Ε. Κ. Παλούρα

20/10/10 Page 1 of 25

Οι ακτίνες Χ είναι ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία με

λ [10-9-10-12m] (ή 0,01-10Å) και ενέργεια φωτονίων keV.

To ορατό εκπέμπεται στην περιοχή ενεργειών 1,6-3,2eV.

Η ιστορική 1η παρατήρηση 1895: Ο Prof. W. Rőntgen (1o

βραβείο Nobel Φυσικής)

1η εφαρμογή ¨1 μήνα αργότερα!!!!!!

Γιατί μας ενδιαφέρουν οι ακτίνες Χ? Πληθώρα εφαρμογών

1. Ιατρική: ακτινογραφία, αξονική τομογραφία

2.Λιθογραφία ακτίνων Χ,

μικρομηχανική: κατασκευή μικροδομών

με ακρίβεια καλύτερη του 1 μm σε δομές

διαστάσεων mm

3. Περίθλαση ακτίνων Χ δομή κρυστάλλων, πρωτεϊνών

Ε. Κ. Παλούρα

20/10/10 Page 2 of 25

Βραβείο Nobel Χημείας 2009 "for studies of the structure and function of

the ribosome"

Venkatraman

Ramakrishnan

MRC Lab. of Molecular

Biology, Cambridge, UK

Ada E. Yonath

Weizmann Institute of

Science, Israel

Thomas A. Steitz

Yale University, CT,

USA

Ribosomes, Based upon the information in

DNA, produce proteins, which in turn

control the chemistry in all living organisms:

oxygen-transporting haemoglobin,

antibodies of the immune system, hormones

such as insulin, the collagen of the skin, or

enzymes that break down sugar.

Ε. Κ. Παλούρα

20/10/10 Page 3 of 25

Σύστημα & μηχανισμός παραγωγής ακτίνων Χ -Προσοχή στη

διαφορά

Σύστημα παραγωγής ακτίνων Χ

Ο σωλήνας Coolidge (1913) General Electric, ΗΠΑ.

Το σύστημα λειτουργεί υπό κενό (10-7atm) ελαχιστοποιείται

η απώλεια ενέργειας των e λόγω σκεδάσεων με άτομα του

αερίου. Η θερμιονική κάθοδος εκπέμπει ηλεκτρόνια. Το ρεύμα

των e εξαρτάται από την Τ της καθόδου:

kTexpATj 2

Μηχανισμός παραγωγής ακτίνων Χ

ταχέως κινούμενα e επιταχύνονται υπό ΔV=103-106V

προσπίπτουν σε μεταλλική άνοδο-στόχο με

ενέργεια: eVEkin

Ε. Κ. Παλούρα

20/10/10 Page 4 of 25

Στην καλύτερη περίπτωση όλη η ενέργεια του e

μετατρέπεται σε ενέργεια φωτονίου ακτίνων Χ

minmaxkin

chhfeVE

Τα ηλεκτρόνια επιβραδύνονται με

μηχανισμούς 1 ή πολλών σταδίων και

προκαλούν την εκπομπή γραμμικού ή

συνεχούς φάσματος:

Η μέγιστη ενέργεια των γραμμών εκπομπής δίνεται από τη

σχέση:

minmaxkin

chhfeVE

Το 99% της ενέργειας των e χάνεται υπό μορφή θερμότητας

Ε. Κ. Παλούρα

20/10/10 Page 5 of 25

Το φάσμα εξαρτάται άμεσα

από

Το υλικό της ανόδου

Το δυναμικό λειτουργίας

Αύξηση του V

αύξηση της ακτινοβολίας

πέδησης και

ελάττωση του λο.

min

cheV

Νόμος του Moseley (1913) bZv

Η συχνότητα των

μονοχρωματικών γραμμών του

φάσματος είναι:

όπου α, b σταθερές και Z ο

ατομικός αριθμός.

Ε. Κ. Παλούρα

20/10/10 Page 6 of 25

Απορρόφηση ακτίνων Χ : x

oeJJ [J m-2 s-1]

Προσοχή!!! ορίζουμε τον συντελεστή απορρόφησης μάζης

m Αποδεικνύεται ότι: 33

m Zc

τα βαρέα στοιχεία απορροφούν εντονότερα από τα ελαφρά.

