Источники рентгеновского излучения кратко

Обновлено: 05.07.2024

Рецензия на статью "Рентгеновское излучение и его применение в медицине" студента 5 группы 1 курса лечебного факультета Саратовского Государсвенного Медицинского Университета Исмиева Ахмеда Эльданизовича. Статья посвящена открытию рентгеновских лучей. Не вызывает никаких сомнений актуальность статьи, так как рентгеновское излучение стали применять в медицине в связи с его большой проникающей способностью. Научная статья "Рентгеновское излучение и его применение в медицине" полностью соответсвует требованиям, предъявляемым к научным работам подобного рода. Статья может быть рекомендрвана для публикации в научном журнале.

Ключевые слова

Статья

В 1895 году немецкий физик В.Рентген открыл новый, не известный ранее вид электромагнитного излучения, которое в честь его первооткрывателя было названо рентгеновским. В. Рентген стал автором своего открытия в возрасте 50 лет, занимая пост ректора Вюрцбургского Университета и имея репутацию одного из лучших экспериментаторов своего времени. Одним из первых нашел техническое применение открытию Рентгена американец Эдисон. Он создал удобный демонстрационный аппарат и уже в мае 1896 года организовал в Нью-Йорке рентгеновскую выставку, на которой посетители могли разглядывать собственную руку на светящемся экране. После того, как помощник Эдисона умер от тяжелых ожогов, которые он получил при постоянных демонстрациях, изобретатель прекратил дальнейшие опыты с рентгеновскими лучами.

За открытие рентгеновских лучей Рентгену в 1901 году была присуждена первая Нобелевская премия по физике, причём нобелевский комитет подчёркивал практическую важность его открытия.
Таким образом, рентгеновские лучи представляют собой невидимое электромагнитное излучение с длиной волны 105 - 102 нм. Рентгеновские лучи могут проникать через некоторые непрозрачные для видимого света материалы. Испускаются они при торможении быстрых электронов в веществе (непрерывный спектр) и при переходах электронов с внешних электронных оболочек атома на внутренние (линейчастый спектр). Источниками рентгеновского излучения являются: рентгеновская трубка, некоторые радиоактивные изотопы, ускорители и накопители электронов (синхротронное излучение). Приемники - фотопленка, люминисцентные экраны, детекторы ядерных излучений. Рентгеновские лучи применяют в рентгеноструктурном анализе, медицине, дефектоскопии, рентгеновском спектральном анализе и т.п.

Литература

1. Кудрявцев П.С. История физики. - М., 1956.
2. Кудрявцев П.С. Курс физики - М.: Просвещение, 1974.
3. Рукман Г.И., Клименко И.С. Электронная микроскопия. - М.: Знание, 1968.
4. Храмов Ю. А. Физики: Библиографический справочник. 2-е издание, испр. и дополн. М. : Наука, главная ред. физ. -мат. лит. , 1983
5. Блохин М.А. Физика рентгеновских лучей. М., 1957.

В процессе рентгеновских исследований неба выяснилось,что многие известные классы астрофизических объектов излучают в ренгеновском диапазоне.Однако, кроме них, были обнаружены новые классы астрофизических объектов, ранее неизвестных.Здесь мы кратко опишем различные типы источников рентгеновского изучения.

Солнце. Излучают в рентгене корона и хромосферные вспышки. Светимость короны в рентгеновском диапазоне ( эрг/с).

Нормальные звезды. Рентгеновское излучение связано с коронами. Отношение рентгеновской светимости к оптической возрастает от у O-B звезд до у звезд класса М0. Связь простая. Мощность короны зависит от величины магнитного поля, магнитное поле генерируется конвективной оболочкой, а наиболее развитыми конвективными оболочками обладают самые холодные звезды.

Переменные звезды типа RS Гончих Псов. Эти затменно-переменные звезды характеризуются фотометрической активностью, связанной с пятнами на поверхности звезды. Рентгеновское излучение возникает в высокотемпературной короне, связанной с активными областями на главной компоненте, и во время вспышек, аналогичных солнечным. Постоянная рентгеновская светимость эрг/с (Капелла) - эрг/с ( Gem). Во время вспышек увеличивается в несколько раз.

Затменно-двойные звезды. В некоторых двойных звездах одна из компонент имеет звездный ветер. Вещество ветра формирует ударный фронт при столкновении со второй звездой. Температура за фронтом ударной волны K, и вещество при таких температурах излучает в рентгеновском диапазоне спектра. Пример: Алголь () эрг/с.

Вспыхивающие звезды и звезды типа T Tau. Вспыхивающие звезды типа UV Cet и неправильные переменные звезды, находящиеся на стадии эволюции до главной последовательности (типа T Tau), также являются источниками рентгеновского излучения. Рентгеновское излучение этих классов звезд может быть связано с магнитными явлениями типа вспышек в их атмосферах, либо с формированием ударного фронта в атмосфере в процессе аккреции вещества (у звезд типа T Tau). Постоянное рентгеновское излучение эрг/с, отношение рентгеновской светимости к оптической и повышается во время вспышек.

