• Jo høyere spenningen påføres polene til røret, desto sterkere vises potensialforskjellen på dem, derfor vil den kinetiske energien til bevegelige elektroner være høyere. Spenningen på røret bestemmer hastigheten til elektronene og kraften til deres kollisjon med anodematerialet, derfor bestemmer spenningen bølgelengden til den resulterende røntgenstrålingen.

Klassifisering av røntgenrør

1. Etter avtale
1. Diagnostisk
2. Terapeutisk
3. For strukturell analyse
4. For gjennomlysning
2. Av design
1. Ved fokus

• Enkeltfokus (en spiral på katoden og ett fokuspunkt på anoden)
• Bifokal (to spiraler av forskjellige størrelser på katoden, og to brennpunkter på anoden)

1. Etter type anode

• Stasjonær (fast)
• Roterende

Røntgenstråler brukes ikke bare til radiodiagnostiske formål, men også til terapeutiske formål. Som nevnt ovenfor, gjør røntgenstrålingens evne til å undertrykke veksten av tumorceller det mulig å bruke den i strålebehandling av onkologiske sykdommer. I tillegg til det medisinske bruksområdet, har røntgenstråling funnet bred anvendelse innen ingeniør- og teknisk felt, materialvitenskap, krystallografi, kjemi og biokjemi: for eksempel er det mulig å identifisere strukturelle defekter i ulike produkter (skinner, sveiser). osv.) ved bruk av røntgenstråling. Typen slik forskning kalles defektoskopi. Og på flyplasser, jernbanestasjoner og andre overfylte steder brukes røntgen-tv-introskoper aktivt for å skanne håndbagasje og bagasje av sikkerhetshensyn.

Avhengig av type anode, varierer røntgenrør i design. På grunn av det faktum at 99% av den kinetiske energien til elektronene omdannes til termisk energi, under driften av røret, blir anoden betydelig oppvarmet - det følsomme wolframmålet brenner ofte ut. Anoden avkjøles i moderne røntgenrør ved å rotere den. Den roterende anoden har form som en skive, som fordeler varmen jevnt over hele overflaten, og forhindrer lokal overoppheting av wolframmålet.

Utformingen av røntgenrør er også forskjellig i fokus. Brennpunkt - delen av anoden som den arbeidende røntgenstrålen genereres på. Det er delt inn i det virkelige brennpunktet og det effektive brennpunktet ( ris. 12). På grunn av vinkelen på anoden er det effektive brennpunktet mindre enn det virkelige. Ulike brennpunktstørrelser brukes avhengig av størrelsen på bildeområdet. Jo større bildeområdet er, desto bredere må brennpunktet være for å dekke hele bildeområdet. Et mindre brennpunkt gir imidlertid bedre bildeklarhet. Derfor, når du produserer små bilder, brukes et kort filament og elektronene blir rettet mot et lite område av anodemålet, og skaper et mindre brennpunkt.

Ris. 9 - røntgenrør med en stasjonær anode.
Ris. 10 - Røntgenrør med roterende anode.
Ris. 11 - Røntgenrørapparat med en roterende anode.
Ris. 12 er et diagram over dannelsen av et reelt og effektivt brennpunkt.

FOREDRAG 32 RØNTGENSTRÅLING

FOREDRAG 32 RØNTGENSTRÅLING

1. Røntgenkilder.

2. Bremsstrahlung røntgen.

3. Karakteristisk røntgenstråling. Moseleys lov.

4. Interaksjon av røntgenstråling med materie. Loven om svekkelse.

5. Fysisk grunnlag for bruk av røntgen i medisin.

6. Grunnleggende begreper og formler.

7. Oppgaver.

røntgenstråling - elektromagnetiske bølger med en bølgelengde fra 100 til 10 -3 nm. På skalaen til elektromagnetiske bølger okkuperer røntgenstråling området mellom UV-stråling og γ -stråling. Røntgenstråler (røntgenstråler) ble oppdaget i 1895 av K. Roentgen, som i 1901 ble den første nobelprisvinneren i fysikk.

32.1. Røntgenkilder

Naturlige kilder til røntgenstråler er noen radioaktive isotoper (for eksempel 55 Fe). Kunstige kilder til kraftig røntgenstråler er røntgenrør(Fig. 32.1).

Ris. 32.1. Røntgenrørapparat

Røntgenrøret er en evakuert glasskolbe med to elektroder: anoden A og katoden K, mellom hvilke det dannes en høyspenning U (1-500 kV). Katoden er en spole oppvarmet av elektrisk strøm. Elektroner som sendes ut av en oppvarmet katode (termionisk emisjon) akselereres av et elektrisk felt til stor hastigheter (for dette trenger du høy spenning) og fall på anoden til røret. Når disse elektronene samhandler med anodematerialet, oppstår to typer røntgenstråling: brems Og karakteristisk.

Arbeidsflaten til anoden er plassert i en vinkel i forhold til retningen til elektronstrålen for å skape ønsket retning for røntgenstrålene.

Omtrent 1 % av den kinetiske energien til elektroner omdannes til røntgenstråler. Resten av energien frigjøres som varme. Derfor er arbeidsflaten til anoden laget av et ildfast materiale.

32.2. Bremsstrahlung røntgen

Et elektron som beveger seg i et medium mister sin hastighet. Dette skaper en negativ akselerasjon. I følge Maxwells teori kan evt akselerert bevegelsen til en ladet partikkel er ledsaget av elektromagnetisk stråling. Strålingen som oppstår når et elektron bremser ned i anodematerialet kalles bremsstrahlung røntgen.

Egenskapene til bremsstrahlung bestemmes av følgende faktorer.

1. Stråling sendes ut av individuelle kvanter, hvis energier er relatert til frekvensen med formelen (26.10)

hvor ν er frekvensen, λ er bølgelengden.

2. Alle elektroner som når anoden har det samme kinetisk energi lik arbeidet til det elektriske feltet mellom anoden og katoden:

hvor e er elektronladningen, U er akselerasjonsspenningen.

3. Den kinetiske energien til et elektron overføres delvis til stoffet og går til å varme det opp (Q), og blir delvis brukt på å lage et røntgenkvante:

4. Forholdet mellom Q og hv ved et uhell.

På grunn av den siste egenskapen (4), kvanta generert av diverse elektroner, har diverse frekvenser og bølgelengder. Derfor er bremsstrahlung-spekteret fast. typisk utsikt spektral tetthet røntgenfluksen (Φ λ = άΦ/άλ) er vist i fig. 32.2.

Ris. 32.2. Bremsstrahlung spektrum

Fra siden av lange bølger er spekteret begrenset av en bølgelengde på 100 nm, som er grensen for røntgenstråling. Fra siden av korte bølger er spekteret begrenset av bølgelengden λ min . I henhold til formel (32.2) minste bølgelengde tilsvarer tilfellet Q = 0 (den kinetiske energien til elektronet er fullstendig omdannet til energien til kvantemet):

Beregninger viser at bremsstrahlung-fluksen (Φ) er direkte proporsjonal med kvadratet av spenningen U mellom

anode og katode, strøm I i røret og atomnummer Z til anodestoffet:

Røntgen-bremsstrahlung-spektrene ved forskjellige spenninger, forskjellige katodetemperaturer og forskjellige anodematerialer er vist i fig. 32.3.

