Природа рентгенівських променів, методи їх одержання

Рентгенівські промені за своєю природою є різновидністю елек­тромагнітних хвиль. Радіохвилі, інфрачервоні, ультрафіолетові, промені видимого світла і гамма-промені — це також різновиднос­ті електромагнітних хвиль. Промені відрізняються один від одного довжиною електромагнітних хвиль. Довжина хвиль видимого світ­ла дорівнює 0,76—0,40 мк (мк — мікрон = 0,000001 м), інфрачер­воних променів — 340—0,76 мк, ультрафіолетових — менше 0,4 мк (0,18—0,40 мк). Рентгенівські промені мають довжину хвилі (в ангстремах — А) від 15А до 0.034А. В діагностичних рентгенів­ських апаратах практично одержують промені з довжиною хвилі 0,1—0,8А. Меншу довжину хвиль (близько 0,001А) мають гамма-промені радіоактивного розпаду. Людське око здатне сприймати промені з довжиною електромагнітних хвиль від 7600 до 4000А, а тому рентгенівські промені для людини невидимі.

Джерелом виникнення рентгенівських променів є внутрішньо­атомна енергія. Атом складається з позитивно зарядженого ядра й від'ємне заряджених електронів, які рухаються навколо ядра. Електрони атома об'єднані у вигляді шару або оболонки, кожна з яких має певний запас енергії. Електронні оболонки позначають латинськими буквами від К до Р. Найближче до атомного ядра розміщена оболонка «К», найбільш віддалена від нього — «Р». Електрони атомних оболонок мають тим більше енергії, чим даль­ше оболонка знаходиться від ядра.

У світлі електронної теорії метали відрізняються від інших тіл тим, що мають вільні електрони, які хаотично рухаються. Якщо

приєднати кінці металевого провідника до полюсів генератора струму, то вільні електрони будуть чітко поступально рухатися. Рух електронів у провіднику, спрямований від катода генератора струму до його анода, є електричним струмом. Якщо металевий провідник розігріти, він починає виділяти електрони. Це явище називають електронною емісією. Воно відіграє важливу роль у виникненні рентгенівських променів.

Для одержання рентгенівських променів спочатку необхідно розігріти спіраль рентгенівської трубки до 2500 °С струмом низь­кої напруги (до 10 В) від знижуючого трансформатора. З розігрі­тої спіралі постійно вилітають електрони, що мають малу кінетич­ну енергію. Вони утворюють біля спіралі так звану електронну хмарку. При підведенні до рентгенівської трубки електричного струму високої напруги (50—150 кВ) через підвищуючий транс­форматор, електрони, які мають однойменний заряд із спіраллю, будуть відштовхуватися від спіралі з великою силою і прямоліній­но полетять вперед. У момент удару їх в анод і гальмування весь запас кінетичної енергії електронів перетворюється у два види енергії: теплову та світлову (енергія рентгенівського випроміню­вання). Теплова енергія становить близько 99 % кінетичної енер­гії електронів, а енергія електромагнітних коливань — близько 1 %. Виниклі таким чином рентгенівські промені мають назву «рентгенівські промені гальмування». Крім того, внаслідок бом­бардування електронами пластинки анода, виникають ще так зва­ні «характеристичні рентгенівські промені». Електрон, який одер­жав значний запас кінетичної енергії, проникнувши в глибину атомної системи анода, вибиває електрон з якої-небудь оболонки його атома. На вільне місце вибитого електрона зразу рухається один з електронів оболонки, що знаходиться вище, а запас енергії, який при цьому звільнився, утворює порцію (квант) рентгенівського випромінювання.

Якість рентгенівських променів визначається твердістю або їх проникаючою здатністю. Твердість рентгенівських променів зале­жить від величини напруги електричного струму, який надходить із високовольтного трансформатора до полюсів рентгенівської трубки. Якщо подавати на рентгенівську трубку напругу в 10— 20 тис. вольт, то швидкість руху електронів від спіралі до анода буде порівняно невеликою і сила удару їх в анодну пластинку буде слабкою. При цьому виникають рентгенівські промені з дов­гою хвилею, які здатні проникати на малу глибину. Такі промені називають м'якими рентгенівськими променями. Якщо до полюсів трубки подавати струм високої напруги (100 кВ), то швидкість руху електронів в.ід спіралі до анода буде дуже великою (близько 200 тис. км/с), а сила удару їх в анод — величезною. Одержані при цьому рентгенівські промені будуть мати дуже коротку дов­жину хвилі й високу проникаючу здатність. Ці промені називають

твердими рентгенівськими. Твердість рентгенівського випроміню­вання практично вимірюється кіловольтами, оскільки вона зале­жить від напруги.

