Prelegere cu raze X. Radiații cu raze X caracteristice: descriere, acțiune, caracteristici Cum să obțineți radiații cu raze X
Razele X au fost descoperite accidental în 1895 de celebrul fizician german Wilhelm Roentgen. El a studiat razele catodice într-un tub cu descărcare în gaz de joasă presiune, cu o tensiune mare între electrozi. Deși tubul era într-o cutie neagră, Roentgen a observat că un ecran fluorescent, care se întâmpla să fie în apropiere, strălucea de fiecare dată când tubul era în funcțiune. Tubul s-a dovedit a fi o sursă de radiații care putea pătrunde hârtie, lemn, sticlă și chiar o placă de aluminiu cu o grosime de jumătate de centimetru.
Raze X au determinat că tubul de descărcare a gazului este o sursă a unui nou tip de radiație invizibilă cu o putere mare de penetrare. Omul de știință nu a putut determina dacă această radiație era un flux de particule sau unde și a decis să-i dea numele de raze X. Mai târziu au fost numite raze X.
Acum se știe că razele X sunt o formă de radiație electromagnetică cu o lungime de undă mai scurtă decât ultravioletele. undele electromagnetice. Lungimea de undă a razelor X variază de la 70 nm până la 10 -5 nm. Cu cât lungimea de undă a razelor X este mai mică, cu atât energia fotonilor acestora este mai mare și puterea de penetrare este mai mare. Raze X cu o lungime de undă relativ mare (mai mult de 10 nm), sunt numite moale. Lungime de undă 1 - 10 nm caracterizează greu raze X. Au o mare putere de penetrare.
Obținerea cu raze X
Razele X sunt produse atunci când electronii rapizi sau razele catodice se ciocnesc de pereții sau anodul unui tub cu descărcare de joasă presiune. Un tub modern de raze X este un recipient de sticlă evacuat cu un catod și un anod situat în el. Diferența de potențial dintre catod și anod (anticatod) ajunge la câteva sute de kilovolți. Catodul este un filament de wolfram încălzit de un curent electric. Acest lucru duce la emisia de electroni de către catod ca rezultat al emisiei termoionice. Electronii sunt accelerați de un câmp electric într-un tub cu raze X. Deoarece există un număr foarte mic de molecule de gaz în tub, electronii practic nu își pierd energia în drumul lor către anod. Ele ajung la anod cu foarte de mare viteză.
Razele X sunt întotdeauna produse atunci când electronii de mare viteză sunt întârziați de materialul anodului. Cea mai mare parte a energiei electronilor este disipată sub formă de căldură. Prin urmare, anodul trebuie răcit artificial. Anodul din tubul cu raze X trebuie să fie realizat dintr-un metal cu un punct de topire ridicat, cum ar fi wolfram.
O parte din energia care nu este disipată sub formă de căldură este convertită în energie unde electromagnetice (raze X). Astfel, razele X sunt rezultatul bombardării cu electroni a materialului anodic. Există două tipuri de raze X: bremsstrahlung și caracteristice.
Bremsstrahlung radiografie
frână raze X apare atunci când electronii care se mișcă cu viteză mare sunt încetiniți, câmpuri electrice atomi de anod. Condițiile de decelerare ale electronilor individuali nu sunt aceleași. Ca rezultat, diferite părți ale energiei lor cinetice trec în energia razelor X.
Spectrul bremsstrahlung este independent de natura materialului anodului. După cum știți, energia fotonilor cu raze X determină frecvența și lungimea de undă a acestora. Prin urmare, razele X bremsstrahlung nu sunt monocromatice. Se caracterizează printr-o varietate de lungimi de undă care pot fi reprezentate spectru continuu (continuu).
Razele X nu pot avea mai multă energie decât energie kinetică electronii care le formează. Cea mai scurtă lungime de undă de raze X corespunde energiei cinetice maxime a electronilor în decelerare. Cu cât este mai mare diferența de potențial în tubul cu raze X, cu atât se pot obține lungimi de undă mai mici.
Raze X caracteristice
Radiația caracteristică cu raze X nu este continuă, dar spectrul de linii. Acest tip de radiație apare atunci când un electron rapid, la atingerea anodului, intră în orbitalii interiori ai atomilor și elimină unul dintre electronii acestora. Ca urmare, apare un spațiu liber, care poate fi umplut de un alt electron care coboară de pe unul dintre orbitalii atomici superiori. Această tranziție a unui electron de la un nivel de energie mai înalt la un nivel inferior determină raze X cu o anumită lungime de undă discretă. Prin urmare, radiația caracteristică cu raze X are spectrul de linii. Frecvența liniilor de radiație caracteristice depinde în întregime de structura orbitalilor electronilor atomilor anodici.
Liniile spectrale ale radiației caracteristice ale diferitelor elemente chimice au aceeași formă, deoarece structura orbitelor lor interne de electroni este identică. Dar lungimea și frecvența lor de undă se datorează diferențelor de energie dintre orbitalii interiori ai atomilor grei și ușori.
Frecvența liniilor spectrului caracteristic de raze X se modifică în funcție de numărul atomic al metalului și este determinată de ecuația Moseley: v 1/2 = A(Z-B), Unde Z- numar atomic element chimic, AȘi B- constante.
