Рентген

Рентгеновское излучение – это форма электромагнитного излучения. Большинство рентгеновских лучей имеют длину волны от 0,01 до 10 нанометров, что соответствует частотам в диапазоне от 30 петагерц до 30 эксагерц (3 × 1016 Гц до 3 × 1019 Гц) и энергиям в диапазоне от 100 эВ до 100 кэВ. Длина рентгеновских лучей меньше, чем длина УФ-лучей, и обычно она больше, чем у гамма-лучей. На многих языках мира, рентгеновское излучение относится к терминам, означающим радиацию Рентгена, в честь немецкого ученого Вильгельма Рентгена, который обычно считается его первооткрывателем и который назвал его рентгеновским излучением, чтобы обозначить неизвестный тип излучения. ¹⁾

До их открытия в 1895 году, рентгеновские лучи были всего лишь типом неопознанного излучения, исходящего из экспериментальных разрядных трубок. Их заметили ученые, изучающие катодные лучи, создаваемые такими трубками, которые являются энергетическими электронными пучками, которые были впервые обнаружены в 1869 году. Многие из ранних труб Крукса (изобретенных около 1875 г.), несомненно, излучали рентгеновские лучи, поскольку первые исследователи заметили эффекты, которые были отнесены к ним, как описано ниже. Трубы Крукса создавали свободные электроны путем ионизации остаточного воздуха в трубе с высоким постоянным напряжением от нескольких киловольт до 100 кВ. Это напряжение ускоряло электроны, идущие от катода, до достаточно высокой степени, чтобы создавать рентгеновские лучи, когда они ударяли по аноду или стеклянной стенке трубки ²⁾. Считается, что раньше всех неосознанно произвёл рентгеновские лучи Уильям Морган. В 1785 году он представил Лондонскому королевскому обществу документ, описывающий эффекты прохождения электрических токов через частично вакуумированную стеклянную трубку, создавая свечение, производимое рентгеновскими лучами. Эта работа была дополнительно исследована Хамфри Дэви и его помощником Майклом Фарадеем. Когда профессор физики из Стэнфордского университета Фернандо Сэнфорд создал свою «электрическую фотографию», он также бессознательно создал и обнаружил рентгеновские лучи. С 1886 по 1888 годы он учился в лаборатории Германа Гельмгольца в Берлине, где узнал о катодных лучах, генерируемых в вакуумных трубах, когда напряжение распространялось на отдельные электроды, что ранее изучали Генрих Герц и Филипп Ленард. Его письмо от 6 января 1893 года (описывающее его открытие как «электрическую фотографию») в «Физическом обзоре» было опубликовано, а статья «Без линзы или света: фотографии с пластинкой и объектом в темноте» появилась в San Francisco Examiner. Начиная с 1888 года, Филипп Ленард, ученик Генриха Герца, проводил эксперименты, чтобы увидеть, могут ли катодные лучи выходить из трубы Крукса в воздух. Он построил трубу Крукса с «окном» в конце, изготовленном из тонкого алюминия, обращенного к катоду, чтобы катодные лучи ударяли его (что позже получило название «труба Ленарда»). Он обнаружил, что что-то воздействовало на фотографические пластины, вызывая флуоресценцию. Он измерил проникающую способность этих лучей через различные материалы. Было высказано предположение, что, по крайней мере, некоторые из этих «лучей Ленарда» были фактически рентгеновскими лучами. В 1889 году уроженец Украины Иван Пулюй, преподаватель экспериментальной физики в Пражском политехническом институте, который с 1877 года строил различные конструкции газонаполненных трубок для исследования их свойств, опубликовал статью о том, как запечатанные фотографические пластины становились тёмными при воздействии эманаций из труб. ³⁾ Герман фон Гельмгольц сформулировал математические уравнения для рентгеновских лучей. Он постулировал теорию дисперсии, прежде чем Рентген сделал свое открытие и объявил о нём. Теория была сформирована на основе электромагнитной теории света. Однако, учёный не работал с реальными рентгеновскими лучами. В 1894 году Никола Тесла заметил в своей лаборатории поврежденную плёнку, которая, казалось, была связана с экспериментами на трубках Крукса, и начал исследовать эту лучистую энергию «невидимых» видов. После того, как Рентген идентифицировал рентгеновское излучение, Тесла начал создавать собственные рентгеновские снимки, используя высокие напряжения и трубки собственной конструкции ⁴⁾, а также трубки Крукса.

8 ноября 1895 года немецкий физик-профессор Вильгельм Рентген наткнулся на рентгеновские снимки, экспериментируя с трубами Ленарда и трубами Крукса, и начал их изучать. Он написал первоначальный доклад «О новом виде луча: предварительный взгляд», а 28 декабря 1895 года он представил его в журнале «Физико-медицинское общество Вюрцбурга» ⁵⁾. Это была первая работа по рентгеновским снимкам. Рентген назвал это излучение «X», чтобы указать, что это был неизвестный тип излучения. Название осталось, хотя (несмотря на возражения Рентгена) многие из его коллег предложили назвать его лучами Рентгена. Это излучение по-прежнему называется рентгеновским на многих языках, включая немецкий, венгерский, датский, польский, шведский, финский, эстонский, русский, японский, голландский, грузинский и норвежский. Рентген получил за свое открытие первую Нобелевскую премию по физике. Существуют противоречивые сведения о его открытии, потому что записи Рентгена из его лаборатории были сожжены после его смерти, однако, вот вероятная реконструкция его биографов: ⁶⁾ Рентген исследовал катодные лучи из трубы Крукса, которую он обернул в черный картон, чтобы не мешал видимый свет из трубки, используя флуоресцентный экран, окрашенный бариноплатиноцианидом. Он заметил слабое зеленое свечение с экрана, примерно в метре от него. Рентген понял, что некоторые невидимые лучи, исходящие из трубки, проходили через картон, заставляя экран сиять. Он обнаружил, что лучи могут также проходить через книги и документы на его столе. Рентген начал систематически исследовать эти неизвестные лучи. Через два месяца после его первоначального открытия, он опубликовал свою статью. Рентген открыл их медицинское применение, когда он сделал фотографию руки своей жены на фотографической пластине, сформированной рентгеновскими лучами. Фотография руки его жены была первой фотографией части человеческого тела, сделанной с использованием рентгеновских лучей. Когда жена увидела это изображение, она заявила: «Я видела свою смерть». Открытие рентгеновских лучей вызвало настоящую сенсацию. Биограф Рентгена Отто Гласер подсчитал, что только в 1896 году было опубликовано целых 49 эссе и 1044 статьи о новых лучах. Вероятно, это был скромный подсчёт, если учесть, что почти каждая газета по всему миру подробно описывала новое открытие, причём журнал Science посвятил этому открытию в том году целых 23 статьи. Сенсационные реакции на новое открытие включали публикации, связывающие новый вид лучей с оккультными и паранормальными теориями, такими как телепатия. ⁷⁾

