Міністерство освіти і науки РФ
Федеральне агентство з освіти
ГОУ ВПО ЮУрГУ
Кафедра фізичної хімії
реферат
по курсу КСЕ: "Рентгенівське випромінювання"
виконав:
Наумова Дар'я Геннадіївна
Ком-140
перевірив:
Доцент, К. Т.Н.
Танклевський Н.М.
Челябінськ 2010 р
зміст
Вступ
Глава I. Відкриття рентгенівського випромінювання
Положення на шкалі електромагнітних хвиль
отримання
Взаємодія з речовиною
біологічний вплив
Реєстрація
застосування
Як роблять рентгенівський знімок
Природне рентгенівське випромінювання
Глава II. Рентгентографія
застосування
Метод отримання зображення
переваги рентгенографії
недоліки рентгенографії
рентгеноскопія
принцип отримання
переваги рентгеноскопії
недоліки рентгеноскопії
Цифрові технології в рентгеноскопії
Складний скануючий метод
висновок
Список використаної літератури
Рентгенівське випромінювання - електромагнітні хвилі, енергія фотонів яких визначається діапазоном енергією від ультрафіолетових до гамма-випромінювань, що відповідає інтервалу довжин хвиль від 10-4 до 10² Å (від 10-14 до 10-8 м).
Як і видиме світло, рентгенівське випромінювання викликає почорніння фотоплівки. Це його властивість має важливе значення для медицини, промисловості і наукових досліджень. Проходячи крізь досліджуваний об'єкт і падаючи потім на фотоплівку, рентгенівське випромінювання зображує на ній його внутрішню структуру. Оскільки проникаюча здатність рентгенівського випромінювання різна для різних матеріалів, менш прозорі для нього частини об'єкта дають більш світлі ділянки на фотознімку, ніж ті, через які випромінювання проникає добре. Так, кісткові тканини менш прозорі для рентгенівського випромінювання, ніж тканини, з яких складається шкіра і внутрішні органи. Тому на рентгенограмі кістки позначаться як світліші ділянки і прозоріше для випромінювання місце перелому може бути досить легко виявлено. Рентгенівська зйомка використовується також в стоматології для виявлення карієсу і абсцесів в коренях зубів, а також в промисловості для виявлення тріщин в лиття, пластмасах та резинах.
Рентгенівське випромінювання використовується в хімії для аналізу з'єднань і в фізиці для дослідження структури кристалів. Пучок рентгенівського випромінювання, проходячи через хімічну сполуку, викликає характерне вторинне випромінювання, спектроскопічний аналіз якого дозволяє хіміку встановити склад з'єднання. При падінні на кристалічна речовина пучок рентгенівських променів розсіюється атомами кристала, даючи чітку правильну картину плям і смуг на фотопластинці, що дозволяє встановити внутрішню структуру кристала.
Застосування рентгенівського випромінювання при лікуванні раку засноване на тому, що воно вбиває ракові клітини. Однак воно може надати небажаний вплив і на нормальні клітини. Тому при такому використанні рентгенівського випромінювання повинна дотримуватися крайня обережність.
глава I. Відкриття рентгенівського випромінювання
Відкриття рентгенівського випромінювання приписується Вільгельму Конраду Рентгену. Він був першим, хто опублікував статтю про рентгенівських променях, які він назвав ікс-променями (x-ray). Стаття Рентгена під назвою "Про новий тип випромінювання" була опублікована 28-го грудня 1895 року в журналі Вюрцбургского фізико-медичного товариства. Вважається, однак, доведеним, що рентгенівські промені були вже отримані до цього. Катодолучевая трубка, яку Рентген використовував в своїх експериментах, була розроблена Й. Хітторфом і В. Круксом. При роботі цієї трубки виникають рентгенівські промені. Це було показано в експериментах Крукса і з 1892 року в експериментах Генріха Герца та його учня Філіпа Ленарда через почорніння фотопластинок. Однак ніхто з них не усвідомив значення зробленого ними відкриття і не опублікував своїх результатів. Також Нікола Тесла, починаючи з 1897 року, експериментував з катодолучевимі трубками, отримав рентгенівські промені, але не опублікував своїх результатів.
