Ko mēs zinām par rentgena stariem?

2024 Autors: Seth Attwood | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2023-12-16 16:11

19. gadsimtā cilvēka acij neredzams starojums, kas spēj iziet cauri miesai un citiem materiāliem, šķita kaut kas pilnīgi fantastisks. Tagad rentgena starus plaši izmanto, lai radītu medicīniskus attēlus, veiktu staru terapiju, analizētu mākslas darbus un risinātu kodolenerģijas problēmas.

Kā tika atklāts rentgena starojums un kā tas palīdz cilvēkiem – uzzinām kopā ar fiziķi Aleksandru Nikolajeviču Dolgovu.

Rentgenstaru atklāšana

No 19. gadsimta beigām zinātne sāka ieņemt principiāli jaunu lomu pasaules attēla veidošanā. Pirms gadsimta zinātnieku darbībai bija amatieris un privāts raksturs. Taču līdz 18. gadsimta beigām zinātnes un tehnoloģiju revolūcijas rezultātā zinātne pārvērtās par sistemātisku darbību, kurā ikviens atklājums kļuva iespējams, pateicoties daudzu speciālistu ieguldījumam.

Sāka parādīties pētniecības institūti, periodiski zinātniskie žurnāli, radās konkurence un cīņa par autortiesību atzīšanu zinātnes sasniegumiem un tehniskajiem jauninājumiem. Visi šie procesi norisinājās Vācijas impērijā, kur līdz 19. gadsimta beigām ķeizars veicināja zinātnes sasniegumus, kas vairoja valsts prestižu pasaules mērogā.

Viens no zinātniekiem, kas šajā periodā strādāja ar entuziasmu, bija fizikas profesors, Vircburgas universitātes rektors Vilhelms Konrāds Rentgens. 1895. gada 8. novembrī viņš palika vēlu laboratorijā, kā tas bieži notika, un nolēma veikt eksperimentālu pētījumu par elektrisko izlādi stikla vakuuma caurulēs. Viņš aptumšoja telpu un vienu no caurulēm ietina necaurspīdīgā melnā papīrā, lai būtu vieglāk novērot optiskās parādības, kas pavada izlādi. Man par pārsteigumu

Rentgens uz tuvējā ekrāna redzēja fluorescences joslu, kas bija pārklāta ar bārija cianoplatinīta kristāliem. Maz ticams, ka zinātnieks pēc tam varētu iedomāties, ka viņš atrodas uz viena no sava laika svarīgākajiem zinātniskajiem atklājumiem. Nākamgad par rentgenu tiks uzrakstīts vairāk nekā tūkstotis publikāciju, ārsti nekavējoties izgudrojumu ņems ekspluatācijā, pateicoties tam, nākotnē tiks atklāta radioaktivitāte un parādīsies jauni zinātnes virzieni.

Rentgens veltīja dažas nākamās nedēļas, lai izpētītu nesaprotamā mirdzuma raksturu un atklāja, ka fluorescence parādās ikreiz, kad viņš pielika strāvu caurulei. Caurule bija starojuma avots, nevis kāda cita elektriskās ķēdes daļa. Nezinādams, ar ko viņš saskaras, Rentgens nolēma šo parādību apzīmēt kā rentgenstarus vai rentgena starus. Tālāk Rentgens atklāja, ka šis starojums var iekļūt gandrīz visos objektos dažādos dziļumos atkarībā no objekta biezuma un vielas blīvuma.

Tādējādi neliels svina disks starp izlādes cauruli un ekrānu izrādījās necaurlaidīgs rentgena stariem, un rokas kauli uz ekrāna meta tumšāku ēnu, ko ieskauj gaišāka ēna no mīkstajiem audiem. Drīz vien zinātnieks noskaidroja, ka rentgenstari izraisa ne tikai ar bārija cianoplatinītu pārklātā ekrāna mirdzumu, bet arī fotogrāfisko plākšņu aptumšošanu (pēc izstrādes) tajās vietās, kur rentgena stari nokrita uz fotoemulsijas.

Eksperimentu laikā Rentgens bija pārliecināts, ka ir atklājis zinātnei nezināmu starojumu. 1895. gada 28. decembrī viņš ziņoja par pētījuma rezultātiem rakstā "Par jaunu starojuma veidu" žurnālā Annals of Physics and Chemistry. Tajā pašā laikā viņš nosūtīja zinātniekiem savas sievas Annas Bertas Ludvigas rokas attēlus, kas vēlāk kļuva slaveni.

Pateicoties senam Rentgena draugam austriešu fiziķim Francam Eksneram, Vīnes iedzīvotāji 1896. gada 5. janvārī laikraksta Die Presse lappusēs pirmie ieraudzīja šīs fotogrāfijas. Jau nākamajā dienā informācija par atklāšanu tika pārsūtīta laikrakstam London Chronicle. Tātad Rentgena atklāšana pamazām sāka ienākt cilvēku ikdienas dzīvē. Praktisks pielietojums tika atrasts gandrīz nekavējoties: 1896. gada 20. janvārī Ņūhempšīrā ārsti ārstēja vīrieti ar lauztu roku, izmantojot jaunu diagnostikas metodi - rentgenu.

Agrīna rentgenstaru izmantošana

Vairāku gadu laikā rentgena attēlus ir sākuši aktīvi izmantot precīzākām operācijām. Jau 14 dienas pēc to atvēršanas Frīdrihs Otto Valkhofs veica pirmo zobu rentgenu. Un pēc tam kopā ar Fricu Gīzelu viņi nodibināja pasaulē pirmo zobu rentgena laboratoriju.

1900. gadā, 5 gadus pēc atklāšanas, rentgenstaru izmantošana diagnostikā tika uzskatīta par neatņemamu medicīnas prakses sastāvdaļu.

Pensilvānijas vecākās slimnīcas apkopoto statistiku var uzskatīt par norādi uz rentgena starojumu balstītu tehnoloģiju izplatību. Pēc viņas teiktā, 1900. gadā palīdzību ar rentgenu saņēma tikai aptuveni 1-2% pacientu, savukārt 1925. gadā tādu bija jau 25%.

Rentgenstari tolaik tika izmantoti ļoti neparastā veidā. Piemēram, tie tika izmantoti, lai sniegtu matu noņemšanas pakalpojumus. Ilgu laiku šī metode tika uzskatīta par vēlamāku salīdzinājumā ar sāpīgākajām - knaibles vai vasku. Turklāt rentgena stari ir izmantoti apavu pielaikošanas aparātos - pielaikošanas fluoroskopos (pedoskopos). Tie bija rentgena aparāti ar speciālu iegriezumu pēdām, kā arī logi, pa kuriem klients un pārdevējas varēja izvērtēt, kā apavi nosēdušies.

Agrīna rentgena attēlveidošanas izmantošana no mūsdienu drošības viedokļa rada daudz jautājumu. Problēma bija tā, ka rentgenstaru atklāšanas brīdī par radiāciju un tā sekām praktiski nekas nebija zināms, tāpēc pionieri, kuri izmantoja jauno izgudrojumu, savā pieredzē saskārās ar tā kaitīgo ietekmi. Palielinātas iedarbības negatīvās sekas 19. gadsimta mijā kļuva par masveida parādību, un cilvēki pamazām sāka apzināties neapzinātas rentgenstaru izmantošanas briesmas.

Rentgenstaru raksturs

Rentgena starojums ir elektromagnētiskais starojums ar fotonu enerģiju no ~ 100 eV līdz 250 keV, kas atrodas elektromagnētisko viļņu skalā starp ultravioleto starojumu un gamma starojumu. Tā ir daļa no dabiskā starojuma, kas rodas radioizotopos, kad elementu atomi tiek ierosināti ar elektronu, alfa daļiņu vai gamma kvantu plūsmu, kurā elektroni tiek izmesti no atoma elektronu apvalkiem. Rentgena starojums rodas, kad lādētas daļiņas pārvietojas ar paātrinājumu, jo īpaši, kad elektroni tiek palēnināti, vielas atomu elektriskajā laukā.

Izšķir mīkstos un cietos rentgenstarus, kuru nosacītā robeža viļņa garuma skalā ir aptuveni 0,2 nm, kas atbilst fotona enerģijai aptuveni 6 keV. Rentgena starojums ir gan caurejošs, pateicoties tā īsajam viļņa garumam, gan jonizējošs, jo, ejot cauri vielai, tas mijiedarbojas ar elektroniem, izsitot tos no atomiem, tādējādi sadalot tos jonos un elektronos un mainot vielas struktūru. ko tā darbojas.

Rentgenstari izraisa ķīmiska savienojuma, ko sauc par fluorescenci, spīdumu. Parauga atomu apstarošana ar augstas enerģijas fotoniem izraisa elektronu emisiju – tie atstāj atomu. Vienā vai vairākās elektronu orbitālēs veidojas "caurumi" - vakances, kuru dēļ atomi nonāk ierosinātā stāvoklī, tas ir, kļūst nestabili. Pēc sekundes miljondaļām atomi atgriežas stabilā stāvoklī, kad iekšējās orbitāļu brīvās vietas piepildās ar elektroniem no ārējām orbitālēm.

Šo pāreju pavada enerģijas emisija sekundāra fotona veidā, tādējādi rodas fluorescence.

Rentgena astronomija

Uz Zemes mēs reti sastopamies ar rentgena stariem, taču kosmosā tas ir sastopams diezgan bieži. Tur tas notiek dabiski daudzu kosmosa objektu darbības dēļ. Tas padarīja iespējamu rentgena astronomiju. Rentgenstaru fotonu enerģija ir daudz lielāka nekā optiskajiem, tāpēc rentgenstaru diapazonā izstaro līdz ārkārtīgi augstām temperatūrām uzkarsētu vielu.

Šie kosmiskie rentgena starojuma avoti mums nav pamanāma dabiskā fona starojuma daļa un tāpēc nekādā veidā neapdraud cilvēkus. Vienīgais izņēmums var būt tāds cieta elektromagnētiskā starojuma avots kā supernovas sprādziens, kas noticis pietiekami tuvu Saules sistēmai.

Kā mākslīgi izveidot rentgena starus?

Rentgena ierīces joprojām tiek plaši izmantotas nesagraujošai introskopijai (rentgena attēli medicīnā, defektu noteikšana tehnoloģijā). To galvenā sastāvdaļa ir rentgena caurule, kas sastāv no katoda un anoda. Caurules elektrodi ir savienoti ar augstsprieguma avotu, parasti desmitiem vai pat simtiem tūkstošu voltu. Sildot, katods izstaro elektronus, kurus paātrina starp katodu un anodu radītais elektriskais lauks.

Saduroties ar anodu, elektroni tiek palēnināti un zaudē lielāko daļu savas enerģijas. Šajā gadījumā parādās rentgenstaru diapazona bremsstrahlung starojums, bet lielākā daļa elektronu enerģijas tiek pārvērsta siltumā, tāpēc anods tiek atdzesēts.

Pastāvīgas vai impulsa darbības rentgena caurule joprojām ir visizplatītākais rentgena starojuma avots, taču tas nebūt nav vienīgais. Augstas intensitātes starojuma impulsu iegūšanai tiek izmantotas lielas strāvas izlādes, kurās plūstošās strāvas plazmas kanālu saspiež savs strāvas magnētiskais lauks - tā sauktā saspiešana.

Ja izlāde notiek gaismas elementu vidē, piemēram, ūdeņraža vidē, tad tai ir efektīva elektronu paātrinātāja loma ar elektrisko lauku, kas rodas pašā izlādē. Šī izlāde var ievērojami pārsniegt lauku, ko rada ārējs strāvas avots. Tādā veidā tiek iegūti cietā rentgena starojuma impulsi ar lielu radīto kvantu enerģiju (simtiem kiloelektronvoltu), kuriem ir liela caurlaides spēja.

Rentgenstaru iegūšanai plašā spektra diapazonā tiek izmantoti elektronu paātrinātāji - sinhrotroni. Tajos starojums veidojas gredzenveida vakuuma kameras iekšpusē, kurā pa apļveida orbītu pārvietojas šauri virzīts augstas enerģijas elektronu stars, kas paātrināts gandrīz līdz gaismas ātrumam. Rotācijas laikā magnētiskā lauka ietekmē lidojošie elektroni plašā spektrā orbītai tangenciāli izstaro fotonu starus, kuru maksimums iekrīt rentgenstaru diapazonā.

Kā tiek atklāti rentgena stari

Rentgena starojuma noteikšanai un mērīšanai ilgu laiku tika izmantots plāns fosfora vai fotogrāfiskās emulsijas slānis, kas tika uzklāts uz stikla plāksnes vai caurspīdīgas polimēra plēves. Pirmais staroja spektra optiskajā diapazonā rentgena starojuma ietekmē, savukārt pārklājuma optiskā caurspīdīgums plēvē mainījās ķīmiskas reakcijas ietekmē.

Patlaban rentgenstaru reģistrēšanai visbiežāk tiek izmantoti elektroniskie detektori - ierīces, kas ģenerē elektrisko impulsu, kad detektora jutīgajā tilpumā tiek absorbēts starojuma kvants. Tie atšķiras ar absorbētā starojuma enerģijas pārvēršanas principu elektriskos signālos.

Rentgena detektorus ar elektronisko reģistrāciju var iedalīt jonizācijā, kuras darbība balstās uz vielas jonizāciju, un radioluminiscējošos, tai skaitā scintilācijā, izmantojot vielas luminiscenci jonizējošā starojuma iedarbībā. Jonizācijas detektorus savukārt iedala ar gāzi pildītajos un pusvadītājos atkarībā no noteikšanas vides.

Galvenie ar gāzi pildīto detektoru veidi ir jonizācijas kameras, Geigera skaitītāji (Geiger-Muller skaitītāji) un proporcionālie gāzizlādes skaitītāji. Radiācijas kvanti, kas nonāk skaitītāja darba vidē, izraisa gāzes jonizāciju un strāvas plūsmu, kas tiek reģistrēta. Pusvadītāju detektorā starojuma kvantu iedarbībā veidojas elektronu caurumu pāri, kas arī nodrošina elektriskās strāvas plūsmu caur detektora korpusu.

Vakuuma ierīces scintilācijas skaitītāju galvenā sastāvdaļa ir fotopavairotāja caurule (PMT), kas izmanto fotoelektrisko efektu, lai pārveidotu starojumu lādētu daļiņu plūsmā, un sekundārās elektronu emisijas fenomenu, lai uzlabotu radīto lādēto daļiņu strāvu. Fotopavairotājam ir fotokatods un secīgu paātrinātāju elektrodu sistēma - dinodes, uz kurām triecienā vairojas paātrinātie elektroni.

Sekundārais elektronu reizinātājs ir atvērta vakuuma ierīce (darbojas tikai vakuuma apstākļos), kurā rentgena starojums ieejā tiek pārveidots primāro elektronu plūsmā un pēc tam tiek pastiprināts elektronu sekundārās emisijas dēļ, tiem izplatoties reizinātāja kanālā..

Mikrokanālu plāksnes, kas ir milzīgs skaits atsevišķu mikroskopisku kanālu, kas iekļūst plākšņu detektorā, darbojas pēc tāda paša principa. Tie var papildus nodrošināt telpisko izšķirtspēju un optiskā attēla veidošanu no plūsmas šķērsgriezuma, kas krīt uz rentgena starojuma detektoru, bombardējot puscaurspīdīga ekrāna izejošo elektronu plūsmu ar uz tā nogulsnētu fosforu.

Rentgenstari medicīnā

Rentgenstaru spēja spīdēt cauri materiāliem objektiem ne tikai sniedz cilvēkiem iespēju izveidot vienkāršus rentgena starus, bet arī paver iespējas progresīvākiem diagnostikas rīkiem. Piemēram, tas ir datortomogrāfijas (CT) pamatā.

Rentgena avots un uztvērējs griežas gredzena iekšpusē, kurā atrodas pacients. Iegūtos datus par to, kā ķermeņa audi absorbē rentgenstarus, dators rekonstruē 3D attēlā. CT ir īpaši svarīga insulta diagnosticēšanai, un, lai gan tā ir mazāk precīza nekā smadzeņu magnētiskās rezonanses attēlveidošana, tas aizņem daudz mazāk laika.

Salīdzinoši jauns virziens, kas šobrīd attīstās mikrobioloģijā un medicīnā, ir mīkstā rentgena starojuma izmantošana. Kad dzīvs organisms ir caurspīdīgs, tas ļauj iegūt asinsvadu attēlu, detalizēti izpētīt mīksto audu struktūru un pat veikt mikrobioloģiskos pētījumus šūnu līmenī.

Rentgena mikroskops, kas izmanto starojumu no smago elementu plazmas šķipsnveida izlādes, ļauj redzēt šādas dzīvas šūnas struktūras detaļas,kuru elektronu mikroskopā nevar redzēt pat īpaši sagatavotā šūnu struktūrā.

Viens no staru terapijas veidiem, ko izmanto ļaundabīgo audzēju ārstēšanā, izmanto cieto rentgenstaru, kas kļūst iespējams, pateicoties tā jonizējošajai iedarbībai, kas iznīcina bioloģiskā objekta audus. Šajā gadījumā kā starojuma avots tiek izmantots elektronu paātrinātājs.

Radiogrāfija tehnoloģijā

Mīkstos rentgena starus izmanto pētījumos, kuru mērķis ir atrisināt kontrolētas kodoltermiskās saplūšanas problēmu. Lai sāktu procesu, jums ir jāizveido atsitiena triecienvilnis, apstarojot nelielu deitērija un tritija mērķi ar mīkstajiem rentgena stariem no elektriskās izlādes un uzreiz uzsildot šī mērķa apvalku līdz plazmas stāvoklim.

Šis vilnis saspiež mērķa materiālu līdz blīvumam, kas ir tūkstošiem reižu lielāks par cietas vielas blīvumu, un uzsilda to līdz kodoltermiskā temperatūrai. Kodolsintēzes enerģijas izdalīšanās notiek īsā laikā, savukārt karstā plazma izkliedējas ar inerci.

Iespēja būt caurspīdīgam padara iespējamu rentgenogrāfiju - attēlveidošanas paņēmienu, kas ļauj parādīt, piemēram, necaurspīdīga metāla objekta iekšējo struktūru. Uz aci nav iespējams noteikt, vai tilta konstrukcijas ir cieši sametinātas, vai šuve pie gāzes vada ir hermētiska un vai sliedes cieši pieguļ viena otrai.

Tāpēc nozarē rentgenstaru izmanto defektu noteikšanai - objekta vai tā atsevišķu elementu galveno darba īpašību un parametru uzticamības uzraudzībai, kas neprasa objekta izņemšanu no ekspluatācijas vai demontāžu.

Rentgenstaru fluorescences spektrometrija ir balstīta uz fluorescences efektu - analīzes metodi, ko izmanto, lai noteiktu elementu koncentrāciju no berilija līdz urānam diapazonā no 0,0001 līdz 100% dažādas izcelsmes vielās.

Apstarojot paraugu ar spēcīgu starojuma plūsmu no rentgenstaru caurules, parādās atomiem raksturīgais fluorescējošais starojums, kas ir proporcionāls to koncentrācijai paraugā. Šobrīd praktiski katrs elektronu mikroskops ļauj bez grūtībām noteikt detalizētu pētāmo mikroobjektu elementu sastāvu ar rentgena fluorescences analīzes metodi.

Rentgenstari mākslas vēsturē

Gleznu pētīšanai tiek izmantota arī rentgenstaru spēja izspīdēt cauri un radīt fluorescences efektu. Tas, kas slēpjas zem virsējās krāsas kārtas, var daudz pastāstīt par audekla tapšanas vēsturi. Piemēram, tieši prasmīgā darbā ar vairākiem krāsas slāņiem attēls var tikt atzīts par unikālu mākslinieka darbā. Izvēloties piemērotākos audekla glabāšanas apstākļus, ir svarīgi ņemt vērā arī gleznas slāņu struktūru.

Tam visam ir neaizstājams rentgena starojums, kas ļauj skatīties zem attēla augšējiem slāņiem, nekaitējot tam.

