Рентгеновское излучение (или гораздо реже рентгеновское излучение ) — это электромагнитное излучение высокой энергии . На многих языках его называют рентгеновским излучением в честь немецкого учёного Вильгельма Конрада Рентгена , который открыл его в 1895 году [1] и назвал его рентгеновским излучением , чтобы обозначить неизвестный тип излучения. [2]
Длины волн рентгеновских лучей короче, чем у ультрафиолетовых лучей, и длиннее, чем у гамма-лучей . Общепринятого и строгого определения границ рентгеновского диапазона не существует. Грубо говоря, рентгеновские лучи имеют длину волны от 10 нанометров до 10 пикометров , что соответствует частотам в диапазоне от 30 петагерц до 30 эксагерц (3 × 10 16 Гц до3 × 10 19 Гц ) и энергии в диапазоне от 100 эВ до 100 кэВ соответственно.
Рентгеновские лучи широко используются в медицинской диагностике (например, проверка на наличие сломанных костей ) и материаловедении (например, идентификация некоторых химических элементов и обнаружение слабых мест в строительных материалах). [3]
До своего открытия в 1895 году рентгеновские лучи представляли собой всего лишь разновидность неопознанного излучения, исходящего из экспериментальных газоразрядных трубок . Их заметили учёные, исследующие катодные лучи , генерируемые такими трубками, которые представляют собой пучки энергичных электронов , впервые наблюдавшиеся в 1869 году. Многие из первых трубок Крукса (изобретённых около 1875 года), несомненно, излучали рентгеновские лучи, поскольку ранние исследователи заметили эффекты, которые можно было объяснить им, как подробно описано ниже. Трубки Крукса создавали свободные электроны путем ионизации остаточного воздуха в трубке высоким постоянным напряжением от нескольких киловольт до 100 кВ. Это напряжение ускоряло электроны, выходящие из катода , до достаточно высокой скорости, чтобы они создавали рентгеновские лучи, когда ударялись об анод или стеклянную стенку трубки. [4]
Первым экспериментатором, который, как считалось, (неосознанно) произвел рентгеновские лучи, был Уильям Морган . В 1785 году он представил Лондонскому королевскому обществу доклад , описывающий эффекты прохождения электрических токов через частично вакуумированную стеклянную трубку, вызывающие свечение, создаваемое рентгеновскими лучами. [5] [6] Эта работа была дополнительно изучена Хамфри Дэви и его помощником Майклом Фарадеем .
Когда профессор физики Стэнфордского университета Фернандо Сэнфорд создал свою «электрическую фотографию», он также неосознанно генерировал и обнаруживал рентгеновские лучи. С 1886 по 1888 год он учился в лаборатории Германа фон Гельмгольца в Берлине, где познакомился с катодными лучами, генерируемыми в электронных лампах при подаче напряжения на отдельные электроды, как ранее изучали Генрих Герц и Филипп Ленард . Его письмо от 6 января 1893 года (описывающее его открытие как «электрическую фотографию») в журнал Physical Review было должным образом опубликовано, а в газете San Francisco Examiner появилась статья под названием « Без линзы или света, фотографии, сделанные с помощью пластины и объекта в темноте» . [7]
Начиная с 1888 года Филипп Ленард проводил эксперименты, чтобы выяснить, могут ли катодные лучи выходить из трубки Крукса в воздух. Он построил трубку Крукса с «окном» на конце из тонкого алюминия, обращенным к катоду, чтобы на него падали катодные лучи (позже названную «трубкой Ленарда»). Он обнаружил, что что-то прошло, что обнажило фотографические пластинки и вызвало флуоресценцию. Он измерил проникающую способность этих лучей через различные материалы. Было высказано предположение, что по крайней мере некоторые из этих «лучей Ленарда» на самом деле были рентгеновскими лучами. [8]
В 1889 году Иван Пулюй , преподаватель экспериментальной физики Пражского политехнического института , который с 1877 года конструировал различные конструкции газонаполненных трубок для исследования их свойств, опубликовал статью о том, как запечатанные фотопластинки темнеют под воздействием излучений трубки. [9]
Гельмгольц сформулировал математические уравнения для рентгеновских лучей. Он постулировал теорию дисперсии до того, как Рентген сделал свое открытие и заявление. Он основал ее на электромагнитной теории света . [10] [ нужна полная цитата ] Однако он не работал с настоящими рентгеновскими лучами.
В 1894 году Никола Тесла заметил в своей лаборатории поврежденную пленку, которая, по-видимому, была связана с экспериментами с трубкой Крукса, и начал исследовать эту невидимую лучистую энергию . [11] [12] После того, как Рентген идентифицировал рентгеновские лучи, Тесла начал создавать собственные рентгеновские изображения, используя высокое напряжение и трубки собственной конструкции, [13] , а также трубки Крукса.
