Fluxul de raze X depinde de. radiații cu raze X. Impactul negativ al razelor X asupra oamenilor

Razele X sunt un tip de radiație electromagnetică de înaltă energie. Este utilizat în mod activ în diferite ramuri ale medicinei.

Razele X sunt unde electromagnetice a căror energie fotonică este la scară undele electromagnetice se află între radiația ultravioletă și radiația gamma (de la ~10 eV la ~1 MeV), care corespunde lungimilor de undă de la ~10^3 la ~10^−2 angstromi (de la ~10^−7 la ~10^−12 m) . Adică, este o radiație incomparabil mai dură decât lumina vizibilă, care se află la această scară între razele ultraviolete și infraroșii („termice”).

Limita dintre razele X și radiația gamma se distinge condiționat: intervalele lor se intersectează, razele gamma pot avea o energie de 1 keV. Ele diferă ca origine: razele gamma sunt emise în timpul proceselor care au loc în nucleele atomice, în timp ce razele X sunt emise în timpul proceselor care implică electroni (atât cei liberi, cât și cei din învelișurile de electroni ale atomilor). În același timp, este imposibil să se determine din fotonul însuși în timpul cărui proces a apărut, adică împărțirea în intervalele de raze X și gama este în mare măsură arbitrară.

Gama de raze X este împărțită în „raze X moi” și „dure”. Granița dintre ele se află la nivelul lungimii de undă de 2 angstromi și 6 keV de energie.

Generatorul de raze X este un tub în care se creează un vid. Există electrozi - un catod, căruia i se aplică o sarcină negativă și un anod încărcat pozitiv. Tensiunea dintre ele este de la zeci până la sute de kilovolți. Generarea de fotoni cu raze X are loc atunci când electronii „se desprind” din catod și se lovesc de suprafața anodului cu viteză mare. Radiația de raze X rezultată se numește „bremsstrahlung”, fotonii săi au lungimi de undă diferite.

În același timp, sunt generați fotoni din spectrul caracteristic. O parte din electronii din atomii substanței anodice este excitată, adică merge pe orbite superioare și apoi revine la starea sa normală, emițând fotoni de o anumită lungime de undă. Ambele tipuri de raze X sunt produse într-un generator standard.

Istoria descoperirilor

La 8 noiembrie 1895, omul de știință german Wilhelm Conrad Roentgen a descoperit că unele substanțe aflate sub influența „razelor catodice”, adică fluxul de electroni generat de un tub catodic, încep să strălucească. El a explicat acest fenomen prin influența anumitor raze X - așa că ("razele X") această radiație este acum numită în multe limbi. Mai târziu, V.K. Roentgen a studiat fenomenul pe care îl descoperise. La 22 decembrie 1895, a ținut o prelegere pe această temă la Universitatea din Würzburg.

Mai târziu s-a dovedit că radiațiile cu raze X au mai fost observate, dar apoi fenomenelor asociate cu aceasta nu li s-a acordat prea multă importanță. Tubul catodic a fost inventat cu mult timp în urmă, dar înainte de V.K. Raze X, nimeni nu a acordat prea multă atenție înnegririi plăcilor fotografice din apropierea ei etc. fenomene. De asemenea, nu se cunoștea pericolul reprezentat de radiațiile penetrante.

Tipuri și efectul lor asupra organismului

„Raze X” este cel mai blând tip de radiație penetrantă. Supraexpunerea la raze X moi este similară cu expunerea la ultraviolete, dar într-o formă mai severă. Pe piele se formează o arsură, dar leziunea este mai profundă și se vindecă mult mai lent.

Raze X dure sunt o radiație ionizantă cu drepturi depline care poate duce la boala radiațiilor. Quantele de raze X pot sparge moleculele de proteine care alcătuiesc țesuturile corpului uman, precum și moleculele de ADN ale genomului. Dar chiar dacă un cuantum de raze X sparge o moleculă de apă, nu contează: se formează radicali liberi activi chimic H și OH, care ei înșiși sunt capabili să acționeze asupra proteinelor și ADN-ului. Boala de radiații evoluează într-o formă mai severă, cu atât mai mult sunt afectate organele hematopoietice.

Razele X au activitate mutagenă și carcinogenă. Aceasta înseamnă că probabilitatea mutațiilor spontane în celule în timpul iradierii crește, iar uneori celulele sănătoase pot degenera în celule canceroase. Creșterea probabilității de apariție a tumorilor maligne este o consecință standard a oricărei expuneri, inclusiv la raze X. Razele X sunt cel mai puțin periculos tip de radiație penetrantă, dar pot fi totuși periculoase.

Radiația cu raze X: aplicație și cum funcționează

Radiațiile cu raze X sunt utilizate în medicină, precum și în alte domenii ale activității umane.

Fluoroscopie și tomografie computerizată

Cea mai frecventă aplicație a razelor X este fluoroscopia. „Transiluminarea” corpului uman vă permite să obțineți o imagine detaliată atât a oaselor (sunt vizibile cel mai clar), cât și a imaginilor organelor interne.

Transparența diferită a țesuturilor corpului în raze X este asociată cu compoziția lor chimică. Caracteristicile structurii oaselor sunt că acestea conțin mult calciu și fosfor. Alte țesuturi sunt compuse în principal din carbon, hidrogen, oxigen și azot. Atomul de fosfor depășește greutatea atomului de oxigen de aproape două ori, iar atomul de calciu - de 2,5 ori (carbonul, azotul și hidrogenul sunt chiar mai ușoare decât oxigenul). În acest sens, absorbția fotonilor de raze X în oase este mult mai mare.

Pe lângă „imaginile” bidimensionale, radiografia face posibilă crearea unei imagini tridimensionale a unui organ: acest tip de radiografie se numește tomografie computerizată. În aceste scopuri, se folosesc raze X moi. Cantitatea de expunere primită într-o singură imagine este mică: este aproximativ egală cu expunerea primită în timpul unui zbor de 2 ore într-un avion la o altitudine de 10 km.

Detectarea defectelor cu raze X vă permite să detectați mici defecte interne ale produselor. Pentru aceasta sunt folosite raze X dure, deoarece multe materiale (metal, de exemplu) sunt slab „translucide” din cauza masei atomice mari a substanței lor constitutive.

Analiza difracției cu raze X și fluorescenței cu raze X

Razele X au proprietăți care le permit să examineze atomi individuali în detaliu. Analiza de difracție cu raze X este utilizată în mod activ în chimie (inclusiv biochimie) și cristalografie. Principiul funcționării sale este împrăștierea prin difracție a razelor X de către atomi de cristale sau molecule complexe. Folosind analiza de difracție cu raze X, a fost determinată structura moleculei de ADN.

Analiza fluorescenței cu raze X vă permite să determinați rapid compoziție chimică substante.

Există multe forme de radioterapie, dar toate implică utilizarea radiațiilor ionizante. Radioterapia este împărțită în 2 tipuri: corpusculară și ondulatorie. Corpuscular folosește fluxuri de particule alfa (nuclee de atomi de heliu), particule beta (electroni), neutroni, protoni, ioni grei. Unda folosește raze din spectrul electromagnetic - raze X și gamma.

Metodele de radioterapie sunt utilizate în primul rând pentru tratamentul bolilor oncologice. Cert este că radiațiile afectează în primul rând celulele care se divid activ, motiv pentru care organele hematopoietice suferă astfel (celulele lor se divid în mod constant, producând tot mai multe globule roșii noi). De asemenea, celulele canceroase se divid în mod constant și sunt mai vulnerabile la radiații decât țesutul sănătos.

Se folosește un nivel de radiații care suprimă activitatea celulelor canceroase, afectând în același timp moderat pe cele sănătoase. Sub influența radiațiilor, nu este vorba de distrugerea celulelor ca atare, ci de deteriorarea genomului lor - moleculele de ADN. O celulă cu un genom distrus poate exista de ceva timp, dar nu se mai poate diviza, adică creșterea tumorii se oprește.

Radioterapia este cea mai ușoară formă de radioterapie. Radiația ondulatorie este mai blândă decât radiația corpusculară, iar razele X sunt mai blânde decât radiațiile gamma.

În timpul sarcinii

Este periculos să folosiți radiații ionizante în timpul sarcinii. Razele X sunt mutagene și pot provoca anomalii la făt. Terapia cu raze X este incompatibilă cu sarcina: poate fi folosită doar dacă s-a decis deja avortul. Restricțiile la fluoroscopie sunt mai blânde, dar în primele luni este și strict interzisă.