Остатки сверхновых. Все остатки сверхновых являются источниками рентгеновского излучения. Различают несколько типов рентгеновского излучения в остатках сверхновых. Плерионы - остатки, имеющие в центре активные пульсары, поставляющие быстрые электроны, излучают за счет рентгеновского "хвоста" синхротронного излучения. Это, например, Крабовидная туманность, т.е. сравнительно молодые остатки сверхновых. Более старые остатки излучают в рентгене, когда разлетающаяся оболочка начинает взаимодействовать с межзвездной средой, формируя ударный фронт, нагретый до K. Рентгеновская светимость Краба эрг/с, оболочечных остатков эрг/с.

Фоновое излучение. Все небо является слабым источником рентгеновского излучения. В мягкой области оно обусловлено тепловым излучением ( К) корональной компоненты межзвездного газа, а в более жесткой области - слабыми неразрешенными источниками. Полная рентгеновская светимость фонового излучения Галактики эрг/с.

Рентгеновские туманности. Рентгеновское излучение обусловлено взаимодействием звездного ветра от звезд высокой светимости с межзвездной средой в OB ассоциациях. Рентгеновская светимость туманности в созвездии Киля эрг/с и обусловлена ветром от 15 звезд классов O и WR.

Галактики со вспышками звездообразования. Являются источниками повышенной рентгеновской светимости из-за обилия в них остатков сверхновых и горячих молодых звезд. Светимости этих галактик в рентгене эрг/с.

Ядра активных галактик и квазары. Вероятнее всего, рентгеновское излучение квазаров и сейфертовских галактик связано с аккреционными дисками вокруг сверхмассивных черных дыр в их центре. Рентгеновская светимость увеличивается от эрг/с у сейфертовских галактик до эрг/с у квазаров. Рентгеновское излучение радиогалактик связано с облаками горячих электронов, выбрасываемых из ядра. Их светимость эрг/с. Рентгеновские спектры большинства активных ядер и квазаров - степенные и формируются, по-видимому, в процессе обратного комптоновского рассеяния.

Скопления галактик. Рентгеновское излучение скоплений галактик связано с горячим межгалактическим газом (Т К). Светимость этого газа в скоплениях эрг/с (скопления в Деве и в Персее). Горячий газ образовался на стадии формирования галактик и остывает крайне медленно ввиду малой плотности.

Рентгеновские пульсары. При аккреции вещества на замагниченную (Н Гс) нейтронную звезду в двойной системе, вещество стекает на звезду по магнитным силовым линиям на магнитные полюса звезды. Образуется аккреционная колонка, излучающая в рентгене, и из-за вращения звезды (магнитные полюса не совпадают с полюами вращения) формируются регулярные рентгеновские импульсы. Изменения рентгеновской светимости со временем имеют в принципе более сложный характер из-за возможных затмений в системе и из-за прецессии. Светимость некоторых систем может превышать Эддингтоновскую, так как плазма удерживается магнитным полем, а не гравитацией. Светимость источников от до эрг/с (SMC X-1, LMC X-4).

Барстеры. При аккреции на нейтронную звезду со слабым магнитным полем рентгеновский пульсар не появляется. Обычно светит почти постоянно аккреционный диск, однако вещество, накапливаемое на поверхности нейтронной звезды, достигая критической массы, испытывает термоядерный взрыв, в процессе которого богатое водородом вещество превращается в гелий и другие тяжелые элементы. Это ведет к вспышкам рентгеновского излучения, повторяющимся через 4-12 часов. Кроме этих вспышек у некоторых барстеров (MXB 1730-335) наблюдаются вспышки второго типа, более частые (отсюда - быстрые барстеры) с интервалом от 20 до 400 секунд, связанные, по-видимому, с неустойчивостью аккреционного диска. Светимость барстера во время вспышки эрг/с, в спокойном состоянии эрг/с. Во время вспышки выделяется в 100 раз меньше энергии, чем в предшествовавший ей спокойный период, т.к. в процессе аккреции на типичную нейтронную звезду на один нуклон выделяется в 100 раз больше потенциальной гравитационной энергии, чем в процессе термоядерной реакции. Вспышки длятся несколько минут, чем дольше предшествовавший ей спокойный период, тем мощнее вспышка. Известно около 50 барстеров, из них - 6 в шаровых скоплениях.