οι μαλακές ακτίνες Χ (μεγάλο λ) απορροφώνται εντονότερα

από τις σκληρές.

Αρχή λειτουργίας μέτρων προστασίας

Ε. Κ. Παλούρα

20/10/10 Page 7 of 25

Μηχανισμοί αλληλεπίδρασης των ακτίνων Χ με την ύλη

Σκέδαση Compton : παρατηρήθηκε το 1924

Μηχανισμός:

φωτόνιο (hν) με μήκος κύματος λ σκεδάζεται από σχεδόν

ελεύθερο ηλεκτρόνιο (e)

Το hν χάνει μέρος της ενέργειάς του και σκεδάζεται υπό γωνία

θ με νέο μήκος κύματος

Το e αποκτά κινητική ενέργεια 2m21

Μηχανισμός σκέδασης

Compton

Κατά τη σκέδαση Compton προκύπτουν και φωτόνια με μήκος

κύματος μεγαλύτερο του προσπίπτοντος. cos1mc

h

Ε. Κ. Παλούρα

20/10/10 Page 8 of 25

Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο : Παρατηρήθηκε το 1887

Μηχανισμός: φωτόνιο ακτίνων Χ

σκεδάζεται από ακίνητο e που

καθίσταται ελεύθερο με

2kin m2

1E

Παράδειγμα-Επίδραση

του λ στο φάσμα

φωτοηλεκτρονίων του

καλίου: η Εmin =2 eV. Για

Ε<Εmin δεν εκπέμπονται

e. Για Ε>Εmin τα e έχουν

Εkin0.

Το φαινόμενο Compton είναι :

σημαντικό για σκληρές ακτίνες Χ

σχετικά ανεξάρτητο του Ζ και της ενέργειας του φωτονίου.

Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο είναι σημαντικό για:

Υλικά μεγάλου Ζ (Ζ5)

Μαλακές ακτίνες Χ (Ε<50keV)

Ε. Κ. Παλούρα

20/10/10 Page 9 of 25

Ιδιότητες των ακτίνων Χ

Προσβάλλουν την φωτογραφική πλάκα ανίχνευση &

εφαρμογές

Έχουν μεγάλο βάθος διείσδυσης στα υλικά

Ιονίζουν τα άτομαανίχνευση & καταστροφή

Δεν αποκλίνουν υπό την επίδραση ηλεκτρομαγνητικού πεδίου.

Ανίχνευση ακτίνων Χ

Φθορίζουσα οθόνη

Απορροφά ακτίνες Χ και επανεκπέμπει ορατό φως. Η διαφορά

της ενέργειας προσπίπτοντος και εκπεμπόμενου φωτονίου

απορροφάται υπό μορφή θερμότητας.

Φθορισμός νανο-σωματιδίων

CdSe που εκτίθενται σε

υπεριώδες με διαφορετικά λ

Απεικόνιση σε πραγματικό

χρόνο

Ε. Κ. Παλούρα

20/10/10 Page 10 of 25

Φωτογραφικό φίλμ : ακτινογραφία, δοσιμετρία

Θάλαμος ιονισμού Geiger-Müller (1908-1928)

Εχει μικρό μέγεθος εύχρηστος.

Στηρίζεται στην ικανότητα των ακτίνων Χ

να ιονίζουν την ύλη.

Αρχή λειτουργίας

Αποτελείται από σωλήνα με

αέριο υπό χαμηλή πίεση.

Οι ακτίνες Χ ιονίζουν το

αέριο.

Τα ηλεκτρόνια και τα

ιόντα οδεύουν προς τα

αντίστοιχα ηλεκτρόδια

Κλείνει το κύκλωμα και

διαρρέεται από ρεύμα Ι

Το Ι βαθμού ιονισμού

και της ενέργειας των

προσπιπτόντων φωτονίων.

Ε. Κ. Παλούρα

20/10/10 Page 11 of 25

Φωτοπολλαπλασιαστής

Αποτελείται από : σωλήνα υπό κενό, την φωτοκάθοδο (που υπό την επίδραση των ακτίνων Χ

εκπέμπει ηλεκτρόνια) & x το πλήθος ανόδους.

H φωτοκάθοδος εκπέμπει e που εστιάζονται και προσπίπτουν στην 1η άνοδο που επικαλύπτεται με υλικό που έχει πολύ μικρό έργο εξόδου.

