Ką mes žinome apie rentgeno spindulius?

2024 Autorius: Seth Attwood | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2023-12-16 16:11

XIX amžiuje žmogaus akiai nematoma spinduliuotė, galinti prasiskverbti pro mėsą ir kitas medžiagas, atrodė kaip kažkas visiškai fantastiško. Dabar rentgeno spinduliai plačiai naudojami kuriant medicininius vaizdus, atliekant spindulinę terapiją, analizuojant meno kūrinius ir sprendžiant branduolinės energijos problemas.

Kaip buvo atrasta rentgeno spinduliuotė ir kaip ji padeda žmonėms – sužinome kartu su fiziku Aleksandru Nikolajevičiumi Dolgovu.

Rentgeno spindulių atradimas

Nuo XIX amžiaus pabaigos mokslas pradėjo vaidinti iš esmės naują vaidmenį formuojant pasaulio vaizdą. Prieš šimtmetį mokslininkų veikla buvo mėgėjiško ir privataus pobūdžio. Tačiau XVIII amžiaus pabaigoje dėl mokslo ir technologijų revoliucijos mokslas virto sistemine veikla, kurioje daugybės specialistų indėlio dėka tapo įmanomas kiekvienas atradimas.

Pradėjo kurtis mokslinių tyrimų institutai, periodiniai mokslo žurnalai, kilo konkurencija ir kova dėl mokslo laimėjimų ir technikos naujovių autorių teisių pripažinimo. Visi šie procesai vyko Vokietijos imperijoje, kur iki XIX amžiaus pabaigos kaizeris skatino mokslo pasiekimus, kurie didino šalies prestižą pasaulinėje arenoje.

Vienas su entuziazmu šiuo laikotarpiu dirbusių mokslininkų buvo fizikos profesorius, Viurcburgo universiteto rektorius Vilhelmas Konradas Rentgenas. 1895 m. lapkričio 8 d. jis vėlavo laboratorijoje, kaip dažnai nutikdavo, ir nusprendė atlikti eksperimentinį elektros išlydžio stikliniuose vakuuminiuose vamzdeliuose tyrimą. Jis užtemdė patalpą ir vieną iš vamzdelių apvyniojo nepermatomu juodu popieriumi, kad būtų lengviau stebėti iškrovą lydinčius optinius reiškinius. Mano nuostabai

Rentgenas netoliese esančiame ekrane pamatė fluorescencinę juostą, padengtą bario cianoplatinito kristalais. Mažai tikėtina, kad tada mokslininkas galėtų įsivaizduoti, kad jis atsidūrė ant vieno svarbiausių savo laiko mokslo atradimų slenksčio. Kitais metais apie rentgeno spindulius bus parašyta per tūkstantį publikacijų, gydytojai išradimą tuoj pat ims eksploatuoti, jo dėka ateityje bus atrastas radioaktyvumas, atsiras naujos mokslo kryptys.

Kelias ateinančias savaites Rentgenas skyrė nesuprantamo švytėjimo pobūdžiui tirti ir nustatė, kad fluorescencija atsirasdavo kaskart, kai jis pajungdavo srovę į vamzdelį. Vamzdis buvo spinduliuotės šaltinis, o ne kokia nors kita elektros grandinės dalis. Nežinodamas, su kuo jis susiduria, Rentgenas nusprendė šį reiškinį pavadinti rentgeno spinduliais arba rentgeno spinduliais. Be to, Rentgenas atrado, kad ši spinduliuotė gali prasiskverbti į beveik visus objektus į skirtingą gylį, priklausomai nuo objekto storio ir medžiagos tankio.

Taigi, mažas švino diskas tarp išleidimo vamzdelio ir ekrano pasirodė nelaidus rentgeno spinduliams, o rankos kaulai meta tamsesnį šešėlį ant ekrano, apsuptas šviesesnio minkštųjų audinių šešėlio. Netrukus mokslininkas išsiaiškino, kad rentgeno spinduliai sukelia ne tik bario cianoplatinitu padengto ekrano švytėjimą, bet ir fotografinių plokštelių patamsėjimą (po išvystymo) tose vietose, kur rentgeno spinduliai pateko ant fotografinės emulsijos.