Cyg X-1 и подобные ему источники. Некоторые источники рентгеновского излучения, например, Cyg X-1, показывают быстрые неправильные изменения блеска как на очень маленьких временах (порядка миллисекунд), так и на очень больших, от месяцев до лет. Cyg X-1 - это двойная система, относящаяся к классу массивных рентгеновских двойных (High-Mass X-ray Binaries - HMXB). Это означает, что оптическая звезда в этих системах - горячая звезда -гигант или сверхгигант спектрального класса O-B-A массой , теряющая массу в виде ветра. Вторичная звезда, являющаяся компактным объектом - нейтронной звездой или черной дырой, аккрецирует вещество ветра, что и служит источником рентгеновского излучения в системе. В источнике Cyg X-1 оптическая звезда - сверхгигант спектрального класса A 9-ой звездной величины - HD 226868. Рентгеновская светимость эрг/с. Это вероятный кандидат в черные дыры, так как его массa . Существует несколько источников такого типа.

Маломассивные рентгеновские двойные источники - Low-Mass X-ray Binaries (LMXB). Видимый компонент системы, как правило, красный карлик (реже - красный гигант), переполняющий свою полость Роша, что приводит к аккреции на вторичную компактную (нейтронную) звезду. Источники имеют светимости, близкие к Эддингтоновской ( эрг/с). Примеры: Cyg X-3, Sco X-1.

Кроме того, существует популяция слабых источников со светимостями эрг/с. Возможно, это также системы с красными карликами. К слабым рентгновским источникам относится также SS 433.

Транзиенты. Кроме постоянных рентгеновских источников, существуют источники вспыхивающие и через некоторое время угасающие. Яркость некоторых их них превышает яркость источника Sco X-1, ярчайшего из стабильных рентгеновских источников. Транзиенты подразделяются на медленные и быстрые. У медленных вспышка длится недели и месяцы, а у быстрых - несколько часов и дней. Медленные источники называют еще рентгеновскими новыми (X-ray Novae). Это маломассивные рентгеновские системы, в которых темп аккреции увеличивается на несколько порядков один раз в 10-50 лет либо из-за неустойчивостей вблизи внешнего края аккреционного диска, либо из-за увеличения темпа истечения со вторичной звезды. Среди рентгеновских новых находится наибольшее количество кандидатов в черные дыры.

Быстрые транзиенты, по-видимому, это нейтронные звезды на орбитах с большим эксцентриситетом вокруг массивных звезд с ветром. Темп аккреции на них сильно увеличивается, когда нйтронная звезда проходит периастр.

Светимости транзиентов в максимуме блеска достигают эрг/с.

Рентгеновское излучение катаклизмических переменных звезд. Катаклизмические переменные звезды (Cataclysmic Variables - CV stars) - это тесные двойные системы, оптическая звезда в которых является красным карликом (реже - красным гигантом), переполняющим свою полость Роша, а главная - белым карликом. В зависимости от величины магнитного поля белого карлика катаклизмические переменные звезды подразделяются на три класса:

    Поляры - с сильным магнитным полем ( Гс). В этих системах Альвеновский радиус (на котором давление магнитного поля равно динамическому давлению аккрецируемой материи ) сравним с размером полости Роша белого карлика. В этом случае аккреционный диск не образуется, и плазма течет вдоль силовых линий магнитного поля на магнитные полюса белого карлика. Эти системы подобны рентгеновским пульсарам. Механизм излучения в оптической области спектра - циклотронный, поэтому излучение сильно поляризовано (отсюда - поляры). Рентгеновское излучение появляется за счет тормозных процессов в ударной волне над магнитными полюсами и циклотронного излучения электронов в магнитном поле. Рентгеновская светимость их невелика эрг/с (AM Her).

Сверхмягкие рентгеновские источники - SuperSoft X-ray Sources (SSS). Эти рентгеновские источники были исследованы в начале 90-х годов спутником "ROSAT". Они имеют очень мягкие спектры (90% фотонов имеют энергии меньше 0.5 кэВ) и высокие светимости эрг/с. (рис.9) Эти источники были интерпретированы как тесные двойные системы с белым карликом и вторичной звездой спектрального класса F, переполняющей свою полость Роша. Темп аккреции в этих системах настолько высок ( M/год), что на поверхности белого карлика осуществляется стационарное термоядерное горение водорода. Источником рентгеновского излучения, таким образом, является горячий ( К) белый карлик.