8 ноября 1895 года немецкий профессор физики Вильгельм Рентген наткнулся на рентгеновские лучи во время экспериментов с трубками Ленарда и трубками Крукса и начал их изучать. Он написал первоначальный отчет «О новом виде лучей: предварительное сообщение» и 28 декабря 1895 года представил его в журнал Вюрцбургского физико-медицинского общества. [14] Это была первая статья, написанная о рентгеновских лучах. Рентген назвал это излучение буквой «X», чтобы указать, что это был неизвестный тип излучения. В некоторых ранних текстах они называются Хи-лучами, интерпретируя «X» как заглавную греческую букву Хи , Χ . [15] [16] [17] Название «рентгеновские лучи» прижилось, хотя (несмотря на серьезные возражения Рентгена) многие из его коллег предлагали называть их лучами Рентгена . Их до сих пор называют таковыми на многих языках, включая немецкий , венгерский , украинский , датский , польский , чешский , болгарский , шведский , финский , португальский , эстонский , словенский , турецкий , русский , латышский , литовский , албанский , японский , голландский , Грузинский , иврит , исландский и норвежский . За свое открытие Рентген получил первую Нобелевскую премию по физике . [18]
Существуют противоречивые сведения о его открытии, поскольку после смерти Рентгена его лабораторные записи сожгли, но это, скорее всего, реконструкция его биографов: [19] [20] Рентген исследовал катодные лучи из трубки Крукса, которую он завернул в черный картон. Чтобы видимый свет из трубки не мешал, использовали люминесцентный экран, окрашенный платиноцианидом бария . Он заметил слабое зеленое свечение на экране на расстоянии примерно 1 метра (3,3 фута). Рентген понял, что некоторые невидимые лучи, исходящие из трубки, проходили сквозь картон и заставляли экран светиться. Он обнаружил, что они также могут просматривать книги и бумаги на его столе. Рентген занялся систематическим исследованием этих неизвестных лучей. Через два месяца после своего первого открытия он опубликовал свою статью. [21]
Рентген обнаружил их медицинское применение, когда сфотографировал руку своей жены на фотопластинке, образовавшейся под действием рентгеновских лучей. Фотография руки его жены была первой фотографией части человеческого тела с использованием рентгеновских лучей. Когда она увидела фотографию, она сказала: «Я видела свою смерть». [24]
Открытие рентгеновских лучей вызвало значительный интерес. Биограф Рентгена Отто Глассер подсчитал, что только в 1896 году было опубликовано 49 эссе и 1044 статьи о новых лучах. [25] Вероятно, это была консервативная оценка, если учесть, что почти каждая газета во всем мире подробно писала о новом открытии, а такой журнал, как Science , посвятил ему целых 23 статьи только за этот год. [26] Сенсационная реакция на новое открытие включала публикации, связывающие новый вид лучей с оккультными и паранормальными теориями, такими как телепатия. [27] [28]
Рентген сразу заметил, что рентгеновские лучи могут иметь медицинское применение. Вместе со своим докладом Физико-медицинскому обществу от 28 декабря он разослал письмо знакомым врачам по всей Европе (1 января 1896 г.). [29] Новости (и создание «теневых диаграмм») быстро распространились: шотландский инженер-электрик Алан Арчибальд Кэмпбелл-Суинтон первым после Рентгена создал рентгеновский снимок (руки). В феврале только в Северной Америке эту технику использовали 46 экспериментаторов. [29]
Первое использование рентгеновских лучей в клинических условиях было осуществлено Джоном Холлом-Эдвардсом в Бирмингеме , Англия, 11 января 1896 года, когда он сделал рентгенографию иглы, застрявшей в руке сотрудника. 14 февраля 1896 года Холл-Эдвардс также первым применил рентгеновские лучи при хирургической операции. [30]
В начале 1896 года, через несколько недель после открытия Рентгена, Иван Романович Тарханов облучил лягушек и насекомых рентгеновскими лучами, придя к выводу, что лучи «не только фотографируют, но и влияют на жизненные функции». [31] Примерно в то же время зоологический иллюстратор Джеймс Грин начал использовать рентгеновские лучи для изучения хрупких экземпляров. Джордж Альберт Буленджер впервые упомянул об этой работе в докладе, который он представил Лондонскому зоологическому обществу в мае 1896 года. Книга Грина и Джеймса Х. Гардинера с предисловием Буленджера было опубликовано в 1897 году. [32] [33]
Первый медицинский рентгеновский снимок, сделанный в США, был получен с использованием газоразрядной трубки конструкции Пулуи. В январе 1896 года, прочитав об открытии Рентгена, Фрэнк Остин из Дартмутского колледжа проверил все газоразрядные трубки в физической лаборатории и обнаружил, что только трубка Пулуи излучает рентгеновские лучи. Это произошло в результате того, что Пулуи включил в трубку наклонную «мишень» из слюды , используемую для удержания образцов флуоресцентного материала. 3 февраля 1896 года Гилман Фрост, профессор медицины в колледже, и его брат Эдвин Фрост, профессор физики, подвергли рентгеновскому излучению запястье Эдди Маккарти, которого Гилман лечил несколькими неделями ранее от перелома, и собрали полученное изображение сломанной кости на желатиновых фотопластинках, полученное от Говарда Лангилла, местного фотографа, также интересующегося работами Рентгена. [34]
Многие экспериментаторы, включая самого Рентгена в его первоначальных экспериментах, придумали методы просмотра рентгеновских изображений «вживую», используя ту или иную форму люминесцентного экрана. [29] Рентген использовал экран, покрытый платиноцианидом бария . 5 февраля 1896 года устройства для создания изображений в реальном времени были разработаны итальянским ученым Энрико Сальвиони (его «криптоскоп») и Уильямом Фрэнсисом Мэги из Принстонского университета (его «Скиаскоп»), оба использовали платиноцианид бария. Американский изобретатель Томас Эдисон начал исследования вскоре после открытия Рентгена и исследовал способность материалов флуоресцировать под воздействием рентгеновских лучей, обнаружив, что вольфрамат кальция является наиболее эффективным веществом. В мае 1896 года он разработал первое массовое устройство для получения изображений в реальном времени, его «Витаскоп», позже названный флюороскопом , который стал стандартом для медицинских рентгеновских исследований. [29] Эдисон прекратил исследования рентгеновских лучей примерно в 1903 году, перед смертью Кларенса Мэдисона Далли , одного из его стеклодувов. У Далли была привычка проверять рентгеновские трубки на собственных руках, и в них развился настолько стойкий рак , что в тщетной попытке спасти ему жизнь ампутировали обе руки; в 1904 году он стал первой известной смертью, вызванной воздействием рентгеновских лучей. [29] Во время разработки флюороскопа американский физик сербского происхождения Михайло Пупин , используя экран из вольфрамата кальция, разработанный Эдисоном, обнаружил, что использование флуоресцентного экрана уменьшает время экспозиции, необходимое для создания рентгеновских лучей для медицинской визуализации из час до нескольких минут. [35] [29]
В 1901 году президент США Уильям Мак-Кинли был дважды застрелен при попытке покушения во время посещения Панамериканской выставки в Буффало, штат Нью-Йорк . Одна пуля задела лишь грудину , другая застряла где-то глубоко внутри живота и ее не удалось найти. Обеспокоенный помощник Мак-Кинли послал сообщение изобретателю Томасу Эдисону, чтобы тот срочно отправил рентгеновский аппарат в Буффало, чтобы найти шальную пулю. Он прибыл, но не использовался. Хотя сама стрельба не была смертельной, на пути пули развилась гангрена , и шесть дней спустя МакКинли умер от септического шока из-за бактериальной инфекции. [36]
С широким распространением экспериментов с рентгеновскими лучами после их открытия в 1895 году учёными, врачами и изобретателями в технических журналах того времени появилось множество историй об ожогах, выпадении волос и других худших явлениях. В феврале 1896 года профессор Джон Дэниел и Уильям Лофланд Дадли из Университета Вандербильта сообщили о выпадении волос после того, как Дадли сделали рентген. В лабораторию Вандербильта в 1896 году привезли ребенка, получившего ранение в голову. Прежде чем попытаться найти пулю, была предпринята попытка эксперимента, для которого Дадли «со свойственной ему преданностью науке» [ 37] [38] [39] вызвался добровольцем. Дэниел сообщил, что через 21 день после того, как он сделал снимок черепа Дадли (с выдержкой один час), он заметил лысину диаметром 5 сантиметров (2 дюйма) на части головы, ближайшей к рентгеновской трубке: «А Держатель для тарелок пластинами по направлению к черепу был прикреплен, а между черепом и головой была помещена монета . Трубка была прикреплена с другой стороны на расстоянии полдюйма [1,3 см] от волос». [40] Помимо ожогов, выпадения волос и рака, рентгеновские лучи могут быть связаны с бесплодием у мужчин в зависимости от количества используемой радиации.