În caz de urgență, examinarea cu raze X este înlocuită cu imagistica prin rezonanță magnetică. Dar și în primul trimestru încearcă să o evite (această metodă a apărut recent și cu certitudine absolută să vorbesc despre absența consecințelor dăunătoare).

Un pericol neechivoc apare atunci când este expus la o doză totală de cel puțin 1 mSv (în unități vechi - 100 mR). Cu o radiografie simplă (de exemplu, atunci când este supus fluorografiei), pacientul primește de aproximativ 50 de ori mai puțin. Pentru a primi o astfel de doză la un moment dat, trebuie să faceți o tomografie computerizată detaliată.

Adică, simplul fapt al unei „raze X” de 1-2 ori într-un stadiu incipient al sarcinii nu amenință cu consecințe grave (dar este mai bine să nu riști).

Tratament cu el

Razele X sunt folosite în primul rând în lupta împotriva tumorilor maligne. Această metodă este bună pentru că este foarte eficientă: ucide tumora. Este rău pentru că țesuturile sănătoase nu sunt cu mult mai bune, există numeroase efecte secundare. Organele hematopoiezei sunt expuse unui risc deosebit.

În practică, se folosesc diverse metode pentru a reduce efectul razelor X asupra țesuturilor sănătoase. Fasciculele sunt îndreptate într-un unghi în așa fel încât o tumoare să se afle în zona de intersecție (din acest motiv, absorbția principală a energiei are loc chiar acolo). Uneori procedura se efectuează în mișcare: corpul pacientului se rotește față de sursa de radiații în jurul unei axe care trece prin tumoră. În același timp, țesuturile sănătoase sunt în zona de iradiere doar uneori, iar bolnavii - tot timpul.

Razele X sunt utilizate în tratamentul anumitor artroze și boli similare, precum și a bolilor de piele. În acest caz, sindromul durerii este redus cu 50-90%. Deoarece radiația este utilizată în acest caz este mai blândă, nu se observă efecte secundare similare cu cele care apar în tratamentul tumorilor.

Radiația cu raze X (sinonim cu raze X) are o gamă largă de lungimi de undă (de la 8·10 -6 la 10 -12 cm). Radiația cu raze X apare atunci când particulele încărcate, cel mai adesea electroni, decelerează în câmpul electric al atomilor unei substanțe. Quantele rezultate au energii diferite și formează un spectru continuu. Energia maximă a fotonului într-un astfel de spectru este egală cu energia electronilor incidenti. În (vezi) energia maximă a cuantelor de raze X, exprimată în kiloelectron-volti, este numeric egală cu mărimea tensiunii aplicate tubului, exprimată în kilovolți. Când trec printr-o substanță, razele X interacționează cu electronii atomilor acesteia. Pentru cuante de raze X cu energii de până la 100 keV, cel mai caracteristic tip de interacțiune este efectul fotoelectric. Ca rezultat al unei astfel de interacțiuni, energia cuantică este cheltuită complet pentru a scoate un electron din învelișul atomic și pentru a-i conferi energie cinetică. Odată cu creșterea energiei unui cuantum de raze X, probabilitatea efectului fotoelectric scade și procesul de împrăștiere a cuantelor pe electroni liberi, așa-numitul efect Compton, devine predominant. În urma unei astfel de interacțiuni, se formează și un electron secundar și, în plus, zboară un cuantic cu o energie mai mică decât energia cuantumului primar. Dacă energia unui cuantum de raze X depășește un megaelectron-volt, poate apărea un așa-numit efect de împerechere, în care se formează un electron și un pozitron (vezi). În consecință, la trecerea printr-o substanță, energia radiației cu raze X scade, adică intensitatea acesteia scade. Deoarece cuantele cu energie scăzută sunt mai susceptibile de a fi absorbite în acest caz, radiația de raze X este îmbogățită cu cuante de energie mai mare. Această proprietate a radiației cu raze X este folosită pentru a crește energia medie a cuantelor, adică pentru a crește rigiditatea acesteia. O creștere a durității radiațiilor X se realizează cu ajutorul filtrelor speciale (vezi). Radiația cu raze X este utilizată pentru diagnosticarea cu raze X (vezi) și (vezi). Vezi și radiații ionizante.

Radiație cu raze X (sinonim: raze X, raze X) - radiație electromagnetică cuantică cu o lungime de undă de 250 până la 0,025 A (sau cuante de energie de la 5 10 -2 la 5 10 2 keV). În 1895, a fost descoperit de V.K. Roentgen. Regiunea spectrală a radiațiilor electromagnetice adiacentă razelor X, ale căror cuante de energie depășesc 500 keV, se numește radiație gamma (vezi); radiația, ale cărei cuante de energie sunt sub 0,05 keV, este radiație ultravioletă (vezi).

Astfel, reprezentând o parte relativ mică din spectrul vast de radiații electromagnetice, care include atât unde radio, cât și lumina vizibilă, radiația de raze X, ca orice radiație electromagnetică, se propagă cu viteza luminii (aproximativ 300 mii km/s în vid). ) și se caracterizează printr-o lungime de undă λ (distanța pe care se propagă radiația într-o perioadă de oscilație). Radiația de raze X are și o serie de alte proprietăți de undă (refracție, interferență, difracție), dar este mult mai dificil de observat decât pentru radiația cu lungime de undă mai mare: lumină vizibilă, unde radio.

Spectre de raze X: a1 - spectru bremsstrahlung continuu la 310 kV; a - spectru bremsstrahlung continuu la 250 kV, a1 - spectru filtrat cu 1 mm Cu, a2 - spectru filtrat cu 2 mm Cu, b - seria K a liniei de wolfram.

Pentru a genera raze X, se folosesc tuburi cu raze X (vezi), în care radiația apare atunci când electronii rapizi interacționează cu atomii substanței anodice. Există două tipuri de raze X: bremsstrahlung și caracteristice. Radiația de raze X Bremsstrahlung, care are un spectru continuu, este similară cu lumina albă obișnuită. Distribuția intensității în funcție de lungimea de undă (Fig.) este reprezentată de o curbă cu un maxim; în direcția undelor lungi, curba cade ușor, iar în direcția undelor scurte, se rupe abrupt și se rupe la o anumită lungime de undă (λ0), numită limita de lungime de undă scurtă a spectrului continuu. Valoarea lui λ0 este invers proporțională cu tensiunea de pe tub. Bremsstrahlungul apare din interacțiunea electronilor rapizi cu nucleele atomice. Intensitatea bremsstrahlung este direct proporțională cu puterea curentului anodului, pătratul tensiunii tubului și numărul atomic (Z) al materialului anodului.

Dacă energia electronilor accelerați în tubul cu raze X depășește valoarea critică pentru substanța anodică (această energie este determinată de tensiunea tubului Vcr, care este critică pentru această substanță), atunci apare radiația caracteristică. Spectrul caracteristic este linia, liniile sale spectrale formează o serie, notate cu literele K, L, M, N.

Seria K este cea mai scurtă lungime de undă, seria L are lungimea de undă mai mare, seria M și N se observă numai în elemente grele (Vcr de wolfram pentru seria K este de 69,3 kv, pentru seria L - 12,1 kv). Radiația caracteristică apare după cum urmează. Electronii rapizi scot electronii atomici din învelișurile interioare. Atomul este excitat și apoi revine la starea fundamentală. În acest caz, electronii din învelișurile exterioare, mai puțin legate umple spațiile libere în învelișurile interioare, iar fotonii de radiație caracteristică sunt emiși cu o energie diferenta egala energiile unui atom în starea excitată și fundamentală. Această diferență (și deci energia fotonului) are o anumită valoare, caracteristică fiecărui element. Acest fenomen stă la baza analizei spectrale cu raze X a elementelor. Figura arată spectrul de linii de wolfram pe fundalul unui spectru continuu de bremsstrahlung.

Energia electronilor accelerați în tubul de raze X este convertită aproape în întregime în energie termică (anodul este puternic încălzit în acest caz), doar o parte nesemnificativă (aproximativ 1% la o tensiune apropiată de 100 kV) este convertită în energie bremsstrahlung. .

Utilizarea razelor X în medicină se bazează pe legile absorbției razelor X de către materie. Absorbția razelor X este complet independentă de proprietățile optice ale materialului absorbant. Sticla de plumb incoloră și transparentă folosită pentru a proteja personalul din camerele cu raze X absoarbe razele X aproape complet. În schimb, o foaie de hârtie care nu este transparentă la lumină nu atenuează razele X.

