Вследствие чего кванты рентгеновского излучения не наводят остаточной радиации

Прилипчивая радиация: наведенная радиоактивность, радиоактивное заражение, дезактивация…

Многими людьми радиация представляется, как нечто «заразное»: считается, что если что-то подверглось воздействию радиации, оно само становится ее источником. Данные представления имеют свое рациональное зерно, но способность радиации «переходить» на облучаемые вещи очень сильно преувеличена. Многие люди думают, например, что можно «схватить дозу» от деталей разобранного рентгеновского аппарата, от рентгеновских снимков и даже от врача-рентгенолога. А сколько шума поднимается, когда начинают говорить о гамма-облучении продуктов питания для их стерилизации! Мол, нам же придется есть облученную, а значит, радиоактивную пищу. Ходят и вовсе нелепые слухи о том, что в пище, разогретой в микроволновке, «остаются микроволны», о том, что под действием бактерицидных ламп становится радиоактивным воздух в комнате, где они горели.

В этой статье я расскажу, как все есть на самом деле.

Когда радиация порождает радиацию

В 1934 году Фредерик и Ирен Жолио-Кюри, изучая взаимодействие альфа-частиц с атомами разных элементов, обнаружили, что некоторые из них — алюминий, бор, магний — испускают при бомбардировке альфа-частицами некое излучение, регистрируемое счетчиком Гейгера, которое не прекращается сразу после того, как источник альфа-лучей убрали, а быстро спадает по экспоненциальной зависимости. Эксперимент в камере Вильсона показал, что это излучение представляет собой поток позитронов, немногим ранее открытых в космических лучах. Супруги Жолио-Кюри не были бы Кюри, если бы не догадались, что вновь столкнулись с явлением, которое веками пытались открыть алхимики, но так и не открыли. Альфа-частица, представляющая собой ядро гелия, сталкивалась с ядром алюминия, выбив из него нейтрон, и образовывалось ядро радиоактивного изотопа фосфора. И эту догадку удалось доказать чрезвычайно тонким и искусным химическим экспериментом, с помощью которого удалось выделить и обнаружить по радиоактивности ничтожное количество фосфора, которое невозможно было бы разглядеть ни в один микроскоп, если собрать все его атомы «в кучку». И этот фосфор еще и таял на глазах.

Последующие эксперименты открыли, что нейтроны, особенно замедленные прохождением через воду, парафин или графит, обладают еще большей способностью возбуждать ядерные реакции и активировать различные вещества. С открытием ядерных реакций деления, производящих огромное количество нейтронов, это стало с одной стороны большой проблемой — не только ядерное топливо, но и все элементы конструкции реакторов становились страшно радиоактивными. С другой же стороны таким способом стало возможно получать требуемые радионуклиды дешево и в большом количестве. Активированные нейтронным потоком термоядерного взрыва воздух и грунт являются дополнительным серьезным фактором поражения, так что «экологическая чистота» водородной бомбы — не более чем миф.

Так в каком же случае облучение вызывает ядерные реакции и приводит к появлению искусственной радиоактивности?

Как я уже сказал, особенной к этому способностью обладают нейтроны. Нетрудно догадаться, в чем причина: нейтрон легко проникает в ядро. Ему не требуется преодолевать электростатическое отталкивание, как протону или альфа-частице. Вместе с тем, нейтрон — это такой же строительный материал ядра, как и те протоны и нейтроны, точно так же способен вступать в сильное взаимодействие. Поэтому химический элемент с номером ноль и является тем самым «философским камнем» алхимиков. Вернее, их можно было бы назвать «алфизиками», если бы это слово не стало употребляться в отношении адептов эфира и торсионных полей.

Вызвать ядерное превращение может нейтрон любой энергии, вплоть до нуля. А вот другие частицы должны для этого иметь достаточно большую энергию. Про альфа-частицы (как и протоны) я уже говорил: им нужно преодолеть кулоновское отталкивание. Для легких элементов потребная энергия альфа-частицы составляет несколько мегаэлектронвольт — то есть такая, какой обладают альфа-частицы, испускаемые тяжелыми нестабильными ядрами. А более тяжелым нужны уже десятки МэВ — такую энергию можно получить только в ускорителе. К тому же с ростом массы ядра оно само все менее охотно вступает с альфа-частицей в реакцию: за железом добавление нуклонов в ядро идет с расходом, а не с выделением энергии. Если учесть еще и чрезвычайно низкую проникающую способность альфа-частиц в мишень, то становится ясно, что даже при очень мощном потоке альфа-частиц интенсивность искусственной радиоактивности получается невысокая.

