Les rayons X, rayonnement invisible capable de pénétrer, quoique dans divers degrés, dans toutes les substances. Représente un rayonnement électromagnétique avec une longueur d'onde d'environ 10-8 cm.
Comme la lumière visible radiographies provoque le noircissement du film. Cette propriété a importance pour la médecine, l'industrie et la recherche scientifique. Traversant l'objet étudié puis tombant sur le film, le rayonnement X y dépeint sa structure interne. Comme le pouvoir de pénétration des rayons X est différent pour différents matériaux, les parties de l'objet qui lui sont moins transparentes donnent des zones plus claires sur la photographie que celles à travers lesquelles le rayonnement pénètre bien. Ainsi, les tissus osseux sont moins transparents aux rayons X que les tissus qui composent la peau et les organes internes. Par conséquent, sur la radiographie, les os seront indiqués comme des zones plus claires et le site de fracture, qui est plus transparent pour le rayonnement, peut être assez facilement détecté. L'imagerie par rayons X est également utilisée en dentisterie pour détecter les caries et les abcès dans les racines des dents, ainsi que dans l'industrie pour détecter les fissures dans les moulages, les plastiques et les caoutchoucs.
Les rayons X sont utilisés en chimie pour analyser les composés et en physique pour étudier la structure des cristaux. Un faisceau de rayons X traversant un composé chimique provoque un rayonnement secondaire caractéristique dont l'analyse spectroscopique permet au chimiste de déterminer la composition du composé. En tombant sur substance cristalline faisceau radiographies dispersés par les atomes du cristal, donnant un motif clair et régulier de taches et de rayures sur une plaque photographique, ce qui permet d'établir la structure interne du cristal.
L'utilisation des rayons X dans le traitement du cancer est basée sur le fait qu'ils tuent les cellules cancéreuses. Cependant, il peut également avoir un effet indésirable sur les cellules normales. Par conséquent, une extrême prudence doit être exercée dans cette utilisation des rayons X.
Obtenir des radiographies
Le rayonnement X se produit lorsque des électrons se déplaçant à grande vitesse interagissent avec la matière. Lorsque les électrons entrent en collision avec des atomes de n'importe quelle substance, ils perdent rapidement leur énergie cinétique. Dans ce cas, la plus grande partie est convertie en chaleur et une petite fraction, généralement moins de 1 %, est convertie en énergie de rayons X. Cette énergie est libérée sous forme de quanta - des particules appelées photons qui ont de l'énergie mais une masse au repos nulle. Les photons X diffèrent par leur énergie, qui est inversement proportionnelle à leur longueur d'onde. Avec la méthode habituelle d'obtention de rayons X, une large gamme de longueurs d'onde est obtenue, appelée spectre de rayons X.
Tubes à rayons X. Pour obtenir des rayons X dus à l'interaction des électrons avec la matière, il est nécessaire de disposer d'une source d'électrons, de moyens de les accélérer jusqu'à vitesses élevées et une cible capable de résister à un bombardement électronique et de produire des rayons X de l'intensité souhaitée. L'appareil qui a tout cela s'appelle un tube à rayons X. Les premiers explorateurs utilisaient des tubes "à vide profond" tels que les tubes à décharge d'aujourd'hui. Le vide en eux n'était pas très élevé.
Les tubes à décharge contiennent une petite quantité de gaz et lorsqu'une grande différence de potentiel est appliquée aux électrodes du tube, les atomes de gaz se transforment en ions positifs et négatifs. Les positives se dirigent vers l'électrode négative (cathode) et, tombant dessus, en font sortir des électrons, et elles, à leur tour, se dirigent vers l'électrode positive (anode) et, en la bombardant, créent un flux de photons X .
Dans le tube à rayons X moderne développé par Coolidge (Fig. 11), la source d'électrons est une cathode en tungstène chauffée à haute température.
Riz. onze.
Les électrons sont accélérés à des vitesses élevées par la différence de potentiel élevée entre l'anode (ou anticathode) et la cathode. Comme les électrons doivent atteindre l'anode sans entrer en collision avec des atomes, un vide très poussé est nécessaire, pour lequel le tube doit être bien évacué. Cela réduit également la probabilité d'ionisation des atomes de gaz restants et les courants latéraux associés.
Lorsqu'elle est bombardée d'électrons, l'anticathode de tungstène émet des rayons X caractéristiques. La section transversale du faisceau de rayons X est inférieure à la surface irradiée réelle. 1 - un faisceau d'électrons; 2 - cathode avec une électrode de focalisation ; 3 - coque en verre (tube); 4 - cible en tungstène (anticathode); 5 - filament cathodique; 6 - zone réellement irradiée ; 7 - point focal efficace ; 8 - anode en cuivre; 9 - fenêtre; 10 - rayons X diffusés.
Les électrons sont focalisés sur l'anode par une électrode de forme spéciale entourant la cathode. Cette électrode est appelée électrode de focalisation et forme avec la cathode le "projecteur électronique" du tube. L'anode soumise au bombardement électronique doit être réalisée en un matériau réfractaire, car la plus grande partie de l'énergie cinétique des électrons bombardés est convertie en chaleur. De plus, il est souhaitable que l'anode soit faite d'un matériau à numéro atomique élevé, car le rendement en rayons X augmente avec l'augmentation du numéro atomique. Le tungstène, dont le numéro atomique est 74, est le plus souvent choisi comme matériau d'anode.La conception des tubes à rayons X peut être différente selon les conditions d'application et les exigences.
