Рентгенология

Физика рентгеновских лучей

Рентгенология — раздел радиологии, изучающий воздействие на организм животных и человека рентгеновского излучения, возникающие от этого заболевания, их лечение и профилактику, а также методы диагностики различных патологий при помощи рентгеновских лучей (рентгенодиагностика). В состав типового рентгенодиагностического аппарата входит питающее устройство (трансформаторы), высоковольтный выпрямитель, преобразующий переменный ток электрической сети в постоянный, пульт управления, штатив и рентгеновская трубка.

Рентгеновские лучи — это вид электромагнитных колебаний, которые образуются в рентгеновской трубке при резком торможении ускоренных электронов в момент их столкновения с атомами вещества анода. Рентгеновские лучи по своей физической природе являются одним из видов лучистой энергии, спектр которых включает также радиоволны, инфракрасные лучи, видимый свет, ультрафиолетовые лучи и гамма-лучи радиоактивных элементов. Рентгеновское излучение можно характеризовать как совокупность его наименьших частиц — квантов или фотонов.

Передвижной рентгеновский аппарат - схема: рентгеновская трубка, питающее устройство, штатив Рис. 1 — передвижной рентгеновский аппарат:

A — рентгеновская трубка;
Б — питающее устройство;
В — регулируемый штатив.

 Механический и электронный пульт управления рентгеновским аппаратом: панель для регулирования экспозиции и жёсткости, кнопка подачи высокого напряжения Рис. 2 — пульт управления рентгеновским аппаратом (механический — слева и электронный — справа):

A — панель для регулирования экспозиции и жёсткости;
Б — кнопка подачи высокого напряжения.

 Блок-схема типичного рентгенаппарата: сеть, автотрансформатор, повышающий и понижающий трансформатор, рентгеновская трубка, анод, катод Рис. 3 — блок-схема типичного рентгенаппарата

1 — сеть;
2 — автотрансформатор;
3 — повышающий трансформатор;
4 — рентгеновская трубка;
5 — анод;
6 — катод;
7 — понижающий трансформатор.

Механизм образования рентгеновского излучения

Рентгеновские лучи образуются в момент столкновения потока ускоренных электронов с веществом анода. При взаимодействии электронов с мишенью 99% их кинетической энергии превращается в тепловую энергию и только 1% — в рентгеновское излучение.

Рентгеновская трубка состоит из стеклянного баллона, в который впаяны 2 электрода: катод и анод. Из стеклянного баллона выкачен воздух: движение электронов от катода к аноду возможно лишь в условиях относительного вакуума (10-7–10-8 мм. рт. ст.). На катоде имеется нить накала, являющаяся плотно скрученной вольфрамовой спиралью. При подаче электрического тока на нить накала происходит электронная эмиссия, при которой электроны отделяются от спирали и образуют рядом с катодом электронное облачко. Это облачко концентрируется у фокусирующей чашечки катода, задающей направление движения электронов. Чашечка — небольшое углубление в катоде. Анод, в свою очередь, содержит вольфрамовую металлическую пластину, на которую фокусируются электроны, — это и есть место образования рентгеновских лучей.

Устройство рентгеновской трубки - схема: катод, анод, фольфрамавая нить накала, фокусирующая чашечка катода, вольфрамовая мишень, стеклянная колба, алюминиевый фильтр

Рис. 4 — устройство рентгеновской трубки:

А — катод;
Б — анод;
В — вольфрамовая нить накала;
Г — фокусирующая чашечка катода;
Д — поток ускоренных электронов;
Е — вольфрамовая мишень;
Ж — стеклянная колба;
З — окно из бериллия;
И — образованные рентгеновские лучи;
К — алюминиевый фильтр.

К электронной трубке подключены 2 трансформатора: понижающий и повышающий. Понижающий трансформатор раскаляет вольфрамовую спираль низким напряжением (5—15 вольт), в результате чего возникает электронная эмиссия. Повышающий, или высоковольтный, трансформатор подходит непосредственно к катоду и аноду, на которые подаётся напряжение 20–140 киловольт. Оба трансформатора помещаются в высоковольтный блок рентгеновского аппарата, который наполнен трансформаторным маслом, обеспечивающим охлаждение трансформаторов и их надёжную изоляцию.

После того как при помощи понижающего трансформатора образовалось электронное облачко, включается повышающий трансформатор, и на оба полюса электрической цепи подаётся высоковольтное напряжение: положительный импульс — на анод, и отрицательный — на катод. Отрицательно заряженные электроны отталкиваются от отрицательно заряженного катода и стремятся к положительно заряженному аноду — за счёт такой разности потенциалов достигается высокая скорость движения — 100 тыс. км/с. С этой скоростью электроны бомбардируют вольфрамовую пластину анода, замыкая электрическую цепь, в результате чего возникает рентгеновское излучение и тепловая энергия.

Рентгеновское излучение подразделяется на тормозное и характеристическое. Тормозное излучение возникает из-за резкого замедления скорости электронов, испускаемых вольфрамовой спиралью. Характеристическое излучение возникает в момент перестройки электронных оболочек атомов. Оба этих вида образуются в рентгеновской трубке в момент столкновения ускоренных электронов с атомами вещества анода. Спектр излучения рентгеновской трубки представляет собой наложение тормозного и характеристического рентгеновских излучений.

Механизм бразования тормозного рентгеновского излучения Рис. 5 — механизм образования тормозного рентгеновского излучения. Механизм бразования характеристического рентгеновского излучения Рис. 6 — механизм образования характеристического рентгеновского излучения.

Основные свойства рентгеновского излучения

  1. Рентгеновские лучи невидимы для визуального восприятия.
  2. Рентгеновское излучение обладает большой проникающей способностью сквозь органы и ткани живого организма, а также плотные структуры неживой природы, не пропускающие лучи видимого света.
  3. Рентгеновские лучи вызывают свечение некоторых химических соединений, называемое флюоресценцией.
    • Сульфиды цинка и кадмия флюоресцируют жёлто-зелёным цветом,
    • Кристаллы вольфрамата кальция — фиолетово-голубым.
  4. Рентгеновские лучи обладают фотохимическим действием: разлагают соединения серебра с галогенами и вызывают почернение фотографических слоёв, формируя изображение на рентгеновском снимке.
  5. Рентгеновские лучи передают свою энергию атомам и молекулам окружающей среды, через которую они проходят, проявляя ионизирующее действие.
  6. Рентгеновское излучение оказывает выраженное биологическое действие в облучённых органах и тканях: в небольших дозах стимулирует обмен веществ, в больших — может привести к развитию лучевых поражений, а также острой лучевой болезни. Биологическое свойство позволяет примененять рентгеновское излучение для лечения опухолевых и некоторых неопухолевых заболеваний.

Шкала электромагнитных колебаний

радиоволны инфракрасное излучение видимый свет ультрафиолетовое излучение рентгеновское излучение γ-излучение (гамма) космическое излучение
30 км–0,15 см 0,15 см–700 нм 700–400 нм 400–1,5 нм 1,5–3×10-3 нм 3×10-3–1×10-3 нм 1×10-3–5×10-5 нм

Рентгеновские лучи имеют определённую длину волны и частоту колебаний. Длина волны (λ) и частота колебаний (ν) связаны соотношением: λ • ν = c, где c — скорость света, округлённо равная 300 000 км в секунду. Энергия рентгеновских лучей определяется формулой E = h • ν, где h — постоянная Планка, универсальная постоянная, равная 6,626 • 10-34 Дж⋅с. Длина волны лучей (λ) связана с их энергией (E) соотношением: λ = 12,4 / E.

Рентгеновское излучение отличается от других видов электромагнитных колебаний длиной волны (см. таблицу) и энергией кванта. Чем короче длина волны, тем выше её частота, энергия и проникающая способность. Длина волны рентгеновского излучения находится в интервале 1,5–3×10-3 нм. Изменяя длину волны рентгеновского излучения, можно регулировать его проникающую способность. Рентгеновские лучи имеют очень малую длину волны, но большую частоту колебаний, поэтому невидимы человеческим глазом. Благодаря огромной энергии кванты обладают большой проникающей способностью, что является одним из главных свойств, обеспечивающих использование рентгеновского излучения в медицине и других науках.

Характеристики рентгеновского излучения

Интенсивность — количественная характеристика рентгеновского излучения, которая выражается количеством лучей, испускаемых трубкой в единицу времени. Интенсивность рентгеновского излучения измеряется в миллиамперах. Сравнивая её с интенсивностью видимого света от обычной лампы накаливания, можно провести аналогию: так, лампа на 20 Ватт будет светить с одной интенсивностью, или силой, а лампа на 200 Ватт — с другой, при этом качество самого света (его спектр) является одинаковым. Интенсивность рентгеновского излучения, по сути, это его количество. Каждый электрон создаёт на аноде один или несколько квантов излучения, следовательно, количество рентгеновских лучей при экспонировании объекта регулируется путём изменения количества электронов, стремящихся к аноду, и количества взаимодействий электронов с атомами вольфрамовой мишени, что можно осуществить двумя путями:

  1. Изменяя степень накала спирали катода при помощи понижающего трансформатора (количество электронов, образующихся при эмиссии, будет зависеть от того, насколько сильно раскалена вольфрамовая спираль, а количество квантов излучения будет зависеть от количества электронов);
  2. Изменяя величину высокого напряжения, подводимого повышающим трансформатором к полюсам трубки — кадоду и аноду (чем выше напряжение подаётся на полюса трубки, тем большую кинетическую энергию получают электроны, которые за счёт своей энергии могут взаимодействовать с несколькими атомами вещества анода поочерёдно — см. рис. 5; электроны с низкой энергией смогут вступить в меньшее число взаимодействий).

Интенсивность рентгеновского излучения (анодный ток), помноженная на выдержку (время работы трубки), соответствует экспозиции рентгеновского излучения, которая измеряется в мАс (миллиамперах в секунду). Экспозиция — это параметр, который, также как и интенсивность, характеризует количество лучей, испускаемых рентгеновской трубкой. Разница состоит лишь в том, что экспозиция учитывает ещё и время работы трубки (так, например, если трубка работает 0,01 сек., то количество лучей будет одним, а если 0,02 сек, то количество лучей будет другим — в два раза больше). Экспозиция излучения устанавливается рентгенологом на контрольной панели рентгеновского аппарата в зависимости от вида исследования, размеров исследуемого объекта и диагностической задачи.

Жёсткость — качественная характеристика рентгеновского излучения. Измеряется величиной высокого напряжения на трубке — в киловольтах. Определяет проникающую способность рентгеновских лучей. Регулируется величиной высокого напряжения, подводимого к рентгеновской трубке повышающим трансформатором. Чем выше разность потенциалов создаётся на электродах трубки, тем с большей силой электроны отталкиваются от катода и устремляются к аноду и тем сильнее их столкновение с анодом. Чем сильнее их столкновение, тем короче длина волны у возникающего рентгеновского излучения и выше проникающая способность данной волны (или жёсткость излучения, которая, так же как и интенсивность, регулируется на контрольной панели параметром напряжением на трубке — киловольтажем).

Зависимость длины волны от энергии волны Рис. 7 — Зависимость длины волны от энергии волны:

λ — длина волны;
E — энергия волны

  • Чем выше кинетическая энергия движущихся электронов, тем сильнее их удар об анод и меньше длина волны образующегося рентгеновского излучения. Рентгеновское излучение с большой длиной волны и малой проникающей способностью называется «мягким», с малой длиной волны и высокой проникающей способностью — «жёстким».
 Соотношение напряжения на рентгеновской трубке и длины волны образующегося рентгеновского излучения Рис. 8 — Соотношение напряжения на рентгеновской трубке и длины волны образующегося рентгеновского излучения:
  • Чем выше напряжение подаётся на полюса трубки, тем сильнее на них возникает разность потенциалов, следовательно, кинетическая энергия движущихся электронов будет выше. Напряжение на трубке определяет скорость движения электронов и силу их столкновения с веществом анода, следовательно, напряжение определяет длину волны возникающего рентгеновского излучения.

Классификация рентгеновских трубок

  1. По назначению
    1. Диагностические
    2. Терапевтические
    3. Для структурного анализа
    4. Для просвечивания
  2. По конструкции
    1. По фокусности
      • Однофокусные (на катоде одна спираль, а на аноде одно фокусное пятно)
      • Двухфокусные (на катоде две спирали разного размера, а на аноде два фокусных пятна)
    1. По типу анода
      • Стационарный (неподвижный)
      • Вращающийся

Рентгеновские лучи применяются не только в рентгенодиагностических целях, но также и в терапевтических. Как было отмечено выше, способноcть рентгеновского излучения подавлять рост опухолевых клеток позволяет использовать его в лучевой терапии онкологических заболеваний. Помимо медицинской области применения, рентгеновское излучение нашло широкое применение в инженерно-технической сфере, материаловедении, кристаллографии, химии и биохимии: так, например, возможно выявление структурных дефектов в различных изделиях (рельсах, сварочных швах и пр.) с помощью рентгеновского излучения. Вид такого исследования называется дефектоскопией. А в аэропортах, на вокзалах и других местах массового скопления людей активно применяются рентгенотелевизионные интроскопы для просвечивания ручной клади и багажа в целях безопасности.

В зависимости от типа анода, рентгеновские трубки различаются по конструкции. В силу того, что 99% кинетической энергии электронов переходит в тепловую энергию, во время работы трубки происходит значительное нагревание анода — чувствительная вольфрамовая мишень часто сгорает. Охлаждение анода осуществляется в современных рентгеновских трубках при помощи его вращения. Вращающийся анод имеет форму диска, который распределяет тепло по всей своей поверхности равномерно, препятствуя локальному перегреву вольфрамовой мишени.

Конструкция рентгеновских трубок различается также по фокусности. Фокусное пятно — участок анода, на котором происходит генерирование рабочего пучка рентгеновского излучения. Подразделяется на реальное фокусное пятно и эффективное фокусное пятно (рис. 12). Из-за того, что анод расположен под углом, эффективное фокусное пятно меньше, чем реальное. Различные размеры фокусного пятна используются в зависимости от величины области снимка. Чем больше область снимка, тем шире должно быть фокусное пятно, чтобы покрыть всю площадь снимка. Однако меньшее фокусное пятно формирует лучшую чёткость изображения. Поэтому при производстве небольших снимков используется короткая нить накала и электроны направляются на небольшую область мишени анода, создавая меньшее фокусное пятно.

Рентгеновская трубка со стационарным анодом Рис. 9 — рентгеновская трубка со стационарным анодом. Рентгеновская трубка с вращающимся анодом Рис. 10 — рентгеновская трубка с вращающимся анодом. Строение рентгеновской трубки с вращающимся анодом Рис. 11 — устройство рентгеновской трубки с вращающимся анодом. Схема образования реального и эффективного фокусного пятна рентгеновского излучения Рис. 12 — схема образования реального и эффективного фокусного пятна.

Материалы этой статьи после её публикации онлайн в 2014 г. были включены в следующие издания без ссылки на оригинальный источник:

  • Назарова О.С. Методическая разработка урока-конференции итогового занятия по дисциплине «Физика ОУД.10» : «Вопросы здоровья, изучаемые в курсе физики» : для специальности 34.02.01 Сестринское дело, 1 курс // Рассмотрено и одобрено ЦМК общепрофессиональных дисциплин. – Кашин : ГБПОУ «Кашинский медицинский колледж», 2025. – Председатель ЦМК: С.В. Пегасова.
  • Морозова Т.Г., Гельт А.В., Ковалев А.В. Основы лучевой диагностики внутренних органов и систем для студентов стоматологического факультета : учебное пособие // Рекомендовано Центральным методическим советом СГМУ. – Смоленск : Смоленский государственный медицинский университет, 2021. – 106 с. – Рецензенты: В.Г. Морозов, Д.С. Михалик.
  • Тарасевич В.Н. Инструментальные методы диагностики : учебное пособие для обучающихся по специальности 36.05.01 Ветеринария // Рекомендовано к изданию методической комиссией факультета биотехнологии и ветеринарной медицины Иркутского ГАУ (протокол №3 от 9 декабря 2019 года). – п. Молодежный : Иркутский ГАУ, 2019. – 93 с. – Рецензенты: О.П. Ильина, И.В. Мельцов.
  • Жилин Р.А. Инструментальные методы диагностики : учебное пособие для обучающихся по специальности 36.05.01 // Издаётся по решению методического совета ФГБОУ ВО Приморская ГСХА. – Уссурийск : ФГБОУ ВО Приморская ГСХА, 2019. – 87 с. – Рецензенты: Д.В. Евтушенко, Г.Г. Колтун.
  • Абакумов П.В. Рентгеноструктурный анализ наноматериалов : методические рекомендации для практической работы студентов направления подготовки 28.03.01 «Нанотехнологии и микросистемная техника». – Курск : Юго-Западный государственный университет, 2017. – 11 с. – Рецензент: А.П. Кузьменко.
  • Жилин Р.А. Инструментальные методы диагностики : учебное пособие для обучающихся по специальности 36.05.01 // Издаётся по решению методического совета ФГБОУ ВО Приморская ГСХА. – Уссурийск : ФГБОУ ВО Приморская ГСХА, 2016. – 87 с. – Рецензенты: Д.В. Евтушенко, Г.Г. Колтун.
  • Сущность радиационного излучения. Единицы измерения в радиационной физике. Радиографический контроль / ТОО «Казахстанский центр обучения и аттестаций в области неразрушающего контроля и сварки». – Нур-Султан, 2022.
Просмотров: 172837
Copyright © 2014–2026 vetstudy.ru. Охраняется законом об авторском праве.
Воспроизведение материалов возможно только с обязательным цитированием.