Intensitatea unui fascicul de raze X omogen (adică o anumită lungime de undă), când trece printr-un strat absorbant, scade conform unei legi exponențiale (e-x), unde e este baza logaritmilor naturali (2.718), iar exponentul x este egal cu produsul coeficientului de atenuare a masei (μ / p) cm 2 /g per grosimea absorbantului în g / cm 2 (aici p este densitatea substanței în g / cm 3). Razele X sunt atenuate atât prin împrăștiere, cât și prin absorbție. În consecință, coeficientul de atenuare a masei este suma coeficienților de absorbție a masei și de împrăștiere. Coeficientul de absorbție în masă crește brusc odată cu creșterea numărului atomic (Z) al absorbantului (proporțional cu Z3 sau Z5) și cu creșterea lungimii de undă (proporțional cu λ3). Această dependență de lungimea de undă se observă în cadrul benzilor de absorbție, la limitele cărora coeficientul prezintă salturi.

Coeficientul de împrăștiere a masei crește odată cu creșterea numărului atomic al substanței. Pentru λ≥0,3Å coeficientul de împrăștiere nu depinde de lungimea de undă, pentru λ<0,ЗÅ он уменьшается с уменьшением λ.

O scădere a coeficienților de absorbție și împrăștiere cu scăderea lungimii de undă determină o creștere a puterii de penetrare a razelor X. Coeficientul de absorbție în masă pentru oase [absorbția se datorează în principal Ca 3 (PO 4) 2 ] este de aproape 70 de ori mai mare decât pentru țesuturile moi, unde absorbția se datorează în principal apei. Așa se explică de ce umbra oaselor iese atât de clar pe radiografii pe fundalul țesuturilor moi.

Propagarea unui fascicul neomogen de raze X prin orice mediu, împreună cu o scădere a intensității, este însoțită de o modificare a compoziției spectrale, o modificare a calității radiației: partea de undă lungă a spectrului este absorbită la într-o măsură mai mare decât partea cu undă scurtă, radiația devine mai uniformă. Filtrarea părții cu lungime de undă lungă a spectrului face posibilă îmbunătățirea raportului dintre dozele profunde și cele de suprafață în timpul terapiei cu raze X a focarelor situate adânc în corpul uman (vezi filtrele cu raze X). Pentru a caracteriza calitatea unui fascicul de raze X neomogen, se folosește conceptul de „strat de atenuare jumătate (L)” - un strat al unei substanțe care atenuează radiația la jumătate. Grosimea acestui strat depinde de tensiunea de pe tub, de grosimea și materialul filtrului. Celofanul (până la o energie de 12 keV), aluminiul (20–100 keV), cuprul (60–300 keV), plumbul și cuprul (>300 keV) sunt utilizate pentru măsurarea straturilor de jumătate de atenuare. Pentru razele X generate la tensiuni de 80-120 kV, 1 mm de cupru este echivalent ca capacitate de filtrare cu 26 mm de aluminiu, 1 mm de plumb este echivalent cu 50,9 mm de aluminiu.

Absorbția și împrăștierea razelor X se datorează proprietăților sale corpusculare; Razele X interacționează cu atomii ca un flux de corpusculi (particule) - fotoni, fiecare dintre care are o anumită energie (invers proporțională cu lungimea de undă a razelor X). Intervalul de energie al fotonilor cu raze X este de 0,05-500 keV.

Absorbția radiațiilor X se datorează efectului fotoelectric: absorbția unui foton de către învelișul electronului este însoțită de ejecția unui electron. Atomul este excitat și, revenind la starea fundamentală, emite radiații caracteristice. Fotoelectronul emis duce toată energia fotonului (minus energia de legare a electronului din atom).

Difuzarea radiațiilor X se datorează electronilor mediului de împrăștiere. Există împrăștiere clasică (lungimea de undă a radiației nu se schimbă, dar direcția de propagare se schimbă) și împrăștiere cu modificarea lungimii de undă - efectul Compton (lungimea de undă a radiației împrăștiate este mai mare decât cea incidentă). În acest din urmă caz, fotonul se comportă ca o minge în mișcare, iar împrăștierea fotonilor are loc, conform expresiei figurative a lui Comnton, ca un joc de biliard cu fotoni și electroni: ciocnind cu un electron, fotonul transferă o parte din energia sa. la el și se împrăștie, având deja mai puțină energie (respectiv, lungimea de undă a radiației împrăștiate crește), electronul zboară din atom cu o energie de recul (acești electroni se numesc electroni Compton sau electroni de recul). Absorbția energiei cu raze X are loc în timpul formării electronilor secundari (Compton și fotoelectroni) și transferului de energie către aceștia. Energia razelor X transferată la o unitate de masă a unei substanțe determină doza absorbită de raze X. Unitatea acestei doze 1 rad corespunde la 100 erg/g. Datorită energiei absorbite în substanța absorbantului, au loc o serie de procese secundare care sunt importante pentru dozimetria cu raze X, deoarece pe acestea se bazează metodele de măsurare cu raze X. (vezi Dozimetrie).

Toate gazele și multe lichide, semiconductori și dielectrici, sub acțiunea razelor X, cresc conductivitatea electrică. Conductibilitatea o gasesc cele mai bune materiale izolante: parafina, mica, cauciuc, chihlimbar. Modificarea conductibilității se datorează ionizării mediului, adică separării moleculelor neutre în ioni pozitivi și negativi (ionizarea este produsă de electroni secundari). Ionizarea în aer este utilizată pentru a determina doza de expunere la radiații X (doza în aer), care este măsurată în roentgens (vezi Doze de radiații ionizante). La o doză de 1 r, doza absorbită în aer este de 0,88 rad.

Sub acțiunea razelor X, ca urmare a excitării moleculelor unei substanțe (și în timpul recombinării ionilor), în multe cazuri este excitată o strălucire vizibilă a substanței. La intensități mari de radiații cu raze X se observă o strălucire vizibilă a aerului, hârtiei, parafinei etc. (metalele sunt o excepție). Cel mai mare randament de lumină vizibilă este dat de fosfori cristalini precum Zn·CdS·Ag-fosfor și alții utilizați pentru ecrane în fluoroscopie.

Sub acțiunea razelor X, diverse procese chimice: descompunerea compușilor cu halogenură de argint (efect fotografic folosit în radiografie), descompunerea apei și a soluțiilor apoase de peroxid de hidrogen, modificări ale proprietăților celuloidului (turbiditate și eliberare de camfor), parafină (turbiditate și albire).

Ca rezultat al conversiei complete, toată energia de raze X absorbită de substanța inertă din punct de vedere chimic este transformată în căldură. Măsurarea cantităților foarte mici de căldură necesită metode extrem de sensibile, dar este metoda principală pentru măsurători absolute ale razelor X.

Efectele biologice secundare de la expunerea la raze X stau la baza radioterapiei medicale (vezi). Razele X, ale căror cuante sunt de 6-16 keV (lungimi de undă efective de la 2 la 5 Å), sunt aproape complet absorbite de tegumentul pielii al țesutului corpului uman; se numesc raze de frontieră sau, uneori, raze Bucca (vezi raze Bucca). Pentru terapia cu raze X profunde, se utilizează radiații filtrate dur cu cuante de energie efectivă de la 100 la 300 keV.

Efectul biologic al radiațiilor cu raze X ar trebui luat în considerare nu numai în terapia cu raze X, ci și în diagnosticarea cu raze X, precum și în toate celelalte cazuri de contact cu raze X care necesită utilizarea protecției împotriva radiațiilor ( vedea).

În 1895, fizicianul german Roentgen, în timp ce efectua experimente privind trecerea curentului între doi electrozi în vid, a descoperit că un ecran acoperit cu o substanță luminiscentă (sare de bariu) strălucește, deși tubul de descărcare este închis cu un ecran de carton negru - așa s-a descoperit radiația care pătrunde prin bariere opace, numite raze X cu raze X. S-a constatat că razele X, invizibile pentru om, sunt absorbite în obiectele opace, cu cât este mai puternică, cu atât numărul atomic (densitatea) barierei este mai mare, astfel încât razele X trec cu ușurință prin țesuturile moi ale corpului uman, dar sunt reținute. de oasele scheletului. Au fost proiectate surse de raze X puternice, care au făcut posibilă strălucirea prin piesele metalice și găsirea defectelor interne ale acestora.

