Apa yang kita tahu tentang X-ray?

2024 Pengarang: Seth Attwood | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2023-12-16 16:12

Pada abad ke-19, sinaran yang tidak dapat dilihat oleh mata manusia, yang mampu melalui daging dan bahan lain, kelihatan seperti sesuatu yang sangat hebat. Kini, sinar-X digunakan secara meluas untuk mencipta imej perubatan, menjalankan terapi sinaran, menganalisis karya seni dan menyelesaikan masalah tenaga nuklear.

Bagaimana sinaran X-ray ditemui dan cara ia membantu orang ramai - kami mengetahui bersama ahli fizik Alexander Nikolaevich Dolgov.

Penemuan sinar-X

Sejak akhir abad ke-19, sains mula memainkan peranan baru secara asas dalam membentuk gambaran dunia. Satu abad yang lalu, aktiviti saintis adalah bersifat amatur dan persendirian. Walau bagaimanapun, menjelang akhir abad ke-18, akibat revolusi saintifik dan teknologi, sains bertukar menjadi aktiviti sistematik di mana setiap penemuan menjadi mungkin berkat sumbangan ramai pakar.

Institut penyelidikan, jurnal saintifik berkala mula muncul, persaingan dan perjuangan timbul untuk pengiktirafan hak cipta untuk pencapaian saintifik dan inovasi teknikal. Semua proses ini berlaku di Empayar Jerman, di mana pada akhir abad ke-19, Kaiser menggalakkan pencapaian saintifik yang meningkatkan prestij negara di pentas dunia.

Salah seorang saintis yang bekerja dengan penuh semangat dalam tempoh ini ialah profesor fizik, rektor Universiti Würzburg Wilhelm Konrad Roentgen. Pada 8 November 1895, dia tinggal lewat di makmal, seperti yang sering berlaku, dan memutuskan untuk menjalankan kajian eksperimen tentang nyahcas elektrik dalam tiub vakum kaca. Dia menggelapkan bilik dan membalut salah satu tiub dengan kertas hitam legap untuk memudahkan untuk memerhatikan fenomena optik yang mengiringi pelepasan. Terkejut saya

Roentgen melihat jalur pendarfluor pada skrin berdekatan yang ditutup dengan kristal barium cyanoplatinite. Tidak mungkin seorang saintis kemudian dapat membayangkan bahawa dia berada di ambang salah satu penemuan saintifik yang paling penting pada zamannya. Tahun depan, lebih seribu penerbitan akan ditulis tentang sinar-X, doktor akan segera mengambil ciptaan itu ke dalam perkhidmatan, terima kasih kepadanya, radioaktiviti akan ditemui pada masa akan datang dan arah baru sains akan muncul.

Roentgen menumpukan beberapa minggu akan datang untuk menyiasat sifat cahaya yang tidak dapat difahami dan mendapati bahawa pendarfluor muncul setiap kali dia menggunakan arus pada tiub. Tiub itu adalah sumber sinaran, bukan bahagian lain litar elektrik. Tanpa mengetahui apa yang dihadapinya, Roentgen memutuskan untuk menamakan fenomena ini sebagai sinar-X, atau sinar-X. Selanjutnya Roentgen mendapati bahawa sinaran ini boleh menembusi hampir semua objek pada kedalaman yang berbeza, bergantung kepada ketebalan objek dan ketumpatan bahan.

Oleh itu, cakera plumbum kecil di antara tiub nyahcas dan skrin ternyata tidak tembus sinar-x, dan tulang tangan memberikan bayang-bayang yang lebih gelap pada skrin, dikelilingi oleh bayang-bayang yang lebih terang daripada tisu lembut. Tidak lama kemudian saintis mendapati bahawa sinar-X menyebabkan bukan sahaja cahaya skrin yang ditutup dengan barium cyanoplatinite, tetapi juga kegelapan plat fotografi (selepas pembangunan) di tempat-tempat di mana sinar-X jatuh pada emulsi fotografi.

