Материал: kompendium_po_fizike

231

ТОРМОЗНОЕ

И

ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКОЕ

РЕНТГЕНОВСКОЕ

ИЗЛУЧЕНИЕ

. 

ЕГО

СВОЙСТВА

И

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

В

МЕДИЦИНЕ

1. 

Рентгеновское

излучение

: 

характеристическое

и

тормозное

. 

Закон

Мозли

Рентгеновским

излучением

называются

электромагнитные

волны

с

длиной

волны

от

 80 

нм

 10

-5

нм

. 

Рентгеновское

излучение

подразделяется

на

тормозное

, 

обладающее

непрерывным

спектром

, 

и

характеристическое

, – 

с

линейчатым

спектром

. 

Тормозное

излучение

возникает

при

торможении

заряженных

частиц

в

электрических

полях

, 

при

взаимодействии

заряженной

частицы

с

магнитным

полем

; 

также

в

рентгеновский

спектр

попадает

тепловое

излучение

некоторых

космических

тел

, 

нагретых

до

высоких

температур

. 

Характеристическое

излучение

может

возникать

при

переходах

электронов

в

атоме

с

вышележащих

энергетических

уровней

на

энергетические

уровни

внутренних

оболочек

  (

K, L

и

т

.

д

.); 

при

ядерных

реакциях

, 

при

взаимодействии

фотона

с

атомом

. 

Закон

Мозли

связывает

частоту

характеристического

излучения

с

порядковым

номером

элемента

: 

)

(

B

Z

A







, 

где



 – 

частота

излучения

, 

Z

 – 

порядковый

номер

элемента

, 

A

, 

B

 – 

постоянные

. 

В

отличие

от

оптического

излучения

, 

характеристическое

излучение

не

зависит

от

химического

окружения

атома

: 

один

и

тот

же

химический

элемент

будет

иметь

постоянный

характеристический

спектр

в

разных

соединениях

. 

Это

связано

с

тем

, 

что

характеристический

спектр

зависит

от

конфигурации

внутренних

оболочек

атома

, 

а

она

остаётся

постоянной

для

данного

элемента

. 

232

2. 

Основные

свойства

и

характеристики

рентгеновского

излучения

Как

уже

упоминалось

, 

рентгеновское

излучение

делится

на

характеристическое

и

тормозное

. 

Спектр

тормозного

излучения

сплошной

, 

характеристического

 – 

линейчатый

. 

Длина

волны

РИ

находится

в

интервале

от

 10

-5

нм

до

 80 

нм

. 

РИ

делят

на

мягкое

 (

с

большой

длиной

волны

) 

и

жёсткое

 (

с

малой

длиной

волны

). 

Если

источником

излучения

выступает

рентгеновская

трубка

, 

то

параметры

излучения

определяются

следующим

образом

: 

а

) 

U

eU

hc

/

23

.

1

)

/(

min







, 

где

min



 – 

минимальная

длина

волны

РИ

  (

выраженная

в

нм

), 

U

 – 

ускоряющее

напряжение

между

катодом

и

антикатодом

трубки

  (

выраженное

в

кВ

); 

большая

часть

излучаемой

энергии

приходится

на

длину

волны

min

5

.

1







m

. 

б

) 

Z

kIU

2





, 

где



 – 

поток

излучения

, 

9

10





k

  (

В

-1

) – 

коэффициент

пропорциональности

, 

I

 – 

сила

тока

в

трубке

, 

U

 – 

напряжение

в

трубке

. 

3. 

Устройство

простейших

рентгеновских

аппаратов

Простейший

рентгеновский

аппарат

структурно

состоит

из

рентгеновской

трубки

, 

цепи

накала

катода

  (

цепь

низкого

напряжения

) 

и

катодной

цепи

  (

цепь

высокого

напряжения

), 

трансформатора

и

выпрямителя

. 

Цепь

накала

катода

необходима

для

подогрева

катода

. 

