A röntgensugárzás az elektromágneses sugárzás egy fajtája, amely valószínűleg leginkább arról ismert, hogy képes átlátni az ember bőrén, és képet adni az alatta lévő csontokról. A technológia fejlődése egyre erősebb és fókuszáltabb röntgensugarakhoz vezetett, valamint e fényhullámok egyre szélesebb körű alkalmazásához, a parányi biológiai sejtek és az olyan anyagok szerkezeti összetevőinek, mint a cement, leképezésétől a rákos sejtek elpusztításáig.

A röntgensugarakat nagyjából lágy és kemény röntgensugarakra osztják. A lágy röntgensugarak viszonylag rövid, körülbelül 10 nanométeres hullámhosszúak (egy nanométer a méter egy milliárdod része), és így az elektromágneses (EM) spektrumnak az ultraibolya (UV) fény és a gamma-sugárzás közötti tartományába esnek. A kemény röntgensugarak hullámhossza körülbelül 100 pikométer (egy pikométer a méter egy trilliomod része). Ezek az elektromágneses hullámok az EM-spektrumnak ugyanazt a tartományát foglalják el, mint a gamma-sugárzás. Az egyetlen különbség közöttük a forrásuk: A röntgensugárzást az elektronok felgyorsításával, míg a gamma-sugárzást az atommagok a négy nukleáris reakció valamelyikében keletkezik.

A röntgensugarak története

A röntgensugarakat 1895-ben fedezte fel Wilhelm Conrad Röentgen, a németországi Würzburgi Egyetem professzora. A Nondestructive Resource Center “History of Radiography” című kiadványa szerint Röentgen észrevette, hogy a nagyfeszültségű katódsugárcső közelében lévő kristályok fluoreszkáló fényt mutatnak, még akkor is, ha sötét papírral árnyékolta őket. A cső valamilyen energiát termelt, amely áthatolt a papíron, és a kristályok izzását okozta. Röentgen az ismeretlen energiát “röntgensugárzásnak” nevezte el. A kísérletek azt mutatták, hogy ez a sugárzás képes áthatolni a lágy szöveteken, de a csontokon nem, és árnyékképeket hoz létre a fotólemezeken.

Eért a felfedezésért Röentgen 1901-ben megkapta a legelső fizikai Nobel-díjat.

Röntgenforrások és hatások

A röntgensugárzás a Földön úgy is előállítható, hogy nagy energiájú elektronnyalábot küldünk egy olyan atomba, mint a réz vagy a gallium, Kelly Gaffney, a Stanfordi Szinkrotron Sugárzási Fényforrás igazgatója szerint. Amikor a sugárnyaláb az atomba csapódik, a belső héjban, az úgynevezett s-héjban lévő elektronok megrázkódnak, és néha kilökődnek a pályájukról. Az elektron vagy elektronok nélkül az atom instabillá válik, és így ahhoz, hogy az atom “ellazuljon” vagy visszatérjen az egyensúlyi állapotba, Gaffney szerint az úgynevezett 1p héjban lévő elektron beugrik, hogy kitöltse a rést. Az eredmény? Egy röntgensugár szabadul fel.

“A probléma ezzel az, hogy a fluoreszcencia minden irányba terjed” – mondta Gaffney a Live Science-nek. “Nem irányított és nem fókuszálható. Ez nem egy nagyon egyszerű módja annak, hogy nagy energiájú, fényes röntgensugár-forrást hozzunk létre.”

Elérkezik a szinkrotron, egyfajta részecskegyorsító, amely töltött részecskéket, például elektronokat gyorsít fel egy zárt, kör alakú pályán belül. Az alapvető fizika azt sugallja, hogy bármikor, amikor egy töltött részecskét felgyorsítunk, az fényt bocsát ki. A fény típusa az elektronok (vagy más töltött részecskék) energiájától és a mágneses mezőtől függ, amely körkörösen tolja őket, mondta Gaffney.

Mivel a szinkrotron elektronjai közel fénysebességre lökődnek, hatalmas mennyiségű energiát bocsátanak ki, különösen röntgenenergiát. És nem akármilyen röntgensugárzást, hanem egy nagyon erős, fókuszált röntgensugárzást.

A szinkrotron sugárzást először 1947-ben látták az Egyesült Államokban, a General Electricnél, az Európai Szinkrotron Sugárzási Létesítmény szerint. Ezt a sugárzást kellemetlenségnek tartották, mert a részecskék energiát veszítettek tőle, de később, az 1960-as években felismerték, hogy kivételes tulajdonságokkal rendelkező fény, amely felülmúlta a röntgencsövek hiányosságait. A szinkrotron sugárzás egyik érdekes tulajdonsága, hogy polarizált, azaz a fotonok elektromos és mágneses mezői mind ugyanabban az irányban oszcillálnak, ami lehet lineáris vagy körkörös.