З цієї причини Рентген не знав про зроблені до нього відкриттях і відкрив промені, названі згодом його ім'ям, незалежно - при спостереженні флюоресценції, що виникає при роботі катодолучевой трубки. Рентген займався Х-променями трохи більше року (з 8 листопада 1895 року по березень 1897 року) і опублікував про них всього три порівняно невеликих статті, але в них було дано настільки вичерпний опис нових променів, що сотні робіт його послідовників, опублікованих потім протягом 12 років, не могли ні додати, ні змінити нічого істотного. Рентген, що втратив інтерес до Х-променів, говорив своїм колегам: "Я вже все написав, не витрачайте даремно час". Свій внесок до відома Рентгена внесла також знаменита фотографія руки його дружини, яку він опублікував у своїй статті (див. Зображення праворуч). Подібна слава принесла Рентгену в 1901 році першу Нобелівську премію з фізики, причому нобелівський комітет підкреслював практичну важливість його відкриття. У 1896 році вперше було вжито назву "рентгенівські промені". У деяких країнах залишилася стара назва - X-промені. У Росії промені стали називати "рентгенівськими" з подачі учня В.К. Рентгена - Абрама Федоровича Йоффе.
Енергетичні діапазони рентгенівського випромінювання і гамма-випромінювання перекриваються в широкій області енергій. Обидва типи випромінювання є електромагнітним випромінюванням і при однаковій енергії фотонів - еквівалентні. Термінологічне розходження лежить в способі виникнення - рентгенівські промені випускаються за участю електронів (або в атомах, або вільних) в той час як гамма-випромінювання випускається в процесах девозбужденія атомних ядер. Фотони рентгенівського випромінювання мають енергію від 100 еВ до 250 кеВ, що відповідає випромінюванню з частотою від 3 · 1016 Гц до 6 · 1019 Гц і довжиною хвилі 0,005 - 10 нм (загальновизнаного визначення нижньої межі діапазону рентгенівських променів в шкалі довжин хвиль не існує). М'який рентген характеризується найменшою енергією фотона і частотою випромінювання (і найбільшою довжиною хвилі), а жорсткий рентген володіє найбільшою енергією фотона і частотою випромінювання (і найменшою довжиною хвилі).
(Рентгенівська фотографія (рентгенограма) руки своєї дружини, зроблена В.К. Рентгеном)
)
Рентгенівські промені виникають при сильному прискоренні заряджених частинок (в основному електронів) або ж при високоенергетичних переходах в електронних оболонках атомів або молекул. Обидва ефекти використовуються в рентгенівських трубках, в яких електрони, випущені розпеченим катодом, прискорюються (при цьому рентгенівські промені не випускаються, т.к прискорення занадто мало) і вдаряються об анод, де вони різко гальмуються (при цьому випускаються рентгенівські промені: т. Н . гальмівне випромінювання) і в той же час вибивають електрони з внутрішніх електронних оболонок атомів металу, з якого зроблений анод. Порожні місця в оболонках займаються іншими електронами атома. При цьому випускається рентгенівське випромінювання з певною, характерною для матеріалу анода, енергією (характеристичне випромінювання, частоти визначаються законом Мозлі:
,
де Z - атомний номер елемента анода, A і B - константи для певного значення головного квантового числа n електронної оболонки). В даний час аноди виготовляються головним чином з кераміки, причому та їх частина, куди ударяють електрони, - з молібдену. В процесі прискорення-гальмування лише 1% кінетичної енергії електрона йде на рентгенівське випромінювання, 99% енергії перетворюється в тепло.
Рентгенівське випромінювання можна отримувати також і на прискорювачах заряджених частинок. Т.зв. синхротронне випромінювання виникає при відхиленні пучка частинок в магнітному полі, в результаті чого вони відчувають прискорення в напрямку, перпендикулярному їх руху. Синхротронне випромінювання має суцільний спектр з верхньою межею. При відповідним чином обраних параметрах (величина магнітного поля і енергія частинок) в спектрі синхротронного випромінювання можна отримати і рентгенівські промені.
