РЕНТГЕНОВЫ ЛУЧИ

ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА РЕНТГЕНОВЫХ ЛУЧЕЙ

Ентгеновы лучи были, открыты в 1895 году немец­ким физиком Рентгеном во время работы с прибо­ром, представляющим закрытую со всех сторон стеклян­ную трубку, из которой почти полностью удалён воздух.

Подобная трубка изображена на рисунке 3. Внутри неё укреплены две металлические пластинки (электроды), от которых наружу отходят тонкие проволоки, впаянные в стекло.

Если такую трубку включить в электрическую цепь, то при известных условиях через неё может итти эле­ктрический ток. Электрический ток в трубке представ­ляет собой поток мельчайших заряженных частиц, из которых состоит всякое вещество: электронов и ионов. Такая трубка называется разрядной*). •

Рентген в1 своей работе интересовался именно свой­ствами электрического тока, идущего через газ. У него были трубки разных форм и размеров, и учёный хотел выяснить, как отражается на электрическом токе форма и размеры трубок.

Однажды поздно вечером Рентген один кончал ра­боту в лаборатории. Ои закрыл трубку картонным фут­ляром, потушил свет и хотел выключить электрический ток, шедший ещё через трубку, как вдруг увидел в стороне от неё на столе светя­щийся предмет. Ока­залось, что это све­тится кусок картона, покрытый особым со-г ставом: платиново-синеродистой солью бария. Это ве­щество замечательно тем, что начинает светиться, если на него падает видимый свет. Но была ночь, в комнаге было темно, а экран светился. Рентген выключил ток в трубке. Экран перестал светиться.

В эту ночь учёный так и не ушёл домой. Он начал выяснять, почему в комнате, в которой действует раз­рядная трубка, платиново-синеродистый барий светится.

Скоро Рентгену удалось установить причину этого свечения. Оказалось, что один из электродов трубки становился источником невидимых лучей, которые обла­дали многими замечательными свойствами; и самым уди­вительным была их способность проходить через тела, непрозрачные для видимого света!

Оказалось, что под действием новых неизвестных лу­чей воздух становился хорошим проводником электри­чества. Наэлектризованные тела быстро теряли свой заряд, если поблизости от них работал источник лучей Рентгена.

Неизвестные лучи, как выяснилось, оказывали воз­действие на фотографическую пластинку, подобное дей­ствию видимого света.

Открытие Рентгена вызвало большой интерес.. Мно­гие учёные начали изучать новые лучи, стремясь выяс­нить их физическую природу.

Одним из первых начал работать с неизвестными лу­чами знаменитый русский учёный, изобретатель радио, А. С. Попов, который построил первую в России ориги­нальную трубку для получения новых лучей. Первое1 время природа этих лучей казалась совершенно зага­дочной и необъяснимой. Именно поэтому их назвали

Сначала «Х-лучами» (икс-лучами), то-есть «неизвестными лу­чами». В настоящее время, однако, эти лучи принято назы­вать рентгено­выми или рент­геновскими.

Современные рент­геновские трубки' устроены несколько иначе, чем трубка, с которой работал Рентген.

Как же устроена и как работает со­временная рентгенов­ская трубка?

Для того чтобы лучше понять это, сравним её с обык­новенной электриче­ской лампочкой, изо­бражённой на ри­сунке 4.

Она состоит из стеклянного тонко­стенного баллона (пузыря), к которому прочно прикреп­лён металлический колпачок, называемый цоколем. Внутри баллона в стеклянной ножке впаяны две проволоки, под­водящие ток; они соединены металлической спиралью, которая изготовляется из тончайшей вольфрамовой про­волочки. Вольфрам — это редкий и очень тугоплавкий металл.. Он расплавляется только при температуре, пре­вышающей 3 ООО градусов. Из баллона электрической лампочки полностью выкачивается воздух, и после этого

Баллон запаивается. Для «зажигания» электрической лампочки нужно пропустить через неё электрический ток.. Движение электрического тока по проводам напоминает течение жидкости по трубам, только по проводам течёт не жидкость, а передвигаются электроны, то-есть мель­чайшие частицы, несущие на себе отрицательный заряд.

Обычно электроны находятся внутри атомоз, из ко­торых и состоят все окружающие нас тела. Внутри ато­мов электроны удерживает электрическая сила притя­жения к положительно заряженному ядру атома. Но в некоторых веществах, например в металлах» атомы рас­полагаются таким образом, что связь отдельных - электро­нов с ядрами ослабевает, электроны становятся свобод­ными, то-есть могут свободно передвигаться з металле между атомами.

Вот такие-то «свободные электроны» и образуют электрический ток в металле.

Тот проводник, по которому электроны притекают к вольфрамовой нити лампы, называется отрицатель­ным!, а - тот, по которому они уходят прочь, — ПОЛОЖИ-' тельным.

Атомы металла не принимают участия в этом дви­жении электронов вдоль проводника, они остаются на своих местах и образуют атомную решётку, остов про­водника.

При своём - движении по проводнику электроны стал­киваются с атомами решётки.

В результате этих многочисленных столкновений плавное движение потока электронов вдоль проводника нарушается. Отдельные электроны при ударе резко ме­няют направление своего движения. Возникает беспо­рядочное их движение по различным направлениям внутри металла.

Удары электронов раскачивают атомы, которые на­чинают. колебаться, каждый около своего места в ре­шётке.

Энергия колебаний атомов есть тепловая энергия, выделяющаяся, при, прохождении электрического тока по проводнику.

При обычной температуре электроны металла, сво­бодно передвигаясь, внутри него, не могут в то же вре­мя - выбраться наружу. Атомы, потерявшие электроны,,

Заряжены положительно, они - притягивают обратно внутрь металла те электроны, которые попадают на по­верхность.

Но при достаточно большой температуре скорости движения электронов настолько возрастают, что такие быстрые электроны оказываются способными преодолеть силы притяжения и вырваться из металла наружу.

Поэтому раскалённое тело, а в нашем случае — вольфрамовая нить, будет испускать во все стороны электроны.

Вокруг светящейся нити обыкновенной лампочки об­разуется обычно целое облачко из электронов, вылетев­ших из неё.

Посмотрим теперь на рисунок 5. Здесь изображена схема устройства рентгеновской трубки.

В такой трубке также имеется раскалённая нить, ис­пускающая электроны. Но в отличие от обыкновенной лампы вольфрамовая нить подсоединена к отрицатель­ному проводу источника напряжения. В то же время положительный провод введён внутрь лампы в виде осо­бого электрода, который называется анодом.

Положительно заряженный анод притягивает элект­роны, испущенные накалённой нитью (катодом). По­этому вылетевшие из катода электроны уже не обра­зуют электронного облачка около его поверхности, а уст­ремляются к аноду. Им на смену раскалённая нить ис­пускает новые. В такой лампе пойдёт электрический

Ток — поток электронов, с большой скоростью летящих от катода к аноду.

Для того чтобы нить всё время оставалась нагре­той, используется специальный источник электрического тока, изображённый на рисунке 5’.

Так устроены рентгеновские трубки. Источником рентгеновых лучей является анод, бомбардируемый по­током быстрых электронов. В рентгеновских трубках элек­троны двигаются с большой скоростью, вс много раз превышающей скорость пушечного снаряда. Если бы электрон с такой скоростью пустить двигаться вокруг Земли, он совершил бы кругосветное путешествие мень­ше, чем за секунду.

Поверхность анода рентгеновской трубки во время её работы подвергается непрерывному обстрелу электро­нами, текущими с катода. Подобно тому как при уда­рах молота о металл металл разогревается, разогре­вается и поверхность анода рентгеновской трубки, осо­бенно тот участок, который обстреливается электронам^. В этом месте, называемом фокусным пятном, ме­талл может даже частично проплавиться. Тут-то, как обнаружил Рентген, и зарождаются помимо выделяю­щегося тепла рентгеновы лучи. Они распространяются от фокусного пятна во все стороны.

Мы знаем теперь, что рентгеновы лучи возникают, когда быстро летящие электроны, сталкиваясь с ато­мами вещества, теряют при этих столкновениях свою энергию. Часть энергии электрона идёт при этом на раскачку атомов вещества, то-ееть на повышение его температуры, а часть энергии испускается в виде рент­геновых лучей, в виде лучистой энергии.

Всякий раз, когда электрон движется с ускорением или замедлением, он испускает электромагнитные вол­ны. Чем больше ускорение или замедление электрона, тем короче длина испускаемых электромагнитных волн.

Как теперь установлено, видимый свет также испус-. кается электронами, колеблющимися внутри атомов.

Быстрый электрон, ударяясь о поверхность анода, почти сразу останавливается. В этом случае очень ве­лико торможение электрона, а потому испускаемые при этом электромагнитные волны — рентгеновы лучи ■— обла­дают длиной волны примерно в 1 ООО раз меньшей, чем длина волны видимого света.

Чем быстрее двигался электрон перед ударом, тем большая потеря скорости произойдёт, тем короче длина волны рентгеновых лучей.

Но скорость электрона зависит от. того электриче­ского напряжения, которое приложено между катодом. и диодом, именно это напряжение и ускоряет электрон [3]).

Поэтому в зависимости от того, какое напряжение приложим мы к рентгеновской трубке, мы будем полу­чать различные лучи. Меньшее напряжение даёт нам мягкие лучи (более длинные волны), а большее — жёсткие лучи (волны более короткие).

На рисунке 6 показана рентгеновская трубка, приме­няемая в медицинских рентгеновских кабинетах. Она со­стоит из стеклянной трубки, длиною около 70 сантимет­ров. Средняя часть трубки раздута в виде шара. Внутрь её впаяны с одной стороны — катод (обозначен бук­вой К) (вольфрамовая проволока), с другой стороны — анод—(А). Катод, обычно оканчивающийся цоколем, как у электрической лампочки, имеет подводящий ток прово­локи и вольфрамовую спираль, более толстую, чем в обычной лампочке. Анод и катод рентгеновской трубки соединены с источником электрического напряжения. Спираль катода нагревается с помощью отдельного вспо­могательною источника тока.

Для работы рентгеновской трубки не годится широко используемый в быту и на производстве ток низкого на -

•пряжения. Его напряжение 120 или 220 вольт (вольт —■ единица. измерения напряжения).

Чтобы привести в действие рентгеновскую трубку, нужен ток с напряжением в 50 ООО—500 000 и йолее вольт, то-есть ток очень высокого напряжения. Для преобразования тока низкого напряжения в высоковольт­ный ток применяются специальные приборы, называемые электрическими трансформаторами *).

От трансформатора высокое напряжение подаётся к рентгеновской трубке или с помощью металлических проводов — шин, укреплённых на достаточном расстоя­нии от потолка с помощью специальных изоляторов, или по специальному высоковольтному кабелю.

Общий вид современной рентгеновской установки с рентгеновской трубкой в защитном чехле — кожухе по­казан на рисунке 7.

Открытые в конце прошлого века лучи Рентгена по­лучили в наше время широкое распространение. В Со­ветском Союзе имеется многочисленная сеть рентгеноз - ских установок и рентгеновских кабинетов — в больни­цах, госпиталях, научных учреждениях, ветеринарных лечебницах и на заводах. В Мобкве, Ленинграде и дру­гих крупных центрах вашей страны организованы спе­циальные рентгеновские институты.

*) О трансформаторах смотри ту же книжку Э. И. Адировича «Электрический ЇСК».

2 Жданов

В этих институтах проводится глубокое изучение природы рентгеновых лучей, а также методов их ' ис­пользования.

При исследовании рентгеновых лучей сразу встаёт вопрос’ об их обнаружении. В самом деле, каким обра­зом наблюдают невидимые лучи?

Для этого используют различные их свойства. Одно из свойств рентгеновых лучей состоит в том, что они вы­зывают свечение некоторых химических веществ. Ведь именно благодаря этому свойству Рентген и открыл эти лучи.

Если в темноте раскрыть коробочку с таким вещест­вом, то мы ничего не увидим. Но стоит только войти с ней в комнату, где работает рентгеновская установка, и подойти к ней так, чтобы рентгеновы лучи попали на светящийся состав, как в то же мгновение он засияет ярким светом, цвет которого зависит от того, какое ве­щество мы взяли, и будет светиться до тех пор, пока рентгеновы лучи падают на него. При этом самосветя - щееся вещество остаётся холодным. Стоит только вы­ключить ток в трубке, как свечение прекращается.

Свечение усиливается, если поднести коробку со све­тящимся составом поближе к рентгеновской трубке.

Такое собственное холодное свечение тел под дей­ствием какого-либо облучения называется флюорес­ценцией. Эта способность целого ряда веществ све­титься под действием рентгеновых лучей и используется для их обнаружения. Однако пользоваться порошком для наблюдения рентгеновых лучен неудобно. Поэтому для наблюдения свечения химических веществ ПОД дёй-' ствием рентгеновых лучей изготовляют специальные флюоресцирующие экраны.

Для изготовления такого экрана берут большой лист картона и покрывают его тонким слоем клея, в котором размешан порошок светящегося состава, например сер­нистый цинк. Таким путём одна сторона картона будет равномерно покрыта слоем светящегося вещества. Кар­тон вставляют в деревянную рамку, а с той стороны, с которой наблюдают свечение, покрывают куском свин­цового стекла.

Свинцовое стекло — это прозрачное для видимых лу­чей стекло, в состав которого входит тяжёлый металл —■ свинец. Такое стекло позволяет видеть свечение серни­стого цинка, но в то же время задерживает рентгеновы лучи, благодаря чему они не попадают на врачей и об­служивающий персонал рентгеновского кабинета. Предо­хранение обслуживающего персонала от длительного воз­действия рентгеновых лучей необходимо, так как эти лучи могут вызвать опасные ожоги на человеческом теле.

Мы уже писали, что одним из замечательных свойств рентгеновых лучей является их способность проходить через тела, непрозрачные для видимого света. Но раз­личные вещества пропускают лучи не в одинаковой сте­пени. Лучи поглощаются, задерживаются телом. Проис­ходит это потому, что электромагнитные волны рентге­новых лучей взаимодействуют с электрическими заря­дами, находящимися внутри атомов вещества. Это легко видеть на следующем опыте. Если между рентгеновской трубкой и флюоресцирующим экраном поставить пла­стинку алюминия, свечение экрана станет слабее; чем толще будет стоящая на пути рентгеновых лучей пла­стинка, тем слабее будет светиться экран. Если вырезать в этой пластинке буквы или какую-либо фигуру, то лучи легче пройдут через вырезанное место, и в соответствую­щем месте экран засияет ярче. Это более яркое место покажет форму и положение выреза. Вырез может быть не сквозным, и можно даже сделать его внутри куска металла, а затем загородить ещё одним слоем алюми­ния. Тогда с помощью видимых лучей света этот вырез не будет заметен. Но на экране, светящемся под дей­ствием рентгеновых лучей, снова появится более яркое место, так как здесь лучам пришлось пройти меньшую толщу материала. На этом-то методе и основано просве­чивание непрозрачных тел лучами Рентгена. Светящийся экран можно заменить фотографической пластинкой.

Первые опыты получения рентгеновских фотографий произвёл сам Рентген вскоре после открытия мм «икс - лучей». Его опыты показали, что под действием рентге­новых лучей фотографическая пластинка чернеет так же, как и под действием солнечных лучей. Это дало возмож­ность разработать способ фотографирования рентгенов­ских изображений.

На рисунке 8 показано, каким образом получается рентгеновский снимок с куска металла, внутри которого имеется раковина (пустота). Кусок просвечиваемого ме­талла с раковиной помещается на пути рентгеновых

Лучей. Лучи, пройдя через кусок, попадают дальше на. фотографическую пластинку, на которой, и получается, фотография металла.

Р&нтгенвВские

Лучи

На рисунке 9 изображён рентгеновский снимок жи­вого хамелеона. Как мы видим, эта удивительная - фо­тография не похожа - на обычный- снимок,. На рентгенов­ской фотографии видны не только мускулы и кожа, но

И каста,. Каждая отдельная кость заметна так. хороша, как будто бы фотографировался скелет, лишённый, вся­ких мышц.

Рисунок 10. показывает рен, тг. енстск. ую фотографию руки человека*, раненного выстрелом, дробью, из охот,- ничьеш ружья* В, пальцах и в ладони, застряло, много.

Дробинок, положение которых очень хорошо видно; их легко сосчитать. Врачу-хирургу, имеющему такой рент­геновский снимок, значительно легче производить опера­цию по извлечению дробинок, чем делать это, руковод­ствуясь только наружным осмотром.

На рисунке 11 изображён другой рентгеновский сни­мок. Это—фотография заряженной охотничьей двухствол­ки. На фотографии видно, что патрон в левом стволе ружья заряжен картечью, а в правом — пулей. В патро­нах хорошо видны капсюля для воспламенения пороха. Снимок, кроме того, показывает, что ружьё не вполне
доброкачественное: в патронной части левого ствола имеется небольшая раковина, которая на фотографии' видна в виде небольшого белого кружка.

Итак, мы видим, что рентгеновские снимки не похожи на обычные фотографии. На этих снимках выявляется внутреннее строение просвечиваемых тел. Объясняется

Это, как уже говорилось, тем, что рентгеновы лучи, проходя сквозь тела, за­держиваются ими в раз­личной степени. Погло­щение рентгеновых лучей зависит от толщины и плотности тела и свойств самих рентгеновых лу­чей. ЧеМ1 тело плотнее и тяжелее и чем оно толще, тем сильнее задержива ются им рентгеновы лучи При просвечивании ру ки рентгеновы лучи задер живаются и мышцами и костями, но так как кости плотнее мышц, то они за­держивают рентгеновы лу­чи больше, чем мышцы. Металлы задерживают рентгеновы лучи сильнее, чем мышцы или кости. Поэтому если в челове­ческом теле имеются ча­стицы металла (дробинки, пули, осколки), то эти ча­стицы видны ещё яснее, чем кости и мышцы.

Из известных металлов легче всего лучи проходят через алюминий, идущий на изготовление самолётов; рентгеновы лучи могут пройти сквозь слой алюминия толщиной в полметра.

Больше всего задерживает рентгеновы лучи сви­нец. Слой этого металла толщиною в несколько мил­лиметров поглощает рентгеновы лучи почти пол­ностью.

Проникающая способность рентгеновых лучей или, как говорят ещё, их жёсткость не одинакова для всех лучей. Самые «мягкие» лучи Рентгена задержи­ваются даже тонким слоем вещества, они не годятся для просвечивания. Другие, более жёсткие лучи пронизы­вают кожу и мускулы человека, но задерживаются ко­стями. Наконец, если взять ещё более жёсткие лучи, они свободно пройдут и через кости человека или слой алюминия в десятки сантиметров толщиной, а поглотятся только более тяжёлыми металлами, как железо и сталь. Очевидно, такие лучи не годятся для исследования внут­реннего строения человеческого тела (так как они про­низывают все его части, практически не поглощаясь) и их надо использовать при просвечивании тяжёлых ме­таллов.

Но чем же определяется «жёсткость» рентгеновых лучей и как получить лучи нужной жёсткости?

Мы уже говорили, что рентгеновы лучи могут суще­ственно отличаться друг от друга по своей длине волны. Имеются лучи с длиной волны, составляющей одну сто­миллионную сантиметра, но можно получить лучи с ещё в сто раз меньшей длиной волны.

Опыт показал, что чем короче длина волны рентге­новых лучей, тем больше их жёсткость, т. е. проникаю­щая способность. Но длина волны лучей, испускаемых рентгеновской трубкой, как мы уже писали, зависит от напряжения электрического тока, на неё подаваемого. Если питать рентгеновскую трубку напряжением всего в 10 000 или 15 000 вольт, то мы получим очень мяг­кие рентгеновы лучи, которые не выйдут даже из трубки наружу, а все задержатся её стенками. Если поднять напряжение до 50 000 или 100 000 тысяч вольт, то та­кие лучи будут очень удобны для просвечивания чело­веческого тела и не слишком больших толщин лёгких ме­таллов (алюминия, магния), но не будут пригодны для просвечивания сталей.