Mecanisme fizice primare de interacțiune a razelor X cu materia
Interacțiunea primară dintre razele X și materie este caracterizată de trei mecanisme:
1. Imprăștire coerentă. Această formă de interacțiune apare atunci când fotonii cu raze X au mai puțină energie decât energia de legare a electronilor la nucleul unui atom. În acest caz, energia fotonului nu este suficientă pentru a elibera electroni din atomii materiei. Fotonul nu este absorbit de atom, ci schimbă direcția de propagare. În acest caz, lungimea de undă a radiației X rămâne neschimbată.
2. Efect fotoelectric (efect fotoelectric). Când un foton cu raze X ajunge la un atom de materie, poate elimina unul dintre electroni. Acest lucru se întâmplă atunci când energia fotonului depășește energia de legare a electronului cu nucleul. În acest caz, fotonul este absorbit, iar electronul este eliberat din atom. Dacă un foton transportă mai multă energie decât este necesară pentru a elibera un electron, acesta va transfera energia rămasă electronului eliberat sub formă de energie cinetică. Acest fenomen, numit efect fotoelectric, apare atunci când sunt absorbite razele X cu energie relativ scăzută.
Un atom care își pierde unul dintre electroni devine un ion pozitiv. Durata de viață a electronilor liberi este foarte scurtă. Sunt absorbiți de atomi neutri, care se transformă în ioni negativi. Rezultatul efectului fotoelectric este ionizarea intensă a materiei.
Dacă energia unui foton cu raze X este mai mică decât energia de ionizare a atomilor, atunci atomii intră într-o stare excitată, dar nu sunt ionizați.
3. Imprăștire incoerentă (efect Compton). Acest efect a fost descoperit de fizicianul american Compton. Apare atunci când o substanță absoarbe raze X de lungime de undă mică. Energia fotonică a unor astfel de raze X este întotdeauna mai mare decât energia de ionizare a atomilor substanței. Efectul Compton este rezultatul interacțiunii unui foton de raze X de înaltă energie cu unul dintre electronii din învelișul exterior al unui atom, care are o legătură relativ slabă cu nucleul atomic.
Un foton de înaltă energie transferă o parte din energia sa către electron. Electronul excitat este eliberat din atom. Restul energiei fotonului original este emisă ca un foton cu raze X cu o lungime de undă mai mare la un anumit unghi față de direcția fotonului primar. Un foton secundar poate ioniza un alt atom și așa mai departe. Aceste modificări ale direcției și lungimii de undă a razelor X sunt cunoscute ca efect Compton.
Unele efecte ale interacțiunii razelor X cu materia
După cum am menționat mai sus, razele X sunt capabile să excite atomii și moleculele materiei. Acest lucru poate cauza fluorescența anumitor substanțe (de exemplu sulfat de zinc). Dacă un fascicul paralel de raze X este îndreptat către obiecte opace, atunci se poate observa că razele trec prin obiect prin plasarea unui ecran acoperit cu o substanță fluorescentă.
Ecranul fluorescent poate fi înlocuit cu folie fotografică. Razele X au același efect asupra emulsiei fotografice ca și lumina. Ambele metode sunt utilizate în medicina practică.
Un alt efect important al razelor X este capacitatea lor de ionizare. Depinde de lungimea de undă și de energia lor. Acest efect oferă o metodă de măsurare a intensității razelor X. Când razele X trec prin camera de ionizare, se generează un curent electric, a cărui mărime este proporțională cu intensitatea razelor X.
Absorbția razelor X de către materie
Când razele X trec prin materie, energia lor scade din cauza absorbției și împrăștierii. Scăderea intensității unui fascicul paralel de raze X care trece printr-o substanță este determinată de legea lui Bouguer: I = I0 e -μd, Unde eu 0- intensitatea inițială a radiațiilor X; eu este intensitatea razelor X care trec prin stratul de materie, d- grosimea stratului absorbant , μ - coeficient liniar de atenuare. Este egală cu suma a două mărimi: t- coeficientul de absorbţie liniar şi σ - coeficient de împrăștiere liniar: μ = τ+ σ
În experimente, s-a descoperit că coeficientul de absorbție liniar depinde de numărul atomic al substanței și de lungimea de undă a razelor X:
τ = kρZ 3 λ 3, Unde k- coeficient de proporționalitate directă, ρ - densitatea substanței, Z este numărul atomic al elementului, λ este lungimea de undă a razelor X.
Dependența de Z este foarte importantă din punct de vedere practic. De exemplu, coeficientul de absorbție al oaselor, care sunt compuse din fosfat de calciu, este de aproape 150 de ori mai mare decât coeficientul de absorbție al țesuturilor moi ( Z=20 pentru calciu și Z=15 pentru fosfor). Când razele X trec prin corpul uman, oasele ies în evidență clar pe fundalul mușchilor, țesut conjunctiv etc.
Se știe că organele digestive au același coeficient de absorbție ca și alte țesuturi moi. Dar umbra esofagului, stomacului și intestinelor poate fi distinsă dacă pacientul ingerează un agent de contrast - sulfat de bariu ( Z= 56 pentru bariu). Sulfatul de bariu este foarte opac la raze X și este adesea folosit pentru examinările cu raze X ale tractului gastrointestinal. Anumite amestecuri opace sunt injectate în fluxul sanguin pentru a examina starea vaselor de sânge, a rinichilor și altele asemenea. În acest caz, iodul este folosit ca agent de contrast, al cărui număr atomic este 53.