Схематичне зображення рентгенівської трубки. X - рентгенівські промені, K - катод, А - анод (іноді званий електрод), С - тепловідвід, Uh - напруга напруження катода, Ua - прискорює напруга, Win - впуск водяного охолодження, Wout - випуск водяного охолодження (див. Рентгенівська трубка) .
Коефіцієнт заломлення майже будь-якої речовини для рентгенівських променів мало відрізняється від одиниці. Наслідком цього є той факт, що не існує матеріалу, з якого можна було б виготовити лінзу для рентгенівських променів. Крім того, при перпендикулярному падінні на поверхню рентгенівські промені майже не відображаються. Незважаючи на це, в рентгенівської оптики були знайдені способи побудови оптичних елементів для рентгенівських променів.
Рентгенівські промені можуть проникати крізь речовину, причому різні речовини по-різному їх поглинають. Поглинання рентгенівських променів є найважливішим їх властивістю в рентгенівській зйомці. Інтенсивність рентгенівських променів експоненціально убуває в залежності від пройденого шляху в поглинає шарі (I = I0e-kd, де d - товщина шару, коефіцієнт k пропорційний Z3λ3, Z - атомний номер елемента, λ - довжина хвилі).
Поглинання відбувається в результаті фотопоглинання і комптонівського розсіювання:
Під фотопоглинання розуміється процес вибивання фотоном електрона з оболонки атома, для чого потрібно, щоб енергія фотона була більше деякого мінімального значення. Якщо розглядати ймовірність акту поглинання в залежності від енергії фотона, то при досягненні певної енергії вона (ймовірність) різко зростає до свого максимального значення. Для більш високих значень енергії ймовірність безперервно зменшується. Унаслідок такої залежності говорять, що існує межа поглинання. Місце вибитого при акті поглинання електрона займає інший електрон, при цьому випускається випромінювання з меншою енергією фотона, відбувається т. Н. процес флюоресценції.
Рентгенівський фотон може взаємодіяти не тільки зі зв'язаними електронами, але і з вільними, а також слабо зв'язаної електронами. Відбувається розсіювання фотонів на електронах - т. Зв. комптонівське розсіювання. Залежно від кута розсіювання, довжина хвилі фотона збільшується на певну величину і, відповідно, енергія зменшується. Комптонівське розсіювання, в порівнянні з фотопоглинання, стає переважаючим при більш високих енергіях фотона.
Процеси фотопоглинання і комптонівського розсіювання є т. Н. непружними процесами, при яких фотон втрачає енергію. Крім того існує т. Н. пружне розсіяння (релєєвськоє розсіювання), при якому розсіяний фотон зберігає свою енергію.
На додаток до названих процесів існує ще одна принципова можливість поглинання - за рахунок виникнення електрон-позитронного пар. Однак для цього необхідні енергії близько 1 МеВ, які лежать поза вищезазначеної кордону рентгенівського випромінювання (<250 кеВ).
Рентгенівське випромінювання є іонізуючим. Воно впливає на живі організми і може бути причиною променевої хвороби і раку. Унаслідок цього при роботі з рентгенівським випромінюванням необхідно дотримуватися запобіжних захисту. До виникнення раку веде пошкодження спадкової інформації ДНК. Вважається, що поразка прямо пропорційно поглиненої дози випромінювання. Рентгенівське випромінювання є мутагенним чинником.
Ефект люмінесценції. Рентгенівські промені здатні викликати у деяких речовин світіння (флюоресценцію). Цей ефект використовується в медицині при рентгенівської зйомці. Медичні фотоплівки містять флуоресцентний шар, який світиться при опроміненні рентгенівським випромінюванням і засвічує світлочутливу фотоемульсію. Люмінесцирующєє речовина (сцинтилятор) можна оптично з'єднати з електронним детектором світлового випромінювання (фотоелектронний помножувач, фотодіод, фотодатчик - (фотосенсор) і т.п.), отриманий прилад називається сцинтиляційним детектором. Він дозволяє реєструвати окремі фотони і вимірювати їхню енергію, оскільки енергія сцинтиляційної спалаху пропорційна енергії поглиненого фотона.
