РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ.

1. Тормозное и характеристическое рентгеновское излучение,

основные свойства и характеристики.

 

В 1895 году немецкий ученый Рентген впервые обнаружил свечение флуоресцентного экрана, которое было вызвано невидимым для глаза излучением, идущим от участка стекла газоразрядной трубки, расположенного против катода. Этот вид излучения обладал способностью проходить через вещества, непроницаемые для видимого света. Рентген назвал их Х-лучами и установил основные свойства, позволяющие, применять их в различных отраслях науки и техники, в том числе и в медицине.

Рентгеновским называется излучение с длиной волны 80-10^-5 нм. Длинноволновое рентгеновское излучение перекрывает коротковолновое УФ-излучение, коротковолновое перекрывается длинноволновым g-излучением. В медицине используется рентгеновское излучение с длиной волны от 10 до 0,005 нм, чему соответствует энергия фотонов от 10² ЭВ до 0,5 МэВ. Рентгеновское излучение невидимо для глаза, поэтому все наблюдения с ним производятся с помощью флюоресцирующих экранов или фотопленок, так как оно вызывает рентгенолюминесценцию и оказывает фотохимическое действие. Характерно, что большинство тел, непроницаемых для оптического излучения, в значительной мере прозрачно для рентгеновского, имеющего свойства общие для электромагнитных волн. Однако, вследствие малости длины волны, некоторые свойства трудно обнаружить. Поэтому волновая природа излучения была установлена значительно позже их открытия.

По способу возбуждения рентгеновское излучение подразделяется на тормозное и характеристическое излучение.

Тормозное рентгеновское излучение обусловлено торможением быстро движущихся электронов электрическим полем атома (ядра и электронов) вещества, через которое они пролетают. Механизм этого излучения можно объяснить тем, что любой движущийся заряд представляет собой ток, вокруг которого создается магнитное поле, индукция (В) которого зависит от скорости электрона. При торможении уменьшается магнитная индукция и, в соответствии с теорией Максвелла, появляется электромагнитная волна.

При торможении электронов лишь часть энергии идет на создание фотона рентгеновского излучения, другая часть расходуется на нагревание анода. Частота (длина волны) фотона зависит от начальной кинетической энергии электрона и интенсивности его торможения. Причем даже если начальная кинетическая энергия одинакова, то в веществе условия торможения будут различны, поэтому и излучаемые фотоны будут иметь самую разнообразную энергию, а, следовательно, и длину волны, т.е. спектр рентгеновского излучения будет сплошным. На рис.1 показан спектр тормозного рентгеновского излу чения при различных напряжениях U₁<U₂<U₃, где Е - энергия фотона тормозного рентгеновского излучения. В каждом из спектров наиболее коротковолновое излучение возникает, когда вся энергия, приобретенная электроном в ускоряющем поле, полностью переходит в энергию фотона:

.

Если U выразить в киловольтах и учесть соотношение между другими величинами, то формула имеет вид: l_к = 1,24/U (нм) или l_к=1,24/U (Å) (1Å = 10^{-10 м).}

Из приведенных выше графиков можно установить, что длина волны l_m, на которую приходится максимум энергии излучения, находится в постоянном соотношении с граничной длиной волны l_к:

.

Длина волны характеризует энергию фотона, от которой зависит проникающая способность излучения при взаимодействии его с веществом.

Коротковолновое рентгеновское излучение обычно обладает большой проникающей способностью и называется жестким, а длинноволновое – мягким. Как видно из приведенной выше формулы, длина волны, на которую приходится максимум энергии излучения, обратно пропорциональна напряжению между анодом и катодом трубки. Увеличивая напряжение на аноде рентгеновской трубки, изменяют спектральный состав излучения и увеличивают его жесткость.

При изменении напряжения накала (изменяется температура накала катода) изменяется количество электронов, испускаемых катодом в единицу времени, или соответственно сила тока в цепи анода трубки. При этом мощность излучения изменяется пропорционально первой степени силы тока. Спектральный же состав излучения не изменится.