Кількість рентгенівських променів визначається інтенсивністю випромінювання, яка залежить в основному від ступеня нагріван­ня спіралі катода. Змінюючи температуру нагрівання спіралі при однаковій напрузі, можна підвищувати або зменшувати емісію-електронів, що зумовлює силу струму в трубці і кількість рентге­нівських променів. Отже, змінюючи ступінь нагрівання спіралі при однаковій різниці потенціалів на полюсах рентгенівської труб­ки (твердість променів), можна одержувати різну інтенсивність рентгенівського випромінювання. Інтенсивність рентгенівських променів вимірюють у міліамперах, оскільки кількість променів залежить від електронів, а потік електронів — це електричний струм. Однак сила струму, що проходить через трубку, невелика й вимірюється у тисячних частках ампера (міліамперах). При стру­мі в 1 міліампер кількість електронів становить 6,3-10¹⁵ за 1 с.

Таким чином, при одній і тій же твердості, змінюючи ступінь нагрівання спіралі, можна одержувати різну інтенсивність рентге­нівських променів. З другого боку, при одній і тій же інтенсив­ності можна одержувати різну твердість променів, змінюючи на­пругу на полюсах трубки. Можливість роздільно регулювати твер­дість випромінювання і його інтенсивність надзвичайно суттєва для вирішення ряду питань при рентгенівському дослідженні тварин.

Рентгенівські промені поширюються подібно до світла. При взаємодії з середовищем вони частково поглинаються, частково відбиваються І розсіюються. Однак ураховуючи те, що довжина хвилі рентгенівських променів невелика, а енергія випромінюван­ня значна, вони мають ще ряд інших властивостей. Рентгенівські промені проникають через непрозорі для видимого світла тіла різної щільності — дерево, картон, папір, тканини людського й тваринного організму і навіть через тонкий шар окремих металів. Глибина проникнення рентгенівських променів залежить від дов­жини хвилі та властивостей матеріалу. Чим менша довжина хви­лі, тим глибше в середовище проникають рентгенівські промені^ Чим щільніше середовище, тим більше у ньому поглинаються рентгенівські промені.

Рентгенівські промені викликають холодне світіння (люмінес­ценцію) деяких хімічних сполук. Одні речовини світяться у мо­мент дії їх (флюоресценція), інші — продовжують світитися де­який час після припинення дії променів (фосфоресценція). Подіб­но видимому світлу рентгенівські промені викликають зміни у сполуках срібла світлочутливого шару фотоплівок (фотохімічний ефект).

Рентгенівські промені викликають іонізацію повітря, внаслідок

33*

чого утворюються позитивно і негативно заряджені частинки —• іони. Іонізоване середовище стає провідником електричного стру­му. Цю властивість використовують для вимірювання інтенсивнос­ті променів за допомогою іонізаційної камери.

Властивістю рентгенівських променів є виражена біологічна дія. Проходячи через тканини, вони можуть викликати різні зміни залежно від виду тканини й дози енергії променів. Малі дози сти­мулюють обмінні процеси у тканинах, великі пригнічують життє­діяльність тканин, викликають у них функціональні й морфологіч­ні зміни аж до загибелі клітин. Тривала дія малих доз рентгенів­ських променів або вплив зразу великої дози може спричиняти в організмі променеву хворобу.

РЕНТГЕНІВСЬКІ АПАРАТИ

Ветеринарний рентгенівський апарат (установка)—обладнан­ня для одержання і застосування рентгенівських променів у вете­ринарній медицині. Рентгенівські апарати працюють від сітки змінного електричного струму. Незалежно від потужності та ха­рактеру використання кожний апарат складається з рентгенів­ської трубки, автотрансформатора, високовольтного (підвищуючо­го) й низьковольтного (знижуючого) трансформаторів, контакто­ра (електромагнітний рубильник), реле часу, кенотронів (у ста­ціонарних апаратів).

Рентгенівська трубка — це електровакуумний прилад, який в апараті є генератором рентгенівських променів. Залежно від по­тужності та призначення апарата трубка має різну форму і роз­міри. Кожна трубка складається з скляного балона, катода та анода.

Скляний балон запаяний у вигляді циліндра або з розширен­ням посередині, з якого видалене повітря за допомогою вакуум­ного насоса. Тиск повітря у балоні доведений до 10~⁶—10~⁷ мм ртутного стовпчика. В кінцях трубки впаяні два електроди — ка­тод і анод.

Катод — прямолінійна вольфрамова спіраль, розміщена в ко-ритцеподібному заглибленні біля центральної частини скляного балона. На кінці цього боку балона є цоколь або два контакти для підключення живлення до спіралі.

Анод — масивний мідний стержень, закріплений всередині скляного балона, але з другого його боку. Поверхня кінця стерж­ня, звернена до катода, зрізана. На ній знаходиться тугоплавка вольфрамова пластинка — дзеркало пластинки, в центрі якого по­мітна матова ділянка — фокусна пляма (фокус рентгенівської трубки). При роботі трубки дзеркало анода дуже нагрівається і може розплавитися. Тому передбачені спеціальні пристосування для його охолодження. Насамперед корпус анода виготовлений з

міді, яка добре проводить тепло. Крім того, використовують повіт­ряне радіаторне, водяне та масляне охолодження, конструкції трубок з анодом, що крутиться.

