מה אנחנו יודעים על צילומי רנטגן?

2024 מְחַבֵּר: Seth Attwood | [email protected]. שונה לאחרונה: 2023-12-16 16:05

במאה ה-19, קרינה בלתי נראית לעין האנושית, המסוגלת לעבור דרך בשר וחומרים אחרים, נראתה כמו משהו פנטסטי לחלוטין. כעת, נעשה שימוש נרחב בקרני רנטגן ליצירת תמונות רפואיות, ביצוע טיפולי קרינה, ניתוח יצירות אמנות ופתרון בעיות אנרגיה גרעינית.

כיצד התגלתה קרינת רנטגן וכיצד היא עוזרת לאנשים - אנו מגלים יחד עם הפיזיקאי אלכסנדר ניקולאביץ' דולגוב.

גילוי קרני הרנטגן

מסוף המאה ה-19, המדע החל למלא תפקיד חדש ביסודו בעיצוב תמונת העולם. לפני מאה שנה, פעילותם של מדענים הייתה בעלת אופי חובבני ופרטי. אולם עד סוף המאה ה-18, כתוצאה מהמהפכה המדעית והטכנולוגית, הפך המדע לפעילות שיטתית שבה כל תגלית הפכה לאפשרית הודות לתרומתם של מומחים רבים.

החלו להופיע מכוני מחקר, כתבי עת מדעיים תקופתיים, התעוררו תחרות ומאבק על הכרה בזכויות יוצרים על הישגים מדעיים וחידושים טכניים. כל התהליכים הללו התרחשו באימפריה הגרמנית, שבה עד סוף המאה ה-19 עודד הקייזר הישגים מדעיים שהגדילו את יוקרתה של המדינה על הבמה העולמית.

אחד המדענים שעבדו בהתלהבות בתקופה זו היה הפרופסור לפיזיקה, רקטור אוניברסיטת וירצבורג וילהלם קונרד רונטגן. ב-8 בנובמבר 1895, הוא שהה מאוחר במעבדה, כפי שקרה לעתים קרובות, והחליט לערוך מחקר ניסיוני של הפריקה החשמלית בשפופרות ואקום מזכוכית. הוא החשיך את החדר ועטף את אחת הצינורות בנייר שחור אטום כדי להקל על ההתבוננות בתופעות האופטיות המלוות את הפריקה. להפתעתי

רונטגן ראה פס פלואורסצנטי על מסך סמוך מכוסה גבישי בריום ציאנופלטיניט. לא סביר שמדען יוכל אז לדמיין שהוא עומד על סף אחת התגליות המדעיות החשובות ביותר של זמנו. בשנה הבאה ייכתבו למעלה מאלף פרסומים על צילומי רנטגן, הרופאים ייקחו את ההמצאה מיד לשירות, הודות לה תתגלה בעתיד רדיואקטיביות ויופיעו כיוונים חדשים של המדע.

רונטגן הקדיש את השבועות הבאים לחקירת טבעו של הזוהר הבלתי מובן ומצא כי הקרינה הופיעה בכל פעם שהפעיל זרם על הצינור. הצינור היה מקור הקרינה, לא חלק אחר של המעגל החשמלי. מבלי לדעת מול מה הוא מתמודד, רונטגן החליט לייעד את התופעה הזו כקרני רנטגן, או קרני רנטגן. בהמשך גילה רונטגן שקרינה זו יכולה לחדור כמעט לכל העצמים לעומקים שונים, בהתאם לעובי החפץ ולצפיפות החומר.

כך, דיסק עופרת קטן בין צינור הפריקה למסך התברר כאטום לקרני רנטגן, ועצמות היד הטילו צל כהה יותר על המסך, מוקף בצל בהיר יותר מרקמות רכות. עד מהרה גילה המדען שקרני הרנטגן גורמות לא רק לזוהר המסך המכוסה בריום ציאנופלטיניט, אלא גם להכהות של לוחות צילום (לאחר פיתוח) באותם מקומות שבהם קרני הרנטגן נפלו על האמולסיה הצילומית.

במהלך הניסויים שלו, רונטגן היה משוכנע שגילה קרינה שאינה ידועה למדע. ב-28 בדצמבר 1895 הוא דיווח על תוצאות המחקר במאמר "על סוג חדש של קרינה" בכתב העת Annals of Physics and Chemistry.במקביל, הוא שלח למדענים את תמונות ידה של אשתו, אנה ברטה לודוויג, שהתפרסמה מאוחר יותר.