Рис. 9. Рентгеновские спектры различных источников рентгеновского излучения: сверхмягкого источника, звездной короны, и классического источника (Кахабка и ван ден Хевел, 1997)

Рентге́новское излуче́ние — электромагнитные волны, энергия фотонов которых лежит на шкале электромагнитных волн между ультрафиолетовым излучением и гамма-излучением, что соответствует длинам волн от 10 −2 до 10 3 Å (от 10 −12 до 10 −7 м). [1]

Содержание

Положение на шкале электромагнитных волн

Энергетические диапазоны рентгеновского излучения и гамма-излучения перекрываются в широкой области энергий. Оба типа излучения являются электромагнитным излучением и при одинаковой энергии фотонов — эквивалентны. Терминологическое различие лежит в способе возникновения — рентгеновские лучи испускаются при участии электронов (либо в атомах, либо свободных) в то время как гамма-излучение испускается в процессах девозбуждения атомных ядер. Фотоны рентгеновского излучения имеют энергию от 100 эВ до 250 кэВ, что соответствует излучению с частотой от 3·10 16 до 6·10 19 Гц и длиной волны 0,005—10 нм (общепризнанного определения нижней границы диапазона рентгеновских лучей в шкале длин волн не существует). Мягкий рентген характеризуется наименьшей энергией фотона и частотой излучения (и наибольшей длиной волны), а жёсткий рентген обладает наибольшей энергией фотона и частотой излучения (и наименьшей длиной волны). Жёсткий рентген используется преимущественно в промышленных целях.

Лабораторные источники

Рентгеновские трубки


Схематическое изображение рентгеновской трубки. X — рентгеновские лучи, K — катод, А — анод (иногда называемый антикатодом), С — теплоотвод, Uh — напряжение накала катода, Ua — ускоряющее напряжение, Win — впуск водяного охлаждения, Wout — выпуск водяного охлаждения.

\sqrt \nu = A(Z - B),

Рентгеновские лучи возникают при сильном ускорении заряженных частиц (тормозное излучение), либо при высокоэнергетических переходах в электронных оболочках атомов или молекул. Оба эффекта используются в рентгеновских трубках. Основными конструктивными элементами таких трубок являются металлические катод и анод (ранее называвшийся также антикатодом). В рентгеновских трубках электроны, испущенные катодом, ускоряются под действием разности электрических потенциалов между анодом и катодом (при этом рентгеновские лучи не испускаются, так как ускорение слишком мало) и ударяются об анод, где происходит их резкое торможение. При этом за счёт тормозного излучения происходит генерация излучения рентгеновского диапазона, и одновременно выбиваются электроны из внутренних электронных оболочек атомов анода. Пустые места в оболочках занимаются другими электронами атома. При этом испускается рентгеновское излучение с характерным для материала анода спектром энергий (характеристическое излучение, частоты определяются законом Мозли: где Z — атомный номер элемента анода, A и B — константы для определённого значения главного квантового числа n электронной оболочки). В настоящее время аноды изготавливаются главным образом из керамики, причём та их часть, куда ударяют электроны, — из молибдена или меди.



В процессе ускорения-торможения лишь около 1% кинетической энергии электрона идёт на рентгеновское излучение, 99% энергии превращается в тепло.

Ускорители частиц

Рентгеновское излучение можно получать также и на ускорителях заряженных частиц. Так называемое синхротронное излучение возникает при отклонении пучка частиц в магнитном поле, в результате чего они испытывают ускорение в направлении, перпендикулярном их движению. Синхротронное излучение имеет сплошной спектр с верхней границей. При соответствующим образом выбранных параметрах (величина магнитного поля и энергия частиц) в спектре синхротронного излучения можно получить и рентгеновские лучи.

Длины волн спектральных линий K-серий (нм) для ряда анодных материалов. [2] , [3]
Kα₁ Kα₂ Kβ₁ Kβ₂
Fe 0,193735 0,193604 0,193998 0,17566 0,17442
Cu 0,154184 0,154056 0,154439 0,139222 0,138109
Ag 0,0560834 0,0559363 0,0563775
Cr 0,2291 0,22897 0,229361
Co 0,179026 0,178897 0,179285
Mo 0,071073 0,07093 0,071359
W 0,0210599 0,0208992 0,0213813
Zr 0,078593 0,079015 0,070173 0,068993
Ni 0,165791 0,166175 0,15001 0,14886

Взаимодействие с веществом

Длина волны рентгеновских лучей сравнима с размерами атомов, поэтому не существует материала, из которого можно было бы изготовить линзу для рентгеновских лучей. Кроме того, при перпендикулярном падении на поверхность рентгеновские лучи почти не отражаются. Несмотря на это, в рентгеновской оптике были найдены способы построения оптических элементов для рентгеновских лучей. В частности выяснилось, что их хорошо отражает алмаз [4] .

Рентгеновские лучи могут проникать сквозь вещество, причём различные вещества по-разному их поглощают. Поглощение рентгеновских лучей является важнейшим их свойством в рентгеновской съёмке. Интенсивность рентгеновских лучей экспоненциально убывает в зависимости от пройденного пути в поглощающем слое (I = I0e -kd , где d — толщина слоя, коэффициент k пропорционален Z³λ³, Z — атомный номер элемента, λ — длина волны).

