• Je höher die Spannung an die Pole der Röhre angelegt wird, desto größer ist die Potentialdifferenz zwischen ihnen und desto höher ist die kinetische Energie der sich bewegenden Elektronen. Die Spannung an der Röhre bestimmt die Geschwindigkeit der Elektronen und die Stärke ihres Zusammenstoßes mit der Anodensubstanz, daher bestimmt die Spannung die Wellenlänge der resultierenden Röntgenstrahlung.

Klassifizierung von Röntgenröhren

1. Mit Absicht
1. Diagnose
2. Therapeutisch
3. Für Strukturanalysen
4. Für durchscheinend
2. Mit Absicht
1. Nach Fokus

• Einzelfokus (eine Spirale auf der Kathode und ein Brennfleck auf der Anode)
• Bifokal (auf der Kathode befinden sich zwei unterschiedlich große Spiralen und auf der Anode zwei Brennflecke)

1. Nach Anodentyp

• Stationär (fest)
• Rotierend

Röntgenstrahlen werden nicht nur zur Röntgendiagnostik, sondern auch zu therapeutischen Zwecken eingesetzt. Wie oben erwähnt, ermöglicht die Fähigkeit der Röntgenstrahlung, das Wachstum von Tumorzellen zu unterdrücken, ihren Einsatz in der Strahlentherapie bei Krebs. Neben dem medizinischen Anwendungsbereich hat Röntgenstrahlung breite Anwendung in den Ingenieurwissenschaften, Materialwissenschaften, Kristallographie, Chemie und Biochemie gefunden: Beispielsweise ist es möglich, strukturelle Defekte in verschiedenen Produkten (Schienen, Schweißnähte usw.) zu identifizieren. mittels Röntgenstrahlung. Diese Art der Forschung wird als Fehlererkennung bezeichnet. Und an Flughäfen, Bahnhöfen und anderen überfüllten Orten werden Röntgenfernseh-Introskope aus Sicherheitsgründen aktiv zum Scannen von Handgepäck und Gepäck eingesetzt.

Je nach Anodentyp unterscheiden sich Röntgenröhren in der Bauform. Aufgrund der Tatsache, dass 99 % der kinetischen Energie der Elektronen in Wärmeenergie umgewandelt werden, kommt es beim Betrieb der Röhre zu einer erheblichen Erwärmung der Anode – das empfindliche Wolframtarget brennt oft durch. In modernen Röntgenröhren wird die Anode durch Rotation gekühlt. Die rotierende Anode hat die Form einer Scheibe, die die Wärme gleichmäßig über ihre gesamte Oberfläche verteilt und so eine lokale Überhitzung des Wolframtargets verhindert.

Auch das Design von Röntgenröhren unterscheidet sich in der Ausrichtung. Der Brennfleck ist der Bereich der Anode, in dem der Arbeitsröntgenstrahl erzeugt wird. Unterteilt in echten Brennfleck und effektiven Brennfleck ( Reis. 12). Da die Anode abgewinkelt ist, ist der effektive Brennfleck kleiner als der tatsächliche. Abhängig von der Größe des Bildbereichs werden unterschiedliche Brennfleckgrößen verwendet. Je größer der Bildbereich, desto breiter muss der Brennfleck sein, um den gesamten Bildbereich abzudecken. Ein kleinerer Brennfleck führt jedoch zu einer besseren Bildschärfe. Daher wird bei der Erzeugung kleiner Bilder ein kurzes Filament verwendet und die Elektronen werden auf einen kleinen Zielbereich der Anode gelenkt, wodurch ein kleinerer Brennfleck entsteht.

Reis. 9 - Röntgenröhre mit stationärer Anode.
Reis. 10 - Röntgenröhre mit rotierender Anode.
Reis. 11 - Röntgenröhrengerät mit rotierender Anode.
Reis. 12 ist ein Diagramm der Bildung eines realen und effektiven Brennflecks.

VORTRAG 32 RÖNTGENSTRAHLUNG

VORTRAG 32 RÖNTGENSTRAHLUNG

1. Quellen der Röntgenstrahlung.

2. Bremsstrahlung Röntgenstrahlung.

3. Charakteristische Röntgenstrahlung. Moseleys Gesetz.

4. Wechselwirkung von Röntgenstrahlung mit Materie. Gesetz der Schwächung.

5. Physikalische Grundlagen des Einsatzes von Röntgenstrahlen in der Medizin.

6. Grundkonzepte und Formeln.

7. Aufgaben.

Röntgenstrahlung - elektromagnetische Wellen mit einer Wellenlänge von 100 bis 10 -3 nm. Auf der Skala der elektromagnetischen Wellen liegt die Röntgenstrahlung im Bereich zwischen UV-Strahlung und γ - Strahlung.

Röntgenstrahlen (Röntgenstrahlen) wurden 1895 von K. Röntgen entdeckt, der 1901 der erste Nobelpreisträger für Physik wurde.

32.1. Röntgenquellen Natürliche Quellen für Röntgenstrahlung sind einige radioaktive Isotope (z. B. 55 Fe). Künstliche Quellen starker Röntgenstrahlung sind Röntgenröhren

(Abb. 32.1). Reis. 32.1.

Röntgenröhrengerät Die Röntgenröhre ist ein evakuierter Glaskolben mit zwei Elektroden: Anode A und Kathode K, zwischen denen eine Hochspannung U (1-500 kV) entsteht. Die Kathode ist eine durch elektrischen Strom erhitzte Spirale. Von einer beheizten Kathode emittierte Elektronen (thermionische Emission) werden durch ein elektrisches Feld beschleunigt groß Geschwindigkeiten (deshalb ist Hochspannung erforderlich) und fallen auf die Anode der Röhre. Bei der Wechselwirkung dieser Elektronen mit der Anodensubstanz entstehen zwei Arten von Röntgenstrahlung: Bremsen Und

Merkmal.

Die Arbeitsfläche der Anode steht in einem bestimmten Winkel zur Richtung des Elektronenstrahls, um die gewünschte Richtung der Röntgenstrahlen zu erzeugen.

Etwa 1 % der kinetischen Energie von Elektronen wird in Röntgenstrahlung umgewandelt. Der Rest der Energie wird als Wärme abgegeben. Daher besteht die Arbeitsfläche der Anode aus feuerfestem Material.

32.2. Bremsstrahlung Röntgenstrahlen Ein Elektron, das sich in einem bestimmten Medium bewegt, verliert seine Geschwindigkeit. In diesem Fall tritt eine negative Beschleunigung auf. Nach Maxwells Theorie jeder beschleunigt Die Bewegung eines geladenen Teilchens wird von elektromagnetischer Strahlung begleitet. Die Strahlung, die entsteht, wenn ein Elektron in der Anodensubstanz abgebremst wird, nennt man

Die Eigenschaften der Bremsstrahlung werden durch folgende Faktoren bestimmt.

1. Strahlung wird von einzelnen Quanten emittiert, deren Energien durch die Formel (26.10) mit der Frequenz zusammenhängen.

wobei ν die Frequenz und λ die Wellenlänge ist.

2. Alle Elektronen, die die Anode erreichen, haben das gleiche kinetische Energie gleich der Arbeit des elektrischen Feldes zwischen Anode und Kathode:

Dabei ist e die Elektronenladung und U die Beschleunigungsspannung.

3. Die kinetische Energie des Elektrons wird teilweise auf die Substanz übertragen und erhitzt diese (Q) und wird teilweise für die Erzeugung eines Röntgenquants aufgewendet:

4. Zusammenhang zwischen Q und hv versehentlich.

Aufgrund der letzten Eigenschaft (4) werden Quanten erzeugt verschieden Elektronen, haben verschieden Frequenzen und Wellenlängen. Daher ist das Spektrum der Röntgenbremsstrahlung kontinuierlich. Typische Ansicht spektrale Dichte Der Röntgenfluss (Φ λ = άΦ/άλ) ist in Abb. dargestellt. 32.2.

Reis. 32.2. Bremsstrahlungs-Röntgenspektrum

Auf der langwelligen Seite ist das Spektrum auf eine Wellenlänge von 100 nm begrenzt, die die Grenze der Röntgenstrahlung darstellt. Auf der kurzwelligen Seite wird das Spektrum durch die Wellenlänge λ min begrenzt. Nach Formel (32.2) minimale Wellenlänge entspricht dem Fall Q = 0 (die kinetische Energie des Elektrons wird vollständig in Quantenenergie umgewandelt):

Berechnungen zeigen, dass der Fluss (Φ) von Bremsstrahlungs-Röntgenstrahlen direkt proportional zum Quadrat der Spannung U dazwischen ist

Anode und Kathode, Stromstärke I in der Röhre und Ordnungszahl Z des Anodenstoffes:

Die Röntgenspektren der Bremsstrahlung bei unterschiedlichen Spannungen, unterschiedlichen Kathodentemperaturen und unterschiedlichen Anodensubstanzen sind in Abb. dargestellt. 32.3.

