Процессы фотопоглощения и комптоновского рассеяния являются неупругими процессами, при которых фотон теряет энергию. Кроме того, существует так называемое упругое рассеяние (рэлеевское рассеяние), при котором рассеянный фотон сохраняет свою энергию.
В дополнение к названным процессам существует еще одна принципиальная возможность поглощения – за счет возникновения электрон-позитронных пар. Однако для этого необходимы энергии порядка 1 МэВ, которые лежат вне обозначенной выше границы рентгеновского излучения (<250 кэВ).
Рентгеновское излучение является ионизирующим. Оно воздействует на живые организмы и может быть причиной лучевой болезни и рака. По причине этого при работе с рентгеновским излучением необходимо соблюдать меры защиты. К возникновению рака ведет повреждение наследственной информации ДНК. Считается, что поражение прямо пропорционально поглощенной дозе излучения. Рентгеновское излучение является мутагенным фактором.
Рентгеновские лучи способны вызывать свечение некоторых веществ – флюоресценцию. Этот эффект используется в медицине при рентгеновской съемке. Медицинские фотопленки содержат флюоресцирующий слой, который светится при облучении рентгеновским излучением и засвечивает светочувствительную фотоэмульсию. Люминесцирующее вещество (сцинтиллятор) можно оптически соединить с электронным детектором светового излучения (фотоэлектронным умножителем, фотодиодом и т. п.), полученный прибор называется сцинтилляционным детектором. Он позволяет регистрировать отдельные фотоны и измерять их энергию, поскольку энергия сцинтилляционной вспышки пропорциональна энергии поглощенного фотона.
Рентгеновские лучи, так же как и обычный свет, способны напрямую засвечивать фотопленку. Однако без флюоресцирующего слоя для этого требуется примерно в 10–20 раз большая интенсивность. Преимуществом этого метода является большая резкость изображения.
В полупроводниковых детекторах рентгеновские лучи производят пары электрон-дырка в р-п переходе диода, включенного в запирающем направлении. При этом протекает небольшой ток, амплитуда которого пропорциональна энергии и интенсивности падающего рентгеновского излучения. В импульсном режиме возможны регистрация отдельных рентгеновских фотонов и измерение их энергии.
Отдельные фотоны рентгеновского излучения могут быть также зарегистрированы при помощи газонаполненных детекторов ионизирующего излучения (счетчика Гейгера, пропорциональной камеры и др.).
При помощи рентгеновских лучей можно просветить человеческое тело, в результате чего можно получить изображение костей, а в современных приборах – и внутренних органов. При этом используется тот факт, что у содержащегося преимущественно в костях элемента кальция (Z = 20) атомный номер гораздо больше, чем атомные номера элементов, из которых состоят мягкие ткани, а именно водорода (Z = 1), углерода (Z = 6), азота (Z = 7), кислорода (Z = 8).
Простейшая рентгеновская трубка состоит из стеклянной колбы с впаянными в нее электродами – катодом и анодом (антикатодом). Электроны, испускаемые катодом, ускоряются сильным электрическим полем в вакууме между электродами и бомбардируют анод. При ударе электронов об анод часть их кинетической энергии преобразуется в энергию рентгеновского излучения. Важным компонентом рентгеновской трубки является электронная пушка – устройство для создания направленного пучка электронов; применяется в телевизионных трубках, рентгеновской аппаратуре, электронных микроскопах.
При бомбардировке электронами вольфрамовый антикатод испускает характеристическое рентгеновское излучение. Поперечное сечение рентгеновского пучка меньше реально облучаемой площади. Следовательно, чтобы получить рентгеновское излучение за счет взаимодействия электронов с веществом, нужно иметь источник электронов, устройство для их ускорения до больших скоростей и мишень, способную выдерживать электронную бомбардировку и давать рентгеновское излучение нужной интенсивности. Устройство, в котором все это есть, и называется рентгеновской трубкой (см. рис. 1).
В газоразрядных трубках содержится небольшое количество газа, и когда на электроды трубки подается большая разность потенциалов, атомы газа превращаются в положительные и отрицательные ионы. Положительные движутся к отрицательному электроду (катоду) и, падая на него, выбивают из него электроны, а они в свою очередь движутся к положительному электроду (аноду) и, бомбардируя его, создают поток рентгеновских фотонов.
В рентгеновской трубке источником электронов является вольфрамовый катод, нагреваемый до высокой температуры. Электроны ускоряются до больших скоростей высокой разностью потенциалов между анодом (или антикатодом) и катодом. Поскольку электроны должны достичь анода без столкновений с атомами, необходим очень высокий вакуум, для чего нужно хорошо откачать трубку. Электроны фокусируются на аноде с помощью электрода особой формы, окружающего катод. Этот электрод называется фокусирующим и вместе с катодом образует «электронный прожектор» трубки. Подвергаемый электронной бомбардировке анод должен быть изготовлен из тугоплавкого материала, поскольку большая часть кинетической энергии бомбардирующих электронов превращается в тепло. Кроме того, желательно, чтобы анод был из материала с большим атомным номером, так как выход рентгеновского излучения растет с увеличением атомного номера. В качестве материала анода чаще всего выбирается вольфрам, атомный номер которого равен 74.
Конструкция рентгеновских трубок может быть разной в зависимости от условий применения и предъявляемых требований. Рентгеновские трубки различаются по типу конструкции, способу получения пучка электронов, его фокусировки, вакуумированию, охлаждению анода, размерам и форме фокуса (области излучения на поверхности анода) и др. Наиболее широко применяются отпаянные рентгеновские трубки с термоэмиссионным катодом, водяным охлаждением анода, электростатической фокусировкой электронов. Термоэмиссионный катод рентгеновской трубки обычно представляет собой спираль или прямую вольфрамовую нить, накаливаемую электрическим током. Рабочий участок анода – металлическая зеркальная поверхность – расположен перпендикулярно или под некоторым углом к электронному пучку. Для получения сплошного тормозного спектра рентгеновского излучения высоких энергий и интенсивностей служат аноды из Au, W; в структурном анализе используются рентгеновские труб– ки из Ti, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Ag. Наиболее распространены рентгеновские трубки с неподвижным либо вращающимся водоохлаждаемым анодом мощностью в несколько киловатт. Материалы анодов (и их длина волны) – Cu (1,33 нм), Al (0,834 нм), Mo (0,54 нм), Pd (0,434 нм).
Основные характеристики рентгеновской трубки: предельно допустимое ускоряющее напряжение (1-500 кВ), электронный ток (0,01-1 А), удельная мощность, рассеиваемая анодом (10–104 Вт/мм2), общая потребляемая мощность (от 0,002 Вт до 60 кВт). Кпд рентгеновской трубки составляет 0,1–3%.
Недостаток рентгеновских трубок – низкая производительность, обусловленная малым коэффициентом преобразования энергии электронного пучка в мягкое рентгеновское излучение (10-5). Более производительными являются установки, в которых точечными источниками излучения являются плазма, возбуждаемая лазерным излучением, или сильноточный разряд в газе.
В принципе облучение в медицине направлено на исцеление больного. Однако нередко дозы оказываются неоправданно высокими: их можно было бы существенно уменьшить без снижения эффективности, причем польза от такого уменьшения была бы весьма существенна, поскольку дозы, получаемые от облучения в медицинских целях, составляют значительную часть суммарной дозы облучения от техногенных источников.
В последние годы дозы, получаемые населением от медицинского обследования и терапии, начали довольно заметно снижаться. Связано это с внедрением в рентгеновские аппараты трубок, работающих в импульсном режиме. В этом случае, например при частоте импульсов 2 в секунду, получаемая пациентом доза облучения составляет пятую часть от обычной неимпульсной рентгеноскопии: снижение лучевой нагрузки составляет 80 %.
Для полноценной работы рентгенодиагностического кабинета необходимо определенное оборудование.
Устройства для генерирования рентгеновского излучения, которые включают рентгеновский излучатель (защитный кожух с рентгеновской трубкой) и рентгеновское питающее устройство, представляющее собой совокупность электрических устройств, служащих для питания рентгеновской трубки электрической энергией.
Устройства для генерирования рентгеновского излучения стационарных аппаратов, состоящие из рентгеновского излучателя, высоковольтного генератора и пульта управления. В других типах аппаратов высоковольтный генератор и рентгеновская трубка конструктивно объединены в моноблоке и заключены в общий защитный кожух. Диапазон анодных напряжений, применяемых в рентгенологии, составляет 15-150 кВ (маммография – 15–50 кВ, остальные виды исследования – 35-150 кВ).
