Области применения рентгеновского излучения

Все мы знаем, что рентгеновские лучи широко используются в медицинской диагностике. Кто из нас не делал рентгеновский снимок? Но мало кто слышал об использовании этого излучения художниками. Многие всемирно известные фотографы, помимо традиционной фотографии, экспериментировали и экспериментируют с рентгеновской фотографией. Примером могут служить радиограммы цветов, сделанные Альбертом Ричардсом, представленные на онлайн-выставке, посвященной истории люминесцентной фотографии.

Какие еще менее известные способы применения рентгеновских лучей существуют? Ответ вы найдете в этой статье.

Вступление

Излучение, которое сейчас называют рентгеновскими лучами, было открыто немецким физиком Вильгельмом Конрадом Рентгеном в 1895 году. Это открытие и последующие исследования изменили наш взгляд на мир. Он внес вклад в развитие медицины, минералогии, материаловедения и астрофизики.

Рентгеновские лучи являются одним из видов электромагнитного излучения и поэтому имеют ту же природу, что и видимый свет. Однако он отличается от света гораздо большей энергией фотонов и меньшей длиной волны.

Применение рентгеновских лучей в медицине

Многие области применения рентгеновского излучения используют его особое свойство – рентгеновское излучение является проникающим. Поглощение излучения при прохождении через вещество зависит от химического состава – вещества, состоящие из атомов с большим массовым числом (например, свинец), поглощают излучение сильнее, чем материалы, содержащие легкие атомы (например, вода).

В медицине открытие рентгеновских лучей произвело революцию в диагностике. Впервые врач смог увидеть внутреннюю структуру человеческого тела, не повреждая его. Рентгеновские снимки делаются путем воздействия на выбранную часть тела пучком излучения, который затем затемняет фотопленку. На рентгеновской пленке видны различия в оттенках определенных тканей и органов. Мягкие ткани, которые содержат в основном воду, более прозрачны для излучения, чем кости, которые содержат больше кальция.

Однако следует помнить, что хотя рентгеновские лучи являются прекрасным диагностическим инструментом, при передозировке они также могут быть опасны для здоровья. Это связано с тем, что рентгеновские лучи являются ионизирующим излучением. Фотоны излучения могут отрывать электроны от атомов, которые, проходя через вещество, ионизируют другие атомы. По этой причине рентгеновские лучи вредны – ионизация разрушает клетки и ткани организмов.

Поэтому стоит ли нам бояться рентгеновских исследований? Если обследование назначено врачом, мы можем быть уверены в его безопасности. В настоящее время производится все более безопасное рентгеновское оборудование, которое требует все меньшей и меньшей дозы облучения. Например, во время рентгена грудной клетки мы получаем дозу радиации, эквивалентную 1/120 части годовой дозы, получаемой от природных источников. Это эквивалентно трем дням пребывания на открытом воздухе.

В последнее время был разработан более точный метод диагностического исследования с использованием рентгеновских лучей – компьютерная томография. Это позволяет увидеть внутренности исследуемого человеческого тела в поперечных сечениях.

Упрощенная схема компьютерного томографа показана на рис. 1. Пациент окружен кольцом рентгеновских детекторов. Количество детекторов может достигать нескольких тысяч.

Упрощенная схема компьютерного томографа
Рис. 1. Упрощенная схема компьютерного томографа

Внутри неподвижной детекторной системы рентгеновская трубка движется по кругу, испуская рентгеновские лучи, которые регистрируются детекторами, расположенными на противоположной стороне. Излучение, поглощенное внутренними органами пациента, формирует ряд изображений, видимых под разными углами. Зарегистрированная серия рентгеновских снимков обрабатывается с помощью компьютерной программы, которая выполняет пространственную реконструкцию поглощающих излучение элементов, то есть внутренних органов пациента. На рис. 2 показан внешний вид томографа и пример изображения, реконструированного с помощью компьютерного томографа.

Пример работы компьютерного томографа
Рис. 2. Слева – компьютерный томограф. Справа – изображения, полученные с помощью компьютерного томографа

В медицине рентгеновские лучи также используются в противораковой терапии. Ионизирующее излучение уничтожает опухолевые клетки более эффективно, чем нормальные клетки. После серии облучений опухоль уменьшается и исчезает. Конечно, рентгенотерапия требует точной локализации опухоли и планирования дозы облучения. Для этого полезно использовать компьютерную томографию (рис. 2 – справа).

Применение рентгеновского излучения в аэропортах

Проникающая способность рентгеновских лучей используется не только в медицине. Аэропорты оборудованы рентгеновскими аппаратами для досмотра багажа. Движущаяся лента перемещает багаж перед источником рентгеновского излучения. После того как чемодан просвечивается рентгеновскими лучами, рентгеновские лучи направляются в детекторы. Изображение содержимого чемодана выводится на экран компьютера для наблюдения сотрудниками аэропорта (рис. 3.). Тем самым, они могут предотвратить пронос опасных предметов на борт самолета.

Применение рентгеновского излучения в аэропорту
Рис. 3. Слева – проверка багажа в аэропорту Берлина. Справа – рентгеновский снимок содержимого рюкзака

Применение рентгеновских лучей в дефектоскопии

Рентгеновские лучи нашли применение в дефектоскопии. Рентгеновская дефектоскопия – это неразрушающее исследование металлов для обнаружения внутренних дефектов материала, таких как трещины или пузыри. Например, излучение используется для контроля сварки труб, используемых в стальных конструкциях, где важна прочность.

Рентгеновские лучи проверяют герметичность и однородность трубы. Труба, подлежащая проверке, оборачивается в фотопленку, а внутрь помещается источник рентгеновского излучения. Если на пленке появляется более темный оттенок, это означает, что место истончилось, возможна утечка. Аналогичный принцип используется для испытания соединений в строительных конструкциях, особенно в мостах, где возникают динамические нагрузки.

Применение рентгеновского излучения в области химии и кристаллографии

Рентгеновское излучение используется в научных исследованиях в области химии и кристаллографии. Этот метод основан на регистрации дифракционных изображений рентгеновских лучей, проходящих через кристалл. Он позволяет определить положение и расстояние молекул друг до друга в кристаллической решетке, определить положение отдельных атомов, а также углы и длину связей между атомами.

Стоит также упомянуть метод определения химического состава материалов с помощью рентгеновской флуоресценции. Рентгеновское излучение производится путем торможения ускоренных электронов в аноде рентгеновской трубки. В дополнение к непрерывному спектру излучается линейчатый спектр, характерный для атомов данного элемента. При помещении исследуемого материала на анод трубки получаются спектральные линии, позволяющие идентифицировать атомы, из которых состоит вещество.

Применение рентгеновского излучения в астрономии

Рентгеновские лучи также используются при изучении Вселенной. Однако они поглощаются атмосферой Земли, что хорошо для нас, поскольку атмосфера защищает нас от их вредного воздействия. Однако рентгеновское излучение от далеких звезд и других объектов несет в себе информацию об этих объектах, которая недоступна никаким другим способом.

До того времени, когда астрономические наблюдения можно было проводить только с поверхности Земли, используя видимый свет, который не задерживается атмосферой, Вселенная казалась неизменной и статичной, заполненной звездами и планетами, неизменными во времени. Самыми яркими объектами были Солнце, планеты и ближайшие звезды.

Развитие спутниковых технологий и исследование космоса с помощью детекторов, расположенных на спутниках, за пределами земной атмосферы, полностью разрушило эту мирную картину. “Возникли” потоки сверхбыстрых частиц, выбрасываемых из галактических ядер, квазары, светимость которых равна или превышает светимость нашей собственной Галактики, черные дыры, в которые падает материя, сопровождаемая высокоэнергетическим излучением, и другие динамические процессы во Вселенной.

Для справки: Квазар ( анг. quasar ) – это тип активной галактики, источник непрерывного электромагнитного излучения огромной мощности.

Одним из спутниковых телескопов является рентгеновская обсерватория Чандра, запущенная в 1999 году и названная в честь индийского астрофизика Субраманьяна Чандрасекара. Этот спутник используется для изучения разнообразных астрономических объектов – от самых далеких галактик, звезд и тел Солнечной системы – в рентгеновском диапазоне с энергией 0,09 – 10,0 кэВ.

Рентгеновская обсерватория “Чандра” продолжает предоставлять новые замечательные изображения. В левой части рис. 4 мы видим изображение столкновения двух скоплений галактик на расстоянии 380 миллионов световых лет от Земли в 2019 году, на котором наложены изображения, полученные в рентгеновском и видимом свете. Для сравнения справа показано изображение, полученное в видимом свете. Если бы у нас была только эта фотография, мы бы никогда не узнали об ударных волнах, вызванных столкновением, проходящих через межзвездный газ и пыль, которые повышают температуру и заставляют горячий газ испускать рентгеновские лучи.

Столкновение двух скоплений галактик
Рис. 4. Столкновение двух скоплений галактик, видимое только в видимом свете (справа) и в рентгеновском и видимом свете (слева). Синий цвет указывает на более низкую температуру, а красный – на более высокую.

Другим примером получения новой информации является изображение Млечного Пути, или нашей Галактики, сфотографированное в видимом световом диапазоне и в рентгеновских лучах (рис. 5.). На рентгеновском снимке видны сильные источники излучения, которые не видны в видимом свете.

Изображение Млечного Пути
Рис. 5. Изображение Млечного Пути, сфотографированного в видимом световом диапазоне (вверху) и в рентгеновских лучах (внизу).

Список использованной литературы

  1. Вайман, Томас (2005 г.). «Фернандо Сэнфорд и открытие рентгеновских лучей». «Выходные данные» от Associates of the Stanford University Libraries : 5–15.
  2. Храбак, М .; Падован, Р.С.; Кралик, М.; Озретич Д.; Потоцкий, К. (июль 2008 г.). «Никола Тесла и открытие рентгеновских лучей»
  3. Бушберг, Джеррольд Т .; Зайберт, Дж. Энтони; Лейдхольдт, Эдвин М .; Бун, Джон М. (2002). Основная физика медицинской визуализации . Липпинкотт Уильямс и Уилкинс.