Mit tudunk a röntgensugárzásról?

2024 Szerző: Seth Attwood | [email protected]. Utoljára módosítva: 2023-12-16 16:07

A 19. században az emberi szem számára láthatatlan sugárzás, amely képes áthatolni a húson és más anyagokon, valami egészen fantasztikus dolognak tűnt. Manapság a röntgensugarakat széles körben használják orvosi képek készítésére, sugárterápia lefolytatására, műalkotások elemzésére és atomenergia-problémák megoldására.

Hogyan fedezték fel a röntgensugárzást, és hogyan segít az embereknek - Alexander Nikolaevich Dolgov fizikussal együtt megtudjuk.

A röntgensugarak felfedezése

A 19. század végétől a tudomány alapvetően új szerepet kezdett játszani a világkép kialakításában. Egy évszázaddal ezelőtt a tudósok tevékenysége amatőr és magánjellegű volt. A 18. század végére azonban a tudományos és technológiai forradalom eredményeként a tudomány szisztematikus tevékenységgé változott, amelyben sok szakember közreműködésének köszönhetően minden felfedezés lehetővé vált.

Kutatóintézetek, időszaki tudományos folyóiratok kezdtek megjelenni, verseny és küzdelem alakult ki a tudományos eredmények és műszaki újítások szerzői jogainak elismeréséért. Mindezek a folyamatok a Német Birodalomban zajlottak, ahol a 19. század végére a császár ösztönözte azokat a tudományos eredményeket, amelyek növelték az ország presztízsét a világban.

Az egyik tudós, aki ebben az időszakban lelkesedéssel dolgozott, a fizikaprofesszor, a Würzburgi Egyetem rektora, Wilhelm Konrad Roentgen volt. 1895. november 8-án későn tartózkodott a laboratóriumban, ahogy ez gyakran megesett, és elhatározta, hogy kísérleti vizsgálatot végez az üveg vákuumcsövek elektromos kisüléséről. Besötétítette a helyiséget, és az egyik csövet átlátszatlan fekete papírba csavarta, hogy könnyebben megfigyelhesse a kisülést kísérő optikai jelenségeket. Meglepetésemre

Röntgen fluoreszcens sávot látott a közeli képernyőn, amelyet bárium-cianoplatinit kristályok borítottak. Nem valószínű, hogy egy tudós ekkor el tudná képzelni, hogy kora egyik legfontosabb tudományos felfedezésének küszöbén áll. Jövőre több mint ezer publikáció születik a röntgenről, az orvosok azonnal szolgálatba állítják a találmányt, ennek köszönhetően a jövőben felfedezik a radioaktivitást, és új tudományirányok jelennek meg.

Röntgen a következő néhány hetet az érthetetlen ragyogás természetének vizsgálatára fordította, és megállapította, hogy fluoreszcencia jelenik meg, amikor áramot vezet a csőre. A cső volt a sugárzás forrása, nem pedig az elektromos áramkör valamely más része. Nem tudva, mivel néz szembe, Roentgen úgy döntött, hogy ezt a jelenséget röntgen- vagy röntgensugárzásnak nevezi. Továbbá Roentgen felfedezte, hogy ez a sugárzás a tárgy vastagságától és az anyag sűrűségétől függően szinte minden tárgyon különböző mélységig képes behatolni.

Így a kisülési cső és a képernyő között egy kis ólomkorongról kiderült, hogy áthatolhatatlan a röntgensugárzással szemben, és a kéz csontjai sötétebb árnyékot vetettek a képernyőre, amelyet lágy szövetekből származó világosabb árnyék vesz körül. A tudós hamarosan rájött, hogy a röntgensugarak nemcsak a bárium-cianoplatinittal borított képernyő fényét okozzák, hanem a fotólemezek elsötétülését is (a fejlesztés után) azokon a helyeken, ahol a röntgensugárzás a fényképészeti emulzióra esett.