Общий поток (мощность) излучения, распределение энергии по длинам волн, а также граница спектра со стороны коротких длин волн зависит от следующих трех причин: напряжения U, ускоряющего электроны и приложенного между анодом и катодом трубки; количества электронов, участвующих в образовании излучения, т.е. силы тока накала трубки; атомного номера Z вещества анода, в котором происходит торможение электрона.

Поток тормозного рентгеновского излучения вычисляется по формуле: , где ,

Z-порядковый номер атома вещества (атомный номер).

Увеличивая напряжение на рентгеновской трубке, можно заметить на фоне сплошного тормозного рентгеновского излучения появление отдельных линий (линейчатый спектр), что соответствует характеристическому рентгеновскому излучению. Оно возникает при переходе электронов между внутренними оболочками атомов в веществе (оболочки К, L, М). Линейчатый характер спектра характеристического излучения возникает вследствие того, что ускоренные электроны проникают вглубь атомов и из их внутренних слоев выбивают электроны за пределы атома. На свободные места переходят электроны (рис.2) с верхних слоев, в результате чего излучаются фотоны рентгеновского излучения с частотой, соответствующей разности уровней энергии перехода. Линии в спектре характеристического излучения объединяются в серии, соответствующие переходам электронов с более высоким уровнем на уровне К, L, М.

Внешнее воздействие, в результате которого электрон выбивается из внутренних слоев, должно быть достаточно сильным. В отличие от оптических спектров характеристические рентгеновские спектры разных атомов однотипны. Однотипность этих спектров обусловлена тем, что внутренние слои у разных атомов одинаковы и отличаются лишь энергетически, т.к. силовое воздействие со стороны ядра увеличивается по мере возрастания порядкового номера элемента. Это приводит к тому, что характеристические спектры сдвигаются в сторону больших частот с увеличением заряда ядер. Такая зависимость известна как закон Мозли: , где А и В–постоянные; Z-порядковый номер элемента.

Есть еще одно отличие между рентгеновскими и оптическими спектрами. Характеристический спектр атома не зависит от химического соединения, в которое атом входит. Так, например, рентгеновский спектр атома кислорода одинаков для О, О₂, Н₂О, в то время как оптические спектры этих соединений существенно различны. Эта особенность рентгеновских спектров атомов и послужила основанием для названия «характеристические».

Характеристическое излучение возникает всегда, когда имеются в наличии свободные места во внутренних слоях атома независимо от причин, которые его вызвали. Например, оно сопровождает один из видов радиоактивного распада, который заключается в захвате ядром электрона с внутреннего слоя.

 

2. Устройство рентгеновских трубок и простейшего

рентгеновского аппарата.

 

Наиболее распространенным источником рентгеновского излучения является рентгеновская трубка – двухэлектродный вакуумный прибор (рис.3). Она представляет собой стеклянный баллон (p = 10^-6 – 10^{-7 мм. рт. ст.) с двумя электродами – анодом А и катодом К, между которыми создается высокое напряжение. Подогретый катод (К) испускает электроны. Анод А часто называют антикатодом. Он имеет наклонную поверхность для того, чтобы направить возникающее рентгеновское излучение под углом к оси трубки. Анод изготавливается из металла с хорошей теплопроводностью (медь) для отвода тепла, образующегося при ударе электронов. На скошенном торце анода имеется пластинка З из тугоплавкого металла (вольфрам) с высоким атомным номером, называемая зеркалом анода. В отдельных случаях анод специально охлаждают водой или маслом. Для диагностических трубок важна точечность источника рентгеновских лучей, что можно достигнуть, сфокусировав электроны в одном месте анода. Поэтому конструктивно приходится учитывать две противоположные задачи: с одной стороны электроны должны попадать на одно место анода, с другой стороны, чтобы не допускать перегрева, желательно распределение электронов по разным участкам анода. В связи с этим некоторые рентгеновские трубки изготавливаются с вращающимся анодом.}