Ris. 32.3. Bremsstrahlung spektrum (Φ λ):

a - ved forskjellige spenninger U i røret; b - ved forskjellige temperaturer T

katode; c - med forskjellige anodestoffer som er forskjellige i parameter Z

Med en økning i anodespenningen, verdien λmin skifter mot kortere bølgelengder. Samtidig øker også høyden på spektralkurven (fig. 32.3, EN).

Når katodetemperaturen øker, øker elektronemisjonen. Tilsvarende øker også strømmen I i røret. Høyden på spektralkurven øker, men den spektrale sammensetningen av strålingen endres ikke (fig. 32.3, b).

Når anodematerialet endres, endres høyden på spektralkurven proporsjonalt med atomnummeret Z (fig. 32.3, c).

32.3. Karakteristisk røntgenstråling. Moseleys lov

Når katodeelektroner interagerer med anodeatomer, sammen med røntgenbremsstrahlung, oppstår røntgenstråling, hvis spektrum består av individuelle linjer. Denne strålingen

har følgende opprinnelse. Noen katodiske elektroner trenger dypt inn i atomet og slår elektroner ut av det. indre skjell. De dermed dannede ledige plassene fylles med elektroner med topp skjell, noe som resulterer i utslipp av strålingskvanter. Denne strålingen inneholder et diskret sett med frekvenser bestemt av anodematerialet og kalles karakteristisk stråling. Hele spekteret til et røntgenrør er en superposisjon av det karakteristiske spekteret på bremsstrahlung-spekteret (fig. 32.4).

Ris. 32.4. Røntgenrør emisjonsspekter

Eksistensen av karakteristiske røntgenspektra har blitt oppdaget ved hjelp av røntgenrør. Senere ble det funnet at slike spektre oppstår under enhver ionisering av de indre banene til kjemiske elementer. Etter å ha studert de karakteristiske spektrene til forskjellige kjemiske elementer, etablerte G. Moseley (1913) følgende lov, som bærer hans navn.

Kvadratroten av frekvensen til den karakteristiske strålingen er en lineær funksjon av ordenstallet til elementet:

hvor ν er frekvensen til spektrallinjen, Z er atomnummeret til det emitterende elementet, A, B er konstanter.

Moseleys lov gjør det mulig å bestemme atomnummeret til et kjemisk grunnstoff fra det observerte spekteret av karakteristisk stråling. Dette spilte en stor rolle i plasseringen av grunnstoffer i det periodiske systemet.

32.4. Interaksjon av røntgenstråling med materie. lov om svekkelse

Det er to hovedtyper av interaksjon av røntgenstråling med materie: spredning og fotoelektrisk effekt. Når det er spredt, endres bevegelsesretningen til et foton. I den fotoelektriske effekten, et foton absorbert.

1. Koherent (elastisk) spredning oppstår når energien til et røntgenfoton er utilstrekkelig for intern ionisering av et atom (slår ut et elektron fra et av de indre skallene). I dette tilfellet endres bevegelsesretningen til fotonet, og dets energi og bølgelengde endres ikke (derfor kalles denne spredningen elastisk).

2. Usammenhengende (Compton) spredning oppstår når fotonenergien er mye større enn den indre ioniseringsenergien A u: hv >> A u.

I dette tilfellet bryter elektronet bort fra atomet og får litt kinetisk energi E k. Retningen til fotonet under Compton-spredning endres, og energien avtar:

Compton-spredning er assosiert med ionisering av materiens atomer.

3. fotoelektrisk effekt oppstår når fotonenergien hv er tilstrekkelig til å ionisere atomet: hv > A u. Samtidig røntgenkvante absorbert og dens energi brukes på ionisering av atomet og kommunikasjon av kinetisk energi til det utkastede elektronet E k \u003d hv - AI.

Comptonspredning og den fotoelektriske effekten er ledsaget av karakteristisk røntgenstråling, siden etter utslag av indre elektroner fylles de ledige plassene med elektroner fra de ytre skallene.

Røntgenluminescens. I noen stoffer forårsaker elektroner og kvanter av Compton-spredning, så vel som fotoelektriske effektelektroner, eksitasjon av molekyler, som er ledsaget av strålingsoverganger til grunntilstanden. Dette produserer en glød som kalles røntgenluminescens. Luminescensen av barium platina-cyanogen gjorde at røntgenstråler ble oppdaget av Roentgen.

lov om svekkelse

Spredningen av røntgenstråler og den fotoelektriske effekten fører til at når røntgenstrålingen trenger dypt inn i den primære strålen svekkes den (fig. 32.5). Lempelsen er eksponentiell:

Verdien av μ avhenger av det absorberende materialet og strålingsspekteret. For praktiske beregninger, som en karakteristikk av de svekkede

Ris. 32,5. Dempning av røntgenfluksen i retning av de innfallende strålene

Hvor λ - bølgelengde; Z er atomnummeret til grunnstoffet; k er en konstant.

32,5. Fysiske bruksgrunnlag

røntgenstråling i medisin

I medisin brukes røntgenstråler til diagnostiske og terapeutiske formål.

Røntgendiagnostikk- Metoder for å få bilder av indre organer ved hjelp av røntgen.

Det fysiske grunnlaget for disse metodene er loven om røntgendemping i materie (32.10). Ensartet røntgenfluks i tverrsnitt etter gjennomføring inhomogent vev vil bli inhomogen. Denne inhomogeniteten kan registreres på fotografisk film, en fluorescerende skjerm eller ved å bruke en matrisefotodetektor. For eksempel er massesvekkelseskoeffisientene til benvev - Ca 3 (PO 4) 2 - og bløtvev - hovedsakelig H 2 O - 68 ganger forskjellig (μm bein /μm vann = 68). Bentetthet er også høyere enn bløtvevstetthet. Derfor produserer et røntgenbilde et lysbilde av beinet mot en mørkere bakgrunn av bløtvev.

Hvis organet som studeres og vevene rundt det har lignende dempningskoeffisienter, så spesielt kontrastmidler. Så, for eksempel, under fluoroskopi av magen, tar forsøkspersonen en grøtaktig masse av bariumsulfat (BaSO 4), der massedempningskoeffisienten er 354 ganger større enn for bløtvev.

For diagnostikk brukes røntgenstråling med en fotonenergi på 60-120 keV. I medisinsk praksis brukes følgende metoder for røntgendiagnostikk.

1. Røntgen. Bildet er dannet på en fluorescerende skjerm. Bildets lysstyrke er lav og kan bare sees i et mørkt rom. Legen må beskyttes mot eksponering.

Fordelen med fluoroskopi er at den utføres i sanntid. Ulempen er stor strålebelastning på pasienten og legen (sammenlignet med andre metoder).

Den moderne versjonen av fluoroskopi - røntgen-fjernsyn - bruker røntgenbildeforsterkere. Forsterkeren oppfatter den svake gløden fra røntgenskjermen, forsterker den og overfører den til TV-skjermen. Som et resultat har strålingsbelastningen på legen redusert kraftig, lysstyrken på bildet har økt, og det har blitt mulig å registrere resultatene av undersøkelsen på video.

2. Radiografi. Bildet er dannet på en spesiell film som er følsom for røntgenstråler. Bildene er tatt i to innbyrdes vinkelrette projeksjoner (direkte og laterale). Bildet blir synlig etter fotobehandling. Det ferdige tørkede bildet sees i gjennomlyst lys.

Samtidig er detaljer tilfredsstillende synlige, hvis kontrast avviker med 1-2%.

