Открыть сервисСервис

Рентгеновское излучение: принцип работы

Рентгеновское излучение — это электромагнитное излучение с длиной волны от 0,001 до 10 нанометров, расположенное в спектре между гамма-излучением и ультрафиолетовым излучением. Открыто немецким физиком Вильгельмом Рентгеном 8 ноября 1895 года в Вюрцбургском университете. Рентгеновские лучи обладают высокой проникающей способностью, вызывают люминесценцию веществ и ионизацию газов, что и определяет их применение в медицине, промышленной дефектоскопии и научных исследованиях.

Природа рентгеновских лучей

Рентгеновское излучение разделяют на два типа: тормозное (непрерывное) и характеристическое (линейчатое).

Тормозное излучение возникает при торможении быстрых электронов в веществе. Когда электрон, разогнанный разностью потенциалов в 20–150 кВ, попадает в анод (обычно вольфрамовый), он тормозится о атомы мишени, теряя кинетическую энергию. Часть этой энергии преобразуется в фотоны рентгеновского излучения. Спектр тормозного излучения непрерывен: минимальная длина волны λmin определяется формулой Дюамеля: λmin = hc/(eU), где U — напряжение на трубке. Максимальная энергия фотона при этом равна полной энергии электрона.

Характеристическое излучение возникает, когда быстрый электрон выбивает внутренний электрон из атома мишени. При заполнении вакансии электроном с более высокого энергетического уровня испускается фотон с энергией, равной разности энергий уровней. Так как энергетические уровни атомов дискретны, спектр состоит из отдельных линий, характерных для данного элемента. Для вольфрама наиболее интенсивны линии Kα (59,3 кэВ) и Kβ (67,2 кэВ).

Как устроена рентгеновская трубка

Основной прибор для получения рентгеновских лучей — рентгеновская трубка. Современные трубки представляют собой стеклянные или металлические колбы с высоким вакуумом, содержащие два электрода: катод и анод (мишень).

Катод выполнен в виде вольфрамовой нити накала. При пропускании через неё тока нить разогревается до 2000–2500 °C, и с неё испускаются электроны за счёт термоэлектронной эмиссии. Напряжение между катодом и анодом (обычно 20–150 кВ) ускоряет электроны в сторону мишени.

Анод обычно изготовлен из вольфрама (для медицинских аппаратов) или меди, молибдена (для маммографии). Мишень расположена под углом 10–20° к оси пучка, что позволяет направить рентгеновские лучи в нужную сторону и увеличить площадь эффективного излучения. Около 99% энергии электронов преобразуется в тепло, поэтому анод охлаждают маслом, водой или с помощью вращающейся конструкции, где тепловая нагрузка распределяется по всей поверхности диска.

Для получения пучка определённой жёсткости используют фильтры — тонкие пластинки из алюминия, меди или других металлов, поглощающие мягкие (низкоэнергетичные) компоненты излучения.

Взаимодействие рентгеновских лучей с веществом

При прохождении через вещество рентгеновские лучи ослабляются за счёт трёх основных процессов:

  • Фотоэффект — поглощение фотона атомом с выбиванием электрона. Преобладает при низких энергиях и для веществ с большим атомным номером.
  • Комптоновское рассеяние — неупругое рассеяние фотонов на свободных или слабосвязанных электронах. Преобладает в среднем энергетическом диапазоне.
  • Образование пар — возникновение электрона и позитрона при энергии фотона свыше 1,02 МэВ. Для диагностических рентгеновских аппаратов этот процесс незначителен.

Степень ослабления пучка описывается законом Бугера — Ламберта — Беля: I = I₀·e^(−μx), где μ — линейный коэффициент поглощения, зависящий от энергии излучения, атомного номера и плотности вещества. Именно различие в коэффициентах поглощения тканями разной плотности (кость, мягкие ткани, воздух) создаёт контраст на рентгеновском снимке.

Рентгенография и медицинская диагностика

В медицинской диагностике используют рентгенографию (проекционное получение изображения на плёнку или цифровой детектор), флюорографию, компьютерную томографию (КТ) и ангиографию.

При рентгенографии объект помещается между источником излучения и детектором. Поглощённое излучение формирует теневое изображение: костная ткань, богатая кальцием (Z=20), поглощает лучи сильнее, чем мягкие ткани, и на снимке отображается светлым. Лёгкие, заполненные воздухом, практически прозрачны для рентгеновских лучей и выглядят тёмными.

Компьютерная томография использует узкий веерообразный пучок и вращающийся источник, а алгоритмы реконструкции по данным множественных проекций строят послойное изображение органов. Современные КТ-сканеры позволяют получить детальное изображение за секунды.

Дозиметрия и защита

Доза облучения измеряется в зивертах (Зв) — величине, учитывающей биологическую эффективность излучения. Для рентгеновских лучей коэффициент качества равен единице, поэтому 1 Гр = 1 Зв. Естественный фон в среднем составляет около 2,4 мЗв в год; однократная рентгенография грудной клетки даёт около 0,02–0,1 мЗв.

Защита от излучения основана на трёх принципах: время (минимизация времени облучения), расстояние (интенсивность убывает обратно квадратично расстояния) и экранирование. В медицинских кабинетах используют свинцовые фартуки, ширмы, свинцовое стекло, а в конструкции рентгеновских аппаратов — коллиматоры, ограничивающие пучок областью исследования.

Применение вне медицины

Рентгенография широко применяется в промышленной дефектоскопии для обнаружения трещин, пор и несплавлений в сварных швах и металлических деталях. Рентгеноструктурный анализ (метод дифракции рентгеновских лучей, предложенный Максом фон Лауэ в 1912 году) позволяет определять кристаллическую структуру вещества. В аэропортах рентгеновские сканеры используются для досмотра багажа. Криминалистика применяет рентген для исследования документов, обнаружения предметов в полостях и изучения объектов без их повреждения.

Источники:

  • Жоров Н. А. «Рентгеновские лучи»
  • Тер-Оганесянц Т. В. «Рентгеновская техника»
  • Справочник по рентгенологии и радиологии
  • Бекетов Н. И., Богданович Б. И. «Рентгеновская физика»
Заметили ошибку или не согласны с информацией в статье? Напишите нам support@bfometr.ru