Menerima X-ray. Radiasi sinar-X ciri: penerangan, tindakan, ciri

X-ray adalah sinaran tidak kelihatan yang boleh menembusi, walaupun pada tahap yang berbeza-beza, semua jirim. Ia adalah sinaran elektromagnet dengan panjang gelombang kira-kira 10-8 cm.

Seperti cahaya yang boleh dilihat, sinar-X menyebabkan filem fotografi menjadi hitam. Harta ini penting untuk perubatan, industri dan penyelidikan saintifik. Melepasi objek yang dikaji dan kemudian jatuh ke atas filem fotografi, sinaran X-ray menggambarkan struktur dalamannya. Memandangkan kuasa penembusan sinaran sinar-X berbeza-beza untuk bahan yang berbeza, bahagian objek yang kurang telus kepadanya menghasilkan kawasan yang lebih ringan dalam gambar berbanding yang melaluinya sinaran menembusi dengan baik. Oleh itu, tisu tulang kurang telus kepada x-ray berbanding tisu yang membentuk kulit dan organ dalaman. Oleh itu, pada x-ray, tulang akan kelihatan sebagai kawasan yang lebih ringan dan tapak patah, yang lebih telus kepada sinaran, dapat dikesan dengan mudah. X-ray juga digunakan dalam pergigian untuk mengesan karies dan abses pada akar gigi, dan dalam industri untuk mengesan keretakan pada tuangan, plastik dan getah.

X-ray digunakan dalam kimia untuk menganalisis sebatian dan dalam fizik untuk mengkaji struktur kristal. Rasuk sinar-X yang melalui sebatian kimia menghasilkan sinaran sekunder yang berciri, analisis spektroskopi yang membolehkan ahli kimia menentukan komposisi sebatian itu. Apabila jatuh pada bahan kristal, pancaran sinar-X bertaburan oleh atom-atom kristal, memberikan gambaran yang jelas dan teratur tentang bintik-bintik dan jalur pada plat fotografi, yang memungkinkan untuk mewujudkan struktur dalaman kristal.

Penggunaan sinar-X dalam rawatan kanser adalah berdasarkan fakta bahawa ia membunuh sel-sel kanser. Walau bagaimanapun, ia juga boleh memberi kesan yang tidak diingini pada sel normal. Oleh itu, berhati-hati yang melampau mesti dilakukan apabila menggunakan X-ray dengan cara ini.

Menerima X-ray

Sinaran X-ray berlaku apabila elektron yang bergerak pada kelajuan tinggi berinteraksi dengan jirim. Apabila elektron berlanggar dengan atom apa-apa bahan, ia dengan cepat kehilangan tenaga kinetiknya. Dalam kes ini, kebanyakannya bertukar menjadi haba, dan sebahagian kecil, biasanya kurang daripada 1%, ditukar kepada tenaga sinar-X. Tenaga ini dibebaskan dalam bentuk kuanta - zarah yang dipanggil foton, yang mempunyai tenaga tetapi jisim rehatnya adalah sifar. Foton sinar-X berbeza dalam tenaganya, yang berkadar songsang dengan panjang gelombangnya. Kaedah konvensional untuk menghasilkan sinar-X menghasilkan pelbagai panjang gelombang, yang dipanggil spektrum sinar-X.

tiub sinar-X. Untuk menghasilkan sinar-X melalui interaksi elektron dengan jirim, anda perlu mempunyai sumber elektron, satu cara untuk mempercepatkannya ke kelajuan tinggi, dan sasaran yang boleh menahan pengeboman elektron dan menghasilkan sinaran sinar-X dengan keamatan yang diperlukan. Peranti yang mengandungi semua ini dipanggil tiub sinar-X. Penyelidik awal menggunakan tiub "deeply evacuated" seperti tiub pelepasan gas moden. Vakum di dalamnya tidak terlalu tinggi.

Tiub nyahcas mengandungi sejumlah kecil gas, dan apabila beza keupayaan yang besar digunakan pada elektrod tiub, atom gas ditukar kepada ion positif dan negatif. Yang positif bergerak ke arah elektrod negatif (katod) dan, jatuh di atasnya, mengetuk elektron daripadanya, dan mereka, seterusnya, bergerak ke arah elektrod positif (anod) dan, mengebomnya, mencipta aliran foton sinar-X .

Dalam tiub sinar-X moden yang dibangunkan oleh Coolidge (Rajah 11), sumber elektron ialah katod tungsten yang dipanaskan pada suhu tinggi.

nasi. 11.

Elektron dipercepatkan ke kelajuan tinggi dengan beza keupayaan tinggi antara anod (atau anti-katod) dan katod. Oleh kerana elektron mesti mencapai anod tanpa berlanggar dengan atom, vakum yang sangat tinggi diperlukan, yang memerlukan tiub itu dipindahkan dengan baik. Ini juga mengurangkan kebarangkalian pengionan atom gas yang tinggal dan arus sisi yang terhasil.

Apabila dibombardir oleh elektron, antikatod tungsten memancarkan sinaran sinar-X yang khas. Keratan rentas pancaran sinar-X adalah lebih kecil daripada kawasan penyinaran sebenar. 1 - rasuk elektron; 2 - katod dengan elektrod fokus; 3 - cangkang kaca (tiub); 4 - sasaran tungsten (anti-katod); 5 - filamen katod; 6 - kawasan penyinaran sebenar; 7 - tempat tumpuan yang berkesan; 8 - anod tembaga; 9 - tingkap; 10 - sinaran x-ray bertaburan.