Reis. 32.3. Bremsstrahlungs-Röntgenspektrum (Φ λ):

a - bei unterschiedlichen Spannungen U in der Röhre; b - bei verschiedenen Temperaturen T

Kathode; c – für verschiedene Anodenstoffe, die sich im Parameter Z unterscheiden

Mit steigender Anodenspannung steigt der Wert λmin verschiebt sich zu kürzeren Wellenlängen. Gleichzeitig nimmt die Höhe der Spektralkurve zu (Abb. 32.3, A).

Mit steigender Kathodentemperatur nimmt die Elektronenemission zu. Dementsprechend steigt der Strom I in der Röhre. Die Höhe der Spektralkurve nimmt zu, die spektrale Zusammensetzung der Strahlung ändert sich jedoch nicht (Abb. 32.3, b).

Bei einer Änderung des Anodenmaterials ändert sich die Höhe der Spektralkurve proportional zur Ordnungszahl Z (Abb. 32.3, c).

32.3. Charakteristische Röntgenstrahlung. Moseleys Gesetz

Wenn Kathodenelektronen mit Anodenatomen interagieren, werden zusammen mit Bremsstrahlungs-Röntgenstrahlen Röntgenstrahlen erzeugt, deren Spektrum aus besteht separate Zeilen. Das ist Strahlung

hat folgenden Ursprung. Einige Kathodenelektronen dringen tief in das Atom ein und schlagen Elektronen aus ihm heraus. Innenschalen. Die dabei entstehenden Leerstellen werden mit Elektronen aus gefüllt obere Granaten, wodurch Strahlungsquanten emittiert werden. Diese Strahlung enthält einen diskreten Satz von Frequenzen, die durch das Anodenmaterial bestimmt werden und aufgerufen werden charakteristische Strahlung. Das Vollspektrum der Röntgenröhre ist eine Überlagerung des charakteristischen Spektrums mit dem Bremsstrahlungsspektrum (Abb. 32.4).

Reis. 32.4. Strahlungsspektrum einer Röntgenröhre

Die Existenz charakteristischer Röntgenspektren wurde mithilfe von Röntgenröhren entdeckt. Später wurde festgestellt, dass solche Spektren durch jede Ionisierung der inneren Umlaufbahnen chemischer Elemente entstehen. Nach der Untersuchung der charakteristischen Spektren verschiedener chemischer Elemente stellte G. Moseley (1913) das folgende Gesetz auf, das seinen Namen trägt.

Die Quadratwurzel der Frequenz der charakteristischen Strahlung ist eine lineare Funktion der Seriennummer des Elements:

wobei ν die Frequenz der Spektrallinie ist, Z die Ordnungszahl des emittierenden Elements ist, A, B Konstanten sind.

Mit dem Moseley-Gesetz können Sie die Ordnungszahl eines chemischen Elements aus dem beobachteten Spektrum charakteristischer Strahlung bestimmen. Dies spielte eine große Rolle bei der Platzierung der Elemente im Periodensystem.

32.4. Wechselwirkung von Röntgenstrahlung mit Materie. Gesetz der Dämpfung

Es gibt zwei Haupttypen der Wechselwirkung von Röntgenstrahlen mit Materie: Streuung und photoelektrischer Effekt. Bei der Streuung ändert sich die Bewegungsrichtung des Photons. Beim photoelektrischen Effekt handelt es sich um ein Photon absorbiert.

1. Kohärente (elastische) Streuung tritt auf, wenn die Energie des Röntgenphotons für die innere Ionisierung des Atoms (Herausschlagen eines Elektrons aus einer der inneren Schalen) nicht ausreicht. In diesem Fall ändert sich die Bewegungsrichtung des Photons, seine Energie und Wellenlänge ändern sich jedoch nicht (daher wird diese Streuung als Streuung bezeichnet). elastisch).

2. Inkohärente (Compton-)Streuung tritt auf, wenn die Photonenenergie viel größer ist als die interne Ionisierungsenergie A und: hv >> A und.

In diesem Fall wird das Elektron vom Atom getrennt und erhält eine bestimmte kinetische Energie E k. Die Bewegungsrichtung des Photons während der Compton-Streuung ändert sich und seine Energie nimmt ab:

Compton-Streuung ist mit der Ionisierung von Atomen einer Substanz verbunden.

3. Fotoeffekt tritt auf, wenn die Photonenenergie hv ausreicht, um das Atom zu ionisieren: hv > A u. Gleichzeitig das Röntgenquant absorbiert und seine Energie wird für die Ionisierung des Atoms und die Übertragung kinetischer Energie auf das ausgestoßene Elektron E k = hv – A I aufgewendet.

Compton-Streuung und photoelektrischer Effekt gehen mit charakteristischer Röntgenstrahlung einher, da nach dem Herausschlagen der inneren Elektronen die freien Stellen mit Elektronen aus den äußeren Schalen aufgefüllt werden.

Röntgenlumineszenz. In manchen Stoffen bewirken Elektronen und Quanten der Compton-Streuung sowie photoelektrische Effektelektronen eine Anregung von Molekülen, die mit Strahlungsübergängen in den Grundzustand einhergeht. Dadurch entsteht ein Leuchten, das Röntgenlumineszenz genannt wird. Die Lumineszenz von Bariumplatinoxid ermöglichte es Röntgen, Röntgenstrahlen zu entdecken.

Gesetz der Dämpfung

Die Streuung der Röntgenstrahlung und der photoelektrische Effekt führen dazu, dass bei tieferem Eindringen der Röntgenstrahlung der Primärstrahl geschwächt wird (Abb. 32.5). Die Abschwächung ist exponentiell:

Der Wert von μ hängt vom absorbierenden Material und dem Emissionsspektrum ab. Für praktische Berechnungen als Merkmal der Schwächung

Reis. 32.5. Abschwächung des Röntgenflusses in Richtung der einfallenden Strahlen

Wo λ - Wellenlänge; Z ist die Ordnungszahl des Elements; k ist eine Konstante.

32.5. Physische Nutzungsgrundlage

Röntgenstrahlung in der Medizin

In der Medizin wird Röntgenstrahlung zu diagnostischen und therapeutischen Zwecken eingesetzt.

Röntgendiagnostik- Methoden zur Gewinnung von Bildern innerer Organe mittels Röntgenstrahlen.

Die physikalische Grundlage dieser Methoden ist das Gesetz der Schwächung der Röntgenstrahlung in der Materie (32.10). Der Röntgenfluss ist nach dem Durchgang gleichmäßig über den Querschnitt verteilt heterogenes Gewebe wird heterogen werden. Diese Heterogenität kann auf einem Fotofilm, einem Fluoreszenzschirm oder mit einem Matrix-Fotodetektor aufgezeichnet werden. Beispielsweise unterscheiden sich die Massenschwächungskoeffizienten von Knochengewebe – Ca 3 (PO 4) 2 – und Weichgewebe – hauptsächlich H 2 O – um das 68-fache (μ m Knochen / μ m Wasser = 68). Auch die Knochendichte ist höher als die Weichteildichte. Daher erzeugt eine Röntgenaufnahme ein helles Bild des Knochens vor einem dunkleren Hintergrund des Weichgewebes.

Wenn das untersuchte Organ und das umgebende Gewebe ähnliche Schwächungskoeffizienten aufweisen, dann ist dies etwas Besonderes Kontrastmittel. Beispielsweise nimmt der Proband bei der Durchleuchtung des Magens eine breiartige Masse aus Bariumsulfat (BaSO 4) auf, deren Massenschwächungskoeffizient 354-mal größer ist als der von Weichgewebe.

Zur Diagnostik wird Röntgenstrahlung mit einer Photonenenergie von 60-120 keV verwendet. In der medizinischen Praxis werden folgende röntgendiagnostische Verfahren eingesetzt.

1. Röntgen. Das Bild wird auf einem Fluoreszenzschirm erzeugt. Die Bildhelligkeit ist gering und kann nur in einem abgedunkelten Raum betrachtet werden. Der Arzt muss vor Strahlung geschützt werden.

Der Vorteil der Durchleuchtung besteht darin, dass sie in Echtzeit durchgeführt wird. Der Nachteil ist die hohe Strahlenbelastung für Patient und Arzt (im Vergleich zu anderen Methoden).

Die moderne Variante der Fluoroskopie – das Röntgenfernsehen – verwendet Röntgenbildverstärker. Der Verstärker nimmt das schwache Leuchten des Röntgenbildschirms wahr, verstärkt es und überträgt es an den Fernsehbildschirm. Dadurch verringerte sich die Strahlenbelastung des Arztes stark, die Helligkeit des Bildes nahm zu und es wurde möglich, die Untersuchungsergebnisse per Video aufzuzeichnen.

2. Radiographie. Das Bild wird auf einem speziellen Film erzeugt, der gegenüber Röntgenstrahlung empfindlich ist. Die Bilder werden in zwei zueinander senkrechten Projektionen (Vorderseite und Seite) aufgenommen. Das Bild wird nach der Fotobearbeitung sichtbar.

Das fertig getrocknete Foto wird im Durchlicht untersucht.

Gleichzeitig werden Details zufriedenstellend sichtbar, deren Kontraste sich um 1-2 % unterscheiden. In manchen Fällen erhält der Patient vor der Untersuchung eine Sonderuntersuchung Kontrastmittel.