В августе 1896 года Х.Д. Хоукс, выпускник Колумбийского колледжа, получил серьезные ожоги рук и груди в результате демонстрации рентгеновского снимка. Об этом сообщалось в журнале Electrical Review , что привело к появлению множества других сообщений о проблемах, связанных с рентгеновскими лучами, отправленными в издание. [41] Многие экспериментаторы, в том числе Элиху Томсон из лаборатории Эдисона, Уильям Дж. Мортон и Никола Тесла , также сообщали об ожогах. Элиху Томсон намеренно подвергал палец воздействию рентгеновской трубки в течение определенного периода времени, в результате чего он почувствовал боль, отек и образование волдырей. [42] Иногда в причинении ущерба обвиняли и другие эффекты, включая ультрафиолетовые лучи и (по словам Теслы) озон. [11] Многие врачи утверждали, что рентгеновское воздействие вообще не имело никаких последствий. [42] 3 августа 1905 года в Сан-Франциско , штат Калифорния , Элизабет Флейшман , американский пионер рентгеновских исследований, умерла от осложнений, возникших в результате ее работы с рентгеновскими лучами. [43] [44] [45]
У Холла-Эдвардса развился рак (тогда называемый рентгеновским дерматитом), который к 1904 году достиг достаточной стадии, чтобы заставить его писать статьи и выступать с публичными выступлениями об опасностях рентгеновских лучей. Его левую руку пришлось ампутировать в локте в 1908 году, [46] [47] и вскоре после этого четыре пальца на правой руке, оставив только большой палец. Он умер от рака в 1926 году. Его левая рука хранится в Бирмингемском университете .
Многочисленные применения рентгеновских лучей сразу же вызвали огромный интерес. Мастерские начали производить специализированные версии трубок Крукса для генерации рентгеновских лучей, и эти рентгеновские трубки с холодным катодом первого поколения или рентгеновские трубки Крукса использовались примерно до 1920 года.
Типичная медицинская рентгеновская система начала 20-го века состояла из катушки Румкорфа , соединенной с рентгеновской трубкой Крукса с холодным катодом . Искровой разрядник обычно подключался к стороне высокого напряжения параллельно трубке и использовался в диагностических целях. [48] Искровой разрядник позволял определять полярность искр, измерять напряжение по длине искр, определяя таким образом «жесткость» вакуума трубки, и обеспечивал нагрузку в случае отключения рентгеновской трубки. . Чтобы определить твердость трубки, искровой промежуток сначала был открыт в максимально широкое положение. Пока катушка работала, оператор уменьшал зазор до тех пор, пока не начали появляться искры. Трубка, в которой искровой промежуток начинал искриться на расстоянии около 6,4 сантиметра (2,5 дюйма), считалась мягкой (низкий вакуум) и подходящей для тонких частей тела, таких как руки и руки. Искра длиной 13 см (5 дюймов) указывала на то, что трубка подходит для плеч и коленей. Искра размером от 18 до 23 см (от 7 до 9 дюймов) будет указывать на более высокий вакуум, подходящий для визуализации брюшной полости более крупных людей. Поскольку искровой промежуток был подключен параллельно трубке, его нужно было открывать до тех пор, пока искрообразование не прекращалось, чтобы можно было использовать трубку для визуализации. Время экспозиции фотопластинок составляло от полминуты для руки до пары минут для грудной клетки. Пластины могут иметь небольшую добавку флуоресцентной соли для сокращения времени экспозиции. [48]
Трубки Крукса были ненадежны. Они должны были содержать небольшое количество газа (обязательно воздуха), поскольку ток в такой трубке не будет течь, если они полностью вакуумированы. Однако со временем рентгеновские лучи заставили стекло поглотить газ, в результате чего трубка начала генерировать «более жесткие» рентгеновские лучи, пока вскоре она не перестала работать. Трубки большего размера и более часто используемые были оснащены устройствами для восстановления воздуха, известными как «умягчители». Они часто имели форму небольшой боковой трубки, содержащей небольшой кусочек слюды , минерала , который удерживает относительно большое количество воздуха внутри своей структуры. Небольшой электрический нагреватель нагрел слюду, заставив ее выпустить небольшое количество воздуха, тем самым восстановив эффективность трубки. Однако срок службы слюды был ограничен, и процесс восстановления было трудно контролировать.
