Лекция-18

Лекция № 18

Рентгеновское излучение

В настоящее время рентгеновское излучение широко используется не толь-

ко в медицине, но и на производстве, в научных исследованиях, в контрольно-

измерительной аппаратуре.

Приведём краткие сведения о природе рентгеновского излучения, его раз-

новидностях, спектрах, механизмах генерации, воздействии на живые орга-

низмы, детектировании, защите и использовании.

Рентгеновское излучение было открыто немецким физиком Вильямом Кон-

радом Рентгеном в 1895 году в ходе изучения электрического разряда в газах.

Поток свободных электронов, ускоренных электрическим полем в пространст-

ве между анодом и катодом, врезался в катод. Катод испускал лучи неизвест-

ной природы (их назвали катодными лучами), которые, взаимодействуя со стеклом разрядной трубки, порождали ультрафиолетовое и видимое излуче-

ние. Для регистрации этого излучения Рентген использовал фотобумагу, раз-

мещённую в светонепроницаемой оболочке. Случайным образом он одновре-

менно проявил как засвеченную излучением катодных лучей бумагу, так и бу-

магу, не подверженную световому воздействию, но побывавшую рядом с раз-

рядной трубкой. Оказалось, что после проявления обе разновидности фотобу-

маги почернели, и это свидетельствовало о воздействии на упакованную бума-

гу какого-то ионизирующего излучения. Рентген предположил, что при взаи-

модействии (ударе) электронов с катодом порождаются не только катодные лучи, но и лучи иной, неизвестной ещё природы. Поэтому он и назвал эту но-

вую разновидность лучей – Х-лучами. Позже выяснили, что эти лучи могут не только засвечивать упакованную фотобумагу, но и вызывают люминесценцию,

проникают сквозь различные непрозрачные предметы, такие как человеческое тело, дерево, металлы, стимулируют электрический разряд в газах.

199

X -лучи

e

T рансформатор

Рис.1. Схема рентгеновского аппарата.

Рентген информировал научную общественность о своём открытии, и мно-

гие учёные занялись изучением природы и свойств вновь открытых лучей.

Вскоре установили, что Х-лучи подчиняются законам геометрической оптики и не отклоняются ни электрическим, ни магнитным полем. Поэтому предпо-

ложили, что Х-лучи представляют собой электромагнитные волны с очень ма-

лой длиной волны ( ). Однако, несмотря на все усилия исследователей, им не удавалось обнаружить для Х-лучей такие типичные волновые явления как ди-

фракция и интерференция. И только в 1912 году австрийский физик Макс Лауэ догадался, что для наблюдения этих явлений необходимо взаимодействие Х-

лучей с объектами, характерные размеры (желательно - период) которых d по-

рядка , составляющей для рентгеновских лучей величину в пределах от 10-8

до 10-12 м, т.е. порядка одного ангстрема (1 A=10-10 м). Справедливость этого предположения объясняется тем, что только при выполнении условия d на-

блюдается достаточно выраженная дифракционная картина. И когда рекомен-

дации Лауэ были реализованы, учёным удалось зарегистрировать дифракцию рентгеновских лучей, что служило убедительным доказательством волновой (а

не корпускулярной) природы Х-лучей.

200

Таким образом, рентгеновские лучи X-лучи представляют собой электромагнитные волны с длиной волны от 10-12 to 10-8 м, т.е. от 0,01 A to 100 A, и за-

нимают на шкале электромагнитных волн участок между - и ультрафиолето-

вым излучением.

Генерацию X-лучей осуществляют с помощью рентгеновских трубок

(Рис.1). Такая трубка представляет собой вакуумированный сосуд с впаянны-

ми в его противоположные стенки двумя электродами: катодом К, изготовлен-

ным из тугоплавкого вольфрама, и вращающегося массивного анода А, изго-

товленного из меди (материала с высокой теплопроводностью) с внедрённой его фронтальную скошенную поверхность вольфрамовой мишенью. К нити накала катода прикладывают небольшое напряжение, разогревая её тем самым до высокой температуры. Разогретый катод испускает свободные электроны

(явление термоэлектронной эмиссии). К аноду и катоду прикладывают высо-

кое постоянное (или пульсирующее) напряжение U величиной порядка 105

Вольт. В результате этого в пространстве между этими электродами создаётся мощное электростатическое поле, разгоняющее электроны до огромной скоро-

сти . При подлёте к аноду A, электроны приобретают кинетическую энергию равную:

Ek = e U = m 2/2,

где e и m - заряд и масса электрона.

