, papírban, paraffinban stb. (a fémek kivételével). A látható lumineszcencia legnagyobb hozamát a kristályos foszforok biztosítják, mint például a Zn·CdS·Ag-foszfor és mások, amelyeket fluoroszkópiás képernyőkhöz használnak.

Röntgensugárzás hatására különböző kémiai folyamatok is lezajlhatnak egy anyagban: ezüst-halogenid vegyületek bomlása (röntgenfotózásnál használt fényképező hatás), víz és hidrogén-peroxid vizes oldatának bomlása, tulajdonságok megváltozása. celluloid (zavarosság és kámfor felszabadulás), paraffin (zavarosság és fehérítés) .

A teljes átalakulás eredményeként a kémiailag inert anyag, a röntgensugárzás által elnyelt összes energia hővé alakul. Nagyon kis mennyiségű hő mérése rendkívül érzékeny módszereket igényel, de ez a fő módszer a röntgensugárzás abszolút mérésére.

A röntgensugárzásnak való kitettség másodlagos biológiai hatásai képezik az orvosi röntgenterápia alapját (lásd). A röntgensugárzást, amelynek kvantuma 6-16 keV (effektív hullámhossz 2-5 Å), szinte teljesen elnyeli az emberi test bőrszövete; ezeket határsugaraknak, vagy néha Bucca sugarainak nevezik (lásd Bucca sugarai). Mélyröntgenterápiához keményszűrt sugárzást használnak 100-300 keV hatékony energiakvantumokkal.

A röntgensugárzás biológiai hatását nemcsak a röntgenterápia során, hanem a röntgendiagnosztika során is figyelembe kell venni, valamint minden egyéb olyan röntgensugárzással való érintkezés esetén, amely sugárvédelem alkalmazását igényli. (lát).

