Röntgenstrålar är en typ av elektromagnetisk strålning som förmodligen är mest känd för sin förmåga att se genom en människas hud och visa bilder av benen under huden. Tekniska framsteg har lett till kraftfullare och mer fokuserade röntgenstrålar samt allt fler användningsområden för dessa ljusvågor, från att avbilda pyttesmå biologiska celler och strukturella komponenter i material som cement till att döda cancerceller.

Röntgenstrålar delas grovt in i mjuka röntgenstrålar och hårda röntgenstrålar. Mjuka röntgenstrålar har relativt korta våglängder på cirka 10 nanometer (en nanometer är en miljarddel av en meter) och ligger därför i det elektromagnetiska (EM) spektrumet mellan ultraviolett (UV) ljus och gammastrålar. Hård röntgenstrålning har en våglängd på cirka 100 pikometer (en pikometer är en trilliondel av en meter). Dessa elektromagnetiska vågor befinner sig i samma område av EM-spektrumet som gammastrålar. Den enda skillnaden mellan dem är deras källa: Röntgenstrålar produceras genom acceleration av elektroner, medan gammastrålar produceras av atomkärnor i en av fyra kärnreaktioner.

Röntgenstrålarnas historia

Röntgenstrålar upptäcktes 1895 av Wilhelm Conrad Röentgen, professor vid universitetet i Würzburg i Tyskland. Enligt Nondestructive Resource Centers ”History of Radiography” noterade Röentgen att kristaller i närheten av ett högspänningskatodstrålerör uppvisade ett fluorescerande sken, även när han skyddade dem med mörkt papper. Någon form av energi producerades av röret som trängde igenom pappret och fick kristallerna att lysa. Röentgen kallade den okända energin för ”röntgenstrålning”. Experiment visade att denna strålning kunde tränga igenom mjuka vävnader men inte ben, och att den gav upphov till skuggbilder på fotografiska plåtar.

För denna upptäckt tilldelades Röentgen 1901 det allra första Nobelpriset i fysik.

Röntgenkällor och effekter

Röntgenstrålning kan produceras på jorden genom att skicka en högenergistråle av elektroner som slår in i en atom som koppar eller gallium, enligt Kelly Gaffney, föreståndare för Stanford Synchrotron Radiation Lightsource. När strålen träffar atomen blir elektronerna i det inre skalet, det så kallade s-skalet, omskakade och ibland slungas de ut ur sin omloppsbana. Utan denna elektron eller dessa elektroner blir atomen instabil, och för att atomen ska kunna ”slappna av” eller återgå till jämvikt, säger Gaffney, måste en elektron i det så kallade 1p-höljet komma in för att fylla luckan. Resultatet? En röntgenstråle frigörs.

”Problemet med det är att fluorescensen går i alla riktningar”, säger Gaffney till Live Science. ”De är inte riktade och inte fokuserbara. Det är inte ett särskilt enkelt sätt att skapa en högenergetisk, ljuskälla för röntgenstrålar.”

Det är en synkrotron, en typ av partikelaccelerator som accelererar laddade partiklar, t.ex. elektroner, i en sluten, cirkelformad bana. Grundläggande fysik tyder på att varje gång man accelererar en laddad partikel avger den ljus. Vilken typ av ljus beror på energin hos elektronerna (eller andra laddade partiklar) och det magnetfält som driver dem runt cirkeln, säger Gaffney.

Då synkrotronelektronerna drivs till nära ljusets hastighet avger de enorma mängder energi, framför allt röntgenenergi. Och inte vilken röntgenstråle som helst, utan en mycket kraftfull stråle av fokuserat röntgenljus.

Synkrotronstrålning sågs för första gången vid General Electric i USA 1947, enligt European Synchrotron Radiation Facility. Denna strålning betraktades som en olägenhet eftersom den fick partiklarna att förlora energi, men den erkändes senare på 1960-talet som ljus med exceptionella egenskaper som övervann röntgenrörens brister. En intressant egenskap hos synkrotronstrålning är att den är polariserad, det vill säga att fotonernas elektriska och magnetiska fält alla oscillerar i samma riktning, som kan vara antingen linjär eller cirkulär.