Регулируя

температуру

накала

катода

, 

влияют

на

анодный

ток

без

изменения

напряжения

в

трубке

, 

что

позволяет

регулировать

поток

излучения

без

изменения

жёсткости

излучения

. 

Напряжение

, 

используемое

в

этой

цепи

 – 

небольшое

: 6–12 

В

. 

Катодная

цепь

питает

непосредственно

рентгеновскую

трубку

; 

используемое

напряжение

составляет

от

нескольких

десятков

до

нескольких

сотен

кВ

. 

Изменение

напряжения

в

этой

цепи

вызывает

изменение

потока

излучения

и

изменение

жёсткости

излучения

. 

233

Рентгеновская

трубка

является

источником

излучения

. 

Помимо

прочего

, 

рентгеновская

трубка

обязательно

снабжается

системой

охлаждения

во

избежание

перегрева

. 

Трансформатор

и

выпрямитель

необходимы

для

создания

высокого

постоянного

напряжения

в

катодной

цепи

. 

4. 

Закон

ослабления

потока

рентгеновского

излучения

При

взаимодействии

РИ

с

веществом

в

зависимости

от

энергии

кванта



h

и

энергии

ионизации

атома

0

E

наблюдаются

три

первичных

процесса

: 

А

. 

Упругое

  (

когерентное

) 

рассеяние

  (

0

E

h





). 

При

этом

длина

волны

излучения

не

изменяется

. 

Б

. 

Фотоэффект

  (

0

E

h





). 

Происходит

поглощение

кванта

излучения

электроном

, 

который

тратит

полученную

энергию

на

отрыв

от

атома

 (

ионизация

) 

и

приобретение

скорости

. 

В

. 

Неупругое

  (

некогерентное

) 

рассеяние

 – 

эффект

Комптона

(

0

E

h





). 

При

этом

происходит

как

бы

соударение

фотона

с

электроном

, 

последний

отрывается

от

атома

, 

фотон

же

увеличивает

свою

длину

волны

и

изменяет

направление

движения

. 

Ослабление

интенсивности

излучения

в

слое

вещества

описывается

законом

Бугера

: 

x

e

I

I







0

, 

где



 – 

линейный

показатель

ослабления

  (

учитывающий

поглощение

и

рассеяние

излучения

), 

x

– 

толщина

слоя

вещества

. 

Чаще

используется

другой

показатель

ослабления

 – 

массовый

показатель

ослабления

, 

который

не

зависит

от

плотности

вещества

: 







/



m

. 

Он

связан

с

длиной

волны

излучения



и

порядковым

номером

Z

формулой

3

3

Z

k

m







где

k

 – 

коэффициент

пропорциональности

. 

5. 

Физические

основы

применения

рентгеновского

излучения

в

медицине

Показатель

поглощения

рентгеновских

лучей

веществом

234

сильно

зависит

от

его

состава

и

от

длины

волны

: 

3

3

п

k Z







Где

k

−

коэффициент

пропорциональности

, 

Z

−

порядковый

номер

вещества

-

поглотителя

, 



−

длина

волны

излучения

. 

Из

-

за

различий

в

структуре

ткани

органы

, 

составляющие

тело

человека

, 

по

-

разному

поглощают

рентгеновские

лучи

. 

Поэтому

при

просвечивании

их

рентгеновским

излучением

возникает

теневое

изображение

внутренних

органов

, 

которое

проецируется

на

люминесцирующий

экран

или

фиксируется

на

фотопленке

. 

Для

рентгеновской

диагностики

используется

излучение

с

такой

энергией

фотонов

, 

при

которой

первичные

процессы

его

взаимодействия

с

веществом

обусловливаются

, 

в

основном

, 

фотоэффектом

. 

Чем

больше

по

химическому

составу

различаются

морфологические

структуры

, 

образующие

тело

человека

, 

тем

отчетливее

их

изображение

на

экране

или

фотопленке

. 

Так

, 

изображение

костей

особо

отчетливо

проявляется

на

фоне

изображения

мягких

тканей

. 