X-RAY

X-RAY

láthatatlan sugárzás, amely képes áthatolni, bár különböző mértékben, minden anyagon. Körülbelül 10-8 cm hullámhosszú elektromágneses sugárzás, a látható fényhez hasonlóan a röntgensugárzás is a fényképészeti film elfeketedését okozza. Ez az ingatlan fontos az orvostudomány, az ipar és a tudományos kutatás számára. A vizsgált tárgyon áthaladva, majd a fotófilmre esve a röntgensugárzás a belső szerkezetét ábrázolja rajta. Mivel a röntgensugárzás áthatoló ereje a különböző anyagoknál eltérő, a tárgy számára kevésbé átlátszó részei világosabb területeket hoznak létre a fényképen, mint azok, amelyeken a sugárzás jól áthatol. Így a csontszövet kevésbé átlátszó a röntgensugárzás számára, mint a bőrt és a belső szerveket alkotó szövet. Ezért a röntgenfelvételen a csontok világosabb területekként jelennek meg, és a törési hely, amely a sugárzás számára jobban átlátszó, könnyen kimutatható. A röntgensugárzást a fogászatban is használják a fogszuvasodás és a tályogok kimutatására a foggyökerekben, az iparban pedig az öntvények, műanyagok és gumik repedéseinek kimutatására. A röntgensugárzást a kémiában a vegyületek elemzésére, a fizikában pedig a kristályok szerkezetének vizsgálatára használják. A kémiai vegyületen áthaladó röntgensugár jellegzetes másodlagos sugárzást hoz létre, amelynek spektroszkópiai elemzése lehetővé teszi a vegyész számára a vegyület összetételének meghatározását. Amikor egy röntgensugár egy kristályos anyagra esik, azt a kristály atomjai szétszórják, így tiszta, szabályos képet adnak a foltokról és csíkokról a fényképezőlapon, ami lehetővé teszi a kristály belső szerkezetének megállapítását. . A röntgensugárzás rákkezelésben való alkalmazása azon a tényen alapul, hogy elpusztítja a rákos sejteket. Azonban nemkívánatos hatásai is lehetnek a normál sejtekre. Ezért rendkívül körültekintően kell eljárni a röntgensugárzás ilyen módon történő alkalmazásakor. A röntgensugárzást W. Roentgen (1845-1923) német fizikus fedezte fel. Nevét számos más, ehhez a sugárzáshoz kapcsolódó fizikai kifejezés is megörökítette: a röntgen az ionizáló sugárzás dózisának nemzetközi mértékegysége; a röntgenkészülékben készült képet röntgenfelvételnek nevezik; A radiológiai orvoslás azon területét, amely röntgensugárzást használ betegségek diagnosztizálására és kezelésére, radiológiának nevezik. Röntgen 1895-ben fedezte fel a sugárzást, miközben a Würzburgi Egyetem fizikaprofesszora volt. A katódsugarakkal (kisülési csövekben áramló elektronok) végzett kísérletek során észrevette, hogy a vákuumcső közelében elhelyezkedő, kristályos bárium-cianoplatinittal borított képernyő erősen világít, bár magát a csövet fekete karton borította. Röntgen megállapította továbbá, hogy az általa felfedezett ismeretlen sugarak áthatoló képessége, amelyet röntgensugaraknak nevezett, az elnyelő anyag összetételétől függ. Saját kezének csontjairól is képet kapott úgy, hogy azt egy katódsugaras kisülési cső és egy bárium-cianoplatinittal bevont képernyő közé helyezte. Röntgen felfedezését más kutatók kísérletei követték, akik ennek a sugárzásnak számos új tulajdonságát és alkalmazását fedezték fel. Jelentős hozzájárulást M. Laue, W. Friedrich és P. Knipping tett, akik 1912-ben bemutatták a röntgensugárzás diffrakcióját, amikor áthalad egy kristályon; W. Coolidge, aki 1913-ban feltalált egy nagyvákuumú röntgencsövet fűtött katóddal; G. Moseley, aki 1913-ban megállapította a sugárzás hullámhossza és egy elem rendszáma közötti kapcsolatot; G. és L. Bragg, akik 1915-ben Nobel-díjat kaptak a röntgensugaras szerkezeti elemzés alapjainak kidolgozásáért. Röntgensugarak vétele Röntgensugárzás akkor jön létre, amikor a nagy sebességgel mozgó elektronok kölcsönhatásba lépnek az anyaggal. Amikor az elektronok bármilyen anyag atomjával ütköznek, gyorsan elveszítik mozgási energiájukat. Ebben az esetben nagy része hővé alakul, és egy kis része, általában kevesebb, mint 1%, alakul át röntgenenergiává. Ez az energia kvantumok – fotonoknak nevezett részecskék formájában szabadul fel, amelyeknek van energiájuk, de nyugalmi tömegük nulla. A röntgenfotonok energiájukban különböznek, ami fordítottan arányos hullámhosszukkal. A röntgensugarak előállításának hagyományos módszere a hullámhosszok széles tartományát állítja elő, amelyet röntgenspektrumnak neveznek. A spektrum kifejezett komponenseket tartalmaz, amint az az ábrán látható. 1. A széles „kontinuumot” folytonos spektrumnak vagy fehér sugárzásnak nevezzük. A rárakódó éles csúcsokat karakterisztikus röntgen emissziós vonalaknak nevezzük. Bár a teljes spektrum az elektronok anyaggal való ütközésének eredménye, széles részének és vonalainak megjelenési mechanizmusai eltérőek. Egy anyag nagyszámú atomból áll, amelyek mindegyikének van egy atommagja, amelyet elektronhéjak vesznek körül, és egy adott elem atomjának héjában minden egyes elektron bizonyos diszkrét energiaszintet foglal el. Általában ezeket a héjakat vagy energiaszinteket a K, L, M stb. szimbólumok jelölik, a maghoz legközelebb eső héjtól kezdve. Amikor egy kellően nagy energiájú beeső elektron ütközik az atomhoz kapcsolódó elektronok egyikével, kiüti azt a héjából. Az üres helyet egy másik elektron foglalja el a héjból, ami magasabb energiának felel meg. Ez utóbbi többletenergiát ad le röntgenfoton kibocsátásával. Mivel a héjelektronoknak diszkrét energiaértékük van, a keletkező röntgenfotonok is diszkrét spektrummal rendelkeznek. Ez bizonyos hullámhosszok éles csúcsainak felel meg, amelyek konkrét értékei a célelemtől függenek. A karakterisztikus vonalak a K-, L- és M-sorozatot alkotják, attól függően, hogy melyik héjból (K, L vagy M) távolították el az elektront. A röntgenhullámhossz és az atomszám közötti összefüggést Moseley-törvénynek nevezzük (2. ábra).

Rizs. 1. A HAGYOMÁNYOS Röntgenspektrum folytonos spektrumból (kontinuum) és jellegzetes vonalakból (éles csúcsok) áll. A K/ia és K/ib vonalak a felgyorsult elektronok és a belső K-héj elektronjainak kölcsönhatása miatt keletkeznek.

Rizs. 2. A kémiai elemek által kibocsátott JELLEMZŐ RÖNTGSUGÁRZÁS HULLÁMHOSSZA az elem rendszámától függ. A görbe a Moseley-törvényt követi: minél nagyobb az elem rendszáma, annál rövidebb a karakterisztikus vonal hullámhossza.

