Відмінності між версіями «Трубка Рентгена»

Версія за 18:39, 17 травня 2017

Головна → Відділ астрономії, оптики та квантової фізики → Трубка Рентгена

Шило Ірина

Загальний опис (принцип дії)

Рентге́нівська тру́бка являє собою певний тип електровакуумної лампи для добування рентгенівських променів. Назва трубки походить від імені німецького фізика Вільгельма Конрада Рентгена.

Принцип дії

Рентгенівські промені виникають при сильному прискоренні заряджених частинок (гальмівне випромінювання), або при високоенергетичних переходах у електронних оболонках атомів або молекул. Обидва ефекти використовуються в рентгенівських трубках.

У рентгенівських трубках електрони, випущені катодом при нагріванні, прискорюються під дією різниці електричних потенціалів між анодом і катодом (при цьому рентгенівські промені не генеруються, бо прискорення надто мале) і вдаряються в анод,де відбувається їхнє різке гальмування. При цьому за рахунок гальмівного випромінювання відбувається генерація випромінювання рентгенівського діапазону при вибиванні електронів із внутрішніх електронних оболонок атомів анода. Порожні місця в оболонках займаються іншими електронами атома. При цьому випускається рентгенівське випромінюванняз характерним для матеріалу анода спектром енергій.[1]

Історична довідка

Рентгенівське випромінювання було відкрите у 1895 році німецьким фізиком Вільгельм під час роботи із закритою з усіх боків скляною трубкою, з якої майже повністю видалене повітря. Всередині неї були прикріплені дві металеві пластинки (електроди), від яких назовні відходили тонкі дроти, впаяні в скло. Якщо таку трубку включити в електричний ланцюг, то при відомих умовах через неї може пройти електричний струм. Електричний струм у трубці – це потік дрібних заряджених частинок, з яких складається будь-яка речовина: електронів та іонів. Така трубка називається розрядною. Рентген у своїй роботі цікавився саме властивостями електричного струму, що проходить через газ. У нього були трубки різних форм і розмірів, і вчений хотів з'ясувати, як впливають на електричний струм форма і розміри трубок. Як виявилося, кристали відреагували на вплив на них розташованої неподалік електровакуумної (круксової) трубки, яка в той момент перебувала під високою напругою. При відключенні струму світіння екрану припинялося, а при повторному включенні знову відновлювалося. Трубка була обгорнута в чорний світлонепроникний папір, тому Рентген припустив, що при проходженні через неї електричного струму вона випускає якісь невидимі промені, здатні проникати через непрозорі середовища й порушувати кристали барію. Ці невідомі промені Рентген назвав X-променями. Через 50 днів вчений представив голові Вюрцбурзького фізико-медичного товариства рукопис із 17 сторінок, що містить опис відкритих ним променів. Цей день, 28 грудня 1895 року, увійшов в історію як офіційна дата відкриття рентгенівських променів. Разом із рукописом вчений представив також першу рентгенограму, зроблену раніше, 22 грудня, на якій була відображена рука його дружини Берти Рентген. Після того як жінка побачила рентгенівський знімок своєї руки, вона, не розбираючись у тонкощах фізики, була настільки вражена, що вигукнула: «Я бачила свою смерть».

Увечері, 23 січня доктор Рентген прочитав лекцію в наповненій аудиторії Вюрцбурзького фізико-медичного товариства. Після дискусії про проведені експерименти Рентген запросив голову товариства Альберта фон Келлікера, відомого анатома, зробити знімок його руки за допомогою нових X-променів. Коли готове зображення було продемонстровано аудиторії, вона вибухнула бурхливими оваціями. Доктор фон Келлікер, вражений відкриттям, запропонував назвати нові промені рентгенівськими – його пропозицію аудиторія зустріла оплесками.

Але ще в 1881 році український фізик, винахідник, професор Іван Павлович Пулюй, виготовив лампу з так званими Х-променями власної конструкції і приступив до її серійного виробництва, опублікував теоретичну роботу «Проникнення швидких променів «Х» з трубок назовні». 1883 р. – у Відні була опублікована його брошура (86 стор.) «Промениста електродна матерія і четвертий стан матерії».

1896 р. – доповідь в Празькому політехнічному інституті, де І. П. Пулюй продемонстрував знімки, вироблені за допомогою трубки власної конструкції.

Але Х-промені назвали ім’ям Рентгена, хоча вчений був категорично проти цього.

Відкриття рентгенівських променів викликало широкий резонанс серед вчених усього світу. На початку січня 1896 року брошура Рентгена була опублікована. Протягом декількох тижнів вона була перекладена на російську, англійську, французьку та італійську мови, і вже в кінці січня А. С. Попов виготовив перший рентгенівський апарат, за допомогою якого вчені повторили експеримент Рентгена. Вільгельм Рентген продовжував вивчати своє відкриття, і до травня 1897 року він остаточно сформулював всі основні властивості X-променів, опублікувавши ще дві наукові статті. Найбільш цінною практичною властивістю рентгенівського випромінювання, яке знайшло широке застосування в науці й медицині, виявилася його здатність проникати через непрозорі тіла. У 1901 році Вільгельм Рентген був удостоєний за своє відкриття першої Нобелівської премії у галузі фізики. Згодом науку, що вивчає вплив рентгенівських променів на організм, назвали рентгенологією.

У 1912 році в лабораторії Харківського ветеринарного інституту була зібрана перша рентгенівська установка, за допомогою якої діагностували переломи кісток і вивихи, визначали чужорідні тіла, а також проводили дослідження плодів у дрібних домашніх тварин.

У 2005 році виповнюється 110 років від часу офіційного оголошення про відкриття рентгенівських променів. Історія відкриття і становлення рентгенодіагностики невіддільна від імені Вільгельма Конрада Рентгена – видатного німецького фізика. Саме він наприкінці 1895 року оголосив світу про нові промені, відомі нині як рентгенівські (X–ray). Не вдаючись до подробиць біографії вченого, слід згадати, що саме він є першим лауреатом Нобелівської премії з фізики, якою був нагороджений ще в 1901 році за відкриття ікс-променів.Зауважимо, що не він першим дізнався про існування цих променів, використавши їх на практиці для отримання зображення.

1884 рік – перші знімки в катодних променях (Баку).

1890 рік – знімки, зроблені І.П. Пулюєм, та знімки, зроблені в Пенсільванії.

8 листопада 1895 року – повідомлення В.К.Рентгена про відкриття ікс-променів.

1896 рік – перше повідомлення в Росії про відкриття Рентгена (доповідь П.Н.Лебедєва).

1897 рік – перший рентгенівський кабінет у Росії (ВМА).

   Це лише перші повідомлення про початок нової ери в медицині – ери рентгенодіагностики. 

Заслуга Рентгена перед історією полягає не тільки у відкритті невідомого випромінювання, й у відкритті методів рентгенодіагностики: “Якщо тримати між розрядною трубкою та екраном руку, то можна побачити темні тіні кісток у слабких обрисах тіні самої руки”. Це було перше рентгеноскопічне дослідження, проведене відкривачем ікс-променів. У 1896 році в Росії проведено перше рентгенологічне дослідження скелету. Відтоді розпочався бурхливий розвиток рентгенодіагностики. Ще до нагородження Рентгена Нобелівською премією в Росії з’являються повідомлення про рентгенодіагностику і, навіть, про створення приладу стереоскопічного огляду рентгенограм. Українець за походженням, професор Іван Павлович Пулюй на десять років раніше Рентгена почав цікавитися розрядами у вакуумних трубках, помітивши, що промені, які з’являються при роботі трубки, проникають крізь непрозорі предмети. Вони відображаються на екранах, що світяться, а також засвічують фотоплівку. В 1890 році Пулюй отримав фотографію скелету жаби та дитячої руки, що нині мають назву рентгенограм. Знімки були навіть опубліковані в журналах Європи. Розуміючи, що справа торкається серйозного відкриття,Пулюй в той же час не проявив достатньої настирливості й не оформив своєчасно патенту. Рентген, навпаки, знав про роботу Пулюя від самого автора, оскільки деякий час вони навіть працювали в одній лабораторії проф. Кундта в Страсбурзі. З роками Пулюй скаржився в листі до Івана Горбачевського, що наука мстить йому за повільність. Через два тижні після доповіді Рентгена, проф. І.П. Пулюй зробив доповідь про промені у Пражському політехнікумі. Гідний шлях пройшла рентгенологія за 110 років свого існування: від рентгенограм, для експозиції яких необхідні були години, вона досягла часу цифрової рентгенівської техніки та рентгенівської комп’ютерної томографії. Нині рентгенологія переживає новий період свого розвитку. Коли вже здавалося, що її можливості вичерпані повністю, на допомогу прийшли нові технології. Саме цифрові технології дозволили знизити дозу опромінення у десятки разів і в скільки ж підвищити інформативність зображення, покращити його якість,розширити зону застосування, знизивши його вартість. Ми стаємо свідками виникнення нової рентгенології початку XXI століття.

Технічні характеристики

Основними конструктивними елементами таких трубок є металеві катод і анод (який раніше називався також антикатод).В даний час аноди виготовляються головним чином з міді і та їх частина, куди ударяють електрони, — з міді, молібдену, срібла та деяких інших металів.

У процесі прискорення-гальмування лише близько 1% кінетичної енергії електрона йде на рентгенівське випромінювання, 99% енергії перетворюється в тепло.

Сфера застосування

Рентгенівське випромінювання знаходить широке практичне застосування в двох областях:

1. у медицині для діагностики та терапії,

2. у промисловості: для просвічування матеріалів (рентгенодефектоскопия) і для проведення рентгеноструктурного аналізу. Довжина хвилі рентгенівських променів, що застосовуються в медицині, 5 х 10-12 ... 2,5 х 10-10 м, тобто 0,05 - 2,5 А. Довжина хвилі випромінювання ізотопів, застосовуваних у медицині, дорівнює 1 х 10-11 - 8 х 10-13 м, тобто 0,1 - 0,008 А, а бетатроны дають випромінювання з довжиною хвилі 8 х 10-13 м, тобто 0,008 А. В промислових рентгенівських дослідженнях застосовуються рентгенівські промені з довжиною хвилі 2 х 10-12 - 2 х 10-10 м, тобто 0,02 - 2 А. надалі буде коротко викладено практичне застосування рентгенівського випромінювання в медицині та промисловості.

У медицині рентгенівське випромінювання найчастіше застосовується в діагностиці. Існують два основних методи рентгенодіагностики: просвічування (рентгеноскопія) і рентгенівська зйомка (рентгенографія). В даний час рентгенівська зйомка знаходить широке застосування в практиці.

Найбільш старий і поширений спосіб зйомки такий: зйомка проводиться при розташуванні об'єкта на касеті з плівкою, вміщеній між підсилювальними екранами, а джерело рентгенівських променів знаходиться над досліджуваним органом. Для поліпшення якості знімка між об'єктом і касетою поміщають рентгенівську отсеивающую решітку. Значною мірою зменшуючи розсіяне випромінювання, решітка дещо зменшує інтенсивність прямого випромінювання, тому при зйомці з гратами необхідно збільшити умова генерування випромінювання (ма х с), тобто енергію випромінювання. Томограф служить для отримання рентгенівського зображення певного зрізу досліджуваного об'єкта. Суть роботи томографа полягає в тому, що з трьох параметрів (досліджуваний об'єкт, джерело рентгенівського випромінювання і плівка) два під час виробництва знімка рухаються по певній траєкторії. Найбільш простим є переміщення по прямій . Під час однієї експозиції можна отримати одночасно кілька томограм, які дають уявлення про різних зрізах. Цей метод рентгенографії називається симультанной томографією.

Для розпізнання невеликих патологічних змін роблять рентгенівські знімки з прямим збільшенням масштабу. Це представляється можливим при використанні острофокусных трубок, в яких рентгенівські промені, що розходяться з точкового джерела, дають пряме збільшене зображення, якщо об'єкт наближений до джерела, а плівка знаходиться на деякій відстані від нього . У томографії також може бути використаний принцип прямого збільшення.

Кімограф служить для отримання зображення рухомих внутрішніх органів за допомогою спеціальної сітки і рухомої рентгенівської плівки.

Метод кимографии застосовується для виявлення патологічних змін руху органу. Для швидкого проведення масових обстежень населення (виявлення туберкульозу і силікозу легень) застосовується метод, що отримав назву флюорографії. При цьому зйомка проводиться з флюоресцентного екрана за допомогою спеціально пристосованого фотоапарата . Цей метод застосовується і для отримання серійних флюорограмм.

Апарати для серійної зйомки широко використовуються для дослідження органів кровообігу з допомогою контрастних речовин. 

Заміна касет і пересування плівки в цих апаратах виробляються або вручну, або за допомогою електродвигуна. Найбільш досконалим способом швидкісної зйомки є рентгенокинематография і запис рентгенівського зображення з допомогою спеціальних апаратів на видеомагнитную стрічку.

Рентгенівські апарати, що застосовуються в діагностиці, розділяються по потужності і типу конструкції на блоктрансформаторные, 

безвентильные (півхвильові) і на чотирьох-, шести - і двенадцатикенотронные. Блоктрансформаторные і півхвильові апарати задовольняють вимогам тільки при вирішенні найпростіших завдань, як, наприклад, просвічування і виробництво деяких рентгенівських знімків.

Терапевтичні рентгенівські апарати поділяються по жорсткості випромінювання на апарати 

для поверхневої рентгенотерапії (короткофокусні установки); апарати для дистанційної рентгенотерапії; апарати ультражесткого випромінювання (супервольтные); апарати з радіоактивними ізотопами.

У промисловості рентгенівські промені застосовуються для рентгенодефектоскопії і для рентгеноструктурного аналізу. 

При рентгеноструктурном аналізі рентгенівське випромінювання використовується для дослідження будови і складу кристалічних речовин. Рентгеноструктурний аналіз проводиться за допомогою спеціальних рентгенівських трубок, які крім легко фільтрується гальмівного дають інтенсивне характеристичне випромінювання . Рентгенодефектоскопия служить для виявлення неоднорідностей і дефектів структури різних матеріалів.

Ці дослідження проводяться або при просвічуванні, або з допомогою зйомки. Просвічування застосовується рідко. Рентгенівські апарати, що застосовуються при рентгеноструктурном аналізі, володіють невеликою потужністю, а апарати для рентгенодефектоскопії мають велику потужність. Вони зазвичай робляться пересувними .

Діагностичні рентгенівські установки складаються з трьох основних частин: рентгенівський апарат, стіл-штатив, речі та додаткові пристосування.

Терапевтичним установок замість стола-штатива надається терапевтичний стіл і рентгенівський штатив. 

Промислові рентгенівські апарати також складаються з трьох основних частин. Надалі ознайомимося з призначенням

та різними видами основних частин рентгенівських установок[2]

Фото, відео-матеріали

Список використаних джерел

1.Ю. А. Быстров, С. А. Иванов. Ускорительная техника и рентгеновские приборы. — М.: Высшая школа, 1983. — ­ 288 с.

2.С. А. Иванов, Г. А. Щукин. Рентгеновские трубки технического назначения. — Л.: Энергоатомиздат, 1989. — ­ 200 с. — ISBN 5-283-04435-1.

3.І. Пулюй. — Збірник праць. К.: Рада, 1996, 712 с.

4.Рентген

5.Науково-популярний блог з фізики

6.Характеристики рентгенівського випромінювання