В трубке любой конструкции электроны, ускоренные напряжением между анодом и катодом, попадают на зеркало анода и проникают вглубь вещества, взаимодействуют с атомами и тормозятся полем атомов. При этом возникает тормозное рентгеновское излучение. Одновременно с тормозным образуется небольшое количество (несколько процентов) характеристического излучения. Только 1-2% электронов, попадающих на анод, вызывают тормозное излучение, а остальная часть – тепловой эффект. Для концентрации электронов катод имеет направляющий колпачок. Часть вольфрамового зеркала, на которую падает основной поток электронов, называется фокусом трубки. От его площади (острота фокуса) зависит ширина пучка излучения.

Для питания трубки требуется два источника: источник высокого напряжения для анодной цепи и низкого (6-8 В) для питания цепи накала. Оба источника должны иметь независимую регулировку. Путем изменения анодного напряжения регулируется жесткость рентгеновского излучения, а изменением накала – ток выходной цепи и, соответственно, мощность излучения.

Принципиальная электрическая схема простейшего рентгеновского аппарата приведена на рис.4. В схеме имеется два трансформатора Тр.1 высокого напряжения и Тр.2 для питания накала. Высокое напряжение на трубке регулируется автотрансформатором Тр.3, подключенным к первичной обмотке трансформатора Тр.1. Переключателем К регулируется число витков обмотки автотрансформатора. В связи с этим изменяется и напряжение вторичной обмотки трансформатора, подаваемое на анод трубки, т.е. регулируется жесткость.

Ток накала трубки регулируется реостатом R, включенным в цепь первичной обмотки трансформатора Тр.2. Ток анодной цепи измеряется миллиамперметром. Подаваемое на электроды трубки напряжение измеряется киловольтметром кV или о величине напряжения в анодной цепи можно судить по положению переключателя К. Величина тока накала, регулируемая реостатом, измеряется амперметром А. В рассматриваемой схеме рентгеновская трубка одновременно выпрямляет высокое переменное напряжение.

Нетрудно заметить, что такая трубка излучает только в один полупериод переменного тока. Следовательно, её мощность будет небольшой. В целях увеличения излучаемой мощности во многих аппаратах используют высоковольтные двухполупериодные рентгеновские выпрямители. Для этой цели используются 4 специальных кенотрона, которые включены по мостовой схеме. В одну диагональ моста включается рентгеновская трубка.

 

3. Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом

(когерентное рассеяние, некогерентное рассеяние, фотоэффект).

При падении рентгеновского излучения на какое-либо тело оно в небольшом количестве отражается от него, а в основном проходит вглубь. В массе тела излучение частично поглощается, частично рассеивается, а частично проходит насквозь. Проходя через тело, фотоны рентгеновского излучения, взаимодействуют в основном с электронами атомов и молекул вещества. Регистрация и использование рентгеновского излучения, а также воздействия его на биологические объекты определяется первичными процессами взаимодействия рентгеновского фотона с электронами. В зависимости от соотношения энергии Е фотона и энергии ионизации А_И имеют место три главных процесса.

а) Когерентное рассеяние.

Рассеяние длинноволнового рентгеновского излучения происходит в основном без изменения длины волны, и его называют когерентным. Взаимодействие фотона с электронами внутренних оболочек, крепко связанных с ядром, изменяет только его направление, не изменяя его энергии, а значит длины волны (рис.5).

Когерентное рассеяние возникает, если энергия фотона меньше энергии ионизации: Е = 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.

б) Некогерентное рассеяние (эффект Комптона).