Рентген сразу заметил, что рентгеновские лучи могут иметь медицинское применение. Наряду со своим заявлением в физико-медицинское общество от 28 декабря, он направил письмо врачам по всей Европе, которых он знал (1 января 1896 г.) ⁸⁾. Новости (и создание «снимков») быстро распространились благодаря шотландскому инженеру-электрику Алану Арчибальду Кэмпбеллу-Суинтону, который первым после Рентгена сделал рентген (руки). В феврале, в одной только в Северной Америке этой техникой занималось 46 экспериментаторов. Впервые рентгеновские лучи были использованы в клинической практике Джоном Холл-Эдвардсом в Бирмингеме, Англия, 11 января 1896 года, когда он сфотографировал иглу, застрявшую в руке его помощника. 14 февраля 1896 года Холл-Эдвардс впервые использовал рентгеновские лучи при проведении хирургической операции. В начале 1896 года, спустя несколько недель после открытия Рентгена, Иван Романович Тарханов облучил лягушек и насекомых рентгеновскими лучами, заключив, что лучи «не только фотографируют, но также влияют на функционирование живых организмов». Первый медицинский рентген, сделанный в Соединенных Штатах, был получен с использованием разрядной трубки конструкции Пулюя. В январе 1896 года, прочитав об открытии Рентгена, Фрэнк Остин из Дартмутского колледжа протестировал все разрядные трубки в лаборатории физики и обнаружил, что только трубка Пулюя производит рентгеновские снимки. Это было результатом включения Пулюем наклонной «мишени» из слюды, используемой для хранения образцов флуоресцентного материала внутри трубки. 3 февраля 1896 года Гилман Фрост, профессор медицины в колледже, и его брат Эдвин Фрост, профессор физики, облучили рентгеновскими лучами запястье Эдди Маккарти, которого Гилман несколько недель назад лечил от перелома, и получили в результате этого изображение сломанной кости на желатиновых фотографических пластинах, полученных от Ховарда Лангилла, местного фотографа, также заинтересованного в работе Рентгена. Многие экспериментаторы, в том числе, сам Рентген в своих оригинальных экспериментах, придумали методы просмотра рентгеновских изображений «вживую» с использованием какой-либо формы люминесцентного экрана. Рентген использовал экран, покрытый барий-платиноцианидом. 5 февраля 1896 года, устройства для визуализации в реальном времени были разработаны итальянским ученым Энрико Сальвиони («криптоскоп») и профессором Макги из Принстонского университета («скиаскоп»), с использованием платиноцианида бария. Американский изобретатель Томас Эдисон начал исследование вскоре после открытия Рентгена. Ученый исследовал способность материалов флуоресцировать при воздействии рентгеновских лучей. Было обнаружено, что вольфрамат кальция является наиболее эффективным веществом. В мае 1896 года он разработал первое серийное устройство для создания живых изображений, его «витаскоп», позже названный флюороскопом, стал стандартом для медицинских рентгеновских исследований. Эдисон бросил рентгеновские исследования примерно в 1903 году, до смерти Кларенса Мэдисона Далли, одного из его стеклодувов. У Далли была привычка испытывать рентгеновские трубки на собственных руках, и у него развился рак, из-за которого ему пришлось ампутировать обе руки в тщетной попытке спасти его жизнь, а в 1904 он умер, став первым человеком, умершим в результате рентгеновского облучения. За время разработки флюороскопа, сербско- американский физик Михайло Пупин, используя экран из вольфрамата кальция, разработанный Эдисоном, обнаружил, что использование флуоресцентного экрана уменьшило время воздействия, необходимое для создания рентгеновского снимка для медицинской визуализации с часа до нескольких минут. В 1901 году в президента США Уильяма Маккинли дважды выстрелили. Одна пуля лишь зацепила его грудину, а другая засела где-то глубоко внутри его живота и ее не могли найти. Озабоченный помощник Маккинли послал письмо изобретателю Томасу Эдисону, чтобы тот прислал рентгеновский аппарат в Буффало, с целью обнаружить пулю. Аппарат прибыл, но не был использован. В то время как сам выстрел не был смертельным, по пути пули развилась гангрена, и Маккинли умер через шесть дней от септического шока из-за бактериальной инфекции. ⁹⁾