I noen tilfeller, før undersøkelsen, gis pasienten en spesiell kontrastmiddel. For eksempel en jodholdig løsning (intravenøst) i studiet av nyrene og urinveiene.

Fordelene med røntgen er høy oppløsning, kort eksponeringstid og nesten full sikkerhet for legen. Ulempene inkluderer det statiske bildet (objektet kan ikke spores i dynamikk).

3. Fluorografi. I denne undersøkelsen blir bildet som er oppnådd på skjermen fotografert på en følsom film i småformat. Fluorografi er mye brukt i masseundersøkelsen av befolkningen. Hvis patologiske endringer er funnet på fluorogrammet, blir pasienten foreskrevet en mer detaljert undersøkelse.

4. Elektroroentgenografi. Denne typen undersøkelser skiller seg fra konvensjonell røntgen i måten bildet er tatt. Bruk i stedet for film selen plate, elektrifisert med røntgenstråler. Resultatet er et latent bilde av elektriske ladninger som kan gjøres synlige og overføres til papir.

5. Angiografi. Denne metoden brukes ved undersøkelse av blodårer. Et kontrastmiddel sprøytes inn i venen gjennom et kateter, hvoretter en kraftig røntgenmaskin tar en serie bilder som følger hverandre på en brøkdel av et sekund. Figur 32.6 viser et angiogram i området av halspulsåren.

6. Røntgen datatomografi. Denne typen røntgenundersøkelse lar deg få et bilde av en flat del av kroppen med en tykkelse på flere mm. I dette tilfellet blir den gitte delen gjentatte ganger opplyst i forskjellige vinkler med fiksering av hvert enkelt bilde i datamaskinens minne. Deretter

Ris. 32.6. Angiogram som viser en innsnevring i kanalen i halspulsåren

Ris. 32.7. Skanneskjema for tomografi (a); tomogram av hodet i tverrsnitt i øyehøyde (b).

datamaskinrekonstruksjon utføres, resultatet av dette er bildet av det skannede laget (fig. 32.7).

Computertomografi gjør det mulig å skille elementer med en tetthetsforskjell mellom dem opptil 1%. Konvensjonell radiografi lar deg fange en minimumsforskjell i tetthet mellom tilstøtende områder på 10-20%.

røntgenterapi - bruk av røntgen for å ødelegge ondartede svulster.

Den biologiske effekten av stråling er å forstyrre den vitale aktiviteten til spesielt raskt formerende celler. Svært harde røntgenstråler (med en fotonenergi på omtrent 10 MeV) brukes til å ødelegge kreftceller dypt inne i kroppen. For å redusere skade på friskt omkringliggende vev, roterer strålen rundt pasienten på en slik måte at bare det skadede området forblir under dens påvirkning til enhver tid.

32.6. Grunnleggende begreper og formler

Tabellfortsettelse

Slutt på tabellen

32.7. Oppgaver

1. Hvorfor treffer en elektronstråle i medisinske røntgenrør ett punkt på antikatoden, og faller ikke på den i en bred stråle?

Svar: for å få en punktkilde for røntgenstråler, som gir et skarpt omriss av gjennomskinnelige objekter på skjermen.

2. Finn grensen for bremsstrahlung røntgenstråler (frekvens og bølgelengde) for spenninger U 1 = 2 kV og U 2 = 20 kV.

4. Blyskjermer brukes for å beskytte mot røntgenstråler. Den lineære absorpsjonen av røntgenstråler i bly er 52 cm -1. Hva bør tykkelsen på skjermlaget av bly være for at det skal redusere røntgenintensiteten med 30 ganger?

5. Finn røntgenrørets strålingsfluks ved U = 50 kV, I = 1 mA. Anoden er laget av wolfram (Z = 74). Finn effektiviteten til røret.

6. For røntgendiagnostikk av bløtvev brukes kontrastmidler. For eksempel er magen og tarmen fylt med en masse bariumsulfat (BaSO 4 ). Sammenlign massedempningskoeffisientene til bariumsulfat og bløtvev (vann).

7. Hva vil gi en tykkere skygge på røntgenskjermen: aluminium (Z = 13, ρ = 2,7 g/cm 3) eller samme lag med kobber (Z = 29, ρ = 8,9 g/cm 3)?

8. Hvor mange ganger er tykkelsen på aluminiumslaget større enn tykkelsen på kobberlaget, hvis lagene demper røntgenstråler på samme måte?

Virkningen av røntgenstråling på et stoff bestemmes av de primære prosessene for interaksjon av et røntgenfoton med elektronene til atomer og molekyler i stoffet.

3. Røntgen datatomografi.

Metoden for røntgendatatomografi er basert på rekonstruksjon av et bilde av en viss del (seksjon) av pasientens kropp ved å registrere et stort antall røntgenprojeksjoner av denne delen, laget i forskjellige vinkler (fig. 5). . Informasjon fra sensorene som registrerer disse projeksjonene kommer inn i datamaskinen, som ifølge et spesielt program, beregner fordeling prøvetetthet i den undersøkte delen og viser den på skjermen. Bildet av delen av pasientens kropp oppnådd på denne måten er preget av utmerket klarhet og høyt informasjonsinnhold. Programmet lar deg øke bildekontrasten titalls eller hundrevis av ganger. Dette utvider metodens diagnostiske evner.

Ris. Fig. 5. Skjema for røntgengjennomlysning av en del av organet som studeres (punkt 1 og punkt 2 - to påfølgende posisjoner av røntgenkilden)

4. Med fluorografi et bilde fra en stor skjerm tas opp på en følsom film i småformat (fig. 6). Under analyse undersøkes bildene på en spesiell lupe.

Denne metoden brukes til masseundersøkelse av befolkningen. I dette tilfellet er strålingsbelastningen på pasienten mye mindre enn ved konvensjonell fluoroskopi.

Røntgenterapi- bruk av røntgenstråler for å ødelegge ondartede svulster.

Den biologiske effekten av stråling er å forstyrre den vitale aktiviteten til raskt formerende tumorceller. I dette tilfellet er energien til R - fotoner 150-200 keV.

Visiografer (enheter med digital røntgenbildebehandling) i moderne tannbehandling

I tannlegen er røntgenundersøkelse den viktigste diagnostiske metoden. En rekke tradisjonelle organisatoriske og tekniske trekk ved røntgendiagnostikk gjør det imidlertid ikke helt behagelig for både pasienten og tannklinikken. Dette er først og fremst behovet for at pasienten skal komme i kontakt med ioniserende stråling, som ofte skaper en betydelig strålingsbelastning på kroppen, det er også behovet for en fotoprosess, og følgelig behovet for fotoreagenser, bl.a. giftige. Dette er endelig et klumpete arkiv, tunge mapper og konvolutter med røntgenfilmer.

I tillegg gjør det nåværende utviklingsnivået for tannbehandling den subjektive vurderingen av røntgenbilder av det menneskelige øyet utilstrekkelig. Som det viste seg, av variasjonen av gråtoner i røntgenbildet, oppfatter øyet bare 64.

For å få et klart og detaljert bilde av det harde vevet i dento-kjeve-systemet med minimal strålingseksponering, er det åpenbart nødvendig med andre løsninger. I dag har søket ført til opprettelsen av såkalte radiografiske systemer, videografer - digitale radiografisystemer (1987, Trophy company).