Fizicianul german Laue a sugerat că razele X sunt aceleași radiații electromagnetice ca și razele de lumină vizibilă, dar cu o lungime de undă mai scurtă și le sunt aplicabile toate legile opticii, inclusiv difracția este posibilă. În optica luminii vizibile, difracția la nivel elementar poate fi reprezentată ca reflexia luminii dintr-un sistem de șanțuri - o rețea de difracție, care are loc numai la anumite unghiuri, în timp ce unghiul de reflexie al razelor este legat de unghiul de incidență, distanța dintre șanțurile rețelei de difracție și lungimea de undă a radiației incidente. Pentru difracție, este necesar ca distanța dintre curse să fie aproximativ egală cu lungimea de undă a luminii incidente.

Laue a sugerat că razele X au o lungime de undă apropiată de distanța dintre atomii individuali din cristale, de exemplu. atomii dintr-un cristal creează o rețea de difracție pentru raze X. Razele X îndreptate către suprafața cristalului au fost reflectate pe placa fotografică, așa cum a prezis teorie.

Orice modificare a poziției atomilor afectează modelul de difracție și, studiind difracția razelor X, se poate afla aranjamentul atomilor într-un cristal și schimbarea acestui aranjament sub orice influențe fizice, chimice și mecanice asupra cristalului. .

Acum, analiza cu raze X este folosită în multe domenii ale științei și tehnologiei, cu ajutorul ei au învățat aranjarea atomilor în materialele existente și au creat noi materiale cu o structură și proprietăți date. Progresele recente în acest domeniu (nanomateriale, metale amorfe, materiale compozite) creează un domeniu de activitate pentru următoarele generații științifice.

Apariția și proprietățile razelor X

Sursa de raze X este un tub de raze X, care are doi electrozi - un catod și un anod. Când catodul este încălzit, are loc emisia de electroni, electronii emiși de catod sunt accelerați câmp electricși lovește suprafața anodului. Un tub cu raze X se distinge de o lampă radio convențională (diodă) în principal printr-o tensiune de accelerare mai mare (mai mult de 1 kV).

Când un electron zboară din catod, câmpul electric îl face să zboare către anod, în timp ce viteza lui crește continuu, electronul poartă un câmp magnetic, a cărui putere crește odată cu viteza electronului. Ajungând la suprafața anodului, electronul este decelerat brusc și apare un impuls electromagnetic cu lungimi de undă într-un anumit interval (bremsstrahlung). Distribuția intensității radiației pe lungimi de undă depinde de materialul anodului tubului cu raze X și de tensiunea aplicată, în timp ce pe partea undelor scurte această curbă începe cu o anumită lungime de undă minimă de prag, care depinde de tensiunea aplicată. Setul de raze cu toate lungimile de undă posibile formează un spectru continuu, iar lungimea de undă corespunzătoare intensității maxime este de 1,5 ori lungimea de undă minimă.

Odată cu creșterea tensiunii, spectrul de raze X se schimbă dramatic datorită interacțiunii atomilor cu electronii de înaltă energie și a cuantelor de raze X primare. Un atom conține învelișuri interne de electroni (niveluri de energie), al căror număr depinde de numărul atomic (notat cu literele K, L, M etc.) Electronii și razele X primare scot electronii de la unele niveluri de energie altora. Apare o stare metastabilă și este necesar un salt de electroni în direcția opusă pentru trecerea la o stare stabilă. Acest salt este însoțit de eliberarea unui cuantum de energie și apariția razelor X. Spre deosebire de razele X cu spectru continuu, această radiație are o gamă de lungimi de undă foarte îngustă și o intensitate mare (radiație caracteristică) ( cm. orez.). Numărul de atomi care determină intensitatea radiației caracteristice este foarte mare, de exemplu, pentru un tub de raze X cu un anod de cupru la o tensiune de 1 kV, un curent de 15 mA, 10 14–10 15 atomi dau caracteristică radiație timp de 1 s. Această valoare este calculată ca raport dintre puterea totală a razelor X și energia cuantumului de raze X din carcasa K (seria K de radiații caracteristice de raze X). Puterea totală a radiației cu raze X în acest caz este de doar 0,1% din puterea consumată, restul se pierde, în principal din cauza trecerii la căldură.

Datorită intensității sale mari și a gamei de lungimi de undă înguste, radiația caracteristică cu raze X este principalul tip de radiație utilizat în cercetare științificăși controlul tehnologic. Concomitent cu fasciculele din seria K se generează fascicule din seria L și M, care au lungimi de undă mult mai mari, dar aplicarea lor este limitată. Seria K are două componente cu lungimi de undă apropiate a și b, în timp ce intensitatea componentei b este de 5 ori mai mică decât a. La rândul său, componenta a este caracterizată de două lungimi de undă foarte apropiate, intensitatea uneia fiind de 2 ori mai mare decât a celeilalte. Pentru a obține radiații cu o singură lungime de undă (radiație monocromatică), au fost dezvoltate metode speciale care folosesc dependența absorbției și difracției razelor X de lungimea de undă. O creștere a numărului atomic al unui element este asociată cu o schimbare a caracteristicilor învelișuri de electroni, în timp ce cu cât numărul atomic al materialului anodului tubului cu raze X este mai mare, cu atât lungimea de undă a seriei K este mai mică. Cele mai utilizate tuburi cu anozi din elemente cu numere atomice de la 24 la 42 (Cr, Fe, Co, Cu, Mo) și lungimi de undă de la 2,29 la 0,712 A (0,229 - 0,712 nm).

Pe lângă tubul cu raze X, izotopii radioactivi pot fi surse de raze X, unii pot emite direct raze X, alții emit electroni și particule a care generează raze X atunci când bombardează ținte metalice. Intensitatea razelor X a surselor radioactive este de obicei mult mai mică decât cea a unui tub cu raze X (cu excepția cobaltului radioactiv, care este utilizat în detectarea defectelor și dă radiații cu o lungime de undă foarte mică - radiații g), acestea sunt de dimensiuni mici și nu necesită energie electrică. Razele X sincrotron se obțin în acceleratoare de electroni, lungimea de undă a acestei radiații este mult mai mare decât cea obținută în tuburile de raze X (raze X moi), intensitatea acesteia este cu câteva ordine de mărime mai mare decât intensitatea tuburilor de raze X. Există și surse naturale de raze X. S-au găsit impurități radioactive în multe minerale, iar razele X de la obiecte spațiale, inclusiv stele, au fost înregistrate.

Interacțiunea razelor X cu cristalele

În studiul cu raze X al materialelor cu structură cristalină sunt analizate modelele de interferență rezultate din împrăștierea razelor X de către electronii aparținând atomilor rețelei cristaline. Atomii sunt considerați imobili, lor fluctuatiile termice nu sunt luați în considerare și toți electronii aceluiași atom sunt considerați concentrați într-un punct - un nod al rețelei cristaline.

Pentru a deriva ecuațiile de bază ale difracției de raze X într-un cristal, se ia în considerare interferența razelor împrăștiate de atomii aflați de-a lungul unei linii drepte în rețeaua cristalină. O undă plană de radiație de raze X monocromatice cade asupra acestor atomi sub un unghi al cărui cosinus este egal cu 0 . Legile interferenței razelor împrăștiate de atomi sunt asemănătoare cu cele existente pentru un rețele de difracție care împrăștie radiația luminoasă în intervalul de lungimi de undă vizibile. Pentru ca amplitudinile tuturor vibratiilor sa se adune la o distanta mare de seria atomica, este necesar si suficient ca diferenta de traseu al razelor venite de la fiecare pereche de atomi vecini sa contina un numar intreg de lungimi de unda. Când distanța dintre atomi A această condiție arată astfel:

A(A – a0) = h eu

unde a este cosinusul unghiului dintre seria atomică și fasciculul deviat, h-întreg. În toate direcțiile care nu satisfac această ecuație, razele nu se propagă. Astfel, fasciculele împrăștiate formează un sistem de conuri coaxiale, a cărui axă comună este rândul atomic. Urmele de conuri pe un plan paralel cu rândul atomic sunt hiperbole, iar pe un plan perpendicular pe rând, cercuri.

Când razele cad la un unghi constant, radiația policromatică (albă) se descompune într-un spectru de raze deviate la unghiuri fixe. Astfel, seria atomică este un spectrograf pentru raze X.

