Все это осуществляется без разрушения образца, и поэтому можно проводить исследование на живых объектах. Такой метод называют ЯМР-интроскопией (об интроскопии см. § 19.8) или магнито-резонансной томографией (МРТ). Он позволяет различать кости, сосуды, нормальные ткани и ткани со злокачественной патологией. ЯМР-интроскопия позволяет различать изображение мягких тканей, например, отличает изображение серого вещества мозга от белого, опухолевых клеток от здоровых, при этом минимальные размеры патологических «включений» могут составлять доли миллиметра. Можно ожидать, что ЯМР-интроскопия станет эффективным методом диагностики заболеваний, которые связаны с изменением состояний органов и тканей.
Частота электромагнитных волн, вызывающих переходы между энергетическими состояниями при ЭПР и ЯМР, соответствует радиодиапазону. Поэтому оба этих явления относятся к радиоспектроскопии.
РАЗДЕЛ 8
Ионизирующие излучения. Основы дозиметрии
Ионизирующим излучением называют потоки частиц и электромагнитных квантов, взаимодействие которых со средой приводит к ионизации ее атомов и молекул. Ионизирующим излучением являются рентгеновское и g-излучения, потоки a-частиц, электронов, позитронов, протонов, нейтронов.
В разделе описываются как источники ионизирующего излучения (рентгеновские трубки, радионуклиды1, ускорители), так и физические вопросы применения этого излучения для медицинских целей.
Медикам и биологам несомненно интересны и такие вопросы, как взаимодействие ионизирующего излучения с веществом и элементы дозиметрии ионизирующего излучения.
1 Нуклиды — атомы, ядра которых отличаются по своему составу, т. е. содержат различные количества протонов или нейтронов либо и тех и других частиц. В ряде случаев этот термин относят к общему названию атомных ядер. Радионуклиды — нуклиды, способные к радиоактивному распаду.
ГЛАВА 26
Рентгеновское излучение
Рентгеновским излучением называют электромагнитные волны с длиной приблизительно от 80 до 105 нм. Наиболее длинноволновое рентгеновское излучение перекрывается коротковолновым ультрафиолетовым, коротковолновое — длинноволновым g-излучением. По способу получения рентгеновское излучение подразделяют на тормозное и характеристическое.
§ 26.1. Устройство рентгеновской трубки. Тормозное рентгеновское излучение
Наиболее распространенным источником рентгеновского излучения является рентгеновская трубка, которая представляет собой двухэлектродный вакуумный прибор (рис. 26.1). Подогревный катод 1 испускает электроны 4. Анод 2, называемый часто антикатодом, имеет наклонную поверхность, для того чтобы направить возникающее рентгеновское излучение 3 под углом к оси трубки. Анод изготовлен из хорошо проводящего тепло материала для отвода теплоты, образующейся при ударе электронов. Поверхность анода выполнена из тугоплавких материалов, имеющих большой порядковый номер в таблице Менделеева, например из вольфрама. В от 
дельных случаях анод специально охлаждают водой или маслом.
Для диагностических трубок важна точечность источника рентгеновских лучей, чего можно достигнуть, фокусируя электроны в одном месте анода (антикатода). Поэтому конструктивно приходится учитывать две противоположные задачи: с одной стороны, электроны должны попадать на одно место антикатода, с другой стороны, чтобы не допустить перегрева, желательно распределение электронов по разным участкам анода. В качестве одного из интересных технических решений является рентгеновская трубка с вращающимся анодом (рис. 26.2).
В результате торможения электрона (или иной заряженной частицы) электростатическим полем атомного ядра и атомных электронов веществ антикатода возникает тормозное рентгеновское излучение.
Механизм его можно пояснить следующим образом. С движущимся электрическим зарядом связано магнитное поле, индукция которого зависит от скорости электрона. При торможении уменьшается магнитная индукция и в соответствии с теорией Максвелла появляется электромагнитная волна.
При торможении электронов лишь часть энергии идет на создание фотона рентгеновского излучения, другая часть расходуется на нагревание анода. Так как соотношение между этими частями случайно, то при торможении большого количества электронов возникает рентгеновское излучение с непрерывным (сплошным) спектром. На рис. 26.3 представлены зависимости потока рентгеновского излучения от длины волны l (спектры) при разных напряжениях на рентгеновской трубке: U1 <U2<U3.
