Mitä tiedämme röntgensäteistä?

2024 Kirjoittaja: Seth Attwood | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2023-12-16 16:04

1800-luvulla ihmissilmälle näkymätön säteily, joka kykeni läpäisemään lihaa ja muita materiaaleja, vaikutti joltain aivan fantastiselta. Nyt röntgensäteitä käytetään laajalti lääketieteellisten kuvien luomiseen, sädehoidon suorittamiseen, taideteosten analysointiin ja ydinenergiaongelmien ratkaisemiseen.

Miten röntgensäteily löydettiin ja miten se auttaa ihmisiä - selvitämme yhdessä fyysikko Aleksanteri Nikolajevitš Dolgovin kanssa.

Röntgensäteiden löytö

1800-luvun lopusta lähtien tiede alkoi näytellä täysin uutta roolia maailmankuvan muovaamisessa. Sata vuotta sitten tiedemiesten toiminta oli amatööri- ja yksityisluonteista. Kuitenkin 1700-luvun loppuun mennessä tieteestä tuli tieteellisen ja teknologisen vallankumouksen seurauksena systemaattinen toiminta, jossa jokainen löytö tuli mahdolliseksi monien asiantuntijoiden panoksen ansiosta.

Tutkimuslaitoksia, määräaikaisia tieteellisiä lehtiä alkoi ilmestyä, kilpailu ja kamppailu syntyi tieteellisten saavutusten ja teknisten innovaatioiden tekijänoikeuden tunnustamisesta. Kaikki nämä prosessit tapahtuivat Saksan valtakunnassa, jossa 1800-luvun loppuun mennessä keisari kannusti tieteellisiin saavutuksiin, jotka lisäsivät maan arvostusta maailmannäyttämöllä.

Yksi tutkijoista, joka työskenteli innostuneesti tänä aikana, oli fysiikan professori, Würzburgin yliopiston rehtori Wilhelm Konrad Roentgen. 8. marraskuuta 1895 hän viipyi myöhään laboratoriossa, kuten usein tapahtui, ja päätti suorittaa kokeellisen tutkimuksen sähköpurkauksesta lasityhjiöputkissa. Hän pimeni huoneen ja kääri yhden putkesta läpinäkymättömään mustaan paperiin, jotta purkauksen mukana tulevia optisia ilmiöitä olisi helpompi havaita. Yllätyksekseni

Roentgen näki fluoresenssinauhan läheisellä näytöllä, joka oli peitetty bariumsyanoplatiniittikiteillä. On epätodennäköistä, että tiedemies voisi silloin kuvitella olevansa yhden aikansa tärkeimmistä tieteellisistä löydöistä. Röntgenistä kirjoitetaan ensi vuonna yli tuhat julkaisua, lääkärit ottavat heti keksinnön käyttöön, sen ansiosta radioaktiivisuutta löydetään tulevaisuudessa ja uusia tieteen suuntauksia ilmaantuu.

Roentgen omisti muutaman seuraavan viikon käsittämättömän hehkun luonteen tutkimiseen ja havaitsi, että fluoresenssi ilmaantui aina, kun hän kohdistai putkeen virtaa. Putki oli säteilyn lähde, ei jokin muu osa sähköpiiriä.. Koska hän ei tiennyt, mitä hän kohtasi, hän päätti nimetä tämän ilmiön röntgensäteiksi tai röntgensäteiksi. Lisäksi Roentgen havaitsi, että tämä säteily voi tunkeutua lähes kaikkiin esineisiin eri syvyyksiin riippuen kohteen paksuudesta ja aineen tiheydestä.

Siten purkausputken ja näytön välissä oleva pieni lyijykiekko osoittautui röntgensäteitä läpäisemättömäksi, ja käden luut loivat näytölle tummemman varjon, jota ympäröi pehmeämpi kudosten vaaleampi varjo. Pian tiedemies sai selville, että röntgensäteet eivät aiheuta vain bariumsyanoplatiniteilla päällystetyn näytön hehkua, vaan myös valokuvalevyjen tummumista (kehityksen jälkeen) niissä paikoissa, joissa röntgensäteet putosivat valokuvausemulsioon.

