Что нам известно о рентгеновском излучении?

В XIX веке невидимое для человеческого глаза излучение, способное проходить сквозь плоть и другие материалы, казалось чем-то совершенно фантастическим. Теперь же рентгеновские лучи повсеместно используются для создания медицинских снимков, проведения лучевой терапии, анализа произведений искусства и решения задач атомной энергетики.

Как было открыто рентгеновское излучение и как оно помогает людям — выясняем вместе с физиком Александром Николаевичем Долговым.

Открытие Рентгена

С конца XIX века наука начинает играть принципиально новую роль в формировании картины мира. Еще столетие назад деятельность ученых носила любительский и частный характер. Однако к концу XVIII века, в результате научно-технической революции, наука превратилась в систематическую деятельность, в которой каждое открытие становилось возможным благодаря вкладу множества специалистов.
Начали появляться исследовательские институты, периодические научные журналы, возникла конкуренция и борьба за признание авторских прав на научные достижения и технические новшества. Все эти процессы происходили и в Германской империи, где к концу XIX века кайзер поощрял научные достижения, которые повышали престиж страны на мировой арене.

Одним из ученых, увлеченно работавших в этот период, был профессор физики, ректор Вюрцбургского университета Вильгельм Конрад Рентген. 8 ноября 1895 года он задержался в лаборатории допоздна, как часто случалось, и решил провести экспериментальные исследования электрического разряда в стеклянных вакуумных трубках. Он затемнил комнату и обернул одну из трубок непрозрачной черной бумагой, чтобы было удобнее наблюдать оптические явления, которые сопровождают разряд. К своему удивлению,

Рентген увидел на стоявшем неподалеку экране, покрытом кристаллами цианоплатинита бария, полосу флуоресценции. Вряд ли ученый мог тогда представить, что стоит на пороге одного из самых важных научных открытий своего времени. В следующем году о рентгеновских лучах будет написано свыше тысячи публикаций, медики немедленно возьмут изобретение на вооружение, благодаря ему в дальнейшем будет открыта радиоактивность и появятся новые направления науки.

Трубка Крукса — устройство, с помощью которого впервые неосознанно производили

Трубка Крукса — устройство, с помощью которого впервые неосознанно производили рентгеновское излучение // wikipedia.org

Рентген посвятил следующие несколько недель исследованию природы непонятного свечения и установил, что флуоресценция появлялась всякий раз, когда он подавал ток в трубку. Источником излучения являлась именно трубка, а не какая-нибудь другая часть электрической цепи.Не зная, с чем он столкнулся, Рентген решил обозначить этот феномен как лучи икс, или X-лучи. Далее Рентген обнаружил, что это излучение может проникать почти во все предметы на различную глубину, зависящую от толщины предмета и плотности вещества.
Так, небольшой свинцовый диск между разрядной трубкой и экраном оказался непроницаем для икс-лучей, а кости руки отбрасывали на экран более темную тень, окруженную более светлой тенью от мягких тканей. Вскоре ученый выяснил, что икс-лучи вызывают не только свечение экрана, покрытого цианоплатинитом бария, но и потемнение фотопластинок (после проявления) в тех местах, где икс-лучи попадали на фотоэмульсию.

В ходе своих экспериментов Рентген убедился, что открыл неизвестное науке излучение. 28 декабря 1895 года он сообщил о результатах исследований в статье «О новом виде излучения» в журнале «Анналы физики и химии». Вместе с тем он разослал ученым ставшие впоследствии знаменитыми снимки руки своей жены, Анны Берты Людвиг.

Благодаря старому другу Рентгена, австрийскому физику Францу Экснеру, первыми эти фото увидели жители Вены 5 января 1896 года на страницах газеты Die Presse. Уже на следующий день информация об открытии была передана газете London Chronicle. Так открытие Рентгена постепенно начало входить в повседневную жизнь людей. Практическое применение ему нашлось практически сразу: 20 января 1896 года в Нью-Гэмпшире врачи оказали помощь человеку со сломанной рукой с помощью нового диагностического метода — рентгеновского снимка.