Uten tekniske detaljer er prinsippet for drift av slike systemer som følger. Røntgenstråling kommer inn gjennom objektet ikke på en fotosensitiv film, men på en spesiell intraoral sensor (spesiell elektronisk matrise). Det tilsvarende signalet fra matrisen overføres til en digitaliseringsenhet (analog-til-digital-omformer, ADC) som konverterer det til digital form og kobles til datamaskinen. Spesiell programvare bygger et røntgenbilde på dataskjermen og lar deg behandle det, lagre det på et hardt eller fleksibelt lagringsmedium (harddisk, disk), skrive det ut som et bilde som en fil.

I et digitalt system er et røntgenbilde en samling prikker, som tilsvarer forskjellige gråtoner. Infosom programmet gir, gjør det mulig å oppnå en optimal ramme når det gjelder lysstyrke og kontrast ved en relativt lav stråledose.

I moderne systemer, laget for eksempel av Trophy (Frankrike) eller Schick (USA), brukes 4096 nyanser av grått når du danner en ramme, eksponeringstiden avhenger av studieobjektet og er i gjennomsnitt hundredeler - tiendedeler av det andre, en reduksjon i strålingseksponering i forhold til film - opptil 90 % for intraorale systemer, opptil 70 % for panoramafotografer.

Ved behandling av bilder tillater videografer:

1. Få positive og negative bilder, falske fargebilder, relieffbilder.

2. Øk kontrasten og forstørre delen av bildet av interesse.

3. Evaluer endringen i tettheten til tannvev og beinstrukturer, kontroller jevnheten til å fylle kanalene.

4. Ved endodonti bestemmer du lengden på kanalen til enhver krumning, og ved kirurgi velger du størrelsen på implantatet med en nøyaktighet på 0,1 mm.

Det unike kariesdetektorsystemet med elementer av kunstig intelligens under analyse av bildet lar deg oppdage karies i flekkstadiet, rotkaries og skjult karies.

Løse problemer:

1. Hvor mange ganger er den maksimale energien til et røntgen-bremsstrahlung-kvantum som oppstår ved en rørspenning på 80 kV større enn energien til et foton som tilsvarer grønt lys med en bølgelengde på 500 nm?

2. Bestem minimumsbølgelengden i spekteret av stråling som følge av retardasjon på målet for elektroner akselerert i betatronen til en energi på 60 MeV.

3. Laget med halv dempning av monokromatisk røntgenstråling i noen stoffer er 10 mm. Finn dempningen av denne strålingen i det gitte stoffet.

[*] Φ l - forholdet mellom energi som sendes ut i et smalt område av bølgelengder i 1s. til bredden av dette intervallet

* "F" i formel (4) refererer til hele området av utstrålte bølgelengder og blir ofte referert til som "Integral Energy Flux".

I 1895 oppdaget den tyske fysikeren Roentgen, mens han utførte eksperimenter på strømgjennomgang mellom to elektroder i vakuum, at en skjerm dekket med et selvlysende stoff (bariumsalt) gløder, selv om utladningsrøret er lukket med en svart pappskjerm - dette er hvordan stråling ble oppdaget som trenger gjennom ugjennomsiktige barrierer, kalt røntgenstråler. Det ble funnet at røntgenstråler, usynlige for mennesker, absorberes i ugjennomsiktige gjenstander jo sterkere, jo større atomnummer (tetthet) av barrieren er, slik at røntgenstråler lett passerer gjennom det myke vevet i menneskekroppen, men beholdes. ved skjelettets bein. Det ble designet kilder til kraftige røntgenstråler, som gjorde det mulig å skinne gjennom metalldeler og finne indre defekter i dem.

Den tyske fysikeren Laue foreslo at røntgenstråler er den samme elektromagnetiske strålingen som synlige lysstråler, men med en kortere bølgelengde og alle optikkens lover er gjeldende for dem, inkludert diffraksjon er mulig. I synlig lysoptikk kan diffraksjon på elementært nivå representeres som refleksjon av lys fra et system av riller - et diffraksjonsgitter som bare forekommer i visse vinkler, mens refleksjonsvinkelen til strålene er relatert til innfallsvinkelen, avstanden mellom sporene til diffraksjonsgitteret og bølgelengden til den innfallende strålingen. For diffraksjon er det nødvendig at avstanden mellom slagene er omtrent lik bølgelengden til det innfallende lyset.

Laue foreslo at røntgenstråler har en bølgelengde nær avstanden mellom individuelle atomer i krystaller, dvs. atomer i en krystall skaper et diffraksjonsgitter for røntgenstråler. Røntgenstråler rettet mot overflaten av krystallen ble reflektert på den fotografiske platen, som forutsagt av teorien.

Eventuelle endringer i atomenes posisjon påvirker diffraksjonsmønsteret, og ved å studere diffraksjonen av røntgenstråler kan man finne ut arrangementet av atomer i en krystall og endringen i dette arrangementet under enhver fysisk, kjemisk og mekanisk påvirkning på krystallen .

Nå brukes røntgenanalyse i mange områder av vitenskap og teknologi, med dens hjelp lærte de arrangementet av atomer i eksisterende materialer og skapte nye materialer med en gitt struktur og egenskaper. Nyere fremskritt på dette feltet (nanomaterialer, amorfe metaller, komposittmaterialer) skaper et aktivitetsfelt for de neste vitenskapelige generasjonene.

Forekomsten og egenskapene til røntgenstråler

Kilden til røntgenstråler er et røntgenrør, som har to elektroder - en katode og en anode. Når katoden varmes opp skjer det elektronemisjon, elektronene som sendes ut fra katoden akselereres av det elektriske feltet og treffer anodeoverflaten. Et røntgenrør skiller seg fra en konvensjonell radiolampe (diode) hovedsakelig ved en høyere akselerasjonsspenning (mer enn 1 kV).

Når et elektron flyr ut av katoden, får det elektriske feltet det til å fly mot anoden, mens hastigheten øker kontinuerlig, elektronet bærer et magnetfelt, hvis styrke øker med elektronets hastighet. Når man når anodeoverflaten, bremses elektronet kraftig, og det oppstår en elektromagnetisk puls med bølgelengder i et visst område (bremsstrahlung). Fordelingen av strålingsintensitet over bølgelengder avhenger av materialet til anoden til røntgenrøret og den påtrykte spenningen, mens på siden av korte bølger starter denne kurven fra en viss terskel minimumsbølgelengde, som avhenger av den påførte spenningen. Settet med stråler med alle mulige bølgelengder danner et kontinuerlig spektrum, og bølgelengden som tilsvarer maksimal intensitet er 1,5 ganger minimumsbølgelengden.

Med økende spenning endres røntgenspekteret dramatisk på grunn av samspillet mellom atomer og høyenergielektroner og kvanta av primære røntgenstråler. Et atom inneholder indre elektronskall (energinivåer), hvor antallet avhenger av atomnummeret (angitt med bokstavene K, L, M osv.) Elektroner og primære røntgenstråler slår ut elektroner fra ett energinivå til et annet . En metastabil tilstand oppstår, og et hopp av elektroner i motsatt retning er nødvendig for overgangen til en stabil tilstand. Dette hoppet er ledsaget av frigjøring av et energikvante og utseendet til røntgenstråler. I motsetning til kontinuerlig spektrum røntgen, har denne strålingen et veldig smalt bølgelengdeområde og høy intensitet (karakteristisk stråling) ( cm. ris.). Antall atomer som bestemmer intensiteten til den karakteristiske strålingen er veldig stort, for eksempel for et røntgenrør med en kobberanode ved en spenning på 1 kV, en strøm på 15 mA, 10 14–10 15 atomer gir karakteristikk stråling i 1 s. Denne verdien beregnes som forholdet mellom den totale røntgeneffekten og energien til røntgenkvantemet fra K-skallet (K-serien med røntgenkarakteristisk stråling). Den totale kraften til røntgenstråling i dette tilfellet er bare 0,1% av strømmen som forbrukes, resten går tapt, hovedsakelig på grunn av overgangen til varme.