Dependența absorbției de raze X de Z folosit și pentru a proteja împotriva posibilelor efecte nocive ale razelor X. În acest scop, se utilizează plumb, valoarea Z pentru care este 82.
Utilizarea razelor X în medicină
Motivul pentru utilizarea razelor X în diagnosticare a fost puterea lor mare de penetrare, una dintre principalele Proprietăți de raze X. În primele zile ale descoperirii, razele X au fost folosite în principal pentru a examina fracturile osoase și pentru a localiza corpuri străine (cum ar fi gloanțe) în corpul uman. În prezent, se folosesc mai multe metode de diagnosticare cu raze X (diagnosticare cu raze X).
Fluoroscopie . Un dispozitiv de raze X constă dintr-o sursă de raze X (tub de raze X) și un ecran fluorescent. După ce razele X trec prin corpul pacientului, medicul observă o imagine în umbră a pacientului. O fereastră de plumb trebuie instalată între ecran și ochii medicului pentru a-l proteja de efectele nocive ale razelor X. Această metodă face posibilă studierea stării funcționale a unor organe. De exemplu, un medic poate observa direct mișcările plămânilor, trecerea unui agent de contrast prin tractul gastrointestinal. Dezavantajele acestei metode sunt imaginile de contrast insuficiente și dozele relativ mari de radiații primite de pacient în timpul procedurii.
Fluorografie . Această metodă constă în realizarea unei fotografii a unei părți a corpului pacientului. Utilizat de obicei pentru examinarea preliminară a stării organe interne pacienţii cu doze mici de raze X.
Radiografie. (radiografie cu raze X). Aceasta este o metodă de cercetare folosind raze X, în timpul căreia imaginea este înregistrată pe film fotografic. Fotografiile sunt realizate de obicei în două planuri perpendiculare. Această metodă are câteva avantaje. Fotografiile cu raze X conțin mai multe detalii decât o imagine pe un ecran fluorescent și, prin urmare, sunt mai informative. Ele pot fi salvate pentru analize ulterioare. Doza totală de radiație este mai mică decât cea utilizată în fluoroscopie.
Tomografia computerizată cu raze X . Scanerul tomografic axial computerizat este cel mai modern dispozitiv de diagnosticare cu raze X care vă permite să obțineți o imagine clară a oricărei părți a corpului uman, inclusiv a țesuturilor moi ale organelor.
Prima generație de scanere pentru tomografie computerizată (CT) include un tub special de raze X care este atașat la un cadru cilindric. Un fascicul subțire de raze X este îndreptat spre pacient. Două detectoare de raze X atașate la partea opusă rame. Pacientul se află în centrul cadrului, care se poate roti cu 180 0 în jurul corpului său.
Un fascicul de raze X trece printr-un obiect staționar. Detectoarele primesc și înregistrează valorile de absorbție ale diferitelor țesuturi. Înregistrările sunt făcute de 160 de ori în timp ce tubul cu raze X se mișcă liniar de-a lungul planului scanat. Apoi cadrul este rotit cu 1 0 și procedura se repetă. Înregistrarea continuă până când cadrul se rotește cu 180 0 . Fiecare detector înregistrează 28800 de cadre (180x160) în timpul studiului. Informațiile sunt procesate de un computer, iar o imagine a stratului selectat este formată prin intermediul unui program special de calculator.
A doua generație de CT utilizează mai multe fascicule de raze X și până la 30 de detectoare de raze X. Acest lucru face posibilă accelerarea procesului de cercetare cu până la 18 secunde.
A treia generație de CT folosește un nou principiu. Un fascicul de raze X larg, în formă de evantai, acoperă obiectul studiat, iar radiația de raze X care a trecut prin corp este înregistrată de câteva sute de detectoare. Timpul necesar cercetării se reduce la 5-6 secunde.
CT are multe avantaje față de metodele anterioare de diagnosticare cu raze X. Este caracterizat Rezoluție înaltă, ceea ce face posibilă distingerea modificărilor subtile ale țesuturilor moi. CT permite detectarea unor astfel de procese patologice care nu pot fi detectate prin alte metode. În plus, utilizarea CT face posibilă reducerea dozei de radiații cu raze X primite de pacienți în timpul procesului de diagnosticare.
Razele X sunt unde electromagnetice cu o lungime de undă de aproximativ 80 până la 10 -5 nm. Radiația de raze X cu cea mai mare lungime de undă este acoperită de ultraviolete cu lungime de undă scurtă, cea cu lungime de undă scurtă - de radiația γ cu lungime de undă lungă. Conform metodei de excitare, radiația cu raze X este împărțită în bremsstrahlung și caracteristică.
31.1. DISPOZITIV DE TUB DE RAZE X. Bremsstrahlung X-RAY
Cea mai comună sursă de raze X este tubul de raze X, care este un dispozitiv de vid cu doi electrozi (Fig. 31.1). Catod incalzit 1 emite electroni 4. Anodul 2, adesea denumit anticatod, are o suprafață înclinată pentru a dirija razele X rezultate. 3 în unghi faţă de axa tubului. Anodul este realizat dintr-un material foarte conductor de căldură pentru a elimina căldura generată de impactul electronilor. Suprafața anodului este realizată din materiale refractare având un număr atomic mare în tabelul periodic, cum ar fi wolfram. 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 loc al anticatodului. 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. Ca una dintre soluțiile tehnice interesante este un tub cu raze X cu un anod rotativ (Fig. 31.2).