Les rayons X sont appelés ondes électromagnétiques d'une longueur d'environ 80 à 10 -5 nm. Le rayonnement X de longueur d'onde la plus longue est couvert par l'ultraviolet de courte longueur d'onde, la courte longueur d'onde - par le rayonnement γ de grande longueur d'onde. Selon la méthode d'excitation, le rayonnement X est divisé en bremsstrahlung et caractéristique.
31.1. DISPOSITIF DE TUBE À RAYONS X. Bremsstrahlung X-RAY
La source de rayons X la plus courante est le tube à rayons X, qui est un appareil à vide à deux électrodes (Fig. 31.1). Cathode chauffée 1 émet des électrons 4. L'anode 2, souvent appelée anticathode, a une surface inclinée afin de diriger les rayons X résultants 3 obliquement par rapport à l'axe du tube. L'anode est constituée d'un matériau hautement conducteur de la chaleur pour évacuer la chaleur générée par l'impact des électrons. La surface de l'anode est constituée de matériaux réfractaires, ayant un grand numéro atomique dans le tableau périodique, par exemple du tungstène. Dans certains cas, l'anode est spécialement refroidie avec de l'eau ou de l'huile.
Pour les tubes de diagnostic, la précision de la source de rayons X est importante, ce qui peut être obtenu en focalisant les électrons à un endroit de l'anticathode. Par conséquent, de manière constructive, deux tâches opposées doivent être prises en compte : d'une part, les électrons doivent tomber sur un endroit de l'anode, d'autre part, afin d'éviter la surchauffe, il est souhaitable de répartir les électrons sur différentes parties de l'anode. l'anode. L'une des solutions techniques intéressantes est un tube à rayons X avec une anode rotative (Fig. 31.2).
À la suite de la décélération d'un électron (ou d'une autre particule chargée) par un champ électrostatique noyau atomique et des électrons atomiques de la substance de l'anti-cathode se posent rayonnement de freinage.
Son mécanisme peut être expliqué comme suit. Une charge électrique en mouvement est associée à un champ magnétique dont l'induction dépend de la vitesse de l'électron. Lors du freinage, le magnétisme
induction et, conformément à la théorie de Maxwell, une onde électromagnétique apparaît.
Lorsque les électrons ralentissent, seule une partie de l'énergie va créer un photon X, l'autre partie est dépensée pour chauffer l'anode. Étant donné que le rapport entre ces parties est aléatoire, lorsqu'un grand nombre d'électrons décélèrent, un spectre continu de rayonnement X se forme. À cet égard, le bremsstrahlung est également appelé continu. Sur la fig. 31.3 montre la dépendance du flux de rayons X à la longueur d'onde λ (spectre) à différentes tensions dans le tube à rayons X : U 1< U 2 < U 3 .
Dans chacun des spectres, la longueur d'onde la plus courte bremsstrahlung λ ηίη se produit lorsque l'énergie acquise par un électron dans un champ accélérateur est complètement convertie en énergie d'un photon :
Notez que sur la base de (31.2) l'une des méthodes les plus précises pour la détermination expérimentale de la constante de Planck a été développée.
Les rayons X à courte longueur d'onde ont généralement un pouvoir de pénétration supérieur à ceux à grande longueur d'onde et sont appelés dur, et ondes longues doux.
En augmentant la tension sur le tube à rayons X, la composition spectrale du rayonnement est modifiée, comme on peut le voir sur la Fig. 31.3 et les formules (31.3), et augmentent la rigidité.
Si la température du filament cathodique augmente, l'émission d'électrons et le courant dans le tube augmenteront. Cela augmentera le nombre de photons X émis chaque seconde. Sa composition spectrale ne changera pas. Sur la fig. 31.4 montre les spectres de rayonnement X à la même tension, mais à différents courants de filament cathodique : / n1< / н2 .
Le flux de rayons X est calculé par la formule :
Où tu Et JE- tension et courant dans le tube à rayons X ; Z- numéro de série d'un atome de la substance anodique ; k- coefficient de proportionnalité. Spectres obtenus à partir de différentes anticathodes en même temps tu et I H sont illustrés à la fig. 31.5.
31.2. RAYONNEMENT X CARACTÉRISTIQUE. SPECTRES DE RAYONS X ATOMIQUES
En augmentant la tension sur le tube à rayons X, on peut remarquer l'apparition d'une ligne, qui correspond à
radiographies caractéristiques(Fig. 31.6). Cela est dû au fait que les électrons accélérés pénètrent profondément dans l'atome et éliminent les électrons des couches internes. Les électrons des niveaux supérieurs se déplacent vers des endroits libres (Fig. 31.7), en conséquence, des photons de rayonnement caractéristique sont émis. Comme on peut le voir sur la figure, le rayonnement X caractéristique se compose de séries K, L, M etc., dont le nom servait à désigner les couches électroniques. L'émission de la série K libérant de l'espace dans les couches supérieures, les raies des autres séries sont émises simultanément.
Contrairement aux spectres optiques, les spectres de rayons X caractéristiques des différents atomes sont du même type. Sur la fig. 31.8 montre les spectres de divers éléments. L'uniformité de ces spectres est due au fait que les couches internes des différents atomes sont les mêmes et ne diffèrent que énergétiquement, puisque l'effet de force du noyau augmente à mesure que le numéro atomique de l'élément augmente. Cette circonstance conduit au fait que les spectres caractéristiques se déplacent vers des fréquences plus élevées avec une charge nucléaire croissante. Ce motif est visible sur la Fig. 31.8 et connu sous le nom Loi de Moseley :
Où v- fréquence de raie spectrale ; Z- numéro atomique de l'élément émetteur ; UN Et DANS- permanent.