Поглощение происходит в результате фотопоглощения (фотоэффекта) и комптоновского рассеяния:

  • Под фотопоглощением понимается процесс выбивания фотоном электрона из оболочки атома, для чего требуется, чтобы энергия фотона была больше некоторого минимального значения. Если рассматривать вероятность акта поглощения в зависимости от энергии фотона, то при достижении определённой энергии она (вероятность) резко возрастает до своего максимального значения. Для более высоких значений энергии вероятность непрерывно уменьшается. По причине такой зависимости говорят, что существует граница поглощения. Место выбитого при акте поглощения электрона занимает другой электрон, при этом испускается излучение с меньшей энергией фотона, происходит т. н. процесс флуоресценции.
  • Рентгеновский фотон может взаимодействовать не только со связанными электронами, но и со свободными, а также слабосвязанными электронами. Происходит рассеяние фотонов на электронах — т. н. комптоновское рассеяние. В зависимости от угла рассеяния, длина волны фотона увеличивается на определённую величину и, соответственно, энергия уменьшается. Комптоновское рассеяние, по сравнению с фотопоглощением, становится преобладающим при более высоких энергиях фотона.


В дополнение к названным процессам существует ещё одна принципиальная возможность поглощения — за счёт возникновения электрон-позитронных пар. Однако для этого необходимы энергии более 1,022 МэВ, которые лежат вне вышеобозначенной границы рентгеновского излучения ( Биологическое воздействие

Рентгеновское излучение является ионизирующим. Оно воздействует на ткани живых организмов и может быть причиной лучевой болезни, лучевых ожогов и злокачественных опухолей. По причине этого при работе с рентгеновским излучением необходимо соблюдать меры защиты. Считается, что поражение прямо пропорционально поглощённой дозе излучения. Рентгеновское излучение является мутагенным фактором.

Применение

Естественное рентгеновское излучение

На Земле электромагнитное излучение в рентгеновском диапазоне образуется в результате ионизации атомов излучением, которое возникает при радиоактивном распаде, в результате комптон-эффекта гамма-излучения, возникающего при ядерных реакциях, а также космическим излучением. Радиоактивный распад также приводит к непосредственному излучению рентгеновских квантов, если вызывает перестройку электронной оболочки распадающегося атома (например, при электронном захвате). Рентгеновское излучение, которое возникает на других небесных телах, не достигает поверхности Земли, так как полностью поглощается атмосферой. Оно исследуется спутниковыми рентгеновскими телескопами, такими как Чандра и XMM-Ньютон.

История открытия



Но еще за 8 лет до этого — в 1887 году Никола Тесла в дневниковых записях зафиксировал результаты исследования рентгеновских лучей [источник не указан 44 дня] и испускаемое ими тормозное излучение, однако ни Тесла, ни его окружение не придали серьёзное значение этим наблюдениям. Кроме этого, уже тогда Тесла предположил опасность длительного воздействия рентгеновских лучей на человеческий организм.

В некоторых [каких?] кругах, однако, утверждается [кем?] , что рентгеновские лучи были уже получены до этого И. П. Пулюем [источник не указан 751 день] . Катодолучевая трубка, которую Рентген использовал в своих экспериментах, была разработана Й. Хитторфом и В. Круксом. При работе этой трубки возникают рентгеновские лучи. Это было показано в экспериментах Крукса [источник не указан 1313 дней] и с 1892 года в экспериментах Генриха Герца и его ученика Филиппа Ленарда через почернение фотопластинок. Однако никто из них не осознал значения сделанного ими открытия и не опубликовал своих результатов.


Радиоактивность – это спонтанный (самопроизвольный) распад ядер со строго определенной вероятностью, сопровождающийся ядерным (ионизирующим) излучением.

Рентгеновское излучение по своей природе относится к волновому (фотонному) излучению, которое в шкале электромагнитных излучений (ЭМИ) следует за ультрафиолетовым излучением и имеет меньшую длину волны.

По способу взаимодействия с облучаемым объектом все ионизирующие излучения можно разделить на три вида: корпускулярное излучение с массой покоя и зарядом (альфа-, бета-, протонное, мезонное и пр.); корпускулярное излучение с массой покоя, но без заряда (нейтронное) и электромагнитное излучение (гамма- и рентгеновское).

Ядерное излучение – это излучение, сопровождающее распад радиоактивных ядер (радионуклидов). Ядерное излучение связано с понятием радиоактивности.

Что отличает генерируемые ионизирующие излучения от ионизирующих излучений ядерного происхождения? Эти излучения различны по своему происхождению (по способу генерирования) со всеми вытекающими из этого последствиями. Характеристики ядерного излучения (такие как: вид излучения, энергия, период полураспада, ионизирующая и проникающая способности и многие другие) зависят исключительно от свойств распадающегося ядра и не могут быть изменены по желанию человека.

Рентгеновское излучение генерируют (получают) в том числе и искусственным путем с необходимыми для каждого конкретного случая радиационными характеристиками, что и предусматривается при разработке и производстве рентгеновских трубок различного назначения. В рентгеновской трубке можно получить рентгеновское излучение - так называемое генерируемое излучение - нужной энергии и интенсивности в заданное время и при требуемой геометрии.

То есть, рентгеновское излучение, также как и ядерные излучения, относится к ионизирующему излучению (ИИ). Общим свойством всех ионизирующих излучений является их характер действия на окружающую среду, через которую проходит излучение, а именно, способность излучения при взаимодействии со средой передавать ей свою энергию. Эта энергия достаточно велика, чтобы в процессе взаимодействия со средой ядерного излучения (независимо от его вида) и рентгеновского излучения произвести ионизацию и (или) возбуждение атомов среды. По этой причине все излучения, взаимодействие которых со средой приводит к образованию ионов разных знаков, называются ионизирующими.

Ионизация – отрыв электронов из атомной оболочки атома. При этом нейтральный атом превращается в (одно-, двух- и т.д. кратно) заряженный положительный ион: А 0 à А + n + n·е - . Для большинства легких элементов (H, N, O, C, P, S) при ионизации атомов необходимо затратить энергию порядка 10-15 эВ.

Удельная ионизация (линейная плотность ионизации ЛПИ) – число ионных пар на единице длины пробега. Сравним удельную ионизацию альфа-, бета- и рентгеновского излучений. Например, в воздухе на 1 см пробега альфа-частиц с энергией 1 МэВ образуется 40 тысяч пар ионов, для бета-частиц такой же энергии – примерно в 800 раз меньше. Плотность ионизации фотонного излучения примерно на два порядка меньше, чем бета-излучения. К примеру, при поглощении фотона с энергией 100 кэВ в воздухе образуется примерно 3 тыс. пар ионов, при длине пробега порядка 50 м.

Виды ионизирующих излучений

Все свойства ИИ спонтанны

Все свойства ИИ регулируемы

Электромагнитные волны (ЭМВ)

Масса покоя, заряд

Нет массы покоя и заряда

Масса покоя, заряд

Нет массы покоя и заряда

Альфа-, бета- и др.

К примеру, ускорен-ные электроны

(a-частицы – яд-ра атома гелия-4.
b-частицы – ядерные электроны).

Моноэнергетические
(С одинаковой начальной энергией)

Тормозное (непрерывный энергетический спектр)

Характеристи-ческое (диск-ретный спектр энергии)

Нейтронное
(масса покоя, нет заряда).

Корпускулярное, но косвенно ионизирующее

Механизмы ионизации облучаемой среды каждым из трех вышеназванных видов ИИ различны. Корпускулярное излучение (к примеру, альфа- и бета-) относится к классу непосредственно ионизирующего излучения, в то время как нейтроны (частицы без заряда) и фотоны сами не производят ионизации, поэтому относятся к косвенно ионизирующему излучению. При их попадании в среду на первом этапе должно появиться непосредственно ионизирующее излучение, которое и производит ионизацию. В среде, пронизываемой фотонами, конечные эффекты (ионизация и возбуждение) происходят не за счет прямого взаимодействия фотонов со средой, а через посредство вторичных электронов и позитронов. Фотон является слабо ионизирующей частицей, испытывающей редкие взаимодействия (но теряющей при каждом взаимодействии значительную часть своей энергии).

Своеобразно, косвенным образом, ионизируют среду нейтроны. Нейтроны различных энергий могут создавать в облучаемой среде разнообразные непосредственно ионизирующие частицы: протоны, альфа-частицы, ядра отдачи и пр., а также могут образовывать новые радиоизотопы (наведенная активность).

Различающееся по механизмам взаимодействия излучений с облучаемой средой приводят в конечном счете к одному результату - ионизации и (или) возбуждению атомов среды. Отличие заключается только в мере (степени) произведенной излучением ионизации. Эту меру можно охарактеризовать плотностью ионизации, то есть количеством образованных пар ионов на единице длины пробега излучения.

Таким образом, при равенстве энергий длина пробега в среде бета-излучения будет значительно больше, чем альфа-излучения. Особенностью рентгеновского и гамма-излучений является их самая большая проникающая способность (при малой плотности ионизации).

Физические свойства рентгеновского излучения

ЛПЭ – это энергия, локально переданная среде движущейся заряженной частицей при перемещении ее на некоторое расстояние, к этому расстоянию: ЛПЭ=dE/dl.

Рентгеновское излучение – это электромагнитные волны с длиной волны (λ), лежащей в пределах от нескольких нанометров до тысячных долей нанометра. (1нм=10 -9 м; 1 Ангстрем (1 А)=10-10 м).

Согласно этому, ионизирующими свойствами обладают излучения, расположенные в шкале ЭМИ правее УФ-излучения.

Переход от одного вида электромагнитного излучения к другому достаточно условен. В представленном выше спектре ЭМИ рентгеновское

и гамма-излучение одной длины волны – это одни и те же фотоны, различие состоит, во-первых, в их происхождении и, во-вторых, в том, что рентгеновское излучение состоит из двух компонент (тормозное и характеристическое излучение). Несмотря на то, что поглощающие свойства рентгеновского и гамма-излучения при равных энергиях одинаковы, но распределение его в теле из-за разной однородности (по энергии) различно.

Сравнительные данные для различных электромагнитных излучений

700

600

500

400

4,3×10 14

5×10 14

6×10 14

7,7×10 14

1,75

2,2

2,5

3,2

УФ

350

250

200

10

8,6×10 14

10 15

1,5×10 15

3×10 16

3,56

4,95

6,25

125

Рентгеновское излучение

1

1×10 -1

1×10 -2

1×10 -3

3×10 17

3×10 18

3×10 19

3×10 20

1250

1,25×10 4 (12,5 кэВ)

1,25×10 5 (125 кэВ)

1,25×10 6

Гамма-излучение (условная граница диапазона)

1×10 -4

3×10 21

1,25×10 7

Электромагнитное излучение обладает следующими свойствами:

  1. Оно способно распространяться в вакууме, чем отличается от звуковых волн, которые могут распространяться только в веществе (например, ультразвуковые волны).
  2. Электромагнитные волны распространяются со скоростью света (300 000 км/сек в вакууме).
  3. Электромагнитная энергия может существовать только в фиксированном, прерывистом, а не в непрерывном виде.

Перечислим основные свойства рентгеновского излучения, делающие этот вид ионизирующего излучения незаменимым в визуальной диагностике:

  1. Рентгеновское излучение способно проникать через вещества, которые поглощают либо отражают видимые световые лучи. Эта способность тем выше, чем больше энергия излучения или чем короче длина его волны.
  2. Рентгеновское излучение способно вызывать флюоресценцию некоторых веществ вследствие образования (в момент поглощения этими веществами рентгеновского излучения) электромагнитных волн более низкой энергии (например, УФ-лучей или даже видимого света).
  3. Как и видимый свет, рентгеновское излучение может создавать на светочувствительном материале – фотографической или рентгеновской пленках – скрытое изображение, которое после проявления становится видимым.

4. Рентгеновское излучение, обладая высокой энергией и воздействуя на вещество, приводит к его ионизации.

Генерирование рентгеновского излучения

Согласно классической теории электромагнетизма электрический заряд, подвергнутый ускорению (положительному или отрицательному), при резком торможении в электрическом поле ядер атомов мишени испускает электромагнитное излучение. Генерируемое таким способом рентгеновское излучение состоит из двух компонент: тормозного и характеристического рентгеновского излучения.

Количественное соотношение характеристической и тормозной компонент в значительной степени зависит от напряжения на рентгеновской трубке. Рентгеновское излучение, используемое для диагностических целей, почти полностью состоит из тормозного излучения.

Рентгеновская трубка является основным элементом любого рентгеновского аппарата. В ней происходит генерирование рентгеновского излучения. Рентгеновская трубка представляет собой высоковольтный электровакуумный прибор с двумя электродами: катодом (-) и анодом (+).

В последнее время появились рентгеновские трубки с сеточным управлением, которые позволяют формировать импульсы рентгеновского излучения с крутыми фронтами. Это особенно важно для рентгеноскопии.

Электроны разгоняются сильным электрическим полем (главная цепь), которое создается высоким напряжением (Ua), приложенным между электродами.

Катод имеет вольфрамовую нить, которая накаливается электрическим током и служит источником свободных электронов. На нить накала подается небольшое, около 10 В, напряжение. В этом случае (в электронных рентгеновских трубках) используется явление термоэлектронной эмиссии электронов. Чем выше температура катода, тем больше скорость испускания электронов и их количество. Далее к электродам рентгеновской трубки подводится высокое напряжение, и электроны устремляются к положительно заряженному аноду.

На аноде должен быть предусмотрен отвод возникающего при торможении электронов тепла. Угол наклона поверхности анода в разных типах трубок составляет от 10 до 17 0 . Этот наклон имеет важное значение, поскольку при одних и тех же видимых размерах фокуса позволяет распределить электроны по большей площади анода, что повышает мощность трубки.

Конструкция рентгеновских трубок может быть разной в зависимости от условий применения и предъявляемых требований. В рентгенодиагностике применяются излучатели двух типов: излучатель в виде защитного кожуха с рентгеновской трубкой стационарного аппарата и излучатель в виде моноблока. Надежная работа излучателя возможна только при условии, что он не перегрет. При неправильной эксплуатации (превышение допустимой мощности, слишком частые включения, несоблюдение перерывов между отдельными включениями) трубка может выйти из строя.