Ca rezultat al decelerației unui electron (sau a unei alte particule încărcate) de către un câmp electrostatic nucleul atomic iar electronii atomici ai substanţei anti-catodului iau naştere radiația bremsstrahlung.
Mecanismul său poate fi explicat după cum urmează. O sarcină electrică în mișcare este asociată cu un câmp magnetic, a cărui inducție depinde de viteza electronului. La frânare, magnetic
inducție și, în conformitate cu teoria 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. Deoarece raportul dintre aceste părți este aleatoriu, atunci când frânați un numar mare electronii formează un spectru continuu de raze X. În acest sens, bremsstrahlung se mai numește și continuu. Pe fig. 31.3 arată dependența fluxului de raze X de lungimea de undă λ (spectre) la diferite tensiuni în tubul de raze X: U 1< U 2 < U 3 .
În fiecare dintre spectre, cea mai scurtă lungime de undă bremsstrahlung λ ηίη apare atunci când energia dobândită de un electron într-un câmp accelerator este complet convertită în energia unui foton:
Rețineți că pe baza (31.2) a fost dezvoltată una dintre cele mai precise metode pentru determinarea experimentală a constantei lui Planck.
Razele X cu lungime de undă scurtă au de obicei o putere de penetrare mai mare decât cele cu lungime de undă lungă și sunt numite greu,și unde lungă moale.
Prin creșterea tensiunii pe tubul cu raze X, compoziția spectrală a radiației este modificată, așa cum se poate observa din Fig. 31.3 și formulele (31.3) și crește rigiditatea.
Dacă temperatura filamentului catodului crește, atunci emisia de electroni și curentul din tub vor crește. Acest lucru va crește numărul de fotoni de raze X emiși în fiecare secundă. Compoziția sa spectrală nu se va schimba. Pe fig. 31.4 prezintă spectrele de raze X bremsstrahlung la aceeași tensiune, dar la curenți de filament catodic diferiți: / n1< / н2 .
Fluxul de raze X se calculează cu formula:
Unde UȘi eu- tensiune și curent în tubul cu raze X; Z- numărul de serie al unui atom al substanței anodice; k- coeficient de proporţionalitate. Spectre obţinute din diferiţi anticatozi în acelaşi timp Uși I H sunt prezentate în fig. 31.5.
31.2. RADIAȚII RX CARACTERISTICE. SPECTRE DE RAZE X ATOMICE
Prin creșterea tensiunii pe tubul cu raze X, se poate observa aspectul unei linii, care corespunde
raze X caracteristice(Fig. 31.6). Ea apare din cauza faptului că electronii accelerați pătrund adânc în atom și în afară straturi interioare elimina electronii. Electronii de la nivelurile superioare se deplasează în locuri libere (Fig. 31.7), ca urmare, sunt emiși fotoni de radiații caracteristice. După cum se poate observa din figură, radiația caracteristică de raze X este formată din serii K, L, M etc., al cărui nume servea la desemnarea straturilor electronice. Deoarece emisia seriei K eliberează spațiu în straturile superioare, liniile altor serii sunt emise simultan.
Spre deosebire de spectrele optice, spectrele de raze X caracteristice ale diferiților atomi sunt de același tip. Pe fig. 31.8 prezintă spectrele diferitelor elemente. Uniformitatea acestor spectre se datorează faptului că straturile interioare ale diferiților atomi sunt aceleași și diferă doar energetic, deoarece efectul de forță din nucleu crește odată cu creșterea numărului ordinal al elementului. Această împrejurare duce la faptul că spectrele caracteristice se deplasează către frecvențe mai mari odată cu creșterea sarcinii nucleare. Acest model este vizibil din Fig. 31.8 și cunoscut ca Legea lui Moseley:
Unde v- frecvența liniei spectrale; Z- numărul atomic al elementului emițător; DARȘi ÎN- permanentă.
Există o altă diferență între spectrele optice și cele cu raze X.
Spectrul caracteristic de raze X al unui atom nu depinde de component chimic căruia îi aparține acest atom. De exemplu, spectrul de raze X al atomului de oxigen este același pentru O, O 2 și H 2 O, în timp ce spectrele optice ale acestor compuși sunt semnificativ diferite. Această caracteristică a spectrului de raze X al atomului a stat la baza numelui caracteristică.
Radiația caracteristică apare întotdeauna atunci când există spațiu liber în straturile interioare ale unui atom, indiferent de motivul care a provocat-o. Deci, de exemplu, radiația caracteristică însoțește unul dintre tipurile de dezintegrare radioactivă (vezi 32.1), care constă în captarea unui electron din stratul interior de către nucleu.
31.3. INTERACȚIA RADIAȚIILOR X CU SUBSTANȚA
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 atomilor și moleculelor unei substanțe.
În funcție de raportul de energie hv fotonii și energia de ionizare 1 A și există trei procese principale.
Imprăștire coerentă (clasică).
Difuzarea razelor X cu lungime de undă lungă are loc în principal fără modificarea lungimii de undă și se numește coerent. Apare atunci când energia unui foton mai putina energie ionizare: hv< A și.
Deoarece în acest caz energia fotonului de raze X și a atomului nu se modifică, împrăștierea coerentă în sine nu provoacă un efect biologic. Cu toate acestea, atunci când se creează protecție împotriva radiațiilor cu raze X, ar trebui să se țină cont de posibilitatea de a schimba direcția fasciculului primar. Acest tip de interacțiune este important pentru analiza difracției de raze X (vezi 24.7).