В каждом из спектров наиболее коротковолновое тормозное излучение, соответствующее длине волны l min, возникает тогда, когда энергия, приобретенная электроном в ускоряющем поле, полностью переходит в энергию фотона:
|
откуда
Эту формулу можно преобразовать в более удобное для практических целей выражение:
где lmin — минимальная длина волны, 10 10 м; U — напряжение, кВ. Формула (26.3) соответствует рис. 26.3.
Коротковолновое рентгеновское излучение обычно обладает большей проникающей способностью, чем длинноволновое, и называется жестким, а длинноволновое — мягким.
Увеличивая напряжение на рентгеновской трубке, изменяют спектральный состав излучения, увеличивая долю жесткой компоненты, как это видно из рис. 26.3 и формулы (26.3).
Если увеличить температуру накала катода, то возрастут эмиссия электронов и сила тока в трубке. Это приведет к увеличению числа фотонов рентгеновского излучения, испускаемых каждую секунду. Спектральный состав его не изменится. На рис. 26.4 показаны спектры тормозного рентгеновского излучения при одном напряжении, но при разной силе тока накала катода: 1н1 < /н2.
Поток рентгеновского излучения вычисляется по формуле
где U и I — напряжение между электродами и сила тока в рентгеновской трубке, Z — порядковый номер атома вещества антикатода, k = 10-9 В-1 — коэффициент пропорциональности. Спектры, полученные от разных антикатодов при одинаковых U и Iн, изображены на рис. 26.5.
§ 26.2. Характеристическое рентгеновское излучение. Атомные рентгеновские спектры
Увеличивая напряжение на рентгеновской трубке, можно заметить на фоне сплошного спектра появление линейчатого, который соответствует характеристическому рентгеновскому излучению (рис. 26.6). Оно возникает вследствие того, что ускоренные электроны проникают в глубь атома и из внутренних слоев выбивают электроны. На свободные места переходят электроны с верхних уровней (рис. 26.7), в результате высвечиваются фотоны характеристического излучения.
Как видно из рисунка, характеристическое рентгеновское излучение состоит из серий К, L, М и т. д., наименование которых и послужило для обозначения электронных слоев. Так как при излучении Jf-серии освобождаются места в более высоких слоях, то одновременно испускаются и линии других серий.
В отличие от оптических спектров характеристические рентгеновские спектры разных атомов однотипны. На рис. 26.8 показаны спектры различных элементов. Однотипность этих спектров обусловлена тем, что внутренние слои у разных атомов одинаковы и отличаются лишь энергетически, так как силовое воздействие со стороны ядра увеличивается по мере возрастания порядкового номера элемента. Это обстоятельство приводит к тому, что характеристические спектры сдвигаются в сторону больших частот с увеличением заряда ядра. Такая закономерность известна как закон Мозли:
где v — частота спектральной линии, Z — атомный номер испускающего элемента, А и В — постоянные.
Экспериментальные зависимости рис. 26.8 иллюстрируют закон Мозли (серии К, L, М, по оси абсцисс отложена длина волны 
Есть еще одна разница между оптическими и рентгеновскими спектрами. Характеристический рентгеновский спектр атома не зависит от химического соединения, в которое этот атом входит. Так, например, рентгеновский спектр атома кислорода одинаков для О, О2 и Н2О, в то время как оптические спектры этих соединений существенно различны. Эта особенность рентгеновского излучения атома послужила основанием и для его названия (характеристическое).
Характеристическое излучение возникает всегда при наличии свободного места во внутренних слоях атома независимо от причины, которая его вызвала. Так, например, характеристическое излучение сопровождает один из видов радиоактивного распада (см. § 27.1), который заключается в захвате ядром электрона с внутреннего слоя.
§ 26.3. Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом
Регистрация и использование рентгеновского излучения, а также воздействие его на биологические объекты определяются первичными процессами взаимодействия рентгеновского фотона с электронами атомов и молекул вещества.
В зависимости от соотношения энергии hv фотона и энергии ионизации1 Аи имеют место три главных процесса.
Когерентное (классическое) рассеяние. Рассеяние длинноволнового рентгеновского излучения происходит в основном без изменения длины волны, и его принято называть когерентным. Оно возникает, если энергия фотона меньше энергии ионизации: hv < Аи.