Ha egy elektron ütközik egy viszonylag nehéz atommaggal, akkor lelassul, és mozgási energiája körülbelül azonos energiájú röntgenfoton formájában szabadul fel. Ha elrepül az atommag mellett, energiájának csak egy részét veszíti el, a többit pedig átadják más atomoknak, amelyek az útjába kerülnek. Minden energiaveszteség egy bizonyos energiájú foton kibocsátásához vezet. Megjelenik egy folytonos röntgenspektrum, melynek felső határa a leggyorsabb elektron energiájának felel meg. Ez a folyamatos spektrum kialakulásának mechanizmusa, és a folytonos spektrum határát rögzítő maximális energia (vagy minimális hullámhossz) arányos a gyorsító feszültséggel, amely meghatározza a beeső elektronok sebességét. Spektrális vonalak jellemzik a bombázott cél anyagát, a folytonos spektrumot pedig az elektronsugár energiája határozza meg, és gyakorlatilag független a célanyagtól. Röntgensugárzás nem csak elektronbombázással nyerhető, hanem úgy is, hogy egy célpontot más forrásból származó röntgensugárzással sugározunk be. Ebben az esetben azonban a beeső sugár energiájának nagy része a jellegzetes röntgenspektrumba kerül, és nagyon kis része a folytonos spektrumba. Nyilvánvaló, hogy a beeső röntgensugárzás nyalábjának olyan fotonokat kell tartalmaznia, amelyek energiája elegendő a bombázott elem karakterisztikus vonalainak gerjesztéséhez. A karakterisztikus spektrumra jutó energia magas százaléka alkalmassá teszi a röntgensugárzás gerjesztésének ezt a módszerét a tudományos kutatás számára. Röntgencsövek. Ahhoz, hogy az elektronok anyaggal való kölcsönhatása révén röntgensugarakat hozzon létre, rendelkeznie kell egy elektronforrással, egy olyan eszközzel, amely nagy sebességre gyorsítja őket, és olyan célpontra van szükség, amely ellenáll az elektronbombázásnak, és megfelelő intenzitású röntgensugárzást hoz létre. A mindezt tartalmazó készüléket röntgencsőnek nevezik. A korai kutatók "mélyen evakuált" csöveket, például modern gázkisüléses csöveket használtak. Nem volt túl nagy bennük a vákuum. A kisülési csövek kis mennyiségű gázt tartalmaznak, és ha nagy potenciálkülönbséget alkalmaznak a cső elektródáin, a gázatomok pozitív és negatív ionokká alakulnak. A pozitívak a negatív elektród (katód) felé mozdulnak, és ráesve kiütik belőle az elektronokat, ezek pedig a pozitív elektród (anód) felé haladnak, és azt bombázva röntgenfoton-folyamot hoznak létre. . A Coolidge által kifejlesztett modern röntgencsőben (3. ábra) az elektronok forrása egy magas hőmérsékletre melegített volfrámkatód. Az elektronokat nagy sebességre gyorsítja az anód (vagy antikatód) és a katód közötti nagy potenciálkülönbség. Mivel az elektronoknak anélkül kell eljutniuk az anódhoz, hogy atomokkal ütköznének, nagyon nagy vákuumra van szükség, amihez a csövet jól ki kell üríteni. Ez csökkenti a megmaradt gázatomok ionizációjának valószínűségét és az ebből eredő oldaláramokat is.

Rizs. 3. COOLIDGE RÖNTGCSÖV. Amikor elektronokkal bombázzák, a wolfram antikatód jellegzetes röntgensugárzást bocsát ki. A röntgensugár keresztmetszete kisebb, mint a tényleges besugárzott terület. 1 - elektronsugár; 2 - katód fókuszáló elektródával; 3 - üveghéj (cső); 4 - wolfram cél (anti-katód); 5 - katód izzószál; 6 - tényleges besugárzott terület; 7 - hatékony fókuszpont; 8 - réz anód; 9 - ablak; 10 - szórt röntgensugárzás.