Kokeidensa aikana Roentgen vakuuttui löytäneensä tieteelle tuntemattoman säteilyn. 28. joulukuuta 1895 hän raportoi tutkimustuloksista artikkelissa "On a new type of radiation" Annals of Physics and Chemistry -lehdessä. Samaan aikaan hän lähetti tutkijoille kuvia vaimonsa Anna Bertha Ludwigin kädestä, josta tuli myöhemmin kuuluisa.

Röntgenin vanhan ystävän, itävaltalaisen fyysikon Franz Exnerin ansiosta Wienin asukkaat näkivät nämä kuvat ensimmäisinä 5. tammikuuta 1896 Die Presse -sanomalehden sivuilla. Heti seuraavana päivänä tiedot avajaisista välitettiin London Chronicle -sanomalehteen. Joten Roentgenin löytö alkoi vähitellen tulla ihmisten jokapäiväiseen elämään. Käytännön sovellus löydettiin melkein välittömästi: 20. tammikuuta 1896 New Hampshiressa lääkärit hoitivat miestä, jolla oli murtunut käsi, käyttämällä uutta diagnostiikkamenetelmää - röntgenkuvaa.

Varhainen röntgensäteiden käyttö

Röntgenkuvia on usean vuoden aikana alettu aktiivisesti käyttää tarkempiin toimintoihin. Jo 14 päivää niiden avaamisen jälkeen Friedrich Otto Valkhoff otti ensimmäisen hammasröntgenkuvan. Ja sen jälkeen he perustivat yhdessä Fritz Gieselin kanssa maailman ensimmäisen hammasröntgenlaboratorion.

Vuoteen 1900 mennessä, viisi vuotta sen löytämisen jälkeen, röntgensäteiden käyttöä diagnoosissa pidettiin kiinteänä osana lääketieteellistä käytäntöä.

Pennsylvanian vanhimman sairaalan tilastoja voidaan pitää osoitus röntgensäteilyyn perustuvien teknologioiden leviämisestä. Hänen mukaansa vuonna 1900 vain noin 1-2 % potilaista sai apua röntgensäteillä, kun taas vuonna 1925 niitä oli jo 25 %.

Röntgensäteitä käytettiin tuolloin hyvin epätavallisella tavalla. Niitä käytettiin esimerkiksi karvanpoistopalveluihin. Pitkään tätä menetelmää pidettiin parempana verrattuna kivuliaimpiin - pihdit tai vaha. Lisäksi röntgensäteitä on käytetty kenkien sovituslaitteissa - kokeilufluoroskoopeissa (pedoskoopit). Nämä olivat röntgenlaitteita, joissa oli erityinen lovi jalkoja varten, sekä ikkunoita, joiden läpi asiakas ja myyjät saattoivat arvioida, kuinka kengät istuivat.

Röntgenkuvauksen varhainen käyttö nykyaikaisesta turvallisuusnäkökulmasta herättää monia kysymyksiä. Ongelmana oli, että röntgensäteiden löytämisen aikaan säteilystä ja sen seurauksista ei tiedetty käytännössä mitään, minkä vuoksi uutta keksintöä käyttäneet pioneerit kohtasivat sen haitalliset vaikutukset omassa kokemuksessaan Lisääntyneen altistumisen negatiiviset seuraukset Siitä tuli massailmiö 1800-luvun vaihteessa XX vuosisadalla, ja ihmiset alkoivat vähitellen ymmärtää röntgensäteiden mielettömän käytön vaaroja.

Röntgenkuvien luonne

Röntgensäteily on sähkömagneettista säteilyä, jonka fotonienergiat ovat ~ 100 eV - 250 keV ja joka sijaitsee sähkömagneettisten aaltojen asteikolla ultraviolettisäteilyn ja gammasäteilyn välillä. Se on osa luonnollista säteilyä, jota esiintyy radioisotoopeissa, kun alkuaineiden atomit viritetään elektronivirralla, alfahiukkasilla tai gamma-kvantilla, joissa elektroneja irtoaa atomin elektronikuorista. Röntgensäteilyä syntyy, kun varautuneet hiukkaset liikkuvat kiihtyvällä tahdilla, erityisesti elektronien hidastuessa, aineen atomien sähkökentässä.

