Рентгеновское излучение: свойства, открытие и применение.

Введение

Форма электромагнитного излучения короткой длины волны.

Рентгеновские лучи (или гораздо реже – рентгеновское излучение) являются формой высокоэнергетического электромагнитного излучения. Во многих языках оно называется излучением Рентгена, в честь немецкого учёного Вильгельма Конрада Рентгена, который открыл его в 1895 году и назвал рентгеновским излучением, чтобы обозначить неизвестный тип излучения. Длина волны рентгеновских лучей короче, чем у ультрафиолетового излучения, и длиннее, чем у гамма-лучей. Не существует общепринятого чёткого определения границ рентгеновского диапазона. Приблизительно длина волны рентгеновских лучей составляет от 10 нанометров до 10 пикометров, что соответствует частотам в диапазоне от 30 петагерц до 30 экзагерц (от 3 до 3) и энергиям фотонов в диапазоне от 100 эВ до 100 кэВ соответственно. Рентгеновские лучи способны проникать сквозь многие твёрдые вещества, такие как строительные материалы и живые ткани, поэтому рентгенография широко используется в медицинской диагностике (например, для выявления переломов костей) и материаловедении (например, для идентификации некоторых химических элементов и обнаружения дефектов в строительных материалах). Однако рентгеновские лучи являются ионизирующим излучением, и воздействие высоких доз может быть опасно для здоровья, вызывая повреждение ДНК, рак, а при высоких дозах – ожоги и лучевую болезнь. Их производство и использование строго контролируются органами общественного здравоохранения.

Наблюдения и исследования до рентгена

До их открытия в 1895 году, рентгеновские лучи были просто одним из видов неидентифицированного излучения, исходившего из экспериментальных разрядных трубок. Они были замечены учеными, изучавшими катодные лучи, производимые такими трубками, которые представляют собой пучки энергичных электронов, впервые наблюдаемые в 1869 году. Многие из ранних трубок Крукса (изобретенных около 1875 года) несомненно излучали рентгеновские лучи, поскольку ранние исследователи отмечали эффекты, которые можно было им приписать, как подробно описано ниже. Трубки Крукса создавали свободные электроны путем ионизации остаточного воздуха в трубке высоким напряжением постоянного тока в диапазоне от нескольких киловольт до 100 кВ. Это напряжение разгоняло электроны, испускаемые катодом, до достаточно высокой скорости, чтобы они генерировали рентгеновские лучи при столкновении с анодом или стеклянной стенкой трубки. Считается, что первым экспериментатором, (неосознанно) получившим рентгеновские лучи, был Уильям Морган. В 1785 году он представил в Лондонское королевское общество статью, описывающую эффект пропускания электрического тока через частично эвакуированную стеклянную трубку, что приводило к свечению, вызванному рентгеновскими лучами. Эта работа была продолжена Хамфри Дэви и его ассистентом Майклом Фарадеем. Когда профессор физики Стэнфордского университета Фернандо Санфорд создал свою "электрическую фотографию", он также неосознанно генерировал и обнаруживал рентгеновские лучи. С 1886 по 1888 год он учился в лаборатории Германа фон Гельмгольца в Берлине, где ознакомился с катодными лучами, генерируемыми в вакуумных трубках при приложении напряжения к раздельным электродам, как это ранее изучали Генрих Герц и Филипп Ленард. Его письмо от 6 января 1893 года (описывающее его открытие как "электрическую фотографию") было опубликовано в журнале Physical Review, а статья под названием "Без линз и света: фотографии, сделанные с пластиной и объектом в темноте" появилась в San Francisco Examiner. Начиная с 1888 года Филипп Ленард проводил эксперименты, чтобы выяснить, могут ли катодные лучи выходить из трубки Крукса в воздух. Он построил трубку Крукса с "окном" на конце из тонкого алюминия, обращенным к катоду, чтобы катодные лучи попадали на него (позже названную "трубкой Ленарда"). Он обнаружил, что что-то проходит сквозь, способное экспонировать фотопластинки и вызывать флуоресценцию. Он измерил проникающую способность этих лучей через различные материалы. Предполагается, что по крайней мере часть этих "лучей Ленарда" на самом деле были рентгеновскими лучами. В 1889 году Иван Пулуж, преподаватель экспериментальной физики в Пражском политехническом институте, который с 1877 года разрабатывал различные конструкции газонаполненных трубок для изучения их свойств, опубликовал статью о том, как герметичные фотопластинки темнели при воздействии излучения из трубок. Гельмгольц сформулировал математические уравнения для рентгеновских лучей. Он выдвинул теорию дисперсии до открытия и объявления об этом Рентгеном, основываясь на электромагнитной теории света. Однако он не работал с самими рентгеновскими лучами. В 1894 году Никола Тесла заметил поврежденную пленку в своей лаборатории, которая, по-видимому, была связана с экспериментами с трубкой Крукса, и начал изучать эту невидимую, излучающую энергию. После того, как Рентген идентифицировал рентгеновские лучи, Тесла начал делать собственные рентгеновские снимки, используя высокие напряжения и трубки собственной конструкции, а также трубки Крукса.

