Источник сверхмягкого рентгеновского излучения

История открытия

Сделанная В. К. Рентгеном фотография (рентгенограмма) руки Альберта фон Кёлликера

Рентгеновское излучение было открыто Вильгельмом Конрадом Рёнтгеном. Изучая экспериментально катодные лучи, вечером 8 ноября 1895 года он заметил, что находившийся вблизи катодно-лучевой трубки картон, покрытый платиносинеродистым барием, начинает светиться в тёмной комнате. В течение нескольких следующих недель он изучил все основные свойства вновь открытого излучения, названного им X-лучами («икс-лучами»). 22 декабря 1895 года Рёнтген сделал первое публичное сообщение о своём открытии в Физическом институте Вюрцбургского университета. 28 декабря 1895 года в журнале Вюрцбургского физико-медицинского общества была опубликована статья Рентгена под названием «О новом типе лучей».

Но ещё за 8 лет до этого — в 1887 году Никола Тесла в дневниковых записях зафиксировал результаты исследования рентгеновских лучей и испускаемое ими тормозное излучение, однако ни Тесла, ни его окружение не придали серьёзное значение этим наблюдениям. Кроме этого, уже тогда Тесла предположил опасность длительного воздействия рентгеновских лучей на человеческий организм[источник не указан 575 дней].

По некоторым сообщениям, опубликованным лишь в 1896 году, и в ссылающихся на них источниках, лучи, обладающие фотохимическим действием, были за 11 лет до Рентгена описаны директором и преподавателем физики Бакинского реального училища Егором Семёновичем Каменским (1838—1895), председателем Бакинского кружка любителей фотографии. Секретарь этого кружка А. М. Мишон якобы также проводил опыты в области фотографии, аналогичные рентгеновым. Однако в результате рассмотрения вопроса о приоритете на заседании Комиссии по истории физико-математических наук АН СССР 22 февраля 1949 года было принято решение, «признавая имеющийся в наличии материал по вопросу об открытии Х-лучей недостаточным для обоснования приоритета Каменского, считать желательным продолжить поиски более веских и достоверных данных»

Некоторые источники называют первооткрывателем рентгеновских лучей австро-венгерского физика Ивана Павловича Пулюя (родом из Галиции), который начал интересоваться разрядами в вакуумных трубках за 10 лет до опубликования открытия Рентгеном. По этим утверждениям, Пулюй заметил лучи, которые проникают через непрозрачные предметы и засвечивают фотопластинки. В 1890 году им были якобы получены и даже опубликованы в европейских журналах фотографии скелета лягушки и детской руки, однако дальнейшим изучением лучей и получением патента он не занимался. Это мнение опровергается в посвящённой Пулюю монографии Р. Гайды и Р. Пляцко, где подробно анализируются истоки и развитие этой легенды, и в других работах по истории физики. Пулюй действительно сделал большой вклад в изучение физики рентгеновского излучения и в методику его применения (например, он первым обнаружил появление электропроводности в газах, облучаемых рентгеновскими лучами), но уже после открытия Рентгена.

Катодно-лучевая трубка, которую Рентген использовал в своих экспериментах, была разработана Й. Хитторфом и В. Круксом. При работе этой трубки возникают рентгеновские лучи. Это было показано в экспериментах Генриха Герца и его ученика Филиппа Ленарда через почернение фотопластинок[источник не указан 575 дней]. Однако никто из них не осознал значения сделанного ими открытия и не опубликовал своих результатов.