Nozīmīga attīstība šajā virzienā ir jaunas metodes, kas specializējas darbam ar mākslas darbiem. Makroskopiskā fluorescence ir rentgena fluorescences analīzes variants, kas ir labi piemērots galveno elementu, galvenokārt metālu, sadalījuma struktūras vizualizācijai, kas atrodas aptuveni 0,5–1 kvadrātmetru vai lielākā platībā.

Savukārt rentgena laminogrāfija, datortomogrāfijas variants, kas vairāk piemērots plakanu virsmu pētīšanai, šķiet perspektīvs atsevišķu attēla slāņu attēlu iegūšanai. Šīs metodes var izmantot arī krāsas slāņa ķīmiskā sastāva izpētei. Tas ļauj datēt audeklu, tostarp, lai identificētu viltojumu.

Rentgenstari ļauj noskaidrot vielas struktūru

Rentgenstaru kristalogrāfija ir zinātnisks virziens, kas saistīts ar vielas struktūras noteikšanu atomu un molekulu līmenī. Kristālisko ķermeņu īpatnība ir vairākkārtēji sakārtoti atkārtojumi to pašu elementu (šūnu) telpiskajā struktūrā, kas sastāv no noteiktas atomu, molekulu vai jonu kopas.

Galvenā izpētes metode ir kristāliskā parauga pakļaušana šaura rentgena staru kūļa iedarbībai, izmantojot rentgena kameru. Iegūtajā fotogrāfijā ir attēlots difrakcijas rentgenstaru attēls, kas iet cauri kristālam, un pēc tam zinātnieki var vizuāli parādīt tā telpisko struktūru, ko sauc par kristāla režģi. Dažādus šīs metodes īstenošanas veidus sauc par rentgenstaru struktūras analīzi.

Kristālisko vielu rentgena struktūras analīze sastāv no diviem posmiem:

1. Kristāla vienības šūnas lieluma, daļiņu (atomu, molekulu) skaita noteikšana vienības šūnā un daļiņu izkārtojuma simetrijas noteikšana. Šos datus iegūst, analizējot difrakcijas maksimumu atrašanās vietas ģeometriju.
2. Elektronu blīvuma aprēķins vienības šūnā un atomu koordinātu noteikšana, kas identificētas ar elektronu blīvuma maksimumu stāvokli. Šos datus iegūst, analizējot difrakcijas maksimumu intensitāti.

Daži molekulārie biologi prognozē, ka lielāko un sarežģītāko molekulu attēlveidošanā rentgenstaru kristalogrāfiju var aizstāt ar jaunu metodi, ko sauc par kriogēno elektronu mikroskopiju.

Viens no jaunākajiem instrumentiem ķīmiskajā analīzē bija Hendersona filmu skeneris, ko viņš izmantoja savā novatoriskajā darbā kriogēno elektronu mikroskopijā. Tomēr šī metode joprojām ir diezgan dārga, un tāpēc maz ticams, ka tuvākajā nākotnē pilnībā aizstās rentgena kristalogrāfiju.

Salīdzinoši jauna pētniecības un tehnisko pielietojumu joma, kas saistīta ar rentgenstaru izmantošanu, ir rentgena mikroskopija. Tas ir paredzēts, lai iegūtu palielinātu pētāmā objekta attēlu reālajā telpā divās vai trīs dimensijās, izmantojot fokusēšanas optiku.

Telpiskās izšķirtspējas difrakcijas robeža rentgena mikroskopijā izmantotā starojuma mazā viļņa garuma dēļ ir aptuveni 1000 reižu labāka nekā atbilstošā vērtība optiskajam mikroskopam. Turklāt rentgena starojuma caurlaidības spēja ļauj izpētīt redzamajai gaismai pilnīgi necaurspīdīgu paraugu iekšējo struktūru.

Un, lai gan elektronu mikroskopijas priekšrocība ir nedaudz augstāka telpiskā izšķirtspēja, tā nav nesagraujoša izmeklēšanas metode, jo tai ir nepieciešams vakuums un paraugi ar metāliskām vai metalizētām virsmām, kas ir pilnīgi destruktīva, piemēram, bioloģiskiem objektiem.