Il existe une autre différence entre les spectres optiques et de rayons X.
Le spectre de rayons X caractéristique d'un atome ne dépend pas du composé chimique dans lequel cet atome est inclus. Par exemple, le spectre des rayons X de l'atome d'oxygène est le même pour O, O 2 et H 2 O, tandis que les spectres optiques de ces composés sont sensiblement différents. Cette caractéristique du spectre de rayons X de l'atome est à l'origine du nom caractéristique.
Le rayonnement caractéristique se produit toujours lorsqu'il y a de l'espace libre dans les couches internes d'un atome, quelle que soit la raison qui l'a provoqué. Par exemple, rayonnement caractéristique accompagne l'un des types de désintégration radioactive (voir 32.1), qui consiste en la capture d'un électron de la couche interne par le noyau.
31.3. INTERACTION DU RAYONNEMENT X AVEC LA SUBSTANCE
L'enregistrement et l'utilisation du rayonnement X, ainsi que son impact sur les objets biologiques, sont déterminés par les processus primaires d'interaction d'un photon X avec des électrons d'atomes et de molécules d'une substance.
En fonction du rapport d'énergie hv photon et énergie d'ionisation 1 A et il existe trois processus principaux.
Diffusion cohérente (classique)
La diffusion des rayons X à grande longueur d'onde se produit principalement sans changement de longueur d'onde et est appelée cohérent. Cela se produit si l'énergie du photon est inférieure à l'énergie d'ionisation : hv< Un et.
Étant donné que dans ce cas, l'énergie du photon X et de l'atome ne change pas, la diffusion cohérente en elle-même ne provoque pas d'effet biologique. Cependant, lors de la création d'une protection contre les rayons X, il convient de prendre en compte la possibilité de modifier la direction du faisceau primaire. Ce type d'interaction est important pour l'analyse par diffraction des rayons X (voir 24.7).
Diffusion incohérente (effet Compton)
En 1922 A.Kh. Compton, observant la diffusion des rayons X durs, a découvert une diminution du pouvoir pénétrant du faisceau diffusé par rapport au faisceau incident. Cela signifiait que la longueur d'onde des rayons X diffusés était supérieure à celle des rayons X incidents. La diffusion des rayons X avec un changement de longueur d'onde est appelée incohérent nym, et le phénomène lui-même - l'effet Compton. Cela se produit si l'énergie du photon X est supérieure à l'énergie d'ionisation : hv > A et.
Ce phénomène est dû au fait que lors de l'interaction avec un atome, l'énergie hv photon est dépensé pour la production d'un nouveau photon X diffusé avec de l'énergie hv", pour détacher un électron d'un atome (énergie d'ionisation A u) et donner de l'énergie cinétique à l'électron E à :
hv \u003d hv " + A et + E k.(31.6)
1 Ici, l'énergie d'ionisation est comprise comme l'énergie nécessaire pour éliminer les électrons internes d'un atome ou d'une molécule.
Étant donné que dans de nombreux cas hv>> A et et l'effet Compton se produit sur les électrons libres, alors on peut écrire approximativement :
hv = hv"+ E K .(31.7)
Il est significatif que dans ce phénomène (Fig. 31.9), avec le rayonnement X secondaire (énergie hv" photon) des électrons de recul apparaissent (énergie cinétique E àélectron). Les atomes ou les molécules deviennent alors des ions.
effet photoélectrique
Dans l'effet photoélectrique, le rayonnement X est absorbé par un atome, à la suite de quoi un électron s'envole et l'atome est ionisé (photoionisation).
Les trois principaux processus d'interaction discutés ci-dessus sont primaires, ils conduisent à des processus ultérieurs secondaires, tertiaires, etc. phénomènes. Ainsi, par exemple, des atomes ionisés peuvent émettre un spectre caractéristique, des atomes excités peuvent devenir des sources lumière visible(luminescence des rayons X), etc.
Sur la fig. 31.10 est un diagramme des processus possibles qui se produisent lorsque le rayonnement X pénètre dans une substance. Plusieurs dizaines de processus similaires à celui illustré peuvent se produire avant que l'énergie du photon X ne soit convertie en énergie de mouvement thermique moléculaire. En conséquence, il y aura des changements dans la composition moléculaire de la substance.
Les processus représentés par le schéma de la fig. 31.10, sous-tendent les phénomènes observés sous l'action des rayons X sur la matière. Énumérons-en quelques-uns.
Luminescence des rayons X- la lueur d'un certain nombre de substances sous irradiation aux rayons X. Une telle lueur de baryum platine-cyanogène a permis à Roentgen de découvrir les rayons. Ce phénomène est utilisé pour créer des écrans lumineux aux fins d'observation visuelle des rayons X, parfois pour renforcer l'action des rayons X sur une plaque photographique.
Action chimique connue des rayons X, comme la formation de peroxyde d'hydrogène dans l'eau. Un exemple pratiquement important est l'effet sur une plaque photographique, qui permet de détecter de tels rayons.
L'effet ionisant se manifeste par une augmentation de la conductivité électrique sous l'influence des rayons X. Cette propriété est utilisée
en dosimétrie pour quantifier l'effet de ce type de rayonnement.
