Mida me teame röntgenikiirgusest?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2023-12-16 16:03

19. sajandil tundus inimsilmale nähtamatu kiirgus, mis on võimeline läbima liha ja muid materjale, millegi täiesti fantastilisena. Nüüd kasutatakse röntgenikiirgust laialdaselt meditsiiniliste piltide loomiseks, kiiritusravi läbiviimiseks, kunstiteoste analüüsimiseks ja tuumaenergia probleemide lahendamiseks.

Kuidas röntgenkiirgus avastati ja kuidas see inimesi aitab – uurime koos füüsik Aleksandr Nikolajevitš Dolgoviga.

Röntgenikiirguse avastamine

Alates 19. sajandi lõpust hakkas teadus mängima maailmapildi kujundamisel põhimõtteliselt uut rolli. Veel sajand tagasi oli teadlaste tegevus amatöörlikku ja eraviisilist. Kuid 18. sajandi lõpuks muutus teadus teadus- ja tehnikarevolutsiooni tulemusena süstemaatiliseks tegevuseks, mille käigus sai iga avastus võimalikuks tänu paljude spetsialistide panusele.

Hakkasid ilmuma uurimisinstituudid, perioodilised teadusajakirjad, tekkis konkurents ja võitlus teadussaavutuste ja tehniliste uuenduste autoriõiguse tunnustamise nimel. Kõik need protsessid leidsid aset Saksa impeeriumis, kus 19. sajandi lõpuks julgustas keiser teadussaavutusi, mis tõstsid riigi prestiiži maailmaareenil.

Üks teadlasi, kes sel perioodil entusiastlikult töötas, oli füüsikaprofessor, Würzburgi ülikooli rektor Wilhelm Konrad Roentgen. 8. novembril 1895 jäi ta laborisse hiljaks, nagu sageli juhtus, ja otsustas läbi viia eksperimentaalse uuringu elektrilahenduse kohta klaasist vaakumtorudes. Ta muutis ruumi pimedaks ja mähkis ühe toru läbipaistmatusse musta paberisse, et oleks kergem jälgida tühjenemisega kaasnevaid optilisi nähtusi. Minu üllatuseks

Roentgen nägi lähedalasuval ekraanil baariumtsüanoplatiniidi kristallidega kaetud fluorestsentsriba. On ebatõenäoline, et teadlane võiks siis ette kujutada, et ta on oma aja ühe olulisema teadusliku avastuse lävel. Järgmisel aastal kirjutatakse röntgenikiirgusest üle tuhande publikatsiooni, arstid võtavad leiutise kohe kasutusele, tänu sellele avastatakse tulevikus radioaktiivsust ja ilmuvad uued teadussuunad.

Röntgen pühendas järgmised paar nädalat arusaamatu sära olemuse uurimisele ja leidis, et fluorestsents ilmnes alati, kui ta torule voolu rakendas. Toru oli kiirguse allikas, mitte mingi muu elektriahela osa. Teadmata, millega ta silmitsi seisab, otsustas Roentgen nimetada selle nähtuse röntgenikiirguseks või röntgenikiirguseks. Lisaks avastas Roentgen, et see kiirgus võib tungida peaaegu kõikidesse objektidesse erineva sügavusega, sõltuvalt objekti paksusest ja aine tihedusest.

Nii osutus väljalasketoru ja ekraani vahele jääv väike pliiketas röntgenikiirgust mitteläbilaskvaks ning käe luud heitsid ekraanile tumedama varju, mida ümbritses pehmete kudede heledam vari. Peagi sai teadlane teada, et röntgenikiirgus ei põhjusta mitte ainult baariumtsüanoplatiniidiga kaetud ekraani sära, vaid ka fotoplaatide tumenemist (pärast arendust) nendes kohtades, kus röntgenikiirgus langes fotograafilisele emulsioonile.