Eksperimentų metu Rentgenas buvo įsitikinęs, kad atrado mokslui nežinomą spinduliuotę. 1895 m. gruodžio 28 d. žurnale „Annals of Physics and Chemistry“jis paskelbė apie tyrimų rezultatus straipsnyje „Apie naują radiacijos tipą“. Tuo pačiu metu jis atsiuntė mokslininkams savo žmonos Anos Bertos Liudvig rankos nuotraukas, kurios vėliau išgarsėjo.

Seno Rentgeno draugo austrų fiziko Franzo Exnerio dėka Vienos gyventojai pirmieji šias nuotraukas pamatė 1896 metų sausio 5 dieną laikraščio Die Presse puslapiuose. Jau kitą dieną informacija apie atidarymą buvo perduota laikraščiui „London Chronicle“. Taigi Rentgeno atradimas pamažu pradėjo patekti į kasdienį žmonių gyvenimą. Praktinis pritaikymas buvo rastas beveik iš karto: 1896 metų sausio 20 dieną Naujajame Hampšyre gydytojai vyrą, kuriam buvo sulaužyta ranka, gydė nauju diagnostikos metodu – rentgenu.

Ankstyvas rentgeno spindulių naudojimas

Per kelerius metus rentgeno vaizdai buvo pradėti aktyviai naudoti tikslesnėms operacijoms atlikti. Jau praėjus 14 dienų po jų atidarymo Friedrichas Otto Valkhoffas padarė pirmąją dantų rentgeno nuotrauką. O po to kartu su Fritzu Gieseliu įkūrė pirmąją pasaulyje dantų rentgeno laboratoriją.

Iki 1900 m., praėjus 5 metams po atradimo, rentgeno spindulių naudojimas diagnozuojant buvo laikomas neatsiejama medicinos praktikos dalimi.

Seniausios Pensilvanijos ligoninės sukaupta statistika gali būti laikoma rentgeno spinduliuote pagrįstų technologijų plitimo rodikliu. Anot jos, 1900 metais pagalbą rentgenu sulaukdavo tik apie 1-2 proc., o 1925 metais jau 25 proc.

Rentgeno spinduliai tuo metu buvo naudojami labai neįprastu būdu. Pavyzdžiui, jie buvo naudojami plaukų šalinimo paslaugoms teikti. Ilgą laiką šis metodas buvo laikomas geresniu, palyginti su skausmingesniais - žnyplėmis ar vašku. Be to, rentgeno spinduliai buvo naudojami batų tvirtinimo aparatuose – bandomuosiuose fluoroskopuose (pedoskopuose). Tai buvo rentgeno aparatai su specialia įpjova kojoms, taip pat langai, pro kuriuos klientas ir pardavėjai galėjo įvertinti, kaip atsisėdo batai.

Ankstyvas rentgeno vaizdų naudojimas šiuolaikinės saugos požiūriu kelia daug klausimų. Problema ta, kad rentgeno spindulių atradimo metu apie spinduliuotę ir jos pasekmes praktiškai nieko nebuvo žinoma, todėl naująjį išradimą panaudoję pionieriai savo patirtyje susidūrė su žalingu jo poveikiu. Neigiamos padidėjusios apšvitos pasekmės. sandūroje tapo masiniu reiškiniu, XX a., ir žmonės pamažu pradėjo suvokti beprotiško rentgeno spindulių naudojimo pavojų.

Rentgeno spindulių pobūdis

Rentgeno spinduliuotė – tai elektromagnetinė spinduliuotė, kurios fotonų energija yra nuo ~ 100 eV iki 250 keV, esanti elektromagnetinių bangų skalėje tarp ultravioletinės ir gama spinduliuotės. Tai dalis natūralios spinduliuotės, kuri atsiranda radioizotopuose, kai elementų atomai sužadinami elektronų, alfa dalelių ar gama kvantų srautu, kurio metu elektronai išmetami iš atomo elektronų apvalkalo. Rentgeno spinduliuotė atsiranda, kai įkrautos dalelės juda su pagreičiu, ypač kai elektronai sulėtėja, medžiagos atomų elektriniame lauke.