Наконец, если поднять напряжение ещё выше, мож­но просвечивать далее тяжёлые металлы. Современные рентгеновские аппараты позволяют менять напряжение в широких пределах и, следовательно, получать как очень мягкие, так и очень жёсткие лучи.

С помощью приборов, изобретённых советскими учёны­ми Терлецким и Векслером, теперь удаётся получать

Электроны, двигающиеся с огромными скоростями (только на сотые доли процента меньшими, чем скорость света).

Ударяясь об а-нод, такие электроны рождают рент­геновы лучи с длиной волны, меньшей даже, чем длина волны упоминавшихся выше гамма-лучей.

Эти «искусственные гамма-лучи» дают возможность просвечивать слои тяжёлых металлов большой толщины.

Рентгеновы лучи оказывают воздействие и на живые организмы. Если пользоваться ими осторожно и в не* больших дозах, то действие это будет благотворно. Но в других случаях оно может принести и немалый вред. Больше всего этой опасности подвергаются люди, рабо­тающие в рентгеновских кабинетах, так как они больше в чаще других имеют дело с рентгеновыми лучами.

Вначале, когда только что были открыты рентгеновы лучи и свойства их ещё не были известны, учёные не знали, какую опасность могут они представлять. Но по­степенно было выяснено, в чём заключается это вред­нее действие лучей, и найдены меры защиты от него.

Действие рентгеновых лучей на человека можно срав­нить с действием лучей солнечных. Известно, что сол­нечный свет оказывает благотворное влияние на орга­низм человека, он укрепляет и закаляет его. Но солнеч­ны« лучи могут принести не только пользу. Если - человек, который ещё не прини-мал - солнечных ванн, пробудет на солнце длительное время-, то вместо пользы он причинит себе большой вред. Не привыкшая к солнечным лучам бе­лая- кожа получит тяжёлый солнечный ожог.

Рентгеновы лучи - при длительном действии на кожу человека - также вызывают ожог. Но этот ожог сущест­венно отличается от солнечного: он проявляется только через две недели и выражается в покраснении кожи. Если ожог был лёгкий, то это покраснение постепенно проходит, но при сильном ожоге на поражённом месте появляется трудно, заживающая* рана, след от которой остаётся на всю жизнь. Поэтому персонал, работающий в рентгеновских кабинетах, должен предохранять себя ет освещения рентгеновыми лучами. Для этой цели не­достаточно прикрыть своё тело обыкновенной одеждой? сквозь нее рентгеновы лучи, с которыми обычно прихо­дится работать, проходят совершенно свободно.

Посмотрите на рентгеновский снимок ноги в ботинке (рис. 12). Тут хорошо видны кости ступни и ноги, ме* таллические колечки, через которые продеваются шнур­ки, и гвозди, которыми прибит каблук, но кожа ботинка почти совершенно не видна, как будто её и нет.

Лучшей ЗЭЩЕТОЙ от рентгеновых лучей является сви­нец. Как мы уже сказали, листовой свинец толщиной в 2—5 миллиметров в зависимости от типа рентгеновской трубки, вырабатывающей рентгеновы лучи, полностью задерживает их. Поэтому рентгеновскую трубку обычно

Заключают в защитный свинцовый кожух с небольшим отверстием для выхода пучка рентгеновых лучей.

Однако свинец в виде листа металла не всегда удо­бен в качестве защитного материала. Он не прозрачен для обычных лучей, да и придать нужную форму тол­стому слою свинца бывает трудно. Поэтому стали из­готовлять другие защитные материалы: свинцовое стекло и просвинцованную резину.

Просвинцованная резина представляет собой обыкно­венную резину, в которую добавлен свинец. Такая ре­зина употребляется в рентгеновских кабинетах; из неё изготовляют защитные фартуки, рукавицы и шлемы.