Kísérletei során Roentgen meg volt győződve arról, hogy a tudomány számára ismeretlen sugárzást fedezett fel. 1895. december 28-án az Annals of Physics and Chemistry folyóiratban "Az új típusú sugárzásról" című cikkében számolt be a kutatási eredményekről. Ezzel egy időben elküldte a tudósoknak felesége, Anna Bertha Ludwig kezéről készült képeket, amelyek később híressé váltak.

Röntgen régi barátjának, Franz Exner osztrák fizikusnak köszönhetően a bécsi lakosok 1896. január 5-én láthatták először ezeket a képeket a Die Presse újság oldalain. Másnap a megnyitóval kapcsolatos információkat továbbították a London Chronicle újságnak. Így a Röntgen felfedezése fokozatosan bekerült az emberek mindennapi életébe. A gyakorlati alkalmazást szinte azonnal megtalálták: 1896. január 20-án New Hampshire-ben az orvosok egy új diagnosztikai módszerrel - röntgenfelvétellel - elláttak egy férfit, akinek eltört a karja.

A röntgensugarak korai alkalmazása

Az évek során a röntgenfelvételeket elkezdték aktívan használni a pontosabb műveletekhez. Friedrich Otto Valkhoff már 14 nappal megnyitásuk után elkészítette az első fogászati röntgenfelvételt. Ezt követően pedig Fritz Giesellel megalapították a világ első fogászati röntgenlaboratóriumát.

1900-ra, 5 évvel a felfedezése után, a röntgensugarak diagnosztikai alkalmazása az orvosi gyakorlat szerves részének számított.

Pennsylvania legrégebbi kórháza által összeállított statisztika a röntgensugárzáson alapuló technológiák elterjedését jelzi. Elmondása szerint 1900-ban még csak a betegek mintegy 1-2%-a kapott röntgensugarat, míg 1925-ben már 25%-a.

A röntgensugárzást akkoriban nagyon szokatlan módon használták. Például szőrtelenítési szolgáltatások nyújtására használták őket. Hosszú ideig ezt a módszert előnyösebbnek tartották a fájdalmasabbakkal - csipesszel vagy viasszal - összehasonlítva. Ezenkívül a röntgensugarakat cipőszerelő készülékekben is alkalmazták – próbafénysugárzókban (pedoszkópokban). Ezek olyan röntgenkészülékek voltak, amelyeknek speciális bevágása volt a láb számára, valamint ablakok, amelyeken keresztül az ügyfél és az eladók értékelhették, hogyan ülnek le a cipők.

A röntgenképalkotás korai alkalmazása modern biztonsági szempontból számos kérdést vet fel. A probléma az volt, hogy a röntgensugarak felfedezésekor gyakorlatilag semmit nem tudtak a sugárzásról és annak következményeiről, ezért az új találmányt alkalmazó úttörők saját tapasztalataik szerint szembesültek annak káros hatásaival A fokozott expozíció negatív következményeivel század fordulóján vált tömegjelenséggé, a XX. században, és az emberek fokozatosan kezdtek ráébredni a röntgensugarak esztelen használatának veszélyeire.

A röntgensugarak természete

A röntgensugárzás ~ 100 eV és 250 keV közötti fotonenergiájú elektromágneses sugárzás, amely az ultraibolya sugárzás és a gamma sugárzás közötti elektromágneses hullámok skáláján helyezkedik el. Része a radioizotópokban előforduló természetes sugárzásnak, amikor az elemek atomjait elektronok, alfa-részecskék vagy gamma-kvantumok gerjesztik, amelyek során az elektronok az atom elektronhéjaiból kilökődnek. Röntgensugárzás akkor következik be, amikor a töltött részecskék gyorsulással mozognak, különösen az elektronok lelassulása esetén az anyag atomjainak elektromos mezőjében.

