Виды рентгеновского излучения по способу получения

Рентгеновское излучение.

1. Рентгеновское излучение, его свойства, виды, способы обнаружения.

Рентгеновское излучение — коротковолновое ионизирующее электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между УФ и ɤ— излучением в пределах длин волн от 10 -2 нм до 10 -5 нм. (27,28, слайды)

Оно открыто в 1895 году немецким физиком В.К.Рентгеном. Возникает при взаимодействии заряженных частиц или фотонов высокой энергии с атомами вещества.

Свойства рентгеновского излучения.

• Обладает свойствами лучей оптического диапазона: отражение, поглощение, рассеивание, интерференция, дифракция.
• В однородной среде распространяется прямолинейно.
• Не отклоняется в электрических и магнитных полях.
• Не видимо для глаза.
• Обладает большой энергией (E=hν), следовательно, и большой проникающей способностью.
• Вызывает рентгенолюминесценцию некоторых веществ (вольфрама Ca, сернистого Zn).
• Интенсивность рентгеновского излучения убывает обратно пропорционально «r».
• Оказывает значительное химическое и биологическое действие, обусловленное сильной ионизирующей способностью.

По проникающей способности в медицине выделяют 3 группы рентгеновских лучей:(29 слайд)

• Мягкие (длинноволновые) — возникают при напряжении на рентгеновской трубке от 10 до 40 кВ. Они используются для лечения различных кожных заболеваний и не проникают глубоко в организм.
• Средней жесткости (средневолновые) — возникают при напряжении от 40 до 100 кВ. Они используются для диагностики (рентгеновские снимки, флюорография)
• Жесткие (коротковолновые) — возникают при напряжении свыше 100 тысяч В (U >100кВ). Их используют для глубокой рентгенотерапии злокачественных опухолей.

Способы обнаружения рентгеновского излучения.

Эти способы основаны на физико-химических свойствах рентгеновских лучей.

Различают 4 способа обнаружения:

• Люминесцентный способ — основан на том, что рентгеновское излучение вызывает люминесценцию. Используется для просвечивания, снимков и для люминесцентной дозиметрии.
• Ионизационный способ — основан на явлении ионизации воздуха под действием рентгеновских лучей. Используется для определения дозы рентгеновского излучения, при рентгенотерапии, и для контроля за состоянием радиационной защиты на рабочих местах персонала рентгеновских отделений.
• Фотографический способ – рентгеновские лучи вызывают образование в фотоэмульсии скрытого изображения, которое после проявления создает почернение фотопластинок. Фотоэмульсия состоит из большого числа мелких кристаллических зерен бромистого или хлористого серебра (ArBr или ArCl). Чем больше интенсивность R – излучения, тем больше зерен будут иметь скрытое изображение и тем сильнее будет почернение фотопленки. Используется для контроля доз облучения на предприятиях атомной промышленности, используется, как индивидуальный фотографический дозиметр.
• Биологический способ —состоит в выявлении реакций, которые вызывают рентгеновские лучи на коже человека и других животных и биологических объектах.

Рентгеновское излучение может быть получено при бомбардировке мишени ионами высокой энергии. В качестве источников рентгеновского излучения могут служить также некоторые радиоактивные изотопы, которые непосредственно испускают рентгеновские лучи. Естественные источники R – лучей: Солнце, некоторые радиоактивные изотопы (например, 55 Fe).

В медицине основным способом получения рентгеновских лучей является торможение быстро движущихся электронов в материальной среде. По теории Стокса, торможение электронов приводит к изменению их скорости, при котором возникает электромагнитное излучение, длина волны которого тем меньше, чем выше скорость движения электрона.

Искусственными источниками мощного рентгеновского излучения являются рентгеновские трубки.

Рентгеновская трубка — это двухэлектродный вакуумный прибор для получения рентгеновских лучей.

Давление внутри трубки: p=10 -6 ÷10 -7 мм. рт. ст.

К двум электродам «К» (катоду) и «А» (аноду) приложено высокое напряжение (1-500 кВ). (31 слайд)

Катод представляет собой вольфрамовую спираль, нагреваемую электрическим током. Электроны, испущенные нагретым катодом (термоэлектронная эмиссия), разгоняются электрическим полем до большихскоростей (для этого и нужно высокое напряжение) и попадают на анод трубки.

Анод — представлен в виде массивного медного стержня, торец которого скошен под углом 45 0 для того чтобы создать требуемое направление рентгеновских лучей. В торец запрессована пластина (W), которая отполирована до зеркального блеска — зеркальце. Анод может иметь водяное охлаждение.