В 1904 году Джон Амброуз Флеминг изобрел термоэлектронный диод — первый вид вакуумной лампы . При этом использовался горячий катод , который заставлял электрический ток течь в вакууме . Эта идея была быстро применена к рентгеновским трубкам, и, следовательно, рентгеновские трубки с нагретым катодом, называемые «трубками Кулиджа», полностью заменили проблемные трубки с холодным катодом примерно к 1920 году.
Примерно в 1906 году физик Чарльз Баркла обнаружил, что рентгеновские лучи могут рассеиваться газами и что каждый элемент имеет характерный рентгеновский спектр . За это открытие он получил Нобелевскую премию по физике 1917 года .
В 1912 году Макс фон Лауэ , Пауль Книппинг и Вальтер Фридрих впервые наблюдали дифракцию рентгеновских лучей на кристаллах. Это открытие, наряду с ранними работами Пола Питера Эвальда , Уильяма Генри Брэгга и Уильяма Лоуренса Брэгга , положило начало области рентгеновской кристаллографии . [49]
В 1913 году Генри Мозли провел кристаллографические эксперименты с рентгеновскими лучами, исходящими от различных металлов, и сформулировал закон Мозли , который связывает частоту рентгеновских лучей с атомным номером металла.
Рентгеновская трубка Кулиджа была изобретена в том же году Уильямом Д. Кулиджем . Это сделало возможным непрерывное излучение рентгеновских лучей. Современные рентгеновские трубки основаны на этой конструкции, часто с использованием вращающихся мишеней, которые обеспечивают значительно более высокое рассеивание тепла, чем статические мишени, что дополнительно позволяет получать большее количество рентгеновских лучей для использования в мощных приложениях, таких как ротационные компьютерные томографы.
Впервые использование рентгеновских лучей в медицинских целях (которые переросли в область лучевой терапии ) было майором Джоном Холл-Эдвардсом в Бирмингеме, Англия . Затем, в 1908 году, ему пришлось ампутировать левую руку из-за распространения на руку рентгеновского дерматита . [50]
Медицинская наука также использовала кино для изучения физиологии человека. В 1913 году в Детройте был снят фильм, показывающий сваренное вкрутую яйцо внутри человеческого желудка. Этот ранний рентгеновский фильм записывался со скоростью одно неподвижное изображение каждые четыре секунды. [51] Доктор Льюис Грегори Коул из Нью-Йорка был пионером метода, который он назвал «серийной рентгенографией». [52] [53] В 1918 году рентгеновские лучи использовались в сочетании с кинокамерами, чтобы запечатлеть человеческий скелет в движении. [54] [55] [56] В 1920 году он использовался для записи движений языка и зубов при изучении языков Институтом фонетики в Англии. [57]
В 1914 году Мария Кюри разработала радиологические автомобили для поддержки солдат, раненых в Первой мировой войне . Автомобили позволят быстро делать рентгеновские снимки раненых солдат, чтобы боевые хирурги могли действовать быстрее и точнее. [58]
С начала 1920-х по 1950-е годы рентгеновские аппараты были разработаны для помощи при примерке обуви [59] и продавались коммерческим обувным магазинам. [60] [61] [62] Обеспокоенность по поводу последствий частого или плохо контролируемого употребления была выражена в 1950-х годах, [63] [64] что привело к окончательному прекращению этой практики в том же десятилетии. [65]
Рентгеновский микроскоп был разработан в 1950-х годах.
Рентгеновская обсерватория «Чандра» , запущенная 23 июля 1999 года, позволяет исследовать очень бурные процессы во Вселенной, которые производят рентгеновские лучи. В отличие от видимого света, который дает относительно стабильное представление о Вселенной, рентгеновская Вселенная нестабильна. В нем представлены звезды, разрываемые черными дырами , галактические столкновения и новые звезды, а также нейтронные звезды , которые создают слои плазмы, которые затем взрываются в космос.
Рентгеновское лазерное устройство было предложено в рамках Стратегической оборонной инициативы администрации Рейгана в 1980-х годах, но единственное испытание устройства (разновидность лазерного «бластера» или луча смерти , работающего за счет термоядерного взрыва) дало безрезультатные результаты. Результаты. По техническим и политическим причинам весь проект (включая рентгеновский лазер) был прекращен (хотя позже он был возрожден второй администрацией Буша как Национальная противоракетная оборона с использованием других технологий).
Фазово-контрастная рентгеновская визуализация относится к множеству методов, которые используют фазовую информацию рентгеновского луча для формирования изображения. Благодаря хорошей чувствительности к разнице плотности он особенно полезен для визуализации мягких тканей. Он стал важным методом визуализации клеточных и гистологических структур в широком спектре биологических и медицинских исследований. Существует несколько технологий, используемых для получения рентгеновских фазово-контрастных изображений, каждая из которых использует разные принципы преобразования фазовых изменений рентгеновских лучей, выходящих из объекта, в изменения интенсивности. [66] [67] К ним относятся фазовый контраст на основе распространения, [68] интерферометрия Тальбота , [67] визуализация с усилением рефракции, [69] и рентгеновская интерферометрия. [70] Эти методы обеспечивают более высокий контраст по сравнению с обычной рентгеновской визуализацией на основе поглощения, позволяя отличать друг от друга детали, имеющие почти одинаковую плотность. Недостатком является то, что эти методы требуют более сложного оборудования, такого как синхротронные или микрофокусные источники рентгеновского излучения, рентгеновская оптика и детекторы рентгеновского излучения высокого разрешения.