Imprăștire incoerentă (efect Compton)
În 1922 A.Kh. Compton, observând împrăștierea razelor X dure, a descoperit o scădere a puterii de penetrare a fasciculului împrăștiat în comparație cu fasciculul incident. Aceasta însemna că lungimea de undă a razelor X împrăștiate a fost mai mare decât cea a razelor X incidente. Se numește împrăștierea razelor X cu o modificare a lungimii de undă incoerent nym, și fenomenul în sine - efectul Compton. Apare dacă energia fotonului cu raze X este mai mare decât energia de ionizare: hv > A și.
Acest fenomen se datorează faptului că atunci când interacționează cu un atom, energia hv fotonul este cheltuit pentru producerea unui nou foton împrăștiat cu raze X cu energie hv", a detașa un electron dintr-un atom (energia de ionizare A u) și a da energie cinetică electronului E la:
hv \u003d hv " + A și + E k.(31.6)
1 Aici, energia de ionizare este înțeleasă ca energia necesară pentru a îndepărta electronii interni dintr-un atom sau moleculă.
Deoarece în multe cazuri hv>> A și și efectul Compton are loc pe electronii liberi, atunci putem scrie aproximativ:
hv = hv"+ E K .(31.7)
Este semnificativ faptul că în acest fenomen (Fig. 31.9), alături de radiația secundară de raze X (energie hv" foton) apar electroni de recul (energie cinetică E la electron). Atomii sau moleculele devin apoi ioni.
efect fotoelectric
În efectul fotoelectric, radiația de raze X este absorbită de un atom, în urma căruia un electron zboară, iar atomul este ionizat (fotoionizare).
Cele trei procese principale de interacțiune discutate mai sus sunt primare, ele conduc la secundar, terțiar etc. fenomene. De exemplu, atomii ionizați pot emite un spectru caracteristic, atomii excitați pot deveni surse de lumină vizibilă (luminescență cu raze X), etc.
Pe fig. 31.10 este o diagramă a proceselor posibile care au loc atunci când radiația de raze X intră într-o substanță. Mai multe zeci de procese similare cu cel prezentat pot avea loc înainte ca energia fotonului cu raze X să fie convertită în energia mișcării termice moleculare. Ca urmare, vor exista modificări în compoziția moleculară a substanței.
Procesele reprezentate de diagrama din fig. 31.10, stau la baza fenomenelor observate sub actiunea razelor X asupra materiei. Să enumerăm câteva dintre ele.
Luminescență cu raze X- strălucirea unui număr de substanțe sub iradiere cu raze X. O astfel de strălucire de bariu platină-cianogen i-a permis lui Roentgen să descopere razele. Acest fenomen este folosit pentru a crea ecrane luminoase speciale în scopul observării vizuale a razelor X, uneori pentru a spori acțiunea razelor X pe o placă fotografică.
Acțiunea chimică a radiațiilor X este cunoscută, de exemplu, formarea peroxidului de hidrogen în apă. Un exemplu practic important este efectul pe o placă fotografică, care face posibilă detectarea unor astfel de raze.
Efectul ionizant se manifestă printr-o creștere a conductibilității electrice sub influența razelor X. Această proprietate este utilizată
în dozimetrie pentru a cuantifica efectul acestui tip de radiaţii.
Ca urmare a multor procese, fasciculul primar de raze X este slăbit în conformitate cu legea (29.3). Să o scriem sub forma:
I = I0 e-/", (31.8)
Unde μ - coeficient liniar de atenuare. Poate fi reprezentat ca fiind alcătuit din trei termeni corespunzători împrăștierii coerente μ κ , incoerente μ ΗΚ și fotoefectului μ f:
μ = μ k + μ hk + μ f. (31,9)
Intensitatea radiației cu raze X este atenuată proporțional cu numărul de atomi ai substanței prin care trece acest flux. Dacă comprimăm materia de-a lungul axei X, de exemplu, în b ori prin creştere b ori densitatea sa, atunci
31.4. FUNDAMENTELE FIZICE ALE APLICĂRII RADIAȚIILOR X ÎN MEDICINĂ
Una dintre cele mai importante aplicații medicale ale razelor X este transiluminarea organelor interne în scopuri de diagnostic. (diagnosticare cu raze X).
Pentru diagnosticare se folosesc fotoni cu o energie de aproximativ 60-120 keV. La această energie, coeficientul de extincție în masă este determinat în principal de efectul fotoelectric. Valoarea sa este invers proporțională cu puterea a treia a energiei fotonului (proporțional cu λ 3), care manifestă o putere mare de penetrare a radiației dure, și proporțională cu puterea a treia a numărului atomic al substanței absorbante:
O diferență semnificativă în absorbția radiațiilor X de către diferite țesuturi vă permite să vedeți imagini ale organelor interne ale corpului uman într-o proiecție în umbră.
Diagnosticarea cu raze X este utilizată în două versiuni: fluoroscopie imaginea este vizualizată pe un ecran luminescent cu raze X, radiografie - imaginea este fixată pe film.
Dacă organul studiat și țesuturile din jur atenuează razele X aproximativ în mod egal, atunci se folosesc agenți de contrast speciali. Deci, de exemplu, umplând stomacul și intestinele cu o masă moale de sulfat de bariu, se poate vedea imaginea lor în umbră.