På grunn av sin høye intensitet og smale bølgelengdeområde, er karakteristisk røntgenstråling den viktigste typen stråling som brukes i vitenskapelig forskning og prosesskontroll. Samtidig med K-seriens stråler genereres L- og M-seriens stråler, som har mye lengre bølgelengder, men deres anvendelse er begrenset. K-serien har to komponenter med nære bølgelengder a og b, mens intensiteten til b-komponenten er 5 ganger mindre enn a. I sin tur er a-komponenten preget av to svært nære bølgelengder, hvor intensiteten til den ene er 2 ganger større enn den andre. For å oppnå stråling med en enkelt bølgelengde (monokromatisk stråling) er det utviklet spesielle metoder som bruker avhengigheten av absorpsjon og diffraksjon av røntgenstråler på bølgelengden. En økning i atomnummeret til et grunnstoff er assosiert med en endring i egenskapene til elektronskallene, og jo større atomnummeret til røntgenrørets anodemateriale er, desto kortere er K-seriens bølgelengde. De mest brukte rørene med anoder fra grunnstoffer med atomnummer fra 24 til 42 (Cr, Fe, Co, Cu, Mo) og bølgelengder fra 2,29 til 0,712 A (0,229 - 0,712 nm).

I tillegg til røntgenrøret kan radioaktive isotoper være kilder til røntgenstråler, noen kan sende direkte ut røntgenstråler, andre sender ut elektroner og a-partikler som genererer røntgenstråler ved bombardering av metallmål. Røntgenintensiteten til radioaktive kilder er vanligvis mye mindre enn for et røntgenrør (med unntak av radioaktivt kobolt, som brukes til feildeteksjon og gir stråling med svært liten bølgelengde - g-stråling), de er liten i størrelse og krever ikke strøm. Synkrotronrøntgenstråler produseres i elektronakseleratorer, bølgelengden til denne strålingen er mye høyere enn den som oppnås i røntgenrør (myke røntgenstråler), dens intensitet er flere størrelsesordener høyere enn intensiteten til røntgenrør. Det er også naturlige kilder til røntgenstråler. Radioaktive urenheter er funnet i mange mineraler, og røntgenstråler fra romobjekter, inkludert stjerner, er registrert.

Interaksjon av røntgenstråler med krystaller

I røntgenstudiet av materialer med en krystallinsk struktur, analyseres interferensmønstrene som følge av spredning av røntgenstråler av elektroner som tilhører atomene i krystallgitteret. Atomer anses som immobile, deres termiske vibrasjoner blir ikke tatt i betraktning, og alle elektroner av samme atom anses å være konsentrert på ett punkt - en node av krystallgitteret.

For å utlede de grunnleggende ligningene for røntgendiffraksjon i en krystall, vurderes interferensen av stråler spredt av atomer plassert langs en rett linje i krystallgitteret. En plan bølge av monokromatisk røntgenstråling faller på disse atomene i en vinkel hvis cosinus er lik 0 . Lovene for interferens for stråler spredt av atomer ligner på de som eksisterer for et diffraksjonsgitter som sprer lysstråling i det synlige bølgelengdeområdet. For at amplitudene til alle vibrasjoner skal summere seg i stor avstand fra atomserien, er det nødvendig og tilstrekkelig at forskjellen i banen til strålene som kommer fra hvert par av naboatomer inneholder et heltall av bølgelengder. Når avstanden mellom atomer EN denne tilstanden ser slik ut:

EN(en – a0) = h l ,

hvor a er cosinus til vinkelen mellom atomserien og den avbøyde strålen, h- heltall. I alle retninger som ikke tilfredsstiller denne ligningen, forplanter ikke strålene seg. Dermed danner de spredte bjelkene et system av koaksiale kjegler, hvis felles akse er atomraden. Spor av kjegler på et plan parallelt med atomraden er hyperbler, og på et plan vinkelrett på raden, sirkler.

Når stråler faller i en konstant vinkel, brytes polykromatisk (hvit) stråling ned i et spekter av stråler som avbøyes i faste vinkler. Dermed er atomserien en spektrograf for røntgenstråler.

Generalisering til et todimensjonalt (flat) atomgitter, og deretter til et tredimensjonalt volumetrisk (romlig) krystallgitter gir ytterligere to lignende ligninger, som inkluderer innfallsvinkler og refleksjon av røntgenstråler og avstandene mellom atomer i tre veibeskrivelse. Disse ligningene kalles Laue-ligningene og ligger til grunn for røntgendiffraksjonsanalyse.

Amplitudene til stråler som reflekteres fra parallelle atomplan legges opp, og siden antall atomer er veldig stort, den reflekterte strålingen kan fikses eksperimentelt. Refleksjonstilstanden er beskrevet av Wulff–Bragg-ligningen2d sinq = nl, der d er avstanden mellom tilstøtende atomplan, q er blikkvinkelen mellom retningen til den innfallende strålen og disse planene i krystallen, l er røntgenstrålen bølgelengde, og n er et heltall kalt refleksjonsrekkefølgen. Vinkelen q er innfallsvinkelen i forhold til atomplanene, som ikke nødvendigvis faller sammen i retning med overflaten til prøven som studeres.

Det er utviklet flere metoder for røntgendiffraksjonsanalyse, ved bruk av både kontinuerlig spektrumstråling og monokromatisk stråling. I dette tilfellet kan objektet som studeres være stasjonært eller roterende, kan bestå av en krystall (enkeltkrystall) eller mange (polykrystall), diffraktert stråling kan registreres ved hjelp av en flat eller sylindrisk røntgenfilm eller en røntgendetektor som beveger seg rundt omkretsen, men i alle tilfeller, under eksperimentet og tolkningen av resultatene, brukes Wulf-Bragg-ligningen.

Røntgenanalyse i naturvitenskap og teknologi

Med oppdagelsen av røntgendiffraksjon har forskere til rådighet en metode som lar dem studere arrangementet av individuelle atomer og endringer i dette arrangementet under ytre påvirkning uten mikroskop.

Hovedanvendelsen av røntgenstråler i grunnleggende vitenskap er strukturanalyse, dvs. etablere det romlige arrangementet av individuelle atomer i en krystall. For å gjøre dette dyrkes enkeltkrystaller og røntgenanalyse utføres, og studerer både plasseringen og intensiteten til refleksjonene. Nå er strukturene til ikke bare metaller, men også komplekse organiske stoffer, der elementære celler inneholder tusenvis av atomer, bestemt.

I mineralogien er strukturene til tusenvis av mineraler blitt bestemt ved røntgenanalyse og det er laget ekspressmetoder for analyse av mineralråstoffer.

Metaller har en relativt enkel krystallstruktur og røntgenmetoden gjør det mulig å studere endringene under ulike teknologiske behandlinger og skape det fysiske grunnlaget for nye teknologier.

Fasesammensetningen til legeringene bestemmes av arrangementet av linjer på røntgenmønstrene, antall, størrelse og form av krystaller bestemmes av deres bredde, orienteringen til krystallene (tekstur) bestemmes av intensitetsfordelingen i krystallene. diffraksjonskjegle.