הודות לחברו הוותיק של רונטגן, הפיזיקאי האוסטרי פרנץ אקסנר, תושבי וינה היו הראשונים לראות את התמונות הללו ב-5 בינואר 1896 על דפי העיתון Die Presse. כבר למחרת, מידע על הפתיחה הועבר לעיתון London Chronicle. אז הגילוי של רונטגן החל להיכנס בהדרגה לחיי היומיום של אנשים. יישום מעשי נמצא כמעט מיד: ב-20 בינואר 1896, בניו המפשייר, רופאים טיפלו באדם עם זרוע שבורה בשיטת אבחון חדשה - צילום רנטגן.

שימוש מוקדם בקרני רנטגן

במהלך מספר שנים החלו להשתמש באופן פעיל בתמונות רנטגן לצורך פעולות מדויקות יותר. כבר 14 ימים לאחר פתיחתם, ערך פרידריך אוטו ולקהוף את צילום השיניים הראשון. ואחרי זה, יחד עם פריץ גיזל, הם הקימו את מעבדת רנטגן דנטלית הראשונה בעולם.

עד שנת 1900, 5 שנים לאחר גילויו, השימוש בקרני רנטגן באבחון נחשב לחלק בלתי נפרד מהפרקטיקה הרפואית.

הסטטיסטיקה שנאספה על ידי בית החולים הוותיק ביותר בפנסילבניה יכולה להיחשב מעידה על התפשטות הטכנולוגיות המבוססות על קרינת רנטגן. לדבריה, בשנת 1900, רק כ-1-2% מהחולים קיבלו עזרה בצילומי רנטגן, בעוד שבשנת 1925 כבר היו 25%.

צילומי רנטגן שימשו באותה תקופה בצורה מאוד חריגה. לדוגמה, הם שימשו למתן שירותי הסרת שיער. במשך זמן רב, שיטה זו נחשבה עדיפה בהשוואה לכואבות יותר - מלקחיים או שעווה. בנוסף, נעשה שימוש בקרני רנטגן במכשירי התאמת נעליים - פלואורוסקופים לניסיון (פדוסקופים). אלה היו מכונות רנטגן עם חריץ מיוחד לכפות הרגליים, וכן חלונות דרכם יכלו הלקוח והמוכרים להעריך כיצד הנעליים יושבות.

השימוש המוקדם בהדמיית רנטגן מנקודת מבט בטיחותית מודרנית מעלה שאלות רבות. הבעיה הייתה שבזמן גילוי קרני הרנטגן, כמעט לא היה ידוע דבר על קרינה והשלכותיה, וזו הסיבה שהחלוצים שהשתמשו בהמצאה החדשה התמודדו עם השפעותיה המזיקות מניסיונם.ההשלכות השליליות של חשיפה מוגברת הפך לתופעה המונית בתחילת המאה ה- 19. 200, ואנשים החלו להגיע בהדרגה להבנה של הסכנות שבשימוש חסר מוח בקרני רנטגן.

אופי צילומי הרנטגן

קרינת רנטגן היא קרינה אלקטרומגנטית עם אנרגיות פוטון מ-~100 eV עד 250 keV, שנמצאת על קנה המידה של גלים אלקטרומגנטיים בין קרינה אולטרה סגולה לקרינת גמא. היא חלק מהקרינה הטבעית המתרחשת ברדיואיזוטופים כאשר אטומי היסודות נרגשים על ידי זרם של אלקטרונים, חלקיקי אלפא או גמא קוונטים, שבהם אלקטרונים נפלטים מקליפות האלקטרונים של האטום. קרינת רנטגן מתרחשת כאשר חלקיקים טעונים נעים בתאוצה, בפרט, כאשר האלקטרונים מואטים, בשדה החשמלי של אטומים של חומר.

מבחינים בקרני רנטגן רכות וקשות, שהגבול המותנה ביניהן בסולם אורך הגל הוא כ-0.2 ננומטר, המתאים לאנרגיית פוטון של כ-6 keV. קרינת רנטגן היא גם חודרת, בשל אורך הגל הקצר שלה, וגם מייננת, שכן כאשר עוברת דרך חומר היא מקיימת אינטראקציה עם אלקטרונים, מוציאה אותם מהאטומים, ובכך מפרקת אותם ליונים ולאלקטרונים ומשנה את מבנה החומר על שהוא פועל.

קרני רנטגן גורמות לזהור של תרכובת כימית הנקראת פלואורסצנטי.הקרנת האטומים של הדגימה בפוטונים עתירי אנרגיה גורמת לפליטת אלקטרונים - הם עוזבים את האטום. באורביטל אלקטרוני אחד או יותר, נוצרים "חורים" - מקומות פנויים, שבגללם האטומים נכנסים למצב נרגש, כלומר, הם הופכים לא יציבים. מיליוניות השנייה לאחר מכן, האטומים חוזרים למצב יציב, כאשר המקומות הפנויים באורביטלים הפנימיים מתמלאים באלקטרונים מהאורביטלים החיצוניים.

מעבר זה מלווה בפליטת אנרגיה בצורה של פוטון משני, ומכאן נוצרת פלואורסצנטיות.

אסטרונומיה בקרני רנטגן

על כדור הארץ, לעתים רחוקות אנו נתקלים בקרני רנטגן, אבל הם נמצאים לעתים קרובות בחלל. שם זה מתרחש באופן טבעי עקב פעילותם של עצמים רבים בחלל. זה איפשר את אסטרונומיה בקרני רנטגן. האנרגיה של פוטונים בקרני רנטגן גבוהה בהרבה מאלו האופטיים, ולכן, בטווח רנטגן הוא פולט חומר מחומם לטמפרטורות גבוהות במיוחד.

המקורות הקוסמיים הללו של קרינת רנטגן אינם חלק ניכר מקרינת הרקע הטבעית עבורנו ולכן אינם מאיימים על אנשים בשום צורה. היוצא מן הכלל היחיד יכול להיות מקור כזה של קרינה אלקטרומגנטית קשה כמו פיצוץ סופרנובה, שהתרחש קרוב מספיק למערכת השמש.

כיצד ליצור צילומי רנטגן באופן מלאכותי?

מכשירי רנטגן עדיין נמצאים בשימוש נרחב עבור אינטרוסקופיה לא הרסנית (תמונות רנטגן ברפואה, זיהוי פגמים בטכנולוגיה). המרכיב העיקרי שלהם הוא צינור רנטגן, המורכב מקתודה ואנודה. אלקטרודות הצינור מחוברות למקור מתח גבוה, בדרך כלל עשרות ואף מאות אלפי וולט. בעת חימום, הקתודה פולטת אלקטרונים, המואצים על ידי השדה החשמלי שנוצר בין הקתודה לאנודה.

בהתנגשות באנודה, האלקטרונים מואטים ומאבדים את רוב האנרגיה שלהם. במקרה זה, מופיעה קרינת ברמססטרהלונג של טווח קרני הרנטגן, אך החלק העיקרי של אנרגיית האלקטרונים הופך לחום, ולכן האנודה מתקררת.

צינור הרנטגן של פעולה קבועה או פעימה הוא עדיין המקור הנפוץ ביותר לקרינת רנטגן, אבל הוא רחוק מלהיות היחיד. כדי להשיג פולסי קרינה בעוצמה גבוהה, משתמשים בפריקות זרם גבוה, שבהן ערוץ הפלזמה של הזרם הזורם נדחס על ידי השדה המגנטי שלו של הזרם - מה שנקרא צביטה.

אם הפריקה מתרחשת בתווך של יסודות קלים, למשל, בתווך מימן, אז היא ממלאת את התפקיד של מאיץ יעיל של אלקטרונים על ידי השדה החשמלי הנוצר בפריקה עצמה. פריקה זו יכולה לחרוג משמעותית מהשדה שנוצר על ידי מקור זרם חיצוני. בדרך זו מתקבלים פולסים של קרינת רנטגן קשה עם אנרגיה גבוהה של קוונטים שנוצרו (מאות קילו-אלקטרון-וולט), בעלות הספק חודר גבוה.

כדי לקבל קרני רנטגן בטווח ספקטרלי רחב משתמשים במאיצי אלקטרונים - סינכרוטרונים. בהם נוצרת קרינה בתוך תא ואקום טבעתי, בו נעה במסלול מעגלי אלומה מכוונת צר של אלקטרונים בעלי אנרגיה גבוהה, המואצת כמעט למהירות האור. במהלך הסיבוב, בהשפעת שדה מגנטי, פולטים אלקטרונים מעופפים אלומות של פוטונים באופן משיק למסלול בספקטרום רחב, שהמקסימום שבהם נופל על טווח קרני הרנטגן.

כיצד מגלים קרני רנטגן

במשך זמן רב, נעשה שימוש בשכבה דקה של זרחן או תחליב צילומי המוחל על פני צלחת זכוכית או סרט פולימר שקוף כדי לזהות ולמדוד קרינת רנטגן.הראשון האיר בטווח האופטי של הספקטרום תחת פעולת קרינת רנטגן, בעוד השקיפות האופטית של הציפוי השתנתה בסרט תחת פעולת תגובה כימית.

כיום משתמשים לרוב בגלאים אלקטרוניים לרישום קרינת רנטגן – מכשירים המייצרים פולס חשמלי כאשר קוואנטום של קרינה נבלע בנפח הרגיש של הגלאי. הם נבדלים זה מזה בעיקרון של המרת האנרגיה של הקרינה הנקלטת לאותות חשמליים.

ניתן לחלק את גלאי רנטגן ברישום אלקטרוני ליינון, שפעולתו מבוססת על יינון של חומר, ולרדיו-luminescent, לרבות נצנץ, תוך שימוש בהארה של חומר בפעולת קרינה מייננת. גלאי יינון, בתורם, מחולקים למילוי גז ומוליך למחצה, בהתאם למדיום הזיהוי.

הסוגים העיקריים של גלאים מלאי גז הם תאי יינון, מוני גייגר (מוני גייגר-מולר) ומדדי פריקת גז פרופורציונלית. כמויות קרינה החודרות לסביבת העבודה של הדלפק גורמות ליינון הגז ולזרימת הזרם, הנרשמת. בגלאי מוליכים למחצה, נוצרים זוגות אלקטרונים-חורים בפעולת קוונטות קרינה, המאפשרות גם לזרום זרם חשמלי בגוף הגלאי.

המרכיב העיקרי של מוני הניצוץ במכשיר ואקום הוא צינור פוטו-מכפיל (PMT), המשתמש באפקט הפוטואלקטרי כדי להמיר קרינה לזרם של חלקיקים טעונים ולתופעת פליטת אלקטרונים משנית כדי להגביר את הזרם של החלקיקים הטעונים שנוצרים. לפוטו-מכפיל יש פוטו-קתודה ומערכת של אלקטרודות מאיץ רציפות - דינודות, שבפגיעה בהן מתרבים אלקטרונים מואצים.

מכפיל אלקטרונים משני הוא מכשיר ואקום פתוח (פועל רק בתנאי ואקום), שבו קרינת רנטגן בכניסה מומרת לזרם של אלקטרונים ראשוניים ולאחר מכן מוגברת עקב פליטה משנית של אלקטרונים כשהם מתפשטים בערוץ המכפיל..

לוחות מיקרו-ערוציים, שהם מספר עצום של תעלות מיקרוסקופיות נפרדות החודרות לגלאי הלוחות, פועלות לפי אותו עיקרון. הם יכולים בנוסף לספק רזולוציה מרחבית ויצירת תמונה אופטית של חתך השטף המתרחש על גלאי קרינת רנטגן על ידי הפצצת זרימת האלקטרונים היוצאת של מסך חצי שקוף עם זרחן שהופקד עליו.

צילומי רנטגן ברפואה

היכולת של קרני רנטגן לזרוח דרך עצמים חומריים לא רק מעניקה לאנשים את היכולת ליצור צילומי רנטגן פשוטים, אלא גם פותחת אפשרויות לכלי אבחון מתקדמים יותר. לדוגמה, הוא נמצא בלב ליבה של טומוגרפיה ממוחשבת (CT).

מקור הרנטגן והמקלט מסתובבים בתוך הטבעת שבה שוכב המטופל. הנתונים המתקבלים על האופן שבו רקמות הגוף קולטות קרני רנטגן משוחזרים על ידי מחשב לתמונה תלת מימדית. CT חשוב במיוחד לאבחון שבץ מוחי, ולמרות שהוא פחות מדויק מהדמיית תהודה מגנטית של המוח, הוא לוקח הרבה פחות זמן.

כיוון חדש יחסית, שמתפתח כעת במיקרוביולוגיה וברפואה, הוא השימוש בקרינת רנטגן רכה. כאשר אורגניזם חי שקוף, הוא מאפשר לקבל תמונה של כלי דם, לחקור בפירוט את מבנה הרקמות הרכות, ואפילו לבצע מחקרים מיקרוביולוגיים ברמה התאית.

מיקרוסקופ רנטגן המשתמש בקרינה מפריקה מסוג צביטה בפלזמה של יסודות כבדים מאפשר לראות פרטים כאלה של מבנה תא חי,שלא ניתן לראות במיקרוסקופ אלקטרוני אפילו במבנה סלולרי שהוכן במיוחד.

אחד מסוגי הטיפול בקרינה המשמשים לטיפול בגידולים ממאירים עושה שימוש בקרני רנטגן קשות, המתאפשרות בשל השפעתו המייננת, ההורסת את הרקמה של עצם ביולוגי. במקרה זה, מאיץ אלקטרונים משמש כמקור קרינה.

רדיוגרפיה בטכנולוגיה

קרני רנטגן רכות משמשות במחקר שמטרתו לפתור את בעיית היתוך תרמו-גרעיני מבוקר. כדי להתחיל את התהליך, אתה צריך ליצור גל הלם רתיעה על ידי הקרנת מטרת דאוטריום וטריטיום קטנה בקרני רנטגן רכות מפריקה חשמלית וחימום מיידי של המעטפת של מטרה זו למצב פלזמה.

גל זה דוחס את חומר המטרה לצפיפות גבוהה פי אלפי מצפיפות של מוצק, ומחמם אותו לטמפרטורה תרמו-גרעינית. שחרור אנרגיית היתוך תרמו-גרעיני מתרחש תוך זמן קצר, בעוד הפלזמה החמה מתפזרת על ידי אינרציה.

היכולת לשקוף מאפשרת רדיוגרפיה - טכניקת הדמיה המאפשרת להציג את המבנה הפנימי של חפץ אטום עשוי מתכת, למשל. לא ניתן לקבוע בעין אם מבני הגשר מרותכים היטב, האם התפר בצינור הגז אטום והאם המסילות מתאימות זו לזו.

לכן, בתעשייה משתמשים ברנטגן לאיתור פגמים - ניטור מהימנות מאפייני העבודה והפרמטרים העיקריים של אובייקט או אלמנטים בודדים שלו, שאינו מצריך הוצאת האובייקט משירות או פירוקו.

ספקטרומטריית הקרינה של קרני רנטגן מבוססת על השפעת הקרינה - שיטת ניתוח המשמשת לקביעת ריכוזי יסודות מבריליום ועד אורניום בטווח שבין 0,0001 ל-100% בחומרים ממקורות שונים.

כאשר מקרינים דגימה בשטף עוצמתי של קרינה מצינור רנטגן, מופיעה קרינה ניאון אופיינית של אטומים, שהיא פרופורציונלית לריכוזם בדגימה. כיום, כמעט כל מיקרוסקופ אלקטרונים מאפשר לקבוע, ללא כל קושי, את הרכב היסודות המפורט של המיקרו-אובייקטים הנחקרים בשיטת ניתוח הקרינה של קרני רנטגן.

צילומי רנטגן בתולדות האמנות

היכולת של קרני רנטגן לזרוח וליצור אפקט פלואורסצנטי משמשת גם ללימוד ציורים. מה שמסתתר מתחת לשכבת הצבע העליונה יכול לספר הרבה על ההיסטוריה של יצירת הבד. למשל, בעבודה המיומנת עם כמה שכבות של צבע ניתן למצוא תמונה כייחודית ביצירתו של אמן. כמו כן, חשוב לקחת בחשבון את מבנה שכבות הציור בבחירת תנאי האחסון המתאימים ביותר לקנבס.

עבור כל זה, קרינת רנטגן היא הכרחית, המאפשרת לך להסתכל מתחת לשכבות העליונות של התמונה מבלי לפגוע בה.

התפתחויות חשובות בכיוון זה הן שיטות חדשות המתמחות לעבודה עם יצירות אמנות. הקרינה מקרוסקופית היא גרסה של ניתוח הקרינה של קרני רנטגן המתאימה היטב להמחשת מבנה ההפצה של אלמנטים מרכזיים, בעיקר מתכות, הנמצאים בשטחים של כ-0.5-1 מ ר או יותר.

מצד שני, למינוגרפיה של קרני רנטגן, גרסה של טומוגרפיה ממוחשבת של קרני רנטגן, המתאימה יותר לחקר משטחים שטוחים, נראית מבטיחה להשגת תמונות של שכבות בודדות של תמונה. ניתן להשתמש בשיטות אלו גם ללימוד ההרכב הכימי של שכבת הצבע. זה מאפשר לתארך את הבד, כולל על מנת לזהות זיוף.

צילומי רנטגן מאפשרים לך לגלות את המבנה של חומר

קריסטלוגרפיה בקרני רנטגן היא כיוון מדעי הקשור לזיהוי מבנה החומר ברמה האטומית והמולקולרית. תכונה ייחודית של גופים גבישיים היא חזרה מרובת סדר במבנה המרחבי של אותם יסודות (תאים), המורכבת מקבוצה מסוימת של אטומים, מולקולות או יונים.

שיטת המחקר העיקרית מורכבת מחשיפת דגימה גבישית לקרן צרה של קרני רנטגן באמצעות מצלמת רנטגן. התצלום שהתקבל מראה תמונה של קרני רנטגן מפוזרות העוברות דרך הגביש, שממנה יכולים המדענים להציג חזותית את המבנה המרחבי שלו, הנקרא סריג הגביש. דרכים שונות ליישום שיטה זו נקראות ניתוח מבני רנטגן.

ניתוח מבני רנטגן של חומרים גבישיים מורכב משני שלבים:

1. קביעת גודל התא היחידה של הגביש, מספר החלקיקים (אטומים, מולקולות) בתא היחידה וסימטריה של סידור החלקיקים. נתונים אלו מתקבלים על ידי ניתוח הגיאומטריה של המיקום של מקסימום העקיפה.
2. חישוב צפיפות האלקטרונים בתוך תא היחידה וקביעת הקואורדינטות האטומיות, המזוהות עם המיקום של מקסימום צפיפות האלקטרונים. נתונים אלו מתקבלים על ידי ניתוח עוצמת מרבית העקיפה.

כמה ביולוגים מולקולריים חוזים כי בהדמיית המולקולות הגדולות והמורכבות ביותר, קריסטלוגרפיית רנטגן עשויה להיות מוחלפת בטכניקה חדשה הנקראת מיקרוסקופ אלקטרוני קריוגני.

אחד הכלים החדשים ביותר בניתוח כימי היה סורק הסרטים של הנדרסון, שבו השתמש בעבודתו החלוצית במיקרוסקופ אלקטרוני קריוגני. עם זאת, שיטה זו עדיין די יקרה ולכן לא סביר שתחליף לחלוטין קריסטלוגרפיה של קרני רנטגן בעתיד הקרוב.

תחום חדש יחסית של מחקר ויישומים טכניים הקשורים לשימוש בקרני רנטגן הוא מיקרוסקופ רנטגן. הוא נועד לקבל תמונה מוגדלת של האובייקט הנחקר במרחב אמיתי בדו או תלת מימד באמצעות אופטיקה של מיקוד.

גבול הדיפרקציה של הרזולוציה המרחבית במיקרוסקופ בקרני רנטגן עקב אורך הגל הקטן של הקרינה שבה נעשה שימוש הוא טוב פי 1000 בערך מהערך המקביל למיקרוסקופ אופטי. בנוסף, כוחה החודר של קרינת הרנטגן מאפשר לחקור את המבנה הפנימי של דגימות אטומות לחלוטין לאור הנראה.

ולמרות שלמיקרוסקופיה אלקטרונית יש יתרון ברזולוציה מרחבית מעט גבוהה יותר, אין זו שיטת חקירה לא הרסנית, שכן היא דורשת ואקום ודגימות עם משטחים מתכתיים או מתכתיים, שהינה הרסנית לחלוטין, למשל, עבור עצמים ביולוגיים.