Az elektronokat a katódot körülvevő speciálisan kialakított elektróda fókuszálja az anódra. Ezt az elektródát fókuszáló elektródának nevezik, és a katóddal együtt a cső „elektronikus reflektorfényét” alkotja. Az elektronbombázásnak kitett anódnak tűzálló anyagból kell készülnie, mivel a bombázó elektronok mozgási energiájának nagy része hővé alakul. Ezenkívül kívánatos, hogy az anód nagy rendszámú anyagból készüljön, mert A röntgenkibocsátás az atomszám növekedésével növekszik. A leggyakrabban választott anódanyag a wolfram, amelynek rendszáma 74. A röntgencsövek kialakítása a felhasználási feltételektől és a követelményektől függően változhat. RÖNTGÉRZÉKELÉS A röntgensugarak kimutatására szolgáló összes módszer az anyaggal való kölcsönhatáson alapul. Az érzékelők kétféleek lehetnek: azok, amelyek képet adnak, és azok, amelyek nem. Az elsők közé tartoznak a röntgen-fluorográfiai és fluoroszkópos készülékek, amelyekben a röntgensugár nyalábja halad át a vizsgált objektumon, és a továbbított sugárzás egy lumineszcens képernyőt vagy fényképezőfilmet ér. A kép annak köszönhető, hogy a vizsgált tárgy különböző részei eltérően nyelnek el sugárzást - az anyag vastagságától és összetételétől függően. A fluoreszcens képernyővel ellátott detektorokban a röntgenenergia közvetlenül megfigyelhető képpé alakul, míg a radiográfiában érzékeny emulzión rögzítik, és csak a film előhívása után lehet megfigyelni. A második típusú detektorok sokféle eszközt foglalnak magukban, amelyekben a röntgensugárzás energiáját elektromos jelekké alakítják, amelyek jellemzik a sugárzás relatív intenzitását. Ide tartoznak az ionizációs kamrák, a Geiger-számlálók, az arányos számlálók, a szcintillációs számlálók és néhány speciális kadmium-szulfid- és szelenid-detektor. Jelenleg a leghatékonyabb detektoroknak a szcintillációs számlálók tekinthetők, amelyek széles energiatartományban jól működnek. Lásd még RÉSZÉKÉRZÉKELŐK. A detektor kiválasztása a feladat körülményeinek figyelembevételével történik. Például, ha pontosan meg kell mérnie a diffrakciós röntgensugárzás intenzitását, akkor számlálókat használnak, amelyek lehetővé teszik a mérések elvégzését egy százalék töredékének pontossággal. Ha sok elhajló nyalábot kell regisztrálni, akkor célszerű röntgenfilmet használni, bár ebben az esetben az intenzitást nem lehet ugyanolyan pontossággal meghatározni. RÖNTG- ÉS GAMMA DEFEKTOSZKÓPIA A röntgensugárzás egyik leggyakoribb ipari felhasználása az anyagminőség-ellenőrzés és a hibák észlelése. A röntgen-módszer roncsolásmentes, így a vizsgált anyag, ha azt találja, hogy megfelel a szükséges követelményeknek, rendeltetésszerűen használható. Mind a röntgen-, mind a gammahiba-detektálás a röntgensugárzás áthatolóképességén és az anyagokban való elnyelődésének jellemzőin alapul. A behatoló erőt a röntgenfotonok energiája határozza meg, amely a röntgencsőben lévő gyorsító feszültségtől függ. Emiatt vastag minták és nehézfémekből, például aranyból és uránból készült minták vizsgálatához nagyobb feszültségű röntgenforrás szükséges, míg vékony mintáknál kisebb feszültségű forrás is elegendő. Nagyon nagy öntvények és nagy hengerelt termékek gamma-hiba észlelésére betatronokat és lineáris gyorsítókat használnak, amelyek 25 MeV vagy nagyobb energiára gyorsítják a részecskéket. A röntgensugárzás abszorpciója egy anyagban a d abszorber vastagságától és az m abszorpciós együtthatótól függ, és az I = I0e-md képlet határozza meg, ahol I az abszorberen áthaladó sugárzás intenzitása, I0 a beeső sugárzás intenzitása, és e = 2,718 a természetes logaritmusok alapja. Egy adott anyag esetében a röntgensugárzás adott hullámhosszán (vagy energiáján) az abszorpciós együttható állandó. De a röntgenforrás sugárzása nem monokromatikus, hanem széles hullámhossz-spektrumot tartalmaz, aminek következtében az abszorpció azonos vastagsága mellett a sugárzás hullámhosszától (frekvenciájától) függ. A röntgensugárzást széles körben használják a fémalakítással kapcsolatos valamennyi iparágban. Alkalmas továbbá tüzérségi hordók, élelmiszeripari termékek, műanyagok tesztelésére, valamint komplex elektronikai eszközök és rendszerek tesztelésére. (Hasonló célokra használják a neutronográfiát, amely röntgen helyett neutronsugarat használ.) A röntgensugárzást más célokra is használják, például festmények vizsgálatára a valódiságuk megállapítására vagy további festékrétegek kimutatására az alapréteg tetején. . RÖNTGENDIFFRAKCIÓ A röntgendiffrakció fontos információkat szolgáltat a szilárd anyagokról – azok atomi szerkezetéről és kristályformájáról –, valamint folyadékokról, amorf szilárd anyagokról és nagy molekulákról. A diffrakciós módszert az atomközi távolságok pontos (10-5-nél kisebb hibával) meghatározására, a feszültségek és hibák azonosítására, valamint az egykristályok orientációjának meghatározására is használják. A diffrakciós mintázat segítségével azonosíthatja az ismeretlen anyagokat, valamint kimutathatja a szennyeződések jelenlétét a mintában és azonosíthatja azokat. A röntgendiffrakciós módszer jelentőségét a modern fizika fejlődésében aligha lehet túlbecsülni, mivel az anyag tulajdonságainak modern megértése végső soron az atomok különböző kémiai vegyületekben való elrendezésére, a köztük lévő kötések természetére vonatkozó adatokon alapul. és szerkezeti hibák. Ezen információk megszerzésének fő eszköze a röntgendiffrakciós módszer. A röntgendiffrakciós krisztallográfia kritikus fontosságú összetett nagy molekulák szerkezetének meghatározásában, mint például a dezoxiribonukleinsav (DNS) molekulák, az élő szervezetek genetikai anyaga. Közvetlenül a röntgensugarak felfedezése után a tudományos és orvosi érdeklődés mind e sugárzás testbehatoló képességére, mind