Elektron difokuskan pada anod oleh elektrod berbentuk khas yang mengelilingi katod. Elektrod ini dipanggil elektrod fokus dan, bersama-sama dengan katod, membentuk "lampu sorot elektronik" tiub. Anod yang tertakluk kepada pengeboman elektron mesti dibuat daripada bahan refraktori, kerana kebanyakan tenaga kinetik elektron pengeboman ditukar kepada haba. Di samping itu, adalah wajar bahawa anod dibuat daripada bahan dengan nombor atom yang tinggi, kerana Hasil sinar-X meningkat dengan peningkatan nombor atom. Bahan anod yang paling kerap dipilih ialah tungsten, yang nombor atomnya ialah 74. Reka bentuk tiub sinar-X boleh berbeza-beza bergantung pada syarat penggunaan dan keperluan.

Sinaran X-ray berlaku apabila elektron yang bergerak pada kelajuan tinggi berinteraksi dengan jirim. Apabila elektron berlanggar dengan atom apa-apa bahan, ia cepat kehilangan tenaga kinetiknya. Dalam kes ini, kebanyakannya bertukar menjadi haba, dan sebahagian kecil, biasanya kurang daripada 1%, ditukar kepada tenaga sinar-X. Tenaga ini dibebaskan dalam bentuk kuanta - zarah yang dipanggil foton, yang mempunyai tenaga tetapi jisim rehatnya adalah sifar. Foton sinar-X berbeza dalam tenaganya, yang berkadar songsang dengan panjang gelombangnya. Kaedah konvensional untuk menghasilkan sinar-X menghasilkan pelbagai panjang gelombang, yang dipanggil spektrum sinar-X. Spektrum mengandungi komponen yang jelas, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah. 1.

nasi. 1. SPECTRUM X-RAY BIASA terdiri daripada spektrum berterusan dan garis ciri (puncak tajam). Garis Kia dan Kib timbul kerana interaksi elektron dipercepatkan dengan elektron kulit K dalam.

"Kontinuum" yang luas dipanggil spektrum berterusan atau sinaran putih. Puncak tajam yang diletakkan di atasnya dipanggil garis pancaran sinar-X ciri. Walaupun keseluruhan spektrum adalah hasil perlanggaran elektron dengan jirim, mekanisme untuk kemunculan bahagian dan garis lebarnya adalah berbeza. Bahan terdiri daripada sebilangan besar atom, setiap satunya mempunyai nukleus yang dikelilingi oleh kulit elektron, dan setiap elektron dalam kulit atom unsur tertentu menduduki tahap tenaga diskret tertentu. Biasanya cangkerang ini, atau tahap tenaga, ditetapkan oleh simbol K, L, M, dsb., bermula dari cangkerang yang paling hampir dengan nukleus. Apabila elektron kejadian dengan tenaga yang cukup tinggi berlanggar dengan salah satu elektron yang berkaitan dengan atom, ia mengetuk elektron itu keluar dari cangkangnya. Ruang kosong diduduki oleh elektron lain dari kulit, yang sepadan dengan tenaga yang lebih tinggi. Yang terakhir ini melepaskan tenaga berlebihan dengan memancarkan foton sinar-X. Oleh kerana elektron cengkerang mempunyai nilai tenaga diskret, foton sinar-X yang terhasil juga mempunyai spektrum diskret. Ini sepadan dengan puncak tajam untuk panjang gelombang tertentu, nilai khusus yang bergantung pada elemen sasaran. Garis ciri membentuk siri K-, L- dan M, bergantung pada petala (K, L atau M) elektron yang dikeluarkan. Hubungan antara panjang gelombang sinar-X dan nombor atom dipanggil hukum Moseley (Rajah 2).

nasi. 2. PANJANG GELOMBANG CIRI-CIRI SINARAN X-RAY yang dipancarkan oleh unsur kimia bergantung kepada nombor atom unsur tersebut. Lengkung mengikut hukum Moseley: semakin tinggi nombor atom unsur, semakin pendek panjang gelombang garis ciri.

Jika elektron berlanggar dengan nukleus yang agak berat, ia diperlahankan, dan tenaga kinetiknya dibebaskan dalam bentuk foton sinar-X dengan tenaga yang lebih kurang sama. Jika ia terbang melepasi nukleus, ia akan kehilangan hanya sebahagian daripada tenaganya, dan selebihnya akan dipindahkan ke atom lain yang melintasi laluannya. Setiap tindakan kehilangan tenaga membawa kepada pelepasan foton dengan sedikit tenaga. Spektrum sinar-X berterusan muncul, had atasnya sepadan dengan tenaga elektron terpantas. Ini adalah mekanisme untuk pembentukan spektrum berterusan, dan tenaga maksimum (atau panjang gelombang minimum) yang menetapkan sempadan spektrum berterusan adalah berkadar dengan voltan pecutan, yang menentukan kelajuan elektron kejadian. Garis spektrum mencirikan bahan sasaran yang dibombardir, dan spektrum berterusan ditentukan oleh tenaga pancaran elektron dan secara praktikalnya bebas daripada bahan sasaran.

Sinaran sinar-X boleh diperolehi bukan sahaja dengan pengeboman elektron, tetapi juga dengan menyinari sasaran dengan sinaran sinar-X dari sumber lain. Walau bagaimanapun, dalam kes ini, kebanyakan tenaga pancaran kejadian masuk ke dalam spektrum sinar-X ciri dan sebahagian kecil daripadanya jatuh ke dalam spektrum berterusan. Adalah jelas bahawa pancaran sinaran sinar-X kejadian mesti mengandungi foton yang tenaganya mencukupi untuk merangsang garis ciri unsur yang dibombardir. Peratusan tenaga yang tinggi bagi setiap spektrum ciri menjadikan kaedah pengujaan sinaran X-ray ini mudah untuk penyelidikan saintifik.

