Рентгеновское излучение

Лекция № 18

В настоящее время рентгеновское излучение широко используется не только в медицине, но и на производстве, в научных исследованиях, в контрольно-измерительной аппаратуре. Приведём краткие сведения о природе рентгеновского излучения, его разновидностях, спектрах, механизмах генерации, воздействии на живые организмы, детектировании, защите и использовании.

Рентгеновское излучение было открыто немецким физиком Вильямом Конрадом Рентгеном в 1895 году при изучении электрического разряда в газах. Поток свободных электронов, ускоренных электрическим полем в пространстве между анодом и катодом, врезался в катод. В результате катод испускал лучи неизвестной природы (их назвали катодными лучами), которые, взаимодействуя со стеклом разрядной трубки, порождали ультрафиолетовое и видимое излучение. Для регистрации этого излучения Рентген использовал фотобумагу, размещённую в светонепроницаемой оболочке. Случайным образом он одновременно проявил как засвеченную излучением от стекла трубки бумагу, так и бумагу, не подверженную световому воздействию, но побывавшую рядом с разрядной трубкой. Оказалось, что после проявления обе разновидности фотобумаги почернели, что свидетельствовало о воздействии на упакованную бумагу какого-то ионизирующего излучения. Рентген предположил, что при взаимодействии электронов с катодом порождаются не только катодные лучи, но и лучи иной, неизвестной природы. Поэтому он назвал это излучение Х-лучами. Позже выяснили, что такие 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.

Рентген информировал научную общественность о своём открытии, и многие 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 предположили, что Х-лучи представляют собой электромагнитные волны с очень малой длиной волны (l). Однако, несмотря на все усилия исследователей, им не удавалось обнаружить для Х-лучей такие типичные волновые явления как дифракция 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 порядка l, составляющей для рентгеновских лучей величину от 10^-8 до 10^-12 м, т.е. примерно один ангстрем (1 Å=10^-10 м). Справедливость этого предположения объясняется тем, что только при выполнении условия l»d наблюдается достаточно выраженная дифракционная картина. И когда рекомендации Лауэ были реализованы, учёным удалось зарегистрировать дифракционную картину, сформированную рентгеновскими лучами, что служило убедительным доказательством волновой (а не корпускулярной) природы Х-лучей.

Таким образом, рентгеновские лучи X-лучи представляют собой электромагнитные волны с длиной волны от 10^-12 дo 10^-8 м, и занимают на шкале электромагнитных волн участок между g- и ультрафиолетовым излучением.

Генерацию X-лучей осуществляют с помощью рентгеновских трубок. Такая трубка представляет собой вакуумированный сосуд с впаянными в его противоположные стенки двумя электродами: катодом К, изготовленным из тугоплавкого вольфрама, и вращающегося массивного анода А, изготовленного из меди (материала с высокой теплопроводностью) с внедрённой его фронтальную скошенную поверхность вольфрамовой мишенью. К нити накала катода прикла-

дывают небольшое напряжение, разогревая её до высокой температуры. Разогретый катод испускает свободные электроны (явление термоэлектронной эмиссии). Между анодом и катодом прикладывают высокое постоянное (или пульсирующее) напряжение U величиной около 10⁵ Вольт. В результате этого в пространстве между этими электродами создаётся мощное электростатическое поле, разгоняющее электроны до огромной скорости J. При подлёте к аноду A, электроны приобретают кинетическую энергию равную:

E_k = e × U = m _е × J ²/2,

где e и m _е - заряд и масса электрона.

Порождение рентгеновского излучения происходит в процессе взаимодействия разогнанных в электрическом поле свободных электронов с веществом мишени анода A. Различают два механизма порождения Х-лучей и, соответственно, две разновидности рентгеновских лучей.

Тормозное рентгеновское излучение порождается в ходе торможения быстрых свободных электронов электрическими полями электронов, входящих в состав атомов вещества мишени. Будучи одноимённо заряженными, налетающие свободные и связанные (принадлежащие атому вещества мишени) электроны отталкивают  друг  друга, что  приводит  к  ис-

кривлению траектории полёта свободных электронов. Но, согласно Максвеллу, ускоренно движущаяся заряженная частица (коей является свободный электрон на искривлённом участке траектории) должна излучать электромагнитную волну с частотой n~a⁴, где а - ускорение частицы. Таким образом, в результате торможения порождается электромагнитная волна являющаяся рентгеновским излучением. Эта волна уносит часть кинетической энергии свободного электрона:

E_k ³ S(h×C/l)

где h n = h×C/l – энергия рентгеновского фотона, h – постоянная Планка, C – скорость света в вакууме.

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

E_k = h×C/l_o,

где l_o соответствует X-лучам с наименьшей длиной волны.

Поскольку быстрые свободные электроны налетают на атом вещества мишени имея различный прицельный параметр (расстояние от линии, вдоль которой движется электрон в трубке, до центра атома), то в процессе торможения они испытывают различные ускорения и, следовательно, излучают волны с различной частотой. Именно поэтому тормозное излучение имеет непрерывный спектр, т.е. оно содержит электромагнитные волны с любой длиной волны (или частотой), ограниченной снизу только величиной l_o .