Випускають двофокусні рентгенівські трубки з двома пара­лельними спіралями на катоді — малою і великою. Малу спіраль використовують для досліджень, що потребують невеликої потуж­ності апарата, більшу — для знімків великих ділянок тіла.

За розмірами, зовнішнім виглядом, призначенням, класом апа­ратів, методом захисту від високої напруги і рентгенівських про­менів, способом охолодження, будовою анода і катода виготовля­ють різні рентгенівські трубки. Кожну з них позначають цифрами та буквами, наприклад: 4-БДМ1-100, З-БДМ-1-200. Перша цифра показує секундну потужність трубки в кіловатах (2, 4, 6, 10), дру­га — вид захисту. Буквою Б позначають трубки в захисному ко­жусі. Третя буква означає призначення трубки: Д — діагностична, С — для структурного аналізу, Т — для рентгенотерапії. Четвер­тий знак означає вид охолодження трубки для запобігання пере­гріванню анода: В — водяне охолодження, М — масляне, К — ка­лориферне або повітряне. П'ята цифра — номер моделі. Шостий знак — максимальна робоча напруга в кіловольтах, яку можна подавати на полюси трубки. Наприклад, 2-БДМ4-75. Це означає, що трубка двокіловатна, призначена для роботи в захисному ко­жусі, діагностична, з масляним охолодженням, модель 4, розра­хована на напругу не більше 75 кіловольт.

Рентгенівські апарати за призначенням поділяють на діагнос­тичні та терапевтичні. Діагностичні апарати бувають стаціонарні, пересувні та переносні (портативні). Крім того, розрізняють апа­рати за типом живлення рентгенівської трубки — безкенотронні (напівхвильові) й кенотронні. За характером захисту від високої напруги рентгенівські установки розрізняють: кабельні (висока напруга на рентгенівську трубку подається від окремо розміщеної коробки з трансформаторами через високовольтний захисний про­відник) і блок-апарати (трансформатор високої напруги та рент­генівська трубка знаходяться в одній металевій коробці, з якої виходять лише низьковольтні провідники).

Стаціонарні рентгенівські апарати найбільш потужні, мають масу 1500—2000 кг і більше. Ними обладнують спеціальні рент­генівські кабінети. Напруга на трубці в цих апаратах досягав 100—150 кВ, а струм трубки до 400—500 мА. Стаціонарні апара­ти мають окремо розміщений пульт управління з автотрансфор­матором і вимірювальними приладами, коробку з трансформато­рами та кенотронами, штативи з трубкою для знімків і просвічу­вання. Для дослідження тварин використовують медичний стаціо­нарний рентгенівський апарат АРД-2-110-К4, стаціонарний рент­генодіагностичний комплекс РУМ-2ОМ, рентгенівський стаціонар-

ний діагностичний апарат РУД-145-250-1, рентгенівську стаціонар­ну діагностичну установку РУМ-4К.

Пересувні (палатні) рентгенівські установки легші (200— 300 кг) і для їх встановлення не потрібно спеціального приміщен­ня. Потужність цих апаратів нижча стаціонарних. Електричні параметри трубки в палатних апаратах становлять: 90—125 кВ, 25—100 мА. У пересувних рентгенівських апаратах усі частини змонтовані на штативі з колесами. Пульт управління кріпиться на основі штатива, а високовольтний блок (коробка з трансфор­матором і трубкою) — на колонці штатива. Весь апарат можна легко пересувати. В деяких моделях пересувних апаратів для під­вищення потужності використані селенові високовольтні випрям-лювачі і трубка з анодом, що крутиться. Ці апарати побудовані за типом кабельних стаціонарних апаратів. Коробка з трансфор­маторами та селеновими стовпчиками розміщена на візку штати­ва, а рентгенівська трубка закріплена на його колонці. У ветери­нарній медицині використовують ветеринарний пересувний рент­генівський апарат 12-ВЗ, медичний палатний рентгенівський апа­рат РУ-725-Б, рентгенівську установку пересувного типу РУ-72М-Б, апарат рентгенівський ветеринарний пересувний 12Ф-6У-2 (з флюорографічною камерою КФ-70У).

Переносні (портативні, чемоданні) рентгенівські апарати ма­ють ще меншу потужність. Напруга на трубці у них не перевищує 75 кВ, а струм трубки— 15—25 мА, маса їх 40—60 кг. Переносні апарати мають невеликий розбірний штатив, на якому закріплю­ють високовольтний блок. Невеликий пульт управління розміщує­ться окремо або кріпиться на штативі до муфти високовольтного блока. Ці апарати можна швидко розібрати і скласти в чемода­ни. Для ветеринарних цілей використовують рентгенівський апа­рат РУ-760 (чемоданний), ветеринарний переносний рентгенів­ський апарат 8-ЛЗ («Арман-1»).

У ветеринарній клінічній діагностиці, крім названих, можна використовувати також рентгенівські апарати інших типів.