И это всё о нём. Место рентгеновского излучения среди других видов ионизирующих излучений Е. В. Штрыкова (№2, 2013)

Скачать выпуск "Безопасность и охрана труда" №2 2013

Главный специалист-эксперт отдела специализированного надзора за радиационной безопасностью Межрегионального управления № 153 Федерального медико-биологического агентства Е.В. Штрыкова

Радиоактивность – это спонтанный (самопроизвольный) распад ядер со строго определенной вероятностью, сопровождающийся ядерным (ионизирующим) излучением.

Рентгеновское излучение по своей природе относится к волновому (фотонному) излучению, которое в шкале электромагнитных излучений (ЭМИ) следует за ультрафиолетовым излучением и имеет меньшую длину волны.

По способу взаимодействия с облучаемым объектом все ионизирующие излучения можно разделить на три вида: корпускулярное излучение с массой покоя и зарядом (альфа-, бета-, протонное, мезонное и пр.); корпускулярное излучение с массой покоя, но без заряда (нейтронное) и электромагнитное излучение (гамма- и рентгеновское).

Ядерное излучение – это излучение, сопровождающее распад радиоактивных ядер (радионуклидов). Ядерное излучение связано с понятием радиоактивности.

Что отличает генерируемые ионизирующие излучения от ионизирующих излучений ядерного происхождения? Эти излучения различны по своему происхождению (по способу генерирования) со всеми вытекающими из этого последствиями. Характеристики ядерного излучения (такие как: вид излучения, энергия, период полураспада, ионизирующая и проникающая способности и многие другие) зависят исключительно от свойств распадающегося ядра и не могут быть изменены по желанию человека.

Рентгеновское излучение генерируют (получают) в том числе и искусственным путем с необходимыми для каждого конкретного случая радиационными характеристиками, что и предусматривается при разработке и производстве рентгеновских трубок различного назначения. В рентгеновской трубке можно получить рентгеновское излучение - так называемое генерируемое излучение - нужной энергии и интенсивности в заданное время и при требуемой геометрии.

То есть, рентгеновское излучение, также как и ядерные излучения, относится к ионизирующему излучению (ИИ). Общим свойством всех ионизирующих излучений является их характер действия на окружающую среду, через которую проходит излучение, а именно, способность излучения при взаимодействии со средой передавать ей свою энергию. Эта энергия достаточно велика, чтобы в процессе взаимодействия со средой ядерного излучения (независимо от его вида) и рентгеновского излучения произвести ионизацию и (или) возбуждение атомов среды. По этой причине все излучения, взаимодействие которых со средой приводит к образованию ионов разных знаков, называются ионизирующими.

Ионизация – отрыв электронов из атомной оболочки атома. При этом нейтральный атом превращается в (одно-, двух- и т.д. кратно) заряженный положительный ион: А0 à А+n + n·е-. Для большинства легких элементов (H, N, O, C, P, S) при ионизации атомов необходимо затратить энергию порядка 10-15 эВ.

Удельная ионизация (линейная плотность ионизации ЛПИ) – число ионных пар на единице длины пробега. Сравним удельную ионизацию альфа-, бета- и рентгеновского излучений. Например, в воздухе на 1 см пробега альфа-частиц с энергией 1 МэВ образуется 40 тысяч пар ионов, для бета-частиц такой же энергии – примерно в 800 раз меньше. Плотность ионизации фотонного излучения примерно на два порядка меньше, чем бета-излучения. К примеру, при поглощении фотона с энергией 100 кэВ в воздухе образуется примерно 3 тыс. пар ионов, при длине пробега порядка 50 м.

Виды ионизирующих излучений

Ионизирующееизлучение

Ядерногопроисхождения

Генерируемое

Все свойства ИИ спонтанны

Все свойства ИИ регулируемы

Корпускулярное

Электромагнитное (фотонное)

Корпускулярное

Электромагнитные волны (ЭМВ)

Масса покоя, заряд

Нет массы покоя и заряда

Масса покоя, заряд

 

Нет массы покоя и заряда

Непосредственно ионизирующее

Косвенно ионизирующее

Непосредственно ионизирующее

Косвенно ионизирующее

Альфа-, бета- и др.

Гамма-

К примеру, ускорен-ные электроны

Рентгеновское излучение

(a-частицы – яд-ра атома гелия-4.
b-частицы – ядерные электроны).

Коротковолновое ЭМИ

Моноэнергетические
(С одинаковой начальной энергией)

Тормозное (непрерывный энергетический спектр)

Характеристи-ческое (диск-ретный спектр энергии)

Нейтронное
(масса покоя, нет заряда).

Корпускулярное, но косвенно ионизирующее

Механизмы ионизации облучаемой среды каждым из трех вышеназванных видов ИИ различны. Корпускулярное излучение (к примеру, альфа- и бета-) относится к классу непосредственно ионизирующего излучения, в то время как нейтроны (частицы без заряда) и фотоны сами не производят ионизации, поэтому относятся к косвенно ионизирующему излучению. При их попадании в среду на первом этапе должно появиться непосредственно ионизирующее излучение, которое и производит ионизацию. В среде, пронизываемой фотонами, конечные эффекты (ионизация и возбуждение) происходят не за счет прямого взаимодействия фотонов со средой, а через посредство вторичных электронов и позитронов. Фотон является слабо ионизирующей частицей, испытывающей редкие взаимодействия (но теряющей при каждом взаимодействии значительную часть своей энергии).

Своеобразно, косвенным образом, ионизируют среду нейтроны. Нейтроны различных энергий могут создавать в облучаемой среде разнообразные непосредственно ионизирующие частицы: протоны, альфа-частицы, ядра отдачи и пр., а также могут образовывать новые радиоизотопы (наведенная активность).

Различающееся по механизмам взаимодействия излучений с облучаемой средой приводят в конечном счете к одному результату - ионизации и (или) возбуждению атомов среды. Отличие заключается только в мере (степени) произведенной излучением ионизации. Эту меру можно охарактеризовать плотностью ионизации, то есть количеством образованных пар ионов на единице длины пробега излучения.

Для каждого вида излучений пространственное распределение поглощенной энергии, затраченной на «производство» пар ионов по всей длине пробега излучения в облучаемой среде и последствия этого, в том числе радиобиологические эффекты, имеют явно выраженную специфику. Чем больше потери энергии на единице пути пробега излучения, тем меньше пробег. Очень малую длину пробега в среде имеет альфа-излучение в силу того, что оно обладает самой большой удельной ионизацией или плотностью ионизации. Это значит, что альфа-частицы расходуют (на ионизацию) всю свою энергию на очень малой длине пробега; иными словами, альфа-излучение имеет самую большую величину линейной передачи энергии (ЛПЭпространственное распределение энергии вдоль траектории частицы), (кэВ/мкм). Отметим, что гамма- и рентгеновское излучения имеют самую низкую величину ЛПЭ.

Таким образом, при равенстве энергий длина пробега в среде бета-излучения будет значительно больше, чем альфа-излучения. Особенностью рентгеновского и гамма-излучений является их самая большая проникающая способность (при малой плотности ионизации).

Физические свойства рентгеновского излучения

ЛПЭ – это энергия, локально переданная среде движущейся заряженной частицей при перемещении ее на некоторое расстояние, к этому расстоянию: ЛПЭ=dE/dl.

Альтернативные (нерадиационные) методы диагностики, такие как ультразвуковые исследования -УЗИ (ЭхоКГ, допплеркардиография), сосуществуют с рентгенодиагностикой; и каждый из них может являеться «золотым стандартом» для конкретных диагностических задач. В ультразвуковой диагностике используется затухание и отражение УЗ-волн при прохождении их через неоднородную среду. Скорость распространения и степень поглощения УЗ-колебаний в значительной степени зависит от свойств среды: жидкие и твердые тела – хорошие проводники ультразвука; в воздухе происходит сильное поглощение УЗ-колебаний и Кпогл в воздухе примерно в 1000 раз больше, чем в воде. Способность ультразвука без существенного поглощения проникать в мягкие ткани и отражаться от неоднородностей среды используется для диагностики внутренних органов. Особенностью УЗИ является возможность получать информацию о мягких тканях, незначительно различающихся по плотности или упругости, что позволяет в некоторых случаях обнаруживать образования, не выявляемые с помощью рентгеновских исследований.

Рентгеновское излучение – это электромагнитные волны с длиной волны (λ), лежащей в пределах от нескольких нанометров до тысячных долей нанометра. (1нм=10-9 м; 1 Ангстрем (1 А)=10-10 м).

Все электромагнитное излучение может быть представлено как непрерывный спектр от низкого энергетического уровня до высокого: от радиоволн (волн Герца) до космического излучения (или излучения, получаемого в мощных ускорителях). Не все типы электромагнитных излучений (ЭМИ) относятся к категории ионизирующих. Среди ЭМИ только те способны вызвать ионизацию атомов облучаемой среды, энергетические кванты которых по меньшей мере равны энергии связи электронов в атоме. Эта энергия связи для некоторых металлов порядка 4 эВ и УФ-излучение с длинами волн ниже 3000 Å способны вызвать ионизацию этих металлов. Между тем название «ионизирующее излучение» сохраняется только за излучением, способным ионизировать воздух, то есть кванты которых имеют энергию выше чем 15 эВ.

Согласно этому, ионизирующими свойствами обладают излучения, расположенные в шкале ЭМИ правее УФ-излучения.

Переход от одного вида электромагнитного излучения к другому достаточно условен. В представленном выше спектре ЭМИ рентгеновское

и гамма-излучение одной длины волны – это одни и те же фотоны, различие состоит, во-первых, в их происхождении и, во-вторых, в том, что рентгеновское излучение состоит из двух компонент (тормозное и характеристическое излучение). Несмотря на то, что поглощающие свойства рентгеновского и гамма-излучения при равных энергиях одинаковы, но распределение его в теле из-за разной однородности (по энергии) различно.

Сравнительные данные для различных электромагнитных излучений

Область спектра Длина волны (l), нм Частота (n), герц Энергия кванта (hn), эВ
Видимые лучи

700

600

500

400

4,3×1014

5×1014

6×1014

7,7×1014

1,75

2,2

2,5

3,2

УФ

350

250

200

10

8,6×1014

1015

1,5×1015

3×1016

3,56

4,95

6,25

125

Рентгеновское излучение

1

1×10-1

1×10-2

1×10-3

3×1017

3×1018

3×1019

3×1020

1250

1,25×104 (12,5 кэВ)

1,25×105 (125 кэВ)

1,25×106

Гамма-излучение (условная граница диапазона)

1×10-4

3×1021

1,25×107

Электромагнитное излучение обладает следующими свойствами:

  1. Оно способно распространяться в вакууме, чем отличается от звуковых волн, которые могут распространяться только в веществе (например, ультразвуковые волны).
  2. Электромагнитные волны распространяются со скоростью света (300 000 км/сек в вакууме).
  3. Электромагнитная энергия может существовать только в фиксированном, прерывистом, а не в непрерывном виде.

Для понимания формирования рентгеновского изображения также используется понятие «фотоны», энергия которых и определяет взаимодействие излучения с телом пациента, рентгеновской пленкой, усиливающими экранами и др. объектами.

Перечислим основные свойства рентгеновского излучения, делающие этот вид ионизирующего излучения незаменимым в визуальной диагностике:

  1. Рентгеновское излучение способно проникать через вещества, которые поглощают либо отражают видимые световые лучи. Эта способность тем выше, чем больше энергия излучения или чем короче длина его волны.
  2. Рентгеновское излучение способно вызывать флюоресценцию некоторых веществ вследствие образования (в момент поглощения этими веществами рентгеновского излучения) электромагнитных волн более низкой энергии (например, УФ-лучей или даже видимого света).
  3. Как и видимый свет, рентгеновское излучение может создавать на светочувствительном материале – фотографической или рентгеновской пленках – скрытое изображение, которое после проявления становится видимым.

4. Рентгеновское излучение, обладая высокой энергией и воздействуя на вещество, приводит к его ионизации.

Генерирование рентгеновского излучения

Практический путь получения рентгеновского излучения – это «разгон» электронов (электрическим полем) до высоких энергий и «обстрел» ими атомов вещества-мишени (анода). Рентгеновское излучение возникает при резком торможении высокоэнергетических электронов на аноде рентгеновской трубки.

Согласно классической теории электромагнетизма электрический заряд, подвергнутый ускорению (положительному или отрицательному), при резком торможении в электрическом поле ядер атомов мишени испускает электромагнитное излучение. Генерируемое таким способом рентгеновское излучение состоит из двух компонент: тормозного и характеристического рентгеновского излучения.

Количественное соотношение характеристической и тормозной компонент в значительной степени зависит от напряжения на рентгеновской трубке. Рентгеновское излучение, используемое для диагностических целей, почти полностью состоит из тормозного излучения.

Рентгеновская трубка является основным элементом любого рентгеновского аппарата. В ней происходит генерирование рентгеновского излучения. Рентгеновская трубка представляет собой высоковольтный электровакуумный прибор с двумя электродами: катодом (-) и анодом (+).

В последнее время появились рентгеновские трубки с сеточным управлением, которые позволяют формировать импульсы рентгеновского излучения с крутыми фронтами. Это особенно важно для рентгеноскопии.

Электроны разгоняются сильным электрическим полем (главная цепь), которое создается высоким напряжением (Ua), приложенным между электродами.

Катод имеет вольфрамовую нить, которая накаливается электрическим током и служит источником свободных электронов. На нить накала подается небольшое, около 10 В, напряжение. В этом случае (в электронных рентгеновских трубках) используется явление термоэлектронной эмиссии электронов. Чем выше температура катода, тем больше скорость испускания электронов и их количество. Далее к электродам рентгеновской трубки подводится высокое напряжение, и электроны устремляются к положительно заряженному аноду.

Анод предназначен для торможения «быстрых» электронов и является источником, испускающим волну. Выход тормозного рентгеновского излучения прямо пропорционален атомному номеру мишени. Анод изготовляют, как правило, из вольфрама (Z=74) или сплава его с рением (Z=75), а, например, для маммографии - из молибдена (Z=42).

На аноде должен быть предусмотрен отвод возникающего при торможении электронов тепла. Угол наклона поверхности анода в разных типах трубок составляет от 10 до 170. Этот наклон имеет важное значение, поскольку при одних и тех же видимых размерах фокуса позволяет распределить электроны по большей площади анода, что повышает мощность трубки.

Конструкция рентгеновских трубок может быть разной в зависимости от условий применения и предъявляемых требований. В рентгенодиагностике применяются излучатели двух типов: излучатель в виде защитного кожуха с рентгеновской трубкой стационарного аппарата и излучатель в виде моноблока. Надежная работа излучателя возможна только при условии, что он не перегрет. При неправильной эксплуатации (превышение допустимой мощности, слишком частые включения, несоблюдение перерывов между отдельными включениями) трубка может выйти из строя.

Моноблочная конструкция позволяет обойтись без высоковольтных кабелей и разъемов, благодаря чему экономятся масса и габаритные размеры.

Почти вся кинетическая энергия тормозящихся электронов превращается в тепловую энергию, и лишь малая доля порядка 1 % превращается в энергию рентгеновского излучения. Поэтому в трубках должно предусматриваться охлаждение анода. Вследствие эрозии анода интенсивность рентгеновского излучения в процессе эксплуатации трубки падает. За срок службы трубки принимается такое количество включений на предельных режимах, за которое доза излучения уменьшается не более чем на 30 %. Это ~1000-40 000 включений.

Электрическая мощность рентгеновской трубки (Р, кВт) – это произведение максимального анодного напряжения (кВ) на среднее значение анодного тока (А):

Р = К ∙ Ua ∙ Iа,

где: коэффициент К зависит от формы кривой напряжения, питающего данную трубку, равен 0,75 (для однофазных аппаратов) или 1,0 (для трехфазных и среднечастотных). Трубка с вращающимся анодом имеет большую мощность, чем трубка с неподвижным анодом. Когда анод вращается, нагретый при бомбардировке электронами участок диска быстро уходит из области действия пучка электронов, а на его место приходит не нагретый или уже остывший за целый оборот участок, Поэтому, чем больше скорость вращения анода, тем больше электрическая энергия, которую может воспринять анод без чрезмерного перегрева фокуса, и следовательно, тем больше мощность излучения. Вместо трубок со скоростью вращения анода 3000 мин-1 иногда применяют трубки со скоростью 9000 мин-1 и более. Другими словами, чем меньше размер фокуса, тем меньше его допустимая мощность и, следовательно, тем больше экспозиция. Но чем меньше размер фокуса, тем меньше геометрическая нерезкость.

Допустимая мощность, то есть мощность, которую можно подвести к аноду трубки без его перегрева, зависит от длительности рабочего включения трубки: чем меньше выдержка, тем больше допустимая мощность.

Допустимая мощность определяется также видом схемы выпрямления рентгеновского аппарата. В трехфазных аппаратах допустимая мощность в 1,5 раза больше, чем в однофазных.

Таким образом, рентгеновским питающим устройством определяется возможность работы рентгеновского аппарата в импульсном режиме, а также нагрузочная способность трубки является важным фактором, влияющим на качество изображения.

Участок поверхности анода, на котором тормозятся электроны, называется действительным фокусным пятном. Рентгеновское излучение распространяется от фокусного пятна прямолинейно в виде расходящегося пучка. При практическом использовании рентгеновского излучения важно, чтобы рентгеновская трубка имела небольшое, резко выраженное фокусное пятно. Формирователи пучка излучения – фильтры, диафрагмы, тубусы – служат для направления пучка и ограничения зоны облучения, соответственно снимаемому объекту.

В рентгенодиагностике применяются излучатели двух типов: излучатель в виде защитного кожуха с рентгеновской трубкой стационарного аппарата и излучатель в виде моноблока.

Рентгеновская трубка, свинцовая защита от неиспользуемого излучения и пр. закрепляются в защитный кожух, представляющий собой отрезок металлической трубы с отверстиями для присоединения высоковольтных кабелей и окно, через которое выходит рабочий пучок излучения. Кожух заполняют трансформаторным маслом. Эта конструкция называется рентгеновским излучателем. Его надежная работа возможна только при условии, что он не перегрет: наружная температура кожуха – не более 800С.

Моноблок отличается от кожуха тем, что кроме перечисленных выше элементов, он содержит высоковольтный трансформатор, выпрямители и трансформатор накала. Моноблочная конструкция позволяет обходиться без высоковольтных кабелей и разъемов.

Чем выше разность потенциалов (Ua) между катодом и анодом, тем больше энергия электронов. Для возбуждения рентгеновского излучения на рентгеновскую трубку нужно подать напряжение порядка нескольких тысяч вольт (нескольких десятков кВ); при этом идеальной формой кривой напряжения является постоянное напряжение. Величина напряжения на рентгеновской трубке Ua (кВ) определяет такую важную характеристику рентгеновского излучения, как его максимальную энергию Емакс (кэВ), а значит и проникающую способность рентгеновского излучения.

В зависимости от применяемого при медицинской рентгенографии напряжения на рентгеновской трубке технику производства рентгенограмм по «жесткости» излучения можно разделить на 3 вида:

  1. «мягкое» излучение при напряжении (Ua) до 50-60 кВ (длина волны l=0,024-0,020 нм). Маммография, урография, цистография и пр.
  2. излучение обычной (средней) «жесткости» при Ua 60-100 кВ (l = 0,020-0,012 нм). Пленочные и панорамные дентальные аппараты; урография, цистография и пр.
  3. «жесткое» излучение при Ua 100-150 кВ (l = 0,012-0,004 нм).

Ортопантомография до 125 кВ, компьютерная томография – 100-150 кВ.

В соответствии с принципом нормирования (ОСПОРБ-99/2010):

облучение пациентов всегда преднамеренно и добровольно, поскольку предназначено принести им больше пользы от уточнения диагноза, чем вреда от дополнительного облучения.

Поэтому методы регулирования медицинского облучения пациентов должны быть соразмерны получаемой ими пользе и не должны препятствовать оказанию необходимой медицинской помощи.