Megkülönböztetünk lágy és kemény röntgensugárzást, amelyek között a feltételes határ a hullámhossz-skálán kb. 0,2 nm, ami kb. 6 keV fotonenergiának felel meg. A röntgensugárzás rövid hullámhossza miatt áthatoló és ionizáló is, hiszen egy anyagon áthaladva kölcsönhatásba lép az elektronokkal, kiüti őket az atomokból, ezáltal ionokra és elektronokra bontja őket, és megváltoztatja az anyag szerkezetét. amely cselekszik.

A röntgensugárzás hatására a fluoreszcenciának nevezett kémiai vegyület világít. A minta atomjainak nagyenergiájú fotonokkal történő besugárzása elektronkibocsátást okoz – ezek elhagyják az atomot. Egy vagy több elektronpályán "lyukak" keletkeznek - ürességek, amelyek miatt az atomok gerjesztett állapotba kerülnek, azaz instabillá válnak. A másodperc milliomodrészével később az atomok visszatérnek stabil állapotba, amikor a belső pályákon lévő üresedéseket a külső pályák elektronjai töltik meg.

Ezt az átmenetet energiakibocsátás kíséri másodlagos foton formájában, így fluoreszcencia keletkezik.

Röntgencsillagászat

A Földön ritkán találkozunk röntgensugárzással, de az űrben igen gyakran. Ott természetesen előfordul számos űrobjektum tevékenysége miatt. Ez lehetővé tette a röntgencsillagászatot. A röntgenfotonok energiája jóval nagyobb, mint az optikaiké, ezért a röntgensugárzás tartományában rendkívül magas hőmérsékletre hevített anyagot bocsát ki.

Ezek a kozmikus röntgensugárforrások nem képezik számunkra észrevehető részét a természetes háttérsugárzásnak, ezért semmilyen módon nem fenyegetik az embereket. Az egyetlen kivétel lehet az olyan erős elektromágneses sugárzás forrása, mint a szupernóva-robbanás, amely elég közel történt a Naprendszerhez.

Hogyan készítsünk röntgensugarakat mesterségesen?

A röntgenkészülékeket ma is széles körben alkalmazzák roncsolásmentes introszkópiára (röntgenfelvételek az orvostudományban, hibadetektálás a technikában). Fő alkotóelemük egy röntgencső, amely egy katódból és egy anódból áll. A csőelektródák nagyfeszültségű, általában több tíz vagy akár több százezer voltos feszültségű forráshoz csatlakoznak. Melegítéskor a katód elektronokat bocsát ki, amelyeket a katód és az anód között létrejövő elektromos tér felgyorsít.

Az anóddal ütközve az elektronok lelassulnak, és elveszítik energiájuk nagy részét. Ilyenkor röntgen tartományú bremsstrahlung sugárzás jelenik meg, de az elektronenergia túlnyomó része hővé alakul, így az anód lehűl.

Az állandó vagy pulzáló hatású röntgencső még mindig a legelterjedtebb röntgensugárforrás, de messze nem az egyetlen. A nagy intenzitású sugárzási impulzusok előállításához nagyáramú kisüléseket használnak, amelyekben az áramló áram plazmacsatornáját az áram saját mágneses tere összenyomja - az úgynevezett csípés.

Ha a kisülés könnyű elemek közegében, például hidrogénes közegben történik, akkor a kisülésben fellépő elektromos tér által az elektronok hatékony gyorsítójaként működik. Ez a kisülés jelentősen meghaladhatja a külső áramforrás által generált mezőt. Ily módon kemény röntgensugárzás impulzusait kapjuk nagy energiájú generált kvantumokkal (több száz kiloelektronvolt), amelyek nagy áthatolóképességgel rendelkeznek.

A széles spektrumtartományban lévő röntgensugarak előállításához elektrongyorsítókat - szinkrotronokat használnak. Bennük egy gyűrű alakú vákuumkamrában képződik sugárzás, amelyben nagyenergiájú elektronokból álló keskeny irányú, csaknem fénysebességre gyorsított nyaláb mozog körpályán. Forgás közben mágneses tér hatására a repülő elektronok a pályára érintőlegesen széles spektrumban bocsátanak ki fotonsugarat, melynek maximuma a röntgensugár tartományára esik.