Моноблочная конструкция позволяет обойтись без высоковольтных кабелей и разъемов, благодаря чему экономятся масса и габаритные размеры.

Почти вся кинетическая энергия тормозящихся электронов превращается в тепловую энергию, и лишь малая доля порядка 1 % превращается в энергию рентгеновского излучения. Поэтому в трубках должно предусматриваться охлаждение анода. Вследствие эрозии анода интенсивность рентгеновского излучения в процессе эксплуатации трубки падает. За срок службы трубки принимается такое количество включений на предельных режимах, за которое доза излучения уменьшается не более чем на 30 %. Это ~1000-40 000 включений.

Электрическая мощность рентгеновской трубки (Р, кВт) – это произведение максимального анодного напряжения (кВ) на среднее значение анодного тока (А):

где: коэффициент К зависит от формы кривой напряжения, питающего данную трубку, равен 0,75 (для однофазных аппаратов) или 1,0 (для трехфазных и среднечастотных). Трубка с вращающимся анодом имеет большую мощность, чем трубка с неподвижным анодом. Когда анод вращается, нагретый при бомбардировке электронами участок диска быстро уходит из области действия пучка электронов, а на его место приходит не нагретый или уже остывший за целый оборот участок, Поэтому, чем больше скорость вращения анода, тем больше электрическая энергия, которую может воспринять анод без чрезмерного перегрева фокуса, и следовательно, тем больше мощность излучения. Вместо трубок со скоростью вращения анода 3000 мин -1 иногда применяют трубки со скоростью 9000 мин -1 и более. Другими словами, чем меньше размер фокуса, тем меньше его допустимая мощность и, следовательно, тем больше экспозиция. Но чем меньше размер фокуса, тем меньше геометрическая нерезкость.

Допустимая мощность, то есть мощность, которую можно подвести к аноду трубки без его перегрева, зависит от длительности рабочего включения трубки: чем меньше выдержка, тем больше допустимая мощность.

Допустимая мощность определяется также видом схемы выпрямления рентгеновского аппарата. В трехфазных аппаратах допустимая мощность в 1,5 раза больше, чем в однофазных.

Таким образом, рентгеновским питающим устройством определяется возможность работы рентгеновского аппарата в импульсном режиме, а также нагрузочная способность трубки является важным фактором, влияющим на качество изображения.

Участок поверхности анода, на котором тормозятся электроны, называется действительным фокусным пятном. Рентгеновское излучение распространяется от фокусного пятна прямолинейно в виде расходящегося пучка. При практическом использовании рентгеновского излучения важно, чтобы рентгеновская трубка имела небольшое, резко выраженное фокусное пятно. Формирователи пучка излучения – фильтры, диафрагмы, тубусы – служат для направления пучка и ограничения зоны облучения, соответственно снимаемому объекту.

В рентгенодиагностике применяются излучатели двух типов: излучатель в виде защитного кожуха с рентгеновской трубкой стационарного аппарата и излучатель в виде моноблока.

Рентгеновская трубка, свинцовая защита от неиспользуемого излучения и пр. закрепляются в защитный кожух, представляющий собой отрезок металлической трубы с отверстиями для присоединения высоковольтных кабелей и окно, через которое выходит рабочий пучок излучения. Кожух заполняют трансформаторным маслом. Эта конструкция называется рентгеновским излучателем. Его надежная работа возможна только при условии, что он не перегрет: наружная температура кожуха – не более 80 0 С.

Моноблок отличается от кожуха тем, что кроме перечисленных выше элементов, он содержит высоковольтный трансформатор, выпрямители и трансформатор накала. Моноблочная конструкция позволяет обходиться без высоковольтных кабелей и разъемов.

Чем выше разность потенциалов (Ua) между катодом и анодом, тем больше энергия электронов. Для возбуждения рентгеновского излучения на рентгеновскую трубку нужно подать напряжение порядка нескольких тысяч вольт (нескольких десятков кВ); при этом идеальной формой кривой напряжения является постоянное напряжение. Величина напряжения на рентгеновской трубке Ua (кВ) определяет такую важную характеристику рентгеновского излучения, как его максимальную энергию Емакс (кэВ), а значит и проникающую способность рентгеновского излучения.

Ортопантомография до 125 кВ, компьютерная томография – 100-150 кВ.

В соответствии с принципом нормирования (ОСПОРБ-99/2010):

облучение пациентов всегда преднамеренно и добровольно, поскольку предназначено принести им больше пользы от уточнения диагноза, чем вреда от дополнительного облучения.

Поэтому методы регулирования медицинского облучения пациентов должны быть соразмерны получаемой ими пользе и не должны препятствовать оказанию необходимой медицинской помощи.

Читайте также: