Рентген сәулелері: қасиеттері мен қолданылуы

Рентген сәулелері: ашылу тарихы, қасиеттері, толқын ұзындығы, энергиясы. Медицинадағы қолданысы және ғылыми зерттеулердегі маңызы туралы біліңіз.

27 мин оқу

100%

Дереккөз: X-ray — Wikipedia

Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.

Мазмұны

Кіріспе

Қысқа толқынды электромагниттік сәулеленудің түрі

Х-сәулелер (немесе сирек қолданылатын Х-сәуле) – жоғары энергиялы электромагниттік сәулеленудің бір түрі. Көптеген тілдерде ол 1895 жылы оны ашқан және белгісіз сәуле түрін білдіру үшін Х-сәуле деп атаған неміс ғалымы Вильгельм Конрад Рентгеннің есімімен аталады. Х-сәулелердің толқын ұзындығы ультракүлгін сәулелерден қысқа, ал гамма сәулелерден ұзын. Х-сәулелер диапазонының шекарасын қатаң анықтайтын жалпыға қабылданған нақты анықтама жоқ. Шамамен, Х-сәулелердің толқын ұзындығы 10 нанометрден 10 пикометрге дейін, жиіліктері 30 петагерцтен 30 эксагерцке (3-тен 3-ке дейін) және фотон энергиялары 100 эВ-тен 100 кэВ-қа дейін сәйкес келеді. Х-сәулелер құрылыс материалдары және тірі тіндер сияқты көптеген қатты заттардан өте алады, сондықтан Х-сәулелік радиография медициналық диагностикада (мысалы, сүйек сынуларын тексеру) және материалтануда (мысалы, кейбір химиялық элементтерді анықтау және құрылыс материалдарындағы нашар жерлерді табу) кеңінен қолданылады. Дегенмен, Х-сәулелер иондаушы сәулелену болып табылады, және жоғары қарқындылықта әсер ету денсаулыққа зиян келтіруі мүмкін, ДНК зақымдануына, қатерлі ісікке, ал жоғары дозада күйікке және сәулелік ауруға әкелуі мүмкін. Олардың өндірісі мен қолданылуы денсаулық сақтау органдарымен қатаң бақыланады.

Рентгенге дейінгі бақылаулар мен зерттеулер

1895 жылы рентген сәулелері ашылғанға дейін олар эксперименттік түтікшелерден шығатын белгісіз радиацияның бір түрі ғана болды. Оларды ғалымдар осындай түтіктерден шығатын катод сәулелерін зерттеу барысында байқаған. Бұл сәулелер 1869 жылы алғаш рет көрінген, жоғары энергиялы электрондық шоқтар болатын. Көптеген ертедегі Крукс түтікшелері (1875 жыл шамасында ойлап табылды) сөзсіз рентген сәулелерін шығарған, себебі алғашқы зерттеушілер оларға байланысты әсерлерді байқаған, олар төменде егжей-тегжейлі сипатталған. Крукс түтікшелері түтікшедегі қалдық ауаны бірнеше киловольттан 100 кВ-қа дейінгі жоғары тұрақты кернеумен иондау арқылы еркін электрондарды жасады. Бұл кернеу катодтан шығатын электрондарды жеткілікті жылдамдыққа дейін үдетіп, олар анодқа немесе түтікшенің шыны қабырғасына соққанда рентген сәулелерін тудырды. Рентген сәулелерін (білмей тұрып) алғаш өндірген экспериментатор Уильям Морган болды деп есептеледі. 1785 жылы ол Лондон Корольдік қоғамына электр тогының жартылай эвакуацияланған шыны түтікше арқылы өтуінің әсерін сипаттайтын мақала ұсынды, бұл рентген сәулелерінен туындаған жарқырауды қамтиды. Бұл жұмысты Хамфри Дэви және оның ассистенті Майкл Фарадей одан әрі зерттеді. Стэнфорд университетінің физика профессоры Фернандо Санфорд өзінің "электрлік фотосуретін" жасағанда рентген сәулелерін де пайда етіп, анықтады. 1886-1888 жылдары ол Берлиндегі Герман фон Гельмгольц зертханасында оқыды, онда ол бұрын Генрих Герц және Филипп Ленард зерттегендей, вакуумдық түтіктерде екі электрод арасына кернеу қолданғанда пайда болатын катод сәулелерімен танысты. 1893 жылғы 6 қаңтардағы Physical Review журналына жолданған хатында (өзінің ашылуын "электрлік фотосурет" деп сипаттап), "Линзасыз немесе жарықсыз, тақтамен және қараңғыда түсірілген суреттер" атты мақала жарияланды. 1888 жылдан бастап Филипп Ленард катод сәулелері Крукс түтігінен ауаға шыға ала ма, жоқ па, соны анықтау үшін эксперименттер жүргізді. Ол Крукс түтігін катодқа қарайтын, жұқа алюминийден жасалған "терезесімен" жасады, сонда катод сәулелері соққысын тигізер еді (кейін "Ленард түтігі" деп аталды). Ол фототақталарды қарартуға және флуоресценция тудыруға қабілетті бірдеңе шығатынын анықтады. Ол осы сәулелердің әртүрлі материалдар арқылы өту қабілетін өлшеді. Кейбіреулер осы "Ленард сәулелерінің" бір бөлігінің рентген сәулелері болғанын болжайды. 1889 жылы Прага политехникалық институтының эксперименталды физика лекторы Иван Пулуж, 1877 жылдан бері олардың қасиеттерін зерттеу үшін газ толтырылған түтіктердің әртүрлі конструкцияларын жасап, түтіктерден шығатын радиацияға ұшыраған кезде жабық фототақталардың қалай қараңғылағаны туралы мақала жариялады. Гельмгольц рентген сәулелері үшін математикалық теңдеулер жасады. Рентген өзінің ашылуын және хабарлауын жасамас бұрын ол дисперсия теориясын ұсынды, бұл теория электромагниттік жарық теориясына негізделген. Алайда ол нақты рентген сәулелерімен жұмыс істемеді. 1894 жылы Никола Тесла өз зертханасында Крукс түтігі эксперименттерімен байланысты болып көрінген зақымдалған пленканы байқап, осы көзге көрінбейтін, сәулелі энергияны зерттей бастады. Рентген рентген сәулелерін анықтағаннан кейін Тесла өзінің жоғары кернеулерімен және өзінің жеке конструкцияларындағы түтіктермен, сондай-ақ Крукс түтікшелерімен рентген суреттерін жасауға кірісті.

Before their discovery in 1895, X rays were just a type of unidentified radiation emanating from experimental discharge tubes. They were noticed by scientists investigating cathode rays produced by such tubes, which are energetic electron beams that were first observed in 1869. Many of the early Crookes tubes (invented around 1875) undoubtedly radiated X rays, because early researchers noticed effects that were attributable to them, as detailed below. Crookes tubes created free electrons by ionization of the residual air in the tube by a high DC voltage of anywhere between a few kilovolts and 100 kV. This voltage accelerated the electrons coming from the cathode to a high enough velocity that they created X rays when they struck the anode or the glass wall of the tube. The earliest experimenter thought to have (unknowingly) produced X rays was William Morgan. In 1785, he presented a paper to the Royal Society of London describing the effects of passing electrical currents through a partially evacuated glass tube, producing a glow created by X rays. This work was further explored by Humphry Davy and his assistant Michael Faraday. When Stanford University physics professor Fernando Sanford created his "electric photography", he also unknowingly generated and detected X rays. From 1886 to 1888, he studied in the Hermann von Helmholtz laboratory in Berlin, where he became familiar with the cathode rays generated in vacuum tubes when a voltage was applied across separate electrodes, as previously studied by Heinrich Hertz and Philipp Lenard. His letter of 6 January 1893 (describing his discovery as "electric photography") to the Physical Review was duly published and an article entitled Without Lens or Light, Photographs Taken With Plate and Object in Darkness appeared in the San Francisco Examiner. Starting in 1888, Philipp Lenard conducted experiments to see whether cathode rays could pass out of the Crookes tube into the air. He built a Crookes tube with a "window" at the end made of thin aluminium, facing the cathode so the cathode rays would strike it (later called a "Lenard tube"). He found that something came through, that would expose photographic plates and cause fluorescence. He measured the penetrating power of these rays through various materials. It has been suggested that at least some of these "Lenard rays" were actually X rays. In 1889, Ivan Puluj, a lecturer in experimental physics at the Prague Polytechnic who since 1877 had been constructing various designs of gas filled tubes to investigate their properties, published a paper on how sealed photographic plates became dark when exposed to the emanations from the tubes. Helmholtz formulated mathematical equations for X rays. He postulated a dispersion theory before Röntgen made his discovery and announcement. He based it on the electromagnetic theory of light. However, he did not work with actual X rays. In 1894, Nikola Tesla noticed damaged film in his lab that seemed to be associated with Crookes tube experiments and began investigating this invisible, radiant energy. After Röntgen identified the X ray, Tesla began making X ray images of his own using high voltages and tubes of his own design, as well as Crookes tubes.