Hogyan érzékelik a röntgensugarakat

Hosszú ideig egy üveglap vagy átlátszó polimer fólia felületére felvitt vékony foszforréteget vagy fényképészeti emulziót használtak a röntgensugárzás kimutatására és mérésére. Az első a spektrum optikai tartományában ragyogott a röntgensugárzás hatására, míg a bevonat optikai átlátszósága kémiai reakció hatására megváltozott a filmben.

Jelenleg a röntgensugárzás regisztrálására leggyakrabban elektronikus detektorokat használnak - olyan eszközöket, amelyek elektromos impulzust generálnak, amikor a sugárzás kvantumát elnyeli a detektor érzékeny térfogata. Különböznek abban az elvben, hogy az elnyelt sugárzás energiáját elektromos jelekké alakítják.

Az elektronikus regisztrációval rendelkező röntgendetektorok ionizációra oszthatók, amelyek hatása egy anyag ionizációján alapul, és radiolumineszcensre, beleértve a szcintillációt is, amely az anyag lumineszcenciáját használja ionizáló sugárzás hatására. Az ionizációs detektorokat viszont gáztöltésűre és félvezetőre osztják, az érzékelési közegtől függően.

A gázzal töltött detektorok fő típusai az ionizációs kamrák, a Geiger-számlálók (Geiger-Muller-számlálók) és az arányos gázkisülés-számlálók. A számláló munkakörnyezetébe kerülő sugárzási kvantumok a gáz ionizációját és az áram áramlását okozzák, ami rögzítésre kerül. A félvezető detektorban sugárzási kvantumok hatására elektron-lyuk párok jönnek létre, amelyek egyúttal lehetővé teszik, hogy a detektor testén elektromos áram folyjon át.

A vákuumkészülékekben található szcintillációs számlálók fő alkotóeleme egy fotosokszorozó cső (PMT), amely a fotoelektromos effektus segítségével alakítja át a sugárzást töltött részecskék áramává, a másodlagos elektronemisszió jelenségét pedig a generált töltött részecskék áramának fokozására. A fotosokszorozónak fotokatódja és szekvenciális gyorsítóelektródák - dinódák - rendszere van, amelyekre ütközéskor a gyorsított elektronok szaporodnak.

A másodlagos elektronsokszorozó egy nyitott vákuumberendezés (csak vákuum körülmények között működik), amelyben a bemeneti röntgensugárzás primer elektronok áramlásává alakul, majd az elektronok másodlagos emissziója miatt felerősödik, miközben azok a szorzócsatornában terjednek..

A mikrocsatornás lemezek, amelyek hatalmas számú különálló mikroszkopikus csatorna, amelyek áthatolnak a lemezdetektoron, ugyanezen elv szerint működnek. Ezen túlmenően térbeli felbontást és a röntgensugárzás detektorára beeső fluxus keresztmetszetének optikai képét is biztosíthatják úgy, hogy egy félig átlátszó képernyő kimenő elektronáramát egy rá lerakott foszforral bombázzák.

Röntgen az orvostudományban

A röntgensugarak azon képessége, hogy átvilágítanak az anyagi tárgyakon, nemcsak egyszerű röntgensugarakat készíthetnek, hanem lehetőségeket nyit meg fejlettebb diagnosztikai eszközök számára is. Például a számítógépes tomográfia (CT) középpontjában áll.

A röntgenforrás és a vevő abban a gyűrűben forog, amelyben a páciens fekszik. A kapott adatokat arról, hogy a test szövetei hogyan veszik fel a röntgensugárzást, számítógéppel 3D-s képpé rekonstruálják. A CT különösen fontos a stroke diagnosztizálásában, és bár kevésbé pontos, mint az agy mágneses rezonancia képalkotása, sokkal kevesebb időt vesz igénybe.