А что же другие частицы? Электроны, фотоны? Им не нужно преодолевать отталкивание, но с ядром они взаимодействуют неохотно. Электрон может вступать лишь в электромагнитное и слабое взаимодействие и в большинстве случаев (за исключением ядер, нестабильных к электронному захвату) такая реакция возможна только если электрон передаст ядру значительную энергию, достаточную для отрыва нуклона от ядра. То же касается и фотона — фотоядерную реакцию может возбудить только фотон достаточно высокой энергии, но электрон гораздо быстрее, чем фотон, теряет энергию в веществе, из-за чего менее эффективен.

Спектр фотонов, излучаемых при радиоактивном распаде, заканчивается на 2,62 МэВ — это энергия квантов таллия-208, последнего члена радиоактивного ряда тория-232. И есть очень немного ядер, пороги фотоядерных реакций которых — ниже этой величины. Если точнее, то таких ядер два: дейтерий и бериллий-9

Первая реакция протекает под действием гамма-излучения свыше 2,23 МэВ, источником которого является таллий-208 (ряд тория), второй достаточно 1,76 МэВ — излучения висмута-214 (ряд урана-радия).

Данные реакции дают выход нейтронов, которые, в свою очередь, взаимодействуя с другими ядрами, рождают радиоактивные изотопы. Но сечения самих этих реакций невелики, в связи с чем заметная наведенная радиоактивность возможна только при очень большой интенсивности излучения. Для осуществления других фотоядерных реакций уже нужны гамма-кванты, энергия которых измеряется десятками и сотнями МэВ. При таких энергиях не только фотоны, но вообще все частицы — электроны и позитроны, мюоны, протоны и т.д., сталкиваясь с ядрами, вызывают ядерные реакции с достаточно большой эффективностью. Пучки таких частиц, получаемые на ускорителях, приводят к сильной активации практически любых исходно не радиоактивных мишеней.

Итак, действительно, в некоторых случаях при воздействии радиоактивных излучений на вещество образуются радиоактивные изотопы. Но обычно серьезную радиационную опасность представляет остаточная радиоактивность в двух случаях:

от мишеней, подвергшихся облучению нейтронами;
от мишеней, облученных в ускорителях.

Чтобы проиллюстрировать это, я провел небольшой опыт. Взяв напрокат в соседней лаборатории альфа-источник америций-241 активностью 1 МБк (это примерно в 100 раз больше активности источника, содержащегося в детекторе дыма HIS-07, который не составляет труда купить даже на Алиэкспрессе — ВНИМАНИЕ! Незаконный оборот радиоактивных веществ — статья 220 УК РФ!), я положил под него пластинку из алюминия. В результате, как и в опыте Жолио-Кюри (в котором использовался источник гораздо более мощный), я должен был получить фосфор-30, распадающийся на кремний-30 и позитрон с периодом полураспада 2,5 минут (и еще нейтрон, который тоже что-нибудь может активировать). Однако после получаса выдержки (для установления равновесия между рождением и распадом фосфора-30) я не смог задетектировать никакой заметной радиоактивности от пластинки алюминия. Я пытался для этого использовать счетчик Гейгера со слюдяным окном (позитроны детектируются им так же, как и электроны), а также сцинтилляционный детектор (который эффективно регистрирует их в линии 511 кэВ, соответствующей процессу аннигиляции). Причиной неуспеха опыта было то, что ядерные реакции под действием альфа-частиц случаются редко и даже несмотря на то, что в моем опыте алюминий подвергся воздействию как минимум полумиллиарда альфа-частиц, за это время образовалось всего несколько тысяч радиоактивных атомов, большая часть из которых за время облучения просто распалась. Возможно, мне удалось бы обнаружить позитроны в камере Вильсона благодаря практически нулевому природному фону позитронов, но ее я еще не доделал (когда сделаю — это будет хорошей темой для статьи).

Невидимая радиоактивная грязь

В большинстве случаев, за исключением вышеописанных, за наведенную радиоактивность принимают загрязнение радиоактивными изотопами на поверхности вещей и предметов. Дело в том, что при периоде полураспада в месяцы, годы и десятки лет количество вещества, испускающего пугающие уровни радиации — поистине ничтожно. Помните миллиграмм радия, который дает 8,4 Р/ч на расстояниии в сантиметр? У него период полураспада 1600 лет. А если период полураспада будет 1,6 года, а энергия гамма-квантов та же самая, что у радия? Тогда этот миллиграмм будет «светить» на том же расстоянии уже 8400 Р/ч.