Dalam tiub sinar-X moden yang dibangunkan oleh Coolidge (Rajah 3), sumber elektron ialah katod tungsten yang dipanaskan pada suhu tinggi. Elektron dipercepatkan ke kelajuan tinggi dengan beza keupayaan tinggi antara anod (atau anti-katod) dan katod. Oleh kerana elektron mesti mencapai anod tanpa berlanggar dengan atom, vakum yang sangat tinggi diperlukan, yang memerlukan tiub itu dipindahkan dengan baik. Ini juga mengurangkan kebarangkalian pengionan atom gas yang tinggal dan arus sisi yang terhasil.

nasi. 3. TIUB X-RAY COOLIDGE. Apabila dibombardir oleh elektron, antikatod tungsten memancarkan sinaran sinar-X yang khas. Keratan rentas pancaran sinar-X adalah lebih kecil daripada kawasan penyinaran sebenar. 1 - rasuk elektron; 2 - katod dengan elektrod fokus; 3 - cangkang kaca (tiub); 4 - sasaran tungsten (anti-katod); 5 - filamen katod; 6 - kawasan penyinaran sebenar; 7 - tempat tumpuan yang berkesan; 8 - anod tembaga; 9 - tingkap; 10 - sinaran x-ray bertaburan.

Elektron difokuskan pada anod oleh elektrod berbentuk khas yang mengelilingi katod. Elektrod ini dipanggil elektrod pemfokus dan, bersama-sama dengan katod, membentuk "lampu sorot elektronik" tiub. Anod yang tertakluk kepada pengeboman elektron mesti dibuat daripada bahan refraktori, kerana kebanyakan tenaga kinetik elektron pengeboman ditukar kepada haba. Di samping itu, adalah wajar bahawa anod dibuat daripada bahan dengan nombor atom yang tinggi, kerana Hasil sinar-X meningkat dengan peningkatan nombor atom. Tungsten, yang nombor atomnya ialah 74, paling kerap dipilih sebagai bahan anod.

Reka bentuk tiub sinar-X mungkin berbeza-beza bergantung pada keadaan aplikasi dan keperluan.

Sinaran sinar-X (sinar-X sinonim) adalah dengan julat panjang gelombang yang luas (dari 8·10 -6 hingga 10 -12 cm). Sinaran X-ray berlaku apabila zarah bercas, selalunya elektron, dinyahpecutan dalam medan elektrik atom sesuatu bahan. Kuanta yang terbentuk dalam kes ini mempunyai tenaga yang berbeza dan membentuk spektrum berterusan. Tenaga maksimum kuanta dalam spektrum sedemikian adalah sama dengan tenaga elektron tuju. Dalam (cm.) tenaga maksimum kuanta sinar-X, dinyatakan dalam kiloelektron-volt, secara berangka sama dengan magnitud voltan yang digunakan pada tiub, dinyatakan dalam kilovolt. Apabila sinar-X melalui bahan, ia berinteraksi dengan elektron atomnya. Untuk kuanta sinar-X dengan tenaga sehingga 100 keV, jenis interaksi yang paling ciri ialah kesan fotoelektrik. Hasil daripada interaksi sedemikian, tenaga kuantum dibelanjakan sepenuhnya untuk mengoyakkan elektron daripada petala atom dan memberikan tenaga kinetik kepadanya. Dengan peningkatan tenaga kuantum sinar-X, kebarangkalian kesan fotoelektrik berkurangan dan proses penyerakan kuantum oleh elektron bebas - yang dipanggil kesan Compton - menjadi utama. Hasil daripada interaksi sedemikian, elektron sekunder juga terbentuk dan, sebagai tambahan, kuantum dipancarkan dengan tenaga yang lebih rendah daripada tenaga kuantum primer. Jika tenaga kuantum sinar-X melebihi satu megaelektron-volt, apa yang dipanggil kesan berpasangan boleh berlaku, di mana elektron dan positron terbentuk (lihat). Akibatnya, apabila melalui bahan, tenaga sinaran X-ray berkurangan, iaitu, keamatannya berkurangan. Memandangkan penyerapan kuanta tenaga rendah berlaku dengan kebarangkalian yang lebih besar, sinaran sinar-X diperkaya dengan kuanta tenaga yang lebih tinggi. Sifat sinaran X-ray ini digunakan untuk meningkatkan tenaga purata quanta, iaitu, untuk meningkatkan kekerasannya. Peningkatan kekerasan sinaran sinar-X dicapai menggunakan penapis khas (lihat). Sinaran sinar-X digunakan untuk diagnostik sinar-x (lihat) dan (lihat). Lihat juga sinaran mengion.

Sinaran sinar-X (sinonim: sinar-x, sinar-x) ialah sinaran elektromagnet kuantum dengan panjang gelombang dari 250 hingga 0.025 A (atau quanta tenaga dari 5·10 -2 hingga 5·10 2 keV). Pada tahun 1895 ia ditemui oleh V.K. Kawasan spektrum sinaran elektromagnet bersebelahan dengan sinaran sinar-X, kuantiti tenaga yang melebihi 500 keV, dipanggil sinaran gamma (lihat); sinaran yang kuantiti tenaganya berada di bawah 0.05 kev membentuk sinaran ultraungu (lihat).

Oleh itu, mewakili sebahagian kecil daripada spektrum sinaran elektromagnet yang luas, yang merangkumi kedua-dua gelombang radio dan cahaya boleh dilihat, sinaran X-ray, seperti mana-mana sinaran elektromagnet, merambat pada kelajuan cahaya (dalam vakum kira-kira 300 ribu km/ sec) dan dicirikan oleh panjang gelombang λ (jarak di mana sinaran bergerak dalam satu tempoh ayunan). Sinaran sinar-X juga mempunyai beberapa sifat gelombang lain (pembiasan, gangguan, pembelauan), tetapi ia jauh lebih sukar untuk diperhatikan daripada sinaran panjang gelombang yang lebih panjang: cahaya boleh dilihat, gelombang radio.