Рентгеновские лучи с высокой энергией фотонов выше 5–10 кэВ (ниже длины волны 0,2–0,1 нм) называются жесткими рентгеновскими лучами , а с более низкой энергией (и большей длиной волны) — мягкими рентгеновскими лучами . [71] Промежуточный диапазон с энергией фотонов в несколько кэВ часто называют мягким рентгеновским излучением . Благодаря своей проникающей способности жесткие рентгеновские лучи широко используются для визуализации внутренней части объектов (например, в медицинской рентгенографии и обеспечении безопасности в аэропортах ). Термин «рентген» метонимически используется для обозначения рентгенографического изображения, полученного с использованием этого метода, в дополнение к самому методу. Поскольку длины волн жестких рентгеновских лучей аналогичны размеру атомов, они также полезны для определения кристаллических структур с помощью рентгеновской кристаллографии . Напротив, мягкие рентгеновские лучи легко поглощаются воздухом; длина затухания рентгеновских лучей с энергией 600 эВ (~ 2 нм) в воде составляет менее 1 микрометра. [72]
Не существует единого мнения относительно определения различия между рентгеновскими лучами и гамма-лучами . Распространенной практикой является различие между двумя типами излучения в зависимости от их источника: рентгеновские лучи испускаются электронами , а гамма-лучи испускаются атомным ядром . [73] [74] [75] [76] Это определение имеет несколько проблем: другие процессы также могут генерировать эти фотоны высокой энергии , или иногда метод генерации неизвестен. Одной из распространенных альтернатив является разделение рентгеновского и гамма-излучения на основе длины волны (или, что то же самое, частоты или энергии фотонов), при этом излучение короче некоторой произвольной длины волны, например 10 -11 м (0,1 Å ), определяемое как гамма-излучение. . [77] Этот критерий относит фотон к однозначной категории, но это возможно только в том случае, если известна длина волны. (Некоторые методы измерения не различают обнаруженные длины волн.) Однако эти два определения часто совпадают, поскольку электромагнитное излучение, испускаемое рентгеновскими трубками, обычно имеет большую длину волны и меньшую энергию фотонов, чем излучение, испускаемое радиоактивными ядрами . [73] Иногда тот или иной термин используется в конкретных контекстах из-за исторического прецедента, на основе метода измерения (обнаружения) или на основе его предполагаемого использования, а не длины волны или источника. Таким образом, гамма-лучи, генерируемые для медицинских и промышленных целей, например, для лучевой терапии , в диапазонах 6–20 МэВ , в этом контексте также могут называться рентгеновскими лучами. [78]
Рентгеновские фотоны несут достаточно энергии, чтобы ионизировать атомы и разрушить молекулярные связи . Это делает его разновидностью ионизирующего излучения и, следовательно, вредным для живых тканей . Очень высокая доза радиации за короткий период времени вызывает лучевую болезнь , тогда как более низкие дозы могут привести к повышенному риску радиационно-индуцированного рака . При медицинской визуализации этот повышенный риск рака обычно значительно перевешивается пользой от обследования. Ионизирующая способность рентгеновских лучей может быть использована при лечении рака для уничтожения злокачественных клеток с помощью лучевой терапии . Он также используется для характеристики материалов с помощью рентгеновской спектроскопии .
Жесткие рентгеновские лучи могут проходить через относительно толстые объекты, не поглощаясь и не рассеиваясь . По этой причине рентгеновские лучи широко используются для изображения внутренней части визуально непрозрачных объектов. Чаще всего применяются в медицинской рентгенографии и сканерах безопасности аэропортов , но аналогичные методы также важны в промышленности (например, промышленная рентгенография и промышленное компьютерное сканирование ) и исследованиях (например, компьютерная томография мелких животных ). Глубина проникновения изменяется на несколько порядков в рентгеновском спектре. Это позволяет регулировать энергию фотонов в зависимости от применения так, чтобы обеспечить достаточное пропускание через объект и в то же время обеспечить хороший контраст изображения.
Рентгеновские лучи имеют гораздо более короткие длины волн, чем видимый свет, что позволяет исследовать структуры гораздо меньших размеров, чем те, которые можно увидеть с помощью обычного микроскопа . Это свойство используется в рентгеновской микроскопии для получения изображений высокого разрешения, а также в рентгеновской кристаллографии для определения положения атомов в кристаллах .
Рентгеновские лучи взаимодействуют с веществом тремя основными способами: фотопоглощение , комптоновское рассеяние и рэлеевское рассеяние . Сила этих взаимодействий зависит от энергии рентгеновских лучей и элементного состава материала, но мало от химических свойств, поскольку энергия рентгеновских фотонов значительно превышает энергии химической связи. Фотопоглощение или фотоэлектрическое поглощение является доминирующим механизмом взаимодействия в режиме мягкого рентгеновского излучения и при более низких энергиях жесткого рентгеновского излучения. При более высоких энергиях преобладает комптоновское рассеяние.
Вероятность фотоэлектрического поглощения на единицу массы примерно пропорциональна Z 3 / E 3 , где Z — атомный номер , а E — энергия падающего фотона. [79] Это правило не действует вблизи энергий связи электронов на внутренней оболочке, где происходят резкие изменения вероятности взаимодействия, так называемые края поглощения . Однако общая тенденция высоких коэффициентов поглощения и, следовательно, малой глубины проникновения для низких энергий фотонов и больших атомных номеров очень сильна. В мягких тканях фотопоглощение доминирует до энергии фотонов примерно до 26 кэВ, где преобладает комптоновское рассеяние. Для веществ с более высоким атомным номером этот предел выше. Благодаря высокому содержанию кальция ( Z = 20) в костях и их высокой плотности они так четко видны на медицинских рентгенограммах.
Фотопоглощенный фотон передает всю свою энергию электрону, с которым он взаимодействует, таким образом ионизируя атом, с которым связан электрон, и создавая фотоэлектрон, который, вероятно, ионизирует больше атомов на своем пути. Внешний электрон заполнит вакантную позицию электрона и создаст либо характеристическое рентгеновское излучение, либо оже-электрон . Эти эффекты можно использовать для обнаружения элементов с помощью рентгеновской спектроскопии или электронной оже-спектроскопии .
Комптоновское рассеяние является преобладающим взаимодействием между рентгеновскими лучами и мягкими тканями при медицинской визуализации. [80] Комптоновское рассеяние – это неупругое рассеяние рентгеновского фотона на электроне внешней оболочки. Часть энергии фотона передается рассеивающемуся электрону, тем самым ионизируя атом и увеличивая длину волны рентгеновских лучей. Рассеянный фотон может двигаться в любом направлении, но более вероятно направление, подобное исходному, особенно для рентгеновских лучей высоких энергий. Вероятность для разных углов рассеяния описывается формулой Клейна–Нишиной . Перенесенная энергия может быть непосредственно получена из угла рассеяния из закона сохранения энергии и импульса .