Disse teknikkene brukes til å studere prosessene under plastisk deformasjon, inkludert knusing av krystaller, forekomsten av indre spenninger og ufullkommenheter i krystallstrukturen (dislokasjoner). Når deformerte materialer varmes opp, studeres spenningsavlastning og krystallvekst (rekrystallisering).

Når røntgenanalyse av legeringer bestemmer sammensetningen og konsentrasjonen av faste løsninger. Når en fast løsning vises, endres de interatomiske avstandene og følgelig avstandene mellom atomplanene. Disse endringene er små, derfor er det utviklet spesielle presisjonsmetoder for å måle periodene til krystallgitteret med en nøyaktighet på to størrelsesordener høyere enn målenøyaktigheten med konvensjonelle røntgenmetoder for forskning. Kombinasjonen av presisjonsmålinger av periodene til krystallgitteret og faseanalyse gjør det mulig å plotte grensene for faseregionene på tilstandsdiagrammet. Røntgenmetoden kan også oppdage mellomtilstander mellom faste løsninger og kjemiske forbindelser - ordnede faste løsninger der urenhetsatomer ikke er ordnet tilfeldig, som i faste løsninger, og samtidig ikke med en tredimensjonal rekkefølge, som i kjemisk forbindelser. Det er flere linjer på røntgenmønstrene til ordnede faste løsninger; tolkningen av røntgenmønstrene viser at urenhetsatomer okkuperer visse steder i krystallgitteret, for eksempel ved toppunktene til en terning.

Under bråkjøling av en legering som ikke gjennomgår fasetransformasjoner, kan en overmettet fast løsning oppstå, og ved ytterligere oppvarming eller til og med oppbevaring ved romtemperatur, brytes den faste løsningen ned med frigjøring av partikler av en kjemisk forbindelse. Dette er effekten av aldring, og det vises på røntgenbilder som en endring i posisjon og bredde på linjene. Studiet av aldring er spesielt viktig for ikke-jernholdige legeringer, for eksempel forvandler aldring en myk, herdet aluminiumslegering til et slitesterkt strukturelt materiale, duralumin.

Røntgenstudier av stålvarmebehandling er av størst teknologisk betydning. Ved herding (hurtig avkjøling) av stål oppstår det en diffusjonsfri austenitt-martensitt faseovergang som fører til en endring i strukturen fra kubisk til tetragonal, d.v.s. enhetscellen har form av et rektangulært prisme. På røntgenbilder fremstår dette som en utvidelse av linjene og separasjon av noen linjer i to. Årsakene til denne effekten er ikke bare en endring i krystallstrukturen, men også forekomsten av store indre spenninger på grunn av den termodynamiske ikke-likevekten til den martensittiske strukturen og rask avkjøling. Under herding (oppvarming av herdet stål) smalner linjene på røntgenmønstrene, dette skyldes returen til likevektsstrukturen.

De siste årene har røntgenstudier av prosessering av materialer med konsentrerte energistrømmer (laserstråler, sjokkbølger, nøytroner og elektronpulser) fått stor betydning, de krevde nye teknikker og ga nye røntgeneffekter. For eksempel, under påvirkning av laserstråler på metaller, skjer oppvarming og avkjøling så raskt at i metallet, når det er avkjølt, har krystallene tid til å vokse bare til en størrelse på flere enhetsceller (nanokrystaller) eller ikke har tid til å dannes i det hele tatt. Et slikt metall ser etter avkjøling ut som et vanlig, men gir ikke klare linjer på røntgenmønsteret, og de reflekterte røntgenstrålene er fordelt over hele spekteret av blikkvinkler.

Etter nøytronbestråling vises ytterligere flekker (diffuse maksima) på røntgenmønstrene. Radioaktivt forfall forårsaker også spesifikke røntgeneffekter knyttet til en endring i struktur, samt det faktum at prøven som studeres i seg selv blir en kilde til røntgenstråler.

FOREDRAG

RØNTGEN STRÅLING

2. Bremsstrahlung røntgen, dens spektrale egenskaper.

3. Karakteristisk røntgenstråling (for gjennomgang).

4. Interaksjon av røntgenstråling med materie.

5.Fysisk grunnlag for bruk av røntgen i medisinen.

Røntgenstråler (røntgenstråler) ble oppdaget av K. Roentgen, som i 1895 ble den første nobelprisvinneren i fysikk.

1. Naturen til røntgenstråler

røntgenstråling - elektromagnetiske bølger med en lengde på 80 til 10 -5 nm. Langbølget røntgenstråling blokkeres av kortbølget UV-stråling, kortbølget - av langbølget g-stråling.

Røntgenstråler produseres i røntgenrør. Figur 1.

K - katode

1 - elektronstråle

2 - Røntgenstråling

Ris. 1. Røntgenrørapparat.

Røret er en glasskolbe (med mulig høyvakuum: trykket i den er ca. 10–6 mm Hg) med to elektroder: anode A og katode K, som påføres høyspenning U (flere tusen volt). Katoden er en kilde til elektroner (på grunn av fenomenet termionisk emisjon). Anoden er en metallstang som har en skrå overflate for å rette den resulterende røntgenstrålingen i en vinkel til rørets akse. Den er laget av et svært varmeledende materiale for å fjerne varmen som genereres under elektronbombardement. På den skrå enden er det en plate laget av ildfast metall (for eksempel wolfram).

Den sterke oppvarmingen av anoden skyldes det faktum at hovedantallet av elektroner i katodestrålen, etter å ha truffet anoden, opplever mange kollisjoner med stoffets atomer og overfører en stor mengde energi til dem.

Under påvirkning av høy spenning akselereres elektronene som sendes ut av den varme katodefilamentet til høye energier. Den kinetiske energien til et elektron er mv 2 /2. Det er lik energien den får ved å bevege seg i det elektrostatiske feltet til røret:

mv 2 /2 = eU(1)

hvor m, e er massen og ladningen til elektronet, U er akselerasjonsspenningen.

Prosessene som fører til fremkomsten av bremsstrahlung røntgenstråler skyldes den intense retardasjonen av elektroner i anodematerialet av det elektrostatiske feltet til atomkjernen og atomelektronene.

Opprinnelsesmekanismen kan representeres som følger. Elektroner i bevegelse er en slags strøm som danner sitt eget magnetfelt. Elektronretardasjon er en reduksjon i strømstyrken og følgelig en endring i magnetfeltinduksjonen, som vil føre til utseendet til et vekslende elektrisk felt, dvs. utseendet til en elektromagnetisk bølge.

Når en ladet partikkel flyr inn i materien, bremses den, mister energien og hastigheten og sender ut elektromagnetiske bølger.

2. Spektralegenskaper til røntgen-bremsstrahlung .

Så, i tilfelle av elektronretardasjon i anodematerialet, bremsstrahlung stråling.

Bremsstrahlung-spekteret er kontinuerlig . Årsaken til dette er som følger.

Når elektronene bremser ned, har hver av dem en del av energien som brukes til å varme opp anoden (E 1 = Q ), den andre delen for å lage et røntgenfoton (E 2 = hv ), ellers er eU = hv + Q . Forholdet mellom disse delene er tilfeldig.

Dermed dannes det kontinuerlige spekteret av bremsstrahlung røntgenstråler på grunn av retardasjonen av mange elektroner, som hver sender ut ett røntgenkvante. hv(h ) av en strengt definert verdi. Verdien av dette kvantumet forskjellig for forskjellige elektroner. Avhengighet av røntgenenergifluksen på bølgelengden l , dvs. røntgenspekteret er vist i fig.2.