По этой причине Рентген не знал о сделанных до него открытиях и открыл лучи независимо — при наблюдении флюоресценции, возникающей при работе катодно-лучевой трубки. Рентген занимался Х-лучами немногим более года (с 8 ноября 1895 года по март 1897 года) и опубликовал о них три статьи, в которых было исчерпывающее описание новых лучей. Впоследствии сотни работ его последователей, опубликованных затем на протяжении 12 лет, не могли ни прибавить, ни изменить ничего существенного. Рентген, потерявший интерес к Х-лучам, говорил своим коллегам: «Я уже всё написал, не тратьте зря время». Свой вклад в известность Рентгена внесла также знаменитая фотография руки Альберта фон Кёлликера, которую он опубликовал в своей статье (см. изображение справа)

За открытие рентгеновских лучей Рентгену в 1901 году была присуждена первая Нобелевская премия по физике, причём нобелевский комитет подчёркивал практическую важность его открытия. В других странах используется предпочитаемое Рентгеном название — X-лучи, хотя словосочетания, аналогичные русскому, (англ. Roentgen rays и т. п.) также употребляются

В России лучи стали называть «рентгеновскими» по инициативе ученика В. К. Рентгена — Абрама Фёдоровича Иоффе.

Лабораторные источники

Рентгеновские трубки

Основная статья: Рентгеновская трубка

Схематическое изображение рентгеновской трубки. X — рентгеновские лучи, K — катод, А — анод (иногда называемый антикатодом), С — теплоотвод, U_h — напряжение накала катода, U_a — ускоряющее напряжение, W_in — впуск водяного охлаждения, W_out — выпуск водяного охлаждения

Рентгеновские лучи возникают при сильном ускорении заряженных частиц (тормозное излучение), либо при высокоэнергетических переходах в электронных оболочках атомов или молекул. Оба эффекта используются в рентгеновских трубках. Основными конструктивными элементами таких трубок являются металлические катод и анод (ранее называвшийся также антикатодом). В рентгеновских трубках электроны, испущенные катодом, ускоряются под действием разности электрических потенциалов между анодом и катодом (при этом рентгеновские лучи не испускаются, так как ускорение слишком мало) и ударяются об анод, где происходит их резкое торможение. При этом генерируется тормозное излучение в рентгеновском диапазоне с непрерывным спектром и одновременно выбиваются электроны из внутренних электронных оболочек атомов анода. На пустые места (вакансии) в оболочках переходят другие электроны атома из его внешних оболочек, что приводит к испусканию рентгеновского излучения с характерным для материала анода линейчатым спектром энергий (характеристическое излучение, чьи частоты определяются законом Мозли: ν=A(Z−B),{\displaystyle {\sqrt {\nu }}=A(Z-B),} где Z — атомный номер элемента анода, A и B — константы для определённого значения главного квантового числа n электронной оболочки). В настоящее время аноды изготавливаются главным образом из керамики, причём та их часть, куда ударяют электроны, — из молибдена или меди.

Трубка Крукса

В процессе ускорения-торможения лишь около 1% кинетической энергии электрона идёт на рентгеновское излучение, 99 % энергии превращается в тепло.

Ускорители частиц

Рентгеновское излучение можно получать также и на ускорителях заряженных частиц. Так называемое синхротронное излучение возникает при отклонении пучка частиц в магнитном поле, в результате чего они испытывают ускорение в направлении, перпендикулярном их движению. Синхротронное излучение имеет сплошной спектр с верхней границей. При соответствующим образом выбранных параметрах (величина магнитного поля и энергия частиц) в спектре синхротронного излучения можно получить и рентгеновские лучи.

Естественное рентгеновское излучение

На Земле электромагнитное излучение в рентгеновском диапазоне образуется в результате ионизации атомов излучением, которое возникает при радиоактивном распаде, в результате Комптон-эффекта гамма-излучения, возникающего при ядерных реакциях, а также космическим излучением. Радиоактивный распад также приводит к непосредственному излучению рентгеновских квантов, если вызывает перестройку электронной оболочки распадающегося атома (например, при электронном захвате). Рентгеновское излучение, которое возникает на других небесных телах, не достигает поверхности Земли, так как полностью поглощается атмосферой. Оно исследуется спутниковыми рентгеновскими телескопами, такими как «Чандра» и «XMM-Ньютон».

Кроме того, в 1953 году советскими учёными было обнаружено, что рентгеновское излучение может генерироваться благодаря триболюминесценции, возникающей в вакууме в месте отлипания клейкой ленты от подложки, например, от стекла или при разматывании рулона. В 2008 году американскими учёными были проведены эксперименты, которые показали, что в некоторых случаях мощности излучения достаточно, чтобы оставлять рентгеновское изображение на фотобумаге.

Вреден ли рентген?

Рентгеновские лучи являются прекрасным дополнением к миру медицины: они позволяют врачам заглянуть вовнутрь пациента без каких-либо операций вообще. Гораздо легче и безопаснее смотреть на сломанную кость с помощью рентген лучей, чем пользоваться инвазивным способом.

Но вреден ли рентген? В первые дни рентгеновской науки многие врачи подвергали пациентов и самих себя воздействию лучей в течение длительных периодов времени. В конце концов, у врачей и пациентов начала развиваться лучевая болезнь, и медицинское сообщество знало, что что-то не так.

Электрический заряд иона может привести к неестественным химическим реакциям внутри клеток. Помимо прочего, заряд может разорвать цепи ДНК. Клетка со сломанной нитью ДНК либо умрет, либо ДНК начнет мутацию. Если погибнет много клеток, то в организме могут развиться различные заболевания. Если ДНК мутирует, клетка может стать раковой и этот рак может распространяться. Если мутация происходит в сперме или яйцеклетке, это может привести к врожденным дефектам. Из-за всех этих рисков, врачи используют рентгеновские снимки с учетом определенных норм.

Даже при таких рисках рентгеновское сканирование по-прежнему является более безопасным вариантом, чем хирургическое вмешательство. Рентгеновские аппараты являются бесценным инструментом в медицине, а также активом в безопасности и научных исследованиях. Они действительно одни из самых полезных и важных изобретений.

Примечания

1. .
2. ↑
3. ↑  (недоступная ссылка)
4. Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics. .
5. .
6. ↑
7. ↑
8. ↑
9. .
10. Werner. Spectral analysis of the hottest known helium-rich white dwarf: KPD 0005+5106 (англ.) // Astronomy and Astrophysics : journal. — 1994. — Vol. 284. — P. 907. — .
11. ↑
12. .
13. ↑
14. ↑ Trimble V. White dwarfs in the 1990’s (англ.) // Bull Astron Soc India (англ.)русск. : journal. — 1999. — Vol. 27. — P. 549—566. — .
15. Spruit H. C. Origin of the rotation rates of single white dwarfs (англ.) // Astronomy and Astrophysics : journal. — 1998. — Vol. 333. — P. 603. — . — arXiv:astro-ph/9802141.
16. ↑
17. Fleming T. A. {{{заглавие}}} (англ.) // Astronomy and Astrophysics : journal. — 1995.
18. Schwope A. D. et al. Two-pole accretion in the high-field polar RXJ 1938.6-4612 (англ.) // Astronomy and Astrophysics : journal. — 1995. — Vol. 293. — P. 764. — .
19. Werner K; Wolff B; Cowley AP; Schmidtke PC; Hutchings JB; Crampton D. Supersoft X-ray Sources // Lect Notes Phys. / Greiner. — Berlin: Springer, 1996. — Т. 472. — С. 131.
20. Komossa S; Greiner J. Discovery of a giant and luminous X-ray outburst from the optically inactive galaxy pair RX J1242.6-1119 (англ.) // Astronomy and Astrophysics : journal. — 1999. — Vol. 349. — P. L45. — . — arXiv:astro-ph/9908216.

Лабораторные источники

Рентгеновские трубки

Схематическое изображение рентгеновской трубки. X — рентгеновские лучи, K — катод, А — анод (иногда называемый антикатодом), С — теплоотвод, U_h — напряжение накала катода, U_a — ускоряющее напряжение, W_in — впуск водяного охлаждения, W_out — выпуск водяного охлаждения

Рентгеновские лучи возникают при сильном ускорении заряженных частиц (тормозное излучение), либо при высокоэнергетических переходах в электронных оболочках атомов или молекул. Оба эффекта используются в рентгеновских трубках. Основными конструктивными элементами таких трубок являются металлические катод и анод (ранее называвшийся также антикатодом). В рентгеновских трубках электроны, испущенные катодом, ускоряются под действием разности электрических потенциалов между анодом и катодом (при этом рентгеновские лучи не испускаются, так как ускорение слишком мало) и ударяются об анод, где происходит их резкое торможение. При этом за счёт тормозного излучения происходит генерация излучения рентгеновского диапазона, и одновременно выбиваются электроны из внутренних электронных оболочек атомов анода. Пустые места в оболочках занимаются другими электронами атома. При этом испускается рентгеновское излучение с характерным для материала анода спектром энергий (характеристическое излучение, частоты определяются законом Мозли: ν=A(Z−B),{\displaystyle {\sqrt {\nu }}=A(Z-B),} где Z — атомный номер элемента анода, A и B — константы для определённого значения главного квантового числа n электронной оболочки). В настоящее время аноды изготавливаются главным образом из керамики, причём та их часть, куда ударяют электроны, — из молибдена или меди.

Трубка Крукса.

В процессе ускорения-торможения лишь около 1% кинетической энергии электрона идёт на рентгеновское излучение, 99 % энергии превращается в тепло.

Ускорители частиц

Рентгеновское излучение можно получать также и на ускорителях заряженных частиц. Так называемое синхротронное излучение возникает при отклонении пучка частиц в магнитном поле, в результате чего они испытывают ускорение в направлении, перпендикулярном их движению. Синхротронное излучение имеет сплошной спектр с верхней границей. При соответствующим образом выбранных параметрах (величина магнитного поля и энергия частиц) в спектре синхротронного излучения можно получить и рентгеновские лучи.

Суть метода

Аналоговый и цифровой рентген базируется на одних и тех же принципах. При таком обследовании через грудную клетку, органы таза, череп или конечности проходят рентгеновский лучи, продуцируемые рентгеновской трубкой. Если обследование проводится классическим способом, результат будет запечатлен только на снимке и восстановить его в случае потери изображения не удастся.

В такой ситуации человеку потребуется повторно проходить рентген, который является довольно вредной процедурой. Цифровой рентген проводится немного по-другому. При таком способе обследования результат проявляется не на пленке, а на экране монитора. Подобное достигается за счет использования специального электронного датчика и при помощи компьютерных программ, которые преобразуют цифровой сигнал.

Результат сохраняется в самой программе и также записывается на пленку. Даже если пациент или врач потеряет снимок, человеку не придется повторно делать рентген, поскольку снимок будет сохранен в базе данных. Основным отличием цифровой рентгенографии от классической является то, что снимок формируется не сразу, а поэтапно.

Процедура состоит из таких этапов:

• детекция (поиск получаемой картинки);
• настройка четкости и жесткости для создания лучшего изображения;
• сохранение и запись результата;
• оценка получившийся картинки;
• архивирование снимка.

Вне зависимости от того, какой именно участок сканируется (зубы, колени, грудная клетка), обследование займет не более 15 минут. По истечении этого времени бланк с результатами будет выдан клиенту на руки. В отличие от аналогового, цифровой рентген имеет следующие преимущества:

• зачастую оборудование является не стационарным, а переносным, благодаря чему обследование является более мобильным;
• за 60 минут можно выполнить до 60 снимков;
• широкие возможности хранения полученных изображений;
• в ходе такого обследования можно отображать изображение зеркально, а также вращать его в различных направлениях;
• высокое качество снимка (по сравнению с обычным рентгеном).

Несомненным достоинством цифровой рентгенографии является и то, что при таком способе диагностики человек получает минимальную дозу облучения (облучение примерно в 10 раз меньше, чем при обычном рентгене). В среднем доза составляет от 0,02 до 0,3 мЗВ (варьируется от вида диагностики, исследуемого органа и веса человека).