Рэлеевское рассеяние является доминирующим механизмом упругого рассеяния в рентгеновском режиме. [81] Неупругое рассеяние вперед приводит к появлению показателя преломления, который для рентгеновских лучей лишь немного ниже 1. [82]
Всякий раз, когда заряженные частицы (электроны или ионы) достаточной энергии ударяются о материал, образуются рентгеновские лучи.
Рентгеновские лучи могут генерироваться рентгеновской трубкой — вакуумной трубкой , которая использует высокое напряжение для ускорения электронов , высвобождаемых горячим катодом, до высокой скорости. Электроны с высокой скоростью сталкиваются с металлической мишенью, анодом , создавая рентгеновские лучи. [85] В медицинских рентгеновских трубках мишенью обычно является вольфрам или более устойчивый к растрескиванию сплав рения (5%) и вольфрама (95%), но иногда и молибден для более специализированных применений, например, когда используются более мягкие рентгеновские лучи. необходим, как и в маммографии. В кристаллографии наиболее распространена медная мишень, при этом кобальт часто используется, когда флуоресценция из-за содержания железа в образце в противном случае могла бы представлять проблему.
Максимальная энергия производимого рентгеновского фотона ограничена энергией падающего электрона, которая равна напряжению на трубке, умноженному на заряд электрона, поэтому трубка напряжением 80 кВ не может создавать рентгеновские лучи с энергией более 80 кВ. кэВ. Когда электроны достигают мишени, рентгеновские лучи создаются двумя разными атомными процессами:
Таким образом, результирующий выходной сигнал лампы состоит из непрерывного спектра тормозного излучения , спадающего до нуля при напряжении лампы, плюс несколько пиков на характеристических линиях. Напряжения, используемые в диагностических рентгеновских трубках, находятся в диапазоне примерно от 20 кВ до 150 кВ, и, таким образом, самые высокие энергии рентгеновских фотонов находятся в диапазоне примерно от 20 кэВ до 150 кэВ. [86]
Оба этих процесса производства рентгеновских лучей неэффективны: только около одного процента электрической энергии, используемой трубкой, преобразуется в рентгеновские лучи, и, таким образом, большая часть электроэнергии, потребляемой трубкой, выделяется в виде отходящего тепла. При создании полезного потока рентгеновских лучей рентгеновская трубка должна быть спроектирована так, чтобы рассеивать избыточное тепло.
Специализированным источником рентгеновского излучения, получающим широкое распространение в исследованиях, является синхротронное излучение , генерируемое ускорителями частиц . Его уникальными особенностями являются мощность рентгеновского излучения, на много порядков превышающая мощность рентгеновских трубок, широкий спектр рентгеновского излучения, отличная коллимация и линейная поляризация . [87]
Короткие наносекундные всплески рентгеновского излучения с пиковой энергией 15 кэВ можно надежно получать путем отделения самоклеящейся ленты от ее подложки в умеренном вакууме. Вероятно, это результат рекомбинации электрических зарядов, возникающих в результате трибоэлектрического заряда . Интенсивность рентгеновской триболюминесценции достаточна для использования ее в качестве источника рентгеновской визуализации. [88]
Рентгеновские лучи также могут создаваться быстрыми протонами или другими положительными ионами. Рентгеновское излучение, индуцированное протонами, или рентгеновское излучение, индуцированное частицами , широко используется в качестве аналитической процедуры. Для высоких энергий сечение образования пропорционально Z 1 2 Z 2 -4 , где Z 1 относится к атомному номеру иона, Z 2 относится к атомному номеру целевого атома. [89] Обзор этих поперечных сечений дан в той же ссылке.
Рентгеновские лучи также производятся молниями, сопровождающими земные вспышки гамма-излучения . Основной механизм — ускорение электронов в электрических полях, связанных с молнией, и последующее производство фотонов посредством тормозного излучения . [90] При этом образуются фотоны с энергией от нескольких кэВ до нескольких десятков МэВ. [91] В лабораторных разрядах с размером промежутка около 1 метра и пиковым напряжением 1 МВ наблюдаются рентгеновские лучи с характеристической энергией 160 кэВ. [92] Возможным объяснением является встреча двух стримеров и рождение убегающих электронов высокой энергии ; Однако микроскопическое моделирование показало, что продолжительность усиления электрического поля между двумя стримерами слишком коротка, чтобы произвести значительное количество убегающих электронов. [94] Недавно было высказано предположение, что возмущения воздуха вблизи стримеров могут способствовать образованию убегающих электронов и, следовательно, рентгеновского излучения от разрядов. [95] [96]
Детекторы рентгеновского излучения различаются по форме и функциям в зависимости от их назначения. Детекторы изображения, такие как те, что используются для рентгенографии, первоначально были основаны на фотопластинках , а затем на фотопленке , но в настоящее время в основном заменены различными типами цифровых детекторов, такими как пластины изображения и плоские детекторы . В целях радиационной защиты опасность прямого облучения часто оценивают с помощью ионизационных камер , а для измерения дозы радиации, которой подвергся человек, используются дозиметры . Рентгеновские спектры можно измерять либо с помощью энергодисперсионных, либо с помощью спектрометров с дисперсией по длине волны . Для приложений дифракции рентгеновских лучей , таких как рентгеновская кристаллография , широко используются гибридные детекторы счета фотонов . [97]
С момента открытия Рентгеном того, что рентгеновские лучи могут идентифицировать костные структуры, рентгеновские лучи стали использовать для медицинской визуализации . [98] Первое медицинское применение произошло менее чем через месяц после его статьи на эту тему. [34] До 2010 года во всем мире было проведено пять миллиардов медицинских визуализационных исследований. [99] Радиационное воздействие при медицинской визуализации в 2006 году составило около 50% от общего воздействия ионизирующего излучения в Соединенных Штатах. [100]
Проекционная рентгенография — это практика получения двумерных изображений с использованием рентгеновского излучения. Кости содержат высокую концентрацию кальция , который благодаря своему относительно высокому атомному номеру эффективно поглощает рентгеновские лучи. Это уменьшает количество рентгеновских лучей, попадающих в детектор в тени костей, делая их четко видимыми на рентгенограмме. Легкие и захваченный газ также четко видны из-за более низкой абсорбции по сравнению с тканями, тогда как различия между типами тканей увидеть труднее.
