El principio y la estructura de la máquina de rayos X.

El principio y la estructura de la máquina de rayos X. En 1895, cuando el físico alemán W.C. Los electrodos (uno se llama ánodo y el otro cátodo) eran tubos de vidrio sellados. Se aplican varios voltios de electricidad de alto voltaje a ambos extremos de los electrodos y el aire se extrae del tubo de vidrio con un extractor de aire. Para bloquear la fuga de luz (una especie de arco de luz) durante la descarga de alto voltaje, se coloca una capa de cartón negro en el exterior del tubo de vidrio. Mientras realizaba este experimento en un cuarto oscuro, descubrió accidentalmente que un trozo de cartón sumergido en una solución de cianuro de platino y bario a dos metros del tubo de vidrio emitía una fluorescencia brillante. Otras pruebas demostraron que el cartón, las tablas de madera, la ropa y un libro de unas dos mil páginas de grosor no podían bloquear esta fluorescencia. Lo que es aún más sorprendente es que cuando tomo el cartón fluorescente con la mano, veo la imagen de los huesos de la mano en el cartón.

En aquel momento Roentgen determinó que se trataba de un rayo invisible al ojo humano pero capaz de atravesar objetos. Como no podíamos explicar su principio y no conocíamos sus propiedades, tomamos prestada la "X" que representa el número desconocido en matemáticas como nombre en clave y lo llamamos rayo "X" (o rayos X o simplemente rayos X). ). Este es el origen del descubrimiento y nombre de los rayos X. Este nombre se ha utilizado 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 importancia extremadamente importante en la historia de la humanidad. Abrió un nuevo camino para las ciencias naturales y la medicina. Por este motivo, Roentgen ganó el primer Premio Nobel de Física en 1901.

La ciencia siempre está en desarrollo. Las repetidas prácticas e investigaciones de Roentgen y científicos de varios países han revelado gradualmente la naturaleza de los rayos X y han confirmado que son ondas electromagnéticas con una longitud de onda extremadamente corta y alta energía. Su longitud de onda es más corta que la de la luz visible (aproximadamente 0,001 ~ 100 nm, la longitud de onda de los rayos X utilizados en medicina es de aproximadamente 0,001 ~ 0,1 nm) y su energía fotónica es varias veces mayor que la de la luz visible. miles de veces. Por tanto, además de las propiedades generales de la luz visible, los rayos X también tienen sus propias características. (1) Efectos físicos

1. Penetración La penetración se refiere a la capacidad de los rayos X de atravesar un material sin ser absorbidos. Los rayos X pueden penetrar materiales que la luz visible ordinaria no puede penetrar. La luz visible tiene una longitud de onda larga y la energía de los fotones es muy pequeña. Cuando incide sobre un objeto, parte de ella se refleja y la mayor parte es absorbida por el material y no puede atravesar el objeto. Los rayos X, debido a su longitud de onda corta y baja energía, cuando brillan sobre una sustancia, solo una parte es absorbida por la sustancia y la mayor parte se transmite a través de las brechas atómicas, lo que muestra una gran capacidad de penetración. La capacidad de los rayos X para penetrar materiales 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 el poder de penetración. El poder de penetración de los rayos X también está relacionado con la densidad de la sustancia. Una sustancia con alta densidad absorbe más rayos X y transmite menos rayos X; una sustancia con menor densidad absorbe menos y transmite más rayos X. Esta propiedad de absorción diferencial se puede utilizar para distinguir huesos, músculos, grasa y otros tejidos blandos con diferentes densidades. Ésta es la base física de la fluoroscopia y la fotografía de rayos X.

2. Ionización Cuando una sustancia es irradiada por rayos X, los electrones fuera del núcleo se separan de la órbita atómica. Este efecto se llama ionización. En el proceso de efecto fotoeléctrico y dispersión, el proceso en el que los fotoelectrones y los electrones en retroceso se separan de sus átomos se llama ionización primaria. Estos fotoelectrones o electrones en retroceso chocan con otros átomos durante su viaje, lo que hace que los electrones de los átomos golpeados escapen, lo que provoca que se escapen. se llama ionización secundaria. en sólidos y líquidos. Los iones positivos y negativos ionizados se recombinarán rápidamente y son difíciles de recolectar. Sin embargo, las cargas ionizadas del gas se recogen fácilmente. La cantidad de cargas ionizadas se puede utilizar para determinar la cantidad de exposición a los rayos X: los instrumentos de medición de rayos X se fabrican basándose en este principio. Debido a la ionización, los gases pueden conducir la electricidad; ciertas sustancias pueden sufrir reacciones químicas que pueden inducirse en los organismos. La ionización es la base del daño y el tratamiento por rayos X.

3． Los rayos X con efecto de fluorescencia son invisibles debido a su corta longitud de onda.

Sin embargo, cuando se irradia a ciertos compuestos como fósforo, cianuro de platino y bario, sulfuro de zinc y cadmio, tungstato de calcio, etc., los átomos están en un estado excitado debido a la ionización o excitación. Cuando los átomos regresan al estado fundamental, debido. Para la transición del nivel de energía de los electrones de valencia, se irradia luz visible o luz ultravioleta, que es la fluorescencia. El efecto de los rayos X que hacen que las sustancias sean fluorescentes se llama fluorescencia. La intensidad de la fluorescencia es directamente proporcional a la cantidad de rayos X. Este efecto es la base para la aplicación de los rayos X en fluoroscopia. En trabajos de diagnóstico por rayos X, este efecto de fluorescencia se puede utilizar para fabricar pantallas fluorescentes, pantallas intensificadoras, pantallas de entrada en 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 a la luz de la película durante la fotografía.

4. Acción térmica: la mayor parte de la energía de rayos X absorbida por el material se convierte en energía térmica, lo que aumenta la temperatura del objeto. Esta es la acción térmica.

5． La interferencia, difracción, reflexión y refracción son las mismas que para la luz visible. Se utiliza en microscopía de rayos X, medición de longitud de onda y análisis de estructura de materiales.

(2) Efectos químicos

1. Fotosensibilidad Al igual que la luz visible, los rayos X pueden sensibilizar la película. Cuando se irradian rayos X sobre el bromuro de plata de la película, pueden provocar la descomposición de las partículas de plata. La precipitación hace que la película se "sensibilice". La intensidad de la sensibilidad de la película es directamente proporcional a la cantidad de rayos X. Cuando los rayos X atraviesan el cuerpo humano, debido a las diferentes densidades de los distintos tejidos del cuerpo humano, absorben la cantidad de rayos X de manera diferente, lo que da como resultado diferentes sensibilidades en la película, obteniendo así imágenes de rayos X. Ésta es la base para la aplicación de los rayos X en el examen radiográfico.

2. Efecto colorante: algunas sustancias, como el cianuro de bario y platino, el vidrio de plomo, el cristal, etc., después de una exposición prolongada a los rayos X, los cristales se deshidratan y cambian de color.

(3) Efectos biológicos

Cuando se irradian rayos X en organismos biológicos, las células biológicas se inhiben, se destruyen o incluso se necrosan, lo que provoca que el cuerpo sufra alteraciones fisiológicas, patológicas y bioquímicas. Los cambios en diversos grados se denominan efectos biológicos de los rayos X. Diferentes células biológicas tienen diferentes sensibilidades a los rayos X. Los rayos X de arce pueden tratar determinadas enfermedades del cuerpo humano, como los tumores. Por otro lado, también es perjudicial para el organismo normal, por lo que es necesario proteger el cuerpo humano. Los efectos biológicos de los rayos X son causados ​​en última instancia por la ionización de los rayos X. Debido a que los rayos X tienen los efectos anteriores, se han utilizado 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

Los rayos X se utilizan en el diagnóstico médico, basándose principalmente en los efectos de penetración, absorción diferencial, fotosensibilidad y fluorescencia de los rayos X. Porque los rayos X se absorben en diversos grados cuando atraviesan el cuerpo humano. Por ejemplo, si la cantidad de rayos X absorbidos por los huesos es mayor que la absorbida por los músculos, entonces la cantidad de rayos X que atraviesan el cuerpo humano será mayor. ser diferente. Esto llevará información sobre la distribución de densidad de varias partes del cuerpo humano. Hay una gran diferencia en la intensidad de la fluorescencia o la fotosensibilidad causada en la pantalla fluorescente o la película fotográfica, por lo que se mostrarán sombras de diferentes densidades. en la pantalla fluorescente o película fotográfica (después del revelado y fijación). A partir del contraste de las sombras, combinado con las manifestaciones clínicas, los resultados de laboratorio y el diagnóstico patológico, se puede juzgar si una determinada parte del cuerpo humano es normal. Como resultado, la tecnología de diagnóstico por rayos X se convirtió en la primera tecnología de examen de órganos internos no invasiva del mundo.

(2) Terapia de rayos X

Los rayos X se utilizan en el tratamiento principalmente en función de sus efectos biológicos cuando se utilizan rayos X de diferentes energías para irradiar las células y los tejidos. de las partes enfermas del cuerpo humano, es decir, 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, las personas han descubierto problemas que causan pérdida de cabello en los pacientes, quemaduras en la piel, discapacidad visual en el 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 principales 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. 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 ese momento, la estructura de la máquina de rayos X era muy simple: utilizaba un tubo de rayos X de iones catódicos fríos que contenía gas con baja eficiencia, una bobina de inducción voluminosa para generar alto voltaje y partes expuestas de alto voltaje. Dispositivo de control preciso. La máquina de rayos X tiene poca capacidad, baja eficiencia, débil penetración, baja claridad de imagen y falta de protección. Según los registros de datos, tomar una imagen pélvica por rayos X requería un tiempo de exposición de 40 a 60 minutos. Durante la prueba, la piel del sujeto fue quemada por rayos X.

(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 exitosa fabricación de tubos de rayos X con filamento de tungsteno. Comenzó a usarse en la práctica en 1913. Su característica más importante es que el filamento de tungsteno se calienta a un estado incandescente para proporcionar los electrones necesarios 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 el voltaje y la corriente del tubo se puedan ajustar 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 los rayos dispersos y mejoró la calidad de las imágenes. En 1914, se fabricó una pantalla de fósforo de tungstato de cadmio y se inició la aplicación de la fluoroscopia de rayos X. En 1923 se inventó el tubo de rayos X de doble enfoque, que resolvió la necesidad 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. La calidad de las imágenes de rayos X mejora considerablemente. Al mismo tiempo, la aplicación gradual de agentes de contraste ha ampliado el alcance diagnóstico de las radiografías. Ya no es una simple herramienta para capturar imágenes óseas, sino que se ha convertido en una herramienta para capturar tractos gastrointestinales, bronquios, vasos sanguíneos, ventrículos, riñones, vejigas, etc. que tienen un contraste natural deficiente (pequeña diferencia en la absorción de rayos X). en tejidos y órganos humanos Importantes instalaciones de diagnóstico médico que pueden comprobarse. Al mismo tiempo, los rayos X también comenzaron a utilizarse en el tratamiento.

Cómo se producen los rayos X

Hay tres formas de producir rayos X: Bremsstrahlung, captura de electrones y conversión interna. El mecanismo de los rayos X producidos por las máquinas de rayos X pertenece. a la Bremsstrahlung.

Captura de electrones:

La desintegración beta incluye tres formas: desintegración beta, desintegración beta y captura de electrones (EC). Entre ellas, la desintegración por captura de electrones (EC) se puede expresar como: El núcleo madre captura un electrón orbital extranuclear, convierte un protón en el núcleo en un neutrón y libera un neutrino, por lo que el número de carga del núcleo hijo se convierte en Z-1, mientras que el número de masa permanece sin cambios. 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 capturada, pero la probabilidad de que los electrones de la capa L sean capturados también existe después de que el núcleo captura los electrones. el átomo del núcleo hijo Habrá una vacancia de electrones en la capa K o L. Cuando un electrón externo llena esta vacante, puede ocurrir una de las dos situaciones siguientes: o el exceso de energía se liberará en forma de El exceso de energía se etiqueta. dado a otros electrones en otra capa, y este electrón gana energía y se separa del átomo para convertirse en un electrón Auger. La emisión acompañada de rayos X o electrones Auger es una señal del proceso de captura de K.

Conversión interna:

El núcleo atómico puede alcanzar el estado excitado de alguna manera (como la desintegración beta). El núcleo atómico en el estado excitado puede pasar a un estado de baja excitación o estado fundamental emitiendo rayos gamma. Este fenómeno se llama desintegración gamma o llamada transición γ. 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. es solo del orden de eV~keV, mientras que la energía del fotón emitida por las transiciones de 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. -Ej. A veces la transición del núcleo del estado excitado al estado de menor energía no emite fotones, sino que transfiere directamente la energía. Da electrones fuera del núcleo para hacer que los electrones abandonen el átomo. Este fenómeno se llama conversión interna (IC). Los electrones que salen del átomo se denominan electrones de conversión interna. El núcleo atómico en el estado excitado puede regresar al estado fundamental emitiendo fotones γ o generando. El tipo de proceso que ocurre cuando el electrón de conversión interna regresa al estado fundamental depende completamente. sobre las características del nivel de energía del núcleo. La suma de la energía cinética del electrón de conversión interna y la energía de ionización del electrón de capa debe ser la diferencia de energía entre los dos niveles de energía del núcleo. energía del fotón γ irradiada por la transición entre los niveles de energía nuclear de dos átomos. El estudio de la conversión interna es un medio importante para obtener conocimientos sobre los niveles de energía nuclear. Por supuesto, los rayos X característicos de los átomos también se pueden generar a través de ellos. conversión interna.

Principios básicos de las máquinas de rayos X

Los rayos X fueron descubiertos por el profesor Roentgen de Alemania en 1895. Este tipo de radiación emitida por tubos de vacío puede penetrar objetos. Tiene una energía más fuerte que la luz visible en el espectro electromagnético, una longitud de onda más corta y una frecuencia más alta que incluye los rayos cósmicos, los rayos X, etc.

Se requiere un tubo de rayos X para producir rayos X, y la estructura básica del tubo de rayos X debe tener:

Filamento catódico (Cátodo)

Objetivo del ánodo (Ánodo)

Envoltura de vidrio al vacío

Por supuesto, debe haber una fuente de alimentación

Características de rayos X

La luz invisible que penetra en el objeto tiene una amplia gama de longitudes de onda en el espectro electromagnético. Se dispersa en línea recta y viaja a la velocidad de la luz. Puede hacer que el material fluorescente emita luz y vuelva sensible la película, provocando rayos dispersos.

Cuando los rayos X ingresan al objeto, se producen tres situaciones:

Absorción por el objeto (Absorción)

Produciendo dispersión (dispersión)

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Penetración (Penetración)

Afectando el efecto de la imagen Los cuatro elementos:

Densidad (grado de ennegrecimiento) - mAs

Contraste (contraste) - kVp

Nitidez (nitidez): movimiento, parámetros geométricos

Distorsión: posición, ángulo

La relación entre la longitud de onda de los rayos X y el contraste en la película

Cuando los rayos X penetran en el 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 (alto kV)

Tiene mayor energía y buena penetración, lo que resulta en un bajo contraste en la película.

Rayos X de longitud de onda larga (bajo kV)

Tiene menor energía, es más fácil de absorber por el cuerpo humano, tiene poca penetración y tiene un alto contraste en la película). .

Aplicaciones

Las máquinas de rayos X se utilizan ampliamente en diversos campos de la medicina y la salud, la educación científica y la industria. Por ejemplo, las máquinas de rayos X se pueden utilizar en hospitales para ayudar. médicos en el diagnóstico de enfermedades y para pruebas no destructivas en la industria. Controles de seguridad en estaciones de tren y aeropuertos, etc.