Открытие Рентгена

8 ноября 1895 года немецкий профессор физики Вильгельм Рентген случайно обнаружил рентгеновские лучи во время экспериментов с трубками Ленарда и трубками Крукса и начал их изучать. Он написал предварительный доклад "О новом виде излучения: предварительное сообщение" и 28 декабря 1895 года представил его в журнал Физического медицинского общества Вюрцбурга. Это была первая научная работа, посвященная рентгеновским лучам. Рентген обозначил это излучение как "X", чтобы указать на его неизвестную природу. В некоторых ранних текстах их называли лучами Хи, интерпретируя "X" как заглавную греческую букву Хи, Χ. Название "рентгеновские лучи" закрепилось, хотя (несмотря на сильное возражение Рентгена) многие его коллеги предлагали называть их лучами Рентгена. Они до сих пор называются так во многих языках, включая немецкий, венгерский, украинский, датский, польский, чешский, болгарский, шведский, финский, португальский, эстонский, словенский, турецкий, русский, латышский, литовский, албанский, японский, голландский, грузинский, иврит, исландский и норвежский. Рентген получил первую Нобелевскую премию по физике за это открытие. Существуют различные версии его открытия, поскольку Рентген распорядился сжечь свои лабораторные записи после смерти, однако, наиболее вероятная реконструкция, предложенная его биографами, выглядит следующим образом: Рентген исследовал катодные лучи, исходящие из трубки Крукса, которую он обернул черным картоном, чтобы исключить влияние видимого света, используя флуоресцентный экран, покрытый платиноцианидом бария. Он заметил слабое зеленое свечение экрана на расстоянии около. Рентген понял, что невидимые лучи, исходящие из трубки, проходят сквозь картон и вызывают свечение экрана. Он обнаружил, что они также проходят сквозь книги и бумаги, лежавшие на его столе. Рентген приступил к систематическому изучению этих неизвестных лучей. Через два месяца после первоначального открытия он опубликовал свою работу. Рентген обнаружил их медицинское применение, когда сделал снимок руки своей жены на фотопластинке, проявившейся под воздействием рентгеновских лучей. Эта фотография руки его жены стала первым снимком части человеческого тела, полученным с помощью рентгеновских лучей. Увидев фотографию, она сказала: "Я увидела свою смерть". Открытие рентгеновских лучей вызвало огромный интерес. Биограф Рентгена Отто Глассер оценил, что только в 1896 году было опубликовано около 49 эссе и 1044 статьи, посвященных новым лучам. Вероятно, это консервативная оценка, учитывая, что практически все научные издания по всему миру широко освещали это открытие, а такие журналы, как Science, опубликовали до 23 статей только за этот год. Сенсационные реакции на новое открытие включали публикации, связывающие новый вид излучения с оккультными и паранормальными теориями, такими как телепатия.

Достижения в области радиологии

Рентген сразу же заметил, что рентгеновские лучи могут найти применение в медицине. Вместе со своей статьей, представленной в Физико-медицинское общество 28 декабря, он разослал письмо врачам, с которыми был знаком в Европе (1 января 1896 года). Новости (и создание "теневых изображений") распространились быстро: шотландский инженер-электрик Алан Арчибальд Кэмпбелл Свинтон стал первым после Рентгена, получившим рентгеновский снимок (руки). К февралю 46 исследователей приступили к освоению этой техники только в Северной Америке. В начале 1896 года, спустя несколько недель после открытия Рентгена, Иван Романович Тарханов облучал лягушек и насекомых рентгеновскими лучами и пришел к выводу, что лучи "не только создают изображения, но и воздействуют на живые функции". Примерно в то же время иллюстратор-зоолог Джеймс Грин начал использовать рентгеновские лучи для изучения хрупких экземпляров. Джордж Альберт Буленгер впервые упомянул об этой работе в докладе, представленном перед Зоологическим обществом Лондона в мае 1896 года. Книга Sciagraphs of British Batrachians and Reptiles (sciagraph – устаревшее название рентгеновской фотографии), написанная Грином и Джеймсом Гардинером с предисловием Буленгера, была опубликована в 1897 году. Первый медицинский рентгеновский снимок, сделанный в Соединенных Штатах, был получен с использованием разрядной трубки конструкции Пулуи. В январе 1896 года, ознакомившись с открытием Рентгена, Фрэнк Остин из Дартмутского колледжа протестировал все разрядные трубки в физической лаборатории и обнаружил, что рентгеновские лучи излучает только трубка Пулуи. Это было связано с тем, что Пулуи включил в конструкцию трубки наклонную "мишень" из слюды, предназначенную для удержания образцов флуоресцентного материала. 3 февраля 1896 года Гилман Фрост, профессор медицины в колледже, и его брат Эдвин Фрост, профессор физики, подвергли запястье Эдди Маккарти, которого Гилман несколько недель назад лечил от перелома, воздействию рентгеновских лучей и получили изображение сломанной кости на желатиновых фотографических пластинах, приобретенных у Говарда Лэнглилла, местного фотографа, также интересовавшегося работами Рентгена. Многие исследователи, включая самого Рентгена в его первых экспериментах, разработали методы просмотра рентгеновских изображений "в реальном времени" с использованием различных типов люминесцентных экранов.