Проекционные рентгенограммы полезны при выявлении патологии костной системы , а также некоторых болезненных процессов в мягких тканях . Некоторыми примечательными примерами являются очень распространенная рентгенография грудной клетки , которую можно использовать для выявления заболеваний легких, таких как пневмония , рак легких или отек легких , а также рентгенография брюшной полости , которая может обнаружить непроходимость кишечника (или кишечника) , наличие свободного воздуха. (из висцеральных перфораций) и свободную жидкость (при асците ). Рентгеновское исследование также может использоваться для выявления таких патологий, как камни в желчном пузыре (которые редко бывают рентгеноконтрастными ) или камни в почках , которые часто (но не всегда) видны. Традиционные простые рентгеновские снимки менее полезны при визуализации мягких тканей, таких как мозг или мышцы . Одной из областей, где широко используются проекционные рентгенограммы, является оценка того, как ортопедический имплантат , такой как замена коленного, тазобедренного или плечевого сустава, расположен в организме по отношению к окружающей кости. Это можно оценить в двух измерениях по обычным рентгенограммам или в трех измерениях, если используется метод, называемый «регистрация 2D в 3D». Этот метод предположительно сводит на нет ошибки проекции, связанные с оценкой положения имплантата по обычным рентгенограммам. [101]
Стоматологическая рентгенография обычно используется для диагностики распространенных проблем полости рта, таких как кариес .
В медицинской диагностике низкоэнергетические (мягкие) рентгеновские лучи нежелательны, поскольку они полностью поглощаются организмом, увеличивая дозу облучения, не ухудшая изображение. Следовательно, тонкий металлический лист, часто из алюминия , называемый рентгеновским фильтром , обычно помещается над окном рентгеновской трубки, поглощая низкоэнергетическую часть спектра. Это называется ужесточением луча, поскольку оно смещает центр спектра в сторону рентгеновских лучей с более высокой энергией (или более жестких).
Для создания изображения сердечно -сосудистой системы , включая артерии и вены ( ангиография ), делается исходное изображение интересующей анатомической области. Затем делается второе изображение той же области после введения йодсодержащего контрастного вещества в кровеносные сосуды в этой области. Эти два изображения затем вычитаются в цифровом виде, оставляя изображение только йодированного контраста, очерчивающего кровеносные сосуды. Затем рентгенолог или хирург сравнивает полученное изображение с нормальными анатомическими изображениями, чтобы определить , есть ли какое-либо повреждение или закупорка сосуда.
Компьютерная томография (КТ-сканирование) — это метод медицинской визуализации, при котором томографические изображения или срезы определенных областей тела получаются из большой серии двумерных рентгеновских изображений, сделанных в разных направлениях. [102] Эти изображения поперечного сечения можно объединить в трехмерное изображение внутренней части тела и использовать в диагностических и терапевтических целях в различных медицинских дисциплинах.
Рентгеноскопия — это метод визуализации, обычно используемый врачами или лучевыми терапевтами для получения движущихся изображений внутренних структур пациента в реальном времени с помощью флюороскопа. В простейшем виде флюороскоп состоит из источника рентгеновского излучения и флуоресцентного экрана, между которым помещается пациент. Однако в современных флюороскопах экран соединен с усилителем рентгеновского изображения и видеокамерой CCD , что позволяет записывать изображения и воспроизводить их на мониторе. В этом методе может использоваться контрастное вещество. Примеры включают катетеризацию сердца (для проверки на закупорку коронарной артерии ) и глотание бария (для проверки на расстройства пищевода и нарушения глотания).
Использование рентгеновских лучей в качестве лечения известно как лучевая терапия и в основном используется для лечения (включая паллиативное лечение ) рака ; для этого требуются более высокие дозы радиации, чем те, которые получают только для визуализации. Рентгеновские лучи используются для лечения рака кожи с использованием рентгеновских лучей более низкой энергии, в то время как лучи более высокой энергии используются для лечения рака внутри организма, такого как мозг, легкие, простата и грудь. [103] [104]
Диагностические рентгеновские лучи (в первую очередь при компьютерной томографии из-за используемых больших доз) увеличивают риск проблем развития и рака у лиц, подвергшихся воздействию. [105] [106] [107] Рентгеновские лучи являются формой ионизирующего излучения и классифицируются как канцерогены как Международным агентством по исследованию рака Всемирной организации здравоохранения , так и правительством США. [99] [108] По оценкам, 0,4% текущих случаев рака в Соединенных Штатах вызваны компьютерной томографией (КТ), выполненной в прошлом, и что этот показатель может увеличиться до 1,5–2% с показателями КТ в 2007 году. Применение. [109]
Экспериментальные и эпидемиологические данные в настоящее время не подтверждают предположение о том, что существует пороговая доза радиации , ниже которой нет повышенного риска развития рака. [110] Однако это вызывает все больше сомнений. [111] Риск рака может начаться при дозе облучения 1100 мГр. [112] Подсчитано, что дополнительное облучение от диагностических рентгеновских лучей увеличит совокупный риск заболевания раком у среднего человека к 75 годам на 0,6–3,0%. [113] Количество поглощенной радиации зависит от типа рентгеновского исследования и задействованной части тела. [109] КТ и рентгеноскопия требуют более высоких доз радиации, чем обычный рентген.