Luminozitatea imaginii de pe ecran și timpul de expunere pe film depind de intensitatea razelor X. Dacă este utilizat pentru diagnostic, atunci intensitatea nu poate fi mare, pentru a nu provoca consecințe biologice nedorite. Prin urmare, există o serie de dispozitive tehnice care îmbunătățesc imaginea la intensități scăzute de raze X. Un exemplu de astfel de dispozitiv sunt tuburile intensificatoare (vezi 27.8). Într-o examinare în masă a populației, o variantă de radiografie este utilizată pe scară largă - fluorografia, în care o imagine de pe un ecran mare luminescent cu raze X este înregistrată pe un film sensibil de format mic. La fotografiere, se folosește un obiectiv cu deschidere mare, imaginile finite sunt examinate cu o lupă specială.
O opțiune interesantă și promițătoare pentru radiografie este o metodă numită tomografie cu raze X, și „versiunea sa de mașină” - scanare CT.
Să luăm în considerare această întrebare.
O radiografie simplă acoperă o zonă mare a corpului, cu diverse organe și țesuturi umbrindu-se unele pe altele. Puteți evita acest lucru dacă mutați periodic tubul cu raze X împreună (Fig. 31.11) în antifază RTși film Fp relativ la obiect Despre cercetare. Corpul conține o serie de incluziuni care sunt opace la razele X; acestea sunt prezentate prin cercuri în figură. După cum puteți vedea, razele X în orice poziție a tubului de raze X (1, 2 etc.) trece prin
tăierea aceluiași punct al obiectului, care este centrul, față de care se realizează mișcarea periodică RTȘi Fp. Acest punct, mai precis o mică incluziune opac, este arătat de un cerc întunecat. Imaginea lui în umbră se mișcă cu fp, ocupând succesiv pozițiile 1, 2 etc. Incluziunile rămase în corp (oase, sigilii etc.) creează pe Fp un fundal general, deoarece razele X nu sunt permanent ascunse de acestea. Prin schimbarea poziției centrului de balansare, este posibilă obținerea unei imagini cu raze X strat cu strat a corpului. De aici și numele - tomografie(înregistrare stratificată).
Este posibil, folosind un fascicul subțire de raze X, să ecranați (în loc de Fp), constând din detectoare semiconductoare de radiații ionizante (vezi 32.5) și un computer, pentru a procesa imaginea cu raze X în umbră în tomografie. Această versiune modernă a tomografiei (tomografie computerizată sau computerizată cu raze X) vă permite să obțineți imagini stratificate ale corpului pe ecranul unui tub catodic sau pe hârtie cu detalii mai mici de 2 mm cu o diferență în absorbția de raze X de până la 0,1%. Acest lucru permite, de exemplu, să se facă distincția între substanța cenușie și cea albă a creierului și să se vadă formațiuni tumorale foarte mici.
În 1895, fizicianul german W. Roentgen a descoperit un nou tip de radiație electromagnetică, necunoscută anterior, care a fost numită cu raze X în onoarea descoperitorului său. W. Roentgen a devenit autorul descoperirii sale la vârsta de 50 de ani, deținând postul de rector al Universității din Würzburg și având o reputație de unul dintre cei mai buni experimentatori ai timpului său. Unul dintre primii care a găsit o aplicație tehnică pentru descoperirea lui Roentgen a fost americanul Edison. A creat un aparat demonstrativ la îndemână și deja în mai 1896 a organizat o expoziție de raze X la New York, unde vizitatorii își puteau privi propria mână pe un ecran luminos. După ce asistentul lui Edison a murit din cauza arsurilor grave pe care le-a primit în urma demonstrațiilor constante, inventatorul a oprit experimentele ulterioare cu raze X.
Radiațiile cu raze X au început să fie folosite în medicină datorită puterii sale mari de penetrare. Inițial, razele X au fost folosite pentru a examina fracturile osoase și pentru a localiza corpuri străine în corpul uman. În prezent, există mai multe metode bazate pe raze X. Dar aceste metode au dezavantajele lor: radiațiile pot provoca leziuni profunde ale pielii. Ulcerele care apar adesea s-au transformat în cancer. În multe cazuri, degetele sau mâinile au trebuit amputate. Fluoroscopie(sinonim cu translucidența) este una dintre principalele metode de examinare cu raze X, care constă în obținerea unei imagini pozitive plane a obiectului studiat pe un ecran translucid (fluorescent). În timpul fluoroscopiei, subiectul se află între un ecran translucid și un tub cu raze X. Pe ecranele moderne translucide cu raze X, imaginea apare în momentul în care tubul cu raze X este pornit și dispare imediat după ce este oprit. Fluoroscopia face posibilă studierea funcției organului - pulsația inimii, mișcările respiratorii ale coastelor, plămânilor, diafragmei, peristaltismul tractului digestiv etc. Fluoroscopia este utilizată în tratamentul bolilor stomacului, tractului gastrointestinal, duodenului, afecțiunilor ficatului, vezicii biliare și ale tractului biliar. În același timp, sonda medicală și manipulatoarele sunt introduse fără deteriorarea țesuturilor, iar acțiunile din timpul operației sunt controlate prin fluoroscopie și sunt vizibile pe monitor.