természetére összpontosult. A röntgensugárzás résekkel és diffrakciós rácsokkal történő diffrakciójával kapcsolatos kísérletek kimutatták, hogy az elektromágneses sugárzáshoz tartozik, és hullámhossza 10-8-10-9 cm. Már korábban is a tudósok, különösen W. Barlow sejtették, hogy a természetes kristályok szabályos és szimmetrikus alakja a kristályt alkotó atomok rendezett elrendezésének köszönhető. Egyes esetekben Barlow helyesen tudta megjósolni a kristályszerkezetet. Az előrejelzett interatomikus távolságok értéke 10-8 cm volt, az a tény, hogy az atomközi távolságok a röntgen hullámhossz nagyságrendjébe esnek, elvileg lehetővé tette diffrakciójuk megfigyelését. Az eredmény a fizikatörténet egyik legfontosabb kísérletének tervezése volt. M. Laue kísérleti tesztet szervezett ennek az ötletnek, amelyet kollégái, W. Friedrich és P. Knipping végeztek el. 1912-ben hárman publikálták munkájukat a röntgendiffrakciós eredményekről. A röntgendiffrakció elvei. A röntgendiffrakció jelenségének megértéséhez sorrendben kell megvizsgálnunk: először is a röntgensugárzás spektrumát, másodszor a kristályszerkezet természetét, harmadszor pedig magát a diffrakció jelenségét. Mint fentebb említettük, a jellegzetes röntgensugárzás az anód anyaga által meghatározott, nagy fokú monokromatikus spektrumvonalakból áll. Szűrők segítségével kiemelheti a legintenzívebbeket. Ezért az anód anyagának megfelelő megválasztásával nagyon pontosan meghatározott hullámhosszú, szinte monokromatikus sugárzási forrást lehet előállítani. A jellemző sugárzási hullámhosszok jellemzően a króm esetében 2,285-től az ezüstig 0,558-ig terjednek (a különböző elemek értékei hat számjegyűek). A karakterisztikus spektrum egy, az anódba beeső elektronok lassulása miatt sokkal kisebb intenzitású folytonos „fehér” spektrumra szuperponált. Így minden anódról kétféle sugárzás nyerhető: karakterisztikus és bremsstrahlung, amelyek mindegyike a maga módján fontos szerepet játszik. A kristályszerkezetben az atomok szabályos periodikusan vannak elrendezve, és azonos cellák sorozatát alkotják - egy térhálót. Egyes rácsok (például a legtöbb elterjedt fémhez) meglehetősen egyszerűek, míg mások (például a fehérjemolekuláké) meglehetősen összetettek. A kristályszerkezetre a következő jellemző: ha az egyik cella adott pontjából egy szomszédos sejt megfelelő pontjába lépünk, akkor pontosan ugyanaz az atomi környezet tárul fel. És ha egy bizonyos atom az egyik sejt egyik vagy másik pontján helyezkedik el, akkor ugyanaz az atom bármely szomszédos sejt egyenértékű pontjában található. Ez az elv szigorúan érvényes a tökéletes, ideálisan rendezett kristályra. Azonban sok kristály (például fém szilárd oldatok) ilyen vagy olyan mértékben rendezetlen, pl. krisztallográfiailag egyenértékű helyeket különböző atomok foglalhatnak el. Ezekben az esetekben nem az egyes atomok helyzetét határozzák meg, hanem csak az atom helyzetét „statisztikailag átlagolva” nagyszámú részecskére (vagy sejtre). A diffrakció jelenségét az OPTIKA cikk tárgyalja, és az olvasó a további folytatás előtt hivatkozhat erre a cikkre. Megmutatja, hogy ha hullámok (például hang, fény, röntgen) áthaladnak egy kis résen vagy lyukon, akkor az utóbbi másodlagos hullámforrásnak tekinthető, és a rés vagy lyuk képe váltakozó fényből áll. és sötét csíkok. Továbbá, ha lyukak vagy rések periodikus szerkezete van, akkor a különböző lyukakból érkező sugarak erősödő és gyengülő interferencia eredményeként egyértelmű diffrakciós mintázat jelenik meg. A röntgendiffrakció egy kollektív szórási jelenség, amelyben a lyukak és a szórási centrumok szerepét a kristályszerkezet periodikusan elhelyezkedő atomjai játsszák. A képeik kölcsönös fokozása bizonyos szögekben olyan diffrakciós mintázatot hoz létre, amely hasonló ahhoz, ami akkor keletkezne, ha a fény egy háromdimenziós diffrakciós rácson diffrakció lenne. A szóródás a beeső röntgensugárzás és a kristályban lévő elektronok kölcsönhatása miatt következik be. Tekintettel arra, hogy a röntgensugarak hullámhossza azonos nagyságrendű az atom méretével, a szórt röntgensugarak hullámhossza megegyezik a beeső röntgensugárzáséval. Ez a folyamat az elektronok kényszerrezgésének eredménye a beeső röntgensugárzás hatására. Tekintsünk most egy atomot kötött elektronfelhővel (az atommag körül), amelyet röntgensugárzás ér. Az elektronok minden irányban egyszerre szórják szét a beeső sugárzást, és bocsátják ki saját, azonos hullámhosszúságú, bár eltérő intenzitású röntgensugárzásukat. A szórt sugárzás intenzitása összefügg az elem rendszámával, mert atomszáma megegyezik a szórásban részt vevő orbitális elektronok számával. (Az intenzitásnak a szórási elem rendszámától és az intenzitás mérési irányától való függését az atomszórási tényező jellemzi, amely rendkívül fontos szerepet játszik a kristályok szerkezetének elemzésében.) Nézzük. válasszunk ki a kristályszerkezetben egymástól azonos távolságra elhelyezkedő atomok lineáris láncát, és vegyük figyelembe diffrakciós mintázatukat. Korábban már megjegyeztük, hogy a röntgenspektrum egy folytonos részből ("kontinuum") és intenzívebb vonalak halmazából áll, amelyek jellemzőek az anód anyagát képező elemre. Tegyük fel, hogy kiszűrtük a folytonos spektrumot, és majdnem monokromatikus röntgensugarat kaptunk, amely a lineáris atomláncunkra irányult. Az erősítés (erősítő interferencia) feltétele akkor teljesül, ha a szomszédos atomok által szórt hullámok útjában a különbség a hullámhossz többszöröse. Ha a nyaláb a0 szöget zár be az a (periódus) intervallumokkal elválasztott atomsorra, akkor az a diffrakciós szögre az erősítésnek megfelelő útkülönbség a(cos a - cosa0) = hl formában lesz felírva, ahol l a hullámhossz és h egész szám (4. és 5. ábra).