Spektrum sinar-X: a1 - spektrum bremsstrahlung berterusan pada 310 kV; a - spektrum brek berterusan pada 250 kV, a1 - spektrum ditapis dengan 1 mm Cu, a2 - spektrum ditapis dengan 2 mm Cu, b - garisan tungsten siri K.

Untuk menjana sinaran sinar-X, tiub sinar-X (lihat) digunakan, di mana sinaran berlaku apabila elektron pantas berinteraksi dengan atom bahan anod. Terdapat dua jenis sinaran X-ray: bremsstrahlung dan ciri. X-ray Bremsstrahlung mempunyai spektrum berterusan, serupa dengan cahaya putih biasa. Taburan keamatan bergantung pada panjang gelombang (Rajah) diwakili oleh lengkung dengan maksimum; ke arah gelombang panjang lengkung jatuh rata, dan ke arah gelombang pendek ia jatuh curam dan berakhir pada panjang gelombang tertentu (λ0), dipanggil sempadan gelombang pendek spektrum berterusan. Nilai λ0 adalah berkadar songsang dengan voltan pada tiub. Bremsstrahlung berlaku apabila elektron pantas berinteraksi dengan nukleus atom. Keamatan bremsstrahlung adalah berkadar terus dengan kekuatan arus anod, kuasa dua voltan merentasi tiub dan nombor atom (Z) bahan anod.

Jika tenaga elektron yang dipercepatkan dalam tiub sinar-X melebihi nilai kritikal untuk bahan anod (tenaga ini ditentukan oleh voltan Vcr kritikal untuk bahan ini pada tiub), maka sinaran ciri berlaku. Spektrum ciri berbaris; garis spektrumnya membentuk siri, yang ditetapkan oleh huruf K, L, M, N.

Siri K ialah panjang gelombang terpendek, siri L adalah panjang gelombang yang lebih panjang, siri M dan N hanya diperhatikan dalam unsur berat (Vcr tungsten untuk siri K ialah 69.3 kV, untuk siri L - 12.1 kV). Sinaran ciri timbul seperti berikut. Elektron cepat mengetuk elektron atom keluar dari kulit dalam mereka. Atom teruja dan kemudian kembali ke keadaan dasar. Dalam kes ini, elektron dari luar, cengkerang kurang terikat mengisi ruang yang kosong dalam cengkerang dalam, dan foton sinaran ciri dipancarkan dengan tenaga yang sama dengan perbezaan antara tenaga atom dalam keadaan teruja dan tanah. Perbezaan ini (dan oleh itu tenaga foton) mempunyai ciri nilai tertentu bagi setiap unsur. Fenomena ini mendasari analisis spektrum sinar-X unsur. Rajah menunjukkan spektrum garis tungsten terhadap latar belakang spektrum berterusan bremsstrahlung.

Tenaga elektron yang dipercepatkan dalam tiub sinar-X ditukar hampir keseluruhannya kepada tenaga haba (anod menjadi sangat panas), hanya sebahagian kecil (kira-kira 1% pada voltan hampir 100 kV) ditukar kepada tenaga bremsstrahlung.

Penggunaan sinar-X dalam perubatan adalah berdasarkan undang-undang penyerapan sinar-X oleh jirim. Penyerapan sinaran sinar-X adalah bebas sepenuhnya daripada sifat optik bahan penyerap. Kaca plumbum tidak berwarna dan lutsinar, digunakan untuk melindungi kakitangan dalam bilik x-ray, hampir sepenuhnya menyerap x-ray. Sebaliknya, sehelai kertas yang tidak lutsinar kepada cahaya tidak melemahkan sinar-x.

Keamatan pancaran sinar-X homogen (iaitu, panjang gelombang tertentu) yang melalui lapisan penyerap berkurangan mengikut hukum eksponen (e-x), di mana e ialah asas logaritma semula jadi (2.718), dan eksponen x adalah sama dengan hasil darab pekali pengecilan jisim (μ /p) cm 2 /g setiap ketebalan penyerap dalam g/cm 2 (di sini p ialah ketumpatan bahan dalam g/cm 3). Pengecilan sinaran sinar-X berlaku disebabkan oleh penyerakan dan penyerapan. Sehubungan itu, pekali pengecilan jisim ialah jumlah pekali penyerapan dan penyerakan jisim. Pekali penyerapan jisim meningkat secara mendadak dengan peningkatan nombor atom (Z) penyerap (berkadar dengan Z3 atau Z5) dan dengan peningkatan panjang gelombang (berkadar dengan λ3). Kebergantungan pada panjang gelombang ini diperhatikan dalam jalur serapan, pada sempadan di mana pekali mempamerkan lompatan.

Pekali serakan jisim meningkat dengan peningkatan nombor atom bahan. Pada λ≥0.3Å pekali serakan tidak bergantung pada panjang gelombang, pada λ<0,ЗÅ он уменьшается с уменьшением λ.

Penurunan pekali penyerapan dan penyerakan dengan panjang gelombang berkurangan menyebabkan peningkatan kuasa penembusan sinaran sinar-X. Pekali penyerapan jisim untuk tulang [penyerapan terutamanya disebabkan oleh Ca 3 (PO 4) 2 ] adalah hampir 70 kali lebih besar daripada untuk tisu lembut, di mana penyerapan terutamanya disebabkan oleh air. Ini menjelaskan mengapa bayang-bayang tulang menonjol dengan sangat ketara terhadap latar belakang tisu lembut pada radiograf.