Рентгеновский снимок руки Анны Берты Людвиг // wikipedia.org

Раннее применение рентгена

В течение нескольких лет рентгеновские снимки начали активно использовать для проведения более точных операций. Уже спустя 14 дней после их открытия Фридрих Отто Валкхофф сделал первую стоматологическую рентгенограмму. А вслед за этим они вместе с Фрицем Гизелем основали первую в мире стоматологическую рентгенологическую лабораторию.

К 1900 году, через 5 лет после открытия, использование рентгена при диагностике считалось неотъемлемой частью медицинской практики.

Показательной с точки зрения распространения технологий, основанных на рентгеновском излучении, можно считать статистику, собранную старейшим госпиталем в Пенсильвании. Согласно ей, в 1900 году только около 1–2% пациентов получали помощь с помощью рентгена, в то время как к 1925 году их было уже 25%.

X-лучи в то время использовались весьма необычным образом. К примеру, с их помощью предоставляли услуги по удалению волос. Долгое время этот способ считался более предпочтительным в сравнении с более болезненными — щипцами или воском. Кроме того, рентгеновское излучение использовалось в аппаратах для примерки обуви — примерочных рентгеноскопах (педоскопах). Это были рентгеновские аппараты со специальной выемкой для ступней, а также с окошками, через которые клиент и продавцы могли оценить, как села обувь.

Флюороскоп для обуви // wikipedia.org

Раннее использование рентгеновского изучения с точки зрения современных представлений о безопасности вызывает много вопросов. Проблема была в том, что на момент открытия икс-лучей практически ничего не было известно о радиации и ее последствиях, отчего первопроходцы, пользовавшиеся новым изобретением, сталкивались с его вредоносным эффектом на своем опыте.Негативные последствия повышенного облучения стали массовым явлением на рубеже XIX–XX веков, и люди начали постепенно приходить к осознанию опасности бездумного использования рентгеновского излучения.

Природа икс-лучей

Рентгеновское излучение — это электромагнитное излучение с энергией фотонов от ~100 эВ до 250 кэВ,которое лежит на шкале электромагнитных волн между ультрафиолетовым излучением и гамма-излучением. Оно является частью естественной радиации, возникающей в радиоизотопах при возбуждении атомов элементов потоком электронов, альфа-частиц или гамма-квантов, при котором происходит выброс электронов с электронных оболочек атома. Рентгеновское излучение возникает при движении заряженных частиц с ускорением, в частности, при торможении электронов, в электрическом поле атомов вещества.

Выделяют мягкое и жесткое рентгеновское излучение, условная граница между которыми на шкале длин волн находится около 0,2 нм, что соответствует энергии фотонов примерно 6 кэВ. Рентгеновское излучение является как проникающим, что обусловлено его короткой длиной волны, так и ионизирующим, поскольку при прохождении через вещество оно взаимодействует с электронами, выбивая их из атомов, тем самым разбивая их на ионы и электроны и меняя структуру вещества, на которое оно воздействует.

Характеристики радиоизотопов

Рентгеновское излучение вызывает свечение химических соединений, называемое флуоресценцией. Облучение атомов образца фотонами с высокой энергией вызывает испускание электронов — они покидают атом. В одной или более электронных орбиталях образуются «дырки» — вакансии, благодаря чему атомы переходят в возбужденное состояние, то есть становятся нестабильны. Через миллионные доли секунды атомы возвращаются к стабильному состоянию, когда вакансии во внутренних орбиталях заполняются электронами из внешних орбиталей.

Такой переход сопровождается испусканием энергии в виде вторичного фотона, отсюда и возникает флуоресценция.

Рентгеновская астрономия

На Земле мы довольно редко сталкиваемся с рентгеновским излучением, однако оно достаточно часто обнаруживается в космосе. Там оно возникает естественным путем в силу активности многих космических объектов. Благодаря этому стала возможна рентгеновская астрономия. Энергия рентгеновских фотонов гораздо больше, нежели оптических, поэтому в рентгеновском диапазоне излучает вещество, нагретое до чрезвычайно высоких температур.