В 1922 году А. Комптон, наблюдая рассеяние жестких рентгеновских лучей, обнаружил уменьшение проникающей способности рассеянного пучка по сравнению с падающим. Рассеяние рентгеновского излучения с изменением длины волны называется эффектом Комптона. Он возникает при взаимодействии фотона любых энергий со слабо связанными с ядром электронами внешних оболочек атомов (рис.6). Электрон отрывается от атома (такие электроны называются электронами отдачи). Энергия фотона уменьшается (длина волны соответственно увеличивается), а также изменяется направление его движения. Эффект Комптона возникает, если энергия фотона рентгеновского излучения больше энергии ионизации: , . При этом появляются электроны отдачи с кинетической энергией Е_К. Атомы и молекулы становятся ионами. Если Е_К значительна, то электроны могут ионизировать соседние атомы путем соударения, образуя новые (вторичные) электроны.

в) Фотоэффект.

Если энергия фотона hn достаточна для отрыва электрона, то при взаимодействии с атомом фотон поглощается, а электрон отрывается от него. Это явление называется фотоэффектом. Атом ионизируется (фотоиноизация). При этом электрон приобретает кинетическую энергию и, если последняя значительна, то он может ионизировать соседние атомы путем соударения, образуя новые (вторичные) электроны. Если энергия фотона недостаточна для ионизации, то фотоэффект может проявляться в возбуждении атом или молекулы. У некоторых веществ это приводит к последующему излучению фотонов в области видимого излучения (рентгенолюминесценция), а в тканях – к активации молекул и фотохимическим реакциям.

Фотоэффект характерен для фотонов с энергией порядка 0,5-1 МэВ.

Три основных процесса взаимодействия, рассмотренные выше, являются первичными, они приводят к последующим вторичным, третичным и т.д. явлениям. При попадании рентгеновского излучения в вещество может происходить целый ряд процессов, прежде чем энергия рентгеновского фотона превратится в энергию теплового движения.

В результате указанных выше процессов первичный поток рентгеновского излучения ослабляется. Этот процесс подчиняется закону Бугера. Запишем его в виде: Ф =Ф₀е^-mх, где m-линейный коэффициент ослабления, зависящий от природы вещества (главным образом от плотности и атомного номера) и от длины волны излучения (энергия фотона). Его можно представить состоящим из трех слагаемых, соответствующих когерентному рассеянию, некогерентному рассеянию и фотоэффекту: .

Так как линейный коэффициент поглощения зависит от плотности вещества, то предпочитают пользоваться массовым коэффициентом ослабления, который равен отношению линейного коэффициента ослабления к плотности поглотителя и не зависит от плотности вещества . Зависимость потока (интенсивность) рентгеновского излучения от толщины поглощающего фильтра представлена на рис.7 для Н₂О, Al, и Cu. Расчеты показывают, что слой воды толщиной 36 мм, алюминия 15 мм и меди 1,6 мм уменьшают интенсивность рентгеновского излучения в 2 раза. Эту толщину называют толщиной половинного слоя d. Если вещество ослабляет рентгеновское излучение наполовину, то , тогда , или , ; ; . Зная толщину половинного слоя можно всегда определить m. Размерность .

 

4. Использование рентгеновского излучения в медицине

(рентгеноскопия, рентгенография, рентгеновская томография, флюорография, рентгенотерапия).

Одним из наиболее распространенных применений рентгеновского излучения в медицине является просвечивание внутренних органов с диагностической целью – рентгенодиагностика.

Для диагностики используются фотоны с энергией 60-120 кэВ. При этом массовый коэффициент поглощения определяется в основном фотоэффектом. Его значение пропорционально l³ (в чем проявляется большая проникающая способность жесткого излучения) и пропорционально третьей степени номера атомов вещества – поглотителя: , где К–коэффициент пропорциональности.

Тело человека состоит из тканей и органов, имеющих различную поглощающую способность по отношению к рентгеновскому излучению. Поэтому при просвечивании его рентгеновскими лучами получается неоднородное теневое изображение на экране, которое дает картину расположения внутренних органов и тканей. Наиболее плотные поглощающее излучение ткани (сердце, крупные сосуды, кости) видны темными, а мало поглощающие ткани (легкие) – светлыми.

