Рентгеновское излучение

В 1895 году Рентген обнаружил, что если через стеклянную трубку с двумя впаянными электродами, из которой выкачан воз­дух до давления 103 мм рт. ст., пропустить электрический ток, то анод выделяет особые, неизвестные до тех пор, невидимые глазом лучи. Он назвал их Х-лучами. В России и во многих других стра­нах их стали называть рентгеновскими лучами. Рентген, исследуя их свойства, обнаружил следующее:

1.Они обладают сильной проникающей способностью, кото­рая зависит от природы вещества и толщины его. Благодаря это­му свойству они получили широкое распространение в меди­цине и промышленности.

2.Вызывают свечение (люминесценцию) некоторых тел. С по­мощью экранов из таких веществ их можно наблюдать.

3.Оказывают действие на фотопленку (фотохимическое дей­ствие).

4.Способны активно ионизировать воздух и другие вещества.

5.Оказывают биологическое действие на ткани организма, что нашло применение в лечении злокачественных опухолей.

Однако природу рентгеновских лучей сам Рентген не раскрыл. Многие исследователи находили сходство между рентгеновскими лучами и световыми - они распространялись прямолинейно и не отклонялись ни в электрическом, ни в магнитном поле. Но, если предположить одинаковую природу света и рентгеновских лучей, то рентгеновские лучи должны были бы обладать волновы­ми и квантовыми свойствами. Однако дифракцию рентгеновских лучей долгое время получить не удавалось. В 1910 году П.Н. Ле­бедев предложил использовать в качестве дифракционной решет­ки для рентгеновских лучей естественные кристаллы, а в 1912 году немецкий физик Лауэ выполнил этот опыт. Поток рентгеновского света направлялся через диафрагму на кристалл, при этом на эк­ране или фотопленке вокруг центрального светлого пятна (недифрагировавшие лучи) возникал ряд светлых точек, расположенных в определенном порядке.

Расстояние между атомами кристаллической решетки, поряд­ка 1А°, соизмеримо с длиной волны и эти промежутки являются центрами вторичных волн, которые, дифрагируя, дают максиму­мы в виде белых пятен. Но т.к. атомы расположены не строго один около другого как щели дифракционной решетки, то максимумы расположены в сложном порядке, нежели в дифракцион­ной решетке. Такая картина называется лауэграммой. Этот опыт показал, что рентгеновские лучи имеют волновую природу.

Опыт Лауэ позволил использовать дифракцию рентгеновских лучей:

1. Для определения длины волны, зная расстояние между ато­мами.

2. Для определения структуры веществ по лауэграмме, зная длину волны рентгеновских лучей.

Метод изучения молекулярных структур, т.е. определение по­ложения атомов в молекуле и их природы с помощью рентгено­вских лучей, получил название рентгеноструктурный анализ. Для исследования биологических структур быть использованы различные явления взаимодействия рентгеновского излучения с веществом: поглощение, рассеяние и дифракция, инактивация (из­менение структуры молекул и функций их составных частей под действием рентгеновского излучения). Метод рассеяния и дифрак­ции рентгеновских лучей использует их волновые свойства. Рент­геновские лучи, рассеиваемые атомами, входящими в состав мо­лекул, интерферируют и дают картину - лауэграмму, на которой положение и интенсивности максимумов зависят от положения атомов в молекуле и от взаимного расположения молекул. Если молекулы расположены хаотически, например, в растворах, то рассеяние не зависит от внутренней структуры молекул, а в ос­новном от их размеров и формы.

В дальнейшем были изучены и другие свойства рентгеновских лучей:

1. Интерференция.

2. Преломление.

3. Полное внутрен­нее отражение.

4. Поляризация.

5. Спектральный со­став.

6. Взаимодействие с веществом.

Получают рентгено­вские лучи с помощью рентгеновской трубки.

Она состоит из стеклянного баллона с возможно высоким вакуу­мом (10^-6- 10^-7 мм. рт. ст.), в котором находятся два электрода.

Катод - является источником электронов и выполняется в виде спирали. Анод состоит из массивного медного стержня, на торцевом срезе которого расположена пластина из вольфрама (зеркальце анода). Электроны разгоняется в электрическом поле и взаимодействуют с зеркальцем анода. В результате взаимодействия образуется поток рентгеновских лучей. Вся трубка окружена свинцовым кожухом, имеется лишь небольшое окно для выхода излучения. Т.к. анод при работе силь­но разогревается, его охлаждают водой или маслом. В некоторых трубках анод делают вращающимся. Длина волны рентгеновских лучей от 0,001 до 2 нм. Рентгено­вское излучение характеризуется интенсивностью и жесткостью.

Интенсивность - это величина энергии, которую несут рент­геновские лучи, через площадку 1 см² за 1 с.