Порождение рентгеновского излучения происходит в процессе взаимо-

действия разогнанных в электрическом поле свободных электронов с вещест-

вом мишени анода A. Различают два механизма порождения Х-лучей и, соот-

ветственно, две разновидности рентгеновских лучей.

Тормозное рентгеновское излучение порождается в ходе торможения бы-

стрых свободных электронов электрическими полями электронов, входящих в состав атомов вещества мишени. Будучи одноимённо заряженными, налетаю-

щие свободные и связанные (принадлежащие атому вещества мишени) элек-

троны отталкивают друг друга, что приводит к искривлению траектории полё-

201

Рис. 2. Отклонение быстрых электронов электрическим полем электронной оболочки атома вещества мишени анода рентгеновской трубки.

та свободного электрона. Но, согласно теории Максвелла об электромагнит ном поле, ускоренно движущаяся заряженная частица (коей является свобод-

ный электрон на искривлённом участке траектории) должна излучать электро-

магнитную волну с частотой ~a4, где а - ускорение частицы. Таким образом, в

результате торможения порождается электромагнитная волна являющаяся рентгеновским излучением. Эта волна уносит часть кинетической энергии свободного электрона:

Ek (h C/ i),

где h C/ i – энергия рентгеновского фотона, h – постоянная Планка, C – ско-

рость света в вакууме.

В случае если вся кинетическая энергия быстрого электрона передаётся фотону, имеем:

Ek = h C/ o,

где o соответствует х-лучам с наименьшей длиной волны.

202

I

Характеристическое излучение

Тормозное излучение

Рис. 3. Спектр электромагнитных волн, излучаемых рентгеновской трубкой.

Поскольку быстрые свободные электроны налетают на атом вещества мишени имея различный прицельный параметр (наименьшее расстояние от линии налетания электрона до центра атома), то в процессе торможения они испытывают различные ускорения и, поэтому, излучают волны с различной частотой. Именно поэтому тормозное рентгеновское излучение имеет непре-

рывный спектр, т.е. оно содержит электромагнитные волны с любой длиной волны (или частотой), ограниченной снизу только величиной o (Рис.3).

Регулирование спектра излучения тормозного излучения возможно двумя путями: 1) величиной напряжения U, прикладываемого между анодом и като-

дом (при этом изменяется величина o); 2) величиной напряжения, приклады-

ваемого к нити накала катода (при этом изменяется число термоэлектронов,

вылетевших из катода и налетающих на анод; тем самым изменяется интен-

сивность тормозного излучения).

Характеристическое рентгеновское излучение является также результатом взаимодействия быстрых свободных электронов с электронами, входящими в состав атомов вещества мишени. Но, в отличие от тормозного излучения, в

случае порождения характеристического излучения налетающие свободные электроны взаимодействуют с электронами атомов, находящимися не на внешних, а на внутренних (наиболее близких к ядру атома) электронных обо-

203

лочках. В результате этого взаимодействия электроны, входящие в состав ато-

ма, переходят с внутренних на более высокие орбиты и могут даже вообще по-

кинуть атом (процесс ионизации атома). Переход электрона на более высокую орбиту соответствует переходу атома в возбуждённое энергетическое состоя-

ние. Но атом, как и любая иная система, стремится занять состояние с мини-

мальной потенциальной энергией. Поэтому через некоторое время (миллион-

ные доли секунды) атом релаксирует, т.е. возвращается в исходное энергети-

ческое состояние. Переход атома в состояние с меньшей потенциальной энер-

гией соответствует переходу электрона с более на менее удалённую от ядра орбиталь. Однако на каждой орбитали электрон имеет определённую (харак-

терную для данного атома) скорость. Поэтому прыжок (длящийся 10-8c)

электрона с более на менее удалённую орбиталь является ничем иным как движением заряженной частицы с ускорением. То есть, опять (как и в случае с тормозным излучением) оказывается реализованным условие порождения электромагнитной волны. Но, согласно теории Максвелла, ускоренное движе-

ние заряженной частицы сопровождается порождением электромагнитных волн. Именно это и происходит во время «прыжка» электрона с одной орбита-

ли на другую в релаксирующем атоме.