“Mivel az elektronok relativisztikusak , amikor fényt bocsátanak ki, az végül előrefelé fókuszálódik” – mondta Gaffney. “Ez azt jelenti, hogy nem csak a fény megfelelő színű röntgensugárzást kapunk, és nem csak azért, mert sok elektron van tárolva, hanem előnyösen az előre irányuló irányba bocsátják ki őket.”

Röntgenképalkotás

A röntgensugarakat bizonyos anyagokon való áthatolási képességük miatt számos roncsolásmentes értékelési és vizsgálati alkalmazásban használják, különösen a szerkezeti alkatrészek hibáinak vagy repedéseinek azonosítására. Az NDT Resource Center szerint: “A sugárzást az alkatrészen keresztül filmre vagy más detektorra irányítják. Az így kapott árnyékgrafika megmutatja a belső jellemzőket” és azt, hogy az alkatrész ép-e. Ez ugyanaz a technika, amelyet az orvosi és fogorvosi rendelőkben használnak a csontokról, illetve a fogakról készült röntgenfelvételek készítéséhez.

A röntgensugarak a szállítmányok, poggyászok és utasok közlekedésbiztonsági ellenőrzéséhez is elengedhetetlenek. Az elektronikus képalkotó detektorok lehetővé teszik a csomagok és egyéb utastárgyak tartalmának valós idejű megjelenítését.

A röntgensugarak eredeti felhasználása a csontok leképezésére szolgált, amelyek az akkoriban rendelkezésre álló filmeken könnyen megkülönböztethetők voltak a lágyrészektől. A pontosabb fókuszáló rendszerek és az érzékenyebb detektálási módszerek, például a továbbfejlesztett fotófilmek és az elektronikus képalkotó érzékelők azonban lehetővé tették, hogy egyre finomabb részleteket és a szövetek sűrűségének finom különbségeit különböztessék meg, miközben sokkal alacsonyabb expozíciós szintet használnak.

A komputertomográfia (CT) emellett több röntgenfelvételt kombinál az adott terület 3D-s modelljévé.

A CT-hez hasonlóan a szinkrotron tomográfia a Helmholtz Anyag- és Energiaügyi Központ szerint képes háromdimenziós képeket készíteni olyan tárgyak belső szerkezetéről, mint például a műszaki alkatrészek.

Röntgensugaras terápia

A sugárterápia nagy energiájú sugárzást használ a rákos sejtek elpusztítására a DNS-ük károsításával. Mivel a kezelés a normál sejteket is károsíthatja, a National Cancer Institute azt ajánlja, hogy a kezelést gondosan tervezzék meg a mellékhatások minimalizálása érdekében.

Az Egyesült Államok Környezetvédelmi Ügynöksége szerint a röntgensugárzásból származó úgynevezett ionizáló sugárzás elég energiával sújt egy fókuszált területet ahhoz, hogy teljesen eltávolítsa az elektronokat az atomokból és molekulákból, így megváltoztatva azok tulajdonságait. Elegendő dózisban ez károsíthatja vagy elpusztíthatja a sejteket. Míg ez a sejtkárosodás rákot okozhat, a rák ellen is fel lehet használni. A röntgensugarakat a rákos daganatokra irányítva elpusztíthatja ezeket a kóros sejteket.

Röntgencsillagászat

Robert Patterson, a Missouri Állami Egyetem csillagászprofesszora szerint a röntgensugárzás égi forrásai közé tartoznak a fekete lyukakat vagy neutroncsillagokat tartalmazó közeli kettős rendszerek. Ezekben a rendszerekben a nagyobb tömegű és kompaktabb csillagmaradvány a befelé tartó spirálban anyagot tud leválasztani kísérőcsillagáról, hogy rendkívül forró, röntgensugárzást kibocsátó gázból álló korongot alkosson. Emellett a spirálgalaxisok középpontjában lévő szupermasszív fekete lyukak is képesek röntgensugárzást kibocsátani, mivel elnyelik a gravitációs hatókörükbe eső csillagokat és gázfelhőket.

A röntgenteleszkópok alacsony szögben történő visszaverődéssel fókuszálják ezeket a nagy energiájú fotonokat (fényt), amelyek egyébként a normál távcsőtükrökön keresztülhaladnának. Mivel a Föld légköre a legtöbb röntgensugárzást blokkolja, a megfigyeléseket általában nagy magasságú léggömbökkel vagy keringő teleszkópokkal végzik.

Kiegészítő források