Για κάθε προσπίπτον ηλεκτρόνιο η άνοδος εκπέμπει περισσότερα του ενός ηλεκτρόνια ενίσχυση σήματος.

Ο φωτοπολλαπλασιαστής

έχει x το πλήθος ανόδων

πολλά στάδια ενίσχυσης.

Η συνολική ενίσχυση είναι

xn όπου x το πλήθος των

ανόδων και το 4,2n

Μεταβολή της ενίσχυσης συναρτήσει της διαφοράς δυναμικού και του πλήθους των ανόδων.

Ε. Κ. Παλούρα

20/10/10 Page 12 of 25

Εφαρμογές των ακτίνων Χ

Ακτινογραφία

Ακτινογραφία στήθους που δείχνει την

παρουσία κακοήθους όγκου.

Αρχή λειτουργίας της ακτινογραφίας

Η απορρόφηση λ3Ζ3

Οι ιστοί αποτελούνται από ελαφριά στοιχεία & είναι

διαπερατοί στις ακτίνες Χ

Η C Ν O

Ζ-1 Z=6 Ζ=7 Z=8

Τα οστά αποτελούνται από βαρύτερα στοιχεία & είναι

αδιαφανή στις ακτίνες Χ

Ca P

Z=20 Z=15

Προστασία από τις ακτίνες Χ

Pb (Z=82) : καλή προστασία

Be (Z=4) : διαφανές στις ακτίνες Χ.

Ε. Κ. Παλούρα

20/10/10 Page 13 of 25

Aξονική τομογραφία (CAT –computer axial tomography, CT-computerized tomography)

Χρησιμοποιούνται ταυτόχρονα περισσότερες από 1 δέσμες

ακτίνων Χ. Η ένταση της κάθε διερχόμενης δέσμης, που

καταγράφεται από τον ανιχνευτή, διαμορφώνεται από τους

διαφορετικούς ιστούς που διαπερνά και επομένως είναι διαφορετική.

Η CT επιτρέπει την καταγραφή ειδώλων τομών του σώματος σε

διεύθυνση κάθετη προς το ύψος του ασθενούς. Η ανασύνθεση της

3D εικόνας γίνεται με τη βοήθεια κατάλληλου λογισμικού.

Ε. Κ. Παλούρα

20/10/10 Page 14 of 25

3D απεικονίσεις αξονικής τομογραφίας.

Απεικόνιση CAT του στήθους

σε διεύθυνση κάθετη προς τη

σπονδυλική στήλη. Η καρδιά

βρίσκεται στο κέντρο της

εικόνας, ενώ τα πνευμόνια

αντιστοιχούν στις σκοτεινές

περιοχές που βρίσκονται

ανάμεσα στις κίτρινες. Το ροζ

ακανόνιστο σχήμα αριστερά

αντιστοιχεί σε καρκίνωμα.

3D απεικόνιση της λεκάνης και

μέρους της σπονδυλικής στήλης.

Ο φθορισμός

χρησιμοποιείται για την απεικόνιση σε πραγματικό χρόνο

(real time) των εσωτερικών οργάνων των ασθενών.

Η βασική συσκευή περιλαμβάνει μία πηγή ακτίνων Χ και μία

φθορίζουσα οθόνη.

όγκος

πνεύμονας καρδιά

Ε. Κ. Παλούρα

20/10/10 Page 15 of 25

Τα σύγχρονα συστήματα περιλαμβάνουν ενισχυτές του

σήματος και Video camera που επιτρέπει την καταγραφή του

ειδώλου.

Παράδειγμα εικόνας φθορισμού.

Ασφάλεια:

Μηχανές ακτίνων Χ χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο

αποσκευών στα αεροδρόμια και την ανίχνευση βομβών και

όπλων.

Χρησιμοποιούν πολύ χαμηλή δόση είναι ασφαλή για τους

εργαζόμενους και τους ταξιδιώτες.

Ε. Κ. Παλούρα

20/10/10 Page 16 of 25

Οι μονάδες μέτρησης ιονίζουσας ακτινοβολίας είναι κοινές για

τις ακτίνες Χ καθώς και για τα σωματίδια α (πυρήνες He), β

(ηλεκτρόνια) και τις ακτίνες γ που παράγονται από τη διάσπαση

ραδιενεργών πυρήνων.

Η ενέργεια που απαιτείται για τον ιονισμό ενός ατόμου ή

μορίου 1-35eV.

Η ενέργεια των ακτίνων Χ (αλλά και των α, β και γ) είναι

πολύ μεγαλύτερη ένα φωτόνιο τους μπορεί να προκαλέσει

ιονισμό χιλιάδων μορίων.

Οι μονάδες διακρίνονται σε

μονάδες έκθεσης και

μονάδες απορροφηθείσης δόσης.

Η έκθεση ορίζεται ως το πλήθος των θετικών ιόντων συνολικού

φορτίου q που παράγονται όταν δέσμη ακτίνων Χ διαπερνά μάζα

m ξηρού αέρα στους 0οC υπό P=1atm.

)kg (Cb m

qέ 1-

Ε. Κ. Παλούρα

20/10/10 Page 17 of 25

To Röntgen R (η πιο παλιά μονάδα μέτρησης της έκθεσης) είναι η

ποσότητα της ακτινοβολίας που απαιτείται για να δημιουργηθούν

2,08x109 ζεύγη ιόντων σε 1 cm3 ξηρού αέρα, στους 0οC υπό P=1

atm. Στο σύστημα SI: 1 R=2.58x10-4 Cb/kg.

Δόση 500 R σε 5 ώρες είναι θανατηφόρα

Η έκθεση δεν δίνει πληροφορίες για τις επιπτώσεις των ακτίνων

Χ σε ζωντανούς ιστούς ορίζεται η απορροφηθείσα δόση.

Η απορροφηθείσα δόση, και ο βαθμός ιονισμού που προκαλεί,

εξαρτάται από την φύση του υλικού που απορροφά.

Oρίζονται τα μεγέθη rad και rem:

Rad (Rőntgen absorbed dose): 1 rad είναι η ποσότητα της

ακτινοβολίας που απελευθερώνει 10-5 J ανά gr απορροφόντος

υλικού (ή 0.01 J/kg).

Στο σύστημα SI η μονάδα απορροφηθείσης δόσης είναι το Gray :

J/kg 1(Gy) Gray 1 =100 rad

Rem=Röntgen equivalent man= Röntgen ισοδύναμο για τον

άνθρωπο. To rem είναι το γινόμενο της απορροφηθείσης δόσης

(σε Röntgen) με την βιολογική αποτελεσματικότητα

Ε. Κ. Παλούρα

20/10/10 Page 18 of 25

1 Rem ισούται με την απορροφηθείσα δόση που προκαλεί σε έναν

άνθρωπο αποτέλεσμα ισοδύναμο με 1 rad ακτίνων Χ ενέργειας

250 keV. Μονάδες : sievert (1 sievert =100 rem)

Επειδή διαφορετικοί τύποι ακτινοβολίας προκαλούν διαφορετικά

βιολογικά αποτελέσματα για την ίδια ποσότητα απορροφηθείσης

ενέργειας ορίζεται η Σχετική βιολογική αποτελεσματικότητα

RBE (Relative Biological Effectiveness)

Τιμές RBE για διάφορες ακτινοβολίες

Ακτινοβολία RBE

Ακτίνες Χ 200 keV 1

Ακτίνες γ 1

Σωματίδια β (e-) 1

Πρωτόνια 10

Σωματίδια α 10-20

Βραδέα νετρόνια 2

Ταχέα νετρόνια 10

Δηλαδή ενώ οι ακτίνες γ και τα ηλεκτρόνια έχουν το ίδιο

καταστροφικό αποτέλεσμα με ακτίνες Χ ενέργειας 200keV, η

καταστροφή που προκαλούν τα υπόλοιπα σωματίδια είναι πολύ

μεγαλύτερη, π.χ. για τα πρωτόνια είναι 10 φορές μεγαλύτερη.

Ε. Κ. Παλούρα

20/10/10 Page 19 of 25

Αντιπροσωπευτικές τιμές δόσεων (mSv) στις οποίες εκτίθενται οι ασθενείς

όταν υποβάλλονται σε διαγνωστικές εξετάσεις. Το 1940 οι δόσεις ήταν 50-

100 φορές υψηλότερες. Το 1960 για την μαστογραφία χρησιμοποιούσαν

δόσεις 100 φορές μεγαλύτερες από ότι σήμερα.

Τυπικές τιμές δόσεων

Πηγή Δόση

Υπόβαθρο 0,075 rem/χρόνο

Διάγνωση (<150 keV) 0.2 rem/χρόνο

Ακτινοβόληση όγκων (5 MeV)

(εντοπισμένη)

2000-7000 rem/περίοδο

Θανατηφόρος δόση 400 rem/δόση (όλο το σώμα)

Φυσική δόση /ζωή 9 Rem

Ε. Κ. Παλούρα

20/10/10 Page 20 of 25

Τα έμβυα όντα εκτίθενται

επίσης σε ιονίζουσα

ακτινοβολία λόγω της

ακτινοβολίας του Ηλίου,

της κοσμικής ακτινοβολίας

και της διάσπασης των

φυσικών ραδιενεργών

στοιχείων.

Επιτρεπόμενα όρια δόσεων σε ελεγχόμενες περιοχές

δόση Πιθανή επιπλοκή

Εργαζόμενοι 5 rem/χρόνο Μάτια, παραγωγή αίματος

30 rem/χρόνο Δερματοπάθειες, θυρεοειδής

Κάτοικοι 0,5 rem/χρόνο

Βαθμός ευαισθησίας

Υψηλός Μυελός, λεμφαδένες, επιθύλιοι ιστοί, έμβρυα

Μέτριος Αρτηρίες, κόκαλα

Χαμηλός Νευρικό σύστημα (μη-ανατάξιμη βλάβη)

Ε. Κ. Παλούρα

20/10/10 Page 21 of 25

Αποτελέσματα διαφόρων δόσεων : η έκταση της καταστροφής

εξαρτάται από την απορροφηθείσα ενέργεια ανά gr του

οργανισμού.

Δόση Αποτέλεσμα

<25 rad -----

25-100 rad Μυελός, λεμφαδένες, σπλήνα

100-300 rad + κόπωση, πεπτικό (ανατάξιμη με αντιβίωση)

300-600 rad ++ Νευρικό σύστημα (μεταγγίσεις,

μεταμόσχευση μυελού οστών)

>1000 rad Θάνατος (κατάρρευση κυκλοφορικού +

αναπνευστικού)

Μακροχρόνιες επιπτώσεις

Καρκίνος των οστών

Λευχαιμία Hiroshima 1945 Εκδήλωση 1950-52

Manhattan project 2ος παγκόσμιος πόλεμος Μετά από 20 χρόνια

θάνατοι από

καρκίνο

Ε. Κ. Παλούρα

20/10/10 Page 22 of 25

Μακροχρόνιες επιπτώσεις στην υγεία των κατοίκων Hiroshima

μετά την έκρηξη της ατομικής βόμβας.

----λανθάνουσα περίοδος

----υποψία αύξησης

Ε. Κ. Παλούρα

20/10/10 Page 23 of 25

Νόμοι λογαρίθμων

y=10x x=log y log(xy)=logx+logy

y=ex x=ln y, e=2.718 log yx =logx-logy

10=e2.303 log yn=n log y

ln 10=2.303

Ε. Κ. Παλούρα

20/10/10 Page 24 of 25

πηγές

Ρελατιβιστικά ηλεκτρόνια, με

E GeV, εκτρέπονται από την

ευθύγραμμη τροχιά τους υπό

την επίδραση μαγνητικού

πεδίου εκπέμπουν ευρύ

φάσμα, από το υπέρυθρο έως

τις σκληρές ακτίνες Χ, με πολύ

υψηλή ένταση.

Η ακτινοβολία εκπέμπεται

εφαπτομενικά στο σημείο

καμπής της τροχιάς των

ηλεκτρονίων.

Η ακτινοβολία SR βρίσκει εκτεταμένες εφαρμογές στις φυσικές

επιστήμες, τη φαρμακευτική και την ιατρική, την

μικροηλεκτρονική, τη μικρομηχανική και την κοσμετολογία.

Ε. Κ. Παλούρα

20/10/10 Page 25 of 25

Τα εργαστήρια παραγωγής ακτινοβολίας synchrotron ESRF-Greboble &

BESSY-Βερολίνο. Ενδεικτική διάμετρος δακτυλίου αποθήκευσης 240 m

Η φωτεινότητα της δέσμης των

ακτίνων Χ αυξήθηκε κατά 13

τάξεις μεγέθους (1013 φορές)

από το 1900.