Rizs. 4. A röntgensugár felerősítése akkor következik be, ha a szomszédos atomok által szórt hullámok útjában a különbség egyenlő a hullámhossz egész számú többszörösével. Itt a0 a beesési szög, a a diffrakciós szög, a az atomok közötti távolság.

Rizs. 5. A LAUE-EGYENLETEK MEGOLDÁSA minden h értékre kúpcsaládként ábrázolható, melynek közös tengelye a krisztallográfiai tengely mentén irányul (a másik két tengelyre hasonló képek rajzolhatók). A kristályszerkezetek tanulmányozásának hatékony módszere a Laue-egyenleteken alapul.

Ahhoz, hogy ezt a megközelítést háromdimenziós kristályra is kiterjesszük, csak a kristály két másik iránya mentén kell atomsorokat kiválasztani, és az így kapott három egyenletet együttesen megoldani a három a, b és c periódusú kristálytengelyre. A másik két egyenlet alakja

<="" div="" style="border-style: none;">Ez a három alapvető Laue-egyenlet a röntgendiffrakcióhoz, ahol a h, k és c számok a diffrakciós sík Miller-indexei. Lásd még KRISTÁLYOK ÉS KRISTALLOGRAFIA. Bármely Laue-egyenletet figyelembe véve, például az elsőt, észreveheti, hogy mivel a, a0, l állandók, és h = 0, 1, 2, ..., megoldása kúphalmazként ábrázolható közös tengely a (. 5. ábra). Ugyanez igaz a b és c irányokra is. A háromdimenziós szórás (diffrakció) általános esetben a három Laue-egyenletnek közös megoldással kell rendelkeznie, pl. az egyes tengelyeken elhelyezkedő három diffrakciós kúpnak kereszteznie kell egymást; ábrán látható az általános metszésvonal. 6. Az egyenletek együttes megoldása a Bragg-Wolfe törvényhez vezet:

Rizs. 6. A LAUE EGYENLETEK ÁLTALÁNOS MEGOLDÁSA három kúp metszéspontjának felel meg a, b, c tengelyekkel, amelyeknek közös R egyenese van.

l = 2(d/n)sinq, ahol d a h, k és c indexű síkok távolsága (periódus), n = 1, 2, ... egész számok (diffrakciós sorrend), q pedig a szög egy beeső sugarat (valamint egy diffrakciós sugarat) alkotott azzal a kristálysíkkal, amelyben diffrakció történik. A Bragg-Wolfe törvény egyenletét egy monokromatikus röntgensugár útján elhelyezkedő egykristályra elemezve arra a következtetésre juthatunk, hogy a diffrakciót nem könnyű megfigyelni, mert az l és q mennyiségek rögzítettek, és 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. DIFRAKCIÓANALÍZIS MÓDSZEREI Laue módszer. A Laue-módszer a röntgensugárzás folytonos "fehér" spektrumát használja, amely egy álló egykristályra irányul. A d periódus adott értékéhez a Bragg-Wulf feltételnek megfelelő hullámhossz automatikusan kiválasztásra kerül a teljes spektrumból. Az így kapott Lauegramok lehetővé teszik a diffrakciós nyalábok irányának és ebből következően a kristály síkjainak orientációjának megítélését, ami egyben fontos következtetések levonását is lehetővé teszi a kristály szimmetriájára, orientációjára és jelenlétére vonatkozóan. a benne lévő hibákról. Ebben az esetben azonban a d térbeli periódusra vonatkozó információ elvész. ábrán. A 7. ábra egy Lauegram példáját mutatja. A röntgenfilm a kristály azon oldalán volt, amely ellentétes azzal az oldallal, amelyre a forrásból származó röntgensugár esett.

Rizs. 7. LAUEGRAM. Széles spektrumtartományú röntgensugarakat vezetnek át egy álló kristályon. A diffrakciós sugarak a Lauegram foltjainak felelnek meg.

Debye-Scherrer módszer (polikristályos mintákhoz). Az előző módszertől eltérően itt monokromatikus sugárzást alkalmazunk (l = const), és a q szöget változtatjuk. Ezt egy polikristályos minta felhasználásával érik el, amely számos véletlenszerű orientációjú kis kristályból áll, amelyek között vannak olyanok, amelyek kielégítik a Bragg-Wulf feltételt. A diffrakciós sugarak kúpokat képeznek, amelyek tengelye a röntgensugár mentén irányul. A képalkotáshoz általában egy hengeres kazettában lévő keskeny röntgenfilmcsíkot használnak, és a röntgensugarak a filmben lévő lyukakon keresztül oszlanak el az átmérő mentén. Az így kapott Debyegram (8. ábra) pontos információkat tartalmaz a d periódusról, azaz. a kristály szerkezetéről, de nem nyújtja azt az információt, amit a Lauegram tartalmaz. Ezért a két módszer kiegészíti egymást. Nézzük meg a Debye-Scherrer módszer néhány alkalmazását.

A röntgensugárzás anyagra gyakorolt ​​hatását a röntgenfoton és az anyag atomjainak és molekuláinak elektronjai közötti kölcsönhatás elsődleges folyamatai határozzák meg.

3. Röntgen-számítógépes tomográfia.

A röntgen-számítógépes tomográfiás módszer a páciens testének egy bizonyos szakaszának (szeletének) képének rekonstrukcióján alapul, ennek a szakasznak a nagyszámú, különböző szögekben végrehajtott röntgenvetületének rögzítésével (5. ábra). Az ezeket a vetületeket rögzítő érzékelők információi bejutnak a számítógépbe, amely egy speciális program segítségével kiszámítja terjesztés minta sűrűsége a vizsgált részben, és megjeleníti a kijelzőn. A páciens testének így kapott keresztmetszeti képét kiváló tisztaság és magas információtartalom jellemzi. A program lehetővé teszi, ha szükséges, növeli a kép kontrasztját tízszer, sőt százszor. Ez kibővíti a módszer diagnosztikai lehetőségeit.

Rizs. 5. A vizsgált szerv egy szakaszának röntgenvizsgálatának sémája (1. és 2. pont - a röntgenforrás két egymást követő helyzete)

4. Fluorográfiával A nagy képernyőről érkező kép érzékeny kis formátumú filmre kerül rögzítésre (6. ábra). Az elemzés során a képeket speciális nagyítóval vizsgálják.

Ezt a módszert tömeges lakossági felmérésekhez használják. Ebben az esetben a páciens sugárterhelése sokkal kisebb, mint a hagyományos fluoroszkópia során.

Röntgenterápia- röntgensugárzás alkalmazása a rosszindulatú daganatok elpusztítására.