Semasa menjalankan eksperimennya, Roentgen yakin bahawa dia telah menemui sinaran yang tidak diketahui oleh sains. Pada 28 Disember 1895, beliau melaporkan hasil penyelidikan dalam artikel "On a new type of radiation" dalam jurnal Annals of Physics and Chemistry. Pada masa yang sama, dia menghantar saintis gambar tangan isterinya, Anna Bertha Ludwig, yang kemudiannya menjadi terkenal.

Terima kasih kepada rakan lama Roentgen, ahli fizik Austria Franz Exner, penduduk Vienna adalah orang pertama yang melihat foto-foto ini pada 5 Januari 1896 di halaman akhbar Die Presse. Keesokan harinya, maklumat mengenai pembukaan telah dihantar ke akhbar London Chronicle. Oleh itu, penemuan Roentgen secara beransur-ansur mula memasuki kehidupan seharian manusia. Permohonan praktikal ditemui hampir serta-merta: pada 20 Januari 1896, di New Hampshire, doktor merawat seorang lelaki dengan patah lengan menggunakan kaedah diagnostik baru - sinar-X.

Penggunaan awal X-ray

Sepanjang beberapa tahun, imej X-ray telah mula digunakan secara aktif untuk operasi yang lebih tepat. Sudah 14 hari selepas pembukaannya, Friedrich Otto Valkhoff mengambil X-ray pergigian pertama. Dan selepas itu, bersama Fritz Giesel, mereka mengasaskan makmal X-ray pergigian pertama di dunia.

Menjelang 1900, 5 tahun selepas penemuannya, penggunaan sinar-X dalam diagnosis dianggap sebagai sebahagian daripada amalan perubatan.

Statistik yang disusun oleh hospital tertua di Pennsylvania boleh dianggap sebagai petunjuk penyebaran teknologi berdasarkan sinaran X-ray. Menurutnya, pada tahun 1900, hanya kira-kira 1-2% pesakit menerima bantuan dengan sinar-X, manakala pada tahun 1925 sudah ada 25%.

X-ray digunakan dengan cara yang sangat luar biasa pada masa itu. Sebagai contoh, mereka digunakan untuk menyediakan perkhidmatan membuang rambut. Untuk masa yang lama, kaedah ini dianggap lebih baik berbanding dengan yang lebih menyakitkan - forsep atau lilin. Selain itu, sinar-X telah digunakan dalam radas pemasangan kasut - fluoroskop percubaan (pedoskop). Ini adalah mesin X-ray dengan takuk khas untuk kaki, serta tingkap yang melaluinya pelanggan dan penjual boleh menilai bagaimana kasut itu diletakkan.

Penggunaan awal pengimejan sinar-X dari perspektif keselamatan moden menimbulkan banyak persoalan. Masalahnya ialah pada masa penemuan sinar-X, secara praktikal tiada apa yang diketahui tentang sinaran dan akibatnya, itulah sebabnya perintis yang menggunakan ciptaan baru itu menghadapi kesan berbahayanya dalam pengalaman mereka sendiri. Akibat negatif daripada peningkatan pendedahan menjadi fenomena besar-besaran pada pergantian abad ke 19. Abad XX, dan orang ramai mula beransur-ansur menyedari bahaya penggunaan sinar-X yang tidak berakal.

Sifat x-ray

Sinaran X-ray ialah sinaran elektromagnet dengan tenaga foton daripada ~ 100 eV hingga 250 keV, yang terletak pada skala gelombang elektromagnet antara sinaran ultraungu dan sinaran gamma. Ia adalah sebahagian daripada sinaran semula jadi yang berlaku dalam radioisotop apabila atom unsur teruja oleh aliran elektron, zarah alfa atau gamma quanta, di mana elektron dikeluarkan daripada kulit elektron atom. Sinaran sinar-X berlaku apabila zarah bercas bergerak dengan pecutan, khususnya, apabila elektron dinyahpecutan, dalam medan elektrik atom sesuatu bahan.