A mikrobiológiában és az orvostudományban egy viszonylag új irányvonal a lágy röntgensugárzás alkalmazása. Amikor egy élő szervezet áttetsző, lehetővé teszi az erek képének készítését, a lágyszövetek szerkezetének részletes tanulmányozását, sőt sejtszintű mikrobiológiai vizsgálatok elvégzését is.

A nehéz elemek plazmájában lévő csípős kisülésből származó sugárzást használó röntgenmikroszkóp lehetővé teszi az élő sejt szerkezetének ilyen részleteinek megtekintését,amely elektronmikroszkóppal még speciálisan elkészített sejtszerkezetben sem látható.

A rosszindulatú daganatok kezelésében alkalmazott sugárterápia egyik fajtája kemény röntgensugárzást alkalmaz, amely ionizáló hatása révén válik lehetővé, amely roncsolja a biológiai tárgy szövetét. Ebben az esetben sugárforrásként elektrongyorsítót használnak.

Radiográfia a technikában

A lágy röntgensugárzást a szabályozott termonukleáris fúzió problémájának megoldására irányuló kutatásokban használják. A folyamat elindításához visszarúgási lökéshullámot kell létrehoznia úgy, hogy egy kis deutérium és trícium célpontot lágy röntgensugárzással besugároz egy elektromos kisülésből, és ennek a célpontnak a héját azonnal plazma állapotba melegíti.

Ez a hullám a szilárd test sűrűségénél több ezerszer nagyobb sűrűségűre sűríti össze a célanyagot, és termonukleáris hőmérsékletre melegíti fel. A termonukleáris fúziós energia felszabadulása rövid időn belül megtörténik, míg a forró plazma tehetetlenség hatására szétszóródik.

Az áttetsző képesség lehetővé teszi a radiográfiát - egy képalkotó technikát, amely lehetővé teszi például egy fémből készült átlátszatlan tárgy belső szerkezetének megjelenítését. Szemre nem lehet megállapítani, hogy a hídszerkezetek szilárdan hegesztettek-e, légmentes-e a varrat a gázvezetéknél, és hogy a sínek szorosan illeszkednek-e egymáshoz.

Ezért az iparban a röntgensugárzást hibaészlelésre használják - egy objektum vagy egyes elemei fő működési tulajdonságainak és paramétereinek megbízhatóságának ellenőrzésére, amely nem igényli az objektum forgalomból való kivonását vagy szétszerelését.

A röntgen-fluoreszcencia spektrometria a fluoreszcencia hatásán alapul – egy olyan elemzési módszer, amelyet a berilliumtól az uránig terjedő elemek koncentrációjának meghatározására használnak különböző eredetű anyagokban 0,0001 és 100% között.

Ha egy mintát egy röntgencsőből származó erős sugárzási fluxussal besugároznak, az atomok jellegzetes fluoreszcens sugárzása jelenik meg, amely arányos a mintában lévő koncentrációjukkal. Jelenleg gyakorlatilag minden elektronmikroszkóp lehetővé teszi a vizsgált mikroobjektumok részletes elemi összetételének nehézség nélkül történő meghatározását röntgen-fluoreszcencia analízis módszerével.

Röntgen a művészettörténetben

A röntgensugárzás azon képességét, hogy átvilágítanak és fluoreszcens hatást keltenek, a festmények tanulmányozására is használják. Ami a fedőfesték alatt rejtőzik, az sokat elárulhat a vászon keletkezésének történetéről. Például a többrétegű festékkel végzett ügyes munka során lehet egy képet egyedinek találni egy művész munkájában. A vászon legmegfelelőbb tárolási körülményeinek kiválasztásakor fontos figyelembe venni a festmény rétegeinek szerkezetét is.

Mindehhez nélkülözhetetlen a röntgensugárzás, amely lehetővé teszi, hogy a kép felső rétegei alá nézzen anélkül, hogy károsítaná azt.