A sugárzás biológiai hatása a gyorsan szaporodó daganatsejtek létfontosságú tevékenységének megzavarása. Ebben az esetben az R - fotonok energiája 150-200 keV.

Visiográfok (digitális röntgen képfeldolgozó készülékek) a modern fogászatban

A fogászatban a röntgenvizsgálat a fő diagnosztikai módszer. A röntgendiagnosztikát azonban számos hagyományos szervezeti és technikai jellemzője nem teszi teljesen kényelmessé mind a páciens, mind a fogorvosi rendelők számára. Ez mindenekelőtt a páciens ionizáló sugárzással való érintkezésének szükségessége, amely gyakran jelentős sugárzási terhelést okoz a szervezetben, ez egyben a fotofeldolgozás, tehát fotoreagensek szükségessége, beleértve a mérgező anyagokat is. Ez végül egy terjedelmes archívum, nehéz mappák és borítékok röntgenfilmekkel.

Ezenkívül a fogászat jelenlegi fejlettségi szintje nem teszi elegendővé a röntgenfelvételek emberi szem általi szubjektív értékelését. Mint kiderült, a röntgenfelvételen található sokféle szürke árnyalat közül a szem csak 64-et észlel.

Nyilvánvalóan más megoldásokra van szükség ahhoz, hogy tiszta és részletes képet kapjunk a fogászati-arcrendszer keményszöveteiről minimális sugárterhelés mellett. Napjainkra a keresés az úgynevezett radiográfiai rendszerek, videográfok - digitális radiográfiai rendszerek létrehozásához vezetett (1987, Trophy cég).

Műszaki részletek nélkül az ilyen rendszerek működési elve a következő. A röntgensugárzás a tárgyon át nem egy fényérzékeny filmre, hanem egy speciális intraorális érzékelőre (egy speciális elektronikus mátrixra) jut át. A mátrix megfelelő jelét a számítógéphez csatlakoztatott digitalizáló eszközre (analóg-digitális konverter, ADC) továbbítják, amely azt digitális formává alakítja. Speciális szoftverek röntgenképet készítenek a számítógép képernyőjén, és lehetővé teszik annak feldolgozását, merev vagy rugalmas adathordozóra (merevlemezre, lemezre) mentését és képként fájlként történő kinyomtatását.

A digitális rendszerben a röntgenkép a szürke különböző árnyalatainak megfelelő pontok gyűjteménye. A program által biztosított információmegjelenítés optimalizálása viszonylag alacsony sugárzási dózis mellett is lehetővé teszi a fényerőben és kontrasztban optimális keret elérését.

A modern rendszerekben, amelyeket például a Trophy (Franciaország) vagy a Schick (USA) hozott létre, 4096 szürke árnyalatot használnak a keret kialakításához, az expozíciós idő a vizsgálat tárgyától függ, és átlagosan század-tizede egy második, csökkenti a sugárterhelést a filmhez viszonyítva – akár 90%-kal intraorális rendszereknél, akár 70%-kal panorámavideósoknál.

A képek feldolgozása során a videósok:

1. Pozitív és negatív képeket, álszínes képeket, dombormű képeket fogadni.

2. Növelje a kontrasztot és nagyítsa ki a kívánt képrészletet.

3. Felméri a fogszövetek és csontszerkezetek sűrűségében bekövetkező változásokat, ellenőrizni kell a csatornák tömésének egyenletességét.

4. Endodontiában bármilyen görbületű csatorna hosszát, sebészetben pedig 0,1 mm-es pontossággal válassza ki az implantátum méretét.

Az egyedülálló fogszuvasodás érzékelő rendszer mesterséges intelligencia elemekkel a képelemzés során lehetővé teszi a szuvasodás azonnali, a gyökérszuvasodás és a rejtett szuvasodás észlelését.

Problémákat megoldani:

1. Hányszor nagyobb egy 80 kV-os csőfeszültség mellett előállított röntgensugár bremsstrahlung kvantum maximális energiája, mint egy 500 nm hullámhosszú zöld fénynek megfelelő foton energiája?

2. Határozza meg a betatronban felgyorsított elektronok 60 MeV energiára való lelassulásából származó sugárzás spektrumának minimális hullámhosszát a céltárgyon!

3. A monokromatikus röntgensugárzás félcsillapító rétege egy bizonyos anyagban 10 mm. Határozza meg ennek a sugárzásnak a csillapítási sebességét ebben az anyagban.

[*] Φ l a hullámhosszok szűk tartományában 1 s alatt kibocsátott energia aránya. ennek az intervallumnak a szélességére

* Az „F” a (4) képletben a kibocsátott hullámhosszok teljes tartományára utal, és gyakran „Integrális energiafluxusnak” is nevezik.