À la suite de nombreux processus, le faisceau de rayons X primaire est affaibli conformément à la loi (29.3). Écrivons-le sous la forme :
je = je0 e-/", (31.8)
Où μ - coefficient d'atténuation linéaire. Il peut être représenté comme composé de trois termes correspondant à la diffusion cohérente μ κ , incohérente μ ΗΚ et photoeffet μ F:
μ = μk + μhk + μf. (31,9)
L'intensité du rayonnement X est atténuée proportionnellement au nombre d'atomes de la substance traversée par ce flux. Si on comprime la matière le long de l'axe X, par exemple, dans b fois en augmentant b fois sa densité, alors
31.4. FONDEMENTS PHYSIQUES DE L'APPLICATION DES RAYONNEMENTS X EN MÉDECINE
L'une des applications médicales les plus importantes des rayons X est la transillumination des organes internes à des fins de diagnostic. (Diagnostic aux rayons X).
Pour le diagnostic, des photons d'une énergie d'environ 60 à 120 keV sont utilisés. A cette énergie, le coefficient d'extinction de masse est principalement déterminé par l'effet photoélectrique. Sa valeur est inversement proportionnelle à la troisième puissance de l'énergie du photon (proportionnelle à λ 3), qui manifeste un grand pouvoir pénétrant de rayonnement dur, et proportionnelle à la troisième puissance du numéro atomique de la substance absorbante :
Différence significative dans l'absorption des rayons X différents tissus vous permet de voir des images des organes internes du corps humain dans une projection d'ombre.
Le diagnostic par rayons X est utilisé en deux versions : fluoroscopie l'image est visualisée sur un écran luminescent à rayons X, radiographie - l'image est fixée sur le film.
Si l'organe étudié et les tissus environnants atténuent les rayons X à peu près de la même manière, des agents de contraste spéciaux sont utilisés. Ainsi, par exemple, en remplissant l'estomac et les intestins d'une masse pâteuse de sulfate de baryum, on peut voir leur image d'ombre.
La luminosité de l'image sur l'écran et le temps d'exposition sur le film dépendent de l'intensité des rayons X. S'il est utilisé pour le diagnostic, l'intensité ne peut pas être élevée, afin de ne pas entraîner de conséquences biologiques indésirables. Par conséquent, il existe un certain nombre de dispositifs techniques qui améliorent l'image à de faibles intensités de rayons X. Un exemple d'un tel dispositif est les tubes intensificateurs (voir 27.8). Dans un examen de masse de la population, une variante de la radiographie est largement utilisée - la fluorographie, dans laquelle une image d'un grand écran luminescent à rayons X est enregistrée sur un film sensible de petit format. Lors de la prise de vue, un objectif à grande ouverture est utilisé, les images finies sont examinées sur une loupe spéciale.
Une option intéressante et prometteuse pour la radiographie est une méthode appelée tomographie à rayons X, et sa "version machine" - TDM.
Considérons cette question.
Une radiographie simple couvre une grande partie du corps, avec divers organes et tissus s'ombrant les uns les autres. Vous pouvez éviter cela si vous déplacez périodiquement le tube à rayons X ensemble (Fig. 31.11) en opposition de phase RT et filmer Fp par rapport à l'objet À propos recherche. Le corps contient un certain nombre d'inclusions opaques aux rayons X ; elles sont représentées par des cercles sur la figure. Comme vous pouvez le voir, les rayons X à n'importe quelle position du tube à rayons X (1, 2 etc.) passer par
couper le même point de l'objet, qui est le centre, par rapport auquel le mouvement périodique est effectué RT Et Fp. Ce point, plus précisément une petite inclusion opaque, est matérialisé par un cercle noir. Son image d'ombre se déplace avec fp, occupant successivement les positions 1, 2 etc. Les inclusions restantes dans le corps (os, phoques, etc.) créent sur Fp quelques informations générales, car les rayons X ne sont pas obscurcis en permanence par eux. En modifiant la position du centre de rotation, il est possible d'obtenir une image radiographique couche par couche du corps. D'où le nom - tomographie(enregistrement en couches).
Il est possible, à l'aide d'un mince faisceau de rayons X, de dépister (au lieu de Fp), composé de détecteurs semi-conducteurs de rayonnements ionisants (voir 32.5), et d'un ordinateur, pour traiter l'image radiographique de l'ombre en tomographie. Cette version moderne de la tomographie (tomodensitométrie ou tomodensitométrie) vous permet d'obtenir des images en couches du corps sur l'écran d'un tube à rayons cathodiques ou sur papier avec des détails de moins de 2 mm avec une différence d'absorption des rayons X de jusqu'à 0,1 %. Cela permet, par exemple, de distinguer la matière grise et blanche du cerveau et de voir de très petites formations tumorales.
RAYONNEMENT X
rayonnement X occupe la région du spectre électromagnétique entre le rayonnement gamma et ultraviolet et est un rayonnement électromagnétique avec une longueur d'onde de 10 -14 à 10 -7 m. Un rayonnement X avec une longueur d'onde de 5 x 10 -12 à 2,5 x 10 -10 est utilisé en médecine m, c'est-à-dire 0,05 - 2,5 angström, et en fait pour le diagnostic par rayons X - 0,1 angström. Le rayonnement est un flux de quanta (photons) se propageant en ligne droite à la vitesse de la lumière (300 000 km/s). Ces quanta n'ont pas de charge électrique. La masse d'un quantum est une partie insignifiante de l'unité de masse atomique.