Фотографічний ефект. Рентгенівські промені, також як і звичайне світло, здатні безпосередньо засвічувати фотоплівку. Однак без флюоресцирующего шару для цього потрібно приблизно в 10-20 разів більша інтенсивність. Перевагою цього методу є велика різкість зображення.
У напівпровідникових детекторах рентгенівські промені виробляють пари електрон-дірка в pn переході діода, включеного в замикаючому напрямку. При цьому протікає невеликий струм, амплітуда якого пропорційна енергії і інтенсивності падаючого рентгенівського випромінювання. В імпульсному режимі можлива реєстрація окремих рентгенівських фотонів і вимір їх енергії.
Окремі фотони рентгенівського випромінювання можуть бути також зареєстровані за допомогою газо детекторів іонізуючого випромінювання (лічильник Гейгера, пропорційна камера і ін.).
За допомогою рентгенівських променів можна просвітити людське тіло, в результаті чого можна отримати зображення кісток, а в сучасних приладах і внутрішніх органів. При цьому використовується той факт, що у міститься переважно в кістках елемента кальцію (Z = 20) атомний номер набагато більше, ніж атомні номери елементів, з яких складаються м'які тканини, а саме водню (Z = 1), вуглецю (Z = 6) , азоту (Z = 7), кисню (Z = 8). Крім звичайних приладів, які дають двовимірну проекцію досліджуваного об'єкта, існують комп'ютерні томографи, які дозволяють отримувати об'ємне зображення внутрішніх органів.
Виявлення дефектів у виробах (рейках, зварювальних швах і т.д.)) за допомогою рентгенівського випромінювання називається рентгенівської дефектоскопії.
У матеріалознавстві, кристалографії, хімії та біохімії рентгенівські промені використовуються для з'ясування структури речовин на атомному рівні за допомогою дифракційного розсіювання рентгенівського випромінювання (рентгеноструктурний аналіз). Відомим прикладом є визначення структури ДНК.
Крім того, за допомогою рентгенівських променів може бути визначений хімічний склад речовини. В електронно-променевому Мікрозонд (або ж в електронному мікроскопі) аналізоване речовина опромінюється електронами, при цьому атоми іонізуються і випромінюють характеристичне рентгенівське випромінювання. Замість електронів може використовуватися рентгенівське випромінювання. Цей аналітичний метод називається рентгено-флюоресцентним аналізом.
Рентгенівська трубка випускає рентгенівські промені. З трубки викачують повітря до однієї сто мільйонної початкового об'єму. У скляній трубці знаходяться два електроди. Один називається "катод", він заряджений негативно. У ньому розташована вольфрамова котушка проводу, яка при нагріванні електричним струмом випускає електрони. Інший електрод - це "мішень", або "анод".
Електрони з величезною швидкістю рухаються від катода до мішені. Вони бомбардують мішень зі швидкістю від 100 000 до 325 000 мм / сек.
Мішень складається з вольфраму і дозволяє практично миттєво зупинити електрони. Майже вся енергія електронів перетворюється в тепло, але деякі перетворюються в рентгенівське випромінювання, яке виходить через вікно в основі трубки у вигляді рентгенівських променів.
На Землі електромагнітне випромінювання в рентгенівському діапазоні утворюється в результаті іонізації атомів випромінюванням, які виникає при радіоактивному розпаді, а також космічним випромінюванням. Радіоактивний розпад також приводить до безпосереднього випромінювання рентгенівських квантів, якщо викликає перебудову електронної оболонки розпадається атома (наприклад, при електронному захопленні). Рентгенівське випромінювання, яке виникає на інших небесних тілах, не досягає поверхні Землі, тому що повністю поглинається атмосферою. Воно досліджується супутниковими рентгенівськими телескопами, такими як Чандра і XMM-Ньютон.
глава II. Рентгентографія
Рентгенографія (англ. Projection radiography, plain film radiography, X-ray imaging, roentgenography, X-ray study, X-ray filming) - дослідження внутрішньої структури об'єктів, які проектуються за допомогою рентгенівських променів на спеціальну плівку або папір. Найбільш часто термін використовується в медичному контексті, що описує неінвазивне дослідження, засноване на вивченні кісткових структур і м'яких тканин, за допомогою суммационного проекційного зображення.
В медицині.