Рентгеннің ашылуы

1895 жылдың 8 қарашасында неміс физика профессоры Вильгельм Рентген Ленард және Крукс түтіктерімен тәжірибе жасағанда рентген сәулелерін байқап, оларды зерттеуге кірісті. Ол «Жаңа сәуле түрі туралы: Алдын ала хабарлама» деген алғашқы есебін жазып, 1895 жылдың 28 желтоқсанында Вюрцбург физикалық-медициналық қоғамының журналына жіберді. Бұл рентген сәулелері туралы жазылған алғашқы мақала болды. Рентген сәулеленуді «Х» деп атады, бұл оның белгісіз сәулелену түрі екенін көрсетеді. Кейбір ерте мәтіндер оларды «Х» әрпін грек әрпі «Хи» (Χ) деп қабылдап, «Чи» сәулелері деп атайды. «Рентген сәулелері» деген атау қалыптасты, бірақ (Рентгеннің күшті қарсылығына қарамастан) оның көптеген әріптестері оларды «Рентген сәулелері» деп атауды ұсынды. Олар әлі де көптеген тілдерде қолданылады, соның ішінде неміс, венгр, украин, дат, поляк, чех, болгар, швед, фин, португал, эстон, словен, түрік, орыс, латыш, литва, албан, жапон, голланд, грузин, иврит, исланд және норвег тілдерінде. Рентген өзінің ашылуы үшін физика саласындағы алғашқы Нобель сыйлығын алды. Рентгеннің зертханалық жазбалары оның қайтыс болғаннан кейін өртелуіне байланысты оның ашылуы туралы әртүрлі мәліметтер бар, бірақ оның өмірбаяншылары жасаған мынадай шамамен дұрыс реконструкция бар: Рентген Крукс түтігінен шығатын катодтық сәулелерді зерттеді, оны қара картонға орады, сонда түтіктен шығатын көрінетін жарық кедергі келтірмейді, барий платиноцианидімен боялған люминесцентті экранды пайдаланды. Ол экраннан шамалы қашықтықта әлсіз жасыл жарқырауды байқады. Рентген түтікшеден шығатын көзге көрінбейтін сәулелер картонды тесіп, экранды жарқырататынын түсінді. Ол олардың сонымен қатар оның үстеліндегі кітаптар мен қағаздарды да тесіп өте алатынын анықтады. Рентген осы белгісіз сәулелерді жүйелі түрде зерттеуге кірісті. Бастапқы ашылудан екі ай өткен соң, ол өз жұмысын жариялады. Рентген олардың медициналық қолданысын әйелінің қолының рентген суретін фототабаққа түсірген кезде анықтады. Әйелінің қолының суреті рентген сәулелерін пайдаланып адам денесінің бөлігін суретке түсірген алғашқы сурет болды. Суретті көрген соң ол: «Мен өлімімді көрдім» деді. Рентген сәулелерінің ашылуы үлкен қызығушылық тудырды. Рентгеннің өмірбаяншысы Отто Глассердің бағалауынша, 1896 жылы ғана жаңа сәулелер туралы 49 эссе мен 1044 мақала жарияланды. Бұл, мүмкін, консервативті бағалау, өйткені әлемдегі дерлік барлық ғылыми басылымдар жаңа ашылу туралы кеңінен хабарлады, ал Science сияқты журнал сол жылы оған 23 мақала арнады. Жаңа ашылуға сенсациялық реакциялардың бірі – жаңа сәулелерді телепатия сияқты оккульттік және паранормальдық теориялармен байланыстыратын жарияланымдар болды.

On 8 November 1895, German physics professor Wilhelm Röntgen stumbled on X rays while experimenting with Lenard tubes and Crookes tubes and began studying them. He wrote an initial report "On a new kind of ray: A preliminary communication" and on 28 December 1895, submitted it to Würzburg's Physical Medical Society journal. This was the first paper written on X rays. Röntgen referred to the radiation as "X", to indicate that it was an unknown type of radiation. Some early texts refer to them as Chi rays having interpreted "X" as the uppercase Greek letter Chi, Χ. The name X rays stuck, although (over Röntgen's great objections) many of his colleagues suggested calling them Röntgen rays. They are still referred to as such in many languages, including German, Hungarian, Ukrainian, Danish, Polish, Czech, Bulgarian, Swedish, Finnish, Portuguese, Estonian, Slovenian, Turkish, Russian, Latvian, Lithuanian, Albanian, Japanese, Dutch, Georgian, Hebrew, Icelandic, and Norwegian. Röntgen received the first Nobel Prize in Physics for his discovery. There are conflicting accounts of his discovery because Röntgen had his lab notes burned after his death, but this is a likely reconstruction by his biographers: Röntgen was investigating cathode rays from a Crookes tube which he had wrapped in black cardboard so that the visible light from the tube would not interfere, using a fluorescent screen painted with barium platinocyanide. He noticed a faint green glow from the screen, about away. Röntgen realized some invisible rays coming from the tube were passing through the cardboard to make the screen glow. He found they could also pass through books and papers on his desk. Röntgen threw himself into investigating these unknown rays systematically. Two months after his initial discovery, he published his paper. Röntgen discovered their medical use when he made a picture of his wife's hand on a photographic plate formed due to X rays. The photograph of his wife's hand was the first photograph of a human body part using X rays. When she saw the picture, she said "I have seen my death." The discovery of X rays generated significant interest. Röntgen's biographer Otto Glasser estimated that, in 1896 alone, as many as 49 essays and 1044 articles about the new rays were published. This was probably a conservative estimate, if one considers that nearly every paper around the world extensively reported about the new discovery, with a magazine such as Science dedicating as many as 23 articles to it in that year alone. Sensationalist reactions to the new discovery included publications linking the new kind of rays to occult and paranormal theories, such as telepathy.

Радиологиядағы жетістіктер

Рентген сәулелерінің медициналық қолданысқа ие екенін бірден байқады. 28 желтоқсанда Физикалық медицина қоғамына ұсынған еңбегімен бірге, ол Еуропадағы таныс дәрігерлерге хат жіберді (1 қаңтар 1896 ж.). Жаңалық (және «көлеңке суреттердің» пайда болуы) тез тарады, шотланд электр инженеры Алан Арчибальд Кэмпбелл Свинтон Рентгеннен кейін алғаш рет рентген сәулесін (қолдың суретін) жасады. Ақпан айына дейін Солтүстік Америкада ғана 46 зерттеуші осы әдісті қолданды. 1896 жылдың басында, Рентгеннің ашылуынан кейін бірнеше апта өткен соң, Иван Романович Тарханов рентген сәулелерімен бақалар мен жәндіктерді сәулелендіріп, сәулелердің «тек суретке түсірмейді, сонымен қатар тірі организмдердің қызметіне де әсер ететінін» анықтады. Осы кезеңде зоологиялық суретші Джеймс Грин рентген сәулелерін қа fragile үлгілерді зерттеу үшін қолдана бастады. Джордж Альберт Боуленгер бұл жұмысты алғаш рет 1896 жылғы мамырда Лондон зоологиялық қоғамында жасаған баяндамасында атап өтті. Грин мен Джеймс Гардинердің «Британдық батрахиандар мен бауырымен жорғалаушылардың сциаграфтары» (sciagraph – рентген суретіне ескі атау) кітабы 1897 жылы Боуленгердің алғы сөзімен жарық көрді. АҚШ-та жасалған алғашқы медициналық рентген сәулесі Пулуидің жобалаған разрядтағы түтігі арқылы алынды. 1896 жылдың қаңтарында Рентгеннің ашылуы туралы оқыған Дартмут колледжінің профессоры Фрэнк Остин физика зертханасындағы барлық разрядтағы түтіктерді сынап, тек Пулуи түтігі ғана рентген сәулелерін шығаратынын анықтады. Бұл Пулуидің түтік ішіне флуоресцентті материалдың үлгілерін ұстауға арналған микадан жасалған көлбеу «мақсатты» қосуының нәтижесі болды. 1896 жылдың 3 ақпанында колледждің медицина профессоры Гилман Фрост және оның физика профессоры ағасы Эдвин Фрост, Гилман бірнеше апта бұрын жарақатына емдеген Эдди Маккартидің білегін рентген сәулелеріне ұшыратып, сынған сүйектің суретін жергілікті фотограф Ховард Лэнгиллден алған желатин фотопластинкаларға түсірді. Көптеген зерттеушілер, тіпті Рентгеннің өзі алғашқы тәжірибелерінде рентген суреттерін «тірі» көру үшін люминесцентті экранның түрлі тәсілдерін ойлап тапты.