”Eftersom elektronerna är relativistiska , när de avger ljus, blir det i slutändan fokuserat i den framåtriktade riktningen”, säger Gaffney. ”Det betyder att du inte bara får rätt färg på ljusröntgenstrålar och inte bara många av dem eftersom du har många elektroner lagrade, de avges också företrädesvis i framåtriktad riktning.”

Röntgenavbildning

På grund av deras förmåga att tränga igenom vissa material används röntgenstrålar för flera icke-förstörande utvärderings- och provningstillämpningar, särskilt för att identifiera brister eller sprickor i strukturella komponenter. Enligt NDT Resource Center: ”Strålning riktas genom en del och på film eller annan detektor. Den resulterande skuggbilden visar de inre egenskaperna” och om delen är sund. Detta är samma teknik som används på läkar- och tandläkarmottagningar för att skapa röntgenbilder av ben respektive tänder.

Röntgenstrålar är också viktiga för säkerhetsinspektioner av gods, bagage och passagerare inom transportsektorn. Elektroniska bilddetektorer gör det möjligt att i realtid visualisera innehållet i paket och andra passagerarartiklar.

Den ursprungliga användningen av röntgenstrålar var för att avbilda ben, som lätt kunde särskiljas från mjuka vävnader på den film som fanns tillgänglig på den tiden. Noggrannare fokuseringssystem och känsligare detektionsmetoder, t.ex. förbättrade fotografiska filmer och elektroniska bildsensorer, har dock gjort det möjligt att urskilja allt finare detaljer och subtila skillnader i vävnadstäthet, samtidigt som man använder mycket lägre exponeringsnivåer.

Tomografi (CT) kombinerar dessutom flera röntgenbilder till en 3D-modell av ett område av intresse.

Som liknar CT kan synkrotrontomografi avslöja tredimensionella bilder av inre strukturer av objekt som tekniska komponenter, enligt Helmholtz Center for Materials and Energy.

Röntgenterapi

Röntgenterapi använder högenergistrålning för att döda cancerceller genom att skada deras DNA. Eftersom behandlingen även kan skada normala celler rekommenderar National Cancer Institute att behandlingen planeras noggrant för att minimera biverkningarna.

Enligt U.S. Environmental Protection Agency zappar så kallad joniserande strålning från röntgenstrålar ett fokuserat område med tillräckligt mycket energi för att helt och hållet avlägsna elektroner från atomer och molekyler och på så sätt förändra deras egenskaper. I tillräckliga doser kan detta skada eller förstöra celler. Denna cellskada kan orsaka cancer, men den kan också användas för att bekämpa den. Genom att rikta röntgenstrålar mot cancertumörer kan man förstöra dessa onormala celler.

Röntgenastronomi

Enligt Robert Patterson, professor i astronomi vid Missouri State University, är de himmelska källorna till röntgenstrålar bland annat nära binära system som innehåller svarta hål eller neutronstjärnor. I dessa system kan den mer massiva och kompakta stjärnresterna avlägsna material från sin kompanjonstjärna för att bilda en skiva av extremt het gas som avger röntgenstrålar när den spiralformas inåt. Dessutom kan supermassiva svarta hål i centrum av spiralgalaxer avge röntgenstrålning när de absorberar stjärnor och gasmoln som faller inom deras gravitationsområde.

Röntgenteleskop använder reflektioner med låg vinkel för att fokusera dessa fotoner (ljus) med hög energi som annars skulle passera genom vanliga teleskopspeglar. Eftersom jordens atmosfär blockerar de flesta röntgenstrålar utförs observationer vanligtvis med hjälp av ballonger på hög höjd eller teleskop i omloppsbana.

Tilläggsresurser