Skiriami minkštieji ir kietieji rentgeno spinduliai, kurių sąlyginė riba bangos ilgių skalėje yra apie 0,2 nm, o tai atitinka apie 6 keV fotono energiją. Rentgeno spinduliuotė dėl savo trumpo bangos ilgio ir skvarbioji, ir jonizuojanti, nes, eidama per medžiagą, ji sąveikauja su elektronais, išmušdama juos iš atomų, suskaidydama juos į jonus ir elektronus bei pakeisdama medžiagos struktūrą. kurią ji veikia.

Rentgeno spinduliai sukelia cheminio junginio, vadinamo fluorescencija, švytėjimą. Mėginio atomų apšvitinimas didelės energijos fotonais sukelia elektronų emisiją – jie palieka atomą. Vienoje ar keliose elektronų orbitalėse susidaro „skylės“– laisvos vietos, dėl kurių atomai pereina į sužadinimo būseną, tai yra tampa nestabilūs. Po milijoninių sekundės dalių atomai grįžta į stabilią būseną, kai vidinėse orbitose esančios laisvos vietos užpildomos elektronais iš išorinių orbitų.

Šį perėjimą lydi energijos emisija antrinio fotono pavidalu, todėl atsiranda fluorescencija.

Rentgeno astronomija

Žemėje retai susiduriame su rentgeno spinduliais, tačiau gana dažnai jis sutinkamas kosmose. Ten jis atsiranda natūraliai dėl daugelio kosminių objektų veiklos. Tai padarė rentgeno astronomiją įmanoma. Rentgeno fotonų energija yra daug didesnė nei optinių, todėl rentgeno spindulių diapazone išskiria iki itin aukštų temperatūrų įkaitintą medžiagą.

Šie kosminiai rentgeno spinduliuotės šaltiniai mums nėra pastebima natūralios foninės spinduliuotės dalis, todėl žmonėms jokiu būdu nekelia grėsmės. Vienintelė išimtis gali būti toks kietos elektromagnetinės spinduliuotės šaltinis kaip supernovos sprogimas, įvykęs pakankamai arti Saulės sistemos.

Kaip dirbtinai sukurti rentgeno spindulius?

Rentgeno prietaisai vis dar plačiai naudojami neardomajai introskopijai (rentgeno vaizdai medicinoje, technologijų trūkumų nustatymas). Pagrindinis jų komponentas yra rentgeno vamzdis, sudarytas iš katodo ir anodo. Vamzdžių elektrodai prijungiami prie aukštos įtampos šaltinio, dažniausiai dešimčių ar net šimtų tūkstančių voltų. Kaitinamas katodas išskiria elektronus, kuriuos pagreitina tarp katodo ir anodo susidaręs elektrinis laukas.

Susidūrę su anodu, elektronai sulėtėja ir praranda didžiąją dalį energijos. Tokiu atveju atsiranda rentgeno spindulių diapazono bremsstrahlung spinduliuotė, tačiau vyraujanti elektronų energijos dalis paverčiama šiluma, todėl anodas atšaldomas.

Nuolatinio arba impulsinio veikimo rentgeno vamzdis vis dar yra labiausiai paplitęs rentgeno spinduliuotės šaltinis, tačiau jis toli gražu nėra vienintelis. Didelio intensyvumo spinduliuotės impulsams gauti naudojamos didelės srovės iškrovos, kuriose tekančios srovės plazminis kanalas suspaudžiamas savo paties magnetinio srovės lauko – vadinamojo gnybimo.

Jei iškrova vyksta lengvų elementų terpėje, pavyzdžiui, vandenilio terpėje, tada jis atlieka veiksmingo elektronų greitintuvo vaidmenį elektriniu lauku, atsirandančiu pačiame išlydyje. Ši iškrova gali gerokai viršyti išorinio srovės šaltinio generuojamą lauką. Tokiu būdu gaunami kietos rentgeno spinduliuotės impulsai su didele generuojamų kvantų energija (šimtai kiloelektronvoltų), turintys didelę skverbimosi galią.