Жесткость рентгеновского излучения определяется его способностью проходить через вещество, а прони­кающая способность зависит от дли­ны волны. Рентгеновское излучение возника­ет в результате взаимодействия потока электронов с атомами зеркальца ано­да.

Двигающийся направ­ленно электрон можно представить электрическим током. Попадая в элек­трическое поле атома, движение элек­трона замедляется, что соответствует уменьшению тока. Уменьшение тока

вызовет изменяющееся магнитное поле вокруг электрона, а изме­няющееся магнитное поле наведет в смежных точках изменяюще­еся электрическое поле и т.д., т.о. при торможении электрона ато­мом возникает электромагнитная волна. Существует и квантовая теория, объясняющая возникновение тормозного рентгеновского излучения. Кроме круговых или эл­липтических стационарных орбит, называемых периодическими, существуют и не замкнутые орбиты электронов (параболические, гиперболические), по которым может двигаться электрон, не из­лучая и не поглощая энергии. Подлетая к атому со скоростью υ₁, электрон двигается по ста­ционарной не замкнутой орбите с энергией Е₁, тормозясь, он пе­реходит на другую стационарную орбиту с энергией Е₂, при этом излучается квант энергии. Начальная кинетическая энергия электрона зависит только от ускоряющего напряжения mυ₁²/2=eU и есть величина постоянная. Конечная энергия в зависимости от условий торможения может принимать любые значения от mυ₁²/2 до 0. Следовательно, энергия излученного кванта может быть любой в промежутке от 0 до mυ₁²/2. Спектр излучения сплошной, ограниченный со стороны

коротких длин волн.

hv =(mυ₁²)/2 – (mυ₂²)/2

Минимальная энергия кванта определяется из этого уравнения,

если (mυ₂²)/2= 0, тогда или hv_min =(mυ₁²)/2

hc/λ_max =eU, откуда λ_max = (hc)/(eU)

Электрон, взаимодействуя с атомом анода, может удалить ор­битальный электрон с ближайшей к ядру орбиты К, L, М на более отдаленную или вообще за пределы атома. На освободившееся ме­сто перейдет электрон с более удаленной орбиты. При этом излу­чается квант рентгеновского излучения, длина волны которого оп­ределяется разностью дозволенных энергетических состояний ато­ма (hv = E₂- E₁). Следовательно, излучение может быть только оп­ределенных длин волн, спектр такого излучения будет линейчатым, а излучение называют характеристическим.

При бомбардировке вещества анода электрона­ми существуют оба вида излучения. Рассмотрим схему рентгеновского аппарата.

В состав рентгеновско­го аппарата входят следую­щие узлы:

1. Рентгеновская труб­ка (РТ)

2. Повышающий трансформатор (ТР2).

3. Понижающий трансформатор (ТР,).

4. Автотрансформатор (АТР).

5. Высоковольтный выпрямитель (В).

Первичная обмотка повышающего трансформатора питается от сети переменного тока через автотрансформатор. Автотранс­форматор служит для регулировки напряжения между анодом и катодом. Изменение напряжения изменяет длину волны λ_min=l,24/ U, а длина волны характеризует жесткость излучения, т.о. авто­трансформатор служит для регулировки жесткости рентгеновско­го излучения. Напряжение между анодом и катодом рентгено­вской трубки в медицинских рентгеновских аппаратах до 60 кВ, в промышленных - 200 - 250 кВ. Питается трубка постоянным током. В качестве выпрямителя используются высоковольтные диоды или кенотроны, использу­ются однополупериодные и двухполупериодные схемы. Для питания накала трубки служит понижающий трансформа­тор ТР₁. В первичную цепь этого трансформатора ставится реос­тат R. Изменяя сопротивление, мы изменяем ток накала катода, а, следовательно, его температуру и число испускаемых электронов. Число электронов характеризует интенсивность рентгеновского излучения, т.о. реостат R служит для изменения интенсивности из­лучения, которая определяется следующей формулой:

Ф = kJU²Z',

где J - анодный ток, U - напряжение между катодом и анодом трубки, Z - порядковый номер вещества зеркальца анода. Защита от воздействия рентгеновского излучения, даваемо­го лечебными и диагностическими аппаратами, сводится к сле­дующему:

1.Экранизация источника излучения. Рентгеновская трубка самозащитная. Камера закрывается свинцовыми листами.

2.Индивидуальная защита обслуживающего персонала (фартук, перчатки, стекло экрана делается из просвинцованного материала).

3. Охраняются законом (меньший рабочий день, дополнитель­ный отпуск, спецпитание и др.)

При взаимодействии рентгеновских лучей с веществом, часть их отражается от поверхности, часть проходит через вещество без взаимодействия, часть проходит вовнутрь вещества, взаимодей­ствуя с атомами.