Röntgen immediately noticed X rays could have medical applications. Along with his 28 December Physical Medical Society submission, he sent a letter to physicians he knew around Europe (1 January 1896). News (and the creation of "shadowgrams") spread rapidly with Scottish electrical engineer Alan Archibald Campbell Swinton being the first after Röntgen to create an X ray (of a hand). Through February, there were 46 experimenters taking up the technique in North America alone. In early 1896, several weeks after Röntgen's discovery, Ivan Romanovich Tarkhanov irradiated frogs and insects with X rays, concluding that the rays "not only photograph, but also affect the living function". At around the same time, the zoological illustrator James Green began to use X rays to examine fragile specimens. George Albert Boulenger first mentioned this work in a paper he delivered before the Zoological Society of London in May 1896. The book Sciagraphs of British Batrachians and Reptiles (sciagraph is an obsolete name for an X ray photograph), by Green and James H. Gardiner, with a foreword by Boulenger, was published in 1897. The first medical X ray made in the United States was obtained using a discharge tube of Pului's design. In January 1896, on reading of Röntgen's discovery, Frank Austin of Dartmouth College tested all of the discharge tubes in the physics laboratory and found that only the Pului tube produced X rays. This was a result of Pului's inclusion of an oblique "target" of mica, used for holding samples of fluorescent material, within the tube. On 3 February 1896, Gilman Frost, professor of medicine at the college, and his brother Edwin Frost, professor of physics, exposed the wrist of Eddie McCarthy, whom Gilman had treated some weeks earlier for a fracture, to the X rays and collected the resulting image of the broken bone on gelatin photographic plates obtained from Howard Langill, a local photographer also interested in Röntgen's work. Many experimenters, including Röntgen himself in his original experiments, came up with methods to view X ray images "live" using some form of luminescent screen.

Ашылған қауіптер

1895 жылы ғалымдар, дәрігерлер және өнертапқыштардың рентген сәулелерін ашқаннан кейін оны кеңінен зерттеуімен бірге, сол кездегі техникалық журналдарда күйік шалулар, шаштың түсуі және одан да жаман жағдайлар туралы көптеген хабарламалар пайда болды. 1896 жылдың ақпан айында Вандербильт университетінің профессорлары Джон Дэниел мен Уильям Лофланд Дадли рентген сәулесінен кейін Дадлидің шашы түскенін хабарлады. 1896 жылы Вандербильт зертханасына бас жағына оқ тиген бала әкелінді. Оқ табуға тырысқанша, тәжірибе жасауға белсенді түрде келіскен Дадли "ғылымға деген адалдығымен" көзге түсті. Дэниел Дадлидің бас сүйегінің суретін түсіргеннен кейін 21 күн өткен соң, рентген түтігіне ең жақын жердегі бас бөлігінде диаметрі белгілі бір шамада аққалпақ пайда болғанын байқады: "Бас сүйегінің жанына пластиналарды орналастыратын ұстағыш бекітілді, ал бас сүйегі мен бас арасына монета салынды. Түтік басқа жағынан, шаштан жарты дюйм қашықтықта бекітілді". Күйік шалулар, шаштың түсуі және қатерлі ісіктерден басқа, рентген сәулелері қолданылған сәулелену мөлшеріне байланысты еркектерде сүйексіздікке де алып келуі мүмкін. 1896 жылдың тамызында Колумбия колледжінің түлегі HD Хокс рентген сәулелерін көрсету кезінде қолдары мен кеудесін қатты күйдірді. Бұл туралы Electrical Review журналында жазылды, содан кейін журналға рентген сәулелерімен байланысты көптеген проблемалар туралы хабарламалар түсе бастады. Эдисонның зертханасындағы Элиху Томсон, Уильям Дж. Мортон және Никола Тесла сияқты көптеген зерттеушілер де күйік шалулар туралы хабарлады. Элиху Томсон мақсатты түрде бір саусағын рентген түтігіне ұзақ уақыт ұстады, нәтижесінде ауырсыну, ісіну және көпіршік пайда болды. Зақымдануға ультракүлгін сәулелер және (Тесланың сөзінше) озон да себеп болуы мүмкін еді. Холл Эдвардс 1904 жылға қарай рентген сәулелерінің қауіптілігі туралы мақалалар жазып, халыққа лекция оқуға мәжбүр еткен қатерлі ісікке (сол кезде рентгендік дерматит деп аталған) шалдықты. 1908 жылы оның сол қолы шынтақтан, ал оң қолынан бес саусағының төртеуі кесілді, тек бас бармағы ғана қалды. 1926 жылы ол қатерлі ісіктен қайтыс болды. Оның сол қолы Бирмингем университетінде сақтаулы.

With the widespread experimentation with X‑rays after their discovery in 1895 by scientists, physicians, and inventors came many stories of burns, hair loss, and worse in technical journals of the time. In February 1896, Professor John Daniel and William Lofland Dudley of Vanderbilt University reported hair loss after Dudley was X rayed. A child who had been shot in the head was brought to the Vanderbilt laboratory in 1896. Before trying to find the bullet, an experiment was attempted, for which Dudley "with his characteristic devotion to science" volunteered. Daniel reported that 21 days after taking a picture of Dudley's skull (with an exposure time of one hour), he noticed a bald spot in diameter on the part of his head nearest the X ray tube: "A plate holder with the plates towards the side of the skull was fastened and a coin placed between the skull and the head. The tube was fastened at the other side at a distance of one half inch [] from the hair." Beyond burns, hair loss, and cancer, X rays can be linked to infertility in males based on the amount of radiation used. In August 1896, HD. Hawks, a graduate of Columbia College, suffered severe hand and chest burns from an X ray demonstration. It was reported in Electrical Review and led to many other reports of problems associated with X rays being sent in to the publication. Many experimenters including Elihu Thomson at Edison's lab, William J. Morton, and Nikola Tesla also reported burns. Elihu Thomson deliberately exposed a finger to an X ray tube over a period of time and suffered pain, swelling, and blistering. Other effects were sometimes blamed for the damage including ultraviolet rays and (according to Tesla) ozone. Hall Edwards developed a cancer (then called X ray dermatitis) sufficiently advanced by 1904 to cause him to write papers and give public addresses on the dangers of X rays. His left arm had to be amputated at the elbow in 1908, and four fingers on his right arm soon thereafter, leaving only a thumb. He died of cancer in 1926. His left hand is kept at Birmingham University.

ХХ ғасыр және одан кейінгі

Рентген сәулелерінің көптеген қолданыстары бірден зор қызығушылық тудырды. Шеберханалар Х-сәулелерді шығару үшін Крукс түтіктерінің арнайы түрлерін жасауға кірісті, ал осы бірінші буын суық катодты немесе Крукс Х-сәулелік түтіктері 1920 жылға дейін қолданылды. Шамшау аралығы әдетте жоғары кернеу жағына түтікке параллель қосылып, диагностикалық мақсаттарда қолданылды. Шамшау аралығы шынжырлардың полярлығын анықтауға, кернеуді шынжырлардың ұзындығымен өлшеуге, осылайша түтіктің вакуумдық «қаттылығын» анықтауға және Х-сәулелік түтік ажыратылған жағдайда жүктеме беруге мүмкіндік берді. Түтіктің қаттылығын анықтау үшін бастапқыда шамшау аралығы ең кең күйіне дейін ашылды. Орам жұмыс істеп тұрғанда, оператор шынжырлар пайда бола бастағанша аралықты тарылтты. Шынжырлар шамамен айналасында шынжырлай бастаған түтік жұмсақ (төмен вакуум) және қолдар мен қолы сияқты дене бөліктеріне жарамды деп есептелді. Бір шынжыр иықтар мен тізелерге жарамды түтік екенін көрсетті. Шабыттанған шынжыр үлкен адамдардың ішін суретке түсіруге қолайлы жоғары вакуумды білдірді. Шамшау аралығы түтікке параллель қосылғандықтан, түтікті суретке түсіру үшін шынжырдың жұмысын тоқтату үшін шамшау аралығын ашу қажет болды. Фотопластинкаларға түсіру уақыты қол үшін жарты минуттан, ал кеуде үшін бірнеше минутқа дейін созылды. Экспозиция уақытын қысқарту үшін пластинкаларға флуоресцентті тұз қосуға болады. 1913 жылы Генри Мозли әртүрлі металдардан шығатын Х-сәулелерімен кристаллографиялық тәжірибелер жүргізіп, Х-сәулелерінің жиілігін металдың атомдық нөмірімен байланыстыратын Мозли заңын жасады. Уильям Д. Кулидж сол жылы Кулидж Х-сәулелік түтігін ойлап тапты. Ол Х-сәулелерін үздіксіз шығаруға мүмкіндік берді. Қазіргі Х-сәулелік түтіктер осы конструкцияға негізделген, көбінесе жылуды статикалық нысаналарға қарағанда әлдеқайда көп таратуға мүмкіндік беретін айналмалы нысаналарды қолданады, сондай-ақ жоғары қуатты қолдануларда, мысалы, айналмалы КТ сканерлерінде пайдалану үшін Х-сәулелерінің жоғары мөлшерін шығаруға мүмкіндік береді. Рентген сәулелерін медициналық мақсаттарда қолдануды (кейіннен сәулелік терапия саласына айналған) Англияның Бирмингем қаласындағы майор Джон Холл Эдвардс бастады. 1908 жылы оның сол қолында Х-сәулелік дерматит таралуына байланысты ампутация жасауға тура келді. Медициналық ғылым да адам физиологиясын зерттеу үшін кинофильмдерді пайдаланды. 1913 жылы Детройтте адам асқазанындағы қатты қайнатылған жұмыртқаны көрсететін фильм түсірілді. Бұл ерте Х-сәулелік фильм әр 4 секунд сайын бір суреттен түсірілді. Нью-Йорктік доктор Льюис Грегори Коул бұл әдістің пионері болды және оны «сериялық рентгенография» деп атады. 1918 жылы Х-сәулелері қозғалыс камераларымен бірге қолданылып, қозғалыстағы адам қаңқасын түсірді. 1920 жылы Англиядағы Фонетика институты тілдерді зерттеу үшін тіл мен тіс қозғалысын жазу үшін пайдаланды. 1914 жылы Мари Кюри Бірінші дүниежүзілік соғыста жарақат алған сарбаздарға көмек көрсету үшін радиологиялық көліктерді жасады. Көліктер жарақат алған сарбаздардың жылдам Х-сәулелік суретін түсіруге мүмкіндік берді, соның арқасында майдан хирургтары жылдам және дәл операция жасады. 1920 жылдардың басынан 1950 жылдарға дейін аяқ киім таңдауға көмектесетін Х-сәулелік аппараттар жасалып, олар коммерциялық аяқ киім дүкендеріне сатылды. 1950 жылдары жиі немесе нашар бақыланатын пайдаланудың салдарынан туындаған алаңдаушылықтар осы практиканың сол онжылдықта тоқтауына әкелді. Х-сәулелік микроскоп 1950 жылдары жасалды. 1999 жылдың 23 шілдесінде ұшырылған «Чандра» Х-сәулелік обсерваториясы ғаламдағы Х-сәулелерін шығаратын өте күшті процестерді зерттеуге мүмкіндік берді. Көрінетін жарықтан айырмашылығы, ол ғаламның салыстырмалы түрде тұрақты көрінісін береді, Х-сәулелік ғалам тұрақсыз. Онда қара тесіктердің жұлдыздарды жұлып алуы, галактикалық соқтығысулар, жаңа жұлдыздар және ғарышқа жарылатын плазма қабаттарын құрайтын нейтрон жұлдыздары бейнеленген. 1980 жылдары Рейган әкімшілігінің Стратегиялық қорғаныс жобасының бір бөлігі ретінде Х-сәулелік лазерлік құрылғы ұсынылды, бірақ құрылғының жалғыз сынағы (термоядролық жарылыспен қуатты лазерлік «бластер» немесе өлім сәулесі) қорытындысыз нәтиже берді. Техникалық және саяси себептерге байланысты жобаның барлық бөлігі (Х-сәулелік лазерді қоса алғанда) қаржыландырылмады (бірақ кейін екінші Буш әкімшілігі...

