Hva er røntgenbilder?

Røntgenbilder er typer elektromagnetisk stråling, sannsynligvis mest kjent for sin evne til å se gjennom en persons hud og avsløre bilder av beinene under den. Fremskritt innen teknologi har ført til kraftigere og fokuserte røntgenstråler samt stadig større anvendelser av disse lysbølgene, fra avbildning av teensiske biologiske celler og strukturelle komponenter i materialer som sement til dreping av kreftceller.  

Røntgenbilder klassifiseres omtrent som myke røntgenstråler og harde røntgenstråler. Myke røntgenstråler har relativt korte bølgelengder på omtrent 10 nanometer (et nanometer er en milliarddel meter), og derfor faller de i området for det elektromagnetiske (EM) spekteret mellom ultrafiolett (UV) lys og gammastråler. Harde røntgenstråler har bølgelengder på omtrent 100 pikometer (et pikometer er en billion billion). Disse elektromagnetiske bølgene opptar det samme området av EM-spekteret som gammastråler. Den eneste forskjellen mellom dem er deres kilde: røntgenstråler produseres ved å akselerere elektroner, mens gammastråler produseres av atomkjerner i en av fire kjernefysiske reaksjoner. 

Historie om røntgenstråler

Røntgenbilder ble oppdaget i 1895 av Wilhelm Conrad Röentgen, professor ved Würzburg University i Tyskland. I følge Nondestructive Resource Center's "History of Radiography", la Röentgen merke til krystaller i nærheten av et høyspent katodestrålerør som hadde en lysstoffrør, selv når han skjermet dem med mørkt papir. Det ble produsert en form for energi av røret som trengte gjennom papiret og fikk krystallene til å glø. Röentgen kalte den ukjente energien "X-stråling." Eksperimenter viste at denne strålingen kunne trenge gjennom mykt vev, men ikke bein, og ville produsere skyggebilder på fotografiske plater. 

For denne oppdagelsen ble Röentgen tildelt den aller første nobelprisen i fysikk, i 1901.

Røntgenkilder og effekter

Røntgenstråler kan produseres på jorden ved å sende en høyenergi-stråle av elektroner som smadrer inn i et atom som kobber eller gallium, ifølge Kelly Gaffney, direktør for Stanford Synchrotron Radiation Lightsource. Når strålen treffer atomet, blir elektronene i det indre skallet, kalt s-skallet, sprengt og noen ganger kastet ut av bane deres. Uten det elektronet, eller elektronene, blir atomet ustabilt, og slik at atomet "slapper av" eller går tilbake til likevekt, sa Gaffney, et elektron i det såkalte 1p-skallet faller inn for å fylle gapet. Resultatet? En røntgenstråle blir løslatt.

"Problemet med det er fluorescensen [eller røntgenlys gitt av] går i alle retninger," fortalte Gaffney. "De er ikke retningsbestemte og ikke fokuserbare. Det er ikke en veldig enkel måte å lage en høyenergi, lys kilde til røntgenstråler."

Gå inn i en synkrotron, en type partikkelakselerator som akselererer ladede partikler som elektroner inne i en lukket, sirkulær bane. Grunnleggende fysikk antyder at når du akselererer en ladet partikkel, avgir den lys. Hvilken type lys avhenger av energien til elektronene (eller andre ladede partikler) og magnetfeltet som skyver dem rundt sirkelen, sa Gaffney.

Siden synkrotronelektronene skyves til nær lysets hastighet, avgir de enorme mengder energi, spesielt røntgenenergi. Og ikke bare noen røntgenstråler, men en veldig kraftig stråle med fokusert røntgenlys.

Synchrotron-stråling ble sett for første gang på General Electric i USA i 1947, ifølge European Synchrotron Radiation Facility. Denne strålingen ble betraktet som en plage fordi den fikk partiklene til å miste energi, men den ble senere anerkjent på 1960-tallet som lys med eksepsjonelle egenskaper som overviste manglene ved røntgenrør. Et interessant trekk ved synkrotronstråling er at den er polarisert; det vil si at de elektriske og magnetiske feltene til fotonene alle svinger i samme retning, som kan være enten lineære eller sirkulære. 