Fig.2. Bremsstrahlung spektrum: a) ved forskjellige spenninger U i røret; b) ved forskjellige temperaturer T av katoden.

Kortbølget (hard) stråling har større penetreringskraft enn langbølget (myk) stråling. Myk stråling absorberes sterkere av materie.

Fra siden av korte bølgelengder ender spekteret brått ved en viss bølgelengde l m i n . Slik kortbølgelengde bremsstrahlung oppstår når energien som er oppsamlet av et elektron i et akselererende felt blir fullstendig omdannet til fotonenergi ( Q = 0):

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

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

Den spektrale sammensetningen av strålingen avhenger av spenningen på røntgenrøret, med økende spenning, verdien l m i n skifter mot korte bølgelengder (fig. 2 en).

Når temperaturen T til katodegløden endres, øker elektronemisjonen. Derfor øker strømmen Jeg i røret, men den spektrale sammensetningen av strålingen endres ikke (fig. 2b).

Energiflyt Ф * bremsstrahlung er direkte proporsjonal med kvadratet av spenningen U mellom anode og katode, strømstyrke Jeg i rør og atomnummer Z anode materialer:

F \u003d kZU 2 I. (3)

hvor k \u003d 10 -9 W / (V 2 A).

3. Karakteristiske røntgenbilder (for å bli kjent).

Å øke spenningen på røntgenrøret fører til at mot bakgrunnen av et kontinuerlig spektrum vises en linje som tilsvarer den karakteristiske røntgenstrålingen. Denne strålingen er spesifikk for anodematerialet.

Mekanismen for dens forekomst er som følger. Ved høy spenning trenger akselererte elektroner (med høy energi) dypt inn i atomet og slår elektroner ut av dets indre lag. Elektroner fra øvre nivåer passerer til frie steder, som et resultat av at fotoner med karakteristisk stråling sendes ut.

Spektrene til karakteristisk røntgenstråling skiller seg fra optiske spektre.

- Ensartethet.

Homogeniteten til de karakteristiske spektrene skyldes det faktum at de indre elektronlagene til forskjellige atomer er like og skiller seg bare energetisk på grunn av kraftvirkningen fra kjernene, som øker med økende ordinaltall av elementet. Derfor skifter de karakteristiske spektrene mot høyere frekvenser med økende kjerneladning. Dette ble eksperimentelt bekreftet av en ansatt i Roentgen - Moseley, som målte røntgenovergangsfrekvenser for 33 elementer. De laget loven.

MOSELYS LOV – kvadratroten av frekvensen til den karakteristiske strålingen er en lineær funksjon av ordenstallet til elementet:

A × (Z – B), (4)

hvor v er spektrallinjefrekvensen, Z er atomnummeret til det emitterende elementet. A, B er konstanter.

Betydningen av Moseleys lov ligger i det faktum at denne avhengigheten kan brukes til nøyaktig å bestemme atomnummeret til elementet som studeres fra den målte frekvensen til røntgenlinjen. Dette spilte en stor rolle i plasseringen av grunnstoffene i det periodiske systemet.

– Uavhengighet fra en kjemisk forbindelse.

De karakteristiske røntgenspektrene til et atom avhenger ikke av den kjemiske forbindelsen som atomet til grunnstoffet kommer inn i. For eksempel er røntgenspekteret til et oksygenatom det samme for O 2, H 2 O, mens de optiske spektrene til disse forbindelsene er forskjellige. Denne egenskapen til røntgenspekteret til atomet var grunnlaget for navnet " karakteristisk stråling".

4. Interaksjon av røntgenstråling med materie

Virkningen av røntgenstråling på objekter bestemmes av de primære prosessene for røntgeninteraksjon. foton med elektroner atomer og materiemolekyler.

Røntgenstråling i materie absorbert eller forsvinner. I dette tilfellet kan det oppstå forskjellige prosesser, som bestemmes av forholdet mellom røntgenfotonenergien hv og ioniseringsenergi A og (ioniseringsenergi A og - energien som kreves for å fjerne indre elektroner fra atomet eller molekylet).

EN) Sammenhengende spredning(spredning av langbølget stråling) oppstår når forholdet

hv< А и.

For fotoner, på grunn av interaksjon med elektroner, endres bare bevegelsesretningen (fig. 3a), men energien hv og bølgelengden endres ikke (derfor kalles denne spredningen sammenhengende). Siden energiene til et foton og et atom ikke endres, påvirker ikke koherent spredning biologiske objekter, men når man skaper beskyttelse mot røntgenstråling, bør man ta hensyn til muligheten for å endre strålens primære retning.

b) fotoelektrisk effekt skjer når

hv ³ A og .

I dette tilfellet kan to tilfeller realiseres.

1. Fotonet absorberes, elektronet løsnes fra atomet (fig. 3b). Ionisering skjer. Det løsrevne elektronet får kinetisk energi: E k \u003d hv - A og . Hvis den kinetiske energien er stor, kan elektronet ionisere naboatomer ved kollisjon og danne nye. sekundær elektroner.

2. Fotonet absorberes, men dets energi er ikke nok til å løsne elektronet, og eksitasjon av et atom eller molekyl(Fig. 3c). Dette fører ofte til påfølgende emisjon av et foton i det synlige strålingsområdet (røntgenluminescens), og i vev til aktivering av molekyler og fotokjemiske reaksjoner. Den fotoelektriske effekten oppstår hovedsakelig på elektronene i de indre skallene til atomer med høy Z.

V) Usammenhengende spredning(Compton-effekten, 1922) oppstår når fotonenergien er mye større enn ioniseringsenergien

hv » A og.

I dette tilfellet er elektronet løsrevet fra atomet (slike elektroner kalles rekylelektroner), får litt kinetisk energi E til , avtar energien til selve fotonet (fig. 4d):

hv=hv" + A og + E k. (5)

Den resulterende strålingen med endret frekvens (lengde) kalles sekundær, den sprer seg i alle retninger.

Rekylelektroner, hvis de har tilstrekkelig kinetisk energi, kan ionisere naboatomer ved kollisjon. Som et resultat av usammenhengende spredning dannes således sekundær spredt røntgenstråling og atomene til stoffet ioniseres.

Disse (a, b, c) prosessene kan forårsake en rekke påfølgende. For eksempel (fig. 3d), hvis elektroner i løpet av den fotoelektriske effekten løsnes fra atomet på de indre skallene, kan elektroner fra høyere nivåer passere til deres plass, som er ledsaget av sekundær karakteristisk røntgenstråling av dette stoffet. Fotoner av sekundær stråling, som interagerer med elektroner fra naboatomer, kan i sin tur forårsake sekundære fenomener.

sammenhengende spredning

hv< А И

fotoelektrisk effekt

hv ³ A og

foton absorberes, e - løsnet fra atomet - ionisering

hv \u003d A og + E til

atom A begeistret av absorpsjonen av et foton, R – Røntgenluminescens

usammenhengende spredning

hv » A og

hv \u003d hv "+ A og + E til

sekundære prosesser i den fotoelektriske effekten

Ris. 3 Mekanismer for interaksjon av røntgenstråler med materie

Fysisk grunnlag for bruk av røntgen i medisinen

Når røntgenstråler faller på en kropp, reflekteres den litt fra overflaten, men går hovedsakelig dypt inn, mens den delvis absorberes og spres, og delvis passerer gjennom.