После их открытия в 1895 году, после широкого распространения экспериментов с рентгеновскими лучами, проводимых учеными, врачами и изобретателями, в технических журналах того времени появилось множество историй об ожогах, выпадении волос и других последствиях. В феврале 1896 года профессор Джон Дэниел и доктор Уильям Лофланд Дадли из Университета Вандербильта сообщили о потере волос после того, как доктор Дадли подвергся рентгеновскому облучению. В 1896 году в лабораторию Вандербильта был доставлен ребенок с пулей в голове. До попытки найти пулю был предпринят эксперимент, в котором Дадли вызвался участвовать сам, «с его характерной преданностью науке». ¹⁰⁾ Даниэль сообщил, что через 21 день после рентгена черепа Дадли (со временем экспозиции в один час) он заметил лысое пятно диаметром 5,1 см со стороны его головы, ближайшей к рентгеновской трубке: «был закреплен держатель пластины с пластинами в сторону черепа, а между черепом и головой была установлена монета, при этом на другой стороне была прикреплена трубка на расстоянии 1,2 см от волос». В августе 1896 г. доктор Хоукс, выпускник Колумбийского колледжа, пострадал от ожогов рук и груди в результате рентгеновского облучения. Об этом сообщалось в «Электрическом обзоре», что привело к появлению многих других сообщений о проблемах, связанных с рентгеновскими лучами. Многие экспериментаторы, в том числе, Элиу Томсон из лаборатории Эдисона, Уильям Дж. Мортон и Никола Тесла, также сообщили об ожогах. Элиу Томсон сознательно подставил палец под рентгеновскую трубку на определенный период времени, и пострадал от боли, отека и волдырей. Иногда считалось, что виной тому другие эффекты, включая ультрафиолетовые лучи и (в как считал Тесла) озон. Многие врачи утверждали, что никаких эффектов при рентгеновском облучении вообще не наблюдается. 3 августа 1905 года в Сан-Франциско, штат Калифорния, Элизабет Флейшман, первая американская женщина, работавшая с рентгеном, умерла от осложнений в результате работы. ¹¹⁾

Разнообразие применений рентгеновских лучей сразу вызвало огромный интерес к ним. Стали выпускаться специализированные версии труб Крукса для генерации рентгеновских лучей, и эти холодные катоды первого поколения, или рентгеновские трубки Крукса, использовались до 1920 года. Трубы Крукса были ненадежными. Они должны были содержать небольшое количество газа (неизменно воздуха), поскольку ток не течет в такой трубе, если они полностью вакуумированы. Однако, со временем рентгеновские лучи заставили стекло поглощать газ, в результате чего трубка создавала «более сложные» рентгеновские лучи, пока она не прекращала работать. Большие и более используемые трубки снабжались устройствами для восстановления воздуха, известными как «смягчители». Они часто представляли собой небольшую боковую трубку, содержащую небольшой кусок слюды, минерала, который содержит относительно большое количество воздуха. Небольшой электрический нагреватель нагревал слюду, заставляя ее выпускать небольшое количество воздуха, восстанавливая тем самым эффективность трубки. Однако, слюда имела ограниченный срок годности, и процесс восстановления было трудно контролировать. В 1904 году Джон Амброуз Флеминг изобрел термоэлектронный диод, первый тип вакуумной трубки. В нём использовался горячий катод, который вызывал движение электрического тока в вакууме. Эту идею вскоре применили к рентгеновским трубам, и, следовательно, нагретые катодные рентгеновские трубки, называемые «трубами Кулиджа», к 1920 году полностью заменили неудобные в использовании трубки с холодным катодом. Примерно в 1906 году физик Чарльз Баркла обнаружил, что рентгеновские лучи могут быть рассеяны газами, и что каждый элемент имеет характерный рентгеновский спектр. За это открытие, Баркла получил Нобелевскую премию по физике за 1917 год. В 1912 году, Макс фон Лауэ, Пол Кнапинг и Уолтер Фридрих впервые обнаружили дифракцию рентгеновских лучей кристаллами. Это открытие, наряду с ранней работой Пола Питера Эвальда, Уильяма Генри Брэгга и Уильяма Лоуренса Брэгга, дало начало рентгеновской кристаллографии. В следующем году Уильямом Д. Кулиджем была изобретена рентгеновская трубка Кулиджа. Это сделало возможным непрерывные выбросы рентгеновских лучей. Рентгеновские трубки, подобные этой, всё ещё использовались в 2012 году. Использование рентгеновских лучей в медицине (которое развилось в область лучевой терапии) было впервые представлено Джоном Холл-Эдвардсом в Бирмингеме, Англия. Затем, в 1908 году, ему пришлось ампутировать левую руку из-за распространения рентгеновского дерматита на его руке. В 1914 году Мари Кюри разработала радиологические машины для поддержки солдат, раненых в Первой мировой войне. Машины позволяли быстро делать рентгеновские снимки раненых солдат, так что полевые хирурги могли работать быстрее и эффективнее. С 1920-х по 1950-е годы были разработаны рентгеновские аппараты, которые помогали при подгонке обуви и продавались в коммерческих обувных магазинах. ¹²⁾ Проблемы, связанные с частым или слабо контролируемым использованием, наблюдались в 1950-х годах, что привело к завершению этой практики в течение этого десятилетия. Рентгеновский микроскоп был разработан в 1950-х годах. Рентгеновская Обсерватория Чандра, запущенная 23 июля 1999 года, получила права исследовать очень сильные процессы во Вселенной, которые производят рентгеновские лучи. В отличие от видимого света, который дает относительно стабильный вид Вселенной, рентгеновская вселенная нестабильна. Она показывает, как разрываются звезды, как происходят галактические столкновения и создаются сверхновые, и как функционируют нейтронные звезды, которые создают слои плазмы, которые затем взрываются в космос. Рентгеновский лазер был предложен в рамках Стратегической оборонной инициативы администрации Рейгана в 1980-е годы, но единственное испытание данного устройства (своего рода лазерный «бластер» или смертельный луч, приводимый в действие термоядерным взрывом) дало неубедительные результаты. По техническим и политическим причинам, весь проект (включая рентгеновский лазер) был лишён финансирования (хотя позднее проект был восстановлен второй администрацией Буша в качестве программы национальной противоракетной обороны с использованием разных технологий). Фазо-контрастное рентгенографическое изображение – это различные методы, использующие информацию о фазе когерентного рентгеновского луча для получения изображения мягких тканей. Такая техника стала важным методом визуализации клеточных и гистологических структур в широком спектре биологических и медицинских исследований. Существует несколько технологий, используемых для получения рентгенофазовых контрастных снимков, использующих различные принципы для преобразования фазовых изменений в рентгеновские лучи, выходящие из объекта, в вариации интенсивности. ¹³⁾ К ним относятся фазовый контраст, основанный на распространении, интерферометрия Тальбота, визуализация с улучшенной рефракцией и рентгеновская интерферометрия. Эти методы обеспечивают более высокий контраст по сравнению с обычным рентгеновским изображением с контрастностью, что позволяет видеть более мелкие детали. Недостаток заключается в том, что эти методы требуют более сложного оборудования, такого, как источники синхротронного или микрофокусного рентгеновского излучения, рентгеновская оптика и рентгеновские детекторы 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 лучи с более низкой энергией (и большей длиной волны) называются мягкими рентгеновскими лучами. Из-за их проникающей способности, жесткие рентгеновские лучи широко используются для получения изображения внутри объектов, например, в медицинской рентгенографии и при досмотре в аэропортах. Термин «рентген» метонимически используется для обозначения рентгенографического изображения, полученного с использованием этого метода. Поскольку длины волн твердых рентгеновских лучей близки к размерам атомов, они также полезны для определения кристаллических структур методом рентгеновской кристаллографии. Напротив, мягкие рентгеновские лучи легко поглощаются воздухом; длина затухания рентгеновских лучей 600 эВ (~ 2 нм) в воде составляет менее 1 микрометра.