Рентгенографія застосовується для діагностики:
легких і середостіння - інфекційні, пухлинні й інші захворювання,
хребта - дегенеративно-дистрофічні (остеохондроз, спонділлез, викривлення), інфекційні та запальні (різні види спондилітів), пухлинні захворювання.
різних відділів периферичного скелета - на предмет різних травматичних (переломи, вивихи), інфекційних і пухлинних змін.
черевної порожнини - перфорації органів, функції нирок (екскреторна урографія) і інші зміни.
Отримання зображення засноване на ослабленні рентгенівського випромінювання при його проходженні через різні тканини з подальшою реєстрацією його на рентгеночувствітельную плівку. Таким чином на плівці виходить усереднене, суммационного зображення всіх тканин (тінь). В сучасних рентгенівському цифровому обладнанні реєстрація вихідного випромінювання - зображення може проводитися на спеціальну касету або на спеціальний фотодатчик - фотосенсор з фотодіодами, чутливими до рентгенівським променям, званий УРИ (підсилювач рентгенівського випромінювання), до складу останнього входить ЕОП (електронно-оптичний перетворювач - фотосенсор) . При цьому друк плівок виробляється тільки при необхідності, а діагностичне зображення виводиться на монітор. Рекомендується проведення знімків не менше ніж у двох проекціях.
Роздільна здатність досягає 0.4 мм.
Широка доступність методу і легкість у проведенні досліджень.
Для більшості досліджень не потрібно спеціальної підготовки пацієнта.
Відносно низька вартість дослідження.
Знімки можуть бути використані для консультації в іншого фахівця або в іншій установі (на відміну від УЗД-знімків, де необхідно проведення повторного дослідження, так як отримані зображення є оператор-залежними)
Щодо погана візуалізація м'яких тканин (зв'язки, м'язи, диски та ін.). "Заморожених" зображення - складність оцінки функції органу. Наявність іонізуючого випромінювання.
Рентгеноскопія (анг. Fluoroscopy), (рентгенівське просвічування) - класичне визначення - метод рентгенологічного дослідження, при якому зображення об'єкта одержують на світиться (флюоресцентної) екрані.
З моменту відкриття рентгенівського випромінювання для рентгеноскопії застосовувався флуоресцентний екран, який представляв з себе в більшості випадків лист картону з нанесеним на нього спеціальним флюоресцирующим речовиною. В сучасних умовах застосування флюоресцентного екрану не обгрунтовано в зв'язку з його малої світності, що змушує проводити дослідження в добре затемненому приміщенні і після тривалої адаптації дослідника до темряви (10-15 хвилин) для розрізнення малоинтенсивного зображення. Замість класичної рентгеноскопії застосовується рентгенотелевізійного просвічування, при якому рентгенівські промені потрапляють на УРИ (підсилювач рентгенівського випромінювання), до складу останнього входить ЕОП (електронно-оптичний перетворювач). Отримується зображення виводиться на екран монітора. Висновок зображення на екран монітора не вимагає світловий адаптації дослідника, а так само затемненого приміщення. На додаток, можлива додаткова обробка зображення і його реєстрація на відеоплівці або пам'яті апарату. Також рентгенотелевізійного просвічування дозволяє істотно знизити дозу опромінення дослідника за рахунок винесення робочого місця за межі кімнати з рентгенівським апаратом.
Головною перевагою перед рентгенографією є факт дослідження в реальному масштабі часу. Це дозволяє оцінити не тільки структуру органу, а й його зміщуваність, скоротність або розтяжність, проходження контрастної речовини, наповнюваність. Метод також дозволяє досить швидко оцінити локалізацію деяких змін, за рахунок обертання об'єкта дослідження під час просвічування (многопроекціонной дослідження). При рентгенографії для цього потрібне проведення кількох знімків, що не завжди можливо (пацієнт пішов після першого знімка не дочекавшись результатів; великий потік пацієнтів, при якому робляться знімки тільки в одній проекції).
Рентгеноскопія дозволяє контролювати проведення деяких інструментальних процедур - постановка катетерів, ангіопластика (див. Ангіографія), фістулографія.