Источниками рентгеновского излучения являются черные дыры, нейтронные звезды, квазары. Благодаря рентгеновской астрономии появилась возможность отличать черные дыры от нейтронных звезд, были обнаружены пузыри Ферми, удалось запечатлеть процесс разрушения обычной звезды, приблизившейся к черной дыре.

Один из первых рентгеновских источников на небе — Лебедь Х-1 — был открыт в 1964 году, и сегодня большинство ученых уверены, что это черная дыра массой около 15 солнечных масс // NASA

Эти космические источники рентгеновского излучения не являются для нас заметной частью естественного радиационного фона и поэтому никак не угрожают людям. Исключением может стать только такой источник жесткого электромагнитного излучения, как вспышка сверхновой звезды, произошедшая достаточно близко от Солнечной системы.

Как создать икс-лучи искусственно?

Рентгеновские аппараты до сих пор широко применяются в целях неразрушающей интроскопии (рентгеновские снимки в медицине, дефектоскопия в технике). Их основным компонентом является рентгеновская трубка, состоящая из катода и анода. Электроды трубки подключаются к источнику высокого напряжения, обычно в несколько десятков и даже сотен тысяч вольт. Катод при нагревании испускает электроны, которые ускоряются за счет создаваемого электрического поля между катодом и анодом.

Сталкиваясь с анодом, электроны тормозятся и теряют большую часть энергии. При этом возникает тормозное излучение рентгеновского диапазона, но преобладающая часть энергии электронов превращается в тепло, поэтому анод охлаждают.

Екатерина Золоторёва для ПостНауки

Рентгеновская трубка постоянного или импульсного действия до сих пор является самым распространенным источником рентгеновского излучения, однако далеко не единственным. Для получения импульсов излучения высокой интенсивности используют сильноточные разряды, в которых происходит сжатие плазменного канала протекающего тока собственным магнитным полем тока — так называемое пинчевание.

Если разряд протекает в среде легких элементов, например в водородной среде, то он играет роль эффективного ускорителя электронов электрическим полем, возникающим в самом разряде. Этот разряд может значительно превышать поле, создаваемое внешним источником тока. Так получают импульсы жесткого рентгеновского излучения с высокой энергией генерируемых квантов (сотни килоэлектронвольт), обладающие высокой проникающей способностью.

Для получения рентгеновского излучения в широком спектральном диапазоне используют ускорители электронов — синхротроны. В них излучение образуется внутри кольцевой вакуумной камеры, в которой по круговой орбите движется узконаправленный пучок электронов высоких энергий, разогнанных почти до световой скорости. Во время поворота под воздействием магнитного поля летящие электроны испускают по касательной к орбите пучки фотонов в широком спектре, максимум которого приходится на рентгеновский диапазон.

Как детектируют рентгеновское излучение

На протяжении длительного времени для детектирования и измерения рентгеновского излучения использовался тонкий слой люминофора или фотоэмульсии, нанесенный на поверхность стеклянной пластинки или прозрачной полимерной пленки. Первый под действием рентгеновского излучения светился в оптическом диапазоне спектра, а у пленки под действием химической реакции менялась оптическая прозрачность покрытия.

В настоящее время для регистрации рентгеновского излучения чаще всего применяют электронные детекторы — приборы, вырабатывающие электрический импульс при поглощении кванта излучения в чувствительном объеме детектора. Они отличаются принципом преобразования энергии поглощенного излучения в электрические сигналы.

Рентгеновские детекторы с электронной регистрацией можно разделить на ионизационные, действие которых основано на ионизации вещества, и радиолюминесцентные, в том числе сцинтилляционные, использующие люминесценцию вещества под действием ионизирующего излучения. Ионизационные детекторы, в свою очередь, делятся на газонаполненные и полупроводниковые в зависимости от детектирующей среды.

Основными типами газонаполненных детекторов являются ионизационные камеры, счетчики Гейгера (счетчики Гейгера — Мюллера) и пропорциональные газоразрядные счетчики. Кванты излучения, попадающие в рабочую среду счетчика, вызывают ионизацию газа и протекание тока, который и регистрируется. В полупроводниковом детекторе под действием квантов излучения образуются электронно-дырочные пары, которые также делают возможным протекание электрического тока через тело детектора.

Основной компонент сцинтилляционных счетчиков вакуумного прибора — это фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), использующий фотоэффект для конверсии излучения в поток заряженных частиц и явление вторичной эмиссии электронов для усиления тока образующихся заряженных частиц. ФЭУ имеет фотокатод и систему последовательных ускоряющих электродов — динодов, при ударе о которые происходит размножение ускоренных электронов.

Вторичный электронный умножитель — открытый вакуумный прибор (работает только в условиях вакуума), в котором на входе излучение рентгеновского диапазона преобразуется в поток первичных электронов и затем усиливается за счет вторичной эмиссии электронов при их распространении в канале умножителя.

По этому же принципу работают микроканальные пластины, представляющие собой огромное количество отдельных микроскопических каналов, пронизывающих пластинчатый детектор. Они могут дополнительно обеспечить пространственное разрешение и формирование оптического изображения поперечного сечения потока падающего на детектор рентгеновского излучения путем бомбардировки выходящим потоком электронов полупрозрачного экрана с нанесенным на него люминофором.

Рентгеновское излучение в медицине

Способность рентгеновских лучей просвечивать материальные объекты не только дает людям возможность создавать простые рентгеновские снимки, но и открывает возможности для более продвинутых средств диагностики. К примеру, она лежит в основе метода компьютерной томографии (КТ).

Внутри кольца, в котором лежит пациент, вращаются источник рентгеновских лучей и приемник. Полученные данные о том, как ткани тела поглощают рентгеновские лучи, реконструируются компьютером в 3D-картинку. Метод КТ особенно важен для диагностики инсульта, и хоть он и менее точен, чем магнитно-резонансная томография головного мозга, зато требует гораздо меньше времени.

Сравнительно новое направление, которое развивается сейчас в микробиологии и медицине, — применение мягкого рентгеновского излучения. При просвечивании живого организма оно позволяет получать изображение кровеносных сосудов, подробно изучать структуру мягких тканей и даже проводить микробиологические исследования на клеточном уровне.
Рентгеновский микроскоп, использующий излучение разряда типа пинч в плазме тяжелых элементов, дает возможность увидеть такие детали строения живой клетки, какие не видит электронный микроскоп даже в специально подготовленной клеточной структуре.

Один из видов лучевой терапии, применяемой для лечения злокачественных опухолей, использует жесткое рентгеновское излучение, что становится возможным благодаря его ионизирующему воздействию, разрушающему ткань биологического объекта. В этом случае в качестве источника излучения используется ускоритель электронов.

Рентгенография в технике

Мягкое рентгеновское излучение используется в исследованиях, направленных на решение проблемы управляемого термоядерного синтеза. Для запуска процесса нужно создать ударную волну отдачи, облучив небольшую мишень из дейтерия и трития мягким рентгеном из электрического разряда и мгновенно разогревая до плазменного состояния оболочку этой мишени.

Эта волна сжимает вещество мишени до плотности, в тысячи раз большей плотности твердого тела, и разогревает ее до термоядерной температуры. Выделение термоядерной энергии синтеза происходит за короткое время, пока горячая плазма разлетается по инерции.

Способность просвечивать делает возможной рентгенографию — метод визуализации, который позволяет отображать внутреннюю структуру непрозрачного объекта, выполненного, например, из металла. На глаз невозможно определить, прочно ли сварили конструкции моста, герметичен ли шов у газопровода и плотно ли прилегают друг к другу рельсы.

Поэтому в промышленности рентгенография используется для дефектоскопии — контроля надежности основных рабочих свойств и параметров объекта или отдельных его элементов, не требующего выведения объекта из эксплуатации либо его демонтажа.

На эффекте флуоресценции основана рентгенофлуоресцентная спектрометрия — метод анализа, используемый для определения концентраций элементов от бериллия до урана в диапазоне от 0,0001 до 100% в веществах различного происхождения.

При облучении образца мощным потоком излучения рентгеновской трубки возникает характеристическое флуоресцентное излучение атомов, которое пропорционально их концентрации в образце. В настоящее время практически каждый электронный микроскоп позволяет определять без каких-либо затруднений детальный элементный состав изучаемых микрообъектов методом рентгенофлуоресцентного анализа.

Рентгеновское излучение в искусствоведении

Способность рентгеновских лучей просвечивать и создавать эффект флуоресценции применяется и для изучения картин. То, что скрывается под верхним слоем краски, может рассказать очень многое об истории создания полотна. Например, именно в искусной работе с несколькими красочными слоями изображения могут заключаться уникальные свойства работы художника. Также структуру слоев картины важно учитывать при подборе наиболее подходящих условий хранения полотна.

Для всего этого незаменимо рентгеновское излучение, позволяющее заглянуть под верхние слои изображения без вреда для него.

Важными разработками в этом направлении являются новые методы, специализированные для работы с произведениями искусства. Метод макроскопической флуоресценции — это вариант рентгенофлуоресцентного анализа, который хорошо подходит для визуализации структуры распределения ключевых элементов, в основном металлов, присутствующих на площадях примерно 0,5–1 квадратный метр и более.

С другой стороны, для получения изображений отдельных слоев картины перспективной представляется рентгеновская ламинография — вариант компьютерной рентгеновской томографии, который больше подходит для исследования плоских поверхностей. С помощью этих методов также можно изучать химический состав красочного слоя. Это позволяет датировать полотно, в том числе для того, чтобы выявить подделку.

Рентген позволяет узнать структуру вещества

Рентгеновская кристаллография — это научное направление, связанное с выявлением структуры вещества на атомном и молекулярном уровнях. Отличительная черта кристаллических тел — многократное упорядоченное повторение в пространственной структуре одних и тех же элементов (ячеек), состоящих из определенного набора атомов, молекул или ионов.

Основной метод исследований заключается в воздействии на кристаллический образец узкого пучка рентгеновских лучей с помощью рентгеновской камеры. Полученная фотография показывает картину дифрагированных рентгеновских лучей, проходящих через кристалл, по которой ученые могут затем визуально отобразить его пространственную структуру, называемую кристаллической решеткой. Различные способы осуществления данного метода получили название рентгеноструктурного анализа.

Рентгеноструктурный анализ кристаллических веществ состоит из двух этапов:

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.

Фотография дифракционной картины ДНК в ее так называемой B-конфигурации

Некоторые молекулярные биологи предсказывают, что в визуализации наиболее крупных и сложных молекул рентгеновскую кристаллографию может заменить новый метод — криогенная электронная микроскопия.

Одним из новейших инструментов химического анализа стал пленочный сканер Хендерсона, который он использовал в своей новаторской работе в области криогенной электронной микроскопии. Однако этот метод пока остается довольно дорогим и поэтому вряд ли в ближайшее время полностью вытеснит рентгеновскую кристаллографию.

Сравнительно новое направление исследований и технических приложений, связанное с использованием рентгеновских лучей, — рентгеновская микроскопия. Она предназначена для получения увеличенного изображения исследуемого объекта в реальном пространстве в двух или трех измерениях с использованием элементов фокусирующей оптики.

Дифракционный предел пространственного разрешения в рентгеновской микроскопии за счет малой длины волны используемого излучения примерно в 1000 раз лучше, чем соответствующее значение для оптического микроскопа. Кроме того, проникающая способность рентгеновского излучения позволяет изучать внутреннее строение образцов, совершенно непрозрачных для видимого света.

И хотя электронная микроскопия обладает преимуществом несколько более высокого пространственного разрешения, она не является неразрушающим методом исследования, поскольку для нее требуются вакуум и образцы с металлическими или металлизированными поверхностями, что совершенно губительно, например, для биологических объектов.