Loven om svekkelse.

Røntgenfluksen er dempet i materien i henhold til loven:

F \u003d F 0 e - m × x (6)

hvor m – lineær dempningsfaktor, som i hovedsak avhenger av stoffets tetthet. Det er lik summen av tre ledd som tilsvarer koherent spredning m 1, inkoherent m 2 og fotoelektrisk effekt m 3:

m \u003d m 1 + m 2 + m 3. (7)

Bidraget til hvert ledd bestemmes av fotonenergien. Nedenfor er forholdene mellom disse prosessene for bløtvev (vann).

Nyt massedempningskoeffisient, som ikke er avhengig av stoffets tetthet r :

m m = m/r. (8)

Massedempningskoeffisienten avhenger av energien til fotonet og atomnummeret til det absorberende stoffet:

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

Massedempningskoeffisienter for bein og bløtvev (vann) avvike: m m bein / m m vann = 68.

Hvis en inhomogen kropp plasseres i banen for røntgenstråler og en fluorescerende skjerm plasseres foran den, danner denne kroppen, som absorberer og demper strålingen, en skygge på skjermen. Av naturen til denne skyggen kan man bedømme formen, tettheten, strukturen og i mange tilfeller kroppens natur. De. en betydelig forskjell i absorpsjonen av røntgenstråling av forskjellige vev lar deg se bildet av de indre organene i skyggeprojeksjonen.

Hvis organet som studeres og det omkringliggende vevet demper røntgenstråler like mye, brukes kontrastmidler. Så for eksempel å fylle magen og tarmene med en grøtaktig masse bariumsulfat ( BaS 0 4), kan du se deres skyggebilde (forholdet mellom dempningskoeffisienter er 354).

Bruk i medisin.

I medisin brukes røntgenstråling med fotonenergi fra 60 til 100-120 keV for diagnostikk og 150-200 keV for terapi.

Røntgendiagnostikk – Gjenkjennelse av sykdommer ved å gjennomlyse kroppen med røntgenstråler.

Røntgendiagnostikk brukes i ulike alternativer, som er gitt nedenfor.

1. Med fluoroskopi røntgenrøret er plassert bak pasienten. Foran den er en fluorescerende skjerm. Det er et skyggebilde (positivt) på skjermen. I hvert enkelt tilfelle velges den passende hardheten til strålingen slik at den passerer gjennom bløtvev, men absorberes tilstrekkelig av tette. Ellers oppnås en jevn skygge. På skjermen er hjertet, ribbeina synlige mørke, lungene er lyse.

2. Når radiografi objektet er plassert på en kassett, som inneholder en film med en spesiell fotografisk emulsjon. Røntgenrøret plasseres over objektet. Det resulterende røntgenbildet gir et negativt bilde, dvs. det motsatte i motsetning til bildet observert under gjennomlysning. I denne metoden er det en større klarhet i bildet enn i (1), derfor observeres detaljer som er vanskelige å se når de lyser gjennom.

En lovende variant av denne metoden er røntgen tomografi og "maskinversjon" - datamaskin tomografi.

3. Med fluoroskopi, På en følsom film i småformat er bildet fra storskjermen fikset. Når de vises, blir bildene undersøkt på en spesiell lupe.

Røntgenterapi - bruk av røntgenstråler for å ødelegge ondartede svulster.

Den biologiske effekten av stråling er å forstyrre vital aktivitet, spesielt raskt formerende celler.

DATATOMOGRAFI (CT)

Metoden for røntgendatatomografi er basert på bilderekonstruksjonav en viss del av pasientens kropp ved å registrere et stort antall røntgenprojeksjoner av denne delen, laget i forskjellige vinkler. Informasjon fra sensorene som registrerer disse projeksjonene kommer inn i datamaskinen, som ifølge et spesielt program beregner fordeling tett prøvestørrelsei den undersøkte delen og viser den på skjermen. Det resulterende bildetdelen av pasientens kropp er preget av utmerket klarhet og høyt informasjonsinnhold. Programmet lar degøke bildekontrast V dusinvis og til og med hundrevis av ganger. Dette utvider metodens diagnostiske evner.

Videografer (apparater med digital røntgenbildebehandling) i moderne tannbehandling.

I tannlegen er røntgenundersøkelse den viktigste diagnostiske metoden. En rekke tradisjonelle organisatoriske og tekniske trekk ved røntgendiagnostikk gjør det imidlertid ikke helt behagelig for både pasienten og tannklinikken. For det første er dette behovet for pasienten for å komme i kontakt med ioniserende stråling, som ofte skaper en betydelig strålingsbelastning på kroppen, dette er også behovet for en fotoprosess, og følgelig behovet for fotoreagenser, inkludert giftige seg. Dette er endelig et klumpete arkiv, tunge mapper og konvolutter med røntgenfilmer.

I tillegg gjør det nåværende utviklingsnivået for tannbehandling den subjektive vurderingen av røntgenbilder av det menneskelige øyet utilstrekkelig. Som det viste seg, av variasjonen av gråtoner i røntgenbildet, oppfatter øyet bare 64.

For å få et klart og detaljert bilde av det harde vevet i det dentoalveolære systemet med minimal strålingseksponering, er andre løsninger nødvendig. Søket førte til opprettelsen av såkalte radiografiske systemer, videografer - digitale radiografisystemer.

Uten tekniske detaljer er prinsippet for drift av slike systemer som følger. Røntgenstråling kommer inn gjennom objektet ikke på en fotosensitiv film, men på en spesiell intraoral sensor (spesiell elektronisk matrise). Det tilsvarende signalet fra matrisen overføres til en digitaliseringsenhet (analog-til-digital-omformer, ADC) som konverterer det til digital form og kobles til datamaskinen. Spesiell programvare bygger et røntgenbilde på dataskjermen og lar deg behandle det, lagre det på et hardt eller fleksibelt lagringsmedium (harddisk, disketter), skrive det ut som et bilde som en fil.

I et digitalt system er et røntgenbilde en samling prikker med forskjellige digitale gråtoneverdier. Infosom programmet gir, gjør det mulig å oppnå en optimal ramme når det gjelder lysstyrke og kontrast ved en relativt lav stråledose.

I moderne systemer laget for eksempel av firmaer Trophy (Frankrike) eller Schick (USA) når du danner en ramme, brukes 4096 nyanser av grått, eksponeringstiden avhenger av studieobjektet og er i gjennomsnitt hundredeler - tiendedeler av et sekund, reduksjon av strålingseksponering i forhold til filmen - opptil 90 % for intraorale systemer, opptil 70 % for panoramafotografer.

Ved behandling av bilder tillater videografer:

1. Få positive og negative bilder, bilder med falske farger, pregede bilder.

2. Øk kontrasten og forstørre interesseområdet i bildet.

3. Vurder endringer i tettheten av tannvev og beinstrukturer, kontroller jevnheten til kanalfylling.

4. I endodonti for å bestemme lengden på kanalen til enhver krumning, og i kirurgi for å velge størrelsen på implantatet med en nøyaktighet på 0,1 mm.

5. Unikt system kariesdetektor med elementer av kunstig intelligens i analysen av bildet lar deg oppdage karies i flekkstadiet, rotkaries og skjult karies.

* « Ф" i formel (3) refererer til hele området av utsendte bølgelengder og blir ofte referert til som "Integral Energy Flux".