Principio y estructura de la máquina de rayos X.
En aquel momento, Roentgen determinó que se trataba de un tipo de rayo invisible al ojo humano pero que podía penetrar objetos. Como no podíamos explicar su principio y no conocíamos sus propiedades, tomamos prestada la "X" que representa lo desconocido en matemáticas como nombre en clave y la llamamos "rayos X" (o simplemente rayos X o rayos X). ). Así se descubrieron y denominaron los rayos X. El nombre continúa hasta el día de hoy. Para conmemorar este gran descubrimiento de Roentgen, las generaciones posteriores lo llamaron rayos Roentgen.
El descubrimiento de los rayos X tiene una gran importancia en la historia de la humanidad. Abrió un nuevo camino para las ciencias naturales y la medicina. Por este motivo, Roentgen recibió el primer Premio Nobel de Física en 1901.
La ciencia siempre está en desarrollo. Después de repetidas prácticas e investigaciones por parte de Roentgen y científicos de todo el mundo, la naturaleza de los rayos X se fue revelando gradualmente y demostró ser una onda electromagnética con una longitud de onda extremadamente corta y una energía extremadamente alta. Su longitud de onda es más corta que la luz visible (aproximadamente 0,001 ~ 100 nm, la longitud de onda de los rayos X utilizados en medicina es aproximadamente 0,001,0,1 nm) y su energía fotónica es de decenas de miles a cientos de miles de veces mayor que la de la luz visible. Por tanto, además de las propiedades generales de la luz visible, los rayos X también tienen sus propias características. Efectos físicos
1. El poder de penetración se refiere a la capacidad de los rayos X de atravesar la materia sin ser absorbidos. Los rayos X pueden penetrar materiales que la luz visible ordinaria no puede. Como la luz visible tiene una longitud de onda larga, su energía es muy pequeña. Cuando golpea un objeto, una parte se refleja y la mayor parte es absorbida por el material y no puede penetrar el objeto. Los rayos X, en cambio, no lo son. Debido a su corta longitud de onda y alta energía, cuando iluminan una sustancia, solo una parte es absorbida por la sustancia y la mayor parte pasa a través de los espacios entre los átomos, mostrando una fuerte capacidad de penetración. La capacidad de los rayos X para penetrar la materia está relacionada con la energía de los fotones de rayos X. Cuanto más corta es la longitud de onda de los rayos X, mayor es la energía de los fotones y mayor es su poder de penetración. El poder de penetración de los rayos X también está relacionado con la densidad del material. Los materiales con alta densidad absorben más rayos X y transmiten menos. La baja densidad absorbe menos y penetra más. Utilizando las características de absorción diferencial, se pueden distinguir tejidos blandos como huesos, músculos y grasas de diferentes densidades. Ésta es la base física de la fluoroscopia de rayos X y la fotografía.
2. Cuando las sustancias ionizadas son irradiadas por rayos X, los electrones fuera del núcleo se desprenden de la órbita atómica, lo que se llama ionización. En el efecto fotoeléctrico y el proceso de dispersión, el proceso en el que los fotoelectrones y los electrones en retroceso abandonan sus átomos se denomina ionización primaria. Estos fotoelectrones o electrones en retroceso chocan con otros átomos durante su viaje, lo que hace que los átomos golpeados escapen de los electrones para la ionización secundaria. en sólidos y líquidos. Los iones positivos y negativos ionizados se recombinarán rápidamente y no son fáciles de recolectar. Mientras que las cargas olvidadas en los gases se recogen fácilmente, la exposición a los rayos X se puede medir mediante cargas ionizantes: los instrumentos de medición de rayos X se basan en este principio. Debido a la ionización, los gases pueden conducir la electricidad; algunas sustancias pueden sufrir reacciones químicas y se pueden inducir diversos efectos biológicos en los organismos vivos. La ionización es la base del daño y el tratamiento por rayos X.
3. La fluorescencia es invisible porque la longitud de onda de los rayos X es muy corta. Sin embargo, cuando se irradian algunos compuestos como fósforo, cianuro de platino y bario, sulfuro de zinc y cadmio, tungstato de calcio, etc. , los átomos se excitan debido a la ionización o excitación. Cuando los átomos regresan al estado fundamental, irradian luz visible o luz ultravioleta debido a la transición del nivel de energía de los electrones de valencia, que es la fluorescencia. Los rayos X hacen que las sustancias emitan fluorescencia, lo que se denomina fluorescencia. La intensidad de la fluorescencia es proporcional al número de rayos X. Esta función es fundamental para aplicaciones de rayos X en fluoroscopia. Este tipo de fluorescencia se puede utilizar para el diagnóstico por rayos X, fabricando pantallas fluorescentes, pantallas intensificadoras, pantallas de entrada para intensificadores de imágenes, etc. La pantalla fluorescente se utiliza para observar la imagen de los rayos X que atraviesan el tejido humano durante la fluoroscopia, y la pantalla intensificadora se utiliza para mejorar la sensibilidad de la película durante la fotografía.
4. La mayor parte de la energía de rayos X absorbida por la materia caliente se convierte en energía térmica, lo que aumenta la temperatura del objeto. Este es el efecto del calor.
5. La interferencia, la difracción, la reflexión y la refracción son lo mismo que la luz visible. Se ha aplicado a la microscopía de rayos X, la medición de longitudes de onda y el análisis de la estructura de materiales.
(2) Efectos químicos
1. La fotosensibilización es lo mismo que la luz visible que puede hacer que la película sea fotosensible. Cuando los rayos X irradian bromuro de plata sobre la película, las partículas de plata pueden precipitar y la película producirá un "efecto fotosensible". La fotosensibilidad de la película es directamente proporcional al número de rayos X. Cuando los rayos X atraviesan el cuerpo humano, debido a las diferentes densidades del tejido humano, la absorción de los rayos X es diferente y la sensibilidad obtenida en la película expuesta también es diferente, obteniendo así imágenes de rayos X. Ésta es la base del examen fotográfico mediante rayos X.
2. Algunas sustancias desempeñan una función colorante, como el platino, el cianuro de bario, el vidrio de plomo, el cristal, etc.
, deshidratación y decoloración después de una irradiación prolongada con rayos X, lo que se denomina efecto de coloración.
(3) Efectos biológicos
Cuando los rayos X irradian un organismo, las células biológicas se inhiben, se destruyen o incluso se necrosan, lo que produce diversos grados de cambios fisiológicos, patológicos y bioquímicos en el organismo. organismo, que se llama Por los efectos biológicos de los rayos X. Diferentes células biológicas tienen diferentes sensibilidades a los rayos X. La radiografía de la hoja de arce puede tratar algunas enfermedades del cuerpo humano, como los tumores. Por otro lado, es perjudicial para el cuerpo normal y el cuerpo humano debe ser protegido. Los efectos biológicos de los rayos X son causados en última instancia por la ionización de los rayos X. ¡Porque los rayos X tienen los efectos anteriores! Por lo tanto, se usa ampliamente en la industria, la agricultura, la investigación científica y otros campos, como la detección de fallas industriales, el análisis de cristales, etc. En medicina, la tecnología de rayos X se ha convertido en una disciplina especializada para el diagnóstico y tratamiento de enfermedades y desempeña un papel importante en la atención médica y sanitaria. (1) Diagnóstico por rayos X
La aplicación de los rayos X en el diagnóstico médico se basa principalmente en la penetrabilidad, absorción diferencial, fotosensibilidad y fluorescencia de los rayos X. Dado que los rayos X se absorben en diversos grados cuando atraviesan el cuerpo humano, por ejemplo, los huesos absorben más rayos X que los músculos, por lo que la cantidad de rayos X después de atravesar el cuerpo humano es diferente. Transporta información sobre la densidad. La distribución de varias partes del cuerpo humano. La intensidad de la fluorescencia o la fotosensibilidad causada en la pantalla fluorescente o la película fotográfica es muy diferente, por lo que se mostrarán sombras de diferentes densidades en la pantalla fluorescente o la película fotográfica (después del revelado y la fijación). A partir del contraste de tonos, combinado con las manifestaciones clínicas, los resultados de las pruebas de laboratorio y el diagnóstico patológico, se puede juzgar si una determinada parte del cuerpo humano es normal. Por lo tanto, la tecnología de diagnóstico por rayos X se convirtió en la primera tecnología de examen de órganos internos sin planificación del mundo.
(2) Terapia con rayos X
La aplicación de los rayos X en el tratamiento depende principalmente de sus efectos biológicos. Cuando se utilizan rayos X de diferentes energías para irradiar los tejidos celulares de lesiones del cuerpo humano, los tejidos celulares irradiados pueden destruirse o inhibirse, logrando así el propósito de tratar ciertas enfermedades, especialmente tumores.
(3) Protección contra rayos X
Al utilizar rayos X, se han descubierto problemas que provocan pérdida de cabello en los pacientes, quemaduras en la piel, problemas de visión del personal, leucemia y otras radiaciones. lesiones. Para evitar que los rayos X dañen el cuerpo humano, se deben tomar las medidas de protección correspondientes. Lo anterior constituye los tres eslabones de la aplicación de los rayos X en medicina: diagnóstico, tratamiento y protección. Desde 1895, la tecnología de diagnóstico y tratamiento con rayos X se ha desarrollado rápidamente y el principal progreso se puede dividir en las siguientes etapas:
(1) Etapa del tubo de rayos X de iones (1895 ~ 1912)
Estos fueron los primeros días de los equipos de rayos X. En aquella época, la estructura de la máquina de rayos X era muy sencilla. Se utiliza un tubo de rayos X de iones catódicos fríos que contiene gas ineficiente y una gran bobina de inducción para generar el alto voltaje. Las secciones expuestas de alto voltaje no tienen controles precisos. Las máquinas de rayos X tienen poca capacidad, baja eficiencia, débil penetración, baja claridad de imagen y falta de protección. Según los datos, se necesitaron entre 40 y 60 minutos para tomar una imagen pélvica de rayos X en ese momento, pero después de tomar la foto, los rayos X quemaron la piel del sujeto.
(2) Etapa de tubo de rayos X electrónico (1913 ~ 1928)
Con el desarrollo del electromagnetismo, la tecnología de alto vacío y otras disciplinas, en 1910, el físico estadounidense W.D. Coolidge publicó un Informe sobre la fabricación exitosa de tubos de rayos X con filamento de tungsteno. 1913 se ha puesto en uso actualmente. Su característica más importante es que calienta el filamento de tungsteno a un estado incandescente para proporcionar electrones para la corriente del tubo. Por lo tanto, la corriente del tubo se puede controlar ajustando la temperatura de calentamiento del filamento, de modo que se puedan ajustar el voltaje y la corriente del tubo. de forma independiente, que es exactamente lo que se necesita para mejorar la calidad de la imagen.
La invención de la cuadrícula en 1913 eliminó parcialmente las líneas perdidas y mejoró la calidad de la imagen. En 1914, se fabricó la pantalla fluorescente de tungstato de cadmio y se inició la aplicación de la perspectiva de rayos X. En 1923, se inventó el tubo de rayos X de doble enfoque para satisfacer las necesidades de la fotografía de rayos X. La potencia del tubo de rayos X puede alcanzar varios kilovatios y la longitud lateral del foco rectangular es de sólo unos pocos milímetros, por lo que la calidad de la imagen de rayos X mejora considerablemente. Al mismo tiempo, con la aplicación gradual de agentes de contraste, también se está ampliando el alcance diagnóstico de la radiografía. Ya no es una simple herramienta para simplemente tomar imágenes óseas, sino que se ha convertido en un diagnóstico médico importante para examinar el tracto gastrointestinal, los bronquios, los vasos sanguíneos, los ventrículos, los riñones, la vejiga, etc. en tejidos y órganos humanos con poco contraste natural (poco contraste). absorción de rayos X). Mientras tanto, se han utilizado rayos X para el tratamiento.
Modo de generación de rayos X
Existen tres formas de generar rayos X: Bremsstrahlung, captura de electrones y conversión interna. El mecanismo por el cual las máquinas de rayos X producen rayos X es la radiación Bremsstrahlung.
Captura de electrones:
La desintegración beta incluye tres formas: desintegración beta, desintegración beta+ y captura de electrones (EC). Entre ellos, la desintegración de la captura de electrones (EC) se puede expresar cuando el núcleo padre captura un electrón fuera del núcleo, convierte un protón en un neutrón y libera un neutrino, por lo que el número de carga del núcleo hijo se convierte en Z-1. La mayoría de los electrones de la capa K son capturados por el núcleo, porque la capa K está más cerca del núcleo y tiene la mayor probabilidad de ser capturado, pero la probabilidad de ser capturado en la capa L también existe. Después de que el núcleo captura electrones, aparecerá una vacante de electrones en la capa K o L del átomo nuclear hijo. Cuando un electrón de la capa externa llena esta vacante, puede suceder una de dos cosas: o el exceso de energía se libera en forma de rayos X etiquetados, o el exceso de energía se le da a otro electrón en otra capa, que gana energía y abandona la capa. átomo Conviértete en un electrón Auger. La emisión de rayos X o electrones Auger es un sello distintivo del proceso de captura de K.
Conversión interna:
El núcleo atómico puede alcanzar el estado excitado de alguna manera (como la desintegración beta), y el núcleo atómico en estado excitado puede pasar a un estado excitado inferior o al estado fundamental mediante la emisión de rayos gamma. Este fenómeno se llama desintegración gamma o transición gamma. No existe una diferencia esencial entre los fotones emitidos por las transiciones de niveles de energía nuclear y los fotones emitidos por las transiciones de niveles de energía atómica, excepto que la energía de los fotones emitida por las transiciones de niveles de energía atómica es solo eV~keV. Sin embargo, la energía de los fotones emitida por la transición del nivel de energía nuclear es del orden de MeV. Cuando no se considera el retroceso nuclear, la energía del fotón Eg se puede expresar de la siguiente forma Eg=Es-Ex. A veces, la transición del núcleo de un estado excitado a un estado de baja energía no emite fotones, sino que da directamente energía a los electrones fuera del núcleo, provocando que los electrones se separen de los átomos. Este fenómeno se llama conversión interna (IC). Los electrones que se separan de los átomos se denominan electrones de conversión interna. Los núcleos excitados pueden volver al estado fundamental emitiendo fotones gamma o generando electrones de conversión interna. El tipo de proceso que ocurre depende completamente de las características del nivel de energía del núcleo atómico. La suma de la energía cinética de los electrones de conversión interna y la energía de ionización de los electrones de capa debe ser la diferencia de energía entre los dos niveles de energía del núcleo atómico, que es igual a la energía de los fotones γ irradiados por la transición de las dos energías nucleares. niveles. La investigación sobre conversión interna es un medio importante para adquirir conocimientos sobre los niveles de energía nuclear. Por supuesto.
Principios básicos de las máquinas de rayos X
Los rayos X fueron descubiertos por el profesor Roentgen en Alemania en 1895. Esta radiación emitida por tubos de vacío puede penetrar objetos. En el espectro electromagnético, tiene una energía más fuerte, una longitud de onda más corta y una frecuencia más alta que la luz visible. Radiaciones similares incluyen rayos cósmicos, rayos X, etc.
La generación de rayos X requiere de un tubo de rayos X, y la estructura básica del tubo de rayos X debe tener:
Cátodo (filamento catódico)
Ánodo (ánodo)
Carcasa de vidrio al vacío
Por supuesto, también hay una fuente de alimentación.
Características de los rayos X
Los objetos que pueden penetrar son la luz invisible, que se dispersa linealmente en una amplia gama de longitudes de onda en el espectro electromagnético. La velocidad de la luz puede hacer que las sustancias fluorescentes emitan luz y la película puede ser sensible a la luz, lo que provocará rayos dispersos.
Cuando los rayos X entran en un objeto, suceden tres cosas:
Son absorbidos por un objeto.
Produce dispersión.
Penetración (poder de penetración)
Cuatro factores que afectan a los efectos de la imagen:
Densidad-Calidad
Contraste-kVp
Nitidez: movimiento, parámetros geométricos
Distorsión: posición, ángulo
La relación entre la longitud de onda de los rayos X y el contraste de la película
Cuándo Cuando la radiación penetra en una paciente, su tasa de penetración está relacionada principalmente con la estructura del tejido del paciente y la longitud de onda de los rayos X.
Rayos X de longitud de onda corta (altos kilovoltios)
Alta energía y buena penetración, lo que da como resultado un bajo contraste en la película.
Rayos X de longitud de onda larga (bajos kilovoltios)
Baja energía, fácilmente absorbidos por el cuerpo humano, poca penetración y alto contraste dentro de la película.
Aplicación de la aplicación
Las máquinas de rayos X se utilizan ampliamente en diversos campos de la atención médica, la educación científica y la industria. Por ejemplo, las máquinas de rayos X se pueden utilizar en hospitales para ayudar a los médicos a diagnosticar enfermedades, realizar pruebas industriales no destructivas y realizar inspecciones de seguridad en estaciones de tren y aeropuertos.