Сложнее

в

рентгенодиагностике

различать

изменения

в

структуре

мягкой

ткани

. 

В

таком

случае

показатели

поглощения

рентгеновского

излучения

разных

ее

участков

различаются

незначительно

, 

поэтому

очаги

патологии

выявляются

трудно

.  

При

осмотре

полостей

организма

 (

желудок

, 

кишечник

и

др

.) 

применяют

специальные

контрастные

вещества

 (

сульфат

бария

в

виде

кашеобразной

массы

), 

заполняющие

эти

полости

. 

За

счет

поглощения

контрастным

веществом

рентгеновского

излучения

получается

теневое

изображение

соответствующего

органа

. 

Рентгенодиагностика

создает

значительную

нагрузку

на

организм

, 

особенно

при

рентгеноскопии

 – 

когда

изображение

рассматривают

на

люминесцирующем

экране

. 

Это

побуждает

к

поиску

способов

снижения

дозы

облучения

за

счет

повышения

разрешающей

способности

системы

экран

-

глаз

некоторыми

особыми

приемами

. 

Очевидно

, 

что

для

получения

четкого

изображения

на

экране

при

сниженной

  (

умеренной

лучевой

нагрузке

) 

интенсивности

рентгеновского

излучения

необходимо

повышать

чувствительность

люминесцирующих

экранов

и

фотоматериалов

. 

Один

из

распространенных

способов

достижения

этой

цели

235

состоит

в

применении

специальных

усиливающих

экранов

, 

которые

поглощают

рентгеновские

лучи

в

десятки

раз

сильнее

, 

чем

фотографические

эмульсии

, 

и

вызывают

интенсивную

люминесценцию

экрана

. 

Свет

люминесценции

полностью

поглощается

контактирующим

с

экраном

фотоэмульсионным

слоем

фотопленки

, 

который

в

десятки

раз

чувствительнее

к

видимому

свету

, 

чем

к

рентгеновским

лучам

. 

Поэтому

при

контактном

фотографировании

изображения

с

усиливающих

экранов

доза

облучения

пациента

может

быть

снижена

в

десятки

раз

. 

Следует

отметить

, 

что

для

регистрации

изображения

-

рентгенографии

применяются

не

только

фотопленки

, 

в

состав

эмульсии

которых

входит

дорогостоящее

серебро

. 

При

ксерорентгенографии

для

получения

изображения

используют

пластины

, 

покрытые

слоем

материала

  (

фотопроводника

), 

который

под

действием

света

и

рентгеновских

лучей

приобретает

проводимость

. 

Пластине

сообщают

электрический

заряд

в

темноте

, 

а

затем

используют

ее

в

рентгенодиагностике

вместо

фотопленки

. 

Под

действием

излучения

в

слое

фотопроводника

происходит

распределение

электрических

зарядов

, 

соответствующее

распределению

интенсивности

рентгеновского

излучения

, 

т

.

е

. 

возникает

скрытое

электростатическое

изображение

. 

Его

проявляют

заряженным

порошком

, 

переносят

на

бумагу

электрическим

полем

и

закрепляют

. 

На

каждой

пластине

можно

получать

около

 2000 

снимков

. 

При

ксерорентгенографии

доза

облучения

не

уменьшается

по

сравнению

с

таковой

при

обычной

рентгенографии

, 

однако

ее

применение

в

ряде

случаев

вполне

оправдано

 – 

некоторое

увеличение

лучевых

нагрузок

допускается

, 

если

при

этом

возрастает

объем

диагностической

информации

и

в

экстренных

ситуациях

ускоряется

ее

получение

. 

Существенное

снижение

дозы

облучения

при

рентгенодиагностике

и

расширении

диагностических

возможностей

достигается

за

счет

применения

усилителей

рентгеновского

изображения

и

телевизионных

систем

. 

В

упрощенном

виде

принцип

усиления

рентгеновского

изображения

проиллюстрирован

на

рисунке

 95.