Чтобы представить повышенный риск в перспективе, обычный рентген грудной клетки подвергает человека такому же количеству фонового излучения , которому люди подвергаются (в зависимости от местоположения) каждый день в течение 10 дней, в то время как облучение от стоматологического рентгена примерно эквивалентен 1 дню радиационного фона окружающей среды. [114] Каждый такой рентгеновский снимок увеличит риск рака на протяжении жизни менее чем на 1 на 1 000 000. КТ брюшной полости или грудной клетки будет эквивалентна 2–3 годам фонового облучения всего тела или 4–5 годам облучения брюшной полости или грудной клетки, что увеличивает риск рака в течение жизни от 1 на 1000 до 1 на 10 000. [114] Для сравнения: вероятность того, что у гражданина США заболеет рак в течение жизни, составляет примерно 40%. [115] Например, эффективная доза туловища при компьютерной томографии грудной клетки составляет около 5 мЗв, а поглощенная доза — около 14 мГр. [116] КТ головы (1,5 мЗв, 64 мГр) [117] , выполненная один раз с контрастным веществом и один раз без контрастного вещества, будет эквивалентна 40 годам фонового облучения головы. Точная оценка эффективных доз, полученных при КТ, затруднена, поскольку диапазон неопределенности оценки составляет от ± 19% до ± 32% для сканирования головы взрослого человека в зависимости от используемого метода. [118]
Риск облучения выше для плода, поэтому у беременных польза от исследования (рентгенографии) должна быть сбалансирована с потенциальной опасностью для плода. [119] [120] Если проводится 1 сканирование в 9 месяцев, это может быть вредно для плода. [121] Поэтому беременные женщины проходят ультразвуковое исследование в качестве диагностического метода, поскольку при этом не используется радиация. [121] Слишком большое радиационное облучение может оказать вредное воздействие на плод или репродуктивные органы матери. [121] В США ежегодно проводится около 62 миллионов компьютерных томографий, в том числе более 4 миллионов у детей. [109] Отказ от ненужных рентгеновских исследований (особенно компьютерной томографии) снижает дозу радиации и связанный с ней риск рака. [122]
Медицинские рентгеновские лучи являются значительным источником антропогенного радиационного облучения. В 1987 году на их долю приходилось 58% облучения от антропогенных источников в США. Поскольку на искусственные источники приходилось только 18% общего радиационного облучения, большая часть которого приходилась на естественные источники (82%), на медицинские рентгеновские лучи приходилось только 10% общего радиационного облучения в Америке; На медицинские процедуры в целом (включая ядерную медицину ) приходилось 14% общего радиационного облучения. Однако к 2006 году медицинские процедуры в Соединенных Штатах вызывали гораздо больше ионизирующего излучения, чем это было в начале 1980-х годов. В 2006 году медицинское облучение составило почти половину общего радиационного облучения населения США от всех источников. Это увеличение связано с ростом использования процедур медицинской визуализации, в частности компьютерной томографии (КТ), и ростом использования ядерной медицины. [100] [123]
Дозировка при дентальной рентгенографии значительно варьируется в зависимости от процедуры и технологии (пленочная или цифровая). В зависимости от процедуры и технологии однократная рентгенография зубов человека дает экспозицию от 0,5 до 4 мбэр. Серия рентгеновских снимков всего рта может привести к облучению от 6 (цифровых) до 18 (пленочных) мбэр, что в среднем составляет до 40 мбэр в год. [124] [125] [126] [127] [128] [129] [130]
Было доказано, что финансовые стимулы оказывают существенное влияние на использование рентгена: врачам платят отдельную плату за каждый рентгеновский снимок, делающий больше рентгеновских снимков. [131]
Ранняя фотонная томография или ЭПТ [132] (по состоянию на 2015 год) наряду с другими методами [133] исследуется как потенциальная альтернатива рентгеновским лучам для визуализации.
Другие известные применения рентгеновских лучей включают:
Хотя обычно рентгеновские лучи считаются невидимыми для человеческого глаза, в особых обстоятельствах они могут быть видимы. Брандес в эксперименте, проведенном вскоре после знаменательной статьи Рентгена в 1895 году, сообщил, что после адаптации к темноте и поднесения глаза близко к рентгеновской трубке он увидел слабое «сине-серое» свечение, которое, казалось, возникло внутри самого глаза. [138] Услышав это, Рентген просмотрел свои книги рекордов и обнаружил, что тоже видел эффект. Поместив рентгеновскую трубку на противоположную сторону деревянной двери, Рентген заметил такое же голубое свечение, как будто исходившее из самого глаза, но счел свои наблюдения ложными, поскольку он видел эффект только тогда, когда использовал один тип рентгеновского излучения. трубка. Позже он понял, что трубка, создавшая этот эффект, была единственной достаточно мощной, чтобы сделать свечение отчетливо видимым, и впоследствии эксперимент можно было легко повторить. Знание о том, что рентгеновские лучи на самом деле слабо видны невооруженным глазом, адаптированным к темноте, сегодня в значительной степени забыто; Вероятно, это связано с желанием не повторять то, что сейчас рассматривалось бы как безрассудно опасный и потенциально вредный эксперимент с ионизирующим излучением . Неизвестно, какой именно механизм в глазу обеспечивает видимость: это может быть связано с традиционным обнаружением (возбуждение молекул родопсина в сетчатке), прямым возбуждением нервных клеток сетчатки или вторичным обнаружением, например, с помощью рентгеновской индукции. фосфоресценции в глазном яблоке при обычном обнаружении сетчаткой вторично произведенного видимого света.
Хотя в остальном рентгеновские лучи невидимы, можно увидеть ионизацию молекул воздуха, если интенсивность рентгеновского луча достаточно высока. Пучок от вигглера Европейской установки синхротронного излучения [139] является одним из примеров такой высокой интенсивности. [140]
Мерой ионизирующей способности рентгеновских лучей называется экспозиция:
Однако воздействие ионизирующего излучения на материю (особенно на живые ткани) более тесно связано с количеством вложенной в них энергии , а не с генерируемым зарядом . Эта мера поглощенной энергии называется поглощенной дозой :
Эквивалентная доза является мерой биологического воздействия радиации на ткани человека. Для рентгеновских лучей она равна поглощенной дозе .
Медицинский портал
Физический порталКрыс обучали реагировать на сигналы, состоящие из очень низких доз хи-излучения, направленных в голову.
{{cite book}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)Из 5 миллиардов визуализирующих исследований, проведенных во всем мире...
Определения из Викисловаря
СМИ от Commons