Рентгеновское излучение. Виды и применение. Особенности

По своей сути рентгеновское излучение – это разновидность электромагнитных излучений определенного диапазона. Их частота соответствует значениям спектра, располагающимся выше ультрафиолета и ниже «жестких» гамма лучей. Это излучение составляет основу эффективного диагностического метода, широко применяемого в медицине и дефектоскопии.

Как было открыто рентгеновское излучение

Это явление совершенно случайно было открыто немецким физиком В. Рентгеном в 1895 году. Ученый занимался исследованием физических свойств электронных потоков, испускаемых катодами разрядных трубок. В ходе эксперимента он обнаружил, что случайно оказавшийся рядом экран с тонким слоем химической смеси бария с платиной начинал ярко светиться.

При снятии напряжения с электровакуумного прибора свечение исчезало. На основании этого ученый сделал вывод, что его причина – это потоки электронов, испускаемые разрядной трубкой. Далее он предположил, что движущиеся частицы испускают лучи, которые каким-то образом проникают сквозь стекло колбы.

Несколько усложнив опыт (отделив трубку от экрана плотным слоем черного картона) Рентген с удивлением обнаружил, что последний продолжает светиться при подаче напряжения на трубку. Поместив между этими объектами свою ладонь, ученый четко различил на экране не засвеченные места, соответствующие костным фалангам его кисти.

Полученный результат означал, что открытые им Х-лучи (сначала он дал им такое название) проникают сквозь ткани с невысокой плотностью и задерживаются в более плотных слоях.

В том же году немецкий физик изготовил первый рентгеновский прибор в виде высоковакуумной трубки с подогреваемым катодом. Созданное им устройство позволяло получать рентгеновское излучение большей мощности в диапазоне высокочастотных колебаний. Со временем эти лучи были названы по имени ученого – рентгеновскими, а методика их использования для практических нужд получила название «рентген».

Физическое объяснение происхождения рентгеновского излучения

Объяснить физическую суть открытия Рентгена проще всего, если вспомнить следующие особенности э/м колебаний с малой длиной волны (сверхвысокие частоты):

Любое свободно распространяющееся э/м поле может быть представлено не только в классическом волновом виде.
В корпускулярной теории – это поток фотонов, обладающих значительной кинетической энергией.
При выбивании электронов из катода трубки они разгоняются внешним полем до больших скоростей (приобретают значительную энергию).
Достигнув анода, ускоренные полем частицы выбивают с его поверхности вторичные электроны и фотоны.
Частота колебаний этих корпускул (фотонов) и их энергетические показатели располагаются в спектре поля между ультрафиолетом и гамма-излучением.

Rentgenovskoe izluchenie 2

В результате описанных процессов получается полноценное рентгеновское излучение, которое при определенных условиях может применяться в практических целях.

Разновидности лучей Рентгена и работающего на их основе оборудования

Рентгеновское излучение классифицируется по множеству факторов, среди которых особо выделяются:

Полоса частот и уровень возбуждения микрочастиц.
Основное назначение оборудования, использующего рентгеновские лучи.
Особенности конструкции приборов Рентгена.

По размерам диапазона, занимаемого рентгеновскими лучами в спектральной сетке э/м излучений, все они подразделяются на излучения с узким и широким спектром. Первая разновидность получается в результате сильного рассеивания фотонов, образующих зоны максимумов и минимумов энергии.

Излучения с узким спектром отличаются от уже рассмотренных тем, что частотный диапазон у них ограничен несколькими спектральными линиями. В медицинской практике в основном используется второй тип рентгеновских колебаний.

Лучи Рентгена в корпускулярной теории представляются в виде возбужденных частиц с различными энергетическими уровнями. Последние обозначаются как «М», «К» и «L», что определяется их положением относительно равновесного состояния.

Назначение

По своему прямому назначению рентгеновское оборудование подразделяется на следующие виды:

Диагностическое.
Терапевтическое.
Аналитическая аппаратура (дефектоскопы).
Лабораторно-демонстрационное оборудование.

Первое широко используется в медицинской практике для своевременного обнаружения заболеваний внутренних органов человека. Второе направление – терапевтическое – пользуется большим спросом при необходимости лечения болезней, связанных с образованием злокачественных опухолей. Этот метод избавления от опасного недуга применим лишь в тех случаях, когда раковые клетки еще реагируют на рентгеновскую ионизацию материи.