Erotetaan pehmeät ja kovat röntgensäteet, joiden ehdollinen raja aallonpituusasteikolla on noin 0,2 nm, mikä vastaa noin 6 keV:n fotonienergiaa. Röntgensäteily on lyhyen aallonpituutensa vuoksi sekä tunkeutuvaa että ionisoivaa, koska kulkiessaan aineen läpi se on vuorovaikutuksessa elektronien kanssa, lyömällä ne pois atomeista, hajottaen ne ioneiksi ja elektroneiksi ja muuttaen aineen rakennetta jota se toimii.

Röntgensäteet saavat fluoresenssiksi kutsutun kemiallisen yhdisteen hehkumaan. Näytteen atomien säteilytys korkeaenergisilla fotoneilla aiheuttaa elektronien emission - ne poistuvat atomista. Yhdessä tai useammassa elektroniradassa muodostuu "reikiä" - tyhjiä paikkoja, joiden vuoksi atomit menevät kiihtyneeseen tilaan, eli ne muuttuvat epävakaiksi. Miljoonasosaa sekuntia myöhemmin atomit palaavat vakaaseen tilaan, kun sisäkiertoradalla olevat tyhjät paikat täyttyvät elektroneilla ulkoradoilta.

Tähän siirtymiseen liittyy energian emissio sekundäärisen fotonin muodossa, jolloin syntyy fluoresenssia.

Röntgentähtitiede

Maapallolla kohtaamme harvoin röntgensäteitä, mutta niitä löytyy melko usein avaruudesta. Siellä sitä esiintyy luonnollisesti monien avaruusobjektien toiminnan vuoksi. Tämä teki röntgenastronomian mahdolliseksi. Röntgenfotonien energia on paljon suurempi kuin optisten, joten röntgenalueella se emittoi erittäin korkeisiin lämpötiloihin kuumennettua ainetta.

Nämä kosmiset röntgensäteilyn lähteet eivät ole meille havaittava osa luonnollista taustasäteilyä eivätkä siksi uhkaa ihmisiä millään tavalla. Ainoa poikkeus voi olla sellainen kovan sähkömagneettisen säteilyn lähde kuin supernovaräjähdys, joka tapahtui riittävän lähellä aurinkokuntaa.

Kuinka luoda röntgensäteitä keinotekoisesti?

Röntgenlaitteita käytetään edelleen laajalti tuhoamattomaan introskopiaan (röntgenkuvat lääketieteessä, vikojen havaitseminen tekniikassa). Niiden pääkomponentti on röntgenputki, joka koostuu katodista ja anodista. Putkielektrodit kytketään korkeajännitelähteeseen, joka on yleensä kymmeniä tai jopa satoja tuhansia voltteja. Kuumennettaessa katodi emittoi elektroneja, jotka kiihtyvät katodin ja anodin välisen sähkökentän vaikutuksesta.

Törmäyksessä anodin kanssa elektronit hidastuvat ja menettävät suurimman osan energiastaan. Tässä tapauksessa ilmenee röntgenalueen bremsstrahlung-säteilyä, mutta suurin osa elektronienergiasta muuttuu lämmöksi, joten anodi jäähtyy.

Vakio- tai pulssivaikutteinen röntgenputki on edelleen yleisin röntgensäteilyn lähde, mutta se ei suinkaan ole ainoa. Korkean intensiteetin säteilypulssien saamiseksi käytetään suurvirtapurkauksia, joissa virtaavan virran plasmakanava puristuu sen omalla virran magneettikentällä - ns.

Jos purkautuminen tapahtuu kevyiden alkuaineiden väliaineessa, esimerkiksi vetyväliaineessa, niin se toimii tehokkaana elektronien kiihdytinä itse purkauksessa syntyvän sähkökentän avulla. Tämä purkaus voi merkittävästi ylittää ulkoisen virtalähteen synnyttämän kentän. Tällä tavalla saadaan kovan röntgensäteilyn pulsseja, joilla on korkea generoitujen kvanttien energia (satoja kiloelektronivoltteja), joilla on korkea läpäisykyky.

Röntgensäteiden saamiseksi laajalla spektrialueella käytetään elektronikiihdyttimiä - synkrotroneja. Niissä säteilyä muodostuu rengasmaisen tyhjökammion sisällä, jossa kapeasti suunnattu, lähes valonnopeuteen kiihdytetty suurienergisten elektronien säde liikkuu ympyräradalla. Kierron aikana magneettikentän vaikutuksesta lentävät elektronit lähettävät fotoninsäteitä tangentiaalisesti kiertoradalle laajalla spektrillä, jonka maksimi osuu röntgenalueelle.