Обнаруженные опасности

После того как в 1895 году ученые, врачи и изобретатели начали широко экспериментировать с рентгеновскими лучами, в технических журналах того времени появилось множество сообщений об ожогах, выпадении волос и более серьезных последствиях. В феврале 1896 года профессор Джон Дэниел и Уильям Лофланд Дадли из Университета Вандербильта сообщили о выпадении волос после облучения Дадли рентгеновскими лучами. В 1896 году в лабораторию Вандербильта доставили ребенка с огнестрельным ранением головы. Прежде чем приступить к поиску пули, был проведен эксперимент, для которого Дадли "с его неизменной преданностью науке" вызвался добровольцем. Дэниел сообщил, что через 21 день после рентгенографии черепа Дадли (с экспозицией в один час) он заметил лысое пятно диаметром на той части головы, которая была ближе всего к рентгеновской трубке: "Держатель пластин с пластинами, обращенными к стороне черепа, был закреплен, а между черепом и головой поместили монету. Трубку закрепили с другой стороны на расстоянии половины дюйма от волос". Помимо ожогов, выпадения волос и рака, рентгеновские лучи в зависимости от дозы облучения могут быть связаны с бесплодием у мужчин. В августе 1896 года Х.Д. Хокс, выпускник Колумбийского колледжа, получил тяжелые ожоги рук и груди во время демонстрации рентгеновских лучей. Об этом было сообщено в журнале Electrical Review, что привело к поступлению в редакцию множества других сообщений о проблемах, связанных с рентгеновскими лучами. Многие экспериментаторы, включая Элиу Томсона из лаборатории Эдисона, Уильяма Дж. Мортона и Николу Теслу, также сообщали об ожогах. Элиу Томсон намеренно подвергал палец воздействию рентгеновской трубки в течение определенного времени и страдал от боли, отека и волдырей. В некоторых случаях за повреждения обвиняли и другие факторы, такие как ультрафиолетовое излучение и (по мнению Теслы) озон. У Холла Эдвардса развился рак (тогда называемый рентгеновским дерматитом), который к 1904 году достиг такой стадии, что он начал писать статьи и выступать с публичными лекциями об опасности рентгеновских лучей. В 1908 году ему ампутировали левую руку в области локтя, а вскоре после этого – четыре пальца на правой руке, оставив только большой палец. Он умер от рака в 1926 году. Его левая рука хранится в Бирмингемском университете.

XX век и далее

Многочисленные применения рентгеновских лучей сразу же вызвали огромный интерес. Мастерские начали изготавливать специализированные версии трубок Крукса для генерации рентгеновских лучей, и эти трубки первого поколения с холодным катодом или трубки Крукса использовались примерно до 1920 года. Типичная медицинская рентгеновская система начала 20-го века состояла из катушки Румкорфа, соединенной с рентгеновской трубкой Крукса с холодным катодом. Искровой промежуток обычно подключался к стороне высокого напряжения параллельно трубке и использовался в диагностических целях. Искровой промежуток позволял определять полярность искр, измерять напряжение по длине искр, тем самым определяя "жесткость" вакуума в трубке, а также обеспечивал нагрузку в случае отключения рентгеновской трубки. Для определения жесткости трубки искровой промежуток сначала открывался до максимального значения. Во время работы катушки оператор уменьшал промежуток до появления искр. Трубка, в которой искровой промежуток начинал искрить при значении около, считалась мягкой (с низким вакуумом) и подходила для тонких частей тела, таких как руки и предплечья. Искра указывала на то, что трубка подходит для плеч и коленей. Искра свидетельствовала о более высоком вакууме, подходящем для визуализации живота крупных пациентов. Поскольку искровой промежуток был соединен параллельно с трубкой, его необходимо было размыкать до прекращения искрения для проведения визуализации. Время экспозиции для рентгеновских пленок составляло около получа минуты для руки и до двух минут для грудной клетки. В пленки могли добавлять небольшое количество флуоресцирующей соли для сокращения времени экспозиции. В 1913 году Генри Мозли провел кристаллографические эксперименты с рентгеновскими лучами, испускаемыми различными металлами, и сформулировал закон Мозли, который связывает частоту рентгеновских лучей с атомным номером металла. Рентгеновская трубка Кулиджа была изобретена в том же году Уильямом Д. Кулиджем. Она позволила получить непрерывное излучение рентгеновских лучей. Современные рентгеновские трубки основаны на этой конструкции, часто с использованием вращающихся анодов, которые обеспечивают значительно более высокий отвод тепла, чем статические аноды, что позволяет увеличить интенсивность рентгеновского излучения для использования в мощных приложениях, таких как ротационные КТ-сканеры. Использование рентгеновских лучей в медицинских целях (которое впоследствии развилось в лучевую терапию) было впервые применено майором Джоном Холлом Эдвардсом в Бирмингеме, Англия. В 1908 году ему пришлось ампутировать левую руку из-за распространения рентгеновского дерматита на руке. Медицинская наука также использовала кинематограф для изучения физиологии человека. В 1913 году в Детройте был снят фильм, показывающий вареное яйцо внутри человеческого желудка. Этот ранний рентгеновский фильм записывался со скоростью одного кадра каждые четыре секунды. Доктор Льюис Грегори Коул из Нью-Йорка был пионером этой техники, которую он назвал "серийной рентгенографией". В 1918 году рентгеновские лучи использовались в сочетании с кинокамерами для регистрации движений человеческого скелета. В 1920 году они использовались для записи движений языка и зубов при изучении языков Институтом фонетики в Англии. В 1914 году Мария Кюри разработала передвижные рентгеновские установки для оказания помощи раненым солдатам в Первой мировой войне. Эти установки позволяли быстро получать рентгеновские снимки раненых солдат, чтобы полевые хирурги могли быстро и точно проводить операции. С начала 1920-х годов до 1950-х годов разрабатывались рентгеновские аппараты для помощи в подборе обуви, которые продавались в обувных магазинах. В 1950-х годах были выражены опасения по поводу последствий частого или неконтролируемого использования, что привело к прекращению этой практики к концу десятилетия. Рентгеновский микроскоп был разработан в 1950-х годах. Рентгеновская обсерватория Чандра, запущенная 23 июля 1999 года, позволяет изучать очень энергичные процессы во Вселенной, которые производят рентгеновские лучи. В отличие от видимого света, который дает относительно стабильную картину Вселенной, рентгеновская Вселенная нестабильна. Она демонстрирует звезды, разорванные черными дырами, столкновения галактик, новые звезды и нейтронные звезды, которые накапливают слои плазмы, а затем взрываются в космос. Рентгеновский лазер был предложен в рамках Стратегической оборонной инициативы администрации Рейгана в 1980-х годах, но единственное испытание устройства (своего рода лазерный "бластер" или луч смерти, работающий от термоядерного взрыва) дало неубедительные результаты. По техническим и политическим причинам весь проект (включая рентгеновский лазер) был лишен финансирования (хотя позже был возрожден администрацией второго Буша в рамках Национальной системы противоракетной обороны с использованием других технологий). Фазово-контрастная рентгеновская визуализация относится к ряду методов, использующих фазовую информацию рентгеновского пучка для формирования изображения. Благодаря высокой чувствительности к различиям в плотности она особенно полезна для визуализации мягких тканей. Она стала важным методом визуализации клеточных и гистологических структур в широком спектре биологических и медицинских исследований. Существует несколько технологий, используемых для фазово-контрастной рентгеновской визуализации, все они основаны на различных принципах преобразования фазовых изменений в рентгеновских лучах, выходящих из объекта, в изменения интенсивности. К ним относятся фазово-контрастная визуализация на основе распространения, тальботова интерферометрия и рентгеновская интерферометрия. Эти методы обеспечивают более высокий контраст по сравнению с обычной рентгеновской визуализацией на основе поглощения, что позволяет различать детали с почти одинаковой плотностью. Недостатком является то, что эти методы требуют более сложного оборудования, такого как синхротронные или микрофокусные рентгеновские источники, рентгеновская оптика и высокоразрешающие рентгеновские детекторы.