Когда имеют дело с радиоактивными изотопами, в большинстве практических случаев их количество ничтожно. Это так называемые индикаторные количества, о которых судят по их радиоактивности. И в таких случаях во весь рост встает явление адсорбции — осаждения и «прилипания» вещества на поверхность раздела фаз.

Радиохимикам все время приходится воевать с адсорбцией. Из-за нее можно полностью потерять радиоактивный изотоп во время операций с ним просто из-за того, что весь он осел на стенках пробирки или стаканчика. Приходится подбирать состав «фонового» раствора, но часть изотопа все равно теряется, и увы, зачастую неизвестная. Приходится делать параллельный опыт в абсолютно тех же условиях (вплоть до пробирок из одной коробки) либо добавлять в раствор метку выхода — другой радиоактивный изотоп того же химического элемента. А можно сесть в калошу и другим способом: изотоп, раствор которого ранее содержался в стакане, осел на стенку и, несмотря на последующее мытье и ополаскивание сначала кислотой, потом дистиллированной водой, попал в следующую пробу. Стакан же при этом казался абсолютно, безукоризненно чистым.

Такой же безукоризненно чистой может казаться любая вещь, но тем не менее, имеющееся на ее поверхности (а также внутри сообщающихся с ней пор, щелей и т.п.) излучающую грязь. И не только вещь: в зоне радиационного поражения радиоактивными могут стать кожа и волосы пострадавших людей, шерсть животных. И далеко не во всех случаях эта активность легко удаляется. В большинстве случаев дезактивация сильно загрязненных радионуклидами объектов сложна, а во многих случаях она становится безуспешной.

В отличие от наведенной радиоактивности, которая обычно прочно закреплена на своем носителе, загрязнение радионуклидами находится на его поверхности и поэтому легко переходит на другие объекты, на руки людей и затем попадает в их организм, подвергая его внутреннему облучению.

Дезактивация — методы и средства

Простейшим способом дезактивации является обычное мытье с мылом или другими поверхностно-активными веществами. Это метод, который подходит почти для всего — с мылом помыть можно и асфальт, и стены дома, и живого человека, и редкую картину или скрипку. В последнем случае это делается осторожно, протирая поверхность смоченным в мыльном растворе отжатым тканевым тампоном и немедленно протирая таким же тампоном с чистой водой, а затем удаляя остатки воды фильтровальной бумагой. Таким образом излучение скрипки, лежавшей в самые горячие дни Чернобыльской катастрофы рядом с открытым окном киевского дома и «светившей» около 1 мР/ч «условно» вплотную, удалось снизить до вполне приемлемого, и спасти тем самым инструмент. Существуют специализированные средства для дезактивации, содержащие помимо ПАВ также комплексообразователи (такие, как ЭДТА), ионообменные смолы, цеолиты и другие сорбенты. Комплексообразователи способствуют переводу радионуклидов, образующих катионы, в раствор, а ионообменные компоненты и сорбенты наоборот, удаляют их из раствора, переводя в связанную форму, но уже не на дезактивированной поверхности. Так, хорошо известно (и активно применяется у нас в лаборатории) новосибирское средство для дезактивации «Защита», работающее по такому принципу.

Но такого средства нередко недостаточно: радионуклиды оказываются прочно связаны с поверхностью, находятся глубоко в порах и микротрещинах. В таких случаях приходится использовать гораздо более жесткие способы — обрабатывать поверхности кислотами, растворяющими поверхностный слой металла и корку ржавчины на нем, и способствующих десорбции радиоактивных загрязнений. Применяют также сильные окислители, разрушающие органические загрязнения на поверхности, на которые также налипает радиоактивная пыль. На АЭС для дезактивации оборудования часто используют двухванный способ дезактивации, когда сначала обрабатывают детали щелочным раствором перманганата калия, а затем кислотой.
Для металлических поверхностей эффективным способом дезактивации является электрохимический метод. Цель примерно та же — удалить поверхностный слой металла, слои коррозии, пропитанные радионуклидами. Но резко снижается количество жидких радиоактивных отходов, так как можно пользоваться минимальным количеством электролита. Это так на называемая полусухая электролитическая ванна — на дезактивируемую поверхность накладывается ткань или войлок, пропитанные электролитом и сверху на нее кладется второй электрод). Дезактивируемая деталь или поверхность является анодом, а в качестве катода используют обычно свинцовый лист, легко деформируемый для плотного облегания дезактивируемой поверхности.