Регулирование спектра излучения тормозного излучения возможно двумя путями: 1) величиной напряжения U, прикладываемого между анодом и катодом (при этом изменяется величина l_o); 2) величиной напряжения, прикладываемого к нити накала катода (при этом изменяется число термоэлектронов, вылетевших из катода и налетающих на анод; тем самым изменяется интенсивность 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, при порождении характеристического излучения налетающие электроны взаимодействуют с электронами атомов, находящимися не на внешних, а на внутренних (наиболее близких к ядру атома) электронных оболочках. В результате этого взаимодействия электроны, входящие в состав атома, переходят с внутренних на более удалённые орбиты и могут даже вообще покинуть атом (процесс ионизации атома). Переход электрона на более удалённую орбиту соответствует переходу атома в возбуждённое энергетическое состояние. Но атом, как и любая иная система, ²стремится² занять состояние с минимальной потенциальной энергией. Поэтому через некоторое время (миллионные доли секунды) атом релаксирует, т.е. возвращается в исходное энергетическое состояние. Переход атома в состояние с меньшей потенциальной энергией соответствует переходу электрона с более на менее удалённую от ядра орбиталь. Однако, согласно Бору, на каждой орбитали электрон имеет определённую (характерную для данного атома) скорость. Поэтому ²прыжок² (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 движение заряженной частицы сопровождается порождением электромагнитных волн. Именно это и происходит во время «прыжка» электрона с одной орбитали на другую в релаксирующем атоме.

Поскольку орбитали электронов в атомах имеют строго определённые значения, что соответствует строго определённым значениям энергии атомов, то частотный спектр электромагнитных волн, излучаемых атомом, представляет собой набор линий на шкале энергий атома. Каждый сорт атомов имеет свой специфический (характерный для атомов мишени) спектр излучения (идентичный его же спектру поглощения). Поэтому рентгеновское излучение, порождаемое посредством второго механизма имеет линейчатый спектр, а само излучение получило название характеристического.

Отметим, что большинство электронов, испущенных в результате термоэлектронной эмиссии катодом (»98%), тратят свою кинетическую энергию на нагревание анода, претерпевая ряд последовательных столкновений с атомами материала анода не приводящих к порождению рентгеновского излучения. Поэтому проблема охлаждения анода рентгеновской трубки весьма актуальна. Для её разрешения анод делают вращающимся, из хорошего теплопроводника (обычно из меди), содержащим полость, по которой прокачивается охлаждающий поток воды или масла. В центральной же части анода, ²обстреливаемой² потоком быстрых электронов, размещена специальная мишень, выполненная из тугоплавкого металла (обычно из вольфрама). 

Другой важной технической проблемой, которую приходится преодолевать разработчикам рентгеновских трубок, является получение очень высоковольтного постоянного напряжения U (»10⁵ В), прикладываемого между анодом и катодом, величину которого нужно плавно изменять. Изменяя величину U можно управлять спектром вырабатываемого трубкой рентгеновского излучения: чем выше величина U, тем меньше минимальная длина волны l_o тормозного излучения и тем больше число линий содержит спектр характеристического излучения (см. Рис.3). Рентгеновское излучение с длиной волны меньше одного ангстрема (l < 1 Å) называют жёстким излучением, а излучение с l>1 Å - мягким.

Наиболее важным свойством рентгеновского излучения, как и радиоактивных излучений, является его ионизирующая 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.

Ионизирующую способность рентгеновского излучения используют для его обнаружения с помощью газоразрядных трубок-конденсаторов. Это двухэлектродные трубки, наполненные разреженным газом. К этим электродам прикладывают разность потенциалов (заряжают эти конденсаторы). При прохождении рентгеновского излучения сквозь трубку молекулы газа ионизируются им и порождённые при этом ионы движутся под действием электрического поля к электродам противоположной полярности. Это приводит к протеканию через трубку электрического тока, сила которого пропорциональна интенсивности детектируемого рентгеновского излучения.

Существуют также и другие методы детектирования и контроля характеристик рентгеновского излучения, например: флюоресцирующие и люминесцентные экраны, чувствительная с рентгеновскому излучения фотобумага, и другие, но все эти методы основаны на использовании ионизирующей способности рентгеновского излучения.

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

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 преимущественно именно с молекулами воды. В результате этого взаимодействия молекулы разделяются на ионы OH ^- и H⁺, называемые свободными радикалами. Эти ионы имеют чрезвычайно высокую химическую активность и немедленно 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 стимулируя её. Именно поэтому рентгеновское излучение очень опасно для маленьких детей и беременных женщин. Излучение воздействует в первую очередь 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 опухоли, во втором – замедление процесса роста органа.

Рентгеновское излучение обладает также большой проникающей способностью. Оно может проникать как сквозь прозрачные (для видимого излучения), так и сквозь непрозрачные предметы. По мере распространения рентгеновского излучения в веществе его интенсивность I уменьшается (в результате поглощения и рассеяния на частицах вещества) согласно закону Бугера:

I = I_o×exp(-m_l×d),

где m_l - коэффициент поглощения веществом излучения с данной длиной волны l. Рентгеновское излучение с l»0.1 Å проникает сквозь 70 мм лист стали, в то время как излучение с l» 1 Å поглощается практически полностью слоем стали толщиной всего в несколько миллиметров.

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 рентгеновского излучения используют свинец, как нерадиоактивное вещество с максимальным атомным номером (Z=82).

Большая проникающая способность рентгеновского излучения обусловила его использование в медицине и промышленности для диагностики внутренних болезней и выявления дефектов. Различают два основных метода рентгеновской диагностики: рентгенографию (radiography), в которой для детектирования рентгеновского излучения используют фотобумагу, и флюорографию или рентгеноскопию, когда для изучения рентгеновского излучения, прошедшего сквозь пациента, используют флуоресцентные экраны. При флюорографии используют более мягкое излучение, поскольку для возбуждения атомов чувствительного слоя экрана требуются менее энергичные рентгеновские фотоны, чем в случае рентгеноскопии, когда необходимо ионизировать атомы серебра в светочувствительном слое фотобумаги. Поэтому метод флюорографии является менее вредным, по сравнению с рентгенографией, и используется 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 измерения уровня рентгеновской радиации.