Відносно висока доза опромінення в порівнянні з рентгенографією - практично знівельовано з появою нових цифрових апаратів, що знижують дозове навантаження в сотні разів.
Низьке просторову роздільну здатність - також значно покращено з появою цифрових апаратів.
Головними відмінностями від плівкових рентгенографічних технологій є здатність виробляти цифрову обробку рентгенівського зображення і відразу виводити на екран монітора або записуючий пристрій із записом зображення, наприклад, на папір.
Цифрові технології в рентгеноскопії можна розділити на:
Повнокадровий метод
скануючий метод
Повнокадровий метод
Цей метод характеризується отриманням проекції повного ділянки досліджуваного об'єкта на рентгеночувствітельний приймач (фотоплівка або фотосенсор) розміру близького до розміру ділянки.
Головним недоліком методу є розсіяне рентгенівське випромінювання. При первинному опроміненні всієї ділянки об'єкта (наприклад, тіло людини) частина променів поглинається тілом, а частина розсіюється в сторони, при цьому додатково засвічує ділянки, що поглинули спочатку пройшли рентгенівські промені. Тим самим зменшується роздільна здатність, утворюються ділянки із засвіченням що проектуються точок. У підсумку виходить рентгенівське зображення зі зменшенням діапазону яркостей, контрастності і роздільної здатності зображення.
При повнокадровому дослідженні ділянки тіла одночасно опромінюється весь ділянку. А значить доза опромінення відносно велика. Спроби зменшити величину вторинного розсіяного опромінення застосуванням радіографічного растра призводить до часткового поглинання рентгенівських променів, але і збільшення інтенсивності джерела, збільшення дозування опромінення.
скануючий метод
У цьому методі можна виділити:
Однорядковий скануючий метод
Складний скануючий метод
Однорядковий скануючий метод
Найбільш перспективним є скануючий метод отримання рентгенівського зображення. Тобто рентгенівське зображення отримують рухаються з постійною швидкістю певним пучком рентгенівських променів. Зображення фіксується через підрядник (однорядковий метод) вузької лінійної рентгеночувствітельной матрицею і передається в комп'ютер. При цьому в сотні і більше разів зменшується дозування опромінення, зображення виходять практично без втрат діапазону яскравості, контрастності і, головне, об'ємної (просторової) роздільної здатності.
На відміну від однострочного скануючого методу, мнострочний найбільш ефективний. При однорядковому методі сканування через мінімальної величини розміру пучка рентгенівського променя (1-2мм), ширини однорядковою матриці 100мкм, наявністю різного роду вібрацій, люфтів апаратури, виходять додаткові повторні опромінення. Застосувавши багаторядкова технологію скануючого методу, вдалося в сотні разів зменшити вторинне розсіяне опромінення і в стільки ж разів знизити інтенсивність рентгенівського променя. Одночасно поліпшені всі інші показники одержуваного рентгенівського зображення: діапазон яскравості, контраст і дозвіл. Пріоритет цього методу належить російським ученим і захищений патентом.
Таким чином, рентгенівські промені є невидиме електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі 105 - 102 нм. Рентгенівські промені можуть проникати через деякі непрозорі для видимого світла матеріали. Випускаються вони при гальмуванні швидких електронів в речовині (безперервний спектр) і при переходах електронів з зовнішніх електронних оболонок атома на внутрішні (лінейчастий спектр). Джерелами рентгенівського випромінювання є: рентгенівська трубка, деякі радіоактивні ізотопи, прискорювачі та накопичувачі електронів (синхротронне випромінювання). Приймачі - фотоплівка, люмінісцентні екрани, детектори ядерних випромінювань. Рентгенівські промені застосовують в рентгеноструктурном аналізі, медицині, дефектоскопії, рентгенівському спектральному аналізі і т.п.
1. Кудрявцев П.С. Історія фізики. - М., 1956.
2. Кудрявцев П.С. Курс фізики - М .: Просвещение, 1974.
3. Рукман Г.І., Клименко І.С. Електронна мікроскопія. - М .: Знание, 1968.
4. Савельєв І.В. Курс фізики. - М .: Наука, 1989.
5. Храмов Ю.А. Фізика. - М .: Наука, 1983.
6. http://www.krugosvet.ru/