Énergie quantique mesuré en Joules (J), mais en pratique, ils utilisent souvent une unité hors système "électron-volt" (eV) . Un électron-volt est l'énergie qu'un électron acquiert lorsqu'il traverse une différence de potentiel de 1 volt dans un champ électrique. 1 eV \u003d 1,6 10 ~ 19 J. Les dérivés sont un kiloélectron volt (keV), égal à mille eV, et un mégaélectron volt (MeV), égal à un million d'eV.
Les rayons X sont obtenus à l'aide de tubes à rayons X, d'accélérateurs linéaires et de bêtatrons. Dans un tube à rayons X, la différence de potentiel entre la cathode et l'anode cible (dizaines de kilovolts) accélère les électrons bombardant l'anode. Les rayons X sont produits lorsque des électrons rapides ralentissent dans champ électrique atomes de la substance anodique (bremsstrahlung) ou lors du réarrangement des enveloppes internes des atomes (rayonnement caractéristique) . Rayons X caractéristiques a un caractère discret et survient lors de la transition des électrons des atomes de la substance anodique d'un niveau d'énergie d'autre part sous l'influence d'électrons externes ou de quanta de rayonnement. Radiographie de Bremsstrahlung a un spectre continu en fonction de la tension d'anode sur le tube à rayons X. Lors de la décélération dans le matériau de l'anode, les électrons dépensent la majeure partie de leur énergie pour chauffer l'anode (99%) et seule une petite fraction (1%) est convertie en énergie de rayons X. Dans le diagnostic par rayons X, le bremsstrahlung est le plus souvent utilisé.
Les propriétés de base des rayons X sont caractéristiques de tous les rayonnements électromagnétiques, mais il existe certaines caractéristiques. Les rayons X ont les propriétés suivantes :
- invisibilité - les cellules sensibles de la rétine humaine ne réagissent pas aux rayons X, car leur longueur d'onde est des milliers de fois inférieure à celle de la lumière visible ;
- propagation rectiligne - les rayons sont réfractés, polarisés (propagés dans un certain plan) et diffractés, comme la lumière visible. L'indice de réfraction diffère très peu de l'unité ;
- pouvoir de pénétration - pénétrer sans absorption significative à travers des couches importantes d'une substance opaque à la lumière visible. Plus la longueur d'onde est courte, plus le pouvoir de pénétration des rayons X est élevé ;
- capacité d'absorption - ont la capacité d'être absorbés par les tissus du corps, c'est la base de tous les diagnostics par rayons X. La capacité d'absorption dépend de gravité spécifique tissus (plus il y en a, plus l'absorption est grande); sur l'épaisseur de l'objet ; sur la dureté du rayonnement;
- action photographique - décomposer les composés d'halogénure d'argent, y compris ceux que l'on trouve dans les émulsions photographiques, ce qui permet d'obtenir des rayons X ;
- effet luminescent - provoquer la luminescence d'une série composants chimiques(phosphores), c'est la base de la technique de transmission des rayons X. L'intensité de la lueur dépend de la structure de la substance fluorescente, de sa quantité et de la distance de la source de rayons X. Les phosphores sont utilisés non seulement pour obtenir une image des objets étudiés sur un écran fluoroscopique, mais également en radiographie, où ils permettent d'augmenter l'exposition aux rayonnements d'un film radiographique dans une cassette grâce à l'utilisation d'écrans renforçateurs, dont la couche superficielle est constituée de substances fluorescentes ;
- action d'ionisation - ont la capacité de provoquer la désintégration d'atomes neutres en particules chargées positivement et négativement, la dosimétrie est basée sur cela. L'effet de l'ionisation de tout milieu est la formation d'ions positifs et négatifs, ainsi que d'électrons libres provenant d'atomes neutres et de molécules d'une substance. L'ionisation de l'air dans la salle de radiographie pendant le fonctionnement du tube à rayons X entraîne une augmentation de la conductivité électrique de l'air, une augmentation de l'électricité statique charges électriques sur les éléments de l'armoire. Afin d'éliminer de telles influence indésirable dans des salles de radiographie prévues pour les ventilation d'alimentation et d'extraction;
- action biologique - avoir un impact sur des objets biologiques, dans la plupart des cas cet impact est nocif ;
- loi du carré inverse - pour une source ponctuelle de rayonnement X, l'intensité décroît proportionnellement au carré de la distance à la source.
Le rayonnement X (synonyme de rayons X) est d'une large gamme de longueurs d'onde (de 8·10 -6 à 10 -12 cm). Le rayonnement X se produit lorsque des particules chargées, le plus souvent des électrons, décélèrent dans le champ électrique des atomes d'une substance. Les quanta résultants ont des énergies différentes et forment un spectre continu. L'énergie maximale des photons dans un tel spectre est égale à l'énergie des électrons incidents. B (voir) énergie maximale Les quanta de rayons X, exprimés en kiloélectron-volts, sont numériquement égaux à l'amplitude de la tension appliquée au tube, exprimée en kilovolts. En traversant une substance, les rayons X interagissent avec les électrons de ses atomes. Pour les quanta de rayons X d'énergie jusqu'à 100 keV, le type d'interaction le plus caractéristique est l'effet photoélectrique. À la suite d'une telle interaction, l'énergie quantique est entièrement dépensée pour extraire un électron de la coquille atomique et lui transmettre de l'énergie cinétique. Avec une augmentation de l'énergie d'un quantum de rayons X, la probabilité de l'effet photoélectrique diminue et le processus de diffusion des quanta sur les électrons libres devient prédominant - l'effet dit Compton. À la suite d'une telle interaction, un électron secondaire est également formé et, de plus, un quantum avec une énergie inférieure à l'énergie du quantum primaire s'envole. Si l'énergie d'un quantum de rayons X dépasse un mégaélectron-volt, un effet dit d'appariement peut se produire, dans lequel un électron et un positron se forment (voir). Par conséquent, lors du passage à travers une substance, l'énergie du rayonnement X diminue, c'est-à-dire que son intensité diminue. Étant donné que les quanta de faible énergie sont plus susceptibles d'être absorbés dans ce cas, le rayonnement X est enrichi de quanta de plus haute énergie. Cette propriété du rayonnement X est utilisée pour augmenter l'énergie moyenne des quanta, c'est-à-dire pour augmenter sa rigidité. Une augmentation de la dureté du rayonnement X est obtenue à l'aide de filtres spéciaux (voir). Le rayonnement X est utilisé pour le diagnostic par rayons X (voir) et (voir). Voir aussi Rayonnement ionisant.