Для дезактивации трудноудаляемых радиоактивных загрязнений, как, например, с вертолетов, летавших над аварийным чернобыльским реактором, использовали и пескоструйную обработку. Впрочем, она порождает огромное количество радиоактивной пыли, сильно повреждает дезактивируемую поверхность и в целом имеет невысокую эффективность.

Если вдруг, не дай бог, вы попадете в зону радиоактивного заражения и вам потребуется что-либо срочно дезактивировать, то рекомендую средство для мытья посуды («Фейри» и т.п.) или любой стиральный порошок с добавлением щавелевой кислоты. Также можно использовать такие бытовые чистящие средства для сантехники, как Cif, в них уже есть кислота.
От наведенной радиации дезактивация обычно не помогает. Ведь ее источник находится в глубине излучающего объекта — нейтроны обладают очень высокой проникающей способностью. Но далеко не всегда невозможность дезактивации означает, что источник излучения с ней связан.

Наведенная радиация — реальное явление, но оно так обросло мифами, что само стало своего рода мифом. В реальности образование наведенной радиоактивности нужно учитывать в ряде случаев, но при обычном обращении с радиоактивными веществами и другими источниками ионизирующего излучения бояться наведенной радиации не нужно. А вот загрязнение радионуклидами — штука не только более реальная, но и более опасная.

Рентгеновское излучение

1. Определение размеров элементарной ячейки кристалла, числа частиц (атомов, молекул) в элементарной ячейке и симметрии расположения частиц. Эти данные получают путем анализа геометрии расположения дифракционных максимумов.

2. Расчет электронной плотности внутри элементарной ячейки и определение координат атомов, которые отождествляются с положением максимумов электронной плотности. Эти данные получают посредством анализа интенсивности дифракционных максимумов.

И это всё о нём. Место рентгеновского излучения среди других видов ионизирующих излучений Е. В. Штрыкова (№2, 2013)

Радиоактивность – это спонтанный (самопроизвольный) распад ядер со строго определенной вероятностью, сопровождающийся ядерным (ионизирующим) излучением.

Рентгеновское излучение по своей природе относится к волновому (фотонному) излучению, которое в шкале электромагнитных излучений (ЭМИ) следует за ультрафиолетовым излучением и имеет меньшую длину волны.

По способу взаимодействия с облучаемым объектом все ионизирующие излучения можно разделить на три вида: корпускулярное излучение с массой покоя и зарядом (альфа-, бета-, протонное, мезонное и пр.); корпускулярное излучение с массой покоя, но без заряда (нейтронное) и электромагнитное излучение (гамма- и рентгеновское).

Ядерное излучение – это излучение, сопровождающее распад радиоактивных ядер (радионуклидов). Ядерное излучение связано с понятием радиоактивности.

Что отличает генерируемые ионизирующие излучения от ионизирующих излучений ядерного происхождения? Эти излучения различны по своему происхождению (по способу генерирования) со всеми вытекающими из этого последствиями. Характеристики ядерного излучения (такие как: вид излучения, энергия, период полураспада, ионизирующая и проникающая способности и многие другие) зависят исключительно от свойств распадающегося ядра и не могут быть изменены по желанию человека.

Рентгеновское излучение генерируют (получают) в том числе и искусственным путем с необходимыми для каждого конкретного случая радиационными характеристиками, что и предусматривается при разработке и производстве рентгеновских трубок различного назначения. В рентгеновской трубке можно получить рентгеновское излучение — так называемое генерируемое излучение — нужной энергии и интенсивности в заданное время и при требуемой геометрии.

То есть, рентгеновское излучение, также как и ядерные излучения, относится к ионизирующему излучению (ИИ). Общим свойством всех ионизирующих излучений является их характер действия на окружающую среду, через которую проходит излучение, а именно, способность излучения при взаимодействии со средой передавать ей свою энергию. Эта энергия достаточно велика, чтобы в процессе взаимодействия со средой ядерного излучения (независимо от его вида) и рентгеновского излучения произвести ионизацию и (или) возбуждение атомов среды. По этой причине все излучения, взаимодействие которых со средой приводит к образованию ионов разных знаков, называются ионизирующими.

Читать:

Break outside loop python что значит

Ионизация – отрыв электронов из атомной оболочки атома. При этом нейтральный атом превращается в (одно-, двух- и т.д. кратно) заряженный положительный ион: А 0 à А + n + n·е — . Для большинства легких элементов (H, N, O, C, P, S) при ионизации атомов необходимо затратить энергию порядка 10-15 эВ.

Удельная ионизация (линейная плотность ионизации ЛПИ) – число ионных пар на единице длины пробега. Сравним удельную ионизацию альфа-, бета- и рентгеновского излучений. Например, в воздухе на 1 см пробега альфа-частиц с энергией 1 МэВ образуется 40 тысяч пар ионов, для бета-частиц такой же энергии – примерно в 800 раз меньше. Плотность ионизации фотонного излучения примерно на два порядка меньше, чем бета-излучения. К примеру, при поглощении фотона с энергией 100 кэВ в воздухе образуется примерно 3 тыс. пар ионов, при длине пробега порядка 50 м.

Виды ионизирующих излучений

Все свойства ИИ спонтанны

Все свойства ИИ регулируемы

Электромагнитные волны (ЭМВ)

Масса покоя, заряд

Нет массы покоя и заряда

Масса покоя, заряд

Нет массы покоя и заряда

Альфа-, бета- и др.

К примеру, ускорен-ные электроны

(a-частицы – яд-ра атома гелия-4.
b-частицы – ядерные электроны).

Моноэнергетические
(С одинаковой начальной энергией)

Тормозное (непрерывный энергетический спектр)

Характеристи-ческое (диск-ретный спектр энергии)

Нейтронное
(масса покоя, нет заряда).

Корпускулярное, но косвенно ионизирующее

Механизмы ионизации облучаемой среды каждым из трех вышеназванных видов ИИ различны. Корпускулярное излучение (к примеру, альфа- и бета-) относится к классу непосредственно ионизирующего излучения, в то время как нейтроны (частицы без заряда) и фотоны сами не производят ионизации, поэтому относятся к косвенно ионизирующему излучению. При их попадании в среду на первом этапе должно появиться непосредственно ионизирующее излучение, которое и производит ионизацию. В среде, пронизываемой фотонами, конечные эффекты (ионизация и возбуждение) происходят не за счет прямого взаимодействия фотонов со средой, а через посредство вторичных электронов и позитронов. Фотон является слабо ионизирующей частицей, испытывающей редкие взаимодействия (но теряющей при каждом взаимодействии значительную часть своей энергии).

Своеобразно, косвенным образом, ионизируют среду нейтроны. Нейтроны различных энергий могут создавать в облучаемой среде разнообразные непосредственно ионизирующие частицы: протоны, альфа-частицы, ядра отдачи и пр., а также могут образовывать новые радиоизотопы (наведенная активность).

Различающееся по механизмам взаимодействия излучений с облучаемой средой приводят в конечном счете к одному результату — ионизации и (или) возбуждению атомов среды. Отличие заключается только в мере (степени) произведенной излучением ионизации. Эту меру можно охарактеризовать плотностью ионизации, то есть количеством образованных пар ионов на единице длины пробега излучения.

Для каждого вида излучений пространственное распределение поглощенной энергии, затраченной на «производство» пар ионов по всей длине пробега излучения в облучаемой среде и последствия этого, в том числе радиобиологические эффекты, имеют явно выраженную специфику. Чем больше потери энергии на единице пути пробега излучения, тем меньше пробег. Очень малую длину пробега в среде имеет альфа-излучение в силу того, что оно обладает самой большой удельной ионизацией или плотностью ионизации. Это значит, что альфа-частицы расходуют (на ионизацию) всю свою энергию на очень малой длине пробега; иными словами, альфа-излучение имеет самую большую величину линейной передачи энергии (ЛПЭ–пространственное распределение энергии вдоль траектории частицы), (кэВ/мкм). Отметим, что гамма- и рентгеновское излучения имеют самую низкую величину ЛПЭ.

Таким образом, при равенстве энергий длина пробега в среде бета-излучения будет значительно больше, чем альфа-излучения. Особенностью рентгеновского и гамма-излучений является их самая большая проникающая способность (при малой плотности ионизации).

Физические свойства рентгеновского излучения

ЛПЭ – это энергия, локально переданная среде движущейся заряженной частицей при перемещении ее на некоторое расстояние, к этому расстоянию: ЛПЭ=dE/dl.

Альтернативные (нерадиационные) методы диагностики, такие как ультразвуковые исследования -УЗИ (ЭхоКГ, допплеркардиография), сосуществуют с рентгенодиагностикой; и каждый из них может являеться «золотым стандартом» для конкретных диагностических задач. В ультразвуковой диагностике используется затухание и отражение УЗ-волн при прохождении их через неоднородную среду. Скорость распространения и степень поглощения УЗ-колебаний в значительной степени зависит от свойств среды: жидкие и твердые тела – хорошие проводники ультразвука; в воздухе происходит сильное поглощение УЗ-колебаний и К_погл в воздухе примерно в 1000 раз больше, чем в воде. Способность ультразвука без существенного поглощения проникать в мягкие ткани и отражаться от неоднородностей среды используется для диагностики внутренних органов. Особенностью УЗИ является возможность получать информацию о мягких тканях, незначительно различающихся по плотности или упругости, что позволяет в некоторых случаях обнаруживать образования, не выявляемые с помощью рентгеновских исследований.

Рентгеновское излучение – это электромагнитные волны с длиной волны (λ), лежащей в пределах от нескольких нанометров до тысячных долей нанометра. (1нм=10 -9 м; 1 Ангстрем (1 А)=10-10 м).

Все электромагнитное излучение может быть представлено как непрерывный спектр от низкого энергетического уровня до высокого: от радиоволн (волн Герца) до космического излучения (или излучения, получаемого в мощных ускорителях). Не все типы электромагнитных излучений (ЭМИ) относятся к категории ионизирующих. Среди ЭМИ только те способны вызвать ионизацию атомов облучаемой среды, энергетические кванты которых по меньшей мере равны энергии связи электронов в атоме. Эта энергия связи для некоторых металлов порядка 4 эВ и УФ-излучение с длинами волн ниже 3000 Å способны вызвать ионизацию этих металлов. Между тем название «ионизирующее излучение» сохраняется только за излучением, способным ионизировать воздух, то есть кванты которых имеют энергию выше чем 15 эВ.

Согласно этому, ионизирующими свойствами обладают излучения, расположенные в шкале ЭМИ правее УФ-излучения.

Переход от одного вида электромагнитного излучения к другому достаточно условен. В представленном выше спектре ЭМИ рентгеновское

и гамма-излучение одной длины волны – это одни и те же фотоны, различие состоит, во-первых, в их происхождении и, во-вторых, в том, что рентгеновское излучение состоит из двух компонент (тормозное и характеристическое излучение). Несмотря на то, что поглощающие свойства рентгеновского и гамма-излучения при равных энергиях одинаковы, но распределение его в теле из-за разной однородности (по энергии) различно.

Сравнительные данные для различных электромагнитных излучений

700

600

500

400

4,3×10 14

5×10 14

6×10 14

7,7×10 14

1,75

2,2

2,5

3,2

УФ

350

250

200

8,6×10 14

10 15

1,5×10 15

3×10 16

3,56

4,95

6,25

125

Рентгеновское излучение

1×10 -1

1×10 -2

1×10 -3

3×10 17

3×10 18

3×10 19

3×10 20

1250

1,25×10 4 (12,5 кэВ)

1,25×10 5 (125 кэВ)

1,25×10 6

Гамма-излучение (условная граница диапазона)

1×10 -4

3×10 21

1,25×10 7

Электромагнитное излучение обладает следующими свойствами:

Оно способно распространяться в вакууме, чем отличается от звуковых волн, которые могут распространяться только в веществе (например, ультразвуковые волны).
Электромагнитные волны распространяются со скоростью света (300 000 км/сек в вакууме).
Электромагнитная энергия может существовать только в фиксированном, прерывистом, а не в непрерывном виде.

Для понимания формирования рентгеновского изображения также используется понятие «фотоны», энергия которых и определяет взаимодействие излучения с телом пациента, рентгеновской пленкой, усиливающими экранами и др. объектами.

Перечислим основные свойства рентгеновского излучения, делающие этот вид ионизирующего излучения незаменимым в визуальной диагностике:

Рентгеновское излучение способно проникать через вещества, которые поглощают либо отражают видимые световые лучи. Эта способность тем выше, чем больше энергия излучения или чем короче длина его волны.
Рентгеновское излучение способно вызывать флюоресценцию некоторых веществ вследствие образования (в момент поглощения этими веществами рентгеновского излучения) электромагнитных волн более низкой энергии (например, УФ-лучей или даже видимого света).
Как и видимый свет, рентгеновское излучение может создавать на светочувствительном материале – фотографической или рентгеновской пленках – скрытое изображение, которое после проявления становится видимым.

4. Рентгеновское излучение, обладая высокой энергией и воздействуя на вещество, приводит к его ионизации.

Генерирование рентгеновского излучения

Практический путь получения рентгеновского излучения – это «разгон» электронов (электрическим полем) до высоких энергий и «обстрел» ими атомов вещества-мишени (анода). Рентгеновское излучение возникает при резком торможении высокоэнергетических электронов на аноде рентгеновской трубки.

Согласно классической теории электромагнетизма электрический заряд, подвергнутый ускорению (положительному или отрицательному), при резком торможении в электрическом поле ядер атомов мишени испускает электромагнитное излучение. Генерируемое таким способом рентгеновское излучение состоит из двух компонент: тормозного и характеристического рентгеновского излучения.

Количественное соотношение характеристической и тормозной компонент в значительной степени зависит от напряжения на рентгеновской трубке. Рентгеновское излучение, используемое для диагностических целей, почти полностью состоит из тормозного излучения.

Рентгеновская трубка является основным элементом любого рентгеновского аппарата. В ней происходит генерирование рентгеновского излучения. Рентгеновская трубка представляет собой высоковольтный электровакуумный прибор с двумя электродами: катодом (-) и анодом (+).

В последнее время появились рентгеновские трубки с сеточным управлением, которые позволяют формировать импульсы рентгеновского излучения с крутыми фронтами. Это особенно важно для рентгеноскопии.

Электроны разгоняются сильным электрическим полем (главная цепь), которое создается высоким напряжением (U_a), приложенным между электродами.

Катод имеет вольфрамовую нить, которая накаливается электрическим током и служит источником свободных электронов. На нить накала подается небольшое, около 10 В, напряжение. В этом случае (в электронных рентгеновских трубках) используется явление термоэлектронной эмиссии электронов. Чем выше температура катода, тем больше скорость испускания электронов и их количество. Далее к электродам рентгеновской трубки подводится высокое напряжение, и электроны устремляются к положительно заряженному аноду.

Анод предназначен для торможения «быстрых» электронов и является источником, испускающим волну. Выход тормозного рентгеновского излучения прямо пропорционален атомному номеру мишени. Анод изготовляют, как правило, из вольфрама (Z=74) или сплава его с рением (Z=75), а, например, для маммографии — из молибдена (Z=42).

На аноде должен быть предусмотрен отвод возникающего при торможении электронов тепла. Угол наклона поверхности анода в разных типах трубок составляет от 10 до 17 0 . Этот наклон имеет важное значение, поскольку при одних и тех же видимых размерах фокуса позволяет распределить электроны по большей площади анода, что повышает мощность трубки.

Конструкция рентгеновских трубок может быть разной в зависимости от условий применения и предъявляемых требований. В рентгенодиагностике применяются излучатели двух типов: излучатель в виде защитного кожуха с рентгеновской трубкой стационарного аппарата и излучатель в виде моноблока. Надежная работа излучателя возможна только при условии, что он не перегрет. При неправильной эксплуатации (превышение допустимой мощности, слишком частые включения, несоблюдение перерывов между отдельными включениями) трубка может выйти из строя.

Моноблочная конструкция позволяет обойтись без высоковольтных кабелей и разъемов, благодаря чему экономятся масса и габаритные размеры.

Почти вся кинетическая энергия тормозящихся электронов превращается в тепловую энергию, и лишь малая доля порядка 1 % превращается в энергию рентгеновского излучения. Поэтому в трубках должно предусматриваться охлаждение анода. Вследствие эрозии анода интенсивность рентгеновского излучения в процессе эксплуатации трубки падает. За срок службы трубки принимается такое количество включений на предельных режимах, за которое доза излучения уменьшается не более чем на 30 %. Это

1000-40 000 включений.

Электрическая мощность рентгеновской трубки (Р, кВт) – это произведение максимального анодного напряжения (кВ) на среднее значение анодного тока (А):

где: коэффициент К зависит от формы кривой напряжения, питающего данную трубку, равен 0,75 (для однофазных аппаратов) или 1,0 (для трехфазных и среднечастотных). Трубка с вращающимся анодом имеет большую мощность, чем трубка с неподвижным анодом. Когда анод вращается, нагретый при бомбардировке электронами участок диска быстро уходит из области действия пучка электронов, а на его место приходит не нагретый или уже остывший за целый оборот участок, Поэтому, чем больше скорость вращения анода, тем больше электрическая энергия, которую может воспринять анод без чрезмерного перегрева фокуса, и следовательно, тем больше мощность излучения. Вместо трубок со скоростью вращения анода 3000 мин -1 иногда применяют трубки со скоростью 9000 мин -1 и более. Другими словами, чем меньше размер фокуса, тем меньше его допустимая мощность и, следовательно, тем больше экспозиция. Но чем меньше размер фокуса, тем меньше геометрическая нерезкость.

Допустимая мощность, то есть мощность, которую можно подвести к аноду трубки без его перегрева, зависит от длительности рабочего включения трубки: чем меньше выдержка, тем больше допустимая мощность.

Допустимая мощность определяется также видом схемы выпрямления рентгеновского аппарата. В трехфазных аппаратах допустимая мощность в 1,5 раза больше, чем в однофазных.

Таким образом, рентгеновским питающим устройством определяется возможность работы рентгеновского аппарата в импульсном режиме, а также нагрузочная способность трубки является важным фактором, влияющим на качество изображения.

Участок поверхности анода, на котором тормозятся электроны, называется действительным фокусным пятном. Рентгеновское излучение распространяется от фокусного пятна прямолинейно в виде расходящегося пучка. При практическом использовании рентгеновского излучения важно, чтобы рентгеновская трубка имела небольшое, резко выраженное фокусное пятно. Формирователи пучка излучения – фильтры, диафрагмы, тубусы – служат для направления пучка и ограничения зоны облучения, соответственно снимаемому объекту.

В рентгенодиагностике применяются излучатели двух типов: излучатель в виде защитного кожуха с рентгеновской трубкой стационарного аппарата и излучатель в виде моноблока.

Рентгеновская трубка, свинцовая защита от неиспользуемого излучения и пр. закрепляются в защитный кожух, представляющий собой отрезок металлической трубы с отверстиями для присоединения высоковольтных кабелей и окно, через которое выходит рабочий пучок излучения. Кожух заполняют трансформаторным маслом. Эта конструкция называется рентгеновским излучателем. Его надежная работа возможна только при условии, что он не перегрет: наружная температура кожуха – не более 80 0 С.

Моноблок отличается от кожуха тем, что кроме перечисленных выше элементов, он содержит высоковольтный трансформатор, выпрямители и трансформатор накала. Моноблочная конструкция позволяет обходиться без высоковольтных кабелей и разъемов.

Чем выше разность потенциалов (U_a) между катодом и анодом, тем больше энергия электронов. Для возбуждения рентгеновского излучения на рентгеновскую трубку нужно подать напряжение порядка нескольких тысяч вольт (нескольких десятков кВ); при этом идеальной формой кривой напряжения является постоянное напряжение. Величина напряжения на рентгеновской трубке U_a (кВ) определяет такую важную характеристику рентгеновского излучения, как его максимальную энергию Е_макс (кэВ), а значит и проникающую способность рентгеновского излучения.

В зависимости от применяемого при медицинской рентгенографии напряжения на рентгеновской трубке технику производства рентгенограмм по «жесткости» излучения можно разделить на 3 вида:

«мягкое» излучение при напряжении (Ua) до 50-60 кВ (длина волны l=0,024-0,020 нм). Маммография, урография, цистография и пр.
излучение обычной (средней) «жесткости» при Ua 60-100 кВ (l = 0,020-0,012 нм). Пленочные и панорамные дентальные аппараты; урография, цистография и пр.
«жесткое» излучение при Ua 100-150 кВ (l = 0,012-0,004 нм).

Ортопантомография до 125 кВ, компьютерная томография – 100-150 кВ.

В соответствии с принципом нормирования (ОСПОРБ-99/2010):

облучение пациентов всегда преднамеренно и добровольно, поскольку предназначено принести им больше пользы от уточнения диагноза, чем вреда от дополнительного облучения.

Поэтому методы регулирования медицинского облучения пациентов должны быть соразмерны получаемой ими пользе и не должны препятствовать оказанию необходимой медицинской помощи.