Уже более 100 лет известны лучи особого рода, занимающие большую часть спектра электромагнитных волн. 8 ноября 1895 г. профессор физики Вюрцбург-ского университета Вильгельм Конрад Рентген (1845-1923) обратил внимание на удивительное явление. Изучая в своей лаборатории работу электровакуумной (катодной) трубки, он заметил, что при подаче тока высокого напряжения на ее электроды находящийся рядом платино-синеродистый барий стал испускать зеленоватое свечение. Такое свечение люминесцирующих веществ под воздействием катодных лучей, исходящих из электровакуумной трубки, было к тому времени уже известно. Однако на столе Рентгена трубка во время опыта была плотно завернута в черную бумагу и хотя платино-синеродистый барий находился на значительном расстоянии от трубки, его свечение возобновлялось при каждой подаче электрического тока в трубку (см. рис. 2.1).
Рис.2.1. Вильгельм Конрад Рис. 2.2. Рентгенограмма кис-
Рентген (1845-1923) ти жены В К Рентгена Берты
Рентген пришел к выводу, что в трубке возникают какие-то не известные науке лучи, способные проникать через твердые тела и распространяться в воздухе на расстояния, измеряемые метрами. Первой рентгенограммой в истории человечества было изображение кисти жены Рентгена (см. рис. 2.2).
Рис. 2.3. Спектр электромагнитных излучений
Первое предварительное сообщение Рентгена «О новом виде лучей» было опубликовано в январе 1896 г. В трех последующих публичных докладах в 1896-1897 гг. он сформулировал все выявленные им свойства неизвестных лучей и указал на технику их появления.
В первые дни после опубликования открытия Рентгена его материалы были переведены на многие иностранные языки, в том числе и на русский. В Петербургском университете и Военно-медицинской академии уже в январе 1896 г. с помощью Х-лучей были выполнены снимки конечностей человека, а позже и других органов. Вскоре изобретатель радио А. С. Попов изготовил первый отечественный рентгеновский аппарат, который функционировал в Кронштадтском госпитале.
Рентген первым среди физиков в 1901 г. за свое открытие был удостоен Нобелевской премии, которая была ему вручена в 1909 г. Решением I Международного съезда по рентгенологии в 1906 г. Х-лучи названы рентгеновскими.
В течение нескольких лет во многих странах появились специалисты, посвятившие себя рентгенологии. В больницах появились рентгеновские отделения и кабинеты, в крупных городах возникли научные общества рентгенологов, на медицинских факультетах университетов организовались соответствующие кафедры.
Рентгеновские лучи являются одним из видов электромагнитных волн, которые в общеволновом спектре занимают место между ультрафиолетовыми лучами и γ-лучами. Они отличаются от радиоволн, инфракрасного излучения, видимого света и ультрафиолетового излучения меньшей длиной волны (см. рис. 2.3).
Скорость распространения рентгеновских лучей равна скорости света - 300 000 км/с.
В настоящее время известны следующие свойства рентгеновских лучей. Рентгеновские лучи обладают проникающей способностью. Рентген сообщал, что способность лучей к проникновению через различные среды обратно
пропорциональна удельному весу этих сред. Вследствие малой длины волны рентгеновские лучи могут проникать сквозь объекты, непроницаемые для видимого света.
Рентгеновские лучи способны поглощаться и рассеиваться. При поглощении часть рентгеновских лучей с наибольшей длиной волны исчезает, полностью передавая свою энергию веществу. При рассеивании часть лучей отклоняется от первоначального направления. Рассеянное рентгеновское излучение не несет полезной информации. Часть лучей полностью проходит через объект с изменением своих характеристик. Таким образом формируется невидимое изображение.
Рентгеновские лучи, проходя через некоторые вещества, вызывают их флюоресценцию (свечение). Вещества, обладающие этим свойством, называются люминофорами и широко применяются в рентгенологии (рентгеноскопия, флюорография).
Рентгеновские лучи оказывают фотохимическое действие. Как и видимый свет, попадая на фотографическую эмульсию, они воздействуют на галоге-ниды серебра, вызывая химическую реакцию восстановления серебра. На этом основана регистрация изображения на фоточувствительных материалах.
Рентгеновские лучи вызывают ионизацию вещества.
Рентгеновские лучи оказывают биологическое действие, связанное с их ионизирующей способностью.
Рентгеновские лучи распространяются прямолинейно, поэтому рентгеновское изображение всегда повторяет форму исследуемого объекта.
Рентгеновским лучам свойственна поляризация - распространение в определенной плоскости.
Дифракция и интерференция присущи рентгеновским лучам, как и остальным электромагнитным волнам. На этих свойствах основаны рентгеноспек-троскопия и рентгеновский структурный анализ.
Рентгеновские лучи невидимы.
В состав любой рентгенодиагностической системы входят 3 основных компонента: рентгеновская трубка, объект исследования (пациент) и приемник рентгеновского изображения.
Рентгеновская трубка состоит из двух электродов (анода и катода) и стеклянной колбы (рис. 2.4).
При подаче тока накала на катод его спиральная нить сильно разогревается (накаляется). Вокруг нее возникает облачко свободных электронов (явление термоэлектронной эмиссии). Как только между катодом и анодом возникает разность потенциалов, свободные электроны устремляются к аноду. Скорость движения электронов прямо пропорциональна величине напряжения. При торможении электронов в веществе анода часть их кинетической энергии идет на образование рентгеновских лучей. Эти лучи свободно выходят за пределы рентгеновской трубки и распространяются в разных направлениях.
Рентгеновские лучи в зависимости от способа возникновения делятся на первичные (лучи торможения) и вторичные (лучи характеристические).
Рис. 2.4. Принципиальная схема рентгеновской трубки: 1 - катод; 2 - анод; 3 - стеклянная колба; 4 - поток электронов; 5 - пучок рентгеновских лучей
Первичные лучи. Электроны в зависимости от направления главного трансформатора могут перемещаться в рентгеновских трубках с различными скоростями, приближающимися при наибольшем напряжении к скорости света. При ударе об анод, или, как говорят, при торможении, кинетическая энергия полета электронов преобразуется большей частью в тепловую энергию, которая нагревает анод. Меньшая часть кинетической энергии преобразуется в рентгеновские лучи торможения. Длина волны лучей торможения зависит от скорости полета электронов: чем она больше, тем длина волны меньше. Проникающая способность лучей зависит от длины волны (чем волна короче, тем больше ее проникающая способность).
Меняя напряжение трансформатора, можно регулировать скорость электронов и получать либо сильно проникающие (так называемые жесткие), либо слабо проникающие (так называемые мягкие) рентгеновские лучи.
Вторичные (характеристические) лучи. Они возникают в процессе торможения электронов, но длина их волн зависит исключительно от структуры атомов вещества анода.
Дело в том, что энергия полета электронов в трубке может достигнуть таких величин, что при ударах электронов об анод будет выделяться энергия, достаточная, чтобы заставить электроны внутренних орбит атомов вещества анода «перескакивать» на внешние орбиты. В таких случаях атом возвращается к своему состоянию, потому что с внешних его орбит будет происходить переход электронов на свободные внутренние орбиты с выделением энергии. Возбужденный атом вещества анода возвращается к состоянию покоя. Характеристическое излучение возникает в результате изменений во внутренних электронных слоях атомов. Слои электронов в атоме строго определены
для каждого элемента и зависят от его места в периодической системе Менделеева. Следовательно, получаемые от данного атома вторичные лучи будут иметь волны строго определенной длины, поэтому эти лучи и называют характеристическими.
Формирование электронного облака на спирали катода, полет электронов к аноду и получение рентгеновских лучей возможны только в условиях вакуума. Для его создания и служит колба рентгеновской трубки из прочного стекла, способного пропускать рентгеновские лучи.
В качестве приемников рентгеновского изображения могут выступать: рентгенографическая пленка, селеновая пластина, флюоресцентный экран, а также специальные детекторы (при цифровых способах получения изображения).