The many applications of X rays immediately generated enormous interest. Workshops began making specialized versions of Crookes tubes for generating X rays and these first generation cold cathode or Crookes X ray tubes were used until about 1920. A typical early 20th century medical X ray system consisted of a Ruhmkorff coil connected to a cold cathode Crookes X ray tube. A spark gap was typically connected to the high voltage side in parallel to the tube and used for diagnostic purposes. The spark gap allowed detecting the polarity of the sparks, measuring voltage by the length of the sparks thus determining the "hardness" of the vacuum of the tube, and it provided a load in the event the X ray tube was disconnected. To detect the hardness of the tube, the spark gap was initially opened to the widest setting. While the coil was operating, the operator reduced the gap until sparks began to appear. A tube in which the spark gap began to spark at around was considered soft (low vacuum) and suitable for thin body parts such as hands and arms. A spark indicated the tube was suitable for shoulders and knees. An spark would indicate a higher vacuum suitable for imaging the abdomen of larger individuals. Since the spark gap was connected in parallel to the tube, the spark gap had to be opened until the sparking ceased to operate the tube for imaging. Exposure time for photographic plates was around half a minute for a hand to a couple of minutes for a thorax. The plates may have a small addition of fluorescent salt to reduce exposure times. In 1913, Henry Moseley performed crystallography experiments with X rays emanating from various metals and formulated Moseley's law which relates the frequency of the X rays to the atomic number of the metal. The Coolidge X ray tube was invented the same year by William D. Coolidge. It made possible the continuous emissions of X rays. Modern X ray tubes are based on this design, often employing the use of rotating targets which allow for significantly higher heat dissipation than static targets, further allowing higher quantity X ray output for use in high powered applications such as rotational CT scanners. The use of X rays for medical purposes (which developed into the field of radiation therapy) was pioneered by Major John Hall Edwards in Birmingham, England. Then in 1908, he had to have his left arm amputated because of the spread of X ray dermatitis on his arm. Medical science also used the motion picture to study human physiology. In 1913, a motion picture was made in Detroit showing a hard boiled egg inside a human stomach. This early X ray movie was recorded at a rate of one still image every four seconds. Dr Lewis Gregory Cole of New York was a pioneer of the technique, which he called "serial radiography". In 1918, X rays were used in association with motion picture cameras to capture the human skeleton in motion. In 1920, it was used to record the movements of tongue and teeth in the study of languages by the Institute of Phonetics in England. In 1914, Marie Curie developed radiological cars to support soldiers injured in World War I. The cars would allow for rapid X ray imaging of wounded soldiers so battlefield surgeons could quickly and more accurately operate. From the early 1920s through to the 1950s, X ray machines were developed to assist in the fitting of shoes and were sold to commercial shoe stores. Concerns regarding the impact of frequent or poorly controlled use were expressed in the 1950s, leading to the practice's eventual end that decade. The X ray microscope was developed during the 1950s. The Chandra X ray Observatory, launched on 23 July 1999, has been allowing the exploration of the very violent processes in the universe that produce X rays. Unlike visible light, which gives a relatively stable view of the universe, the X ray universe is unstable. It features stars being torn apart by black holes, galactic collisions, and novae, and neutron stars that build up layers of plasma that then explode into space. An X ray laser device was proposed as part of the Reagan Administration's Strategic Defense Initiative in the 1980s, but the only test of the device (a sort of laser "blaster" or death ray, powered by a thermonuclear explosion) gave inconclusive results. For technical and political reasons, the overall project (including the X ray laser) was defunded (though was later revived by the second Bush Administration as National Missile Defense using different technologies). Phase contrast X ray imaging refers to a variety of techniques that use phase information of an X ray beam to form the image. Due to its good sensitivity to density differences, it is especially useful for imaging soft tissues. It has become an important method for visualizing cellular and histological structures in a wide range of biological and medical studies. There are several technologies being used for X ray phase contrast imaging, all using different principles to convert phase variations in the X rays emerging from an object into intensity variations. These include propagation based phase contrast, Talbot interferometry, and X ray interferometry. These methods provide higher contrast compared to normal absorption based X ray imaging, making it possible to distinguish from each other details that have almost similar density. A disadvantage is that these methods require more sophisticated equipment, such as synchrotron or microfocus X ray sources, X ray optics, and high resolution X ray detectors.

Жұмсақ және қатты рентген сәулелері

5–10 кэВ-тан жоғары фотон энергиясы бар (толқын ұзындығы 0,2–0,1 нм-ден төмен) рентген сәулелері қатты рентген сәулелері деп аталады, ал энергиясы төмен (және толқын ұзындығы ұзын) рентген сәулелері жұмсақ рентген сәулелері деп аталады. Бірнеше кэВ фотон энергиясы бар аралық диапазон көбінесе жұмсақ рентген сәулелері деп аталады. Олардың өту қабілетіне байланысты қатты рентген сәулелері заттардың ішін бейнелеу үшін кеңінен қолданылады (мысалы, медициналық рентгенографияда және әуежай қауіпсіздігінде). Рентген сәулесі термині осы әдіспен алынған рентген суретін де, сонымен қатар әдістің өзін де білдіру үшін метафоралық түрде қолданылады. Қатты рентген сәулелерінің толқын ұзындығы атомдардың мөлшеріне ұқсас болғандықтан, олар рентгендік кристаллграфия арқылы кристаллдық құрылымдарды анықтау үшін де пайдалы. Керісінше, жұмсақ рентген сәулелері ауада оңай сіңіріледі; 600 эВ (~2 нм) рентген сәулелерінің судағы әлсіреу ұзындығы 1 микрометрден кем.