Zum Beispiel eine jodhaltige Lösung (intravenös) zur Untersuchung der Nieren und Harnwege.

3. Die Vorteile der Radiographie sind hohe Auflösung, kurze Belichtungszeit und nahezu vollständige Sicherheit für den Arzt. Zu den Nachteilen gehört die statische Natur des Bildes (das Objekt kann in der Dynamik nicht verfolgt werden). Fluorographie.

4. Bei dieser Untersuchung wird das auf dem Bildschirm gewonnene Bild auf einem empfindlichen Kleinformatfilm fotografiert. Die Fluorographie wird häufig bei Massenscreenings der Bevölkerung eingesetzt. Werden im Fluorogramm pathologische Veränderungen festgestellt, wird dem Patienten eine genauere Untersuchung verordnet. Elektroradiographie. Diese Art der Untersuchung unterscheidet sich vom herkömmlichen Röntgen durch die Art der Bildaufnahme. Anstelle von Film verwenden sie welches durch Röntgenstrahlen elektrisiert wird. Das Ergebnis ist ein verstecktes Bild elektrischer Ladungen, das sichtbar gemacht und auf Papier übertragen werden kann.

5. Angiographie. Mit dieser Methode werden Blutgefäße untersucht. Über einen Katheter wird ein Kontrastmittel in die Vene injiziert, woraufhin ein leistungsstarkes Röntgengerät in Sekundenbruchteilen eine Reihe von Bildern aufnimmt. Abbildung 32.6 zeigt ein Angiogramm der Halsschlagader.

6. Röntgen-Computertomographie. Mit dieser Art der Röntgenuntersuchung können Sie ein Bild eines flachen Körperabschnitts mit einer Dicke von mehreren mm erhalten. Dabei wird ein bestimmter Ausschnitt wiederholt aus verschiedenen Winkeln abgetastet und jedes einzelne Bild im Computerspeicher aufgezeichnet. Dann

Reis. 32.6. Angiogramm zeigt eine Verengung der Halsschlagader

Reis. 32.7. Rastertomographie-Schema (a); Tomogramm des Kopfes im Schnitt auf Augenhöhe (b).

Es wird eine Computerrekonstruktion durchgeführt, deren Ergebnis ein Bild der gescannten Schicht ist (Abb. 32.7).

Die Computertomographie ermöglicht die Unterscheidung von Elementen mit einem Dichteunterschied von bis zu 1 %. Mit der konventionellen Radiographie lässt sich ein minimaler Dichteunterschied zwischen benachbarten Bereichen von 10–20 % feststellen.

Röntgentherapie - der Einsatz von Röntgenstrahlen zur Zerstörung bösartiger Tumore.

Die biologische Wirkung der Strahlung besteht darin, die lebenswichtige Aktivität besonders schnell vermehrender Zellen zu stören. Sehr harte Röntgenstrahlen (mit Photonenenergien von etwa 10 MeV) werden verwendet, um Krebszellen tief im Körper zu zerstören. Um Schäden am gesunden umliegenden Gewebe zu reduzieren, rotiert der Strahl um den Patienten, sodass immer nur der beschädigte Bereich unter seinem Einfluss bleibt.

32.6. Grundlegende Konzepte und Formeln

Fortsetzung der Tabelle

Ende der Tabelle

32.7. Aufgaben

1. Warum trifft ein Elektronenstrahl in medizinischen Röntgenröhren auf einen Punkt der Antikathode und fällt nicht in einem breiten Strahl darauf?

Antwort: um eine Punktquelle für Röntgenstrahlen zu erhalten, die scharfe Umrisse durchleuchteter Objekte auf dem Bildschirm liefert.

2. Finden Sie den Grenzwert der Röntgenbremsstrahlung (Frequenz und Wellenlänge) für die Spannungen U 1 = 2 kV und U 2 = 20 kV.

4. Zum Schutz vor Röntgenstrahlung werden Bleiabschirmungen eingesetzt. Der lineare Absorptionskoeffizient der Röntgenstrahlung in Blei beträgt 52 cm -1. Wie dick sollte die Bleiabschirmschicht sein, um die Röntgenintensität um das 30-fache zu reduzieren?

5. Finden Sie den Strahlungsfluss der Röntgenröhre bei U = 50 kV, I = 1 mA. Die Anode besteht aus Wolfram (Z = 74). Finden Sie die Effizienz der Röhre.

6. Kontrastmittel werden zur Röntgendiagnostik von Weichteilen eingesetzt. Beispielsweise sind Magen und Darm mit einer Masse Bariumsulfat (BaSO 4) gefüllt. Vergleichen Sie die Massenschwächungskoeffizienten von Bariumsulfat und Weichgewebe (Wasser).

7. Was ergibt einen dichteren Schatten auf dem Bildschirm einer Röntgenanlage: Aluminium (Z = 13, ρ = 2,7 g/cm3) oder die gleiche Kupferschicht (Z = 29, ρ = 8,9 g/cm3)?

8. Wie oft ist die Dicke der Aluminiumschicht größer als die Dicke der Kupferschicht, wenn die Schichten die Röntgenstrahlung gleichermaßen dämpfen?

Die Wirkung von Röntgenstrahlung auf Materie wird durch die primären Wechselwirkungsprozesse des Röntgenphotons mit den Elektronen von Atomen und Molekülen der Substanz bestimmt.

3. Röntgen-Computertomographie.

Die Methode der Röntgen-Computertomographie basiert auf der Rekonstruktion eines Bildes eines bestimmten Abschnitts (Scheibe) des Körpers des Patienten durch die Aufnahme einer großen Anzahl von Röntgenprojektionen dieses Abschnitts aus verschiedenen Winkeln (Abb. 5). Informationen von Sensoren, die diese Projektionen aufzeichnen, gelangen in einen Computer, der mithilfe eines speziellen Programms rechnet Verteilung Probendichte im untersuchten Abschnitt und zeigt es auf dem Bildschirm an. Das so gewonnene Querschnittsbild des Patientenkörpers zeichnet sich durch hervorragende Klarheit und hohen Informationsgehalt aus. Das Programm ermöglicht bei Bedarf Bildkontrast erhöhen Dutzende und sogar Hunderte Male. Dies erweitert die diagnostischen Möglichkeiten der Methode.

Reis. 5. Schema der Röntgenuntersuchung eines Abschnitts des untersuchten Organs (Punkt 1 und Punkt 2 – zwei aufeinanderfolgende Positionen der Röntgenquelle)

4. Mit Fluorographie Das Bild vom Großbildschirm wird auf einem empfindlichen Kleinformatfilm aufgezeichnet (Abb. 6). Bei der Analyse werden die Bilder mit einer speziellen Lupe untersucht.

Diese Methode wird für Massenbefragungen der Bevölkerung verwendet. In diesem Fall ist die Strahlenbelastung des Patienten deutlich geringer als bei der herkömmlichen Durchleuchtung.

Röntgentherapie- Einsatz von Röntgenstrahlung zur Zerstörung bösartiger Tumore.

Die biologische Wirkung der Strahlung besteht darin, die lebenswichtige Aktivität sich schnell vermehrender Tumorzellen zu stören. In diesem Fall beträgt die Energie der R-Photonen 150–200 keV.

Visiographen (Geräte mit digitaler Röntgenbildverarbeitung) in der modernen Zahnheilkunde

In der Zahnheilkunde ist die Röntgenuntersuchung die wichtigste diagnostische Methode. Eine Reihe traditioneller organisatorischer und technischer Besonderheiten der Röntgendiagnostik machen sie jedoch sowohl für den Patienten als auch für die Zahnkliniken nicht ganz komfortabel. Dies ist in erster Linie die Notwendigkeit des Patientenkontakts mit ionisierender Strahlung, die häufig eine erhebliche Strahlenbelastung für den Körper darstellt, außerdem die Notwendigkeit eines Photoprozesses und damit der Bedarf an Photoreagenzien, auch toxischen. Das ist schließlich ein sperriges Archiv, schwere Ordner und Umschläge mit Röntgenfilmen.

Darüber hinaus ist die subjektive Beurteilung von Röntgenaufnahmen durch das menschliche Auge aufgrund des aktuellen Entwicklungsstandes der Zahnheilkunde unzureichend. Wie sich herausstellte, nimmt das Auge von der Vielfalt der Grautöne, die ein Röntgenbild enthält, nur 64 wahr.

Um bei minimaler Strahlenbelastung ein klares und detailliertes Bild der Hartgewebe des Zahn-Gesichtssystems zu erhalten, sind natürlich andere Lösungen erforderlich. Heute hat die Suche zur Schaffung sogenannter Röntgensysteme, Videographen – digitaler Röntgensysteme (1987, Firma Trophy) geführt.

Ohne technische Details ist das Funktionsprinzip solcher Systeme wie folgt. Röntgenstrahlung gelangt durch das Objekt nicht zu einem lichtempfindlichen Film, sondern zu einem speziellen intraoralen Sensor (einer speziellen elektronischen Matrix). Das entsprechende Signal von der Matrix wird an ein mit dem Computer verbundenes Digitalisierungsgerät (Analog-Digital-Wandler, ADC) übertragen, das es in digitale Form umwandelt. Eine spezielle Software erstellt ein Röntgenbild auf einem Computerbildschirm und ermöglicht es Ihnen, es zu bearbeiten, auf einem festen oder flexiblen Speichermedium (Festplatte, Diskette) zu speichern oder als Datei als Bild auszudrucken.

