Фізичні основи і методирентгенівських досліджень
1. Джереларентгенівського випромінювання
Рентгенівське випромінювання було відкрито німецьким фізиком Рентгеном в 1895році. Сам Рентген назвав його Х-променями. Воно виникає при гальмуванні речовиноюшвидких електронів. Рентгенівське випромінювання отримують за допомогою спеціальнихелектронно-вакуумних приладів - рентгенівських трубок.
У скляній колбі, тиск в якій дорівнює 10 -6 мм рт.ст., знаходяться анод і катод. Анод виконанийз міді з вольфрамовою насадкою. Анодна напруга рентгенівських трубокстановить 80 - 120 кВ. Електрони, що вилетіли з катода, розганяютьсяелектричним полем і гальмуються на вольфрамової насадці анода, яка маєскіс під кутом 11-15 про . Рентгенівське випромінювання виходить з колбичерез спеціальне кварцове вікно.
Найважливішими параметрами рентгенівського випромінювання є довжина хвилі іінтенсивність. Якщо припустити, що гальмування електрона на аноді відбуваєтьсямиттєво, то вся його кінетична енергія ЕU a переходить у випромінювання:
. (1)
В дійсності гальмування електрона займає кінцевий час, ічастота випромінювання, що визначається з рівняння (1), є максимальноможливої:
. (2)
З урахуванням (з - швидкістьсвітла) знаходимо мінімальну довжину хвилі
.(3)
Підставляючи величини h, c, e вформулу (3) і виражаючи анодна напруга в кіловольт, отримаємо довжину хвилі внанометрах:
=. (4)
Наприклад, при анодній напрузі 100 кВ довжина хвилі рентгенівськоговипромінювання буде дорівнює 0,012 нм, тобто приблизно в 40000 разів коротше середньої довжинихвилі оптичного діапазону.
Теоретичне розподіл енергії гальмівного випромінювання по частотівиведено Крамером і експериментально отримано Ку
ленкампфу. Спектральнащільність I n безперервного спектру рентгенівського випромінювання прианодному струмі i a c анода, речовина якого має порядковий номер Z, виражається співвідношенням
.
Складова BZ НЕзалежить від частоти і на називається характеристичним випромінюванням. Зазвичай їїчастка пренебрежимо мала, тому будемо вважати
. (5)
Розподіл інтенсивностей по довжинах хвиль можна отримати із рівності
, де.
Використовуючи формулу (5), з урахуванням ізнаходимо
. (6)
Інтенсивність гальмівного випромінювання знайдемо, використовуючи формулу (5)
або, з урахуваннямспіввідношення (2),
, де. (7)
Таким чином, інтенсивність рентгенівського випромінювання пропорційнаанодному току, квадрату анодного напруги і атомному номеру речовини анода.
Місце падіння електронів на анод називається фокусом. Його діаметрстановить кілька міліметрів, а температура в ньому сягає 1900 про С.Звідси зрозумілий вибір вольфраму в якості матеріалу для насадки: він маєвеликий атомний номер (74) і високу температуру плавлення (3400 про С).Нагадаємо, що атомний номер міді дорівнює 29, а температура плавлення В«всьогоВ» 1700 про С.
З формули (7) випливає, що інтенсивність рентгенівського випромінюванняможна регулювати, змінюючи струм анода (струм розжарення катода) і анодна напруга.Однак у другому випадку крім інтенсивності випромінювання буде мінятися і йогоспектральний склад. Формула (6) показує, що спектральна інтенсивністьє складною функцією довжини хвилі. Вона починається з нуля при, досягає максимуму при 1,5 і потім асимптотичнопрагне до нуля. Складові рентгенівського випромінювання з довжинами хвиль,близькими до називають жорсткимвипромінюванням, а мають довжини хвиль, набагато більші - м'яким випромінюванням.