Гамма сәулелері

Рентген сәулелері мен гамма сәулелерін ажыратуға қатысты жалпыға қабылданған анықтама жоқ. Көпте қолданылатын тәжірибе – екі типті сәулеленуді олардың пайда болу көзіне қарай ажырату: рентген сәулелерін электрондар шығарады, ал гамма сәулелерін атом ядросы шығарады. Бұл анықтамада бірнеше мәселе бар: басқа процестер де осы жоғары энергиялы фотондарды тудыруы мүмкін, немесе кейде олардың пайда болу әдісі белгісіз болады. Тағы бір көп қолданылатын нұсқа – X және гамма сәулеленуін толқын ұзындығы (немесе, эквивалентті түрде, жиілігі немесе фотон энергиясы) бойынша ажырату, мысалы, 10−11 м (0,1 Å) сияқты белгілі бір толқын ұзындығынан қысқа сәулелену гамма сәулеленуі деп есептеледі. Бұл критерий фотонды нақты санатқа жатқызады, бірақ бұл тек толқын ұзындығы белгілі болған жағдайда ғана мүмкін. (Кейбір өлшеу техникалары анықталған толқын ұзындықтарын ажырата алмайды.) Дегенмен, бұл екі анықтама көбінесе сәйкес келеді, себебі рентгендік трубкалардан шығатын электромагниттік сәулеленудің толқын ұзындығы, радиоактивті ядролардан шығатын сәулеленуге қарағанда, ұзақ, ал фотон энергиясы төмен болады.

Қасиеттері

Рентген сәулелерінің фотондары атомдарды иондау және молекулалық байланыстарды бұзу үшін жеткілікті энергия тасымалдайды. Бұл оларды иондаушы сәулеленудің бір түрі етеді, демек тірі тіндерге зиянды. Қысқа мерзім ішіндегі өте жоғары дозадағы сәулелену күйік пен сәулелену ауруына алып келеді, ал төмен дозалар сәулеленуден туындаған қатерлі ісік қаупін арттыруы мүмкін. Медициналық бейнелеуде бұл қатерлі ісік қаупі көбінесе тексерудің пайдасынан асып түседі. Рентген сәулелерінің иондау қабілеті қатерлі ісікке қарсы емдеуде сәулелік терапия арқылы қатерлі жасушаларды өлтіру үшін қолданылады. Ол материалды сипаттау үшін рентгендік спектроскопияны қолдана отырып та пайдаланылады. Қатты рентген сәулелері салыстырмалы түрде қалың заттардан көп сіңбей немесе шашырамастан өте алады. Осы себепті рентген сәулелері көруге мөлдір емес заттардың ішін бейнелеу үшін кеңінен қолданылады. Ең көп қолданылатыны – медициналық рентгенография және әуежай қауіпсіздік сканерлері, бірақ ұқсас техникалар өнеркәсіпте де (мысалы, өнеркәсіптік рентгенография және өнеркәсіптік КТ сканерлеу) және ғылыми зерттеулерде де (мысалы, кішкентай жануарлар КТ) маңызды. Ену тереңдігі рентген сәулелері спектрінде бірнеше есе өзгереді. Бұл фотон энергиясын нысан арқылы жеткілікті мөлшерде өтуіне және бір мезгілде бейнеде жақсы контрастты қамтамасыз етуіне мүмкіндік береді. Рентген сәулелерінің толқын ұзындығы көрінетін жарықтан әлдеқайда қысқа, бұл қарапайым микроскоппен көруге мүмкін емес, әлдеқайда кіші құрылымдарды зерттеуге мүмкіндік береді. Бұл қасиет жоғары ажыратымдылықтағы суреттер алу үшін рентгендік микроскопияда, сондай-ақ кристалдардағы атомдардың орналасуын анықтау үшін рентгендік кристаллографияда қолданылады.

Материямен өзара іс-қимыл

Рентген сәулелері материямен үш негізгі тәсілмен әрекеттеседі: фотоабсорбция, Комптон шашырауы және Рэйли шашырауы арқылы. Бұл әрекеттесулердің күші рентген сәулелерінің энергиясына және материалдың элементтік құрамына байланысты, бірақ химиялық қасиеттеріне онша көп емес, себебі рентген сәулелері фотонының энергиясы химиялық байланыс энергиясынан әлдеқайда жоғары. Фотоабсорбция немесе фотоэлектрлік абсорбция жұмсақ рентген диапазонында және төменгі қатты рентген энергияларында басым әрекеттесу механизмі болып табылады. Жоғары энергияларда Комптон шашырауы басымдыққа ие.

Фотоэлектрлік сіңіру

Масса бірлігіне фотоэлектрлік сіңіру ықтималдығы шамамен Z³/E³ пропорционалды, мұнда Z – атомдық нөмірі, ал E – түсетін фотонның энергиясы. Бұл ереже ішкі қабықтың электрон байланысу энергиясына жақын жерде жарамсыз, себебі онда өзара әрекеттесу ықтималдығы күрт өзгереді, осыған байланысты сіңіру жиектері деп аталады. Дегенмен, төмен фотон энергиясы және жоғары атомдық сандар үшін жоғары сіңіру коэффициенттерінің және қысқа ену тереңдігінің жалпы тенденциясы өте күшті. Жұмсақ тіндер үшін фотоэлектрлік сіңіру шамамен 26 кэВ фотон энергиясына дейін басым болады, содан кейін Комптон шашырауы үстемдік етеді. Атомдық саны жоғары заттар үшін бұл шек жоғарылайды. Сүйектердегі кальцийдің көп мөлшері (Z = 20) және олардың жоғары тығыздығы оларды медициналық рентген суреттерінде анық көрінуіне себеп болады. Фотоэлектрлік сіңіру арқылы сіңірілген фотон өзінің барлық энергиясын өзара әрекеттесетін электронға береді, осылайша электрон байланған атомды иондап, өз жолында басқа да атомдарды иондауға бейім фотоэлектронды тудырады. Сыртқы электрон бос қалған электрон орнына ие болып, ерекше рентген сәулесін немесе Аугер электронын шығарады. Бұл эффекттерді рентгендік спектроскопия немесе Аугер электрондық спектроскопия арқылы элементтік анықтау үшін пайдалануға болады.

Комтонды шашырау

Комптондардың шашырауы – медициналық бейнелеуде рентген сәулелері мен жұмсақ тіндер арасындағы басым әсерлесу болып табылады. Комптондардың шашырауы – рентген фотонының сыртқы қабықша электронмен серпімсіз шашырауы. Фотон энергиясының бір бөлігі шашыраңқы электронға беріліп, атомды иондайды және рентген сәулесінің толқын ұзындығын ұзартады. Шашыраған фотон кез келген бағытта таралуы мүмкін, бірақ бастапқы бағытқа ұқсас бағыттар ықтималдығы жоғары, әсіресе жоғары энергиялы рентген сәулелері үшін. Әртүрлі шашырау бұрыштарының ықтималдығы Клейн-Нишина формуласымен сипатталады. Шашырау бұрышы арқылы энергия мен импульстің сақталу принципін қолдану арқылы берілген энергияны анықтауға болады.

Рейли шашырауы

Рейли шашырауы рентген сәулелері аймағындағы басты серпімді шашырау механизмі болып табылады. Инеластикалық алға шашырау сыну көрсеткішіне әкеледі, ол рентген сәулелері үшін 1-ден сәл төмен.

Өндіріс

Егер жеткілікті энергиясы бар зарядталған бөлшектер (электрондар немесе иондар) қандай да бір материалға тигенде, рентген сәулелері туындайды.