In einem digitalen System ist ein Röntgenbild eine Ansammlung von Punkten, die verschiedenen Grautönen entsprechen. Die vom Programm bereitgestellte Optimierung der Informationsanzeige ermöglicht es, ein Bild mit optimaler Helligkeit und Kontrast bei relativ geringer Strahlungsdosis zu erhalten.

In modernen Systemen, beispielsweise von Trophy (Frankreich) oder Schick (USA), werden bei der Bildgebung 4096 Graustufen verwendet, die Belichtungszeit hängt vom Untersuchungsobjekt ab und beträgt im Durchschnitt Hundertstel – Zehntel Zweitens wird die Strahlenbelastung im Vergleich zu Filmen reduziert – bis zu 90 % bei intraoralen Systemen und bis zu 70 % bei Panorama-Videofilmern.

Bei der Bildbearbeitung können Videofilmer:

1. Empfangen Sie positive und negative Bilder, Pseudofarbbilder und Reliefbilder.

2. Erhöhen Sie den Kontrast und vergrößern Sie das gewünschte Bildfragment.

3. Beurteilen Sie Veränderungen in der Dichte von Zahngewebe und Knochenstrukturen und kontrollieren Sie die Gleichmäßigkeit der Füllung der Kanäle.

4. Bestimmen Sie in der Endodontie die Länge eines Kanals mit beliebiger Krümmung und in der Chirurgie wählen Sie die Größe des Implantats mit einer Genauigkeit von 0,1 mm.

Das einzigartige Kariesdetektorsystem mit Elementen künstlicher Intelligenz bei der Analyse eines Bildes ermöglicht die Erkennung von Karies im Spot-Stadium, Wurzelkaries und versteckter Karies.

Probleme lösen:

1. Wie oft ist die maximale Energie eines Röntgen-Bremsstrahlungsquants, das bei einer Röhrenspannung von 80 kV erzeugt wird, größer als die Energie eines Photons, das grünem Licht mit einer Wellenlänge von 500 nm entspricht?

2. Bestimmen Sie die minimale Wellenlänge im Strahlungsspektrum, die sich aus der Abbremsung der im Betatron auf eine Energie von 60 MeV beschleunigten Elektronen auf dem Target ergibt.

3. Die Halbschwächungsschicht monochromatischer Röntgenstrahlen in einer bestimmten Substanz beträgt 10 mm. Finden Sie die Schwächungsrate dieser Strahlung in dieser Substanz.

[*] Φ l ist das Verhältnis der in einem engen Wellenlängenbereich in 1 s emittierten Energie. auf die Breite dieses Intervalls

* „F“ in Formel (4) bezieht sich auf den gesamten Bereich der emittierten Wellenlängen und wird oft als „Integraler Energiefluss“ bezeichnet.

Im Jahr 1895 entdeckte der deutsche Physiker Röntgen bei Experimenten zum Stromdurchgang zwischen zwei Elektroden im Vakuum, dass ein mit einer lumineszierenden Substanz (Bariumsalz) bedeckter Schirm leuchtet, obwohl die Entladungsröhre mit einem schwarzen Pappschirm abgedeckt ist – diesem ist die Art, wie Strahlung durch undurchsichtige Barrieren dringt, sogenannte Röntgenstrahlen. Es wurde entdeckt, dass für den Menschen unsichtbare Röntgenstrahlung in undurchsichtigen Objekten umso stärker absorbiert wird, je höher die Ordnungszahl (Dichte) der Barriere ist, sodass Röntgenstrahlen die Weichteile des menschlichen Körpers leicht durchdringen, aber werden von den Knochen des Skeletts gehalten. Quellen für starke Röntgenstrahlen wurden entwickelt, um die Untersuchung von Metallteilen und die Suche nach inneren Defekten in ihnen zu ermöglichen.

Der deutsche Physiker Laue schlug vor, dass Röntgenstrahlen die gleiche elektromagnetische Strahlung wie sichtbare Lichtstrahlen seien, jedoch eine kürzere Wellenlänge hätten und alle Gesetze der Optik auf sie anwendbar seien, einschließlich der Möglichkeit der Beugung. In der Optik des sichtbaren Lichts kann die Beugung auf elementarer Ebene als Reflexion von Licht an einem Liniensystem dargestellt werden – einem Beugungsgitter, das nur bei bestimmten Winkeln auftritt, und der Reflexionswinkel der Strahlen hängt vom Einfallswinkel ab , der Abstand zwischen den Linien des Beugungsgitters und die Wellenlänge der einfallenden Strahlung. Damit eine Beugung erfolgt, muss der Abstand zwischen den Linien ungefähr der Wellenlänge des einfallenden Lichts entsprechen.

Laue vermutete, dass Röntgenstrahlen eine Wellenlänge haben, die nahe am Abstand zwischen einzelnen Atomen in Kristallen liegt, d. h. Die Atome im Kristall erzeugen ein Beugungsgitter für Röntgenstrahlen. Auf die Oberfläche des Kristalls gerichtete Röntgenstrahlen wurden, wie theoretisch vorhergesagt, auf die Fotoplatte reflektiert.

Jede Änderung der Position von Atomen wirkt sich auf das Beugungsmuster aus, und durch die Untersuchung der Röntgenbeugung kann man die Anordnung der Atome in einem Kristall und die Änderung dieser Anordnung unter physikalischen, chemischen und mechanischen Einflüssen auf den Kristall herausfinden.

Heutzutage wird die Röntgenanalyse in vielen Bereichen der Wissenschaft und Technik eingesetzt; mit ihrer Hilfe wurde die Anordnung von Atomen in vorhandenen Materialien bestimmt und neue Materialien mit einer bestimmten Struktur und Eigenschaften geschaffen. Jüngste Fortschritte auf diesem Gebiet (Nanomaterialien, amorphe Metalle, Verbundwerkstoffe) schaffen ein Betätigungsfeld für die nächsten wissenschaftlichen Generationen.

Vorkommen und Eigenschaften der Röntgenstrahlung

Die Quelle der Röntgenstrahlen ist eine Röntgenröhre, die über zwei Elektroden verfügt – eine Kathode und eine Anode. Beim Erhitzen der Kathode kommt es zur Elektronenemission; aus der Kathode austretende Elektronen werden durch das elektrische Feld beschleunigt und treffen auf die Oberfläche der Anode. Was eine Röntgenröhre von einer herkömmlichen Radioröhre (Diode) unterscheidet, ist vor allem ihre höhere Beschleunigungsspannung (mehr als 1 kV).

Wenn ein Elektron die Kathode verlässt, wird es durch das elektrische Feld gezwungen, in Richtung Anode zu fliegen, während seine Geschwindigkeit kontinuierlich zunimmt; das Elektron trägt ein Magnetfeld, dessen Stärke mit zunehmender Geschwindigkeit des Elektrons zunimmt. Beim Erreichen der Anodenoberfläche wird das Elektron stark abgebremst und es entsteht ein elektromagnetischer Impuls mit Wellenlängen in einem bestimmten Intervall (Bremsstrahlung). Die Verteilung der Strahlungsintensität über die Wellenlängen hängt vom Anodenmaterial der Röntgenröhre und der angelegten Spannung ab, während diese Kurve auf der Kurzwellenseite abhängig von der angelegten Spannung bei einer bestimmten Mindestwellenlänge beginnt. Die Kombination von Strahlen aller möglichen Wellenlängen bildet ein kontinuierliches Spektrum, wobei die der maximalen Intensität entsprechende Wellenlänge das 1,5-fache der minimalen Wellenlänge beträgt.

Mit zunehmender Spannung verändert sich das Röntgenspektrum aufgrund der Wechselwirkung von Atomen mit hochenergetischen Elektronen und Quanten primärer Röntgenstrahlung dramatisch. Ein Atom enthält innere Elektronenhüllen (Energieniveaus), deren Anzahl von der Ordnungszahl abhängt (gekennzeichnet durch die Buchstaben K, L, M usw.). Elektronen und primäre Röntgenstrahlen schlagen Elektronen von einem Energieniveau in ein anderes. Es entsteht ein metastabiler Zustand und für den Übergang in einen stabilen Zustand ist ein Elektronensprung in die entgegengesetzte Richtung notwendig. Dieser Sprung geht mit der Freisetzung eines Energiequants und dem Auftreten von Röntgenstrahlen einher. Im Gegensatz zu Röntgenstrahlen mit kontinuierlichem Spektrum hat diese Strahlung einen sehr engen Wellenlängenbereich und eine hohe Intensität (charakteristische Strahlung) ( cm. Reis.). Die Anzahl der Atome, die die Intensität der charakteristischen Strahlung bestimmen, ist sehr groß; für eine Röntgenröhre mit einer Kupferanode erzeugen beispielsweise 10 14 –10 15 Atome eine charakteristische Strahlung Strahlung in 1 s. Dieser Wert wird als Verhältnis der Gesamtleistung der Röntgenstrahlung zur Energie eines Röntgenquants aus der K-Schale (K-Reihe der charakteristischen Röntgenstrahlung) berechnet. Die Gesamtleistung der Röntgenstrahlung beträgt nur 0,1 % des Stromverbrauchs, der Rest geht hauptsächlich durch die Umwandlung in Wärme verloren.