Во многих случаях можно при этом судить об их нормальном или патологическом состоянии. Рентгенодиагностика использует два основных метода: рентгеноскопию (просвечивание) и рентгенографию (снимок). Если исследуемый орган и окружающие его ткани примерно одинаково поглощают поток рентгеновского излучения, то применяют специальные контрастные вещества. Так, например, дают накануне рентгеновского исследования желудка или кишечника кашеобразную массу сульфата бария, в этом случае можно видеть их теневое изображение. При рентгеноскопии и рентгенографии рентгеновское изображение является суммарным изображением всей толщины объекта, через который проходят рентгеновские лучи. Наиболее четко очерчиваются те детали, которые ближе к экрану или пленке, а удаленные становятся нечеткими и размытыми. Если в каком-то органе есть патологически измененный участок, например, разрушение легочной ткани внутри обширного очага воспаления, то в ряде случаев этот участок на рентгенограмме в сумме теней может «потеряться». Чтобы сделать его видимым применяют специальный метод – томографию (послойная запись), которая позволяет получить снимки отдельных слоев изучаемой области. Такого рода послойные снимки–томограммы получают с помощью специального аппарата, называемого томографом, в котором периодически, совместно, в противофазе перемещают рентгеновскую трубку (РТ) и фотопленку (Фп) относительно области исследования. При этом рентгеновские лучи при любом положении РТ будут проходить через одну и ту же точку объекта (измененный участок), являющуюся центром, относительно которого совершается периодическое движение РТ и Фп. Теневое изображение участка будет зафиксировано на пленке. Изменяя положение «центра качания», можно получить послойные изображения объекта. Используя тонкий пучек рентгеновского излучения, специальный экран (вместо Фп) состоящий из полупроводниковых детекторов ионизирующего излучения, можно с помощью ЭВМ обработать изображение при томографии. Такой современный вариант томографии называется компьютерной томографией. Томография широко применяется при исследовании легких, почек, желчного пузыря, желудка, костей и т.д.

Яркость изображения на экране и время экспозиции на фотопленке зависит от интенсивности рентгеновского излучения. При использовании его для диагностики интенсивность не может быть большой, чтобы не вызвать нежелательного биологического эффекта. Поэтому имеется ряд технических приспособлений, улучающих яркость изображения при малых интенсивностях рентгеновского излучения. Одним из таких приспособлений является электронно-оптический преобразователь.

Другой пример – флюорография, при котором на чувствительной малоформатной пленке получается изображение с большого рентгенолюминесцирующего экрана. При съемке используют линзу большой светосилы, готовые снимки рассматривают на специальном увеличителе.

Флюорография сочетает в себе большую возможность обнаружения скрытно протекающих заболеваний (заболевания органов грудной клетки, желудочно-кишечного тракта, придаточных пазух носа и т.д.) со значительной пропускной способностью, в связи с чем является весьма эффективным методом массового (поточного) исследования.

Поскольку фотографирование рентгеновского изображения при флюорографии производится с помощью фотографической оптики, изображение на флюорограмме по сравнению с рентгеновским является уменьшенным. В связи с этим разрешающая способность флюорограммы (т.е. различимость мелких деталей) меньше, чем обычной рентгенограммы, однако, больше, чем при рентгеноскопии.

Сконструирован аппарат – томофлюорограф, позволяющий получать флюорограммы частей тела и отдельных органов на заданной глубине – так называемые послойные снимки (срезы) – томофлюорограммы.

Рентгеновское излучение используется также и для лечебных целей (рентгенотерапия). Биологическое действие излучения заключается в нарушении жизнедеятельности клеток, особенно быстро развивающихся. В связи с этим рентгенотерапия применяется для воздействия на злокачественные опухоли. Можно подобрать дозу излучения достаточную для полного разрушения опухоли при относительно незначительном повреждении окружающих здоровых тканей, которые вследствие последующей регенерации восстанавливаются.

ЛЕКЦИЯ №27