Rentgeno spinduliams gauti plataus spektro diapazone naudojami elektronų greitintuvai – sinchrotronai. Juose spinduliuotė susidaro žiedinės vakuuminės kameros viduje, kurioje apskrita orbita juda siaurai nukreiptas didelės energijos elektronų spindulys, pagreitintas beveik iki šviesos greičio. Sukimosi metu, veikiant magnetiniam laukui, skraidantys elektronai plataus spektro orbitai liestinai išspinduliuoja fotonų pluoštus, kurių maksimumas patenka į rentgeno spindulių diapazoną.

Kaip aptinkami rentgeno spinduliai

Rentgeno spinduliuotei aptikti ir matuoti ilgą laiką buvo naudojamas plonas fosforo arba fotografinės emulsijos sluoksnis, padengtas stiklo plokštės ar skaidrios polimerinės plėvelės paviršiumi. Pirmasis spindėjo optiniame spektro diapazone veikiant rentgeno spinduliuotei, o dangos optinis skaidrumas pakito plėvelėje, veikiant cheminei reakcijai.

Šiuo metu rentgeno spinduliuotei registruoti dažniausiai naudojami elektroniniai detektoriai – įrenginiai, generuojantys elektros impulsą, kai jautriame detektoriaus tūryje sugeriamas spinduliuotės kvantas. Jie skiriasi absorbuotos spinduliuotės energijos pavertimo elektriniais signalais principu.

Rentgeno spindulių detektorius su elektronine registracija galima suskirstyti į jonizaciją, kurios veikimas pagrįstas medžiagos jonizacija, ir radioliuminescencinius, įskaitant scintiliaciją, naudojant medžiagos liuminescenciją veikiant jonizuojančiai spinduliuotei. Jonizacijos detektoriai savo ruožtu skirstomi į užpildytus dujomis ir puslaidininkius, priklausomai nuo aptikimo terpės.

Pagrindiniai dujomis užpildytų detektorių tipai yra jonizacijos kameros, Geigerio skaitikliai (Geiger-Muller skaitikliai) ir proporcingi dujų išlydžio skaitikliai. Radiacijos kvantai, patekę į skaitiklio darbo aplinką, sukelia dujų jonizaciją ir srovės srautą, kuris registruojamas. Puslaidininkiniame detektoriuje, veikiant spinduliuotės kvantams, susidaro elektronų skylių poros, kurios taip pat leidžia elektros srovei tekėti per detektoriaus korpusą.

Pagrindinis vakuuminio įtaiso scintiliacijos skaitiklių komponentas yra fotodaugiklio vamzdis (PMT), kuris naudoja fotoelektrinį efektą, kad spinduliuotę paverstų įkrautų dalelių srautu, ir antrinės elektronų emisijos reiškinį, kad padidintų generuojamų įkrautų dalelių srovę. Fotodaugintuvas turi fotokatodą ir nuoseklių greitinančių elektrodų sistemą – dinodus, į kuriuos atsitrenkus dauginasi pagreitinti elektronai.

Antrinis elektronų daugiklis – atviras vakuuminis įtaisas (veikia tik vakuumo sąlygomis), kurio įėjime esanti rentgeno spinduliuotė paverčiama pirminių elektronų srautu, o po to sustiprinama dėl antrinės elektronų emisijos jiems sklindant daugiklio kanalu..

Mikrokanalinės plokštelės, kurios yra daugybė atskirų mikroskopinių kanalų, prasiskverbiančių į plokštelės detektorių, veikia pagal tą patį principą. Jie gali papildomai užtikrinti erdvinę skiriamąją gebą ir optinio srauto, patenkančio į rentgeno spinduliuotės detektorių, skerspjūvio vaizdą, bombarduojant išeinantį pusiau skaidraus ekrano elektronų srautą ant jo nusėdusiu fosforu.

Rentgeno spinduliai medicinoje

Rentgeno spindulių galimybė prasiskverbti per materialius objektus ne tik suteikia žmonėms galimybę kurti paprastus rentgeno spindulius, bet ir atveria galimybes pažangesnėms diagnostikos priemonėms. Pavyzdžiui, tai yra kompiuterinės tomografijos (KT) pagrindas.

Rentgeno šaltinis ir imtuvas sukasi žiedo, kuriame guli pacientas, viduje. Gauti duomenys, kaip organizmo audiniai sugeria rentgeno spindulius, kompiuteriu rekonstruojami į 3D vaizdą. KT yra ypač svarbi diagnozuojant insultą, ir nors ji yra mažiau tiksli nei smegenų magnetinio rezonanso tomografija, ji trunka daug mažiau laiko.

Palyginti nauja kryptis, kuri dabar vystosi mikrobiologijoje ir medicinoje, yra minkštosios rentgeno spinduliuotės naudojimas. Kai gyvas organizmas yra permatomas, tai leidžia gauti kraujagyslių vaizdą, išsamiai ištirti minkštųjų audinių struktūrą ir netgi atlikti mikrobiologinius tyrimus ląstelių lygiu.

Rentgeno mikroskopas, naudojant žiupsnelio tipo iškrovą sunkiųjų elementų plazmoje, leidžia pamatyti tokias gyvos ląstelės struktūros detales,kurių elektroniniu mikroskopu neįmanoma pamatyti net specialiai paruoštoje ląstelės struktūroje.

Viena iš spindulinės terapijos rūšių, naudojamų piktybiniams navikams gydyti, yra kietieji rentgeno spinduliai, kurie tampa įmanoma dėl jonizuojančio poveikio, naikinančio biologinio objekto audinį. Šiuo atveju kaip spinduliuotės šaltinis naudojamas elektronų greitintuvas.

Radiografija technologijoje

Minkštieji rentgeno spinduliai naudojami tyrimams, kuriais siekiama išspręsti kontroliuojamos termobranduolinės sintezės problemą. Norėdami pradėti procesą, turite sukurti atatrankos smūgio bangą, apšvitindami nedidelį deuterio ir tričio taikinį minkštais rentgeno spinduliais iš elektros iškrovos ir akimirksniu įkaitindami šio taikinio apvalkalą iki plazmos būsenos.

Ši banga suspaudžia tikslinę medžiagą iki tankio, tūkstančius kartų didesnio už kietosios medžiagos tankį, ir įkaitina ją iki termobranduolinės temperatūros. Termobranduolinės sintezės energija išsiskiria per trumpą laiką, o karšta plazma išsisklaido pagal inerciją.

Galimybė būti permatoma leidžia atlikti rentgenografiją - vaizdo gavimo metodą, leidžiantį parodyti, pavyzdžiui, nepermatomo objekto, pagaminto iš metalo, vidinę struktūrą. Iš akies neįmanoma nustatyti, ar tvirtai suvirintos tilto konstrukcijos, ar sandari siūlė ties dujotiekiu, ar bėgiai tvirtai priglunda vienas prie kito.

Todėl pramonėje rentgenas naudojamas defektų aptikimui – objekto ar atskirų jo elementų pagrindinių darbinių savybių ir parametrų patikimumo stebėjimui, dėl kurio nereikia objekto išimti iš eksploatacijos ar jo ardyti.

Rentgeno spindulių fluorescencinė spektrometrija pagrįsta fluorescencijos poveikiu – tai analizės metodas, naudojamas elementų koncentracijoms nuo berilio iki urano nustatyti nuo 0,0001 iki 100 % įvairios kilmės medžiagose.

Kai mėginys apšvitinamas galingu spinduliuotės srautu iš rentgeno vamzdžio, atsiranda būdinga fluorescencinė atomų spinduliuotė, kuri yra proporcinga jų koncentracijai mėginyje. Šiuo metu praktiškai kiekvienas elektroninis mikroskopas leidžia be jokių sunkumų nustatyti detalią tiriamų mikroobjektų elementinę sudėtį rentgeno fluorescencinės analizės metodu.

Rentgeno spinduliai meno istorijoje

Rentgeno spindulių gebėjimas prasiskverbti ir sukurti fluorescencinį efektą taip pat naudojamas paveikslams tirti. Tai, kas paslėpta po viršutiniu dažų sluoksniu, gali daug pasakyti apie drobės kūrimo istoriją. Pavyzdžiui, meistriškai dirbant su keliais dažų sluoksniais vaizdas gali būti unikalus menininko kūryboje. Renkantis tinkamiausias drobės laikymo sąlygas, svarbu atsižvelgti ir į paveikslo sluoksnių struktūrą.

Tam būtina rentgeno spinduliuotė, leidžianti pažvelgti po viršutiniais vaizdo sluoksniais nepakenkiant.

Svarbūs pokyčiai šia kryptimi yra nauji darbo su meno kūriniais metodai. Makroskopinė fluorescencija yra rentgeno fluorescencinės analizės variantas, puikiai tinkantis pagrindinių elementų, daugiausia metalų, pasiskirstymo struktūrai vizualizuoti, esant maždaug 0,5–1 kvadratinio metro ar didesniems plotams.

Kita vertus, rentgeno laminografija – kompiuterinės rentgeno tomografijos variantas, labiau tinkantis plokštiems paviršiams tirti, atrodo perspektyvus norint gauti atskirų nuotraukos sluoksnių vaizdus. Šie metodai taip pat gali būti naudojami tiriant dažų sluoksnio cheminę sudėtį. Tai leidžia nustatyti drobės datą, taip pat siekiant nustatyti klastotę.

Rentgeno spinduliai leidžia išsiaiškinti medžiagos struktūrą

Rentgeno kristalografija yra mokslinė kryptis, susijusi su medžiagos struktūros nustatymu atominiu ir molekuliniu lygiu. Išskirtinis kristalinių kūnų bruožas yra daugkartinis pasikartojimas tų pačių elementų (ląstelių) erdvinėje struktūroje, susidedančioje iš tam tikro atomų, molekulių ar jonų rinkinio.

Pagrindinis tyrimo metodas yra kristalinio mėginio eksponavimas siauru rentgeno spinduliu naudojant rentgeno kamerą. Gautoje nuotraukoje matyti difrakcuotų rentgeno spindulių, praeinančių per kristalą, vaizdas, iš kurio mokslininkai gali vizualiai parodyti jo erdvinę struktūrą, vadinamą kristaline gardele. Įvairūs šio metodo įgyvendinimo būdai vadinami rentgeno struktūrine analize.

Kristalinių medžiagų rentgeno struktūrinė analizė susideda iš dviejų etapų:

1. Kristalo vienetinės ląstelės dydžio, dalelių (atomų, molekulių) skaičiaus vienetinėje ląstelėje ir dalelių išsidėstymo simetrijos nustatymas. Šie duomenys gaunami analizuojant difrakcijos maksimumų vietos geometriją.
2. Vienetinio elemento viduje esančio elektronų tankio apskaičiavimas ir atominių koordinačių, identifikuojamų su elektronų tankio maksimumų padėtimi, nustatymas. Šie duomenys gaunami analizuojant difrakcijos maksimumų intensyvumą.

Kai kurie molekuliniai biologai prognozuoja, kad vaizduojant didžiausias ir sudėtingiausias molekules, rentgeno kristalografija gali būti pakeista nauja technika, vadinama kriogenine elektronų mikroskopija.

Vienas iš naujausių cheminės analizės įrankių buvo Hendersono filmų skaitytuvas, kurį jis naudojo savo novatoriškame darbe kriogeninės elektroninės mikroskopijos srityje. Tačiau šis metodas vis dar yra gana brangus, todėl vargu ar artimiausiu metu visiškai pakeis rentgeno kristalografiją.

Santykinai nauja tyrimų ir techninių pritaikymų sritis, susijusi su rentgeno spindulių naudojimu, yra rentgeno mikroskopija. Jis skirtas gauti padidintą tiriamo objekto vaizdą realioje erdvėje dviem ar trimis matmenimis naudojant fokusavimo optiką.

Erdvinės skiriamosios gebos difrakcijos riba rentgeno mikroskopijoje dėl mažo naudojamos spinduliuotės bangos ilgio yra apie 1000 kartų geresnė nei atitinkama optinio mikroskopo reikšmė. Be to, rentgeno spinduliuotės prasiskverbimo galia leidžia ištirti vidinę mėginių, kurie yra visiškai nepermatomi matomai šviesai, struktūrą.

Ir nors elektroninės mikroskopijos pranašumas yra šiek tiek didesnė erdvinė skiriamoji geba, tai nėra neardomasis tyrimo metodas, nes tam reikalingas vakuumas ir mėginiai su metaliniais arba metalizuotais paviršiais, o tai yra visiškai ardoma, pavyzdžiui, biologiniams objektams.