Aufgrund ihrer hohen Intensität und ihres schmalen Wellenlängenbereichs sind charakteristische Röntgenstrahlen die Hauptstrahlungsart, die in der wissenschaftlichen Forschung und Prozesskontrolle eingesetzt wird. Gleichzeitig mit den Strahlen der K-Serie werden Strahlen der L- und M-Serie erzeugt, die deutlich längere Wellenlängen haben, deren Einsatz jedoch begrenzt ist. Die K-Reihe besteht aus zwei Komponenten mit nahe beieinander liegenden Wellenlängen a und b, während die Intensität der b-Komponente fünfmal geringer ist als die von a. Die a-Komponente wiederum zeichnet sich durch zwei sehr nahe beieinander liegende Wellenlängen aus, von denen die Intensität der einen doppelt so groß ist wie die der anderen. Um Strahlung mit einer Wellenlänge (monochromatische Strahlung) zu erhalten, wurden spezielle Methoden entwickelt, die die Abhängigkeit der Absorption und Beugung von Röntgenstrahlen von der Wellenlänge nutzen. Eine Erhöhung der Ordnungszahl eines Elements ist mit einer Änderung der Eigenschaften der Elektronenhüllen verbunden, und je höher die Ordnungszahl des Anodenmaterials der Röntgenröhre, desto kürzer ist die Wellenlänge der K-Serie. Am weitesten verbreitet sind Röhren mit Anoden aus Elementen mit Ordnungszahlen von 24 bis 42 (Cr, Fe, Co, Cu, Mo) und Wellenlängen von 2,29 bis 0,712 A (0,229 – 0,712 nm).

Quellen für Röntgenstrahlung können neben der Röntgenröhre auch radioaktive Isotope sein. Einige können Röntgenstrahlen direkt aussenden, andere emittieren Elektronen und a-Teilchen, die beim Beschuss von Metallzielen Röntgenstrahlen erzeugen. Die Intensität der Röntgenstrahlung aus radioaktiven Quellen ist normalerweise viel geringer als die einer Röntgenröhre (mit Ausnahme von radioaktivem Kobalt, das zur Fehlererkennung verwendet wird und Strahlung einer sehr kurzen Wellenlänge erzeugt – g-Strahlung). klein und benötigen keinen Strom. Synchrotron-Röntgenstrahlung wird in Elektronenbeschleunigern erzeugt; die Wellenlänge dieser Strahlung ist deutlich länger als die in Röntgenröhren (weiche Röntgenstrahlung) und ihre Intensität ist um mehrere Größenordnungen höher als die Strahlungsintensität von Röntgenstrahlung Röhren. Es gibt auch natürliche Quellen für Röntgenstrahlung. In vielen Mineralien wurden radioaktive Verunreinigungen gefunden, und es wurden Röntgenemissionen von Weltraumobjekten, einschließlich Sternen, aufgezeichnet.

Wechselwirkung von Röntgenstrahlen mit Kristallen

Bei der Röntgenuntersuchung von Materialien mit kristalliner Struktur werden Interferenzmuster analysiert, die aus der Streuung von Röntgenstrahlen durch Elektronen der Atome des Kristallgitters resultieren. Atome gelten als unbeweglich, ihre thermischen Schwingungen werden nicht berücksichtigt und alle Elektronen desselben Atoms gelten als an einem Punkt konzentriert – einem Knoten des Kristallgitters.

Um die Grundgleichungen für die Röntgenbeugung in einem Kristall abzuleiten, wird die Interferenz von Strahlen berücksichtigt, die von Atomen gestreut werden, die sich entlang einer geraden Linie im Kristallgitter befinden. Auf diese Atome fällt eine ebene Welle monochromatischer Röntgenstrahlung unter einem Winkel, dessen Kosinus gleich 0 ist. Die Interferenzgesetze der von Atomen gestreuten Strahlen ähneln denen eines Beugungsgitters, das Lichtstrahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich streut. Damit sich die Amplituden aller Schwingungen in großer Entfernung von der Atomreihe addieren, ist es notwendig und ausreichend, dass der Unterschied in den Wegen der Strahlen, die von jedem Paar benachbarter Atome kommen, eine ganze Zahl von Wellenlängen enthält. Wenn der Abstand zwischen Atomen A dieser Zustand sieht so aus:

A(A – ein 0) = h lch,

wobei a der Kosinus des Winkels zwischen der Atomreihe und dem abgelenkten Strahl ist, H - ganze Zahl. In allen Richtungen, die diese Gleichung nicht erfüllen, breiten sich die Strahlen nicht aus. Somit bilden gestreute Strahlen ein System koaxialer Kegel, deren gemeinsame Achse die Atomreihe ist. Kegelspuren auf einer Ebene parallel zur Atomreihe sind Hyperbeln und auf einer Ebene senkrecht zur Atomreihe sind sie Kreise.

Wenn Strahlen in einem konstanten Winkel einfallen, wird polychromatische (weiße) Strahlung in ein Spektrum von Strahlen zerlegt, die in festen Winkeln abgelenkt werden. Somit ist die Atomreihe ein Spektrograph für Röntgenstrahlen.

Die Verallgemeinerung auf ein zweidimensionales (flaches) Atomgitter und dann auf ein dreidimensionales volumetrisches (räumliches) Kristallgitter ergibt zwei weitere ähnliche Gleichungen, die die Einfalls- und Reflexionswinkel von Röntgenstrahlung und die Abstände zwischen Atomen umfassen drei Richtungen. Diese Gleichungen werden Laue-Gleichungen genannt und bilden die Grundlage der Röntgenbeugungsanalyse.

Die Amplituden der von parallelen Atomebenen reflektierten Strahlen addieren sich usw. Da die Anzahl der Atome sehr groß ist, kann die reflektierte Strahlung experimentell nachgewiesen werden. Die Reflexionsbedingung wird durch die Wulff-Bragg-Gleichung2d sinq = nl beschrieben, wobei d der Abstand zwischen benachbarten Atomebenen, q der Streifwinkel zwischen der Richtung des einfallenden Strahls und diesen Ebenen im Kristall und l die Wellenlänge der Atomebenen ist Röntgenstrahlung, n ist eine ganze Zahl, die als Reflexionsordnung bezeichnet wird. Winkel q ist der Einfallswinkel speziell in Bezug auf Atomebenen, deren Richtung nicht unbedingt mit der Oberfläche der untersuchten Probe zusammenfällt.

Es wurden mehrere Methoden der Röntgenbeugungsanalyse entwickelt, die sowohl Strahlung mit kontinuierlichem Spektrum als auch monochromatische Strahlung verwenden. Das Untersuchungsobjekt kann stationär oder rotierend sein, aus einem Kristall (Einkristall) oder mehreren (Polykristall) bestehen, gebeugte Strahlung kann mit einem flachen oder zylindrischen Röntgenfilm oder einem um den Umfang bewegten Röntgendetektor aufgezeichnet werden, aber in allen Fällen wird während des Experiments und der Interpretation der Ergebnisse die Wulff-Bragg-Gleichung verwendet.

Röntgenanalyse in Wissenschaft und Technik

Mit der Entdeckung der Röntgenbeugung stand den Forschern eine Methode zur Verfügung, die es ermöglichte, die Anordnung einzelner Atome und deren Veränderungen unter äußeren Einflüssen ohne Mikroskop zu untersuchen.

Die Hauptanwendung von Röntgenstrahlen in der Grundlagenforschung ist die Strukturanalyse, d. h. Festlegung der räumlichen Anordnung einzelner Atome in einem Kristall. Dazu werden Einkristalle gezüchtet und eine Röntgenanalyse durchgeführt, bei der sowohl die Orte als auch die Intensität der Reflexionen untersucht werden. Die Strukturen nicht nur von Metallen, sondern auch komplexer organischer Substanzen, deren Elementarzellen Tausende von Atomen enthalten, konnten nun aufgeklärt werden.

In der Mineralogie wurden die Strukturen tausender Mineralien mittels Röntgenanalyse bestimmt und Expressmethoden zur Analyse mineralischer Rohstoffe geschaffen.

Metalle haben eine relativ einfache Kristallstruktur und die Röntgenmethode ermöglicht es, ihre Veränderungen während verschiedener technologischer Behandlungen zu untersuchen und die physikalischen Grundlagen neuer Technologien zu schaffen.

Die Phasenzusammensetzung der Legierungen wird durch die Lage der Linien auf den Röntgenbeugungsmustern bestimmt, die Anzahl, Größe und Form der Kristalle wird durch ihre Breite bestimmt und die Orientierung der Kristalle (Textur) wird durch die Intensität bestimmt Verteilung im Beugungskegel.