При переходе электронов с внешних на срединные орбитали порождаются электромагнитные волны видимого диапазона. Но при переходе электронов с внешних орбиталей на самые близкие к ядру атома орбитали, порождается ультрафиолетовое и рентгеновское излучение.

Поскольку орбитали электронов в атомах имеют строго определённые зна-

чения, что соответствует строго определённым значениям энергии атомов, то частотный спектр электромагнитных волн, излучаемых атомом, также линеен,

т.е. он представляет собой определённую совокупность линий на зависимости интенсивности излучения от частоты (см. Рис.4). Каждый сорт атомов имеет свой специфический спектр излучения (идентичный его же спектру поглоще-

ния). Поэтому рентгеновское излучение, порождаемое посредством второго ме-

204

E

M

L

K

Рис. 4. Энергетическая схема порождения характеристического рентгеновского излучения.

ханизма имеет линейный спектр, а само излучение получило название характе-

ристического.

Отметим, что большинство электронов, испущенных в результате термо-

электронной эмиссии катодом ( 98%), тратят свою кинетическую энергию на нагревание анода, претерпевая ряд последовательных столкновений с атомами материала анода не приводящих к порождению рентгеновского излучения. По-

этому проблема охлаждения анода рентгеновской трубки весьма актуальна.

Для её разрешения анод выполняется вращающимся, из хорошего теплопро-

водника (обычно из меди), содержащим полость, по которой прокачивается охлаждающий поток воды или масла. В центральной же части анода, обстре-

ливаемой потоком быстрых электронов, размещена специальная мишень, вы-

полненная из тугоплавкого металла (обычно из вольфрама).

Другой важной технической проблемой, которую приходится преодолевать разработчикам рентгеновских трубок, является получение очень высоковольт-

ного постоянного напряжения U ( 105 В), прикладываемого между анодом и катодом, и величину которого можно плавно изменять. Изменяя величину U

можно управлять спектром вырабатываемого трубкой рентгеновского излуче-

205

ния: чем выше величина U, тем меньше минимальная длина волны o тормоз-

ного излучения и тем больше число линий содержит спектр характеристиче-

ского излучения (см. Рис.3). Рентгеновское излучение с длиной волны меньше одного ангстрема ( 1 A) называют жёстким излучением, а излучение с

>1 A - мягким.

Наиболее важным свойством рентгеновского излучения является его иони-

зирующая способность, состоящая в том, что при проникновении излучения в вещество (например, человеческое тело), оно взаимодействует с его атомами и молекулами, в результате чего они могут потерять один или несколько своих электронов, превращаясь, таким образом, в положительный ион. Наряду с этим процессом, возможен также процесс расщепления излучением молекул на положительные и отрицательные ионы.

Ионизирующая способность рентгеновского излучения используется для его обнаружения с помощью газоразрядных трубок-конденсаторов. Это двух-

электродные трубки, наполненные разреженным газом. К этим электродам прикладывают разность потенциалов (заряжают эти конденсаторы). При про-

хождении рентгеновского излучения сквозь трубку молекулы газа ионизиру-

ются им и возникшие таким образом ионы движутся под действием электриче-

ского поля к электродам противоположной полярности . Это приводит к про-

теканию через трубку электрического тока, сила которого пропорциональна интенсивности детектируемого рентгеновского излучения.