Rayonnement X (synonyme: rayons X, rayons X) - rayonnement électromagnétique quantique d'une longueur d'onde de 250 à 0,025 A (ou quanta d'énergie de 5 10 -2 à 5 10 2 keV). En 1895, il a été découvert par V.K. Roentgen. La région spectrale du rayonnement électromagnétique adjacente aux rayons X, dont les quanta d'énergie dépassent 500 keV, est appelée rayonnement gamma (voir); rayonnement, dont les quanta d'énergie sont inférieurs à 0,05 keV, est rayonnement ultraviolet(cm.).
Ainsi, représentant une partie relativement faible du vaste spectre du rayonnement électromagnétique, qui comprend à la fois les ondes radio et la lumière visible, le rayonnement X, comme tout rayonnement électromagnétique, se propage à la vitesse de la lumière (environ 300 000 km/s dans le vide ) et est caractérisé par une longueur d'onde λ (la distance sur laquelle se propage le rayonnement en une période d'oscillation). Le rayonnement X possède également un certain nombre d'autres propriétés ondulatoires (réfraction, interférence, diffraction), mais il est beaucoup plus difficile de les observer que pour les rayonnements de plus grande longueur d'onde : lumière visible, ondes radio.
Spectres de rayons X : a1 - spectre de freinage continu à 310 kV ; a - spectre continu de bremsstrahlung à 250 kV, a1 - spectre filtré par 1 mm Cu, a2 - spectre filtré par 2 mm Cu, b - série K de la ligne de tungstène.
Pour générer des rayons X, des tubes à rayons X sont utilisés (voir), dans lesquels le rayonnement se produit lorsque des électrons rapides interagissent avec des atomes de la substance anodique. Il existe deux types de rayons X : bremsstrahlung et caractéristique. Le rayonnement X de Bremsstrahlung, qui a un spectre continu, est similaire à la lumière blanche ordinaire. La répartition de l'intensité en fonction de la longueur d'onde (Fig.) est représentée par une courbe avec un maximum ; dans le sens des ondes longues, la courbe descend doucement, et dans le sens des ondes courtes, elle est abrupte et s'interrompt à une certaine longueur d'onde (λ0), appelée limite des longueurs d'onde courtes du spectre continu. La valeur de λ0 est inversement proportionnelle à la tension sur le tube. Bremsstrahlung résulte de l'interaction d'électrons rapides avec des noyaux atomiques. L'intensité du bremsstrahlung est directement proportionnelle à la force du courant d'anode, au carré de la tension du tube et au numéro atomique (Z) du matériau de l'anode.
Si l'énergie des électrons accélérés dans le tube à rayons X dépasse la valeur critique pour la substance anodique (cette énergie est déterminée par la tension du tube Vcr, qui est critique pour cette substance), un rayonnement caractéristique se produit. Spectre caractéristique- ligné, ses raies spectrales forment une série, notée par les lettres K, L, M, N.
La série K est la longueur d'onde la plus courte, la série L est la longueur d'onde la plus longue, les séries M et N ne sont observées que dans les éléments lourds (Vcr du tungstène pour la série K est de 69,3 kv, pour la série L - 12,1 kv). Le rayonnement caractéristique se présente comme suit. Les électrons rapides font sortir les électrons atomiques des coquilles internes. L'atome est excité puis retourne à l'état fondamental. Dans ce cas, les électrons des coques externes moins liées remplissent les espaces libérés dans les coques internes et des photons de rayonnement caractéristique avec une énergie égale à la différence entre les énergies de l'atome dans les états excité et fondamental sont émis. Cette différence (et donc l'énergie du photon) a une certaine valeur, caractéristique de chaque élément. Ce phénomène sous-tend l'analyse spectrale aux rayons X des éléments. La figure montre spectre de raies tungstène sur fond d'un spectre continu de bremsstrahlung.
L'énergie des électrons accélérés dans le tube à rayons X est convertie presque entièrement en énergie thermique (l'anode est fortement chauffée dans ce cas), seule une partie insignifiante (environ 1% à une tension proche de 100 kV) est convertie en énergie de bremsstrahlung .
L'utilisation des rayons X en médecine repose sur les lois de l'absorption des rayons X par la matière. L'absorption des rayons X est totalement indépendante des propriétés optiques du matériau absorbant. Le verre au plomb incolore et transparent utilisé pour protéger le personnel dans les salles de radiologie absorbe presque complètement les rayons X. En revanche, une feuille de papier non transparente à la lumière n'atténue pas les rayons X.