Penyebaran pancaran sinar-X yang tidak homogen melalui mana-mana medium, bersama-sama dengan penurunan keamatan, disertai dengan perubahan dalam komposisi spektrum dan perubahan dalam kualiti sinaran: bahagian gelombang panjang spektrum diserap ke tahap yang lebih besar daripada bahagian gelombang pendek, sinaran menjadi lebih seragam. Menapis bahagian gelombang panjang spektrum membolehkan, semasa terapi sinar-X bagi lesi yang terletak jauh di dalam badan manusia, untuk meningkatkan nisbah antara dos dalam dan permukaan (lihat penapis sinar-X). Untuk mencirikan kualiti pancaran sinar-X yang tidak homogen, konsep "lapisan pengecilan separuh (L)" digunakan - lapisan bahan yang melemahkan sinaran separuh. Ketebalan lapisan ini bergantung kepada voltan pada tiub, ketebalan dan bahan penapis. Untuk mengukur lapisan separuh pengecilan, selofan (sehingga 12 tenaga keV), aluminium (20-100 keV), kuprum (60-300 keV), plumbum dan kuprum (>300 keV) digunakan. Untuk sinar-X yang dihasilkan pada voltan 80-120 kV, 1 mm kuprum bersamaan dengan kapasiti penapisan kepada 26 mm aluminium, 1 mm plumbum bersamaan dengan 50.9 mm aluminium.

Penyerapan dan penyebaran sinaran sinar-X adalah disebabkan oleh sifat korpuskularnya; Sinaran sinar-X berinteraksi dengan atom sebagai aliran corpuscles (zarah) - foton, setiap satunya mempunyai tenaga tertentu (berkadar songsang dengan panjang gelombang sinaran X-ray). Julat tenaga foton sinar-X ialah 0.05-500 keV.

Penyerapan sinaran sinar-X adalah disebabkan oleh kesan fotoelektrik: penyerapan foton oleh kulit elektron disertai dengan pelepasan elektron. Atom teruja dan, kembali ke keadaan asas, memancarkan sinaran ciri. Fotoelektron yang dipancarkan membawa semua tenaga foton (tolak tenaga pengikat elektron dalam atom).

Penyerakan sinar-X disebabkan oleh elektron dalam medium penyerakan. Perbezaan dibuat antara penyerakan klasik (panjang gelombang sinaran tidak berubah, tetapi arah perambatan berubah) dan penyerakan dengan perubahan panjang gelombang - kesan Compton (panjang gelombang sinaran yang tersebar lebih besar daripada sinaran kejadian. ). Dalam kes kedua, foton berkelakuan seperti bola yang bergerak, dan penyerakan foton berlaku, mengikut ungkapan kiasan Comton, seperti bermain biliard dengan foton dan elektron: berlanggar dengan elektron, foton memindahkan sebahagian daripada tenaganya kepadanya dan bertaburan, mempunyai tenaga yang kurang (dengan itu, panjang gelombang sinaran yang tersebar meningkat), elektron terbang keluar dari atom dengan tenaga mundur (elektron ini dipanggil elektron Compton, atau elektron mundur). Penyerapan tenaga sinar-X berlaku semasa pembentukan elektron sekunder (Compton dan fotoelektron) dan pemindahan tenaga kepada mereka. Tenaga sinaran sinar-X yang dipindahkan ke jisim unit bahan menentukan dos sinaran sinar-X yang diserap. Unit dos 1 rad ini sepadan dengan 100 erg/g. Oleh kerana tenaga yang diserap, beberapa proses sekunder berlaku dalam bahan penyerap, yang penting untuk dosimetri sinar-X, kerana kaedah untuk mengukur sinaran sinar-X adalah berdasarkan kepada mereka. (lihat Dosimetri).

Semua gas dan banyak cecair, semikonduktor dan dielektrik meningkatkan kekonduksian elektrik apabila terdedah kepada sinaran sinar-X. Kekonduksian dikesan oleh bahan penebat terbaik: parafin, mika, getah, ambar. Perubahan dalam kekonduksian disebabkan oleh pengionan medium, iaitu, pemisahan molekul neutral kepada ion positif dan negatif (pengionan dihasilkan oleh elektron sekunder). Pengionan dalam udara digunakan untuk menentukan dos pendedahan sinar-X (dos dalam udara), yang diukur dalam roentgens (lihat Dos Sinaran Mengion). Pada dos 1 r, dos yang diserap dalam udara ialah 0.88 rad.

Di bawah pengaruh sinaran sinar-X, akibat pengujaan molekul bahan (dan semasa penggabungan semula ion), dalam banyak kes, sinaran bahan yang kelihatan teruja. Pada intensiti tinggi sinaran sinar-X, cahaya yang boleh dilihat diperhatikan dalam udara, kertas, parafin, dsb. (kecuali logam). Hasil pendaran boleh dilihat tertinggi disediakan oleh fosforus kristal seperti Zn·CdS·Ag-fosforus dan lain-lain yang digunakan untuk skrin fluoroskopi.

Di bawah pengaruh sinaran x-ray, pelbagai proses kimia juga boleh berlaku dalam bahan: penguraian sebatian halida perak (kesan fotografi yang digunakan dalam fotografi sinar-x), penguraian air dan larutan akueus hidrogen peroksida, perubahan dalam sifat. daripada seluloid (kekeruhan dan pembebasan kapur barus), parafin (kekeruhan dan pelunturan) .

Hasil daripada penukaran lengkap, semua tenaga yang diserap oleh bahan lengai kimia, sinaran x-ray, ditukar kepada haba. Mengukur jumlah haba yang sangat kecil memerlukan kaedah yang sangat sensitif, tetapi merupakan kaedah utama untuk pengukuran mutlak sinaran sinar-X.