radiografie - metodă de diagnosticare cu raze X cu înregistrarea unei imagini fixe pe un material fotosensibil - specială. folie fotografică (film cu raze X) sau hârtie fotografică cu prelucrare ulterioară a fotografiilor; Cu radiografia digitală, imaginea este fixată în memoria computerului. Se efectuează pe aparate de diagnostic cu raze X - staționare, instalate în săli de radiografie special echipate, sau mobile și portabile - la patul pacientului sau în sala de operație. Pe radiografii, elementele structurilor diferitelor organe sunt afișate mult mai clar decât pe un ecran fluorescent. Radiografia este efectuată în scopul depistarii și prevenirii diferitelor boli, scopul său principal este de a ajuta medicii de diferite specialități în mod corect și rapid să pună un diagnostic. O imagine cu raze X surprinde starea unui organ sau a unui țesut numai în momentul expunerii. Cu toate acestea, o singură radiografie surprinde doar modificări anatomice în anumit moment, dă statica procesului; printr-o serie de radiografii efectuate la anumite intervale se poate studia dinamica procesului, adica modificari functionale. Tomografie. Cuvântul tomografie poate fi tradus din greacă ca felie imagine. Aceasta înseamnă că scopul tomografiei este obținerea unei imagini stratificate. structura interna obiect de studiu. Tomografia computerizată se caracterizează prin rezoluție înaltă, ceea ce face posibilă distingerea modificărilor subtile ale țesuturilor moi. CT permite detectarea unor astfel de procese patologice care nu pot fi detectate prin alte metode. În plus, utilizarea CT face posibilă reducerea dozei de radiații cu raze X primite de pacienți în timpul procesului de diagnosticare.
Fluorografie- o metodă de diagnosticare care vă permite să obțineți o imagine a organelor și țesuturilor, a fost dezvoltată la sfârșitul secolului al XX-lea, la un an după ce au fost descoperite razele X. În imagini se pot observa scleroză, fibroză, obiecte străine, neoplasme, inflamații care au un grad dezvoltat, prezența gazelor și infiltrate în cavități, abcese, chisturi etc. Cea mai comună fluoroscopia cufăr, care permite detectarea tuberculozei, a unei tumori maligne în plămâni sau în piept și a altor patologii.
Terapia cu raze X- Aceasta este o metodă modernă prin care se efectuează tratamentul anumitor patologii ale articulațiilor. Principalele direcții de tratare a bolilor ortopedice prin această metodă sunt: cronice. Procese inflamatorii ale articulațiilor (artrita, poliartrita); Degenerative (osteoartrita, osteocondroza, spondiloza deformanta). Scopul radioterapiei este inhibarea activității vitale a celulelor țesuturilor alterate patologic sau distrugerea completă a acestora. În bolile non-tumorale, terapia cu raze X are ca scop suprimarea reacției inflamatorii, inhibarea proceselor proliferative, reducerea sensibilității la durere și a activității secretoare a glandelor. Trebuie avut în vedere faptul că glandele sexuale, organele hematopoietice, leucocitele și celulele tumorale maligne sunt cele mai sensibile la razele X. Doza de radiații în fiecare caz este determinată individual.
Pentru descoperirea razelor X, Roentgen a primit primul premiu în 1901. Premiul Nobelîn fizică, iar Comitetul Nobel a subliniat importanța practică a descoperirii sale.
Astfel, razele X sunt radiații electromagnetice invizibile cu o lungime de undă de 105 - 102 nm. Razele X pot pătrunde în unele materiale care sunt opace la lumina vizibilă. Ele sunt emise în timpul decelerarii electronilor rapizi în materie (spectru continuu) și în timpul tranzițiilor electronilor din exterior. învelișuri de electroni atomi în cei interni (spectru liniar). Sursele de radiație de raze X sunt: tubul de raze X, unii izotopi radioactivi, acceleratorii și acumulatorii de electroni (radiația sincrotron). Receptoare - peliculă, ecrane luminiscente, detectoare de radiații nucleare. Razele X sunt utilizate în analiza de difracție a razelor X, medicină, detectarea defectelor, analiza spectrală cu raze X etc.
Ele sunt emise cu participarea electronilor, spre deosebire de radiația gamma, care este nucleară. Razele X artificiale sunt create prin accelerarea puternică a particulelor încărcate și prin mutarea electronilor de la un nivel de energie la altul, eliberând o cantitate mare de energie. Dispozitivele care pot fi obținute sunt tuburile cu raze X și acceleratoarele de particule. Sursele sale naturale sunt atomi instabili radioactiv și obiecte spațiale.
Istoria descoperirilor
A fost realizat în noiembrie 1895 de Roentgen, un om de știință german care a descoperit efectul de fluorescență al cianurii de bariu platină în timpul funcționării unui tub catodic. El a descris caracteristicile acestor raze în detaliu, inclusiv capacitatea de a pătrunde în țesutul viu. Ele au fost numite raze X de către om de știință, numele „raze X” a prins rădăcini în Rusia mai târziu.
Ceea ce caracterizează acest tip de radiații
Este logic că caracteristicile acestei radiații se datorează naturii sale. O undă electromagnetică este ceea ce sunt razele X. Proprietățile sale sunt următoarele:
Radiații cu raze X - rău
Desigur, la momentul descoperirii și mulți ani după aceea, nimeni nu și-a imaginat cât de periculos era.
Unde se folosesc razele X?
