• Cuanto mayor sea el voltaje aplicado a los polos del tubo, más fuerte será la diferencia de potencial entre ellos y, por lo tanto, mayor será la energía cinética de los electrones en movimiento. El voltaje en el tubo determina la velocidad de los electrones y la fuerza de su colisión con la sustancia anódica; por lo tanto, el voltaje determina la longitud de onda de la radiación de rayos X resultante.

Clasificación de tubos de rayos X.

1. A proposito
1. Diagnóstico
2. Terapéutico
3. Para análisis estructural
4. Para translúcido
2. Por diseño
1. Por enfoque

• Foco único (una espiral en el cátodo y un punto focal en el ánodo)
• Bifocal (hay dos espirales de diferentes tamaños en el cátodo y dos puntos focales en el ánodo)

1. Por tipo de ánodo

• Estacionario (fijo)
• Giratorio

Los rayos X se utilizan no sólo con fines de diagnóstico por rayos X, sino también con fines terapéuticos. Como se señaló anteriormente, la capacidad de la radiación de rayos X para suprimir el crecimiento de células tumorales permite su uso en radioterapia para el cáncer. Además del campo de aplicación médico, la radiación de rayos X ha encontrado una amplia aplicación en ingeniería, ciencia de materiales, cristalografía, química y bioquímica: por ejemplo, es posible identificar defectos estructurales en diversos productos (rieles, soldaduras, etc.) utilizando radiación de rayos X. Este tipo de investigación se llama detección de fallas. Y en aeropuertos, estaciones de tren y otros lugares concurridos, los introscopios de televisión de rayos X se utilizan activamente para escanear el equipaje de mano y el equipaje por motivos de seguridad.

Dependiendo del tipo de ánodo, los tubos de rayos X varían en diseño. Debido a que el 99% de la energía cinética de los electrones se convierte en energía térmica, durante el funcionamiento del tubo se produce un calentamiento significativo del ánodo: el sensible objetivo de tungsteno a menudo se quema. En los modernos tubos de rayos X, el ánodo se enfría girándolo. El ánodo giratorio tiene forma de disco, que distribuye el calor uniformemente por toda su superficie, evitando el sobrecalentamiento local del objetivo de tungsteno.

El diseño de los tubos de rayos X también se diferencia en el enfoque. El punto focal es el área del ánodo donde se genera el haz de rayos X de trabajo. Dividido en punto focal real y punto focal efectivo ( arroz. 12). Debido a que el ánodo está en ángulo, el punto focal efectivo es más pequeño que el real. Se utilizan diferentes tamaños de punto focal según el tamaño del área de la imagen. Cuanto mayor sea el área de la imagen, más amplio debe ser el punto focal para cubrir toda el área de la imagen. Sin embargo, un punto focal más pequeño produce una mejor claridad de imagen. Por lo tanto, al producir imágenes pequeñas, se utiliza un filamento corto y los electrones se dirigen a una pequeña área objetivo del ánodo, creando un punto focal más pequeño.

Arroz. 9 - Tubo de rayos X con ánodo estacionario.
Arroz. 10 - Tubo de rayos X con ánodo giratorio.
Arroz. 11 - Dispositivo de tubo de rayos X con ánodo giratorio.
Arroz. 12 es un diagrama de la formación de un punto focal real y efectivo.

Intensidad- una característica cuantitativa de la radiación de rayos X, que se expresa por el número de rayos emitidos por el tubo por unidad de tiempo. La intensidad de la radiación de rayos X se mide en miliamperios. Comparándola con la intensidad de la luz visible de una lámpara incandescente convencional, podemos hacer una analogía: por ejemplo, una lámpara de 20 vatios brillará con una intensidad o fuerza, y una lámpara de 200 vatios brillará con otra, mientras que la La calidad de la luz misma (su espectro) es la misma. La intensidad de una radiografía es esencialmente su cantidad. Cada electrón crea uno o más cuantos de radiación en el ánodo, por lo tanto, la cantidad de rayos X al exponer un objeto se regula cambiando la cantidad de electrones que tienden al ánodo y la cantidad de interacciones de los electrones con los átomos del objetivo de tungsteno. , que se puede realizar de dos formas:

1. Cambiando el grado de calentamiento de la espiral del cátodo utilizando un transformador reductor (la cantidad de electrones generados durante la emisión dependerá de qué tan caliente esté la espiral de tungsteno y la cantidad de cuantos de radiación dependerá de la cantidad de electrones) ;

2. Cambiando el valor del alto voltaje suministrado por un transformador elevador a los polos del tubo: el cátodo y el ánodo (cuanto mayor se aplica el voltaje a los polos del tubo, más energía cinética reciben los electrones , que, debido a su energía, pueden interactuar a su vez con varios átomos de la sustancia anódica - ver. arroz. 5; los electrones con baja energía podrán entrar en menos interacciones).

La intensidad de los rayos X (corriente del ánodo) multiplicada por el tiempo de exposición (tiempo de funcionamiento del tubo) corresponde a la exposición a los rayos X, que se mide en mA (miliamperios por segundo). La exposición es un parámetro que, al igual que la intensidad, caracteriza el número de rayos emitidos por el tubo de rayos X. La única diferencia es que la exposición también tiene en cuenta el tiempo de funcionamiento del tubo (por ejemplo, si el tubo funciona durante 0,01 segundos, entonces el número de rayos será uno, y si es de 0,02 segundos, entonces el número de rayos será diferente - dos veces más). La exposición a la radiación la establece el radiólogo en el panel de control del aparato de rayos X, según el tipo de examen, el tamaño del objeto examinado y la tarea de diagnóstico.

Rigidez- características cualitativas de la radiación de rayos X. Se mide por la magnitud del alto voltaje en el tubo, en kilovoltios. Determina el poder de penetración de los rayos X. Está regulado por el alto voltaje suministrado al tubo de rayos X mediante un transformador elevador. Cuanto mayor sea la diferencia de potencial creada entre los electrodos del tubo, mayor será la fuerza con la que los electrones serán repelidos del cátodo y se precipitarán hacia el ánodo y más fuerte será su colisión con el ánodo. Cuanto más fuerte sea su colisión, más corta será la longitud de onda de la radiación de rayos X resultante y mayor será la capacidad de penetración de esta onda (o la dureza de la radiación, que, al igual que la intensidad, se regula en el panel de control mediante el parámetro de voltaje en el tubo - kilovoltaje).

Arroz. 7 - Dependencia de la longitud de onda de la energía de las olas:

λ - longitud de onda;
mi - energía de las olas

· Cuanto mayor sea la energía cinética de los electrones en movimiento, más fuerte será su impacto sobre el ánodo y más corta será la longitud de onda de la radiación de rayos X resultante. La radiación de rayos X con una longitud de onda larga y un poder de penetración bajo se denomina “suave”; la radiación de rayos X con una longitud de onda corta y un poder de penetración alto se llama “dura”.

Arroz. 8 - La relación entre el voltaje en el tubo de rayos X y la longitud de onda de la radiación de rayos X resultante:

· Cuanto mayor sea el voltaje aplicado a los polos del tubo, más fuerte será la diferencia de potencial entre ellos y, por lo tanto, mayor será la energía cinética de los electrones en movimiento. El voltaje en el tubo determina la velocidad de los electrones y la fuerza de su colisión con la sustancia anódica; por lo tanto, el voltaje determina la longitud de onda de la radiación de rayos X resultante.

Naturaleza de los rayos X

Bremsstrahlung Radiación de rayos X, sus propiedades espectrales.

Radiación de rayos X característica (como referencia).

Interacción de la radiación de rayos X con la materia.

Bases físicas del uso de la radiación de rayos X en medicina.

Los rayos X (rayos X) fueron descubiertos por K. Roentgen, quien en 1895 se convirtió en el primer premio Nobel de física.

1. Naturaleza de los rayos X

radiación de rayos x – ondas electromagnéticas con una longitud de 80 a 10–5 nm. La radiación de rayos X de onda larga se superpone a la radiación UV de onda corta, y la radiación de onda corta se superpone a la radiación  de onda larga.

Los rayos X se producen en tubos de rayos X. Figura 1.

K - cátodo

1 – haz de electrones

2 – Radiación de rayos X

Arroz. 1. Dispositivo de tubo de rayos X.

El tubo es un matraz de vidrio (posiblemente con un alto vacío: la presión en él es de aproximadamente 10 a 6 mm Hg) con dos electrodos: el ánodo A y el cátodo K, al que se aplica un alto voltaje U (varios miles de voltios). El cátodo es una fuente de electrones (debido al fenómeno de emisión termoiónica). El ánodo es una varilla de metal que tiene una superficie inclinada para dirigir la radiación de rayos X resultante en ángulo con respecto al eje del tubo. Está hecho de un material altamente conductor térmico para disipar el calor generado por el bombardeo de electrones. En el extremo biselado hay una placa de metal refractario (por ejemplo, tungsteno).

El fuerte calentamiento del ánodo se debe a que la mayoría de los electrones del haz catódico, al llegar al ánodo, experimentan numerosas colisiones con los átomos de la sustancia y les transfieren una gran energía.

Bajo la influencia del alto voltaje, los electrones emitidos por el filamento del cátodo caliente se aceleran a altas energías. La energía cinética del electrón es mv 2/2. Es igual a la energía que adquiere al moverse en el campo electrostático del tubo:

mv 2 /2 = UE (1)

donde m, e son la masa y la carga del electrón, U es el voltaje de aceleración.

Los procesos que conducen a la aparición de radiación de rayos X bremsstrahlung son causados ​​por una intensa desaceleración de los electrones en la sustancia anódica por el campo electrostático del núcleo atómico y los electrones atómicos.

El mecanismo de aparición se puede presentar de la siguiente manera. Los electrones en movimiento son una determinada corriente que forma su propio campo magnético. La desaceleración de los electrones es una disminución en la intensidad de la corriente y, en consecuencia, un cambio en la inducción del campo magnético, lo que provocará la aparición de un campo eléctrico alterno, es decir. aparición de una onda electromagnética.

Así, cuando una partícula cargada vuela hacia la materia, se desacelera, pierde energía y velocidad y emite ondas electromagnéticas.

1. Propiedades espectrales de la radiación de rayos X bremsstrahlung.

Entonces, en el caso de la desaceleración de los electrones en la sustancia anódica, Bremsstrahlung Radiación de rayos X.

El espectro de rayos X bremsstrahlung es continuo.. La razón de esto es la siguiente.

Cuando los electrones se desaceleran, parte de la energía se destina a calentar el ánodo (E 1 = Q), la otra parte a crear un fotón de rayos X (E 2 = hv); de lo contrario, eU = hv + Q. La relación entre estos Las partes son aleatorias.

Así, se forma un espectro continuo de bremsstrahlung de rayos X debido a la desaceleración de muchos electrones, cada uno de los cuales emite un cuanto de rayos X hv (h) de un valor estrictamente definido. La magnitud de este cuanto diferente para diferentes electrones. Dependencia del flujo de energía de rayos X de la longitud de onda , es decir El espectro de rayos X se muestra en la Fig. 2.

Figura 2. Bremsstrahlung espectro de rayos X: a) a diferentes voltajes U en el tubo; b) a diferentes temperaturas T del cátodo.

La radiación de onda corta (dura) tiene mayor poder de penetración que la radiación de onda larga (suave). La radiación suave es absorbida con mayor fuerza por la materia.

En el lado de la longitud de onda corta, el espectro termina abruptamente en una determinada longitud de onda  m i n . Esta bremsstrahlung de onda corta se produce cuando la energía adquirida por un electrón en el campo de aceleración se convierte completamente en energía de fotón (Q = 0):

eU = hv máx = hc/ mín ,  mín = hc/(eU), (2)

 mín (nm) = 1,23/UkV

La composición espectral de la radiación depende del voltaje en el tubo de rayos X: al aumentar el voltaje, el valor  m i n se desplaza hacia longitudes de onda cortas (Fig. 2a).

Cuando cambia la temperatura T del cátodo, aumenta la emisión de electrones. En consecuencia, la corriente I en el tubo aumenta, pero la composición espectral de la radiación no cambia (Fig. 2b).

El flujo de energía Ф  bremsstrahlung es directamente proporcional al cuadrado de la tensión U entre el ánodo y el cátodo, la intensidad de la corriente I en el tubo y el número atómico Z de la sustancia anódica:

Ф = kZU 2 I. (3)

donde k = 10 –9 W/(V 2 A).

En 1895, el físico alemán Roentgen, realizando experimentos sobre el paso de corriente entre dos electrodos en el vacío, descubrió que una pantalla cubierta con una sustancia luminiscente (sal de bario) brilla, aunque el tubo de descarga está cubierto con una pantalla de cartón negro; esto Así es como la radiación penetra a través de barreras opacas, llamadas rayos X. Se descubrió que la radiación de rayos X, invisible para los humanos, se absorbe en objetos opacos con mayor fuerza cuanto mayor es el número atómico (densidad) de la barrera, por lo que los rayos X atraviesan fácilmente los tejidos blandos del cuerpo humano, pero son retenidos por los huesos del esqueleto. Se han diseñado fuentes de potentes rayos X para permitir iluminar piezas metálicas y encontrar defectos internos en ellas.

El físico alemán Laue sugirió que los rayos X son la misma radiación electromagnética que los rayos de luz visible, pero con una longitud de onda más corta y les son aplicables todas las leyes de la óptica, incluida la posibilidad de difracción. En óptica de luz visible, la difracción a nivel elemental se puede representar como la reflexión de la luz a partir de un sistema de líneas, una red de difracción, que se produce sólo en ciertos ángulos, y el ángulo de reflexión de los rayos está relacionado con el ángulo de incidencia. , la distancia entre las líneas de la red de difracción y la longitud de onda de la radiación incidente. Para que se produzca difracción, la distancia entre las líneas debe ser aproximadamente igual a la longitud de onda de la luz incidente.

Laue sugirió que los rayos X tienen una longitud de onda cercana a la distancia entre los átomos individuales en los cristales, es decir. Los átomos del cristal crean una rejilla de difracción para los rayos X. Los rayos X dirigidos a la superficie del cristal se reflejaron en la placa fotográfica, tal como predecía la teoría.

Cualquier cambio en la posición de los átomos afecta el patrón de difracción y, al estudiar la difracción de rayos X, se puede descubrir la disposición de los átomos en un cristal y el cambio en esta disposición bajo cualquier influencia física, química y mecánica sobre el cristal.

Hoy en día, el análisis de rayos X se utiliza en muchos campos de la ciencia y la tecnología; con su ayuda se ha determinado la disposición de los átomos en materiales existentes y se han creado nuevos materiales con una estructura y propiedades determinadas. Los avances recientes en este campo (nanomateriales, metales amorfos, materiales compuestos) crean un campo de actividad para las próximas generaciones científicas.

Aparición y propiedades de la radiación de rayos X.

La fuente de rayos X es un tubo de rayos X que tiene dos electrodos: un cátodo y un ánodo. Cuando se calienta el cátodo, se produce la emisión de electrones; los electrones que escapan del cátodo son acelerados por el campo eléctrico y golpean la superficie del ánodo. Lo que distingue un tubo de rayos X de un tubo de radio convencional (diodo) es principalmente su mayor voltaje de aceleración (más de 1 kV).

Cuando un electrón sale del cátodo, el campo eléctrico lo obliga a volar hacia el ánodo, mientras que su velocidad aumenta continuamente; el electrón lleva un campo magnético, cuya fuerza aumenta al aumentar la velocidad del electrón. Al llegar a la superficie del ánodo, el electrón se desacelera bruscamente y aparece un pulso electromagnético con longitudes de onda en un cierto intervalo (bremsstrahlung). La distribución de la intensidad de la radiación en longitudes de onda depende del material del ánodo del tubo de rayos X y del voltaje aplicado, mientras que en el lado de la onda corta esta curva comienza con un cierto umbral de longitud de onda mínima, dependiendo del voltaje aplicado. La combinación de rayos con todas las longitudes de onda posibles forma un espectro continuo, y la longitud de onda correspondiente a la intensidad máxima es 1,5 veces la longitud de onda mínima.

A medida que aumenta el voltaje, el espectro de rayos X cambia drásticamente debido a la interacción de los átomos con electrones de alta energía y cuantos de rayos X primarios. Un átomo contiene capas internas de electrones (niveles de energía), cuyo número depende del número atómico (indicado por las letras K, L, M, etc.). Los electrones y los rayos X primarios eliminan los electrones de un nivel de energía a otro. Surge un estado metaestable y para la transición a un estado estable es necesario un salto de electrones en la dirección opuesta. Este salto va acompañado de la liberación de un cuanto de energía y la aparición de radiación de rayos X. A diferencia de los rayos X de espectro continuo, esta radiación tiene un rango de longitudes de onda muy estrecho y una alta intensidad (radiación característica) ( cm. arroz.). El número de átomos que determinan la intensidad de la radiación característica es muy grande; por ejemplo, para un tubo de rayos X con un ánodo de cobre con un voltaje de 1 kV y una corriente de 15 mA, 10 14 –10 15 átomos producen una radiación característica. radiación en 1 s. Este valor se calcula como la relación entre la potencia total de la radiación de rayos X y la energía de un cuanto de rayos X de la capa K (serie K de radiación característica de rayos X). La potencia total de la radiación de rayos X es sólo el 0,1% del consumo de energía, el resto se pierde principalmente debido a la conversión en calor.

Debido a su alta intensidad y estrecho rango de longitud de onda, los rayos X característicos son el principal tipo de radiación utilizada en la investigación científica y el control de procesos. Simultáneamente con los rayos de la serie K, se generan rayos de la serie L y M, que tienen longitudes de onda significativamente más largas, pero su uso es limitado. La serie K tiene dos componentes con longitudes de onda cercanas a y b, mientras que la intensidad del componente b es 5 veces menor que a. A su vez, la componente a se caracteriza por dos longitudes de onda muy cercanas, cuya intensidad es 2 veces mayor que la otra. Para obtener radiación con una longitud de onda (radiación monocromática), se han desarrollado métodos especiales que utilizan la dependencia de la absorción y difracción de los rayos X de la longitud de onda. Un aumento en el número atómico de un elemento está asociado con un cambio en las características de las capas de electrones, y cuanto mayor es el número atómico del material del ánodo del tubo de rayos X, más corta es la longitud de onda de la serie K. Los más utilizados son los tubos con ánodos fabricados con elementos con números atómicos de 24 a 42 (Cr, Fe, Co, Cu, Mo) y longitudes de onda de 2,29 a 0,712 A (0,229 - 0,712 nm).

Además del tubo de rayos X, las fuentes de radiación de rayos X pueden ser isótopos radiactivos, algunos pueden emitir rayos X directamente, otros emiten electrones y partículas a que generan rayos X al bombardear objetivos metálicos. La intensidad de la radiación de rayos X de fuentes radiactivas suele ser mucho menor que la de un tubo de rayos X (con la excepción del cobalto radiactivo, que se utiliza para la detección de defectos y produce radiación de una longitud de onda muy corta: radiación g), son De tamaño pequeño y no requieren electricidad. Los rayos X sincrotrón se producen en aceleradores de electrones; la longitud de onda de esta radiación es significativamente más larga que la obtenida en los tubos de rayos X (rayos X blandos) y su intensidad es varios órdenes de magnitud mayor que la intensidad de la radiación de rayos X. tubos. También existen fuentes naturales de radiación de rayos X. Se han encontrado impurezas radiactivas en muchos minerales y se han registrado emisiones de rayos X de objetos espaciales, incluidas estrellas.

Interacción de rayos X con cristales.

En los estudios radiológicos de materiales con estructura cristalina se analizan los patrones de interferencia resultantes de la dispersión de los rayos X por los electrones pertenecientes a los átomos de la red cristalina. Los átomos se consideran inmóviles, no se tienen en cuenta sus vibraciones térmicas y todos los electrones de un átomo se consideran concentrados en un punto: un nodo de la red cristalina.

Para derivar las ecuaciones básicas de la difracción de rayos X en un cristal, se considera la interferencia de los rayos dispersados ​​por átomos ubicados a lo largo de una línea recta en la red cristalina. Una onda plana de radiación monocromática de rayos X incide sobre estos átomos formando un ángulo cuyo coseno es igual a 0 . Las leyes de interferencia de los rayos dispersados ​​por los átomos son similares a las que existen para una rejilla de difracción, que dispersa la radiación luminosa en el rango de longitud de onda visible. Para que las amplitudes de todas las vibraciones se sumen a una gran distancia de la fila atómica, es necesario y suficiente que la diferencia en las trayectorias de los rayos provenientes de cada par de átomos vecinos contenga un número entero de longitudes de onda. Cuando la distancia entre los átomos A esta condición se parece a:

A(a – un 0) =h yo,

donde a es el coseno del ángulo entre la fila atómica y el haz desviado, h – entero. En todas las direcciones que no satisfacen esta ecuación, los rayos no se propagan. Así, los rayos dispersos forman un sistema de conos coaxiales, cuyo eje común es la fila atómica. Las trazas de conos en un plano paralelo a la fila atómica son hipérbolas y en un plano perpendicular a la fila son círculos.

Cuando los rayos inciden en un ángulo constante, la radiación policromática (blanca) se descompone en un espectro de rayos desviados en ángulos fijos. Por tanto, la serie atómica es un espectrógrafo de rayos X.

La generalización a una red atómica bidimensional (plana) y luego a una red cristalina volumétrica (espacial) tridimensional da dos ecuaciones más similares, que incluyen los ángulos de incidencia y reflexión de la radiación de rayos X y las distancias entre átomos en tres direcciones. Estas ecuaciones se denominan ecuaciones de Laue y forman la base del análisis de difracción de rayos X.

Las amplitudes de los rayos reflejados desde planos atómicos paralelos se suman, etc. el número de átomos es muy grande, la radiación reflejada se puede detectar experimentalmente. La condición de reflexión se describe mediante la ecuación de Wulff-Bragg2d sinq = nl, donde d es la distancia entre planos atómicos adyacentes, q es el ángulo rasante entre la dirección del haz incidente y estos planos en el cristal, l es la longitud de onda del Radiación de rayos X, n es un número entero llamado orden de reflexión. El ángulo q es el ángulo de incidencia con respecto específicamente a los planos atómicos, que no necesariamente coinciden en dirección con la superficie de la muestra en estudio.

Se han desarrollado varios métodos de análisis de difracción de rayos X, utilizando tanto radiación de espectro continuo como radiación monocromática. El objeto en estudio puede ser estacionario o giratorio, puede constar de un cristal (monocristal) o de muchos (policristales); la radiación difractada se puede registrar mediante una película de rayos X plana o cilíndrica o un detector de rayos X que se mueve alrededor de una circunferencia, pero en todos los casos durante el experimento e interpretación de los resultados se utiliza la ecuación de Wulff-Bragg.

Análisis de rayos X en ciencia y tecnología.

Con el descubrimiento de la difracción de rayos X, los investigadores tuvieron a su disposición un método que permitió estudiar, sin necesidad de microscopio, la disposición de los átomos individuales y sus cambios bajo influencias externas.

La principal aplicación de los rayos X en la ciencia fundamental es el análisis estructural, es decir. establecer la disposición espacial de los átomos individuales en un cristal. Para ello, se cultivan monocristales y se realizan análisis de rayos X, estudiando tanto la localización como las intensidades de los reflejos. Ahora se han determinado las estructuras no sólo de los metales, sino también de sustancias orgánicas complejas, en las que las células unitarias contienen miles de átomos.

En mineralogía se han determinado las estructuras de miles de minerales mediante análisis de rayos X y se han creado métodos rápidos para analizar materias primas minerales.

Los metales tienen una estructura cristalina relativamente simple y el método de rayos X permite estudiar sus cambios durante diversos tratamientos tecnológicos y crear la base física de nuevas tecnologías.

La composición de fases de las aleaciones está determinada por la ubicación de las líneas en los patrones de difracción de rayos X, el número, tamaño y forma de los cristales están determinados por su ancho y la orientación de los cristales (textura) está determinada por la intensidad. distribución en el cono de difracción.

Mediante estas técnicas se estudian los procesos durante la deformación plástica, incluida la fragmentación de los cristales, la aparición de tensiones internas y las imperfecciones en la estructura cristalina (dislocaciones). Cuando se calientan materiales deformados, se estudia el alivio de tensiones y el crecimiento de cristales (recristalización).

El análisis de aleaciones por rayos X determina la composición y concentración de soluciones sólidas. Cuando aparece una solución sólida, las distancias interatómicas y, en consecuencia, las distancias entre planos atómicos cambian. Estos cambios son pequeños, por lo que se han desarrollado métodos de precisión especiales para medir los períodos de la red cristalina con una precisión dos órdenes de magnitud mayor que la precisión de la medición utilizando métodos de investigación de rayos X convencionales. La combinación de mediciones de precisión de los períodos de la red cristalina y el análisis de fases permite construir los límites de las regiones de fase en el diagrama de fases. El método de rayos X también puede detectar estados intermedios entre soluciones sólidas y compuestos químicos: soluciones sólidas ordenadas en las que los átomos de impurezas no están ubicados aleatoriamente, como en las soluciones sólidas, y al mismo tiempo no en un orden tridimensional, como en las químicas. compuestos. Los patrones de difracción de rayos X de soluciones sólidas ordenadas contienen líneas adicionales; la interpretación de los patrones de difracción de rayos X muestra que los átomos de impurezas ocupan ciertos lugares en la red cristalina, por ejemplo, en los vértices de un cubo.

Cuando se apaga una aleación que no sufre transformaciones de fase, puede surgir una solución sólida sobresaturada y, al calentarla más o incluso mantenerla a temperatura ambiente, la solución sólida se descompone con la liberación de partículas de un compuesto químico. Este es el efecto del envejecimiento y se manifiesta en las radiografías como un cambio en la posición y el ancho de las líneas. La investigación sobre el envejecimiento es especialmente importante para las aleaciones de metales no ferrosos; por ejemplo, el envejecimiento transforma una aleación de aluminio blanda y endurecida en un material estructural duradero, duraluminio.

Los estudios de rayos X del tratamiento térmico del acero son de gran importancia tecnológica. Durante el templado (enfriamiento rápido) del acero, se produce una transición de fase austenita-martensita sin difusión, lo que conduce a un cambio de estructura de cúbica a tetragonal, es decir. la celda unitaria toma la forma de un prisma rectangular. En las radiografías esto aparece como un ensanchamiento de las líneas y la división de algunas líneas en dos. Las razones de este efecto no son sólo un cambio en la estructura cristalina, sino también la aparición de grandes tensiones internas debido al desequilibrio termodinámico de la estructura martensítica y al enfriamiento repentino. Al templar (calentar el acero endurecido), las líneas en los patrones de difracción de rayos X se estrechan, esto se asocia con un retorno a la estructura de equilibrio.

En los últimos años, los estudios con rayos X del procesamiento de materiales con flujos de energía concentrados (rayos láser, ondas de choque, neutrones, pulsos de electrones) han adquirido gran importancia; requirieron nuevas técnicas y produjeron nuevos efectos de rayos X. Por ejemplo, cuando los rayos láser actúan sobre los metales, el calentamiento y el enfriamiento se producen tan rápidamente que, durante el enfriamiento, los cristales del metal sólo tienen tiempo de crecer hasta alcanzar el tamaño de varias células elementales (nanocristales) o no tienen tiempo de surgir. Después del enfriamiento, dicho metal parece un metal común, pero no da líneas claras en el patrón de difracción de rayos X y los rayos X reflejados se distribuyen en todo el rango de ángulos rasantes.

Después de la irradiación con neutrones, aparecen puntos adicionales (máximos difusos) en los patrones de difracción de rayos X. La desintegración radiactiva también provoca efectos específicos de los rayos X asociados con cambios en la estructura, así como el hecho de que la propia muestra en estudio se convierte en una fuente de radiación de rayos X.

CONFERENCIA 32 RADIACIÓN DE RAYOS X

CONFERENCIA 32 RADIACIÓN DE RAYOS X

1. Fuentes de radiación de rayos X.

2. Radiación de rayos X Bremsstrahlung.

3. Radiación de rayos X característica. Ley de Moseley.

4. Interacción de la radiación de rayos X con la materia. Ley del debilitamiento.

5. Bases físicas del uso de los rayos X en medicina.

6. Conceptos y fórmulas básicos.

7. Tareas.

Radiación de rayos X - Ondas electromagnéticas con una longitud de onda de 100 a 10 -3 nm. En la escala de las ondas electromagnéticas, la radiación de rayos X ocupa la región entre la radiación UV y γ - radiación. Los rayos X (rayos X) fueron descubiertos en 1895 por K. Roentgen, quien en 1901 se convirtió en el primer premio Nobel de física.

32.1. fuentes de rayos x

Las fuentes naturales de radiación de rayos X son algunos isótopos radiactivos (por ejemplo, 55 Fe). Las fuentes artificiales de poderosa radiación de rayos X son tubos de rayos x(Figura 32.1).

Arroz. 32.1. dispositivo de tubo de rayos x

El tubo de rayos X es un matraz de vidrio al vacío con dos electrodos: ánodo A y cátodo K, entre los cuales se crea un alto voltaje U (1-500 kV). El cátodo es una espiral calentada por corriente eléctrica. Los electrones emitidos por un cátodo calentado (emisión termoiónica) son acelerados por un campo eléctrico para grande velocidades (es por eso que se necesita alto voltaje) y caen sobre el ánodo del tubo. Cuando estos electrones interactúan con la sustancia anódica, surgen dos tipos de radiación de rayos X: frenado Y característica.

La superficie de trabajo del ánodo se encuentra en un cierto ángulo con respecto a la dirección del haz de electrones para crear la dirección requerida de los rayos X.

Aproximadamente el 1% de la energía cinética de los electrones se convierte en rayos X. El resto de la energía se libera en forma de calor. Por tanto, la superficie de trabajo del ánodo está hecha de material refractario.

32.2. Rayos X Bremsstrahlung

Un electrón que se mueve en un determinado medio pierde su velocidad. En este caso se produce una aceleración negativa. Según la teoría de Maxwell, cualquier acelerado El movimiento de una partícula cargada va acompañado de radiación electromagnética. La radiación que se produce cuando un electrón desacelera en la sustancia anódica se llama Bremsstrahlung Radiación de rayos X.

Las propiedades del bremsstrahlung están determinadas por los siguientes factores.

1. La radiación es emitida por cuantos individuales, cuyas energías están relacionadas con la frecuencia mediante la fórmula (26.10)

donde ν es la frecuencia, λ es la longitud de onda.

2. Todos los electrones que llegan al ánodo tienen lo mismo energía cinética igual al trabajo del campo eléctrico entre el ánodo y el cátodo:

donde e es la carga del electrón, U es el voltaje de aceleración.

3. La energía cinética del electrón se transfiere parcialmente a la sustancia y se utiliza para calentarla (Q), y se gasta parcialmente en la creación de un cuanto de rayos X:

4. Relación entre Q y hv accidentalmente.

Debido a la última propiedad (4), cuantos generados varios electrones, tienen varios frecuencias y longitudes de onda. Por lo tanto, el espectro de bremsstrahlung de rayos X es continuo. Vista típica densidad espectral El flujo de rayos X (Φ λ = άΦ/άλ) se muestra en la Fig. 32.2.

Arroz. 32.2. Espectro de rayos X Bremsstrahlung

En el lado de las ondas largas, el espectro está limitado a una longitud de onda de 100 nm, que es el límite de la radiación de rayos X. En el lado de la onda corta, el espectro está limitado por la longitud de onda λ min. Según la fórmula (32.2) longitud de onda mínima corresponde al caso Q = 0 (la energía cinética del electrón se convierte completamente en energía cuántica):

Los cálculos muestran que el flujo (Φ) de rayos X bremsstrahlung es directamente proporcional al cuadrado del voltaje U entre

ánodo y cátodo, intensidad de corriente I en el tubo y número atómico Z de la sustancia anódica:

En la figura 1 se muestran los espectros de rayos X Bremsstrahlung a diferentes voltajes, diferentes temperaturas del cátodo y diferentes sustancias anódicas. 32.3.

Arroz. 32.3. Espectro de rayos X Bremsstrahlung (Φ λ):

a - a diferentes voltajes U en el tubo; b - a diferentes temperaturas T

cátodo; c - para diferentes sustancias anódicas que difieren en el parámetro Z

A medida que aumenta el voltaje del ánodo, el valor λ mín. cambia hacia longitudes de onda más cortas. Al mismo tiempo, la altura de la curva espectral aumenta (Fig. 32.3, A).

A medida que aumenta la temperatura del cátodo, aumenta la emisión de electrones. En consecuencia, aumenta la corriente I en el tubo. La altura de la curva espectral aumenta, pero la composición espectral de la radiación no cambia (figura 32.3, b).

Cuando cambia el material del ánodo, la altura de la curva espectral cambia en proporción al número atómico Z (figura 32.3, c).

32.3. Radiación de rayos X característica. Ley de Moseley

Cuando los electrones del cátodo interactúan con los átomos del ánodo, junto con los rayos X de bremsstrahlung, se producen rayos X, cuyo espectro consta de líneas separadas. Esto es radiación

tiene el siguiente origen. Algunos electrones catódicos penetran profundamente en el átomo y lo expulsan. conchas interiores. Las vacantes formadas en este caso se llenan con electrones de superior conchas, como resultado de lo cual se emiten cuantos de radiación. Esta radiación contiene un conjunto discreto de frecuencias determinadas por el material del ánodo y se llama radiación característica. El espectro completo del tubo de rayos X es una superposición del espectro característico en el espectro de bremsstrahlung (fig. 32.4).

Arroz. 32.4. Espectro de radiación del tubo de rayos X

La existencia de espectros de rayos X característicos se descubrió utilizando tubos de rayos X. Posteriormente se descubrió que tales espectros surgen de cualquier ionización de las órbitas internas de los elementos químicos. Tras estudiar los espectros característicos de diversos elementos químicos, G. Moseley (1913) estableció la siguiente ley, que lleva su nombre.

La raíz cuadrada de la frecuencia de la radiación característica es una función lineal del número de serie del elemento:

donde ν es la frecuencia de la línea espectral, Z es el número atómico del elemento emisor, A, B son constantes.

La ley de Moseley permite determinar el número atómico de un elemento químico a partir del espectro observado de radiación característica. Esto jugó un papel importante en la ubicación de los elementos en la tabla periódica.

32.4. Interacción de la radiación de rayos X con la materia. Ley de atenuación

Hay dos tipos principales de interacción de los rayos X con la materia: dispersión y efecto fotoeléctrico. Durante la dispersión, cambia la dirección del movimiento del fotón. En el efecto fotoeléctrico, un fotón absorbido.

1. Dispersión coherente (elástica) ocurre cuando la energía del fotón de rayos X es insuficiente para la ionización interna del átomo (eliminando un electrón de una de las capas internas). En este caso, la dirección del movimiento del fotón cambia, pero su energía y longitud de onda no cambian (por eso esta dispersión se llama elástico).

2. Dispersión incoherente (Compton) ocurre cuando la energía del fotón es mucho mayor que la energía de ionización interna A y: hv >> A y.

En este caso, el electrón se separa del átomo y adquiere una cierta energía cinética E k. La dirección del movimiento del fotón durante la dispersión Compton cambia y su energía disminuye:

La dispersión de Compton está asociada con la ionización de átomos de una sustancia.

3. efecto foto ocurre cuando la energía del fotón hv es suficiente para ionizar el átomo: hv > Au. Al mismo tiempo, el cuanto de rayos X absorbido y su energía se gasta en ionizar el átomo e impartir energía cinética al electrón expulsado E k = hv - A I.

La dispersión de Compton y el efecto fotoeléctrico van acompañados de una radiación de rayos X característica, ya que después de que los electrones internos son eliminados, las posiciones vacantes se llenan con electrones de las capas externas.

Luminiscencia de rayos X. En algunas sustancias, los electrones y los cuantos de dispersión de Compton, así como los electrones del efecto fotoeléctrico, provocan una excitación de las moléculas, que va acompañada de transiciones radiativas al estado fundamental. Esto produce un brillo llamado luminiscencia de rayos X. La luminiscencia del óxido de bario y platino permitió a Roentgen descubrir los rayos X.

Ley de atenuación

La dispersión de los rayos X y el efecto fotoeléctrico provocan que, a medida que la radiación de rayos X penetra más profundamente, el haz de radiación primario se debilita (fig. 32.5). El debilitamiento es exponencial:

El valor de μ depende del material absorbente y del espectro de emisión. Para cálculos prácticos, como característica del debilitamiento.

Arroz. 32.5. Debilitamiento del flujo de rayos X en la dirección de los rayos incidentes.

Dónde λ - longitud de onda; Z es el número atómico del elemento; k es alguna constante.

32.5. Base física de uso.

Radiación de rayos X en medicina.

En medicina, la radiación de rayos X se utiliza con fines diagnósticos y terapéuticos.

Diagnóstico por rayos X- métodos de obtención de imágenes de órganos internos mediante rayos X.

La base física de estos métodos es la ley de atenuación de la radiación de rayos X en la materia (32.10). Flujo de rayos X uniforme en toda la sección transversal después de pasar tejido heterogéneo se volverá heterogéneo. Esta heterogeneidad se puede registrar en una película fotográfica, una pantalla fluorescente o mediante un fotodetector de matriz. Por ejemplo, los coeficientes de atenuación de masa del tejido óseo (Ca 3 (PO 4) 2) y de los tejidos blandos (principalmente H 2 O) difieren 68 veces (μ m hueso / μ m agua = 68). La densidad ósea también es mayor que la densidad de los tejidos blandos. Por lo tanto, una radiografía produce una imagen clara del hueso sobre un fondo más oscuro de tejido blando.

Si el órgano en estudio y los tejidos circundantes tienen coeficientes de atenuación similares, entonces se requieren medidas especiales. agentes de contraste. Por ejemplo, durante la fluoroscopia del estómago, el sujeto toma una masa similar a una papilla de sulfato de bario (BaSO 4), cuyo coeficiente de atenuación de masa es 354 veces mayor que el de los tejidos blandos.

Para el diagnóstico se utiliza radiación de rayos X con una energía fotónica de 60-120 keV. En la práctica médica se utilizan los siguientes métodos de diagnóstico por rayos X.

1. Radiografía. La imagen se forma en una pantalla fluorescente. El brillo de la imagen es bajo y sólo se puede ver en una habitación oscura. El médico debe estar protegido de la radiación.

La ventaja de la fluoroscopia es que se realiza en tiempo real. La desventaja es la elevada exposición a la radiación para el paciente y el médico (en comparación con otros métodos).

La versión moderna de la fluoroscopia, la televisión de rayos X, utiliza intensificadores de imágenes de rayos X. El amplificador percibe el tenue resplandor de la pantalla de rayos X, lo amplifica y lo transmite a la pantalla del televisor. Como resultado, la exposición a la radiación del médico disminuyó drásticamente, el brillo de la imagen aumentó y fue posible grabar en video los resultados del examen.

2. Radiografía. La imagen se forma sobre una película especial que es sensible a la radiación de rayos X. Las fotografías se toman en dos proyecciones mutuamente perpendiculares (frontal y lateral). La imagen se vuelve visible después del procesamiento de la fotografía. La fotografía seca terminada se examina con luz transmitida.

Al mismo tiempo, los detalles son satisfactoriamente visibles, cuyos contrastes difieren en un 1-2%.

En algunos casos, antes del examen, se le da al paciente un tratamiento especial. agente de contraste. Por ejemplo, una solución que contiene yodo (por vía intravenosa) para el estudio de los riñones y el tracto urinario.

Las ventajas de la radiografía son la alta resolución, el corto tiempo de exposición y una seguridad casi total para el médico. Las desventajas incluyen la naturaleza estática de la imagen (el objeto no se puede rastrear en dinámica).

3. Fluorografía. Durante este examen, la imagen obtenida en la pantalla se fotografía en una película sensible de pequeño formato. La fluorografía se utiliza ampliamente en el cribado masivo de la población. Si se encuentran cambios patológicos en el fluorograma, se prescribe al paciente un examen más detallado.

4. Electrorradiografía. Este tipo de examen se diferencia de la radiografía convencional en la forma en que se registra la imagen. En lugar de película usan placa de selenio, que está electrificado por rayos X. El resultado es una imagen oculta de cargas eléctricas, que puede hacerse visible y transferirse al papel.

5. Angiografía. Este método se utiliza para examinar los vasos sanguíneos. Se inyecta un agente de contraste en la vena a través de un catéter, tras lo cual un potente aparato de rayos X toma una serie de imágenes, una tras otra, en fracciones de segundo. La figura 32.6 muestra una angiografía de la arteria carótida.

6. Tomografía computarizada de rayos X. Este tipo de examen de rayos X le permite obtener una imagen de una sección plana del cuerpo de varios mm de espesor. En este caso, una sección determinada se escanea repetidamente desde diferentes ángulos y cada imagen individual se graba en la memoria del ordenador. Entonces

Arroz. 32.6. Angiografía que muestra estrechamiento de la arteria carótida.

Arroz. 32.7. Esquema de tomografía de exploración (a); tomografía de la cabeza en sección a la altura de los ojos (b).

Se lleva a cabo una reconstrucción por computadora, cuyo resultado es una imagen de la capa escaneada (Fig. 32.7).

La tomografía computarizada permite distinguir elementos con una diferencia de densidad entre ellos de hasta el 1%. La radiografía convencional permite detectar una diferencia mínima de densidad entre áreas adyacentes del 10-20%.

Terapia de rayos X - el uso de rayos X para destruir tumores malignos.

El efecto biológico de la radiación es alterar la actividad vital de las células que se multiplican con especial rapidez. Se utilizan rayos X muy duros (con energías de fotones de aproximadamente 10 MeV) para destruir las células cancerosas en las profundidades del cuerpo. Para reducir el daño al tejido circundante sano, el haz gira alrededor del paciente de modo que solo el área dañada permanezca bajo su influencia en todo momento.

32.6. Conceptos básicos y fórmulas.

Continuación de la tabla

Fin de la mesa

32.7. Tareas

1. ¿Por qué un haz de electrones en los tubos de rayos X médicos incide en un punto del anticátodo y no incide sobre él en un haz amplio?

Respuesta: para obtener una fuente puntual de rayos X, dando contornos nítidos de objetos transiluminados en la pantalla.

2. Encuentre el límite de bremsstrahlung de rayos X (frecuencia y longitud de onda) para voltajes U 1 = 2 kV y U 2 = 20 kV.

4. Los escudos de plomo se utilizan para proteger contra la radiación de rayos X. El coeficiente de absorción lineal de la radiación de rayos X en el plomo es de 52 cm -1. ¿Qué espesor debe tener la capa protectora de plomo para reducir la intensidad de los rayos X 30 veces?

5. Encuentre el flujo de radiación del tubo de rayos X en U = 50 kV, I = 1 mA. El ánodo está hecho de tungsteno (Z = 74). Encuentre la eficiencia del tubo.

6. Los agentes de contraste se utilizan para el diagnóstico radiológico de tejidos blandos. Por ejemplo, el estómago y los intestinos se llenan con una masa de sulfato de bario (BaSO 4). Compare los coeficientes de atenuación de masa del sulfato de bario y del tejido blando (agua).

7. ¿Qué dará una sombra más densa en la pantalla de una instalación de rayos X: aluminio (Z = 13, ρ = 2,7 g/cm3) o la misma capa de cobre (Z = 29, ρ = 8,9 g/cm3)?

8. ¿Cuántas veces es mayor el espesor de la capa de aluminio que el espesor de la capa de cobre si las capas atenúan la radiación de rayos X por igual?