Не существует консенсуса в отношении определения различий между рентгеновскими лучами и гамма-лучами. Часто эти два типа излучения различают на основе их источника: рентгеновские лучи испускаются электронами, а гамма-лучи – атомным ядром. Это определение имеет несколько проблем: другие процессы также могут генерировать эти высокоэнергетические фотоны, в других случаях метод генерации неизвестен. Одной из распространенных альтернатив является различие рентгеновского и гамма-излучения на основе длин волн (или, что то же самое, частоты или энергии фотона), причем излучение короче некоторой длины волны, sс 10-11 м (0,1 Å) определяется как гамма-излучение ¹⁴⁾. Этот критерий присваивает фотону однозначную категорию, но он возможен 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 рентгеновских труб обычно имеет большую длину волны и более низкую энергию фотонов, чем излучение радиоактивных ядер. Иногда, в определенных контекстах, используется тот или иной термин из-за исторического прецедента, основанного на методе измерения (обнаружения), или на основе их предполагаемого использования, а не на основе длины волны или источника. Таким образом, гамма-лучи, генерируемые для медицинских и промышленных целей, например, лучевая терапия, в диапазонах 6-20 МэВ, могут в этом контексте также называться рентгеновскими лучами.

Фотоны рентгеновских лучей переносят достаточно энергии для ионизации атомов и разрушения молекулярных связей. Это делает рентген одним из видов ионизирующего излучения и, следовательно, вредным для живой ткани. Очень высокая доза облучения в течение короткого периода времени вызывает лучевую болезнь, в то время как более низкие дозы могут быть связаны с повышенным риском радиационного рака. В медицинской визуализации, этот повышенный риск развития рака, в целом, значительно перевешивается преимуществами обследования. Ионизационная способность рентгеновских лучей может быть использована при лечении рака для уничтожения злокачественных клеток с использованием лучевой терапии. Рентген также используется для характеристики материала с использованием рентгеновской спектроскопии. «Жёсткие» рентгеновские лучи могут проходить сквозь относительно толстые объекты, не будучи сильно поглощенными или рассеянными. По этой причине, рентгеновские лучи широко используются для получения изображений внутри непрозрачных объектов. Наиболее часто такие лучи используются в медицинской рентгенографии и в сканерах безопасности в аэропортах, но аналогичные методы также применяются в промышленности (например, в промышленной радиографии и промышленном КТ-сканировании) и исследованиях (например, КТ на малых животных). Глубина проникновения изменяется на несколько порядков по спектру рентгеновского излучения. Это позволяет регулировать энергию фотона, чтобы обеспечить достаточную передачу через объект и, в то же время, хорошую контрастность изображения. У рентгеновских лучей значительно меньшая длина волны, чем у видимого света, что позволяет исследовать структуры намного меньшего размера, чем можно увидеть с помощью обычного микроскопа. Это свойство используется в рентгеновской микроскопии для получения изображений с высоким разрешением, а также в рентгеновской кристаллографии для определения положения атомов в кристаллах.

Рентгеновские лучи взаимодействуют с веществом тремя основными способами: посредством фотопоглощения, комптоновского рассеяния и рэлеевского рассеяния. Сила этого взаимодействия зависит от энергии рентгеновских лучей и элементарного состава материала, но не сильно зависит от химических свойств, поскольку энергия рентгеновского фотона намного выше, чем энергии химического связывания. Фотоабсорбция или фотоэлектрическое поглощение являются доминирующим механизмом взаимодействия в режиме мягкого рентгеновского излучения и для более низких энергий рентгеновских лучей. При более высоких энергиях преобладает комптоновское рассеяние.