Так как в этом случае энергия фотона рентгеновского излучения и атома не изменяется, то когерентное рассеяние само по себе не вызывает биологического действия. Однако при создании защиты от рентгеновского излучения следует учитывать возможность изменения направления первичного пучка. Этот вид взаимодействия имеет значение для рентгеноструктурного анализа (см. § 19.7).
Некогерентное рассеяние (эффект Комптона).В 1922 г. А. X. Комптон, наблюдая рассеяние жестких рентгеновских лучей, обнаружил уменьшение проникающей способности рассеянного пучка по сравнению с падающим. Это означало, что длина волны рассеянного рентгеновского излучения больше, чем падающего. Рассеяние рентгеновского излучения с изменением длины волны принято называть некогерентным, а само явление — эффектом Комптона.
Он возникает, если энергия фотона рентгеновского излучения больше энергии связи электрона в атоме (энергии ионизации): hv >Аи.
Так как обычно hv >> Аи, и тогда эффект Комптона происходит как бы на свободных электронах, то можно записать приближенно
Это явление обусловлено тем, что при взаимодействии с атомом энергия hv фотона расходуется на образование нового рассеянного фотона рентгеновского излучения с энергией hv', на отрыв электрона от атома (энергия ионизации Ая) и сообщение электрону кинетической энергии Еи:
Существенно, что в этом явлении (рис. 26.9) наряду с вторичным рентгеновским излучением (энергия hv' фотона) появляются электроны отдачи (кинетическая энергия Ек электрона). Атомы или молекулы при этом становятся ионами.
Фотоэффект. При фотоэффекте рентгеновское излучение поглощается атомом, в результате чего вылетают электроны из глубоких оболочек атома. Если энергия фотона недостаточна для ионизации, то фотоэффект может проявляться в возбуждении атомов без вылета электронов. Три основных процесса взаимодействия, рассмотренные выше, являются первичными, они приводят к последующим вторичным, третичным и т. д. явлениям. Так, например, атомы с вакансией (отсутствием) электрона на одной из внутренних оболочек могут излучать характеристический рентгеновский спектр, возбужденные атомы могут стать источниками видимого света (рентгенолю-минесценция) и т. п.
На рис. 26.10 приводится схема возможных процессов, возникающих при попадании рентгеновского излучения в вещество.
Может происходить несколько десятков процессов, подобных изображенному, прежде чем энергия рентгеновского фотона перейдет в энергию молекулярно-теплового движения.
Процессы, представленные схемой рис. 26.10, лежат в основе явлений, наблюдаемых при действии рентгеновского излучения на вещество. Перечислим некоторые из них.
Рентгенолюминесценция — свечение ряда веществ при рентгеновском облучении. Такое свечение платиносинеродистого бария позволило Рентгену открыть лучи. Это явление используют для создания специальных светящихся экранов с целью визуального наблюдения рентгеновского излучения, иногда для усиления действия рентгеновских лучей на фотопластинку.
Известно химическое действие рентгеновского излучения, например образование перекиси водорода в воде. Практически важный пример — воздействие на фотопластинку, что позволяет фиксировать такие лучи.
Ионизирующее действие проявляется в увеличении электропроводимости под воздействием рентгеновских лучей. Это свойство используют в дозиметрии для количественной оценки действия этого вида излучения.
В результате многих процессов первичный пучок рентгеновского излучения ослабляется в соответствии с законом (24.3). Запишем его в виде
где m — линейный коэффициент ослабления. Его можно представить состоящим из трех слагаемых соответствующих когерентному рассеянию mк, некогерентному mнк и фотоэффекту mф:
Поток рентгеновского излучения ослабляется пропорционально числу атомов вещества, через которое этот поток проходит. Если сжать вещество вдоль оси X, например, в b раз, увеличив в b раз его плотность, то ослабление пучка не изменится, так как число атомов остается прежним. Следовательно, показатель степени в формуле (26.8) не изменится:
х2 — x1/b, так как при сжатии толщина поглощающего слоя уменьшилась в bраз. Из (26.10) имеем m1 = m 2/b.
Это означает, что линейный коэффициент ослабления зависит от Плотности вещества.
Поэтому предпочитают пользоваться массовым коэффициентом ослабления, который равен отношению линейного коэффициента ослабления к плотности поглотителя и не зависит от плотности вещества:
1 Здесь под энергией ионизации понимают энергию, необходимую для удаления внутренних электронов за пределы атома или молекулы.