Generalizarea la o rețea atomică bidimensională (plată) și apoi la o rețea cristalină volumetrică (spațială) tridimensională oferă încă două ecuații similare, care includ unghiurile de incidență și reflectare a razelor X și distanțele dintre atomi în trei. directii. Aceste ecuații sunt numite ecuații Laue și stau la baza analizei de difracție de raze X.

Amplitudinile razelor reflectate din planurile atomice paralele se adună, iar din moment ce numărul de atomi este foarte mare, radiația reflectată poate fi fixată experimental. Condiția de reflexie este descrisă de ecuația Wulff-Bragg2d sinq = nl, unde d este distanța dintre planurile atomice adiacente, q este unghiul de privire dintre direcția fasciculului incident și aceste plane din cristal, l este razele X lungime de undă, iar n este un număr întreg numit ordinea reflexiei. Unghiul q este unghiul de incidență față de planurile atomice, care nu coincid neapărat în direcția cu suprafața probei studiate.

Au fost dezvoltate mai multe metode de analiză prin difracție cu raze X, folosind atât radiația cu spectru continuu, cât și radiația monocromatică. În acest caz, obiectul studiat poate fi staționar sau în rotație, poate consta dintr-un cristal (monocristal) sau mai multe (policristal), radiația difractată poate fi înregistrată folosind un film de raze X plat sau cilindric sau un detector de raze X în mișcare. în jurul circumferinței însă, în toate cazurile, în timpul experimentului și interpretării rezultatelor, se folosește ecuația Wulf-Bragg.

Analiza cu raze X în știință și tehnologie

Odată cu descoperirea difracției de raze X, cercetătorii au la dispoziție o metodă care le permite să studieze locația fără microscop. atomi individualiși schimbări în această locație sub influențe externe.

Principala aplicație a razelor X în știința fundamentală este analiza structurală, adică. stabilirea aranjamentului spațial al atomilor individuali într-un cristal. Pentru a face acest lucru, se cultivă monocristale și se efectuează analize cu raze X, studiind atât locația, cât și intensitatea reflexiilor. Acum structurile nu numai ale metalelor, ci și complexe materie organică, în care celulele elementare conțin mii de atomi.

În mineralogie, structurile a mii de minerale au fost determinate prin analiză cu raze X și au fost create metode exprese de analiză a materiilor prime minerale.

Metalele au o structură cristalină relativ simplă, iar metoda cu raze X face posibilă studierea modificărilor acesteia în timpul diferitelor tratamente tehnologice și crearea bazelor fizice ale noilor tehnologii.

Compoziția de fază a aliajelor este determinată de aranjarea liniilor pe modelele de raze X, numărul, dimensiunea și forma cristalelor sunt determinate de lățimea lor, orientarea cristalelor (textura) este determinată de distribuția intensității în con de difracție.

Aceste tehnici sunt folosite pentru a studia procesele din timpul deformării plastice, inclusiv zdrobirea cristalelor, apariția tensiunilor interne și a imperfecțiunilor structurii cristaline (dislocații). Când materialele deformate sunt încălzite, se studiază reducerea tensiunilor și creșterea cristalelor (recristalizare).

Când analiza cu raze X a aliajelor determină compoziția și concentrația soluțiilor solide. Când apare o soluție solidă, distanțele interatomice și, în consecință, distanțele dintre planurile atomice se modifică. Aceste modificări sunt mici, prin urmare, au fost dezvoltate metode speciale de precizie pentru măsurarea perioadelor rețelei cristaline cu o precizie de două ordine de mărime mai mare decât acuratețea măsurării cu metodele convenționale cu raze X. Combinația de măsurători de precizie a perioadelor rețelei cristaline și analiza de fază face posibilă trasarea limitelor regiunilor de fază pe diagrama de stare. Metoda cu raze X poate detecta și stări intermediare între soluțiile solide și compușii chimici - soluții solide ordonate în care atomii de impurități nu sunt aranjați aleatoriu, ca în soluțiile solide și, în același timp, nu cu o ordine tridimensională, ca în chimie. compuși. Există linii suplimentare pe modelele de raze X ale soluțiilor solide ordonate; interpretarea modelelor de raze X arată că atomii de impurități ocupă anumite locuri în rețeaua cristalină, de exemplu, la vârfurile unui cub.

În timpul stingerii unui aliaj care nu suferă transformări de fază, poate apărea o soluție solidă suprasaturată, iar după încălzirea suplimentară sau chiar menținerea la temperatura camerei, soluția solidă se descompune cu eliberarea de particule. component chimic. Acesta este efectul îmbătrânirii și apare pe radiografii ca o modificare a poziției și lățimii liniilor. Studiul îmbătrânirii este deosebit de important pentru aliajele neferoase, de exemplu, îmbătrânirea transformă un aliaj de aluminiu moale, întărit într-un material structural durabil, duraluminiu.

Studiile cu raze X ale tratamentului termic al oțelului sunt de cea mai mare importanță tehnologică. În timpul călirii (răcire rapidă) a oțelului, fără difuzie faza de tranzitie austenită - martensită, care duce la o schimbare a structurii de la cubic la tetragonal, adică. celula unitară ia forma unei prisme dreptunghiulare. Pe radiografii, aceasta apare ca o extindere a liniilor și separarea unor linii în două. Motivele acestui efect nu sunt doar o modificare a structurii cristaline, ci și apariția unor tensiuni interne mari din cauza dezechilibrului termodinamic al structurii martensitice și a răcirii rapide. În timpul călirii (încălzirea oțelului întărit), liniile de pe modelele de raze X se îngustează, acest lucru se datorează revenirii la structura de echilibru.

LA anul trecut mare importanță au dobândit studii cu raze X ale prelucrării materialelor cu fluxuri de energie concentrată (raze laser, unde de șoc, neutroni, impulsuri electronice), au necesitat noi tehnici și au dat noi efecte de raze X. De exemplu, sub acțiunea fasciculelor laser asupra metalelor, încălzirea și răcirea au loc atât de repede încât în metal, atunci când sunt răcite, cristalele au timp să crească doar la o dimensiune de mai multe celule unitare (nanocristale) sau nu au timp să se formeze. deloc. Un astfel de metal după răcire arată ca unul obișnuit, dar nu oferă linii clare pe modelul de raze X, iar razele X reflectate sunt distribuite pe întreaga gamă de unghiuri de privire.

După iradierea cu neutroni, pe modelele de raze X apar pete suplimentare (maxime difuze). Dezintegrarea radioactivă provoacă, de asemenea, efecte specifice de raze X asociate cu o modificare a structurii, precum și faptul că eșantionul studiat devine în sine o sursă de raze X.

Acțiunea radiației X asupra unei substanțe este determinată de procesele primare de interacțiune a unui foton de raze X cu electronii atomilor și moleculele unei substanțe.

3. tomografie computerizată cu raze X.

Metoda tomografiei computerizate cu raze X se bazează pe reconstrucția unei imagini a unei anumite secțiuni (secțiuni) a corpului pacientului prin înregistrarea unui număr mare de proiecții cu raze X ale acestei secțiuni, realizate în unghiuri diferite (Fig. 5) . Informațiile de la senzorii care înregistrează aceste proiecții intră în computer, care, conform unui program special, calculează distributie densitatea probeiîn secțiunea investigată și îl afișează pe ecranul de afișare. Imaginea secțiunii corpului pacientului obținută în acest mod se caracterizează printr-o claritate excelentă și un conținut ridicat de informații. Programul vă permite crește contrastul imaginii de zeci sau chiar de sute de ori. Acest lucru extinde capacitățile de diagnosticare ale metodei.

Orez. Fig. 5. Schema transiluminării cu raze X a unei secțiuni a organului studiat (punctul 1 și punctul 2 - două poziții consecutive ale sursei de raze X)

4. Cu fluorografie o imagine de pe un ecran mare este înregistrată pe un film sensibil de format mic (Fig. 6). În timpul analizei, imaginile sunt examinate cu o lupă specială.

Această metodă este utilizată pentru sondajele în masă ale populației. În acest caz, sarcina de radiații asupra pacientului este mult mai mică decât în fluoroscopia convențională.

Terapia cu raze X- utilizarea razelor X pentru a distruge tumorile maligne.

Efectul biologic al radiațiilor este de a perturba activitatea vitală a celulelor tumorale care se înmulțesc rapid. În acest caz, energia fotonilor R este de 150-200 keV.

