Возникновение рентгеновского излучения кратко

Обновлено: 02.07.2024

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, U_h — напряжение накала катода, U_a — ускоряющее напряжение, W_in — впуск водяного охлаждения, W_out — 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]

Kα	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.

Рентгенология — раздел радиологии, изучающий воздействие на организм животных и человека рентгеновского излучения, возникающие от этого заболевания, их лечение и профилактику, а также методы диагностики различных патологий при помощи рентгеновских лучей (рентгенодиагностика). В состав типового рентгенодиагностического аппарата входит питающее устройство (трансформаторы), высоковольтный выпрямитель, преобразующий переменный ток электрической сети в постоянный, пульт управления, штатив и рентгеновская трубка.

Рентгеновские лучи — это вид электромагнитных колебаний, которые образуются в рентгеновской трубке при резком торможении ускоренных электронов в момент их столкновения с атомами вещества анода. В настоящее время общепризнанной считается точка зрения, что рентгеновские лучи по своей физической природе являются одним из видов лучистой энергии, спектр которых включает также радиоволны, инфракрасные лучи, видимый свет, ультрафиолетовые лучи и гамма-лучи радиоактивных элементов. Рентгеновское излучение можно характеризовать как совокупность его наименьших частиц — квантов или фотонов.

Рис. 1 — передвижной рентгеновский аппарат:

A — рентгеновская трубка;
Б — питающее устройство;
В — регулируемый штатив.

Рис. 2 — пульт управления рентгеновским аппаратом (механический — слева и электронный — справа):

A — панель для регулирования экспозиции и жёсткости;
Б — кнопка подачи высокого напряжения.

Рис. 3 — блок-схема типичного рентгенаппарата

1 — сеть;
2 — автотрансформатор;
3 — повышающий трансформатор;
4 — рентгеновская трубка;
5 — анод;
6 — катод;
7 — понижающий трансформатор.

Механизм образования рентгеновского излучения

Рентгеновские лучи образуются в момент столкновения потока ускоренных электронов с веществом анода. При взаимодействии электронов с мишенью 99% их кинетической энергии превращается в тепловую энергию и только 1% — в рентгеновское излучение.

Рентгеновская трубка состоит из стеклянного баллона, в который впаяны 2 электрода: катод и анод. Из стеклянного баллона выкачен воздух: движение электронов от катода к аноду возможно лишь в условиях относительного вакуума (10 -7 –10 -8 мм. рт. ст.). На катоде имеется нить накала, являющаяся плотно скрученной вольфрамовой спиралью. При подаче электрического тока на нить накала происходит электронная эмиссия, при которой электроны отделяются от спирали и образуют рядом с катодом электронное облачко. Это облачко концентрируется у фокусирующей чашечки катода, задающей направление движения электронов. Чашечка — небольшое углубление в катоде. Анод, в свою очередь, содержит вольфрамовую металлическую пластину, на которую фокусируются электроны, — это и есть место образования рентгеновских лучей.

Рис. 4 — устройство рентгеновской трубки: А — катод;
Б — анод;
В — вольфрамовая нить накала;
Г — фокусирующая чашечка катода;
Д — поток ускоренных электронов;
Е — вольфрамовая мишень;
Ж — стеклянная колба;
З — окно из бериллия;
И — образованные рентгеновские лучи;
К — алюминиевый фильтр.

К электронной трубке подключены 2 трансформатора: понижающий и повышающий. Понижающий трансформатор раскаляет вольфрамовую спираль низким напряжением (5—15 вольт), в результате чего возникает электронная эмиссия. Повышающий, или высоковольтный, трансформатор подходит непосредственно к катоду и аноду, на которые подаётся напряжение 20–140 киловольт. Оба трансформатора помещаются в высоковольтный блок рентгеновского аппарата, который наполнен трансформаторным маслом, обеспечивающим охлаждение трансформаторов и их надёжную изоляцию.