Kesan biologi sekunder daripada pendedahan kepada sinaran x-ray adalah asas terapi x-ray perubatan (lihat). Sinaran sinar-X, yang kuantitinya ialah 6-16 keV (panjang gelombang berkesan dari 2 hingga 5 Å), hampir diserap sepenuhnya oleh tisu kulit badan manusia; ini dipanggil sinar sempadan, atau kadangkala sinar Bucca (lihat sinar Bucca). Untuk terapi sinar-X dalam, sinaran yang ditapis keras dengan kuanta tenaga berkesan dari 100 hingga 300 keV digunakan.

Kesan biologi sinaran X-ray harus diambil kira bukan sahaja semasa terapi sinar-X, tetapi juga semasa diagnostik sinar-X, serta dalam semua kes lain yang bersentuhan dengan sinaran X-ray yang memerlukan penggunaan perlindungan sinaran. (lihat).

X-ray ialah sejenis sinaran elektromagnet bertenaga tinggi. Ia digunakan secara aktif dalam pelbagai cabang perubatan.

Sinar-X ialah gelombang elektromagnet yang tenaga fotonnya pada skala gelombang elektromagnet berada di antara sinaran ultraungu dan sinaran gamma (dari ~10 eV hingga ~1 MeV), yang sepadan dengan panjang gelombang dari ~10^3 hingga ~10^−2 angstrom (daripada ~10^−7 hingga ~10^−12 m). Iaitu, ia adalah sinaran yang jauh lebih keras daripada cahaya yang boleh dilihat, iaitu pada skala ini antara sinaran ultraungu dan inframerah (“terma”).

Sempadan antara sinar-X dan sinaran gamma dibezakan secara bersyarat: julatnya bersilang, sinar gamma boleh mempunyai tenaga 1 keV. Ia berbeza dari segi asalnya: sinar gamma dipancarkan semasa proses yang berlaku dalam nukleus atom, manakala sinar-x dipancarkan semasa proses yang melibatkan elektron (kedua-duanya bebas dan yang terletak dalam kulit elektron atom). Pada masa yang sama, adalah mustahil untuk menentukan dari foton itu sendiri semasa proses apa yang timbul, iaitu, pembahagian ke dalam julat sinar-X dan gamma sebahagian besarnya sewenang-wenangnya.

Julat X-ray dibahagikan kepada "X-ray lembut" dan "keras". Sempadan di antara mereka terletak pada panjang gelombang 2 angstrom dan 6 keV tenaga.

Penjana sinar-X ialah tiub di mana vakum dicipta. Terdapat elektrod yang terletak di sana - katod, yang dikenakan caj negatif, dan anod bercas positif. Voltan di antara mereka adalah puluhan hingga ratusan kilovolt. Penjanaan foton sinar-X berlaku apabila elektron "terputus" dari katod dan terhempas ke permukaan anod pada kelajuan tinggi. Sinaran X-ray yang terhasil dipanggil "bremsstrahlung"; fotonnya mempunyai panjang gelombang yang berbeza.

Pada masa yang sama, foton spektrum ciri dihasilkan. Beberapa elektron dalam atom bahan anod teruja, iaitu, mereka bergerak ke orbit yang lebih tinggi, dan kemudian kembali ke keadaan normalnya, memancarkan foton dengan panjang gelombang tertentu. Dalam penjana standard, kedua-dua jenis sinaran X-ray dihasilkan.

Sejarah penemuan

Pada 8 November 1895, saintis Jerman Wilhelm Conrad Roentgen mendapati bahawa bahan tertentu mula bercahaya apabila terdedah kepada "sinar katod," iaitu aliran elektron yang dihasilkan oleh tiub sinar katod. Dia menjelaskan fenomena ini dengan pengaruh sinar-X tertentu - inilah cara radiasi ini kini dipanggil dalam banyak bahasa. Kemudian V.K. Roentgen mengkaji fenomena yang ditemuinya. Pada 22 Disember 1895, beliau memberikan laporan mengenai topik ini di Universiti Würzburg.

Kemudian ternyata sinaran X-ray telah diperhatikan lebih awal, tetapi kemudian fenomena yang berkaitan dengannya tidak diberi kepentingan. Tiub sinar katod telah dicipta lama dahulu, tetapi sebelum V.K. Tiada siapa yang memberi banyak perhatian kepada sinar-X tentang menghitamkan plat fotografi berhampirannya, dsb. fenomena. Bahaya yang ditimbulkan oleh sinaran menembusi juga tidak diketahui.

Jenis dan kesannya pada badan

"X-ray" ialah jenis sinaran menembusi yang paling ringan. Pendedahan berlebihan kepada sinar-X lembut menyerupai kesan sinaran ultraungu, tetapi dalam bentuk yang lebih teruk. Luka melecur terbentuk pada kulit, tetapi kerosakannya lebih mendalam dan sembuh dengan lebih perlahan.

X-ray keras ialah sinaran mengion sepenuhnya yang boleh membawa kepada penyakit radiasi. X-ray quanta boleh memecahkan molekul protein yang membentuk tisu badan manusia, serta molekul DNA genom. Tetapi walaupun kuantum sinar-X memecah molekul air, ia tidak membuat perbezaan: dalam kes ini, radikal bebas H dan OH aktif secara kimia terbentuk, yang mampu menjejaskan protein dan DNA. Penyakit radiasi berlaku dalam bentuk yang lebih teruk, lebih banyak organ hematopoietik terjejas.