- Medicamentul. Diagnosticarea cu raze X - „transmiterea” organismelor vii. Terapia cu raze X - efectul asupra celulelor tumorale.
- Știința. Cristalografia, chimia și biochimia le folosesc pentru a dezvălui structura materiei.
- Industrie. Detectarea defectelor la piesele metalice.
- Securitate. Echipamentele cu raze X sunt folosite pentru a detecta articolele periculoase din bagaje în aeroporturi și în alte locuri.
o scurtă descriere a radiații cu raze X
Razele X sunt unde electromagnetice (flux de cuante, fotoni), a căror energie este situată pe scara de energie dintre radiația ultravioletă și radiația gamma (Fig. 2-1). Fotonii cu raze X au o energie de 100 eV până la 250 keV, care corespunde unei radiații cu o frecvență de 3×10 16 Hz până la 6×10 19 Hz și o lungime de undă de 0,005-10 nm. Spectrele electromagnetice ale razelor X și ale razelor gamma se suprapun în mare măsură.
Orez. 2-1. Scala de radiații electromagnetice
Principala diferență dintre aceste două tipuri de radiații este modul în care apar. Razele X sunt obținute cu participarea electronilor (de exemplu, în timpul decelerării fluxului lor), iar razele gamma - cu dezintegrarea radioactivă a nucleelor unor elemente.
Razele X pot fi generate în timpul decelerării unui flux accelerat de particule încărcate (așa-numita bremsstrahlung) sau atunci când au loc tranziții de energie înaltă în învelișurile de electroni ale atomilor (radiație caracteristică). Dispozitivele medicale folosesc tuburi cu raze X pentru a genera raze X (Figura 2-2). Componentele lor principale sunt un catod și un anod masiv. Electronii emiși din cauza diferenței de potențial electric dintre anod și catod sunt accelerați, ajung la anod, la ciocnirea cu materialul din care sunt decelerati. Ca rezultat, se produc raze X bremsstrahlung. În timpul ciocnirii electronilor cu anodul, are loc și al doilea proces - electronii sunt scoși din învelișurile de electroni ale atomilor anodului. Locurile lor sunt ocupate de electroni din alte învelișuri ale atomului. În timpul acestui proces, se generează un al doilea tip de radiație cu raze X - așa-numita radiație cu raze X caracteristice, al cărei spectru depinde în mare măsură de materialul anodului. Anozii sunt cel mai adesea fabricați din molibden sau wolfram. Există dispozitive speciale pentru focalizarea și filtrarea razelor X pentru a îmbunătăți imaginile rezultate.
Orez. 2-2. Schema dispozitivului cu tub cu raze X:
Proprietățile razelor X care predetermină utilizarea lor în medicină sunt efectele penetrante, fluorescente și fotochimice. Puterea de penetrare a razelor X și absorbția lor de către țesuturile corpului uman și materialele artificiale sunt cele mai importante proprietăți care determină utilizarea lor în diagnosticarea radiațiilor. Cu cât lungimea de undă este mai mică, cu atât puterea de penetrare a razelor X este mai mare.
Există raze X „moale” cu energie și frecvență de radiație scăzută (respectiv, cu cea mai mare lungime de undă) și raze X „dure” cu energie fotonică și frecvență de radiație mare, având o lungime de undă scurtă. Lungimea de undă a radiației cu raze X (respectiv, „rigiditatea” și puterea de penetrare a acesteia) depinde de mărimea tensiunii aplicate tubului de raze X. Cu cât tensiunea pe tub este mai mare, cu atât viteza și energia fluxului de electroni sunt mai mari și lungimea de undă a razelor X este mai mică.
În timpul interacțiunii radiațiilor X care pătrund prin substanță, calitative și modificări cantitative. Gradul de absorbție a razelor X de către țesuturi este diferit și este determinat de densitatea și greutatea atomică a elementelor care alcătuiesc obiectul. Cu cât densitatea și greutatea atomică a substanței din care constă obiectul (organul) studiat este mai mare, cu atât sunt absorbite mai multe raze X. Corpul uman conține țesuturi și organe de diferite densități (plămâni, oase, țesuturi moi etc.), ceea ce explică absorbția diferită a razelor X. Vizualizarea organelor și structurilor interne se bazează pe diferența artificială sau naturală în absorbția razelor X de către diferite organe și țesuturi.
Pentru a înregistra radiația care a trecut prin corp, se folosește capacitatea acesteia de a provoca fluorescența anumitor compuși și de a avea un efect fotochimic asupra peliculei. În acest scop se folosesc ecrane speciale pentru fluoroscopie și filme fotografice pentru radiografie. În aparatele moderne cu raze X, sisteme speciale de detectoare electronice digitale - panouri electronice digitale - sunt folosite pentru a înregistra radiațiile atenuate. În acest caz, metodele cu raze X sunt numite digitale.
Din cauza efectelor biologice ale razelor X, este esențial să se protejeze pacienții în timpul examinării. Acest lucru este realizat
maxim timp scurt iradierea, înlocuirea fluoroscopia cu radiografie, utilizarea strict justificată a metodelor ionizante, protecția prin protejarea pacientului și a personalului de expunerea la radiații.
Scurtă descriere a radiațiilor cu raze X - concept și tipuri. Clasificarea și caracteristicile categoriei „Scurte caracteristici ale radiației cu raze X” 2017, 2018.