Viziografe (dispozitive cu procesare digitală a imaginii cu raze X) în stomatologia modernă

În stomatologie, examenul cu raze X este principala metodă de diagnosticare. Cu toate acestea, o serie de caracteristici organizatorice și tehnice tradiționale ale diagnosticului cu raze X îl fac să nu fie destul de confortabil atât pentru pacient, cât și pentru clinicile stomatologice. Aceasta este, în primul rând, necesitatea ca pacientul să intre în contact cu radiațiile ionizante, care creează adesea o încărcare semnificativă de radiații asupra corpului, este și nevoia unui fotoproces și, în consecință, nevoia de fotoreactivi, inclusiv cele toxice. Aceasta este, în sfârșit, o arhivă voluminoasă, dosare grele și plicuri cu filme cu raze X.

În plus, nivelul actual de dezvoltare a stomatologiei face ca evaluarea subiectivă a radiografiilor de către ochiul uman să fie insuficientă. După cum sa dovedit, din varietatea de nuanțe de gri conținute în imaginea cu raze X, ochiul percepe doar 64.

Evident, pentru a obține o imagine clară și detaliată a țesuturilor dure ale sistemului dento-maxilar cu expunere minimă la radiații, sunt necesare alte soluții. Astăzi, căutarea a dus la crearea așa-numitelor sisteme radiografice, videografi - sisteme de radiografie digitală (1987, Trofeu).

Fără detalii tehnice, principiul de funcționare a unor astfel de sisteme este următorul. Radiația de raze X intră prin obiect nu pe o peliculă fotosensibilă, ci pe un senzor intraoral special (matrice electronică specială). Semnalul corespunzător din matrice este transmis către un dispozitiv de digitizare (convertor analog-digital, ADC) care îl convertește în formă digitală și este conectat la computer. Special software construiește o imagine cu raze X pe ecranul computerului și vă permite să o procesați, să o salvați pe un mediu de stocare hard sau flexibil (hard disk, disc), să o imprimați ca imagine ca fișier.

Într-un sistem digital, o imagine cu raze X este o colecție de puncte, care corespund diferitelor nuanțe de gri. Optimizarea afișajului informațiilor oferită de program face posibilă obținerea unui cadru optim în ceea ce privește luminozitatea și contrastul la o doză de radiație relativ mică.

În sistemele moderne, create, de exemplu, de Trophy (Franța) sau Schick (SUA), la formarea unui cadru sunt utilizate 4096 de nuanțe de gri, timpul de expunere depinde de obiectul de studiu și, în medie, este de sutimi - zecimi de a doua, o scădere a expunerii la radiații în raport cu filmul - până la 90% pentru sistemele intraorale, până la 70% pentru videografii panoramici.

Atunci când procesează imagini, videografii permit:

1. Obțineți imagini pozitive și negative, imagini color false, imagini în relief.

2. Măriți contrastul și măriți partea din imagine de interes.

3. Evaluați modificarea densității țesuturilor dentare și a structurilor osoase, controlați uniformitatea umplerii canalelor.

4. În endodonție, determinați lungimea canalului de orice curbură, iar în chirurgie, selectați dimensiunea implantului cu o precizie de 0,1 mm.

Sistemul unic de detectare a cariilor cu elemente de inteligență artificială în timpul analizei imaginii vă permite să detectați carii în stadiul de colorare, carii radiculare și carii ascunse.

Rezolva probleme:

1. De câte ori este energia maximă a unui cuantum bremsstrahlung cu raze X care apare la o tensiune a tubului de 80 kV mai mare decât energia unui foton corespunzător luminii verzi cu o lungime de undă de 500 nm?

2. Determinați lungimea de undă minimă în spectrul de radiație rezultată din decelerație pe ținta de electroni accelerați în betatron la o energie de 60 MeV.

3. Stratul de jumătate de atenuare a radiației X monocromatice într-o anumită substanță este de 10 mm. Aflați atenuarea acestei radiații în substanța dată.

[*] Φ l - raportul energiei emise într-un interval restrâns de lungimi de undă timp de 1s. la lăţimea acestui interval

* „F” din formula (4) se referă la întreaga gamă de lungimi de undă radiate și este adesea denumit „flux energetic integral”.

1. Bremsstrahlung și raze X caracteristice,

proprietăți și caracteristici de bază.

În 1895, omul de știință german Roentgen a descoperit pentru prima dată strălucirea unui ecran fluorescent, care a fost cauzată de radiațiile invizibile pentru ochi provenind dintr-o porțiune a tubului de sticlă cu descărcare în gaz situată vizavi de catod. Acest tip de radiație avea capacitatea de a trece prin substanțe impenetrabile luminii vizibile. Roentgen le-a numit raze X și a stabilit proprietățile de bază care fac posibilă utilizarea lor în diferite ramuri ale științei și tehnologiei, inclusiv în medicină.

Razele X se numesc radiație cu o lungime de undă de 80-10 -5 nm. Radiația cu raze X cu undă lungă se suprapune cu radiația UV cu undă scurtă, unde scurtă se suprapune cu radiația g cu undă lungă. În medicină, se utilizează radiația cu raze X cu o lungime de undă de 10 până la 0,005 nm, ceea ce corespunde unei energii fotonice de 10 2 EV până la 0,5 MeV. Radiația de raze X este invizibilă pentru ochi, prin urmare, toate observațiile cu ea se fac folosind ecrane fluorescente sau filme fotografice, deoarece provoacă luminescență cu raze X și are un efect fotochimic. Este caracteristic că majoritatea corpurilor care sunt impenetrabile la radiația optică sunt în mare parte transparente la radiația de raze X, care are proprietăți comune undelor electromagnetice. Cu toate acestea, din cauza dimensiunii mici a lungimii de undă, unele proprietăți sunt greu de detectat. Prin urmare, natura ondulatorie a radiațiilor a fost stabilită mult mai târziu decât descoperirea lor.

Conform metodei de excitare, radiația cu raze X este împărțită în bremsstrahlung și radiații caracteristice.

Razele X Bremsstrahlung se datorează decelerării electronilor în mișcare rapidă de către câmpul electric al atomului (nucleu și electroni) substanței prin care zboară. Mecanismul acestei radiații poate fi explicat prin faptul că orice sarcină în mișcare este un curent în jurul căruia se creează un câmp magnetic, a cărui inducție (B) depinde de viteza electronului. La frânare, inducția magnetică scade și, conform teoriei lui Maxwell, apare o undă electromagnetică.

Când electronii decelerează, doar o parte din energie este folosită pentru a crea un foton cu raze X, cealaltă parte este cheltuită pentru încălzirea anodului. Frecvența (lungimea de undă) a unui foton depinde de energia cinetică inițială a electronului și de intensitatea decelerației acestuia. Mai mult, chiar dacă inițiala energie kinetică este aceeași, atunci condițiile de decelerare din substanță vor fi diferite, prin urmare, fotonii emiși vor avea și energia cea mai diversă și, în consecință, lungimea de undă, adică. spectrul de raze X va fi continuu. Figura 1 prezintă spectrul bremsstrahlung la diferite tensiuni U 1

Dacă U este exprimat în kilovolți și se ia în considerare raportul dintre alte cantități, atunci formula arată astfel: l k \u003d 1,24 / U (nm) sau l k \u003d 1,24 / U (Å) (1Å \u003d 10 -10 m) ).

Din graficele de mai sus, se poate stabili că lungimea de undă l m, care reprezintă energia maximă de radiație, este în raport constant cu lungimea de undă limită l k:

Lungimea de undă caracterizează energia unui foton, de care depinde puterea de penetrare a radiației atunci când interacționează cu materia.

Razele X cu undă scurtă au de obicei o putere mare de penetrare și sunt numite dure, în timp ce razele X cu undă lungă sunt numite moi. După cum se poate observa din formula de mai sus, lungimea de undă la care scade energia maximă de radiație este invers proporțională cu tensiunea dintre anodul și catodul tubului. Creșterea tensiunii la anodul tubului cu raze X, modificați compoziția spectrală a radiației și creșteți duritatea acesteia.

Când se modifică tensiunea filamentului (se modifică temperatura filamentului a catodului), se modifică numărul de electroni emiși de catod pe unitatea de timp sau, în consecință, puterea curentului în circuitul anodului tubului. În acest caz, puterea de radiație se modifică proporțional cu prima putere a curentului. Compoziția spectrală a radiației nu se va modifica.

Fluxul total (puterea) radiației, distribuția energiei pe lungimi de undă și, de asemenea, limita spectrului pe partea lungimii de undă scurte depind de următorii trei factori: tensiunea U care accelerează electronii și este aplicată între anod și catodul tubului; numărul de electroni implicați în formarea radiațiilor, adică curent de filament al tubului; numărul atomic Z al materialului anodic, în care are loc decelerația electronilor.