Kuinka röntgensäteet havaitaan

Pitkän aikaa röntgensäteilyn havaitsemiseen ja mittaamiseen käytettiin ohutta kerrosta fosforia tai valokuvaemulsiota lasilevyn tai läpinäkyvän polymeerikalvon pinnalle. Ensimmäinen loisti spektrin optisella alueella röntgensäteilyn vaikutuksesta, kun taas pinnoitteen optinen läpinäkyvyys muuttui kalvossa kemiallisen reaktion vaikutuksesta.

Tällä hetkellä röntgensäteilyn rekisteröintiin käytetään useimmiten elektronisia ilmaisimia - laitteita, jotka tuottavat sähköpulssin, kun säteilykvantti absorboituu ilmaisimen herkkään tilavuuteen. Ne eroavat siinä periaatteessa, että absorboituneen säteilyn energia muunnetaan sähköisiksi signaaleiksi.

Elektronisesti rekisteröidyt röntgendetektorit voidaan jakaa ionisaatioon, jonka toiminta perustuu aineen ionisaatioon, ja radioluminesoiviin, mukaan lukien tuike, käyttämällä aineen luminesenssia ionisoivan säteilyn vaikutuksesta. Ionisaatioilmaisimet puolestaan jaetaan kaasutäytteisiin ja puolijohteisiin tunnistusväliaineesta riippuen.

Kaasulla täytettyjen ilmaisimien päätyypit ovat ionisaatiokammiot, Geiger-laskurit (Geiger-Muller-laskurit) ja suhteelliset kaasupurkauslaskurit. Vastalaitteen työympäristöön tulevat säteilykvantit aiheuttavat kaasun ionisaation ja virran virran, joka kirjataan. Puolijohdeilmaisimessa säteilykvanttien vaikutuksesta muodostuu elektroni-reikäpareja, jotka mahdollistavat myös sähkövirran kulkemisen anturin rungon läpi.

Tyhjiölaitteen tuikelaskimien pääkomponentti on fotomonistinputki (PMT), joka käyttää valosähköistä vaikutusta säteilyn muuntamiseen varautuneiden hiukkasten virraksi ja sekundaarisen elektroniemission ilmiötä syntyneiden varautuneiden hiukkasten virran lisäämiseksi. Valomonistimessa on valokatodi ja peräkkäisten kiihdytyselektrodien järjestelmä - dynodit, joihin törmäyksessä kiihdytetyt elektronit lisääntyvät.

Toissijainen elektronikertoja on avoin tyhjiölaite (toimii vain tyhjiöolosuhteissa), jossa röntgensäteily sisääntulossa muunnetaan primäärielektronivirraksi ja vahvistuu sitten elektronien toissijaisen emission vuoksi niiden eteneessä kertojakanavassa..

Mikrokanavalevyt, jotka ovat valtava määrä erillisiä mikroskooppisia kanavia, jotka läpäisevät levytunnistimen, toimivat samalla periaatteella. Ne voivat lisäksi tarjota avaruudellisen resoluution ja optisen kuvan muodostamisen röntgensäteilyn ilmaisimeen tulevan vuon poikkileikkauksesta pommittamalla puoliläpinäkyvän näytön lähtevää elektronivirtaa siihen kerrostuneella loisteaineella.

Röntgenkuvat lääketieteessä

Röntgensäteiden kyky paistaa materiaalisten esineiden läpi ei ainoastaan anna ihmisille kykyä luoda yksinkertaisia röntgensäteitä, vaan se myös avaa mahdollisuuksia kehittyneemmille diagnostisille työkaluille. Se on esimerkiksi tietokonetomografian (CT) ydin.

Röntgenlähde ja vastaanotin pyörivät renkaan sisällä, jossa potilas makaa. Saatu tieto siitä, kuinka kehon kudokset imevät röntgensäteitä, rekonstruoidaan tietokoneella 3D-kuvaksi. CT on erityisen tärkeä aivohalvauksen diagnosoinnissa, ja vaikka se on vähemmän tarkka kuin aivojen magneettikuvaus, se vie paljon vähemmän aikaa.