Oma katsete käigus oli Roentgen veendunud, et avastas teadusele tundmatu kiirguse. 28. detsembril 1895 raporteeris ta uurimistulemustest ajakirjas Annals of Physics and Chemistry artiklis "Uut tüüpi kiirgusest". Samal ajal saatis ta teadlastele pilte oma naise, hiljem kuulsaks saanud Anna Bertha Ludwigi käest.

Tänu Röntgeni vanale sõbrale, Austria füüsikule Franz Exnerile, nägid Viini elanikud 5. jaanuaril 1896 esimesena neid fotosid ajalehe Die Presse lehekülgedel. Juba järgmisel päeval edastati info avamise kohta ajalehele London Chronicle. Nii hakkas Röntgeni avastamine järk-järgult inimeste igapäevaellu sisenema. Praktiline rakendus leiti peaaegu kohe: 20. jaanuaril 1896 ravisid arstid New Hampshire'is meest, kellel oli käeluumurd, uudse diagnostikameetodi - röntgeni - abil.

Röntgenikiirguse varajane kasutamine

Mitme aasta jooksul on hakatud täpsemate operatsioonide tegemiseks aktiivselt kasutama röntgenpilte. Juba 14 päeva pärast nende avamist tegi Friedrich Otto Valkhoff esimese hambaröntgeni. Ja pärast seda asutasid nad koos Fritz Gieseliga maailma esimese hambaröntgeni labori.

Aastaks 1900, 5 aastat pärast selle avastamist, peeti röntgenikiirguse kasutamist diagnoosimisel meditsiinipraktika lahutamatuks osaks.

Pennsylvania vanima haigla koostatud statistikat võib pidada indikatiivseks röntgenkiirgusel põhinevate tehnoloogiate leviku kohta. Tema sõnul sai 1900. aastal röntgeni abil abi vaid umbes 1-2% patsientidest, 1925. aastaks aga juba 25%.

Röntgenikiirgust kasutati tol ajal väga ebatavalisel viisil. Näiteks kasutati neid karvade eemaldamise teenuste pakkumiseks. Pikka aega peeti seda meetodit eelistatavamaks võrreldes valusamatega - tangide või vahaga. Lisaks on röntgenikiirgust kasutatud kingakinnitusseadmetes – proovifluoroskoopides (pedoskoobid). Need olid röntgeniaparaadid, millel oli jalgade jaoks spetsiaalne sälk, samuti aknad, mille kaudu klient ja müüjad said hinnata, kuidas jalatsid istusid.

Röntgenpildi varajane kasutamine kaasaegsest ohutuse vaatenurgast tekitab palju küsimusi. Probleem seisnes selles, et röntgenikiirguse avastamise ajal ei teatud kiirgusest ja selle tagajärgedest praktiliselt midagi, mistõttu uue leiutise kasutanud pioneerid seisid selle kahjulike mõjudega silmitsi oma kogemuses Suurenenud kokkupuute negatiivsed tagajärjed muutus massiliseks nähtuseks 19. sajandi vahetusel XX sajandil ja inimesed hakkasid tasapisi mõistma röntgenikiirguse mõttetu kasutamise ohtusid.

Röntgenikiirguse olemus

Röntgenkiirgus on elektromagnetkiirgus footonite energiaga ~ 100 eV kuni 250 keV, mis asub elektromagnetlainete skaalal ultraviolettkiirguse ja gammakiirguse vahel. See on osa looduslikust kiirgusest, mis tekib radioisotoopides, kui elementide aatomeid ergastab elektronide, alfaosakeste või gamma-kvantide voog, mille käigus elektronid paiskuvad välja aatomi elektronkihtidest. Röntgenkiirgus tekib siis, kui laetud osakesed liiguvad kiirendusega, eriti elektronide aeglustamisel, aine aatomite elektriväljas.

Eristatakse pehmet ja kõva röntgenikiirgust, mille vaheline tinglik piir on lainepikkuste skaalal umbes 0,2 nm, mis vastab umbes 6 keV footoni energiale. Röntgenkiirgus on oma lühikese lainepikkuse tõttu nii läbistav kui ka ioniseeriv, kuna ainet läbides interakteerub see elektronidega, lööb need aatomitest välja, lõhustades need ioonideks ja elektronideks ning muutes aine struktuuri. mida see toimib.

Röntgenikiirgus põhjustab keemilise ühendi, mida nimetatakse fluorestsentsi, hõõguma. Proovi aatomite kiiritamine suure energiaga footonitega põhjustab elektronide emissiooni – need lahkuvad aatomist. Ühes või mitmes elektronorbitaalis tekivad "augud" - vabad kohad, mille tõttu aatomid lähevad ergastatud olekusse ehk muutuvad ebastabiilseks. Miljonikud sekundit hiljem naasevad aatomid stabiilsesse olekusse, kui sisemiste orbitaalide vabad kohad täituvad väliste orbitaalide elektronidega.

Selle üleminekuga kaasneb energia emissioon sekundaarse footoni kujul, seega tekib fluorestsents.

Röntgeni astronoomia

Maal kohtame röntgenikiirgust harva, kuid kosmoses leidub seda üsna sageli. Seal tekib see looduslikult paljude kosmoseobjektide tegevuse tõttu. See tegi röntgenastronoomia võimalikuks. Röntgeni footonite energia on palju suurem kui optilistel, seetõttu kiirgab see röntgenkiirguse vahemikus ülikõrgete temperatuurideni kuumutatud ainet.

Need kosmilised röntgenikiirguse allikad ei ole meie jaoks loomuliku taustkiirguse märgatavaks osaks ega ohusta seetõttu kuidagi inimest. Ainsaks erandiks võib olla selline kõva elektromagnetkiirguse allikas nagu supernoova plahvatus, mis leidis aset päikesesüsteemile piisavalt lähedal.

Kuidas kunstlikult röntgenikiirgust luua?

Röntgeniseadmeid kasutatakse endiselt laialdaselt mittepurustava introskoopia jaoks (röntgenpildid meditsiinis, vigade tuvastamine tehnoloogias). Nende põhikomponent on röntgenitoru, mis koosneb katoodist ja anoodist. Toruelektroodid on ühendatud kõrgepingeallikaga, mille pinge on tavaliselt kümneid või isegi sadu tuhandeid volte. Kuumutamisel kiirgab katood elektrone, mida kiirendab katoodi ja anoodi vahel tekkiv elektriväli.

Anoodiga kokkupõrkel elektronid aeglustuvad ja kaotavad suurema osa oma energiast. Sel juhul ilmneb röntgenkiirguse vahemiku bremsstrahlung-kiirgus, kuid valdav osa elektronide energiast muundatakse soojuseks, mistõttu anood jahutatakse.

Pideva või impulsstoimega röntgenitoru on endiselt kõige levinum röntgenikiirguse allikas, kuid see pole kaugeltki ainus. Suure intensiivsusega kiirgusimpulsside saamiseks kasutatakse suure voolutugevusega lahendusi, mille puhul voolava voolu plasmakanalit surub kokku tema enda voolu magnetväli - nn pigistamine.

Kui tühjenemine toimub kergete elementide keskkonnas, näiteks vesiniku keskkonnas, siis täidab see tühjenemises endas tekkiva elektrivälja abil elektronide tõhusa kiirendaja rolli. See tühjendus võib oluliselt ületada välise vooluallika tekitatud välja. Sel viisil saadakse kõva röntgenkiirguse impulsid, millel on genereeritud kvantide kõrge energia (sadu kiloelektronvolte), millel on suur läbitungimisvõime.

Röntgenkiirguse saamiseks laias spektrivahemikus kasutatakse elektronkiirendeid - sünkrotroneid. Neis tekib rõngakujulise vaakumkambri sees kiirgus, milles ringorbiidil liigub kitsalt suunatud suure energiaga elektronide kiir, mis on kiirendatud peaaegu valguse kiiruseni. Pöörlemisel magnetvälja mõjul kiirgavad lendavad elektronid laias spektris orbiidile tangentsiaalselt footonite kiiri, mille maksimum langeb röntgenikiirguse vahemikku.

Kuidas röntgenkiirgust tuvastatakse

Pikka aega kasutati röntgenkiirguse tuvastamiseks ja mõõtmiseks klaasplaadi või läbipaistva polümeerkile pinnale kantud õhukest fosfori- või fotoemulsioonikihti. Esimene säras spektri optilises vahemikus röntgenkiirguse toimel, katte optiline läbipaistvus muutus aga kiles keemilise reaktsiooni toimel.

Praegu kasutatakse röntgenkiirguse registreerimiseks kõige sagedamini elektroonilisi detektoreid – seadmeid, mis tekitavad elektriimpulsi, kui kiirguskvant neeldub detektori tundlikus ruumalas. Need erinevad neeldunud kiirguse energia elektrilisteks signaalideks muutmise põhimõtte poolest.

Elektroonilise registreeringuga röntgendetektorid võib jagada ionisatsiooniks, mille toime põhineb aine ioniseerimisel, ja radioluminestsentsiks, sh stsintillatsiooniks, kasutades aine luminestsentsi ioniseeriva kiirguse toimel. Ionisatsioonidetektorid jagunevad omakorda gaasiga täidetud ja pooljuhtideks, olenevalt tuvastamiskeskkonnast.

Gaasiga täidetud detektorite peamised tüübid on ionisatsioonikambrid, Geigeri loendurid (Geiger-Mülleri loendurid) ja proportsionaalsed gaasilahendusloendurid. Loenduri töökeskkonda sattuvad kiirguskvandid põhjustavad gaasi ionisatsiooni ja voolu voolu, mis registreeritakse. Pooljuhtdetektoris tekivad kiirguskvantide toimel elektron-augu paarid, mis võimaldavad ka elektrivoolu läbimise detektori korpusest.

Vaakumseadme stsintillatsiooniloendurite põhikomponent on fotokordisti toru (PMT), mis kasutab fotoelektrilist efekti kiirguse muundamiseks laetud osakeste vooluks ja sekundaarse elektronemissiooni nähtust, et suurendada genereeritud laetud osakeste voolu. Fotokordistil on fotokatood ja järjestikuste kiirenduselektroodide süsteem - dünoodid, millele löögi korral kiirendatud elektronid paljunevad.

Sekundaarne elektronkordisti on avatud vaakumseade (töötab ainult vaakumtingimustes), mille sisendis olev röntgenkiirgus muundatakse primaarsete elektronide vooluks ja seejärel võimendatakse elektronide sekundaarse emissiooni tõttu, kui need levivad kordistikanalis..

Samal põhimõttel töötavad mikrokanaliplaadid, mis kujutavad endast tohutul hulgal eraldi mikroskoopilisi kanaleid, mis tungivad läbi plaadidetektori. Lisaks võivad need pakkuda ruumilist eraldusvõimet ja röntgenkiirguse detektorile langeva voo ristlõike optilise kujutise moodustamist, pommitades poolläbipaistva ekraani väljuvat elektronide voogu sellele sadestatud fosforiga.

Röntgenikiirgus meditsiinis

Röntgenikiirguse võime paista läbi materiaalsete objektide mitte ainult ei anna inimestele võimalust luua lihtsaid röntgenikiirgusid, vaid avab ka võimalused arenenumate diagnostikavahendite jaoks. Näiteks on see kompuutertomograafia (CT) keskmes.

Röntgenikiirguse allikas ja vastuvõtja pöörlevad rõnga sees, milles patsient lamab. Saadud andmed selle kohta, kuidas keha koed röntgenikiirgust neelavad, rekonstrueeritakse arvuti abil 3D-pildiks. CT on eriti oluline insuldi diagnoosimisel ja kuigi see on vähem täpne kui aju magnetresonantstomograafia, võtab see palju vähem aega.

Suhteliselt uus suund, mis praegu areneb mikrobioloogias ja meditsiinis, on pehme röntgenkiirguse kasutamine. Kui elusorganism on poolläbipaistev, võimaldab see saada veresoonte kujutist, uurida üksikasjalikult pehmete kudede struktuuri ja isegi teha mikrobioloogilisi uuringuid raku tasandil.

Röntgenmikroskoop, mis kasutab raskete elementide plasmas leiduva pigistamise tüüpi kiirgust, võimaldab näha selliseid üksikasju elusraku struktuurist,mida elektronmikroskoobiga ei näe isegi spetsiaalselt ettevalmistatud rakustruktuuris.

Ühes pahaloomuliste kasvajate ravis kasutatavas kiiritusravis kasutatakse kõva röntgenikiirgust, mis saab võimalikuks tänu selle ioniseerivale toimele, mis hävitab bioloogilise objekti kude. Sel juhul kasutatakse kiirgusallikana elektronkiirendit.

Radiograafia tehnoloogias

Pehmeid röntgenikiirgust kasutatakse uuringutes, mille eesmärk on lahendada kontrollitud termotuumasünteesi probleem. Protsessi alustamiseks peate looma tagasilöögilööklaine, kiiritades väikest deuteeriumi ja triitiumi sihtmärki pehmete röntgenikiirgusega elektrilahendusest ja kuumutades selle sihtmärgi kesta koheselt plasma olekusse.

See laine surub sihtmaterjali tiheduseni, mis on tuhandeid kordi suurem kui tahke aine tihedus, ja soojendab selle termotuumatemperatuurini. Termotuumasünteesi energia vabanemine toimub lühikese aja jooksul, samas kui kuum plasma hajub inertsi mõjul.

Läbipaistvuse võime teeb võimalikuks radiograafia – pildistamistehnika, mis võimaldab kuvada näiteks metallist läbipaistmatu objekti sisemist struktuuri. Silmaga pole võimalik kindlaks teha, kas sillakonstruktsioonid on tugevasti keevitatud, kas gaasitorustiku juures on õmblus õhutihe ja kas siinid sobivad omavahel tihedalt kokku.

Seetõttu kasutatakse tööstuses röntgenikiirgust vigade tuvastamiseks - objekti või selle üksikute elementide peamiste tööomaduste ja parameetrite usaldusväärsuse jälgimiseks, mis ei nõua objekti kasutusest kõrvaldamist ega lahtivõtmist.

Röntgeni fluorestsentsspektromeetria põhineb fluorestsentsi mõjul – analüüsimeetodil, mida kasutatakse elementide kontsentratsioonide määramiseks berülliumist uraanini vahemikus 0,0001 kuni 100% erineva päritoluga ainetes.

Kui proovi kiiritatakse röntgentoru võimsa kiirgusvooga, ilmub aatomitele iseloomulik fluorestsentskiirgus, mis on võrdeline nende kontsentratsiooniga proovis. Praegu võimaldab praktiliselt iga elektronmikroskoop röntgenfluorestsentsanalüüsi meetodil ilma raskusteta määrata uuritavate mikroobjektide üksikasjalikku elementaarkoostist.

Röntgenikiirgus kunstiajaloos

Röntgenikiirguse võimet läbi paista ja fluorestsentsefekti luua kasutatakse ka maalide uurimisel. See, mis on peidus pealmise värvikihi all, võib rääkida palju lõuendi loomise ajaloost. Näiteks oskuslikus töös mitme värvikihiga võib leida pildi kunstniku loomingus ainulaadsena. Lõuendile sobivaimate hoiutingimuste valimisel on oluline arvestada ka maali kihtide struktuuri.

Selle kõige jaoks on röntgenkiirgus hädavajalik, mis võimaldab teil vaadata pildi ülemiste kihtide alla seda kahjustamata.

Olulised arengud selles suunas on uued meetodid, mis on spetsialiseerunud kunstiteostega töötamiseks. Makroskoopiline fluorestsents on röntgenfluorestsentsanalüüsi variant, mis sobib hästi võtmeelementide, peamiselt metallide jaotusstruktuuri visualiseerimiseks umbes 0,5-1 ruutmeetri suurusel või suuremal alal.

Seevastu röntgenlaminograafia, kompuuterröntgentomograafia variant, mis sobib rohkem lamedate pindade uurimiseks, tundub paljutõotav pildi üksikute kihtide kujutiste saamiseks. Neid meetodeid saab kasutada ka värvikihi keemilise koostise uurimiseks. See võimaldab lõuendil dateerida, sealhulgas võltsingu tuvastamiseks.

Röntgenikiirgus võimaldab välja selgitada aine struktuuri

Röntgenkristallograafia on teaduslik suund, mis on seotud aine struktuuri tuvastamisega aatomi- ja molekulaartasandil. Kristallkehade eripäraks on mitmekordne järjestatud kordumine samade elementide (rakkude) ruumistruktuuris, mis koosneb teatud aatomite, molekulide või ioonide komplektist.

Peamine uurimismeetod seisneb kristallilise proovi eksponeerimises röntgenkaamera abil kitsale röntgenikiirele. Saadud fotol on pilt kristalli läbivatest difraktsiooniga röntgenkiirtest, millest teadlased saavad seejärel visuaalselt kuvada selle ruumilist struktuuri, mida nimetatakse kristallvõreks. Selle meetodi rakendamise erinevaid viise nimetatakse röntgenstruktuurianalüüsiks.

Kristalliliste ainete röntgenstruktuurianalüüs koosneb kahest etapist:

1. Kristalli ühikraku suuruse, osakeste (aatomite, molekulide) arvu ühikrakus ja osakeste paigutuse sümmeetria määramine. Need andmed saadakse difraktsioonimaksimumide asukoha geomeetria analüüsimisel.
2. Elektrontiheduse arvutamine ühikelemendi sees ja aatomkoordinaatide määramine, mis identifitseeritakse elektrontiheduse maksimumide asukohaga. Need andmed saadakse difraktsioonimaksimumide intensiivsuse analüüsimisel.

Mõned molekulaarbioloogid ennustavad, et suurimate ja keerukamate molekulide pildistamisel võib röntgenkristallograafia asendada uue tehnikaga, mida nimetatakse krüogeenseks elektronmikroskoopiaks.

Üks uusimaid keemilise analüüsi tööriistu oli Hendersoni filmiskanner, mida ta kasutas oma teedrajavas töös krüogeense elektronmikroskoopia vallas. Kuid see meetod on endiselt üsna kallis ja seetõttu ei asenda see tõenäoliselt lähitulevikus täielikult röntgenkristallograafiat.

Röntgenikiirguse kasutamisega seotud teadusuuringute ja tehniliste rakenduste suhteliselt uus valdkond on röntgenmikroskoopia. See on mõeldud uuritavast objektist reaalses ruumis kahe- või kolmemõõtmelise suurendatud kujutise saamiseks teravustamisoptika abil.

Kasutatava kiirguse väikesest lainepikkusest tingitud ruumilise eraldusvõime difraktsioonipiir röntgenmikroskoopias on umbes 1000 korda parem optilise mikroskoobi vastavast väärtusest. Lisaks võimaldab röntgenkiirguse läbitungimisvõime uurida näidiste sisemist struktuuri, mis on nähtavale valgusele täiesti läbipaistmatud.

Ja kuigi elektronmikroskoopia eeliseks on veidi suurem ruumiline eraldusvõime, ei ole see mittepurustav uurimismeetod, kuna selleks on vaja vaakumit ja metall- või metalliseeritud pindadega proove, mis on näiteks bioloogiliste objektide puhul täiesti hävitav.