Анод найпростішої рентгенівської трубки охолоджується конвекційно, ітому такі трубки мають невелику потужність. Для її підвищення застосовуютьактивне охолодження маслом. Анод трубки роблять порожнистим і подають в нього масло підтиском 3 - 4 атм. Цей спосіб охолодження не дуже зручний, так як вимагаєдодатково громіздкого обладнання: насос, шланги та ін
При великих потужностях трубок найбільш ефективним способом охолодженняє застосування обертового анода. Анод виконаний у вигляді усіченого конуса,твірна якого складає з підставою кут 11-15 про . Бічнаповерхня анода армована вольфрамом. Анод обертається на стрижні, з'єднаномуз металевим стаканом, до якого
підводиться анодненапруга. На колбу надівається трифазна обмотка, що є статором.Обмотка статора живиться струмом промислової або підвищеної частоти, наприклад150 Гц. Статор створює обертове магнітне поле, яке захоплює за собоюротор. Частота обертання анода досягає 9000 об/хв. При обертанні анода фокуспереміщається по його поверхні. В силу теплової інерції площа тепловіддачізбільшується в багато разів порівняно з нерухомим анодом. Вона дорівнює 2pr Г— D ф, де D ф - діаметр фокусної плями, а r - його радіус обертання.Трубки з обертовим анодом допускають дуже великі навантаження. У сучаснихтрубках зазвичай два фокусу і відповідно дві спіралі розжарення.
У табл. 1 наведеніпараметри деяких медичних рентгенівських трубок.
Таблиця 1. Параметрирентгенівських трубок
Тип трубки
Анодна напруга, кВ
Номінальна потужність за 1 с, кВт
Апарат
З нерухомим анодом
0,2 БД-7-50 50 0,2 5Д1
3БД-2-100100 3,0 РУМ
З обертовим анодом
10 БД-1-110110 10,0 Фл 11Ф1
8-16 БД-2-145145 8,0; 16,0 РУМ-10
14-30 БД-9-150150 14,0; 30,0 РУМ-20
2. Видирентгенівських досліджень
Більшістьрентгенівських досліджень грунтується на перетворенні рентгенівського випромінювання,пройшов через тканини людини. При проходженні рентгенівських променів черезречовина частина променистої енергії в ньому затримується. При цьому відбувається нетільки кількісне зміна - ослаблення інтенсивності, але і якісне -зміна спектрального складу: більш м'які промені затримуються сильніше івипромінювання на виході стає в цілому більш жорстким.
Ослабленнярентгенівського випромінювання відбувається за рахунок поглинання і розсіювання. Припоглинанні рентгенівські кванти вибивають електрони з атомів речовини, тобтоіонізують його, в чому і проявляється шкідливий вплив рентгенівськоговипромінювання на живі тканини. Спектральний коефіцієнт поглинання пропорційний. Таким чином, м'якіпромені поглинаються значно сильніше, ніж жорсткі (і, як на перший погляд нідивно, приносять більше шкоди). Ослаблення за рахунок розсіювання в основномупозначається при дуже коротких хвилях, які у медичній рентгенології НЕвикористовуються.
Встановлено,що якщо відносний коефіцієнт поглинання рентгенівського випромінювання води(Для випромінювання середньої жорсткості) прийняти рівним одиниці, то для повітря вінскладе 0,01; для жирової тканини - 0,5; вуглекислого кальцію - 15,0;фосфорнокислого кальцію - 22,0. Іншими словами, найбільшою міроюрентгенівські промені поглинаються кістками, в значно меншій мірі м'якимитканинами і найменше тканинами, що містять повітря.
Перетворювачірентгенівського випромінювання зазвичай мають велику активну площу, на точкиякої впливають окремі промені, що пройшли за певними напрямамичерез об'єкт. При цьому вони відчувають різну загасання, залежить від властивостейтканин і середовищ, що зустрічаються на напрямку променя. Найбільш важливим параметромдля візуалізації рентгенівських зображень є лінійний коефіцієнтослаблення m. Він показує, у скільки разів зменшується інтенсивність рентген...