Электроны попадают на зеркальце анода, проникают несколько вглубь его и, взаимодействуя с атомами вещества, тормозятся полем атомов. При этом часть Е_к электронов идет на создание тормозного и характеристического рентгеновского излучений (примерно 1-2%), а остальная часть — на нагревание анода.

С увеличением напряжения в трубке возрастает ее К.П.Д. и уменьшается эффективная длина волны.
Виды рентгеновских трубок медицинского назначения.

По назначению:

• Трубки для рентгенодиагностики; (32 слайд)
• Для рентгенотерапии; (33 слайд)
• Для флюорографии. ( 34 слайд )

По мощности:

• Малой мощности (до 250 Вт) (трубки зубных аппаратов);

• Средней мощности (до 5 тыс. Вт) (для флюорографии);
• Большой мощности (выше 5 тыс. Вт) (для рентгенотерапии).

По степени специализации:

• Диагностические — для просвечивания (рентгеноскопия) и получения снимков (рентгенография);
• Терапевтические — для лечения заболеваний с помощью рентгеновского излучения. Различают трубки для поверхностной терапии, для внутриполостной терапии и для глубокой терапии.
• Специализированные — применяются в особых условиях (для снимков зубов, молочных желез и т.п.).

По способу возбуждения рентгеновское излучения подразделяют на тормозное и характеристическое. (35 слайд )

Тормозное ”R-излучение” — возникает при торможении электронов в электрическом поле ядер атомов вещества. По теории Максвелла, любое ускоренноедвижение заряженной частицы сопровождается электромагнитным излучением. Частота (ν) этого излучения зависит от Е_к (начальной кинетической энергии) электрона и интенсивности его торможения. Т.к. доля Е_к электрона, идущей на нагревание анода оказывается различной, то и энергия возникших квантов рентгеновского излучения неодинакова, т.е. рентгеновские лучи будут иметь разные длины волн => т.о. возникает сплошной R-спектр.

Распределение энергии излучения по длинам волн (сплошной спектр тормозного излучения).

С возрастанием энергии электронов “min” длина волны λ₀ смещается в сторону коротких волн (λ₀ ׀ > λ₀ ׀׀ ). Спектр тормозного излучения – сплошной.
Особенности тормозного излучения:

• Изменяя напряжение на рентгеновской трубке, можно регулировать жесткость или мягкость “R-излучения”. Жесткое (коротковолновое) излучение обладает большей проникающей способностью, чем мягкое (длинноволновое).

• Спектральный состав излучения зависит от напряжения в R-трубке. С увеличением “U” значение “ λ_min“ смещается в сторону коротких длин волн.
• При изменении температуры накала катода возрастает эмиссия электронов => ток в трубке увеличивается, но спектральный состав излучения не меняется
• Поток энергии Ф тормозного R- излучения прямо пропорционален квадрату напряжения между анодом и катодом, силе тока в трубке и атомному номеру вещества.

1. Характеристическое “R-излучение ”

Е₁
Линейчатый спектр

Непрерывный спектр

Обусловлено тем, что внутренние электронные слои у разных атомов одинаковы и отличаются только энергетически из-за силового воздействия со стороны ядер атома. Это воздействие тем больше, чем больше порядковый N элемента.

Характеристические спектры сдвигаются в сторону больших частот с увеличением заряда ядра (Z).

= А • (Z—B)

А и В – постоянные величины

Z – порядковый номер испускающего элемента

По измеренной частоте R-излучения можно узнать точный порядковый номер атомного элемента.
Особенности:

• Это излучение возникает только при определенном напряжении в трубке.
• Это излучение всегда существует вместе с тормозным излучением => линейчатый спектр характеристического излучения накладывается на сплошной спектр тормозного излучения (смешанный спектр).
• Спектры этого излучения однотипны. Они не зависят от химического соединения, в которое входит атом элемента.

Источник

Физика рентгеновских лучей

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.

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.

Основные свойства рентгеновского излучения

1. Рентгеновские лучи невидимы для визуального восприятия.
2. Рентгеновское излучение обладает большой проникающей способностью сквозь органы и ткани живого организма, а также плотные структуры неживой природы, не пропускающие лучи видимого света.
3. Рентгеновские лучи вызывают свечение некоторых химических соединений, называемое флюоресценцией.
   • Сульфиды цинка и кадмия флюоресцируют жёлто-зелёным цветом,
   • Кристаллы вольфрамата кальция — фиолетово-голубым.
4. Рентгеновские лучи обладают фотохимическим действием: разлагают соединения серебра с галогенами и вызывают почернение фотографических слоёв, формируя изображение на рентгеновском снимке.
5. Рентгеновские лучи передают свою энергию атомам и молекулам окружающей среды, через которую они проходят, проявляя ионизирующее действие.
6. 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

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