Вероятность фотоэлектрического поглощения на единицу массы приблизительно пропорциональна Z3 / E3, где Z – атомное число, а E – энергия падающего фотона [61]. Это правило недействительно при приближении к энергиям связи электронов внутренней оболочки, где происходят резкие изменения вероятности взаимодействия, так называемые «края поглощения». Однако, общая тенденция высоких коэффициентов поглощения и, следовательно, коротких глубин проникновения для низких энергий фотонов и высоких атомных чисел, очень сильна. Для мягких тканей, фотопоглощение доминирует до энергии фотонов до 26 кэВ, когда наблюдается комптоновское рассеяние. Для веществ с более высоким атомным номером, этот предел выше. Большое количество кальция (Z = 20) в костях, наряду с их высокой плотностью – вот что заставляет их проявляться так четко на медицинских рентгенограммах. Фотоабсорбированный фотон передает всю свою энергию электрону, с которым он взаимодействует, тем самым, ионизируя атом, с которым электрон был связан, создавая фотоэлектрон, который может ионизовать больше атомов на своем пути. Внешний электрон заполнит вакантное положение и произведет либо характерный рентген, либо оже-электрон. Эти эффекты могут быть использованы для элементного обнаружения с помощью рентгеновской спектроскопии или оже-электронной спектроскопии.

Эффект Комптона – это преобладающее взаимодействие между рентгеновскими лучами и мягкими тканями в медицинской визуализации. ¹⁵⁾ Комптоновское рассеяние представляет собой неупругое рассеяние рентгеновского фотона внешней электронной оболочкой. Часть энергии фотона переносится на рассеивающий электрон, тем самым, ионизуя атом и увеличивая длину волны рентгеновского излучения. Рассеянный фотон может двигаться в любом направлении, но направление, подобное первоначальному направлению, более вероятно, особенно для рентгеновских лучей высокой энергии. Вероятность различных углов рассеяния описывается формулой Клейна-Нишина. Передаваемая энергия может быть непосредственно получена из угла рассеяния от сохранения энергии и импульса.

Рассеяние Рэлея является доминирующим механизмом упругого рассеяния в рентгеновском режиме. Неупругое рассеяние вперед приводит к показателю преломления, который для рентгеновских лучей лишь немного ниже 1. ¹⁶⁾

Рентгеновские лучи образуются, когда заряженные частицы (электроны или ионы) с достаточной энергией попадают в материал.

Рентгеновские лучи могут генерироваться рентгеновской трубкой, вакуумной трубкой, которая использует высокое напряжение для ускорения электронов, высвобождаемых с высокой скоростью горячим катодом. Высокоскоростные электроны сталкиваются с металлической мишенью, анодом, создавая рентгеновское излучение. В медицинских рентгеновских трубках, мишень обычно представляет собой вольфрам или более трещиностойкий сплав рения (5%) и вольфрама (95%), но иногда используется молибден для более специализированных применений, например, когда требуется более мягкое рентгеновское излучение, как в маммографии. В кристаллографии, наиболее распространена медная мишень, причем часто используется кобальт, когда флуоресценция от содержания железа в образце может, в противном случае, представлять проблему. Максимальная энергия полученного рентгеновского фотона ограничена энергией налетающего электрона, которая равна напряжению на трубке, умноженному на заряд электрона, поэтому трубка 80 кВ не может создавать рентгеновские лучи с энергией более 80 кэВ. Когда электроны попадают в цель, рентгеновские лучи создаются в ходе двух различных атомных процессов:

1. Характерное рентгеновское излучение (рентгеновская флуоресценция): если электрон обладает достаточной энергией, он может выбить орбитальный электрон из внутренней электронной оболочки атома металла, и, в результате, электроны с более высоких энергетических уровней заполняют пространство и испускают рентгеновские фотоны. Этот процесс создает спектр рентгеновских лучей на нескольких дискретных частотах, иногда называемых спектральными линиями. Сгенерированные спектральные линии зависят от используемого целевого (анодного) элемента и, следовательно, называются характеристическими линиями. Обычно это – переходы из верхних оболочек в K-оболочку (называемую K-линиями), в L-оболочку (называемую L-линиями) и т. д.
2. Тормозное излучение - это излучение, выделяемое электронами, когда они рассеиваются сильным электрическим полем вблизи ядра с большим атомным номером (число протонов). Эти рентгеновские лучи имеют непрерывный спектр. Интенсивность рентгеновских лучей линейно возрастает с уменьшением частоты, от нуля при энергии налетающих электронов, напряжения на рентгеновской трубке. Таким образом, результирующий выход трубки состоит из непрерывного спектра тормозного излучения, падающего до нуля при напряжении трубки, плюс несколько всплесков на характеристических линиях. Напряжения, используемые в диагностических рентгеновских трубах, варьируются от примерно 20 кВ до 150 кВ и, следовательно, самые высокие энергии рентгеновских фотонов колеблются от примерно 20 кэВ до 150 кэВ. ¹⁷⁾

Оба этих процесса производства рентгеновских лучей являются неэффективными, производя только около одного процента электрической энергии, используемой трубой, превращенной в рентгеновские лучи, и, следовательно, большая часть электроэнергии, потребляемой трубой, выделяется как избыточное тепло. При создании пригодного для использования потока рентгеновских лучей, рентгеновская трубка должна быть спроектирована для рассеивания избыточного тепла. Специализированным источником рентгеновских лучей, который широко используется в исследованиях, является синхротронное излучение, которое генерируется ускорителями частиц. Его уникальными особенностями являются рентгеновские выходы на много порядков выше, чем рентгеновские трубки, широкие рентгеновские спектры, отличное выравнивание и линейная поляризация. Короткие наносекундные всплески рентгеновских лучей, достигающие максимума энергии в 15 кэВ, могут быть изготовлены путем отслаивания чувствительной к давлению липкой ленты с ее подложки в умеренном вакууме. Вероятно, это будет результатом рекомбинации электрических зарядов, вызванных трибоэлектрическим зарядом. Интенсивность рентгеновской триболюминесценции достаточна для ее использования в качестве источника рентгеновского изображения.