Мягкие и твердые рентгеновские лучи

Рентгеновские лучи с высокими энергиями фотонов выше 5–10 кэВ (длиной волны менее 0,2–0,1 нм) называются жёсткими рентгеновскими лучами, а лучи с более низкой энергией (и большей длиной волны) – мягкими рентгеновскими лучами. Промежуточный диапазон с энергиями фотонов в несколько кэВ часто называют мягкими рентгеновскими лучами в среднем диапазоне. Благодаря своей проникающей способности жёсткие рентгеновские лучи широко используются для визуализации внутренней структуры объектов (например, в медицинской рентгенографии и системах безопасности в аэропортах). Термин «рентгеновские лучи» метонимически используется для обозначения рентгенографического изображения, полученного этим методом, наряду с самим методом. Поскольку длины волн жёстких рентгеновских лучей сопоставимы с размерами атомов, они также полезны для определения кристаллической структуры методом рентгеновской кристаллографии. В отличие от них, мягкие рентгеновские лучи легко поглощаются воздухом; длина затухания рентгеновских лучей с энергией 600 эВ (~2 нм) в воде составляет менее 1 микрометра.

Гамма-лучи

Нет единого мнения относительно определения, позволяющего разграничить рентгеновское и гамма-излучение. Распространенной практикой является различение этих двух типов излучения по источнику: рентгеновское излучение испускается электронами, а гамма-излучение – атомным ядром. Однако это определение имеет ряд недостатков: другие процессы также могут генерировать фотоны высокой энергии, или же способ их генерации может быть неизвестен. Альтернативным подходом является разграничение рентгеновского и гамма-излучения на основе длины волны (или, что эквивалентно, частоты или энергии фотона), при этом излучение с длиной волны менее некоторого произвольного значения, например, 10−11 м (0,1 Å), классифицируется как гамма-излучение. Этот критерий позволяет однозначно отнести фотон к определенной категории, но применим только при известной длине волны. (Некоторые методы измерения не позволяют различать зарегистрированные длины волн.) Тем не менее, эти два определения часто согласуются, поскольку электромагнитное излучение, испускаемое рентгеновскими трубками, как правило, имеет большую длину волны и меньшую энергию фотонов, чем излучение, испускаемое радиоактивными ядрами.

Свойства

Рентгеновские фотоны несут в себе достаточно энергии для ионизации атомов и разрыва молекулярных связей. Это делает их видом ионизирующего излучения и, следовательно, опасным для живых тканей. Очень высокая доза радиации за короткий промежуток времени вызывает ожоги и лучевую болезнь, в то время как более низкие дозы могут повысить риск развития рака, вызванного облучением. В медицинской визуализации этот повышенный риск рака обычно значительно перевешивается пользой от обследования. Ионизирующая способность рентгеновских лучей используется в лечении рака для уничтожения злокачественных клеток посредством лучевой терапии. Также они применяются для характеристики материалов с помощью рентгеновской спектроскопии. Жесткие рентгеновские лучи могут проникать через относительно толстые объекты, практически не поглощаясь и не рассеиваясь. Именно поэтому рентгеновские лучи широко используются для визуализации внутренней структуры визуально непрозрачных объектов. Наиболее распространенные области применения – медицинская рентгенография и сканеры безопасности в аэропортах, но аналогичные методы также важны в промышленности (например, промышленная рентгенография и промышленная компьютерная томография) и научных исследованиях (например, компьютерная томография мелких животных). Глубина проникновения изменяется на несколько порядков величины в зависимости от спектра рентгеновского излучения. Это позволяет подбирать энергию фотонов в соответствии с задачей, обеспечивая достаточную проницаемость объекта и одновременно хороший контраст изображения. Рентгеновские лучи имеют гораздо более короткую длину волны, чем видимый свет, что позволяет исследовать структуры, значительно меньшие, чем те, которые можно увидеть в обычный микроскоп. Это свойство используется в рентгеновской микроскопии для получения изображений высокого разрешения, а также в рентгеновской кристаллографии для определения положения атомов в кристаллах.

Взаимодействие с материей

Рентгеновские лучи взаимодействуют с веществом тремя основными способами: фотоабсорбцией, рассеянием Комптона и рассеянием Рэлея. Интенсивность этих взаимодействий зависит от энергии рентгеновских лучей и элементного состава материала, но мало зависит от химических свойств, поскольку энергия фотона рентгеновского излучения значительно превышает энергии химических связей. Фотоабсорбция, или фотоэлектрическая абсорбция, является преобладающим механизмом взаимодействия в диапазоне мягких рентгеновских лучей и при низких энергиях жестких рентгеновских лучей. При более высоких энергиях преобладает рассеяние Комптона.

Фотоэлектрическая поглощение

Вероятность фотоэлектрического поглощения на единицу массы приблизительно пропорциональна Z³/E³, где Z – атомный номер, а E – энергия падающего фотона. Это правило недействительно вблизи энергий связывания электронов внутренних оболочек, где наблюдаются резкие изменения в вероятности взаимодействия, так называемые края поглощения. Однако общая тенденция высоких коэффициентов поглощения и, следовательно, малой глубины проникновения для низких энергий фотонов и высоких атомных чисел весьма выражена. Для мягких тканей фотопоглощение преобладает до энергии фотонов примерно 26 кэВ, после чего доминирует комптоновское рассеяние. Для веществ с более высоким атомным числом этот предел выше. Высокое содержание кальция (Z = 20) в костях, в сочетании с их высокой плотностью, объясняет их четкую видимость на медицинских рентгенограммах. Фотопоглощенный фотон передает всю свою энергию электрону, с которым он взаимодействует, ионизируя атом, к которому был присоединен электрон, и создавая фотоэлектрон, который, вероятно, ионизирует другие атомы на своем пути. Внешний электрон заполняет образовавшуюся вакансию, испуская либо характеристическое рентгеновское излучение, либо электрон Оже. Эти эффекты могут быть использованы для элементного анализа посредством рентгеновской спектроскопии или спектроскопии электронов Оже.

Комптоновое рассеивание

Комптоновское рассеяние является преобладающим взаимодействием между рентгеновскими лучами и мягкими тканями в медицинской визуализации. Комптоновское рассеяние – это неэластичное рассеяние фотона рентгеновского излучения электроном внешней оболочки. Часть энергии фотона передается рассеивающемуся электрону, что приводит к ионизации атома и увеличению длины волны рентгеновского излучения. Рассеянный фотон может распространяться в любом направлении, но направление, близкое к исходному, более вероятно, особенно для рентгеновских лучей высокой энергии. Вероятность рассеяния под различными углами описывается формулой Клейна — Нишины. Переданная энергия может быть напрямую определена по углу рассеяния на основе законов сохранения энергии и импульса.

Рассеяние Рэйли

Рассеяние Рэлея является доминирующим механизмом упругого рассеяния в рентгеновском диапазоне. Неупругое рассеяние в прямом направлении обуславливает показатель преломления, который для рентгеновских лучей лишь незначительно меньше 1.

Производство

Когда заряженные частицы (электроны или ионы) с достаточной энергией сталкиваются с материалом, генерируются рентгеновские лучи.

Производство электронов

+ Характерные линии рентгеновского излучения для некоторых распространенных анодных материалов. Материал анода Атомный номер Энергия фотона [кэВ] Длина волны [нм] 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 Рентгеновские лучи могут генерироваться в рентгеновской трубке – вакуумной лампе, использующей высокое напряжение для ускорения электронов, испускаемых горячим катодом, до высокой скорости. Высокоскоростные электроны сталкиваются с металлической мишенью, анодом, создавая рентгеновское излучение. В медицинских рентгеновских трубках в качестве мишени обычно используют вольфрам или более устойчивый к растрескиванию сплав рения (5%) и вольфрама (95%), но иногда и молибден для более специализированных применений, например, когда требуются менее жесткие рентгеновские лучи, как в маммографии. В кристаллографии наиболее часто используется медная мишень, а кобальт часто применяют, когда флуоресценция от содержания железа в образце может создавать помехи. Максимальная энергия фотона рентгеновского излучения ограничена энергией падающего электрона, которая равна напряжению на трубке, умноженному на заряд электрона. Таким образом, трубка на 80 кВ не может генерировать рентгеновские лучи с энергией более 80 кэВ. Когда электроны попадают на мишень, рентгеновские лучи создаются двумя различными атомными процессами: Характерное рентгеновское излучение (рентгеновская электролюминесценция): если электрон обладает достаточной энергией, он может выбить орбитальный электрон из внутренней электронной оболочки атома мишени. Затем электроны с более высоких энергетических уровней заполняют образовавшиеся вакансии, и излучаются рентгеновские фотоны. Этот процесс создает эмиссионный спектр рентгеновских лучей с несколькими дискретными частотами, иногда называемыми спектральными линиями. Обычно это переходы из верхних оболочек в оболочку K (называемые K-линиями), в оболочку L (называемые L-линиями) и так далее. Переход от 2p к 1s называется Kα, а от 3p к 1s – Kβ. Частоты этих линий зависят от материала мишени и поэтому называются характеристическими линиями. Линия Kα обычно имеет большую интенсивность, чем Kβ, и более предпочтительна в дифракционных экспериментах. Поэтому линия Kβ фильтруется с помощью фильтра. Фильтр обычно изготавливается из металла, имеющего на один протон меньше, чем материал анода (например, Ni-фильтр для Cu-анода или Nb-фильтр для Mo-анода). Тормозное излучение: это излучение, испускаемое электронами при рассеянии в сильном электрическом поле вблизи ядер. Эти рентгеновские лучи имеют непрерывный спектр. Частота тормозного излучения ограничена энергией падающих электронов. Таким образом, выходное излучение трубки состоит из непрерывного спектра тормозного излучения, убывающего до нуля при напряжении на трубке, а также нескольких пиков на характеристических линиях. Напряжения, используемые в диагностических рентгеновских трубках, варьируются примерно от 20 кВ до 150 кВ, следовательно, максимальные энергии фотонов рентгеновского излучения варьируются примерно от 20 кэВ до 150 кэВ. Оба этих процесса генерации рентгеновских лучей неэффективны: только около одного процента электрической энергии, потребляемой трубкой, преобразуется в рентгеновские лучи, и большая часть электрической мощности, потребляемой трубкой, рассеивается в виде тепла. При создании полезного потока рентгеновских лучей рентгеновская трубка должна быть спроектирована для рассеивания избыточного тепла. Специализированным источником рентгеновских лучей, который все шире используется в исследованиях, является синхротронное излучение, генерируемое ускорителями частиц. Его уникальные особенности – выход рентгеновского излучения на много порядков больше, чем у рентгеновских трубок, широкий спектр рентгеновского излучения, отличная коллимация и линейная поляризация. Короткие наносекундные импульсы рентгеновского излучения с пиком энергии 15 кэВ могут быть надежно получены путем отслаивания чувствительной к давлению клейкой ленты от ее подложки в умеренном вакууме. Вероятно, это результат рекомбинации электрических зарядов, образовавшихся в результате трибоэлектрического заряда. Интенсивность рентгеновской триболюминесценции достаточна для использования в качестве источника для рентгеновской визуализации.

Производство быстрыми положительными ионами

Рентгеновские лучи также могут быть получены при помощи быстрых протонов или других положительных ионов. Протонно-индуцированная рентгеновская эмиссия, или рентгеновская эмиссия, вызванная частицами, широко используется как аналитический метод. При высоких энергиях сечение образования пропорционально Z1²Z2⁻⁴, где Z1 – атомный номер иона, а Z2 – атомный номер атома-мишени. Обзор этих сечений приведен в том же источнике.

Производство в виде молнии и лабораторных выбросов

Рентгеновское излучение также возникает в молниях, сопровождающих наземные гамма-вспышки. Основной механизм заключается в ускорении электронов в электрических полях, связанных с молнией, и последующем создании фотонов посредством тормозного излучения. Это приводит к образованию фотонов с энергиями от нескольких кэВ до нескольких десятков МэВ. В лабораторных разрядах с зазором длиной около 1 метра и пиковым напряжением 1 МВ наблюдается рентгеновское излучение с характерной энергией 160 кэВ. Одним из возможных объяснений является столкновение двух стриймеров и образование высокоэнергетических электронов, убегающих от поля; однако микроскопические моделирования показали, что длительность усиления электрического поля между двумя стриймерами слишком мала для создания значительного количества таких электронов. Недавно было предложено, что возмущения воздуха вблизи стриймеров могут способствовать образованию электронов, убегающих от поля, и, следовательно, рентгеновского излучения при разрядах.