После того как при помощи понижающего трансформатора образовалось электронное облачко, включается повышающий трансформатор, и на оба полюса электрической цепи подаётся высоковольтное напряжение: положительный импульс — на анод, и отрицательный — на катод. Отрицательно заряженные электроны отталкиваются от отрицательно заряженного катода и стремятся к положительно заряженному аноду — за счёт такой разности потенциалов достигается высокая скорость движения — 100 тыс. км/с. С этой скоростью электроны бомбардируют вольфрамовую пластину анода, замыкая электрическую цепь, в результате чего возникает рентгеновское излучение и тепловая энергия.

Рентгеновское излучение подразделяется на тормозное и характеристическое. Тормозное излучение возникает из-за резкого замедления скорости электронов, испускаемых вольфрамовой спиралью. Характеристическое излучение возникает в момент перестройки электронных оболочек атомов. Оба этих вида образуются в рентгеновской трубке в момент столкновения ускоренных электронов с атомами вещества анода. Спектр излучения рентгеновской трубки представляет собой наложение тормозного и характеристического рентгеновских излучений.

Рис. 5 — принцип образования тормозного рентгеновского излучения. Рис. 6 — принцип образования характеристического рентгеновского излучения.

Основные свойства рентгеновского излучения

Рентгеновские лучи невидимы для визуального восприятия.
Рентгеновское излучение обладает большой проникающей способностью сквозь органы и ткани живого организма, а также плотные структуры неживой природы, не пропускающие лучи видимого света.
Рентгеновские лучи вызывают свечение некоторых химических соединений, называемое флюоресценцией.
- Сульфиды цинка и кадмия флюоресцируют жёлто-зелёным цветом,
- Кристаллы вольфрамата кальция — фиолетово-голубым.
Рентгеновские лучи обладают фотохимическим действием: разлагают соединения серебра с галогенами и вызывают почернение фотографических слоёв, формируя изображение на рентгеновском снимке.
Рентгеновские лучи передают свою энергию атомам и молекулам окружающей среды, через которую они проходят, проявляя ионизирующее действие.
Рентгеновское излучение оказывает выраженное биологическое действие в облучённых органах и тканях: в небольших дозах стимулирует обмен веществ, в больших — может привести к развитию лучевых поражений, а также острой лучевой болезни. Биологическое свойство позволяет примененять рентгеновское излучение для лечения опухолевых и некоторых неопухолевых заболеваний.

Шкала электромагнитных колебаний

радиоволны	инфракрасное излучение	видимый свет	ультрафиолетовое излучение	рентгеновское излучение	γ-излучение (гамма)	космическое излучение
30 км–0,15 см	0,15 см–700 нм	700–400 нм	400–1,5 нм	1,5–3×10 -3 нм	3×10 -3 –1×10 -3 нм	1×10 -3 –5×10 -5 нм

Рентгеновские лучи имеют определённую длину волны и частоту колебаний. Длина волны (λ) и частота колебаний (ν) связаны соотношением: λ • ν = c, где c — скорость света, округлённо равная 300 000 км в секунду. Энергия рентгеновских лучей определяется формулой E = h • ν, где h — постоянная Планка, универсальная постоянная, равная 6,626 • 10 -34 Дж⋅с. Длина волны лучей (λ) связана с их энергией (E) соотношением: λ = 12,4 / E.

Рентгеновское излучение отличается от других видов электромагнитных колебаний длиной волны (см. таблицу) и энергией кванта. Чем короче длина волны, тем выше её частота, энергия и проникающая способность. Длина волны рентгеновского излучения находится в интервале 1,5–3×10 -3 нм. Изменяя длину волны рентгеновского излучения, можно регулировать его проникающую способность. Рентгеновские лучи имеют очень малую длину волны, но большую частоту колебаний, поэтому невидимы человеческим глазом. Благодаря огромной энергии кванты обладают большой проникающей способностью, что является одним из главных свойств, обеспечивающих использование рентгеновского излучения в медицине и других науках.