Рентгеновское излучение также может быть получено быстрыми протонами или другими положительными ионами. Протон-индуцированное рентгеновское излучение, или индуцированное частицами рентгеновское излучение, широко используется в качестве аналитической процедуры. Для высоких энергий, сечение образования пропорционально Z12Z2-4, где Z1 относится к атомному номеру иона, а Z2 – к атомному номеру целевого атома. Обзор этих поперечных сечений приведен в том же справочнике.

Рентгеновские лучи также производятся в молниях, что сопровождает земные гамма-вспышки. Основным механизмом является ускорение электронов в электрических полях, связанных с молнией, и последующее образование фотонов через тормозное излучение. Это приводит к образованию фотонов с энергией от нескольких КэВ до нескольких десятков МэВ. В лабораторных разрядах с размером зазора около 1 метра и пиковым напряжением 1 МВ, наблюдается рентгеновское излучение с характерной энергией 160 кэВ. Возможным объяснением является столкновение двух стримеров и производство высокоэнергетических ускоряемых электронов ¹⁸⁾, однако микроскопическое моделирование показало, что продолжительность повышения электрического поля между двумя стримерами слишком коротка, чтобы обеспечить значительное количество ускоряемых электронов. В последнее время было высказано предположение о том, что возмущения воздуха вблизи стримеров могут облегчать образование ускоряемых электронов и, следовательно, рентгеновских лучей из разрядов.

Детекторы рентгеновских лучей различаются по форме и функции, в зависимости от их назначения. Детекторы изображения, такие как приборы, которые использовались для радиографии, первоначально были основаны на фотографических пластинах и более поздней фотографической пленке, но теперь они, в основном, заменены различными типами цифровых детекторов, такими как сигнальные пластины и плоские детекторы. Для радиационной защиты, опасность прямого воздействия часто оценивается с помощью ионизационных камер, в то время как дозиметры используются для измерения дозы облучения, которой подвергался человек. Спектры рентгеновского излучения могут быть измерены либо с помощью энергетических дисперсионных, либо волновых дисперсионных спектрометров.

С момента открытия Рентгена, что рентгеновские лучи могут идентифицировать структуры кости, рентгеновские снимки были использованы для медицинской визуализации. Первое медицинское использование имело место менее чем через месяц после его статьи по этому вопросу. До 2010 года, во всем мире было сделано 5 миллиардов медицинских изображений.

Проекционная рентгенография – практика создания двумерных изображений с использованием рентгеновских лучей. Кости содержат много кальция, который, из-за его относительно высокого атомного номера, эффективно поглощает рентгеновские лучи. Это уменьшает количество рентгеновских лучей, достигающих детектора в тени костей, что делает их хорошо видимыми на рентгенограмме. Легкие и захваченный газ также отчетливо проявляются из-за более низкой абсорбции по сравнению с тканями, тогда как различия между тканевыми типами сложнее рассмотреть. Проекционные рентгенограммы полезны для обнаружения патологии скелетной системы, а также для выявления некоторых процессов заболевания в мягких тканях. Некоторыми примечательными примерами являются очень распространенный рентгеновский снимок грудной клетки, который может быть использован для выявления заболеваний легких, таких как пневмония, рак легких или отек легких, а также рентгенография брюшной полости, которая может обнаруживать обструкцию кишечника, наличие свободного воздуха (от висцеральных перфораций) и свободной жидкости (в асците). Рентген может также использоваться для выявления патологии, такой как желчные камни (редко рентгеноконтрастные) или камни в почках, которые часто (но не всегда) видны. Традиционные простые рентгеновские лучи 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 колена, бедра или плеча, расположен в теле относительно окружающей кости. Это можно оценить в двух измерениях из простых рентгенограмм, или его можно оценить в трех измерениях, если используется метод, называемый «2D-3D-регистрация». Этот метод якобы отрицает ошибки проекции, связанные с оценкой положения имплантата из простых рентгенограмм. ¹⁹⁾ Стоматологическая рентгенография обычно используется при диагностике общих проблем в полости рта. В медицинских диагностических приложениях, лучи с низкой энергией (мягкие лучи) нежелательны, поскольку они полностью поглощаются телом, увеличивая дозу облучения и не влияя на изображение. Следовательно, тонкий металлический лист, часто из алюминия, называемый рентгеновским фильтром, обычно располагается над окном рентгеновской трубки, поглощая низкоэнергетическую часть спектра. Это называется упрочнением пучка, поскольку он смещает центр спектра в сторону более энергетически высоких (или более жестких) рентгенограмм. Для получения изображения сердечно-сосудистой системы, включая артерии и вены (ангиография), берется исходное изображение анатомической области, представляющей интерес. Затем получают второе изображение той же области после введения в этой области йодированного контрастного агента в кровеносные сосуды. Затем эти два изображения подвергаются дигитальной субстракции, оставляя изображение только йодированного контраста, выделяющего кровеносные сосуды. Затем рентгенолог или хирург сравнивают полученное изображение с нормальными анатомическими изображениями, чтобы определить, имеет ли место какое-либо повреждение или блокировка сосуда.

Компьютерная томография (КТ-сканирование) – это получение томографических изображений или срезов определенных областей тела из большой серии двумерных рентгеновских изображений, выполненных в разных плоскостях. Эти изображения в поперечном сечении могут быть объединены в трехмерное изображение внутренней части тела и использоваться в диагностических и терапевтических целях в различных медицинских дисциплинах.

Флуороскопия – это техника визуализации, обычно используемая врачами или терапевтами в лучевой терапии для получения движущихся изображений внутренних структур пациента в реальном времени с помощью флюороскопа. Простейший флюороскоп состоит из источника рентгеновского излучения и флуоресцентного экрана, между которыми помещается пациент. Однако, современные флюороскопы соединяют экран с усилителем рентгеновского изображения и полупроводниковой видеокамерой, позволяя записывать и воспроизводить изображения на мониторе. В этом методе может использоваться контрастный материал. Примеры включают катетеризацию сердца (для исследования блокировки коронарных артерий) и глотание с помощью бариевой взвеси (для исследования нарушений работы пищевода и расстройств глотания).