§ 26.4. Физические основы применения рентгеновского излучения в медицине
Одно из наиболее важных медицинских применений рентгеновского излучения — просвечивание внутренних органов с диагностической целью (рентгенодиагностика).
Для диагностики используют фотоны с энергией порядка 60— 120 кэВ. При этой энергии массовый коэффициент ослабления в основном определяется фотоэффектом. Его значение обратно пропорционально третьей степени энергии фотона (пропорционально ^.3), в чем проявляется большая проникающая способность жесткого излучения, и пропорционально третьей степени атомного номера вещества-поглотителя:
где k — коэффициент пропорциональности.
Поглощение рентгеновских лучей почти не зависит от того, в каком соединении атом представлен в веществе, поэтому можно легко сравнить по формуле (26.12) массовые коэффициенты ослабления m тк кости Са3(РО4)2 и m тв мягкой ткани или воды Н2О. Атомные номера Са, Р, О и Н соответственно равны 20, 15, 8 и 1. Подставив эти числа в (26.12), получим
Существенное различие поглощения рентгеновского излучения разными тканями позволяет в теневой проекции видеть изображения внутренних органов тела человека.
Рентгенодиагностику используют в двух вариантах: рентгеноскопия — изображение рассматривают на рентгенолюминесцирующем экране, рентгенография — изображение фиксируется на фотопленке.
Если исследуемый орган и окружающие ткани примерно одинаково ослабляют рентгеновское излучение, то применяют специальные контрастные вещества. Так, например, наполнив желудок и кишечник кашеобразной массой сульфата бария, можно видеть их теневое изображение.
Яркость изображения на экране и время экспозиции на фотопленке зависят от интенсивности рентгеновского излучения. Если его используют для диагностики, то интенсивность не может быть сделана большой, чтобы не вызвать нежелательных биологических последствий. Поэтому имеется ряд технических приспособлений, улучшающих изображение при малых интенсивностях рентгеновского излучения. При массовом обследовании населения широко используется вариант рентгенографии — флюорография, при которой на чувствительной малоформатной пленке фиксируется изображение с большого рентгенолюминесцирующего экрана. При съемке используют линзу большой светосилы, готовые снимки рассматривают на специальном увеличителе.
Интересным и перспективным вариантом рентгенографии является метод, называемый рентгеновской томографией, и его «машинный вариант» — компьютерная томография.
Рассмотрим этот вопрос.
Обычная рентгенограмма охватывает большой участок тела, причем различные органы и ткани затеняют друг друга. Можно избежать этого, если периодически совместно (рис. 26.11) в противоположных направлениях перемещать рентгеновскую трубку РТ и фотопленку Фп относительно объекта Об исследования. В теле имеется ряд непрозрачных для рентгеновских лучей включений, они показаны кружочками на рисунке. Как видно, рентгеновские лучи при любом положении рентгеновской трубки (1, 2 и т. д.) проходят через одну и ту же точку объекта, являющуюся центром, относительно которого совершается периодическое движение РТ и Фп. Эта точка, точнее небольшое непрозрачное включение, показана темным кружком. Его теневое изображение перемещается вместе с Фп, занимая последовательно положения 1, 2 и т. д. Остальные включения в теле (кости, уплотнения и др.) создают на Фп некоторый общий «фон», так как рентгеновские лучи непостоянно затеняются ими. Изменяя положение «центра качания», можно получить послойное рентгеновское изображение тела. Отсюда и название — томография (послойная запись).
Можно, используя тонкий пучок рентгеновского излучения, экран (вместо фотопленки), состоящий из полупроводниковых детекторов ионизирующего излучения (см. § 27.5), и ЭВМ, обработать теневое рентгеновское изображение при томографии. Такой современный вариант томографии (вычислительная или компьютерная рентгеновская томография) позволяет получать послойные изображения тела на экране электронно-лучевой трубки или на бумаге с деталями менее 2 мм при различии поглощения рентгеновского излучения до 0,1%. Это позволяет, например, различать серое и белое вещество мозга и видеть очень маленькие опухолевые образования.
Первая Нобелевская премия была присуждена К. Рентгену (1901), в 1979 г. Нобелевская премия была присуждена Г. Хаунсфилду и Мак-Кормаку за разработку компьютерного рентгеновского томографа.
С лечебной целью рентгеновское излучение применяют главным образом для уничтожения злокачественных образований (рентгенотерапия).
ГЛАВА 27