Характеристики рентгеновского излучения

Интенсивность — количественная характеристика рентгеновского излучения, которая выражается количеством лучей, испускаемых трубкой в единицу времени. Интенсивность рентгеновского излучения измеряется в миллиамперах. Сравнивая её с интенсивностью видимого света от обычной лампы накаливания, можно провести аналогию: так, лампа на 20 Ватт будет светить с одной интенсивностью, или силой, а лампа на 200 Ватт — с другой, при этом качество самого света (его спектр) является одинаковым. Интенсивность рентгеновского излучения, по сути, это его количество. Каждый электрон создаёт на аноде один или несколько квантов излучения, следовательно, количество рентгеновских лучей при экспонировании объекта регулируется путём изменения количества электронов, стремящихся к аноду, и количества взаимодействий электронов с атомами вольфрамовой мишени, что можно осуществить двумя путями:

Изменяя степень накала спирали катода при помощи понижающего трансформатора (количество электронов, образующихся при эмиссии, будет зависеть от того, насколько сильно раскалена вольфрамовая спираль, а количество квантов излучения будет зависеть от количества электронов);
Изменяя величину высокого напряжения, подводимого повышающим трансформатором к полюсам трубки — кадоду и аноду (чем выше напряжение подаётся на полюса трубки, тем большую кинетическую энергию получают электроны, которые за счёт своей энергии могут взаимодействовать с несколькими атомами вещества анода поочерёдно — см. рис. 5; электроны с низкой энергией смогут вступить в меньшее число взаимодействий).

Интенсивность рентгеновского излучения (анодный ток), помноженная на выдержку (время работы трубки), соответствует экспозиции рентгеновского излучения, которая измеряется в мАс (миллиамперах в секунду). Экспозиция — это параметр, который, также как и интенсивность, характеризует количество лучей, испускаемых рентгеновской трубкой. Разница состоит лишь в том, что экспозиция учитывает ещё и время работы трубки (так, например, если трубка работает 0,01 сек., то количество лучей будет одним, а если 0,02 сек, то количество лучей будет другим — в два раза больше). Экспозиция излучения устанавливается рентгенологом на контрольной панели рентгеновского аппарата в зависимости от вида исследования, размеров исследуемого объекта и диагностической задачи.

Жёсткость — качественная характеристика рентгеновского излучения. Измеряется величиной высокого напряжения на трубке — в киловольтах. Определяет проникающую способность рентгеновских лучей. Регулируется величиной высокого напряжения, подводимого к рентгеновской трубке повышающим трансформатором. Чем выше разность потенциалов создаётся на электродах трубки, тем с большей силой электроны отталкиваются от катода и устремляются к аноду и тем сильнее их столкновение с анодом. Чем сильнее их столкновение, тем короче длина волны у возникающего рентгеновского излучения и выше проникающая способность данной волны (или жёсткость излучения, которая, так же как и интенсивность, регулируется на контрольной панели параметром напряжением на трубке — киловольтажем).

Рис. 7 — Зависимость длины волны от энергии волны:

λ — длина волны;
E — энергия волны

Классификация рентгеновских трубок

По назначению
1. Диагностические
2. Терапевтические
3. Для структурного анализа
4. Для просвечивания
1. По фокусности
  - Однофокусные (на катоде одна спираль, а на аноде одно фокусное пятно)
  - Двухфокусные (на катоде две спирали разного размера, а на аноде два фокусных пятна)
1. По типу анода
  - Стационарный (неподвижный)
  - Вращающийся
Рентгеновские лучи применяются не только в рентгенодиагностических целях, но также и в терапевтических. Как было отмечено выше, способноcть рентгеновского излучения подавлять рост опухолевых клеток позволяет использовать его в лучевой терапии онкологических заболеваний. Помимо медицинской области применения, рентгеновское излучение нашло широкое применение в инженерно-технической сфере, материаловедении, кристаллографии, химии и биохимии: так, например, возможно выявление структурных дефектов в различных изделиях (рельсах, сварочных швах и пр.) с помощью рентгеновского излучения. Вид такого исследования называется дефектоскопией. А в аэропортах, на вокзалах и других местах массового скопления людей активно применяются рентгенотелевизионные интроскопы для просвечивания ручной клади и багажа в целях безопасности.