Третье направление широко применяется в машиностроении и особенно в тех сферах, где необходим структурный анализ состояния продукции. Основное его применение в этой области – дефектоскопия чугунных и стальных заготовок, получаемых методом литья. В лабораторных условиях рентгеновское излучение нередко применяется с целью демонстрации эффекта флюоресценции.

Особенности конструкции аппаратов Рентгена

По этому признаку рентгеновские приборы подразделяются на однофокусные и двухфокусные конструкции. В первом случае в инициирующем лучи Рентгена катоде устанавливается единственная спираль, а на аноде формируется одно фокусное пятно. Во втором варианте исполнения и того и другого используется по две штуки.

По способу установки и эксплуатации рентгеновское оборудование подразделяется на стационарное и автономное (мобильное). Первое устанавливается в медицинских кабинетах и не может быть перемещено в другое место. Переносимые рентгеновские аппараты более универсальны по применению, поскольку могут использоваться в регионах, удаленных от централизованного электроснабжения.

Свойства рентгеновских лучей

Рентгеновское излучение обладает следующими уникальными свойствами:

Оно способно проникать через мягкие ткани организма, а также пронизывать мышечные волокна.
С его помощью удается инициировать явление флюоресценции в некоторых видах химических соединений.
Оно используется для ионизации молекул подвергшегося облучению вещества (фотохимический эффект).

Первое из свойств применяется в медицине, где рентгеновский метод давно зарекомендовал себя как надежное и эффективное профилактическое и терапевтическое средство.

Способность инициировать флюоресценцию некоторых химических соединений широко применяется при проведении научных исследований. А вызываемый лучами Рентгена фотохимический эффект позволяет повысить эффективность рентгеноскопии отдельных органов человека, включая его легкие.

Источники искусственных лучей Рентгена

Помимо вакуумной трубки, оснащенной катодом и анодом, рентгеновские излучения получают из таких источников, как:

Специальные генерирующие устройства, излучающие фотоны в рентгеновском спектре.
Природные радиоактивные вещества в период их распада.
Небольшие по габаритам космические объекты, преодолевшие плотные слои атмосферы и достигшие Земли (метеориты).

Помимо этого к источникам рентгеновских лучей также относят полезные ископаемые и минеральные породы, в составе которых имеются примеси радиоактивных веществ.

Основные характеристики

Рентгеновское излучение как частный случай электромагнитного поля полностью характеризуется следующими «рабочими» показателями:

Частота колебаний.
Их интенсивность (энергия фотонов).
Степень жесткости излучения.

Частотный диапазон лучей Рентгена занимает положение между УФ и гамма-излучениями, достигая значений от 30 Пгерц до 30 Эксагерц. Энергия излучаемых частиц (фотонов) варьируется в пределах от 145 эВ до 124 кэВ.

Жесткость – это качественная характеристика рентгеновских лучей, измеряемая в киловольтах и зависящая от амплитуды управляющего напряжения на электродах вакуумной трубки. Она указывает на способность излучения проникать сквозь различные препятствия с тем или иным показателем плотности.

Применение рентгеновских лучей в медицине и вопросы безопасности

В медицинской практике рентгеновское излучение применяется при проведении следующих процедур:

Флюорография.
Рентгенография.
Компьютерная томография.

В первом случае используется принцип теневой фиксации фотографического изображения внутренних органов пациента, которые размещаются между источником излучения и регистрирующим экраном. Электронная картинка, полученная в результате флюорографического обследования, может быть приведена к удобному виду (увеличена) и сохранена в памяти компьютера.

При проведении рентгенографии полученное изображение фиксируется на специальную пленку. После ее обработки на ней проявляется рентгеновское изображение внутренних органов различной степени плотности. Одна из разновидностей рентгенографической диагностики – компьютерная томография, основы которой разработаны в 70-х годах прошлого века.

В этом случае пациент укладывается в специальный бокс со встроенной в него облучающей и контрольной аппаратурой. Эта процедура чаще всего проводится с целью обнаружения пораженных болезнью органов с выводом результата на экран компьютера.

Rentgenovskoe izluchenie 3

При проведении рентгенографических обследований для предотвращения попадания в тело пациента значительной дозы опасных лучей Рентгена используются специальные защитные средства. Обычно они выполняются в виде ковриков или накидок определенного размера с размешенными внутри свинцовыми пластинами. Иногда в качестве предохраняющего от лучей средства используются специальные ширмы.