Mit diesen Techniken werden Vorgänge bei der plastischen Verformung untersucht, darunter die Kristallfragmentierung, das Auftreten innerer Spannungen und Unvollkommenheiten in der Kristallstruktur (Versetzungen). Beim Erhitzen verformter Materialien werden Spannungsabbau und Kristallwachstum (Rekristallisation) untersucht.

Die Röntgenanalyse von Legierungen bestimmt die Zusammensetzung und Konzentration fester Lösungen. Wenn eine feste Lösung entsteht, ändern sich die Abstände zwischen den Atomen und damit auch die Abstände zwischen den Atomebenen. Da diese Änderungen gering sind, wurden spezielle Präzisionsmethoden entwickelt, um die Perioden des Kristallgitters mit einer Genauigkeit zu messen, die zwei Größenordnungen höher ist als die Messgenauigkeit herkömmlicher Röntgenforschungsmethoden. Die Kombination aus Präzisionsmessungen von Kristallgitterperioden und Phasenanalyse ermöglicht es, die Grenzen von Phasenbereichen im Phasendiagramm zu konstruieren. Mit der Röntgenmethode können auch Zwischenzustände zwischen festen Lösungen und chemischen Verbindungen nachgewiesen werden – geordnete feste Lösungen, in denen die Verunreinigungsatome nicht zufällig angeordnet sind, wie in festen Lösungen, und gleichzeitig nicht in dreidimensionaler Ordnung, wie in chemischen Verbindungen. Röntgenbeugungsmuster geordneter fester Lösungen enthalten zusätzliche Linien; die Interpretation der Röntgenbeugungsmuster zeigt, dass Verunreinigungsatome bestimmte Plätze im Kristallgitter besetzen, beispielsweise an den Ecken eines Würfels.

Wenn eine Legierung, die keine Phasenumwandlungen durchläuft, abgeschreckt wird, kann eine übersättigte feste Lösung entstehen, und bei weiterem Erhitzen oder sogar Halten bei Raumtemperatur zersetzt sich die feste Lösung unter Freisetzung von Partikeln einer chemischen Verbindung. Dies ist eine Auswirkung des Alterns und zeigt sich auf Röntgenbildern als Veränderung der Position und Breite der Linien. Die Alterungsforschung ist besonders wichtig für Nichteisenmetalllegierungen. Durch die Alterung wird beispielsweise eine weiche, gehärtete Aluminiumlegierung in den haltbaren Strukturwerkstoff Duraluminium umgewandelt.

Röntgenuntersuchungen der Wärmebehandlung von Stahl sind von größter technologischer Bedeutung. Beim Abschrecken (schnelles Abkühlen) von Stahl kommt es zu einem diffusionsfreien Phasenübergang Austenit-Martensit, der zu einer Gefügeänderung von kubisch zu tetragonal, d.h. Die Elementarzelle hat die Form eines rechteckigen Prismas. Auf Röntgenbildern äußert sich dies durch eine Verbreiterung der Linien und die Teilung einiger Linien in zwei. Die Gründe für diesen Effekt sind nicht nur eine Veränderung der Kristallstruktur, sondern auch das Auftreten großer innerer Spannungen aufgrund des thermodynamischen Ungleichgewichts der martensitischen Struktur und einer plötzlichen Abkühlung. Beim Anlassen (Erhitzen des gehärteten Stahls) verengen sich die Linien auf den Röntgenbeugungsmustern, dies ist mit einer Rückkehr zur Gleichgewichtsstruktur verbunden.

In den letzten Jahren haben Röntgenuntersuchungen zur Bearbeitung von Materialien mit konzentrierten Energieflüssen (Laserstrahlen, Stoßwellen, Neutronen, Elektronenpulse) große Bedeutung erlangt, sie erforderten neue Techniken und führten zu neuen Röntgeneffekten. Wenn beispielsweise Laserstrahlen auf Metalle einwirken, erfolgt die Erwärmung und Abkühlung so schnell, dass Kristalle im Metall beim Abkühlen nur Zeit haben, auf die Größe mehrerer Elementarzellen (Nanokristalle) anzuwachsen oder gar keine Zeit haben, zu entstehen. Nach dem Abkühlen sieht ein solches Metall wie gewöhnliches Metall aus, weist jedoch im Röntgenbeugungsmuster keine klaren Linien auf und die reflektierten Röntgenstrahlen sind über den gesamten Streifenwinkelbereich verteilt.

Nach der Neutronenbestrahlung treten auf Röntgenbeugungsmustern zusätzliche Flecken (diffuse Maxima) auf. Der radioaktive Zerfall verursacht auch spezifische Röntgeneffekte, die mit Strukturveränderungen verbunden sind, sowie der Tatsache, dass die untersuchte Probe selbst zu einer Quelle von Röntgenstrahlung wird.

VORTRAG

Röntgen

2. Bremsstrahlung Röntgenstrahlung, ihre spektralen Eigenschaften.

3. Charakteristische Röntgenstrahlung (als Referenz).

4. Wechselwirkung von Röntgenstrahlung mit Materie.

5.Physikalische Grundlagen des Einsatzes von Röntgenstrahlen in der Medizin.

Röntgenstrahlen (Röntgenstrahlen) wurden von K. Röntgen entdeckt, der 1895 der erste Nobelpreisträger für Physik wurde.

1. Natur der Röntgenstrahlen

Röntgenstrahlung – elektromagnetische Wellen mit einer Länge von 80 bis 10–5 nm. Langwellige Röntgenstrahlung wird von kurzwelliger UV-Strahlung überlagert, kurzwellige Röntgenstrahlung wird von langwelliger g-Strahlung überlagert.

Röntgenstrahlen werden in Röntgenröhren erzeugt. Abb.1.

K – Kathode

1 – Elektronenstrahl

2 – Röntgenstrahlung

Reis. 1. Röntgenröhrengerät.

Die Röhre ist ein Glaskolben (mit möglicherweise hohem Vakuum: Der Druck darin beträgt etwa 10–6 mmHg) mit zwei Elektroden: Anode A und Kathode K, an die Hochspannung angelegt wird U (mehrere tausend Volt). Die Kathode ist eine Elektronenquelle (aufgrund des Phänomens der thermionischen Emission). Die Anode ist ein Metallstab, der eine geneigte Oberfläche aufweist, um die entstehende Röntgenstrahlung schräg zur Röhrenachse zu richten. Es besteht aus einem gut wärmeleitenden Material, um die durch den Elektronenbeschuss entstehende Wärme abzuleiten. Am abgeschrägten Ende befindet sich eine Platte aus feuerfestem Metall (z. B. Wolfram).

Die starke Erwärmung der Anode ist darauf zurückzuführen, dass die Mehrheit der Elektronen im Kathodenstrahl beim Erreichen der Anode zahlreiche Kollisionen mit Atomen der Substanz erfährt und große Energie auf diese überträgt.

Unter dem Einfluss von Hochspannung werden die vom heißen Kathodenfaden emittierten Elektronen auf hohe Energien beschleunigt. Die kinetische Energie des Elektrons beträgt mv 2 /2. Sie entspricht der Energie, die es aufnimmt, wenn es sich im elektrostatischen Feld der Röhre bewegt:

mv 2 /2 = eU (1)

wo m, e – Masse und Ladung des Elektrons, U – Beschleunigungsspannung.

Die Prozesse, die zum Auftreten von Bremsstrahlung im Röntgenbereich führen, werden durch eine starke Abbremsung der Elektronen in der Anodensubstanz durch das elektrostatische Feld des Atomkerns und der Atomelektronen verursacht.

Der Entstehungsmechanismus lässt sich wie folgt darstellen. Bewegte Elektronen sind ein bestimmter Strom, der ein eigenes Magnetfeld bildet. Die Verlangsamung der Elektronen führt zu einer Abnahme der Stromstärke und dementsprechend zu einer Änderung der Magnetfeldinduktion, was zum Auftreten eines elektrischen Wechselfelds führt, d. h. Auftreten einer elektromagnetischen Welle.

Wenn also ein geladenes Teilchen in die Materie fliegt, wird es abgebremst, verliert seine Energie und Geschwindigkeit und sendet elektromagnetische Wellen aus.

2. Spektrale Eigenschaften von Röntgenbremsstrahlung .

Im Falle einer Elektronenverzögerung in der Anodensubstanz gilt also: Bremsstrahlung Röntgenstrahlung.

Das Spektrum der Bremsstrahlung im Röntgenbereich ist kontinuierlich . Der Grund dafür ist folgender.

Wenn Elektronen abgebremst werden, wird ein Teil der Energie zum Erhitzen der Anode verwendet (E 1 = Q ), der andere Teil für die Erzeugung eines Röntgenphotons (E 2 = hv ), sonst gilt eU = hv + Q . Die Beziehung zwischen diesen Teilen ist zufällig.

So entsteht durch die Abbremsung vieler Elektronen, von denen jedes ein Röntgenquant emittiert, ein kontinuierliches Spektrum der Röntgenbremsstrahlung hv(h ) eines streng definierten Wertes. Die Größe dieses Quantums unterschiedlich für verschiedene Elektronen. Abhängigkeit des Röntgenenergieflusses von der Wellenlänge l , d.h. Das Röntgenspektrum ist in Abb. 2 dargestellt.