Существуют также и другие методы детектирования и контроля характери-

стик рентгеновского излучения, такие как: флюоресцирующие и люминес-

центные экраны, чувствительная с рентгеновскому излучения фотобумага, и

другие, но все эти методы основаны на использовании ионизирующей способ-

ности рентгеновского излучения.

С медицинской точки зрения очень большое значение имеет биологическое действие рентгеновского излучения. Различают два основных механизма тако-

го воздействия.

206

Первый механизм имеет чисто электрохимическую природу. Дело в том,

что человеческий организм состоит, в основном, из воды ( 75%). Поэтому, при прохождении через организм, рентгеновское излучение взаимодействием пре-

имущественно именно с молекулами воды. В результате этого взаимодействия молекулы разделяются на ионы OH- и H+, называемые свободными радикала-

ми. Эти ионы имеют чрезвычайно высокую химическую активность и немед-

ленно вступают в химическую реакцию с другими молекулами организма, в

результате которых образуются ядовитые вещества, происходит интоксикация организма. Её наиболее явным симптомом является рвота.

Второй механизм имеет биологическую основу и состоит в воздействии рентгеновского излучения на функцию деления биоклетки, подавляя или сти-

мулируя её. Именно поэтому рентгеновское излучение очень опасно для ма-

леньких детей и беременных женщин. Излучение воздействует в первую оче-

редь на такие органы как щитовидная железа (thyroid gland), костный мозг

(marrow) репродуцирующий кровь, половые органы, хрусталик глаза и т.п. В

зависимости от дозы излучения, поглощённого органом, процесс деления его клеток может быть либо ускорен, либо замедлен. В первом случае облучение может стимулировать развитие раковой опухали, во втором – замедление про-

цесса роста органа.

Рентгеновское излучение обладает также большой проникающей способно-

стью. Оно может проникать как сквозь прозрачные (для видимого излучения),

так и сквозь непрозрачные предметы. По мере распространения рентгеновско-

го излучения в веществе его интенсивность I уменьшается (в результате по-

глощения и рассеяния на частицах вещества) согласно закону Бугера:

I = Io exp(- d),

где - коэффициент поглощения веществом излучения с данной длиной волны

. Рентгеновское излучение с 0.1 A проникает сквозь 70 мм лист стали, в то время как излучение с 1 A поглощается практически полностью слоем стали толщиной всего в несколько миллиметров.

207

Причём, чем выше атомный номер вещества, тем лучше оно поглощает рентгеновское излучение. Это происходит вследствие того, что чем больше ядро атома, тем плотнее и шире спектр его энергетических уровней. Тем больше вероятность поглощения таким ядром падающего рентгеновского кванта излучения. Поэтому для изготовления защитных экранов от рентгенов-

ского излучения используют свинец, как нерадиоактивное вещество с макси-

мальным атомным номером (Z=82).

Большая проникающая способность рентгеновского излучения обусловила его использование в медицине и промышленности для диагностики внутрен-

них болезней и выявления дефектов. Различают два основных метода рентге-

новской диагностики: рентгенографию (radiography), в которой для детекти-

рования рентгеновского излучения используют фотобумагу, и флюорографию

или рентгеноскопию, когда для изучения рентгеновского излучения, прошед-

шего сквозь пациента, используют флуоресцентные экраны. При флюорогра-

фии используют более мягкое излучение, поскольку для возбуждения атомов чувствительного слоя экрана требуются менее энергичные рентгеновские фо-

тоны, чем в случае рентгеноскопии, когда необходимо ионизировать атомы серебра в светочувствительном слое фотобумаги. Поэтому метод флюорогра-

фии является менее вредным, по сравнению с рентгенографией, и использует-

ся в медицинской практике более широко.

Для количественных измерений характеристик рентгеновского излучения используются ионизационные и сцинтилляционные датчики и счётчики. Эти устройства используются в медицине исключительно для обнаружения и из-

мерения уровня рентгеновской радиации.

Контрольные вопросы

1.Кем, когда и при каких обстоятельствах открыто рентгеновское излучение?

2.Какое устройство используется для генерации рентгеновского излучения?

Опишите (в общих чертах) схему этого устройства.

208