Использование рентгеновских лучей в качестве метода лечения известно как лучевая терапия и, в основном, используется для лечения (и смягчения) рака; при этом требуются более высокие дозы облучения, чем дозы, необходимые для получения изображений. Рентгеновские лучи с более низкой энергией используются для лечения рака кожи, в то время как лучи с более высокой энергией используются для лечения раковых заболеваний внутри организма, таких как рак мозга, легких, простаты и груди. ²⁰⁾

Диагностические рентгеновские снимки (в основном, полученные после КТ-сканирования из-за использования большой дозы) увеличивают риск развития заболеваний и рака у пациентов. Рентген классифицируется как канцероген международным агентством Всемирной организации здравоохранения по исследованию рака и правительством США. По оценкам, 0,4% нынешних видов рака в Соединенных Штатах развивается после компьютерной томографии (КТ) в прошлом, и этот процент может увеличиться до 1,5-2% при использовании КТ. ²¹⁾ Экспериментальные и эпидемиологические данные в настоящее время не подтверждают предположение о наличии пороговой дозы облучения, ниже которой не наблюдается повышенного риска развития рака. Однако, это вызывает большие сомнения. По оценкам, дополнительное облучение от диагностических рентгеновских лучей увеличивает совокупный риск рака у человека к возрасту 75 лет на 0,6-3,0%. Количество поглощенной радиации зависит от типа рентгеновского тестирования и тестируемой части тела. КТ и флюороскопия связаны с более высокими дозами излучения, чем обычные рентгеновские лучи. Простой рентгеновский снимок грудной клетки подвергает человека тому же количеству фонового излучения, которому подвергаются люди (в зависимости от местоположения) каждый день в течение 10 дней, в то время как рентгеновский снимок зубов приблизительно эквивалентен 1-дневному радиационному воздействию окружающей среды. Каждый такой рентгеновский снимок будет добавлять риск развития рака в течение жизни менее чем одному на 1000000 человек. Абдоминальная или грудная КТ эквивалентна 2-3 годам фонового излучения всего тела, или 4-5 годам излучения живота или груди, увеличивая риск рака в течение жизни до от 1 на 1000 до 1 на 10000. Это сравнивается с примерно 40%-ным шансом гражданина США заполучить рак в течение своей жизни. Например, эффективная доза КТ грудной клетки составляет около 5 мЗв, а поглощенная доза составляет около 14 мГр. Головная КТ (1,5 мЗв, 64 мГр), которая выполняется один раз с одним и контрастным агентом и без него, будет эквивалентна 40-летней фоновой радиации головы. Точная оценка эффективных доз КТ затруднена, с диапазоном неопределенности оценки от около ± 19% до ± 32% для сканирования головы взрослого человека, в зависимости от используемого метода. Риск радиации больше у плода, поэтому у беременных пациентов преимущества исследования (рентгена) должны быть сбалансированы потенциальными опасностями для плода. В США, по оценкам, ежегодно проводится 62 миллиона КТ, в том числе, облучается более 4 миллионов детей. Избегание ненужных рентгеновских лучей (особенно КТ) уменьшает дозу облучения и любого связанного с этим риска развития рака. ²²⁾ Медицинское рентгеновское излучение является значительным источником искусственного облучения. В 1987 году на их долю приходилось 58% случаев облучения от техногенных источников в Соединенных Штатах. Поскольку антропогенные источники были связаны с 18% от общего радиационного облучения, большая часть которого поступала из природных источников (82%), медицинские рентгеновские снимки составляли лишь 10% от общего облучения в Америке. В общей сложности, на медицинские процедуры в целом (включая медицинскую радиологию) приходилось 14% от общего облучения. Однако, к 2006 году медицинские процедуры в Соединенных Штатах способствовали значительно более сильной ионизирующей радиации, чем в начале 1980-х годов. В 2006 году медицинское облучение составляло почти половину от общего облучения населения США от всех источников. Это увеличение связано с ростом использования медицинских методов визуализации, в частности, компьютерной томографии (КТ), и ростом использования радиационной медицины. Дозировка облучения при рентгенограмме зубов значительно варьируется, в зависимости от процедуры и технологии. В зависимости от процедуры и технологии, один рентгенографический снимок человека приводит к экспозиции от 0,5 до 4 мбэр. Полный рентгеновский снимок полости рта может привести к экспонированию в размере от 6 до 18 мбэр, для среднегодового значения времени до 40 мбэр. Было показано, что финансовые стимулы оказывают значительное влияние на использование рентгеновских лучей, поскольку врачам выплачивается отдельная плата за каждый рентгеновский снимок, что обеспечивает большее количество рентгеновских лучей. ²³⁾

Другие виды использования рентгеновских лучей включают:

• Кристаллическая рентгеновская кристаллография, в которой регистрируется картина, создаваемая дифракцией рентгеновских лучей через близко расположенную решетку атомов в кристалле, затем анализируется, чтобы выявить характер этой решетки. В начале 1990-х годов были проведены эксперименты, в которых слои были заполнены несколькими атомами из двух разных материалов в последовательности Thue-Morse. Было найдено, что результирующий объект дает рентгеновские дифрактограммы. Связанная техника, дифракция волокон, была использована Розалиндой Франклин, чтобы обнаружить двойную спиральную структуру ДНК.
• Рентгеновская астрономия, наблюдательная ветвь астрономии, которая посвящена изучению рентгеновского излучения из небесных объектов.
• Рентгеновский микроскопический анализ использует электромагнитное излучение в мягкой рентгеновской полосе для получения изображений очень мелких объектов. Рентгеновская флуоресценция – метод, в котором рентгеновские лучи генерируются внутри образца и обнаруживаются. Исходящая энергия рентгеновского излучения может использоваться для идентификации состава образца.
• Промышленная радиография использует рентгеновские лучи для контроля качества промышленных деталей, в частности, сварных швов.
• Аутентификация и контроль качества: рентгеновское излучение используется для аутентификации и контроля качества упакованных изделий. Промышленная КТ (компьютерная томография) – это процесс, в котором рентгеновское оборудование используется для создания трехмерных представлений компонентов как извне, так и изнутри. Это достигается за счет компьютерной обработки проекционных изображений сканируемого объекта во многих плоскостях. Покрытия часто подвергаются рентгеновскому облучению, чтобы выявлять предварительные рисунки и пентименто (закрашенные самим художником деталь, исправление, проступающие позднее на рентгенограмме или вследствие шелушения), изменения в процессе живописи или более поздние реставрационные работы. Многие пигменты, такие как белый свинец, хорошо видны на рентгенограмме. Для анализа реакций пигментов в картинах использовалась рентгеновская спектрометрия. Например, при анализе деградации цвета в картинах Ван Гога. В сканерах безопасности в аэропортах рентген используется для проверки внутренности багажа относительно угроз безопасности перед погрузкой в самолеты. Сканеры грузовых автомобилей используют рентгеновские снимки для осмотра внутренностей грузовых автомобилей. Искусство рентгенографии и рентгеновское фотоискусство – художественное использование рентгеновских лучей, например, работы Stane Jagodič.
• Удаление волос при помощи рентгеновских лучей, метод, популярный в 1920-х годах, но теперь запрещенный FDA.
• Флуороскопы для подгонки обуви были популярны в 1920-х годах, а в 1960-х годах они были запрещены в США, а в Великобритании – в 1970-х годах (позже в континентальной Европе).
• Стереофотограмметрия Рентгена используется для отслеживания движения костей на основе имплантации маркеров.
• Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия представляет собой метод химического анализа, основанный на фотоэлектрическом эффекте, обычно применяемом в науке о поверхности. Радиационная имплозия – это использование высокоэнергетических рентгеновских лучей, генерируемых при атомном взрыве (атомная бомба) для сжатия ядерного топлива до момента воспламенения (водородная бомба).

В целом, рентген считается невидимым для человеческого глаза, однако, в особых случаях рентгеновские лучи могут быть видны. Брандес, в своем эксперименте спустя короткое время после знаковой статьи Рентгена 1895 года, сообщил, что после адаптации к темноте он приблизил глаз к рентгеновской трубке и увидел слабое сине-серое свечение, которое, казалось, шло изнутри самого глаза. Услышав это, Рентген просмотрел свои записи и обнаружил, что он тоже наблюдал такой эффект. При размещении рентгеновской трубки на противоположной стороне деревянной двери, Рентген наблюдал такое же синее свечение, которое, как ему казалось, исходило из самого глаза, но посчитал свои наблюдения ложными, потому что он наблюдал такой эффект только тогда, когда использовал один тип трубки. Позже он понял, что трубка, которая создавала такой эффект, была единственной достаточно мощной трубкой, позволяющей ясно видеть свечение, и после этого эксперимент был легко воспроизводимым. Знание того, что рентгеновские снимки на самом деле слабо видимы адаптированному к темноте невооруженному глазу, в значительной степени сегодня забыто; это, вероятно, связано с желанием не повторять то, что теперь можно рассматривать как безрассудно опасный эксперимент с ионизирующим излучением. Неизвестно, какой точный механизм в глазу отвечает за видимость рентгена: это может быть связано с обычным распознаванием (возбуждением молекул родопсина в сетчатке), прямым возбуждением нервных клеток сетчатки или вторичным распознаванием, например, при индукции фосфоресценции рентгеновскими лучами в глазном яблоке с обычным обнаружением сетчаткой вторично производимого видимого света. Хотя рентгеновские лучи в противном случае невидимы, можно увидеть ионизацию молекул воздуха, если интенсивность рентгеновского луча достаточно высока. Пучок излучения от вигглера на ID11 на Европейской синхротропной радиационной установке является одним из примеров такой высокой интенсивности. ²⁴⁾

Мера ионизирующей способности рентгеновских лучей называется экспозицией: кулон на килограмм (Кл / кг) является международной единицей облучения ионизирующим излучением, и это количество излучения, необходимое для создания одного кулона заряда каждой полярности в одном килограмме вещества. Рентген (R) является устаревшей традиционной единицей воздействия, которая представляет собой сумму необходимого для создания одной электростатической единицы заряда каждой полярности в одном кубическом сантиметре сухого воздуха. 1 рентген = 2,58 × 10-4 Кл / кг. Однако, влияние ионизирующего излучения на вещество (особенно живую ткань) более тесно связано с количеством энергии, осажденной в них, а не с генерируемым зарядом. Эта мера поглощенной энергии называется поглощенной дозой: Грей (Гр), который имеет единицы (джоули / килограмм), является единицей поглощенной дозы, и это количество излучения, необходимое для осаждения одного джоуля энергии в один килограмм любого вещества. Рад – это (устаревшая) соответствующая традиционная единица, равная 10 миллиджоулям энергии на килограмм. 100 рад = 1 грей. Эквивалентная доза является мерой биологического воздействия излучения на ткань человека. Для рентгеновских лучей, она равна поглощенной дозе. Бэр является традиционной единицей эквивалентной дозы. Для рентгеновских лучей, она равна раду, или, другими словами, 10 миллиджоулям энергии на килограмм. 100 бэр = 1 зиверту. Зиверт (Зв) является единицей эквивалентной дозы, и также является эффективной дозой. Для рентгеновских лучей, «эквивалентная доза» численно равна Гр. 1 Зв = 1 Гр. Для «эффективной дозы» рентгеновских лучей, она обычно не равна Гр.

:Tags