Abb.2. Bremsstrahlungs-Röntgenspektrum: a) bei verschiedenen Spannungen U in der Röhre; b) bei unterschiedlichen Temperaturen T der Kathode.

Kurzwellige (harte) Strahlung hat eine größere Durchdringungskraft als langwellige (weiche) Strahlung. Weiche Strahlung wird von Materie stärker absorbiert.

Auf der kurzwelligen Seite endet das Spektrum ab einer bestimmten Wellenlänge abrupt l m i n . Solche kurzwellige Bremsstrahlung entsteht, wenn die von einem Elektron in einem Beschleunigungsfeld aufgenommene Energie vollständig in Photonenenergie umgewandelt wird ( Q = 0):

eU = hv max = hc/ l min , l min = hc/(eU), (2)

l min (nm) = 1,23/ U kV

Die spektrale Zusammensetzung der Strahlung hängt von der Spannung an der Röntgenröhre ab, mit steigender Spannung steigt der Wert l m i n verschiebt sich zu kurzen Wellenlängen (Abb. 2 A).

Wenn sich die Temperatur T der Kathode ändert, nimmt die Emission von Elektronen zu. Folglich erhöht sich der Strom ICH in der Röhre, die spektrale Zusammensetzung der Strahlung ändert sich jedoch nicht (Abb. 2b).

Energiefluss F * Bremsstrahlung ist direkt proportional zum Quadrat der Spannung U zwischen Anode und Kathode, Stromstärke ICH in Röhre und Ordnungszahl Z der Anodensubstanz:

Ф = kZU 2 I. (3)

wobei k = 10 –9 W/(V 2 A).

3. Charakteristische Röntgenstrahlung (als Referenz).

Eine Erhöhung der Spannung an der Röntgenröhre führt zum Auftreten eines Linienspektrums vor dem Hintergrund eines kontinuierlichen Spektrums, das der charakteristischen Röntgenstrahlung entspricht. Diese Strahlung ist spezifisch für das Anodenmaterial.

Der Mechanismus seines Auftretens ist wie folgt. Bei hoher Spannung dringen beschleunigte Elektronen (mit hoher Energie) tief in das Atom ein und schlagen Elektronen aus seinen inneren Schichten heraus. Elektronen aus oberen Ebenen wandern an freie Plätze, wodurch Photonen charakteristischer Strahlung emittiert werden.

Die Spektren charakteristischer Röntgenstrahlung unterscheiden sich von optischen Spektren.

- Einheitlichkeit.

Die Einheitlichkeit der charakteristischen Spektren beruht auf der Tatsache, dass die inneren elektronischen Schichten verschiedener Atome identisch sind und sich nur energetisch aufgrund der von den Kernen ausgeübten Kraft unterscheiden, die mit zunehmender Ordnungszahl des Elements zunimmt. Daher verschieben sich die charakteristischen Spektren mit zunehmender Kernladung zu höheren Frequenzen. Dies wurde experimentell von einem Mitarbeiter von Röntgen bestätigt - Moseley, der die Frequenzen von Röntgenübergängen für 33 Elemente maß. Sie haben das Gesetz geschaffen.

Mosleys Gesetz – Die Quadratwurzel der charakteristischen Strahlungsfrequenz ist eine lineare Funktion der Seriennummer des Elements:

A × (Z – B), (4)

wo v – Frequenz der Spektrallinie, Z – Ordnungszahl des emittierenden Elements. A, B sind Konstanten.

Die Bedeutung des Moseley-Gesetzes liegt darin, dass aus dieser Abhängigkeit anhand der gemessenen Frequenz der Röntgenlinie die Ordnungszahl des untersuchten Elements genau bestimmt werden kann. Dies spielte eine große Rolle bei der Platzierung der Elemente im Periodensystem.

– Unabhängigkeit von chemischen Verbindungen.

Die charakteristischen Röntgenspektren eines Atoms hängen nicht von der chemischen Verbindung ab, in der das Elementatom enthalten ist. Beispielsweise ist das Röntgenspektrum des Sauerstoffatoms für O 2 und H 2 O gleich, während die optischen Spektren dieser Verbindungen unterschiedlich sind. Dieses Merkmal des Röntgenspektrums des Atoms diente als Grundlage für den Namen „ charakteristische Strahlung".

4. Wechselwirkung von Röntgenstrahlen mit Materie

Die Wirkung von Röntgenstrahlung auf Objekte wird durch die primären Wechselwirkungsprozesse der Röntgenstrahlung bestimmt Photon mit Elektronen Atome und Moleküle der Materie.

Röntgenstrahlung in Materie absorbiert oder löst sich auf. Dabei können verschiedene Prozesse ablaufen, die durch das Verhältnis der Energie des Röntgenphotons bestimmt werden hv und Ionisierungsenergie A und (Ionisierungsenergie A und ist die Energie, die erforderlich ist, um interne Elektronen außerhalb des Atoms oder Moleküls zu entfernen).

A) Kohärente Streuung(Streuung langwelliger Strahlung) tritt auf, wenn die Beziehung erfüllt ist

hv< А и.

Bei Photonen ändert sich durch die Wechselwirkung mit Elektronen nur die Bewegungsrichtung (Abb. 3a), aber auch die Energie hv und Wellenlänge ändern sich nicht (daher heißt diese Streuung). kohärent). Da sich die Energie des Photons und des Atoms nicht ändert, hat die kohärente Streuung keinen Einfluss auf biologische Objekte. Bei der Schaffung eines Schutzes vor Röntgenstrahlung sollte jedoch die Möglichkeit einer Änderung der Primärrichtung des Strahls berücksichtigt werden.

B) Fotoeffekt passiert wann

hv³ A und .

In diesem Fall können zwei Fälle realisiert werden.

1. Das Photon wird absorbiert, das Elektron wird vom Atom getrennt (Abb. 3b). Es kommt zur Ionisierung. Das abgetrennte Elektron erhält kinetische Energie: E k = hv – A und . Ist die kinetische Energie hoch, kann das Elektron durch Kollision benachbarte Atome ionisieren und so neue bilden sekundär Elektronen.

2. Das Photon wird absorbiert, aber seine Energie reicht nicht aus, um ein Elektron zu entfernen, und Anregung eines Atoms oder Moleküls(Abb. 3c). Dies führt häufig zur anschließenden Emission eines Photons im sichtbaren Bereich (Röntgenlumineszenz) und in Geweben zur Aktivierung von Molekülen und photochemischen Reaktionen. Der photoelektrische Effekt tritt hauptsächlich an den Elektronen der inneren Hüllen von Atomen mit hoher Strahlung auf Z.

V) Inkohärente Streuung(Compton-Effekt, 1922) tritt auf, wenn die Photonenenergie viel größer ist als die Ionisierungsenergie

hv » A und.

In diesem Fall wird ein Elektron vom Atom getrennt (solche Elektronen werden als Elektronen bezeichnet). Elektronen zurückstoßen), gewinnt etwas kinetische Energie E zu , die Energie des Photons selbst nimmt ab (Abb. 4d):

hv = hv " + A und + E k (5)

Die so erzeugte Strahlung mit veränderter Frequenz (Länge) nennt man sekundär Es breitet sich in alle Richtungen aus.

Rückstoßelektronen können bei ausreichender kinetischer Energie benachbarte Atome durch Kollision ionisieren. Durch inkohärente Streuung entsteht somit sekundäre gestreute Röntgenstrahlung und es kommt zur Ionisierung von Atomen des Stoffes.

Die angegebenen (a, b, c) Prozesse können eine Reihe nachfolgender Prozesse verursachen. Zum Beispiel (Abb. 3d), Wenn beim photoelektrischen Effekt Elektronen auf den inneren Schalen vom Atom getrennt werden, können an deren Stelle Elektronen aus höheren Ebenen treten, was mit einer sekundären charakteristischen Röntgenstrahlung des Stoffes einhergeht. Photonen der Sekundärstrahlung, die mit Elektronen benachbarter Atome interagieren, können wiederum Sekundärphänomene verursachen.

kohärente Streuung

hv< А И

Fotoeffekt

hv ³ A und

Photon wird absorbiert, e – wird vom Atom getrennt – Ionisierung

hv = A und + E k

Atom A wird angeregt, wenn ein Photon absorbiert wird, R – Röntgenlumineszenz

inkohärente Streuung

hv » A und

hv = hv "+A und +E zu

Sekundärprozesse beim photoelektrischen Effekt

Reis. 3 Mechanismen der Wechselwirkung von Röntgenstrahlung mit Materie

Physikalische Grundlagen des Einsatzes von Röntgenstrahlen in der Medizin

Wenn Röntgenstrahlung auf einen Körper fällt, wird sie von seiner Oberfläche leicht reflektiert, dringt aber hauptsächlich tief in den Körper ein, während sie teilweise absorbiert und gestreut wird und teilweise durchdringt.

Gesetz der Schwächung.