Fluxul bremsstrahlung se calculează prin formula: , unde ,

Numărul de serie Z al unui atom al unei substanțe (numărul atomic).

Prin creșterea tensiunii pe tubul cu raze X, se poate observa apariția unor linii separate (spectrul de linii) pe fundalul radiației bremsstrahlung continue, care corespunde radiației caracteristice cu raze X. Apare în timpul tranziției electronilor între învelișurile interioare ale atomilor dintr-o substanță (învelișurile K, L, M). Caracterul de linie al spectrului de radiații caracteristic apare din cauza faptului că electronii accelerați pătrund adânc în atomi și scot electronii din atom din straturile lor interioare. Electronii (Fig. 2) din straturile superioare trec în locuri libere, drept urmare fotoni de raze X sunt emiși cu o frecvență corespunzătoare diferenței nivelurilor de energie de tranziție. Liniile din spectrul radiațiilor caracteristice sunt combinate în serii corespunzătoare tranzițiilor electronilor cu un nivel mai înalt la nivelul K, L, M.

Acțiunea externă, în urma căreia electronul este scos din straturile interioare, trebuie să fie suficient de puternică. Spre deosebire de spectrele optice, spectrele de raze X caracteristice ale diferiților atomi sunt de același tip. Uniformitatea acestor spectre se datorează faptului că straturile interioare ale diferiților atomi sunt aceleași și diferă doar energetic, deoarece efectul de forță din partea nucleului crește pe măsură ce numărul ordinal al elementului crește. Acest lucru duce la faptul că spectrele caracteristice se deplasează către frecvențe mai mari odată cu creșterea sarcinii nucleare. Această relație este cunoscută sub numele de legea lui Moseley: , unde A și B sunt constante; Numărul de ordine Z al elementului.

Există o altă diferență între spectrele de raze X și cele optice. Spectrul caracteristic al unui atom nu depinde de compusul chimic în care este inclus atomul. Deci, de exemplu, spectrul de raze X al atomului de oxigen este același pentru O, O 2 , H 2 O, în timp ce spectrele optice ale acestor compuși sunt semnificativ diferite. Această caracteristică a spectrelor de raze X ale atomilor a servit drept bază pentru numele „caracteristic”.

Radiația caracteristică apare ori de câte ori există locuri libere în straturile interioare ale unui atom, indiferent de motivele care au cauzat-o. De exemplu, însoțește unul dintre tipurile de dezintegrare radioactivă, care constă în captarea unui electron din stratul interior de către nucleu.

2. Dispozitivul tuburilor cu raze X și al protozoarelor

aparat cu raze X.

Cea mai comună sursă de radiație cu raze X este un tub cu raze X - un dispozitiv de vid cu doi electrozi (Fig. 3). Este un recipient din sticlă (p = 10 -6 - 10 -7 mm Hg) cu doi electrozi - anodul A și catodul K, între care se creează o tensiune înaltă. Catodul încălzit (K) emite electroni. Anodul A este adesea denumit anticatod. Are o suprafață înclinată pentru a dirija radiația de raze X rezultată într-un unghi față de axa tubului. Anodul este realizat dintr-un metal cu conductivitate termică bună (cupru) pentru a îndepărta căldura generată de impactul electronilor. La capătul teșit al anodului se află o placă Z din metal refractar (tungsten) cu număr atomic mare, numită oglindă anodica. În unele cazuri, anodul este răcit special cu apă sau ulei. Pentru tuburile de diagnosticare, este importantă precizia sursei de raze X, ceea ce poate fi obținut prin focalizarea electronilor într-un singur loc al anodului. Prin urmare, din punct de vedere constructiv, trebuie luate în considerare două sarcini opuse: pe de o parte, electronii trebuie să cadă într-un loc al anodului, pe de altă parte, pentru a preveni supraîncălzirea, este de dorit să se distribuie electronii pe diferite părți ale anodul. Din acest motiv, unele tuburi cu raze X sunt fabricate cu un anod rotativ.

Într-un tub de orice design, electronii accelerați de tensiunea dintre anod și catod cad pe oglinda anodică și pătrund adânc în substanță, interacționează cu atomii și sunt decelerati de câmpul de atomi. Aceasta produce raze X bremsstrahlung. Simultan cu bremsstrahlung, se formează o cantitate mică (câteva procente) de radiație caracteristică. Doar 1-2% dintre electronii care lovesc anodul provoacă bremsstrahlung, iar restul provoacă un efect termic. Pentru concentrația de electroni, catodul are un capac de ghidare. Partea oglinzii de wolfram pe care cade fluxul principal de electroni se numește focarul tubului. Lățimea fasciculului de radiație depinde de zona sa (claritatea focalizării).

Pentru alimentarea tubului sunt necesare două surse: o sursă de înaltă tensiune pentru circuitul anod și o sursă de joasă tensiune (6-8 V) pentru alimentarea circuitului de filament. Ambele surse trebuie să fie reglementate independent. Prin modificarea tensiunii anodului se reglează duritatea radiației de raze X, iar prin modificarea incandescenței, a curentului circuitului de ieșire și, în consecință, a puterii de radiație.

Diagrama schematică a celui mai simplu aparat cu raze X este prezentată în Fig.4. Circuitul are două transformatoare de înaltă tensiune Tr.1 și Tr.2 pentru alimentarea filamentului. Tensiunea înaltă de pe tub este reglată de un autotransformator Tr.3 conectat la înfășurarea primară a transformatorului Tr.1. Comutatorul K reglează numărul de spire ale înfășurării autotransformatorului. În acest sens, se modifică și tensiunea înfășurării secundare a transformatorului, alimentată la anodul tubului, adică. duritatea este reglabila.

Curentul de filament al tubului este reglat de un reostat R, inclus în circuitul primar al transformatorului Tr.2. Curentul circuitului anodic este măsurat cu un miliampermetru. Tensiunea aplicată electrozilor tubului se măsoară cu un kilovoltmetru kV, sau tensiunea din circuitul anodic poate fi apreciată după poziția comutatorului K. Curentul filamentului, reglat de reostat, se măsoară cu un ampermetru A. În schema luată în considerare, tubul cu raze X redresează simultan o tensiune alternativă ridicată.

Este ușor de observat că un astfel de tub radiază doar într-o jumătate de ciclu de curent alternativ. Prin urmare, puterea sa va fi mică. Pentru a crește puterea radiată, multe dispozitive folosesc redresoare cu raze X cu undă completă de înaltă tensiune. În acest scop, se folosesc 4 kenotrone speciale, care sunt conectate într-un circuit de punte. Un tub cu raze X este inclus într-o diagonală a podului.

3. Interacțiunea radiațiilor X cu materia

(împrăștiere coerentă, împrăștiere incoerentă, efect fotoelectric).

Când razele X cad pe un corp, acestea sunt reflectate de acesta într-o cantitate mică, dar în mare parte pătrund adânc în. În masa corpului, radiația este parțial absorbită, parțial împrăștiată și parțial trece. Trecând prin corp, fotonii de raze X interacționează în principal cu electronii atomilor și moleculelor substanței. Înregistrarea și utilizarea radiațiilor cu raze X, precum și impactul acesteia asupra obiectelor biologice, sunt determinate de procesele primare de interacțiune a unui foton de raze X cu electronii. Trei procese principale au loc în funcție de raportul dintre energia fotonului E și energia de ionizare AI.

A)împrăștiere coerentă.

Difuzarea razelor X cu lungime de undă lungă are loc în principal fără modificarea lungimii de undă și se numește coerentă. Interacțiunea unui foton cu electronii învelișurilor interioare, strâns legați de nucleu, nu face decât să-și schimbe direcția, fără a-și schimba energia și, prin urmare, lungimea de undă (Fig. 5).

Difuzarea coerentă are loc dacă energia fotonului este mai mică decât energia de ionizare: 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) Imprăștire incoerentă (efect Compton).