Ebben az irányban fontos fejlemények a műalkotásokkal való munkára specializálódott új módszerek. A makroszkópos fluoreszcencia a röntgen-fluoreszcencia analízis egy olyan változata, amely jól alkalmas a körülbelül 0,5-1 négyzetméteres vagy nagyobb területen jelen lévő kulcselemek, főleg fémek eloszlási szerkezetének megjelenítésére.

Ezzel szemben a röntgen-laminográfia, a számítógépes röntgentomográfia egyik változata, amely inkább sík felületek vizsgálatára alkalmas, ígéretesnek tűnik a kép egyes rétegeinek képalkotására. Ezekkel a módszerekkel a festékréteg kémiai összetétele is tanulmányozható. Ez lehetővé teszi a vászon keltezését, többek között a hamisítás azonosítása érdekében.

A röntgensugarak lehetővé teszik az anyag szerkezetének megismerését

A röntgenkrisztallográfia az anyag szerkezetének atomi és molekuláris szintű azonosításával kapcsolatos tudományos irányzat. A kristályos testek megkülönböztető jellemzője ugyanazon elemek (sejtek) térszerkezetének többszörösen rendezett ismétlődése, amely atomok, molekulák vagy ionok bizonyos halmazából áll.

A fő kutatási módszer abból áll, hogy egy kristályos mintát röntgenkamerával egy keskeny röntgensugárnak tesznek ki. Az elkészült fényképen a kristályon áthaladó elhajló röntgensugárzás képe látható, amelyről a tudósok vizuálisan megjeleníthetik a kristályrácsnak nevezett térszerkezetét. Ennek a módszernek a megvalósításának különféle módjait röntgensugaras szerkezeti elemzésnek nevezik.

A kristályos anyagok röntgenszerkezeti elemzése két szakaszból áll:

1. A kristály egységcellája méretének, az egységcellában lévő részecskék (atomok, molekulák) számának és a részecskék elrendeződésének szimmetriájának meghatározása. Ezeket az adatokat a diffrakciós maximumok helyének geometriájának elemzésével kapjuk.
2. Az egységcellán belüli elektronsűrűség kiszámítása és az atomi koordináták meghatározása, amelyeket az elektronsűrűség maximumok helyzetével azonosítunk. Ezeket az adatokat a diffrakciós maximumok intenzitásának elemzésével kapjuk.

Egyes molekuláris biológusok azt jósolják, hogy a legnagyobb és legösszetettebb molekulák képalkotása során a röntgenkrisztallográfiát felválthatja egy új módszer, az úgynevezett kriogén elektronmikroszkóp.

A kémiai elemzés egyik legújabb eszköze Henderson filmszkennerje volt, amelyet a kriogén elektronmikroszkópiában végzett úttörő munkája során használt. Ez a módszer azonban még mindig meglehetősen drága, és ezért nem valószínű, hogy a közeljövőben teljesen felváltja a röntgenkrisztallográfiát.

A röntgensugarak használatával kapcsolatos kutatások és műszaki alkalmazások viszonylag új területe a röntgenmikroszkópia. Úgy tervezték, hogy a vizsgált objektumról a valós térben két vagy három dimenzióban, fókuszáló optika segítségével felnagyított képet kapjon.

A röntgenmikroszkópiában a térbeli felbontás diffrakciós határa az alkalmazott sugárzás kis hullámhossza miatt körülbelül 1000-szer jobb, mint az optikai mikroszkóp megfelelő értéke. Ezenkívül a röntgensugárzás áthatoló ereje lehetővé teszi a látható fény számára teljesen átláthatatlan minták belső szerkezetének tanulmányozását.

És bár az elektronmikroszkóp előnye a valamivel nagyobb térbeli felbontás, mégsem roncsolásmentes vizsgálati módszer, hiszen vákuumot és fémes vagy fémezett felületű mintákat igényel, ami például a biológiai objektumok esetében teljesen roncsoló.