Электронды өндіру

+ Кейбір кең таралған анод материалдарына тән рентген сәулелерін шығару сызықтары. Анод материалы Атомдық нөмірі Фотон энергиясы [keV] Толқын ұзындығы [nm] Kα1 Kβ1 Kα1 Kβ1 W 74 59.3 67.2 0.0209 0.0184 Mo 42 17.5 19.6 0.0709 0.0632 Cu 29 8.05 8.91 0.154 0.139 Ag 47 22.2 24.9 0.0559 0.0497 Ga 31 9.25 10.26 0.134 0.121 In 49 24.2 27.3 0.0512 0.0455 Рентген сәулелері рентген түтігі арқылы жасалады, ол ыстық катодтан шыққан электрондарды жоғары жылдамдыққа дейін үдету үшін жоғары кернеуді пайдаланатын вакуумдық құрал. Жоғары жылдамдықтағы электрондар металл нысанаға, анодқа соқтығысып, рентген сәулелерін тудырады. Медициналық рентген түтіктерде нысана әдетте вольфрам немесе ренийдің (5%) және вольфрамның (95%) жарылысқа төзімді қорытпасы болады, бірақ кейде, мысалы, маммографияда қажет болғанда, молибден қолданылады. Кристаллографияда ең көп қолданылатыны мыс нысанасы, ал үлгідегі темірдің флуоресценциясы қиындық тудырса, кобальт қолданылады. Шығарылған рентген сәулелері фотонының максималды энергиясы түтікке берілген кернеуге және электрон зарядына тең болады, сондықтан 80 кВ түтік 80 кВ-тан жоғары энергиялы рентген сәулелерін жасай алмайды. Электрондар нысанаға тиген кезде екі түрлі атомдық процестер арқылы рентген сәулелері пайда болады: Тән рентген сәулелерінің эмиссиясы (рентген электролюминесценциясы): Егер электрон жеткілікті энергияға ие болса, ол нысана атомының ішкі электрон қабығынан орбиталық электронды шығара алады. Содан кейін жоғары энергия деңгейлерінен электрондар бос орындарды толтырады және рентген фотондары эмиссияланады. Бұл процесс дискретті жиіліктерде рентген сәулелерінің эмиссиялық спектрін тудырады, олар кейде спектрлік сызықтар деп аталады. Әдетте, бұл жоғарғы қабықтардан K қабығына (K сызықтары деп аталады), L қабығына (L сызықтары деп аталады) және т.б. өтулер болады. Егер өту 2p-ден 1s-ке болса, ол Kα деп аталады, ал 3p-ден 1s-ке болса, ол Kβ деп аталады. Бұл сызықтардың жиілігі нысананың материалына байланысты, сондықтан оларды тән сызықтар деп атайды. Kα сызығы әдетте Kβ сызығынан күштірек және дифракциялық эксперименттерде қажеттірек. Сондықтан Kβ сызығы сүзгі арқылы сүзіледі. Сүзгі әдетте анод материалынан бір протон кем металдан жасалады (мысалы, Cu аноды үшін Ni сүзгісі немесе Mo аноды үшін Nb сүзгісі). Bremsstrahlung: Бұл электрондар ядроның жанындағы күшті электр өрісінде шашырағанда шығаратын сәулелену. Бұл рентген сәулелерінің спектрі үздіксіз. Bremsstrahlung жиілігі түскен электронның энергиясымен шектеледі. Осылайша, түтіктің шығысы үздіксіз Bremsstrahlung спектрінен тұрады, ол түтік кернеуінде нөлге дейін төмендейді, сонымен қатар тән сызықтарда бірнеше шыңдар болады. Диагностикалық рентген түтіктерде қолданылатын кернеу шамамен 20 кВ-тан 150 кВ-қа дейін, сондықтан рентген фотондарының максималды энергиясы шамамен 20 кВ-тан 150 кВ-қа дейін. Бұл екі рентген сәулелерін өндіру процесі де тиімсіз, түтік пайдаланған электр энергиясының тек шамамен бір пайызы ғана рентген сәулелеріне айналады, сондықтан түтік тұтынатын электр қуатының көп бөлігі ысыраптық жылу ретінде шығарылады. Рентген сәулелерінің пайдалы ағынын өндіру үшін рентген түтігі артық жылуды таратуға арналған болуы керек. Зерттеулерде кеңінен қолданыла бастаған рентген сәулелерінің арнайы көзі – синхротрон сәулеленуі, ол бөлшектерді үдеткіштері арқылы жасалады. Оның ерекше ерекшеліктері – рентген түтіктерге қарағанда әлдеқайда көп рентген сәулесі шығаруы, кең рентген спектрлері, тамаша коллимация және сызықтық поляризация. 15 кВ энергиясы бар қысқа наносекундтық рентген сәулелері орташа вакуумда жабысқақ лентаны оның негізінен ажырату арқылы сенімді түрде жасалуы мүмкін. Бұл трибоэлектрлік зарядтау арқылы туындаған электр зарядтарының рекомбинациясының нәтижесі болуы мүмкін. Рентген триболюминесценциясының қарқындылығы рентгендік бейнелеу үшін жеткілікті.

+ Characteristic X ray emission lines for some common anode materials. Anodematerial Atomicnumber Photon energy [keV] Wavelength [nm] Kα1 Kβ1 Kα1 Kβ1 W
74 59.3 67.2 0.0209 0.0184 Mo
42 17.5 19.6 0.0709 0.0632 Cu
29 8.05 8.91 0.154 0.139 Ag
47 22.2 24.9 0.0559 0.0497 Ga
31 9.25 10.26 0.134 0.121 In
49 24.2 27.3 0.0512 0.0455

X rays can be generated by an X ray tube, a vacuum tube that uses a high voltage to accelerate the electrons released by a hot cathode to a high velocity. The high velocity electrons collide with a metal target, the anode, creating the X rays. In medical X ray tubes the target is usually tungsten or a more crack resistant alloy of rhenium (5%) and tungsten (95%), but sometimes molybdenum for more specialized applications, such as when softer X rays are needed as in mammography. In crystallography, a copper target is most common, with cobalt often being used when fluorescence from iron content in the sample might otherwise present a problem. The maximum energy of the produced X ray photon is limited by the energy of the incident electron, which is equal to the voltage on the tube times the electron charge, so an 80 kV tube cannot create X rays with an energy greater than 80 keV. When the electrons hit the target, X rays are created by two different atomic processes:
Characteristic X ray emission (X ray electroluminescence): If the electron has enough energy, it can knock an orbital electron out of the inner electron shell of the target atom. After that, electrons from higher energy levels fill the vacancies, and X ray photons are emitted. This process produces an emission spectrum of X rays at a few discrete frequencies, sometimes referred to as spectral lines. Usually, these are transitions from the upper shells to the K shell (called K lines), to the L shell (called L lines) and so on. If the transition is from 2p to 1s, it is called Kα, while if it is from 3p to 1s it is Kβ. The frequencies of these lines depend on the material of the target and are therefore called characteristic lines. The Kα line usually has greater intensity than the Kβ one and is more desirable in diffraction experiments. Thus the Kβ line is filtered out by a filter. The filter is usually made of a metal having one proton less than the anode material (e. g. Ni filter for Cu anode or Nb filter for Mo anode). Bremsstrahlung: This is radiation given off by the electrons as they are scattered by the strong electric field near the nuclei. These X rays have a continuous spectrum. The frequency of Bremsstrahlung is limited by the energy of incident electrons. So, the resulting output of a tube consists of a continuous Bremsstrahlung spectrum falling off to zero at the tube voltage, plus several spikes at the characteristic lines. The voltages used in diagnostic X ray tubes range from roughly 20 kV to 150 kV and thus the highest energies of the X ray photons range from roughly 20 keV to 150 keV. Both of these X ray production processes are inefficient, with only about one percent of the electrical energy used by the tube converted into X rays, and thus most of the electric power consumed by the tube is released as waste heat. When producing a usable flux of X rays, the X ray tube must be designed to dissipate the excess heat. A specialized source of X rays which is becoming widely used in research is synchrotron radiation, which is generated by particle accelerators. Its unique features are X ray outputs many orders of magnitude greater than those of X ray tubes, wide X ray spectra, excellent collimation, and linear polarization. Short nanosecond bursts of X rays peaking at 15 keV in energy may be reliably produced by peeling pressure sensitive adhesive tape from its backing in a moderate vacuum. This is likely to be the result of recombination of electrical charges produced by triboelectric charging. The intensity of X ray triboluminescence is sufficient for it to be used as a source for X ray imaging.

Тез оң иондар арқылы өндіру

Рентген сәулелерін жылдам протондар немесе басқа да оң иондар да тудыра алады. Протонмен туындаған рентген сәулелерінің шығарылуы немесе бөлшектік туындаған рентген сәулелерінің шығарылуы талдау процедурасы ретінде кеңінен қолданылады. Жоғары энергиялар үшін өндіріс көлденең қимасы Z1²Z2⁻⁴ пропорционалды, мұнда Z1 ионның атомдық нөмірін, ал Z2 нысана атомның атомдық нөмірін білдіреді. Осы көлденең қималар туралы толық мәлімет сол сілтемеде келтірілген.

Жарық және зертханалық төгілулер

Рентген сәулелері сондай-ақ жер бетіндегі гамма сәулелерінің жарқырауымен бірге болатын найзағайда да пайда болады. Негізгі механизм – найзағаймен байланысты электр өрістерінде электрондардың үдеуі және одан кейін Bremsstrahlung арқылы фотондардың түзілуі. Бұл бірнеше кВ-тан бірнеше ондаған МэВ-қа дейінгі энергиясы бар фотондарды жасайды. 1 метрлік саңылау ұзындығы және 1 МВ ең жоғары кернеуі бар зертханалық разрядтарда 160 кэВ сипаттамалық энергиясы бар рентген сәулелері байқалады. Мүмкін болатын түсіндірме – екі ағынның кездесуі және жоғары энергиялы қашып бара жатқан электрондардың пайда болуы; алайда, микроскопиялық модельдеулер екі ағын арасындағы электр өрісінің күшею ұзақтығы қашып бара жатқан электрондардың жеткілікті санын өндіру үшін тым қысқа екенін көрсетті. Соңғы кезде ағындар маңындағы ауаның бұзылуы қашып бара жатқан электрондардың және осыған байланысты рентген сәулелерінің пайда болуына көмектеседі деген ұсыныс жасалды.

Детektorлар

Рентгендік детекторлардың пішіні мен функциясы олардың қолданылу мақсатына қарай әртүрлі болады. Рентгенографияда қолданылатын бейнелеу детекторлары бастапқыда фотопластиналарға, кейін фотопленкаларға негізделген, бірақ қазір көбінесе түрлі цифрлық детектор түрлерімен – мысалы, бейне пластиналары мен жалпақ панельді детекторлармен – алмастырылды. Сәулеленуден қорғану үшін тікелей қауіп көбінесе иондау камераларын пайдалану арқылы бағаланады, ал дозиметрлер адамның алған сәулелену дозасын өлшеуге қолданылады. Рентген сәулелерінің спектрлерін энергиялық таратушы немесе толқын ұзындығы таратушы спектрометрлермен өлшеуге болады. Рентгендік дифракция қолданыстары үшін, мысалы, рентгендік кристаллография үшін, гибридті фотон санау детекторлары кеңінен қолданылады.