În 1922, A. Compton, observând împrăștierea razelor X dure, a descoperit o scădere a puterii de penetrare a fasciculului împrăștiat în comparație cu fasciculul incident. Imprăștirea razelor X cu lungimea de undă variabilă se numește efect Compton. Apare atunci când un foton de orice energie interacționează cu electronii învelișurilor exterioare ale atomilor legați slab de nucleu (Fig. 6). Un electron este desprins dintr-un atom (astfel de electroni se numesc electroni de recul). Energia fotonului scade (lungimea de undă crește în consecință), iar direcția de mișcare a acestuia se schimbă și ea. Efectul Compton apare dacă energia fotonului de raze X este mai mare decât energia de ionizare: , . În acest caz, apar electroni de recul cu energie cinetică E K. Atomii și moleculele devin ioni. Dacă E K este semnificativă, atunci electronii pot ioniza atomii vecini prin ciocnire, formând noi electroni (secundari).

în) Efect fotoelectric.

Dacă energia unui foton hn este suficientă pentru a detașa un electron, atunci când interacționează cu un atom, fotonul este absorbit, iar electronul este detașat de acesta. Acest fenomen se numește efect fotoelectric. Atomul este ionizat (fotoinizare). În acest caz, electronul capătă energie cinetică și, dacă aceasta din urmă este semnificativă, atunci poate ioniza atomii vecini prin ciocnire, formând noi electroni (secundari). Dacă energia fotonului este insuficientă pentru ionizare, atunci efectul fotoelectric se poate manifesta prin excitarea unui atom sau a unei molecule. În unele substanțe, acest lucru duce la emisia ulterioară de fotoni în regiunea radiației vizibile (luminescență cu raze X), iar în țesuturi - la activarea moleculelor și a reacțiilor fotochimice.

Efectul fotoelectric este tipic pentru fotonii cu o energie de ordinul a 0,5-1 MeV.

Cele trei procese principale de interacțiune discutate mai sus sunt primare, ele conduc la secundar, terțiar etc. fenomene. Când radiația de raze X intră într-o substanță, pot avea loc o serie de procese înainte ca energia unui foton de raze X să fie convertită în energia mișcării termice.

Ca urmare a proceselor de mai sus, fluxul primar de raze X este slăbit. Acest proces respectă legea lui Bouguer. O scriem sub forma: Ф =Ф 0 e - mx, unde m este un coeficient de atenuare liniar care depinde de natura substanței (în principal de densitate și număr atomic) și de lungimea de undă a radiației (energia fotonului). Poate fi reprezentat ca fiind alcătuit din trei termeni corespunzători împrăștierii coerente, împrăștierii incoerente și efectului fotoelectric: .

Deoarece coeficientul de absorbție liniar depinde de densitatea substanței, este de preferat să se utilizeze coeficientul de atenuare a masei, care este egal cu raportul dintre coeficientul de atenuare liniar și densitatea absorbantului și nu depinde de densitatea substanței. . Dependența fluxului de raze X (intensitatea) de grosimea filtrului absorbant este prezentată în Fig. 7 pentru H2O, Al și Cu. Calculele arată că un strat de apă de 36 mm grosime, aluminiu de 15 mm și cupru de 1,6 mm reduc intensitatea razelor X de 2 ori. Această grosime se numește grosimea semistratului d. Dacă o substanță atenuează radiația de raze X la jumătate, atunci , apoi , sau , ; ; . Cunoscând grosimea semistratului, puteți determina oricând m. Dimensiunea .

4. Utilizarea razelor X în medicină

(fluoroscopie, radiografie, tomografie cu raze X, fluorografie, radioterapie).

Una dintre cele mai comune aplicații ale razelor X în medicină este transiluminarea organelor interne în scopuri de diagnostic - diagnosticul cu raze X.

Pentru diagnosticare se folosesc fotoni cu o energie de 60-120 keV. În acest caz, coeficientul de absorbție a masei este determinat în principal de efectul fotoelectric. Valoarea lui este proporţională cu l 3 (în care se manifestă puterea mare de pătrundere a radiaţiei dure) şi proporţională cu puterea a treia a numărului de atomi ai substanţei - absorbant: , unde K este coeficientul de proporţionalitate.

Corpul uman este format din țesuturi și organe care au capacitate de absorbție diferită în raport cu razele X. Prin urmare, atunci când este iluminat cu raze X, pe ecran se obține o imagine de umbră neuniformă, care oferă o imagine a locației organelor și țesuturilor interne. Cele mai dense țesuturi care absorb radiațiile (inima, vase mari, oase) sunt văzute ca întunecate, în timp ce țesuturile mai puțin absorbante (plămâni) sunt văzute ca luminoase.

În multe cazuri, este posibil să se judece starea lor normală sau patologică. Diagnosticul cu raze X folosește două metode principale: fluoroscopia (transmisie) și radiografia (imagine). Dacă organul studiat și țesuturile din jurul acestuia absorb aproximativ în mod egal fluxul de raze X, atunci se folosesc agenți de contrast speciali. Deci, de exemplu, în ajunul unei examinări cu raze X a stomacului sau intestinelor, se administrează o masă moale de sulfat de bariu, caz în care se poate vedea imaginea lor în umbră. În fluoroscopie și radiografie, o imagine cu raze X este o imagine rezumată a întregii grosimi a obiectului prin care trec razele X. Cele mai clar definite sunt acele detalii care sunt mai aproape de ecran sau de film, iar cele îndepărtate devin neclare și neclare. Dacă într-un organ există o zonă alterată patologic, de exemplu, distrugerea țesutului pulmonar în interiorul unui focar extins de inflamație, atunci în unele cazuri această zonă de pe raze X în cantitate de umbre poate fi „pierdută”. Pentru a-l face vizibil, se folosește o metodă specială - tomografia (înregistrare stratificată), care vă permite să faceți fotografii ale straturilor individuale ale zonei studiate. Acest tip de tomograme strat cu strat se obține cu ajutorul unui aparat special numit tomograf, în care tubul cu raze X (RT) și filmul (Fp) sunt deplasate periodic, împreună, în antifază față de zona de studiu. În acest caz, razele X din orice poziție a RT vor trece prin același punct al obiectului (zona schimbată), care este centrul față de care RT și FP se mișcă periodic. Imaginea în umbră a zonei va fi surprinsă pe film. Prin schimbarea poziției „centrului de balansare”, este posibil să obțineți imagini stratificate ale obiectului. Folosind un fascicul subțire de raze X, un ecran special (în loc de Fp) format din detectoare semiconductoare de radiații ionizante, este posibilă procesarea imaginii în timpul tomografiei folosind un computer. Această variantă modernă a tomografiei se numește tomografie computerizată. Tomografia este utilizată pe scară largă în studiul plămânilor, rinichilor, vezicii biliare, stomacului, oaselor etc.

Luminozitatea imaginii de pe ecran și timpul de expunere pe film depind de intensitatea radiației X. Când se utilizează pentru diagnosticare, intensitatea nu poate fi mare, pentru a nu provoca un efect biologic nedorit. Prin urmare, există o serie de dispozitive tehnice care îmbunătățesc luminozitatea imaginii la intensități scăzute de raze X. Unul dintre aceste dispozitive este un tub intensificator de imagine.

Un alt exemplu este fluorografia, în care o imagine este obținută pe un film sensibil de format mic de pe un ecran mare luminiscent cu raze X. La fotografiere, se folosește un obiectiv cu deschidere mare, imaginile finite sunt examinate cu o lupă specială.

Fluorografia combină o mare capacitate de detectare a bolilor latente (boli ale toracelui, tractului gastrointestinal, sinusurilor paranazale etc.) cu un debit semnificativ și, prin urmare, este o metodă foarte eficientă de cercetare în masă (în linie).

Deoarece fotografiarea unei imagini cu raze X în timpul fluorografiei este realizată folosind optica fotografică, imaginea de pe fluorogramă este redusă în comparație cu raze X. În acest sens, rezoluția fluorogramei (adică vizibilitatea detaliilor mici) este mai mică decât cea a unei radiografii convenționale, cu toate acestea, este mai mare decât în cazul fluoroscopiei.

A fost proiectat un dispozitiv - un tomofluorograf, care face posibilă obținerea de fluorograme ale părților corpului și ale organelor individuale la o anumită adâncime - așa-numitele imagini stratificate (secțiuni) - tomofluorograme.

Radiațiile cu raze X sunt folosite și în scopuri terapeutice (terapie cu raze X). Efectul biologic al radiațiilor este de a perturba activitatea vitală a celulelor, în special a celor în curs de dezvoltare rapidă. În acest sens, terapia cu raze X este folosită pentru a influența tumorile maligne. Este posibil să alegeți o doză de radiație suficientă pentru distrugerea completă a tumorii cu afectare relativ minoră a țesuturilor sănătoase din jur, care sunt restaurate datorită regenerării ulterioare.