X-ray mempunyai aktiviti mutagenik dan karsinogenik. Ini bermakna kemungkinan mutasi spontan dalam sel semasa penyinaran meningkat, dan kadangkala sel yang sihat boleh merosot menjadi kanser. Kemungkinan peningkatan tumor malignan adalah akibat standard daripada sebarang pendedahan radiasi, termasuk sinar-X. X-ray adalah jenis sinaran menembusi yang paling tidak berbahaya, tetapi ia masih boleh berbahaya.

Sinaran X-ray: aplikasi dan cara ia berfungsi

Sinaran X-ray digunakan dalam bidang perubatan, serta dalam bidang aktiviti manusia yang lain.

Fluoroskopi dan tomografi yang dikira

Penggunaan sinar-X yang paling biasa ialah fluoroskopi. "X-ray" badan manusia membolehkan anda mendapatkan imej terperinci kedua-dua tulang (ia kelihatan paling jelas) dan imej organ dalaman.

Ketelusan tisu badan yang berbeza dalam sinar-X dikaitkan dengan komposisi kimianya. Ciri-ciri struktur tulang ialah ia mengandungi banyak kalsium dan fosforus. Tisu lain terdiri terutamanya daripada karbon, hidrogen, oksigen dan nitrogen. Atom fosforus mempunyai berat hampir dua kali lebih banyak daripada atom oksigen, dan atom kalsium sebanyak 2.5 kali (karbon, nitrogen dan hidrogen adalah lebih ringan daripada oksigen). Dalam hal ini, penyerapan foton sinar-X dalam tulang adalah lebih tinggi.

Sebagai tambahan kepada "gambar gambar" dua dimensi, radiografi memungkinkan untuk mencipta imej tiga dimensi organ: radiografi jenis ini dipanggil tomografi berkomputer. Untuk tujuan ini, x-ray lembut digunakan. Jumlah sinaran yang diterima daripada satu imej adalah kecil: ia lebih kurang sama dengan sinaran yang diterima semasa penerbangan selama 2 jam dalam kapal terbang pada ketinggian 10 km.

Pengesanan kecacatan sinar-X membolehkan anda mengenal pasti kecacatan dalaman yang kecil dalam produk. Ia menggunakan sinar-X keras, kerana banyak bahan (logam, sebagai contoh) adalah kurang "telus" disebabkan oleh jisim atom yang tinggi bagi bahan konstituennya.

Difraksi sinar-X dan analisis pendarfluor sinar-X

X-ray mempunyai sifat yang membolehkan mereka memeriksa atom individu secara terperinci. Analisis difraksi sinar-X digunakan secara aktif dalam kimia (termasuk biokimia) dan kristalografi. Prinsip operasinya ialah penyebaran difraksi sinar-X pada atom kristal atau molekul kompleks. Menggunakan analisis pembelauan sinar-X, struktur molekul DNA ditentukan.

Analisis pendarfluor sinar-X membolehkan anda menentukan dengan cepat komposisi kimia sesuatu bahan.

Terdapat banyak bentuk radioterapi, tetapi semuanya melibatkan penggunaan sinaran mengion. Radioterapi terbahagi kepada 2 jenis: korpuskular dan gelombang. Korpuskular menggunakan fluks zarah alfa (nukleus atom helium), zarah beta (elektron), neutron, proton, dan ion berat. Gelombang menggunakan sinar spektrum elektromagnet - sinar-X dan gamma.

Kaedah radioterapi digunakan terutamanya untuk rawatan kanser. Hakikatnya ialah sinaran terutamanya memberi kesan kepada sel yang membahagikan secara aktif, itulah sebabnya organ hematopoietik menderita begitu banyak (sel mereka sentiasa membahagi, menghasilkan lebih banyak sel darah merah baru). Sel-sel kanser juga sentiasa membahagi dan lebih terdedah kepada radiasi daripada tisu yang sihat.

Tahap sinaran digunakan yang menyekat aktiviti sel kanser sambil memberi kesan sederhana pada sel yang sihat. Di bawah pengaruh sinaran, bukan pemusnahan sel seperti itu yang berlaku, tetapi kerosakan pada genom mereka - molekul DNA. Sel dengan genom yang dimusnahkan boleh wujud untuk beberapa waktu, tetapi tidak boleh membahagikan lagi, iaitu pertumbuhan tumor berhenti.

Terapi sinar-X adalah bentuk radioterapi yang paling ringan. Sinaran gelombang lebih lembut daripada sinaran korpuskular, dan sinar-x lebih lembut daripada sinaran gamma.

Semasa mengandung

Menggunakan sinaran mengion semasa mengandung adalah berbahaya. X-ray adalah mutagenik dan boleh menyebabkan masalah pada janin. Terapi sinar-X tidak serasi dengan kehamilan: ia hanya boleh digunakan jika telah diputuskan untuk melakukan pengguguran. Sekatan pada fluoroskopi adalah lebih ringan, tetapi pada bulan-bulan pertama ia juga dilarang sama sekali.

Jika benar-benar perlu, pemeriksaan sinar-X digantikan dengan pengimejan resonans magnetik. Tetapi pada trimester pertama mereka cuba mengelakkannya juga (kaedah ini muncul baru-baru ini, dan kita boleh mengatakan dengan pasti bahawa tidak ada akibat yang berbahaya).

Bahaya jelas timbul apabila terdedah kepada jumlah dos sekurang-kurangnya 1 mSv (dalam unit lama - 100 mR). Dengan x-ray mudah (contohnya, semasa menjalani fluorografi), pesakit menerima kira-kira 50 kali lebih sedikit. Untuk menerima dos sedemikian pada satu masa, anda perlu menjalani tomografi pengiraan terperinci.

Iaitu, fakta 1-2 x "X-ray" itu sendiri pada peringkat awal kehamilan tidak mengancam akibat yang serius (tetapi lebih baik tidak mengambil risiko).