Медициналық қолданыстар

Рентгеннің рентген сәулелері сүйек құрылымын анықтай алатынын ашқаннан бері рентген сәулелері медициналық бейнелеу үшін қолданылады. Алғашқы медициналық қолданылуы оның осы тақырыптағы еңбегінен кейін бір айдан аз уақыт өткен. 2006 жылы медициналық бейнелеуден алынған сәулелену АҚШ-тағы иондаушы сәулеленудің шамамен 50%-ын құрады. Проекциялық рентгенографиялар қаңқа жүйесінің патологиясын анықтау үшін, сондай-ақ жұмсақ тіндердегі кейбір ауру процестерін анықтау үшін пайдалы. Көрінетін мысалдардың бірі – өкпе ауруларын анықтау үшін қолданылатын кең таралған кеуде рентгені, мысалы, пневмония, өкпе қатерлі ісігі немесе өкпе ісінуі. Тағы бір мысал – ішек (немесе ішек) бөгелуін, бос ауаны (ішкі органдардың жарылуынан) және бос сұйықтықты (асцит кезінде) анықтайтын іш рентгені. Рентген сәулелері өт тастарын (көп жағдайда радиоконтраст емес) немесе бүйрек тастарын анықтау үшін де қолданылуы мүмкін, олар көбінесе (бірақ әрдайым емес) көрінеді. Традициялық рентген сәулелері ми немесе бұлшықет сияқты жұмсақ тіндерді бейнелеуде тиімділігі төмен. Проекциялық рентгенографияның кеңінен қолданылатын салаларының бірі – тізе, жамбас немесе иық буынының ауыстыру сияқты ортопедиялық импланттың денедегі қоршаған сүйекке қатысты орналасуын бағалау. Бұл екі өлшемді рентген суретінен немесе «2D-ден 3D-ге тіркеу» деп аталатын техника қолданғанда үш өлшемді бағалау арқылы жүзеге асырылуы мүмкін. Бұл техника қарапайым рентген суреттерінен импланттың орналасуын бағалаумен байланысты проекциялық қателерді азайтуға көмектеседі. Тіс рентгенографиясы қуыс сияқты ауыз қуысының кең таралған проблемаларын диагностикалауда жиі қолданылады. Медициналық диагностикада төмен энергиялы (жұмсақ) рентген сәулелері қажет емес, өйткені олар ағзаға толық сіңіп, сурет сапасын жақсартпай, сәулелену дозасын арттырады. Сондықтан рентген түтігінің терезесінің үстіне, көбінесе алюминийден жасалған, рентген сүзгісі деп аталатын жұқа металл табақ орналастырылады. Бұл сәулені қатайту деп аталады, өйткені ол спектрдің ортасын жоғары энергиялы (немесе қатты) рентген сәулелеріне қарай жылдырады. Қан тамырлар жүйесінің (ангиография), оның ішінде артериялар мен веналардың суретін алу үшін, қызығушылық тудыратын анатомиялық аймақтың бастапқы суреті түсіріледі. Содан кейін осы аймақтағы қан тамырларына йодталған контраст зат енгізілгеннен кейін сол аймақтың екінші суреті түсіріледі. Осы екі сурет сандық түрде өңделіп, қан тамырларын көрсететін йодталған контраст суреті қалдырылады. Рентгенолог немесе хирург алынған суретті қалыпты анатомиялық суреттермен салыстырып, қан тамырларында зақымдану немесе бітелу бар-жоқ екенін анықтайды.

Since Röntgen's discovery that X rays can identify bone structures, X rays have been used for medical imaging. The first medical use was less than a month after his paper on the subject. Radiation exposure from medical imaging in 2006 made up about 50% of total ionizing radiation exposure in the United States. Projectional radiographs are useful in the detection of pathology of the skeletal system as well as for detecting some disease processes in soft tissue. Some notable examples are the very common chest X ray, which can be used to identify lung diseases such as pneumonia, lung cancer, or pulmonary edema, and the abdominal x ray, which can detect bowel (or intestinal) obstruction, free air (from visceral perforations), and free fluid (in ascites). X rays may also be used to detect pathology such as gallstones (which are rarely radiopaque) or kidney stones which are often (but not always) visible. Traditional plain X rays are less useful in the imaging of soft tissues such as the brain or muscle. One area where projectional radiographs are used extensively is in evaluating how an orthopedic implant, such as a knee, hip or shoulder replacement, is situated in the body with respect to the surrounding bone. This can be assessed in two dimensions from plain radiographs, or it can be assessed in three dimensions if a technique called '2D to 3D registration' is used. This technique purportedly negates projection errors associated with evaluating implant position from plain radiographs. Dental radiography is commonly used in the diagnoses of common oral problems, such as cavities. In medical diagnostic applications, the low energy (soft) X rays are unwanted, since they are totally absorbed by the body, increasing the radiation dose without contributing to the image. Hence, a thin metal sheet, often of aluminium, called an X ray filter, is usually placed over the window of the X ray tube, absorbing the low energy part in the spectrum. This is called hardening the beam since it shifts the center of the spectrum towards higher energy (or harder) X rays. To generate an image of the cardiovascular system, including the arteries and veins (angiography) an initial image is taken of the anatomical region of interest. A second image is then taken of the same region after an iodinated contrast agent has been injected into the blood vessels within this area. These two images are then digitally subtracted, leaving an image of only the iodinated contrast outlining the blood vessels. The radiologist or surgeon then compares the image obtained to normal anatomical images to determine whether there is any damage or blockage of the vessel.

Компьютерлік томография

Компьютерлік томография (КТ сканерлеу) – дененің белгілі бір аймақтарының томографиялық суреттері немесе кесінділері әртүрлі бағыттардан алынған көптеген екі өлшемді рентген суреттері арқылы алынатын медициналық бейнелеу әдісі. Бұл қима кескіндер дене ішіндегі үш өлшемді суреттерге біріктірілуі мүмкін. КТ-суреттері – әртүрлі медициналық салаларда диагностикалық және емдік мақсаттарда қолданылатын жылдам және тиімді бейнелеу әдісі болып табылады. Флюороскоптың ең қарапайым түрі рентген сәулесінің көзі мен флуоресцентті экраннан тұрады, олардың арасына пациент орналастырылады. Дегенмен, қазіргі флюороскоптар экранды рентген сәулелерін күшейтетін құралмен және CCD бейнекамерамен байланыстырып, суреттерді жазып алып, мониторда көрсетуге мүмкіндік береді. Бұл әдісте контрастты зат қолданылуы мүмкін. Мысалдарға жүрек катетеризациясы (короналық артериялардың бітелуін тексеру үшін) және бариймен жұту (асқазан-ішек жолының және жұтудың бұзылуларын тексеру үшін) жатады. Соңғы кездегі флюороскопия пациент пен оператор үшін сәулелену деңгейін тиімді төмендету үшін үздіксіз сәулеленудің орнына қысқа рентген импульстарын пайдаланады.