L'intensité d'un faisceau de rayons X homogène (c'est-à-dire d'une certaine longueur d'onde), lorsqu'il traverse une couche absorbante, diminue selon la loi exponentielle (e-x), où e est la base logarithmes naturels(2.718), et l'exposant x est égal au produit du coefficient d'atténuation massique (μ / p) cm 2 /g et de l'épaisseur de l'absorbeur en g / cm 2 (ici p est la masse volumique de la substance en g / cm3). Les rayons X sont atténués à la fois par diffusion et par absorption. Par conséquent, le coefficient d'atténuation massique est la somme des coefficients d'absorption et de diffusion massiques. Le coefficient d'absorption massique augmente fortement avec l'augmentation du numéro atomique (Z) de l'absorbeur (proportionnel à Z3 ou Z5) et avec l'augmentation de la longueur d'onde (proportionnelle à λ3). Cette dépendance à la longueur d'onde s'observe à l'intérieur des bandes d'absorption, aux frontières desquelles le coefficient présente des sauts.
Le coefficient de diffusion de masse augmente avec l'augmentation du numéro atomique de la substance. Pour λ≥0,3Å le coefficient de diffusion ne dépend pas de la longueur d'onde, pour λ<0,ЗÅ он уменьшается с уменьшением λ.
La diminution des coefficients d'absorption et de diffusion avec la diminution de la longueur d'onde provoque une augmentation du pouvoir de pénétration des rayons X. Le coefficient d'absorption de masse pour les os [l'absorption est principalement due au Ca 3 (PO 4) 2 ] est près de 70 fois supérieur à celui des tissus mous, où l'absorption est principalement due à l'eau. Cela explique pourquoi l'ombre des os se détache si nettement sur les radiographies sur fond de tissus mous.
La propagation d'un faisceau de rayons X inhomogène à travers n'importe quel milieu, accompagnée d'une diminution de l'intensité, s'accompagne d'une modification de la composition spectrale, d'une modification de la qualité du rayonnement : la partie à ondes longues du spectre est absorbée par une plus grande mesure que la partie à ondes courtes, le rayonnement devient plus uniforme. Le filtrage de la partie de grande longueur d'onde du spectre permet d'améliorer le rapport entre les doses profondes et superficielles lors de la radiothérapie des foyers situés profondément dans le corps humain (voir filtres à rayons X). Pour caractériser la qualité d'un faisceau de rayons X inhomogène, le concept de "demi-couche d'atténuation (L)" est utilisé - une couche d'une substance qui atténue de moitié le rayonnement. L'épaisseur de cette couche dépend de la tension sur le tube, de l'épaisseur et du matériau du filtre. La cellophane (jusqu'à une énergie de 12 keV), l'aluminium (20–100 keV), le cuivre (60–300 keV), le plomb et le cuivre (>300 keV) sont utilisés pour mesurer les demi-couches d'atténuation. Pour les rayons X générés à des tensions de 80 à 120 kV, 1 mm de cuivre équivaut en capacité de filtrage à 26 mm d'aluminium, 1 mm de plomb équivaut à 50,9 mm d'aluminium.
L'absorption et la diffusion des rayons X sont dues à ses propriétés corpusculaires ; Les rayons X interagissent avec les atomes sous la forme d'un flux de corpuscules (particules) - photons, dont chacun a une certaine énergie (inversement proportionnelle à la longueur d'onde des rayons X). La gamme d'énergie des photons X est de 0,05 à 500 keV.
L'absorption du rayonnement X est due à l'effet photoélectrique : l'absorption d'un photon par la couche électronique s'accompagne de l'éjection d'un électron. L'atome est excité et, revenant à l'état fondamental, émet un rayonnement caractéristique. Le photoélectron émis emporte toute l'énergie du photon (moins l'énergie de liaison de l'électron dans l'atome).
La diffusion du rayonnement X est due aux électrons du milieu diffusant. Il existe une diffusion classique (la longueur d'onde du rayonnement ne change pas, mais la direction de propagation change) et une diffusion avec un changement de longueur d'onde - l'effet Compton (la longueur d'onde du rayonnement diffusé est supérieure à celle incidente). Dans ce dernier cas, le photon se comporte comme une boule en mouvement, et la diffusion des photons se produit, selon l'expression figurative de Comnton, comme une partie de billard avec des photons et des électrons : en entrant en collision avec un électron, le photon transfère une partie de son énergie vers lui et se disperse, ayant déjà moins d'énergie (respectivement, la longueur d'onde du rayonnement diffusé augmente), l'électron vole hors de l'atome avec une énergie de recul (ces électrons sont appelés électrons Compton ou électrons de recul). L'absorption de l'énergie des rayons X se produit lors de la formation d'électrons secondaires (Compton et photoélectrons) et du transfert d'énergie vers ceux-ci. L'énergie des rayons X transférée à une unité de masse d'une substance détermine la dose absorbée de rayons X. L'unité de cette dose 1 rad correspond à 100 erg/g. En raison de l'énergie absorbée dans la substance de l'absorbeur, il se produit un certain nombre de processus secondaires qui sont importants pour la dosimétrie des rayons X, car c'est sur eux que reposent les méthodes de mesure des rayons X. (voir Dosimétrie).