Rawatan dengannya

X-ray digunakan terutamanya dalam memerangi tumor malignan. Kaedah ini bagus kerana ia sangat berkesan: ia membunuh tumor. Adalah buruk kerana tisu yang sihat menjadi lebih baik dan terdapat banyak kesan sampingan. Organ hematopoietik amat bahaya.

Dalam amalan, pelbagai kaedah digunakan untuk mengurangkan kesan x-ray pada tisu yang sihat. Sinaran diarahkan pada sudut supaya tumor berada di kawasan persimpangan mereka (disebabkan ini, penyerapan tenaga utama berlaku di sana). Kadang-kadang prosedur dilakukan dalam gerakan: badan pesakit berputar relatif kepada sumber radiasi di sekitar paksi yang melalui tumor. Dalam kes ini, tisu yang sihat berada dalam zon penyinaran hanya sekali-sekala, dan tisu yang sakit sentiasa terdedah.

X-ray digunakan dalam rawatan arthrosis tertentu dan penyakit serupa, serta penyakit kulit. Dalam kes ini, sindrom kesakitan dikurangkan sebanyak 50-90%. Oleh kerana sinaran yang digunakan lebih lembut, kesan sampingan yang serupa dengan yang berlaku dalam rawatan tumor tidak diperhatikan.

Sinaran sinar-X, dari sudut pandangan fizik, adalah sinaran elektromagnet, panjang gelombangnya berbeza-beza dalam julat dari 0.001 hingga 50 nanometer. Ia ditemui pada tahun 1895 oleh ahli fizik Jerman V.K.

Secara semula jadi, sinaran ini berkaitan dengan sinaran ultraungu suria. Gelombang radio adalah yang terpanjang dalam spektrum. Di belakangnya terdapat cahaya inframerah, yang tidak dapat dilihat oleh mata kita, tetapi kita merasakannya sebagai haba. Seterusnya datang sinar dari merah ke ungu. Kemudian - ultraviolet (A, B dan C). Dan di belakangnya adalah sinar-X dan sinaran gamma.

X-ray boleh didapati dalam dua cara: dengan nyahpecutan zarah bercas yang melalui bahan dan dengan peralihan elektron dari lapisan yang lebih tinggi ke lapisan dalaman apabila tenaga dibebaskan.

Tidak seperti cahaya yang boleh dilihat, sinar ini sangat panjang, jadi ia dapat menembusi bahan legap tanpa dipantulkan, dibiaskan atau terkumpul di dalamnya.

Bremsstrahlung lebih mudah diperolehi. Zarah bercas memancarkan sinaran elektromagnet apabila membrek. Lebih besar pecutan zarah ini dan, oleh itu, lebih tajam nyahpecutan, lebih banyak sinaran X-ray dihasilkan, dan panjang gelombangnya menjadi lebih pendek. Dalam kebanyakan kes, dalam amalan, mereka menggunakan pengeluaran sinar dalam proses nyahpecutan elektron dalam pepejal. Ini membolehkan sumber sinaran ini dikawal tanpa bahaya pendedahan sinaran, kerana apabila sumber dimatikan, sinaran X-ray hilang sepenuhnya.

Sumber sinaran yang paling biasa adalah bahawa sinaran yang dipancarkan olehnya adalah tidak homogen. Ia mengandungi sinaran lembut (gelombang panjang) dan keras (gelombang pendek). Sinaran lembut dicirikan oleh fakta bahawa ia diserap sepenuhnya oleh tubuh manusia, jadi sinaran X-ray tersebut menyebabkan bahaya dua kali lebih banyak daripada sinaran keras. Apabila terdedah kepada sinaran elektromagnet yang berlebihan dalam tisu manusia, pengionan boleh menyebabkan kerosakan pada sel dan DNA.

Tiub mempunyai dua elektrod - katod negatif dan anod positif. Apabila katod dipanaskan, elektron menyejat daripadanya, maka ia dipercepatkan dalam medan elektrik. Apabila berhadapan dengan bahan pepejal anod, mereka mula melambatkan, yang disertai dengan pancaran sinaran elektromagnet.

Sinaran sinar-X, sifat yang digunakan secara meluas dalam perubatan, adalah berdasarkan mendapatkan imej bayang objek yang dikaji pada skrin sensitif. Jika organ yang didiagnosis diterangi dengan pancaran sinar selari antara satu sama lain, maka unjuran bayang-bayang dari organ ini akan dihantar tanpa herotan (secara berkadar). Dalam amalan, sumber sinaran lebih serupa dengan sumber titik, jadi ia diletakkan pada jarak dari orang itu dan dari skrin.

Untuk mendapatkannya, seseorang diletakkan di antara tiub sinar-X dan skrin atau filem yang bertindak sebagai penerima sinaran. Hasil daripada penyinaran, tulang dan tisu padat lain muncul dalam imej sebagai bayang-bayang yang jelas, kelihatan lebih kontras dengan latar belakang kawasan kurang ekspresif yang menyampaikan tisu dengan penyerapan yang kurang. Pada sinar-X, seseorang menjadi "lut sinar."

Apabila sinar-X merebak, ia boleh bertaburan dan diserap. Sinaran boleh bergerak ratusan meter di udara sebelum diserap. Dalam bahan padat mereka diserap lebih cepat. Tisu biologi manusia adalah heterogen, jadi penyerapan sinarnya bergantung pada ketumpatan tisu organ. menyerap sinar lebih cepat daripada tisu lembut kerana ia mengandungi bahan dengan nombor atom yang tinggi. Foton (zarah individu sinar) diserap oleh tisu badan manusia yang berbeza dengan cara yang berbeza, yang memungkinkan untuk mendapatkan imej kontras menggunakan sinar-X.