Детекторы

Рентгеновские детекторы различаются по форме и функциям в зависимости от их назначения. Детекторы для визуализации, такие как используемые в рентгенографии, изначально основывались на фотографических пластинах, а затем на фотопленке, но сейчас в основном заменяются различными типами цифровых детекторов, такими как пластины с изображением и детекторы с плоской панелью. Для радиационной защиты опасность прямого воздействия часто оценивается с помощью ионизационных камер, а дозиметры используются для измерения дозы облучения, полученной человеком. Спектры рентгеновского излучения можно измерять с помощью энергодисперсионных или волнодисперсионных спектрометров. В приложениях рентгеновской дифракции, таких как рентгеновская кристаллография, широко используются гибридные детекторы счета фотонов.

Медицинское применение

С тех пор как Рентген обнаружил, что рентгеновские лучи способны выявлять костные структуры, они стали использоваться для медицинской визуализации. Первое медицинское применение произошло менее чем через месяц после публикации его работы на эту тему. В 2006 году доля облучения, полученного при медицинских исследованиях, составляла около 50% от общего облучения ионизирующим излучением в Соединенных Штатах. Проекционные рентгенограммы полезны для обнаружения патологии скелетной системы, а также некоторых заболеваний мягких тканей. Примерами служат широко распространенная рентгенография грудной клетки, позволяющая выявлять заболевания легких, такие как пневмония, рак легких или отек легких, и рентгенография брюшной полости, с помощью которой можно обнаружить кишечную (или кишечную) непроходимость, свободный газ (при висцеральных перфорациях) и свободную жидкость (при асците). Рентгеновские лучи также могут использоваться для выявления патологий, таких как желчные камни (которые редко являются радиоконтрастными) или камни в почках, которые часто (но не всегда) видны. Традиционные рентгеновские лучи менее эффективны при визуализации мягких тканей, таких как мозг или мышцы. Областью широкого применения проекционных рентгенограмм является оценка положения ортопедического имплантата, например, эндопротеза коленного, тазобедренного или плечевого сустава, относительно окружающей костной ткани. Это можно оценить в двух измерениях на обычных рентгенограммах или в трех измерениях с использованием метода, называемого «регистрация 2D-3D». Утверждается, что эта техника устраняет ошибки проекции, связанные с оценкой положения имплантата на обычных рентгенограммах. Стоматологическая рентгенография обычно используется для диагностики распространенных проблем полости рта, таких как кариес. В медицинских диагностических целях нежелательны рентгеновские лучи с низкой энергией (мягкие), поскольку они полностью поглощаются организмом, увеличивая дозу облучения, не внося вклад в формирование изображения. Поэтому над окном рентгеновской трубки обычно помещают тонкий металлический лист, часто из алюминия, называемый рентгеновским фильтром, который поглощает низкоэнергетическую часть спектра. Этот процесс называется «затвердением пучка», поскольку он смещает центр спектра в сторону рентгеновских лучей с более высокой энергией (или «жестких»). Для получения изображения сердечно-сосудистой системы, включая артерии и вены (ангиография), сначала делается снимок интересующей анатомической области. Затем делается второй снимок той же области после введения йодированного контрастного вещества в кровеносные сосуды. Эти два изображения затем вычитаются цифровым способом, в результате чего остается изображение только йодированного контраста, очерчивающего кровеносные сосуды. Рентгенолог или хирург сравнивает полученное изображение с нормальными анатомическими изображениями, чтобы определить наличие повреждений или закупорки сосуда.

Компьютерная томография

Компьютерная томография (КТ-сканирование) – это метод медицинской визуализации, при котором томографические изображения или срезы определенных областей тела получаются из большого количества двухмерных рентгеновских снимков, сделанных под разными углами. Эти изображения в поперечном сечении можно объединить в трехмерное изображение внутренних органов и тканей. КТ-сканирование – это более быстрый и экономически выгодный метод визуализации, который может использоваться в диагностических и терапевтических целях в различных областях медицины. В простейшем варианте флюороскоп состоит из рентгеновского источника и флуоресцентного экрана, между которыми располагается пациент. Однако современные флюороскопы сочетают экран с рентгеновским преобразователем изображения и видеокамерой ПЗС, что позволяет записывать и отображать изображения на мониторе. В этом методе может применяться контрастное вещество. Примеры включают катетеризацию сердца (для выявления закупорки коронарных артерий) и бариевую клизму (для исследования заболеваний пищевода и расстройств глотания). В настоящее время современные флюороскопы используют короткие импульсы рентгеновского излучения вместо непрерывного потока, что эффективно снижает дозу облучения как для пациента, так и для персонала.