"Fordi elektronene er relativistiske [eller beveger seg i nær lyshastighet], når de avgir lys, ender det opp med å bli fokusert i retning fremover," sa Gaffney. "Dette betyr at du ikke bare får den rette fargen på lette røntgenbilder og ikke bare mange av dem fordi du har mange elektroner lagret, de sendes også fortrinnsvis ut i retning fremover."

Røntgenbilde

På grunn av deres evne til å trenge gjennom visse materialer, brukes røntgenstråler til flere ikke-destruktive evaluerings- og testapplikasjoner, spesielt for å identifisere feil eller sprekker i strukturelle komponenter. I følge NDT Resource Center er "Stråling rettet gjennom en del og mot [en] film eller annen detektor. Den resulterende skyggegrafen viser de interne funksjonene" og om delen er lyd. Dette er den samme teknikken som ble brukt på leger og tannlegekontorer for å lage røntgenbilder av henholdsvis bein og tenner. [Bilder: Stunning Fish Röntgenbilder]

Røntgenstråler er også viktige for inspeksjoner av sikkerhet for last, bagasje og passasjerer. Elektroniske avbildningsdetektorer muliggjør visualisering av innholdet i pakker og andre passasjerartikler i sanntid. 

Den opprinnelige bruken av røntgenbilder var for avbildning av bein, som lett kunne skilles fra bløtvev på filmen som var tilgjengelig på det tidspunktet. Imidlertid har mer nøyaktige fokuseringssystemer og mer sensitive deteksjonsmetoder, som forbedrede fotografiske filmer og elektroniske bildesensorer, gjort det mulig å skille stadig mer detaljerte og subtile forskjeller i vevstetthet, mens du bruker mye lavere eksponeringsnivåer.

I tillegg kombinerer computertomografi (CT) flere røntgenbilder til en 3D-modell av et område av interesse.

I likhet med CT kan synkrotrontomografi avsløre tredimensjonale bilder av interiørstrukturer av gjenstander som ingeniørkomponenter, ifølge Helmholtz Center for Materials and Energy.

Røntgenbehandling

Strålebehandling bruker høyenergistråling for å drepe kreftceller ved å skade deres DNA. Siden behandlingen også kan skade normale celler, anbefaler National Cancer Institute at behandlingen planlegges nøye for å minimere bivirkninger. 

I følge det amerikanske miljøvernbyrået, så kaller såkalt ioniserende stråling fra røntgenstråler et fokusert område med nok energi til å fjerne strips fullstendig fra atomer og molekyler, og dermed endre egenskapene. I tilstrekkelige doser kan dette skade eller ødelegge celler. Selv om denne celleskaden kan forårsake kreft, kan den også brukes til å bekjempe den. Ved å rette røntgenstråler mot kreftsvulster kan det ødelegge de unormale cellene. 

Røntgenastronomi

I følge Robert Patterson, professor i astronomi ved Missouri State University, inkluderer himmelsk kilder til røntgenbilder nære binære systemer som inneholder sorte hull eller nøytronstjerner. I disse systemene kan den mer massive og kompakte stjernestrømmen strippe materiale fra sin følgesvennstjerne for å danne en plate med ekstremt varm røntgenstrålende gass når den spiraler innover. I tillegg kan supermassive sorte hull i sentrum av spiralgalakser avgi røntgenstråler når de tar opp stjerner og gassskyer som faller innenfor gravitasjonsområdet.. 

Røntgen-teleskoper bruker refleksjoner i lav vinkel for å fokusere disse høyenergi-fotonene (lys) som ellers ville passere gjennom normale teleskopspeil. Fordi jordas atmosfære blokkerer de fleste røntgenstråler, blir observasjoner vanligvis utført ved hjelp av ballonger i høy høyde eller i bane-teleskoper. 

Tilleggsressurser

• For å lære mer, last ned denne PDF-filen fra SLAC med tittelen "Early History of X-Rays."
• NDE / NDT ressurssenter gir informasjon om ikke-destruktiv evaluering / ikke-destruktiv testing. 
• NASAs misjonsside om det elektromagnetiske spekteret forklarer hvordan astronomer bruker røntgenstråler.

Denne siden ble oppdatert 5. oktober 2018 av Managing Editor, Jeanna Bryner.