В зависимости от типа анода, рентгеновские трубки различаются по конструкции. В силу того, что 99% кинетической энергии электронов переходит в тепловую энергию, во время работы трубки происходит значительное нагревание анода — чувствительная вольфрамовая мишень часто сгорает. Охлаждение анода осуществляется в современных рентгеновских трубках при помощи его вращения. Вращающийся анод имеет форму диска, который распределяет тепло по всей своей поверхности равномерно, препятствуя локальному перегреву вольфрамовой мишени.

Конструкция рентгеновских трубок различается также по фокусности. Фокусное пятно — участок анода, на котором происходит генерирование рабочего пучка рентгеновского излучения. Подразделяется на реальное фокусное пятно и эффективное фокусное пятно (рис. 12). Из-за того, что анод расположен под углом, эффективное фокусное пятно меньше, чем реальное. Различные размеры фокусного пятна используются в зависимости от величины области снимка. Чем больше область снимка, тем шире должно быть фокусное пятно, чтобы покрыть всю площадь снимка. Однако меньшее фокусное пятно формирует лучшую чёткость изображения. Поэтому при производстве небольших снимков используется короткая нить накала и электроны направляются на небольшую область мишени анода, создавая меньшее фокусное пятно.

Рис. 9 — рентгеновская трубка со стационарным анодом. Рис. 10 — рентгеновская трубка с вращающимся анодом. Рис. 11 — устройство рентгеновской трубки с вращающимся анодом. Рис. 12 — схема образования реального и эффективного фокусного пятна.

Функция печати недоступна из системного меню вашего браузера. Для того чтобы распечатать эту страницу, нажмите на ссылку "Версия для печати" в заголовке статьи.

Рис. 3. Принцип двухлучевой ангиографии (synchrotron-based k-edge digitaL subtraction angiography): пациент просвечивается двумя монохроматическими пучками рентгеновского излучения, энергия одного из которых немного ниже, а второго — немного выше k-края полосы поглощения контрастного вещества (йода), вводимого внутривенно. Второй пучок будет интенсивно поглощаться атомами йода, находящегося в кровотоке. Компьютерное вычитание двух снимков даст четкую картину кровеносных сосудов

⚡ Рентгеновские лучи — это электромагнитное излучение с очень маленькой длинной волны. Эта волна не воспринимается человеческим глазом, но многие предметы светятся в ее лучах.

⚡ Рентгеновские лучи открыли в 1895 году. Тогда все физики занимались изучением катодных лучей: через колбу с газом пропускали ток, который давал поток атомов. Вильгельм Конрад Рёнтген также наблюдал за этими лучами. В ходе экспериментов он заметил, что пластина с барием, которая лежала на расстоянии от колбы, светится. Учёный решил, что это отражается свет от колбы, однако, если закрыть колбу, свечение не прекращалось.

⚡ Тогда Рентген на шесть недель забросил все другие эксперименты и занимался только этими лучами. Он изучил их настолько досконально, что в течение следующих десяти лет ничего нового про рентгеновские лучи не узнали.

⚡ 22 декабря 1985 года Рентген представил снимок, выполненный с этими лучами, и сообщил о своём открытии. О нем узнали по всему миру и стали повторять эксперимент.

⚡ У рентгеновских лучей очень высокая проникаемость. И это позволило заглянуть внутрь человека, не разрезая его.

⚡ Рентгеновские аппарат просто в изготовлении и не занимает много места. Он получил распространение в полевых госпиталях.

⚡ Рентгеновское излучение обладает небольшой радиоактивностью. Все врачи-рентгенологи погибли от онкологических заболеваний: они никак себя не защищали от излучения.

⚡ Рентгеновские излучение было использовано для создания первых компьютерных томографов — аппаратов УЗИ.

Читайте также: