Как работает рентгеновская установка: просто о сложном Часть 1⁠⁠

Тип: обзорная популярная статья
Авторы: врач-рентгенолог Павел Жалковский
Обложка: Photo by James McKenney on Unsplash

Введение: волшебные лучи, которые видят сквозь тело

Представьте, что у врачей есть специальные очки, позволяющие заглянуть внутрь человеческого тела без скальпеля и разрезов. Именно так работают рентгеновские аппараты и компьютерные томографы (КТ) — они используют невидимые глазу лучи, чтобы показать, что происходит у нас внутри.

Когда в 1895 году Вильгельм Рентген обнаружил загадочные "икс-лучи", он вряд ли представлял, насколько изменится медицина благодаря его открытию. Сегодня рентгеновские технологии — это сложные инженерные системы, сочетающие достижения физики, электроники и компьютерных технологий. Давайте подробно разберем, как работают эти аппараты, начиная с фундаментальных принципов и заканчивая современными разработками.

Когда вы приходите в поликлинику с подозрением на перелом или пневмонию, врач часто отправляет вас "на рентген". А если нужно рассмотреть проблему подробнее — "на КТ". В чем разница? Как эти аппараты устроены? И почему мы не видим рентгеновские лучи? Давайте разбираться по порядку.

Виды рентгеновских исследований

Существует три основных метода:

• Компьютерная томография (КТ) — серия рентгеновских изображений, из которых компьютер воссоздаёт трёхмерную модель тела.

• Флюороскопия — динамическое изображение в реальном времени (например, при операции).

• Рентгенография — статичный снимок, знакомый каждому.

Как получают "невидимые лучи"? Внутри каждого рентгеновского аппарата есть удивительное устройство — рентгеновская трубка. Это сердце всего аппарата. Представьте обычную лампочку, но с секретом: Внутри вакуумной колбы из боросиликатного стекла или металлокерамики находятся катод и анод, а также ротор/статор

Рентген — фотокамера для органов

Катод (минус, отрицательно заряженный электрод) — вольфрамовая спираль, как в старых лампах накаливания, на которую нанесен слой из щелочноземельных элементов. Если быть точным, то две нити (малая и большая). По спирали пропускается электрический ток, она раскаляется до 2000°С и начинает "испарять" электроны.

Анод (плюс, положительно заряженный электрод) — массивный металлический (часто из вольфрама, Tпл=3422°C) или керамометаллический диск (часть, куда бьют электроны – обычно из молибдена или меди) который вращается с бешеной скоростью — до 10 000 оборотов в минуту! Почему так быстро? Потому что электроны бьют по нему с огромной энергией, и без вращения он бы просто расплавился (фиксированный анод применяется на стоматологических и передвижных устройствах).

Ускоряющее напряжение — между катодом и анодом создается разница потенциалов от 25 000 до 150 000 вольт! Представьте молнию в миниатюре — электроны разгоняются до огромных скоростей и врезаются в анод.

Итак, генерация излучения происходит в несколько этапов. Катод нагревается до 2000-2500°C, что вызывает термоэлектронную эмиссию, то есть создание облака электронов вокруг него. Затем подается высокое напряжение (25-150 кВ), которое заставляет электроны чрезвычайно быстро двигаться к аноду относительно тонким пучком 0,5-2мм и, в конечном счете, ударяться об анод в место, называемое фокусным пятном. Когда электроны врезаются в анод, происходит чудо физики:

• Тормозное излучение (90% лучей) — непрерывный спектр, образующийся при торможении электронов в поле ядра анода.

Представьте машину, резко тормозящую о стену. При столкновении выделяется энергия. Так и здесь — электроны резко тормозят, и их энергия превращается в рентгеновские лучи разных энергий. Электрон от нити накала проходит рядом с тяжелым ядром вещества анода, резко тормозит и меняет свое направление, в результате чего образуется квант рентгеновского излучения. При этом замедлившийся и изменивший направление электрон готов к новым взаимодействиям.

• Характеристическое излучение (10% лучей) — электрон выбивает другие электроны из внутренних оболочек атомов анода, меняет свою траекторию и замедляется. На освободившееся вакантное место из внутренней электронной оболочки переходит электрон с внешней оболочки с целью занять более энергетически выгодное положение. Это сопровождается испусканием рентгеновского излучения с характерным для материала анода линейчатым спектром энергий.

Интересный факт: КПД процессов формирования рентгеновского излучения всего 1%! 99% энергии уходит в нагрев — поэтому анод и вращается, и охлаждается.

Рентгеновское излучение представляет собой электромагнитные волны с длиной волны от 0,01 до 10 нанометров, расположенные в спектре между ультрафиолетом и гамма-излучением. Их ключевые свойства:

• Высокая проникающая способность

• Способность ионизировать атомы

• Невидимы для человеческого глаза

• Распространяются прямолинейно

• Заставляют флуоресцировать некоторые материалы

Это первая часть, так как статья очень большая, если наберёт достаточно положительных реакций и лайков - выложу вторую часть и остальные статьи - я не знаю - нравится вам такое или нет.

Но вся статья, если лень ждать, есть на нашем сайте:

Вся статья здесь xray-doctor.ru