Рентгеновское излучение: принцип работы¶
Рентгеновское излучение — это электромагнитное излучение с длиной волны от 0,001 до 10 нанометров, расположенное в спектре между гамма-излучением и ультрафиолетовым излучением. Открыто немецким физиком Вильгельмом Рентгеном 8 ноября 1895 года в Вюрцбургском университете. Рентгеновские лучи обладают высокой проникающей способностью, вызывают люминесценцию веществ и ионизацию газов, что и определяет их применение в медицине, промышленной дефектоскопии и научных исследованиях.
¶Природа рентгеновских лучей
Рентгеновское излучение разделяют на два типа: тормозное (непрерывное) и характеристическое (линейчатое).
Тормозное излучение возникает при торможении быстрых электронов в веществе. Когда электрон, разогнанный разностью потенциалов в 20–150 кВ, попадает в анод (обычно вольфрамовый), он тормозится о атомы мишени, теряя кинетическую энергию. Часть этой энергии преобразуется в фотоны рентгеновского излучения. Спектр тормозного излучения непрерывен: минимальная длина волны λmin определяется формулой Дюамеля: λmin = hc/(eU), где U — напряжение на трубке. Максимальная энергия фотона при этом равна полной энергии электрона.
Характеристическое излучение возникает, когда быстрый электрон выбивает внутренний электрон из атома мишени. При заполнении вакансии электроном с более высокого энергетического уровня испускается фотон с энергией, равной разности энергий уровней. Так как энергетические уровни атомов дискретны, спектр состоит из отдельных линий, характерных для данного элемента. Для вольфрама наиболее интенсивны линии Kα (59,3 кэВ) и Kβ (67,2 кэВ).
¶Как устроена рентгеновская трубка
Основной прибор для получения рентгеновских лучей — рентгеновская трубка. Современные трубки представляют собой стеклянные или металлические колбы с высоким вакуумом, содержащие два электрода: катод и анод (мишень).
Катод выполнен в виде вольфрамовой нити накала. При пропускании через неё тока нить разогревается до 2000–2500 °C, и с неё испускаются электроны за счёт термоэлектронной эмиссии. Напряжение между катодом и анодом (обычно 20–150 кВ) ускоряет электроны в сторону мишени.
Анод обычно изготовлен из вольфрама (для медицинских аппаратов) или меди, молибдена (для маммографии). Мишень расположена под углом 10–20° к оси пучка, что позволяет направить рентгеновские лучи в нужную сторону и увеличить площадь эффективного излучения. Около 99% энергии электронов преобразуется в тепло, поэтому анод охлаждают маслом, водой или с помощью вращающейся конструкции, где тепловая нагрузка распределяется по всей поверхности диска.
Для получения пучка определённой жёсткости используют фильтры — тонкие пластинки из алюминия, меди или других металлов, поглощающие мягкие (низкоэнергетичные) компоненты излучения.
¶Взаимодействие рентгеновских лучей с веществом
При прохождении через вещество рентгеновские лучи ослабляются за счёт трёх основных процессов:
- Фотоэффект — поглощение фотона атомом с выбиванием электрона. Преобладает при низких энергиях и для веществ с большим атомным номером.
- Комптоновское рассеяние — неупругое рассеяние фотонов на свободных или слабосвязанных электронах. Преобладает в среднем энергетическом диапазоне.
- Образование пар — возникновение электрона и позитрона при энергии фотона свыше 1,02 МэВ. Для диагностических рентгеновских аппаратов этот процесс незначителен.
Степень ослабления пучка описывается законом Бугера — Ламберта — Беля: I = I₀·e^(−μx), где μ — линейный коэффициент поглощения, зависящий от энергии излучения, атомного номера и плотности вещества. Именно различие в коэффициентах поглощения тканями разной плотности (кость, мягкие ткани, воздух) создаёт контраст на рентгеновском снимке.
¶Рентгенография и медицинская диагностика
В медицинской диагностике используют рентгенографию (проекционное получение изображения на плёнку или цифровой детектор), флюорографию, компьютерную томографию (КТ) и ангиографию.
При рентгенографии объект помещается между источником излучения и детектором. Поглощённое излучение формирует теневое изображение: костная ткань, богатая кальцием (Z=20), поглощает лучи сильнее, чем мягкие ткани, и на снимке отображается светлым. Лёгкие, заполненные воздухом, практически прозрачны для рентгеновских лучей и выглядят тёмными.
Компьютерная томография использует узкий веерообразный пучок и вращающийся источник, а алгоритмы реконструкции по данным множественных проекций строят послойное изображение органов. Современные КТ-сканеры позволяют получить детальное изображение за секунды.
¶Дозиметрия и защита
Доза облучения измеряется в зивертах (Зв) — величине, учитывающей биологическую эффективность излучения. Для рентгеновских лучей коэффициент качества равен единице, поэтому 1 Гр = 1 Зв. Естественный фон в среднем составляет около 2,4 мЗв в год; однократная рентгенография грудной клетки даёт около 0,02–0,1 мЗв.
Защита от излучения основана на трёх принципах: время (минимизация времени облучения), расстояние (интенсивность убывает обратно квадратично расстояния) и экранирование. В медицинских кабинетах используют свинцовые фартуки, ширмы, свинцовое стекло, а в конструкции рентгеновских аппаратов — коллиматоры, ограничивающие пучок областью исследования.
¶Применение вне медицины
Рентгенография широко применяется в промышленной дефектоскопии для обнаружения трещин, пор и несплавлений в сварных швах и металлических деталях. Рентгеноструктурный анализ (метод дифракции рентгеновских лучей, предложенный Максом фон Лауэ в 1912 году) позволяет определять кристаллическую структуру вещества. В аэропортах рентгеновские сканеры используются для досмотра багажа. Криминалистика применяет рентген для исследования документов, обнаружения предметов в полостях и изучения объектов без их повреждения.
Источники:
- Жоров Н. А. «Рентгеновские лучи»
- Тер-Оганесянц Т. В. «Рентгеновская техника»
- Справочник по рентгенологии и радиологии
- Бекетов Н. И., Богданович Б. И. «Рентгеновская физика»