Tous les gaz et de nombreux liquides, semi-conducteurs et diélectriques, sous l'action des rayons X, augmentent la conductivité électrique. La conductivité est trouvée par le meilleur matériaux isolants: paraffine, mica, caoutchouc, ambre. Le changement de conductivité est dû à l'ionisation du milieu, c'est-à-dire à la séparation des molécules neutres en ions positifs et négatifs (l'ionisation est produite par des électrons secondaires). L'ionisation de l'air est utilisée pour déterminer la dose d'exposition aux rayons X (dose dans l'air), qui est mesurée en roentgens (voir Doses rayonnement ionisant). A une dose de 1 r, la dose absorbée dans l'air est de 0,88 rad.
Sous l'action des rayons X, à la suite de l'excitation des molécules d'une substance (et lors de la recombinaison des ions), dans de nombreux cas, une lueur visible de la substance est excitée. À des intensités élevées de rayonnement X, une lueur visible d'air, de papier, de paraffine, etc. est observée (les métaux sont une exception). Le rendement le plus élevé de lumière visible est donné par des luminophores cristallins tels que Zn·CdS·Ag-phosphore et d'autres utilisés pour les écrans en fluoroscopie.
Sous l'action des rayons X, divers procédés chimiques: décomposition des composés d'halogénure d'argent (effet photographique utilisé en radiographie), décomposition de l'eau et solutions aqueuses peroxyde d'hydrogène, modifiant les propriétés du celluloïd (opacification et libération de camphre), de la paraffine (opacification et décoloration).
À la suite d'une conversion complète, toute l'énergie des rayons X absorbée par la substance chimiquement inerte est convertie en chaleur. La mesure de très petites quantités de chaleur nécessite des méthodes très sensibles, mais c'est la principale méthode mesures absolues rayonnement X.
Les effets biologiques secondaires de l'exposition aux rayons X sont à la base de la radiothérapie médicale (voir). Les rayons X, dont les quanta sont de 6 à 16 keV (longueurs d'onde efficaces de 2 à 5 Å), sont presque entièrement absorbés par la peau du tissu corps humain; on les appelle rayons limites, ou parfois rayons Bucca (voir rayons Bucca). Pour la thérapie par rayons X profonds, un rayonnement filtré dur avec des quanta d'énergie efficaces de 100 à 300 keV est utilisé.
L'effet biologique du rayonnement X doit être pris en compte non seulement dans la radiothérapie, mais également dans le diagnostic par rayons X, ainsi que dans tous les autres cas de contact avec des rayons X nécessitant l'utilisation d'une radioprotection ( voir).
Rayonnement X - un type de rayonnement dont la fréquence est comprise entre 3 * 10 16 et 3 * 10 20 Hz.
Histoire de la découverte des rayons X
Les rayons X ont été découverts en 1895 par l'Allemand Wilhelm Roentgen. À la fin du XIXe siècle, les scientifiques se sont engagés dans l'étude de la décharge de gaz à basse pression. Dans ce cas, les flux d'électrons se déplaçant avec grande vitesse. V. Roentgen s'est aussi attelé à l'étude de ces rayons.
Il a remarqué que si une plaque photographique est placée à côté du tube à décharge, elle sera éclairée, même si elle est enveloppée dans du papier noir. Continuant à mettre en place des expériences, Roentgen a enveloppé le tube à décharge avec du papier imbibé d'une solution de platine-cyanure de baryum. Le papier commença à briller.
X-ray était curieux et a placé sa main entre le papier et le tube, dans l'espoir, probablement, qu'il commencerait à briller, mais cela ne s'est pas produit. Mais sur l'écran de papier, les ombres sombres des os restaient visibles sur le fond des contours plus clairs de la main. Roentgen a suggéré qu'il s'agit d'un rayonnement inconnu qui a un effet pénétrant très fort.
- Il appela ces rayons Rayons X. Par la suite, ces rayons sont devenus connus sous le nom de rayons X.
Propriétés des rayons X
Les rayons X ne sont pas affectés par un champ électromagnétique. En même temps, ils n'ont pratiquement pas subi de réfraction et n'ont pas été réfléchis. Il y avait une hypothèse selon laquelle les rayons X sont des ondes électromagnétiques qui sont émises lorsque les électrons décélèrent.
- Ils ont très courte longueur d'onde grâce à quoi ils ont un pouvoir pénétrant si élevé.
Maintenant, l'attention des scientifiques était rivée à l'étude des rayons X. Ils ont essayé de détecter la diffraction de ces rayons. Passé à travers les fissures dans les plaques, mais n'a trouvé aucun effet. Quelque temps plus tard, l'Allemand Max Laue suggéra de faire passer des rayons X à travers des cristaux.
Il a étayé cela en disant qu'il est possible que la longueur d'onde du rayonnement X soit comparable à la taille des atomes, et donc que la diffraction ne puisse pas être obtenue sur des fentes artificielles. Par conséquent, il faut utiliser des cristaux qui ont une structure claire et la distance entre les atomes est approximativement égale à la taille des atomes eux-mêmes. Les hypothèses de Laue ont été confirmées.
Après avoir fait passer les rayons X à travers le cristal, approximativement l'image suivante est apparue sur l'écran.
L'apparition de petites taches supplémentaires ne pouvait s'expliquer que par le phénomène de diffraction des rayons X sur la structure interne du cristal. Après une enquête plus approfondie, il s'est avéré que la longueur d'onde du rayonnement X était en effet égale en ordre de grandeur à la taille des atomes.
Les rayons X sont largement utilisés dans la pratique. En médecine, recherche scientifique, technologie. Les rayons X sont utilisés pour la détection des défauts divers modèles, à la recherche de trous noirs et de fractures dans les os des gens.