Suhteellisen uusi suunta, joka on nyt kehittymässä mikrobiologiassa ja lääketieteessä, on pehmeän röntgensäteilyn käyttö. Kun elävä organismi on läpikuultava, sen avulla on mahdollista saada kuva verisuonista, tutkia yksityiskohtaisesti pehmytkudosten rakennetta ja jopa suorittaa mikrobiologisia tutkimuksia solutasolla.

Röntgenmikroskoopilla, jossa käytetään säteilyä, joka syntyy raskaiden elementtien plasmassa olevasta puristuspurkauksesta, voidaan nähdä sellaisia yksityiskohtia elävän solun rakenteesta,jota ei voida nähdä elektronimikroskoopilla edes erityisesti valmistetussa solurakenteessa.

Yksi pahanlaatuisten kasvainten hoitoon käytetyistä sädehoitotyypeistä käyttää kovia röntgensäteitä, mikä on mahdollista sen ionisoivan vaikutuksen ansiosta, joka tuhoaa biologisen kohteen kudosta. Tässä tapauksessa säteilylähteenä käytetään elektronikiihdytintä.

Radiografia tekniikassa

Pehmeitä röntgensäteitä käytetään tutkimuksessa, jonka tavoitteena on ratkaista hallitun lämpöydinfuusion ongelma. Prosessin aloittamiseksi sinun on luotava rekyylishokkiaalto säteilyttämällä pieni deuterium- ja tritiumkohde pehmeillä röntgensäteillä sähköpurkauksesta ja lämmittämällä tämän kohteen kuori välittömästi plasmatilaan.

Tämä aalto puristaa kohdemateriaalin tiheyteen, joka on tuhansia kertoja suurempi kuin kiinteän aineen tiheys, ja lämmittää sen lämpöydinlämpötilaan. Termoydinfuusioenergian vapautuminen tapahtuu lyhyessä ajassa, kun taas kuuma plasma hajoaa hitauden vaikutuksesta.

Läpinäkyvyys mahdollistaa radiografian - kuvantamistekniikan, jonka avulla voit näyttää esimerkiksi metallista valmistetun läpinäkymättömän esineen sisäisen rakenteen. Silmällä on mahdotonta määrittää, ovatko siltarakenteet hitsattu tiukasti, onko kaasuputken sauma ilmatiivis ja kiinnittyvätkö kiskot tiiviisti toisiinsa.

Siksi teollisuudessa röntgensäteitä käytetään vikojen havaitsemiseen - kohteen tai sen yksittäisten elementtien pääkäyttöominaisuuksien ja -parametrien luotettavuuden tarkkailuun, mikä ei edellytä kohteen poistamista käytöstä tai purkamista.

Röntgenfluoresenssispektrometria perustuu fluoresenssin vaikutukseen - analyysimenetelmään, jolla määritetään alkuaineiden pitoisuudet berylliumista uraaniin välillä 0,0001 - 100 % eri alkuperää olevista aineista.

Kun näytettä säteilytetään voimakkaalla röntgenputkesta tulevalla säteilyvirralla, ilmaantuu atomien tunnusomaista fluoresoivaa säteilyä, joka on verrannollinen niiden pitoisuuteen näytteessä. Tällä hetkellä käytännössä jokainen elektronimikroskooppi mahdollistaa ilman vaikeuksia tutkittujen mikroobjektien yksityiskohtaisen alkuainekoostumuksen määrittämisen röntgenfluoresenssianalyysimenetelmällä.

Röntgenkuvat taidehistoriassa

Röntgensäteiden kykyä paistaa läpi ja luoda fluoresenssivaikutelma käytetään myös maalausten tutkimiseen. Pintamaalin alle piilotettu voi kertoa paljon kankaan syntyhistoriasta. Esimerkiksi monikerroksisessa taitavassa työssä kuva voidaan havaita taiteilijan teoksessa ainutlaatuiseksi. On myös tärkeää ottaa huomioon maalauksen kerrosten rakenne valittaessa kankaalle sopivimpia säilytysolosuhteita.

Kaikessa tässä röntgensäteily on välttämätön, jonka avulla voit katsoa kuvan ylempien kerrosten alle vahingoittamatta sitä.