Sinar-X lembut dan keras dibezakan, sempadan bersyarat antara yang pada skala panjang gelombang adalah kira-kira 0.2 nm, yang sepadan dengan tenaga foton kira-kira 6 keV. Sinaran sinar-X kedua-duanya menembusi, kerana panjang gelombangnya yang pendek, dan mengion, kerana apabila melalui bahan, ia berinteraksi dengan elektron, mengetuknya keluar daripada atom, dengan itu memecahkannya menjadi ion dan elektron dan mengubah struktur bahan pada yang ia bertindak.

Sinar-X menyebabkan sebatian kimia yang dipanggil pendarfluor bersinar. Menyinari atom sampel dengan foton bertenaga tinggi menyebabkan pelepasan elektron - ia meninggalkan atom. Dalam satu atau lebih orbital elektron, "lubang" terbentuk - kekosongan, yang mana atom-atom masuk ke dalam keadaan teruja, iaitu, mereka menjadi tidak stabil. Sepersejuta saat kemudian, atom kembali ke keadaan stabil, apabila kekosongan dalam orbital dalam diisi dengan elektron dari orbital luar.

Peralihan ini disertai dengan pancaran tenaga dalam bentuk foton sekunder, oleh itu pendarfluor timbul.

astronomi sinar-X

Di Bumi, kita jarang menemui sinar-X, tetapi ia sering dijumpai di angkasa. Di sana ia berlaku secara semula jadi kerana aktiviti banyak objek angkasa. Ini menjadikan astronomi sinar-X mungkin. Tenaga foton sinar-X jauh lebih tinggi daripada foton optik, oleh itu, dalam julat sinar-X ia memancarkan bahan yang dipanaskan pada suhu yang sangat tinggi.

Sumber kosmik sinaran X-ray ini bukanlah bahagian yang ketara dalam sinaran latar belakang semula jadi bagi kita dan oleh itu tidak mengancam orang dalam apa cara sekalipun. Satu-satunya pengecualian boleh menjadi sumber sinaran elektromagnet keras seperti letupan supernova, yang berlaku cukup dekat dengan sistem suria.

Bagaimana untuk mencipta X-ray secara buatan?

Peranti sinar-X masih digunakan secara meluas untuk introskopi tidak merosakkan (imej sinar-X dalam bidang perubatan, pengesanan kecacatan dalam teknologi). Komponen utama mereka ialah tiub sinar-X, yang terdiri daripada katod dan anod. Elektrod tiub disambungkan kepada sumber voltan tinggi, biasanya puluhan atau bahkan ratusan ribu volt. Apabila dipanaskan, katod mengeluarkan elektron, yang dipercepatkan oleh medan elektrik yang dihasilkan antara katod dan anod.

Berlanggar dengan anod, elektron diperlahankan dan kehilangan sebahagian besar tenaganya. Dalam kes ini, sinaran bremsstrahlung julat sinar-X muncul, tetapi bahagian utama tenaga elektron ditukar kepada haba, jadi anod disejukkan.

Tiub sinar-X tindakan tetap atau berdenyut masih merupakan sumber sinaran sinar-X yang paling meluas, tetapi ia jauh dari satu-satunya. Untuk mendapatkan denyutan sinaran intensiti tinggi, pelepasan arus tinggi digunakan, di mana saluran plasma arus yang mengalir dimampatkan oleh medan magnet arusnya sendiri - yang dipanggil mencubit.

Jika nyahcas berlaku dalam medium unsur cahaya, contohnya, dalam medium hidrogen, maka ia memainkan peranan sebagai pemecut berkesan elektron oleh medan elektrik yang timbul dalam nyahcas itu sendiri. Nyahcas ini boleh melebihi medan yang dijana oleh sumber arus luaran dengan ketara. Dengan cara ini, denyutan sinaran sinar-X keras dengan tenaga tinggi quanta terjana (beratus-ratus kiloelektronvolt), yang mempunyai kuasa penembusan yang tinggi, diperolehi.

Untuk mendapatkan sinar-X dalam julat spektrum yang luas, pemecut elektron - synchrotron digunakan. Di dalamnya, sinaran terbentuk di dalam ruang vakum anulus, di mana pancaran elektron tenaga tinggi yang diarahkan sempit, dipercepatkan hampir ke kelajuan cahaya, bergerak dalam orbit bulat. Semasa putaran, di bawah pengaruh medan magnet, elektron terbang memancarkan pancaran foton secara tangensial ke orbit dalam spektrum yang luas, yang maksimumnya jatuh pada julat sinar-X.

Bagaimana X-ray dikesan

Untuk masa yang lama, lapisan nipis fosfor atau emulsi fotografi yang digunakan pada permukaan plat kaca atau filem polimer lutsinar digunakan untuk mengesan dan mengukur sinaran sinar-X. Yang pertama bersinar dalam julat optik spektrum di bawah tindakan sinaran sinar-X, manakala ketelusan optik salutan berubah dalam filem di bawah tindakan tindak balas kimia.

Pada masa ini, pengesan elektronik paling kerap digunakan untuk mendaftarkan sinaran sinar-X - peranti yang menjana nadi elektrik apabila kuantum sinaran diserap dalam isipadu sensitif pengesan. Mereka berbeza dalam prinsip menukar tenaga sinaran yang diserap menjadi isyarat elektrik.

Pengesan sinar-X dengan pendaftaran elektronik boleh dibahagikan kepada pengionan, tindakan yang berdasarkan pengionan bahan, dan radioluminescent, termasuk kilauan, menggunakan pendaran bahan di bawah tindakan sinaran mengion. Pengesan pengionan pula dibahagikan kepada gas-filled dan semikonduktor, bergantung kepada medium pengesanan.

Jenis utama pengesan berisi gas ialah kebuk pengionan, pembilang Geiger (pembilang Geiger-Muller) dan pembilang pelepasan gas berkadar. Kuanta sinaran memasuki persekitaran kerja kaunter menyebabkan pengionan gas dan aliran arus, yang direkodkan. Dalam pengesan semikonduktor, pasangan lubang elektron terbentuk di bawah tindakan kuanta sinaran, yang juga memungkinkan arus elektrik mengalir melalui badan pengesan.

Komponen utama pembilang kilauan dalam peranti vakum ialah tiub photomultiplier (PMT), yang menggunakan kesan fotoelektrik untuk menukar sinaran kepada aliran zarah bercas dan fenomena pelepasan elektron sekunder untuk meningkatkan arus zarah bercas yang dijana. Photomultiplier mempunyai fotokatod dan sistem elektrod pecutan berjujukan - dinod, apabila hentaman di mana elektron dipercepatkan membiak.

Pengganda elektron sekunder ialah peranti vakum terbuka (beroperasi hanya dalam keadaan vakum), di mana sinaran sinar-X pada input ditukar kepada aliran elektron primer dan kemudian dikuatkan disebabkan oleh pelepasan sekunder elektron semasa ia merambat dalam saluran pengganda.

Plat mikro, yang merupakan sejumlah besar saluran mikroskopik berasingan yang menembusi pengesan plat, berfungsi mengikut prinsip yang sama. Mereka juga boleh memberikan resolusi spatial dan pembentukan imej optik keratan rentas kejadian fluks pada pengesan sinaran sinar-X dengan mengebom aliran elektron keluar skrin separa telus dengan fosfor yang didepositkan padanya.

X-ray dalam perubatan

Keupayaan sinar-X untuk bersinar melalui objek material bukan sahaja memberi orang keupayaan untuk mencipta sinar-X mudah, tetapi juga membuka kemungkinan untuk alat diagnostik yang lebih maju. Sebagai contoh, ia berada di tengah-tengah tomografi berkomputer (CT).

Sumber sinar-X dan penerima berputar di dalam gelang di mana pesakit berada. Data yang diperoleh tentang bagaimana tisu badan menyerap sinar-X dibina semula oleh komputer menjadi imej 3D. CT amat penting untuk mendiagnosis strok, dan walaupun ia kurang tepat berbanding pengimejan resonans magnetik otak, ia mengambil masa yang lebih singkat.

Arah yang agak baru, yang kini berkembang dalam mikrobiologi dan perubatan, ialah penggunaan sinaran sinar-X yang lembut. Apabila organisma hidup adalah lut sinar, ia memungkinkan untuk mendapatkan imej saluran darah, untuk mengkaji secara terperinci struktur tisu lembut, dan juga untuk menjalankan kajian mikrobiologi pada peringkat selular.

Mikroskop sinar-X yang menggunakan sinaran daripada pelepasan jenis picit dalam plasma unsur-unsur berat memungkinkan untuk melihat butiran seperti struktur sel hidup,yang tidak dapat dilihat oleh mikroskop elektron walaupun dalam struktur selular yang disediakan khas.

Salah satu jenis terapi sinaran yang digunakan untuk merawat tumor malignan menggunakan sinar-X keras, yang menjadi mungkin disebabkan oleh kesan pengionannya, yang memusnahkan tisu objek biologi. Dalam kes ini, pemecut elektron digunakan sebagai sumber sinaran.

Radiografi dalam teknologi

X-ray lembut digunakan dalam penyelidikan bertujuan untuk menyelesaikan masalah pelakuran termonuklear terkawal. Untuk memulakan proses, anda perlu mencipta gelombang kejutan berundur dengan menyinari sasaran deuterium dan tritium kecil dengan sinar-X lembut daripada nyahcas elektrik dan serta-merta memanaskan cangkang sasaran ini kepada keadaan plasma.

Gelombang ini memampatkan bahan sasaran kepada ketumpatan beribu-ribu kali lebih tinggi daripada ketumpatan pepejal, dan memanaskannya kepada suhu termonuklear. Pembebasan tenaga gabungan termonuklear berlaku dalam masa yang singkat, manakala plasma panas bertaburan secara inersia.

Keupayaan untuk lut sinar memungkinkan radiografi - teknik pengimejan yang membolehkan anda memaparkan struktur dalaman objek legap yang diperbuat daripada logam, sebagai contoh. Adalah mustahil untuk menentukan dengan mata sama ada struktur jambatan telah dikimpal dengan kukuh, sama ada jahitan pada saluran paip gas adalah kedap udara dan sama ada rel sesuai rapat antara satu sama lain.

Oleh itu, dalam industri, X-ray digunakan untuk pengesanan kecacatan - memantau kebolehpercayaan sifat kerja utama dan parameter objek atau elemen individunya, yang tidak memerlukan mengeluarkan objek daripada perkhidmatan atau membongkarnya.

Spektrometri pendarfluor sinar-X adalah berdasarkan kesan pendarfluor - kaedah analisis yang digunakan untuk menentukan kepekatan unsur daripada berilium kepada uranium dalam julat dari 0,0001 hingga 100% dalam bahan pelbagai asal.

Apabila sampel disinari dengan fluks sinaran yang kuat daripada tiub sinar-X, sinaran pendarfluor ciri atom muncul, yang berkadar dengan kepekatannya dalam sampel. Pada masa ini, hampir setiap mikroskop elektron memungkinkan untuk menentukan, tanpa sebarang kesulitan, komposisi unsur terperinci objek mikro yang dikaji dengan kaedah analisis pendarfluor sinar-X.

X-ray dalam sejarah seni

Keupayaan sinar-X untuk memancar dan mencipta kesan pendarfluor juga digunakan untuk mengkaji lukisan. Apa yang tersembunyi di bawah lapisan atas cat boleh memberitahu banyak tentang sejarah penciptaan kanvas. Sebagai contoh, dalam kerja mahir dengan beberapa lapisan cat, imej boleh didapati unik dalam karya artis. Ia juga penting untuk mengambil kira struktur lapisan lukisan apabila memilih keadaan penyimpanan yang paling sesuai untuk kanvas.

Untuk semua ini, sinaran sinar-X sangat diperlukan, membolehkan anda melihat di bawah lapisan atas imej tanpa membahayakannya.

Perkembangan penting ke arah ini ialah kaedah baharu yang dikhususkan untuk bekerja dengan karya seni. Pendarfluor makroskopik ialah varian analisis pendarfluor sinar-X yang sangat sesuai untuk menggambarkan struktur pengedaran unsur-unsur utama, terutamanya logam, yang terdapat di kawasan seluas kira-kira 0.5-1 meter persegi atau lebih.

Sebaliknya, laminografi sinar-X, varian tomografi sinar-X yang dikira, yang lebih sesuai untuk mengkaji permukaan rata, nampaknya menjanjikan untuk mendapatkan imej lapisan individu gambar. Kaedah ini juga boleh digunakan untuk mengkaji komposisi kimia lapisan cat. Ini membolehkan kanvas diberi tarikh, termasuk untuk mengenal pasti pemalsuan.

X-ray membolehkan anda mengetahui struktur sesuatu bahan

Penghabluran sinar-X ialah arah saintifik yang berkaitan dengan pengenalpastian struktur jirim pada peringkat atom dan molekul. Ciri tersendiri jasad kristal ialah pengulangan berbilang tertib dalam struktur ruang bagi unsur-unsur (sel) yang sama, yang terdiri daripada set atom, molekul atau ion tertentu.

Kaedah penyelidikan utama terdiri daripada mendedahkan sampel kristal kepada sinar X-ray yang sempit menggunakan kamera X-ray. Gambar yang terhasil menunjukkan gambar sinar-X yang difraksi melalui kristal, dari mana saintis kemudian boleh memaparkan secara visual struktur ruangnya, yang dipanggil kekisi kristal. Pelbagai cara untuk melaksanakan kaedah ini dipanggil analisis struktur sinar-X.

Analisis struktur sinar-X bahan kristal terdiri daripada dua peringkat:

1. Penentuan saiz sel unit hablur, bilangan zarah (atom, molekul) dalam sel unit dan simetri susunan zarah. Data ini diperoleh dengan menganalisis geometri lokasi maksima pembelauan.
2. Pengiraan ketumpatan elektron di dalam sel unit dan penentuan koordinat atom, yang dikenal pasti dengan kedudukan maksimum ketumpatan elektron. Data ini diperoleh dengan menganalisis keamatan maksimum pembelauan.

Sesetengah ahli biologi molekul meramalkan bahawa dalam pengimejan molekul terbesar dan paling kompleks, kristalografi sinar-X boleh digantikan dengan teknik baru yang dipanggil mikroskop elektron kriogenik.

Salah satu alat terbaru dalam analisis kimia ialah pengimbas filem Henderson, yang digunakannya dalam kerja perintisnya dalam mikroskop elektron kriogenik. Walau bagaimanapun, kaedah ini masih agak mahal dan oleh itu tidak mungkin menggantikan kristalografi sinar-X sepenuhnya dalam masa terdekat.

Bidang penyelidikan dan aplikasi teknikal yang agak baru yang berkaitan dengan penggunaan sinar-X ialah mikroskop sinar-X. Ia direka bentuk untuk mendapatkan imej yang diperbesarkan bagi objek yang dikaji dalam ruang sebenar dalam dua atau tiga dimensi menggunakan optik pemfokusan.

Had pembelauan resolusi spatial dalam mikroskop sinar-X disebabkan oleh panjang gelombang kecil sinaran yang digunakan adalah kira-kira 1000 kali lebih baik daripada nilai yang sepadan untuk mikroskop optik. Di samping itu, kuasa penembusan sinaran X-ray memungkinkan untuk mengkaji struktur dalaman sampel yang benar-benar legap kepada cahaya yang boleh dilihat.

Dan walaupun mikroskop elektron mempunyai kelebihan resolusi spatial yang lebih tinggi sedikit, ia bukanlah kaedah penyiasatan yang tidak merosakkan, kerana ia memerlukan vakum dan sampel dengan permukaan logam atau logam, yang merosakkan sepenuhnya, sebagai contoh, untuk objek biologi.