Жағымсыз әсерлер

Рентген сәулелері иондаушы сәулеленудің бір түрі болып табылады және оларды Дүниежүзілік денсаулық сақтау ұйымының Халықаралық қатерлі ісік зерттеу агенттігі мен АҚШ үкіметі канцероген ретінде жіктейді. Диагностикалық рентген сәулелері (әсіресе КТ сканерлерінен, қолданылатын дозасы жоғары болғандықтан) әсер еткен адамдарда даму проблемалары мен қатерлі ісік пайда болу қаупін арттырады. АҚШ-та қазіргі кездегі қатерлі ісіктердің 0,4%-ы бұрын жасалған компьютерлік томографияға (КТ) байланысты, ал 2007 жылғы КТ қолдану деңгейімен бұл көрсеткіш 1,5–2%-ға дейін өсуі мүмкін. Алайда, бұл мәселе күмән тудырады. Қатерлі ісік қаупі 1100 мГy дозасынан басталуы мүмкін. Диагностикалық рентген сәулелерінен туындайтын қосымша сәулелену орташа адамның 75 жасқа дейін қатерлі ісікке шалдығу қаупін 0,6–3,0% арттырады деп есептеледі. Сәулелену мөлшері рентгендік зерттеу түріне және дененің қандай бөлігіне әсер ететініне байланысты анықталады. КТ және флюорография қарапайым рентген сәулелеріне қарағанда жоғары дозадағы сәулеленуді қажет етеді. Қауіптілікті салыстыру үшін, қарапайым кеуде рентгені адамды 10 күн бойы күн сайын (жергілікті жағдайға байланысты) әсер ететін табиғи фондық сәулеленудің бірдей мөлшеріне ұшыратады, ал тіс рентгенінің әсері шамамен 1 күндік қоршаған ортаның фондық сәулеленуіне тең. Мұндай рентген сәулелерінің әрқайсысы өмір бойы қатерлі ісікке шалдығу қаупіне 1 миллионнан 1-ге дейін қосылады. Ішек немесе кеуде КТ-сы бүкіл денеге 2–3 жылдық немесе ішекке/кеудеге 4–5 жылдық табиғи фондық сәулеленуге тең болады, бұл өмір бойы қатерлі ісік пайда болу қаупін 1 мыңнан 1-ге дейін 10 мыңға дейін арттырады. Мысалы, кеуде КТ-сынан денеге тиімді доза шамамен 5 мСв, ал сіңген доза шамамен 14 мГy құрайды. Контрастты затпен және контрастсыз бір реттен жасалған бас КТ-сы (1,5 мСв, 64 мГy) 40 жыл бойы басқа тиетін табиғи сәулеленуге тең. КТ-дан туындайтын тиімді дозаны дәл бағалау қиын, өйткені ересектердің бас сканерлері үшін қолданылған әдіске байланысты бағалаудың қателік диапазоны шамамен ±19%-дан ±32%-ға дейін жетеді. Сәулелену қаупі ұрыққа көбірек әсер етеді, сондықтан жүкті әйелдерде зерттеудің пайдасы (рентгендік сәуле) ұрыққа төнген қауіппен салыстырылуы керек. Егер жүктілік кезеңінде 9 ай ішінде 1 рет сканерлеу жүргізілсе, ол ұрыққа зиян келтіруі мүмкін. Сондықтан жүкті әйелдер диагностикалық бейнелеу үшін ультрадыбысқа жүгінеді, өйткені ол сәулеленуді қолданбайды. Медициналық рентген сәулелері адам жасаған сәулеленудің маңызды көзі болып табылады. 1987 жылы олар АҚШ-та адам жасаған көздерден туындаған сәулеленудің 58%-ын құрады. Адам жасаған көздер жалпы сәулеленудің 18%-ын ғана құрағандықтан, олардың көп бөлігі табиғи көздерден (82%) келді, медициналық рентген сәулелері жалпы американдық сәулеленудің 10%-ын ғана құрады, ал медициналық процедуралардың барлығы (ядролық медицинаны қоса алғанда) жалпы сәулеленудің 14%-ын құрады. Алайда, 2006 жылы АҚШ-тағы медициналық процедуралар 1980 жылдардың басында болғанға қарағанда иондаушы сәулеленудің көп мөлшерін шығарды. 2006 жылы медициналық сәулелену АҚШ халқының барлық көздерден алатын жалпы сәулеленуінің жартысына жуығын құрады. Бұл өсім медициналық бейнелеу әдістерін, әсіресе компьютерлік томографияны (КТ) және ядролық медицинаны қолданудың өсуіне байланысты. Тіс рентгенінің дозасы процедура мен технологиясына (пленка немесе цифрлық) байланысты айтарлықтай өзгереді. Процедура мен технологияға байланысты, адамның бір тіс рентгенінен 5-40 мкСв сәулеленуге ұшырайды. Ауызды толық қамтитын рентгендік суреттер сериясы 60 (цифрлық) - 180 (пленкалық) мкСв-ге дейін, ал жылдық орташа көрсеткіш 400 мкСв-ге дейін жетеді. Қаржылық ынталандырулар рентген сәулелерін қолдануға елеулі әсер ететіндігі көрсетілді, өйткені әр рентген сәулесі үшін жеке төлем алатын дәрігерлер оларды көбірек тағайындайды. Ерте фотондық томография немесе ЭПТ (2015 жылғы мәліметтер бойынша) және басқа да әдістер рентген сәулелеріне бейнелеу саласындағы балама ретінде зерттелуде.

X rays are a form of ionizing radiation, and are classified as a carcinogen by both the World Health Organization's International Agency for Research on Cancer and the U. S. government. Diagnostic X rays (primarily from CT scans due to the large dose used) increase the risk of developmental problems and cancer in those exposed. It is estimated that 0.4% of current cancers in the United States are due to computed tomography (CT scans) performed in the past and that this may increase to as high as 1.5–2% with 2007 rates of CT usage. However, this is under increasing doubt. Cancer risk can start at the exposure of 1100 mGy. It is estimated that the additional radiation from diagnostic X rays will increase the average person's cumulative risk of getting cancer by age 75 by 0.6–3.0%. The amount of absorbed radiation depends upon the type of X ray test and the body part involved. CT and fluoroscopy entail higher doses of radiation than do plain X rays. To place the increased risk in perspective, a plain chest X ray will expose a person to the same amount from background radiation that people are exposed to (depending upon location) every day over 10 days, while exposure from a dental X ray is approximately equivalent to 1 day of environmental background radiation. Each such X ray would add less than 1 per 1,000,000 to the lifetime cancer risk. An abdominal or chest CT would be the equivalent to 2–3 years of background radiation to the whole body, or 4–5 years to the abdomen or chest, increasing the lifetime cancer risk between 1 per 1,000 to 1 per 10,000. For instance, the effective dose to the torso from a CT scan of the chest is about 5 mSv, and the absorbed dose is about 14 mGy. A head CT scan (1.5 mSv, 64 mGy) that is performed once with and once without contrast agent, would be equivalent to 40 years of background radiation to the head. Accurate estimation of effective doses due to CT is difficult with the estimation uncertainty range of about ±19% to ±32% for adult head scans depending upon the method used. The risk of radiation is greater to a fetus, so in pregnant patients, the benefits of the investigation (X ray) should be balanced with the potential hazards to the fetus. If there is 1 scan in 9 months, it can be harmful to the fetus. Therefore, women who are pregnant get ultrasounds as their diagnostic imaging because this does not use radiation. Medical X rays are a significant source of human made radiation exposure. In 1987, they accounted for 58% of exposure from human made sources in the United States. Since human made sources accounted for only 18% of the total radiation exposure, most of which came from natural sources (82%), medical X rays only accounted for 10% of total American radiation exposure; medical procedures as a whole (including nuclear medicine) accounted for 14% of total radiation exposure. By 2006, however, medical procedures in the United States were contributing much more ionizing radiation than was the case in the early 1980s. In 2006, medical exposure constituted nearly half of the total radiation exposure of the U. S. population from all sources. The increase is traceable to the growth in the use of medical imaging procedures, in particular computed tomography (CT), and to the growth in the use of nuclear medicine. Dosage due to dental X rays varies significantly depending on the procedure and the technology (film or digital). Depending on the procedure and the technology, a single dental X ray of a human results in an exposure of 5 to 40 μSv. A full mouth series of X rays may result in an exposure of up to 60 (digital) to 180 (film) μSv, for a yearly average of up to 400 μSv. Financial incentives have been shown to have a significant impact on X ray use with doctors who are paid a separate fee for each X ray providing more X rays. Early photon tomography or EPT (as of 2015) along with other techniques are being researched as potential alternatives to X rays for imaging applications.

Көріну мүмкіндігі

Жалпы алғанда, рентген сәулелерін адам көзімен көру мүмкін емес деп есептеледі, бірақ ерекше жағдайларда олар көрінеді. Брендес, Рентгеннің 1895 жылғы маңызды еңбегінен кейін өткізген тәжірибесінде, қараңғыға бейімделгеннен соң және көзін рентген түтігіне жақындатқанда, көздің ішінде пайда болатын сияқты әлсіз "көк-сұр" жарқырауды көргенін хабарлады. Бұл туралы естіген Рентген өзінің жазбаларын қарап, өзі де осы әсерді көргенін анықтады. Рентген рентгендік түтікті ағаш есіктің қарама-қарсы жағына қойғанда, сол көк жарқырауды байқаған, бірақ ол тек бір типтегі түтік қолданғанда ғана осыны көргендіктен, өз байқауларының қате болуы мүмкін деп ойлаған. Кейін ол, әсерді тудырған түтік ғана жарқырауды анық көруге жеткілікті қуатты болғанын, ал тәжірибе одан кейін оңай қайталанатынын түсінді. Х-сәулелерінің қараңғыға бейімделген қанағаттанған көзбен көрінетіні туралы білім қазіргі уақытта ұмытылған; бұл, әлдебір себептен, иондаушы сәулеленумен қауіпті және зиянды тәжірибе жасауды қайталауға ешкімнің құштар болмауынан туындаған болуы мүмкін. Көздің осы көрінуді тудыратын нақты механизмі белгісіз: бұл, мүмкін, дәстүрлі анықтау (көз торының құрамындағы родопсин молекулаларының қоздырылуы), көз торының жүйке жасушаларының тікелей қоздырылуы, немесе рентген сәулелерінің көздің ішінде фосфоресценцияны тудыруы және одан кейін шығарылған көру жарығын көз торы арқылы анықтау сияқты екіншілік анықтау нәтижесі болуы мүмкін. Рентген сәулелері көрінбейтін болса да, егер рентген сәулесінің қарқындылығы жеткілікті жоғары болса, ауа молекулаларының иондалуын көруге болады. Еуропалық синхротрондық сәулелену орталығындағы виглерден шығатын сәуле сызығы мұндай жоғары қарқындылықтың бір мысалы болып табылады.