Tärkeää kehitystä tähän suuntaan ovat uudet taideteosten käsittelyyn erikoistuneet menetelmät. Makroskooppinen fluoresenssi on röntgenfluoresenssianalyysin muunnelma, joka soveltuu hyvin noin 0,5-1 neliömetrin tai suuremmilla alueilla olevien avainelementtien, pääasiassa metallien, jakautumisrakenteen visualisointiin.

Toisaalta röntgenlaminografia, tietokoneröntgentomografian muunnos, joka soveltuu paremmin tasaisten pintojen tutkimukseen, vaikuttaa lupaavalta kuvien saamiseksi kuvan yksittäisistä kerroksista. Näillä menetelmillä voidaan myös tutkia maalikerroksen kemiallista koostumusta. Tämä mahdollistaa kankaan päiväyksen, myös väärennöksen tunnistamiseksi.

Röntgensäteilyn avulla voit selvittää aineen rakenteen

Röntgenkristallografia on tieteellinen suunta, joka liittyy aineen rakenteen tunnistamiseen atomi- ja molekyylitasolla. Kitekappaleiden erottuva piirre on moninkertainen järjestys toisto samojen elementtien (solujen) avaruudellisessa rakenteessa, joka koostuu tietystä joukosta atomeja, molekyylejä tai ioneja.

Päätutkimusmenetelmänä on altistaa kiteinen näyte kapealle röntgensäteelle röntgenkameralla. Tuloksena oleva valokuva näyttää kuvan kiteen läpi kulkevista taipuneista röntgensäteistä, joista tutkijat voivat sitten näyttää visuaalisesti sen spatiaalisen rakenteen, jota kutsutaan kidehilaksi. Erilaisia tapoja tämän menetelmän toteuttamiseksi kutsutaan röntgenrakenneanalyysiksi.

Kiteisten aineiden röntgenrakenneanalyysi koostuu kahdesta vaiheesta:

1. Kiteen yksikkökennon koon, yksikkökennon hiukkasten (atomien, molekyylien) lukumäärän ja hiukkasten järjestyksen symmetrian määrittäminen. Nämä tiedot saadaan analysoimalla diffraktiomaksimien sijainnin geometria.
2. Yksikkökennon sisällä olevan elektronitiheyden laskeminen ja atomikoordinaattien määrittäminen, jotka tunnistetaan elektronitiheysmaksimien sijainnilla. Nämä tiedot saadaan analysoimalla diffraktiomaksimien intensiteetti.

Jotkut molekyylibiologit ennustavat, että suurimpien ja monimutkaisimpien molekyylien kuvantamisessa röntgenkristallografia voidaan korvata uudella tekniikalla, jota kutsutaan kryogeeniseksi elektronimikroskopiaksi.

Yksi uusimmista kemiallisen analyysin työkaluista oli Hendersonin filmiskanneri, jota hän käytti uraauurtavassa työssään kryogeenisen elektronimikroskopian alalla. Tämä menetelmä on kuitenkin edelleen melko kallis eikä siksi todennäköisesti korvaa röntgenkristallografiaa kokonaan lähitulevaisuudessa.

Suhteellisen uusi tutkimusalue ja röntgensäteiden käyttöön liittyvät tekniset sovellukset on röntgenmikroskopia. Se on suunniteltu saamaan suurennettu kuva tutkittavasta kohteesta todellisessa avaruudessa kahdessa tai kolmessa ulottuvuudessa käyttämällä tarkennusoptiikkaa.

Avaruusresoluution diffraktioraja röntgenmikroskoopissa käytetyn säteilyn pienestä aallonpituudesta johtuen on noin 1000 kertaa parempi kuin vastaava arvo optiselle mikroskoopille. Lisäksi röntgensäteilyn läpäisykyky mahdollistaa näkyvälle valolle täysin läpinäkymättömien näytteiden sisäisen rakenteen tutkimisen.

Ja vaikka elektronimikroskopian etuna on hieman korkeampi avaruudellinen resoluutio, se ei ole hajoamaton tutkimusmenetelmä, koska se vaatii tyhjiön ja näytteitä, joissa on metalli- tai metalloitu pinta, mikä on täysin tuhoisaa esimerkiksi biologisille kohteille.