Побочные эффекты

Рентгеновские лучи являются формой ионизирующего излучения и классифицируются как канцерогены как Международным агентством по исследованию рака Всемирной организации здравоохранения, так и правительством США. Диагностические рентгеновские лучи (преимущественно от компьютерной томографии (КТ) из-за используемой высокой дозы) повышают риск развития проблем с развитием и рака у облученных. По оценкам, 0,4% всех случаев рака в Соединенных Штатах связаны с ранее выполненными исследованиями компьютерной томографии (КТ), и эта цифра может возрасти до 1,5–2% при сохранении уровня использования КТ 2007 года. Однако это утверждение подвергается все большему сомнению. Риск развития рака может начинаться при воздействии дозы в 1100 мГр. Предполагается, что дополнительное облучение от диагностических рентгеновских лучей увеличит кумулятивный риск развития рака у среднего человека к 75 годам на 0,6–3,0%. Величина поглощенного излучения зависит от типа рентгеновского исследования и обследуемой части тела. КТ и флюороскопия связаны с более высокими дозами облучения, чем обычные рентгеновские снимки. Для оценки повышенного риска: обычный рентген грудной клетки подвергает человека воздействию такого же уровня фонового излучения, которому люди подвергаются (в зависимости от местоположения) в течение 10 дней, в то время как облучение при рентгене зубов примерно эквивалентно одному дню фонового излучения окружающей среды. Каждый такой рентген увеличивает риск развития рака в течение жизни менее чем на 1 случай на 1 000 000 человек. КТ брюшной полости или грудной клетки эквивалентна 2–3 годам фонового облучения всего тела или 4–5 годам для брюшной полости или грудной клетки, что увеличивает риск развития рака в течение жизни от 1 на 1000 до 1 на 10 000. Например, эффективная доза облучения туловища при КТ грудной клетки составляет около 5 мЗв, а поглощенная доза – около 14 мГр. КТ головы (1,5 мЗв, 64 мГр), выполненная один раз с контрастным веществом и один раз без него, эквивалентна 40 годам фонового облучения головы. Точная оценка эффективных доз при КТ затруднена из-за диапазона неопределенности оценки, составляющего от ±19% до ±32% для сканирования головы взрослых, в зависимости от используемого метода. Риск облучения выше для плода, поэтому у беременных пациенток преимущества исследования (рентгеновского излучения) должны быть сопоставлены с потенциальными рисками для плода. Одно исследование в течение 9 месяцев может быть вредным для плода. Поэтому беременным женщинам для диагностики обычно проводят ультразвуковые исследования, поскольку они не используют ионизирующее излучение. Медицинские рентгеновские лучи являются значительным источником облучения, вызванного деятельностью человека. В 1987 году они составляли 58% облучения от антропогенных источников в Соединенных Штатах. Поскольку антропогенные источники составляли лишь 18% от общего облучения, большая часть которого приходилась на природные источники (82%), медицинские рентгеновские лучи составляли лишь 10% от общего облучения населения США; медицинские процедуры в целом (включая ядерную медицину) составляли 14% от общего облучения. Однако к 2006 году медицинские процедуры в Соединенных Штатах вносили гораздо больший вклад в ионизирующее излучение, чем в начале 1980-х годов. В 2006 году медицинское облучение составляло почти половину общего облучения населения США из всех источников. Это увеличение связано с ростом использования методов медицинской визуализации, особенно компьютерной томографии (КТ), и с ростом использования ядерной медицины. Доза облучения при рентгене зубов значительно варьируется в зависимости от процедуры и технологии (пленка или цифровая). В зависимости от процедуры и технологии, однократное рентгеновское облучение зуба человека приводит к воздействию от 5 до 40 мкЗв. Полный набор рентгеновских снимков зубов может привести к облучению до 60 (цифровой) или 180 (пленочной) мкЗв, при среднегодовом уровне до 400 мкЗв. Показано, что финансовые стимулы оказывают значительное влияние на частоту использования рентгеновских лучей, поскольку врачи, которым выплачивается отдельная плата за каждый рентген, назначают больше рентгеновских снимков. Ранняя фотонная томография (ЭПТ) (по состоянию на 2015 год) и другие методы исследуются как потенциальные альтернативы рентгеновским лучам для визуализации.

Видимость

Хотя обычно считается, что рентгеновские лучи невидимы для человеческого глаза, при определенных обстоятельствах они могут становиться видимыми. Брандес, в эксперименте вскоре после основополагающей работы Рентгена 1895 года, сообщил, что после адаптации к темноте и поднесения глаза к рентгеновской трубке он увидел слабое "сине-серое" свечение, которое, казалось, исходило изнутри самого глаза. Услышав об этом, Рентген пересмотрел свои записи и обнаружил, что он тоже наблюдал подобный эффект. Размещая рентгеновскую трубку с противоположной стороны деревянной двери, Рентген заметил то же синее свечение, будто исходившее от глаза, но посчитал свои наблюдения ошибочными, поскольку эффект проявлялся только при использовании определенного типа трубки. Позже он понял, что именно эта трубка была достаточно мощной, чтобы сделать свечение отчетливо видимым, и эксперимент впоследствии стал легко воспроизводимым. Знание о том, что рентгеновские лучи действительно слабо видны темно-адаптированному невооруженному глазу, сегодня в значительной степени забыто, вероятно, из-за нежелания повторять эксперимент, который сейчас был бы расценен как безрассудно опасный и потенциально вредный с точки зрения воздействия ионизирующего излучения. Неизвестно, какой именно механизм в глазу обеспечивает эту видимость: она может быть обусловлена обычным обнаружением (возбуждением молекул родопсина в сетчатке), прямым возбуждением клеток сетчатки или вторичным обнаружением, например, посредством рентгеновской индукции фосфоресценции в глазном яблоке с последующим обычным обнаружением сетчаткой вторично образованного видимого света. Несмотря на то, что рентгеновские лучи в иных случаях невидимы, можно наблюдать ионизацию молекул воздуха при достаточно высокой интенсивности рентгеновского пучка. Пример такой высокой интенсивности – пучок излучения от виглера в Европейском центре синхротронного излучения.