Der Röntgenfluss wird in einer Substanz nach dem Gesetz geschwächt:

Ф = Ф 0 e – m × x (6)

wo m – linear Dämpfungskoeffizient, was maßgeblich von der Dichte des Stoffes abhängt. Sie entspricht der Summe dreier Terme, die der kohärenten Streuung entsprechen m 1, inkohärenter m 2 und photoelektrischer Effekt m 3:

m = m 1 + m 2 + m 3. (7)

Der Beitrag jedes Termes wird durch die Photonenenergie bestimmt. Nachfolgend sind die Beziehungen zwischen diesen Prozessen für Weichgewebe (Wasser) aufgeführt.

Genießen Massenschwächungskoeffizient, was nicht von der Dichte des Stoffes abhängt R:

m m = m / r . (8)

Der Massenschwächungskoeffizient hängt von der Photonenenergie und der Ordnungszahl des absorbierenden Stoffes ab:

m m = k l 3 Z 3 . (9)

Massenschwächungskoeffizienten von Knochen und Weichgewebe (Wasser) abweichen: m m Knochen / m m Wasser = 68.

Wird ein inhomogener Körper in den Strahlengang der Röntgenstrahlen gebracht und davor ein Leuchtschirm platziert, so erzeugt dieser Körper, der die Strahlung absorbiert und schwächt, einen Schatten auf dem Schirm. Anhand der Beschaffenheit dieses Schattens kann man die Form, Dichte, Struktur und in vielen Fällen die Natur von Körpern beurteilen. Diese. Der signifikante Unterschied in der Absorption von Röntgenstrahlung durch verschiedene Gewebe ermöglicht es, ein Bild innerer Organe in einer Schattenprojektion zu sehen.

Wenn das zu untersuchende Organ und das umliegende Gewebe die Röntgenstrahlung gleichermaßen abschwächen, kommen Kontrastmittel zum Einsatz. Zum Beispiel, indem man Magen und Darm mit einer breiigen Masse aus Bariumsulfat füllt ( BaS 0 4), können Sie ihr Schattenbild sehen (das Verhältnis der Schwächungskoeffizienten beträgt 354).

Verwendung in der Medizin.

In der Medizin werden Röntgenstrahlen mit Photonenenergien von 60 bis 100–120 keV für die Diagnostik und 150–200 keV für die Therapie eingesetzt.

Röntgendiagnostik – Erkennung von Krankheiten durch Röntgenuntersuchung des Körpers.

Die Röntgendiagnostik wird auf verschiedene Arten eingesetzt, die im Folgenden aufgeführt sind.

1. Mit Durchleuchtung Die Röntgenröhre befindet sich hinter dem Patienten. Davor befindet sich ein fluoreszierender Bildschirm. Auf dem Bildschirm ist ein schattiges (positives) Bild zu sehen. Im Einzelfall wird die entsprechende Strahlungshärte so gewählt, dass sie weiche Gewebe durchdringt, von dichten Geweben jedoch ausreichend absorbiert wird. Ansonsten erhält man einen gleichmäßigen Schatten. Auf dem Bildschirm sind Herz und Rippen dunkel zu sehen, die Lunge ist hell.

2. Mit Röntgen Das Objekt wird auf eine Kassette gelegt, die einen Film mit einer speziellen Fotoemulsion enthält. Die Röntgenröhre wird über dem Objekt positioniert. Das resultierende Röntgenbild ergibt ein Negativbild, d.h. das Gegenteil im Gegensatz zu dem Bild, das während der Durchleuchtung beobachtet wurde. Bei dieser Methode ist das Bild klarer als bei (1), sodass Details sichtbar sind, die durch Transmission nur schwer zu erkennen sind.

Eine vielversprechende Variante dieser Methode ist das Röntgen Tomographie und „Maschinenversion“ – Computer Tomographie.

3. Mit Fluorographie, Das Bild der großen Leinwand wird auf einem empfindlichen Kleinformatfilm festgehalten. Beim Betrachten werden die Fotos mit einer speziellen Lupe betrachtet.

Röntgentherapie – der Einsatz von Röntgenstrahlen zur Zerstörung bösartiger Tumore.

Die biologische Wirkung der Strahlung besteht darin, die lebenswichtigen Funktionen, insbesondere sich schnell vermehrender Zellen, zu stören.

COMPUTERTOMOGRAPHIE (CT)

Das Verfahren der Röntgen-Computertomographie basiert auf der Bildrekonstruktion von Operationen.eines ausgewählten Körperabschnitts des Patienten durch Aufnahme einer großen Anzahl von Röntgenprojektionen dieses Abschnitts, die aus verschiedenen Winkeln durchgeführt werden. Informationen von Sensoren, die diese Projektionen aufzeichnen, gelangen in einen Computer, der mithilfe eines speziellen Programms rechnet Verteilung eng Stichprobengrößeim untersuchten Abschnitt und zeigt es auf dem Bildschirm an. Das so erhaltene BildDer Querschnitt des Patientenkörpers zeichnet sich durch hervorragende Klarheit und hohen Informationsgehalt aus. Das Programm ermöglicht bei BedarfZunahme Bildkontrast V Dutzende und sogar Hunderte Male. Dies erweitert die diagnostischen Möglichkeiten der Methode.

Videofilmer (Geräte mit digitaler Röntgenbildverarbeitung) in der modernen Zahnheilkunde.

In der Zahnheilkunde ist die Röntgenuntersuchung die wichtigste diagnostische Methode. Eine Reihe traditioneller organisatorischer und technischer Besonderheiten der Röntgendiagnostik machen sie jedoch sowohl für den Patienten als auch für die Zahnkliniken nicht ganz komfortabel. Dies ist in erster Linie die Notwendigkeit des Patientenkontakts mit ionisierender Strahlung, die häufig eine erhebliche Strahlenbelastung für den Körper darstellt, außerdem die Notwendigkeit eines Photoprozesses und damit der Bedarf an Photoreagenzien, auch toxischen. Das ist schließlich ein sperriges Archiv, schwere Ordner und Umschläge mit Röntgenfilmen.

Darüber hinaus ist die subjektive Beurteilung von Röntgenaufnahmen durch das menschliche Auge aufgrund des aktuellen Entwicklungsstandes der Zahnheilkunde unzureichend. Wie sich herausstellte, nimmt das Auge von der Vielfalt der Grautöne, die ein Röntgenbild enthält, nur 64 wahr.

Es liegt auf der Hand, dass andere Lösungen erforderlich sind, um ein klares und detailliertes Bild der Hartgewebe des dentofazialen Systems bei minimaler Strahlenbelastung zu erhalten. Die Suche führte zur Schaffung sogenannter Radiographiesysteme, Videographen – digitaler Radiographiesysteme.

Ohne technische Details ist das Funktionsprinzip solcher Systeme wie folgt. Röntgenstrahlung gelangt durch das Objekt nicht zu einem lichtempfindlichen Film, sondern zu einem speziellen intraoralen Sensor (einer speziellen elektronischen Matrix). Das entsprechende Signal von der Matrix wird an ein mit dem Computer verbundenes Digitalisierungsgerät (Analog-Digital-Wandler, ADC) übertragen, das es in digitale Form umwandelt. Eine spezielle Software erstellt ein Röntgenbild auf einem Computerbildschirm und ermöglicht es Ihnen, es zu verarbeiten, auf einem festen oder flexiblen Speichermedium (Festplatte, Disketten) zu speichern und als Datei als Bild auszudrucken.

In einem digitalen System ist ein Röntgenbild eine Ansammlung von Punkten mit unterschiedlichen digitalen Graustufenwerten. Die vom Programm bereitgestellte Optimierung der Informationsanzeige ermöglicht es, ein Bild mit optimaler Helligkeit und Kontrast bei relativ geringer Strahlungsdosis zu erhalten.

In modernen Systemen, die beispielsweise von Unternehmen erstellt werden Trophy (Frankreich) oder Schick (USA) Bei der Rahmenbildung werden 4096 Graustufen verwendet, die Belichtungszeit hängt vom Untersuchungsobjekt ab und beträgt im Durchschnitt Hundertstel – Zehntelsekunden, Reduzierung der Strahlenbelastung im Vergleich zum Film – bis zu 90 % bei intraoralen Systemen, bis zu 70 % bei Panorama-Videofilmern.

Bei der Bildbearbeitung können Videofilmer:

1. Erhalten Sie positive und negative Bilder, Falschfarbenbilder und Reliefbilder.

2. Erhöhen Sie den Kontrast und vergrößern Sie den interessierenden Bereich im Bild.

3. Bewerten Sie Veränderungen in der Dichte von Zahngewebe und Knochenstrukturen und überwachen Sie die Gleichmäßigkeit der Kanalfüllung.

4. B Endodontie Bestimmen Sie die Länge eines Kanals mit beliebiger Krümmung und wählen Sie in der Chirurgie die Größe des Implantats mit einer Genauigkeit von 0,1 mm aus.

5. Einzigartiges System Kariesdetektor Mit Elementen der künstlichen Intelligenz bei der Analyse eines Bildes können Sie Karies im Spot-Stadium, Wurzelkaries und versteckte Karies erkennen.

* « „Ф“ in Formel (3) bezieht sich auf den gesamten Bereich der emittierten Wellenlängen und wird oft als „Integraler Energiefluss“ bezeichnet.